C616车床数控改造设计毕业论文

毕 业 设 计 题 目： C616车床数控系统改造 院、 系： 机械设计与制造 姓 名： 指导教师： 系 主 任： - III - 摘要 介绍普通C616车床的数控改造，因为我国多年积累了大部分的普通机床，自动化程度低，想要短期内大量更换新机床，是不现实的。为了节省资金，提高生产效率，所以要对普通车床进行数控改造。 采用MCS－51系列单片机控制经济型数控机床，用步进电机来驱动进给系统，实现自动加工。原理为：根据加工零件的图样与工艺方案，通过单片机控制，转化成脉冲信号，经放大电路后驱动纵向和横向步进电机，通过滚珠丝杠实现刀架纵向、横向两个方向的进给，以完成工件的加工。 数控改装后的车床在纵向和横向具有圆弧和直线插补功能，该车床有自动回转刀架，具有切削螺纹的功能。改造后车床可以加工出各种形状的复杂的回转零件,并能实现多工序自动车削,从而提高了生产效率和加工精度,也能适应小批量多品种复杂零件的加工. 关键词 数控改造；进给系统；步进电机；单片机 II 目 录 摘要 I 第1章 绪论 1 1.1 课题背景 1 1.2 数控改造的必要性 1 1.3 设计任务 2 第2章 设计任务与总体方案的确定 3 2.1 设计任务 3 2.2 总体设计方案确定 3 第3章 机床进给伺服系统机械设计计算及结构设计说明 5 3.1 主要设计参数如下 5 3.2 确定脉冲当量 5 3.3 纵向进给系统的设计计算 5 3.3.1 已知条件 5 3.3.2 切削力计算 6 3.3.3 滚珠丝杠设计计算 6 3.3.4 齿轮及转矩的有关计算 8 3.4 横向进给系统的设计计算 10 3.4.1 横向进给系统的设计 10 3.4.2 横向进给系统的计算 10 3.5 步进电机的选择 14 3.5.1 步进电机选用的基本原则 14 3.5.2 步进电机的选择 16 第4章 数控系统的硬件电路设计 18 4.1 绘制系统电气控制结构框图 18 4.2 单片机控制系统设计 19 4.2.1 8031单片机的基本特性 19 4.2.2 8031芯片引脚功能 19 4.3 存储器扩展电路 20 4.3.1 8031与EPROM的连接 20 4.3.2 数据存储器的扩展 20 4.3.3 程序存储器的扩展 21 4.4 I/O接口电路及辅助电路设计 21 4.4.1 I/O接口电路 21 4.4.2 辅助电路设计 22 4.5 绘制微机控制电路原理图 24 4.5.1 控制系统的功能 24 4.5.2 采用软件环形分配图 24 4.5.3 自动回转刀架的控制 24 4.5.4 螺纹加工控制 24 4.5.5 地址编码 24 结论 26 参考文献 27 致谢 28 第1章 绪论 1.1 课题背景 随着社会生产和科学技术的迅速发展，机械产品的性能和质量的不断提高，产品的更新换代也不断加快，因此对机床不仅要求具有较高的精度和生长率，而且应能迅速的适应产品零件的变换。我国生产的需要促使了数控机床的产生，随着电子技术，特别是计算机技术的发展，数控车床迅速发展起来。 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0.6～0.8万台，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。 1.2 数控改造的必要性 数控机床比传统机床有以下突出的优越性，而且这些优越性均来自数控系统所包含的计算机的威力。可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。 由于计算机有高超的运算能力，可以瞬时准确地计算出每个坐标轴瞬时应该运动的运动量，因此可以复合成复杂的曲线或曲面。 可以实现加工的自动化，而且是柔性自动化，从而效率可比传统机床提高3～7倍。 由于计算机有记忆和存储能力，可以将输入的程序记住和存储下来，然后按程序规定的顺序自动去执行，从而实现自动化。