普通机床的数控改造-毕业论文

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言

数控机床经济型改造,实质是机械工程技术与微电子技术的结合。经改造后的机床加工的精度、效率、速度都有了很明显的提高，适合我国现在经济水平的发展要求。

本次毕业设计主要是对机床机械部分进行改造,以步进电机驱动横向进给运动、纵向进给运动以及刀架的快速换刀,使传动系统变得十分简单，传动链大大缩短,传动件数减少,从而提高机床的精度。

设计中，我们对有关数控机床及数控改造的相关书籍、刊物进行大量阅读,收集了很多资料,了解了数控机床的基本概念，数控机床的发展概况，数控机床的组成及其工作原理，扩大了我们的知识面。

随着科学技术的发展,现代机械制造要求产品的形状和结构不断改进，对零件的加工质量的要求也越来越高。随着社会对产品多样化要求的增强，产品品种增多,产品更新换代加速。数控机床代替普通机床被广泛应用是一个必然的趋势。同时，数控机床将向着更高的速度、精度、可靠性及完善性的功能发展。

普通车床数控改造——用微机数控技术改造最大加工直径为400mm普通车床的进给系统摘要：了解数控机床的概念，所谓数控是按照含有机床(刀具)运动信息程序所指定的顺序自动执行操作的过程。而计算机数控机床就是数控机床在计算机监控下进行工作。它的优点很多,如可以在同一机床上一次装夹可完成多个操作，生产率显著提高等优点，但它的价格昂贵。由于我国现在使用的机床大多数为普通车床，自动化程度低,要更新现有机床需要很多资金。为了解决这个问题,也为了适应多品种中、小批量零件加工我们选择机床经济型数控改造。总体设计方案：在普通车床上采用适合现场实时控制的80C51单片机为控制器，以运行特性好、可靠性高的步进电机为驱动执行元件进行数控改造。关键词：数控、车床、改造、80C51单片机；步进电机；

目录第一章绪论1.1毕业设计目的…………………(5)1.2毕业设计内容…………………(5)1.2.1微机数控系统总设计方案拟定…………………(5)1.2.2进给伺服系统机械部分设计计算………………(5)1.2.3微机控制系统的设计……………(5)1.2.4数控加工程序的编制……………(5)1.2.5直线的逐点比较法插补软件程序流程框图的绘制……………(6)第二章微型数控系统总体设计方案的拟定2.1毕业论文的要求和内容………(6)2.1.1课题名称…………(6)2.1.2设计任务与要求…………………(6)2.2总体方案的确定………………(6)2.2.1系统的运动方试与伺服系统的选择………………(6)2.2.2计算机系统…………(7)第三章机床进给系统机械部分设计计算3.1系统脉冲当量及切削力的确定…………………(8)3.2切削力的计算……………………(8)3.2.1纵车外圆……………(8)3.2.2横切端面……………(83.3滚珠丝杠螺母副的设计、计算、和选型………(9)3.3.1纵向进给丝杠………(10)3.3.2横向进给丝杠………(11)3.3.3纵向和横向滚珠给丝杠副几何参数………………(14)3.3.4进给伺服系统传动计算……………(15)3.3.5步进电机的计算和选用……………(15)第四章微机数控系统的设计4.1微机数控系统设计的内容………(22)4.1.1硬件电路设计内容…………………(22)4.1.2机床数控系统软件设计……………(22)4.280C51单片机及其扩展…………(23)4.2.180C51单片机的简介………………(23)4.2.2单片机的系统扩展概述……………(24)4.2.3存储器扩展…………(25)4.2.4I/O口的扩展………(26)4.2.5步进电机驱动电路…………………(26)4.2.6液晶显示控制器……………………(27)4.2.7控制面板……………(30)第五章数控机床的零件加工程序5.1数控机床加工基本要求…………(31)5.2加工步骤…………(31)5.3加工程序…………(32)第六章心得与体会参考文献……………(35)附表，混合式步进电动机相关资料……(36)第一章：绪论§1毕业设计的目的：毕业设计是培养我们理论联系实际，解决生产实际问题能力的重要步骤，它系统的检验了我们是否是合格的毕业生。它通过对机床数控系统设计总体方案的拟定，进给伺服系统机械部分结构设计、计算控制系统硬件电路的设计以及数控机床加工程序的编制，使我们综合运用所学的机械、电子和微机的知识,进行一次机电结合的全面训练，从而培养了我们具有加工编程能力，初步设计计算的能力以及分析和处理生产中所遇到的机电方面技术问题的能力。§2毕业设计的内容：1、微机数控系统总体设计方案的拟定：

