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前 言 数控机床经济型改造实质是机械工程技术与微电子技术的结合经改造后的机床加工的精度、效率、速度都有了很明显的提高,适合我国现在经济水平的发展要求 本次毕业设计主要是对机床机械部分进行改造以步进电机驱动横向进给运动、纵向进给运动以及刀架的快速换刀使传动系统变得十分简单,传动链大大缩短传动件数减少从而提高机床的精度 设计中,我们对有关数控机床及数控改造的相关书籍、刊物进行大量阅读收集了很多资料了解了数控机床的基本概念,数控机床的发展概况,数控机床的组成及其工作原理,扩大了我们的知识面 随着科学技术的发展现代机械制造要求产品的形状和结构不断改进,对零件的加工质量的要求也越来越高随着社会对产品多样化要求的增强,产品品种增多产品更新换代加速数控机床代替普通机床被广泛应用是一个必然的趋势同时,数控机床将向着更高的速度、精度、可靠性及完善性的功能发展普通车床数控改造——用微机数控技术改造最大加工直径为400mm普通车床的进给系统摘要了解数控机床的概念,所谓数控是按照含有机床刀具运动信息程序所指定的顺序自动执行操作的过程而计算机数控机床就是数控机床在计算机监控下进行工作它的优点很多如可以在同一机床上一次装夹可完成多个操作,生产率显著提高等优点,但它的价格昂贵由于我国现在使用的机床大多数为普通车床,自动化程度低要更新现有机床需要很多资金为了解决这个问题也为了适应多品种中、小批量零件加工我们选择机床经济型数控改造总体设计方案在普通车床上采用适合现场实时控制的80C51单片机为控制器,以运行特性好、可靠性高的步进电机为驱动执行元件进行数控改造关键词数控、车床、改造、80C51单片机;步进电机;目录第一章绪论
1.1毕业设计目的…………………………………………………
51.2毕业设计内容…………………………………………………
51.
2.1微机数控系统总设计方案拟定…………………………………
51.
2.2进给伺服系统机械部分设计计算………………………………
51.
2.3微机控制系统的设计……………………………………………
51.
2.4数控加工程序的编制……………………………………………
51.
2.5直线的逐点比较法插补软件程序流程框图的绘制……………6第二章微型数控系统总体设计方案的拟定
2.1毕业论文的要求和内容………………………………………
62.
1.1课题名称…………………………………………………………
62.
1.2设计任务与要求…………………………………………………
62.2总体方案的确定………………………………………………
62.
2.1系统的运动方试与伺服系统的选择………………………………
62.
2.2计算机系统…………………………………………………………7第三章机床进给系统机械部分设计计算
3.1系统脉冲当量及切削力的确定…………………………………
83.2切削力的计算……………………………………………………
83.
2.1纵车外圆……………………………………………………………
83.
2.2横切端面……………………………………………………………
83.3滚珠丝杠螺母副的设计、计算、和选型………………………
93.
3.1纵向进给丝杠………………………………………………………
103.
3.2横向进给丝杠………………………………………………………
113.
3.3纵向和横向滚珠给丝杠副几何参数………………………………
143.
3.4进给伺服系统传动计算……………………………………………
153.
3.5步进电机的计算和选用……………………………………………15第四章微机数控系统的设计
4.1微机数控系统设计的内容………………………………………
224.
1.1硬件电路设计内容…………………………………………………
224.
1.2机床数控系统软件设计……………………………………………
224.280C51单片机及其扩展…………………………………………
234.
2.180C51单片机的简介………………………………………………
234.
2.2单片机的系统扩展概述……………………………………………
244.
2.3存储器扩展…………………………………………………………
254.
2.4I/O口的扩展………………………………………………………
264.
2.5步进电机驱动电路…………………………………………………
264.
2.6液晶显示控制器……………………………………………………
274.
