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目 录
绪论
第一节 综合作业的目的……………………………………………
第二节 综合作业的内容……………………………………………
微型数控系统总体设计方案的拟定
第一节 综合作业任务书……………………………………………
第二节 总体方案的确定……………………………………………
机床进给伺服系统机械部分设计计算
系统脉冲当量及切削力的确定……………………………
切削力的计算………………………………………………
滚珠丝杠螺母副的设计、计算、和选型…………………
进给司服系统传动计算……………………………………
步进电机的计算和选型……………………………………
微型数控系统硬件电路的设计
第一节 单片机数控系统硬件电路设计内容………………………
第二节 MCS—51系列单片机的选用………………………………
第三节 存储器扩展电路设计………………………………………
第四节 I/O接口电路及辅助电路设计……………………………
数控机床的加工程序编制
第一节 经济型数控车床数控系统的程序编制说明………………
第二节 加工说明及工艺路线设计…………………………………
做综合作业的亲身体会
做综合作业的感言
第1章 绪 论
第一节 综合作业的目的 综合作业是培养我们理论联系实际，解决生产实际问题能力的重要步骤，它起到了毕业设计的作用。
它通过对机床数控系统设计总体方案的拟定，进给伺服系统机械部分结构设计.计算控制系统硬件电路的设计以及数控机床加工程序的编制，使我们综合运用所学的机械.电子和微机的知识,进行一次机电结合的全面训练。从而培养了我们具有加工编程能力，初步设计计算的能力以及分析和处理生产中所遇到的机电方面技术问题的能力。 第二节 综合作业的内容 微机数控系统总体设方案的拟定
（1）系统运动方式的确定
（2）伺服系统的选择。
（3）执行机构传动方式的确定。
（4）计算机的选择。
二、进给伺服系统机械部分设计计算
（1）进给伺服系统机械部分设计方案的确定。
（2）确定脉冲当量。
（3）滚珠丝杠螺母副的选型。
（4）滚动导轨的选型。
（5）进给伺服系统传动计算。
（6）步进电机的计算和选用。
（7）设计绘制进给伺服系统一个坐标轴的机械装配图。
（8）设计绘制进给伺服系统的一张或两张零件图。
三、微机控制系统的设计
（1）控制系统方案的确定及框图绘制。
（2）MCS-51系列单片机及扩展芯片的选用。
（3）I/O接口电路及译码电路的设计。
（4）设计绘制一台数控机床微机控制系统电路原理图。
四、数控加工程序的编制
（1）零件工艺分析及确定工艺路线。
（2）选择数控机床设备。
（3）确定对刀点。
（4）选择刀具。
（5）确定切削用量。
（6）编制加工程序。
五、直线的逐点比较法插补软件程序流程框图的绘制。 第2章 微型数控系统总体设计方案的拟定 第一节 综合作业任务书
一.题目:
《经济型数控车床纵向伺服单元》设计
二.设计任务:
（1）根据机床总体布局,分析应采用的机电一体化设计方案,确定微机控制 系统方案;
（2）进行机械伺服机构的设计计算,绘制机械装配图及其部分零件图(1—2
个）
（3）绘制微机控制系统电路原理图；
（4）绘制直线的逐点比较法插补软件程序流程框图；
（5）编制综合作业指导书上图1—1所示零件的数控加工程序； （6）攥写设计说明书一分（8000字以上）
三.给定条件:
（1）纵向移动部件总重量 200kg
（2）纵向定位精度 ±0.015mm
（3）最大移动速度（快进） 4.15m/min
（4）最大进给速度（工进） 158ｍm/min
（5）纵向进给切削力（Z向）1800N
（6）垂直切削力（Y向） 5000N
（7）控制系统用CPU 8031单片机
四.设计要求:
（1）机械结构设计合理,控制系统功能完备,原理正确,制图符合国家标准,图面整洁;
（2）设计说明书论述清楚,计算无误,数值单位明确,引用公式及资料有出处。 第二节 总体方案的确定 系统的运动方试与伺服系统的选择
由于改造后的经济型数控车床具有定位、直线插补、圆弧插补、暂停、循环加工、螺纹加工等功能，所以应该选用连续控制系统。考虑到经济型数控机床加工精度要求不高，为了简化结构、降低成本，采用步进电机开环控制系统。
计算机系统
根据机床要求，采用8位机。由于MCS—51系列单片机的特点之一是硬件设计简单，系统结构紧凑。对于简单的应用场合，MCS—51系统的最小系统用一片8031外扩一片EPROM就能满足功能的要求，对于复杂的应用场合，可以利用MCS—51的扩展功能，构成功能强、规模较大的系统。所以应选用8031单片机。其次，《设计任务书》也给出了选用8031。由此可见选用8031是符合经济数控机床电路设计的。
机床传动方式
为了实现机床所要求的分辨率，采用步进电机经齿轮减速再传动丝杠。为了保证一定的传动精度和平稳性，尽量减小摩擦力，选用滚珠丝杠螺母副。同时，为了提高传动刚度和消除间隙，采用有预加负载荷的结构。传动齿轮也要采用消除齿侧间隙的结构。
第3章 机床进给伺服第4章 系统机械部分设计计算
伺服系统机械部分设计计算内容包括：确定系统的负载，确定系统脉冲当量，运动部件惯量计算，空载起动及切削力矩机计算，确定伺服电机，绘制机械部分装配图及零件工作图等。现分述如下： 第一节 系统脉冲当量及切削力的确定 脉冲当量是衡量数控机床加工精度的一个基本技术参数。经济型数控车床、铣床常采用的脉冲当量是0.01~0.005mm/脉冲,根据机床精度要求确定脉冲当量,纵向:
