基于單片機(jī)的CK6163數(shù)控車床控制系統(tǒng)設(shè)計(jì).zip,基于,單片機(jī),CK6163,數(shù)控車床,控制系統(tǒng),設(shè)計(jì)
中文摘要
本文主要是利用單片機(jī)對(duì)CK6163數(shù)控車床的控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，使其能夠被改造成現(xiàn)在市場(chǎng)上所需要的經(jīng)濟(jì)型車床。本設(shè)計(jì)的CK6163數(shù)控車床，是采用兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)對(duì)機(jī)床的X軸和Z軸進(jìn)行進(jìn)給系統(tǒng)的控制。本設(shè)計(jì)采用逐點(diǎn)比較法進(jìn)行直線和圓弧插補(bǔ)，最終能實(shí)現(xiàn)對(duì)外圓、錐度、螺紋、端面等的自動(dòng)加工控制，能對(duì)縱向和橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的行程和速度進(jìn)行自動(dòng)控制。降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)并增強(qiáng)其自動(dòng)化加工、穩(wěn)定質(zhì)量、提高工效和適用性。
依據(jù)典型的工藝數(shù)據(jù)，首先應(yīng)對(duì)系統(tǒng)的機(jī)械部分進(jìn)行必要的設(shè)計(jì)，包括主傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、回轉(zhuǎn)刀架的選擇和進(jìn)給系統(tǒng)的確定等。再對(duì)控制部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括通過對(duì)電機(jī)的選型確定驅(qū)動(dòng)元件，對(duì)控制硬件和軟件的選擇進(jìn)行電路圖的繪制和程序的編寫，最終實(shí)現(xiàn)車床的自動(dòng)控制?；贛CS_51單片機(jī)對(duì)電機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)的確定設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞 數(shù)控機(jī)床 控制系統(tǒng) 步進(jìn)電機(jī) MCS_51單片機(jī)
I
外文摘要
Title Design of CK6163 CNC lathe control system based on
Single chip microcomputer
Abstract
This paper mainly uses a single chip microcomputer to design the control system of CK6163 CNC lathe, which can be transformed into the economical lathe that is needed in the market now. The designed CK6163 CNC lathe is controlled by two stepping motors for the X and Z axis of the machine tool. This design USES the straight line and arc interpolation point by point comparison method, finally can realize external circular, taper, screw, end automatic processing control, who will take care of the longitudinal and transverse feed motion stroke and speed for automatic control.It reduces the intensity of labor, realizes and enhances its automation, stability, efficiency and applicability.
Based on typical process data, the first response to the mechanical parts to make the necessary design, including the design of the main transmission system, selection of rotary tool rest and the determination of feed system, etc. Again to design control part, including through the motor selection determine the driving element, the selection of control hardware and software of circuit diagram drawing and writing of the program, finally realizes the automatic control of machine tool. The design of the control system of the motor based on MCS_51 single chip is designed to realize the design of the whole control system.
Key words:CNC machine tools, control systems, stepper motors, single-chip
窗體底端
II
目錄
第1章 緒論 1
1.1 數(shù)控車床介紹 1
1.2數(shù)控車床發(fā)展歷史和國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀 4
1.3 本課題的意義 5
第2章 設(shè)計(jì)任務(wù)與方案確定 7
2.1 設(shè)計(jì)內(nèi)容 7
2.2 設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù) 8
2.3數(shù)控系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 8
第3章 縱向進(jìn)給傳動(dòng)部件的計(jì)算和選型 10
3.1切削力的計(jì)算 10
3.2滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型 11
3.2.1精度的選擇 11
3.2.2絲杠導(dǎo)程的確定 11
3.2.3最大工作載荷的計(jì)算 11
3.2.4最大動(dòng)載荷的計(jì)算 12
3.2.5 滾珠絲杠螺母副的選型 12
3.2.6滾珠絲杠副的支承方式 12
3. 3同步帶減速機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 13
3．3．1 傳動(dòng)比的確定 13
3．3．2 傳遞功率的估算 13
3．3．3 選擇帶型和節(jié)距 14
3．3．4 確定帶輪齒數(shù)和節(jié)圓直徑 14
3.4.本章小結(jié) 15
第四章 伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 16
4.1 控制系統(tǒng)的選擇 16
4.2 縱向步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算 16
4.2.1 縱向步進(jìn)電機(jī)的選擇 18
4.3 橫向步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算 19
4.3.1 橫向步進(jìn)電機(jī)的選擇 20
4.4 本章小結(jié) 21
第五章 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 22
5.1 MCS_51芯片介紹 22
5.1.1.單片機(jī)的主要特點(diǎn) 24
5.2.2.單片機(jī)應(yīng)用 24
5.2 8255A芯片的應(yīng)用 25
5.3 單片機(jī)I/O擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)及功能 26
5.4 光電隔離電路 27
5.5 鍵盤功能控制電路 27
5.6 顯示驅(qū)動(dòng)電路 29
5.7 串口通信接口電路 30
5.8其它相關(guān)電路 31
