1、1郑州大学现代远程教育毕 业 设 计题 目：机床数控改造机械系统设计（微型计算机）入 学 年 月_ 2013 年 9 月_姓 名_张文华_学 号_13130287005_ 专 业_ _机电一体化_ 学 习 中 心 _ 石鸡中心 _ 指 导 教 师_ _ 完成时间_2015_年_8_月_24_日2目录摘要3关键词3一、 概述4二、 总体方案的设计62.1 设计任务 62.2 总体方案的论证72.3 总体方案的确定 8三、微机数控系统硬件电路设计83.1 微机数控系统硬件电路总体方案设计 8结束语10总结11参考文献12致谢133摘要：随着科学技术的飞速发展，数控车床被广泛应用于机械制造业。因为它
2、具有加工灵活、通用性强的特点，能适应产品的品种和规格频繁变化，能够满足新产品的开发和多品种、小批量、生产自动化的要求，并且数控车床与普通车床相比，在提高生产率、减轻工人劳动强度、降低生产成本和增加效益方面都有很大的优越性。针对现有常规 CA6140 普遍车床的缺点提出数控改装方案和单片机系统设计，提高加工精度和扩大机床使用范围，并提高生产率。本论文说明了普通车床的数控化改造的设计过程，较详尽地介绍了 CA6140 机械改造部分的设计及数控系统部分的设计。采用以 8031 为 CPU 的控制系统对信号进行处理，由 I/O 接口输出步进脉冲，经一级齿轮传动减速后，带动滚动丝杠转动，从而实现纵向、横
3、向的进给运动。关键词： 数控机床，单片机数控系统，改装设计4一、概述1.1 课题背景企业要在激烈的市场竞争中获得生存、得到发展，它必须在最短的时间内以优异的质量、低廉的成本，制造出合乎市场需要的、性能合适的产品,而产品质量的优劣，制造周期的快慢，生产成本的高低，又往往受工厂现有加工设备的直接影响。目前，采用先进的数控机床，已成为我国制造技术发展的总趋势。在我国现有的机床中有一部分仍采用传统的继电器- 接触器控制方式，这些机床触点多、线路复杂，使用多年后故障多、维修量大、维护不便、可靠性差，严重影响了正常的生产。还有一些旧机床虽然还能正常工作，但其精度、效率、自动化程度已不能满足当前生产要求。因
4、此拥有先进的数控机床已经成为满足企业新生产工艺、提高经济效益的最根本需求。1.2 数控机床的发展简史1948 年，美国帕森斯公司接受美国空军委托，研制飞机螺旋桨叶片轮廓样板的加工设备。由于样板形状复杂多样，精度要求高，一般加工设备难以适应，于是提出计算机控制机床的设想。1949 年，该公司在美国麻省理工学院（MIT）伺服机构研究室的协助下，开始数控机床研究，并于 1952 年试制成功第一台由大型立式仿形铣床改装而成的三坐标数控铣床，不久即开始正式生产，于 1957 年正式投入使用。这是制造技术发展过程中的一个重大突破，标志着制造领域中数控加工时代的开始。数控加工是现代制造技术的基础，这一发明对
5、于制造行业而言，具有划时代的意义和深远的影响。世界上主要工业发达国家都十分重视数控加工技术的研究和发展。 当时的数控装置采用电子管元件，体积庞大，价格昂贵，只在航空工业等少数有特殊需要的部门用来加工复杂型面零件；1959 年，制成了晶体管元件和印刷电路板，使数控装置进入了第二代，体积缩小，成本有所下降；1960 年以后，较为简单和经济的点位控制数控钻床，和直线控制数控铣床得到较快发展，使数控机床在机械制造业各部门逐步获得推广。我国于 1958 年开始研制数控机床，成功试制出配有电子管数控系统的数控机床，1965 年开始批量生产配有晶体管数控系统的三坐标数控铣床。 1965 年，出现了第三代的集
6、成电路数控装置，不仅体积小，功率消耗少，且可靠性提高，价格进一步下降，促进了数控机床品种和产量的发展。60 年代末，先后出现了由一台计算机直接控制多台机床的直接数控系统（简称 DNC），又称群控系统；采用小型计算机控制的计算机数控系统（简称 CNC）,使数控装置进入了以小型计算机化为特征的第四代。 1974 年，研制成功使用微处理器和半导体存贮器的微型计算机数控装置（简称 MNC），这是第五代数控系统。第五代与第三代相比，数控装置的功能扩大了一倍，而体积则缩小为原来的 1/20，价格降低了 3/4，可靠性也得到极大的提高。 80 年代初，随着计算机软、硬件技术的发展，出现了能进行人机对话式自动
