1、蘇州職業大學畢業設計(論文)第 頁目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc264894433 1 緒 論 PAGEREF _Toc264894433 h 1 HYPERLINK l _Toc264894434 2 總體方案確定 PAGEREF _Toc264894434 h 4 HYPERLINK l _Toc264894435 2.1車床改造方案的選擇 PAGEREF _Toc264894435 h 4 HYPERLINK l _Toc264894436 2.2車床改造方案的確定 PAGEREF _Toc264894436 h 5 HYPERLINK l _T

2、oc264894437 3.機械計算部分 PAGEREF _Toc264894437 h 6 HYPERLINK l _Toc264894438 3.1選擇脈沖當量 PAGEREF _Toc264894438 h 6 HYPERLINK l _Toc264894439 3.2計算切削力 PAGEREF _Toc264894439 h 6 HYPERLINK l _Toc264894440 3.3滾珠絲杠螺母副的計算和選型 PAGEREF _Toc264894440 h 7 HYPERLINK l _Toc264894441 縱向進給絲杠 PAGEREF _Toc264894441 h 7 HY

3、PERLINK l _Toc264894442 橫向進給絲杠 PAGEREF _Toc264894442 h 10 HYPERLINK l _Toc264894443 3.4齒輪傳動比的計算 PAGEREF _Toc264894443 h 11 HYPERLINK l _Toc264894444 縱向齒輪傳動比計算 PAGEREF _Toc264894444 h 11 HYPERLINK l _Toc264894445 橫向齒輪傳動比計算 PAGEREF _Toc264894445 h 12 HYPERLINK l _Toc264894446 3.5步進電機的計算和選型 PAGEREF _To

4、c264894446 h 12 HYPERLINK l _Toc264894447 縱向步進電機的計算 PAGEREF _Toc264894447 h 12 HYPERLINK l _Toc264894448 橫向進給步進電機的計算和選型 PAGEREF _Toc264894448 h 15 HYPERLINK l _Toc264894449 4. 微機控制部分 PAGEREF _Toc264894449 h 18 HYPERLINK l _Toc264894450 4.1 總體設計 PAGEREF _Toc264894450 h 18 HYPERLINK l _Toc264894451 4.

5、2主控制器 PAGEREF _Toc264894451 h 18 HYPERLINK l _Toc264894452 主控器的選擇 PAGEREF _Toc264894452 h 18 HYPERLINK l _Toc264894453 8031對片外存儲器的選擇 PAGEREF _Toc264894453 h 19 HYPERLINK l _Toc264894454 4.2.3 8031并行I/O口擴展 PAGEREF _Toc264894454 h 19 HYPERLINK l _Toc264894455 5.電路原理圖設計 PAGEREF _Toc264894455 h 20 HYPER

6、LINK l _Toc264894456 5.1關于各線路元件之間線路連接 PAGEREF _Toc264894456 h 20 HYPERLINK l _Toc264894457 5.2. 關于電路原理圖的一些說明 PAGEREF _Toc264894457 h 21 HYPERLINK l _Toc264894458 6. 數控機床故障診斷 PAGEREF _Toc264894458 h 25 HYPERLINK l _Toc264894459 6.1初級診斷 PAGEREF _Toc264894459 h 25 HYPERLINK l _Toc264894460 6.2高級診斷 PAGE

7、REF _Toc264894460 h 27 HYPERLINK l _Toc264894461 6.3未來數控系統的診斷技術 PAGEREF _Toc264894461 h 28 HYPERLINK l _Toc264894462 7.SolidWorks造型 PAGEREF _Toc264894462 h 30 HYPERLINK l _Toc264894463 7.1 SolidWorks 軟件介紹 PAGEREF _Toc264894463 h 30 HYPERLINK l _Toc264894464 7.2 繪制草圖 PAGEREF _Toc264894464 h 31 HYPERL

8、INK l _Toc264894465 7.3 裝配體設計 PAGEREF _Toc264894465 h 33 HYPERLINK l _Toc264894466 8. 數控系統發展趨勢 PAGEREF _Toc264894466 h 37 HYPERLINK l _Toc264894467 結 論 PAGEREF _Toc264894467 h 42 HYPERLINK l _Toc264894468 致 謝 PAGEREF _Toc264894468 h 43 HYPERLINK l _Toc264894469 參考文獻 PAGEREF _Toc264894469 h 441 緒 論機床

9、數控技術就是以數字化的信息實現機床自動控制的專門技術，其中刀具與工件運動軌跡的自動控制、刀具與工件相對運動速度的自動控制是機床數字控制的最主要內容。數字控制機床(Numerical Control Machine Tools)簡稱數控機床，這是一種將數字計算技術應用于機床的控制技術。數控機床是一個精密的機電一體化產品。是由精密機械部件（如滾珠絲桿、高精度導軌、精密軸承、主軸）和復雜電氣部件（如數控系統、驅動裝置和伺服電機以及精密測量系統）構成的一個完整的產品。它把機械加工過程中的各種控制信息用代碼化的數字表示，通過信息載體輸入數控裝置。經運算處理由數控裝置發出各種控制信號，控制機床的動作，按圖

10、紙要求的形狀和尺寸，自動地將零件加工出來。數控機床較好地解決了復雜、精密、小批量、多品種的零件加工問題，是一種柔性的、高效能的自動化機床，代表了現代機床控制技術的發展方向，是一種典型的機電一體化產品。數控機床的基本組成包括加工程序載體、數控裝置、伺服驅動裝置、機床主體和其他輔助裝置。數控機床的系統組成框圖如下：數控機床的系統組成框圖其工作原理是先根據被加工零件的形狀、尺寸和技術要求等條件，確定該零件的加工工藝過程、工藝參數，并按一定的規則形成數控系統能理解的加工程序。即：將被加工零件的幾何信息和工藝信息數字化；按標準的格式編制成零件加工程序單；然后將此加工程序輸入到數控機床的數控裝置中，并將輸

