毕业设计（论文）-C6150普通车床数控化改造.doc

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1、常州信息职业技术学院 毕业设计（论文）报告第一章 绪 论1.1本文选题的背景及意义1.1.1 概述整个人类社会的文明史，就是制造技术不断演变和发展的历史。任何国家的制造业都是国民经济的基础产业，也是国民经济的主要来源。没有发达的制造业，就不可能有国家真正的繁荣和强大。制造技术是制造业的技术支柱，是一个国家科技水平、综合国力的重要体现，制造技术的发展是一个国家经济增长的根本动力。而制造业中机床是其基础装备。我国是一个机床大国，有三百多万台普通机床。但机床的素质差，性能落后，单台机床的平均产值只有先进工业国家的1/10左右，差距太大，急待改造。旧机床的数控化改造，顾名思义就是在普通机床上增加微机控

2、制装置，使其具有一定的自动化能力，以实现预定的加工工艺目标。随着数控机床越来越多的普及应用，数控机床的技术经济效益为大家所理解。在国内工厂的技术改造中，机床的微机数控化改造已成为重要方面。许多工厂一面购置数控机床一面利用数控、数显、PC技术改造普通机床，并取得了良好的经济效益。我国经济资源有限，国家大，机床需要量大，因此不可能拿出相当大的资金去购买新型的数控机床，而我国的旧机床很多，用经济型数控系统改造普通机床，在投资少的情况下，使其既能满足加工的需要，又能提高机床的自动化程度，比较符合我国的国情。1984年，我国开始生产经济型数控系统，并用于改造旧机床。到目前为止，已有很多厂家生产经济型数控

3、系统。可以预料，今后机床的经济型数控化改造将迅速发展和普及。1.1.2数控机床的优越性数控机床是综合应用计算机、自动控制、自动检测及精密机械等高新技术的产物,是技术密集度及自动化程度很高的典型机电一体化加工设备。它与普通机床相比,其优越性是显而易见的,不仅零件加工精度高,产品质量稳定,且自动化程度极高,可减轻工人的体力劳动强度,大大提高了生产效率,特别值得一提的是数控机床可完成普通机床难以完成或根本不能加工的复杂曲面的零件加工,因而数控机床在机械制造业中的地位愈来愈显得重要。1.1.3数控机床在我国的发展现状我国是世界上机床产量最多的国家，但在国际市场竞争中仍处于较低水平；即使国内市场也面临着

4、严峻的形势,一方面国内市场对各类机床产品特别是数控机床有大量的需求,而另一方面却有不少国产机床滞销积压,国外机床产品充斥市场。90年国外数控机床在我国市场的占有率仅达15%左右,而95年已达77%。严重影响我国数控机床自主发展的势头。这种现象的出现,除了有经营上、产品制造质量上和促销手段上等原因外,一个主要的原因是我国生产的数控机床品种、性能和结构不够先进,新产品(包括基型、变型和专用机床)的开发周期长,从而不能及时针对用户的需求提供满意的产品。具体地说,这个问题反映在下列五个方面: (1) 我国机床厂目前开发基型产品的周期约为1518个月,其中设计时间约为58个月,占总周期的40%左右。而国

5、外一些先进机床厂同类基型产品的开发周期为69个月,其中设计约1.52个月,只占25%。因此无论是产品开发的总周期还是设计所占的时间比例均与国外先进水平有很大的差距。 (2) 我国工厂由于缺乏设计的科学分析工具(如分析和评价软件、整机结构有限元分析方法以及机床性能测试装置等),自行开发的新产品大多基于直观经验和类比设计,使设计一次成功的把握性降低,往往需要反复试制才能定型,从而可能错过新产品推向市场的良机。 (3) 用户根据使用需要,在订货时往往提出一些特殊要求,甚至在产品即将投产时有的用户临时提出一些要求,这就需要迅速变型设计和修改相应的图纸及技术文件。在国外,这项修改工作在计算机的辅助下一般

6、仅需数天至一周,而在我国机床厂用手工操作就至少需12个月,且由于这些图纸和文件涉及多个部门,常会出现漏改和失误的现象,影响了产品的质量和交货期。 (4) 现在我国工厂设计和工艺人员中青年占多数,他们的专业知识和实际经验不足, 又担负着开发的重任。 (5)由于长期以来形成的设计、工艺和制造部门分立,缺乏有效的协同开发的模式,不能从制订方案开始就融入各方面的正确意见,容易造成产品的反复修改,延长了开发的周期。为解决这些问题,必须对产品开发的整个过程综合应用计算机技术,发展优化和仿真技术,提高产品结构性能,并建立起基于并行工程(Concurrent Engineering)的使设计、工艺和制造人员协

