【導(dǎo)讀】隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)率提出了越來越高的要求。精度要求高，形狀復(fù)雜，批量小，機(jī)械產(chǎn)品日趨精密復(fù)雜，且需頻繁改型。的自動(dòng)化是實(shí)現(xiàn)上述要求的最主要的措施之一。率、降低生產(chǎn)成本、還能夠大大改善工人的勞動(dòng)條件。線，實(shí)行多刀、多工位多面同時(shí)加工，以達(dá)到高效率和高自動(dòng)化。理的試驗(yàn)性數(shù)控系統(tǒng)，并把它裝在一臺(tái)立式銑床上。就是第一代世界上的第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床。我國是從1958年開始研究數(shù)控技術(shù)，一直到。當(dāng)時(shí)，一些高等院校、科研單位研制出試驗(yàn)樣機(jī)，1965年國內(nèi)開始研制晶體管數(shù)控系統(tǒng)。在上海、北京研制成功。在這一時(shí)期，數(shù)控線切割機(jī)床由于結(jié)構(gòu)簡單，使用方便、價(jià)。格低廉，在模具加工中得到了推廣?？刂平橘|(zhì)是指零件加工信息傳送到數(shù)控裝置去的信息載體。數(shù)控裝置是數(shù)控機(jī)床的控制中心?？刂七\(yùn)算器根據(jù)輸入裝置送來的信息進(jìn)行運(yùn)算，并將控制命令輸送往輸出裝置。伺服系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，包括驅(qū)動(dòng)和執(zhí)行兩大部分。

　　

【正文】 除此之外，還應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)應(yīng)用場合、控制對(duì)象及對(duì)各種參數(shù)要求選擇 CPU。目前在數(shù)控系統(tǒng)中常用的芯片由 808 808 8028 8038以及 809 8096 等 16位機(jī)的 CPU，也有 8080、 Z80 和 805 803 8751 等 8 位機(jī)的 CPU。但從性能價(jià)格比上，我們擬采用 MCS51 系列單片機(jī)中的 8031 作為主控制器。改系列產(chǎn)品是集中CPU、 I/O 端口及部分 RAM 等為一體的功能性很強(qiáng)的控制器。只需增加少量外圍器件，就可以構(gòu)成一 個(gè)完整的微機(jī)控制系統(tǒng)，并且開發(fā)手段齊全，指令系統(tǒng)功能強(qiáng)，變北華大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 25 成靈活性大，硬件資料也很豐富。三種型號(hào)的引腳完全相同，僅在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上有少許差異?？梢哉f 8031 是沒有 ROM 的 8051，而 8751 又是用 EPROM 代替 ROM 的 8051。目前，工業(yè)控制中應(yīng)用最多的是 8031 單片機(jī)。下面介紹 8031 單片機(jī)的基本性能。 8031 單片機(jī)的基本特性： 8 位中央處理單元（ CPU） 片內(nèi)有時(shí)鐘發(fā)生電路（ 6MHz或 12MHz），每執(zhí)行一條指令時(shí)間為 2μ s 或 1μ s。 128 字節(jié) RAM. 21 個(gè)特殊功能寄存器。 64k字節(jié)的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和 64k字節(jié)的外部程序存儲(chǔ)器。 4 個(gè) I/O 端口、 32 根 I/O 線。 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器。 5 個(gè)中斷源，配備兩個(gè)優(yōu)先級(jí)。 。 ，適用邏輯運(yùn)算。 從上述特性可知，一塊 8031 的功能幾乎相當(dāng)于一塊 Z80CPU、一塊 RAM、一塊Z80、兩塊 Z80PIO 和一塊 Z80SIO 所組成的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中擴(kuò)展用的程序存儲(chǔ)器芯片，其型號(hào)分別為： 271 273 2762712 27256 等，其容量分別位 2k、 4k、 8k、 16k、 32k。在選擇芯片時(shí)，要考慮 CPU與 EPROM 時(shí)序的匹配。