第六章 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)及仿真 32
6.1 Keil軟件介紹 32
6.2 Proteus軟件應(yīng)用 32
6.3 程序設(shè)計(jì)及調(diào)試 32
6.4 仿真 36
第七章 結(jié)論 38
參考文獻(xiàn) 39
致謝 41
V
第1章 緒論
1.1 數(shù)控車床介紹
數(shù)控車床是數(shù)控機(jī)床的一種，數(shù)控機(jī)床主要有三個(gè)方面的加工優(yōu)勢(shì)，分別為加工效率高、加工精度高以及加工產(chǎn)品性能高。正由于這些方面的優(yōu)勢(shì)，數(shù)控機(jī)床應(yīng)用廣泛，主要用于加工那些普通機(jī)床加工不了的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度高且加工數(shù)量較少的零件。這樣在提升產(chǎn)品質(zhì)量和性能結(jié)構(gòu)的同時(shí)，還能夠得到最大程度的經(jīng)濟(jì)效益。數(shù)控機(jī)床種類繁多，該課題設(shè)計(jì)的數(shù)控車床就是其中的一種，另外還包括銑床、磨床、鉆床等等，這些也都是平時(shí)在加工時(shí)經(jīng)常遇到的機(jī)床。本設(shè)計(jì)主要是對(duì)數(shù)控車床的控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。
數(shù)控機(jī)床在進(jìn)行加工時(shí)，主要是將事先編寫好的程序輸入到數(shù)控裝置中，再經(jīng)過分析轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的指令，輸出到控制系統(tǒng)中，以達(dá)到自動(dòng)化加工的目的。因此，加工程序起到?jīng)Q定性作用，程序如果產(chǎn)生錯(cuò)誤，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)加工過程的失敗，并且在編寫程序時(shí)，還需要考慮到其它各種加工因素，比如加工的整體路線、加工時(shí)相關(guān)具體參數(shù)、刀具的加工轉(zhuǎn)換和其他一些輔助功能等等。將這些因素都結(jié)合之后，最終按照一定的格式編寫加工程序單。程序編寫好之后，需要將這些程序輸入到機(jī)床的數(shù)控裝置中，從而指揮機(jī)床進(jìn)行零件的加工，指揮車床進(jìn)行自動(dòng)加工。而輸入工作方式又可分為兩種方式，第一種是在輸入的同時(shí)進(jìn)行加工，顧名思義，就是在輸入下一個(gè)程序時(shí)，前一個(gè)程序已經(jīng)在進(jìn)行加工，第二種是將程序一次性輸入，將其儲(chǔ)存在數(shù)控裝置的儲(chǔ)存器中，當(dāng)需要加工時(shí)再將其調(diào)用出來。數(shù)控機(jī)床在進(jìn)行零件加工時(shí)，不需要人為操作，只需通過改變程序既能改變加工步驟，路線，進(jìn)而達(dá)到加工不同零件的目的，既方便又實(shí)用。
（1）數(shù)控機(jī)床的工作原理
在介紹之前，必須對(duì)數(shù)控編程的主要過程作必要的了解。基本步驟如下圖1-1所示
圖1-1 數(shù)控編程的步驟
由上圖可知，數(shù)控機(jī)床在對(duì)零件進(jìn)行加工時(shí)，主要是將事先編寫好的程序輸入到數(shù)控裝置中，(程序在編寫時(shí)難免會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤，而數(shù)控系統(tǒng)在進(jìn)行加工之前會(huì)對(duì)其進(jìn)行分析檢查，出現(xiàn)錯(cuò)誤的程序系統(tǒng)會(huì)發(fā)出警告，進(jìn)行修改，而有些程序是在加工過程中被發(fā)現(xiàn)，這就需要停止工作，仔細(xì)檢查修改，最終確保程序正確。)修改檢查無誤后數(shù)控系統(tǒng)會(huì)輸出相應(yīng)的指令再經(jīng)過分析轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的指令，輸出到控制系統(tǒng)中，控制機(jī)床的各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)，比如主軸的運(yùn)動(dòng)、刀具的自動(dòng)交換、加工路線的選擇等其他的一些基本操作。使機(jī)床對(duì)工件按照所給程序中的正確順序和軌跡進(jìn)行加工和停止。而在數(shù)控車床不斷的加工過程中，要不斷的進(jìn)行檢查以使刀具和工件處在所要求的相對(duì)位置。這樣便能加工出符合要求的產(chǎn)品。其加工工件過程圖如下圖1-2所示：
零
件
圖
樣
零
件
成
品
程
序
設(shè)
計(jì)
編
寫
程
序
單
機(jī)
床
加
工
伺
服
系
統(tǒng)
數(shù)
控
介
質(zhì)
穿
孔
紙
帶
圖1-2 數(shù)控機(jī)床工作原理
（2）數(shù)控機(jī)床的組成
數(shù)控機(jī)床主要由五部分組成，其組成框架如下圖1-3所示：下表1-1面是對(duì)其組成的詳細(xì)介紹。
圖1-3 數(shù)控機(jī)床的組成框圖
表1-1 數(shù)控機(jī)床各組成簡(jiǎn)要介紹
名稱
介紹及功能
控制介質(zhì)
數(shù)控機(jī)床在進(jìn)行工件作業(yè)時(shí)，一般都是自動(dòng)加工，不需要人為的操作。達(dá)到這一目的就必須在數(shù)控機(jī)床之間搭造一種必要的聯(lián)系，控制介質(zhì)就是建立這種聯(lián)系的中間媒介物。它記錄著工件的加工步驟。本設(shè)計(jì)配有鍵盤和數(shù)碼管進(jìn)行控制顯示。
數(shù)控裝置
作為數(shù)控機(jī)床的“心臟”。數(shù)控裝置是機(jī)床的控制裝置，其主要功能有很多，其中包括：多坐標(biāo)控制；補(bǔ)償功能；程序的修改功能；插補(bǔ)功能等等。
伺服系統(tǒng)
伺服系統(tǒng)，就是將數(shù)控裝置上所接受到的指令進(jìn)行接受，來驅(qū)動(dòng)機(jī)床執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。在每個(gè)執(zhí)行部件上面，都會(huì)相應(yīng)的配上一套伺服系統(tǒng)。它的作用就相當(dāng)于一個(gè)人的雙手，對(duì)工作臺(tái)進(jìn)行精確的操作使其能夠按照一定的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行相對(duì)運(yùn)動(dòng)，加工出最后的零件。
測(cè)量反饋裝置
測(cè)量反饋裝置是閉環(huán)（半閉環(huán)）數(shù)控機(jī)床的檢測(cè)環(huán)節(jié)，沒有這一裝置的系統(tǒng)稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。它的功能是檢測(cè)數(shù)控機(jī)床軸的運(yùn)動(dòng)速度和位移，以達(dá)到對(duì)CNC設(shè)備的信息反饋。本設(shè)計(jì)選用的控制系統(tǒng)為開環(huán)控制系統(tǒng)，因此不需要該測(cè)量反饋裝置。
機(jī)床本體
機(jī)床本體，顧名思義，就是數(shù)控機(jī)床的主體。開始時(shí)一直沿用的普通機(jī)床。隨著數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的機(jī)床結(jié)構(gòu)已經(jīng)不能夠達(dá)到技術(shù)性能的要求，因?yàn)槠淝行加昧看螅B續(xù)作業(yè)導(dǎo)致發(fā)熱都會(huì)影響加工精度。因此，數(shù)控機(jī)床必須簡(jiǎn)化機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，使其設(shè)計(jì)相較于普通機(jī)床更加的完善，加工的精密要求比一般機(jī)床更加苛刻。為了能使數(shù)控機(jī)床的功能得到最大程度的發(fā)揮，數(shù)控機(jī)床除主體（包括床身、主軸、進(jìn)給機(jī)構(gòu)等）之外，還應(yīng)該需要一些配套設(shè)備，比如輔助運(yùn)動(dòng)設(shè)備、液壓氣動(dòng)系統(tǒng)、冷卻裝置和其他部分。
（3）數(shù)控機(jī)床加工特點(diǎn)：
1）可以加工復(fù)雜的零件，如包含必要的弧線，曲面等；
2）能夠使加工的自動(dòng)化得到提高；
3）加工精度高；
4）能夠是工序得到集中，降低了工件的頻繁移動(dòng)；
