车螺纹毕业论文

第一部分：数控机床应用调查一、 品正数控深孔钻床外型及简介 品正数控深孔钻床外型如图1-1 图1-1品正数控深孔钻床简介：深孔钻 : 自1982年生产以来， 一直占据生产的重要位置。 现市场对模具生产交期需求迫切， 深孔加工机快捷，便利， 不需要铰孔， 一步到位， 成了不可或缺的工具。更兼投资回收成本快速， 是抢占市场的利器。 二、深孔钻在设计上的优点合运水道，热流道，顶针孔，油泵深孔，轧辊孔等深孔加工。 敝司深孔钻在设计上有以下的优点 :1. 工作台， 底座机身， 立柱， 升降台， 全部 FC30铸铁成型， 加工时达至最佳的吸震效果。 2. 床身工作台底座一体成型， 结构一致， 筋骨强壮， 没有立柱与工作台分开的设计。3. 滑轨， 工作台导轨， 采用V型导轨， 保证准确的导向性， 无方轨之侧间隙。滑动时无蛇行现象， 亦能维持滑动之顺畅。在强压下承载座与滑动座更紧密结合。两者接触而能平均受力。长时间运动能维持稳定之动静态精度， 而能达到增长机件寿命及提高加工品质。 4. 滑轨经热处理研磨， 更能保证耐用与刚性。 5. 采用良好的油压泵设计， 控制流量与压力， 确保使用寿命。 6. 另外更采用CNC 换刀系统装置， 只用轻轻按下控制键， 气动锁刀系统。 更换刀具方便。 7. 纸带与磁铁过滤装置， 能将钢材加工中铁屑与切削油废弃的微量元素过滤， 循环再用。三、品正深孔钻规格表深孔钻规格表 型号 MGD-813 MGD-1015 MGD-1520 MGD-1525 Table (单位 mm) 工作台尺寸 400x1500 600x2000 800x2300 800x2800 作业面积 1300x600x800(z1)x400(z2) 1500x600x1000 2000x1000x1500 2500x1000x1500 T型槽 18mmx63mmx5 22x34x5 22x34x7 22x34x7 主轴 主轴进给行程 800 主轴进给速度 (mm/min) 20-5000mm主轴直径 Φ120 主轴端至台面距离 70 mm 电动机 主轴(kw) 磁力分离器(W) 25W 纸带过滤器 25W 铁削排除机 (W) 油压泵 10HPx6P润滑油泵 150Wx2加工能力 加工深度 800 1000 1250 1500 钻孔能力 Φ3-25mm(32)油压系统 切削油桶 (L) 1800LT高压泵压力 (kg/cm2 ) 0-120 高压泵吐出量 (L/min) 5-70最大载重 (kg) 7000 机械净重 (kg) 占地面积 第二部分：数控加工工艺分析要求：能够根据图纸的几何特征和技术要求，运用数控加工工艺知识，选择加工方法、装夹定位方式、合理地选择加工所用的刀具及几何参数，划分加工工序和工步，安排加工路线，确定切削参数。在此基础上，能够完成中等复杂零件数控加工工艺文件的编制（至少两个零件的工艺分析）。一、加工平面凸轮零件上的槽与孔，外部轮廓已加工完，零件材料为HT200。 图、零件图工艺分析 凸轮槽形内、外轮廓由直线和圆弧组成，几何元素之间关系描述清楚完整，凸轮槽侧面与 、 两个内孔表面粗糙度要求较高，为。凸轮槽内外轮廓面和 孔与底面有垂直度要求。零件材料为HT200，切削加工性能较好。 根据上述分析，凸轮槽内、外轮廓及 、 两个孔的加工应分粗、精加工两个阶段进行，以保证表面粗糙度要求。同时以底面A定位，提高装夹刚度以满足垂直度要求。2、确定装夹方案 根据零件的结构特点，加工 、 两个孔时，以底面A定位（必要时可设工艺孔），采用螺旋压板机构夹紧。加工凸轮槽内外轮廓时，采用“一面两孔”方式定位，既以底面A和 、 两个孔为定位基准。3、确定加工顺序及走刀路线 加工顺序的拟定按照基面先行、先粗后精的原则确定。因此应先加工用做定位基准的 、 两个孔，然后再加工凸轮槽内外轮廓表面。为保证加工精度，粗、精加工分开，其中 、 两个孔的加工采用钻孔—粗铰—精铰方案。走刀路线包括平面进给和深度进给两部分。平面进给时，外凸轮廓从切线方向切入，内凹轮廓从过渡圆弧切入。为使凸轮槽表面具有较好的表面质量，采用顺铣方式铣削。深度进给有两种方法：一种是在XOY平面（或YOX平面）来回铣削逐渐进刀到既定深度；另一种方法是先打一个工艺孔，然后从工艺孔进刀到既定深度。4、刀具选择 根据零件特点选用8把刀具，如下表：序号 刀具号 刀具 加工表面 备注 规格名称 数量 刀长/mm 1 T01 ￠5中心钻 1 钻￠5mm中心孔 2 T02 ￠钻头 1 45 ￠20孔粗加工 3 T03 ￠钻头 1 30 ￠12孔粗加工 4 T04 ￠20铰刀 1 45 ￠20孔精加工 5 T05 ￠12铰刀 1 30 ￠12孔精加工 6 T06 90°倒角铣刀 1 ￠20孔倒角×45° 7 T07 ￠6高速钢立铣刀 1 20 粗加工凸轮槽内外轮廓 底圆角 T08 ￠6硬质合金立铣刀 1 20 精加工凸轮槽内外轮廓 5、切削用量选择 凸轮槽内、外轮廓精加工时留㎜铣削余量，精铰 、 两个孔时留㎜铰削余量。