X52K铣床的数控化改造.doc

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1、毕业设计X52K铣床的数控化改造摘 要本文提供了一种X52k铣床的经济型数控化改造方案，改造的主要模块有：机械部分和数字控制电路部分。机械部分主要是对丝杠、驱动元件和减速齿轮的改造。改造后的系统是以步进电机为驱动执行元件的开环控制系统，控制系统使系统能够控制进给轴的转速，并实现其正反转控制工作台，实现其纵、横向进给运动，控制冷却和润滑，以MCS-51型单片机为控制处理芯片，通过键盘输入加工程序控制X52K 铣床数控化改造后是升降台式的。使得改造后的机床能加工除了铣削键槽、平面及孔等简单的零件外，还能加工形状复杂（如加工圆弧面、斜面及凸轮等）的零件。改造后的数控机床具有高精、高效及加工产品范围广

2、等特点。关键词： X52k，数控化，改造，单片机X52kTHE TRANSFORMATION OF MILLING MACHINESABSTRACTIn this paper ,in base of our countrys eco- mimic condition and the expensive CNC, in order to extend machining scope, high accuracy , small batch, and has a good condition in excitedly complicities market .So, the memorizatio

3、n rebuilding of X52K is so necessary and feasible. This paper provides a way of how to implement the synchronized motion of the two axes in the X and Y plane with CNC system and an open-loop control which use stepping motors as actuators on a X52K mill，and the microcomputer is MCS-51.the memorizatio

4、n rebuilding of X52K milling machine not only is used for machining keyway, plane and hole etc,but also, it can ma- unfitting complicated ship and the accuracy is high。The technology of CNC has become the key and basic technology in the manufacturing industry.KEY WORDS: X52Kmill，memorization，rebuild

5、ing single，chip computer目 录前 言1第1章 整体改造方案31.1设计方案：31.1.1 实现的目标31.1.2 机床改造的方案31.2 机构和电气控制的改造：41.2.1 X52K的改造要求41.2.2 进给机构的改造51.2.3 电气控制部分的改造51.3改造后的布局6第2章 机构部分与控制部分的设计72.1 纵向方向（X轴）的设计：72.1.1 纵向步进电机选择计算72.1.2 丝杠设计132.1.3 齿轮设计192.2 横向(Y轴)的设计212.3 控制部分设计222.3.1 主控制器（CPU）232.3.2 存储器扩展电路242.3.3 扩展I/O接口242.

6、3.4 步进电机驱动电路252.3.5 行程控制262.3.6 键盘与显示272.3.7 复位电路272.3.8 紧急停车27结 论28谢 辞30参 考 文 献31外文资料翻译3245前 言该课题来源于生产实践的需要，利用大量闲置旧机床，对其进行数控化改造后，成为一种高效的、多功能的经济型数控机床，是一种推陈出新、盘活存量资金的有效办法，是低成本自动化的必由之路。数控技术及数控机床是以数控系统为代表的新技术，对传统机械制造产业的渗透形成的机电一体化产品：数控机床；其技术范围涉及很多领域：机械制造技术；信息处理技术；自动控制技术；伺服驱动技术；传感器技术；软件技术等。数控机床即是采用了数控技术的

7、机床，或者说是装备了数控系统的机床。现代数控机床都采用计算机（微型机算计）作为控制系统，它由CNC系统，机床主机及辅助装置组成。数控未来发展的趋势（1）往高精，高速，高柔性化及高复合化加工方向。（2）集成化、模块化、网络化、通用型开放式闭环控制模块。（3）高效多轴化、实时智能化、用户界面图形化、科学计算可视化、插补和补偿方式多样化。（4）内装高智能PLC，多媒体技术的应用。（5）应用自适应控制技术，引入专家系统指导加工，引入故障诊断专家系统。数控化改造的优缺点（1）减少投资额，交货期短（2）机械性能稳定可靠，结构受限（3）熟悉了解设备，便于操作维修（4）可充分利用现有的条件（5）可更好的因地制

