毕业设计（论文）简易立式钻铣床数控系统改造设计

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1、（机电系2009级）毕业设计说明书学生姓名：学生班级：机械制造及其自动化091学生学号：设计题目：简易立式钻铣床数控系统改造设计指导老师：教研室主任：系主任：机电工程系2012年3月15日30前言据资料介绍，我国拥有400多万台机床，绝大部分都是多年累积生产的普通机床。这些机床自动化程度不高，加工精度低，要想在短时期内用自动化程度高的设备大量更新，替代现有的机床，无论从资金还是从我国机床制造厂的生产能力都是不可行的。但尽快将我国现有的部分普通机床实现自动化和精密化改造又势在必行。为此，如何改造就成了我国现有设备技术改造迫切要求解决的重要课题。在过去的几十年里，金属切削机床的基本动作原理变化不大

2、，但社会生产力特别是微电子技术、计算机技术的应用发展很快。反映到机床控制系统上，它既能提高机床的自动化程度，又能提高加工的精度，现已有一些企业在这方面做了有益的尝试。实践证明，改造后的机床既满足了技术进步和较高生产率的要求，又由于产品精度提高，型面加工范围增多也使改造后的设备适应能力加大了许多。这更加突出了在旧机床上进行数控技术改造的必要性和迫切性。由于新型机床价格昂贵，一次性投资巨大，如果把旧机床设备全部以新型机床替换，国家要花费大量的资金，而替换下的机床又会闲置起来造成浪费，若采用改造技术加以现代化，则可以节省50%以上的资金。从我国的具体情况来讲，一套经济型数控装置的价格仅为全功能数控装

3、置的1/3到1/5，一般用户都承担得起。这为资金紧张的中小型企业的技术发展开创了新路，也对实力雄厚的大型企业产生了极大的经济吸引力，起到了事半功倍的积极作用。据国内资料统计订购新的数控机床的交货周期一般较长，往往不能满足生产需要。因此机床的数控改造就成为满足市场需求的主要补充手段。在机械工业生产中，多品种、中小批量甚至单件生产是现代机械制造的基本特征，占有相当大的比重。要完成这些生产任务，不外乎选择通用机床、专用机床或数控机床，其中数控机床是最能适应这种生产需要的。从上述分析中不难看出数控技术用于机床改造是建立在微电子现代技术与传统技术相结合的基础之上。通过理论上的推导和实践使用的证明，把微机

4、数控系统引入机床的改造有以下几方面的优点：1）可靠性高、柔性强、易于实现机电一体化；2）经济性可观。为此在旧的机床上进行数控改造可以提高机床的使用性能，降低生产成本，用较少的资金投入而得到较高的机床性能和较大的经济效益。本文针对企业的Z512小型钻床进行数控化改造。其内容包括：总体方案的确定和验证、机械改造部分的设计计算（数控工作台设计，伺服进给机构设计，钻头Z向进给装置）、数控装置（8031单片机）等。对台钻进行数控系统改造设计符合我国国情，即适合我国目前的经济水平、教育水平和生产水平，又是国内许多企业提高生产设备自动化水平和精密程度的主要途径，在我国有着广阔的市场。从另一个角度来说，该设计

5、既有机床结构方面内容，又有机加工方面内容，还有数控技术方面的内容，有利于将大学所学的知识进行综合运用，是个很好的学习机会。目录前言设计任务书摘要绪论第一章 Z512原机型说明及其改造方案第二章 XY工作台的改造设计及其设计计算第三章 主轴钻头的Z向进给改造第四章 数控系统电路及其软件设计结语与致谢参考文献设计任务书一、毕业设计目的：毕业设计是学生在教师的指导下进行的一次理论联系实际的综合训练。学生通过毕业设计，在综合运用所学的基础理论与专业知识进行独立分析和解决某一个专业技术问题的能力方面，应当得到一次全面的锻炼和提高。二、毕业设计题目：简易立式钻铣床数控系统改造设计三、技术要求： 1采用80

6、31单片机作为控制器，以标准步进电机为驱动元件，滚珠丝杠为传动件，滚动导轨为支承，对钻头直径小于13mm的简易台钻（Z512-1型或4112型台式钻床）进行数控系统改造设计，机构设计必须符合有关产品设计规范；2根据钻削加工的机床运动需要，在原有工作台的基础上加装数控工作台；数控工作台Z向静止高低工作位置调整采用手动方式进行，工作时，采用手动夹紧；3主轴钻头的Z向进给由步进电机驱动，主轴钻头Z向进给量（向下）为99mm，加工完成后，由软件控制返回起始点；4主轴钻头转速的调整采用原有的手动调速机构，实现人工三级调速；5数控工作台（形状与面积与原工作台相似）在水平面（XY平面）内的移动范围为300m