7、同工作和知识共享的产品虚拟开发环境,使用相应的产品虚拟开发软件，这样才能有效地解决产品开发的落后局面,使企业取得良好的经济效益。1.1.4机床数控化改造的必要性我国目前机床总量380余万台，而其中数控机床总数只有11.34万台，即我国机床数控化率不到3%。近10年来，我国数控机床年产量约为0.60.8万台，年产值约为18亿元。机床的年产量数控化率为6%。我国机床役龄10年以上的占60%以上；10年以下的机床中，自动/半自动机床不到20%，FMC/FMS等自动化生产线更屈指可数（美国和日本自动和半自动机床占60%以上）。可见我们的大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大数是传统的机床，而且半数以

8、上是役龄在10年以上的旧机床。用这种装备加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长，从而在国际、国内市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的产品、市场、效益，影响企业的生存和发展。所以必须大力提高机床的数控化率。 经过大量实践证明普通机床数控化改造具有一定经济性、实用性和稳定性。所以很多企业纷纷将现有机床改造成经济型数控机床，这种做法具有投资少、见效快的特点。事实证明：用较少的资金，将普通机床改造升级为数控机床，可以为企业带来可观的经济效益。1.2机床数控技术的基本概念1.2.1 数控机床和数控技术数控技术及数控机床在当今机械制造业中的重要地位和巨大效益，显示了其在国家基础工业

9、现代化中的战略性作用，并已成为传统机械制造工业提升改造和实现自动化、柔性化、集成化生产的重要手段和标志。数控技术及数控机床的广泛应用，给机械制造业的产业结构、产品种类和档次以及生产方式带来了革命性的变化。数控机床是现代加工车间最重要的装备。它的发展是信息技术(1T)与制造技术(MT)结合发展的结果。现代的CAD/CAM、FMS、CIMS、敏捷制造和智能制造技术，都是建立在数控技术之上的。掌握现代数控技术知识是现代机电类专业学生必不可少的。在数控加工中，从零件的设计图纸到零件成品合格交付，不仅要考虑到数控程序的编制，还要考虑到诸如零件加工工艺路线的安排、加工机床的选择、切削刀具的选择、零件加工中

10、的定位装夹等一系列因素的影响，在开始编程前，必须要对零件设计图纸和技术要求进行详细的数控加工工艺分析，以最终确定哪些是零件的技术关键，哪些是数控加工的难点，以及数控程序编制的难易程度。零件的数控加工工艺分析是编制数控程序中最重要而又极其复杂的环节，也是数控加工工艺方案设计的核心工作，必须在数控加工方案制定前完成。一个合格的编程人员对数控机床及其控制系统的功能及特点，以及影响数控加工的每个环节都要有一个清晰、全面的了解，这样才能避免由于工艺方案考虑不周而可能出现的产品质量问题，造成无谓的人力、物力等资源的浪费。全面合理的数控加工工艺分析是提高数控编程质量的重要保障。 数控车床是目前使用最广泛的数

11、控机床之一。数控车床主要用于加工轴类、盘类等回转体零件。通过数控加工程序的运行，可自动完成内外圆柱面、圆锥面、成形表面、螺纹和端面等工序的切削加工，并能进行车槽、钻孔、扩孔、铰孔等工作。1.2.2 数控机床的特点数控机床的操作和监控全部在这个数控单元中完成，它是数控机床的大脑。与普通机床相比，数控机床有如下特点： 加工精度高，具有稳定的加工质量； 可进行多坐标的联动，能加工形状复杂的零件； 加工零件改变时，一般只需要更改数控程序，可节省生产准备时间；机床本身的精度高、刚性大,可选择有利的加工用量，生产率高（一般为普通机床的35倍）； 机床自动化程度高，可以减轻劳动强度； 对操作人员的素质要求较