（1）系统运动方式的确定

（2）伺服系统的选择。

（3）执行机构传动方式的确定。

（4）计算机的选择。

2、进给伺服系统机械部分设计计算：

（1）进给伺服系统机械部分设计方案的确定。

（2）确定脉冲当量。

（3）滚珠丝杠螺母副的选型。

（4）滚动导轨的选型。

（5）进给伺服系统传动计算。

（6）步进电机的计算和选用。

（7）设计绘制进给伺服系统一个坐标轴的机械装配图。

（8）设计绘制进给伺服系统的一张或两张零件图。

3、微机控制系统的设计：

（1）控制系统方案的确定及框图绘制。

（2）MCS-51系列单片机及扩展芯片的选用。

（3）I/O接口电路及译码电路的设计。

（4）设计绘制一台数控机床微机控制系统电路原理图。

4、数控加工程序的编制：

（1）零件工艺分析及确定工艺路线。

（2）选择数控机床设备。

（3）确定对刀点。

（4）选择刀具。

（5）确定切削用量。

（6）编制加工程序。

5、直线的逐点比较法插补软件程序流程框图的绘制。第二章微型数控系统总体设计方案的拟定：§1、毕业论文的要求和内容（包括原始数据、技术要求、工作要求）1.课题名称：用微机数控技术改造最大加工直径为400毫米普通车床的进给系统2.设计任务与要求：主要技术参数：最大加工直径（mm）：在床身上：400在床鞍上：210最大加工长度（mm）：7501000溜板及刀架重量（N）：纵向：1000横向：500刀架快移速度（m/min）：纵向：2横向：1最大进给速度（m/min）：纵向：0.6横向：0.3最小分辨率（mm）：纵向：0.01横向：0.005定位精度（mm）：0.02主电机功率（KW）：5.5起动加速时间（ms）：35设计的要求1）CNC系统的主CPU既可采用8031单片机也可用系统机。2）两个坐标的进给伺服系统既查采用步进电机驱动也可用直流或交流伺服电机驱动。3）所编的零件加工程序应符合ISO标准的有关规定。既可用手工也可用UG等软件编程。4）所绘制的机械装配图和硬件电路原理图要求正确、合理、图面整洁、符合标准。5）所编写的软件应在计算机上进行汇编和通讯等。6）说明书应简明扼要、计算准确、条理清楚、图文并茂并全部用计算机打印后装订成册§2、总体方案的确定1、系统的运动方试与伺服系统的选择：

由于改造后的经济型数控车床具有定位、直线插补、圆弧插补、暂停、循环加工、螺纹加工等功能，所以应该选用连续控制系统。考虑到经济型数控机床加工精度要求不高，为了简化结构、降低成本，采用步进电机开环控制系统。

2、计算机系统：

根据机床要求，采用8位微机。由于MCS-51系列单片机的特点之一是硬件设计简单，系统结构紧凑。对于简单的应用场合，MCS-51系统的最小系统用一片80C51外扩一片EPROM就能满足功能的要求，对于复杂的应用场合，可以利用MCS-51的扩展功能，构成功能强、规模较大的系统。控制系统由微机部分、键盘及显示器、I/O接口及光电隔离电路、步进电机功率放大电路组成，系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现，显示器采用LCD液晶显示器显示加工数据及机床状态等信息。3、为了实现机床所要求的分辨率，采用步进电机经齿轮减速再传动丝杠，为了保证一定的传动精度和平稳性，尽量减小摩擦力，选用滚珠丝杠螺母副。同时，为了提高传动刚度和消除间隙，采用有预加负载荷的结构。传动齿轮也要采用消除齿侧间隙的结构。系统总体方案框图见图（1）图（1）第三章、机床进给系统机械部分设计计算：伺服系统机械部分设计计算内容包括：确定系统的负载，确定系统脉冲当量，运动部件惯量计算，空载起动及切削力矩机计算，确定伺服电机，绘制机械部分装配图及零件工作图等。现分述如下：§1系统脉冲当量及切削力的确定脉冲当量是衡量数控机床加工精度的一个基本技术参数。经济型数控车床、铣床常采用的脉冲当量是0.01~0.005mm/脉冲,根据机床精度要求确定脉冲当量：纵向：0.01mm/step；横向：0.005mm/step§2切削力的计算1、纵车外圆：主切削力FZ（N）由经验公式（1）估算：…………式（1）而……………式（2）取，则，取，则进给抗力X向和Y向根据经验公式（3）（4）确定…………式（3）…………式（4）则得：

2、横切端面：主切削力可取纵切的一半，即

此时走刀抗力，吃刀抗力依然按上述经验公式粗略计算：则得：§3、滚珠丝杠螺母副的设计、计算、和选型（一）纵向进给丝杠：

1.计算进给牵引力Fm(N)

作用在滚珠丝杠上的进给牵引力主要包括切屑时的走刀抗力以及移动件的重量和切屑分力作用在导轨上的摩擦力，因而其数值大小和导轨的形式有关。本次设计纵向进给为综合型导轨，则按以下公式确定：……式（5）式中：K—考虑颠覆力矩影响的实验系数，综合型导轨取K=1.15—滑动导轨摩擦系数：0.15~0.18，取=0.16G—溜板及刀架重力，由已知G=1000N代入得：2.计算最大动负载Q选用滚珠丝杠副的直径时，必须保证在一定轴向负载作用下，丝杠在回转100万（）转后，在它的滚道上不产生点蚀现象。这个轴向负载的最大值即称为该滚珠丝杠能承受的最大动负载C，计算如下：

……………式（6）………式（7）

…………式（8）式中：—为滚珠丝杠导程,初选丝杠导程Lo=6mm；Vs-最大切削力下的进给速度,可取最高进给速度的1/2~1/3,此处为0.3m/min;

T-使用寿命,按15000h;

fw-运转系数,按一般运转取fw=1.2~1.5;此处取fw=1.2；

L-寿命以转为1单位.则：3.滚珠丝杠螺母副的选型：查阅《数控机床系统设计》中附表1，可采用W1L2506外循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杠副，1列2.5圈,其额定动负载为1310N,精度等级按滚珠丝杠行程公差表，选为3级(大致相当于老表准E级)

4.传动效率计算

η=tanγ/tan(γ+φ)

式中：γ—螺旋升角,W1L2506的螺旋升角γ=4°22′

φ—摩擦角取10′滚动摩擦系数0.003~0.004

则：η=tanγ/tan(γ+φ)=tan4°22′/tan(4°22′+10′)=0.965.刚度校核先画出此纵向进给滚珠丝杠支承方式草图，如下图（2）所示：图（2）纵向进给滚珠丝杠支承方式草图则：…………式（9）支承间距L=1160mm，最大轴向力为2316N，丝杠螺母及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向负载的1/3。（1）、丝杠的拉伸或压缩变形量，，，……式（10）对刚：………式（11）丝杠导程的变化量：………式（12）总长度L=1160mm，丝杠上的变形量，由于两端均采用推力球轴承，则值：（2）滚珠与螺纹滚道间接触变形：由承载滚珠数量……式（13）由于对滚珠丝杠副施加预紧力，且预紧力为轴向载荷的1/3，则变形：（3）滚珠丝杠总的弹性变形量：根据以下经验公式：……………………式（14）则可得：（4）定位误差所以，满足要求。（二）横向进给丝杠：1.计算进给轴向力横向导轨为双燕尾形，有如下计算式：…………式（15）式中：K—考虑颠覆力矩影响的实验系数，综合型导轨取K=1.4；—滑动导轨摩擦系数：取=0.2；G—溜板及刀架重力，由已知G=500N