7、m198mm（X向为150mm，Y向为99mm）；6数控工作台在XY平面内重复定位精度为15m，Z向孔深定位精度在10m以内；7钻铣床坐标系遵循右手法则，Z轴向上为正，钻头尖部为XY坐标系零点；8采用8031单片机和驱动电路对X、Y、Z三个方向的三个运动实现开环控制，数控工作台的运动状态用点位控制系统，按X、Y、Z三个坐标轴实现顺序运动；9最终完成钻铣床的控制系统组成一个开环无触点控制元件的点位控制系统。10要求机械结构操作灵活方便、安全可靠，噪声小，定位准确，数控系统控制精确，反应迅速灵敏，改造后的立钻工作状态不低于国家标准有关规定。 四、毕业设计要求： 1态度端正，严肃认真，细致耐心；联系

8、实际，开拓创新，按质按量完成任务； 2注意培养自己耐心细致的严谨的工作作风；注意培养自己勇于开拓创新的科学精神；注意培养自己吃苦耐劳、敢挑重担的革命精神，独立完成设计任务； 3全部设计图样应用绘图软件绘制。 五、毕业设计内容： 1立式钻铣床改造机械机构配置图1套； 2立式钻铣床改造机械机构零件图张数及图幅按需要；3撰写设计说明书（字数不少于1.5万字）1份；4将完成的毕业论文资料（图纸、说明书等）刻录光碟1张。 六、毕业设计时间： 第1-7周（2月13日-3月30日） 七、毕业设计进度： 1第1周，明确立式钻铣床改造机械机构和数控系统设计要求，查阅资料，确定设计方案，绘制设计草图； 2第2周，

9、初步完成立式钻铣床改造机械机构和数控系统总体设计（总配置和关键零部件）草图； 3第3-4周，完成立式钻铣床改造机械机构总体配置图和零件图的设计、绘图，打印设计图纸； 4第5-6周，完成立式钻铣床改造数控控制系统汇编语言程序编制； 5第6-7周，撰写设计说明书，完成毕业答辩。 八、毕业设计中值得注意的几个问题： 1设计前，应先对钻铣床改造机械机构配置和数控系统的设计进行认真分析； 2在确定设计方案前，应尽可能多考虑几个方案，从技术性和经济性各方面分析对比后，保证可行性，选择一个最佳设计方案进行设计； 3设计过程中，要兼顾改造产品的生产、服务、市场推广等，提高性价比。摘要以原机床为基础，原机床的主

10、要结构基本不变。设计一套简易微机数控XY工作台，固定在Z512型钻床的工作台上，可转动下手柄使工作台上下移动，位置调整好后将其锁定。XY工作台的位置控制采用步进电机数控系统。再将控制钻头上下运动的手柄和定位卡铁拆去，改用步进电机通过减速装置和联轴器控制钻头上下运动。钻头的旋转运动仍由原来的三相交流电动机驱动，其转速可根据加工工件的材料、孔径大小、板厚等进行调整。选用8031单片机和驱动电路对3个步电机进行开环控制。由于工件相对于刀具移动的过程中不进行钻削，故采用点位控制系统。定位方式采用增量坐标控制较为方便，采用汇编程序直接实现钻孔加工控制，不需编制零件NC加工程序和专门的NC程序编译、插补运

11、算等处理的数控系统。关键字：Z512型钻床、步进电机、数控系统、8031单片机由于本人经验不足，以及对知识掌握程度的限制，设计过程还存在某方面的错漏，敬请老师提出宝贵意见。绪论1 数控系统现状简述近几年来，机械加工业大量采用数控机床取代传统的普通机床进行机械加工，普通机械逐渐被数控机械所代替。数控机床综合了微电子、计算机、信息处理、自动检测、自动控制、电机与拖动，电子和电力、精密测量、气液压及现代机械制造技术等多种先进技术的机电一体化产品，是数控机床的心脏。具有高精度，高效率，柔性自动化等特点决定了今后发展数控机床是我国机械制造业技术改造的必由之路，是工厂自动化的基础。数控机床在各个机械制造企

12、业已成为大、中型企业的主要技术装备。2 数控系统的发展趋势从目前世界上数控技术及其装备发展的趋势来看，数控系统正在向电气化、电子化、高速化、精密化等方面高速发展，其主要研究热点有以下几个方面：2.1 性能发展方面2.1.1 高精高速高效化速度效率、质量是先进制造技术关键的性能指标，是先进制造技术的主体。若采用高速cpu芯片、risc芯片、多cpu控制系统、高分辨率检测元件、交流数字伺服系统、配套电主轴、直线电机等技术可极大地提高效率，提高产品的质量和档次，缩短生产周期和提高市场竞争能力。在今后的几年，超精密数控机床正在向精密化、高速化、智能化和纳米化发展，汇合而成的新一代数控机床。2.1.2

13、柔性化数控系统采用新一代模块化设计，功能覆盖面更宽，可靠性更强，可满足不同用户的需求。同一群控系统能根据不同生产流程，自动进行信息流动态调整，发挥群控系统的功能。2.1.3 多轴化多轴联动加工，零件在一台数控机床上一次装夹后，可进行自动换刀、旋转主轴头、旋转工作台等操作，完成多工序、多表面的复合加工，不仅光洁度高，而且效率也大幅度提高。2.1.4 软硬件开放化用户可根据自己的需要，对数控系统软件进行二次开发，用户的使用范围不再受生产商的制约。2.1.5 实时智能化在数控技术领域，实时智能控制的研究和应用正沿着：自适应控制、模糊控制、神经网络控制、专家控制、学习控制、前馈控制等方面发展。如编程专