2.7控制面板……………………………………………………………30第五章数控机床的零件加工程序
5.1数控机床加工基本要求…………………………………………
315.2加工步骤…………………………………………………………
315.3加工程序…………………………………………………………32第六章心得与体会参考文献……………………………………………………………………………35附表,混合式步进电动机相关资料……………………………………36第一章绪论§1毕业设计的目的毕业设计是培养我们理论联系实际,解决生产实际问题能力的重要步骤,它系统的检验了我们是否是合格的毕业生它通过对机床数控系统设计总体方案的拟定,进给伺服系统机械部分结构设计、计算控制系统硬件电路的设计以及数控机床加工程序的编制,使我们综合运用所学的机械、电子和微机的知识进行一次机电结合的全面训练,从而培养了我们具有加工编程能力,初步设计计算的能力以及分析和处理生产中所遇到的机电方面技术问题的能力§2毕业设计的内容
1、微机数控系统总体设计方案的拟定
(1)系统运动方式的确定
(2)伺服系统的选择
(3)执行机构传动方式的确定
(4)计算机的选择
2、进给伺服系统机械部分设计计算
(1)进给伺服系统机械部分设计方案的确定
(2)确定脉冲当量
(3)滚珠丝杠螺母副的选型
(4)滚动导轨的选型
(5)进给伺服系统传动计算
(6)步进电机的计算和选用
(7)设计绘制进给伺服系统一个坐标轴的机械装配图
(8)设计绘制进给伺服系统的一张或两张零件图
3、微机控制系统的设计
(1)控制系统方案的确定及框图绘制
(2)MCS-51系列单片机及扩展芯片的选用
(3)I/O接口电路及译码电路的设计
(4)设计绘制一台数控机床微机控制系统电路原理图
4、数控加工程序的编制
(1)零件工艺分析及确定工艺路线
(2)选择数控机床设备
(3)确定对刀点
(4)选择刀具
(5)确定切削用量
(6)编制加工程序
5、直线的逐点比较法插补软件程序流程框图的绘制第二章微型数控系统总体设计方案的拟定§
1、毕业论文的要求和内容(包括原始数据、技术要求、工作要求)
1.课题名称用微机数控技术改造最大加工直径为400毫米普通车床的进给系统
2.设计任务与要求主要技术参数最大加工直径(mm)在床身上400在床鞍上210最大加工长度(mm)750----1000溜板及刀架重量(N)纵向1000横向500刀架快移速度(m/min)纵向2横向1最大进给速度(m/min)纵向
0.6横向
0.3最小分辨率(mm)纵向
0.01横向
0.005定位精度(mm)
0.02主电机功率(KW)
5.5起动加速时间(ms)35设计的要求1)CNC系统的主CPU既可采用8031单片机也可用系统机2)两个坐标的进给伺服系统既查采用步进电机驱动也可用直流或交流伺服电机驱动3)所编的零件加工程序应符合ISO标准的有关规定既可用手工也可用UG等软件编程4)所绘制的机械装配图和硬件电路原理图要求正确、合理、图面整洁、符合标准5)所编写的软件应在计算机上进行汇编和通讯等6)说明书应简明扼要、计算准确、条理清楚、图文并茂并全部用计算机打印后装订成册§
2、总体方案的确定
1、系统的运动方试与伺服系统的选择由于改造后的经济型数控车床具有定位、直线插补、圆弧插补、暂停、循环加工、螺纹加工等功能,所以应该选用连续控制系统考虑到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系统
2、计算机系统根据机床要求,采用8位微机由于MCS-51系列单片机的特点之一是硬件设计简单,系统结构紧凑对于简单的应用场合,MCS-51系统的最小系统用一片80C51外扩一片EPROM就能满足功能的要求,对于复杂的应用场合,可以利用MCS-51的扩展功能,构成功能强、规模较大的系统控制系统由微机部分、键盘及显示器、I/O接口及光电隔离电路、步进电机功率放大电路组成,系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现,显示器采用LCD液晶显示器显示加工数据及机床状态等信息
3、为了实现机床所要求的分辨率,采用步进电机经齿轮减速再传动丝杠,为了保证一定的传动精度和平稳性,尽量减小摩擦力,选用滚珠丝杠螺母副同时,为了提高传动刚度和消除间隙,采用有预加负载荷的结构传动齿轮也要采用消除齿侧间隙的结构系统总体方案框图见图
(1)图
(1)第三章、机床进给系统机械部分设计计算伺服系统机械部分设计计算内容包括确定系统的负载,确定系统脉冲当量,运动部件惯量计算,空载起动及切削力矩机计算,确定伺服电机,绘制机械部分装配图及零件工作图等现分述如下§1系统脉冲当量及切削力的确定脉冲当量是衡量数控机床加工精度的一个基本技术参数经济型数控车床、铣床常采用的脉冲当量是
0.01~
0.005mm/脉冲根据机床精度要求确定脉冲当量纵向
0.01mm/step;横向
0.005mm/step§2切削力的计算
1、纵车外圆主切削力FZ(N)由经验公式
(1)估算…………………………式
(1)而……………………………………………式
(2)取,则,取,则进给抗力X向和Y向根据经验公式
(3)
(4)确定…………………………………………式
(3)…………………………………………式
(4)则得
2、横切端面主切削力可取纵切的一半,即此时走刀抗力,吃刀抗力依然按上述经验公式粗略计算则得§
3、滚珠丝杠螺母副的设计、计算、和选型
(一)纵向进给丝杠
1.计算进给牵引力FmN作用在滚珠丝杠上的进给牵引力主要包括切屑时的走刀抗力以及移动件的重量和切屑分力作用在导轨上的摩擦力,因而其数值大小和导轨的形式有关本次设计纵向进给为综合型导轨,则按以下公式确定……………………………………式
(5)式中K—考虑颠覆力矩影响的实验系数,综合型导轨取K=
1.15—滑动导轨摩擦系数
0.15~
0.18,取=
0.16G—溜板及刀架重力,由已知G=1000N代入得
2.计算最大动负载Q选用滚珠丝杠副的直径时,必须保证在一定轴向负载作用下,丝杠在回转100万()转后,在它的滚道上不产生点蚀现象这个轴向负载的最大值即称为该滚珠丝杠能承受的最大动负载C,计算如下……………………………………………式
(6)………………………………………式
(7)…………………………………………式
(8)式中—为滚珠丝杠导程初选丝杠导程Lo=6mm;Vs-最大切削力下的进给速度可取最高进给速度的1/2~1/3此处为
0.3m/min;T-使用寿命按15000h;fw-运转系数按一般运转取fw=
1.2~
1.5;此处取fw=
1.2;L-寿命以转为1单位.则
3.滚珠丝杠螺母副的选型查阅《数控机床系统设计》中附表1,可采用W1L2506外循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杠副,1列
2.5圈其额定动负载为1310N精度等级按滚珠丝杠行程公差表,选为3级大致相当于老表准E级
4.传动效率计算η=tanγ/tanγ+φ式中γ—螺旋升角W1L2506的螺旋升角γ=4°22′φ—摩擦角取10′滚动摩擦系数
0.003~
0.004则η=tanγ/tanγ+φ=tan4°22′/tan4°22′+10′=
0.
