摘 要 ： 针对现有常规CA6140普遍车床的缺点提出数控改装方案和单片机系统设计，提高加工精度和扩大机床使用范围，并提高生产率。本论文说明了普通车床的数控化改造的设计过程，较详尽地介绍了CA6140机械改造部分和数控系统部分的设计。采用以8031为CPU信号由控制系统处理I/O接口输出步进脉冲，通过一级齿轮传动减速，驱动滚动丝杠旋转，实现纵向、横向进给运动。
关键词： 数控机床，单片机数控系统，改装设计
第一章 概述
机床作为机械制造业的重要基础装备，它的发展一直引起人们的关注，由于计算机技术的兴起，促使机床的控制信息出现了质的突破，导致了应用数字化技术进行柔性自动化控制的新一代机床-数控机床的诞生和发展。计算机的出现和应用为人类实现加工过程自动化提供了理想的手段。随着计算机的发展，数控机床也得到了迅速的发展和广泛的应用，从根本上改变了传统机床传动和结构的概念。数控机床以其优异的性能和精度、灵活多样的功能吸引了全世界的关注，开创了机械产品向机电一体化发展的先例。数控机床是以数字信息实现机床控制的机电一体化产品。它用代码化的数字记录控制介质上的各种操作和顺序动作，如刀具与工件的相对位置、机床电机的启停、主轴变速、工件的松开夹紧、刀具的选择、冷却泵的启停等，然后将数字信息发送到数控装置或计算机，然后通过翻译和操作，对机床伺服系统或其他执行部件进行各种指令控制，以加工所需的工件。与普通机床相比，数控机床主要具有以下优点：1。适应性强，适用于加工单件或小批量复杂工件；在数控机床上更换加工工件时，只需重新编制新工件的加工程序即可实现新工件的加工。与普通机床相比，数控机床主要具有以下优点：1。适应性强，适用于加工单件或小批量复杂工件；在数控机床上更换加工工件时，只需重新编制新工件的加工程序即可实现新工件的加工。2.加工精度高；3.生产效率高；4. 减少劳动强度，改善劳动条件；5.良好的经济效益；6.有利于生产管理的现代化。数控机床已成为我国市场需求的主流产品，需求逐年激增。近年来，我国数控机床在工业化和产品开发方面取得了显著进展，特别是在高速、多轴、复合、精密等方面。但与先进国家的同类产品相比，国产数控机床仍存在差距，不能满足国家建设的需要。中国是一个机床大国，有300多万台普通机床。但机床质量差，性能落后，单台机床的平均产值仅为先进工业国家的1/10左右，差距过大，急需改造。顾名思义，旧机床的数控改造是在普通机床上增加微机控制装置，使其具有一定的自动化能力，以实现预定的加工工艺目标。随着数控机床越来越多的普及应用，数控机床的技术经济效益为大家所理解。机床微机数控化改造已成为国内工厂技术改造的重要方面。许多工厂在使用数控、数显的同时购买数控机床，PC普通机床的技术改造取得了良好的经济效益。中国经济资源有限，国家大，机床需求大，不可能花相当多的钱购买新的数控机床，中国有许多旧机床，经济数控系统改造普通机床，投资少，可以满足加工的需要，可以提高机床的自动化程度，更符合中国的国情。1984年，中国开始生产经济型数控系统，改造旧机床。到目前为止，许多制造商生产经济型数控系统。未来机床经济型数控化改造将迅速发展和普及。因此，本毕业设计实例具有典型性和实用性。
第二章 总体方案的设计
2.1 设计任务 本设计任务正确CA6140普通车床数控改造。利用微机开环控制纵向和横向进给系统(Z向)脉冲当量为0.01mm/脉冲，横向(X向)脉冲当量为0.005mm/脉冲，驱动元件采用步进电机，传动系统采用滚珠丝杠辅助，刀架采用自动转位刀架。 2.2 论证总体方案 对于普通机床的经济数控改造，在确定总体设计方案时，应尽量减少机床的变化，以降低成本。 (1)数控系统运动模式的确定 数控系统可分为点控制系统、点直线控制系统和连续控制系统。由于要求CA6140车床加工复杂轮廓部件，微机数控系统采用两轴连续控制系统。 (2)伺服进给系统的改造设计 数控机床伺服进给系统可分为开环、半闭环和闭环。开环控制具有结构简单、设计制造方便、控制精度好、调试方便、价格低廉、使用维护方便等优点。因此，本设计决定采用开环控制系统。 (3)数控系统硬件电路设计 任何数控系统都由硬件和软件组成。硬件是数控系统的基础，性能直接影响整个数控系统的工作性能。有了硬件，软件才能有效运行。 在设计的数控装置中，CPU选择是关键，选择CPU应考虑以下因素： 1. 时钟频率和字长与被控对象的运动速度和精度密切相关； 2. 可扩展存储器的容量和数量功能强弱相关； 3. I/O口腔扩展能力与外设控制能力有关。 此外，还应根据数控系统的应用场合、控制对象、各种性能和参数要求进行考虑和确定CPU。在我国，普通机床数控改造得到了广泛的应用 Z80CPU和MCS-51系列单片机，主要是因为其配套芯片价格便宜，普及性强，通用性强，制造维护方便，能满足经济型数控机床改造的需要。本设计为以MCS-51系列单片机，51系列比48系列指令更丰富，比96系列更便宜。在51系列中，没有ROM的8051，8751是用EPROM代替ROM的8051。目前，8031单片机工控机中应用最多。以8031芯片为核心，增加了由存储器扩展电路、接口和面板操作开关组成的控制系统。 2.3 总体方案的确定 经整体设计方案论证后确定CA6140车床经济型数控改造示意图如图所示。CA6140车床的主轴转速部分保留了原机床的功能，即手动变速。车床的纵向(Z轴)和横向(X步进电机驱动轴)进给运动。微机由8031单片机组成，是数控装置的核心I/O步进电机的旋转由接口、环形分配器和功率放大器控制，滚珠丝杠在齿轮减速后旋转，实现车床的纵向和横向进给运动。刀架改为由微机控制的电机驱动的自动转位刀架。为了保持切割螺纹的功能，必须安装主轴脉冲发生器，使脉冲发生器通过同步齿带同步旋转，发出两个信号：每个转发的脉冲数量和一个同步信号，通过隔离电路和I/O 接口送微机。如图2-1所示：