数控机床只要更换一个程序，就可实现另一工件加工的自动化，从而使单件和小批生产得以自动化，故被称为实现了“柔性自动化”。 加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要“修配”。 可实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬运。 拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，因而可实现长时间无人看管加工。 由以上五条派生的好处。如：降低了工人的劳动强度，节省了劳动力（一个人可以看管多台机床），减少了工装，缩短了新产品试制周期和生产周期，可对市场需求作出快速反应等等。 1.3 设计任务 本课题是将普通C616车床改造MCS－51系列单片机控制的经济型数控车床，采用步进电机开环控制，纵向和横向具有圆弧和直线插补功能，该车床有自动回转刀架，具有切削螺纹的功能。 1.4 本章小结 本章主要介绍了论文的课题背景，数控改造的必要性以及设计任务。 第2章 设计任务与总体方案的确定 2.1 设计任务 本设计任务是对C616普通机床进行数控改造。利用MCS－51系列单片机对纵向横向进给系统进行开环控制，纵向脉冲当量为0.01mm/脉冲，横向脉冲当量为0.005/脉冲，驱动元件采用步进电机，传动系统采用滚珠丝杠，刀架采用自动转位刀架。 设计参数如下： 最大加工直径： 在床面上： 320mm 在床鞍上： 175mm 最大加工长度： 700mm 快进速度： 纵向： 2.0m/min 横向： 1.2m/min 最大切削进给速度： 纵向： 0.5mm/min 横向： 0.25mm/min 代码制： ISO 脉冲分配方式： 逐点比较法 输入方式： 增量，绝对值通用 控制坐标数： 2 最小指令数： 纵向： 0.01mm/脉冲 横向： 0.005mm/脉冲 刀具补偿量： 0～99.99mm 进给传动链间隙补偿量： 纵向： 0.15mm 横向： 2.5mm 自动升降速性能： 有 2.2 总体设计方案确定 由于是经济型数控改造，所以在考虑具体方案时，基本原则是在满足使用要求的前提下，对机床的改动尽可能少，以降低成本。 因为改造后车床具有定位、直线插补、圆弧插补、顺逆插补、暂停、循环加工、公制螺纹车削等加工功能，故应采用连续控制系统。 考虑到属于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。 因为MCS－51系列单片机具有集成度高，可靠性好，功能强，速度快，抗干扰能力强，性价比高等特点，决定采用MCS－51系列8031单片扩展系统。 为保证一定的传动精度和平衡性，尽量减小摩擦力，选用滚珠丝杠螺旋副。 车床数控改造的总体方案见图2－1： 图2－1数控改造的总体方案示意图 2.3 本章小结 本章主要介绍了C616的数控改造设计任务以及确定了整体设计方案。 第3章 进给伺服系统机械设计计算及结构设计 3.1 主要设计参数如下 溜板重量： 800N 刀架重量： 300N 刀架快进速度： 纵向： 2m/min 横向： 1.2m/min 最大进给速度： 纵向： 0.5mm/min 横向： 0.25mm/min 主电机功率： 7.5KW 启动加速时间： 26ms 机床定位精度： ±0.015mm 3.2 确定脉冲当量 根据机床精度要求确定脉冲当量 纵向： 0.01mm/步 横向： 0.005mm/步 3.3 纵向进给系统的设计计算 3.3.1 已知条件 工作台重量： W＝80kgf＝800N（根据图纸粗略计算） 时间常数： T＝25ms 滚珠丝杠基本导程： ＝6mm 行程： S＝640mm 脉冲当量： ＝0.01/step 步距角： ＝0.75°/step 快速进给速度： ＝2m/min 3.3.2 切削力计算 