機(jī)床CK6163的數(shù)控化改造

1、 1 機(jī)床數(shù)控化設(shè)計概述本畢業(yè)設(shè)計是機(jī)床ck6163的數(shù)控化改造，要求是： 1）進(jìn)給兩坐標(biāo)聯(lián)動，采用單片機(jī)的半閉環(huán)控制； 2）脈沖當(dāng)量：縱向（x）0.01mm/步，橫向（y）0.005mm/步； 3）系統(tǒng)能實現(xiàn)直線插補(bǔ)，圓弧插補(bǔ)； 4）電動刀架轉(zhuǎn)位數(shù)為4； 5）其它要求：要能實現(xiàn)螺紋加工。11 伺服系統(tǒng)的選擇對于機(jī)床的數(shù)控化改造，有開環(huán)、閉環(huán)和半閉環(huán)三種。開環(huán)控制是沒有輸出反饋的一類控制系統(tǒng)，開環(huán)控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是簡單、經(jīng)濟(jì)、容易維修。缺點(diǎn)是精度低、對環(huán)境變化和外界干擾十分敏感。閉環(huán)系統(tǒng)是在工業(yè)與國防領(lǐng)域，應(yīng)用十分廣泛。閉環(huán)系統(tǒng)較開環(huán)系統(tǒng)，具有一系列的優(yōu)點(diǎn)，例如精度高、動態(tài)性能好、對環(huán)境變化靈敏

2、度低，以及抗干擾能力強(qiáng)等。缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，價格比較昂貴，不容易維修。而閉環(huán)系統(tǒng)雖然可以獲得十分良好的控制精度。但是，受機(jī)械傳動件的非線性影響嚴(yán)重，只有在要求高精度的場合，才采用閉環(huán)控制。因為各種部影響定位精度的因素都可以得到補(bǔ)償。一般的，經(jīng)濟(jì)、實用型的數(shù)控機(jī)床則采用半閉環(huán)控制。顯然，半閉環(huán)控制比全閉環(huán)控制容易實現(xiàn)，可節(jié)省投資。因此，本課題改造采用半閉環(huán)控制。對于本系統(tǒng)改造，閉環(huán)與半閉環(huán)的區(qū)別在于位置反饋傳感器的安裝位置。如安裝在滾珠絲杠上為間接測量；安裝在工作臺上為直接測量。位置控制環(huán)內(nèi)僅包含絲杠的扭轉(zhuǎn)剛度及部分間隙，所以穩(wěn)定性不是問題。因此半閉環(huán)控制系統(tǒng)可避免傳動機(jī)構(gòu)非線形（如齒隙、齒輪

3、摩擦、非剛性等）引起系統(tǒng)產(chǎn)生極限環(huán)和爬行震蕩。但絲杠與螺母之間的滯后得不到補(bǔ)償，所以定位精度比閉環(huán)低。如圖1.1：圖 1.1 半閉環(huán)控制系統(tǒng)12 運(yùn)動方式的確定 數(shù)控系統(tǒng)按運(yùn)動方式可分為點(diǎn)位控制系統(tǒng)、點(diǎn)位/直線系統(tǒng)和連續(xù)控制系統(tǒng)。如果要求工作臺或刀具沿各坐標(biāo)軸的運(yùn)動有確定的函數(shù)關(guān)系，即連續(xù)控制系統(tǒng)應(yīng)具備控制刀具以給定速率沿加工路徑運(yùn)動的功能。具備這種控制能力的數(shù)控機(jī)床可以加工各種外形輪廓復(fù)雜的零件。因此，本機(jī)床的數(shù)控化改造后具有在點(diǎn)位控制系統(tǒng)中不具有連續(xù)控制系統(tǒng)中才具有的軌跡計算裝置，而連續(xù)控制系統(tǒng)中卻具有點(diǎn)位系統(tǒng)的功能。13 執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳動方式的確定 為確保數(shù)控系統(tǒng)的傳動精度和工作平穩(wěn)性，在設(shè)

4、計機(jī)械傳動裝置時，通常提出低摩擦、低慣量、高剛度、無間隙、高諧振以及適宜阻尼比的要求。設(shè)計中需要考慮了以下幾點(diǎn)： 1）盡量采用低摩擦的傳動和導(dǎo)向元件。如采用了滾珠絲杠螺母傳動副、滾動導(dǎo)軌等 2）盡量消除傳動間隙。例如采用消除齒輪等。 3）提高系統(tǒng)剛度?？s短傳動鏈可以提高系統(tǒng)的傳動剛度，減小傳動鏈誤差。可采用預(yù)緊的方法提高系統(tǒng)剛度。例如采用預(yù)加負(fù)載的滾動導(dǎo)軌和滾珠絲杠副等。14 計算機(jī)的選擇 根據(jù)機(jī)床要求,采用16位微機(jī).由于mcs-96系列單片機(jī)具有集成度高,可靠性好功能強(qiáng)速度快、抗干擾功能強(qiáng)等特點(diǎn)，采用了mcs-96系列的8098單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng)。 控制系統(tǒng)由微機(jī)部分、鍵盤及顯示器、i/o接口

5、及光電隔離電路、直流伺服電機(jī)功率放大電路及光電編碼器反饋電路等組成。系統(tǒng)的加工程序和控制命令通過鍵盤操作實現(xiàn)，顯示器采用數(shù)碼管顯示加工數(shù)據(jù)及機(jī)床狀態(tài)等信息。2 機(jī)床機(jī)械傳動設(shè)計機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)械系統(tǒng)與一般的機(jī)械系統(tǒng)相比，除要求具有較高的精度之外，還應(yīng)具有良好的動態(tài)響應(yīng)特性，就是說響應(yīng)要快、穩(wěn)定性要好。一個典型的機(jī)電一體化系統(tǒng)，通常由控制部件、接口電路、功率放大電路、執(zhí)行元件、機(jī)械傳動部件、導(dǎo)向支承部件，以及檢測傳感器部件等部分組成。這里所說的機(jī)械系統(tǒng)一般由減速裝置、絲杠螺母副、蝸輪蝸桿副等各種線性傳動部件以及連桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)等非線性傳動部件、導(dǎo)向支承部件、旋轉(zhuǎn)支承部件、軸系及架體等機(jī)構(gòu)組成