14、家系统故障诊断专家系统，当系统出了故障时，诊断、维修等实现智能化。3 Z512台钻改造意图本着对机床的改动尽可能少、控制部分要求抗干扰性强、改造成本低的原则。依据有关资料的技术要求，改造之前应对该机床的性能、数据有所掌握。以便针对机床本身的精度高低来确定改造后的精度和改装范围。使其在原有的功能上得以提升，达到数控化。而本身改造又具有经济、方便、实用、可靠等特点，适合中小型企业生产。4 Z512台钻的数控化改造一般来讲，普通立式钻床的数控改造主要有两部分，一是设计一套简易微机数控XY工作台，固定在钻床的工作台上。二是将控制钻头上、下运动的手柄拆去，改用微机控制步进电机通过一级减速装置使钻头上下运

15、动。根据数控钻床的性能要求，一般钻床的加工精度在0.10.02之间。则钻床步进电机的脉冲当量P可选为0.01mm/step，步进电机的步距角b=1.5。第一章 Z512原机型说明及其改造方案一、Z512台钻原机主要技术参数1.型号 Z512-2 2.最大钻孔直径 12.7mm3.立柱直径 70mm4.主轴最大行程 100mm5.主轴中心线至立柱表面距离 193mm6.主轴端至工作台最大距离 326mm7.主轴端至底座最大距离 556mm8.主轴锥度 B169.主轴转速范围 480-4100rpm10.主轴转速级数 511.工作台面尺寸 250x250mm12.地面工作台面尺寸 250x300m

16、m13.总高 1037mm14.电动机 370w15.毛重/净重 109/86kg16.包装尺寸 79x44x96cm17.电压 380/220V二、Z512台钻数控化改造方案1.保持原有机床基本结构不变，保留原机床主传动链，保留钻床工作台和控制工作台移动手柄，在原工作台上安装一套微机数控的XY工作台。由于XY工作台的运动部件重量和切削力不大。因此选用有预加载荷的双V形滚珠导轨。采用滚动导轨可减小两个相对运动面的动、静摩擦系数之差，从而提高运动平稳性，减小振动。考虑到电机步距角和丝杠导程只能按标准选取，为达到分辨率0.01要求，需采用齿轮降速传动。2.在X、Y工作台的下底板的4个角留有一个凸台

17、，各开一个槽，把螺栓插入原工件台的槽及此槽内用螺母旋紧。原有工作台上表面装预加载双V型滚珠导轨支撑工作台，为实现工作台水平面内X、Y向移动。3.将控制钻头进给运动的手柄拆去，在钻床的主轴上加三相六拍步进电动机，步进电机通过一级减速，使齿轮与套筒上的齿条啮合，从而实现了主轴向下进给或向上退出。通过减速器控制钻头在Z向上、下移动，钻头Z向进给量（向下）为99mm，加工完成后，由软件控制返回起始点。4考虑到方便机床步进电动机的互检，降低售后维修保养成本，所以X/Y/Z三个方向所选用的步进电动机可以尽量为同一型号。5.数控系统的设计，采用8031单片机和驱动电路对X、Y、Z三个方向实现开环控制，数控工

18、作台的运动状态用点位控制系统，按X、Y、Z三个坐标轴实现顺序运动。定位方式采用增量坐标控制，驱动电路选用无触点控制元件电路，整个控制系统组成了一个开环无触点控制元件的点位控制系统。横向丝杆纵向丝杆系统设计框图第二章XY工作台的改造设计及其设计计算一 XY工作台传动方式的确定XY工作台中 x、y方向的移动，可采用螺旋机构或齿轮齿条传动机构，这两种均可把旋转运动变为直线运动。因为此机构以传递运动为主，要求有较高的传动精度，又要求结构紧凑，所以选用螺旋机构。但常用的螺旋机构中丝杆和螺母之间的相对运动是滑动，磨损较严重，影响传动精度，寿命短，效率低，不能满足高速度、高效率和高精度等传动要求。为了使运动

19、灵敏又能满足精度要求，选用滚珠螺旋机构，也就是采用了间隙可调的滚珠丝杆传动。要使运动稳定可靠，采用丝杆传动，螺母带着工作台作移动的传动形式。螺母带着工作台在底座的导轨上移动，因为运动部件重量不大，切削力也不大，行程较小，所以确定采用有预加载荷双V形滚珠导轨。系统总体框图如下:Y向丝杆X向丝杆二 XY工作台的设计计算要求：数控工作台（形状与面积与原工作台相似）在水平面（XY平面）内的移动范围为300mm198mm（X向为150mm，Y向为99mm）；根据给定的有效行程，画出工作台简图，估算X向和Y向工作台承载重量Wx和Wy。设计工作台简图如下:估计：Z512钻床加装的数控工作台纵向工作台20kg

