车床改造说明书

目录

摘要 ……………………………………………………………………………….2 前言 ………………………………………………………………………………2 一、 概述 ……………………………………………………………………….……3 1.1 课题研究的背景 …………………………………………………………3 1.2课题研究的意义、目的、必要性、可行性 ……………………3 1.3国内外机床的现状 …………………………………………………………4 二 、总体方案设计 …………………………………………………………………..4

2.1机床总的改造 ……………………………………………………………4

2.2原机床的控制 …………………………………………………………….4

2.3现在机床改造的方案………… ……………………………………….5

三 、控制系统设计……………………… …………………………………………..5

3.1硬件电路设计 ……………… …………………………………………..7

3.2软件设计…………………… ……………………………………………..21

四、典型零件加工实例………… …………………………………………………..29

五、结束语…………………… ………………………………………………….…….31

六、参考文献 …………… ……………………………………………………………32

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一、 概述

1.1课题研究的背景

目前，我国机械制造业拥有相当数量的普通车床，其突出的矛盾是生产效率低、劳动强度大、加工精度低、适应性差、不能加工复杂的零件。而我国机床的数控化率不到3%，无论从数控技术水平和数控化率都大大落后于先进的西方发达国家。从上个世纪后期，我国开始调整产业结构、产品结构和生产方式，作为自动化生产的基础设备———数控机床，还远远满足不了工厂里逐年增加的生产需求。对于机械制造企业，单纯靠购买新的数控机床，所需的投资大，为了节约资金，降低成本利用原来的部分普通机床进行数控化改造，提高普通机床数控化率，是一种有效的途径。

1.2课题研究的意义、目的、必要性、可行性分析

1.2.1 1）节省资金。 机床的数控改造同购置新机床相比一般可节省60%左右的费用，大型及特殊设备尤为明显。一般大型机床改造只需花新机床购置费的1/3。即使将原机床的结构进行彻底改造升级也只需花费购买新机床60%的费用，并可以利用现有地基。2）性能稳定可靠。因原机床各基础件经过长期时效，几乎不会产生应力变形而影响精度。3） 提高生产效率。 机床经数控改造后即可实现加工的自动化效率可比传统机床提高 3至5倍。对复杂零件而言难度越高功效提高得越多。且可以不用或少用工装，不仅节约了费用而且可以缩短生产准备周期。

1.2.2 用普通机床加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长，从而在国际、国内市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的产品、市场、效益，影响企业的生存和发展，所以必须大力提高机床的数控化率。将普通机床改造成数控机床，不但可提高加工效率，实现自动加工，还可以增加加工复杂型面等功能，提高工艺水平和产品质量，减轻操作者的劳动强度。

1.2.3 普通机械加工设备进行数控化改造的必要性---通常对一台能正常使用的旧机床设备来说，机械部分的剩余价值在60%，电器部分的剩余价值大于20%，经过改造后的使用性能和效率应能达到新设备的70%～80%，使用寿命在6～8年以上（一个大修周期以上），投入总费用在同等新设备的50%左右。

经过改造后的机床，其优势在以下几个方面是普通机床所不可比的：

竞争优势---先进良好的设备是提升企业竞争力的基础保证；精度------ 批量加工一致性好，复杂工件加工精度高；效率-------有一人操作五台数控铣床的先例

1.2.4 在CA6140的基础上采用数控化技术，技能充分利用设备资源，以极小的代价获得性能先进的数控机床，也能让学生在参与数控化改造的过程中进一步理论结合实践，提高基本技能操作水平。更重要的是，在技术应用性人才如此奇缺的外部环境下，可培养出一批实践能力和创新能力较强的技术人才

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1.3机床数控改造技术国内外研究现状

①我国数控机床现况 我国研究数控技术源于1958年，几十年来经过了发展、停滞、引进技术等几个阶段。1985年以后，我国的数控机床在引进、消化国外技术的基础上，进行了大量的开发工作。到1989年底，我国数控机床的可供品种已超过300种，一些较高档次的数控系统，如五轴联动的数控系统、分辨率为0.O2um的高精度车床用数控系统、数字仿真的数控系统、为柔性制造单元配套的数控系统，也陆续开发出来，并制造出了样机。我国数控系统在技术上已趋于成熟，在重大关键技术上(包括核心技术)，已达到国外先进水平。目前，已新开发出数控系统80种。自“七五”以来，国家一直把数控系统的发展作为重中之重来支持，现已开发出具有中国版权的数控系统，掌握了国外一直对我国封锁的一些关键技术。例如，曾长期困扰我国、并受到西方国家封锁的多坐标联动技术对我们已不再是难题，0.1 μm当量的超精密数控系统、数控仿形系统、非圆齿轮加工系统、高速进给数控系统、实时多任务作系统都已研制成功。尤其是基于PC机的开放式智能化数控系统，可实施多轴控制，具备联网进线等功能，既可作为独立产品，又是一代开放式的开发平台，为机床厂及软件开发商二次开发创造了条件。

我国数控机床市场广阔,自2003年开始，中国就成了全球最大的机床消费国，也是世界上最大的数控机床进口国,虽然我们已经取得不可否认的成就, 但我国数控机床核心技术90%仍需进口, 我们只有紧跟先进技术进步的大方向，并不断创新，才能赶超世界先进水平。