主轴转数是1000r/min。二、轴类零件的加工工艺分析与实例 一渗碳主轴（如图2-2），每批40件，材料20Cr，除内外螺纹外～C59。渗碳件工艺比较复杂，必须对粗加工工艺绘制工艺草图（如图）。主轴加工工艺过程工 序 工种 工步 工序内容及要求 机床设备（略） 夹具 刀具 量具1 车 按工艺草图车全部至尺寸工艺要求：（1）一端钻中心孔φ2。（2）1：5锥度及莫氏3＃内锥涂色检验，接触面＞60%。（3）各需磨削的外圆对中心孔径向跳动不得大于 CA6140 莫氏3号铰刀 莫氏3号塞规1：5环规 检查 2 淬 热处理－C59 3 车 去碳。一端夹牢，一端搭中心架 <1> 车端面，保证φ36右端面台阶到轴端长度为40 <2> 修钻中心孔φ5B型 <3> 调头 车端面，取总长340至尺寸，继续钻深至85，60°倒角 检查 4 车 一夹一顶 CA6140 <1> 车M30×–6g左螺纹大径及ф30JS5处至Φ30 <2> 车φ25至φ25 、长43 <3> 车φ35至φ35 <4> 车砂轮越程槽 5 车 调头，一夹一顶 <1> 车M30×–6g螺纹大径及φ30JS5处至φ30 <2> 车φ40至φ40 <3> 车砂轮越程槽 6 铣 铣19 二平面至尺寸 7 热 热处理HRC59 8 研 研磨二端中心孔 9 外磨 二顶尖，（另一端用锥堵） M1430A <1> 粗磨φ40外圆，留～余量 <2> 粗磨φ30js外圆至φ30t （二处）台阶磨出即可 <3> 粗磨1:5锥度，留磨余量 10 内磨 用V型夹具（ф30js5二外圆处定位） M1432A 磨莫氏3＃内锥（重配莫氏3＃锥堵）精磨余量～ 11 热 低温时效处理（烘），消除内应力 12 车 一端夹住，一端搭中心架 <1> 钻φ孔，用导向套定位，螺纹不攻 Z–2027 <2> 调头，钻孔φ5攻M6–6H内螺纹 <3> 锪孔口60°中心孔 <4> 调头套钻套钻孔ф×25（螺纹不改） <5> 锪60°中心孔，表面精糙度 60°锪钻 检查 13 钳 <1> 锥孔内塞入攻丝套 <2> 攻M12–6H内螺纹至尺寸 14 研 研中心孔 15 外磨 工件装夹于二顶尖间 <1> 精磨φ40及φ35φ25外圆至尺寸 <2> 磨M30× M30×左螺纹大径至30 <3> 半精磨ф30js5二处至ф30 <4> 精磨1:5锥度至尺寸,用涂色法检查按触面大于85% 1:5环规16 磨 工件装夹二顶尖间，磨螺纹 <1> 磨M30×–6g左螺纹至尺寸 M33×左环规 <2> 磨M30×–6g螺纹至尺寸 M33×环规17 研 精研中心孔 18 外磨 精磨、工件装夹于二顶尖间 M1432A 精磨2-φ30 至尺寸,注意形位公差 19 内磨 工件装在V型夹具中，以1–ф30外圆为基准，精磨莫氏3号内锥孔（卸堵，以2–ф30js5外圆定位），涂色检查接触面大于80%,注意技术要求“1”“2” MG1432A 检查 20 普 清洗涂防锈油，入库工件垂直吊挂 该轴类零件加工过程中几点说明：1．采用了二中心孔为定位基准，符合前述的基准重合及基准统一原则。2．该零件先以外圆作为粗基准，车端面和钻中心孔，再以二中心孔为定位基准粗车外圆，又以粗车外圆为定位基准加工锥孔，此即为互为基准原则，使加工有一次比一次精度更高的定位基准面。3号莫氏圆锥精度要求很高。因此，需用V型夹具以2－ф30js5外圆为定位基准达到形位公差要求。车内锥时，一端用卡爪夹住，一端搭中心架，亦是以外圆作为精基准。3．半精加工、精加工外圆时，采用了锥堵，以锥堵中心孔作为精加工该轴外圆面的定位基准。 对锥堵要求： ① 锥堵具有较高精度，保证锥堵的锥面与其顶尖孔有较高同轴度。② 锥堵安装后不宜更换，以减少重复安装引起的安装误差。③ 锥堵外径靠近轴端处须制有外螺纹，以方便取卸锥堵。4．主轴用20Cr低碳合金钢渗碳淬硬，对工件不需要淬硬部分发（M30×－6g左、M30×－6g、M12－6H、M6－6H）表面留－3mm去碳层。5.螺纹因淬火后，在车床上无法加工，如先车好螺纹后再淬火，会使螺纹产生变形。因此，螺纹一般不允许淬硬，所以在工件中的螺纹部分的直径和长度上必需留去碳层。对于内螺纹，在孔口也应留出3mm去碳层。6.为保证中心孔精度，工件中心孔也不允许淬硬，为此，毛坯总长放长6mm。7.为保证工件外圆的磨削精度，热处理后须安排研磨中心孔的工序，并要求达到较细的表面粗糙度。外圆磨削时，影响工件的圆度主要是由于二顶尖孔的同轴度，及顶尖孔的圆度误差。8.为消除磨削应力，粗磨后安排低温时效工序（烘）。9.要获高精度外圆，磨削时应分粗磨、半精磨、精磨工序。精磨安排在高精度磨床上加工。第三部分：编制数控加工程序要求：能够根据图纸的技术要求和数控机床规定的指令格式与编程方法，正确地编制中等复杂典型零件的加工程序，或应用CAD/CAM自动编程软件编制较复杂零件的加工程序。