11、入到數控單元的加工程序進行試運行、刀具路徑模擬等。確認無誤后，再將被加工零件裝夾好；對刀后，即可啟動機床運行加工程序。在加工程序運行時，數控系統會根據加工程序的內容，發出各種控制命令，如啟動主軸電動機，打開切削液、進行刀具軌跡計算、向特殊的執行單元發出數字位移脈沖和進行進給速度控制等。正常情況下，加工程序可直接運行到其結束。當改變加工零件時，在數控機床上只要改變加工程序，就可以繼續加工新零件。數控機床改造在國外以發展成一個新興的工業部門。早在60年代已經開始迅速發展，并有專門企業經營這門業務，其發展的原因是多方面的。首先是技術的原因，過去20年里，金屬切削的基本原理變化不大，但社會的生產力的巨

12、大發展，要求制造技術向自動化和精密化前進。而刀具材料和電子技術卻有很的大的進步，特別是微電子技術，電子計算機的技術進步，反應出控制系統，它能幫助機床自動化又能提高加工精度，技術進步和高生產率的要求，精密加工的增多等，突出了舊機床技術改造技術的必要性和急迫性。其次是經濟上的原因。許多發達國家多做過系統的分析，如果舊機床設備以新設備更新，要付出很大的代價的，若利用“改造技術”，則節省大半資金，這種事半功倍的技術，不僅不浪費資金而切還為小企業技術改造開創了新路，而且對實力雄厚的大企業也有很大的經濟吸引力。再次是市場因素，目前許多國家設備所需的數控機床數量，按機床工業現狀是無力及時提供的。機床“改造”

13、就成為機床市場需要的補足手段。最后是生產力的因素，在工業生產中，品種多小批量生產是現代化機械制造業的基本特征，只有相當大比重完成生產任務，不外乎選擇通用機床、專業機床和數控機床，柔性制造系統，就工業復雜程度和一批工件所需要生產總成本比較中看出，數控機床最能適應這一需要。我國是擁有300萬機床國家。而這些機床又大量是多年累積生產的通用機床，自動化程度不高，要想在近幾年內大量用自動、半自動和精密機床更新現有設備，不論資金還是我國機床的能力是辦不到的。因此應盡快將我國現有一部分普通機床實現自動化和精密化改裝，是我國現有設備改造自動化要求解決的課題。用這控制技術正是適應這一要求。它是建立在微電子現代技

14、術和傳統技術相結合的基礎上。在機床改造中引入了微機的應用，不但技術具有先進性，同時在應用此自動化改造方案，有較大的應用性和可調性，而且投資改造的費用低，一套經濟型數控裝置的價格僅是全功能型數控裝置的1/3到1/5擁護承擔的起。從若干單位應用的實例可論證，投入使用后，成倍的提高了生產效率，取得了顯著的經濟效益。因此，我國提出從大力推廣經濟型數控這一中間技術的基礎上，再推出全功能型數控這條道路，適合我國經濟、教育、生產水平，對于以后全動能型數控機床應用的準備階段，為實現我國傳統的機械制造的方向過度的重要內容。CA6140機床是一種普通精度的及萬能臥式機床，屬于使用范圍廣的通用機床。這種機床的性能及

15、質量較好。但結構復雜，自動化程序較低，是一種屬于中型的普通機床，在各廠礦企業的應用很廣。為此，本次設計的任務是對CA6140普通機床進行數控改造，利用微機對縱橫向進給系統實行開環控制。驅動元件是利用步進電動機，傳動系統利用滾珠絲杠。2 總體方案確定2.1車床改造方案的選擇設計系統的選擇在簡易數控系統中，大多數是利用八位微處里機和單片機，近年來國有一些主要的半導體制造廠家相繼生產了各種八位單片微型機，主要有MCS48系列，CS-51系列，Mostek的3870，Motorolo公司的6801和6805。目前在國內用的較廣，開發工具較齊的是MCS-51系列，這里選用MCS-51系列中的8031。2

16、.1.2系統運用方式的確定數控系統按運動方式可分為點位控制系統，點位直線控制系統，輪廓控制系統，連續控制系統。車床是控制刀具以給定速率沿指定路線運動來加工工件輪廓復雜的零件，其個坐標軸的運動之間有著精確的出數關系，根據車床加工這一特點，采用連續控制系統比較合適，連續控制系統具有點位控制系統的功能，故定位方式采用增量坐標控制。2.1.3伺服系統的選擇伺服系統是實現位量伺服控制有開環、閉環和半閉環三種控制方式。開環控制的伺服系統存在著精度不能達到太高的基本問題，但是步進電機具有位移和輸出脈沖的嚴格對應關系，使誤差不能積累，轉速和輸出脈沖頻率有嚴格的對映關系，而且在負載能力范圍內不受電流、電壓、負載

17、大小、環境條件的波動變化的特點，數據裝置發出信號的流向是單向的，對移動部件如工作臺的實際位置工件檢測。并且伴隨電子技術和計算機控制技術的發展，目前大多采用直流電動機或交流電動機作為執行元件。雖然閉環、半閉環對控制系統能夠實現較高精確的位置伺副。由于反饋環節必須的技術條件要控制閉環系統的良好的穩態和動態性能，其難度也大為提高。本設計是基于CA6140普通型的車床的經濟化、數控化改造故采用步進電動機實現開環伺服系統。2.1.4執行機構傳動式的確定（1）導軌 由于普通型車床的改造精度要求的不高的開環系統，而滑動導軌定位精度和靈敏不需研磨措施可達到10um左右。能夠滿足改裝后的要求，所以仍采用原機床的