0.01mm/step 第二节 切削力的计算 确定切削力 (纵车外圆):
由《设计任务书》可知：
主切削力: FY=5000N
进给抗力: FZ=1800N
按切削力各分力比例:FY:FZ:FX=1:0.25:0.4
即 1800/FX=0.25/0.4 FX= N
第三节 滚珠丝杠螺母副的设计、计算、和选型 滚珠循环方式可分为外循环和内循环两大类，外循环又分为螺旋槽式和插管式。
珠丝杠滚副的预紧方法有：双螺母垫片式预紧，双螺母螺纹式预紧，双螺母齿差式预紧，单螺母变导程预紧以及过盈滚珠预紧等几种。
一 . 计算进给牵引力Fm(N)
作用在滚珠丝杠上的进给牵引力主要包括切屑时的走刀抗力以及移动件的重量和切屑分力作用在导轨上的摩擦力。因而其数值大小和导轨的形式有关。
纵向进给为三角形导轨
Fm=kFZ+f'(FY+G)
=1.15×1800+0.04×(5000+2000)= N
式中:K—考虑颠覆力矩影响的实验系数.三角形导轨取k=1.15
f—贴塑导轨摩擦系数:0.03~0.05
G—溜板及刀架重力,取200kg×10N/kg =2000N
二 . 计算最大动负载 C
选用滚珠丝杠副的直径时，必须保证在一定轴向负载作用下，丝杠在回转100万（106）转后，在它的滚道上不产生点蚀现象。这个轴向负载的最大值即称为该滚珠丝杠能承受的最大动负载 C，计算如下：
C = fwFm
L =（60nT）/106
n =（1000Vs）/Lo
Lo—为滚珠丝杠导程,选丝杠名义直径为40ｍｍ,查滚珠丝杠转动惯量表,初选出Lo=6ｍｍ
Vs—最大切削力下的进给速度,可取最高进给速度的1/2~1/3,此处为0.15m/min;
T—使用寿命,按15000h;
fw—运转系数,按一般运转取1.2~1.5;
L—寿命以转106为1单位.
n=(1000Vs)/Lo=(1000×0.555×0.15)/6=12.5r/min
L=(60×n×T)/106=(60×12.5×15000)/106=11.25
C= fwFm= ×1.2×1775=4772.7N
运 转 系 数
运转状态 运转系数
无冲击运转 1.0~1.2
一般运转 1.2~1.5
有冲击运转 1.5~2.5 三 . 滚珠丝杠螺母副的选型
查阅表A-1，可采用W1L4006外循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杠副，1列2.5圈,其额定动负载为16400N,精度等级按滚珠丝杠行程公差表，选为3级(大致相当于老表准E级)
四 . 传动效率计算
η=tanγ/tan(γ+φ)
式中.螺旋升角,W1L4006 γ=2°44′
φ—摩擦角取10′滚动摩擦系数0.003~0.004
η=tanγ/tan(γ+φ)
=tan2°44′/tan(2°44′+10′)=0.94
五 . 稳定性校核
滚珠丝杠两端采用推力球轴承,不会产生失稳现象,不需作稳定性校核. 第四节 进给伺服系统传动计算 一 . 齿轮传动比计算 (纵向进给齿轮箱传动比计算)
纵向进给脉冲当量δp=0.01,滚珠丝杠导程Lo=6ｍｍ,初选步进电机步距角0.75°,可计算出传动比i
i=(360δp)/(θbLo)=(360×0.01)/(0.75×6)=0.8
可选定齿轮齿数为:
i=Z1/Z2=32/40或20/25
Z1=32,Z2=40或Z1=20,Z2=25
由齿轮传动比i=0.8= ，可以选定齿轮齿数为： =32和 =40或 =32和 =40。再由于丝杠副的公称直径为40mm，则初选 =32和 =40的齿轮
参数如表。
齿 数 z 32 40
分度圆 d=mz 64 80
齿顶圆 da=d+2m 68 84
齿根圆 df=d-21.25m 59 75
齿 宽 (6—10)m 20 20
中心矩 A=(d1+d2)/2 70 二 . 齿轮齿数及技术参数
计算出传动比i后,降速级数决定采用一对齿轮降速,因为进给伺服系统传递功率不大,一般取ｍ=1~2,数控车床,铣床取ｍ=2,此作业中取ｍ=2。
为了消除齿轮侧隙，此作业中采用双片齿轮。 第五节 步进电机的计算和选用 一 . 初选步进电机
1 . 计算步进电机负载转矩Tm
Tm=(360δpFm)/(2πθbη)
=(360×0.01×1775)/(2×3.14×0.75×0.98×0.99× 0.99)N·mm=141.26N·cm
式中: δp—脉冲当量 (mm/step);
Fm—进给牵引力 (N);
θb—步距角,初选双拍制为0.75°;
η—电机-丝杠的传动效率为齿轮,轴承,丝杠效率之积，分别为0.98,0.99,0.99;
2 . 估算步进电机起动转矩Tq
Tq=Tm/(0.3~0.5)
=1412.5/0.3N·mm=4708.6N·mm=470.8N·cm
3 . 计算最大静转矩Tjmax
查表
相数 三相 四相 五相 六相
拍数 3 6 4 8 5 10 6 12
0.5 0.866 0.707 0.707 0.809 0.951 0.866 0.866
如取五相10拍,则
Tjmax=Tq/0.951=4951.3N·mm=495.13N·cm
4 . 初选步进电机型号
根据估算出的最大静转矩Tjmax在国产BF反应式步进电机技术数据表中查出130BF001最大静转矩为931N·cm>Tjmax可以满足要求.考虑到此经济型数控车床有可能使用较大的切削用量,应该选稍大转矩的步进电机以留有一定的余量.另一方面,与国内同类型机床进行类比,决定采用150BF002步进电机.