20、，横向工作台35kg，工作台夹具的最大质量约为10kg。一.脉冲当量的确定根据机床精度要求数控工作台在XY平面内重复定位精度为15m确定脉冲当量，考虑到机械传动系统的误差存在。脉冲当量值必须小于定位精度值。本次设计确定脉冲当量为0.01mm/步.二滚珠丝杆螺母副的计算和选型(1)额定动载荷和额定静载荷额定动载荷是指一批相同参数的滚珠丝杠螺母副，在n=10r/min的相同工作条件下运转1000000转后，90%的螺旋副（指螺纹滚道和滚动体）不发生疲劳点蚀损伤所能承受的最大轴向载荷，定义为额定动载荷Cam。额定静载荷是指把滚珠丝杠副在静态或低转速（n=10r/min）条件下，受接触应力最大的滚珠和

21、滚道接触面间产生的塑性变形量之和达到滚珠直径0.0001倍时的最大轴向载荷，定义为额定静载荷C0am。(2)纵向丝杠螺母副的选择强度校核根据机床设计手册，燕尾槽导轨工作时轴向力：Fm=kFx+f(Fy+2Fc+G)式中：k考虑力矩影响的系数f导轨上的摩擦系数因为导轨为燕尾槽导轨，所以可取：K=1.4 f=0.2Fx、Fy、Fz分别为沿钻头轴向的轴向切削力、沿径向的径向切削力、沿切向的切向切削力。G工作台重量（纵向）+夹具和工件的重量取钻头的周向切削力为F=1800N，则Fy=0取工作台横向进给方向载荷Fc=800NG=（20+10）9.8=294N由此得：Fm=1.41200+0.2(2800

22、+294)=2058.8N其寿命值为：L=60nt/106式中：L工作寿命 以106r为1个单位n滚珠丝杠的转速 考虑额定静载荷下的情况，故取n=10r/min参考计算t使用寿命时间，一般取t=15000h则有：滚珠丝杠最大动载荷为： 式中：kp为载荷系数，一般取1.21.5，本例取kp=1.5ka为精度系数，对于本丝杠取ka=1 根据最大动载荷C的值，初选纵向的滚珠丝杠螺母副代号为：RM2006-FL-V-250/450-P3，精度等级P3的预压型FL螺母，公称直径为20mm，基本导程为6mm，丝杠总长为450mm，螺纹部分的长度为250mm。查表得其基本参数：滚珠丝杠的额定动载荷Cam=1

23、1500N滚珠丝杠的额定静载荷C0am=15500N滚珠丝杠的螺旋升角=244CamC，则强度足够。预紧力Fp=Cam/4=11500/4=2875N，只要轴向载荷达不到或不超过3Fp，就不必对预紧力提出额外的要求，此时Fm=2058.8N远远小于3Fp，故不计算预紧力。传动效率计算滚珠丝杠螺母副的传动效率为：其中：=244 （为摩擦角，滚珠丝杠副的滚动摩擦系数，f=0.0030.004，其摩擦角约为10）则：故根据上面的计算和校核可以选用RM2006-FL-V-250/450-P3型滚珠丝杠螺母副。滚珠丝杠的支承由于本丝杠属短丝杠，考虑经济性与实用性，故选用两端轴向固定，并加预拉伸的结构等提

24、高传动刚度。(3)横向丝杠螺母副的选择强度校核根据机床设计手册，燕尾槽导轨工作时轴向力： Fm=kFx+f(Fy+2Fc+G)式中：k考虑力矩影响的系数 f导轨上的摩擦系数因为导轨为燕尾槽导轨，所以可取：K=1.4 f=0.2 Fx、Fy、Fz分别为沿钻头轴向的轴向切削力、沿径向的径向切削力、沿切向的切向切削力。G工作台重量（横向）+夹具和工件的重量横向丝杠螺母副切削力与纵向的一致，故取钻头的周向切削力为F=1800N，则 Fy=0取工作台横向进给方向载荷Fc=800NG=（35+10）9.8=441N由此得：Fm=1.41200+0.2(2800+441)=2088.2N其寿命值为：L=60

25、nt/106式中：L工作寿命 以106r为1个单位n滚珠丝杠的转速 考虑额定静载荷下的情况，故取n=10r/min参考计算t使用寿命时间，一般取t=15000h则有：滚珠丝杠最大动载荷为：式中：kp为载荷系数，一般取1.21.5，本例取kp=1.5ka为精度系数，对于本丝杠取ka=1 根据最大动载荷C的值，初选横向的滚珠丝杠螺母副代号为：RM2006-FL-V-350/550-P3，精度等级P3的预压型FL螺母，公称直径为20mm，基本导程为6mm，丝杠总长为550mm，螺纹部分的长度为350mm。查表得其基本参数：滚珠丝杠的额定动载荷Cam=11500NC，则强度足够。滚珠丝杠的额定静载荷C