②进口数控机床：80年代以来我国政府为满足军工生产需要，进口了大量的数控机床，尤其在航空、兵器等行业，这些机床基本都是精密高档设备，绝大部分是当时的所谓部管设备。这些机床已经到了电气升级换代的时候，前几年由于机械行业的不景气，改造工作欠债很多，大部分此类机床面临电气备件的匮乏，甚至已经处于停机状态，不改造是没有出路的。 进口二手数控机床：近年来，这类机床由于多为企业考虑生产实际需要，自筹资金进口，相对采购成本较低，进口量比较大，其中有些机床进口时就考虑了改造的要求，有些则是进口后，运行了一段时间候就面临着改造的需求。 国产数控机床：我国自90年以后生产的数控机床，大多为中低档数控机床，也同样面临电气系统老化，需要改造，普通机床：我国大量的普通机床应用于生产第一线，这几年，国家加大了对这类机床的改造力度，国防科工委更是推行了万台机床数控化计划，车床、铣床的数控化改造需求量很大。另外则是有些特殊类型或者大型普通机床，由于本身特点以及良好的机械基础，具有生机改造的价值。

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二、总体方案的设计 2．1机床总体的改造

危机数控系统采用8031单片机为控制核心，以步进电机作为伺服驱动装置，以工作台和刀架作为执行部件构成一个开环控制系统，可适用于CA6140、C620、C6132等普通车床或其他种类的中小型机床的数控化改造。

根据CA6140型普通车床的实际状况，经过方案比较，机械部分的改造如下

（1） 保留原车床主轴旋转的主运动；

（2） 纵向运动的改造是卸掉原车床大拖板上的手轮，利

用原开合螺母和大拖板螺杆，在其尾端联结由一个齿轮组成的减速装置，然后与相应的步进电机相连接；

（3） 横向运动的改造是卸掉原车床中拖板上的手柄，脱

开走刀箱与丝杆结合器，将手柄板到空挡上并固定死，在中拖板丝杆左端加由一对齿轮组成的减速装置然后与相应的步进电机相连

（4） 将原光杆拆开除并脱开全部走刀齿轮

（5） 专门设计一套自动电动刀架，它由一个三相异步电

机带动的可自动转换选择的四方刀架

（6） 选用8031单片机控制系统

（7） 在刀架的纵横向运动中，设置安全超程限位保护装

置

2．2 原机床的控制

CA6140是通过纵横向的进给来完成工件的加工，利用手柄集中操纵纵、横向机动进给运动的接通、断开和换向且手柄的方向与刀架运动的方向一致。在加工一些复杂的工件、精度要求高时，要求操纵的工人经验丰富，操作熟练才能保证质量。 2．3改装后机床的控制方案

改造后的数控车床，用户通过键盘将编制的零件的加工程序输入计算机。计算机在管理程序的驱动下，通过装用控制程序，把零件加工程序转化成一定数量和频率的脉冲信号。这些信号通过光电隔离耦合通过驱动器，从而驱动两台步进电机，带动中拖板和大拖板完成纵、横向两个方向的进给。刀架上可装四把刀具，当需要换刀时，由计算机根据数控指令发出驱动刀架旋转的信号，经过驱动电路使刀架电机旋转。刀架转位夹紧后，给计算机一个回答信号，计算机在接到回答信号后在执行一个加工程序。主轴脉冲编码器是用来车削 螺纹的，他将主轴旋转的角位移以电脉冲的形式输入给计算机，计算机通过控制程序控制车刀的进给运动与工件的旋转运动保持正确的运动关系，灵位脉冲来控制车刀切入工件的起始位置，以保证多次走刀时不乱牙。 三、控制系统设计

3.1硬件电路设计

（1）任何一个数控系统都由硬件和软件两部分组成。硬件是

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数控系统的基础，其性能的好坏，直接影响整个系统的工作性能，有了硬件，软件才能有效的运行。机床系统的硬件电路概括起来有以下几部分组成：

① 中央处理单元CPU

② 总线。包括数据总线（DB）、地址总线（AB）和控制总线（CB）

③ 存储器。包括只读可编程存储器和随机读写存储器 ④ I/O口即输入/输出接口电路 ⑤ 外围设备。如键盘、显示器等 其中CPU是数控系统的核心，作用是进行数据运算处理和控制个部分电路协调工作。存储器用于存放系统软件，应用程序和应用程序和运行中所需要的各种数据。I/O接口是系统与外界进行嘻嘻交换的通道。总线则是CPU与存储器、接口以及其他转换电路连接的纽带，是CPU与各部分电路进行信息交换和通讯的必由之路。数控系统硬件框图如下

系统的硬件框图

（2）选择中央处理单元CPU的类型

在危机系统中，CPU的选择应考虑以下几个因素

① 时钟频率和字长，这个指标将控制数据处理的速度 ② 可扩展存储器（包括ROM和RAM）容量 ③ 指令系统功能，影响编程灵活性

④ I/O口扩展能力，即对外设控制的能力

⑤ 开发手段，包括支持开发的软件和硬件电路

此外，还应该考虑到系统应用场合、控制对象和各参数的要求，以及经济价格比等经济性的要求。 （3）存储器扩展电路设计

存储器扩展电路设计应该包括程序存储器和数据存储器的扩展。选择程序存储器芯片时，要考虑CPU与EPROM时序的匹配，还应考虑最大输出速度、工作温度以及存储器的容量等问题。 （4）I/O口即输入/输出接口电路设计

应包括接口芯片的选用，步进电机哭哦告知电路，键盘显示电路以及其他辅助电路的设计

（5）CA6140车床的数控化改造设计

利用MCS~51系列单片机组成的控制系统，该系统扩展了2

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片2764芯片，1片6264芯片和一片8155、2片8255可编程并行I/O口