由《机床设计手册》可知，切削功率 （3—1） 式中 N——电机功率，查机床说明书，N＝4kW ——主传动系统总功率，一般为0.6～0.7取 ＝0.65 K——进给系统功率系数，取K＝0.96 则： 又因为 （3—2） 所以 （3—3） 式中v——切削线速度，取v＝100m/min 主切削力 由《金属切削原理》可知，主切削力 （3—4） 查表得： ＝188kgf/＝1880MPa ＝1 ＝0.75 ＝1 则可计算如表3—1所示： 表3—1计算结果 ，mm 2 2 2 3 3 3 f ，mm 0.2 0.3 0.4 0.2 0.3 0.4 ，N 1125 1524 1891 1687 2287 2837 当＝1520N时，切削深度＝2mm，走刀量＝0.3mm，以此参数做为下面计算的依据。 从《机床设计手册》中可得知，在一般外圆车削时： ＝（0.1～0.6） ＝（0.15～0.7）（3—5） 取： ＝0.5＝0.5×1527.6＝763.8N ＝0.6＝0.6×1527.6＝916.5N 3.3.3 滚珠丝杠设计计算 三角或综合导轨机床的轴向力： （3—6） 式中 ＝1.15，=0.15~0.18,取为0.16 则 ＝1.15×763.8+0.16（1527.6+800） 3.3.3.1 强度计算 寿命值 （3—7） （3—8） 取工件直径：D＝80mm，查表得 ＝15000h 则： 最大动负载： （3—9） 查表得： 运转系数 ＝1.2 硬度系数＝1 则 根据最大动负荷Q的值，可选择滚珠丝杠的型号。滚珠丝杠参照汉江机床厂的产品样本选取系列，滚珠丝杠直径选为，型号为32×6－5－，其额定动载荷式10689N，所以强度够用。 3.3.3.2 效率计算 根据《机械原理》的公式，丝杠螺母副的传动效率为： （3—10） 式中 摩擦角 螺旋升角 则 3.3.3.3 刚度验算 滚珠丝杠受工作负载P引起的导程的变化量 （3—11） 式中 ＝6mm＝0.6cm 滚珠丝杠截面积 则 滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量很小，可忽略，即：＝。所以： 导程变形总误差为 查表知E级精度丝杠允许的螺距误差（1m长）为15，故刚度足够 3.3.3.4 稳定性验算 由于机床原丝杠直径为，现选用的滚珠丝杠的直径为，支承方式不变，所以稳定性不存在问题 3.3.4 齿轮及转矩的有关计算 3.3.4.1 有关齿轮的计算 传动比 故取 =32 =40 m=2mm b=20mm =20° 3.3.4.2 转动惯量计算 工作台质量折算到电机轴上的转动惯量: 丝杠的转动惯量： 齿轮的转动惯量： 电机转动惯量很小可忽略。 因此，总的转动惯量： 3.3.4.3 所需转动力矩计算 快速空载启动时所需力矩 （3—12） 最大切削负载时所需力矩 （3—13） 快速进给时所需力矩 （3—14） 式中 ——空载启动时折算到电机轴上的加速度力矩； ——折算到电机轴上的摩擦力矩； ——由于丝杠预紧所引起，折算到电机轴上的附加摩擦力矩； ——切削时折算到电机轴上的加速度力矩； ——折算到电机轴上的切削负载力矩。 当时 当时 当＝0.8 ＝0.16时 当＝0.9时预加载荷则： =0.0462N.m =0.7297N.m 所以，快速空载启动所需力矩： 切削时所需力矩： 快速进给时所需力矩： 由以上分析计算可知： 所需最大力矩发生在快速启动时 3.4 横向进给系统的设计计算 3.4.1 横向进给系统的设计 经济型数控改造的横向进给系统设计比较简单，一般是步进电机经减速后驱动滚珠丝杠，使刀架横向运动。步进电机安装在大拖板上，用法兰盘将步进电机和机床大拖板连接起来，以保证其同轴度，提高传动精度。 3.4.2 横向进给系统的计算 由于横向进给系统的设计计算与纵向类似，所用到的公式不再详细说明，只计算结果。 