8、宜，合理删选功能（6）可及时采用最新技术，充分利用社会资源机床数控改造的必要性数控机床是一种典型的机电一体化产品，它集精密，柔性，和集成与一身，它可以较好的解决形状复杂，精密，小批多变的零件加工问题，能够稳定加工质量和提高生产效率，是一种高度自动化机床。其造价较低，改造周期短，可靠性高，改造技术也日趋成熟，加之我国特有的经济实用产品“经济型数控装置”的技术指标不断的提高，产品的更新和完善的进度不断的加快，产量不断的提高，故有广阔的前景，其必要性还体现在：1. 由于数控改造费用低，可充分利用原有的设备和闲置设备，把它们改造成数使它们的原有功能和改造后新增加的功能得到充分的利用，提高了机床的使用价

9、值。2. 易于对现有机床实现自动化，而且针对性强，即可针对新加工的零件类型及机床来进行改造，改造后机床没有多余的功能。3. 改造后的机床加工精度得到提高，工人的劳动强度得到降低。4. 减少了辅助加工时间，可提高机床的生产效率。5 数控改造可在企业技术人员参加下开发，所以他们可熟悉，掌握改造后的机床性能，操作等，为以后的生产，维护，修理打下基础。第1章 整体改造方案1.1设计方案：1.1.1 实现的目标在论文中主要讨论在对X52k立式升降台式铣床进行数控化改造，将X52K数控化改造后，通过控制系统使系统能够控制进给轴的转速，并实现其正反转控制工作台，实现其纵、横向进给运动，控制冷却和润滑。通过键

10、盘输入加工程序控制X52K 铣床数控化改造后是升降台式的。X52k立式铣床是铣削键槽、平面及铣孔的通用机床，它没有准确可靠的定位装置，铣孔与铣键槽的位置精度一般靠模板的精度和人工划线的精度来保证，故其加工精度低于数控机床。由于普通铣床的柔性差，不能满足市场对形状复杂、精度高、小批量、多品种零件需求。而数控化改造后系统采用步进电机为驱动执行元件的开环系统，并且采用CNC数控系统控制X、Y工作台，即采用以MCS-51单片机为控制系统，实现两坐标联动改造,使得改造后的机床能加工除了铣削键槽、平面及孔等简单的零件外，还能加工形状复杂（如加工圆弧面、斜面及凸轮等）的零件，且加工精度高、效率高，满足市场的

11、需求，且价格较廉，增加了市场的竞争力。1.1.2 机床改造的方案方案：床身的上部内装进给轴传动系统为进给轴变速系统，这部分采用原机床的进给轴传动系统即保留原机床的电动机等等，还有添加的变速箱。床身的底部是可作冷却液箱的底座，数控系统显示器及按键位于操作者的右边，便于调试、和操作观察。床身右侧的电器箱内装有两坐标的进给伺服控制系统，床身左侧的电器箱内装有主控器和强电系统。显示器采用LED，用以显示输入的程序，机床的实际位置和已存储的各种信息。手动操作时，显示器可作为数字读出装置使用。数控系统采用为两坐标开环控制，由步进电机经一级齿轮变速箱后减速驱动。可实现两坐标直线插补和两坐标圆弧插补。采用系列

12、单片机组成微机控制系统，它的可靠性高、能在恶劣的环境下工作，适应能力较好，且功能强，速度高。数控系统还具有刀具长度偏移和半径补偿功能，自诊断功能，可进行自动加、减速，并具有备用电池，停电时可做存储已编程序的电极。采用微机对数据进行计算处理，由I/O接口输出脉冲信号，经光电隔离电路，功率放大再传给步进电机，步进电动机驱动滚珠丝杠转动，从而实现X、Y 两个方向的进给运动，加工零件。总体设计如图1.1所示： 信号分配及放大电路工作台（X轴）信号分配及放大电路步进电动机工作台（Y轴）控制部分步进电动机图1-1 无反馈控制电路1.2 机构和电气控制的改造：1.2.1 X52K的改造要求进给伺服系统改造后

