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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 郑州高校现代远程训练毕 业 设 计题 目： 机床数控改造机械系统设计（微型运算机）入 学 年 月_2022 年 5 月_ 姓 名_仝雪森 _ 学 号_10088187057_专 业_机电一体化 _学 习 中 心_河北省石家庄 _ 指 导 教 师_ 完成时间 _2022_年_12_月_24_日名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 机床数控改造机械系统设计（微型运算机）目录：名师归纳总结 摘要 2 关键第 2 页,共 15 页词 2 第一章概述 4-5 其次章总体方案的设计
2、 5-6 2.1 设计任务 5 2.2 总体方案的论证 5-6 2.3 总体方案的确定 6 第三章微机数控系统硬件电路设计 6-8 3.1 微机数控系统硬件电路总体方案设计 6-8 终止语 8 致谢 9 总结 9 参考文献 9-10- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 摘要： 随着科学技术的飞速进展,数控车床被广泛应用于机械制造业；由于它具有加工敏捷、通用性强的特点,能适应产品的品种和规格频繁变化,能够满意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 与一般车床相比,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
3、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畴,并提高生产率；本论文说明白一般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；采纳以8031 为 CPU的掌握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、横向的进给运动；关键词： 数控机床,单片机数控系统,改装设计名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 第一章 概述1.1 课题背景企业要在猛烈的市场竞争中获得
4、生存、得到进展,它必需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,采纳先进的数控机床,已成为我国制造技术进展的总趋势；在我国现有的机床中有一部分仍采纳传统的继电器- 接触器掌握方式,这些机床触点多、线路复杂,使用多年后故障多、修理量大、保护不便、牢靠性差,严峻影响了正常的生产；仍有一些旧机床虽然仍能正常工作,但其精度、效率、自动化程度已不能满意当前生产要求；因此拥有先进的数控机床已经成为满意企业新生产工艺、提高经济效益的最根本需求；1.2 数控机床的进展简史1948
5、 年,美国帕森斯公司接受美国空军托付,研制飞机螺旋桨叶片轮廓样板的加工设备；由于样板外形复杂多样,精度要求高,一般加工设备难以适应,于是提出运算机掌握机床的设想；1949 年,该公司在美国麻省理工学院（MIT）伺服机构讨论室的帮助下,开头数控机床讨论,并于 1952 年试制胜利第一台由大型立式仿形铣床改装而成的三坐标数控铣床,不久即开头正式生产,于 1957年正式投入使用；这是制造技术进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头；数控加工是现代制造技术的基础,这一创造对于制造行业而言,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非常重视数控加工技术的讨论和进展；当时的
6、数控装置采纳电子管元件,体积巨大,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,使数控装置进入了其次代,体积缩小,成本有所下降；1960 年以后,较为简洁和经济的点位掌握数控钻床,和直线掌握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 年开头研制数控机床,胜利试制出配有电子管数控系统的数控机床,1965 年开头批量生产配有晶体管数控系统的三坐标数控铣床； 1965 年,显现了第三代的集成电路数控装置,不仅体积小,功率消耗少,且牢靠性提高,价格进一步下降,促进了数控机床品种和产量的进展；60岁月末
7、,先后显现了由一台运算机直接掌握多台机床的直接数控系统（简称DNC）,又称群控系统；采纳小型运算机掌握的运算机数控系统（简称 CNC）,使数控装置进入了以小型运算机化为特点的第四代； 1974 年,研制胜利使用微处理器和半导体存贮器的微型运算机数控装置（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,而体积就缩小为原先的 极大的提高；1/20 ,价格降低了 3/4 ,牢靠性也得到名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 80 岁月初,随着运算机软、硬件技术的进展,显现了能进行人机对话 式自
8、动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旧和自动检测工件等功能；1.3 我国数控机床的进展方向进入 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进展的良机,也遭受到进入WTO后猛烈的市场竞争的压力,从技术层面上来讲,加速推动数控技术将是解决机床制造业连续进展的一个关键；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,它的进展始终受人们关注,数控机床以其杰出的柔性自动化的 性能、优异而稳固的精度、灵捷而多样化的功能引起世人瞩目,它开创了机械 产品向机电一体化进