则代入已知得：2.计算最大动负载Q计算如下：

……………式（6）………………………式（7）

…………式（8）式中：—为滚珠丝杠导程,初选丝杠导程Lo=6mm；Vs—最大切削力下的进给速度,可取最高进给速度的1/2~1/3,此处为0.3m/min;

T—使用寿命,按15000h;

fw—运转系数,按一般运转取fw=1.2~1.5;此处取fw=1.2；

L—寿命以转为1单位.则：3.滚珠丝杠螺母副的选型：查阅《数控机床系统设计》中附表1，可采用W1L2005外循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杠副，1列2.5圈,其额定动负载为8800N,精度等级按滚珠丝杠行程公差表，选为3级(大致相当于老表准E级)

4.传动效率计算

η=tanγ/tan(γ+φ)

式中：γ—螺旋升角,W1L2005的螺旋升角γ=4°30′

φ—摩擦角取10′滚动摩擦系数0.003~0.004

则：η=tanγ/tan(γ+φ)=tan4°30′/tan(4°30′+10′)=0.9645.刚度校核先画出此横向进给滚珠丝杠支承方式草图，如下图（3）所示：图（3）、横向进给滚珠丝杠支承方式草图则………式（9）支承间距L=530mm，最大轴向力为1919N。（1）、丝杠的拉伸或压缩变形量根据：，，，对刚：，总长度L=1160mm，丝杠上的变形量：（2）滚珠与螺纹滚道间接触变形：由，由于对滚珠丝杠副施加预紧力，且预紧力为轴向载荷的1/3，则变形：（3）滚珠丝杠总的弹性变形量：根据以下经验公式：………………式（14）则可得：（4）定位误差显然，变形量已大于定位精度（0.02mm）要求，应该采取相应的措施修改，因横向溜板限制，不宜加大滚珠丝杠直径，故采用贴塑导轨（），减小摩擦力，从而减小轴向力，根据式（16）重新计算如下：此时的变形量为：则定位误差为：仍不能满足精度要求0.02mm。如果将顾主丝杠再进行预拉伸，则丝杠刚度可提高四倍，则定位误差为：满足要求。（三）纵向和横向滚珠给丝杠副几何参数：其几何参数见表1名称符号W1L2506W1L2005螺纹滚道公称直径2520导程65接触角钢球直径3.9693.175滚道法面半径2.0641.651偏心距0.0560.045螺纹升角螺杆螺杆外径24.219.4螺杆内径20.98416.788螺杆接触直径17.02713.835螺母螺母螺纹直径32.82623.212螺母内径25.820.635§4进给伺服系统传动计算1.齿轮传动比计算(纵向进给齿轮箱传动比计算)

（1）,已确定纵向进给脉冲当量,滚珠丝杠导程,初选步进电机步距角0.9°,可计算出传动比i

………………式（17）

可选定齿轮齿数为:

由齿轮传动比i=2/3，可以选定齿轮齿数为:=24和=36或=28和=42，初选=28和=42的齿轮。有关参数如表2。

齿数284224402030分度圆d=mz568448804060齿顶圆da=d+2m608852844464齿根圆df=d-21.25m517943753555齿宽(6-10)m202020202020中心矩A=(d1+d2)/2706450

2.齿轮齿数及技术参数计算出传动比i后,降速级数决定采用一对齿轮降速,因为进给伺服系统传递功率不大,一般取ｍ=1~2,数控车床,铣床取ｍ=2,此设计中取ｍ=2。

为了消除齿轮侧隙，此作业中采用双片齿轮。§5步进电机的计算和选用（一）纵向机构步进电机选型：

1.计算步进电机负载转矩Tm

………………式（18）

式中:—脉冲当量(mm/step);

—进给牵引力(N);

—步距角,初选双拍制为0.9°;

2.初选步进电机型号

根据=1.475N.m在网上查混合式步进电机技术数据表初选步进电机型号为56BYG250E-SASSBL-0601，其中，,保持转矩为2.5N.m..

3.等效转动惯量计算

根据简图，即图（1），传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量

运动件的转动惯量可由下式计算:

式中，—齿轮,的转动惯量()

—滚珠丝杠转动惯量()

=

式中D—圆柱体直径(cm);

L—圆柱体长度(cm);

代入上式:

4.电机转矩计算

机床在不同的工况下,在,下面分别按各阶段计算:

1)快速空载起动惯性矩在快速空载起动阶段，加速力矩所占的比例较大，具体计算公式如下：……………………式（19）………………式（20）又：………式（21）代入得：折算到电机轴上的摩擦力矩:……式（22）式中：η—传动链总效率,一般可取0.7~0.85此处取0.8;i—传动比;

附加摩擦力矩：………………式（22）式中：η—传动链总效率,一般可取0.7~0.85此处取0.8;i—传动比;

Fpo—滚珠丝杠预加负荷,一般取1/3Fm,Fm为进给牵引力(N);