即 8031 所能讀取的時(shí)間必須大于 EPROM 多要求的讀取時(shí)間。此外，還要考慮最大讀出速度、工作溫度計(jì)存儲(chǔ)器的容量。在滿足容量要求是應(yīng)盡量選擇大容量芯片、以減少芯片數(shù)量，是系統(tǒng)簡化。在本系統(tǒng)中，我們擬采用 2764作為擴(kuò)展芯片。 2764 與 8031 主要是三總線的聯(lián)接。 2764 中的低 8 位地址線通過地址鎖存器74LS373 與 8031P0口相聯(lián)。當(dāng)?shù)刂锋i存允許信號(hào) ALE 位搞點(diǎn)評(píng) ，則 P0口輸出地址有效。 8 位數(shù)據(jù)線直接與 8031 P0口相聯(lián)；高 5 位地址線分別與 ～ ， OE 引腳直接同 8031PSEN 引腳相聯(lián)，片選信號(hào) CE 接地，以便總能選中。由于 8031 只能選通外部程序存儲(chǔ)器，因而其 EA 引腳接地。 由于 8031 內(nèi)部 RAM 只有 128 字節(jié)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足系統(tǒng)的要求，須擴(kuò)展片外的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路一般采用 6116 和 6264 靜態(tài) RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，其選用的規(guī)則與 EPROM 程序存儲(chǔ)器的要求相同。本系統(tǒng)擬采用 6264芯片作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的外擴(kuò) 芯片。 6264 低 8 位地址線通過地址鎖存器 74LS373 與 8031 P0口相接，高 5 位地址線分北華大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 26 別與 ～ ， 8 位數(shù)據(jù)線直接接至 8031 P0口，讀寫控制引腳 OE、 WE 與 8031的讀寫控制引腳 RD、 WR 直接相聯(lián)，片選端 CE1通過譯碼電路與 8031 相聯(lián)。 I/O口電路的擴(kuò)展 8031 單片機(jī)共有四個(gè) 8 位并行 I/O 口，但可供用戶使用的只有 P1口及部分 P3口線。因此在大部分應(yīng)用系統(tǒng)中都不可避免地要進(jìn)行 I/O 口的擴(kuò)展。通用可編程接口芯片 8155 具有 2k位的靜態(tài) RAM、 2 個(gè) 8 位和一個(gè) 6 位的可編程并行 I/O 口、一個(gè) 14位的計(jì)數(shù)器。由于 8155 與單片機(jī)的接口簡單，是單片機(jī)系統(tǒng)廣泛使用的芯片。 8155 與 8031 的聯(lián)接可歸結(jié)為三總線的聯(lián)接。 8155 本身具有地址鎖存信號(hào)控制線和地址鎖存器，故可直接將地址、數(shù)據(jù)線 AD0～ AD7 直接與 8031 口線對(duì)應(yīng)的相聯(lián)，8155 的 ALE 與 8031 的 ALE 直接相聯(lián)，高 8 位地址的 ～ 74LS139提供 8155 的片選信號(hào) CE,IO/M 控制端接 ，其它讀寫信號(hào) WR、 RD 也都對(duì)應(yīng)相聯(lián)。 8155 的地址與 8031 統(tǒng)一編址。 、顯示器接口電路 鍵盤、顯示器是數(shù)控系統(tǒng)常用的人機(jī)交互的外部設(shè)備，可以完成數(shù)據(jù)的輸入和計(jì)算機(jī)狀態(tài)的動(dòng)態(tài)顯示。通常，數(shù)控系統(tǒng)都采用行列式鍵盤，按鍵設(shè)置在行列的交點(diǎn)上。 本系統(tǒng)中所設(shè)計(jì)的是由 4 8 鍵和 8 位 LED 顯示器組成。為了簡化電路，鍵盤的列線及 LED 顯示器的段碼共用一個(gè)口，即 8155 的 PB 口，鍵盤的行線由 8155 的 PA口提供， LED 的字位控制則由 PC 口經(jīng) 74154 后提供。 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 步進(jìn)電機(jī)是一種用脈沖信號(hào)控制的電動(dòng)機(jī)。在負(fù)載能力及動(dòng)態(tài)特性范圍內(nèi)，電動(dòng)機(jī)的角位移僅與控制脈沖成正 比。