6、。為確保機(jī)械系統(tǒng)的傳動精度和穩(wěn)定性，盡量做到無間隙、低摩擦、低慣量、高精度、高諧振頻率、適當(dāng)阻尼等要求。21 滾珠絲杠螺母副圖 2.2 滾珠絲杠螺母副普通的螺旋傳動廣泛地用于將回轉(zhuǎn)運(yùn)動變換為直線運(yùn)動。由于螺桿與螺母之間為滑動摩擦，在磨損和精度方面不能滿足一些高精度機(jī)電一體化系統(tǒng)的要求。滾珠絲杠螺母副則是為了克服普通螺旋等方面的缺點(diǎn)發(fā)展起來的一種傳動機(jī)構(gòu)。它用滾動摩擦螺旋取代了滑動螺旋摩擦，具有磨損小、傳動效率高、傳動平穩(wěn)、壽命長、精度高、溫度低等優(yōu)點(diǎn)。它具有的運(yùn)動摩擦小、便于消除傳動間隙的突出優(yōu)點(diǎn)，對于機(jī)電一體化系統(tǒng)性能的改善大有益處。但是，它不能自鎖，用于升降傳動時需要加鎖緊裝置，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，

7、成本高。在絲杠和螺母上先加工出弧形螺旋槽，再將兩者套裝在一起形成螺旋滾道，在螺旋滾道中裝滿滾珠。當(dāng)絲杠螺母相對運(yùn)動時，兩者發(fā)生相對軸向移動，而滾珠在閉合回路中形成滾珠鏈的反復(fù)循環(huán)運(yùn)動，以此將普通螺旋傳動的滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦。本設(shè)計采用內(nèi)循環(huán)式。內(nèi)循環(huán)方式的滾珠在循環(huán)過程中始終與絲杠表面保持接觸。內(nèi)循環(huán)方式的優(yōu)點(diǎn)是滾珠循環(huán)的回路短、流暢性好、效率高、螺母的徑向尺寸也較小。其不足是反向器加工困難、裝配調(diào)整也不方便。2.1.2 間隙消除及預(yù)緊 滾珠絲杠螺母副廣泛用于閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)中，如果傳動存在間隙非線性，將使控制性能變差，故一般要采取措施消除間隙并適當(dāng)預(yù)緊。本設(shè)計中采用雙螺母螺紋式。通過擰緊圓

8、螺母達(dá)到消除間隙和預(yù)緊的目的。該方法結(jié)構(gòu)簡單，但較難控制，容易松動，準(zhǔn)確性和可靠性均較差。22 軸系軸系是由軸及安裝在軸上的齒輪、帶輪等傳動部件組成。軸系的主要作用是傳遞轉(zhuǎn)矩、及傳遞精確的回轉(zhuǎn)運(yùn)動，它直接承受外力（力矩）。對于中間傳動軸系一般要求不高。對于完成主要作用的主軸軸系的旋轉(zhuǎn)精度、剛度、熱變形及抗震性等要求較高。2.2.1.1 齒輪的特點(diǎn) 齒輪傳動部件是轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的變換器。齒輪傳動是目前機(jī)械傳動中應(yīng)用最廣泛、最重要的一種傳動。它具有以下特點(diǎn)： 1、傳動平穩(wěn)，傳遞運(yùn)動準(zhǔn)確可靠。 2、齒輪傳動的功率和圓周速度的范圍較大。 3、齒輪傳動結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，效率高。 4、承載能力強(qiáng)，使用壽

9、命長。缺點(diǎn)是制造和安裝精度要求高，因此，成本比較大。2.2.1.2 齒輪的最佳速比分配條件 齒輪系常用于機(jī)電伺服系統(tǒng)的減速增矩。在本數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的齒輪箱中，有四個齒輪。設(shè)齒輪傳動比第一級為i1，第二級為i2。當(dāng)i2近似等于i1*i2/1.414時為最佳速比分配條件。該條件也近似使用于多級減速裝置。一般，齒輪傳動級數(shù)增加，齒輪傳動的總慣量就減少。但傳動效率要降低，齒隙和摩擦的來源也隨之增加。因此應(yīng)在傳動級數(shù)和傳動比的分配方面綜合權(quán)衡。2.2.1.3 齒輪間隙的消除 齒輪的間隙是全閉環(huán)伺服系統(tǒng)中影響系統(tǒng)穩(wěn)定的主要非線性因素之一。消除齒輪間隙分剛性調(diào)整法和柔性調(diào)整法。對于帶錐度齒輪法結(jié)構(gòu)中，是將

10、帶錐度的齒輪軸向移動直至消除齒輪副間隙為止。2.2.2 軸承 軸承是用來支承軸的專門部件，在保持軸的旋轉(zhuǎn)精度的同時，減少轉(zhuǎn)動軸與支承之間的摩擦與磨損。軸承分為滾動軸承和滑動軸承。滾動軸承已標(biāo)準(zhǔn)化系列化，有向心、推力軸承、向心軸承和推力軸承。共十種類型。本設(shè)計中采用了深溝球軸承和推力軸承。對于軸系用球軸承有單列向心球軸承和角接觸球軸承。前者一般不能承受軸向力，且間隙不能調(diào)整，常用于旋轉(zhuǎn)精度和剛度要求不高的場合。后者既能承受徑向載荷也能承受軸向載荷，并且可以通過內(nèi)外圈之間的相對位移來調(diào)整其間隙之大小。輕載時應(yīng)用廣泛。推力軸承：51000系列（單向）推力球軸承，其軸向承載能力很強(qiáng)，支承剛度很大，但極