26、0am=15500N滚珠丝杠的螺旋升角=244预紧力Fp=Cam/4=11500/4=2875N，此时Fm=2088.2N远远小于3Fp，故不计算预紧力。传动效率计算滚珠丝杠螺母副的传动效率为：其中：=244 （为摩擦角，滚珠丝杠副的滚动摩擦系数，f=0.0030.004，其摩擦角约为10）则：故根据上面的计算和校核可以选用RM2006-FL-V-350/550-P3型滚珠丝杠螺母副。滚珠丝杠的支承由于本丝杠属短丝杠，考虑经济性与实用性，故选用两端轴向固定，并加预拉伸的结构等提高传动刚度。三.滚动导轨副的计算、选择根据给定的工作载荷Fz和估算的Wx和Wy计算导轨的静安全系数fSL=Co/P，式

27、中：Co为导轨的基本静额定载荷，kN；工作载荷P=0.5(Fz+W)； fSL=1.0-3.0(一般运行状况)，3.0-5.0（运动时受冲击、振动）。根据计算结果查有关资料初选导轨：因系统受中等冲击,因此取根据计算额定静载荷初选导轨:选择汉机江机床厂HJG-D系列滚动直线导轨,其型号为:HJG-D25基本参数如下:额定载荷/N静态力矩/N*M滑座重量导轨重量导轨长度动载荷静载荷L(mm)17500260001981982880.603.1760滑座个数单向行程长度每分钟往复次数M40.64导轨的额定动载荷N依据使用速度v（m/min）和初选导轨的基本动额定载荷 (kN)验算导轨的工作寿命Ln：

28、额定行程长度寿命: 导轨的额定工作时间寿命: 综合得：导轨的工作寿命足够四步进电机的选择（1）步进电机简介步进电动机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电动机按设定的方向旋转一个固定的角度（称为步距角），它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差（精度为100%）的特点，广泛应用于各种开环控制。现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）

29、、混合式步进电机（HB）和单相式步进电机等。永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积小，步进角一般为7.5度或15度。反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。反应式步进电机的转子磁格由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步距角一般为1.8度，而五相步距角一般为0.75度。步进电机有步距角（涉及到相数）、静转矩及电流三大要素组成。三大要素确定，步进电机的型号便确定下来了。考虑到经济性和实用性，选择反应式步进电机。（2）步进电动机的选型已知条件 本次改造主要是根据

30、最大静转距和最高工作频率进行选择电动机。根据上面的计算，已知：p=0.01mm/step，b=0.75，L0=6mm 则：故初选b合理，满足要求。启动力矩： 式中：p为脉冲当量，取p=0.01mm/stepFs为移动部件负载：Fs=1.1Fz=1.11000=1100NFE为作用在移动部件上的负载: FE= 0.25Fz =0.251000=250Nf为导轨摩擦系数，取f=0.2 (燕尾槽导轨)b为步进电动机步距角,取b=0.75为机械传动的效率，一般取=0.6G为纵向移动部件重量：G=（20+10）9.8=294N代入公式（4-2-1）得:确定步进电动机最高工作频率:式中Vmax运动部件最大

31、快速进给速度取数控平台纵向工作台最大进给速度为：Vmax=1.5m/min代入公式：综合考虑并参考机械设计手册，选择110BF003步进电机，110BF003步进电机的主要技术参数为：步距角b=0.75；最大静转距Tm= 7.84NmT=1.540Nm且步进电动机最高工作频率fmax=2500Hz,在此选择的电机的最高工作效率f为空载启动频率1500Hz和空载运行频率7000Hz；相数为3；电压为80V；相电流6A；电感35.5mH；线圈电阻为R=0.37；分配方式为三相六拍；外形尺寸为110mm160mm；质量为6kg。通过以上计算和分析，传动系统应用110BF003步进电动机。考虑到方便机

32、床步进电动机的互检，降低售后维修保养成本，所以X/Y/Z三个方向所选用的步进电动机可以尽量为同一型号。所以这里选择三个110BF003步进电动机。第三章主轴钻头的Z向进给改造1. 改造方法将控制钻头进给运动的手柄拆去，在钻床的主轴上加三相六拍步进电动机，步进电机通过一级减速，使齿轮与套筒上的齿条啮台，从而实现了主轴向下进给或向上退出。通过减速器控制钻头在Z向上、下移动，钻头Z向进给量（向下）为99mm，加工完成后，由软件控制返回起始点。2.步进电机的选择由上可得，此处选择和XY方向相同的110BF003步进电动机。3.减速齿轮副的选择减速比计算出来后，是采用一级齿轮减速，还是两级齿轮减速，主要

33、考虑结构上的安排，齿轮减速箱的大小不能影响溜板在有效行程内的运动。由于进给伺服系统的功率都不大，所以，减速齿轮的模数 取m=2mm；压力角取=20（标准）；初选齿轮齿数Z1=20；故大齿轮为Z2=Z1i=201.25 =25。故初选减速齿轮副的参数如下：Z1=20 Z2=25m=2mm=20（标准）同样可以计算出其它参数，见下表。齿轮1齿轮2齿数Z2025模数m(mm)22分度圆d(mm)4050齿顶圆da(mm)4454齿根圆df(mm)3545中心距a(mm)45第四章数控系统电路及其软件设计一.步进电机控制系统原理如图所示，为步进电机控制系统原理图。本电路的主要工作原理是：从单片机803