在多數(shù)情況下，用步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件的數(shù)控系統(tǒng)不需要 A/D 或 D/A 轉(zhuǎn)換，可采用較為簡單的開環(huán)控制，因而成為經(jīng)濟(jì)性數(shù)控銑床最主要的一種伺服驅(qū)動(dòng)元件。 在控制系統(tǒng)中，步進(jìn)電機(jī)的接口電路至關(guān)重要，沒有它將無法實(shí)現(xiàn)微機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制。如前所述， 8031 系列單片機(jī)含有 4 個(gè)并行輸入 /輸出口，其中 P1 口可以提供給用戶使用，作為步進(jìn)電機(jī)及其它控制對(duì)象的接口。也可采用 8155 或 8255A 等可編程并行輸入、輸出接口芯片設(shè)計(jì)擴(kuò)展接口電路，來控制步進(jìn)電機(jī)即其它外部設(shè)備。本系統(tǒng)即采用 8155 的 PA 口作為步進(jìn)電機(jī) 的控制端口。 脈沖分配器又叫做環(huán)形分配器，是驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)必不可少的環(huán)節(jié)。步進(jìn)電機(jī)的控制方式由環(huán)形分配器實(shí)現(xiàn)，其作用是將數(shù)控裝置送來的一系列脈沖指令按一定的分配方式和順序輸送給步進(jìn)電機(jī)的各項(xiàng)繞組，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正傳或反轉(zhuǎn)。在數(shù)控系統(tǒng)中使用較多的是集成脈沖分配器和軟件脈沖分配器。而在本系統(tǒng)中使用的是軟件脈沖分配，北華大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 27 通過編程來達(dá)到脈沖分配的目的，從而控制步進(jìn)電機(jī)的各項(xiàng)繞組。 在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中，脈沖分配器輸出的信號(hào)經(jīng)放大后控制步進(jìn)電機(jī)的勵(lì)磁繞組。由于步進(jìn)電機(jī)需要的驅(qū)動(dòng)電壓較高（幾十伏）， 電流也較大，如果將輸出信號(hào)直接與功率放大器相聯(lián)，將會(huì)引起強(qiáng)電器干擾，輕則影響計(jì)算機(jī)程序的正常進(jìn)行，重則導(dǎo)致計(jì)算機(jī)和接口電路的損壞。所以一般在接口電路與 功率放大器之間都要加上隔離電路，實(shí)現(xiàn)電氣隔離，通常使用最多的 電 路。 脈沖分配器的輸出功率很小，遠(yuǎn)不能滿足步進(jìn)電機(jī)的需要，必須將器輸出的信號(hào)放大產(chǎn)生足夠大的功率，才能驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。目前我國步進(jìn)電機(jī)的功率放大器已由生產(chǎn)廠家生產(chǎn)出系列化產(chǎn)品，所以在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的控制電路時(shí)不必考慮其內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)，只需根據(jù)選用的步進(jìn)電機(jī)容量選擇功率放大器。 Ω光電隔離與步進(jìn)電機(jī)接口電路 圖 步進(jìn)電機(jī)接口功放電路 其它輔助電路設(shè)計(jì) 1. 8031 的時(shí)鐘電路 單片機(jī)的時(shí)鐘可以有兩種方式產(chǎn)生：內(nèi)部方式和外部方式。 內(nèi)部方式利用芯片內(nèi)部振蕩電路，在 XTAL XTAL2引腳上外接定時(shí)元件，如圖 ()所示。晶體可在 ～ 12MHz之間任選，耦合電容在 5～ 30Pf 之間，對(duì)時(shí)鐘有微調(diào)作用。采用外部時(shí)鐘方式，可把 XTAL1直接接地， XTAL2接外部時(shí)鐘源。 2. 8031 的復(fù)位電路 單片機(jī)的復(fù)位都是靠外部電路實(shí)現(xiàn)，在時(shí)鐘電 路工作后，只要在 RESET 引腳上保持 10ms 以上的高電平，單片機(jī)便實(shí)現(xiàn)狀態(tài)復(fù)位，之后 CPU便從 0000H 單元開始執(zhí)行程序。