（至少两个零件）。一、 编制轴类零件（1）数控加工程序如图所示的零件。毛坯为 42㎜的棒料，从右端至左端轴向走刀切削;粗加工每次进给深度㎜，进给量为㎜/r;精加工余量X向㎜，Z向㎜，切断刀刃宽4㎜。工件程序原点如图 图所示。 该零件结构较为简单，属典型轴类零件，轴向尺寸80㎜，采用三爪卡盘装夹即可，选工件回转轴线及右侧面的交点为加工坐标系原点。1． 选择刀具编号并确定换刀点根据加工要求选用3包刀具：1号为外圆左边偏粗车刀，2号为外圆左偏精车刀，3号刀为外圆切断刀，换刀点与对刀点重合2．确定加工路线1）粗车外圆。从右至左切削外轮廓，采用粗车循环。2）精车外圆。左端倒角→ 20㎜外圆→倒角→ 30㎜外圆→倒角→ 40㎜外圆。（3）切断3选择切削用量选择切削用量参数见表.表 选择切削用量参数转数指令 进给速度（mm/r） 刀具粗车外圆 M43 1号精车外圆 M44 2号切断 M43 2号编写程序O0001M03T0101 M43 P1 Q2 N1 G01 M44 T0202G70 P1 Q2 M43 T0303G00 二、 编制轴类零件（2）数控加工程序加工如图3-2所示零件，材料45钢，坯料 60×122。1、刀具：T1——硬质合金93°右偏刀；T2——宽3mm硬质合金割刀，D1——左刀尖。加工工序 材料 刀具车外圆 硬质合金 T1切槽 硬质合金 T2该零件结构较为简单，属典型轴类零件，轴向尺寸120㎜，采用三爪卡盘装夹即可，选工件回转轴线及右侧面的交点为加工坐标系原点。2、 选择刀具编号并确定换刀点根据加工要求选用2包刀具：1号为外圆左边偏粗车刀，2号刀为外圆切断刀和切槽刀，换刀点与对刀点重合 3、程序编写程序指令 说明N10 G56 S300 M3 M7 T1； 选择刀具，设定工艺数据N20 G96 S50 LIMS=3000 ； 设定粗车恒线速度N30 G0 X65 Z0； 快速引刀接近工件，准备车端面N40 G1 X-2； 车端面N50 G0 X65 Z10； 退刀N60 CNAME=“LK2”； 轮廓调用N70 R105=1 R106= R108=4 R109=0 R110=2 R111= R112=； 毛坯循环参数设定N80 LCYC95； 调用LCYC95循环轮廓粗加工N90 G96 S80 LIMS=3000 ； 设定精车恒线速度N100 R105=5； 调整循环参数N110 LCYC95； 调用LCYC95循环轮廓精加工N120 G0 X100 Z150； 快速退刀，准备换割刀N125 G97； 取消恒线速度N130 T2 S250； 换T2割刀D1有效，调整工艺数据N140 G0 X42 Z-33； 快速引刀至槽Z向左侧N150 LCEXP2 P8； 调用子程序8次割8槽N160 G0 X100 Z150 M9； 快速退刀，关冷却N170 M2； 程序结束LK2 N10 G1 X0 Z0； N20 G3 X20 Z-10 CR=10； N30 G1 Z-20； N40 G2 X30 Z-25 CR=5； N50 G1 CHF=； N60 Z-100； N70 X60 Z-105； N80 M17； LCEXP2 N10 G91 G1 X-14； N20 G4 S2； N30 G1 X14； N40 G0 Z-8； N50 G90 M17； 第四部分：绘制CAD零件图

基于单片机的仪表车床简易数控系统的实现第2章 数控系统的设计要求概述该数控系统是为了适应国内众多的普通机床改造而设计的主要考虑四个方面：①经济性既然是用于普通机床的数控化改造，因此，必须充分考虑系统的成本，这是保证达到系统设计目的的关键。这里的成本包括整个系统的成本，包括数控系统、伺服驱动系统及机械传动系统等，其核心在于数控系统的方案选择。②方便性数控系统的方便性，又叫“宜人性”，主要反映在系统的编辑部分。编辑(编程)部分是人和系统直接打交道的部分，即所谓的“人机界面”。人机界而应当对用户友好，也就是说编辑(编程)部分应当尽量给用户提供力便、快捷舒适的操作使用环境。系统需从以下几个途径来体现：●汉化按键，方便各种层次的操作者使用。●输入、检索、修改尽量一体化。即输入时可以检索、修改，检索时可以修改、输入，并且自动显示程序段号。●快速检索，即能对程序进行上下翻页显示。③实用性经济则数控系统的设计不应追求功能的大而全，应以实用为原则。一般的机械加工只要能具有以下功能即可满足需要：●直线、圆弧插补。插补速度要充分考虑被机床本身的内在素质，如刚性、抗震性、耐磨性等，不宜过高。●速度衔接技术，即速度升／降速控制。速度衔接技术可以保证系统在加工过程中实现2段程序间的速度平滑连接，从而避免造成加工刀痕或平台，保证精度。●动态坐标显示。●加工程序的掉电保护能力。●电动刀架控制。采用电动刀架，用软件进行控制，可以提高生产效率。●细分技术。细分技术是当今经济型数控系统的一项重要技术。