控制系统的功能

① Z向和X向进给伺服运动 ② 键盘显示

③ 自动转刀架控制 ④ 螺纹加工控制 ⑤ 面板管理 ⑥ 形成控制

⑦ 其他功能：报警电路、急停电路、等 螺纹加工的控制

当加工螺纹时，由与主轴相连的光电脉冲发生器发出螺纹信号和零位螺纹信号，分别送入8031的T0和8155的PB6通过设置不同的时间常数来加工不同螺距的螺纹，零位螺纹信号是防止螺纹乱扣。 3.1.1单片机扩展系统

由于8031没有程序存储器和数字存储器，为了满足要求，所以本系统由一片8031芯片、一片74LS373锁存器、两片2764程序存储器、一片6264数据存储器、一片8155芯片和两片可编程控制器8255芯片组成。由于8031芯片没有对外专用的地址总线和数据总线,那么在进行对外扩展存储器或I/O接口时,首先需要扩展对外总线。通过8031引脚ALE可实现对外总线扩展。在ALE为有效高电平期间, P0 口上输出A7～A0,因而只需在CPU片外扩展一片地址锁存器,用ALE的有效高电平边沿作锁存信号,即可将P0口上的地址信息锁存,直到ALE再次有效。在ALE无效期间P0口传送数据,即作数据总线口。这样就可将P0口的地址线和数据线分开。现选择74LS373 作单片机地址锁存器芯片。74LS373是一个8位的D型锁存器,具有三态总线驱动输出功能,当三态门的使能信号线.E为低电平时,三态门处于导通状态,允许Q端输出;当.E端为高电平时,输出三态门断开,输出端对外电路呈高阻状态。因此,应使三态门的使能信号端.E为低电平,这时,当G输入端为高电平时,锁存器输出(Q1～Q8)状态和输入端(1D～8D)状态相同;当G端从高电平返回低电平时,输入端(D1～D8)的数据锁入Q1～Q8中。74LS373的锁存控制端G与单片机的锁存控制信号端ALE相连,在ALE下降沿进行地址锁存。使能信号端OE接地。

3.1.1．1 外部程序存储器的扩展

外部程序存储器扩展时用作程序存储器的器件是EPROM (紫外线擦除电可编程只读存储器) 和EEP2ROM (电擦除可编程只读存储器) ,常用EPROM。在这里使用EPROM芯片,掉电后信息不会丢失。EPROM芯片有2716 ( 2K ×8 位) 、2732 ( 4K ×8 位) 、2764 (8K ×8位) 、27128 (16K ×8 位) 、27256 ( 31K ×8位) 、27512 (64K ×8位)等,为了减少芯片组合数量,简化扩展电路结构,扩展16KB的EPROM只需选用一片27128,但是,选用27128的扩

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展电路需要用到8031的P215引脚,这样的话, 8031的引脚就不够与3 - 8译码器相连,因此,扩展两片2764芯片。 8031扩展2764的连接图2764EPROM为28 脚双列直插式封装, A0 ～A12为13根地址线,可寻址8KB; D0～D7为数据输出线;CE为片选线; OE为数据输出选通线; PGM是编程脉冲输入端;Vss是编程源;Vcc是主电源。下图031扩展2764的连接图,以扩展一片为例。

从图中看出,接口时主要将2764的地址线、数据线和控制线与8031的三总线对应相连。2764的容量为8KB,有A0～A12共13条地址线,其中A0～A7接地址锁存器的输出,A8～A12接8031的P2.0～P2.4;2764的8条数据线D0～D7直接连接到8031的P0.0～P0.7; 2764的输出允许OE接8031的读选通控制线PSEN。如果是扩展单片EPROM,其片选CE可接地,这里要扩展两片2764,所以选用译码法进行扩展电路,即将片选端接到译码器的译码输出端。这里选用 74LS138译码器,它具有A、B、C三个译码输入端,可组合成8种输入状态; Y7～Y0为八个译码输出端,每个输入端分别对应8种输入状态中的一种。它还有三个译码输出允许控制端E3、E2、E1,当且仅当译码输出允许端E1、E2为低电平, E3为高电平时,译码输出端Y7～Y0中有且仅有一个输出低电平,至于哪个译码输出端输出低电平,则由译码输入端ABC编码对应的二进制决定。这里将片选端接译码器的Y0和Y1; A、B、C三个输入端分别接到8031的P217、P216、P215。输出端接到存储器的片选端。E2、E1端接地, E3端通过一个为13根地址线,可寻址8KB; D0～D7为数据输出线;CE为片选线; OE为数据输出选通线; PGM是编程脉冲输入