34、1的P1.0、P1.1、P1.2分别发出三相绕组A、B、C。脉冲经反向驱动器接到三极管的基极驱动三极管导通或关断，使得绕组通电或不通电。当P1.0口输出为0，经反向驱动器74LS06变为高电平，使三极管导通，A相绕组导通。当从P1.0口输出为1，经反向驱动器74LS06变为低电平，使三极管截止，A相绕组截止；同理，其他两相绕组也以同样的方式导通或截止，由此可见，改变P1.0P1.2管脚的电平，可实现A、B、C相的通断电控制。如果改变A、B、C三相绕组之间导通或关断的频率即可改变电动机的转速。其他两个电机的工作原理相同。因此，通过控制三个电机的转速或方向，并通过插补算法，就能准确的定位，加工工件

35、。步进电机接口原理图二.控制系统硬件的基本组成 MCS-51系列 8031芯片三、微机控制系统及其接口该数控系统是以8031单片机芯片为控制核心的八位微机处理系统。以步进电机为执行装置，微机控制系统由8031单片机加上EPROM、RAM、键盘显示和控制等扩展电路构成。(1)8031的P1.0P1.2、P1.4P1.6、P3.0P3.2分别接通X、Y、Z向三台步进电机的三相电路；步进电机线圈通电的时序（即正反转）和步数由程序来完成；通电时间（即频率）由延时程序来完成。8031单片机的P0口用来传送低位地址和数据，地址和数据复用。外接地址锁存器74LS373，用ALE控制，P2口用做传递高位地址、

36、外部程序存储器EPROM-27256，选通信号为，选通时读取程序代码，读取数据用MOVE查表指令。用于外部RAM的读写控制，当执行外部数据存储器RAM操作指令MOVC时，这两个控制信号自动生成，8031内部无ROM，故内部与外部存储器选择端接地。P1口用做输出口，P3口低4位用做输出口，高4位使用其第二功能，8031主机频率为12MHz。(2)程序存储器EPROM的扩展 8D锁存器74LS373作为地址锁存器，锁存控制端G直接与8031单片机锁存控制信号ALE相连，用作地址锁存器时，使输出允许为低电平。EPROM 27256有15根地址线（A0A14），联接8D地址锁存器8根（A0A7），其余

37、7根（A8A14）连接P2.0P2.6，8根数据线（D0D7）联接PO口，存储容量为32KB。将EPPROM片选端接地。(3)数据存储器RAM的扩展 外接一片6264（8K8）随机存储器RAM，用于存放加工程序和数据。6264有13根地址线（A0A12）,其中8根联接PO口，5根联接P2.0P2.4端口，8根数据线（D0D7）联接PO口，、分别为读写信号线，6264有两个片选端，接P2.7进行片选。P2.7端口总是低电平。CE2保持高电平用于RAM的掉电保护。(4)8279通用可编程键盘、显示器接口 采用8279通用可编程键盘、显示器接口器件，完成加工程序和数据的输入显示和加工过程中的动态显示

38、、采用44陈列键盘、显示16位LED显示器、LED显示器呈三排排列，每排最左边第一位用以显示X、Y、Z项数据的“+”、“-”上。一排有5位7段码管，用以显示X值，第二第三行均只有4位7段码管，用以显示Y，Z项十进制百位以内数值，构成16位显示器。数值输入以丝米为单位0.01mm，实际上是在输入步进电机的步数。当进行加工子程序输入时，显示器从最左上面开始显示，但输完X值的“+”或“-”及5位数值后，按ENTER确认键后显示转入第二行Y值的输入。当输完“+”或“-”号及4位数值后，按下ENTER确认键转入第三行Z值的输入。一般情况下，Z值输入无正值。每次钻头下移完成预定的深度，由程序控制返回下钻头

39、起始高度。若需要钻头单纯上移时，可编程操作，Z值输入完成，按ENTER确认键开始另一组X、Y、Z值的输入。加工程序输入完成，在第一行输入“O”按ENTER确认键，在第二行输入“O”回车，第三行输入“O”后回车完成加工程序输入，返回主程序。DD为双向三态数据总线，用于CPU和8279之间的数据和命令传送。IRQ为中断请求信号，再当按下一个键后，8279便向CPU申请中断处理。是8279的片选信号。当=0（低电平）时，8279才被允许读出或写入信息，、为来自8031的读写控制信号，A=0时，输入输出皆为数据。RESET为复位信号线。系统时钟CLK从8031的ALE端获取主机频1/6分频2MHZ时针

40、信号。在8279内部再将时钟信号分频100KHZ为键盘扫描提供适当的逐行扫描频率和显示扫描时间，键盘数据输入采用键盘扫描方式。键盘工作方式设置为双键互领方式，每当按下一个键时，便由8279自动编码并进入先进先出寄存器FIFO读取数据（键值）以后，IRQ信号将自动撤销。8279内部有一个显示RAM用来存储显示数据，容量为168位。在显示过程中，存储的显示数据轮流从显示寄存器输出，显示寄存器分为A、B两组，其输出为OUT A0A3和OUT B0B3。这8个输出口是显示数据的输出总线，分别送出16个显示RAM单元内存储的数据。显示数据可以通过数据总线D0D7，分别写入显示RAM的任何一个单元，一旦数