它可以有效解决步近电机的低频振荡问题，同时使机床脉冲当量细化，提高控制精度；另外，还可以提高低速加工时的出刀。④可靠性由于数控系统工作环境十分恶劣，必须有足够的可靠性才能保证系统稳定运行。数控系统的性能指标按照广述设计要求及设想，数控系统的性能指标可归纳为：●X，Z两轴联动，开环控制方式。●ISO国际数控标准格式代码编程。●快速定位。●具有直线、圆弧插补能力。●能与上价机串行通信、具有简单的联网能力。●最大编程尺寸，z轴脉冲当量，x轴脉冲当量，最大进给速度为（5m/min）。●预留螺纹加工功能的接口。●具有连动、点动2种手动加工方式，以及自动连续加工方式。第3章 总体方案的确定系统总体方案本系统在研制过程中，紧紧围绕可靠性、方便性、低成本等设计要求。确定总体方案如下：基于单片机的系统结构按照上述设计思想，本系统采用基于单片机的系统结构。这种方案结构简单，成本低。考虑到扩展性，主系统采用89S58单片机。AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。1.一个个8位的CPU2、26个特殊功能寄存器（Special Function Register）3、一个片内振荡器及时钟电路4、全静态工作：0Hz-24KHz5、32条可编程I/O线6、2个16位可编程定时计数器7、5个中断优先级2层中断嵌套中断8、2个全双工串行通信口9、电源控制模式：低功耗的闲置和掉电模式10、8031 CPU与MCS-51 兼容11、4个8位并行（Parallel）I/O口12、三级程序存储器保密锁定13、128B 内部RAM14、内部硬件看门狗电路15、4k Bytes Flash片内程序存储器(寿命：1000写/擦循环)16、一个SPI串行接口,用于芯片的在系统编程17、可寻址64KB的外部ROM和外部RAM的控制电路这些我们称为单片机的资源（Souce），单片机的应用就是怎么充分合理地利用这些资源，来解决实际中的问题人机界面(1)采用液晶显示界面作为一个简易型数控系统，采用了12232汉字图形点阵液晶显示模块，带背光字符型液晶模块作为主显示界面，不采用数码管显示。这样做的目的有3个：●液晶显示方式具有显示容量大、可以显示所有字符及自定义字符的能力。至于不能显示图形以实现加工曲线动态显示的缺陷，可以通过上仪机模拟仿真加工来弥补。●液晶显示模块自身具有控制器，可以减轻主CPU的负担。●使系统具有菜单驱动的基本素质。采用菜单驱功方式实现编辑模块的全屏幕编辑功能，达到友好的人机界面要求。●可显示汉字和图形。(2)采用双功能按键设计，简化键盘系统设计中充分考虑功能的需要、操作方便的需要及系统复杂性的要求三者之间的关系确定系统的大多数按键为双功能键，使得整个系统界面简洁。采用开环控制方式系统设计的目的决定了系统只能采用开环控制方式。在开环型位置控制系统中，只能采用步进电机作为伺服执行单元。这是由步进电机车身的特性决定的。关于步进电机的特性等详细内容参见本章后续有关章节。开环控制系统的数控机床结构简单，成本较低，仅适用于加工精度要求不很高的中小型数控机床，特别是简易经济型数控机床。这类系统比较简单，价格最便宜，可以用于小型车床、铣床、钻床和线切割机床。如下图是常见的两坐标简易数控系统的组成框图。系统软件固化在单片机的存储器中，加工程序可通过键盘或磁带机输入，经系统软件进行编辑处理后输出一个系列脉冲，再经光电隔离，功率放大后大驱动两台步进电机，分别控制机床两个方向的运动，完成位置、轨迹和速度的控制。根据需要，微机还可通过继电器电路，实现对诸如主轴起停、变速、各种辅助电机起停、刀架转位、工件爽紧松开等动作的自动控制，使整个加工过程自动进行。图3-1开环步进电机与单片机连接电路单片机控制步进电机拖动的开环系统具有价廉，技术成熟等优点，因而使用较多。但这种系统还存在拖动力矩偏小，过载能力差、速度偏低，精度不够高及其价格随力矩增加成指数卜升等缺点。为此，选用时要注意在适当的范围内发挥其优势。一般主要适用于拖动力矩小于15Nm的小型机床，如C616，C618，C620，C6140等普通车床。对于转矩要求大、功能要求多的机床(如铣床、镗床、钻床及镗铣床)和高精度机床(如坐标镗床)就难于使用，需要开发与其适应的其他经济型数控系统。功能精简，提高可靠性设计具备简易型数控系统必需的基本功能●直线、圆弧插补能力。●端面、台阶的循环加工。●点动、连动、自动3种运行方式。●申行通信能力。系统功能模块及其分析系统功能模块与总体框架(1)系统操作界面按照上述图3-2 系统的人机界面图复位——系统在死机、工作出错等情况下的总清键，使系统回复设计的原始状态。运行——自动运行用户的零件加工程序，包括程序的语法检查、数据处理、编译、插补运算及步进电机控制等。暂停一—自动加工的暂停，是一个乒乓键，按一次，加工暂停，再按一次，继续加工。换刀一—用于手工换刀，每按一次．