5）極大提高了加工效率，縮短生產(chǎn)周期；
6）節(jié)省勞動(dòng)力，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度；
7）適用于中小批量生產(chǎn)。
1.2數(shù)控車床發(fā)展歷史和國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀
1952年，第一臺(tái)數(shù)控銑床在美國(guó)誕生，他的問世，代表了數(shù)控機(jī)床時(shí)代的來臨，也代表著整個(gè)世界的機(jī)械行業(yè)向自動(dòng)化發(fā)展的開始。但由于當(dāng)時(shí)科學(xué)技術(shù)的局限性，那時(shí)的數(shù)控裝置普遍都是一些體積大、價(jià)格高的電子管元件，只在一小部分領(lǐng)域得到了應(yīng)用，來加工所需要的復(fù)雜工件，并未得到廣泛的應(yīng)用。1959年，晶體管元件和電路板的出現(xiàn)，推動(dòng)了數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，歷史上稱這一出現(xiàn)為數(shù)控裝置的第二代，主要由于其體積有所減少，價(jià)格也有很大的下降。1965年，集成電路數(shù)控裝置被發(fā)明出來，這是一個(gè)里程碑的發(fā)現(xiàn)，代表著數(shù)控裝置的第三代。相比于前兩代的，該數(shù)控裝置集合了它們的所有優(yōu)點(diǎn)，并在此基礎(chǔ)上得到了進(jìn)一步的加強(qiáng)，價(jià)格更加便宜，性能更加優(yōu)越，極大的促進(jìn)了數(shù)控機(jī)床品種和產(chǎn)量的發(fā)展。60年代末，第四代計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)（CNC）出現(xiàn)。1974年，又出現(xiàn)了第五代微型計(jì)算機(jī)控制裝置，其性能相較于前幾代，有著飛躍性的提升，且體積更小，相當(dāng)于第三代的1/20，價(jià)格也更加的便宜。隨著科學(xué)技術(shù)的提高，出現(xiàn)了更好更強(qiáng)大的數(shù)控裝置，數(shù)控技術(shù)得到了飛速發(fā)展。
制造業(yè)的發(fā)展水平在一定程度上上決定了一個(gè)國(guó)家的發(fā)展情況。我國(guó)之前普遍使用的依然是普通機(jī)床，具有很多缺點(diǎn)，不僅加工速度慢，而且加工困難，不能加工一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件，更不必提那些精度要求高的零件。就相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)機(jī)床的數(shù)控化率不足2%。因此在機(jī)械加工制造等方面都遠(yuǎn)遠(yuǎn)地落后于西方發(fā)達(dá)國(guó)家。隨著國(guó)外數(shù)控機(jī)床的發(fā)展，我國(guó)的機(jī)械制造業(yè)已經(jīng)深深意識(shí)到傳統(tǒng)的普通機(jī)床已經(jīng)不能滿足當(dāng)下的社會(huì)要求。發(fā)展數(shù)控機(jī)床已經(jīng)成為我國(guó)的當(dāng)務(wù)之急。受到西方數(shù)控加工的刺激，從上個(gè)世紀(jì)起，我國(guó)的機(jī)床需求旺盛，成為世界最大的機(jī)床消費(fèi)和進(jìn)口國(guó)家，而數(shù)控機(jī)床是機(jī)床消費(fèi)的主要部分。而隨著我國(guó)制造業(yè)技術(shù)的提高，我國(guó)在數(shù)控機(jī)床方面取得了很大的進(jìn)展。
上個(gè)世紀(jì)后期，我國(guó)不斷進(jìn)行產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，積極發(fā)展數(shù)控機(jī)床。由于我國(guó)的普通機(jī)床仍然數(shù)量極大，因此單純的靠引進(jìn)國(guó)外產(chǎn)品會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的浪費(fèi)，為了減少投資，我國(guó)利用原來的部分普通機(jī)床，對(duì)其進(jìn)行一系列的加工改造，以達(dá)到數(shù)控化的目的。我國(guó)也逐漸意識(shí)到數(shù)控機(jī)床對(duì)社會(huì)發(fā)展的重要性，因此使得數(shù)控機(jī)床成為機(jī)械工業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵產(chǎn)品。但是，我國(guó)的機(jī)床水平相比于西方國(guó)家依舊較低，還不能加工出高質(zhì)量的數(shù)控機(jī)床，因此，發(fā)展經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床成為我國(guó)發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。并且由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于維修，因此在我國(guó)被廣泛的應(yīng)用。在我國(guó)之后的發(fā)展中，數(shù)控技術(shù)會(huì)越來越先進(jìn)，我國(guó)也會(huì)生產(chǎn)加工出更加先進(jìn)的數(shù)控機(jī)床，從而提高我國(guó)整體實(shí)力。
1.3 本課題的意義
雖說我國(guó)的數(shù)控技術(shù)在這些年取得了不小的進(jìn)展，但是和國(guó)外一些發(fā)達(dá)國(guó)家比較，在一些方面依舊有著很大的不足?，F(xiàn)代社會(huì)，是一個(gè)智能化的時(shí)代，制造技術(shù)也在向著高速化、自動(dòng)化和智能化方向發(fā)展。作為制造業(yè)大國(guó)，數(shù)控技術(shù)的欠缺，很大程度抑制了我國(guó)制造業(yè)的發(fā)展和整體水平的提高。發(fā)展數(shù)控機(jī)床已經(jīng)成為我國(guó)的當(dāng)務(wù)之急。而由于我國(guó)之前一直采用的是普通機(jī)床進(jìn)行加工生產(chǎn)，生產(chǎn)率低，精度低，我國(guó)也面臨著產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的調(diào)整和再升級(jí)，因此需要對(duì)部分普通機(jī)床進(jìn)行數(shù)控化改造，改造成功能強(qiáng)大，性價(jià)比高的經(jīng)濟(jì)型機(jī)床，使其能夠達(dá)到自動(dòng)化程度。這樣不僅能使零件的加工效率和精度提升上去，還能提高經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，減少了資源的浪費(fèi)。本課題主要是利用單片機(jī)對(duì)CK6163數(shù)控車床的控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，不僅是當(dāng)前社會(huì)制造業(yè)的主要課題，也是我國(guó)生產(chǎn)力得到飛速發(fā)展的主要推動(dòng)力，這也是本設(shè)計(jì)的主要意義之所在。
并且，本課題選用的MCS_51系列單片機(jī)作為數(shù)控車床的控制部分。利用單片機(jī)進(jìn)行改造的數(shù)控機(jī)床具有很多優(yōu)點(diǎn)，比如能加工普通機(jī)床加工不出的復(fù)雜、精度高的零件；能提高系統(tǒng)效率；操作簡(jiǎn)單方便快捷等。該類數(shù)控機(jī)床也是現(xiàn)代數(shù)控化改造的主流機(jī)床，具有很強(qiáng)的實(shí)際意義。
以下是此次設(shè)計(jì)需要完成的內(nèi)容：
（1）分析數(shù)控車床CK6163的基本原理，對(duì)CK6163數(shù)控車床的控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)控化改造。以達(dá)到經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車的設(shè)計(jì)目的。
（2）根據(jù)對(duì)原數(shù)控機(jī)床的技術(shù)規(guī)格、技術(shù)參數(shù)、各部分尺寸的分析，改造后車床的主要機(jī)械部件不變和主軸轉(zhuǎn)速及最大加工件尺寸和加工螺紋等功能不變。設(shè)計(jì)出數(shù)控車床的基本控制原理結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。