41、据写入后，8279的硬件便自动管理显示存储器的输出及同步扫瞄信号。如图为微机控制系统的原理图：微机控制系统的原理图四、 软件设计1.程序采用模块化设计，主程序为无分支直线程序，方便修改程序。主程序包括键盘输入和显示、加工程序、步进电机运转完成钻孔加工程序。外部中断：在钻孔加工工序过程中响应“STOP停止”键，停止步进电机运转，但不能停止钻头旋转交流电机。“RESET复位”按钮能使控制系统复位到初始化状态。加工工序以十进制BCD码输入，有8279自动处理转换成二进制B码存入RAM。并在加工过程中以BCD码的形式动态同步显示。加工工序的输入完成后，对X、Y、Z值输入一组#OOH，以便控制系统比较判

42、别是否已完成全部加工工序。步进电机运转加工程序存储在EPROM区域16KB范围内，能方便调出本设计对三个步进电机采用顺序控制操作。步进电机步数取决于相对坐标值，这样控制步进电机会在生产中增长定位时间。降低生产效率，若能对XY向电机驱动使用直线插补，两电机同步动作。有利于生产效率的提高。但硬件配置和软件编程将复杂化。数据和命令的输入与显示主要是利用8279的键盘输入服务程序和动态显示程序的功能，当有键按下时，由74LS138（3-8）译码器对SL0SL2译出键扫描线，由74LS154（4-16）译码器对SL0SL3译出显示器的位扫描线。本设计中采用了44编码式陈列键盘16位LED显示器。并对三排

43、中的第一位显示器进行改造，使他们显示“+” 、“-”（如采用米字14段码管只接部分管脚）。经74LS154对扫描线译码后，一方面接键盘列线，同时通过16位去定期接显示器。在加工过程中同样通过74LS154经驱动器接16位显示器，分别对X、Y、Z轴变化情况实现动态显示。各软件流程图 图5-4 主流程图 图5-5 键盘扫描流程图 图5-6键盘扫描流程图2、步进电机控制程序设计在计算机控制的步进电动机驱动系统中，可以采用软件的方法实现环形脉冲分配。软件环形分配器的设计方法有很多，如查表法、比较法、移位寄存器法等，它们各有特点，其中常用的是查表法。单片机控制的步进电动机驱动电路框图图示是一个8031单

44、片机与步进电动机驱动电路接口连接的框图。P1口的三个引脚经过光电隔离、功率放大之后，分别与电动机的A、B、C三相连接。当采用三相六拍方式时，电动机正转的通电顺序为AABBBCCCAA；电动机反转的顺序为AACCCBBBAA。它们的环形分配如表5-1所示。把表中的数值按顺序存入内存的EPROM中，并分别设定表头的地址为TAB0，表尾的地址为TAB5。计算机的P1口按从表头开始逐次加1的顺序变化，电动机正向旋转。如果按从TAB5，逐次减1的顺序变化，电动机则反转。采用软件进行脉冲分配虽然增加了软件编程的复杂程度，但它省去了硬件环形脉冲分配器，系统减少了器件，降低了成本，也提高了系统的可靠性。步序导

45、电相工作状态数值（16进制）程序的数据表正转 反转CBATABA0 0 101HTAB0 DB 01HAB0 1 103HTAB1 DB 03HB0 1 002HTAB2 DB 02HBC1 1 006HTAB3 DB 06HC1 0 004HTAB4 DB 04HCA1 0 105HTAB5 DB 05H计算机的三相六拍环形分配表3、单片机编程ORG OOOOH ；主程序LJMP IN-SHOW ；调键入和显示子程序LJMP PRO ；调加工子程序LJMP STARTRUN ；调电机运转加工子程序ENDIN-SHOW: MOV SP #60H ；键入和显示子程序堆栈指针PUSH PEW ；保

46、护现场PUSH ACCMOV DPTR、 #7FFFH ；指向8279命令/状态口地址MOV A、 #0D1H ；设8279清除命令MOVX DPTR、 A ；送入命令字WAIT： MOVX A、PPTR ；读入状态字JB ACC、7、WAIT ；等待清除MOV A、#09H ；置键盘/显示器工作方式命令，16字符显示，左边输入MOVX DPTR、A ；送入命令字MOV IE，#84H ；开中断1LCALL KEY ；调键输入子程序LCALL DIR ；调显示子程序POP ACCPOP PSWRETKEY: ORG ；键输入子程序PUSH PSW ；保护现场PUSH ACCPUSH DPHPU

47、SH DPLMOV A,#40H ；设置读FIFO命令字MOV DPTR,#7FFFH ；指向命令状态扣MOVX DPTR,AMOV DPTR,#7FFEH ；指向数据口地址MOVX A,DPTR ；读入键值LJMP KEY1 ；转键值处理程序PUSH DPLPUSH DPHPUSH ACCPUSH PSWRETIKEY1: ORG ；键值处理子程序ACALL KS ；调用KS判别有键按下JNZ K1 ；有键按下转移ACALL 10MSDEL ；无键按下，调延时10ms子程序AJMP KEY1K1: ACALL 10MSDEL ACALL 10MSDEL ；加延长时，消除抖动ACALL KS