二 . 根据草图校核步进电机转矩
前面所述初选步进电机的转矩计算,均为估算;初选之后应该进行校核计算.
1 . 等效转动惯量计算
根据简图
运动件的转动惯量J∑可由下式计算:
J∑=J1+(Z1/Z2)2[(J2+Js)+G(Lo/2π)2/g]
式中 J1,J2—齿轮Z1,Z2的转动惯量 (kg·cm2)
Js—滚珠丝杠转动惯量 (kg·cm2)
J1=0.78×10-3×d14·L1=(0.78×10-3×6.44×2)kg·cm2=2.62kg·cm2
J2=0.78×10-3×d24·L2=(0.78×10-3×84×2)kg·cm2=6.39kg·cm2
Js=(0.78×10-3×44×170)kg·cm2=33.95kg·cm2
G=2000N
齿轮惯量计算
对于刚材:J=0.78D4L×10-3 刚材的密度为7.8×10-3kg/ cm3
式中 D—圆柱体直径(cm);
L—圆柱体长度 (cm);
刚材的密度为7.8×10-3kg/ cm3
代入上式:J∑=J1+(Z1/Z2)2[(J2+Js)+G(Lo/2π)2/g]
={2.62+(32/40)2[(6.39+33.95)+2000×(0.6/2π)2/10]}kg·cm2
=29.6kg·cm2
J电机=(1~4)J∑ N取2
电机惯量: J电机=2×J∑=2×29.6=59.2kg·cm2
总惯量: J∑′=J电机+J∑=59.2+29.6=88.8kg·cm2
2 . 电机转矩计算
机床在不同的工况下,在,下面分别按各阶段计算:
1) 快速空载起动惯性矩
T惯=J∑′ε=J∑′×(2πnmax×10-2)/(60×ta)
nmax=(υmax/δp))×(θb/360)
将前面数据代入,式中各符号意义同上
nmax=(υmax/δp))×(θb/360)
=(4000/0.01)×(0.75/360)=833.3r/min
起动加速时间ta=200ms
T惯=J∑′×(2πnmax×10-2)/(60×ta)
=88.8×(2π×833.3×10-2)/(60×0.2)N·cm=387.31N·cm
2) 快速空载起动
T负1=Tf+To+T惯
折算到电机轴上的摩擦转矩Tf
Tf=FoLo/2πηi=[f′(FY+G)×Lo]/[2πη(Z1/Z2)]
=[0.04×(5000+2000)×0.6]/[2π×0.8×1.25]N·cm
=26.75N·cm
附加摩擦转矩To
To=[FpoLo(1-ηo2)i]/(2πη)=[(1/3)Fm×Lo(1-ηo2)i]/(2πη)
=[(1/3)×1775×0.6×(1-0.92)×0.8]/(2π×0.8)N·cm
=10.74N·cm
η—传动链总效率,一般可取0.7~0.85此处取0.8;
i—传动比;
Fpo—滚珠丝杠预加负荷,一般取1/3Fm,Fm为进给牵引力(N);
ηo—滚珠丝杠未预紧时的传动效率,一般取≥0.9;
FY—垂直方向的切削力(N);
T负1 =26.75+10.74+387.31=424.8N·cm
3) 快速移动时所需转矩 T负2
T负2=T摩=Tf+To=26.75+10.74N·cm=37.49N·cm
4) 最大(直线,匀速)切削负载时所需转矩T负3
T切=(FZLoi)/(2πη)
=(1300×0.6×0.8)/(2π×0.8)=124.2N·cm
T负3=T切+T摩=124.2+37.49N·cm=161.69N·cm
5) 加速切削
T负4=T切+T摩+T惯
=124.2+37.49+387.31N·cm=549N·cm
从上面计算可以看出T负1 ,T负2,T负3和T负4四种工况下,以加速切削所需转矩最大,即以此项作为校核步进电机转矩的依据.
T电机静转矩=(2~5)T负4
取2倍 则:T电机静转矩=2×549N·cm=1098N·cm
从国产BF反应式步进电机技术数据表中查出150BF002型步进电机最大转矩为13.72,大于所需最大静转矩,以满足此项要求.