13、性能的好坏将直接影响到整个系统的性能的好坏。也因此对进给伺服系统提出了改造设计要求：（1）提高传动部件的刚度，减小传动部件的惯量；（2）减小传动部件的间隙，并减小系统的摩擦阻力；（3）高精度 就是说伺服系统的输出量能复现输入量的精确程度。（4）稳定性好 指系统在给定输入或受外界干扰作用下，能在短暂的调节后，达到新的或者恢复到原来的平衡状态。（5）快速响应，无超调 它是衡量伺服系统动态品质的重要指标，反映了系统的跟踪精度。（6）低速大转矩 机床加工的特点是在低速时进行重切削。因此，要求伺服系统在低速时要有大的转矩输出。（7）调速范围宽 指机械要求电机能提供的最高转速和最低转速之比。在数控机床中，

14、由于加工用刀具、被加工材质及零件加工要求的不同，为保证在任何情况下都能得到最佳切削条件，就要求伺服系统具有足够宽的调速范围。1.2.2 进给机构的改造考虑到该数控系统是开环控制，没有位置反馈电路，故进给系统尽可能的要减少中间传动环节。本铣床的X，Y两轴进给系统去掉了原来的进给系统的中间传动环节，直接采用了步进电机一级减速齿轮滚珠丝杆的传动方案。拆除原来的丝杆，增加少量的机械附件，就可安装步进电机及滚珠丝杆螺母副,带动工作台移动。机构的主要特点：（1）结构简单，操作方便，自动化程度高；（2）广泛采用高效、无间隙传动装置和新技术、新产品；（3）具有适应无人化、柔性化加工的特殊部件；（4）对机械结构

15、、零部件的要求高。主传动系统不变，还是采用原有的电动机（7.5KW）。进给系统采用滚动丝杠副螺母副代替原有丝杠副，以提高机床运行精度和传动效率。考虑到改造的目标及成本的原因，决定X52K铣床的主轴支承仍采用滚动轴承支承，导轨仍使用动压导轨。1.2.3 电气控制部分的改造1. 由于是将X52K铣床改造成为经济型的开环控制的数控铣床，机床加工的零件多属中小型，且加工精度要求不是很高，原有的交流电机就能够满足加工要求。因此其主传动系统的电气部分仍采用其原来配置的7.5KW的交流电动机驱动。2. 控制系统设计的总体考虑：（1）确定功能指标；（2）明确硬件分工（3）重视接口设计；（4）认真选择微机。本系

16、统采用MCS-51系列单片机芯片为控制器，片的作为程序存储器扩展芯片；数据存储器扩展芯片用片的；而选用片可编程并行接口芯片作为系统扩展的口，对、轴步进电机及主轴进行控制,通过键盘的命令可使X、Y 工作台联动，并可以灵活地输入切削程序和数据。用片做为机床开关、刀架控制信号及主轴编码器反馈信号口用；片作为键盘显示器接口，识别键盘按键信号，对显示器自动扫描，完成键盘输入和显示控制功能；采用做为统一地址译码器寻址，并用为地址锁存器，并由对各步进电机脉冲信号进行环形分配，如图1.2所示。 图1-2 数控系统硬件结构框图为避免强电干扰可采用光电耦合电路(GO102)进行光电隔离。因为8255输出的信号功率

17、很小，故用功率放大器对输出的脉冲信号放大，以驱动步进电机工作。1.3改造后的布局改造后的纵、横向装配图、数控电气原理图及外观图见附录CAD图。第2章 机构与电气控制部分的设计2.1 纵向方向（X轴）的设计：步进电机是一种用电脉冲信号进行控制，并将电信号转换成响应角位移的机电元件。每输入一个脉冲，步进电动机转轴就转过一定角度，它与普通的匀速旋转的电动机不同，它是步进式的，所以称步进电机。它的优点有：角位移输出与输入的脉冲数相对应,改变通电顺序可以改变步进电机的旋转方向；步矩误差不会长期积累；在负载范围内步矩角和转速不受电源电压波动的影响，而仅与脉冲频率有关；维持控制绕组的电流不变，电机便停在某一