965.刚度校核先画出此纵向进给滚珠丝杠支承方式草图,如下图
(2)所示图
(2)纵向进给滚珠丝杠支承方式草图则…………式
(9)支承间距L=1160mm,最大轴向力为2316N,丝杠螺母及轴承均进行预紧,预紧力为最大轴向负载的1/3
(1)、丝杠的拉伸或压缩变形量,,,……式
(10)对刚………………………式
(11)丝杠导程的变化量………式
(12)总长度L=1160mm,丝杠上的变形量,由于两端均采用推力球轴承,则值
(2)滚珠与螺纹滚道间接触变形由承载滚珠数量……………………………………式
(13)由于对滚珠丝杠副施加预紧力,且预紧力为轴向载荷的1/3,则变形
(3)滚珠丝杠总的弹性变形量根据以下经验公式……………………………………………………………………式
(14)则可得
(4)定位误差所以,满足要求
(二)横向进给丝杠
1.计算进给轴向力横向导轨为双燕尾形,有如下计算式…………………………………………式
(15)式中K—考虑颠覆力矩影响的实验系数,综合型导轨取K=
1.4;—滑动导轨摩擦系数取=
0.2;G—溜板及刀架重力,由已知G=500N则代入已知得
2.计算最大动负载Q计算如下……………………………………………………………………………式
(6)………………………………………………………………………式
(7)…………………………………………………………………………式
(8)式中—为滚珠丝杠导程初选丝杠导程Lo=6mm;Vs—最大切削力下的进给速度可取最高进给速度的1/2~1/3此处为
0.3m/min;T—使用寿命按15000h;fw—运转系数按一般运转取fw=
1.2~
1.5;此处取fw=
1.2;L—寿命以转为1单位.则
3.滚珠丝杠螺母副的选型查阅《数控机床系统设计》中附表1,可采用W1L2005外循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杠副,1列
2.5圈其额定动负载为8800N精度等级按滚珠丝杠行程公差表,选为3级大致相当于老表准E级
4.传动效率计算η=tanγ/tanγ+φ式中γ—螺旋升角W1L2005的螺旋升角γ=4°30′φ—摩擦角取10′滚动摩擦系数
0.003~
0.004则η=tanγ/tanγ+φ=tan4°30′/tan4°30′+10′=
0.
9645.刚度校核先画出此横向进给滚珠丝杠支承方式草图,如下图
(3)所示图
(3)、横向进给滚珠丝杠支承方式草图则………式
(9)支承间距L=530mm,最大轴向力为1919N
(1)、丝杠的拉伸或压缩变形量根据,,,对刚,总长度L=1160mm,丝杠上的变形量
(2)滚珠与螺纹滚道间接触变形由,由于对滚珠丝杠副施加预紧力,且预紧力为轴向载荷的1/3,则变形
(3)滚珠丝杠总的弹性变形量根据以下经验公式………………………………………………………………式
(14)则可得
(4)定位误差显然,变形量已大于定位精度(
0.02mm)要求,应该采取相应的措施修改,因横向溜板限制,不宜加大滚珠丝杠直径,故采用贴塑导轨(),减小摩擦力,从而减小轴向力,根据式
(16)重新计算如下此时的变形量为则定位误差为仍不能满足精度要求
0.02mm如果将顾主丝杠再进行预拉伸,则丝杠刚度可提高四倍,则定位误差为满足要求
(三)纵向和横向滚珠给丝杠副几何参数其几何参数见表1名称符号W1L2506W1L2005螺纹滚道公称直径2520导程65接触角钢球直径
3.
9693.175滚道法面半径
2.
0641.651偏心距
0.
0560.045螺纹升角螺杆螺杆外径
24.
219.4螺杆内径
20.
98416.788螺杆接触直径
17.
02713.835螺母螺母螺纹直径
32.
82623.212螺母内径
25.
820.635§4进给伺服系统传动计算
1.齿轮传动比计算纵向进给齿轮箱传动比计算
(1)已确定纵向进给脉冲当量滚珠丝杠导程初选步进电机步距角
0.9°可计算出传动比i………………………………式
(17)可选定齿轮齿数为:由齿轮传动比i=2/3,可以选定齿轮齿数为:=24和=36或=28和=42,初选=28和=42的齿轮有关参数如表2齿数284224402030分度圆d=mz568448804060齿顶圆da=d+2m608852844464齿根圆df=d-
21.25m517943753555齿宽6-10m202020202020中心矩A=d1+d2/
27064502.齿轮齿数及技术参数计算出传动比i后降速级数决定采用一对齿轮降速因为进给伺服系统传递功率不大一般取m=1~2数控车床铣床取m=2此设计中取m=2为了消除齿轮侧隙,此作业中采用双片齿轮§5步进电机的计算和选用
(一)纵向机构步进电机选型
1.计算步进电机负载转矩Tm………………………………式
(18)式中:—脉冲当量mm/step;—进给牵引力N;—步距角初选双拍制为
0.9°;
2.初选步进电机型号根据=
1.475N.m在网上查混合式步进电机技术数据表初选步进电机型号为56BYG250E-SASSBL-0601,其中,保持转矩为
2.5N.m..