已知条件： 工作台重 W＝300N 时间常数 T＝25ms 滚珠丝杠基本导程 ＝4mm左旋 行程 S＝190mm 脉冲当量 ＝0.005mm/step 步距角 ＝0.75°/step 快速进给速度 ＝1m/min 3.4.2.1 切削力计算 横向进给量为纵向的1/2～1/3，取1/2，则切削力约为纵向的1/2 在切断工件时： 3.4.2.2 滚珠丝杠设计计算 1.强度计算 对于燕尾型导轨： （3—15） 取 K＝1.4 f’＝0.2 则 寿命值 最大动负载 根据最大动负载Q的值，可选择滚珠丝杠的型号。例如，滚珠丝杠参照汉江机床厂的产品样本选取系列，滚珠丝杠公称直径为，型号为左，其额定负荷5393N，所以强度够用。 2.效率计算 螺旋升角，摩擦角 则传动效率 3.刚度验算 滚珠丝杠受工作负载P引起的导程的变化量 滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量很小，可忽略，即：所以，导程变形总误差为 查表知E级精度丝杠允许的螺距误差（1m长）为，故刚度足够。 4.稳定性计算 由于选用滚珠丝杠的直径与原丝杠直径相同而支承方式由原来的一端固定，一端悬空，变为一端固定，一端径向支承，所以稳定性增强，故不再验算。 3.4.2.3 齿轮及转矩有关计算 1.有关齿轮计算 (1) . 第一对齿轮 传动比 故取 (2) . 第二对齿轮 传动比 2.转动惯量计算 工作台质量折算到电机轴上的转动惯量 丝杠转动惯量 齿轮的转动惯量 电机转动惯量很小可忽略，因此，总的转动惯量 3.所需转动力矩计算 所以，快速空载启动所需转矩 切削时所需力矩 快速进给时所需的转矩 从以上计算可知：最大转矩发生在快速启动时， 3.5 步进电机的选择 3.5.1 步进电机选用的基本原则 合理选用步进电机是比较复杂的问题，需要根据电机在整个系统中的实际工作情况，经过分析后才能正确选择。现仅就选用步进电机最基本的原则介绍如下： 3.5.1.1 步距角 步距角应满足： （3—16） 式中 ——传动比； ——系统对步进电机所驱动不见的最小转角。 3.5.1.2 精度 步进电机的精度可用步距误差或积累误差衡量。积累误差是指转子从任意位置开始，经过任意步后，转子的实际转角与理论转角之差的最大值，用积累误差衡量精度比较使用。所选用的步进电机应满足 △Q≤i〔△Q〕 （3—17） 式中 △Q——步进电机的积累误差； 〔△Q〕——系统对步进电机驱动部分允许的角度误差。 3.5.1.3 转矩 为了使步进电机正常运行（不失步、不越步），正常启动并满足对转速的要求，必须考虑： 1.启动转矩 一般启动力矩选取为： （3—18） 式中 ——电动机启动力矩； ——电动机静负载力矩。 根据步进电机的相数和拍数，启动力矩选取如表3—2所示。为步进电机的最大静转矩，是步进电机技术数据中给出的，如表3—3所示。 2. 在要求的运行频率范围内，电动机运行力矩应大于电动机的静载力矩与电动机转动惯量（包括负载的转动惯量）引起的惯性矩之和。 表3—2步进电机相数、拍数、启动力矩表 运行方式 相数 3 3 4 4 5 5 6 6 拍数 3 6 4 8 5 10 6 12 0.5 0.866 0.707 0.707 0.809 0.951 0.866 0.866 表3—3反应式步进电机技术指标 型号 主要技术数据 步距角，° 最 大 静 转矩，N·cm 最高空载启动频率，step/s 运行频率， step/s 相数 电压 ，V 相电流，A 110BF003 0.75/1.5 800 1500 7000 3 80 6 3.5.1.4 启动频率 由于步进电机启动频率随着负载力矩和转动惯量的增大而降低，因此相应负载力矩和转动惯量的极限启动频率应满足： （3—19） 式中 ——极限启动频率； ——要求步进电机最高启动频率。 