11、限轉(zhuǎn)速較低，運(yùn)動噪聲較大。2.2.3 提高軸系性能的措施1)、提高軸系的旋轉(zhuǎn)精度 a）提高軸頸與架體（或箱體）支承的加工精度； b）用選配法提高軸承裝配與預(yù)緊精度； c）軸系組件裝配后對輸出軸的外徑、端面及內(nèi)孔通過互為基準(zhǔn)進(jìn)行精加工。 2)、提高組件的抗振性 a）提高軸系組件的固有振動頻率、剛度和阻尼； b）消除和減少強(qiáng)迫振動振源的干擾作用； c）采用吸振、隔振和消振裝置。23 導(dǎo)軌導(dǎo)向支承部件的作用是支承和限制運(yùn)動部件按給定的運(yùn)動要求和規(guī)定的運(yùn)動方向運(yùn)動。這樣的部件通常被稱為導(dǎo)軌副，簡稱導(dǎo)軌。導(dǎo)軌副主要由承導(dǎo)件和運(yùn)動件兩大部分組成。機(jī)電一體化對導(dǎo)軌副的基本要求是導(dǎo)向精度高、剛性好、運(yùn)動輕便平

12、穩(wěn)、耐磨性好、溫度變化影響小以及結(jié)構(gòu)工藝性好等。2.3.1 滾動導(dǎo)軌的優(yōu)缺點(diǎn)目前，滾動導(dǎo)軌在數(shù)控機(jī)床上的應(yīng)用非常廣泛，因為其摩擦系數(shù)小，f=0.00250.005動、靜摩擦系數(shù)很接近，且?guī)缀醪皇苓\(yùn)動速度變化的影響，運(yùn)動輕便靈活，所需驅(qū)動功率小；摩擦發(fā)熱小，磨損小，精度保持良好；低速運(yùn)行時不易出現(xiàn)爬行現(xiàn)象，因而定位精度高。它的缺點(diǎn)是：導(dǎo)軌面與滾動體是點(diǎn)接觸或面接觸，所以抗振性差，接觸應(yīng)力大對導(dǎo)軌的表面硬度、表面形狀精度和滾動體的尺寸精度要求高，若滾動體的直徑不一致，導(dǎo)軌表面有高低，會使運(yùn)動部件傾斜，產(chǎn)生振動，影響運(yùn)動精度；結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難，本較高；對臟物比較敏感，必須有良好的防護(hù)裝置。2.3.

13、2 滾動導(dǎo)軌的預(yù)緊方式滾動導(dǎo)軌經(jīng)過預(yù)緊，可以顯著地提高其精度。通常經(jīng)過預(yù)緊的導(dǎo)輪的剛度可以比沒有預(yù)緊的高三倍左右。因此，對于顛覆力矩較大，或要求接觸剛度或移動精度較高的導(dǎo)軌均應(yīng)進(jìn)行預(yù)緊。但預(yù)緊力應(yīng)適當(dāng)，預(yù)緊力過大會使?fàn)恳︼@著增加。常用的預(yù)緊方法有兩種：采用過益配合或采用調(diào)整元件。2. 4 機(jī)座機(jī)座或機(jī)架是支承其它零件的基礎(chǔ)部件。它既能承受其它零件的重量和工作載荷，又起保證各零部件相對位置的基準(zhǔn)作用。機(jī)座多采用鑄件，機(jī)架多由型材裝配或焊接構(gòu)成。其基本特點(diǎn)是尺寸較大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工多面，幾何精度和相對精度要求較高。因此，在設(shè)計時考慮到了機(jī)床的總體精度，機(jī)架或機(jī)座的變形和振動將直接影響機(jī)床的質(zhì)量和

14、正常運(yùn)轉(zhuǎn)，故要滿足其剛度和抗振性等。2. 5 機(jī)械設(shè)計計算 將一臺ck6163普通車床改造成微機(jī)數(shù)控，采用mcs-96系列單片機(jī)控制系統(tǒng)，直流伺服電機(jī)半閉環(huán)控制，具有直線和圓弧插補(bǔ)功能，其主要設(shè)計參數(shù)如下： 加工最大直徑： 在床面上 500mm 在床鞍上 280mm 加工最大長度： 1000mm 溜板及刀架重力： 縱向 800n 橫向 1100n 刀架快速速度： 縱向 1.2m/min 橫向 0.6m/min 最大進(jìn)給速度： 縱向 0.3m/min 橫向 0.6m/min 主電機(jī)功率： 11kw 啟動加速時間： 30ms 機(jī)床定位精度： 0.015mm2.5.1 根據(jù)機(jī)床精度要求確定脈沖當(dāng)量縱

15、向：0.01mm/步；橫向：0.005mm/步（半徑）2.5.2 計算切削力 1） 縱車外圓 主切削力fz（n）按經(jīng)驗公式估算： fz=0.067dmax=0.67*500=7491n 按切削力各分力比例： fz：fx：fy=1：0.25：0.4 fx=7491*0.25=1873n fy=7491*0.4=2996n 2） 橫切端面 主切削力fz1（n）可取縱切的1/2。 fz1=fz/2=3745n 此時走刀抗力為fy1（n），吃刀抗力fx1（n）。仍按上述比例粗略計算： fz1：fy1：fx1=1：0.25：0.4 fy1=3745*0.25=936n fx1=3745*0.4=1497

16、n2.5.3 滾珠絲杠螺母副的計算與選型1) 計算進(jìn)給率引力fm（n）縱向進(jìn)給為綜合型導(dǎo)軌 fm=k*fx+f（fz+g） (2.1) =1.15*1873+0.16（7491+800）=3529n式中 k考慮顛復(fù)力矩影響的實驗系數(shù)，綜合導(dǎo)軌取k=1.15 f滑動導(dǎo)軌摩擦系數(shù)： 0.150.18 g溜板及刀架重力： g=800n。 2) 計算最大動負(fù)載c (2.2) c= *fw*fm l=60*n*t/1000000n=1000*vs/l0式中 l0滾珠絲杠導(dǎo)程，初選l0=10mm； vs最大切削力下的進(jìn)給速度，此處vs=0.6m/min；t使用壽命，按15000h；fw運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)，按一般運(yùn)轉(zhuǎn)

