1、一、設計任務書課程設計題目CA6140普通車床橫向進給系統的數控化改造（經濟型）學院機械工程學院專業機械制造及其自動化年級2010已知參數和設計要求：1.工作臺重量：W300N（粗估）2.滾珠絲桿導程：T4mm（供參考）3.行程：S190mm4.脈沖當量：0.005mm5.快速進給速度：6.快速進給速度：7.時間常數：t100ms學生應完成的工作：1.機械結構裝配圖 A1圖紙2張，要求視圖基本完整、符合標準。2.數控系統組成框圖(或畫在設計說明書里面) A2圖紙1張。3.數控系統電氣原理圖 A1圖紙1張。4.軟件框圖(或畫在設計說明書里面) A2圖紙1張目前資料收集情況（含指定參考資料）：1.

2、機床設計圖冊 哈工大 華中紡織工業大學2.機床設計手冊 機械工業出版社3.機械設計手冊 化學工業出版社4.微機接口設計參考書課程設計的工作計劃：1.方案論證 1.5天2.機械部分設計 6.5天3.電氣部分設計 3.5天4.軟件設計 1.5天5.編寫說明書 1天（約8000字）6.準備答辯及答辯 1天任務下達日期 2013 年 12 月 23 日完成日期 年 月 日指導教師 （簽名）學 生 （簽名）2、 設計要求2.1總體方案設計要求總體方案設計應考慮機床數控系統的類型，計算機的選擇，以及傳動方式和執行機構的選擇等。（1）普通車床數控化改造后應具有定位、縱向和橫向的直線插補、圓弧插補功能，還要求

3、能暫停，進行循環加工和螺紋加工等，因此，數控系統選連續控制系統。（2）車床數控化改裝后屬于經濟型數控機床，在保證一定加工精度的前提下應簡化結構、降低成本，因此，進給伺服系統采用步進電機開環控制系統。（3）根據普通車床最大的加工尺寸、加工精度、控制速度以及經濟性要求，經濟型數控機床一般采用8位微機。在8位微機中，MCS51系列單片機具有集成度高、可靠性好、功能強、速度快、抗干擾能力強、具有很高的性價比，因此，可選 MCS51系列單片機擴展系統。（4）根據系統的功能要求，微機數控系統中除了CPU外，還包括擴展程序存儲器，擴展數據存儲器、I/O接口電路；包括能輸入加工程序和控制命令的鍵盤，能顯示加工

4、數據和機床狀態信息的顯示器，包括光電隔離電路和步進電機驅動電路，此外，系統中還應包括螺紋加工中用的光電脈沖發生器和其他輔助電路。（5）設計自動回轉刀架及其控制電路。（6）縱向和橫向進給是兩套獨立的傳動鏈，它們由步進電機、齒輪副、絲杠螺母副組成，其傳動比應滿足機床所要求的分辨率。（7）為了保證進給伺服系統的傳動精度和平穩性，選用摩擦小、傳動效率高的滾珠絲杠螺母副，并應有預緊機構，以提高傳動剛度和消除間隙，齒輪副也應有消除齒側間隙的機構。 （8）采用貼塑導軌，以減小導軌的摩擦力。 （9） 原機床的主要結構布局基本不變，盡量減少改動量 ，以降低成本縮短改造周期。 （10）機械結構改裝部分應注意裝配的

5、工藝性，考慮正確的裝配順序，保正安裝、調試、拆卸方便，需經常調整的部位調整應方便。 微 機機 Y向步進電機功率放大光電隔離上拖板 X向步進電機光電隔離功率放大下拖板 經濟型數控車床總體方案框圖數控車床改造的總體方案示意圖3、 機械部分的改造設計和計算3.1進給系統機械結構改造設計進給系統改造設計需要改動的主要部分有掛輪架、進給箱、溜板箱、溜板刀架等改造的方案不是唯一的。以下是其中的一種方案：掛輪架系統：全部拆除，在原掛輪主動軸處安裝光電脈沖發生器。進給箱部分：全部拆除，在該處安裝縱向進給步進電機與齒輪減速箱總成絲杠、光杠和操作杠拆去，齒輪箱連接滾珠絲杠，滾珠絲杠的另一端支承座安裝在車床尾座端原