ηo—滚珠丝杠未预紧时的传动效率,一般取≥0.9,此处取ηo=0.9所以：

2)快速移动所需力矩

………式（23）=50+9.7=59.7N.cm

3)最大切削载时所需力矩……………式（24）

从上面计算可以看出、、三种工况下,以最大切削载时所需转矩最大,即以此项作为校核步进电机转矩的依据.查得：当步进电机为两相四拍时，=0.707故最大静力矩Mjmax=175.5/0.707=2.48N•m，而电机保持转矩为2.5N.m最大静力矩Mjmax，大于所以满足要求！但还必须进一步考核步进电机起动矩频特性和运转矩频特性。计算步进电机空载起动频率和切削时的工作频率图（4）、56BYG250E—SASSBL—0601混合式步进电机矩频特性图当快速运动和切削进给时，56BYG250E-SASSBL-0601型混合式步进电机运行矩频完全可以满足要求。5、绘制进给伺服系统机械装配图在完成运动及动力计算后，以后确定了滚珠丝杠螺母副、步进电机型号，以及齿轮齿数、模数、轴承型号之后，就可以画机械装配图。见附图（一）例如，双片齿轮采用周向弹簧调整消隙法：如图（5）所示，采用了可调拉力弹簧调整间隙。在两个薄片齿轮1和2上分别装上耳座3和8，弹簧4的一端钩在耳座3上，另一端钩在耳座8的螺钉7上。用螺母5调节螺钉7的伸出长度即可调整弹簧的弹力，调整好后再用螺母6锁紧。弹簧的弹力使薄齿轮1和2的左、右齿面分别与宽齿轮的齿槽左、右齿侧面贴紧，消除了齿侧间隙。（图5）双薄片齿轮周向弹簧调整法1、2-薄片齿轮3、8-耳座4-弹簧5-调节螺母6-锁紧螺母7-螺钉（二）、横向机构初选步进电机：

1.计算步进电机负载转矩Tm

………………式（18）

式中:—脉冲当量(mm/step);

—进给牵引力(N);

—步距角,初选双拍制为0.9°;

2.初选步进电机型号

根据=0.611N.m在网上查混合式步进电机技术数据表初选步进电机型号为56BYG250D-SASSBL-0241，其中，,保持转矩为1.72N.m..

3.等效转动惯量计算

根据简图，即图（2），计算传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量运动件的转动惯量可由下式计算:

………………式（25）式中、、、—齿轮、、、的转动惯量()

—滚珠丝杠转动惯量()

=

式中D—圆柱体直径(cm);

L—圆柱体长度(cm);

代入上式:

4.电机转矩计算

机床在不同的工况下,在,下面分别按各阶段计算:

1)快速空载起动惯性矩在快速空载起动阶段，加速力矩所占的比例较大，具体计算公式如下：……………………式（19）………………式（20）又：………式（21）代入得：折算到电机轴上的摩擦力矩:……式（22）式中：η—传动链总效率,一般可取0.7~0.85此处取0.8;i—传动比;—贴塑导轨摩擦系数，取=0.04附加摩擦力矩：………………式（22）式中：η—传动链总效率,一般可取0.7~0.85此处取0.8;i—传动比;

Fpo—滚珠丝杠预加负荷,一般取1/3Fm,Fm为进给牵引力(N);