电动刀架转一个工位，本系统中为90度。手动——与“←、↑、→、↓”配合，以实现动作台的连动；在编辑程序时为光标移动键。数字1—9均为双功能键、用于程序输入、用“上下档”键进行切换。G—一准备功能键，用于ISO加工程序输入。M——辅助功能键，用于冷却泵的启/停、程序的结束等程序段的输入。插入—一用于程序编辑过程中“插入修改”方式的切换。也是乒乓键，用块光标或下划线光标指示。删除——在插入方式下，删除当前的字符；在修改方式下，删除当前光标位置字符。上页一—程序上翻到上一程序段。相当PC机的PageUp键。下页——程序下翻到下一程序段。与上页键一样是一个屏幕编辑键。相当PC机的PageDown键。回车——确认键。Esc——相当于PC机的Esc键。(2)系统功能模块与总体框架系统从总体上分为人机界面模块、伺服执行模块、电动刀架拧制模块、串行通信模块及基于AT89S51单片机的主控模块等5大模块，参见图3-2。各模块的功能分别是：图3-3 系统模块与总体框架①人机界面模块该模块主要完成人机的对话与交流，物理上表现为显示器与键盘，核心功能是加工程序的编辑。由于采用全程菜单驱动形式．使该模块具有较好的友善性。②伺服执行模块该模块主要由脉冲分配器、伺服驱动及步进电机等组成，是一个执行单元，按照主机的指令完成工作台与刀具的相对运动，实现车削加工。其速度特性、矩频特性等直接影响加工的精度和速度。③电动刀架控制模块采用2继电器方式的4方电动刀架．用软件完成刀架的换刀动作，即刀架电机的正转拾刀→换刀→反转锁紧，是经济型数控系统必不可少的部分，可以提高加工效率，大大减少在加工过程中因手工换刀带来的误差。④串行通信模块该模块的功能是完成与上位机的串行通信，采用三线制方式，使系统具有基本的组网能力。⑤主控模块主要包括零片微处理器(也括监控程序)、加工程序存储单元及与其他模块的接口电路要完成程序编辑、加工程序处理、软件插补达贸、电动刀架饺制及行程限位保护等。系统软件框架如图3-4展示了系统软件框图。系统上电后，执行初始化程序、键盘扫描程序。如有“计数显示”、“计数清零”、“点动”等功能键按下，执行其各自的工作子程序后返回初始化程序，并显示其相应的提示符。顺序控制程序也设计成子程序模块，它的主要功能是读入各行程开关及压力继电器的信号状态组合，经分析判断，输出一系列控制信号，完成对工件的自动加工。如按下“点动”键，则显示点动提示符，执行顺序控制程序，即返回初始化程序，如按下“连动”功能键，则首先置连动工作标记（此时，除“返回”键外，其余各键均用软件屏蔽），然后开中断，等待，刀具检测信号，收到中断请求信号后，执行中断服务程序。在中断服务控制中，先后执行顺序控制子程序，键盘扫描及显示子程序，并记录和显示数据。完成一次顺序控制或有“返回”键按下，则返回主程序。回到主程序后，仍判断是否有“返回”键按下，如有，则返回初始化程序。否则，重新等待中断。采用模块化设计：①点动，连动，换刀该模块主要实现工作台在x，z两轴上正、反2个方向的点动、连动操作，以及手动控制换刀等，用于方便对刀、工作原点设置等。②自动该模块主要实现加工程序的处理(包括程序语法检查、程序编译、数据处理等)、插补运算步进电机的控制及自动换刀控制等。③参数设置该模块主要实现刀具补偿参数设置、间隙补偿参数设置等自动加工参数的设置。④编辑模块该模块主要实现零件加工程序的键盘编辑、输入。⑤通信模块该模块主要实现与上位机或其他智能设备的串行通信，可用于加工程序的传送等。图3-4 系统软件原理框图第4章 硬件系统设计主模块设计主模块中关键器件及其选型(1)单片机本系统采用PHILIPS公司的8位单片机AT89S51为控制核心。AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元,全静态工作，RAM可扩展到64K字节，5个中断优先级，2层中断嵌套中断，32个外部双向输入/输出（I/O）口，2个16位可编程定时计数器。外接一片2764EPROM，作为监控程序的程序存储器和存放常用零件的加工程序。再选用一片6264RAM用于存放需要随机修改的零件程序、工作参数。采用译码法对扩展芯片进行寻址，采用74LS138译码器完成此功能。8279作为系统的输入输出口扩展，分别接键盘的输入、输出显示，8255接步进电机的环形分配器，分别并行控制X轴和Z轴的步进电机。另外，还要考虑机床与单片机之间的光电隔离，功率放大电路等.图4-1单片机系统原理框图(2)数据存储器的选用系统采用单片机作为控制核心，最高速度为33MHz，我们用到。速度高对外部电路特别是外部数据，程序存储器扩展电路要求很高。必须满足在CPU读数据或程序指令时，外部数据或程序指令已准备好了。所以必须进行芯片的时序校验。为了使系统工作可靠我们也进行存储器的校验。首先，对存储器作一介绍。单片机存储器分为内部存储器和外部存储器，内部存储器又分为内部数据存储器和程序存储器，同样，外部存储器也分为程序和数据存储器。