（3）以8位的MCS～51型系統(tǒng)單片微型計(jì)算機(jī)為核心，構(gòu)建出設(shè)計(jì)數(shù)控車床控制的整個(gè)控制結(jié)構(gòu)圖。并繪制出電路原理圖，控制系統(tǒng)包括數(shù)控系統(tǒng)的串口通訊、控制顯示、鍵盤輸入等低層驅(qū)動(dòng)程序等。
第2章 設(shè)計(jì)任務(wù)與方案確定
2.1 設(shè)計(jì)內(nèi)容
本課題主要是利用單片機(jī)對(duì)CK6163(如圖2-1）數(shù)控車床的控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。利用MCS-51系列單片機(jī)，對(duì)縱、橫向進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)給進(jìn)行開環(huán)控制，采用步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)；選擇滾珠絲杠進(jìn)行傳動(dòng)，來自動(dòng)控制縱向和橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的行程和速度，對(duì)零件中各種不同的端面和螺紋能進(jìn)行加工，比如圓柱面和圓柱螺紋等。最終實(shí)現(xiàn)機(jī)床的全自動(dòng)控制，包括主軸的起動(dòng)，停止和變速、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的行程、刀具的變換等。
在設(shè)計(jì)過程中，本人也意識(shí)到創(chuàng)新的重要性，以下則是一些在設(shè)計(jì)過程中體現(xiàn)的特色和創(chuàng)新：
1） 用插補(bǔ)運(yùn)算的方法設(shè)計(jì)程序
2） 編寫必要的程序流程圖
3） 掌握單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)
4） 提高系統(tǒng)抗干擾能力。
同時(shí)，在設(shè)計(jì)時(shí)，充分考慮到其對(duì)于社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展的影響，盡量選用的是一些現(xiàn)在市場(chǎng)上最為先進(jìn)的機(jī)械部分和控制部分，以使得所設(shè)計(jì)的成果能對(duì)社會(huì)有一定的作用。其次，考慮到數(shù)控機(jī)床難免對(duì)環(huán)境有影響，所以盡量選用的是便于回收、能被反復(fù)利用且價(jià)格相對(duì)較低的部件進(jìn)行設(shè)計(jì)，以最大程度的降低對(duì)環(huán)境的污染。
圖2-1 CK6163數(shù)控車床外觀圖
2.2 設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)
1. 機(jī)械部分:
工件最大回轉(zhuǎn)直徑 630毫米
工件最大長(zhǎng)度 1500毫米
主軸轉(zhuǎn)速范圍（16級(jí)） 32-1000轉(zhuǎn)/分
刀架快速移動(dòng)速度
縱向 3.6米/分
橫向 1.8米/分
2. 數(shù)控部分：
插補(bǔ)運(yùn)算原理 逐點(diǎn)比較原理
脈沖當(dāng)量：Z軸（縱向） 0.01mm/脈沖
X軸（橫向） 0.01mm/脈沖
2.3數(shù)控系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)
本課題主要是對(duì)數(shù)控機(jī)床的控制部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。因此在對(duì)數(shù)控車床的控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)創(chuàng)新的時(shí)候，必須考慮到各種情況，比如降低成本、增強(qiáng)性能、提高加工效率等，以使得數(shù)控車床能滿足自動(dòng)化的要求。
考慮以上因素，該設(shè)計(jì)的總體方案包含一下幾個(gè)方面，并對(duì)其作簡(jiǎn)要概述。
（1）系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方式確定：
數(shù)控系統(tǒng)按運(yùn)動(dòng)方式分為點(diǎn)位控制系統(tǒng)、點(diǎn)位直線控制系統(tǒng)和連續(xù)控制系統(tǒng)。這三種控制系統(tǒng)各有特點(diǎn)，在此不一一贅述，考慮到本課題的實(shí)際情況，因其加工精度要求不是很高，并且動(dòng)作簡(jiǎn)單，經(jīng)綜合考慮，運(yùn)動(dòng)方式選擇連續(xù)控制系統(tǒng)。
（2）伺服系統(tǒng)的選擇：
伺服系統(tǒng)可以分為閉環(huán)控制系統(tǒng)、半閉環(huán)控制系統(tǒng)和開環(huán)控制系統(tǒng)三類。前兩種伺服系統(tǒng)均帶有檢測(cè)裝置，控制精度比較高，但成本高且調(diào)試復(fù)雜。而開環(huán)系統(tǒng)雖不帶檢測(cè)裝置，精度不高，但結(jié)構(gòu)不復(fù)雜，成本較低，簡(jiǎn)單易懂，易于調(diào)試，符合所設(shè)計(jì)的數(shù)控車床對(duì)精度要求不太高性能。并且為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，考慮經(jīng)濟(jì)效益，選擇步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的開環(huán)控制系統(tǒng)。
（3） 數(shù)控系統(tǒng)處理器的選擇：
根據(jù)數(shù)控車床的具體要求，選用MCS_51單片機(jī)作為CK6163數(shù)控車床控制系統(tǒng)的控制芯片，因?yàn)樵撓盗袉纹瑱C(jī)功能強(qiáng)大，性價(jià)比高，抗干擾能力強(qiáng)，能滿足本設(shè)計(jì)要求。
（4）鍵盤和顯示電路在設(shè)計(jì)過程中需要被考慮在內(nèi)，LED數(shù)碼管作為其顯示界面，數(shù)控系統(tǒng)還可以和PC機(jī)串行通信，所以還要設(shè)計(jì)串行接口電路。
（5）縱向和橫向開關(guān)也是在設(shè)計(jì)過程中對(duì)安全方面考慮所必需的。
（6）控制電路的設(shè)計(jì)。
（7）滾珠絲杠螺母副的選擇。
（8）控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)根據(jù)CK6163數(shù)控車床控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，由于步進(jìn)電機(jī)在低轉(zhuǎn)矩、高精度、速度適中等特點(diǎn)。因此選用步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制。控制過程采用逐點(diǎn)比較法。
根據(jù)上面所要求的數(shù)控機(jī)床方案，可以大概先擬定好其數(shù)控系統(tǒng)和控制方法，系統(tǒng)的總體框圖如下：
數(shù)
控
裝
置
隔
離
放
大
M
M
光電編碼器
光電編碼器
鍵盤與顯示接口芯片
串行接口
冷卻泵
刀位信號(hào)
限位信號(hào)
按鈕信號(hào)
刀架控制
交流變頻器
主軸編碼器
主軸電機(jī)
Z軸
傳動(dòng)
X軸
傳動(dòng)
圖2-2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方框圖
第3章 縱向進(jìn)給傳動(dòng)部件的計(jì)算和選型
3.1切削力的計(jì)算
切削力是指在切屑過程中產(chǎn)生的作用在工件和刀具上的大小相等、方向相反的切削力，或通俗的講是在切削加工時(shí)，工件材料抵抗刀具切削時(shí)產(chǎn)生的阻力。在進(jìn)行外圓切削時(shí)的切削力如圖3-1所示。其中所示的三個(gè)力分別為主切削力、進(jìn)給力、背向力。
Fz
Fx
Fy
圖3-1 切削力分析
查閱相關(guān)手冊(cè)，得切削功率公式如下所示：
式中：—主軸電動(dòng)機(jī)功率， ；
—主傳動(dòng)系統(tǒng)總效率，一般為0.75～0.85，取=0.8；
—進(jìn)給系統(tǒng)功率系數(shù)，取=。
則
切削功率又可由公式進(jìn)行計(jì)算。切削功率在進(jìn)行計(jì)算時(shí)有一定的要求，必須按加工時(shí)產(chǎn)生的最大切削力和切削速度來計(jì)算，所以公式中v取100,則主切削力：