当快速运动和切削进给时,按150BF002型步进电机运行矩频特性图，完全可以满足要求,所以初步选择150BF002型步进电机。
三 . 根据机械结构精确图校核步进电机转矩) 等效转动惯量计算
1 . 运动件的转动惯量J∑可由下式计算:
J∑=J1+(Z1/Z2)2[(J2+Js)+G(Lo/2π)2/g]
J1=0.78×10-3×（d1）4·L1=(0.78×10-3×6.44×2)kg·cm2=2.62kg·cm2
J1"=0.78×10-3×（d1"）4·L1=(0.78×10-3×3.64×1.8)kg·cm2=0.236kg·cm2
J1= J1+ J1"=2.62+0.236=2.856 kg·cm2
J2=0.78×10-3×(d2)4·L2=(0.78×10-3×84×2)kg·cm2=6.39kg·cm2
J2"=0.78×10-3×(d2")4·L2=(0.78×10-3×3.64×0.9)kg·cm2=0.118kg·cm2
J2= J2+ J2"=6.39+0.118=6.508 kg·cm2
Js=(0.78×10-3×44×170)kg·cm2=33.95kg·cm2
G=2000N
代入上式:J∑=J1+(Z1/Z2)2[(J2+Js)+G(Lo/2π)2/g]
={2.856+(32/40)2[(6.508+33.95)+2000×(0.6/2π)2/10]}kg·cm2
=29.9kg·cm2
J电机=(1~4)J∑ N取2
电机惯量: J电机=2×J∑=2×29.9=59.8kg·cm2
总惯量: J∑′=J电机+J∑=59.8+29.9=89.7kg·cm2
2 . 电机转矩计算
1) 快速空载起动惯性矩
T惯=J∑′ε=J∑′×(2πnmax×10-2)/(60×ta)
nmax=(υmax/δp))×(θb/360)
将前面数据代入,式中各符号意义同上
nmax=(υmax/δp))×(θb/360)
=(4000/0.01)×(0.75/360)=833.3r/min
起动加速时间ta=200ms
T惯=J∑′×(2πnmax×10-2)/(60×ta)
=89.7×(2π×833.3×10-2)/(60×0.2)N·cm=391.176N·cm
2) 快速空载起动
T负1=Tf+To+T惯
折算到电机轴上的摩擦转矩Tf
Tf=FoLo/2πηi=[f′(FY+G)×Lo]/[2πη(Z1/Z2)]
=[0.04×(5000+2000)×0.6]/[2π×0.8×1.25]N·cm
=26.75N·cm
附加摩擦转矩To
To=[FpoLo(1-ηo2)i]/(2πη)=[(1/3)Fm×Lo(1-ηo2)i]/(2πη)
=[(1/3)×1775×0.6×(1-0.92)×0.8]/(2π×0.8)N·cm
=10.74N·cm
T负1 =26.75+10.74+391.176=428.67N·cm
3) 快速移动时所需转矩 T负2
T负2=T摩=Tf+To=26.75+10.74N·cm=37.49N·cm
4) 最大(直线,匀速)切削负载时所需转矩T负3
T切=(FZLoi)/(2πη)
=(1300×0.6×0.8)/(2π×0.8)=124.2N·cm
T负3=T切+T摩=124.2+37.49N·cm=161.69N·cm
5) 加速切削
T负4=T切+T摩+T惯
=124.2+37.49+391.18N·cm=552.87N·cm
从上面计算可以看出T负1 ,T负2,T负3和T负4四种工况下,以加速切削所需转矩最大,即以此项作为校核步进电机转矩的依据.
T电机静转矩=(2~5)T负4
取2倍 则:T电机静转矩=2×552.87N·cm=1105.74N·cm
小于150BF002型步进电机最大转矩为13.72,所以最终选择150BF002型步进电机。 第四章 微机数控系统硬件电路设计 第一节 单片机数控系统硬件电路设计内容 一、绘制系统电器控制的结构框图
根据总体方案及机械结构的控制要求，确定硬件电路的总体方案，绘制系统电气控制的结构框图。
数控系统是由硬件和软件两部分组成。硬件是组成系统的基础，有了硬件，软件才能有效地运行。硬件电路可靠性直接影响到数控系统性能指标。
机床硬件电路由以下五部分组成：
（1）主控制器，即中央处理单元（CPU）；
（2）总线，包括数据总线、地址总线和控制总线；
（3）存储器，包括程序存储器和数据存储器；
（4）接口，即I/O输入/输出接口电路；
（5）外围设备，如键盘、显示器及光电输入机等，见下图。 二、选择中央处理器的类型
在微机应用系统中，CPU的选择应考虑以下因素：
（1）时钟频率和字长，这个指标将控制数据处理的度；
（2）可扩展存储器的容量；
（3）指令系统功能，影响编程灵活性；
（4）I/O口扩展的能力，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。
此外还要考虑到系统应用场合、控制对象对各种参数的要求，以及经济价格比等经济的要求。
目前在经济型数控机床中，一般选用MCS—51系列单片机作为主控制器。
三、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。