6、來裝軸承座的部分。溜板箱部分：全部拆除，在原來安裝滾珠絲杠中間支撐架和螺母以及部分操作按鈕。橫溜板箱部分：將原橫溜板的絲杠的、螺母拆除，改裝橫向進給滾珠絲杠螺母副、橫向進給步進電機與齒輪減速箱總成安裝在橫溜板后部并與滾珠絲杠相連。刀架：拆除原刀架，改裝自動回轉四方刀架總成。3.2橫向進給伺服系統機械部分的計算與選型進給伺服系統機械部分的計算與選型內容包括：計算切削力、滾珠絲杠螺母副的設計、計算與選型、齒輪傳動計算、步進電機的計算和選型等。已知條件： 1.工作臺重量：W300N（粗估）2.滾珠絲桿導程：T4mm（供參考）3.行程：S190mm4.脈沖當量：0.005mm5.快速進給速度：6.切削

7、進給速度：7.時間常數：t100ms3.2.1、傳動計算其中表示步距角（本設計取0.75），表示脈沖當量（本設計是0.005mm）所以3.2.2、切削力計算主切削力切深抗力走刀抗力式中表示切削深度，表示進給量，本設計取=2.5mm，=0.15mm。3.2.3、滾珠絲杠設計計算橫向運動的導軌形式常為燕尾形導軌，其軸向力的實驗公式為：式中，系數K為1.4，摩擦系數取0.05所以（1） 疲勞強度計算滾珠絲杠的當量動載荷為:式中，L為工作壽命，,為絲杠轉速，為實用時間壽命，數控機床取，故為載荷系數，取1.3；為精度系數，取1因此由上述當量動載荷，且使用條件為橫向進給，故選擇絲杠FFB2205。（2）

8、剛度驗算滾珠絲杠的剛度按照下式校核：絲杠的支撐方式：一端固定，一端簡支。絲杠拉壓彈性位移絲杠副內滾珠與滾道的接觸變形，k2是預緊力為額定載荷的1/3時的接觸剛度，查手冊得k2=510.滾動軸承的接觸變形，初選推力球軸承51104,，代入上式得，。又因為軸承存在預緊力，所以，絲杠精度取4級。3.2.4、確定齒輪參數因為，所以，取，齒輪模數因此，軸向長度3.2.5、步進電機的選擇（1） 負載轉矩式中，為電機到絲杠的總傳遞效率查機械設計手冊取齒輪傳遞效率為0.98，滾動軸承0.99，推力軸承0.99，聯軸器0.99滾珠絲杠的效率計算：導程角：效率： 因此總效率：故（2） 滾珠絲杠副預緊引起的附加轉矩

9、式中，為絲杠螺母的預緊力，K為預緊螺母內部的摩擦系數，取0.2因此（3） 加速度轉矩式中，為電機工作頻率，切削進給時，快速進給時，（突跳起動頻率）（加速時間）式中，為電機轉子慣量，初取對于材料為鋼的圓柱形零件，其轉動慣量可按下式計算：因此因此選取因此又因為,取根據上述轉矩，查表選電機型號為110BF003。4、 單片機型數控系統硬件電路設計4.1 設計內容（1） 按照總統方案以及機械結構的控制要求，確定硬件電路的方案，并繪制系統電氣控制的結構框圖；（2） 選擇計算機或中央處理單元的類型；（3） 根據控制系統的具體要求設計存儲器擴展電路；（4）根據控制對象以及系統工作要求設計擴展接口電路，檢測電