48、；调用KS子程序，再次判别JNZ K2 ；键按下，转查列扫描AJMP KEY1 ；误读键，返回K2: MOV R2,#OFEH ；首列扫描字送R12MOV R4,#OOH ；首列号送R4K3: MOV DPTR,#SL ；SL经译码后送DPTRMOV A,R2 ；使第0列线为0MOVX DPTR,A ；列扫描字送SL口INC DPTR ；指向RL口INC DPTRMOVX A,DPTR ；读取行扫描值JB ACC.O,L1 ；第0行无键按下，转查第1行MOV A,#OOH ；第0行有键按下，该行行首键号#OH送AAJMP LK ；转求键号L1: JB ACC.1,L2 ；第1行无键按下，转查第

49、2行MOV A,#08H ；第1行有键按下，该行行首键号#08H送AAJMP LK ；转求键号L2: JB ACC.2,L3 ；第2行无键按下，转查第3行MOV A,#1OH ；第2行有键按下，该行的行首键号#10H送AAJMP LK ；转求键号L3: JB ACC.3,NEXT ；第3行无键按下，改查下一列MOV A,#18H ；第3行有键按下，该行的行首键号#18H送ALK: ADD A,R4 ；形成键码送APUSH ACC ；键码入线保护K4: ACALL 10MSDELACALL KS ；等待键释放JNZ K4 ；未释放，等待POP ACC ；键释放，弹线送ARET ；键扫描结束，返回

50、NEXT: INC R4 ；修改列号MOV A,R2JNB ACC.7,KEY1 ；8列扫描完返回KEY1RL A ；未扫描完，扫描字左移一位，变为下列扫描字MOV R2,A ；扫描字暂存R2AJMP K3 ；转下列扫描KS: MOV DPTR,#SL ；SL经译码后送DPTRMOV A,#OOHMOVX DPTR,A ；全扫描字#OCH送SL口INC DPTR ；指向RL口INC DPTRMOVX A.DPTR ；读入RL口行状态CPL A ；变正逻辑，高电平表示有键按下ANL A,#OFH ；屏蔽高4位RET10MSDEL: MOV R6,#OAH ；10毫秒数送R6DL2: MOV R7

51、,#7DH ；1毫秒延时预定值送R7DL1: MOPMOPDJNZ R7,DL1 ；1ms延时循环DJNZ R6,DL2 ；10ms延时循环RETDIR: ORG ；显示子程序MOV DPTR,#7FFFH ；指向命令状态口地址MOV A,#90H ；写现在RAM命令MOVX DPTR,A ；显示RAM命令字送8279MOV RO,#3OH ；段送码存放单元首地址MOV R2,#O8H ；现在16位的初值LP1:MOV DPTR,#7FFEH ；指向数据口地址MOV R4,#OFH ；取16位数据LP2:MOV A,RO ；取显示数据MOVC DPTR,A ；段送码送入8279显示RAMINC

52、 RODJNZ R2,LP2 ；8个段送码送完？DJNZ R4,LP1 ；16个显示器显示完？CJNZ A,#OOH,D1R ；价格程序未显示完，继续RETIPRO: ORG ；加工子程序MOV SP,#70H ；保护现场PUSH PSWPUSH ACCMOV A,#40H ；设置8279FIFO命令字MOV DPTR,#7FFFH ；指向8279命令状态口地址MOVX DPTR,A ；送入命令字MOV DPTR,#7FFEH ；指向数据口地址X-IN: MOVX A,(X值)DPTR ；读入数值MOV IE,#84H ；无中断1LJMP KEY1 ；调用键值处理子程序HOVX VPTR ；暂

53、存RAMCLR AY-IN MOVX A,Y值 ；输入数值MOV IE,#84H LJMP KEYMOVX DPTR,ACLR A Z-IN MOVX A,Z值 ；输入数值MOV IE,#84HLJMP KEY,MOVX DPTR,AJNZ X-IN ；A又为0，输入下一组值PUSH ACCPUSH PSWRETSTARTRUN: ORG 8000HPUSH DPH ；保护主程序现场 PUSH DPLXRUN: MOVX A,DPTR ；取出数值（X值）LCALL DIR ；调用显示子程序JB ACC.8 LOOP2 ；判断“+”“-”值LOOP1: MOV RO,AMOV DPTR,#MTAB ；指向相序表表头LX: MOVC A,A+DPTR ；计算查表得相位值ANL A,#OFH ；屏蔽高4位MOV R2,AMOV P1,R2 ；驱动X向步进电机ACALL IMSORL ；延时1ms，电机频率设定INC A ；相位地址值加1DJNZ R2,LX ；六相不到继续DJNZ RO,LOOP1 ；X向未完成步距数，继续LOOP2: CLR ACC.8DEC ACPL A ；变补码为原码MOV RO,AMOV DPTR,#MTABLXR:MOVC A,A+DPTRANL A,#OFH ；屏蔽高4