本系统采用AT89S51为核心单元，其本身带有128B的RAM和4KB的Flash内部程序存储器。对于数据存储器，内外两部分是独立编址的，用不同指令来访问不同的数据存储器，即，MOV访问片内，MOVC访问片外，外部可扩展到64K，由于在外部数据存储器和I/0是统一编址的，应给I/0留一定的空间，且本系统要求留有一定的扩展空间，所以本系统扩展采用的芯片是6264。Y62256是HUNDAI公司的一种高速低功耗32K的CMOS的静态RAM，采用现代公司的高速CMOS工艺技术。HY62265具有数据保持模式，以确保在最低供电电压下2V数据有效。使用CMOS技术，电源电压在之间，数据保持电流几乎没有影响。HY62256适合使用在低压和电池供电工作环境。M28256用于扩展程序存储器，是一种采用ST微电子公司拥有知识产权的多极性硅技术制造的。在3V或}V供电条件下具有快谏低功耗工作模式。电路已被设计成可提供与微控制器柔性接口特征。可使用软件或硬件进行数据循环测试或位功能锁定。可以使用标准的JEDEG运算法则进行软件数据保护。电路扩展如图4-2所示。图4-2 存储器扩展(3)总线驱动、数据、地址锁存及译码电路由于单片机的数据线和低位地址线共用必须加地址锁存器进行低位地址锁存。使用74LS373作为地址锁存器，当应用系统规模过大，扩展所接芯片过多，超过总线的驱动能力时，系统将不能可靠工作，此时应加用总线驱动器来减少读数据的持续时间。整个系统可扩展的外部数据总共为64K，由于单片机外部数据存贮器和工/0是统一编址的，我们将低32K作为外部扩展的数据存储器，高译码电路采用两片74LS138,用了32K作为I/0使用或留给以后扩展用。由于外设使可编程器件，所以在使用138作译码时需要产生两种译码地址:一种是地址连续，一种是段地址连续。其中Ll,L5可作为系统再次扩展时用。译码地址输出在图4-3中已给出，Y0-Y7作为单地址芯片片选信号，Y8-Y15可作为可编程芯片片选信号，如8254可编程计数器。译码电路如图4-3.图4-3译码电路主模块电原理图设计本系统选用AT89S51CPU作为数控系统的中央处理机。主程序框图如图4-4。外接一片2764EPROM，作为监控程序的程序存储器和存放常用零件的加工程序。再选用一片6264RAM用于存放需要随机修改的零件程序、工作参数。采用译码法对扩展芯片进行寻址，采用74LS138译码器完成此功能。8279作为系统的输入输出口扩展，分别接键盘的输入、输出显示，8255接步进电机的环形分配器，分别并行控制X轴和Z轴的步进电机。另外，还要考虑机床与单片机之间的光电隔离，功率放大电路等。8255A可编程并行I/O口扩展芯片可以直接与MCS系列单片机系统总线连接，它具有三个8位的并行I/O口，具有三种工作方式，通过编程能够方便地采用无条件传送、查询传送或中断传送方式完成CPU与外围设备之间的信息交换。CPU对8279的控制是先读回8279的状态字，查看PIFORAM中有无字符 ，若有将根据字符个数读出所有字符，并进行相应处理；若无，则直接返回。CPU对8279的监视采用查询方式，对8279分配的数据口地址为8000H，状态口地址为8001H，CPU每隔10ms定时中断查询一次，所有显示采用查询段码表的方式实现，简化了程序设计过程，提高了程序质量。图4-4主程序框图输入/输出模块设计 I／O模块电原理图设计8279作为系统的输入输出口扩展，分别接键盘的输入、输出显示。8279是可编程接口芯片，通过编程使其实现相应的功能，编程的过程实际上就是CPU向8279发送控制指令的过程。在软件设计中，显示方式采用了8个字符显示，左入方式，编码扫描键盘，双键锁定。I／O模块电原理图如图4-5所示。图4-5 I/O模块电原理图图4-6 8279工作程序框图步进电机控制接口X，Z两轴采用3相6拍步进电机，并口8255向控制端口写控制字，PUSLE来实现对步进电机的控制。8255接步进电机的环形分配器，通过3片4N25光电隔离，分别形成X、Z所需的3相控制信号，送往步进电机驱动电源，分别并行控制X轴和Z轴的步进电机。芯片YB013实现硬件环分任务，；达林顿光隔离管4N25实现计算机弱点部分和步进电机强电部分的隔离，既起功率放大作用，又充当无触点开关，实现对计算机的保护。单片机控制步进电机连接如图4-7所示。图4-7 单片机控制步进电机刀具控制接口(1)电动刀架及其工作原理电动刀架的机械部分类似于蜗轮机构，实现刀具的抬升、旋转(交换刀具位置)及下降锁紧，这里着重讨论实现上述动作所必须的硬件条件和电路原理。在图4-8中，继电器KA1，KA2实现电动刀架的动作切换控制，主要完成刀架电机的正、反转切换。在刀架旋转过程中，每个工位上的霍尔元件会依次切换为有效状态，系统根据T1，T2，T3及T4状态的变化，可以推断出目前的刀号，并判断是否为当前所选用刀具，一旦符合，则电机反向旋转，锁紧刀具。