18、位置上不动，即步进电机有自整角能力，不需要机械制动，步矩角可在很大的范围内变化；步进电机的主要特性：步矩角、启动频率、连续运行频率和加减速特性。步进电机的缺点是效率低，拖动负载的能力不大，脉冲当量不能太小，调整范围不大，最高输入脉冲频率一般不超过18000 Hz。数控系统对伺服电机的基本要求是调速范围宽，伺服电机需满足调速要求。负载特性硬，在调速范围内电机应有足够的驱动力矩，动态响应快，为了使步进电机正常工作运行（不失步、不超程），正常启动并满足对转速的要求，电机最大静转矩（步进电机技术数据），必须大于电机的实际最大启动力矩。电机的运行频率必须大于电机实际最高工作频率。系统脉冲当量是机床移动部

19、件相对于每一个进给脉冲信号的位移量，其大小视机床的加工精度而定。根据X52K铣床工作状况选系统脉冲当量为0.01mm/step。步矩角。根据同类型的机床及以往的经验，结合重量轻、功耗小、外观尺寸和与步距角相配合的原则，初选步进电动机类型，然后验算是否满足使用要求，否则选取其它型号，最后直到满足要求为止。2.1.1 纵向步进电机选择计算1. 计算工作台、丝杠以及齿轮折算到电机轴上的惯量 根据机电一体化基础所提供的计算公式：式中：-折算到电机轴的惯量；-小 大齿轮的惯量；-丝杠惯量；-横向工作台及夹具重量,；-丝杠螺距，；齿轮及丝杠转动惯量的计算：由于有些传动件（如齿轮、丝杠等）的转动惯量不易精确

20、计算，可将其等效成圆柱体来近似计算。圆柱体的转动惯量可依据公式：式中： 材料密度,对钢取； 圆柱体直径.(对于齿轮、丝杠等就是其等效直径)； 圆柱体长度,(对于齿轮、丝杠等就是其等效齿宽或长度)则： 则可算得： 2.032. 惯量匹配验算初选的步进电机110BF004的转子的转动惯量：=4.61Kg转动系统与步进电机的惯量匹配条件：而：所以惯量是匹配的。3. 负载转矩计算及最大静转矩选择计算快速空载起动时所需力矩 依据公式： 式中：-快速空载起动力矩；-空载起动时折算到电机轴上最大加速力矩；-折算到电机轴上的摩擦力矩；-由于丝杠预紧时折算到电机轴上的附加摩擦力矩；又： 式中： -惯量和，；-电

21、机最大角加速度；又：其中： -电机最大转速；-运动部件从停止起动加速到最大快进速度所需时间取25ms 又：则： 则： 故： 又因为：式中： -导轨的摩擦力；-传动链总效率，一般可取 ，现取 ；又： 式中： 垂直方向的切削力，； 导轨摩擦系数， (贴塑导轨)； 横向工作台及夹具重量，；则：=103N故： 又： 式中： -滚珠丝杠预加载荷，取；-滚珠丝杠预紧时的传动效率， ； 故： =140+9.8+3.7=153.54. 快速进给时所需力矩 依据公式：而： 故有： 5. 最大切削负载时所需力矩 根据公式： 式中： 折算到电机轴上的切削负载力矩；又有公式： 式中：-进给方向最大切削力，；则： 故：

22、 6. 最大静转矩选择依据文献实用机床设计手册上，有：（1）对于在最大切削力下工作时所需要电机最大静转矩为：（2）对于空载起动时所需要的电机最大静转矩为：由（1）和（2）可知，以计算得：恒大于 所以就以作为选取步进电机最大静转矩的依据。而初选的步进电机为110BF003 ，它的最大静转矩为：所以初选的步进电机型号符合要求。7. 步进电机动载荷矩频特性和运行矩频特性由数控技术得：动矩频特性： =4167Hz运行矩频特性： 其中： -最大切削力下的进给速度，可取最高进给速度 的，现取中间值，即。所以：=2431由步进电机110BF004的矩频特性和运行矩频特性参数可以看出所选步进电机在起动时力矩是