17、取fw=1.21.5；l壽命、以1000000轉(zhuǎn)為1單位；n=1000*0.6*0.5/10=30r/minl=60*30*15000/1000000=27c=14251n3) 滾珠絲杠螺母副的選型查閱相關(guān)資料，可采用kgt-n3210-rh內(nèi)循環(huán)螺紋調(diào)整預(yù)緊的雙螺母滾珠絲杠,外徑32mm，導(dǎo)程10mm，額定動負(fù)載c=33400n，剛度為k=810n/um,精度等級選為3級。4) 傳動效率計算 =tg/tg（+） (2.3)式中 螺旋升角，nl4506=226 摩擦角取10滾動摩擦系數(shù)0.0030.004 =tg/tg（+）=tg226/tg（226+10）=0.935) 剛度驗算 如圖2.2

18、是縱向進(jìn)給滾珠絲杠支承方式草圖。最大牽引力3528n。支承間距l(xiāng)=1000mm, 絲杠螺母及軸承均進(jìn)行預(yù)緊，預(yù)緊力為最大軸向負(fù)荷的1/3。圖 2.3 進(jìn)給滾珠絲杠支承方式 a) 絲杠的拉伸或壓縮變形量1 查相關(guān)資料，根據(jù)pm=3528n，d0=45mm，查出l/l=0.000013，可算出: 1=1500*l/l=0.02由于兩端均采用向心推力軸承，且絲杠又進(jìn)行了預(yù)拉伸，故其拉壓剛度可以提高4倍。其實際變形量1（mm）為：1=1/4=0.005b) 滾珠與螺紋滾道間接觸變形2查相關(guān)資料n系列1列2.5圈滾珠和螺紋滾道接觸變形量2：q=5.8um因進(jìn)行了預(yù)緊，2=q/2=5.8/2=2.9umc

19、) 支承滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形3 采用8107推力球軸承，d1=30，滾動體直徑dq=6.35mm，滾動體數(shù)量z=15 c=0.0024 fm*fm/dq*z*z=0.0094因施加了預(yù)緊力，故3=c/2=0.0094/2=0.0047綜合以上幾項變形量之和：=1+2+3=0.005+0.0029+0.0047=0.00810.015滿足定位精度。6) 滾珠絲杠兩端推力軸承，不會產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象不需作穩(wěn)定性校核。2.5.4 確定齒輪傳動比原來機(jī)床的傳動齒輪已消除間隙，為減小傳動誤差，增加可靠性，齒輪箱和齒輪在原有的基礎(chǔ)上去掉一級齒輪副，采用一級減速。本次半閉環(huán)光電編碼器選用分辨率為1000 l

20、ine/r，橫向脈沖當(dāng)量為0.01mm，滾珠絲杠螺距為10mm，則齒輪傳動比：i= =1即，縱向傳動可以不用減速機(jī)構(gòu)，讓電機(jī)直接連接滾珠絲杠。2.5.5 直流伺服電機(jī)的選擇 1） 負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量的估算折算到縱向伺服電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動慣量可按下式估算： (2.4)式中 折算到電動機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動慣量（kg.cm） w縱向移動部件得重力（800n） 估算參數(shù)(0.01) 步距角（0.36）=(800/9.8)(（1800.01）/(3.140.36) =2.0698kg.cm2） 負(fù)載轉(zhuǎn)矩計算及最大靜轉(zhuǎn)矩的計算根據(jù)能量守恒原理，電動機(jī)等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩=3.28n.m (2.5)若不考慮啟動時運(yùn)動部件慣性的影響，

21、則啟動轉(zhuǎn)矩取安全系數(shù)為0.3 ，則3.28/0.3=10.9n.m因數(shù)控機(jī)床對動態(tài)性能要求較高，確定電動機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩時應(yīng)滿足快速空載啟動時所需轉(zhuǎn)矩t的要求 =+式中為空載快速啟動時所需的轉(zhuǎn)矩（n.m）為克服摩擦力所需的轉(zhuǎn)矩（n.m）為絲杠預(yù)緊所引起的折算到電機(jī)軸上的附加轉(zhuǎn)矩（n.m）當(dāng)工作臺快速移動時，電機(jī)的轉(zhuǎn)速： (2.7) =（12001）/10=120r/min有動力學(xué)可知： (2.8) 式中 為角加速度，計算公式為= (2.9)則 =2.070.0001（3.14120）/(300.03)=0.087 n.m= (2.10) =(8000.16100.001)/(23.140.930.

22、981)=5.01 n.m= (2.11)=(0.337491100.001)/ (23.140.930.981)=4.3 n.m =+=4.3+5.01+0.087=9.4 n.m根據(jù)計算綜合考慮，選擇直流電機(jī)的型號為： 140zw-02 ,額定轉(zhuǎn)矩11n.m 2.5.6 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計計算已知條件：橫向工作臺重力w=1100n,時間常數(shù)t=25ms，由于橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計計算與縱向類似，估計算過程略。 選擇滾珠絲杠的型號： kgt-n3220-rh 直流電機(jī)型號為 140zw-02,額定轉(zhuǎn)矩12.5n.m.3 微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計3. 1 單片微機(jī)設(shè)計概述8098是intel公司于

23、1988年一季度推出的準(zhǔn)16位嵌入式微控制器（內(nèi)部數(shù)據(jù)總線為16位，外部數(shù)據(jù)總線為8位），它與mcs-96系列中的其他芯片相比具有性能高，功能全，售價低廉，使用方便等優(yōu)點(diǎn)，非常適合在我國推廣使用。3.1.1系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖圖 3.1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖設(shè)計說明：用戶根據(jù)零件圖紙，按照規(guī)定的格式，編制出若干零件加工程序，然后通過鍵盤把程序輸入計算機(jī)，計算機(jī)在管理程序的控制下，通過專用控制程序（數(shù)控軟件）把用戶加工程序（應(yīng)用軟件）轉(zhuǎn)化成一定數(shù)量（位移）和頻率（速度）的脈沖型信號。這些指令經(jīng)過擴(kuò)展的i/o口和光電隔離，在經(jīng)過功率放大，然后驅(qū)動兩臺直流伺服電機(jī)，帶動工作臺和刀架完成縱、橫兩個方向的進(jìn)給，使車