3.等效转动惯量计算根据简图,即图
(1),传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量运动件的转动惯量可由下式计算:式中,—齿轮的转动惯量—滚珠丝杠转动惯量=式中D—圆柱体直径cm;L—圆柱体长度cm;代入上式:
4.电机转矩计算机床在不同的工况下在下面分别按各阶段计算:1快速空载起动惯性矩在快速空载起动阶段,加速力矩所占的比例较大,具体计算公式如下……………………………………………………式
(19)………………………………………………式
(20)又………………………………………………………式
(21)代入得折算到电机轴上的摩擦力矩:……式
(22)式中η—传动链总效率一般可取
0.7~
0.85此处取
0.8;i—传动比;附加摩擦力矩………………………………………………………………式
(22)式中η—传动链总效率一般可取
0.7~
0.85此处取
0.8;i—传动比;Fpo—滚珠丝杠预加负荷一般取1/3FmFm为进给牵引力N;ηo—滚珠丝杠未预紧时的传动效率一般取≥
0.9此处取ηo=
0.9所以2快速移动所需力矩………………………………………………………式
(23)=50+
9.7=
59.7N.cm3最大切削载时所需力矩……………………………………………式
(24)从上面计算可以看出、、三种工况下以最大切削载时所需转矩最大即以此项作为校核步进电机转矩的依据.查得当步进电机为两相四拍时,=
0.707故最大静力矩Mjmax=
175.5/
0.707=
2.48N•m,而电机保持转矩为
2.5N.m最大静力矩Mjmax,大于所以满足要求!但还必须进一步考核步进电机起动矩频特性和运转矩频特性计算步进电机空载起动频率和切削时的工作频率图
(4)、56BYG250E—SASSBL—0601混合式步进电机矩频特性图当快速运动和切削进给时,56BYG250E-SASSBL-0601型混合式步进电机运行矩频完全可以满足要求
5、绘制进给伺服系统机械装配图在完成运动及动力计算后,以后确定了滚珠丝杠螺母副、步进电机型号,以及齿轮齿数、模数、轴承型号之后,就可以画机械装配图见附图
(一)例如,双片齿轮采用周向弹簧调整消隙法如图
(5)所示,采用了可调拉力弹簧调整间隙在两个薄片齿轮1和2上分别装上耳座3和8,弹簧4的一端钩在耳座3上,另一端钩在耳座8的螺钉7上用螺母5调节螺钉7的伸出长度即可调整弹簧的弹力,调整好后再用螺母6锁紧弹簧的弹力使薄齿轮1和2的左、右齿面分别与宽齿轮的齿槽左、右齿侧面贴紧,消除了齿侧间隙(图5)双薄片齿轮周向弹簧调整法
1、2-薄片齿轮
3、8-耳座4-弹簧5-调节螺母6-锁紧螺母7-螺钉
(二)、横向机构初选步进电机
1.计算步进电机负载转矩Tm………………………………式
(18)式中:—脉冲当量mm/step;—进给牵引力N;—步距角初选双拍制为
0.9°;
2.初选步进电机型号根据=
0.611N.m在网上查混合式步进电机技术数据表初选步进电机型号为56BYG250D-SASSBL-0241,其中,保持转矩为
1.72N.m..
3.等效转动惯量计算根据简图,即图
(2),计算传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量运动件的转动惯量可由下式计算:………………………………………………………………………………式
(25)式中、、、—齿轮、、、的转动惯量—滚珠丝杠转动惯量=式中D—圆柱体直径cm;L—圆柱体长度cm;代入上式:
4.电机转矩计算机床在不同的工况下在下面分别按各阶段计算:1快速空载起动惯性矩在快速空载起动阶段,加速力矩所占的比例较大,具体计算公式如下……………………………………………………式
(19)………………………………………………式
(20)又………………………………………………………式
(21)代入得折算到电机轴上的摩擦力矩:……式
(22)式中η—传动链总效率一般可取
0.7~
0.85此处取
0.8;i—传动比;—贴塑导轨摩擦系数,取=
0.04附加摩擦力矩………………………………………………………………式
(22)式中η—传动链总效率一般可取
0.7~
0.85此处取
0.8;i—传动比;Fpo—滚珠丝杠预加负荷一般取1/3FmFm为进给牵引力N;ηo—滚珠丝杠未预紧时的传动效率一般取≥
0.9此处取ηo=
0.9所以2快速移动所需力矩………………………………………………………式
(23)=
1.96+
4.84=
6.8N.cm3最大切削载时所需力矩……………………………………………式
(24)从上面计算可以看出、、三种工况下以快速空载起动惯性矩最大即以此项作为校核步进电机转矩的依据.查得当步进电机为两相四拍时,=
0.707故最大静力矩Mjmax=
59.3/
0.707N.m=
0.839N.cm,而电机保持转矩为
1.72N.m,大于最大静力矩Mjmax,所以满足要求!但还必须进一步考核步进电机起动矩频特性和运转矩频特性计算步进电机空载起动频率和切削时的工作频率图
(5)、56BYG250E—ASSBL—0241型混合式步进电机矩频特性图当快速运动和切削进给时,56BYG250E—ASSBL—0241型混合式步进电机运行矩频完全可以满足要求