9、展的先河,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,通过连续的讨论,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,柔性制造系统的快速进展和运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进展；1 高速、高精密化 高速、精密是机床进展永恒的目标；随着科学技术突飞猛进的进展,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；为满意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 切削方向进展,加工精度也在不断地提高；另一方面,电主轴和直
10、线电机的成 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、精密进展制造了条件；（2）高牢靠性 数控机床的牢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,关键取决于其牢靠 性的高低；（3）数控车床设计 CAD化 CAD技术得到了广泛进展； CAD 随着运算机应用的普及及软件技术的进展,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挑选和 大件整机的静、动态特性分析、运算、猜测及优化设计,可以对整机各工作部 件进行动态模拟仿真；在
11、模块化的基础上在设计阶段就可以看出产品的三维几 何模型和逼真的颜色；采纳 CAD,仍可以大大提高工作效率,提高设计的一次 胜利率,从而缩短试制周期,降低设计成本,提高市场竞争才能；（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,使用于非加工帮助 时间减至最少；通过功能的复合化,可以扩大机床的使用范畴、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；通过名师归纳总结 - - - - - - -第 5
12、页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - C轴和 Y轴,可以实现平面铣削和偏孔、槽的加工；该机床仍配置有强动力刀 架和副主轴；副主轴采纳内藏式电主轴结构,通过数控系统可直接实现主、副 主轴转速同步；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肯定智能化的系统；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 程的自适应掌握,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,如前馈掌握、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
13、化,如智能化的自动编程、智能化的人 机界面等；仍有智能诊断、智能监控等方面的内容,以便利系统的诊断及修理 等；1.4 我国数控机床的进展趋势数控机床向柔性自动化系统进展：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 的方向进展,另一方面对注意应用性和经济性方向进展；柔性自动化技术是制造业适应动态市场需求及产品快速更新的主 要手段,是各国制造业进展的主流趋势,是先进制造领域的基础技术；其重点 是以提高系统的牢靠性、有用化为前提,以易于联网和集成为目标,注意加强 单元技术的开拓和完善；CNC单机向
14、高精度、高速度和高柔性方向进展；数控机床及其构成柔性制造系统能便利地与CAD、CAM、CAPP及 MTS等联结,向信息集成方向进展；网络系统向开放、集成和智能化方向进展；其次章总体方案的设计2.1 设计任务本设计任务是对 CA6140一般车床进行数控改造；利用微机对纵、横向进给系统进行开环掌握,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,驱动元件采纳步进电机,传动系统采纳滚珠丝杠副,刀 架采纳自动转位刀架；机床的数控改造,主要是对原有机床的结构进行制造性的设计,最终使机床达 到比较抱负的状态；数控车床是机电一体化的典型代表,其机械结构同一般的
15、机床有诸多相像之处；然而,现代的数控机床不是简洁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,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、生产率名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 以及使用寿命等要求；现代的数控技术,特殊是加工中心,无论是其支承部 件、主传动系统、进给传动系统、刀具系统、帮助功能等部件结构,仍是整体 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特殊机械结
16、构；因此,我们在对一般机床进行数控改造的过程中,应在考虑各种情形下,使一般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就是在满意使用要求的前提下,对原机床的改动 尽可能削减,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,保证改造后车床在系统掌握下有较高的重复定位精度,削减低速爬行,并使其外型美观,性能稳固,机械装置的合理改造就显得反常重要；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