24、刀走出直線或圓弧等軌跡。工作臺的位移量通過編碼器檢測出來反饋回計算機(jī)形成閉環(huán)。刀架上可裝四把刀，當(dāng)需要換刀時，由計算機(jī)發(fā)出驅(qū)動刀架旋轉(zhuǎn)的信號，經(jīng)過驅(qū)動電路使刀架電機(jī)旋轉(zhuǎn)，帶動刀架換位。主軸脈沖編碼器是用來車削螺紋的。它把主軸旋轉(zhuǎn)的角位移以脈沖的形式輸給計算機(jī)，計算機(jī)通過軟件控制使車刀的進(jìn)給運(yùn)動與工件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動保持正確的運(yùn)動關(guān)系。主軸脈沖編碼器的進(jìn)給脈沖用來控制車刀的進(jìn)給量，以保證工件每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)刀架移動一個螺紋導(dǎo)程；零位脈沖用來控制車刀切入工件的起始位置，保證多次走刀螺紋時不亂牙。在微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，cpu的選擇應(yīng)考慮以下因素： 1)、時鐘頻率和字長，這個指標(biāo)將控制數(shù)據(jù)處理的速度。 2)、可擴(kuò)展存儲

25、器（包括rom和ram）的容量。 3)、指令系統(tǒng)功能，影響編程靈活性。 4)、i/o口擴(kuò)展的能力，即對外設(shè)控制的能力。此外還考慮到了系統(tǒng)應(yīng)用場合，控制對象對各種參數(shù)的要求，以及經(jīng)濟(jì)價格比等要求。此次畢業(yè)設(shè)計要求使用16位單片機(jī)，因此選擇intel 8098單片機(jī)。3.1.2 存儲器擴(kuò)展電路的設(shè)計 存儲器擴(kuò)展電路的設(shè)計包括程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器的擴(kuò)展。 在選擇程序存儲器芯片時，考慮到了cpu與eprom時序的匹配，最大讀出速度、工作溫度及存儲芯片的容量等問題。 在存儲器擴(kuò)展電路的設(shè)計中包括地址鎖存器和譯碼電路的設(shè)計3.1.2 i/o口即輸入/輸出接口電路設(shè)計 包括接口芯片的選用，直流伺服電機(jī)控制

26、電路，鍵盤顯示電路和其它輔助電路（如復(fù)位電路，越界報警電路等）。3. 2 8098單片機(jī)的基本特性mcs-96系列單片機(jī)的集成度很高，是集片內(nèi)存儲器、片內(nèi)輸入/輸出部件和cpu于一體的準(zhǔn)16位優(yōu)良單片機(jī)系統(tǒng)。3.2.1 8098單片機(jī)的基本特性 1) 準(zhǔn)16位嵌入式微控制器（內(nèi)部數(shù)據(jù)總線為16位，外部數(shù)據(jù)總線為8位）; 2) 高性能的16位cpu寄存器算術(shù)邏輯單元（ralu），232字節(jié)寄存器陣列； 3）高速輸入/輸出（hsi/hso）; 4) 帶有采樣/保持（s/h）電路的4通道10位a/d轉(zhuǎn)換器； 5) 中斷控制器和等待狀態(tài)產(chǎn)生邏輯； 6） 一個同步/異步串行口； 7） 兩個16位定時器和

27、一個監(jiān)視定時器； 8） 一個可供d/a轉(zhuǎn)換器使用的脈寬調(diào)制（pwm）輸出； 9） 片內(nèi)設(shè)有時鐘發(fā)生器；3.2.2 8098芯片引腳及其功能8098芯片具有48引腳，如下圖所示：圖 3.2 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖引腳功能定義表：表3.1 8098引腳功能表符號名稱及功能vcc主電源(+5v)vss數(shù)字地。共有兩個vss引腳都必須接地vpdram備用電源(+5v)。在正常操作期間應(yīng)加上此電源。在掉電情下，若在vcc下降到低于規(guī)定值之前(vpd應(yīng)保持在規(guī)定范圍之內(nèi))reset有效，則8098片內(nèi)寄存器陣列頂部的16字節(jié)山窖將保持不變。在掉電期間，reset應(yīng)一直保持低電平，直至vcc恢復(fù)到規(guī)定的范圍內(nèi)且振蕩

28、器達(dá)到穩(wěn)定時為止vref片內(nèi)ad轉(zhuǎn)換器的參考電壓（+5v）,他也是ad轉(zhuǎn)換器模擬部分的電源電壓，以及讀po口操作所需的邏輯電壓angnd片內(nèi)ad轉(zhuǎn)換器的參考電壓（+5v）,他也是ad轉(zhuǎn)換器模擬部分的電源電壓，以及讀po口操作所需的邏輯電壓.vppeprom型芯片的編程電壓xtal1片內(nèi)振蕩器中反相器的輸入,也是片內(nèi)時鐘發(fā)生器的輸入,通常接外部晶體xtal2片內(nèi)振蕩器中反相器的輔出,通常接外部晶體reset復(fù)位信號輸入端ea存儲器選擇輸入端。ea=1，cpu尋址存儲器2000h3fffh單元時，訪問的是片內(nèi)rom(8398)；ea=0則訪問的是片外存儲器+此引腳內(nèi)部有下拉作用若外部無驅(qū)動，它總保

29、持低電平ale/adv地址塤存允許(ale)或地址有效輸出(adv)。它們由ccr寄存器選擇。兩者都提供了一個鎖存信號，以便把地址從地址數(shù)據(jù)總線中分離出來。當(dāng)選擇adv功能時，在總線周期結(jié)束時，此引腳變高。adv可作為外部存儲器的片選信號。aleadv僅在外部存儲器訪問期間才有效rd對外部存儲器的讀信號(輸出)wr對外部存儲器的寫信號(輸出)ready準(zhǔn)備就緒信號(輸入)。用來延長對外部存儲器的訪問周期，以便使芯片能夠與慢速或動態(tài)存儲器接口。它也可用于總線共享總線周期最多可延長至lus。當(dāng)不使用外部存儲器時，此信號無效，通過ccr寄存器可控制插入到總線周期中的等待狀態(tài)數(shù),reday引腳內(nèi)部有微