12、高，对维修人员的技术要求更高。 数控机床一般由下列几个部分组成： 主机，他是数控机床的主题，包括机床身、立柱、主轴、进给机构等机械部件。他是用于完成各种切削加工的机械部件。 数控装置，是数控机床的核心，包括硬件（印刷电路板、CRT显示器、键盒、纸带阅读机等）以及相应的软件，用于输入数字化的零件程序，并完成输入信息的存储、数据的变换、插补运算以及实现各种控制功能。 驱动装置，他是数控机床执行机构的驱动部件，包括主轴驱动单元、进给单元、主轴电机及进给电机等。他在数控装置的控制下通过电气或电液伺服系统实现主轴和进给驱动。当几个进给联动时，可以完成定位、直线、平面曲线和空间曲线的加工。 辅助装置，指数

13、控机床的一些必要的配套部件，用以保证数控机床的运行，如冷却、排屑、润滑、照明、监测等。它包括液压和气动装置、排屑装置、交换工作台、数控转台和数控分度头，还包括刀具及监控检测装置等。 编程及其他附属设备，可用来在机外进行零件的程序编制、存储等。 自从1952年美国麻省理工学院研制出世界上第一台数控机床以来，数控机床在制造工业，特别是在汽车、航空航天、以及军事工业中被广泛地应用，数控技术无论在硬件和软件方面，都有飞速发展。1.3数控机床的组成和分类1.3.1数控机床的组成(1)输入输出设备输入输出设备主要实现程序编制、程序和数据的输入以及显示、存储和打印 。 (2)数控装置数控装置是数控机床的核心

14、。它接受来自输入设备的程序和数据，并按输入信息的要求完成数值计算、逻辑判断和输入输出控制等功能。 (3)伺服系统伺服系统是接受数控装置的指令，驱动机床执行机构运动的驭动部件。它包括伺服电路和伺服电机组成。一般来说，数控机床的伺服驱动要求有好的快速响应性能，能灵敏而准确地跟踪由数控装置发出的指令信号。 (4)测量反馈装置该装置由测量部件和响应的测量电路组成，其作用是检测速度和位移，并将信息反馈给数控装置，构成闭环控制系统。 (5)机床本体机床本体是数控机床的主体，是用于完成各种切削加工的机械部分。1.4数控机床的特点数控机床的操作和监控全部在这个数控单元中完成，它是数控机床的大脑。与普通机床相比

15、，数控机床有如下特点： 加工精度高，具有稳定的加工质量； 可进行多坐标的联动，能加工形状复杂的零件； 加工零件改变时，一般只需要更改数控程序，可节省生产准备时间；机床本身的精度高、刚性大,可选择有利的加工用量，生产率高（一般为普通机床的35倍）； 机床自动化程度高，可以减轻劳动强度； 对操作人员的素质要求较高，对维修人员的技术要求更高。 数控机床一般由下列几个部分组成： 主机，他是数控机床的主题，包括机床身、立柱、主轴、进给机构等机械部件。他是用于完成各种切削加工的机械部件。 数控装置，是数控机床的核心，包括硬件（印刷电路板、CRT显示器、键盒、纸带阅读机等）以及相应的软件，用于输入数字化的零

16、件程序，并完成输入信息的存储、数据的变换、插补运算以及实现各种控制功能。 驱动装置，他是数控机床执行机构的驱动部件，包括主轴驱动单元、进给单元、主轴电机及进给电机等。他在数控装置的控制下通过电气或电液伺服系统实现主轴和进给驱动。当几个进给联动时，可以完成定位、直线、平面曲线和空间曲线的加工。 辅助装置，指数控机床的一些必要的配套部件，用以保证数控机床的运行，如冷却、排屑、润滑、照明、监测等。它包括液压和气动装置、排屑装置、交换工作台、数控转台和数控分度头，还包括刀具及监控检测装置等。 编程及其他附属设备，可用来在机外进行零件的程序编制、存储等。 自从1952年美国麻省理工学院研制出世界上第一台

17、数控机床以来，数控机床在制造工业，特别是在汽车、航空航天、以及军事工业中被广泛地应用，数控技术无论在硬件和软件方面，都有飞速发展。1.5数控机床的发展 电子技术、信息技术、网络技术、模糊控制技术的发展使新一代数控系统技术水平大大提高，促进了数控机床产业的蓬勃发展，也促进了现代制造技术的快速发展。数控机床性能在高速度、高精度、高可靠性和复合化、网络化、智能化、柔性化、绿色化方面取得了长足的进步。现代制造业正在迎来一场新的技术革命。数控系统未来分以下几个发展方向：数控系统向开放式体系结构发展数控系统向软数控方向发展数控系统控制性能向智能化方向发展数控系统向网络化方向发展数控系统向高可靠性方向发展数