==5088
根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式::=1:0.4:0.35，計(jì)算出：
=5088×0.4=2035.2
=5088×0.35=1780.8
3.2滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型
3.2.1精度的選擇
滾珠絲杠副的精度在選擇時(shí)，必須具有嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)。因其將直接影響著機(jī)床的定位精度。對(duì)于數(shù)控車床，滾珠絲杠的精度要求一般為X軸1～3級(jí)，Z軸2～5級(jí)。本課題因?qū)Χㄎ痪纫蟛皇翘貏e高，因此選用的是X軸：3級(jí)；Z軸：4級(jí)。
3.2.2絲杠導(dǎo)程的確定
絲杠導(dǎo)程在選擇時(shí)，一般都是優(yōu)先選擇導(dǎo)程較小的絲杠，這樣即經(jīng)濟(jì)又能提高控制精度。本設(shè)計(jì)初選縱向絲杠導(dǎo)程為8，橫向絲杠導(dǎo)程為5。
3.2.3最大工作載荷的計(jì)算
最大工作載荷的計(jì)算如下表所示：
表3-1 實(shí)驗(yàn)計(jì)算公式及參考系數(shù)
導(dǎo)軌類型
實(shí)驗(yàn)公式
矩形導(dǎo)軌
1.1
0.15
燕尾導(dǎo)軌
1.4
0.2
綜合或三角導(dǎo)軌
1.15
0.15-0.18
：實(shí)驗(yàn)系數(shù)；：滑動(dòng)導(dǎo)軌摩擦系數(shù)；：移動(dòng)部件總重量。
綜合考慮選擇三角導(dǎo)軌，取=1.15,=0.18,=1500；
求得=1.15×1780.8+0.18×（5088+1500）
=3233.76
3.2.4最大動(dòng)載荷的計(jì)算
動(dòng)載荷是指隨著時(shí)間的變化，使構(gòu)件的速度產(chǎn)生改變的一種載荷。需要對(duì)滾珠絲杠螺母副的最大動(dòng)載荷進(jìn)行計(jì)算，用FQ表示，公式為
—滾珠絲杠副的壽命系數(shù)，
—載荷系數(shù)，一般取1.2～1.5，本設(shè)計(jì)取1.2；
—硬度系數(shù)，本設(shè)計(jì)取1
—最大工作載荷
本設(shè)計(jì)中選擇（使用壽命），（絲杠每分鐘轉(zhuǎn)速）經(jīng)計(jì)算得100r/min，最后計(jì)算的L=90；再根據(jù),將其代入，求得 ：=17390N。
3.2.5 滾珠絲杠螺母副的選型
由上面計(jì)算得出最大動(dòng)載=17390N，選擇內(nèi)循環(huán)式滾珠絲杠副，型號(hào)為FL5008-3。精度等級(jí)4級(jí)，相關(guān)參數(shù)如下表3-2所示。
表3-2 FL5008-3型滾珠絲杠螺母副相關(guān)參數(shù)
公稱直徑/
導(dǎo)程/
鋼球直徑/
絲杠外徑/
絲杠底徑/
額定載荷/
接觸剛度
/
1897
50
8
4.763
48.6
45.24
66
31
3.2.6滾珠絲杠副的支承方式
本課題還需對(duì)滾珠絲杠副的支承方式進(jìn)行選擇，對(duì)它的選擇其目的是用來用來防止絲杠的軸向發(fā)生竄動(dòng)，提高傳動(dòng)剛度?？紤]本課題的具體情況，提高壓桿穩(wěn)定性，縱向絲杠選用雙推—簡(jiǎn)支支承方式。
3. 3同步帶減速機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
同步帶又稱同步齒形帶，它主要用于驅(qū)動(dòng)皮帶輪和被動(dòng)輪之間有固定傳動(dòng)比的情況。同步帶是通過凸齒皮帶和皮帶輪上的齒槽和強(qiáng)制嚙合工作的。采用同步帶進(jìn)行工作可以延長(zhǎng)軸承使用壽命，并且具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，防滑等優(yōu)點(diǎn)，本課題即選用同步帶進(jìn)行工作。
3．3．1 傳動(dòng)比的確定
由和可得：
式中：—電機(jī)編碼器分辨率，單位為度/脈沖；
—絲杠分辨率，單位為度/脈沖；
—絲杠導(dǎo)程，其值為8；
—脈沖當(dāng)量，本設(shè)計(jì)中Z軸為0.001/脈沖。
初選電機(jī)編碼器的紋數(shù)為1000，四倍細(xì)分，即==0.09（度/脈沖），算得：==2
3．3．2 傳遞功率的估算
由運(yùn)動(dòng)學(xué)可知，對(duì)該傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳遞功率的研究只要考慮三種工作狀態(tài)，他們
分別是：最大負(fù)載且最大工進(jìn)速度、快速空載啟動(dòng)、最快空載移動(dòng)。而最快空載移動(dòng)的傳遞功率一定是小于前兩者的，所以在進(jìn)行比較時(shí)，只需要對(duì)前兩者進(jìn)行比較。
（1）最大傳遞功率估算：
式中：—絲杠的最大工作載荷，其值為3233.76；
—最大工進(jìn)速度，換算為；
—預(yù)緊摩擦力，單位N，，（摩擦系數(shù)取0.15）
計(jì)算得出：。
（2）快速啟動(dòng)時(shí)的最大傳遞功率估算：
式中：—移動(dòng)部件加速時(shí)所受的合力即慣性力，=3607.4
該式中絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 112.13，D：公稱直徑，L：絲杠長(zhǎng)度，為，為，為0.8；
—滑動(dòng)摩擦力，=270。
計(jì)算得出：
因?yàn)椋?所以帶的傳遞功率(取1.5)。
3．3．3 選擇帶型和節(jié)距
在上面的計(jì)算中，得出帶的傳遞功率。由下表3-3可得，同步帶選擇XL型，節(jié)距。
表3-3 同步帶型號(hào)
型號(hào)
節(jié)距/
基準(zhǔn)帶寬傳遞功率范圍/
基準(zhǔn)帶寬/
說明
XL(特輕型)
5.080
0.004～0.573
9.5
GB/T 11616-1989
GB/T 11362-1989
L（輕型）
9.525
0.05～4.76
25.4
H（重型）
12.700
0.6～55
76.2
3．3．4 確定帶輪齒數(shù)和節(jié)圓直徑
XL型小帶輪轉(zhuǎn)速在1200至1800時(shí)的最少許用齒數(shù)為12，為了提高傳動(dòng)精度，取小齒輪數(shù)，小帶輪節(jié)圓直徑。傳動(dòng)比，根據(jù)，，計(jì)算得大齒輪齒數(shù)數(shù)，大帶輪節(jié)圓直徑。
當(dāng)主動(dòng)輪最高轉(zhuǎn)速時(shí)，同步帶的線速度為：
，
遠(yuǎn)小于XL型帶的極限速度，所以滿足要求。
附：橫向進(jìn)給傳動(dòng)部件的計(jì)算與選型，由上述計(jì)算可同理獲得;
1. 滾珠絲杠螺母副選擇內(nèi)循環(huán)式滾珠絲杠副，型號(hào)為FL4005-3型，精度等級(jí)3級(jí)。
2. 2.滾珠絲杠副支承：雙推單推
3.同步帶帶型選擇XL型，其節(jié)距
3.4.本章小結(jié)
本章主要是對(duì)縱向和橫向進(jìn)給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的的計(jì)算和選擇。對(duì)其的選擇總結(jié)如下所示：
縱向：滾珠絲杠螺母副型號(hào)：FL5008-3,精度3級(jí)，內(nèi)循環(huán)；
滾珠絲杠副支承：雙推-簡(jiǎn)支；
同步帶帶型：XL型，節(jié)距；
橫向：滾珠絲杠螺母副型號(hào)：FL4005-3，精度3級(jí)，內(nèi)循環(huán)；
滾珠絲杠副支承：雙推-單推；
同步帶帶型：XL型，其節(jié)距。
第四章 伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
4.1 控制系統(tǒng)的選擇
控制系統(tǒng)分為開環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)和半閉環(huán)控制系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)主要選擇的是開環(huán)控制系統(tǒng),由驅(qū)動(dòng)控制環(huán)節(jié)（環(huán)形分配器和加減速電路）、執(zhí)行元件（步進(jìn)電機(jī)）和機(jī)床（滾珠絲杠、工作臺(tái)等）三大部分組成。其優(yōu)點(diǎn)是精度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，簡(jiǎn)單易懂，易于調(diào)試，符合所設(shè)計(jì)的數(shù)控車床對(duì)精度要求不太高的要求。并且就實(shí)際設(shè)計(jì)為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，考慮經(jīng)濟(jì)效益，因此選擇步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的開環(huán)控制系統(tǒng)。