30、弱的上拉作用，當(dāng)無外部驅(qū)動時此引腳為高電平hsi高速輸入部件的信號輸人端。共有4個hsl輸入引腳：hsi.0、hsi.l、hfsi.2、hsi.3其中兩個引腳(hsi.2、hsi.3)與hso部件共用hso高速輸出部件的信號輸出端。共有6個hso輸出引腳 hso.0、hso.l、hso.2、hso.3，hso.4、hso.5，其中兩個引腳(hso 4、hso 5)與hsi部件共用p0口4位高輸入阻抗口。這些引腳既可作為數(shù)字輸入口，還可用作ad轉(zhuǎn)換器的模擬輸人口(ach4ach7)p2口4位多功能口。在8098中，它們除了可用作標(biāo)準(zhǔn)的io口外，還可用作其它特殊功能p3口和p4口具有漏極開路輸出的

31、8位雙向口。這些引腳用作多路復(fù)用地址數(shù)據(jù)總線和地址總線它們的引腳內(nèi)部具有極強(qiáng)的上拉作用3. 3 存儲器擴(kuò)展電路的設(shè)計在對機(jī)床的數(shù)控化改造過程中，對單片機(jī)進(jìn)行開發(fā)時，遇到了存儲器的擴(kuò)展問題，單片機(jī)的內(nèi)部雖然設(shè)置了一定容量的存儲器，但是這種存儲器的容量較小，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了實際需要，因此需要從外部進(jìn)行擴(kuò)展，配置外部存儲器，包括程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器，同時還需要對單片機(jī)的i/o口進(jìn)行擴(kuò)展，這就需要配置一定的輸入設(shè)備和輸出設(shè)備，這樣才能滿足系統(tǒng)的工作需要。在設(shè)計擴(kuò)展存儲器時，要從下面幾點(diǎn)進(jìn)行考慮。1) 系統(tǒng)對外部存儲器需求的種類和容量.系統(tǒng)是否需要eprom，ram及eeprom。所需的容量是多少。2)

32、8098尋址空間為64k字節(jié)應(yīng)對其片外的程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器及io空間進(jìn)行統(tǒng)一編址。3) 時序分析與連線根據(jù)所選用存儲器的特性、工作方式參數(shù)及時序的要求來確定與8098的接口如何連接。8098單片機(jī)使用16位多路復(fù)用地址和8位數(shù)據(jù)總線，此外配合總線口進(jìn)行總線存取操作的還有引腳rd、wr、aleadv、ready、ea等控制信號。使用這些信號與一些常規(guī)接口芯片連行擴(kuò)展很容易構(gòu)成較大規(guī)棋的應(yīng)用系統(tǒng)。3.3.1 程序存儲器的擴(kuò)展3.3.1.1 2764eprom圖3.2為2764的引腳圖：圖 3.2 2764芯片引腳圖各引腳功能如 表3.2表3.2 2764引腳功能表 名稱 功能 名稱 功能 ao

33、一a16 地址線 vpp 編程電源 ce 片選 pgm 編程 oe 輸出允許 vc 電源(+5v) o0o7 數(shù)據(jù)輸出 gnd 地 nc 空2764一般可有三種工作方式應(yīng)用干8098系統(tǒng)之中，值得注意的是這三種工作方式的所有輸入輸出與cmos和ttl電平兼容。 ）讀工作方式：一般說來eprom在地址線穩(wěn)定后使用兩個引腳(片選腳ce輸出允許oe)控制讀取數(shù)據(jù)。片選腳(ce)是電源控制，用于設(shè)備選擇；輸出允許腳(oe)是輸出控制，用于選擇輸出引腳中有數(shù)據(jù)輸出還是高阻狀態(tài)。假設(shè)地址線(a0a16)穩(wěn)定不變，片選腳(ce)與輸出允許腳(oe)都為低時經(jīng)過一段時間延遲后該地址的數(shù)據(jù)就會被讀到數(shù)據(jù)口1(d

34、od7)。 ）維持工作方式：當(dāng)片選信號(ce)為高電平時，芯片進(jìn)入維持工作方式，這樣可以減步芯片的功耗，一般在1mw以下這時數(shù)據(jù)口輸出呈現(xiàn)高阻狀態(tài) ）輸出禁止工作方式：當(dāng)輸出允許信號(oe)為高電平時，芯片進(jìn)入輸出禁止工作方。市場上購買的eprom，在其出廠前所有存儲單元的數(shù)據(jù)均為1，用戶可通過相應(yīng)的eprom寫入裝置(如8088開發(fā)系統(tǒng)、all03等)，將應(yīng)用程序編程到芯片中在系統(tǒng)中使用如果應(yīng)用程序需要改寫可將eprom芯片在紫外線(光強(qiáng)度為15000uwcm2)光下照射其窗口約20分鐘，存儲單元各位數(shù)據(jù)會被最新置1，然后就可再次使用。3.3.1.2 地址鎖存器由于mcs-96單片機(jī)的p3口

35、是分時復(fù)用的地址/數(shù)據(jù)總線，因此在進(jìn)行程序存儲器擴(kuò)展時必須利用地址鎖存器將地址信號從地址/數(shù)據(jù)總線中分離開來。 通常，地址鎖存器可使用帶三態(tài)緩沖輸出的八d鎖存器74ls373或8282，地址鎖存信號為ale。本系統(tǒng)用的是74ls373，它的鎖存控制端le可直接與單片機(jī)的鎖存控制信號端ale相連，在ale下降沿進(jìn)行地址鎖存。74ls373芯片如圖3.3圖 3.3 73ls373芯片引腳373的輸出端o0-o7可直接與總線相連。 當(dāng)三態(tài)允許控制端oe為低電平時，o0o7為正常邏輯狀態(tài)，可用來驅(qū)動負(fù)載或總線。當(dāng)oe為高電平時，o0-o7呈高阻態(tài)，即不驅(qū)動總線，也不為總線的負(fù)載，但鎖存器內(nèi)部的邏輯操作