18、控系统向复合化方向发展数控系统向多轴联动化方向发展2 总体方案的拟定2.1 设计任务与要求2.1.1 课程设计的内容 1)、总体方案的选择。2)、进给伺服系统机械部分的设计计算并绘制Z向坐标轴的机械传动机构的装配图。3)、设计并绘制用单片机控制的数控机床进给伺服系统的硬件电路原理图。4)、编写设计说明书一份。2.1.2 课程设计的要求 1)、CNC系统的主CPU 宜采用8031单片机。2)、机械进给伺服系统宜采用混合式步进电机驱动。3)、所编写的零件加工程序应符合 ISO 标准的有关规定。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)、说明书应简明扼要、计算准

19、确、条理清楚、图文并茂。 2.1.3 课程设计的图纸 1)、滚珠丝杠装配图 A1 2张2)、传动齿轮配合图 A1 2张2.2 总体方案的设计 本设计是针对CA6150普通车床进行数控改造。利用微机对纵向进给系统进行开环控制，纵向（Z向）脉冲当量为0.01mm、脉冲驱动元件采用步进电机，传动系统采用滚珠丝杠。对于普通机床的经济型数控改造，在确定总体设计方案时，应考虑在满足设计要求的前提下，对机床的改动应尽可能少，以降低成本。2.2.1 数控系统运动方式的确定 数控系统按运动方式可分为点位控制系统、点位直线控制系统、连续控制系统。由于要求CA6150车床加工复杂轮廓零件，所以微机数控系统采用两轴联

20、动连续控制系统。图2-1 所示。2.2.2 伺服进给系统的改造设计数控机床的伺服进给系统有开环、闭环之分。因为开环控制具有结构简单、设计制造容易、控制精度较好、容易调试、价格便宜、使用维修方便等优点。所以，本设计决定采用开环控制系统。2.2.3 数控系统的硬件电路设计任何一个数控系统都由硬件和软件两部分组成。硬件是数控系统的基础，性能的好坏直接影响整体数控系统的工作性能。有了硬件，软件才能有效的运行。再设计的数控装置中，CPU是关键。在我国，普通机床数控改造方面应用较普遍的事MCS-51系列单片机。主要是因为它的配套芯片便宜，普及型、通用性强。制造和维修方便，完全能满足经济型数控机床的改造需要

21、。本设计中是以MCS-51系列单片机，51系列相对48系列指令丰富，相对96系列价格便宜。本设计以8031为核心，增加储存器扩展电路，接口和面板操作开关组成的控制系统。图2-1 CA6150卧式车床简图 CA6140车床的主轴转速部分保留原机床的功能，即手动变速。车床的纵向（Z轴）进给运动采用步进电机驱动。由8031单片机组成微机作为数控装置的核心，由I/O接口、环形分配器与功率放大器一起控制步进电机转动，经齿轮减速后带动滚珠丝杠转动，从而实现车床的纵向进给运动。为保持切削螺纹的功能，必须安装主轴脉冲发生器，为此采用主轴靠同步齿行带使脉冲发生器同步旋转，发出两路信号：每转发出的脉冲个数和一个同

22、步信号，经隔离电路以及I/O接口送给微机。系统总体方案图2-2所示：图2-2经济型数控机床总体方案总体3 伺服进给系统的计算机床进给伺服系统机械部分设计算,计算内容包括:确定系统的负载,确定系统的脉冲当量,部分部件惯量计算,空栽启动及切削刀矩计算,确定伺服电机转动及导向元件的设计,计算及选用绘制部分装配及零件工作图等.现分述如下: 3.1 确定系统脉冲当量 一个进给脉冲，使机床运动部件产生的位移量，称为脉冲当量，也称为机床的最小设定单位。脉冲当量是衡量数控机床加工精度的一个基本技术参数。经济型数控机床常采用的脉冲当量是0.01-0.005mm一个脉冲。3.2 切削力的计算 在设计机床进给伺服系