ηo—滚珠丝杠未预紧时的传动效率,一般取≥0.9,此处取ηo=0.9所以：

2)快速移动所需力矩

………式（23）=1.96+4.84=6.8N.cm

3)最大切削载时所需力矩……………式（24）

从上面计算可以看出、、三种工况下,以快速空载起动惯性矩最大,即以此项作为校核步进电机转矩的依据.查得：当步进电机为两相四拍时，=0.707故最大静力矩Mjmax=59.3/0.707N.m=0.839N.cm，而电机保持转矩为1.72N.m，大于最大静力矩Mjmax，所以满足要求！但还必须进一步考核步进电机起动矩频特性和运转矩频特性。计算步进电机空载起动频率和切削时的工作频率图（5）、56BYG250E—ASSBL—0241型混合式步进电机矩频特性图当快速运动和切削进给时，56BYG250E—ASSBL—0241型混合式步进电机运行矩频完全可以满足要求。5、绘制进给伺服系统机械装配图在完成运动及动力计算后，以后确定了滚珠丝杠螺母副、步进电机型号，以及齿轮齿数、模数、轴承型号之后，就可以画横向机械装配图。见附图（二）第四章、微机数控系统的设计§1微机数控系统设计的内容(一)硬件电路设计内容硬件是组成系统的基础,也是软件编制的前提,数控系统硬件的设计包括以下几部分内容：1、绘制系统电气控制结构框图据总体方案及机械结构的控制要求，确定硬件电路的总体方案，绘制电气控制结构图。机床硬件电路由五部分组成：主控制器，即中央处理单元CPU。总线，包括数据总线、地址总线和控制总线。存储器，包括程序存储器和数据存储器。接口，即输入/输出接口电路。外围设备，如键盘、显示器及光电输入机等。2、选择中央处理单元CPU的类型CPU的种类很多，在此处选择MCS——51系列单片机中的80C51，因为其集成度高，稳定性、可靠性好，体积小，而且有很强的外部扩展功能，外围扩展电路芯片大多是一些常规芯片，用户很容易通过标准扩展电路来构成较大规模的应用系统。3、存储器扩展电路设计存储器扩展包括数据存储器和程序存储器扩展两部分。分别选择两片2764和一片6264来扩展16K的内存。4、I/O接口电路设计设计内容包括：据外部要求选用I/O接口芯片，步进电机伺服控制电路，键盘、显示部分以及其他辅助电路设计（如复位、掉电保护等）。经考虑，选择8255为I/O接口芯片，液晶显示控制器LR—104VRAM来控制LCD。图中的急停开关应采用那种按下去之后不会弹起、直到再次启动后操作者用手动拔出的按钮，此处由于表达方式的限制，仅以普通按钮表示。（二）、机床数控系统软件设计软件是硬件的补充，确定硬件电路后，根据系统功能要求设计软件。1、软件设计步骤分为以下几步：据软件要实现的功能，能制定出软件技术要求；将整个软件模块化，确定各模块的编制要求，包括各模块功能，入口参数，出口参数；据硬件资源，合理分配好存储单元；分别对各模块编程，并调试；连接各模块，进行统一调试及优化；固化到各程序存储器中。2、数控系统中常用软件模块（1）软件实现环行分配器；（2）插补运算模块；（3）自动升降速控制模块。§280C51单片机及其扩展(一)80C51单片机的简介1．芯片引脚及片外总线结构80C51单片机采用40脚双直插封装（DIP）形式，如图(6)所示。80C51单片机是高性能单片机，因为受到引脚数目的限制，所以有不少引脚具有第二功能。下面说明这些引脚的名称和功能。电源引脚Vss和VccVss(20脚)：接地。Vcc(40脚)：主电源+5V。时钟电路引脚XTAL1`和XTAL2XTAL1（19脚）：接外部晶体的一端。在片内它是振荡电路反向放大器的输入端。在采用外部时钟时，对于HMOS单片机，该端引脚必须接地；对于CHMOS单片机，此引脚作为驱动端。XTAL2（18脚）：接外部晶体的另一端。在片内它是一个振荡电路反向放大电路的输出端，振荡电路的频率是晶体振荡频率。若需采用外部时钟电路，对于HMOS单片机，该引脚输入外部时钟脉冲；对于CHMOS单片机，此引脚应悬浮。图（6）.80C51引脚图控制信号引脚RST、ALE//PROG、PSEN、/EA/VppRST（9脚）：单片机刚接上电源时，其内部各寄存器处于随机状态，在该引脚输入24个时钟周期宽度以上的高电平将使单片机复位（RESET）。ALE//PROG：访问片外存储器时，ALE作锁存扩展地址低位字节的控制信号（称允许锁存地址）。平时不访问片外存储器时，该端也以1/6的时钟振荡频率固定输出正脉冲，供定时或者其他需要使用；在访问片外数据存储器时会失去一个脉冲。ALE端的负载驱动能力为8个LSTTL（低功耗高速TTL）。/PSEN（29脚）：在访问片外程序存储器时，此端输出负脉冲作为存储器读选通信号。CPU在向片外存储器取指令期间，PSEN信号在12个时钟周期中两次生效。不过，在访问片外数据存储器时，这两个有效的PSEN信号不出现。PSEN端同样可驱动8个LSTTL负载。我们根据PSEN、ALE和XTAL2输出是否有信号输出，可以判别80C51是否在工作。/EA/Vpp（31脚）：当EA端输入高电平时，CPU从片内程序存储器地址0000H单元开始执行程序。当地址超过4KB时，将执行片外程序存储器的程序。当EA输入低电平时，CPU仅访问片外程序存储器。输入/输出引脚（P0、P1、P2和P3端口引脚）P0~P3是4个寄存器，也称为4个端口，是80C51单片机与外界联系的4个8位双向并行I/O口。由于在数据的传输过程中，CPU需要对接口电路输入输出数据的寄存器进行读写操作，所以在单片机中对这些寄存器象对存储单元一样进行编址。通常把接口电路中这些已编址并能进行读写操作的寄存器称为端口（PORT），或简称口。P0.0~P0.7（39~32脚）：P0是一个8位漏极开路型双向I/O端口。在访问片外存储器时，它分时提供低8位地址和8位双向数据，故这些I/O线有地址线/数据线之称，简写为AD0~AD7。在EPROM编程时，从P0输入指令字节，在验证程序时，则输出指令字节（验证时，要外接上拉电阻）。P1.0~P1.7（1~8脚）：P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口。在EPROM编程和验证程序时，它输入低8位地址。P2.0~P2.7（21~28脚）：P2是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口。在访问片外存储器时，它输出高8位地址，即A8~A15。在对EPROM编程和验证程序时，它输入高8位地址。P3.0~P3.7（10~17脚）：P3是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口。在整个系统中，这8个引脚还具有专门的第二功能，如表（3）所示。