23、满足要求的。所以最终就确定步进电机的型号为：110BF004反应式步进电动机。 2.1.2 丝杠设计1. 丝杠副工作负荷计算及丝杠型号的选择 工作台的进给运动是由步进电动机由一级消隙齿轮经滚珠丝杠螺纹副，带动工作台移动。其中在纵向（轴）进给系统的改造布置中，滚珠丝杠、轴承支架固定在工作台上，随工作台移动。步进电动机经降速齿轮和滚珠丝杠的螺母固定在床鞍上，通过滚珠丝杠的转动，实现工作台与床鞍之间的相对移动。滚珠丝杠螺母副，它的特点是在具有螺旋槽的丝杠螺母间装有滚珠作为中间传动元件，以减少摩擦，丝杠与螺母之间基本上为滚动摩擦。滚珠丝杠螺母副的优点有：（1）传动效率高，摩擦损失小，使用寿命长。（2）

24、给予适当预紧，可消除丝杠和螺母的螺纹间隙，反向时就可以消除空程死区，防止失步；定位精度高，刚度好。（3）有可逆性丝杠和螺母都可以作为主运动件，故可以从旋转运动转换为直线运动，也可以从直线运动转换为旋转运动。（4）运动平稳，无爬行现象，传动精度高。X52K机床的主要技术规格：如下表所示表2-1 X52K基本技术规格主轴端面到工作台的距离 400mm 30mm主轴轴线到床身垂直导轨面的距离350mm面积： 宽长3201250mm最大纵向行程手动（机动） 700（680）mm最大横向行程手动（机动）260（240）mm最大升降行程手动（机动）370（350）mm进给级数 18级进级量范围 纵向：23

25、.5 1180mm/min横向：15 786mm/min垂直：8 394mm/min 孔径 29mm主轴孔锥度7：24刀杆公称直径32 50 mm转速级数 18级转速范围30 1500r/min轴向调整距离70 mm主轴电动机功率7.5KW工作台进给电动机功率1.5KW最大工件质量 150 Kg机床进给部件重量横向4410N 纵向 2200N机床进给部件参数初选：纵向工作台及夹具重量： = 2200 N（估计值）滚珠丝杠的基本导程： = 8mm螺纹升角： 行程：S= 680mm（最大纵向行程）快速进给速度：取 = 2.5m/min（经验值） 现在根据最大当量动载荷计算公式：式中：运转系数，取

26、精度系数，取 丝杠所受轴向载荷（）， 寿命值，可据公式 n为丝杠平均转速（r / min） =156.3 r/min式中：最大切削力下的进给速度，可取最高进给速度 的 则： 使用寿命时间，据查经济型数控机床设计手册取T=15000小时L 140.625从而， 2. 铣削力的计算现在以工作寿命和实际加工过程中的最大铣削力为基础进行设计计算，以确保平常工作状态下的工作安全和可靠。工件材料为 ：40 锻件并调质 铣削宽度 ：22 mm铣削深度 ：5 mm 刀具直径 ：mm每齿切厚 ：0.08 mm/Z 刃齿数 ：4刀具材料为 ：高速刚立铣刀据机床设计手册 有公式： 1500N3. 滚珠丝杠所受的平均

27、轴向载荷 的计算用高速钢立铣刀逆铣合金刚时,工件的切削力可查数控机床书中得:纵向进给力 （取中间值：1.1）=1.1=1.11500=1650N横向进给力 （取中间值：0.375）= 0.375=0.3751500=562.5N垂直进给力 （取中间值：0.25） =0.25=0.251500=375N故可知在插补平面内的合力为:=1734N那么丝杠所受的平均工作载荷： 所以丝杠轴向所受载荷 ：其中为横向分力 =0.85=1275NMg 为纵向工作台及夹具重量 Mg =2200N 为颠覆力矩影响系数 取 1.1M 为当量摩擦系数 M 取 1.18那么=1.11162 + 0.18(2200+12