10、路，轉換電路以及驅動電路等；（5）選擇控制電路中各器件及電氣元件的參數和型號；（6）繪制出一張清晰完整的電氣原理圖，圖中要標明各器件的型號，管腳號及參數；（7） 說明書中對電氣原理圖以及各有關電路進行詳細的原理說明和方案論證。4.2控制系統的功能要求（1）z向和x向進給伺服運動控制（2）自動回轉刀架控制（3）螺紋加工控制（4）行程控制（5）鍵盤及顯示（6）面板管理（7）其他功能：光電隔離、功率放大、報警、急停、復位。4.3硬件電路的組成：后面所畫大圖采用MCS-51系列單片機組成的控制系統硬件電路原理圖。電路的組成如下：（1）CPU采用8031芯片；（2）擴展程序存儲器2764兩片，6264一

11、片；（3）擴展可編程接口芯片8155兩片；（4）地址鎖存器，譯碼器個一個；（5）鍵盤電路，顯示電路；（6）光電隔離電路，功率放大功率；（7）越程報警電路，急停電路，復位電路；（8）面板管理電路。CPUI/O接口光電隔 離功率放 大步進電 機RAMROM外 設鍵盤、顯示器數控系統結構框圖4.4選擇電氣元件及電路設計4.4.1微機機型和擴展存儲器的選擇確定微機機型就是選擇CPU。單片機價格低、可靠性較高，適用于控制，選擇單片機做控制器比較合適。根據總體方案的確定，微機采用MCS-51系列單片機。51系列有三種型號：8031是無ROM的8051；8751是用EPROM代替ROM的8051。目前，工控

12、機中應用最多的是8031單片機。本設計就采用8031單片機。8031單片機是美國Intel公司的產品MCS51系列單片機的一個型號，是目前性能較高的8位單片微型計算機。8031單片機內部包含一個8位CPU，128字節的RAM，兩個16位定時器，四個八位并行口，一個全功能串行口，可擴展的外部程序存儲器和數據存儲器的容量為64K字節，具有5個中斷源并配有兩個優先級，還有21個特殊功能寄存器。所以8031單片機是一種理想的8位微型計算機，在各種數控系統中的到廣泛的應用。A程序存儲器的擴展a選用2732芯片常用的EPROM存儲器有2716，2732，2764，27128，27256等，容量分別為2K、

13、4K、8K、16K，32K。由于車床數控系統包括系統控制程序和加工程序，采用4KB×8的2732芯片。2732芯片是一個有24根引腳的雙列直插式集成元件。該芯片共有13根地址線A0A12，8根數據線D0D7，其余的為控制線。2732低八位地址線和74LS373的輸出端連接,高六位地址線直接與8031的P2.0P2.5連接。它的八位數據線直接與8031的P0口連接。b地址鎖存器74LS373單片機規定P0口提供低8位地址線，同時又要作為數據線，所以P0是一個分時輸出低8位地址和數據的通道口。為了把地址信息分離出來保存，提供外接存儲器的低8位地址信息，通常采用74LS373作為地址鎖存器

14、。除74LS373外，74LS273、8282、8212等芯片也可用作地址鎖存器，使用時接法稍有不同，由于接線稍繁，多用硬件和價格稍貴，故不如74LS373用得普遍。74LS373作為地址鎖存器。D1D8是輸入端，Q1Q8是輸出端，CE是片選端，片選端G與8031單片機的地址鎖存信號ALE連接。當片選端G=1時，74LS373的輸出端與輸入端相通，當G端從高電平返回低電平（下降沿）時，輸入的地址信息就被鎖入Q1Q8中。B數據存儲器的擴展a選用6264芯片數據存儲器選用8K×8位的6264芯片。6264低8位地址線通過地址鎖存器74LS373與8031P0口相接，高5位地址線分別與P2

15、.0P2.4相連，8位數據線直接接到8031P0口，讀寫控制引腳OE,WE與8031的讀寫控制引腳RD,WR直接相連，片選端CE1通過譯碼電路與8031相連。b地址譯碼器74LS138 外部芯片都通過總線與單片機連接，單片機數據總線分時地與各個外部芯片進行數據傳送，故需進行片選控制。若芯片內有多個地址單元時，還要進行片內地址選擇。8031單片機應用系統的地址譯碼規定，外部擴展芯片與數據存儲器統一編址，所以外部芯片不僅占用數據存儲器一定數量的地址單元，而且要使用讀/寫信號與讀/寫指令完成數據傳送。經濟型數控硬件結構中采用全地址譯碼方式。所謂全地址譯碼是：低位地址作為片內地址，高位地址用譯碼器譯碼

