经济型数控车床控制系统硬件电路设计.doc
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1、 南京工程学院 自动化学院 本科毕业设计(论文)题目: 经济型数控车床控制系统硬件电路设计 专 业: 自动化(数控技术应用) 班 级: 数控033 学 号: Z35702203 学生姓名: 王 慧 蕴 指导教师: 华茂发 副教授 起迄日期: 2007.32007.6 设计地点: 实验楼 _Graduation Design (Thesis)Hardware Design of Economic NC LatheByWANG HuiyunSupervised byAssociate Prof. HUA MaofaDepartment of Automation EngineeringNanjin
2、g Institute of TechnologyJune, 2007摘 要本文详细地介绍了经济型数控车床控制系统硬件电路的设计过程。该控制系统主要可分为四部分设计:CPU存储器扩展电路设计、显示电路设计、手动键盘和编辑键盘电路设计以及I/O扩展电路设计。在CPU存储器扩展电路设计中, CPU选用MCS-51系列的8031单片机,外扩32K的程序存储器和 8K的数据存储器,分别用于存放系统管理程序、数控加工程序以及运算数据;在显示电路设计中,选用MCS-51系列的89C2051单片机作为从CPU,控制三排LED显示器,用于X轴、Z轴动态坐标以及相关数字的动态显示;在手动键盘和编辑键盘设计中选用
3、8155芯片的PA口和PC口作为行、列母线,扩展矩阵式编辑键盘,用于程序和数据的输入或编辑,同时选用8031单片机的P1口扩展手动键盘,用于系统启动、停止以及运动部件在X、Z轴方向的手动控制;在I/O口扩展电路设计中选用8255芯片扩展输入输出口,用于接收和传送开关量及相关信息。总体来说,该设计电路简单、开发成本低、可靠性高,在此基础上,进一步完善硬件,并开发控制软件,对经济型数控车床,尤其是功能要求不高的经济型车床,具有一定的应用价值。关键词:数控车床;控制系统;电路设计ABSTRACTThis paper introduced the hardware design of the econ
4、omy numerical control lathe in detail, which mainly includes four parts: RAM/ROM, display module, keyboard and system I/O. In the design, a MCS-51 series microprocessor, 8031, is chosen as the system CPU, a 32K ROM is used to store the system software and an 8K RAM, to store NC code and operation da
5、ta respectively. Another MCU, 89C2051 is used to realize the control of the three rows LED monitor showing coordinates of axis X and Z axis and other state of the system. Charnel A and C of 8155 are used for editor keyboard, which make the inputting or editing of the NC code and data possible. Charn
6、el P1 of 8031 is used for the operation keyboard such as system power on/off and movement of axis X or Z. a programmable parallel I/O chip, 8255, is used to achieve system I/O and the transmission of other information. In summarize, the system developed is characterized by its simplicity, low develo
7、pment cost and high reliability. It can find its actual value in the development of economic NC lathe, especially for those whose function is not desired so much. Key words: Numerical Control Lathe; Control System; Circuit Design目 录 第一章 绪论11.1 引言1 1.2 选题背景与意义21.3 研究现状31.4 本文的结构4第二章 经济型数控车床控制系统硬件电路设计