由于開環(huán)系統(tǒng)的指令信號(hào)都是單方向傳送，一旦指令發(fā)出去之后，就不會(huì)再進(jìn)行反饋，這就是開環(huán)控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn)。本設(shè)計(jì)選用步進(jìn)電機(jī)對(duì)其進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，原理圖如下圖4-1所示：
1.電機(jī) 2.減速齒輪 3.支承裝置 4.絲桿 5.拖板
圖 4-1 步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制原理圖
步進(jìn)電機(jī)的主要特點(diǎn)分別為：
（1）電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度正比脈沖數(shù)；
（2）轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，響應(yīng)快；
（3）輸出精度高，無積累誤差；
（4）壽命長(zhǎng)，使用方便簡(jiǎn)單，且便于維修。
4.2 縱向步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算
(1) 電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：
式中： ——折算到電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg/cm2）
——齒輪Z1的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg/cm2）
——齒輪Z2的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg/cm2）
——滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg/cm2）
——估算參數(shù)
如果是對(duì)鋼質(zhì)的圓柱形零件，則轉(zhuǎn)動(dòng)慣量進(jìn)行如下計(jì)算：
J1=7.8×××2kg.cm2=2.536 kg.cm2
J2=7.8×××2 kg.cm2=6.490 kg.cm2
J3=7.8×××120 kg.cm2=9.615 kg.cm2
=kg.cm2=0.615 kg.cm2
=23.493 kg.cm2
(2) 工作狀況下轉(zhuǎn)矩計(jì)算
1）電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩和最大靜轉(zhuǎn)矩：
N·m=1.492N·m
忽略啟動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)部件慣性影響，有下式：
N·m =4.607 N·m
可由式求得，其中λ=0.866，則：
= = 6.204 N·m
2）快速空載啟動(dòng)時(shí)所需轉(zhuǎn)矩T：
工作臺(tái)快速移動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速：
r/min =456.7 r/min
由下式可求出，其中t=25ms=0.025s，則得：
= =2.319 N·m
=ηoηi =0.105 N·m
同理，F(xiàn)0=/3= 2350.53 N，則：
= ηoηi =1.934 N·m
由此可得：
4.428 N·m
快速移動(dòng)時(shí)所需力矩。可由下式得：
= = =2.219 N·m
最大切削負(fù)載所需力矩：
=+ ηoi=2.838 N·m
通過上面對(duì)T、T快和T切的計(jì)算，求得快速空載啟動(dòng)時(shí)所需轉(zhuǎn)矩T最大，所以，以此作為初選步進(jìn)電機(jī)的依據(jù)。
4.2.1 縱向步進(jìn)電機(jī)的選擇
（1）步進(jìn)電機(jī)最高工作頻率：
= 1000×2/60×0.01 Hz= 3333.33 Hz
根據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)，最大靜轉(zhuǎn)矩= 5.204 N·m，快速空載啟動(dòng)時(shí)所需轉(zhuǎn)矩T=2.718 N·m，步進(jìn)電機(jī)的最高工作頻率為=3333.33 Hz，選用步距角1.5o的步進(jìn)電機(jī)，選用110BF003-1.5/0.75型反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)。
（2）110BF003-1.5/0.75型反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的主要參數(shù)見表3.1所示。
表4-1 110BF003-1.5/0.75型反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)參數(shù)
型號(hào)
相數(shù)
額定電壓/N
靜態(tài)電流/A
步角距
（O）
保持轉(zhuǎn)矩
最大靜轉(zhuǎn)矩
空載啟動(dòng)頻率/Hz
空載運(yùn)行頻率/Hz
110BF003
3
80
6
1.5/0.75
7.84
1500
7000
4.3 橫向步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算
(1) 電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量:
：
式中： ——折算到電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg/cm2）
——齒輪Z1的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg/cm2）
——齒輪Z2的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg/cm2）
——滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg/cm2）
——估算參數(shù)
如果是對(duì)鋼質(zhì)的圓柱形零件，則轉(zhuǎn)動(dòng)慣量進(jìn)行如下計(jì)算：
J1=7.8×××2kg.cm2=2.536 kg.cm2
J2=7.8×××2 kg.cm2=6.490 kg.cm2
J3=7.8×××120 kg.cm2=9.615 kg.cm2
=kg.cm2=0.615 kg.cm2
=23.493 kg.cm2
(2) 工作狀況下轉(zhuǎn)矩計(jì)算
1）電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算及最大靜轉(zhuǎn)矩的計(jì)算。
N·m=1.492N·m
忽略啟動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)部件慣性影響，有下式：
N·m =4.607 N·m
可由式求得，其中λ=0.866，則：
= = 6.204 N·m
2）快速空載啟動(dòng)時(shí)所需轉(zhuǎn)矩T：
當(dāng)工作臺(tái)快速移動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可由下式計(jì)算：
r/min =456.7 r/min
由下式可求出，其中t=25ms=0.025s，則得：
= =2.319 N·m
=ηoηi =0.105 N·m
同理，F(xiàn)0=/3= 2350.53 N，則：
= ηoηi =1.934 N·m
由此可得：
4.428 N·m
快速移動(dòng)時(shí)所需力矩。可由下式得：
= = =2.219 N·m
最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩。可由下式求得：
=+ ηoi=2.838 N·m
通過上面對(duì)T、T快和T切的計(jì)算，求得快速空載啟動(dòng)時(shí)所需轉(zhuǎn)矩T最大，所以，以此作為初選步進(jìn)電機(jī)的依據(jù)。
4.3.1 橫向步進(jìn)電機(jī)的選擇
（1）步進(jìn)電機(jī)最高工作頻率可由下式求得：
= 1000×2/60×0.01 Hz= 3333.33 Hz