17、过经济型数控改造后的 CA6140型一般车床,采纳以 8031 单片机为核心的数 X 向） 进给脉冲当量为 0.005mm / 控装置对加工过程进行掌握处理,其横向（脉冲,进给速度范畴为 3 1000mm/min （无级调速）,快进速度可以在1000 3000mm/min 内任意设定；而且运行牢靠,抗干扰才能强；改造后的经济型数控车床不但实现了CA6140型一般车床的原有功能,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,利用数控方法可以精确地加工任意面的旋转体；它满意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
18、证对于一般机床的经济型数控改造,在确定总体设计方案时,应考虑在满意 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掌握系统、点位直线掌握系统、连续掌握系统；由于要求 CA6140车床加工复杂轮廓零件,所以本微机数控系统采纳两轴联动连续掌握系统；（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；由于开环掌握具有结构简洁、设计制造简洁、掌握精度较好、简洁调试、价格廉价、使用修理便利等优点；所以,本设计打算采纳开环掌握名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共 15 页精选学习资料 - - - -
19、- - - - - 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；有了硬件,软件才能有效地运行；在设计的数控装置中,CPU的挑选是关 键,挑选 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亲密相关；2. 可扩展储备器的容量与数控功能的强弱相关；3. I/O口扩展的才能与对外设掌握的才能相关；除此之外,仍应依据数控系统的应用场合、掌握对象以及各种性能、参数要求等,综合起来考虑以确定 CPU；在我国,一般机床数控改造方面应用较普遍的是Z80CPU和 MCS-51系列单片机,主要是由
20、于它们的配套芯片廉价,普及性、通用性强,制造和修理方 便,完全能满意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 系列价格更廉价, 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 芯片为核心,增加储备器扩展电路、接口和面板操作开关组成的掌握系统；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
21、运动采纳步进电机驱动；由 8031 单片机组成微机作为数控装置的核心,由I/O 接口、环形安排器与功率放大器一起掌握步进电机转动,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；刀架改成由微机掌握的经电机驱动的自动掌握 的自动转位刀架；为保持切削螺纹的功能,必需安装主轴脉冲发生器,为此采纳主轴靠同步 齿形带使脉冲发生器同步旋转,发出两路信号：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；第三章微机数控系统硬件电路设计名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 3.1 微机数控系统
22、硬件电路总体方案设计本系统选用 8031CPU作为数控系统的中心处理机；外接一片 2764EPROM作为监控程序的程序储备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；采纳译码法对扩展芯片进行寻址,采纳 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 接步进电机的环形安排器,分别并行掌握X 轴和 Z 轴的步进电机；另 外 , 仍 要 考 虑 机 床 与 单 片 机 之 间 的 光 电 隔 离 , 功 率 放 大 电 路等；各引脚功能简要介绍如下：源引脚 VSS：电源接地端； VCC：
23、 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；当系统扩展外部储备器时,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,仍具有其次功能,各引脚其次功能定义如下： 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 恳求信号输入端；P3.3 INT1 ：外部中断 1 恳求信号输入端； P3.4 T0 ：定时器 / 计数器 0 外部输入端 P3.5 T1 ：定时器 / 计数器 1 外部输入端 P3
24、.6 WR：外部数据储备器写选通； P3.7 RD：外部数据储备器读选通；在进行其次功能操作前,对其次功能的输出锁存器必需由程序置 1；（ 1）信号掌握线 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 显现两 个 机器周 期 以上的高 电平, 完成一次复 位操作； 8031 单片机采纳两种复位方式：一种是加电自动复位,另一种为开关复位； ALE/PROG：ALE是地址锁存答应信号；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；号；当其为低电平常有效；外部程序储备器读选通信VPP：当 EA为高电平且 PC值小于 0FFFH时 C