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端;Vss是编程电源;Vcc是主电源。图1为8031扩展2764的连接图,以扩展一片为例。从图中看出,接口时主要将2764的地址线、数据线和控制线与8031的三总线对应相连。2764的容量为8KB,有A0～A12共13条地址线,其中A0～A7接地址锁存器的输出,A8～A12接8031的P2.0～P2.4;2764的8条数据线D0～D7直接连接到8031的P0.0～P0.7; 2764的输出允许OE接8031的读选通控制线PSEN。如果是扩展单片EPROM,其片选CE可接地,这里要扩展两片2764,所以选用译码法进行扩展电路,即将片选端接到译码器的译码输出端。这里选用74LS138译码器,它具有A、B、C三个译码输入端,可组合成8种输入状态; Y7～Y0为八个译码输出端,每个输入端分别对应8种输入状态中的一种。它还有三个译码输出允许控制端E3、E2、E1,当且仅当译码输出允许端E1、E2为低电平, E3为高电平时,译码输出端Y7～Y0中有且仅有一个输出低电平,至于哪个译码输出端输出低电平,则由译码输入端ABC编码对应的二进制决定。这里将片选端接译码器的Y0和Y1; A、B、C三个输入端分别接到8031的P2.7、P2.6、P2.5。输出端接到存储器的片选端。E2、E1端接地, E3端通过一个2KΩ的电阻接到+ 5V的电源上。这样,就能保证E2、E1端为低电平, E3端为高电平。又由于8031运行所需的程序指令来自2764,要把其EA端接地,否则, 8031将不会运行。

3.1.1．2 外部数据存储器的扩展

8031单片机内部有128字节RAM存储器。CPU对内部的RAM具有丰富的操作指令,这128字节是远

远不够用的,所以要扩展外部数据存储器。又由于单片机面向控制,实际容量需求不大,所以可以用静态随机存储器SRAM 来扩展。与动态随机存储器相比,SRAM无需考虑保持数据而设置的刷新电路,扩展电路较简单。常用的SRAM 芯片有6116 ( 2KB 3 8 ) 和6264 (8KB3 8)为减少芯片数量,选用6264作为数据存储器扩展芯片。数据存储器空间地址同程序存储器一样,由P2口提供高8位地址, P0口分时提供低8位地址和8位双向数据线。数据存储器的读和写由RD和WR信号控制,而程序存储器由读选通信号PSEN控制,两者虽共处同一地址空间,但由于控制信号不同,故不会发生主线冲突。8031与数据存储器6264的连接图如下图所示。

8031芯片的P0.0~P0.7，P2.0~P2.7作为输出端，与6264的接受端A0~A11相连。

在6264的各引脚中, A0～A12为片内13位地址线; IO0～ IO7为双向数据线; CE为片选信号线; OE为读允许信号线;WE为写信号线。8031的P0口送出的低8 位地址经片外地址锁存器74LS373 锁存后, 接6264芯片的低8位地址端A0～A7,同时6264的数据端D0～D7接到P0口的对应引脚上, 6264的高5位地址A8～A12分别连接到P2口的P2.0～P2.4,形成13位地址总线; 6264 的读/写控制端OE和WE分别接到8031 RD的和WR,以便系统能够对6264 进行正常的读/写操作6264的片选端CE可直接接地,但在这里要把片选端接到译码器的输出端Y2上。

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3.1.1．3 外部I/O口的扩展

因为8031单片机本身提供的输入、输出口线只有P1口和部分P3口线,所以,要对其系统进行I/O口扩展。扩展I/O口所用芯片主要有通用可编程I/O口芯片及TTL或CMOS锁存器、缓冲器电路两大类。I/O口扩展方式主要有并行总线扩展法和串行口扩展法。这里选用可编程I/O口芯片,可编程接口是指其功能可由计算机的指令来改变的接口芯片。可编程接口通过编制程序,可使一个接口芯片执行多种不同的接口功能,使用十分灵活。用它来连接计算机和外设时,不需要或只需要很少的外加硬件。在8031单片机中常用的两种接口芯片: 8255和89155可编程通用并行接口。8255具有3个8位的并行I/O口,具有三种工作方式,可通过编程改变其功能,使用方便,通用性强。8155芯片内包含有256字节RAM, 2个8位和1个6位的可编程并行I/O口, 1个14位定时器/计数器。8155可直接与8031单片机连接,不需要增加任何硬件逻辑。由于8031单片机外接一片8155 后,就综合地扩展了数据RAM、I/O端口和定时器/计数器,因而是8031单片机系统中最常用的外围接口芯片之一,通过比较选择8155扩展外部I/O口。

在8155的控制逻辑部件中,设置有一个控制命令寄存器和一个状态标志寄存器。8155 的工作方式由CPU写入控制命令寄存器中的控制字来确定。控制命令寄存器只能写入不能读出, 8 位控制命令寄存器的低4位用来设置A口、B口和C口的工作方式。8155的A口、B口可工作于基本I/O方式或选通方式, C口可作为输入输出口线,也可作为A口、B口选通方式工作时的状态控制信号线。8031

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与8155可直接相连,其接口方法如下图所示。

AD0～AD7是低8 位地址和数据共用输入口,当ALE = 1时,输入的是地址信息,否则是数据信息。所以8031的P0口与AD0～AD7 相连。片选信号CE与图4 8155扩展IO口的键盘电路

74LS138译码器的Y3相连,当CE = 0时,选中该片, CE= 1时该片未选中。8031的P210与8155的IO / M相连。当IO / . M = 0 时,选中8155 片内RAM,AD0～AD7 为RAM 地址; 若IO / . M = 1 时,选中8155片内3个I/O端口(A、B、C) ,AD0～AD7为I/O口地址。8031的RD和WR分别与8155的RD和WR相连。 3.1.1．4键盘接口电路

键盘在单片机应用系统中是一个很关键的部件,它能实现计算机输入数据、传送命令等功能, 是人工干预计算机的主要手段。 键输入原理：

当按下所设置的功能键或数字键时,计算机应用系统应完成该按键所设定的功能。键信息的输入与软件结构密切相关。对于一组键或一个键盘,需要通过接口电路与CPU相连。CPU可以采用查询或中断方式了解有无键输入并检查是哪一个键被按下,将该键号送入累加器ACC,然后通过散转指令转入执行该键的功能程序,执行完又返回到原始状态。