3.5.2 步进电机的选择 3.5.2.1 C616纵向进给电机的确定 为满足最小步距要求，电动机选用三相六拍工作方式，查表知：＝0.866 所以，步进电机最大静转矩为： 步进电机最高工作频率 综合考虑，查表选用110BF003型直流步进电机，能满足使用要求。 3.5.2.2 C616横向进给步进电机的确定 电动机仍选用三相六拍工作方式，查表知： 所以步进电机选择最大转矩为： 步进电机最高工作频率 综合考虑，选用110BF003型直流步进电机，能满足使用要求。 3.6 本章小结 本章主要介绍了纵向进给系统和横向进给系统的设计计算，滚珠丝杠的设计计算步进电机的选择。 第4章 数控系统的硬件电路设计 4.1 绘制系统电气控制结构框图 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，其性能的好坏，直接影响整个系统的工作性能。有了硬件，软件才能有效的运行。机床的数控系统的硬件电路概括起来由五部分组成。 1.处理单元CPU 2.总线：包括数据总线（DB），地址总线（AB）和控制总线（CB）。 3.存储器：包括制度可编程存储器和随机读写存储器。 4. I/O输入/输出接口电路。 5.外围设备，如键盘、显示器及光电输入机等。其中CPU是数控系统的核心，作用是进行数据运算处理和控制各部分电路协调工作。存储器用于存放系统软件，应用程序和运行所需要的各种数据。I/O接口是系统和外界进行信息交换的桥梁。总线则是CPU与存储器、接口以及其他转换电路联接的纽带，是CPU与部分电路进行信息交换和通讯的必由之路。 数控系统硬件如图4—1： 图4—1数控系统硬件框图 由于MCS－51系列单片机在我国机床数控改造方面应用较普遍，其配套芯片价廉，普及性、通用性强，制造和维修方便，完全可以满足我国经济型数控改造的需要。所以选用MCS-51系列单片机为控制装置。 4.2 单片机控制系统设计 MCS—51系列单片机主要有三种型号的产品：8031、8051和8751。三种型号的引脚完全相同，仅在内部结构上有少数差异。8031片内无ROM，适用于需扩展ROM，可在现场修改和更新程序存储器的应用场合，其价格低，使用灵活，非常适合在我国使用。此次设计使用的是8031芯片。见图4—2。 4.2.1 8031单片机的基本特性 1. CPU为8位。 2.16根地址总线（与I/O线共用）,可直接寻址64KB（64KB程序存储器，64KB外部数据存储器）。 3. 32根并行I/O线（分为4个8位I/O口）。 4. I/O端口和片外存储器统一编址，I/O寻址灵活。 5. 2个16位定时/计数器。 6. 片内有128B。 7. 具有一个全双工串行I/O。 8. 具有5个中断源，配备两个中断优先级。 9. 内部有时钟振荡器。 10. 有一个一位布尔处理器，具有很强的布尔处理能力。 4.2.2 8031芯片引脚功能 8031芯片具有40根引脚，功能分四类： 4.2.2.1 电源线 电源线有2根。 ：编程和正常操作时的电源，接+5V。 ：接电平。 4.2.2.2 晶振 晶振：2根。 ：振荡器的反向放大器接入，使用外部振荡器时必须接入。 ：振荡器输入的反向放大器输入和内部时钟发生器的输入，当使用外部振荡器时用于输入外部振荡信号。 4.2.2.3 I/O口 I/O口共有四个8位口，32根口线，功能如下： 1. 口：双向8位三态I/O口，与地址总线低8位分时工作。 2. 口：准双向通用I/O，带上拉电路。在EPROM编程期间，用输入低8位地址。 3. 口：准双向I/O，带上拉电路。口可以作为通用的并行I/O使用，又可作为外部存储器的地址总线（高8位）。当CPU访问片外存储器时，由口输出高8位地址码。 4. 口：准双向双动功能I/O口，其使用方法同口，带上拉电路。 第一功能：作为通用I/O口。 第二功能： ——串行输入口； ——串行输出口； ——外部中断0输入线； ——外部中断1输入线； ——定时/计数器0外部计数脉冲输入线； ——定时/计数器1外部计数脉冲输入线； ——外部数据存储器写选通脉冲输出线； ——外部数据存储器读选通脉冲输出线。 