18、導軌。（2）螺旋傳動 原機床的絲杠屬于滑動螺旋傳動，主要缺點就是機械效率低，一般僅為3060%，與改造后的精度相差很多。數控機床除了具有較高的定位精度外，還應良好的動態間應特征，滾珠絲杠副的特點，傳動效率高，一般達到90%以上，通過預緊力可消除絲杠間隙，運動平穩，傳動精度高，有可靠性，磨損小，使用壽命長，但制造復雜，成本高。要使系統指令好，有能滿足精度要求，本次改造采用滾動螺旋機構。（3）齒輪傳動 考慮步進電動機步距角和絲杠導程只能按標準選擇，為達到0.001秒的分辨率的要求，縱、橫向均采用錯齒調隙的齒輪做減速運動。2.2車床改造方案的確定（1）保留原車床的主傳動鏈。 為了保證機床加工螺紋的功

19、能，在主軸外端安裝一個YGM脈沖發生器，使其與主軸轉速相一致是1:1的關系，用它來發出脈沖發生器，使微機處理機根據主軸的脈沖信號，使刀架通過絲杠的轉角產生進給運動。（2）縱向進給機構的改造,拆除原機床的進給箱和溜板箱利用原機床的安裝孔銷釘孔安裝齒輪箱體,滾珠絲杠仍安裝在原絲杠位置,兩端仍利用原固定方式,這樣可減少改裝工作量。（3）橫向進給機構的安裝：保留原手動機構。用于微機進給和機床對零件操作，原有的支撐結構也保留，電動機、齒輪箱安裝在機床后側。 （4）縱、橫向進給機構采用齒輪減速，并且用雙齒輪錯齒法消除間隙，雙片齒輪間采用消除彈簧，布量成互為120的位置。當螺釘松開時，由于各個彈簧所受力不同

20、而自動調節間隙，再用螺釘緊固。 縱向齒輪箱和溜板箱均加外罩,以保持機床原外觀，起到美化機床的效果,溜板箱上安裝了縱向快速進給按鈕,以適應機床調整時的操作需要和遇到意外時緊急處理。 3.機械計算部分本次設計將一臺CA6140普通機床改造成微機數控機床，采用MCS-51型系列單片機控制系統，步進電機開環控制，具有直線和圓弧插補功能,具有降速控制功能,其他設計參數如下:最大回直徑: 400 mm電機功率: 7.5KW快速進給: 縱向2.4m/min橫向1.2m/min切削速度: 縱向0.5m/min 橫向0.25m/min定位精度: 0.015mm移動部件重量: 縱向:800N 橫向600N加速時間

21、: 30ms機床效率: 0 .83.1選擇脈沖當量根據機床精度要求脈沖當量,縱向0.01mm/脈沖，橫向為0.005mm/脈沖3.2計算切削力3.2.1縱切外圓1主切削力（Fz）計算由金屬切削原理可知切削率：P：電機功率7.5Kw n:主傳動系統總效率取：=0.78Pc-切削功率Pc=0.787.5=5.85Kw又Pc=FzV Fz=式中: V 切削速度 V=100m/minFzPc/V=60Pc1000/v=3510N3.2.2 橫切端面 主切削力F, 可取縱切的1/2 F=1/2Fz1/23510=1755N又F: :F=1:0.4:0.25=0.4=0.41755=702NF=0.25=

22、0.251755=438.75NFx=0.25Fz=0.251755=877.5NFy=0.4Fz=0.43510=1404N3.3滾珠絲杠螺母副的計算和選型3.3.1縱向進給絲杠1計算進給牽引力Fm 縱向進給的綜合型導軌 采用三角型或綜合導軌: Fm=kFx+ (Fz+G) （3.1） 式中:Fx,Fy,Fz, 切削分力(N):G-移動部件的重量(N)導軌上的摩擦系數,隨導軌形式而不同K考慮顛復力距影響的實驗系數. f=0.16則Fm=1.15877.5+0.16(3510+800)=1698.75N2計算最大動負載C C=fwFm （3.2）選用滾珠絲杠副的直徑d.時必須保證在一定軸向負載

23、作用下.絲杠在回轉100萬轉后,在它的滾道上不產生點蝕現象.這個軸向負載的最大值稱為該滾珠絲杠能承受的最大動負載C可用C=fw.Fm （3.3）L= （3.4）n= （3.5） 式中滾珠絲杠導程L=6mm.可取最高進給速度的(1/21/3)此處VS=0.50.5=0.25m/minT: 使用壽命按15000h計算L: 壽命以106轉為1單位Fw: 運轉系數，按一般運轉取fw:121.5 取fw=1.3N=42r/minL=38小時C=.fw.FmC=1.31698.75=7508.47 3滾珠絲杠螺母的選型查-山東濟寧選取滾珠絲杠公稱直徑為40選用的型號為CDM4006-2.5其額定動載荷15

24、470N,所用強度足夠用效率計算= （3.6）式中摩擦角r=2, =10式中:r絲杠螺旋升角 r摩擦角滾珠副的滾動摩擦系數 ,f=0.0030.004 R摩擦角約為10分式中:r螺旋角 CDM4006 r =r:摩擦角取10分n=94.24%5剛度驗算先畫出縱向進給滾珠絲杠支承方式如圖圖31縱向進給計算簡圖最大牽引力為1698.75N, 支承間距L=1700mm絲杠螺母及軸承均采用預緊,預緊力為最大牽引力為1698.75N.L= （3.7）式中: Fm工作負載(N)L.:滾珠絲杠L=6mmE:材料彈性模數對鋼E=20.610(N/mm)F:滾珠絲杠面積mmF=1/4D=1/440=1256mL