矩阵式键盘接口电路设计

矩阵式键盘适用于按键数量较多的场合,它由行线和列线组成。本设计扩展了32个键,由一个8位口和一个四位口组成4 ×8的行

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列式键盘。按键设置在行、列线交点上,行、列线分别接到按键开关的两端。行线通过上拉电阻接到+ 5V上。平时无按键动作时,行线处于高电平状态,而当有键按下时,行线电平状态将由与此行线相连的列线电平决定。列线电平如果为低,则行线电平为低;列线电平为高,则行线电平也为高。这一点是识别矩阵键盘按键是否按下的关键所在。键盘中究竟哪一个键被按下,是通过列线逐列置低电平后检查行输入状态来确定的。具体由图4来说明。先令列线PA0输出低电平“0”, PA1～PA7全部输出高电平“1”,读行线PC0～PC3的输入电平。如果读得某行线为“0”,则可确认对应于该行线与列线PA0相交处的键被按下,否则PA0上无键按下。如果PA0列线上无键按下,接着令PA1输出低电平“0”,其余为高电平“1”,再读PC0～PC3,判断是否全为“1”,若是,表示被按键也不在此列,依次类推直至列线PA7。如果所有列线均判断完,仍未出现PC0～PC3读入值有“0”的情况,则表示此次并无键按下。 该键盘工作方式为编程扫描工作方式。这是利用CPU在完成其他工作的空余,调用键盘扫描子程序,来响应键输入的要求,在执行键功能程序时, CPU不再响应键输入要求。

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在键盘扫描子程序中应完成下述几个功能: (1)判断键盘上有无键按下。 (2)去键的机械抖动影响。

(3)求按下键的键号。按照行列式键盘工作原理,图中32个键对应的键号如图4。这种顺序排列的键号按照行首键号与列号相加的办法处理,每行的行首键号依次为0, 8, 16, 24,列号依列线顺序为A～G。

(4)判别闭合的键是否被释放。键闭合一次仅进行一次键功能操作。等键释放后去除键的抖动再将键值送入累加器A中,然后执行键功能操作。图

设在主程序中已把8155初始化为PA口作基本输出口,接键盘列线, PC口作基本输入口,接4根行线。键扫描程序如下(程序中KS为查询有无按键按下子程序,DELAY为延时子程序,延时时间为5～20ms) :

KEY: ACALL KS ;调用KS判断有无键按下 JNZ K1 ;有键按下则转移

ACALL DELAY ;无键按下则调延时子程序 AJMP KEY ;无键按下返回

K1: ACALL DELAY ;加长延时时间,消除键抖动 ACALL DELAY

ACALL KS ;调用KS子程序再次判断有无键闭合 JNZ K2 ;键按下,转逐列扫描 AJMP KEY ;误读键,返回

K2: MOV R2, # 0FEH ;首列扫描字入R2 MOV R4, # 00H ;首列号入R4

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K3: MOV DPTR, # PA ;A口地址送DPTR MOV A, R2

MOVX @DPTR,A ;列扫描字送至8155PA口 INC DPTR ;指向8155PC口 INC DPTR

MOVX A, @DPTR ;读取行扫描值

JB ACC. 0,L1 ;第0行无键按下,转查第1行 MOV A, # 00H ;第0行有键按下,该行首键号 #0H→A

AJMP LK ;转求键号

L1: JB ACC. 1,L2 ;第1行无键按下,转查第2行

MOV A, # 08H ;第1行有键按下,该行行首键号#08H→A AJMP LK ;转求键号

L2: JB ACC. 2,L3 ;第2行无键按下,转查第3行

MOV A, # 10H ;第2行有键按下,该行行首键号#10H→A AJMP LK ;转求键号

L3: JB ACC. 3,NEXT ;第3行无键按下,改查下一列 MOV A, # 18H ;第3行有键按下,该行首键号 #18H→A

LK: ADD A, R4 ;形成键码送入A PUSH ACC ;键号进栈保护 K4: ACALL DELAY

ACALL KS ;等待键释放 JNZ K4 ;未释放,等待

POP ACC ;键释放,键号→ACC RET ;键扫描结束,返回 NEXT: INC R4 ;修改列号 MOV A, R2

JNB ACC. 7, KEY ;第7位为0,已扫描完最高列转KEY RL A ;未扫描完,扫描字左移一位,转变为下一列扫描字 MOV R2,A ;扫描字暂存R2 AJMP K3

KS: MOV DPTR, #PA ;A口地址送DPTR MOV A, # 00H

MOVX @DPTR,A ;全扫描字#00H入PA口 INC DPTR ;指向PC口 INC DPTR

MOVX A, @DPTR ;读入PC口行状态

CPL A ;变正逻辑,以高电平表示有键按下 ANL A, # 0FH ;屏蔽高4位

RET ;出口状态, (A) 0≠0时有键按下 3.1.2电机接口电路的设计 3.1.2 .1 步进电机的选用

步进电机是一种能将数字输入脉冲转换成旋转或直线增量运动

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的电磁执行元件。每输入一个脉冲电机转轴步进一个步距角增量。电机总的回转角与输入脉冲数成正比例，相应的转速取决于输入脉冲频率。

步进电机是机电一体化产品中关键部件之一，通常被用作定位控制和定速控制。步进电机惯量低、定位精度高、无累积误差、控制简单等特点。广泛应用于机电一体化产品中，如：数控机床、包装机械、计算机外围设备、复印机、传真机等。