28、75)=1903N根据机床设计手册得， 故可选丝杠型号为：（内循环浮动返向器），的基本尺寸为：公称直径： =50mm， 螺距：=8mm 刚球直径： =5mm， 螺纹升角，=丝杠外径，d =- (0.20.3)= 48.9螺纹底径，=30mm其动载荷 =25000=13194N 故选择符合要求，丝杠可用。4. 传动效率的计算根据机械设计原理滚珠丝杠的传动效率的计算公式为：式中： 丝杠的螺旋升角，由以上参数表知，= 摩擦角，滚珠丝杠副的摩擦角10则可得： =97%5. 刚度验算滚珠丝杠受工作负荷引起的导程的变化量： /EF其中：弹性模量对于钢为：E=21滚珠丝杠横截面积：F（）而： F=则：/EF

29、 cm滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量很小，可以忽略，故 ；故导程的变形误差为： =12.8/查表得E级精度丝杠所允许的螺纹无厂误差（1m长）为15/，故刚度足够。6. 稳定性的验算由于纵向（X轴）的滚珠丝杠两端采用的是滚珠丝杠螺纹副固定，丝杠一般不会受压，又由于机床的原普通丝杠的直径大于滚珠丝杠的直径，故稳定性一定能满足要求。7. 临界转速的验算由计算得已知丝杠平均工作转速为：因此，必须进行临界转速的验算，即：其中式中符号表示：丝杠的最大转速： 丝杠支承方式系数取（因为没有受压） =9910 =- 1.2=40-1.25 = 34mm丝杠的长度。 = 工作最大行程 + 螺母长度 + 两端余量（

30、取40mm）螺母长度由机床零部件设计上可查得，丝杠设计部分 = 680 + （131 + 40） 2 = 680 + 342 = 1022mm支撑跨距 应略大于 取 = 1100临界转速计算长度 = 680 + 131 + 40 + = 811 + 40 + 39 = 890mm=9533可见满足：所以满足稳定性的要求，故可选丝杠型号为：（内循环浮动返向器）。2.1.3 齿轮设计1. 齿轮材料的选用及许用应力：由于闭式齿轮主要失效形式是齿面点蚀和轮齿折断，因此按照齿面接触强度来设计来计算，最后校合弯曲强度。初选7级精度。查机械设计基础，取小齿轮材料为45#钢；则齿轮硬度为220HBS。大齿轮也

31、采用45#钢，其齿轮硬度为180HBS。由于：560Mpa， 530Mpa 取=509Mpa=482Mpa又， 取 2. 齿轮传动设计的有关计算：由于初选的步进电动机（110BF004）的系统脉冲当量为=0.01mm/step。 步距角为： 丝杠导程为： 如果不采取齿轮传动，那么每个脉冲对应的丝杠螺母传动的距离为： =0.0167脉冲当量0.01mm所以需要有减速机构，也就是要设计齿轮减速。采用减速齿轮具有如下特点：（1）便于配置出所要求的脉冲当量（2）减小工作台以及丝杠折算到电动机轴上的惯量（3）放大电动机输出扭矩，即增大工作台的推力但采用减速齿轮会带来额外的传动误差，使机床的快速移动速度降

32、低，并且其自身又引入附加的转动惯量，这些应引起注意。 3. 直齿圆柱齿轮副的计算（1）计算减速器的传动比由 和步距角为：，丝杠导程为：则传动比：=粗选小齿轮齿数 ，则大齿轮齿数： =53.44（可参照机械设计基础169页）则实际传动比为：满足误差要，取齿轮压力角，初选模数m=2.5mm，则：小齿轮直径：mm大齿轮直径：mm小齿轮大径：mm大齿轮大径：mm中心距：mm 圆整中心距：取mm齿宽为：大齿轮：mm 圆整为：mm小齿轮： mm(为了补偿安装误差通常使小齿轮齿宽略宽一些)（2）齿轮弯曲强度应力校核查机械设计基础中表得齿性系数 处载荷系数为K=1.5，最大转矩查步进电机相关参数，转矩取 F=

33、4.9N.m验算齿轮弯曲强度（按最小齿宽50mm来计算）： =136 这里所以符合安全要求。齿轮的圆周速度可据公式： 上式中： -为小齿轮的转速即步进电机轴的转速，可据初选步进电机110BF004的运行频率： ，和步距角：0.75来计算。可知选用7级精度是满足要求的。2.2 横向(Y轴)的设计Y轴方向步进电动机的选择：Y轴铣削圆周力： =1500N则有Y向丝杠牵引力：= +1.414f=1500+1.41444100.01=1562N则有电机轴负载力矩： T = 其中：-导轨摩擦系数，取0.1-步进电机步矩角为0.75-Y向丝杠牵引力 f-当量摩擦系数取0.01若不考虑启动时运动部件惯性的影响