一般數(shù)控系統(tǒng)都采用上電與按鈕復(fù)位組合。 本章首先主要介紹了微機(jī)控制系統(tǒng)基本硬件的組成，然后選擇了主控制器的CPU，繼而分析了儲(chǔ)存器電路的擴(kuò)展和 I/O 口電路的擴(kuò)展，最后介紹了一些其他的輔助電路的設(shè)計(jì)，是大家大體上對(duì)控制系統(tǒng)有了大體上的了解，達(dá)到了設(shè)計(jì)的基本要求。 北華大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 28 第五章 結(jié)論 本文是立式升降臺(tái)數(shù)控銑床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)說明書，主要對(duì)主軸系統(tǒng)，進(jìn)給伺服系統(tǒng)，微機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 內(nèi)容主要包括了主軸部件的組成以及選型，主軸系統(tǒng)的計(jì)算和進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的計(jì)算。 通過對(duì)主軸部件的設(shè)計(jì)，了解了主傳動(dòng)的特點(diǎn)，變速傳動(dòng)系統(tǒng)以及主軸部件的動(dòng)態(tài)特性，然后進(jìn)行主軸系統(tǒng)的計(jì)算，選定所需的三角帶輪的規(guī)格，主軸部件中了解了主軸系統(tǒng)的換刀原理。設(shè)計(jì)完主軸系統(tǒng)繼而是進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和選定，了解伺服系統(tǒng)的基本要求和設(shè)計(jì)要求后來進(jìn)行進(jìn)給傳動(dòng)的計(jì)算，分別選取了 X 軸滾珠絲杠副， Y軸滾珠絲杠副， Z軸滾珠絲杠副 。前兩個(gè)主要系統(tǒng)設(shè)計(jì)完后，剩下的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)主要是控制機(jī)器的工作。首先了解微機(jī)控制的基本硬件組成，然后選擇主控 制器CPU和進(jìn)行儲(chǔ)存器的電路擴(kuò)展 ，最后進(jìn)行電路的設(shè)計(jì)以及程序的調(diào)試， 以上就是 本次畢業(yè)設(shè)計(jì) 主要思想和過程 。 北華大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 29 致謝 從開始進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)到現(xiàn)在，在歷經(jīng)的短短的幾個(gè)月中，從不知何處下手到現(xiàn)在畢業(yè)設(shè)計(jì)的結(jié)束。經(jīng)歷了苦悶與煩躁。但現(xiàn)在回首畢業(yè)設(shè)計(jì)的過程，卻發(fā)現(xiàn)酸中有甜，苦中有樂，看到自己完成的畢業(yè)設(shè)計(jì)還是感到由衷的高興。從頭回想自己的設(shè)計(jì)的每一個(gè)細(xì)節(jié)，感受到了付出與回報(bào)，只有付出才有回報(bào)。 通過這次設(shè)計(jì)，我將大學(xué)四年所學(xué)的知識(shí)有了一個(gè)全面的復(fù)習(xí)，我不敢說獲得了豐富的知識(shí)，但起碼 也小有收獲。以前，所學(xué)的知識(shí)都沒有用到實(shí)踐中去，這次畢業(yè)設(shè)計(jì)使我感到了實(shí)踐的作用，書本上學(xué)到的知識(shí)，還不真正是屬于自己的知識(shí)，只有在實(shí)踐中學(xué)會(huì)如何去運(yùn)用知識(shí)，才是真正掌握了屬于自己的知識(shí)。 “人非圣賢，孰能無過?！睉{我現(xiàn)有的那點(diǎn)微薄的知識(shí)和少許（甚至彈不上少許）經(jīng)驗(yàn)，在設(shè)計(jì)的過程中不可能做到盡善盡美。錯(cuò)誤和疏漏在所難免。我非常樂意接受老師們的批評(píng)指正，批評(píng)對(duì)我無疑是“良藥”。多知道幾處自己犯的錯(cuò)誤，想一想自己在設(shè)計(jì)時(shí)為何沒考慮這一點(diǎn)。幾番覺悟，才能有幾番長進(jìn)。 最后，我要特別感謝我的導(dǎo)師范久臣老師，在整個(gè)畢 業(yè)設(shè)計(jì)過程中，為我細(xì)心的指導(dǎo)、講解各種問題。