选择步进电机时，首先要保证步进电机的输出功率大于负载所需的功率。而在选用功率步进电机时，首先要计算机械系统的负载转矩，电机的矩频特性能满足机械负载并有一定的余量保证其运行可靠。在实际工作过程中，各种频率下的负载力矩必须在矩频特性曲线的范围内。一般地说最大静力矩Mjmax大的电机，负载力矩大。

选择步进电机时，应使步距角和机械系统匹配，这样可以得到机床所需的脉冲当量。在机械传动过程中为了使得有更小的脉冲当量，一是可以改变丝杆的导程，二是可以通过步进电机的细分驱动来完成。但细分只能改变其分辨率，不改变其精度。精度是由电机的固有特性所决定。

选择功率步进电机时，应当估算机械负载的负载惯量和机床要求的启动频率，使之与步进电机的惯性频率特性相匹配还有一定的余量，使之最高速连续工作频率能满足机床快速移动的需要。 选择步进电机需要进行以下计算： （1）计算齿轮的减速比

根据所要求脉冲当量，齿轮减速比i计算如下:

i=(φ.S)/(360.Δ) (1-1) 式中φ ---步进电机的步距角（o/脉冲） S ---丝杆螺距（mm) Δ---(mm/脉冲）

（2）计算工作台，丝杆以及齿轮折算至电机轴上的惯量Jt。 Jt=J1+（1/i2)[(J2+Js）+W/g（S/2π)2] （1-2） 式中Jt ---折算至电机轴上的惯量(Kg.cm.s2) J1、J2 ---齿轮惯量(Kg.cm.s2)

Js ----丝杆惯量(Kg.cm.s2) W---工作台重量（N）

S ---丝杆螺距（cm）

（3）计算电机输出的总力矩M

M=Ma+Mf+Mt （1-3）

Ma=（Jm+Jt).n/T×1.02×10ˉ2 （1-4） 式中Ma ---电机启动加速力矩（N.m)

Jm、Jt---电机自身惯量与负载惯量(Kg.cm.s2) n---电机所需达到的转速（r/min） T---电机升速时间（s）

Mf=(u.W.s)/(2πηi)×10ˉ2 （1-5） Mf---导轨摩擦折算至电机的转矩（N.m)

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u---摩擦系数 η---传递效率

Mt=(Pt.s)/(2πηi)×10ˉ2 （1-6） Mt---切削力折算至电机力矩（N.m) Pt---最大切削力（N）

（4）负载起动频率估算。数控系统控制电机的启动频率与负载转矩和惯量有很大关系，其估算公式为 fq=fq0[(1-(Mf+Mt))/Ml）÷(1+Jt/Jm)] 1/2 （ 1-7） 式中fq---带载起动频率（Hz） fq0---空载起动频率

Ml---起动频率下由矩频特性决定的电机输出力矩（N.m) 若负载参数无法精确确定,则可按fq=1/2fq0进行估算.

（5）运行的最高频率与升速时间的计算。由于电机的输出力矩随着频率的升高而下降，因此在最高频率 时，由矩频特性的输出力矩应能驱动负载，并留有足够的余量。

（6）负载力矩和最大静力矩Mmax。负载力矩可按式（1-5）和式（1-6）计算，电机在最大进给速度时，由矩频特性决定的电机输出力矩要大于Mf与Mt之和，并留有余量。一般来说，Mf与Mt之和应小于（0.2 ～0.4)Mmax. 3.1.2.2电机驱动 功能：

①电源电压 驱动器内部的开关电源设计保证了其可以适应较宽的电压范围

②输出电流选择 通过面板第4位拨码开关可以选择驱动器输出的相电流

③细分选择 本驱动器标准型有A、B两种类型，每种类型提供4个细分运行模式。如下图

④单/双相脉冲选择 通过面板第3位拨码开关可以选择单/双相脉冲模式

⑤自动半电流 当输入电压超过135VAC时，或者回馈制动导致总线电压超过180VAC时，过呀保护电路动作，驱动器报警灯（红色）点亮，驱动器暂停驱动电机，在电压恢复到正常值后可自动接触报警。 输入信号

①脉冲信号输入 驱动器端口内置光耦，其从关断到导通变化

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理解为接受一个有效脉冲沿指令。对于共阳极而言低电平为有效，此时驱动器将按照相应的时序驱动电机欲行一步。

②方向信号输入 单脉冲模式下该端的内置光耦的通、断被解释为电机运行的两个方向，信号的改变将使电机运行的方向发生变化，该端的悬空被等效认为输入高电平。

③脱机信号输入 内置光耦导通时电机相电流将被切断，转子处于自由状态，当不需要此功能时，脱机信号端可悬空。典型接线图如下

电路原理

图1给出了H桥驱动电路[ 1 ]与步进电机AB相绕组连接的电路框图.4个开关K1 和K4 , K2 和K3 分别受控制信号a,b的控制,当控制信号使开关K1 , K4 合上, K2 , K3断开时,电流在线圈中的流向如图( a) ,当控制信号使开关K2 , K3 合上, K1 , K4 断开时,电流在线圈中的流向如图( b)所示. 4 个二极管VD1 , VD2 , VD3 , VD4为续流二极管,它们所起的作用是:以图 ( a)为例,当K1 , K4 开关受控制由闭合转向断开时,由于此时线圈绕组AB 上的电流不能突变,仍需按原电流方向流动(即A →B) ,此时由VD3 , VD2来提供回路. 因此,电流在K1 , K4 关断的瞬间由地→VD3 →线圈绕组AB→VD2 →电源+VS 形成续流回路. 同理,在图1 ( b)中,当开关K2 , K3 关断的瞬间,由二极管VD4 ,VD1提供线圈绕组的续流,电流回路为地→VD4→线圈绕组BA→VD1 →电源+VS. 步进电机驱动器中,实现上述开关功能的元件在实际电路中常采用功率MOSFET管.由步进电机H桥驱动电路原理可知,电流在绕组中流动是两个完全相反的方向. 推动级的信号逻辑应使对角线晶体管不能同时导通,以免造成高低压管的直通.