由計(jì)算得，最大靜轉(zhuǎn)矩= 5.204 N·m，快速空載啟動(dòng)時(shí)所需轉(zhuǎn)矩T=2.718 N·m，步進(jìn)電機(jī)的最高工作頻率為=3333.33 Hz，選用步距角1.5o的步進(jìn)電機(jī)，選用110BF003-1.5/0.75型反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)。
（2）110BF003-1.5/0.75型反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的主要參數(shù)見表4-2所示。
表4-2 110BF003-1.5/0.75型反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)參數(shù)
型號(hào)
相數(shù)
額定電壓/N
靜態(tài)電流/A
步角距
（O）
保持轉(zhuǎn)矩
最大靜轉(zhuǎn)矩
空載啟動(dòng)頻率/Hz
空載運(yùn)行頻率/Hz
110BF003
3
80
6
1.5/0.75
7.84
1500
7000
4.4 本章小結(jié)
本章主要是對(duì)伺服系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要是對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行計(jì)算選型，進(jìn)過計(jì)算后得出：縱向步進(jìn)電機(jī)選擇110BF003-1.5/0.75型反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)；橫向步進(jìn)電機(jī)選擇110BF003-1.5/0.75型反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)。
第五章 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
根據(jù)微機(jī)結(jié)構(gòu)的劃分，數(shù)控系統(tǒng)可分為兩類：?jiǎn)挝⑻幚砥骱投辔⑻幚砥鹘Y(jié)構(gòu)。單微處理器數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性價(jià)比高，是一些標(biāo)準(zhǔn)數(shù)控系統(tǒng)優(yōu)先考慮的對(duì)像。但是單微處理器也具有其局限性，不能適用復(fù)雜、功能要求多的數(shù)控機(jī)床。常采用功能相對(duì)較全面的多微處理器數(shù)控系統(tǒng)來滿足數(shù)控機(jī)床對(duì)速度、精確度和功能等方面的要求。就本課題的具體情況，更適合選用結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，成本較低的單微處理器，因其已經(jīng)能基本滿足本設(shè)計(jì)的速度和精度要求，并且操作簡(jiǎn)單。硬件結(jié)構(gòu)有以下幾個(gè)部分：
（1）中央處理單元CPU；
（2）總線
（3）存儲(chǔ)器
（4）輸入輸出接口電路；
（5）外部設(shè)備。
5.1 MCS_51芯片介紹
圖5-1 MCS_51單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖
1980年，美國(guó)Intel公司推出了MCS_51單片機(jī)，該系列單片機(jī)共有40條引腳，其分別具有不同的作用，其中包括32條I/O接口引腳，4條控制引腳，2條電源引腳，2條時(shí)鐘引腳。如圖5-2所示
圖5-2 MCS_51單片機(jī)引腳圖
其各引腳的具體作用如下表5-1所示：
表5-1：?jiǎn)纹瑱C(jī)各引腳功能
引腳
功能
VCC
供電電壓
GND
接地
P0口
P0口是一個(gè)八位雙向開路的I/O接口，他的每一個(gè)管教都能吸收電流，P0口能當(dāng)做外部程序鎖存器，能夠定義數(shù)據(jù)或者地址的第八位。
P1口
（1） P1口的I/O口能夠提供上拉電阻?？勺鳛闇?zhǔn)雙向I/O口使用。
P2口
P2的作用和P1口的作用相差不到，也是緩沖器，用來輸出和接收電流的。不同的是，P2是用來接收外部程序或者十六位地址的，而不是八位。
P3口
P3口得作用和P2口的作用基本相同，所以不再贅述。
P3口具有第二功能，如下所示：
P3.0 RXD(串行輸入口)
P3.1 TXD(串行輸出口)
P3.2 0INT(外部中斷0)
P3.3 1INT(外部中斷1)
P3.4 T0(記時(shí)器0外部輸入) P3.5 T1(記時(shí)器1外部輸入)
P3.6 WR(外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通)
P3.7 RD(外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通)
RST
復(fù)位鍵。用來將正在運(yùn)行或結(jié)束了的程序進(jìn)行復(fù)位。
ALE/PROG
地址鎖存有效信號(hào)輸出端。ALE在每個(gè)機(jī)器周期內(nèi)輸出兩個(gè)脈沖。
PSEN
片外程序存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)輸出端，低電平有效。
EA/VPP
當(dāng)EA為低電平時(shí)，訪問外部ROM；特別注意的時(shí)當(dāng)加密方式1時(shí)，EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)EA為高電平時(shí)，訪問內(nèi)部ROM。
XTAL1
反向振蕩放大器的輸入和內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。
XTAL2
反向振蕩器的輸出。
該系列單片機(jī)種類很多，其中常見和常用到的有以下幾種類型： 8051/8751/8031；
8052/8752/8032；
80C51/87C51/80C31
80C52/87C52/80C32等。
5.1.1.單片機(jī)的主要特點(diǎn)：
1） 能滿足基本功能的要求
2） 可靠性高，不易出錯(cuò)
3） 使用方便
4） 體積小，接插件少，使得其性價(jià)比很高
5） 功能強(qiáng)大，能進(jìn)行復(fù)雜操作
5.2.2.單片機(jī)應(yīng)用
單片機(jī)在很多方面都得到了應(yīng)用，其主要應(yīng)用如下所示：
1） 智能家電：由單片機(jī)智能控制，如電視機(jī)、空調(diào)等。
2） 辦公自動(dòng)化設(shè)備：現(xiàn)代的辦公通訊和辦公設(shè)備，一般都嵌入微控制器。如打印機(jī)、繪圖機(jī)等。
3） 工業(yè)自動(dòng)化控制：最突出的例子就是機(jī)電一體化。
4） 智能化儀表：由單片機(jī)控制，儀表性能得到提高，如數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等。
6） 智能化通信產(chǎn)品：采用專屬的單片機(jī)進(jìn)行智能控制，如手機(jī)。
5.2 8255A芯片的應(yīng)用
8255A型號(hào)芯片是由Intel公司推出的，能進(jìn)行可編程輸出輸入的一種接口芯片，可以和MCS_51系列單片機(jī)直接相連。它具有24條輸入/輸出引腳，分成3個(gè)8位的并行接口。其功能由所給程序控制，運(yùn)行簡(jiǎn)單，適用性好。該型號(hào)芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5-3所示，引腳如圖5-4所示。
圖5-3 8255A的內(nèi)部結(jié)構(gòu)
圖5-4 8255A芯片引腳
5.3 單片機(jī)I/O擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)及功能
在設(shè)計(jì)過程中，發(fā)現(xiàn)單片機(jī)在需要完成的設(shè)計(jì)上引腳有限，不足以達(dá)到所要求的目的，因此必須對(duì)單片機(jī)的輸入/輸出口進(jìn)行擴(kuò)展。擴(kuò)展電路如圖5-5所示：
圖5-5 單片機(jī)I/O擴(kuò)展電路圖
由圖可以看到，8255A的片選信號(hào)接地，寫入信號(hào)線和地線GND分別與80C52相對(duì)應(yīng)的和GND相連。80C52的P0.0和P0.1與地址鎖存器74LS373的D0,D1口相連，來提供給端口地址選擇線A0、A1 。由于單片機(jī)80C52芯片的P0口是分時(shí)傳送低8位地址線和數(shù)據(jù)線，故80C52擴(kuò)展系統(tǒng)中一定要有地址鎖存器芯片74LS373。80C52芯片地址鎖存有效信號(hào)輸出端ALE接主地址鎖存器74LS373的LE引腳。所以可以分析得到8255的A、B、C口及控制口地址分別為007CH、007DH、007EH、007FH。