25、=0.394104mm再算滾珠絲杠總長度上拉伸或壓縮的變形量mm=0.39410-4L/6=0.011對滾珠絲杠經過預拉拉伸,拉壓剛度可提高4倍其實際變量=1/40.011=2.7510mm=0.00756mm定位精度0.015mm3.3.2橫向進給絲杠1計算進給牽引力Fm橫向導軌為燕尾形導軌其計算公式如下:Fm=KFx+ (Fz+2Fy+G)式中K:考慮顛復力矩的影響實驗系數K=1.4:導軌上摩擦系數為=0.2,移動部件重量G=600NFm=1.4702+0.2(1755+2438.75+600)=1629.3N2計算最大動負載(N)n=.=31.25L=28.125C=1.21629.3=

26、5865.48N3選擇滾珠絲杠螺母副 查叢書 山東濟寧選用滾珠絲杠為CDM2504-2.5 其額定的動載荷為6638d=25mm =24.5mm 循環列數為12.52 Coa=16826 螺旋導程角 r=arctan r=2 選擇精度等級為3級4傳動效率的計算 =tg2/tg(2+)=0.945 5剛度計算橫向進給絲杠方式,如圖所示最大牽引力為2612.1N 支承間距L=450mm 因絲杠長度較短不需要預緊圖32橫向進給系統計算簡圖1滾珠絲杠的拉伸或壓縮變形量L=0.644810滾珠絲杠經過預拉伸=1/40.007254=0.0018=0.0054小于定位精度定位精度為0.0153.4齒輪傳動

27、比的計算3.4.1縱向齒輪傳動比計算已確定縱向脈沖當量=0.01 ,滾珠絲杠導程L=6mm和步距角0.75,可計算出ii=0.8可選定齒輪的齒數為i=z1/z2=32/40 或20/25d=mz=64 z1=32 z2=40 或z1=20 z2=35 d2=703.4.2橫向齒輪傳動比計算已確定橫向脈沖當量=0.005mm/step,滾珠絲杠導程L=4mm和步距角0.75 ,可計算出傳動比ii=0.6 z1=21 ,z2=353.5步進電機的計算和選型3.5.1縱向步進電機的計算計算簡圖見滾珠絲杠選擇中簡圖.傳動系統折算到電機軸上的總的轉動慣量 (kg.cm2)由此式計算 =J+(z1/z2)

28、Js+J2+G/g(L/2E) （3.7）式中:J齒輪z1的轉動慣量.J2齒輪z2的轉動慣量Js絲杠的轉動慣量G工作臺及工件等移動部件的重量(N)L絲杠的導程J1=0.7810d1b = 0.78106.42J2=0.7810d2b=0.78108Js=07810DL=0.78104G=800N代入式中J=2.62+(32/40)33.946+6.39+800/9.8(0.6/2)電機力矩的計算機床在不同工況下,其所需要的轉距不同,下面分別按各階段計算快速空載啟動時所需要的力矩=Mmax+Mf+M0 （3.8）式中:M起-快速空載啟動力矩(N.m)Mmax-折算到電機軸上的加速力矩(N.m)M

29、f-折算到電機軸上的附加摩擦力矩(M.m)起動加速時間ta=30msMmax=.e=10nmax=傳動系統折算到電機軸上的總等效轉動慣量(Kg.cm2)電機最大角加速度nmax-電機最大轉速 (r/min)脈沖當量步進電機的步距角nmax=500r/minMmax=摩擦力矩Mf(N.m)Mf=F.導軌摩擦力(N)了發 G運動部件總重量(N)i 齒輪降速比按i=Z1/Z2計算傳動鏈總效率一般=0.70.85取0.8 Mf=附加摩擦力M0M0=式中 FP0-滾珠絲杠預加載荷一般取1/3FmFm為進給牽引力(N)L0滾珠絲杠導程(cm)N滾珠絲杠未預緊時傳動效率94.24%M0=M0=(2)快速移動

30、時所需力矩=M+M0M=(3)最大切削力負載時所需力矩 =M+M0+Mt Mt=式中 Fmax-進給方向上的切削力取Fx=877.5N Mt-折算到電機軸上的切削負載力矩(N.cm) Mt=83.84(N.cm) =Mt+M0+Mt=65.88+10.28+83.84=160N.cm 從上面可以看出,三種情況下,以快速空載時 所需力矩最大,以此項工作為初選步進電機的依據 (4)計算電機空載轉動和切削堵的工作頻率fk=4000Hz =10000.5/600.01=833Hz(5) 步進電機的選擇 對于工作方式為五相十拍的步進電機 Mjmax=526.9/0951=554.048 查表選用130B

31、F001型直流步進電機的最大靜轉距為930N.cm，滿足其要求:3.5.2橫向進給步進電機的計算和選型 (1).步進電機的計算 橫向計算簡圖見滾珠絲杠選擇中的簡圖,傳動系統折算到電機 電機軸上的轉動慣量 (kg.cm)可由此式計算:=J1+(z1/z2)JS+J2+G/g(L0/2) 式中:J1-齒輪z1的轉動慣量 J2-齒輪z2的轉動慣量 JS-絲杠的轉動慣量 G-工作臺及工件等移動部件的重量(N) L0-絲杠的導程 J1=0.7810d1L1=0.78104.2 J2=0.7810d2L1=0.78107 G=600N, Js=0.78102.545=1.37kgcm2 =J1+(Z1/Z

32、2)Js+J2+G/g(L0/2) =0.465+(0.6)1.37+3.746+600/10(0.4/6.28) (2) 電機力矩的計算:機床在不同工況下其所需的轉距不同,下面分別按各段計算1.快速空載起動時所需的力矩M起=Mmax+Mf+M0Mmax=.e=nmax=500r/minMmax=2.414折算電機軸上的摩擦力力矩MfMf=附加摩擦力矩M0 M0=)=) =11.07Ncm(3)快速進給時所需力矩M快 =+M0 Mf= (4)最大切削負載所需力矩M切=Mf+M0+MtMt=Mf= 上面計算可以看出,和三種工況下,以最大切削負載所需力矩作為選用電機的依據當步進電機為五相十拍時=/