表P3口各位的第二功能P3口的各位第二功能P3.0P3.1P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7RXD（串行口输入）TXD（串行口输出）INT0（外部中断0输入）INT1（外部中断1输入）T0（定时器/计数器0的外部输入）T1（定时器/计数器1的外部输入）WR（片外数据存储器写选通控制输出）RD（片外数据存储器读选通控制输出）（二）单片机的系统扩展概述80C51片内只有4KB程序存储器地址空间、256B的片内数据存储器的地址空间（用8位地址，其中128B的专用寄存器地址空间仅有21个字节有实际意义）。所以需扩展。扩展概述80C51的片外总线结构：所有的外部芯片都通过三组总线进行扩展。（1）数据总线（DB）：由P0口提供，数据总线要连到连接的所有外围芯片上，但在同一时间只能够有一个是有效的数据传送通道。（2）地址总线（AB）：16位，可寻址范围为64K字节，AB由P0口提供低8位地址，与数据分时传送，传送数据时将低8位地址锁存；高8位地址由P2口提供。（3）控制总线（CB）：系统扩展用控制总线有WR、RD、PSEN、ALE、EA。系统扩展能力片外数据存储器与程序存储器的操作使用不同的指令和控制信号，允许两者的地址重复。故据地址的宽度，片外可扩展的存储器与程序存储器分别为64KB。此处扩展了16K的程序存储器和16K的地址存储器，且没有使用片内存储器。扩展的I/O口与片外数据存储器统一编址，不再另外提供地址线。地址锁存器因为P0口是分时提供低8位地址和数据信息的，所以必须用锁存器把地址锁存住。本次设计使用带三态缓冲输出的8D锁存器74HC373。其引脚见图（7）。图（7）、74HC373引脚图D0~D7信号输入端Q0~Q7信号输出端G：下降沿时，将D1~D8锁存于内部E：使能端，E=0时，三态门处于导通状态，输出端Q0~Q7与输入端D0~D7连通，当E=1时，输出三态门断开，输入数据锁存。地址译码器80C51扩展电路中，都牵涉到外部地址空间的分配问题，即当80C51数据总线分时与多个外围芯片进行数据传送时，首选要进行片选，然后再进行片内地址选择。地址译码实现片选的方法目前常用的有两种：线选法和译码法。此处采用74HC139译码器组成的译码电路对系统的高位地址进行译码。74HC139是双“2-4”译码器，每个译码器仅有1个使能端G，0电平选通。有2个选择输入端，4个译码输出端，输出0电平有效。2个输入信号A、B译码后有4个输出状态，其引脚与真值表如下所示。表（4）、74HC139真值表输入输出使能选择Y0Y1Y2Y3/GBA1××11110000111001101101011010111110（三）存储器扩展此处采用两片EPROM芯片6264（8K×8）扩展程序存储器，数据存储器选用静态RAM62648（8K×8）。其引脚见左图（8）。图（8）、2764引脚图80C51芯片与存储器的连接存储器扩展实质是三总线的连接。据芯片存储容量的大小确定数据、地址线的根数。此处为13根。数据线的连接将80C51的芯片的P0.0~P0.7按位与RAM数据线D0~D7直连。地址总线的连接据确定的地址线根数，将相应低地址线相连，剩余高位地址线作为片选。控制总线的连接对应控制线相连。（四）I/O口的扩展MCS-51单片机共有四个8位并行I/O口，可提供给用户使用的只有P1口和部分P3口线，因此不可避免地要进行I/O口的扩展。这里采用8255（可编程的RAM/IO扩展接口电路）。I/O口扩展采用总线扩展方法，数据输入线取自80C51的P0口。这种扩展方法分时占用P0口，不影响P0口与其它扩展芯片的连接操作。8255具有3个8位的并行的I/O口，分别为PA、PB、PC口，其中PC口又分为高4位（PC7~PC4）和低4位（PC3~PC0）。（五）、步进电机驱动电路采用细分驱动电路，根据所选电机说明，选取合适的驱动器，纵向驱动器和横向驱动器均为SH20806N。其接线图如下：图（8）、电动机驱动器连线图（六）、液晶显示控制器：使用由上海朗睿电子科技有限公司研制生产的工业彩色液晶（VRAM型）显示器，型号为LR-104VRAM。1、简介：彩色液晶显示器采用超大规模集成电路，以数字方式驱动，可以从根本上消除传统CRT显示器的屏幕闪烁现象。具有高亮度、高对比度、高可靠性、抗恶劣环境等优点；并且体积小、厚度小、功耗低、无辐射、抗干扰能力强。随着彩色液晶技术的日趋成熟，正在逐步取代CRT显示器，成为许多高要求行业的首选，被越来越多地应用到电力、医疗、仪表、电梯、工业控制等领域。2、基本原理：LR-104VRAM真彩色液晶显示器，采用VRAM显示方式。VRAM（VideoRandom-AccessMemory）视频存储技术是近年来比较流行的专门用于图形处理的双端口存储技术，常用于中、高档显示卡。采用缓存、逻辑仲裁、存储阵列，实现两个设备同时对同一存储阵列访问而不需要等待，且互不干扰。该显示器接口采用并行总线方式（数据总线、地址总线以及选、读、写等信号），可以很方便地连接到单片机或微处理器的总线上，用户可以象使用普通存储器一样使用它。或者可以把显示器看成是自己设备外挂的一个RAM。LR-104VRAM存储器地址单元同液晶屏幕上的像素点一一对应，用户可以把这个存储器理解为“显示映像”存储器。如果希望在液晶屏幕上某一位置显示文字或图形，只需要向存储器内对应区域写入相应的数据即可。VRAM存储器的一个字节由8位构成，显示器屏幕上的一个“像素”点由R、G、B三个“点”来组成。3、原理框图：LR-104VRAM显示器的基本原理框图如图（9）所示，DC/DC电压变换器产生液晶所用各种驱动电压DC/AC逆变器则用来点亮冷阴极背光灯（CCFL）。分时技术让显示与写入数据同时进行，实现了画面的高速更新，且互不干扰。图（9）、LR-104VRAM显示器的基本原理框图4、性能指标：视域对角线10.4英寸外型尺寸246.5×179.3×38mm视域尺寸211.2(H)×158.4(V)mm图像点阵640×RGB×480行像素点尺寸0.33(H)×0.33(V)mm像素结构垂直条纹接口方式总线方式VRAM容量128K×8位显示颜色TFT64色/256色视野角度左75度，右75度,上60度，下50度工作电压DC8V～15V消耗功率小于8W工作环境温度-10℃～+65℃保存温度-30℃～+70℃亮度400cd/㎡液晶屏寿命大于5万小时（连续工作）背光灯寿命大于25000小时（连续工作）净重克毛重克包装数量只/箱内包装尺寸××mm外包装尺寸××mm5、接口方法：LR-104VRAM的接口方式为总线方式。外部引线包括有地址总线、数据总线和片选读写输入，可以直接挂接到单片机、计算机的总线上，通过译码分配作为主机的某部分内存来使用。如果主机无法分配较大的空间而直接使用时，也可以采用分页操作技术，高位地址用来页面切换，低位地址则可直接操作。