5.4 光電隔離電路
該設(shè)計(jì)主要采用的是步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)在其工作，驅(qū)使電路時(shí)，因其所需要的電壓較大，且電流也較大，因此不能將I/O的接口電路與功率放大器直接相連，以免導(dǎo)致接口燒壞，使得程序不能正常運(yùn)行。因此，有必要在兩個(gè)中間加上一個(gè)隔離電路起保護(hù)作用，實(shí)現(xiàn)電氣隔離，根據(jù)查閱到的相關(guān)資料及根據(jù)本設(shè)計(jì)的實(shí)際情況，本課題選用的是光電耦合器。其部分電路圖如圖5-6所示：
圖5-6 光電隔離電路
5.5 鍵盤功能控制電路
鍵盤是日常生活中所熟悉的東西，是若干按鍵的集合，它的作用是通過輸入命令對(duì)整個(gè)電路進(jìn)行控制，因此在本設(shè)計(jì)中作為單片機(jī)的輸入設(shè)備。鍵盤根據(jù)對(duì)按鍵的譯碼方式分為編碼鍵盤和非編碼鍵盤。
編碼鍵盤使用方便，功能強(qiáng)大，但硬件復(fù)雜，在設(shè)計(jì)時(shí)常常不被選用。而非編碼鍵盤，雖然功能較弱，每個(gè)按鍵都僅僅是將電路中的相應(yīng)接點(diǎn)進(jìn)行控制，但硬件較編碼鍵盤來說非常簡(jiǎn)單，考慮到設(shè)計(jì)的局限性，以及對(duì)成本的考慮，本次設(shè)計(jì)選用的是非編碼鍵盤接口，該鍵盤能滿足基本的要求。
非編碼鍵盤中，其基本排列是A*B的行列式，每行每列都有相對(duì)應(yīng)的行線和列線，兩者相交的地方都分布著一個(gè)按鍵，因此，當(dāng)該按鍵按下時(shí)，相對(duì)應(yīng)的行線和列線就會(huì)接通，當(dāng)松開時(shí)，則會(huì)斷開。因此只需要A+B條單片機(jī)的I/O端口線，就可以滿足要求。本設(shè)計(jì)選用的是3*4式的行列式非編碼鍵盤，需要7條單片機(jī)的I/O端口線，分別接在單片機(jī)的輸入口P1端口。本設(shè)計(jì)的鍵盤部分如圖5-7所示：
圖5-7 鍵盤接口電路
該鍵盤的的各個(gè)按鍵的功能分別為：
沒有作用 1
計(jì)數(shù)器清零 2
加工暫停 3
X正轉(zhuǎn)Z反轉(zhuǎn) 4
Z正轉(zhuǎn)X反轉(zhuǎn) 5
加工開始 6
X、Z電機(jī)正轉(zhuǎn) 7
Z電機(jī)正轉(zhuǎn) 8
X電機(jī)正轉(zhuǎn) 9
X、Z電機(jī)反轉(zhuǎn) *
Z電機(jī)反轉(zhuǎn) 0
X電機(jī)反轉(zhuǎn) #
5.6 顯示驅(qū)動(dòng)電路
本設(shè)計(jì)采用的是LED顯示的方式對(duì)數(shù)控車床的X軸和Z軸的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真，其顯示方式在單片機(jī)系統(tǒng)中分為兩種，分別是靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示。本設(shè)計(jì)電路控制系統(tǒng)使用的是動(dòng)態(tài)顯示，通過計(jì)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)步數(shù)實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)器的功能。硬件驅(qū)動(dòng)芯片相應(yīng)的芯片電路圖如下圖5-8所示：
圖5-8 顯示驅(qū)動(dòng)芯片電路
74HC573顯示數(shù)碼管的端口與8255芯片的PB口連接，74HC154譯碼器通過與8255A的PC口相連進(jìn)行位控制。74HC154的功能圖如下表5-2所示：
表5-2 74HC154功能圖
5.7 串口通信接口電路
串口是將系統(tǒng)與外界進(jìn)行聯(lián)系。在數(shù)控機(jī)床的控制系統(tǒng)中，起著至關(guān)重要的作用。通信接口是保證數(shù)據(jù)和信號(hào)快速、安全和準(zhǔn)確傳輸?shù)年P(guān)鍵裝置。
在數(shù)控系統(tǒng)的串行通信中，RS232C最為重要。RS232C接口有25針型（DB25）和9針型（BD9），前者是標(biāo)準(zhǔn)接口，后者為當(dāng)今計(jì)算機(jī)最常用的接口。本設(shè)計(jì)中要實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與計(jì)算機(jī)的通信，還需要中間轉(zhuǎn)換電路，本設(shè)計(jì)選用的是MAX232芯片。該芯片使用非常方便，單片機(jī)數(shù)據(jù)從T1IN、T2IN輸入轉(zhuǎn)換成RS-232C數(shù)據(jù)從T1OUT、T2OUT送到電腦DB9插頭；DB9插頭的RS-232C數(shù)據(jù)從R1IN、R2IN輸入轉(zhuǎn)換成TTL/CMOS數(shù)據(jù)后從R1OUT、R2OUT輸出給單片機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)的雙向通信。此外為了減少通信干擾，需要為該芯片接上電容。串口通信接口電路圖如圖5-9所示：
圖5-9 串口通信接口電路
5.8其它相關(guān)電路
單片機(jī)的時(shí)鐘產(chǎn)生方式分為內(nèi)部方式和外部方式，綜合考慮，本課題選用內(nèi)部方式。電路圖如圖5-10所示：
圖5-10 單片機(jī)時(shí)鐘電路
第六章 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)及仿真
6.1 Keil軟件介紹
單片機(jī)的開發(fā)不僅需要對(duì)其硬件設(shè)施進(jìn)行選擇設(shè)計(jì)，還少不了單片機(jī)的軟件設(shè)計(jì)，從而達(dá)到自動(dòng)化加工的目的?，F(xiàn)在市面上已經(jīng)出現(xiàn)了許許多多的控制系統(tǒng)軟件，而Keil軟件是當(dāng)下主流的開發(fā)MCS_51系列單片機(jī)的軟件，能支持C語言的開發(fā)。C語言具有功能強(qiáng)大、可讀性高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。Keil軟件能夠在不接硬件電路直接對(duì)用戶程序進(jìn)行仿真。因此，Keil軟件對(duì)51系列單片機(jī)的開發(fā)有著舉足輕重的作用。本設(shè)計(jì)采用的是C語言編程，選用的是Keil軟件。
6.2 Proteus軟件應(yīng)用
Proteus軟件是由英國(guó)公司出版的，一款功能強(qiáng)大，方便簡(jiǎn)潔的單片機(jī)仿真軟件。不僅如此，Proteus軟件還是現(xiàn)在世界上唯一能將電路仿真、PCB設(shè)計(jì)及虛擬模型仿真結(jié)合在一起的軟件。因其使用方便，功能齊全，本設(shè)計(jì)選用的即是Proteus的仿真軟件。
Proteus的特點(diǎn)：
1. 能對(duì)現(xiàn)在市面上的主流單片機(jī)進(jìn)行仿真
2. 將單片機(jī)仿真和電路仿真相結(jié)合。
3. 提供軟件調(diào)試功能。
4. 具有強(qiáng)大的原理圖繪制功能。
5. 支持現(xiàn)在很多存儲(chǔ)器和外圍芯片。
6.3 程序設(shè)計(jì)及調(diào)試
該設(shè)計(jì)中的步進(jìn)電機(jī)的延時(shí)方式采用的是中斷方式，以提高數(shù)控車床的加工精度。
由設(shè)計(jì)任務(wù)上所要求的，本設(shè)計(jì)選擇的插補(bǔ)方式為逐點(diǎn)插補(bǔ)法，在進(jìn)行直線插補(bǔ)時(shí)，其流程圖如下圖6-1所示：
圖6-1 逐點(diǎn)比較法直線插補(bǔ)流程圖
程序：
void S_move()//逐點(diǎn)比較法直線加工函數(shù)
{
if(j0>0)
{
if(F1<0)
{
PA8255=B_rotation2[i0];
F1=F1+Z5;
i0++;A++;H++;
if(i0==6)
i0=0;
}
else
{
PA8255=B_rotation1[k0];
F1=F1-X5;
k0++;W++;H++;
if(k0==6)
k0=0;
}
j0--;
}
}
進(jìn)行圓弧插補(bǔ)時(shí)，采用順時(shí)針插補(bǔ)方式進(jìn)行插補(bǔ)，從第三象限開始，其流程圖如下圖6-2所示：
圖6-2 逐點(diǎn)比較法圓弧插補(bǔ)流程圖
程序：
void RS_move()//第三象限圓弧順時(shí)針加工函數(shù)
{
if(n
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