23、统时，计算传动和导向元件，选用伺服电动机等都需要用到切削力。3.2.1 已知数据工作台重量：W=80kgf=800N时间常量： T=25ms行 程： s=950mm步 驱 角： 2=0.75o/step快速进给速度：Vmax=3.6m/ms脉冲当量： 8p=0.01mm/8tep 3. 2.2 纵车外圆： 计算切削力F 主切削力：Fz=0.67Dmax1.5=0.674001.5=5360N 按切削力各分力比例： Fz：Fx：Fy =1：0.25：0.4 Fx=0.25Fz=0.255360=1340N Fy =0.4Fz =0.45360=2144N G=800N3. 2.3 横切端面： 主

24、切削力可取纵切的0.5； =0.5Fz=0.55360=2680N 式（2-1） 此时走刀抗力，吃刀抗力。按照：=1：0.25：0.4计算：=26800.4=1072N；=26800.25=670N3.3 滚珠丝杠螺母副的计算与选型3.3.1 纵向进给丝杠（1）、计算进给牵引力Fm 作用在滚珠丝杠上的进给牵引力主要包括切削时的走刀抗力以及移动件的重量和切削分力作用在导轨上的摩擦力。因而其数值的大小与导轨的型号有关。纵向进给的综合导轨Fm =KFx +f (Fz +G)=1.151340+0.16(5360+800)=2527 N 式（2-2）式中K考虑颠覆力矩影响的实验系数，综合导轨取K=1.

25、15； f滑动导轨摩擦系数：0.150.18，f=0.16； G溜板几倒架重力：G=800N（2 ）、计算最大动负载C C=fwFm 式（2-3） 式（2-4） 式（2-5）式中 L0滚珠丝杠导程，初选L0=6mm; Vs最大切削力下的进给速度，可取最高进给速度的（1/21/3）; T使用寿命，按15000h； fw运转系数，按一般运转取fw=1.21.5； L-寿命，以106转为1单位 =300min 式（2-6） =270 C=fwFm=1.22527=19599N 式（2-7）（3）、 滚珠丝杠杠螺母副的选型由计算出的C在现代机床设计手册中选取相应规格的滚珠丝杠副FFZD4005-5 已

26、确定得型号：FFZD公称直径：40，导程：5螺纹长度1290，丝杠长度1410P类3级精度所选规格型号：FFZD4005-3-P3/141012903.4滚珠丝杠的安装与使用(1)润滑为使滚珠丝杠副能充分发挥机能，在其工作状态下，必须润滑，润滑方式主要有以下两种1. 润滑脂润滑脂的给脂量一般是螺母内部空间容积的1/3，我厂滚珠丝杠副出厂时在螺母内部已加注GB7324-94 2#锂基润滑脂； 2. 润滑油润滑油的给油量标准如表16所示，但是随行程、润滑油的种类、使用条件（热抑制量）等的不同而有所变化。请注意使用。表16 润滑油的给油量标准（间隔3分钟）表三润滑油的给油量标准轴 颈 (mm)给油量

27、 (cc)480.0310140.0515180.0720250.1028320.1536400.2545500.3055630.40701000.501001600.60(2)防尘滚珠丝杠副与滚动轴承一样，如果污物及异物进入就很快使它磨耗，成为破损的原因。因此，考虑有污物异物（切削碎削）进入时，必须采用防尘装置（折皱保护罩、丝杠护套等），将丝杠轴完全保护起来。 另外，如没有异物，但有浮尘时可在滚珠螺母两端增加防尘圈，请用户根据需要按编号规则选定合适规格型号。(3)使用滚珠丝杠副在使用时应注意以下事项：1. 滚珠螺母应在有效行程内运动，必要时要在行程两端配置限位，以避免螺母越程脱离丝杠轴而使滚

28、珠脱落。2. 滚珠丝杠副由于传动效率高，不能自锁，在用于垂直方向传动时，如部件重量未加平衡，必须防止传动停止或电机失电后，因部件自重而产生的逆传动。防逆传动方法可用蜗轮蜗杆传动、液压式电器制动器及超越离合器等。 (4)安装 1)滚珠丝杠副在安装时应注意以下事项：1. 滚珠丝杠副仅用于承受轴向负荷。径向力、弯矩会使滚珠丝杠副产生附加表面接触应力等不良负荷，从而可能造成丝杠的永久性损坏。因此，滚珠丝杠副安装到机床时应注意： o 丝杠的轴线必须和与之配套导轨的轴线平行，机床的两端轴 承座与螺母座必须三点成一线。 o 安装螺母时，尽量靠近支撑轴承； o 同样安装支撑轴承时，尽量靠近螺母安装部位。 2.