34、，则启动力矩为： 可取安全系数极限值0.3，则有：=对于工作方式为无相十拍的五相步进电机最大启动力矩： 电机最大工作频率：综合以上可选取步进电机型号为：110BF004反应式步进电动机。步进电机110BF004的外型尺寸为：，轴径为。 Y轴的丝杠选择与X轴一样为FFZD5008，内循环浮动返向器Y轴的齿轮副设计也与X轴相同，这里不再累赘。2.3 控制部分设计本系统以单片机为控制核心，扩展部件为外围器件，是比较经济的数控系统。既满足了机床的数控加工能力，又经济可靠。该系统是由数控单元和步进伺服单元组成。数控部分采用MCS-51系列的8031单片机，它和扩展系统以及电机驱动电源一起组成连续控制的数

35、控系统。控制核心按照所输入的加工程序数据，经计算处理，发出所需要的脉冲信号，经驱动电路放大功率后，驱动补进电机，由步进电机带动滚珠丝杠副，从而使纵、横向工作台按零件加工所需的进给速度及方向移动，实现机床的开环自动控制。系统的定位精度由软件中适当的降频处理来保证，重复定位采用固定间隙来改善。最终使系统灵活性大 ，通用性强，数控功能丰富，可靠性高，且易于实现机电一体化，使用维护方便。控制系统的主要功能 （1）手动暂停，手动快速返回坐标原点。（2）六个方向点动传给，手动快速进给。（3）间隙补偿功能，刀具补偿功能。（4）用户指令掉电保护功能。（5）具有程序暂停、延时、局部循环、自动循环功能。（6）用户

36、指令编辑、修改、删除、清零功能。（7）错误操作诊断、错误操作显示功能。（8）可自行进行直线、斜线、圆弧的加工系统的硬件组成如下所示。主要有主控制器CPU、存储器、键盘显示器、I/O接口和驱动电路等。部分可参照单片机原理书中所述。如图2-1所示 图2-1 数控系统硬件框图2.3.1 主控制器（CPU）CPU选用功能强、价格便宜的8031单片机。有4个8位的并行接口，一个串行接口，8031的口作为分时服用的低8位地址/数据总线接口，口作为显示器的字型输出口，口作为高8位地址总线接口，口作为中断、定时、计数、读写控制等特殊功能口。CPU的时钟采用内部方式，晶振频率为6MHz。此芯片具有高集成度，应用

37、广泛，有2 个16位的定时、计数器和一个处理功能很强的中央处理器。该芯片不易受干扰，容易实现屏蔽，可靠性高，能在较恶劣的环境下工作，功能强，速度高。指令执行时间短，且具备刀具长度偏移和半径补偿功能、自诊断功能，可以进行加、减速操作。2.3.2 存储器扩展电路1. 存储器芯片的选择。8031片内只有128KB的RAM，所以必须对其进行外部程序存储和数据存储器进行扩展。选择存储器应考虑的主要因素是速度和容量。凡是工作时间小于8031的工作时间均可满足要求。这里选用1片容量为8K8的2764EPROM芯片作为程序存储器扩展芯片，用1片容量为8K8的6264静态RAM芯片作为数据存储器扩展芯片，并带有

38、3.6V的备用电池，使存放的加工数据能长时间的保存。2. 存储器地址分配及接线。8031芯片所支持的存储系统，其程序存储器与数据存储器独立编址，因此，EPROM和RAM的地址分配比较自由，不必考虑是否冲突。由于复位后8031从0000H单元开始执行程序故8K EPROM的地址空间从0000H-1FFFH，8K RAM的地址空间也设为0000H-1FFFH。8031的地址锁存允许信号ALE与地址锁存器74LS373的输入端G相连，从而将口输出的地址信息锁存在373中，2764需要13根地址线，低8 位与口相连，高5位分别与相连。8位数据线直接与口连，将2764的片选端接地，由于8031只能选通外