电动刀架各时序的切换反间隔是系统控制的关键，反向锁紧所用时间取决于电动刀架生产厂家的推荐指标，过长会引起电机发热甚至烧毁。为保证电动刀架安全运行，在电动刀架交流380V进线处加装快速熔断器和热继电器。图4-8电动刀架的电原理图(2)电动刀架与单片机的接口电动刀架与系统的硬件接口主要是控制电机正、反转信号J1，J2及刀号反馈信号TI，T2，T3和T4。上述信号均光电隔离后与单片机系统接口。电动刀架软件控制流程如图4-9所示，采用查询方式。图4-9电动刀架控制流程程序为：#include <>#include <>#define N1 XBYTE[ ]typedef unsigned char ucharvoid adc0809(uchar idata *x);void delay();void main(){static uchar idata ad[4];adc0809(ad);}void adc0809(uchar idata *x){uchar i,*ad_adr;uchar motor=1;ad_adr=&N1;for(i=0;i<4;i++){If(*ad_adr=i){delay1( );KA1=1;delay2( );return();}else KA1=0}}void delay1(motor==0){uchar j;for(j=0;j<20000;j++){;}}void delay2(void){uchar j;for(j=0;j<150000;j++){;}}急停、暂停、行程限位接口电路限位开关为常开状态；因此，X十，X一，Z十，Z一正常输人为低电平状态。因此如果行程开关被压合，向INT0发出中断信号，系统进行复位，步进电机的脉冲消失，也就无法继续前行，起到保护机床的目的。本系统采用三输入端与非门74HC10的输出端作为一个共用的中断信号接至单片机的INT0，用于实时处理紧急停车、暂停、限位报警功能。电路如图4-8所示：串行通信电路本系统由两部分构成，上位机系统和下位机系统，由于上位机主要完成管理显示等工作，下位机完成控制功能，所以上位机和下位机的数据传输实时性要求不高，我们采用串口通信。使用RS232标准，MAX232进行电频的转换。串口RS232标准，它是美国电子工业协会(Electronic Industry Association)的推荐标准。本系统采用9针连接器，其定义见表4-1。本系统采用三线制TXD,RXD,GND连接，以使电路简单。表4-1 连接器定义表串口通讯电路主要由MAX 232电平转换电路构成。MAX232是MAXIM公司产品，一种电平转换芯片。可以将TTL转换成RS232，或RS232转换成TTL。满足单片机和普通计算机的通讯电平转换要求。电路如图4-10所示。图4-10 通信接口电路人机界面模块设计单片机应用系统中常用显示方式及其比较在单片机应用系统中，目前比较常用的显示介质有数码管(LED)、液晶显示(LCD)及CRT等，在家用电器中用的比较多的是真空荧光屏(VFD)。现就各自特点简述如下：(1)数码管数码管是一种主动发光器件。所谓主动发光．是指环境越暗越清晰。分为7段数码管和“米”字数码管2种。前者用于显示ARCⅡ码，显示信息量小；后者除了可显示ARCⅡ字符外，还可显示一些自定义的比较复杂的字符。数码管按驱动电流分，又可分为普通亮度、高亮、超高亮等。数码管由于其廉价而且扩展方便等特性，—直是单片机系统中用得最多、最广的一种显示器件。国内有不少型号的数控系统、尤其是早期的数控系统，广泛采用数码管作为显示界面。(2)液晶显示液晶显示器是一种被动发光器件。所谓被动发光，是指环境越亮越清晰，黑暗环境下必须加入背光才能清晰显示。分为字段型液晶显示器、字符型液晶显示器及图形点阵液晶显示器。字段型只能显示ASCII字符，字符型可以显示ASCII字符，显示效果比字段型好，而且可以显示少量的自定义字符；图形点阵液晶显示器是目前在单片机系统中比较流行的新型显示器件，可以显示所有字符及图形，由于其可以显示汉字的特性，被广泛用于国内智能设备中，国内的数控系统也开始广泛采用。(3)CRTCRT显示器分为单色和彩色2种，在数控系统中，尤其是高档数控系统中应用日益广泛。其特点是成本低、显示容量大；可以显示所合字符、图形及汉字；采用视频专用接口电路MC6847等与单片机接口，比较复杂，因而在—般的应用中比较少见。(4)真空荧光屏真空荧光屏简称VFD(vacuunm fluorescent display module)，是一种新型的显示器件。它由3个基本电极——阴极(灯丝)、阳极及栅做封装在一个真空的玻璃容器内构成。阴极是涂敷了金属氧化物的钨丝；栅极是极细的金属网；阳极为段或点阵型的导电电极，它上面的荧光物质可显示相应的字符或符号。栅极和阳极之间加有正电压，从阴极发射出来的电子被这个正电压加速，碰擅到阳极表面的荧光物质产生辐射，发出波长为505nm左右的谈绿色荧光。