在选择程序存储器芯片时，要考虑CPU和EPROM时序的匹配，还应考虑最大读出速度、工作温度及存储器的容量等问题。
在存储器扩展电路的设计中还应包括地址锁存器和译码电路的设计。
四、I/O口接口电路设计
应包括接口芯片的选用，步进电机控制电路、键盘显示电路以及其他辅助电路的设计。
第二节 MCS—51系列单片机的选用
MCS—51系列单片机主要有三种型号的产品：8031、8051和8751。三种型号的引脚完全相同，仅在内部结构上有少数差异。8031片内无ROM，适用于需扩展ROM，可在现场修改和更新程序存储器的应用场合，其价格低，使用灵活，非常适合在我国使用。此次作业使用的是8031芯片。
一、8031单片机的基本特性
8031单片机具有以下几个特点：
（1）具有功能很强的8位中央处理单元（CPU）；
（2）片内有时钟发生电路（6MH或12MH）、每执行一条指令时间为 或 ；
（3）片内具有128字节的RAM；
（4）具有21个特殊寄存器。
（5）可扩展64K字节的外部数据存储器和64K字节的外部程序存储器；
（6）具有4个I/O口，32根I/O线；
（7）具有2个16位定时器/计数器；
（8）具有5个中断源，配备2个中断优先级；
（9）具有一个全双功串行接口；
（10）具有位寻址能力，适用逻辑运算。
从上述特性可以看出这种8031芯片集成度高、功能强，只需增加少量外围器件就可以构成一个完整的微机系统。
二、8031芯片引脚及其功能
8031芯片具有40根引脚，其引脚图如下。
40根引脚按其功能可以分为四类：
1.电源线 2根。
Vcc：编程和正常操作时的电源电压，接+5V。
Vss：地电平。
2.晶体振荡器 2根。
XTAL1：振荡器的反向放大器输入。使用外部振荡器时必须接地。
XTAL2：振荡器的反向放大器输出和内部时钟发生器的输入。当使用外部振荡器时用于输入外部震荡信号。
3.I/O口 共有P0、P1、P2、P3四个8位口，32根I/O线，其功能如下：
（1）P0.0—P0.7（AD0—AD7）
是I/O端口0的引脚。端口0是一个8位漏极开路的双向I/O端口。在存取外部存储器时，该端口分时地用作低8位的地址线和8位双向的数据端口（在此时内部上拉电阻有效）。
（2）P1.0—P1.7
端口1的引脚，是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O通道，专供用户使用。
（3）P2.0—P2.7（A8—A15）
端口2的引脚。端口2是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，在访问外部存储器时，它输出高8位地址A8—A15。
（4）P3.0—P3.7
端口3的引脚。端口3是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，该口的每一位均可独立地定义第一I/O口功能或第二I/O口功能。作为第一功能使用时，口的结构与P1操作与口完全相同，第二功能如下所示：
口引脚 第二功能
P3.0 RXD (串行输入口)
P3.1 TXD (串行输出口)
P3.2 INT0 (外部中断)
P3.3 INT1 (外部中断)
P3.4 T0 (定时器0外部输入)
P3.5 T1 (定时器1外部输入)
P3.6 WR (外部数据存储器写选通)
P3.7 RD (外部数据存储器读选通)
由上看出，8031单片机不是将地址总线、数据总线和控制总线分开，而是地址线、数据线和部分控制均由I/O口完成。
4.控制线
（1）PSEN：程序存储器的使能引脚，是外部程序存储器的选通信号，低电平有效。从外部程序存储器取数时，在每个机器周期内二次有效。
（2）EA/VPP：EA为高电平时，CPU执行内部程序存储器的指令。EA为低电平时，CPU仅执行外部程序存储器的指令。因为8031芯片没有内部程序存储器，所以EA必须接地。
（3）ALE/PROG：ALE是地址锁存器使能信号。作为地址锁存允许时高电平有效。因为P1端口是分时传送数据和低8位地址。所以访问外部存储器时，ALE信号锁存低8位地址。即使在不访问外部存储器时，也以1/6振荡频率的固定频率产生ALE，因此可以用它作为外部的时钟信号。ALE主要是提供一个定时信号，在从外部程序存储器取指令时，把P0口的低位地址字节锁存到外接的地址锁存器中。
（4）RST/VPD：是复位/备用电源端。在振荡器运行时，使RST引脚至少保持两个机器周期为高电平，可实现复位操作，复位后程序计数器清零，即程序从0000H单元开始执行。在VCC关断前加上VPD（掉电保护）RAM的内容将不变。
三、8031芯片内部的存储器结构及地址分配
8031芯片内部无程序存储器，只有256 字节的数据存储器，地址从00H—7FH，其地址分配如下图：
8031芯片内部256字节的空间被分成两部分，其中内部数据存储器（RAM）地址为00H—7FH，特殊功能寄存器（SFR）的地址为80H—FFH。
在内部数据存储器中的00H—1FH为四个工作寄存器区，其中：
0区 00H—07H
1区 08H—0FH
2区 10H—17H
3区 18H—1FH