尤其在我迷茫的那段日子里，他像引路人一樣把我引入了“正軌”，使我走出了疑惑。在此，我要對(duì)范久臣老師及其整個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)組的其他老師表示衷心的感謝。老師們，辛苦啦！ 北華大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 30 參考文獻(xiàn) [1] 王愛玲，現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì) [M]．兵器工業(yè)出版社 . [2] 機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)編寫組編．機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè) (第二冊(cè)、第三冊(cè) )[M]．北京：機(jī)械 T 業(yè)出版社， 1980． [3] 北京航空學(xué)院機(jī)械加工教研室．?dāng)?shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)與傳動(dòng) [M]．北京：國防工業(yè)出版社， 1977． [4] 曹巨江，趙云龍．弧面凸輪加工專用數(shù)控銑床設(shè)計(jì) [J]．制造技術(shù)與機(jī)床， 2021，12： 26— 28． [5] 魏志強(qiáng)．高速加工機(jī)床及其關(guān)鍵技術(shù) [J]．制造技術(shù)與機(jī)床． 1998， 5(1)157． [6] 蘇建修．?dāng)?shù)控加工工藝 [M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 2021． [7] 張建鋼．?dāng)?shù)控技術(shù) [M]． 武漢：華中科技人學(xué)出版社， 2021. [8] 汪希平．電磁軸承及其系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法 [J]．機(jī)械工程學(xué)報(bào)， 2021， 36(12)lI6． [9] 余俊 . 現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法及應(yīng)用 [M]．北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社， 2021. [10] 戚昌滋 . 機(jī)械現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法學(xué) [M]．北京；中國建筑工業(yè)出版社， 1987. [11] 陶永華．新型 PID 控制及其應(yīng)用 [M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 2021． [12] 雪梅 , 等．?dāng)?shù)控機(jī)床 [M]．北京．電子工業(yè)出版社 .2021． [13] 卜炎．機(jī)械傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)手冊(cè) (下冊(cè) )[M].北京：機(jī)械上業(yè)出版社， 1999． [14] 蘇建修．?dāng)?shù)控加工工藝 [M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 2021． [15] 余英良．?dāng)?shù)控加工編程及操作 [M]．北京：高等教育出版社， 2021． [16] 馬莉敏．?dāng)?shù)控機(jī)床編程與操作 [M]．北京：華中科技大學(xué)出版社， 2021． 9． [17] 余常青，陳國衡，黎紅．?dāng)?shù)控加工技術(shù) [M]．華中科技大學(xué)出版社， 2021． 9． [18] 吳明友．?dāng)?shù)控車床 (華中數(shù)控 )考工實(shí)訓(xùn)教程 [M]．化學(xué)工業(yè)出版社， 2021． 7． [19] 胡建新，宋翔字，孔建，等．模具數(shù)控加工 [M]．成都：電子科技大學(xué)出版社，2021． [20] 劉文濤．六自由度雙平臺(tái)銑床工作空間分析 [J]．機(jī)械設(shè)計(jì)， 1997， (11)： 24— 27． [21] 宋丹，許孔楊，黃文廣． 1X62W普通銑床的數(shù)控化改造 [J]．機(jī)電一體化， 2021，1： 26．