图4—2 MCS－51双列直插封装方式的引脚 4.2.2.4 控制线 1.：程序存储器的使能引脚，是外部程序存储器的选通信号，低电平有效。从外部程序存储器取数时，在每个机器周期内二次有效。 2. ：内部和外部程序存储器选择控制端。当脚为高电平时，CPU执行内部程序存储器的指令。当脚为低电平时，CPU仅执行外部程序存储器的指令。因为8031芯片没有内部程序存储器，所以必须接地。 3.：地址所存信号/编程脉冲输入信号。 4.：复位/备用电源端，输入，低电平有效。 4.3 存储器扩展电路 4.3.1 8031与EPROM的连接 EPROM低8位地址线经地址锁存器与8031口相连；高8位地址线直接与8031的口相连。由于8031的口是分时输出低8位地址和数据，故要外接地址锁存器（74LS373），并由CPU发出的地址允许锁存信号ALE的下降将地址信息锁存入地址锁存器中。如外接存储器芯片内有地址锁存器。 存储器的8位数据线与8031芯片口直连，单片机规定指令码和数据都是由口读入，数位对应相连即可。 8031芯片的PSEN与EPROM的OE端相连。 8031芯片的EA接地，CPU执行外部程序存储器命令。 8031芯片的ALE接主地址锁存器74LS373的G引脚。 8031与EPROM连接如图4—3： 4.3.2 数据存储器的扩展 单片机CPU与R数据存储器的连接方式和程序存储器连接大致相同。唯控制器线的连接不同：RAM读入信号OE分别于8031芯片的RD（）引脚相连；RAM的写输入信号WE于8031芯片引脚相连。 4.3.3 程序存储器的扩展 2764芯片是一种高速，容量为的EPROM存储器电路读出时间为250ns，2764为28线元件，其中为13位地址线。为8位数据线。CE为片选信号线，低电平有效，OE为数据输出选通信号线，低电平有效。PGM为编程脉冲输入线。为主电源线，为编程电源线。 6264芯片式的RAM存储器电路，集成度很高，其中为13位地址线，输入地址与内部8K字节的单元对应位8位数据线，CE为片选信号线，OE、WE为读写信号线，都是低电平有效。 对于容量较大的系统，扩展的外部芯片较多，芯片所需的片选信号利用地址线时，就需要用全地址译码的方法，它将低地址作为片内地址，而用译码器对高位地址进行译码，译码器输出的地址选择线作片选线。 图4—3 8031与EPROM连接示意图 4.4 I/O接口电路及辅助电路设计 4.4.1 I/O接口电路 1.8031芯片 8031芯片共有四个8位并行I/O口，但可供用户使用的只有口和部分口，因此在大部分应用分流中都需扩展I/O芯片，常用的外用接口芯片为8155，是可编程的RAM，扩展接口电路（256个RAM系统单元，2个8位接口，1个6位口，1个14位定时计数器）。 2.8155芯片可直接和MCS－51系列单片机连接，不需要任何外加逻辑电路。通常用口的高8位地址线作为8155芯片的片选信号及IO/M的选择信号。将8031的与8155芯片IO/M引脚相连，若是高电平，则8155用来作接口；若是低电平，则使用8155内部256字节的RAM。由于8155芯片内部有地址锁存器，所以8031的ALE端可以和8155的ALE端直连，利用8031的ALE的信号下降沿锁存8031口送出的低8位地址信息。 若要求8155A口B口工作在基本状态，C口为基本输入状态，不要求中断申请，不启动定时器，则其控制它为：00000011B（03H） 初始化程序如下： MOV DPTR， ＃2100H； 命令地址寄存器→DPTR MOV A， ＃03； 控制字03H→A MOV DPTR， A； 控制字→命令寄存器 4.4.2 辅助电路设计 4.4.2.1 光电隔离电路 在步进电机驱动器中，脉冲信号经功放后控制步进电机励磁绕组。由于步进电机需要的驱动电压较高，电流较大，如果将信号与功率放大器直接相连，将会引起强电干扰。