每个区都有8个8位寄存器R0—R7。可以用来暂存运算的中间结果，以提高运算速度。其中的R0和R1还可以用来存放8位地址。要确定采用哪个工作寄存器区，可通过标志寄存器P SW中的RS0、RS1两位来指定。
从20H—2FH是“位寻址”空间。在此空间中，CPU既可对其执行按字节操作，又可对其中每个单元的8位二进制代码执行按位的操作。
从30H—7FH是可以按字节寻址的数据缓冲区，在此区域中可以设置堆栈。由于8031复位后堆栈指针SP指向工作寄存器区（即SP=07H），所以用户必须在初始化程序中对SP设置30H以后的地址区间为初值。
8031芯片内部没有程序存储器，且仅有128字节的数据存储器，因而再组成控制系统时可根据需要扩展外部程序存储器和外部数据存储器。由于地址线是16位的，故最多能扩展64KB程序存储器和64KB数据存储器，其地址均为0000H—FFFFH，即程序存储器和数据存储器为独立编址；因此EPROM和RAM的地址分配比较自由，编程时不必考虑地址冲突问题。
第三节 存储器扩展电路设计 MCS—51的程序存储器的寻址空间为64K字节，8031片内不带ROM，用作程序存储器的器件是EPROM。由于综合作业设计要求扩展的程序存储器和数据存储器必须大于等于16KB，所以在此选取程序存储器为一片27128和数据存储器为两片6264。
一、程序存储器的扩展
1、27128芯片的结构及工作方式
27128芯片为28脚双列直插式扁平封装芯片，其引脚排列如下图：
图中VPP是编程电压端，PGM是编程控制端，OE是输出使能端，CS是片选端，它们均为低电平有效。下表是EPROM工作方式选择。表中VIH表示输入高电平，VIL表示输入低电平，芯片的数据引脚是三态的，当芯片未选中，即CS是高电平时，它们处于高阻状态，不会影响其他芯片输出状态。而当CS和OE均为低电平时，芯片被选中，其存储内容从数据端输出，即处于DOUT状态。在编程时，从数据输入要存储的信息，数据引脚处于数据输入DIN状态。编程时PGM必须为低，使数据写入芯片。
类型 CE OE VPP VCC OE/VPP PGM 输出 27128 引脚号
读
维 持
编 程
编程检验
编程禁止 （20）
VIL
VIH
VIL
VIL
VIH （22）
VIL
任意
VIH
VIL
VIH （1）
VCC
VCC
VPP
VPP
VPP （28）
VCC VCC
VCC
VCC
VCC （11—13，15—19）
DOUT
高阻
DIN
DOUT
高阻
2、地址锁存器
由于单片机8031芯片的P0口是分时传送低8位地址线和数据线，故8031扩展系统中一定要有地址锁存器。在此选用的地址锁存器芯片是74LS373。74LS373是带三态缓冲输出的8D触发器，其引脚及与8031芯片连接见下图：
E G D Q
L H H H
L H L L
L L X Q
上表是74LS373的真值表，表中：
L——低电平；
H——高电平；
X——不定态；
Q0——建立稳态前Q的电平；
G——输入端，与8031ALE连高电平：畅通无阻低电平：关门锁存。图中OE——使能端，接地。
当G=“1”时，74LS373输出端1Q—8Q与输入端1D—8D相同；
当G为下降沿时，将输入数据锁存。
3、8031与EPROM芯片的连接
（1）地址线的连接
EPROM低8位地址线A0—A7经地址锁存器与8031的P0口相连；EPROM高8位地址线A8—A15直接与8031的P2口相连。由于8031的P0口是分时输出低8位地址和数据，故要外接地址锁存器，并由CPU发出的地址允许锁存信号ALE的下降沿将地址信息锁存入地址锁存器中。如外接存储器芯片内有地址锁存器，则单片机CPU的P0口可与存储器低8位地址线直接相连，但仍要将CPU的ALE信号与存储器芯片ALE端相连。单片机的P2口用作高位地址线及片选地址线，由于P2口输出具有锁存的功能，故不必外加地址锁存器。
（2）数据线的连接
存储器的8位数据线D0—D7与8031芯片的P0口P0。0—P0。7直接相连，单片机规定指令码和数据都是由P0口读入，数位对应相连即可。
（3）控制线的连接
8031芯片的PSEN与EPROM芯片的OE端相连。
8031芯片EA接地，CPU执行外部程序存储器的指令。
8031芯片ALE接地址锁存器74LS373的G端。
二、数据存储器的扩展
由于8031芯片内部RAM只有128字节，远远不能满足系统的需要，需扩展片外的数据存储器（RAM）。
1、数据存储器的选用
根据综合设计的要求需扩展16KB的数据存储器，所以在此选取了两片6264芯片，它采用CMOS工艺，采用28脚双列直插式扁平封装。
2、8031与外部数据存储器芯片的连接
单片机CPU与外部数据存储器的连接方法和与程序存储器连接方法大致相同。唯控制线的连接不同：RAM读入信号OE与8031芯片的RD引脚相连；RAM的写输入信号WE与8031芯片WR相连。
三、译码电路设计
8031单片机允许扩展64KB程序存储器和64KB数据存储器，这样就需要扩展多个外围芯片，因而需要把外部地址空间分配给这些芯片，并且使程序存储器各芯片之间、数据存储器各芯片之间地址互相不重叠，以使单片机访问外部存储器时，避免发生冲突。所以需选用译码电路。