16、，譯碼器輸出的地址選擇信號作為片選線連至每個外部芯片的片選端。地址譯碼常用74LS138譯碼器，G1、G2A和G2B是賦能端，A、B、C是選擇端，Y0Y7是輸出端。74LS138地址譯碼電路輸入端出占用了8031單片機的P2.5P2.7三根高位地址線，剩余的13根地址線用作數據存儲器的內地址線。74LS138譯碼器每一個輸出端可接一個外部芯片的片選端實現分時片選控制，因此，一個74LS138譯碼器的8根輸出端可以連接8個8K字節地址空間。單片機的讀/寫信號經過與門后控制譯碼器的賦能端G2A、G2B，這就保證只有在讀/寫狀態時譯碼器輸出端才會輸出片選。4.4.2確定I/O接口8031只有P1口可

17、作為普通I/O口用，所以需擴展。鍵盤需要32個鍵，采用矩陣式鍵盤，需12個I/O口；顯示器采用6個LED，需6個I/O接口；兩個三相步進電機，采用軟件環行分配器，需6個；刀架需4個；緊急停需1個。采用一片8279芯片和一片8255A即可。鍵盤/顯示器接口采用8279芯片，因為8279芯片是專用的鍵盤/顯示器接口芯片，還可以編程。8279芯片具有消顫（去抖動）、雙鍵同時按下保護功能。顯示控制亦按掃描方式工作，可以顯示8或16個數碼（字符）。LED的個數應滿足顯示值的要求和便于顯示。8279與單片機8031的連接無特殊要求，除數據線、RESET、WR、RD直接連接外，CS與74LS138譯碼器輸出

18、線Y1相連；8279的IRQ經反相器與8031的中斷請求輸人線INT1相連；時鐘輸人端CLK與8031的地址鎖存控制端ALE相連。8279鍵盤最大可配置8×8個鍵，實際用了32個鍵。掃描線信號為SL0SL2，經74LS138譯碼器輸出的4個列選信號，接入鍵盤列線。鍵盤行查詢用了RL0RL7的8根回饋線，接人鍵盤行線。8279配置的8位共陰極LED顯示器，其字位線由掃描線SL0SL2經譯碼器、驅動器提供，字段線由OUTA0OUTBA3、OUTB0OUTB3通過驅動器提供。4.4.3鍵盤接口設計首先判斷鍵盤上有無鍵閉合，先送8255的PA口一個數據為00H，使列線PA0PA7的電平均為0

19、，然后讀PB口的PB0PB2的狀況；若不全為“1”，則有鍵閉合，此時延時10ms去掉抖動后再判斷有無鍵閉合。如無則繼續掃描，如有則判斷按下的鍵號。如確定有鍵按下時，便開始計算鍵值。當采用8行4列的鍵盤時，定義第一行的鍵為00H03H，定義第二行鍵的鍵值為04H07H，依次類推。首先判斷是哪一行有鍵閉合，若第一行有鍵閉合，設置初值為00H，若第二行有鍵閉合，則設置初值為04H，依次類推。接著對列線進行掃描以判斷是哪一列閉合。方法上使PA0對應的列線輸出低電平，其余均為高電平，判斷一下是否第一列有鍵閉合，如有則列計數為00H，與初值相加則為鍵值，也即是鍵盤的鍵號，如無則把低電平移到第二列上再判斷，