轻则影响计算机程序的正常工作，重则导致计算机和接口电路损坏。所以，一般在接口电路与功率放大器之间都要接上隔离电路。采用的光电耦合电路如图4—4： 图4—4光电耦合电路 4.4.2.2 功率放大电路 功率放大电路分为单电源和双电源型。单电源型线路简单，但功率不高，所以选用双电源型。在功率放大器导通初始，全导通，并使脉冲变压器B的副边产生一定宽度的脉冲电流，使导通，高压电源通过，为步进电机某一相绕组供电，使其电流上升沿变陡，同时出于反向偏置，将低压与绕组切断。经过时间后脉冲电流消失，使截至，高压电源与绕组之间被切断。通过，为绕组供电，提供所需的额定电流。通过调整脉冲变压器的磁芯和可改变高压供电的时间宽度。 图4—5功率放大电路 由于我国目前步进电机的功率放大器已由生产厂家生产出系列化产品，在设计数控机床电路时只需根据步进电机的容量大小进行选择，所以不再进行计算。功率放大电路见图4—5。 4.4.2.3 8031时钟电路 单片机的时钟可以由两种方式产生，内部方式和外部方式。 内部方式利用芯片内部震荡电路在、引脚上外接定时元件如图4—6： 图4—6 8031内部时钟方式 4.4.2.4 复位电路 单片机的复位都是靠外部电路实现的，因为上电与按钮复位组合，在上电瞬间RC电路充电，RESET引脚端出现正脉冲，只要RESET端保持10ms以上高电压，就能使单片机有效复位。见图4—7。 图4—7 8031复位电路 4.4.2.5 报警电路 为了防治工作台越界，可分别在极限位安装限位开关，这是采用中断方式，利用8031的外部中断。只要有任何一个行程开关闭合，即工作台在某一方向上越界，均能产生中断信号。为了便于观察，设置红绿灯指示，正常时为绿灯亮，报警时红灯亮，两灯均由一个I/O口输出。 4.5 绘制微机控制电路原理图 4.5.1 控制系统的功能 1. Z向X向的进给伺服运动功能 2. 键盘显示 3. 自动回转刀架控制 4. 螺纹加工控制 5. 面板控制 6. 行程控制 7. 其他功能：报警电路、复位电路、隔离电路、功率放大电路。 4.5.2 采用软件环形分配图 步进电机采用软件环形分配器，虽运行速度没有硬件环形分配器快，但可以省掉两个硬环分配芯片，且电路简单。 4.5.3 自动回转刀架的控制 当需要自动回转刀架时，由8155（1）的发出刀位信号，控制刀架电机回转，到达制定的刀位，刀架夹紧后发出换刀回答信号，经8155（1）的输入计算机，控制刀架开始进给。 4.5.4 螺纹加工控制 当加工螺纹时，由与主轴相连的光电脉冲器发出螺纹信号，分别送入8031的和8155（1）的，通过设置不同的时间常数来加工不同螺距螺纹，零件螺纹信号是防止螺纹乱扣。 4.5.5 地址编码 地址编码如表4—1： 表4—1控制电路地址编码 芯片 芯片进址编码 片内地址单元 地址编码 接74LS138引脚 地址选择线 2764（1） Y0 000X XXXX XXXX XXXX 8K 0000H～1FFFH 2764（2） Y1 001X XXXX XXXX XXXX 8K 2000H～3FFFH Y2 010X XXXX XXXX XXXX 8K 4000H～5FFFH 8155 (1) RAM Y3 0111 1110 XXXX XXXX 256 7E00H～7EFFH I/O Y3 0111 1111 1111 1XXX 6 7FF8H～7FF0H 8155 (2) RAM Y4 1001 1110 XXXX XXXX 256 9E00H～9WFFH I/O Y4 1001 1111 1111 XXXX 6 9FF8H～9FF0H 4.6 本章小结 本章主要介绍了C616车床数控改造数控系统的硬件电路设计，单片机控制系统设计，存储器扩展电路,I/O接口电路及辅助电路设计。 