第三章 硬件电路设计微机数控系统
3.11微机数控系统硬件电路总体方案设计 本系统选用8031CPU中央处理机作为数控系统。外接一片2764EPROM，存储常用零件作为监控程序的程序存储器和处理程序。再选用一片 6264RAM存储需要随机修改的零件程序和工作参数。扩展芯片采用译码法寻址，74LS138译码器完成此功能。8279作为系统输入输出口的扩展，连接键盘的输入输出显示，8255连接步进电机的环形分配器，并行控制X轴和Z轴的步进电机。此外，还应考虑机床与单片机之间的光电隔离、功率放大电路等。硬件框图如图3-1所示： 图3-2 8031芯片内部结构图 各引脚功能简要介绍如下： ⒈ 源引脚 VSS：电源接地端。 VCC： 5V电源端。 ⒉ 输入/输出(I/O)口线 8031单片机有P0、P1、P2、P3 4个端口，8个端口I/O线。当系统扩展外部存储器时，P0口用于输出低8位并行数据，P2口用于输出高8位地址，P除8位准双向并行口外，3口还具有第二功能，各引脚的第二功能定义如下： P3.0 RXD：串行数据输入端。 P3.1 TXD：串行数据输出端 P3.2 INT0:外部中断0请求信号输入端。 P3.3 INT1:外部中断1请求信号输入端。 P3.4 T0:定时器/计数器0外部输入端 P3.5 T1:定时器/计数器1外部输入端 P3.6 WR：写选通外部数据存储器。 P3.7 RD：读选通外部数据存储器。 在进行第二功能操作之前，程序必须设置第二功能的输出锁。 ⒊ 信号控制线 RST/VPD：RST将引脚输入复位信号线，时钟电路工作后，引脚上出现两个机器周期以上的高电平，完成复位操作。 8031单片机采用两种复位方式：一种是自动加电复位，另一种是开关复位。 ALE/PROG：ALE地址锁定允许信号。它的作用是把CPU从P在0口分时发送的低8位地址锁定在外部锁定器中。 读取外部程序存储器的通信号。低电平时有效。
VPP：当EA为高电平且PC值小于0FFFH时CPU在内部程序存储器中执行程序。当 EA低电平时，CPU只执行外部程序存储器中的程序。 XTAL1.使用外部振荡器时，必须接地振荡器的反向放大器输入； XTAL2.当使用外部振荡器时，接收外部振荡信号； (2)片外三总线结构 在实际应用中，单片机通常需要扩展外部存储器I/O口等。除了电源、复位、时钟输入和用户，单片机的引脚I/O在口外，其余的引脚都是为了实现系统扩展而设置的，这些引脚形成了三条总线： ⒈ 地址总线AB 地址总线宽度为16位。因此，外部存储器的直接搜索范围为64KB。由P地址锁存器提供16个地址总线的低8个地址(A7～A0)，P两口直接提供高 8位地址(A15～A8)。 ⒉ 数据总线DB 由8位数据总线宽度组成P0口提供。 ⒊ 控制总线CB 第二功能状态下控制总线的控制总线P3口和4条独立控制线RST、EA、ALE和PSEN组成。引脚图如图3-3所示： 3.1.2 8255A可编程并行I/O口扩展芯片 8255A可编程并行I/O可直接与口扩展芯片一起使用MCS连接系列单片机系统总线，并行三个8位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外围设备之间的信息交换。8255A结构及引脚功能： 1、8255A的结构 8255A内部结构如内部结构3-4所示。包括三个8位并行数据I/O端口，两个工作模式控制电路，一个读写控制逻辑电路，一个8位数据总线缓冲器。各部分功能介绍如下:(1) 三个8位并行I/O端口A、B、C A口:有8位数据输出锁/缓冲器和8位数据输入锁。可编程为8位输入、8位输出或8位双向寄存器。 B口:有8位数据输出锁/缓冲器和8位输入或输出寄存器，但不能双向输入/输出。 C口：具有一个8位数据输出锁存/缓冲器和一个8位数据输入缓冲器，C口可分为两个四位口，用于输入或输出，也可作为A口和B口工作时的状态控制信号。(2) 控制模式控制电路 A、B两组控制电路将三个端口分成两组A、B两组，A组控制A口和C口四位，B组控制B口和C口低四位。两组控制电路各有一个控制命令寄存器来接收原因CPU为了确定两组端口的工作模式，写入控制字。C口按位清0或1也可根据控制字的要求。 (3) 读写控制逻辑电路 它接收来自CPU控制各口工作状态的地址信号和一些控制信号。(4) 数据总线缓冲器 它是一个三态双向缓冲器，用于和系统的数据总线直接相连，以实现CPU和8255A信息之间的传输。
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