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另外,步进电机的绕组是感性负载,在通电时,随着电机运行频率的升高,而过渡的时间常不变,使得绕组电流还没来得及达到稳态值又被切断,平均电流变小,输出力矩下降,当驱动频率高到一定的时候将产生堵转或失步现象. 因此,步进电机的驱动除了电机的设计尽量地减少绕组电感量外,还要对驱动电源采取措施，也就是提高导通相电流的前后沿陡度以提高电机运行的性能.步进电机的缺陷是高频出力不足,低频振荡,步进电机的性能除电机自身固有的性能外,驱动器的驱动电源也直接影响电机的特性. 要想改善步进电机的频率特性,就必须提高电源电压.

细分原理

步进电机的运行需要各相电流满足一定的时序要求, 而电磁力的大小与绕组通电电流的大小有关, 如果绕组中电流不再是方波, 而是一个分成个台阶的近似阶梯波, 电机每运行一个阶梯即转动一步。当转动小步时, 实际上相当于转过一个步距角, 这就是所谓的细分原理。以二相步进电机为例：式（1）、（2）为A、B相电流公式，式（3）、（4）则为分别的力矩。

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这里K0是转矩的常量，矢量合成式（3）、（4）得到

可见, 细分前后合成力矩并没有变化, 但是电机运行的平稳性却增加了。下图的上半部分为整步运行下的A、B两相的电流图。可以看出点1、2、3、4点的合成力矩相等，但是连续性不好，尤其是在低频运行时会有明显的振动，而经过细分的则不同，将整步的一拍分为四步来完成，即四细分，每一微步的电流合成大小都一样，这样使得每一步过渡更加平稳，有效抑制了振动，并减少了失步。

电路设计

下图给出了驱动器AB相线圈功率驱动部分原理图.

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选用的功率MOSFET元件是IRFP460,其ID =20A, VDSS = 500 V, RDS(ON) = 0. 27Ω.在图2中, 功率MOSFET管VT1 , VT2 , VT3 , VT4 和续流二极管VD11 , VD19 , VD14 , VD22 相当于图1中的K1 ,K2 , K3 , K4 和VD1 , VD2 , VD3 , VD4. 功率MOSFET管的控制信号是由TTL逻辑电平a, a, b, b来提供的,其中a与a, b与b在逻辑上互反. 3.1.2.3接口电路 接口电路如图所示

输入接口电路

由PA0口发出脉冲信号，PA1发出方向想信号指令，PA2口发出脱机指令来实现电机的控制，接线图见下图

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3.2软件设计 3.2.1流程图

系统控制软件根据数控机床的控制和功能要求, 采用模块化程序设计方法设计系统的控制软件系统控制软件包括: ①系统管理程序(见图1) , 其功能是接受命令、执行命令或从命令处理程序返回到管理程序接受命令的环节, 使系统处于新的等待操作状态; ②零件加工源程序的输入处理程序; ③插补程序, 即根据加工程序进行插补运算, 分配送给脉冲; ④伺服控制程序, 即根据插补运算的结果或操作者命令控制步进电动机的速度及方向; ⑤诊断程序, 包括移动部件超程、急停、系统故障诊断、查错等功能; ⑥机床自动加工及手动程序(见图1) , 自动加工包括准备功能(G)、辅助功能(M )、主轴转速功能(S) 和刀具功能(T ) 等; 手动程序多用于调整机床时用; ⑦键盘操作和显示处理程序.

软件采用模块化设计。主要包括主模块、子程序模块和中断处理模块等。

① 主模块

主模块即系统管理程序,开机后即执行该程序。其功能是: 8155I/O 接口初始化,单片机T0 ,T1 定时器/ 计数器初始化, 键盘数据区、显示缓冲区初始化,各种软件标志初始化等。主模板中的监控主要是判别是否有功能键按下,若有则转相对应的功能子程序模块。简化流图如图3 所示。

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图3 主模块流程框图 图4 + Z

方向驱动输出模块流程框图

3. 2. 2 子程序模块

子程序模块根据功能键设计。如工作台移动,在键盘上用↑( + Z) 、↓( - Z ) 、←( - X ) 、→( + X) 4 个不同方向的箭头分别表示四个不同的移动方向。在软件设计中,设键值数据区中的2DH单元为工作台移动标志单元。如图4 所示为+ Z 方向驱动输出模块流程图。利用8155 定时器作脉冲信号源,模块中给出方向字,由硬件环行分配器完成脉冲分配,控制伺服功率步进电动机的运行。

3. 2. 3 中断处理模块

中断处理中包括3 个模块,依据微机数控系统中不同事件的轻重缓急,约定优先级排队序列如表1。

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急停处理及报警中断处理模块的功能是停止一切正常工作,并由复位键RESET 使系统返回到初始报警以发红光显示。其模块流程图如图5 所示。