29、 滚珠丝杠副安装到机床时，请不要把螺母从丝杠轴上卸下来。如必须卸下来时，要使用辅助套，否则装卸时滚珠有可能脱落。螺母装卸时应注意下列几点： o 辅助套外径应小于丝杠底径0.10.2mm. o 辅助套在使用中必须靠紧丝杠螺纹轴肩。 o 装卸时，不可使过大力以免螺母损坏。 o 装入安装孔时要避免撞击和偏心。3.5齿轮传动比计算3.5.1 纵向进给齿轮箱传动计算 已确定纵向脉冲当量P=0.01,滚动丝杠导程L0=5mm,初选步进电动机步距角0.750,可计算也传动比i： i=3600.01/0.755=0.96可选定齿轮数i= 故齿轮齿数为：Z1=24，Z2=25，或Z1=48，Z2=50 因进给运

30、动齿轮受力不大，模数m取2，有关参数请参照表3-2。表 传动齿轮几何参数齿 数2425分度圆d=mz4850齿顶圆da=d+2m5254齿根圆df=d-21.25m4345 齿 宽(610)m20203.5.2纵向电机的计算与选择（1） 等效转动惯量计算。根据理论力学公式计算进给系统中各回转部件的转动惯量。滚珠丝杠设计时假设传动比i为4，取脉冲当量为0.005mm/脉冲；纵向快速进给速度为4m/min；步进电机的步矩角预选为1.8（）/step。故可取20、80；m1.5mm（模数），a20；m30mm，m120mm，33，123则齿轮的转动惯量分别为（齿轮为45号钢，并将齿轮近似看成圆柱体）

31、 =7.80.185 0.185 7.8=35.7 =35.7滚珠丝杠选用型号为FFZD4005-3-P3/14101290的丝杠其长度为1410mm，直径为40mm，则丝杠的转动惯量近似为2.815488 =2.8 设电动机转子的转动惯量为7.5（当有效到电动机轴上的负载转动惯量大于电动机转子转动惯量一个数量级时，值可以忽略，但当等效到电动机轴上的负载惯量较小时，就不能轻易地忽略它。现预选电动机为110BYG450，其电动机转子地抓动惯量为7.5）。根据书上机电一体化公式可知 式中：采用最不利于机床启动时的速度，这里选用快速进给速度4m/min；（电动机）/（360）4000r/min；10

32、0kg；/i1000 r/min。则 （0.0067.50.185（35.72.8）/）1.0（2） 丝杠摩擦阻力力矩（）的计算。由于丝杠承受轴向载荷，又由于采取了一定的预紧措施，故滚珠丝杠会产生摩擦阻力矩，但由于滚珠丝杠的传动效率很高，其摩擦阻力矩相对与其它负载转矩小得多，故一般不用考虑。（3） 等效负载转矩。由书上机电一体化公式得 0.18N.m（4） 启动惯性阻转矩（）得计算。这里以最不利于启动得快进速度进行计算，启动加速度（或制动减速）时间为t0.03s（一般在0.031s之间选择），由于电动机转速2418.7，取加（减）速曲线为等加（减）速梯形曲线，故角加速度为 则 N.m1.395

33、 N.m（5）步进电动机输出轴上总负载转矩的计算 （0.18+1.395）N.m=1.575 N.m（6）步进电动机的匹配选择上述计算均未考虑机械系统的传动效率，当选择机械传动总效率0.7时 在车削时，由于材料的不均匀等因素的影想，会引起负载转矩突然增大，为避免计算上的误差以及负载转矩突然增大引起步进电动机丢步而引起加工误差，可以适当考虑安全系数，安全系数一般可在1.22之间选取。如果安全系数K1.5，则步进电动机可按以下总负载转矩选择 若选用上述预选的电动机110BYG450，其最大静转矩7.1 N.m。在四相六拍驱动时，其步矩角为0.75（）/step，为保证带负载能正常加速起动和定位停止