33、Mmax Mjmax=/=62.43/0.951=65.64步進電機三相四相五相六相3648510612=M/M0.50.8660.7070.7070.8090.9510.8660.866選用90BF002其最大靜轉距為400滿足要求: fk=4000HZ fv=833HZ 4. 微機控制部分在普通車床CA6140基礎上加數控部分,以使其成為經濟型數控機床,以完成較高的精度加工.4.1 總體設計我國目前廣泛使用MCS-51系列中的8031芯片,通過擴展和I/O口擴展功能,實現對機床X,Z兩個方向的控制.以及軟硬的任務分配有:控制步進電機脈沖發生和脈沖分配,數碼顯示的字符發生,鍵盤掃描管理既用硬

34、件管理,又可用軟件實現,此次采用若干方案:控制步進電機用的脈沖發生器用硬件.采用國產YB015環行分配器實現,字符發生及鍵盤掃描均有軟件實現.4.2主控制器4.2.1主控器的選擇 近年來同外的一些主要的半導體制造廠家相繼生產了各種8位的單片微型端口及部分RAM于一體的功能很強的控制器。目前國內用得較廣，開發工具較齊的是MCS51系列包含三個產品：8031、8051和8751。三者的引腳完全兼容，僅在結構上有一些差異，主要是8031：8031是無ROM的8051，而8751是用EPROM代替ROM的8051。用得較多的就是我所選用的8031。(1) 8031型芯片:1) 單片機是集CPU,I/O

35、端口及部分RAM一體的功能很強的控制器,8031基本特點如下:1處理器CPU8位2芯片內有時鐘電位3具有12 各字節RAM4具有21特殊功能的存儲器5具有4 各I / O端口,32根I/O線 6可尋址64K外部數據存儲器7可尋址64K外部程序存儲器8具有兩個16位定時/記時數量9具有5 個中斷位,配備兩個優先級10具有一個全功能竄行接口11具有尋址能力,適宜邏輯計算從以上論證可以看出,8031型芯片,功能幾乎為一塊Z80CPU,一塊RAM,一塊Z80CTC兩塊Z80PLO和一塊Z80SLO處理的微機計算機.(2)8031芯片管腳的功能及其他功能按引腳功能可分三類，即：其一：I/O口線：P、P、

36、P、P共4個8為口。其二：控制線：（片外取指令控制）、ALE（地址鎖存控制）、（片外取存儲器選擇）、RESET（復位控制）。其三：電源及時鐘：V、V、XTAL、XTAL。4.2.2 8031對片外存儲器的選擇 1、EPRAM選擇： 根據MCS51單片機應用系統中常用的EPRAM芯片，確定存儲器容量為16K。選擇EPRAM的型號時，主要考慮的因素是讀取速度，這決定著系統是否正確工作。根據CPU與EPRAM時序匹配要求，可選用2片2764程序存儲器。 2、RAM選擇：單片機的擴展RAM多選用靜態RAM，根據容量要求和RAM與CPU的讀寫時序匹配的要求，這里選用大容量的RAM6264兩片。4.2.3

37、 8031并行I/O口擴展 8031有四個8位口(I/O端口),但真正能夠提供用戶使用的只有P1口,因為P2 P0口通常用來傳送外存儲器的地址和數據,P3口也需要使用他的第二功能.因此8031的I/O的端口通常需要擴充.以便他能和更多外聯機工作.擴充方法有兩種: 借用外面RAM地址來擴充I/O端口; 利用并行I/O接口芯片來擴充I/O端口.5.電路原理圖設計本次設計在采用8031作為主控芯片,采用兩片2764程序存儲器之外還擴展了一片6264數據存儲器,用一片74LS373鎖存P0口傳遞低8位地址,地址譯碼采用74LS138C38譯碼器;采用全地址碼,采用二個8155芯片,完成對執行元件的控制

38、。此外,還設有越界報警急停處理電路.5.1關于各線路元件之間線路連接8031芯片的P 和P用來傳送外部存儲器的地址和數據, P口送的是8位地址, P口傳送低八位地址和數據,故采用74LS373地址鎖存器,鎖存低八位地址,ALE作為首選通信號,當ALE為高電位,鎖存器的輸入輸出速度,即輸入的低八位地址在輸出端出現,此時不需鎖存,當ALE從高電平變為低電平,出現下降沿時,低八位地址在輸出端出現,此時不需鎖存,當ACE這樣POD共組成16位地址,2764和6264芯片都是8KB,需要13根地址線, AA低8位安74L373芯片的輸出,AA按8031芯片的PP系統采用全地址譯碼,兩片2764新片選信號

39、CE分別按74LS138譯碼器的和,系統復位以后程序從0000H開始執行,6264芯片的片選信號CE地址按74LS138的,單片機的擴展系統允許程序存儲器和數據存儲器獨立編址,8031芯片控制信號PSEN按2764的OE引腳,讀寫控制信號WR和RD分別按6264芯片內部沿有ROM,始終要選片外程序存儲器,故按EA地址由于8031只有P口和P口的部分能提供用戶作I/O接口使用,不能滿足輸入輸出口的需要,因此比喻擴展輸入輸出擴展電路.系統擴展3片8155可編程I/O接口芯片,8155(1)的片選信號按74LS138的端74LS138譯碼器有3個輸入A B C 分別按8031的 P P P8個輸出,