通过按制栅极和阳极之间的电压，就可以显示各种字符。VFD由于其以下特点而被广泛应用于家用电器、商场POS机以及新型的仪器仪表中。①亮度高，并且不存在视角问题，②工作温度范围宽、寿命长；②外围电路简单，只需十5v电源就可以工作，提供准8位数据总线接口；④功耗低。但这种显示器目前用在数控系统上还比较少。点阵液晶显示模块(1)字符型液晶显示模块本数控系统采用字符点阵液晶显示模块DM12232。该模块具有以下特点：●能显示122列32行●电源（内置升压电路，无需负压）●与微处理器接8位或4位并行/ 3位串行●多种软件功能：自定义字符、画面移动、光标显示、睡眠模式等功能●配置LED背光}

1）零件图工艺分析 该零件表面由圆柱、圆锥、顺圆弧、逆圆弧及螺纹等表面组成。其中多个直径尺寸有较严的尺寸精度和表面粗糙度等要求；球面Sφ50㎜的尺寸公差还兼有控制该球面形状（线轮廓）误差的作用。尺寸标注完整，轮廓描述清楚。零件材料为45钢，无热处理和硬度要求。 通过上述分析，可采用以下几点工艺措施。 ①对图样上给定的几个精度要求较高的尺寸，因其公差数值较小，故编程时不必取平均值，而全部取其基本尺寸即可。 ②在轮廓曲线上，有三处为圆弧，其中两处为既过象限又改变进给方向的轮廓曲线，因此在加工时应进行机械间隙补偿，以保证轮廓曲线的准确性。 ③为便于装夹，坯件左端应预先车出夹持部分（双点画线部分），右端面也应先粗车出并钻好中心孔。毛坯选φ60㎜棒料。 （2）选择设备 根据被加工零件的外形和材料等条件，选用TND360数控车床。 （3）确定零件的定位基准和装夹方式 ①定位基准 确定坯料轴线和左端大端面（设计基准）为定位基准。 ②装夹方法 左端采用三爪自定心卡盘定心夹紧，右端采用活动顶尖支承的装夹方式。 （4）确定加工顺序及进给路线 加工顺序按由粗到精、由近到远（由右到左）的原则确定。即先从右到左进行粗车（留㎜精车余量），然后从右到左进行精车，最后车削螺纹。 TND360数控车床具有粗车循环和车螺纹循环功能，只要正确使用编程指令，机床数控系统就会自动确定其进给路线，因此，该零件的粗车循环和车螺纹循环不需要人为确定其进给路线（但精车的进给路线需要人为确定）。该零件从右到左沿零件表面轮廓精车进给，如图2所示。 图2 精车轮廓进给路线 （5）刀具选择 ①选用φ5㎜中心钻钻削中心孔。 ②粗车及平端面选用900硬质合金右偏刀，为防止副后刀面与工件轮廓干涉（可用作图法检验），副偏角不宜太小，选κ=35 0。 ③精车选用900硬质合金右偏刀，车螺纹选用硬质合金600外螺纹车刀，刀尖圆弧半径应小于轮廓最小圆角半径，取rε=～㎜。 将所选定的刀具参数填入数控加工刀具卡片中（见表1），以便编程和操作管理。 表1 数控加工刀具卡片 产品名称或代号 ××× 零件名称 典型轴 零件图号 ××× 序号 刀具号 刀具规格名称 数量 加工表面 备注 1 T01 φ5中心钻 1 钻φ5 mm中心孔 2 T02 硬质合金90 0 外圆车刀 1 车端面及粗车轮廓 右偏刀 2 T03 硬质合金90 0 外圆车刀 1 精车轮廓 右偏刀 3 T04 硬质合金60 0 外螺纹车刀 1 车螺纹 编制 ××× 审核 ××× 批准 ××× 共页 第页 （6）切削用量选择 ①背吃刀量的选择 轮廓粗车循环时选a p =3 ㎜，精车a p =㎜；螺纹粗车时选a p = ㎜，逐刀减少，精车a p =㎜。 ②主轴转速的选择 车直线和圆弧时，选粗车切削速度v c =90m/min、精车切削速度v c =120m/min，然后利用公式v c =πdn/1000计算主轴转速n（粗车直径D=60 ㎜，精车工件直径取平均值）：粗车500r/min、精车1200 r/min。车螺纹时，参照式（5-1）计算主轴转速n =320 r/min. ③进给速度的选择 选择粗车、精车每转进给量，再根据加工的实际情况确定粗车每转进给量为㎜/r，精车每转进给量为㎜/r，最后根据公式v f = nf计算粗车、精车进给速度分别为200 ㎜ /min和180 ㎜/min。 综合前面分析的各项内容，并将其填入表2所示的数控加工工艺卡片。此表是编制加工程序的主要依据和操作人员配合数控程序进行数控加工的指导性文件。主要内容包括：工步顺序、工步内容、各工步所用的刀具及切削用量等。 表2 典型轴类零件数控加工工艺卡片 单位名称 ××× 产品名称或代号 零件名称 零件图号 ××× 典型轴 ××× 工序号 程序编号 夹具名称 使用设备 车间 001 ××× 三爪卡盘和活动顶尖 TND360数控车床 数控中心 工步号 工步内容 刀具号 刀具规格 / mm 主轴转速 / －1 进给速度 /mm. min －1 背吃刀量 / mm 备注 1 平端面 T02 25×25 500 手动 2 钻中心孔 T01 φ5 950 手动 3 粗车轮廓 T02 25×25 500 200