内存的数据位与屏幕显示的色点一一对应，只要把适当的数据写入内存中去，屏幕上即可显示出相应的文字图形。接口采用34针双列防反插插座（间距为标准2.54mm）,引脚定义如下表所示：引脚号引脚定义引脚号引脚定义引脚号引脚定义1D013GND25A52D114GND26A63D215RDCS27A74D316A1528A85D417+12V29A96D518+12V30A107D619保留31A118D720保留32A129WCS21A133A1310CLOSE22A234A1411A023A312保留24A46、应用程序：，将屏幕清成040H代码所表示的颜色；VRAM的片选地址（E000，FFFFH）；A13，14，15=P1.O,P1.1,P1.2ORG0000HLJMPMAINORG0090HMAIN:MOVSP,#60H;LCALLINITLCD;MOVR1,#040H;LCALLCLEAR1RETERN:SJMPRETERNINITLCD:LCALLLCDRETLCD:MOVR2,#08HMOVR3,#00HLCD1:MOVP1,R3MOVDPTR,#0E000HMOVR4,#20HLCD2:MOVR5,#00HMOVA,#00HLCD3:MOVX@DPTR,AINCDPTRDJNZR5,LCD3DJNZR4,LCD2INCR3DJNZR2,LCD1RETCLEAR1:LCALLLCD4RETLCD4:MOVR2,#08HMOVR3,#00HLCD5:MOVP1,R3MOVDPTR,#OE000HMOVR4,#20HLCD6:MOVR5,#0A1HMOVA,R1LCD7:MOVX@DPTR,AINCDPTRDJNZR5,LCD7MOVR5,#5FHLCD8:INCDPTRDJNZR5,LCD8DJNZR4,LCD6INCR3DJNZR2,LCD5RETEND（七）、控制面板由于键盘的数量有限，故采用多功能键盘，利用SHIFT换档键进行选择。报警指示灯用的是LED。第五章数控机床的零件加工程序数控机床零件加工程序的基本要求是：能按照零件图纸进行数控加工程序的手工编制。主要内容：1）对加工零件进行工艺分析；2）对零件加工精度分析；3）确定数控机床工夹量具；4）确定加工路线；5）确定加工所用的各种工艺参数；6）各节点坐标计算；7）填写程序单。以以下零件为例，如图所示工件，毛坯为φ25㎜×65㎜棒材，材料为45钢。 1．根据零件图样要求、毛坯情况，确定工艺方案及加工路线1）对轴类零件，轴心线为工艺基准，用三爪自定心卡盘夹持φ90mm外圆，一次装夹完成粗精加工。2)工步顺序①粗车外圆。基本采用阶梯切削路线，为编程时数值计算方便，圆弧部分可用同心圆车圆弧法，分三刀切完。②自右向左精车右端面及各外圆面：车右端面→倒角→切削螺纹外圆→车φ48mm外圆→车圆锥→车φ70mm外圆→车φ80mm外圆→车R3㎜圆弧→车φ80mm外圆。③切槽。④车螺纹。2．选择机床设备即本设计所改造后的CA6140。3．选择刀具根据加工要求，选用四把刀具，T01为粗加工刀，选90°外圆车刀，T02为精加工刀，选尖头车刀，T03为切槽刀，刀宽为4mm，T04为60°螺纹刀。同时把四把刀在四工位自动换刀刀架上安装好，且都对好刀，把它们的刀偏值输入相应的刀具参数中。4．确定切削用量切削用量的具体数值应根据该机床性能、相关的手册并结合实际经验确定，详见加工程序。5．确定工件坐标系、对刀点和换刀点确定以工件右端面与轴心线的交点O为工件原点，建立XOZ工件坐标系，如上图所示。换刀点设置在工件坐标系下X100、Z50处。6．编写程序按该机床规定的指令代码和程序段格式，把加工零件的全部工艺过程编写成程序清单。该工件的加工程序如下：%O3032N10G90G00G92X100Z60;坐标设定N20M3S1000;主轴正转转速1000r/minN30X48Z1;快速移动到X=48mm，Z=1mm处N40G01X48Z-2F10;倒角2×45°N50X48Z-60;加工M48的外径N60X50Z-60;加工50mm外径N70X70Z-120;加工锥面N80X70Z-140;加工70mm外径N90X80Z-160;加工80mm外径N100G02X80Z-220I51.96K-30F5;加工R=70mm圆弧N110G01X80Z-225F10;加工80mm外径N120G26T1000;回换刀点N130M5;主轴停转N140T0202;换2号刀N150M3S100;主轴正转转速100r/minN160G00X50Z-60;快速移动刀X=50mm，Z=-60mm处N170G01X45Z-60F5;切槽N180X50Z-60;N190G26T2000;回换刀点N200M5;主轴停转N210T0303;换3号刀N220M3S60;主轴正转，转速60r/minN230G00X47.6Z10F2;快速移到X=47.6mm,Z=10mmN240G33X47.6Z-58F2;加工螺纹N250G01X52.6F10;回安全点N260G26;回换刀点N270G00X47.2Z10;快速移到X=47.2mm,Z=10mmN280G33X47.2Z-58F2;加工螺纹N290G01X51.2F10;回安全点N300G26;回换刀点N310G00X46.8Z10;快速移到X=46.8mm,Z=10mmN320G33X46.8Z-58F2;加工螺纹N330G01X51.8F10;回安全点N340G26;回换刀点N350G00X46.587Z10;快速移到X=46.587mm,Z=10mmN360G33X46.587Z-58F2;加工螺纹N370G01X51.587F10;回安全点N380G26T300;回换刀点N390M5;主轴停转N400T0101;取消刀补N410M02;程序结束%第六章心得与体会随着毕业日子的到来，毕业设计也接近了尾声。经过几月的奋战，我的毕业设计终于完成了。刚接到任务书的时候，顿时脑袋一片空白，接着就是晕忽忽的，面对任务书上所涉及的概念，都是朦胧的感觉。经过了这一段时间，在指导老师的悉心指导和同学们的热心帮助以及我自己的努力下完成了这次作业。在这过程中，我把作业所涉及到的课本都比较系统地复习了一遍，有的比以前学的更透彻，而且有了整体概念。同时还把这些课本的内容都联系了起来，“机”与“电”的整合，“理论”与“实践”的整合，“技术”与“经验”的整合，真可谓全兵演练，真的受益非浅。然而，这次设计也暴露出了我的许多不足之处，概念模糊、工作原理的确定、结构设计不合理、缺乏创新理念等等。这些不足在以后的工作中肯定起到很大的反作用，阻碍工作进展，所以我会狠下功夫，改掉这些不足。失败是成功之母,我相信这些都是我的收获。这次毕业设计也使我们的同学关系更进一步了，同学之间互相帮助，有什么不懂的大家在一起商量，听听不同的看法对我们更好的理解知识，所以在这里非常感谢帮助我的同学。