40、低電平有效. 對應輸出A B C DE 000至111 8種現合.其中對應A B C 為111.74LS138有3個使能端,其中2個為低電平使能端,另一個為高電平使能端.只有當使能端均處于有效電平是,輸出才能產生,否則輸出才能處在高電平無效.I/O接口芯片與外設的聯接是這樣安排的.8155芯片PA作為顯示器段選信號, 輸出PAP為顯示器的位選信號,輸出PC0PC4 5根線是鍵盤輸入.8155芯片的20個引腳按8031芯片的P2.0,因此使用8155的I/O口時P2.0為高電平.8155(2),按X Z 向步進電機硬件環形分配器為輸出,系統各芯片采用全地址譯碼,各存儲器及I/O接口芯片.X向Z向

41、步進電機硬件環形分配器采用YB0153-2相5相10拍方式工作,故 均按+5V,時鐘輸入端CP按8155芯片的TIME007用以決定脈沖分配器是如脈沖的頻率,為實現插補時不同的進給的速度,可給8155芯片定時/計數器中設置不同的常數.5.2. 關于電路原理圖的一些說明在此電路圖中,還有其他功能電路,如報警電路,急停電路,復位電路,隔離電路,功效電路等,此外還有對自動回轉刀架,螺紋加工進行控制.復位電路 通常8031的復位有自動復位,和人工按鈕復位兩種,下面將分別顯示電路結構 （A）(A)上電復位電路 （B）開關復位電路2、時鐘電路 時鐘電路如圖所示,XTAL和XTAL2為內振蕩電路輸入線,這兩

42、個端口用來外接石英晶體和微調電器,用來聯接8031片內OSC的定時反饋回路.光電隔離電路 在步進電機驅動電路,脈沖分配器輸出的信號經過放大后,控制步進電機的勵磁繞組.由于步進電機需要的驅動電壓數高,電流也較大,如果將I/O口輸出信號直接與功率放大電路相連,將引起電路干擾,輕則影響計數機程序的正常運行,重則導致接口電路的破壞.因此一般在接口電路與功率放大器之間都要加上隔離電路,實行電氣隔離使用最多的是光電耦合器.如下圖光電耦合器是以發光二級管和光敏二級管組成,為輸入信號的輸入端時,發光二級管導通激發紅外光,受光三極管照射后,由于光敏效應產生光電流。通過輸出端輸出，從而實現了以光為信號的輸出，輸入

43、端與輸出端在電器繪出一種光隔離輸出電路，當開關斷開，發光二級管不通，光敏三級管截止，輸出+5V高電平，當閉合，發光二級管導通，激勵輸出三級管導通。適當選擇電阻R，可使輸出三級管飽和，輸出0.3左右的TTL低電平。 隨著運行頻率的增高，步進電機輸出力矩C帶動負載的能力，這一產生的原因，作為功率放大器負載的步進電機是電感負載。當改變通電時，電流從零逐漸增大，產生感應電動勢使電流按指數規律上升。4、鍵盤顯示 本次設計中，采用PCPC 作為掃描口信號反向放大器按顯示器公共級，8031P口作為片選數據口。8155的PBPB作為行線輸入。基本工作原理如下：鍵盤顯示口電路圖 當鍵松開時，測試信號為 1，鍵閉

44、合，測試信號為0 ，當測試信號為1 則禁止，不能對鍵進行識別。鍵盤是由若干個按鍵組成的開關陣列，圖中行線通過電阻接+5V，當鍵盤上沿有閉和時，所有行線和列線都以斷開，行線PCPCX是4根行線，PA0PA7Ss是6 根列線，在行線與列線交叉點上安裝有鍵，PA口的6 根列線按一定的時間間隔輪流輸出低電平。當掃描到某一列線上時，若無鍵按下，則行線都是高電平；若有一鍵按下時，交叉點上對應的行線變為低電平。這個低電平信號被計算機捕獲后，根據此間對應的行線和列線的位置，計算機可以判斷出鍵值，完成控制。5、越界報警電路X，Z方向的越界和急停信號經過門引入8031的P中斷原LNT，采用硬件申請中斷軟件查詢的方

45、法。這樣無論哪個方向都能引起中斷，當X，Z等一越界，則相應的紅燈亮報警。6. 數控機床故障診斷現代數控機床數控系統故障的診斷技術，對各類診斷技術進行了詳細的剖析。數控診斷技術在數控機床的生產調試、使用和維修中起著極為重要的作用，數控機床的數控系統是技術密集型的產品，集大量電子元件和復雜的軟件技術于一體。硬件和軟件可能出現的故障繁多，千變萬化。因此在數控系統出現故障時，要想迅速準確地查明原因并確定故障部位，不借助于診斷技術是很困難的。數控系統的診斷大致分為初級診斷（起動診斷、在線診斷和離線診斷）和高級診斷（自修復診斷、診斷指導專家系統和通訊診斷系統）。6.1初級診斷（1）起動診斷 即從每次通電開

46、始到進入正常運行準備狀態為止，數控系統內部診斷程序自動執行的診斷。其目的是確認系統的主要硬件是否可以正常工作。起動診斷用數秒鐘即告完成，一般不超過10秒。某些特殊或規模龐大的系統起動診斷周期要長一些。起動診斷所檢查的常見硬件有：CPU存儲器、輸入輸出單元等印刷板或模塊、顯示器單元、閱讀機、軟盤單元等裝置或外部設備。有些起動診斷也對硬件配置進行檢查以便確認是否所有指定的設備、模塊已正常連接，甚至對某些芯片RAM、ROM，重要的IC是否插裝到位，其規格型號是否正常進行診斷。如：德國西門子公司的數控8系統，每次開機都要對系統硬件、軟件及配置進行診斷。在8系統的中央處理器MSl00模板上有四個硬件起動