8、方案的拟定52.1 控制对象及要求5 2.2 总体控制方案的拟定5 2.2.1 主CPU的选用5 2.2.2 外扩存储器的确定62.2.3 显示电路的确定6 2.2.4 扩展键盘及I/O口电路的确定72.2.5 总体方案的结构框图7第三章 经济型数控车床控制系统硬件电路设计83.1 CPU时钟及复位电路设计83.1.1 时钟电路设计8 3.1.2 复位电路设计8 3.2存储器扩展电路设计9 3.2.1 程序存储器扩展电路设计9 3.2.2 数据存储器扩展电路设计113.3 显示电路设计143.3.1 数字动态显示电路设计14 3.3.2 功能字显示电路设计163.4 手动键盘和编辑键盘电路设计
9、173.4.1 手动键盘电路设计18 3.4.2 工作方式选择开关电路设计203.4.3 编辑键盘电路设计21 3.5 I/O接口扩展电路设计233.6 步进电机控制信号输出电路设计283.7 译码电路设计293.7.1 扩展芯片选择译码电路设计29 3.7.2 显示位选择译码电路设计31第四章 控制系统原理图及PCB图的绘制324.1 控制系统电路原理图的绘制方法及步骤324.2 控制系统电路PCB图的绘制方法及步骤35第五章 结论37 5.1 论文总结375.2 感想38致谢39参考文献40附录A:英文资料41附录B:英文资料翻译55附录C:硬件设计原理图与PCB图67附件: 毕业论文光盘
10、资料 第一章 绪 论1.1 引言科学技术和社会生产的不断发展,对机械产品的质量和生产率提出越来越高的要求。机械加工工艺过程的自动化是实现上述要求的最重要措施之一。它不仅能够提高产品的质量,提高生产效率,降低生产成本,还能够大大改善工人的劳动条件。许多生产企业(例如汽车、拖拉机、家用电器等制造厂)已经采用了自动机床、组合机床和专用自动生产线。采用这种高度自动化和高效率的设备,尽管需要很大的初始投资以及较长的生产准备时间,但在大批大量的生产条件下,由于分摊在每一个工件上的费用很少,经济效益仍然非常显著的。但是,在机械制造工业中并不是所有的产品零件都具有很大的批量,单件与小批量生产的零件(批量在10
11、100件)约占机械加工总量的80%以上。尤其是在造船、航天、航空、机床、重型机械以及国防部门,其生产特点是加工批量小、改型频繁,零件的形状复杂而且精度要求高,采用专用化程度很高的自动化机床加工这类零件就显得和不合理,因为需要经常改装与调整设备,对于专用生产线来说,这种改装与调整甚至是不可能实现的。近年来,由于市场竞争日趋激烈,为在竞争中求得生存与发展,各生产企业不仅要提供高质量的产品,而且频繁地改型,缩短生产周期,以满足市场上不断变化的需要。因此,即使是大批量生产,也改变了产品长期一成不变的做法。频繁地开发新产品,使“刚性”的自动化设备在大批生产中也日益暴露其缺点。已经使用的各类仿型加工机床部
12、分解决了小批量、复杂零件的加工。但在更换零件时,必须制造靠模和调整机床,不但要耗费大量的手工劳动,延长了生产准备周期,而且由于靠模误差的影响,加工零件的精度很难达到较高的要求。为解决上述这些问题,来满足多品种、小批量的自动化生产,迫切需要一种灵活的、通用的、能够适应产品频繁变化的柔性自动化机床。数字机床就是在这样的背景下诞生与发展起来的。它极其有效地解决了上述一系列矛盾,为单件、小批量生产的精密复杂零件提供了自动化加工手段。数控机床就是将加工过程所需的各种操作(如主轴变速、松夹工件、进刀与退刀、开车与停车、选择刀具、供给冷却液等)和步骤以及刀具与工件之间的相对位移量都用数字化的代码来表示,通过
13、控制介质(如穿孔纸带或磁带)将数字信息送入专用的或通用的计算机,计算机对输入的信息进行处理与运算,发出各种指令来控制机床的伺服系统或其它执行元件,使机床自动加工出所需要的工件。数控机床与其它自动机床的一个显著区别在于当加工对象改变时,除了重新装夹工件和更换刀具之外,只需要更换一条新的穿孔纸带或磁带,不需要对机床作任何调整。我国在研制与推广使用数控机床方面取得了一定成绩。近年来,由于引进了国外的数控系统与伺服系统的制造技术,是我国数控机床在品种、数量和质量方面得到了迅速发展。目前我国已有几十家机床厂能够生产不同类型的数控机床和加工中心机床。我国经济型数控车床的研究、生产和推广工作也取得了较大的进
14、展,它必将对我国各行业的技术改造起到了积极的推广作用。目前,在数控技术领域中,我国和先进的工业国家之间还存在着不小的差距,但这种差距正在缩小。随着工厂、企业技术改造的深入开展,各行各业对数控机床的需要量将会大幅度的增长,这将有力地促进数控机床的发展。毫无疑问,数控机床必然会在我国四化建设中发挥越来越大的作用。1.2 选题背景与意义我国数控车床发展,始于20世纪70年代,通过30余年的发展,我国目前生产的数控车床,分为经济型数控车床、中档型数控车床和高档型数控车床三种档次,其中经济型数控车床约占数控车床产量90%。经济型数控车床,价格低廉,设备费用投入较少,可以广泛地满足企业发展初期的需要,特别