36、不受影響。 當(dāng)鎖存允許端le為高電平時，o隨數(shù)據(jù)d而變。當(dāng)le為低電平時，o被鎖存在已建立的數(shù)據(jù)電平。 當(dāng)le端施密特觸發(fā)器的輸入滯后作用，使交流和直流噪聲抗擾度被改善400mv。引出端符號： d0d7 數(shù)據(jù)輸入端 oe 三態(tài)允許控制端（低電平有效） le 鎖存允許端 o0-o7 輸出端3.3.1.3 譯碼電路8098單片機(jī)允許擴(kuò)展64k數(shù)據(jù)存儲器（包括i/o口芯片），這樣就需要擴(kuò)展多個外圍芯片，因而需要把外部地址空間分配給這些芯片，并且使程序存儲器各芯片之間、數(shù)據(jù)存儲器各芯片之間（包括i/o口芯片）地址互相不重疊，以使單片機(jī)訪問外部存儲器時，避免發(fā)生沖突。當(dāng)8098數(shù)據(jù)總線分時地與各個外圍芯

37、片進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時，首先要進(jìn)行片選（指選中某一個芯片），而當(dāng)片內(nèi)有多字節(jié)單元時，還要進(jìn)行片內(nèi)地址選擇。 規(guī)則如下： 1）程序存儲器與數(shù)據(jù)存儲器獨(dú)立編址。它們的地址可以重疊使用?？科x信號和控制信號：ale、rd和wd區(qū)分訪問對象。 2）外圍i/o芯片與擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲器統(tǒng)一編址。外圍i/o芯片不僅占用數(shù)據(jù)存儲器地址單元，而且使用數(shù)據(jù)存儲器的讀/寫控制信號與讀/寫指令。 3）cpu訪問外部存儲器地址編碼cpu p4口提供高8位地址（a8-a15），p3口經(jīng)外部地址鎖存器后提供低8位地址（a0-a7）。 地址譯碼的方法有兩種：線選法和全地址譯碼。1) 線選法：即把單獨(dú)的地址線（通常是p2口的某一根線）直

38、接接到外圍芯片的片選端上,只要該地址線為低電平，就選中該芯片。若系統(tǒng)只擴(kuò)展少量的ram和i/o接口芯片，可采用線選法。譯碼中未用到的地址位可設(shè)成“1”或“0”。2) 全地址譯碼法：將低位地址線作為片內(nèi)地址，而用譯碼器對高位地址進(jìn)行譯碼，譯出的信號作為片選線。通常用于擴(kuò)展容量較大的系統(tǒng)。常用譯碼芯片是74ls138。74ls138芯片如圖3.4 圖 3.4 74ls138芯片表3.3 74ls138功能表e3e1e2cbay7y6y5y4y3y2y1y0100000111111101000011111110110001011111011100011111101111001001110111110

39、01011101111110011010111111100111011111111000111111其他狀態(tài)3.3.2 數(shù)據(jù)存儲器的擴(kuò)展 在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)存儲器一般都采用靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲器。最常用的靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲器有6116(zk8)、6264(8k8)兩種。6264是：8k8位的靜態(tài)隨機(jī)存儲器芯片，采甩cmos工藝制造，單 +5v電源。額定功耗200mw，典型存取時間為200ns，為28pin雙列直插式(dip)封裝，其引腳定義如圖3. 5所示，其引腳功能見表.。芯片功能表見表3.3圖. 5引腳定義表3.4 6264引腳功能表 名稱 功 能a0a12地址線cs1,cs2片選0e輸出允許we

40、寫允許io0io7數(shù)據(jù)輸入輸出vcc電源(+5v)gnd地nc空由表3.3可以看出6264芯片可由面?zhèn)€片選腳(csl、cs2)、輸出允許(oe)、寫允許(we)和地址線來控制寫入和讀出數(shù)據(jù)。常用的幾種方法如下：1) 片選(csl)控制方式 將地址線與8098單片機(jī)地址線相連，輸出允許(oe)、寫允許(we)與8098的讀(rd),寫(wd)信號相連。片選(cs2)接高電平。地址譯碼線與片選(cs1)相連其為低電平有效。在低電平持續(xù)一段時間后(如6264200為200ns，)該地址單元的數(shù)據(jù)就會被讀出或?qū)?shù)據(jù)口上的數(shù)據(jù)寫入該地址單元。2) 片選(cs2)控制方式 這種工作方式與片選(cs1)控制

41、方式基本相同，所不同的是片選(cs1)接低電平，片選(cs2)與地址譯碼線相連，其為高電平有效。3) 片選(cs1、cs2)組合控制方式 這種方法與前兩種方法所不同的是：可分別使用片選(cs1、cs2)進(jìn)行譯碼，使得在無總線競爭發(fā)生時，線路連接有更大的靈活性。本設(shè)計采用片選(csl)控制方式3.3.3 eeprom存儲器 eeprom是一種電擦除電可編程的只讀存儲器。可作為程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器使用，其主要優(yōu)點(diǎn)是能在應(yīng)用系統(tǒng)中進(jìn)行在線改寫并能在斷電情況下保存數(shù)據(jù)。其有并行eeprom和串行eeprom兩種類型，具體有如下特點(diǎn): 1) 采用+5v擦除的eeprom后，通常不須設(shè)置單獨(dú)的擦除操作，

42、可在寫入的過程中自動擦除快速的擦除時間為200us，最長的約需loms左右，所以在設(shè)計應(yīng)用系統(tǒng)時應(yīng)首先查閱有關(guān)的手冊，確定擦除時間，在軟件設(shè)計時確保有足夠的寫入時間。 2） 在采用并行eeprom時，eeprom可作為程序存儲器，按照eprom的連接方法編址，如果作為散據(jù)存儲器，則按照靜態(tài)ram連接方法編址。 3） 在串行eeprom芯片中，地址與數(shù)據(jù)的傳送方式都是串行方式，它們體積小，電路連接簡單(兩線傳送或三線傳送)，價格低廉，不占用地址總線與數(shù)據(jù)總線，但是，數(shù)據(jù)傳送速率低。 常用的并行eeprom型號有：28c16a(2k8)，28cl7a(2k8)28c64a(8k8)等，本設(shè)計采用2