39、部程序存储器，因而将8031的接地。RAM6264的数据线和地址线的连接方法与2764相同，其读写控制端与8031的对应端相连。由于6264的地址分配为0000H-1FFFH，故其片选端应与74LS138译码器相连。2.3.3 扩展I/O接口为了满足铣床数控系统的需要，选用可编程并行接口芯片8155作为I/O接口，各个端口的功能定义和地址分配如下表所示。8155的片选端与74LS138译码器的相连，地址空间为2000H-2FFFH，地址锁存控制端及读写控制分别与8031的控制线对应相接，8155的对应接至8031的口线。如表2-2所示 表2-2 138155I/O口功能定义和地址分配端口工作方

40、式功能地址PA输出提供步进电机的控制信号及知识信号2001HPB输入键盘和行程控制2002HPC输出显示和键盘管理2003H用片做为机床开关、刀架控制信号及主轴编码器反馈信号口；用片作为键盘显示器接口，识别键盘按键信号，对显示器自动扫描，完成键盘输入和显示控制两种功能,为了增加数码管的亮度,可分别在字型口和字位口处增加7407 驱动器。2.3.4 步进电机驱动电路用步进电机作为执行元件的数控系统，可采用较为简单的开环控制，因而成为经济型数控机床最为主要的一种驱动元件，步进电机的驱动电路一般由4部分组成：计算机接口、脉冲分配器、光电隔离电路和功率放大电路。本设计采用8155的口作为控制步进电机的

41、接口，由该口的提供步进电机所需的控制信号。脉冲分配器的作用是为步进电机提供符合控制指令要求的脉冲序列，其实现方法有硬件和软件2种。为降低硬件的成本及故障源，本设计采用软件方法进行实现。步进电机驱动电路中，脉冲信号经过放大后送给步进电机励磁绕组，为防止强电干扰，在功放电路之前接上光电耦合电路进行隔离。步进电机所需电流较大，必须将光电耦合器输出的信号放大后才能驱动步进电机正常运转。步进电机的驱动电路由三部分构成：环形分配器；光电耦合器；功率放大器。1. 环形分配器 环行分配器的主要作用是把来自于加减速电路的一系列进给脉冲指令，转换成控制步进电机定子绕组通电、断电的电平信号，电平信号状态的改变次数及

42、顺序与进给脉冲的数量及方向对应。硬件环型分配器是有触发器和门电路构成的硬件逻辑电路（如型号YB015）。2. 光电耦合器 选用 GO102 型光电耦合器，其电路图如图2-2所示：图2-2 光电耦合电路图3. 功率放大器 因为输出的脉冲功率很小，电流只有几毫安，故需要进行功率放大，使脉冲电流达到110 A，才足以驱动步进电机正常工作。其电路图如图2-3所示： 图2-3 单电压供电功放电路通过综合的考虑本设计决定采用： 高低压驱动电路2.3.5 行程控制为防止工作台越界，设置了4个限位开关，8155的分别为工作台+X、-X、+Y、-Y四个方向的行程控制信号，计算机随时巡回检测的电平，当某一个为低电

43、位时，立即停止步进电机的运行。2.3.6 键盘与显示键盘与显示设计在一起，8155的PC口的担任键盘的列线及显示器的扫描控制（字位线），PB口的为键盘的行线，8031的P1口为显示器自形输出口，该采用38共24个矩阵式键盘和六位八段共阴极LED显示器，为了增加数码管的亮度,可分别在字型口和字为口处增加驱动器进行驱动。2.3.7 复位电路 此单片机是靠外部电路实现，在时钟电路工作后，只要在8031的RESET引角上出现10ms以上的高电平，单片机即可复位。本系统采用上电复位和手动按纽复位组合。2.3.8 紧急停车系统中设置了一个紧急按纽，利用8031的外部中断INT1 。在加工过程中如果出现紧急情况，按此按纽就可以紧急中断信号，整个系统就立即停止工作。见A0图数控电气原理图结