对于容量较大的系统，扩展的外围芯片较多，芯片所需的片选信号多于可利用的地址线时，就需要用这种全地址译码的方法。它将低位地址作为片内地址，而用译码器对高位地址进行译码，译码器输出的地址选择线用作片选线。因为这种地址编码的方法，除了片内地址线以外，剩余的高位地址线全部参加译码，故称为全地址译码。
在此选用了3—8译码器（74LS138），输入占用3根最高位地址线，剩余的13根低位地址线可作为片内地址线。74LS138译码器的8根输出线分别对应8个8K字节的地址空间。
第四节 I/O接口电路及辅助电路设计 8031单片机共有4个8位并行I/O口，但可供用户使用的只有P1口和部分P3口，因此，在大部分应用系统中都需要扩展I/O芯片。在此选用了8255芯片和8279芯片。
一、8255可编程接口芯片
8255是可编程输入/输出接口芯片，它具有3个8位的并行I/O口，分别为PA、PB、PC口，其中PC口又分为高4位和低4位，它们都可以通过软件编程来改变I/O口的工作方式。8255芯片可与8031直接接口。
其引脚功能见下表：
引脚 含义 引脚 含义
D0—D7
PA0—PA7
PB0—PB7
PC0—PC7
A0、A1
RD 数据线
A口
B口
C口
地址线
读 WR
CE
RESET
GND
VCC 写
片选
复位
地
电源
二、键盘显示接口电路
1、显示器工作原理
在此选用的是LED显示器，它是由8个发光二极管组成，当发光二极管导通时，相应的一个点或一个笔画发亮。控制不同组合的二极管导通，就能显示出各种字符。
第五节 微机控制系统电路原理图 见经济型数控系统电路原理图，它是用MCS—51系列单片机组成的控制系统，该系统采用8031作CPU，扩展了一片27128芯片、两片6264芯片、一片8255芯片和一片8279芯片。
一、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）自动换刀控制
（4）螺纹加工控制
（5）行程控制
（6）其他功能 报警电路、急停电路、复位电路、光隔离电路等。
二、CPU、存储器及I/O接口
CPU采用8031芯片，选用6MHZ晶体振荡器。它的P0口作为数据总线和地址线共用。16位地址线由P0经地址锁存器74LS373提供低8位A0—A7，高8位地址线A8—A15由8031的P2口直接提供。ALE为地址锁存允许。PSEN为低电平时选通外部存储器（EPROM），相应的指令字节出现在EPROM的数据线（D0—D7）上，输入到P0口，8031将指令读入。RESET为复位控制，当RESET输入端出现高电平时，8031被初始化复位，在复位有效期向ALE、PSEN也输出高电平。当RESET输入端返回低电平后，CPU从0地址开始执行程序。设计中采用上电复位和开关复位。另外，芯片8255和芯片8279的RESET也与8031的RESET管脚相连，它们可同时复位。
8031的T0是片内的定时器/计数器溢出中断申请，由主轴后面的光电译码器输入。当车床车螺纹时，主轴光电编码器向8031T0发出进给脉冲，用以控制不同导程的螺纹加工。光电编码器还发出一个零位螺纹信号，输入到8255的PB6口，用以防止车螺纹乱扣。
8255主要用于功能键的控制，刀架转位控制等。其中PA口为输入口，PA0—PA5作为功能键控制管理，分别控制编辑、空运行、自动、手动I、手动II和回零。PB口也是输入口，PB0—PB3由面板上的按键分别控制启动、暂停、单段、连续等功能。PB5是换刀回答，当自动转位刀架按指令转位、夹紧，刀架电机停转后，发出此信号，开始执行进给指令。PB6接光电编码器输出的零位螺纹信号。PC口是输出口，PC0—PC3控制自动转位刀架四个刀位的选刀。PC4用于报警显示，系统正常工作时，输出低电平，绿色发光二极管亮，当系统出现异常情况时，输出高电平，经反向后，红色发光二极管亮，实现报警功能。A0、A1分别接地址锁存器的1Q、2Q，A0=1表示传送的是命令或状态信息，A1=0是数据信息。
8279控制步进电机，行程控制，以及键盘、显示电路。其中OUTB0—OUTB3和OUTA0—OUTA3为输出口，用于控制Z向、X向步进电机运转，Z向步进电机为五相，X向为三相。此系统采用软环分配。键盘显示电路为4 8键和8位显示器。SL0—SL2经74LS138分为8根作为键盘的列线，是键盘的扫描线，是输出口。RL0—RL3接行线作为键盘的输入口。SL0—SL2经74LS138分为8根同时作为8位数码显示器的位选信号，8031的P1口是数码显示器的段选信号。RL4—RL7接越程限位控制电路，当床鞍或拖板在Z向或X向越程时，即向计算机输入此信号，使进给系统停止。
第六章 数控机床的加工程序编制 第一节 经济型数控车床数控系统的程序编制说明
一、概述
经济型数控车床数控系统按标准数控语言编程，符合ISO标准的有关规定，其基本功能如下：
（1）能两坐标（X、Z）联动，具有直线与圆弧插补方式；
（2）绝对值编程和增量值编程可以任意用，在同一程序段中可以单独使用，也可以混合使用；
（3）与主轴脉冲发生器配套，可车各种螺纹；
（4）与主轴速度变换装置配套，能自动更换主轴转速；
（5）与刀架自动换位装置配套，能自动转换刀位；
（6）有刀具补偿功能；
二、编码
本系统用到如下数字、字母和符号：
数字：0，1，2，3，4，5，6，7，8，9；