7、5编制程序的数控装置；数控装置愈趋小型化，可以直接安装在机床上；数控机床的自动化程度进一步提高，具有自动监控刀具破损和自动检测工件等功能。1.3 我国数控机床的发展方向进入 21 世纪，我国机床制造业即面临提升机械制造业水平的需求而引发的制造装备发展的良机，也遭受到进入 WTO 后激烈的市场竞争的压力，从技术层面上来讲，加速推进数控技术将是解决机床制造业持续发展的一个关键。数控机床及由数控机床组成凡人制造系统是改造传统产业，构建数字化企业的重要基础装备，它的发展一直受人们关注，数控机床以其卓越的柔性自动化的性能、优异而稳定的精度、灵捷而多样化的功能引起世人瞩目，它开创了机械产品向机电一体化发展
8、的先河，因此数控技术成为先进制造技术的中的一项核心技术。另一方面，通过持续的研究，信息技术的深化应用促进了数控机床的进一步提升。目前，世界先进制造技术不断兴起，超高速切削、超精密加工等技术的应用，柔性制造系统的迅速发展和计算机集成系统的不断成熟，对数控加工技术提出了更高的要求，当今数控机床正在朝着以下几个方向发展。 (1)高速、高精密化高速、精密是机床发展永恒的目标。随着科学技术突飞猛进的发展，机电产品更新换代速度加快，对零件加工的精度和表面质量的要求也愈来愈高。为满足这个复杂多变市场的需求，当前机床正向高速切削、干切削和准干切削方向发展，加工精度也在不断地提高。另一方面，电主轴和直线电机的成
9、功应用，陶瓷滚珠轴承、高精度大导程空心内冷和滚珠螺母强冷的低温高速滚珠丝杠副及带滚珠保持器的直线导轨副等机床功能部件的面市，也为机床向高速、精密发展创造了条件。（2）高可靠性数控机床的可靠性是数控机床产品质量的一项关键性指标。数控机床能否发挥其高性能、高精度和高效率，并获得良好的效益，关键取决于其可靠性的高低。（3）数控车床设计 CAD 化随着计算机应用的普及及软件技术的发展，CAD 技术得到了广泛发展。CAD 不仅可以替代人工完成繁琐的绘图工作，更重要的是可以进行设计方案选择和大件整机的静、动态特性分析、计算、预测及优化设计，可以对整机各工作部件进行动态模拟仿真。在模块化的基础上在设计阶段就
10、可以看出产品的三维几何模型和逼真的色彩。采用 CAD，还可以大大提高工作效率，提高设计的一次成功率，从而缩短试制周期，降低设计成本，提高市场竞争能力。（4）功能复合化功能复合化的目的是进一步提高机床的生产效率，使用于非加工辅助时间减至最少。通过功能的复合化，可以扩大机床的使用范围、提高效率，实现一机多用、一机多能，即一台数控车床既可以实现车削功能，也可以实现铣削加工；或在以铣为主的机床上也可以实现磨削加工。宝鸡机床厂已经研制成功的CX25Y 数控车铣复合中心，该机床同时具有 X、Z 轴以及 C 轴和 Y 轴。通过 C 轴和 Y 轴，可以实现平面铣削和偏孔、槽的加工。该机床还配置有强动力刀架和副
11、主轴。副主轴采用内藏式电主轴结构，通过数控系统可直接实现主、副主轴6转速同步。该机床工件一次装夹即可完成全部加工，极大地提高了效率。（5）智能化21 世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统。智能化的内容包括在数控系统中的各个方面：为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如加工过程的自适应控制，工艺参数自动生成；为提高驱动性能及使用连接方面的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等；简化编程、简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程、智能化的人机界面等；还有智能诊断、智能监控等方面的内容，以方便系统的诊断及维修等。1.4 我国数控机床的发展趋势数控机床向柔性自动
12、化系统发展：从点(数控单机、加工中心和数控复合加工机床)、线(FMC、FMS、FTL、FML)向面(工段车间独立制造岛、FA)、体(CIMS、分布式网络集成制造系统)的方向发展，另一方面向注重应用性和经济性方向发展。柔性自动化技术是制造业适应动态市场需求及产品迅速更新的主要手段，是各国制造业发展的主流趋势，是先进制造领域的基础技术。其重点是以提高系统的可靠性、实用化为前提，以易于联网和集成为目标，注重加强单元技术的开拓和完善。CNC 单机向高精度、高速度和高柔性方向发展。数控机床及其构成柔性制造系统能方便地与 CAD、CAM、CAPP 及 MTS 等联结，向信息集成方向发展。网络系统向开放、集