在此尤其要感谢我的指导老师郑丽萍老师对我悉心的指导，感谢老师给我的帮助。在整个设计中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。而且大大提高了动手的能力，使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的喜悦。在此设计过程中所学到的东西是这次毕业设计的最大收获和财富，使我终身受益。此外，我得出一个结论：知识必须通过应用才能实现其价值！有些东西以为学会了，但真正到用的时候才发现是两回事，所以我认为只有到真正会用的时候才是真的学会了。

第七章参考文献：[1]南昌大学机电工程系主编，机电一体化机电产品设计指导书，《数控机床设计》;[2]朱晓春主编，《数控技术》(第一版)，机械工业出版社，1999，P202-233；[3]张迎新主编，《单片机初级教程》，北京航空航天大学出版社，2000，P167-206;[4].戴曙主编，《金属切削机床》，机械工业出版社1993；

[5].濮良贵、纪名刚主编，《机械设计》，高等教育出版社，2001；［5］杜君文，邓广敏主编，数控技术，天津大学出版社，2002年版；［6］阎楚良，杨方飞编著，机械数字化设计新技术，机械工业出版社，2007-3-1版；［7］朱晓春主编，数控技术，机械工业出版社，2005年版；［8］白恩远等主编，《现代数控机床伺服及检测技术》，国防工业出版社，2005年版；［9］任建平等主编，《现代数控机床故障诊断及维修》，国防工业出版社，2005年版；［10］王爱玲等，《现代数控原理及控制系统》，国防工业出版社，2002年版。附表：混合式步进电机的相关资料矩频特性曲线：外型尺寸：基于C8051F单片机直流电动机反馈控制系统的设计与研究基于单片机的嵌入式Web服务器的研究MOTOROLA单片机MC68HC（8）05PV8/A内嵌EEPROM的工艺和制程方法及对良率的影响研究基于模糊控制的电阻钎焊单片机温度控制系统的研制基于MCS-51系列单片机的通用控制模块的研究基于单片机实现的供暖系统最佳启停自校正（STR）调节器单片机控制的二级倒立摆系统的研究基于增强型51系列单片机的TCP/IP协议栈的实现基于单片机的蓄电池自动监测系统基于32位嵌入式单片机系统的图像采集与处理技术的研究基于单片机的作物营养诊断专家系统的研究基于单片机的交流伺服电机运动控制系统研究与开发基于单片机的泵管内壁硬度测试仪的研制基于单片机的自动找平控制系统研究基于C8051F040单片机的嵌入式系统开发基于单片机的液压动力系统状态监测仪开发模糊Smith智能控制方法的研究及其单片机实现一种基于单片机的轴快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于双单片机冲床数控系统的研究基于CYGNAL单片机的在线间歇式浊度仪的研制基于单片机的喷油泵试验台控制器的研制基于单片机的软起动器的研究和设计基于单片机控制的高速快走丝电火花线切割机床短循环走丝方式研究基于单片机的机电产品控制系统开发基于PIC单片机的智能手机充电器基于单片机的实时内核设计及其应用研究基于单片机的远程抄表系统的设计与研究基于单片机的烟气二氧化硫浓度检测仪的研制基于微型光谱仪的单片机系统单片机系统软件构件开发的技术研究基于单片机的液体点滴速度自动检测仪的研制基于单片机系统的多功能温度测量仪的研制基于PIC单片机的电能采集终端的设计和应用基于单片机的光纤光栅解调仪的研制气压式线性摩擦焊机单片机控制系统的研制基于单片机的数字磁通门传感器基于单片机的旋转变压器-数字转换器的研究基于单片机的光纤Bragg光栅解调系统的研究单片机控制的便携式多功能乳腺治疗仪的研制基于C8051F020单片机的多生理信号检测仪基于单片机的电机运动控制系统设计Pico专用单片机核的可测性设计研究基于MCS-51单片机的热量计基于双单片机的智能遥测微型气象站MCS-51单片机构建机器人的实践研究基于单片机的轮轨力检测基于单片机的GPS定位仪的研究与实现基于单片机的电液伺服控制系统用于单片机系统的MMC卡文件系统研制基于单片机的时控和计数系统性能优化的研究基于单片机和CPLD的粗光栅位移测量系统研究单片机控制的后备式方波UPS提升高职学生单片机应用能力的探究基于单片机控制的自动低频减载装置研究基于单片机控制的水下焊接电源的研究基于单片机的多通道数据采集系统基于uPSD3234单片机的氚表面污染测量仪的研制基于单片机的红外测油仪的研究96系列单片机仿真器研究与设计基于单片机的单晶金刚石刀具刃磨设备的数控改造基于单片机的温度智能控制系统的设计与实现基于MSP430单片机的电梯门机控制器的研制基于单片机的气体测漏仪的研究基于三菱M16C/6N系列单片机的CAN/USB协议转换器基于单片机和DSP的变压器油色谱在线监测技术研究基于单片机的膛壁温度报警系统设计基于AVR单片机的低压无功补偿控制器的设计基于单片机船舶电力推进电机监测系统基于单片机网络的振动信号的采集系统基于单片机的大容量数据存储技术的应用研究基于单片机的叠图机研究与教学方法实践基于单片机嵌入式Web服务器技术的研究及实现基于AT89S52单片机的通用数据采集系