34、，电动机的启动转矩必须满足 由书上机电一体化表3.7可知，0.87，则0.87 7.1=6.17 N.m故选用合格。4 微机数控系统硬件电路设计4.1 微机控制系统硬件的选择任何一个数控系统都由硬件和软件两部分组成。硬件是数控系统的基础，性能的好坏直接影响整体数控系统的工作性能。有了硬件，软件才能有效的运行。再设计的数控装置中，CPU是关键。在我国，普通机床数控改造方面应用较普遍的事MCS-51系列单片机。主要是因为它的配套芯片便宜，普及型、通用性强。制造和维修方便，完全能满足经济型数控机床的改造需要。本设计中世以MCS-51系列单片机，51系列相对48系列指令丰富，相对96系列价格便宜。本设

35、计以8031为核心，增加储存器扩展电路，接口和面板操作开关组成的控制系统。CA6150车床的主轴转速部分保留原机床的功能，即手动变速。车床的纵向（Z轴）进给运动采用步进电机驱动。由8031单片机组成微机作为数控装置的核心，由I/O接口、环形分配器与功率放大器一起控制步进电机转动，经齿轮减速后带动滚珠丝杠转动，从而实现车床的纵向、横向进给运动。刀架改成由微机控制的经电机驱动的自动控制的自动转位刀架。为保持切削螺纹的功能，必须安装主轴脉冲发生器，为此采用主轴靠同步齿行带使脉冲发生器同步旋转，发出两路信号：每转发出的脉冲个数和一个同步信号，经隔离电路以及I/O接口送给微机。本系统选用8031CPU作

36、为数控系统的中央处理机。外界2764EPROM，作为监控程序的程序存储器和存放常用零件的加工程序。再选用一片6264RAM用于存放需要随机修改的零件程序、工作参数。采用译码法对扩展芯片进行寻址，采用74LS138译码器完成此功能。8279作为系统出入输出口扩展，分别接键盘的出入、输出显示，8255接步进电机的环形分配器，分别并行控制X和Z轴的步进电机。另外，还要考虑机床与单片机之间的光电隔离，功率放大电路等。各引脚功能简要介绍如下：4.1.1源引脚 Vss：电源接地端。 Vcc：+5v电源端。4.1.2输入/输出（I/O）口线 图4-1 8031 8031单片机有P0、P1、P3、P4四个端口

37、，每个端口8根I/O线。当系统扩展外部存储器时，P0口用来输出低8为并行数据，P2口用来输出高8为地址，P3口除可作为一个8位准双向并行口外，还具有第二功能。在进行第二功能操作前，对第二功能的输出锁存器必须由程序置1。4.1.3信号控制线RST/VPD：RST为复位信号线输入引脚，在时钟电路工作以后，该引脚上出现两个机器周期以上的高电平，完成一次复位操作。Vpp：当EA为高电平且PC值小于0FFFH时CPU执行内部程序存储器中的程序。当EA为低电平时，CPU仅执行外部程序存储器中的程序。XTAL1:振荡器的反相放大器输入，使用外部震荡器时必须接地；XTAL2:振荡器的反响放大器输出，使用外部振

38、荡器时，接受外围震荡信号；4.2 8255A可编程并行I/O口扩展芯片8255A可编程并行I/O口扩展芯片可以直接与MCS系列单片机系统总线连接，它具有三个8位的并行I/O口，具有三种工作方式，通过编程能够方便地采用无条件传送、查询传送、中断传送方式完成CPU与外围设备之间的信息交换。8255A的结构及引脚功能：4.2.1 8255的结构8255的内部结构包括三个8为并行数据I/O口，两个工作方式控制电路，一个读写控制逻辑电路和一个8位数据总线缓冲器，各部分功能介绍如图4-2所示：三个8位并行I/O口A、B、CA口：具有一个8位数据输出锁存/缓冲器和一个8位数据输入锁存器，可编程为8位输入、或

39、8位输出、或8位双向寄存器。B口：具有一个8位数据输出锁存/缓存器和一个8位输入或输出寄存器，但不能双向输入/输出。C口：具有一个8位数据输出锁存/缓存器和一个8位输入缓冲器，C口可分为两个4位口，用于输入或输出，也可作为A口和B口选通方式工作时的状态控制信号。4.2.2 工作方式控制电路A、B两组控制电路把三个端口分别分成A、B两组，A组控制A口各位和C口高四位，B组控制B口各位和C口低四位。两组控制电路各有一个控制命令寄存器，用来接收由CPU写入的控制字，以决定两组端口的工作方式。也可根据控制字的要求对C口按位清0或置1。4.2.3 读/写逻辑电路他接受来自CPU的地址信号及一些控制信号，