43、8c64a，其引腳定義見圖3.6、工作方式如表3.4所示圖. 62864引腳定義表3.5 2864引腳功能表名稱功 能aoa12地址線ce片選0e輸出允許we寫允許i/o0-i/07數(shù)據(jù)輸入/輸出rdybusy準(zhǔn)備好/忙vcc+5vvss地nc空2864與8098的接法與6264（ram）與8098的接法基本相同，只不過2864只有一個片選端ce，它與74ls138的y5輸出端相連。3.4 i/o接口電路8255a可編程io口及擴(kuò)展在8098單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計時，對其i0口的使用應(yīng)根據(jù)具體應(yīng)用場合而確定。對于簡單外設(shè)的輸入輸出，可使用i0接口直接檢測控制。但對比較復(fù)雜的應(yīng)用系統(tǒng)。單片機(jī)本身提供

44、的io口顯然不夠使用因此需要在單片機(jī)上擴(kuò)展i0口來實現(xiàn)系統(tǒng)功能要求。最常用的并行接口芯片為8255a。8255a是可編程的并行io接口芯片，它可用程序來改變功能，通用性強(qiáng)。使用靈活，通過它可直接將單片機(jī)總線接向外設(shè)。3.4.1 8255a的結(jié)構(gòu) 8255a的原理如圖3.7所示它有兩個8位并行端口pa和pb。還有兩個4位并行端口：pc的高4位和pc的低4位每個端口均能通過控制寄存器編程確定為全部輸入或全部輸出，也可確定為指定的功能。它的管腳采用40線雙列直播式封裝內(nèi)部原理如圖3.7所示，引腳圖如圖3.8, 引腳功能見表3.6。圖. 78255a的原理圖1）數(shù)據(jù)端口pa、pb、pc 8255a有三

45、個8位并行口pa、pb、pc，它們都可以選擇為輸入或輸出工作方式，但在功能和結(jié)構(gòu)上有些差異。 pa口：具有一個8位數(shù)據(jù)輸出鎖存緩沖器，一十8位數(shù)據(jù)輸入鎖存器。 pb口：具有一個8位數(shù)據(jù)輸入輸出鎖存緩沖器一個8位數(shù)據(jù)輸入鎖存器。 pc口：具有一個8位數(shù)據(jù)輸出鎖存緩沖器一個8位數(shù)據(jù)輸入緩沖器(輸入沒有鎖存)。 pa口和pb口可作為輸入輸出口而pc口除了可作為輸入輸出口外，還可作為pa口、pp,口狀態(tài)控制信號 2） a組和b組控制電路 這是兩組根據(jù)8098命令控制8255a工作方式的控制電路。此外還可根據(jù)8098的命令對pc口的每一位實現(xiàn)按位“復(fù)位”或“置位”。 a組控制pa口和pc4pc7； b組

46、控制pb口和pc0pc3。圖. 88255a引腳圖3） 數(shù)據(jù)總線緩沖器是一個三態(tài)雙向8位緩沖器，它是8255a與系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線的接口輸入輸出的數(shù)據(jù)、輸出指令以及cpu發(fā)出的控制字都是通過這十緩沖器傳送的。4） 讀寫和控制羅輯 a0、a1和cs為8255a的口選擇信號和片選信號，rd及wr為對8255a的讀寫控制信號。這些信號分別和8098單片機(jī)的地址線和讀寫信號線相連接，實現(xiàn)對8255a的口選擇和數(shù)據(jù)傳送。這些控制信號的組合可以實現(xiàn)8098單片機(jī)對8255a的pa口、pb口、pc口和控制信號的尋址，見表3.65） reset復(fù)位信號：高電平有效，置8255a于基本操作狀態(tài)，pa口、pb口及pc口

47、均為輸入方式。表3.6 8255a端口選擇csrdwralao端口選擇及其操作01000數(shù)據(jù)傳送端口a01001數(shù)據(jù)傳送端口b01010數(shù)據(jù)傳送端口c01011控制字送控制寄存器00100端口a數(shù)據(jù)送數(shù)據(jù)總線00l01端口b數(shù)據(jù)送數(shù)據(jù)總線00110端口c數(shù)據(jù)送數(shù)據(jù)總線00l11無操怍（d7d0三態(tài))1禁止(d7d0三態(tài))011無操作(d7d0三態(tài))3.4.2 8255a工作方式的選擇 8255a有三種基本的工作方式 1) 方式0，基本輸入輸出方式。 2) 方式1 ，選通輸入輸出方式。 3) 方式2，雙向傳送。 其工作方式的選擇由8098輸出的方式控制字來決定。 1） 方式選擇控制字 8255a

48、工作方式的選擇由8098寫入一個控制字到8255a的控制寄存器來確定，方式控制字格式如圖3.9所示。 在方式選擇控制字中，d7=l是其特征標(biāo)志位。這時，a組可選擇三種工作方式，方式0、方式1及方式2。而b組只能選擇方式0或方式1 。 若8255a編程a 口為方式0輸入，b 口為方式1輸出。pc7-pc4為輸出，pc3-pco為輸入，則其程序為： ldb al，#95h ;取控制字 ld bx，#19bh ;取控制口地址 stb al，bx ;送控制宇 2） 端口c置位復(fù)位控制字 在向控制寄存器寫入控制字時如果d7=0，則是對端口c置位復(fù)位的控制字，此時，由控制字的d3d1指明對端口c的哪一位進(jìn)行操作，而d0位則指明對端口的操作是置位(do=1)還是復(fù)位(d0=0)d6d4為任意值，不影響操作，這一功能可使8255a作為位控接口來實現(xiàn)對外設(shè)的接位控制。 圖. 9 8255a方式選擇控制字例如：要使端口c的pc7=1，則控制字為ofh，而要使pc3=0，則控制字為06h。設(shè)8255a的控制端口地址為19bh其程序如下： ldb al，#0fh ；設(shè)置pc7=1的控制字 lb bx#19bh ；取控制口地址 stb al，bx ；置pc7=l ldb al，#06h ；設(shè)置pc3=0的控制字 st