5、绘制进给伺服系统机械装配图在完成运动及动力计算后,以后确定了滚珠丝杠螺母副、步进电机型号,以及齿轮齿数、模数、轴承型号之后,就可以画横向机械装配图见附图
(二)第四章、微机数控系统的设计§1微机数控系统设计的内容一硬件电路设计内容硬件是组成系统的基础也是软件编制的前提数控系统硬件的设计包括以下几部分内容
1、绘制系统电气控制结构框图据总体方案及机械结构的控制要求,确定硬件电路的总体方案,绘制电气控制结构图机床硬件电路由五部分组成
(1)主控制器,即中央处理单元CPU
(2)总线,包括数据总线、地址总线和控制总线
(3)存储器,包括程序存储器和数据存储器
(4)接口,即输入/输出接口电路
(5)外围设备,如键盘、显示器及光电输入机等
2、选择中央处理单元CPU的类型CPU的种类很多,在此处选择MCS——51系列单片机中的80C51,因为其集成度高,稳定性、可靠性好,体积小,而且有很强的外部扩展功能,外围扩展电路芯片大多是一些常规芯片,用户很容易通过标准扩展电路来构成较大规模的应用系统
3、存储器扩展电路设计存储器扩展包括数据存储器和程序存储器扩展两部分分别选择两片2764和一片6264来扩展16K的内存
4、I/O接口电路设计设计内容包括据外部要求选用I/O接口芯片,步进电机伺服控制电路,键盘、显示部分以及其他辅助电路设计(如复位、掉电保护等)经考虑,选择8255为I/O接口芯片,液晶显示控制器LR—104VRAM来控制LCD图中的急停开关应采用那种按下去之后不会弹起、直到再次启动后操作者用手动拔出的按钮,此处由于表达方式的限制,仅以普通按钮表示
(二)、机床数控系统软件设计软件是硬件的补充,确定硬件电路后,根据系统功能要求设计软件
1、软件设计步骤分为以下几步
(1)据软件要实现的功能,能制定出软件技术要求;
(2)将整个软件模块化,确定各模块的编制要求,包括各模块功能,入口参数,出口参数;
(3)据硬件资源,合理分配好存储单元;
(4)分别对各模块编程,并调试;
(5)连接各模块,进行统一调试及优化;
(6)固化到各程序存储器中
2、数控系统中常用软件模块
(1)软件实现环行分配器;
(2)插补运算模块;
(3)自动升降速控制模块§280C51单片机及其扩展一80C51单片机的简介1.芯片引脚及片外总线结构80C51单片机采用40脚双直插封装(DIP)形式,如图6所示80C51单片机是高性能单片机,因为受到引脚数目的限制,所以有不少引脚具有第二功能下面说明这些引脚的名称和功能
(1)电源引脚Vss和VccVss20脚接地Vcc40脚主电源+5V
(2)时钟电路引脚XTAL1`和XTAL2XTAL1(19脚)接外部晶体的一端在片内它是振荡电路反向放大器的输入端在采用外部时钟时,对于HMOS单片机,该端引脚必须接地;对于CHMOS单片机,此引脚作为驱动端XTAL2(18脚)接外部晶体的另一端在片内它是一个振荡电路反向放大电路的输出端,振荡电路的频率是晶体振荡频率若需采用外部时钟电路,对于HMOS单片机,该引脚输入外部时钟脉冲;对于CHMOS单片机,此引脚应悬浮图
(6).80C51引脚图
(3)控制信号引脚RST、ALE//PROG、PSEN、/EA/VppRST(9脚)单片机刚接上电源时,其内部各寄存器处于随机状态,在该引脚输入24个时钟周期宽度以上的高电平将使单片机复位(RESET)ALE//PROG访问片外存储器时,ALE作锁存扩展地址低位字节的控制信号(称允许锁存地址)平时不访问片外存储器时,该端也以1/6的时钟振荡频率固定输出正脉冲,供定时或者其他需要使用;在访问片外数据存储器时会失去一个脉冲ALE端的负载驱动能力为8个LSTTL(低功耗高速TTL)/PSEN(29脚)在访问片外程序存储器时,此端输出负脉冲作为存储器读选通信号CPU在向片外存储器取指令期间,PSEN信号在12个时钟周期中两次生效不过,在访问片外数据存储器时,这两个有效的PSEN信号不出现PSEN端同样可驱动8个LSTTL负载我们根据PSEN、ALE和XTAL2输出是否有信号输出,可以判别80C51是否在工作/EA/Vpp(31脚)当EA端输入高电平时,CPU从片内程序存储器地址0000H单元开始执行程序当地址超过4KB时,将执行片外程序存储器的程序当EA输入低电平时,CPU仅访问片外程序存储器
(4)输入/输出引脚(P
0、P
1、P2和P3端口引脚)P0~P3是4个寄存器,也称为4个端口,是80C51单片机与外界联系的4个8位双向并行I/O口由于在数据的传输过程中,CPU需要对接口电路输入输出数据的寄存器进行读写操作,所以在单片机中对这些寄存器象对存储单元一样进行编址通常把接口电路中这些已编址并能进行读写操作的寄存器称为端口(PORT),或简称口P
0.0~P
0.7(39~32脚)P0是一个8位漏极开路型双向I/O端口在访问片外存储器时,它分时提供低8位地址和8位双向数据,故这些I/O线有地址线/数据线之称,简写为AD0~AD7在EPROM编程时,从P0输入指令字节,在验证程序时,则输出指令字节(验证时,要外接上拉电阻)P
1.0~P
1.7(1~8脚)P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口在EPROM编程和验证程序时,它输入低8位地址P