13、成和智能化方向发展。二、 总体方案的设计2.1 设计任务 本设计任务是对 CA6140 普通车床进行数控改造。利用微机对纵、横向进给系统进行开环控制，纵向（Z 向）脉冲当量为 0.01mm/脉冲，横向（X 向）脉冲当量为 0.005mm/脉冲，驱动元件采用步进电机，传动系统采用滚珠丝杠副，刀架采用自动转位刀架。 机床的数控改造，主要是对原有机床的结构进行创造性的设计，最终使机床达到比较理想的状态。数控车床是机电一体化的典型代表，其机械结构同普通的机床有诸多相似之处。然而，现代的数控机床不是简单地将传统机床配备上数控系统即可，也不是在传统机床的基础上，仅对局部加以改进而成。传统机床存在着一些弱点
14、，如刚性不足、抗振性差、热变形大、滑动面的摩擦阻力大及传动元件之间存在间隙等，难以胜任数控机床对加工精度、表面质量、生产率以及使用寿命等要求。现代的数控技术，特别是加工中心，无论是其支承部件、主传动系统、进给传动系统、刀具系统、辅助功能等部件结构，还是整体布局、外部造型等都已经发生了很大变化，已经形成了数控机床的独特机械7结构。因此，我们在对普通机床进行数控改造的过程中，应在考虑各种情况下，使普通机床的各项性能指标尽可能地与数控机床相接近。另外，车床数控改造的总体原则是在满足使用要求的前提下，对原机床的改动尽可能减少，以降低成本。改造过程中，为了充分发挥改造后数控系统的技术性能，保证改造后车床
15、在系统控制下有较高的重复定位精度，减少低速爬行，并使其外型美观，性能稳定，机械装置的合理改造就显得异常重要。其中进给系统的改造又是整个机械装置改造的关键。一般进给系统改造方案是：用步进电机作为驱动元件，解除原传动系统，通过一级减速齿轮和滚珠丝杠螺母副带动工作台移动，保留手动进给机构用于微进给和机床刀具的对零操作。经过经济型数控改造后的 CA6140 型普通车床，采用以 8031 单片机为核心的数控装置对加工过程进行控制处理，其横向（X 向） 进给脉冲当量为0.005mm /脉冲，进给速度范围为 3 1000mm/min （无级调速） ，快进速度可以在 1000 3000mm/min 内任意设定
16、。而且运行可靠，抗干扰能力强。改造后的经济型数控车床不但实现了 CA6140 型普通车床的原有功能，而且在机床的加工精度、性能、自动化程度等方面也有所提高，利用数控方法可以准确地加工任意面的旋转体。它满足了现代加工工艺的要求,提高了劳动生产率，大大降低了工人的劳动强度，给企业带来了巨大的经济效益。2.2 总体方案的论证 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。 （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 CA6140 车床加工复杂轮廓零件，所以本微机数
17、控系统采用两轴联动连续控制系统。 （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、半闭环和闭环之分。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。 （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。8有了硬件，软件才能有效地运行。 在设计的数控装置中，CPU 的选择是关键，选择 CPU 应考虑以下要素： 1. 时钟频率和字长与被控对象的运动速度和精度密切相关； 2. 可扩展存储器的容量与数控功能的强弱相关； 3. I
18、/O 口扩展的能力与对外设控制的能力相关。 除此之外，还应根据数控系统的应用场合、控制对象以及各种性能、参数要求等，综合起来考虑以确定 CPU。在我国，普通机床数控改造方面应用较普遍的是 Z80CPU 和 MCS-51 系列单片机，主要是因为它们的配套芯片便宜，普及性、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。本设计中是以 MCS-51 系列单片机，51 系列相对 48 系列指令更丰富，相对96 系列价格更便宜，51 系列中，是无 ROM 的 8051，8751 是用 EPROM 代替 ROM的 8051。目前，工控机中应用最多的是 8031 单片机。本设计以 8031 芯