47、診斷指示信號燈，其含義如下：M-燃亮，代表中央處理器故障IC-燃亮，用戶存儲器故障S-燃亮，位控制模塊板故障PC-燃亮，可編程控制器故障根據以上指示燈，就可以判斷出硬件故障部位。軟件起動診斷是在起動時發現故障，診斷程序在顯示器上指示出相應軟件故障所在位置及內容。當確認所有項目都正確無誤后，整個系統才進入正常的初始化完成狀態或運行準備狀態。否則數控系統將通過顯示器報告故障信息。此時系統不能投入正常運行。日本法那克公司的6MB系統在大約6秒的起動診斷周期中，進行主要硬件檢查有：主印刷板；連接單元；磁泡存儲器；ROM存儲器；位置控制芯片；紙帶閱讀機；速度控制單元。若被檢項目正常，則CRT將顯示表明系

48、統已進入正常運行狀態。反之，有上述任何一項故障存在，將顯示報警信息畫面。有時存在故障與顯示功能有關，CRT已不能顯示報警信息，但仍可以觀察安裝在主板上的相應發光二極管的亮滅狀態，并查閱亮滅狀態與故障內容對照表，即可對故障原因作出判斷。（2）在線診斷數控系統內裝程序在準備和循環運行狀態時，對數控系統、與數控系統相連接的外部設備及各伺服單元、伺服電機等進行的自動診斷。只要系統不斷電，在線診斷就不會停止。現代數控系統診斷顯示的信息一般為數百條。一臺帶有刀庫和交換工作臺的典型加工中心的診斷顯示信息有五百多條。數控生產廠家將這些信息分成若干類：數控系統類，多為系統故障報警；編程設定類，多為操作錯誤引起的

49、故障報警；伺服類，與伺服系統和伺服電機有關的故障報警；行程開關報警類；各種溫度、壓力類報警；過熱報警類；印刷板間連接故障類；集成的可編程控制器外設報警。上述每類信息又細分為數項至數十項具體的故障內容，并在說明書中以故障表的形式提供給用戶。故障發生時，每項被賦于一個故障編號外又附有簡明的說明語句，顯示在顯示器上。在線診斷已不只限于提供故障信息，還可依據地址的狀態，獲得各種各樣的信息。如：紙帶校驗報警時紙帶錯孔位置；刀具與機床參考點的距離；NC與機床之間接口輸入輸出信號；各坐標軸位置偏差值；與存儲據有關狀態顯示；機床實際值公英制；電機隨動誤差狀態顯示；面板按鍵狀態顯示。（3）離線診斷 也稱手工診斷

50、，由專門訓練的技術人員查明故障原因、確定故障部位的高層次診斷。離線診斷力求把故障的可能范圍縮小到最低限度。離線診斷可在現場，也可在維修中心或原數控系統制造廠進行。現場常用工具是專用工程師面板或專用便攜式測試件。如：萬用表、信號發生器邏輯分析儀、示波器、離線集成電路測試儀和在線集成電路測試儀等。 離線診斷所用軟件的存儲及使用方法多不相同。如：美國AB公司的8200系統在作離線診斷檢查時，才把專用的診斷程序讀入CNC中作運行檢查。美國AB公司的8600系統，診斷程序與數控程序一同存入數控系統中。因此，這些系統不需要再輸入軟件就具備離線診斷機能。維修人員可隨時用鍵盤調用這程序并使之運行，然后在CRT

51、上觀察診斷結果。6.2高級診斷（1）自修復診斷 正常情況下，自修復診斷在系統內設置不參與運行的備用模塊。自修復程序在控制系統每次開機時執行，當發現某模塊有故障時，系統把故障信息顯示在顯示屏上，同時自動查尋備用模塊。如果機箱插槽上裝有相同的備用模塊則故障模塊被備用模塊頂替。若未檢測到其他故障，系統進行正常工作，而故障模塊待維修工方便時再更換。自修復診斷軟件需要較多的插槽安裝備用模塊，備用模塊與系統其他部分的通訊連接應與被替換模塊相同，所以自修復只適用于總線結構的系統。從理論上講，備用模塊越多越好。這使系統體積增大，價格提高。（2）診斷指導專家系統 近30年來，各個領域人工智能的開發研究已獲得很大

52、進展。如圖像識別、聲音識別、自動翻譯和智能工業機器人等。日本法那克系列數控系統的診斷指導專家系統是由知識庫、推理計算機和人工控制器組成。知識庫內存儲了專家分析，判斷故障原因和如何消除故障的經驗知識。這些知識用于讀出數控系統狀態信息（如輸入輸出口信號、參數、指令值等）的函數表達。通過人工控制器，編程員可用簡捷的記述把專家的知識編成程序，井把程序變成知識庫目標形式，再存儲到知識庫中。推理機通過運行后向推理程序、并利用知識庫內的產生式規則和數控系統狀態函數進行推理，獲得與專家相同的結論。操作者也可通過顯示單元，用簡單人機對話的方式選擇故障狀態，必要時回答系統的提問以補充為得出結論所需要的其他信息。診

53、斷專家系統以專家知識、經驗為基礎，自動模仿專家解決復雜問題的思維活動，這就使普通工作人員同樣能對故障作出具有專家級水平的診斷結論。（3）通訊診斷系統 通訊診斷系統又稱海外診斷。由中央維修站通過電話線路，甚至國際電話系統向用戶設備發送診斷程序所進行的一種遙控診斷。以美國AB公司為例，用戶的數控系統經專用的電話通訊接口與普通電話線路連接，中央維修用的計算機經數據電話也與電話線路連接。計算機向數控系統發送診斷程序，井使之執行某種運行測試數據送回計算機分析，比較并得出結論。中央維修站再將診斷結論和處理辦法通知用戶。通訊診斷系統除用于故障發生后的診斷外，還可為用戶作定期的預防診斷，維修工不必親臨現場。只