2.0~P
2.7(21~28脚)P2是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口在访问片外存储器时,它输出高8位地址,即A8~A15在对EPROM编程和验证程序时,它输入高8位地址P
3.0~P
3.7(10~17脚)P3是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口在整个系统中,这8个引脚还具有专门的第二功能,如表
(3)所示表P3口各位的第二功能P3口的各位第二功能P
3.0P
3.1P
3.2P
3.3P
3.4P
3.5P
3.6P
3.7RXD(串行口输入)TXD(串行口输出)INT0(外部中断0输入)INT1(外部中断1输入)T0(定时器/计数器0的外部输入)T1(定时器/计数器1的外部输入)WR(片外数据存储器写选通控制输出)RD(片外数据存储器读选通控制输出)
(二)单片机的系统扩展概述80C51片内只有4KB程序存储器地址空间、256B的片内数据存储器的地址空间(用8位地址,其中128B的专用寄存器地址空间仅有21个字节有实际意义)所以需扩展1.扩展概述80C51的片外总线结构所有的外部芯片都通过三组总线进行扩展
(1)数据总线(DB)由P0口提供,数据总线要连到连接的所有外围芯片上,但在同一时间只能够有一个是有效的数据传送通道
(2)地址总线(AB)16位,可寻址范围为64K字节,AB由P0口提供低8位地址,与数据分时传送,传送数据时将低8位地址锁存;高8位地址由P2口提供
(3)控制总线(CB)系统扩展用控制总线有WR、RD、PSEN、ALE、EA2.系统扩展能力片外数据存储器与程序存储器的操作使用不同的指令和控制信号,允许两者的地址重复故据地址的宽度,片外可扩展的存储器与程序存储器分别为64KB此处扩展了16K的程序存储器和16K的地址存储器,且没有使用片内存储器扩展的I/O口与片外数据存储器统一编址,不再另外提供地址线3.地址锁存器因为P0口是分时提供低8位地址和数据信息的,所以必须用锁存器把地址锁存住本次设计使用带三态缓冲输出的8D锁存器74HC373其引脚见图
(7)图
(7)、74HC373引脚图D0~D7信号输入端Q0~Q7信号输出端G下降沿时,将D1~D8锁存于内部E使能端,E=0时,三态门处于导通状态,输出端Q0~Q7与输入端D0~D7连通,当E=1时,输出三态门断开,输入数据锁存4.地址译码器80C51扩展电路中,都牵涉到外部地址空间的分配问题,即当80C51数据总线分时与多个外围芯片进行数据传送时,首选要进行片选,然后再进行片内地址选择地址译码实现片选的方法目前常用的有两种线选法和译码法此处采用74HC139译码器组成的译码电路对系统的高位地址进行译码74HC139是双“2-4”译码器,每个译码器仅有1个使能端G,0电平选通有2个选择输入端,4个译码输出端,输出0电平有效2个输入信号A、B译码后有4个输出状态,其引脚与真值表如下所示表
(4)、74HC139真值表输入输出使能选择Y0Y1Y2Y3/GBA1××11110000111001101101011010111110
(三)存储器扩展此处采用两片EPROM芯片6264(8K×8)扩展程序存储器,数据存储器选用静态RAM62648(8K×8)其引脚见左图
(8)图
(8)、2764引脚图80C51芯片与存储器的连接存储器扩展实质是三总线的连接
(1)据芯片存储容量的大小确定数据、地址线的根数此处为13根
(2)数据线的连接将80C51的芯片的P
0.0~P
0.7按位与RAM数据线D0~D7直连
(3)地址总线的连接据确定的地址线根数,将相应低地址线相连,剩余高位地址线作为片选
(4)控制总线的连接对应控制线相连
(四)I/O口的扩展MCS-51单片机共有四个8位并行I/O口,可提供给用户使用的只有P1口和部分P3口线,因此不可避免地要进行I/O口的扩展这里采用8255(可编程的RAM/IO扩展接口电路)I/O口扩展采用总线扩展方法,数据输入线取自80C51的P0口这种扩展方法分时占用P0口,不影响P0口与其它扩展芯片的连接操作8255具有3个8位的并行的I/O口,分别为PA、PB、PC口,其中PC口又分为高4位(PC7~PC4)和低4位(PC3~PC0)
(五)、步进电机驱动电路采用细分驱动电路,根据所选电机说明,选取合适的驱动器,纵向驱动器和横向驱动器均为SH20806N其接线图如下图
(8)、电动机驱动器连线图
(六)、液晶显示控制器使用由上海朗睿电子科技有限公司研制生产的工业彩色液晶(VRAM型)显示器,型号为LR-104VRAM
1、简介彩色液晶显示器采用超大规模集成电路,以数字方式驱动,可以从根本上消除传统CRT显示器的屏幕闪烁现象具有高亮度、高对比度、高可靠性、抗恶劣环境等优点;并且体积小、厚度小、功耗低、无辐射、抗干扰能力强随着彩色液晶技术的日趋成熟,正在逐步取代CRT显示器,成为许多高要求行业的首选,被越来越多地应用到电力、医疗、仪表、电梯、工业控制等领域