图5 急停报警中断模块流程框图

3.2.2插补软件设计

第一象限直线插补框图 X、Z向电机从原点开始，进行直

线插补运动，重点为P，坐标为Xe，Ze。其中点坐标值、判中值，偏差值及x、z向电机初值分别放入8031内部RAM各单元中。

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第一象限直线插补框图

参考程序如下

ORG 2300H

MAIN：MOV SP , #60H 设置堆栈指针 MOV DPTR,#9FF8H 8155（2）初始化 MOV A, #0DH A口输出，B口输入

MOVX @DPTR, A C口输出,控制字00001101B.即0DH MOV 4AH, #00H

MOV 49H, #00H 偏差单元清零 MOV 48H, #01H 置Z向电机出态

MOV 47H, #20H 置X向电机出态 MOV A, 4EH 计算判终值低8位 ADD A, 4CH 送入50H.8位+x

MOV 50H, A 低8位相加，送入50H

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MOV A, 4DH 将z高8位与x高8

ADDC A, 4BH 位相加，做为判终值高8 MOV 4FH, A 位送入4FH

MOV A, #21H Z向、X向电机上电 MOV DPTR, #9FF9H 将控制字#21H送入 MOVX @DPTR, A 8155（2）的PA口

LP1： ACALL DLO, 延时1ms

MOV A, 49H 将偏差值高8位送入A

JB ACC.7, LP3 判断F》0？ACC.7为符号位

ACALL ZMP, CLR C, MOV A, 4AH SUBB A, 4CH

MOV 4AH, A MOV A, 49H SUBB A, 4BH MOV 49H, A

LP2： CLR C MOV A, 50H SUBB A, #01H MOV 50H, A

MOV A, 4FH SUBB A, #00H MOV 4FH, A ORL A, 50H

JNZ LP1 LJMP 0000H LP3： ACALL XMP F《0，MOV A, 4AH ADD A, 4EH

MOV 4AH, A MOV A, 49H ADDC A, 4DH MOV 49H, A

SJMP LP2, DLO：MOV R2, #02H

如ACC.7=1， 偏差F为负值

转移至LP3， 否则向下执行

F》0,走一步+z,ZMP为Z向电动

机正传子程序

清进位位 计算新偏差 F’=F-X 清进位位

判终值减1，并送A判断是否 为零 A不为零，转移至楼盘，判断偏

差值F的正负

判终值为零，则插补结束，返

回监控程序

走一步+x,XMP为X向电机正传程序 计算新偏差 F’=F+z 转移至，重新进行判终

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D2： MOV R1, #7DH

D1： DJNZ R1, D1 延时子程序

DJNZ R2, D2 RET

四、典型加工实例

加工零件图

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加工程序

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五、结束语

8031单片机车床控制系统与单板机和其它简易数控系统相比，有其自己的特点，明显的优点是速度快，抗干扰能力强，工作可靠，及管理控制于一体。 经过大量实践证明普通机床数控化改造具有一定经济性、实用性和稳定性。其改造涉及到机械、电气、计算机等领域，是一项理论深、实践强的系统工程。

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。通过对普通车床 CA6140 横向进给机构,使传动系统变得十分简单 ,传动链大大缩短 ,传动件数减少 ,从而提高了机床的加工精度 ,使机床的加工效率得到提高 ,自动化程度提高 ,降低了工人的劳动强度及生产成本 ,具有良好的经济效益 ,适应现在经济的发展。

改造后的机床, 其数控加工能力、自动化水平和加工精度明显提高, 定位准确、可靠, 操作简便。它不仅承担学生的数控实训, 承担生产任务, 更重要的是把技术先进性和经济合理性有机结合。

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参考文献

1、 张新义主编．经济型数控机床系统设计．北京：机械工业出版社，1998 2、 余英良主编．机床数控改造设计与实例．北京：机械工业出版社，1994

3、 王贵明主编．数控实用技术．北京：机械工业出版社，2001 4、 张建纲、胡大锋主编．数控技术．武汉：华中科技大学出版社，2000 5、 张建明主编．机电一体华系统控制．北京：高等教育出版社，2001 6、 邓星钟主编．机电传动控制．武汉：华中科技大学出版社，2001 7、 王爱玲主编．现代数控机床结构与设计．北京：兵器工业出版社，1999 8、 卜云峰主编．机械工业及自动化简明设计手册上下册．北京：机械工业出版社，1999

9、 刘跃南主编.机床计算机数控及应用,北京:机械工业出版社,1997 10、李洪主编.实用机床设计手册.沈阳:辽宁科学技术出版社,1999

11、李群芳、黄建主编．单片机微型计算机也接口技术．北京：电子工业出版社，2001

12、陶晓杰主编.伺服电机用于车床进给系统.制造业自动化，第22期,2000 13、机床设计手册编写组，机床设计手册（第三册），机械工业出版社，1986

14、李立强等主编.控车床自动转位刀台设计，制造技术与车床，2000 15、黄玉美主编.床总体方案的创新设计，设备管理与维修，2000

16、孙桓等主编.机械原理，高等教育出版社, 1995 17、机械工程手册.机械工程手册.机械工业出版社,1900

18、刘淑华.浅谈数控车床主传动系统设计.52668网路博览会.产业频道,2003

19、杨波.浅谈机床数控改造.e-works,e-works论坛,2001

20、大连理工大学工程画教研室主编.机械制图.北京:高等教育出版社,1993

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/qiyg.html