20、直到四列線全判斷完畢，找出列線為止。然后計算鍵值，最后可根據鍵號跳轉到相應的鍵功能程序的入口。4.4.4 步進電機驅動電路設計(1）脈沖分配器步進電機的控制方式由脈沖分配器實現，其作用是將數控裝置送來的一系列指令脈沖按一定的分配方式和順序輸送給步進電機的各相繞組，實現電機正反轉。數控系統中通常使用集成脈沖分配器和軟件脈沖分配器。本設計采用集成脈沖分配器YB013。（2）光電隔離電路在步進電機驅動電路中，脈沖分配器輸出的信號經放大后控制步進電機的勵磁繞組。如果將輸出信號直接與功率放大器相連，將會引起電氣干擾。因此在接口電路與功率放大器間加上隔離電路實現電氣隔離，通常使用光電耦合器。（3）功率放大

21、器脈沖分配器的輸出功率很小，遠不能滿足步進電機的需要，必須將其輸出信號放大產生足夠大的功率，才能驅動步進電機正常運轉。因此必須選用功率放大器，需根據步進電機容量選擇功率放大器。本設計選用功率放大器。4.4.5 其它輔助電路設計（）的時鐘電路單片機的時鐘可以由兩種方式產生：內部方式和外部方式。內部方式利用芯片的內部振蕩電路，在XTAL1，XTAL2引腳上外接定時元件，如下圖所示。晶體可以在.之間任意選擇，耦合電容在pF之間，對時鐘有微調作用。采用外部時鐘方式時，可將XTAL1直接接地，XTAL2接外部時鐘源。（）復位電路單片機的復位都是靠外部電路實現。在時鐘工作后，只要在引腳上出現ms以上的高電

22、平，單片機就實現狀態復位，之后便從單元開始執行程序。在實際運用中，若系統中有芯片需要其復位電平與復位要求一致時，可以直接相連。五、系統控制軟件的設計5.1 系統控制軟件的主要內容數控系統是按照事先編好的控制程序來實現各種控制功能。按照功能可將數控系統的控制軟件分為以下幾個部分：1、系統管理程序：它是控制系統軟件中實現系統協調工作的主體軟件。其功能主要是接受操作者的命令，執行命令，從命令處理程序到管理程序接收命令的環節，使系統處于新的等待操作狀態。2、零件加工源程序的輸入處理程序。該程序完成從外部I/O設備輸入零件加工源程序的任務。3、插補程序。根據零件加工源程序進行插補，分配進給脈沖。4、伺服

23、控制程序。根據插補運算的結果或操作者的命令控制伺服電機的速度，轉角以及方向。診斷程序。包括移動不見移動超界處理，緊急停機處理，系統故障診斷，查錯等功能。5、機床的自動加工及手動加工控制程序。6、鍵盤操作和顯示處理程序。包括監視鍵盤操作，顯示加工程序、機床工作狀態、操作命令等信息。5.2 軟件設計5.2.1 系統控制功能分析數控X-Y工作臺的控制功能包括：（1）、系統初始化。如對I/O接口8155，8255A進行必要的初始化工作，預置接口工作方式控制字。（2）、工作臺復位。開機后工作臺應該自動復位，亦可手動復位。（3）、輸入和顯示加工程序。（4）、監視按鍵，鍵盤及開關。如監視緊急停機鍵及行程開關

24、，鍵盤掃描等功能。（5）、工作臺超程顯示與處理。工作臺位移超過規定值時應該立即停止工作臺的運動，并顯示相應的指示字符。（6）、工作臺的自動控制。（7）、工作臺的手動控制。（8）、工作臺的聯動控制。5.2.2 系統管理程序控制管理稱許是系統的主程序，開機后即進入管理程序。其主要功能是接受和執行操作者的命令。在設計管理程序時，應確定接收命令的形式，系統的各種操作功能等。數控X-Y工作臺的基本操作功能有：輸入加工程序，自動加工，刀位控制，工作臺位置控制，手動操作，緊急停機等。 5.2.3步進電機控制子程序設計步進電機的控制包括速度，轉角及方向的控制。步進電機在突然啟動或停止時，由于負載和慣性，會使電