2、基本原理LR-104VRAM真彩色液晶显示器,采用VRAM显示方式VRAM(VideoRandom-AccessMemory)视频存储技术是近年来比较流行的专门用于图形处理的双端口存储技术,常用于中、高档显示卡采用缓存、逻辑仲裁、存储阵列,实现两个设备同时对同一存储阵列访问而不需要等待,且互不干扰该显示器接口采用并行总线方式(数据总线、地址总线以及选、读、写等信号),可以很方便地连接到单片机或微处理器的总线上,用户可以象使用普通存储器一样使用它或者可以把显示器看成是自己设备外挂的一个RAMLR-104VRAM存储器地址单元同液晶屏幕上的像素点一一对应,用户可以把这个存储器理解为“显示映像”存储器如果希望在液晶屏幕上某一位置显示文字或图形,只需要向存储器内对应区域写入相应的数据即可VRAM存储器的一个字节由8位构成,显示器屏幕上的一个“像素”点由R、G、B三个“点”来组成
3、原理框图LR-104VRAM显示器的基本原理框图如图
(9)所示,DC/DC电压变换器产生液晶所用各种驱动电压DC/AC逆变器则用来点亮冷阴极背光灯(CCFL)分时技术让显示与写入数据同时进行,实现了画面的高速更新,且互不干扰图
(9)、LR-104VRAM显示器的基本原理框图
4、性能指标视域对角线
10.4英寸外型尺寸
246.5×
179.3×38mm视域尺寸
211.2H×
158.4Vmm图像点阵640×RGB×480行像素点尺寸
0.33H×
0.33Vmm像素结构垂直条纹接口方式总线方式VRAM容量128K×8位显示颜色TFT64色/256色视野角度左75度,右75度上60度,下50度工作电压DC8V~15V消耗功率小于8W工作环境温度-10℃~+65℃保存温度-30℃~+70℃亮度400cd/㎡液晶屏寿命大于5万小时(连续工作)背光灯寿命大于25000小时(连续工作)净重克毛重克包装数量只/箱内包装尺寸××mm外包装尺寸××mm
5、接口方法LR-104VRAM的接口方式为总线方式外部引线包括有地址总线、数据总线和片选读写输入,可以直接挂接到单片机、计算机的总线上,通过译码分配作为主机的某部分内存来使用如果主机无法分配较大的空间而直接使用时,也可以采用分页操作技术,高位地址用来页面切换,低位地址则可直接操作内存的数据位与屏幕显示的色点一一对应,只要把适当的数据写入内存中去,屏幕上即可显示出相应的文字图形接口采用34针双列防反插插座(间距为标准
2.54mm)引脚定义如下表所示引脚号引脚定义引脚号引脚定义引脚号引脚定义1D013GND25A52D114GND26A63D215RDCS27A74D316A1528A85D417+12V29A96D518+12V30A107D619保留31A118D720保留32A129WCS21A133A1310CLOSE22A234A1411A023A312保留24A
46、应用程序,将屏幕清成040H代码所表示的颜色;VRAM的片选地址(E000,FFFFH);A13,14,15=P
1.OP
1.1P
1.2ORG0000HLJMPMAINORG0090HMAIN:MOVSP#60H;LCALLINITLCD;MOVR1#040H;LCALLCLEAR1RETERN:SJMPRETERNINITLCD:LCALLLCDRETLCD:MOVR2#08HMOVR3#00HLCD1:MOVP1R3MOVDPTR#0E000HMOVR4#20HLCD2:MOVR5#00HMOVA#00HLCD3:MOVX@DPTRAINCDPTRDJNZR5LCD3DJNZR4LCD2INCR3DJNZR2LCD1RETCLEAR1:LCALLLCD4RETLCD4:MOVR2#08HMOVR3#00HLCD5:MOVP1R3MOVDPTR#OE000HMOVR4#20HLCD6:MOVR5#0A1HMOVAR1LCD7:MOVX@DPTRAINCDPTRDJNZR5LCD7MOVR5#5FHLCD8:INCDPTRDJNZR5LCD8DJNZR4LCD6INCR3DJNZR2LCD5RETEND
(七)、控制面板由于键盘的数量有限,故采用多功能键盘,利用SHIFT换档键进行选择报警指示灯用的是LED第五章数控机床的零件加工程序数控机床零件加工程序的基本要求是能按照零件图纸进行数控加工程序的手工编制主要内容1)对加工零件进行工艺分析;2)对零件加工精度分析;3)确定数控机床工夹量具;4)确定加工路线;5)确定加工所用的各种工艺参数;6)各节点坐标计算;7)填写程序单以以下零件为例,如图所示工件,毛坯为φ25㎜×65㎜棒材,材料为45钢1.根据零件图样要求、毛坯情况,确定工艺方案及加工路线1)对轴类零件,轴心线为工艺基准,用三爪自定心卡盘夹持φ90mm外圆,一次装夹完成粗精加工2工步顺序
①粗车外圆基本采用阶梯切削路线,为编程时数值计算方便,圆弧部分可用同心圆车圆弧法,分三刀切完
②自右向左精车右端面及各外圆面车右端面→倒角→切削螺纹外圆→车φ48mm外圆→车圆锥→车φ70mm外圆→车φ80mm外圆→车R3㎜圆弧→车φ80mm外圆
③切槽
④车螺纹2.选择机床设备 即本设计所改造后的CA61403.选择刀具 根据加工要求,选用四把刀具,T01为粗加工刀,选90°外圆车刀,T02为精加工刀,选尖头车刀,T03为切槽刀,刀宽为4mm,T04为60°螺纹刀 同时把四把刀在四工位自动换刀刀架上安装好,且都对好刀,把它们的刀偏值输入相应的刀具参数中4.确定切削用量 切削用量的具体数值应根据该机床性能、相关的手册并结合实际经验确定,详见加工程序5.确定工件坐标系、对刀点和换刀点 确定以工件右端面与轴心线的交点O为工件原点,建立XOZ工件坐标系,如上图所示换刀点设置在工件坐标系下X