40、控制各个口德工作状态。 图4-2 8255引脚图4.2.4 数据总线缓冲器它是一个三态双向缓冲器，用于和系统的数据中线直接相连，以实现CPU和8255之间信息的传送，如图 4-3所示。4.2.5 引脚功能8255为双列直插式40引脚封装芯片。D7-D0三态双向数据线，与单片机数据总线连接，用来传送数据信息。PA7-PA0、PB7-PB0及PC7-PC0 A口、B口及C口的输入/输出线。CS片选信号线，低电平有效。RD读出信号线，低电平有效。WR写入信号线，低电平有效，控制数据的写入。A1、A0端口选择信号，用来寻址控制端口和I/O端口。RESET复位信号线，高电平有效。有效时，控制寄存器的内部

41、都被清零，三个I/O端口都被置成输入方式。Vcc+5V电源。GND接地。图4-3 8031连82554.3 8255端口的寻址一块8255芯片内，AB两组控制电路各有一个控制寄存器，由CPU输入的控制字来决定三个I/O端口的工作方式。两个控制寄存器一起构成控制端口，占用一个端口地址。同时8255芯片内有A、B、C三个I/O端口，各须占用一个端口地址。这四个端口地址用A1、A0两个端口选择信号选择。4.3.1 工作方式8255有三种工作方式：即基本输入/输出方式-方式0、选通输入/输出方式-方式1、双向输入/输出工作方式-方式2（只有A口可以选择这种工作方式）。4.3.2 8255的控制字 82

42、55A在投入工作前必须设定工作方式，工作方式由初始化程序对8255的控制寄存器写入控制字来决定，控制字有两种。分别是工作方式控制字和C口德按位置/复位控制字。两种控制字写入的控制端口相同。由于两种控制字都有特征位，因此写入顺序可以任意。在工作中，随时可以根据需要对C口的某位置1或清0。4.3.3 可编程键盘，显示器接口Intel8279 图4-4 82791）、8279内部结构：数据缓冲器及I/O控制逻辑数据缓冲器是一个双向缓冲器，它连接内部总线和外部总线，用于传送CPU和8279之间的命令，数据和状态。2）、控制与定时寄存器以及定时与控制电路8279为一个可编程芯片，其工作方式等通过写入一些

43、命令来设置。控制与定时寄存器用来寄存操作命令字，通过对命令字译码产生相应的控制信号，控制8279的各个部件的协调工作，完成相应的功能。 3）、扫描计数器扫描计数器有两种工作方式。一种为外部译码方式。计数器以二进制方式计数，4为计数状态从扫描结SL0SL3输出，经外部译码后的16位扫描信号：另一种为内部译码方式。4.4 部分硬件接口电路及辅助电路设计本系统接口电路包括程序存储器扩展电路、数据存储器扩展电路、键盘显示接口电路和步进电机接口电路，辅助电路包括时钟电路、复位电路、计数电路和警报电指示路。4.4.1 外部EPROM电路EPROM2764芯片28引脚，其主要有16根地址线，8跟数据线，片选

44、端（CR）,输出允许端（OE）等。由于EPROM一般不含有地址锁存器，因此8031的P0口要经过机制锁存器74LS373与EPROM低8位地址端相连，P2口与2764高8为地址端相连,如图3-5所示。数据线有8031的P0口直接与2764的8位数据端相连。控制线的链接。2764的OE端与8031的PSEN相连。ALE与74LS373的OC端相连。由于扩展了一片8K的EPROM，因此2764片选端（CE）应接地，同时8031的EA端应接地。该芯片的地址范围0000HFFFFH，如图3-6所示。4.4.2 外扩RAM电路SPAM6264芯片为28引脚，主要有15个地址端（A0A14）、8个双向三态数据端、片选端(CE)、读选通端（OE）、写允许端（CE）等。地址连接：8031的低八位地址经P0口通过74LS373与6264的低八位地址端相连高位地址线只用7根与6264的高7为地址端相连。在数据线链接上，同2764芯片一样，P0口直接与6264数据端相连。控制端链接，片选端应接8031的P2.7端，OE、WE分