15、是受到民营经济企业的欢迎,仍是我国当前数控车床的主流产品。经济型数控车床主要特点有:1)价格低廉,性价比适中,大约是同等配置带伺服电动机系统的1/4或更低。它特别适合于普通机床的改造,适合在生产第一线大面积推广。2)适合于多品种、中小批量的自动化生产,对产品的适应性强,在普通机床上加工的产品大都可以在经济型数控产品上加工。加工不同零件,只需改变加工工序,并且能很快适应和达到批量生产。3)提高产品质量,降低废品损失。数控装置有较高的加工精度,加工出的产品尺寸一致性好、合格率高。4)能解决复杂零件的加工精度控制问题。5)节约大量工装费用,降低生产成本。手工操作需要大量不同类型的靠模和成形刀具,用经
16、济型数控车床加工可以不用工装,不仅节约了工装费用,还减轻了工具制造部门的压力。6)减轻了工人的劳动强度。使用经济型数控车床可将工人从紧张、繁重的体力劳动中解脱出来。7)提高工人素质,促进技术进步。数控系统的出现扩大了工人的视野,带动了学习微电子技术的热潮,为工人由“体力型”向“智力型”过渡创造了条件,促进了工厂的技术进步。8)增强了企业应变能力,为提高企业竞争能力创造了条件。企业应用经济型数控系统对设备进行改造后,提高了加工精度和批量生产的能力,同时又保持“万能加工”和“专用高效”这两种属性,提高设备自身对产品更新换代所需要的应变能力,增强企业的竞争能力。全功能的数控车床虽然功能丰富,但成本高
17、,我国一般中小企业购置困难,中小企业为了发展生产,希望对原有机床进行改进,进行数控化、自动化,以提高生产效率。经济型数控车床就是结合现实的生产实际和我国的国情,在满足基本功能的前提下,尽可能降低价格。由于其独特的优点,经济型数控车床被大量的中小企业看好。当前,我国步入市场经济不久,一般国有制造企业正处于在改革和调整的时期,资金严重不足;制造业的民营企业刚刚成长,同样资金也非常紧张,不可能付出大量资金购买高档次数控设备。而大量的机械零件需要高速加工制造,需要大量便宜且自动化程度很高的设备。由于步进电动机的数控系统在某种意义上可以装备这个档次的设备,作为中高档数控车床的替补和填充,因此它仍有存在的
18、空间和时间,有它在一定时期存在的必要性。1.3 研究现状从1960年开始至今,世界经济强国如德国、日本、法国、意大利等纷纷开发、生产及使用数控机床。1958年中国也开始着手数控技术的研究,并于1968年在北京第一机床厂研制出中国第一台数控车床。随着国内数控厂家(主要有:武汉华中数控、北京航天数控、沈阳蓝天数控、广州数控GSK、成都广泰数控GREAT、威海华东数控等)的增加,众多的应用广泛的数控系统应运而生。国内数控系统在高中、低挡领域均有涉及,且在国内制造业应用广泛,并且正向纳米级精度、高可靠性、进给高速的数控领域进军。“十五”期间国产数控机床发展很快。从技术上看,数控车床技术比较成熟,通过技
19、术引进和合作生产、消化吸收和自主创新,我国已掌握了数控车床设计和制造技术。从产品水平上看,我国已能自行开发设计各种低中高档数控车床。从品种上看,我国生产的数控车床品种比较齐全,每年都有数控车床新品种,可供各方面用户选用。从生产规模上看,国产经济型数控车床已形成规模生产,有十余家企业生产规模达到年产千台以上。“十五”期间我国数控车床进入了发展快速期,生产产量由2001年的10022台增加到2005年的37811台,增长3.77倍;产值由2001年的11.53亿元增加至2005年的61.63亿元,增长5.35倍。平均单台产值由2001年的11.6万元增加至2005年的16.3万元。数控车床的消费量
20、由2001年的13123台增加到2005年的42551台,消费额由2001年的3.06亿美元增加到2005年的11.8亿美元。国产数控车床的市场占有率逐年提高,按台数计,由2001年的72.5%上升到2005年的88.9%;按金额计,由2001年的43.5%上升到2005年的65.3%,接近2/3。在经济型数控系统中,我国具有很大优势,在当前每年数千台经济型数控车床和电加工机床市场上,国产数控系统是一枝独秀,为我国计算机数控系统的发展做出了贡献,在世界数控技术发展史上占有重要的一页。现在的经济型数控车床大多数是以单片机为控制核心,以步进电机为驱动,以开环控制方式为基础,采用立式4工位刀架,比起
21、中高档数控车床来说定位精度相对较低,刀具数量少,加工范围较窄,加工精度较低,有一定的使用局限性,但是经济型数控车床的功能实用,软件功能不低于同样配置的一般伺服电动机的功能,因此基本上能满足加工要求。目前,我国生产经济型数控车床的企业已超过50余家,全国年产量已超过30000台以上,已达到相当的规模。国产经济型数控车床受到国外跨国机床公司的产品和其在国内合资企业和独资企业生产的产品双重挑战,在产品技术、月产量、规模上都不及外国公司和合资企业。因而,当前要加速经济型数控车床产业化程度,通过制造技术和管理技术的提升,提高国产经济型数控车床的性价比和质量稳定性,缩短交货期,争取更多的国内市场份额。在这
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