54、需按預定的時間對機床作一系列試運行檢查。在中央維修站分析診斷數據，以發現可能存在的故障隱患。6.3未來數控系統的診斷技術（1）運用數宇伺服技術擴大診斷范圍 隨著數事伺服技術的迅速發展和普及應用，數控系統設計者從機床和伺服系統直接獲得更多的信息。如爬行、增益、平衡和軌跡誤差等狀態的診斷也就可以解決了。采用數字伺服技術還可以開發出一種自調整伺服系統，這樣系統可以使安裝調試時間大大縮短。目前這種主輔數字伺服和伺服進給數字驅動在國內已廣泛應用。（2）滾動緩沖器概念 隨著CPU工作速度的提高和診斷信息量的增大，出現了滾動緩沖器這個概念，經滾動緩沖器處理的數據有：進給速度、操作者輸入信號、零件程序數據、控

55、制裝置和機床報警等。在后臺方式下運行的滾動緩沖器記錄這些數據，數據緩沖時間約l min。當機床故障造成停機時，滾動緩沖器記錄的內容被“凍結”。這給技術人員提供一份重要的歷史記錄。（3）圖示技術的應用 隨著個人計算機迅速發展起來的計算機圖示技術成果，不斷地移植到數控系境中。如用圖形表示機床和控制系統。指出各種裝置、部件、開發工件等的位置，成為直觀的圖形診斷畫面以幫助操作者和維修人員迅速發現和排除故障。（4）傳感器的開發利用 在傳感器領域有不少開發工作還在進行。如用于溫度、噪聲、振動、撓曲和壓力等檢測傳感器，隨著新器件的完善和進入市場，會給數控系統設計者在提高診斷性能方面提供新的手段。通過對數控機

56、床數控系統故障診斷技術的論述，不僅為維修人雖提供了詳細的數控系統剖析過程，而且還指出了各類診斷技術針對的故障情況，能迅速準確地查明原因并確定故障部位，可在生產調試、使用和維修中起重要的指導作用。7.SolidWorks造型7.1 SolidWorks 軟件介紹 SolidWorks是一套基于Windows的CAD/CAE/CAM/PDM桌面集成系統,是由美國SolidWorks公司在總結和繼承了大型機械CAD軟件的基礎上,在Windows環境下實現的第一個三維機械設計CAD軟件。 SolidWorks全面采用非全約束的特征建模技術,由于其設計過程的全相關性,可以在設計過程的任何階段修改設計,同

57、時牽動相關部分的改變.它既提供自底向上的裝配方法,同時還提供自頂向下的裝配方法,自頂向下的裝配方法使工程師能夠在裝配環境中參考裝配體其他零件的位置及尺寸設計新零件,更加符合工程習慣.它具有獨創性的“封套”功能,來分塊處理復雜裝配體.其具有的“產品配置”功能,可為用戶設計不同“構型”的產品.它集成了設計、分析、加工和數據管理整個過程,所獲得的分析和加工模擬結果成了產品模型的屬性,在SolidWorks的特征管理器中清晰的列出了詳細的數據信息。他還可以動態模擬裝配過程,進行靜態干涉檢查，計算質量特征，如質心、慣性矩等。它將2D繪圖和3D造型技術容為一體,能自動的生成零部件尺寸、材料明晰表、具有指引

58、線的零部件編號等技術資料，從而簡化了工程圖樣的生成過程。SolidWorks同時有中英文兩種界面選擇，其先進的特征樹結構使更加簡便直接，而且它具有較好的開發性接口和功能擴展性，能輕松實現各種CAD軟件之間的數據轉換、傳送。Solidwokrs 可充分發揮用三維工具進行產品開發的威力，它提供從現有二維數據建立三維模型的強大轉換工具。Solidworks 能夠直接讀取DWG格式的文件，在人工干預下，將 AutoCAD 的圖形轉換成Solidworks三維實體模型。另一方面，Solidworks 軟件對于熟悉Windows的用戶特別易懂易用，它的開放性體現在符合Windows標準的應用軟件，可以集成

59、到Solidworks軟件中，從而為用戶提供一體化的解決方案。進入SolidWorks的操作界面如圖：圖717.2 繪制草圖圖72利用獨特的基于特征的零部件建模功能，可以使用拉伸、旋轉、薄壁特征、高級抽殼、放樣和掃描、陣列特征和孔輕松創建設計。 通過獨特的對多個實體的特征及控制，加快零部件建模速度。 通過動態編輯特征和草圖，只需執行簡單的拖放操作即可進行實時更改。 7.2.1 進入SolidWorks系統后,單擊（標準工具欄）的新建，系統將彈出（新建SolidWorks文件）窗口。選擇（零件）項，單擊（確定）進入。然后在特征管理器中選擇（前視基準面）為基準面，繪制草圖。具體如圖72所示。然后在

60、利用拉伸功能就完成了主軸箱的設計，如圖： 圖73從而生成主軸箱，實圖下：圖74主軸箱這就是主軸箱的設計過程，在CA6140設計過程中需要大量的零件如：刀架、導軌、頂圖75 頂尖 圖76導軌床身尖等。；以上是頂尖、導軌床身的設計結果。7.3 裝配體設計創建新的零部件時，可直接參照其他零部件并保持關系。設計具有成千上萬個零件的大型裝配體時可獲得無可比擬的性能。可將零部件和特征拖放到適當的位置。SolidWorks 提供完善的產品級的裝配特征功能，以便創建和記錄特定的裝配體設計過程。實際設計中，根據設計意圖有許多特征是在裝配環境下在裝配操作發生后才能生成的，設計零件時無需考慮的。在產品的裝配圖作好之