结论 毕业论文是专科学习阶段一次非常难得的理论和实际相结合的机会，通过这次比较完整的对C616车床的经济型数控改造设计，我摆脱了单纯的理论学习状态，和实际设计结合锻炼了我综合运用所学的专业基础知识，解决实际问题的能力。 通过本次对伺服进给系统，步进电机的选择，单片机控制系统的设计我可以更深刻充分的了解到数控改造的优点与必要性。 普通车床数控改造后拥有了自己的伺服进给系统，横向进给，纵向进给更加稳定，减少了操作人员素质带来的人为误差，机床的数控装置可以对机床运动中产生的位移、热变形等导致的误差，确定自己的脉冲当量，通过测量系统进行补偿而获得很高且稳定的加工精度。提高了同批零件的一致性。提高加工精度。 对步进电机的选择时，通过计算布距角，精度，转矩等确定正确的步进电机，保证车床的正常工作。 软件方面选用MCS-51系列单片机为控制装置，由于MCS－51系列单片机在我国机床数控改造方面应用较普遍，其配套芯片价廉，普及性、通用性强，制造和维修方便，完全可以满足我国经济型数控改造的需要。 普通车床数控管改造后极大的提高生产效率及工件的精度与加工的稳定性，更易操作节省劳动成本。 - 28 - 参考文献 1 张新义.经济型数控机床系统设计.机械工业出版社，1994：338～357 2 董玉红.数控技术.高等教育出版社，2004：156～178 3 张毅刚.MCS－51单片机原理及应用.哈尔滨工业大学出版社，2004 4 顾维邦.金属切削机床概论.机械工业出版社，1995：35～92 5 邱宣怀.机械设计.第四版.高等教育出版社，1997：11～398 6 余英良.机床数控改造设计与实例.机械工业出版社，1994：32～46 7 机床设计手册编写组.机床设计手册（第三册）.机械工业出版社，1986 8 郑文纬.机械原理.第七版.高等教育出版社，1997：153～228 9 刘跃南.机床计算机数控及应用.机械工业出版社，1997：76～137 10李洪.实用机床设计手册.辽宁科学技术出版社，1999 11 Guk-Chan Han, Dong-I1 Kim, Hyo-Gyu Kim Kibeom Nam, Byeong-Kap Choi and Sung-kwun Kim.A High Speed Machining Algorithm for CNC Machine Tools, Samsung Electronics Co Ltd, Suwon City, KOREA.1999，pp：1493～1497 12 F.J.Lin,P.H.Shieh and P.H.Shen.Robust recurrent-neural-network sliding-mode control for the X-Y table of a CNC machine.IEEE.Proc.-Control Theory Appl., vol.153,No.1, January 2006 致谢 本文是在论文指导老师精心指导和大力支持下完成的。老师以其严谨求实的治学态度、高度的敬业精神、兢兢业业、孜孜以求的工作作风和大胆创新的进取精神对我产生重要影响。在此次课程设计过程中我也学到了许多有关设计方面的知识，对其现状和未来发展趋势有了很大的了解。 通过这次数控改造设计，本人在多方面能力都得到了提高。通过这次课程设计，综合运用了本专业所学课程的理论知识和结合生产实际知识进行一次数控改造设计，通过实际设计从而培养和提高了自己的独立工作能力，巩固与扩充课程所学的内容，掌握改造设计的方法和步骤，掌握改造设计的基本的技能，懂得了从分析所要设计的零件功能入手，确定改造方案，提高了计算能力，绘图能力，熟悉了相应规范和标准，同时对各科相关的课程都有了全面的复习，独立思考的能力也有了提高。并提高了查阅设计资料和手册的能力，熟悉了设计中的标准和规范等。 在这次设计过程中，体现出自己单独设计改造的能力以及综合运用知识的能力，体会了学以致用、突出自己劳动成果的喜悦心情，从中发现自己平时学习的不足和薄弱环节，从而加以弥补。