19、片为核心，增加存储器扩展电路、接口和面板操作开关组成的控制系统。 2.3总体方案的确定 经总体设计方案的论证后，确定的 CA6140 车床经济型数控。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）和横向（X 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形带使脉冲发生器同步旋转，发出
20、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。三、微机数控系统硬件电路设计3.1 微机数控系统硬件电路总体方案设计 本系统选用 8031CPU 作为数控系统的中央处理机。外接一片 2764EPROM，9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 作为系统的输入输出口扩展，分别接键盘的输入、输出显示，8255 接步进电机的环形分配器，分别并行控制 X 轴和 Z 轴的步进电机。另外，还要考虑机床与单片机之间的光
21、电隔离，功率放大电路等。 各引脚功能简要介绍如下： 2 源引脚 VSS：电源接地端。 VCC：5V 电源端。 输入/输出（I/O）口线 8031 单片机有 P0、P1、P2、P3 4 个端口，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 位并行数据，P2 口用来输出高 8 位地址，P3 口除可作为一个 8 位准双向并行口外，还具有第二功能，各引脚第二功能定义如下： P3.0 RXD：串行数据输入端。 P3.1 TXD：串行数据输出端 P3.2 INT0：外部中断 0 请求信号输入端。 P3.3 INT1：外部中断 1 请求信号输入端。 P3.4 T0：定时器/计
22、数器 0 外部输入端 P3.5 T1：定时器/计数器 1 外部输入端 P3.6 WR：外部数据存储器写选通。 P3.7 RD：外部数据存储器读选通。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。 （1）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。 8031 单片机采用两种复位方式：一种是加电自动复位，另一种为开关复位。ALE/PROG：ALE 是地址锁存允许信号。它的作用是把 CPU 从 P0 口分时送出的低 8 位地址锁存在一个外加的锁存器中。 外部程序存储器读选通信号。当其为低电平时有
23、效。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。10XTAL1：震荡器的反相放大器输入，使用外部震荡器时必须接地； XTAL2：震荡器的反相放大器输出，使用外部震荡器时，接收外围震荡信号；（2）片外三总线结构 单片机在实际应用中，常常要扩展外部存储器、I/O 口等。单片机的引脚，除了电源、复位、时钟输入以及用户 I/O 口外，其余的引脚都是为了实现系统扩展而设置的，这些引脚构成了三总线形式： 地址总线 AB 地址总线宽度为 16 位。因此，外部存储器直接寻址范围为 64KB。由 P0
24、 口经地址锁存器提供 16 位地址总线的低 8 位地址（A7A0） ，P2 口直接提供高 8位地址（A15A8） 。 数据总线 DB 数据总线宽度为 8 位，由 P0 口提供。 3 控制总线 CB 控制总线由第二功能状态下的 P3 口和 4 根独立的控制线 RST、EA、ALE 和PSEN 组成。 3.1.2 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、查询传送或中断传送方式完成 CPU 与外围设备之间的信息交换。8255A 的结构及引脚功能： 1、8255A 的结构 其中包括三个 8 位并行数据 I/O 端口，二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。各部分功能介绍如下：（1） 三个 8 位并行 I/O 端口 A、B、C A 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 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/缓冲器和一个 8 位输入或输出寄存器，