25、PU执行内部程序储备器中的程 序；当 EA为低电平常, CPU仅执行外部程序储备器中的程序； XTAL1：震荡器的反相放大器输入,使用外部震荡器时必需接地；XTAL2：震荡器的反相放大器输出,使用外部震荡器时,接收外围震荡信名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 号；（2）片外三总线结构单片机在实际应用中,经常要扩展外部储备器、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,外部储备器
26、直接寻址范畴为 64KB；由 P0 口经地址锁存器供应 16 位地址总线的低 8 位地址（ A7A0）,P2口直接供应高 8 位地址（ A15A8）； 数据总线 DB 数据总线宽度为 8 位,由 P0口供应； 掌握总线 CB 掌握总线由其次功能状态下的 P3 口和 4 根独立的掌握线 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,通过编程能够便利地采纳无条件传送、查询传送或中断传送方式完成 CPU与外围设备之
27、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,二个工作方式掌握电路,一个读 8 位数据总线缓冲器；/ 写掌握规律电路和一个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,但不能双向输入/ 输出； C 口：具有一个 8 位数据输出锁存 / 缓冲器和一个 8 位数据输入缓冲器, C口可分作两个
28、 4 位口,用于输入或输出,也可作为 信号；A 口和 B 口选通方式工作时的状态掌握（2）工作方式掌握电路 A、 B 两组掌握电路把三个端口分成A、B 两组, A组掌握 A 口各位和 C口高四位, B 组掌握 B 口各位和 C口低四位；两组控制电路各有一个掌握命令寄存器,用来接收由CPU写入的掌握字,以打算两组端口的工作方式；也可依据掌握字的要求对 C口按位清“0” 或置“1” ；（3）读 / 写掌握规律电路 它接收来自 CPU的地址信号及一些掌握信号,掌握各个口的工作状态；名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - （4
29、）数据总线缓冲器它是一个三态双向缓冲器,用于和系统的数据总线直接相连,以实现 CPU和 8255A之间信息的传送；终止语 经过 3 个多月的努力,毕业设计已基本完成,课题的主要设计内容有以下 几点：（1） 分析国内外数控机床的进展趋势,机床改造的意义及设计任务（2） 对 CA6140卧式车床进行了总体方案的确定（3） 对横向进给系统进行了具体的改造设计（4） 微机部分的改造设计总结通过以上设计把握了一种系统设计的思维方法；提高了自身收集,阅读,分析和运用材料的才能,也使我的专业学问得到了进一步的巩固；通过这次设 计使我明白了自己的学问仍比较欠缺,要学习的东西仍太多；通过这次设计,明白学习是一个
30、长期积存的过程,在以后的工作中不断的学习,努力提高自己 的综合素养；在此遇到了一些问题,在老师和同学们的帮忙下得到明白决；在整个设计 过程中我懂得了很多东西,也培育了我独立工作的才能,树立了自己对工作的 信心；经受了不少艰辛,收成如此巨大；我信任通过这次设计会对以后工作有 着重要的影响；而且大大提高了自己动手的才能,是我充分体会到了在制造过 程中探究的艰辛和胜利的欢乐；通过这次毕业设计使我收益非浅,为我今后的 工作打下了良好的基础；名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 参考文献1 王润孝,秦现生 . 机床数控原理与系
31、统 西安 : 西北工业高校出版社 ,2000 2 李 华,MCS-51单片机有用接口技术 北京 : 北京航空航天高校出版社 ,1993 3 李圣怡等, Windows环境下软硬件接口设计 长沙 : 国防科技高校出版社 ,2001 4 顾 京,数控加工编程及操作 . 北京: 高等训练出版社 ,2002 5 周伟平,机械制造技术 . 武汉 : 华中科技高校出版社 ,2002 6 刘迎春, MCS-51单片机原理及应用教程 . 北京: 清华高校出版社 ,2005 名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 致谢本论文老师指导以她
32、庄重的科学态度,严谨的治学精神,精益求精的工作作风,深深的感染和鼓励着我,在学习和毕业设计过程中给了我很大的启发和帮助,也给我留下了深刻的印象,在此,我向老师表示深深的感谢！名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页,共 15 页精选学习资料 - - - - - - - - - 郑州高校现代远程训练专科毕业论文（设计）评审表姓 名仝雪森学号10088187057 学习中心石家庄学习中心专 业机电一体化入学年份2022 年 5 月题 目机床数控改造机械系统设计（微型运算机）评 审 小 组 意 见成果： _ 组长签名： _ 名师归纳总结 年月日第 14 页,共 15 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 论 文 最 终 成 绩最终成果评定为：_ 年月日注： 1、此表附在论文后面；2、评审成果按百分制记；3、毕业论文最终成果分优（90 以上）、良（80-90 ）、中（ 70-80 ）、及格（ 60 以上）和不及格五个等级；名师归纳总结 - - - - - - -第 15 页,共 15 页