100、Z50处6.编写程序 按该机床规定的指令代码和程序段格式,把加工零件的全部工艺过程编写成程序清单该工件的加工程序如下%O3032N10G90G00G92X100Z60;坐标设定N20M3S1000;主轴正转转速1000r/minN30X48Z1;快速移动到X=48mm,Z=1mm处N40G01X48Z-2F10;倒角2×45°N50X48Z-60;加工M48的外径N60X50Z-60;加工50mm外径N70X70Z-120;加工锥面N80X70Z-140;加工70mm外径N90X80Z-160;加工80mm外径N100G02X80Z-220I
51.96K-30F5;加工R=70mm圆弧N110G01X80Z-225F10;加工80mm外径N120G26T1000;回换刀点N130M5;主轴停转N140T0202;换2号刀N150M3S100;主轴正转转速100r/minN160G00X50Z-60;快速移动刀X=50mm,Z=-60mm处N170G01X45Z-60F5;切槽N180X50Z-60;N190G26T2000;回换刀点N200M5;主轴停转N210T0303;换3号刀N220M3S60;主轴正转,转速60r/minN230G00X
47.6Z10F2;快速移到X=
47.6mmZ=10mmN240G33X
47.6Z-58F2;加工螺纹N250G01X
52.6F10;回安全点N260G26;回换刀点N270G00X
47.2Z10;快速移到X=
47.2mmZ=10mmN280G33X
47.2Z-58F2;加工螺纹N290G01X
51.2F10;回安全点N300G26;回换刀点N310G00X
46.8Z10;快速移到X=
46.8mmZ=10mmN320G33X
46.8Z-58F2;加工螺纹N330G01X
51.8F10;回安全点N340G26;回换刀点N350G00X
46.587Z10;快速移到X=
46.587mmZ=10mmN360G33X
46.587Z-58F2;加工螺纹N370G01X
51.587F10;回安全点N380G26T300;回换刀点N390M5;主轴停转N400T0101;取消刀补N410M02;程序结束%第六章心得与体会随着毕业日子的到来,毕业设计也接近了尾声经过几月的奋战,我的毕业设计终于完成了刚接到任务书的时候,顿时脑袋一片空白,接着就是晕忽忽的,面对任务书上所涉及的概念,都是朦胧的感觉经过了这一段时间,在指导老师的悉心指导和同学们的热心帮助以及我自己的努力下完成了这次作业在这过程中,我把作业所涉及到的课本都比较系统地复习了一遍,有的比以前学的更透彻,而且有了整体概念同时还把这些课本的内容都联系了起来,“机”与“电”的整合,“理论”与“实践”的整合,“技术”与“经验”的整合,真可谓全兵演练,真的受益非浅然而,这次设计也暴露出了我的许多不足之处,概念模糊、工作原理的确定、结构设计不合理、缺乏创新理念等等这些不足在以后的工作中肯定起到很大的反作用,阻碍工作进展,所以我会狠下功夫,改掉这些不足失败是成功之母我相信这些都是我的收获这次毕业设计也使我们的同学关系更进一步了,同学之间互相帮助,有什么不懂的大家在一起商量,听听不同的看法对我们更好的理解知识,所以在这里非常感谢帮助我的同学 在此尤其要感谢我的指导老师郑丽萍老师对我悉心的指导,感谢老师给我的帮助在整个设计中我懂得了许多东西,也培养了我独立工作的能力,树立了对自己工作能力的信心,相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响而且大大提高了动手的能力,使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的喜悦在此设计过程中所学到的东西是这次毕业设计的最大收获和财富,使我终身受益此外,我得出一个结论知识必须通过应用才能实现其价值!有些东西以为学会了,但真正到用的时候才发现是两回事,所以我认为只有到真正会用的时候才是真的学会了 第七章参考文献
[1]南昌大学机电工程系主编,机电一体化机电产品设计指导书,《数控机床设计》;
[2]朱晓春主编,《数控技术》第一版,机械工业出版社,1999,P202-233;
[3]张迎新主编,《单片机初级教程》,北京航空航天大学出版社,2000,P167-206;
[4].戴曙主编,《金属切削机床》,机械工业出版社1993;
[5].濮良贵、纪名刚主编,《机械设计》,高等教育出版社,2001;[5]杜君文,邓广敏主编,数控技术,天津大学出版社,2002年版;[6]阎楚良,杨方飞编著,机械数字化设计新技术,机械工业出版社,2007-3-1版;[7]朱晓春主编,数控技术,机械工业出版社,2005年版;[8]白恩远等主编,《现代数控机床伺服及检测技术》,国防工业出版社,2005年版;[9]任建平等主编,《现代数控机床故障诊断及维修》,国防工业出版社,2005年版;[10]王爱玲等,《现代数控原理及控制系统》,国防工业出版社,2002年版附表混合式步进电机的相关资料矩频特性曲线外型尺寸。