25、機失步，所以電機運行時有一個加，減速過程。通過確定進給脈沖數和脈沖時間間隔，即可實現步進電機轉角與速度的控制。（1）時間常數的確定在步進電機控制程序中，利用單片機的定時器中斷，延時產生進給脈沖的時間間隔。此間隔由送入定時器的時間常數決定。時間常數由下式計算：式中：T為脈沖時間間隔（ms）；為單片機機器周期（s），在時鐘為6MHz時，=2s。（2）步進電機加，減速進給脈沖及脈沖時間間隔的確定設步進電機加，減速方式為直線加，減速。要使步進電機不失步，應滿足：式中：為步進電機啟動力矩；為負載力矩；為慣性力矩。由步進電機=3。92N。m，取步進電機的加速啟動力矩則使步進電機不失不的慣性力矩步進電機角加

26、速度又式中：為上升到步進電機最高頻率所需時間，所以有：加速脈沖個數：確定加減脈沖個數都為54個又因為：所以脈沖時刻結合可以算出對應各脈沖時刻的計數器時間常數。EPROM存儲器中，時間常數依次安排在首地址為1000H的存儲單元中，每個時間常數占據兩個字節，低位地址存放時間常數低8位，高位地址存放時間常數高8位。在程序中，設置加速，恒速，減速脈沖計數器N0，N1，N2。以計數器的值是否為0作為相應過程是否結束的標志。步進電機控制程序框圖如下所示：圖5-3 步進電機控制子程序圖5-4 步進電機控制中斷服務程序5.2.4 編語言程序設計（1）內存地址分配加速脈沖數計數器N0地址設為20H；恒速脈沖數計

27、數器N1低8位字節地址為21H，高8位字節地址位22H；減速脈沖數計數器N2地址位23H。加速，減速，恒速脈沖總數寄存器N低位字節地址位24H，高位字節地址位25H；步進電機進給控制子程序FEED首地址位0E80H。每調用一次該程序，步進電機按規定方向進給一步。（2）程序清單7N0 EQU 20H ;加速N1L EQU 21H ;恒速N1H EQU 22H N2 EQU 23H ;減速NL EQU 24H ;脈沖總數寄存器NH EQU 25HDS EQU 26H ；地址指針偏移量FEED EQU 0E80HORG 0E00H0E00 758160 0E03 758901 START： MOV

28、P，#60HMOV TMOD，#01H ；設計數器工作方式為1，16位定時器MOV N0，#01A4H ；設N0為320MOV N2， #1A4HMOV A， N0 ；計算2XN0RL AMOV R0， ACLR C ；計算N1=N-2N0MOV A， NLSUBB A， R0MOV N1L， AMOV A， NHSUBB A，#00HMOV N1H，AMOV DPTR， #1000H ；設時間常數指針初值為1000HMOV DS， #00H ；設地址偏移量初值為00HMOVC A， A+DPTR ；從EPROM中讀時間常數MOV TL0， A ；送時間常數至定時器0中INC DSMOV A，

29、DSMOVC A，A+DPTR MOV TH0，AINC DSSETB EA ；開中斷允許SETB ET0 ；允許定時器0中斷SETB TR0 ；啟動定時器0開始計算WAIT：JB EA，WAIT ；中斷允許返回RET中斷服務程序： ORG 000BHLJMP 0F00HMOVC A，A+DPTRMOV TL0， AINC DSMOV A，DSMOVC A，A+DPTRMOV TH0， AINC DS ；修改地址偏移量指針ACALL FEED ；調FEED子程序MOV A， N0 ；判斷N0是否為0CJNE A， #00H， LOOP1MOV A， N1H ；判斷N1是否為0 CJNE A，#00H， LOOP2MOV A，N1HCJNE A，#00H，LOOP2MOV A，N2 判斷N2是否為0 CJNE A，#00H，LOOP3CLR EA ；N2為0，減速結束，關中斷RETILOOP1：DEC N0 ；N0不為0，則N0N0-1RETI LOOP2：MOV A，N1L ；N1不為0，則N1N1-1CLR CSUBB A， #01HMOV N1L， AMOV A， N1HSUBB A，#00HMO