字母：F，G，I，M，N，S，T，U，W，X，Z；
符号：/，+，-，LF； 第二节 加工说明及工艺路线设计 一、编程中字母的说明
程序段序号N，该序号用来表示程序段的序号，它可用来检索程序段，或者显示当前执行的程序段。程序段序号通常置于程序段首位。
准备功能字G，该指令后续两位数字。数字表示不同的机床操作或动作。G功能可用于多种目的。
辅助功能字M，该指令后续两位数字。辅助功能用来使机床产生辅助动作。
刀具功能字T，该功能用于更换刀具时，指定刀具或显示待更换刀具的刀号。刀具交换功能字T字母后续的数字表示待更换的刀号。根据数控带中T地址的数字，就能选择刀具。
二、零件加工图及加工路线
在经济型数控车床上加工的零件如下图：
该零件的毛坯为 棒料，材料为45钢，其硬度为235HBS，表面粗糙度为1.6。
根据主轴零件图确定按先主后次及先初加工后精加工的原则，其工艺路线为：
切削外形轮廓：Ф倒角145→切削锥度部分→车削Ф60mm外圆→倒角145→车削圆弧部分→车削Ф60mm外圆→车削Ф70mm外圆→退刀。Ф85mm外圆不加工。 第三节 零件加工工序 一、粗加工
粗加工时，留2mm的加工余量用于精加工，加工程序如下：
O123
N001 G92 X5000 Z32000 S22 LF 坐标设定
N002 G00 X4200 Z27200 S21 M03 T11 LF 快速移至X42mm,Z272mm
N003 G01 X4400 Z27100 F15 LF 粗车倒角
N004 X5400 W-6100 LF 粗车锥度
N005 U0 Z19000 LF 粗车外圆
N006 X6200 W0 LF 粗车端面
N007 X6400 W-100 LF 粗车倒角
N008 U0 W-2900 LF 粗车外圆
N009 G03 U0 W-6000 I-2200 K-3000 LF 车圆弧
N010 G01 U0 Z8000 LF 粗车外圆
N011 X7400 U0 LF 粗车端面
N012 U0 Z0 LF 粗车外圆
N013 X9000 W0 LF 退刀
N014 G00 X5000 Z32000 M02 LF 退刀、程序结束
二、精加工
在精加工中，为了提高精度，提高了主轴转速，降低了进给速度，具体程序如下：
O124
N001 G92 X5000 Z32000 LF 坐标设定
N002 G00 X3800 Z27200 S26 M03 T11 LF 快速移至X20mm,Z272mm
N003 G01 X4000 Z26900 F0030 LF 精车倒角
N004 X5000 W-5900 LF 精车锥度
N005 U0 Z-19000 LF 精车外圆
N006 X5800 W0 LF 精车端面
N007 X6000 W-100 LF 精车倒角
N008 U0 W-2900 LF 精车外圆
N009 G03 U0 W-6000 I1800 K-3000 LF车圆弧
N010 G01 U0 Z8000 LF 精车外圆
N011 X7000 W0 LF 精车端面
N012 U0 Z0 LF 精车外圆
N013 X9000 W0 LF 退刀
N014 G00 X5000 Z32000 M02 LF 退刀、程序结束 第七章 做综合作业的亲身体会
转眼四年过去了，在这期间我们学习了近二十门的专业技术课，有“机”也有“电”，学习了理论也参加过实践，或多或少感觉自己学到了不少东西。还有不久就毕业了，估计找工作也不是什么难事，毕竟学了三十多门的课程啊！再说了，社会上那么多人没学过这些课程，他们找跟我们专业相关的工作也挺容易的，而且收入不低呢。这样一想，自我感觉挺美的！事实是这样的吗？
不错！我学的时间是很久，学的课程也很多，各课成绩也还过得去；但真的把学的东西都掌握了吗？能学以自用了吗？能创新地独立地设计新的作品吗？毕业后老板交给的任务能独立地完成吗？能………
自信固然可贵，但只凭自信去做事，那只能是一种盲目的冲动，没有理智的行为。通过做这次综合作业，上面提出的几个基本问题，我半个也答不出来。刚接到任务书的时候，顿时脑袋一片空白，接着就是晕忽忽的，面对任务书上所涉及的概念，都是朦胧的感觉。经过了这一段时间，在两位指导老师的热心帮助下和我自己的努力下完成了这次作业。在这过程中，我把作业所涉及到的课本都系统地复习了一遍，有的比以前学的更透彻，而且有了整体概念。同时还把这些课本的内容都联系了起来，整合到了一份作业上，“机”与“电”的整合，“理论”与“实践”的整合，“技术”与“经验”的整合，真可谓全兵演练，真的受益非浅。然而，通过这次作业也暴露出了我的许多不足之处，概念模糊、工作原理搞不清、结构设计不合理、缺乏创新理念等等。这些不足在以后的工作中肯定起到很大的反作用，阻碍工作进展，所以我会狠下功夫，改掉这些不足。
第八章 做综合作业的感言
对于我们这些即将离开校园的学生来说,综合作业是在校园生涯中最后一个重要的环节.它是我们学习能力经验技能的最基本鉴定,它更完善了我们的职业工作技能.从去年12
月份开始我们就积极的为综合作业和毕业设计做准备,有专门的教授定期来为我们指导,这为我们的准备留下了一个强大的后盾,在此感谢教导培育过我们的郭继生和李木教授,由
于您的精心培育使我们得以完成这份作业.
两位教授对我们相当负责,把与作业相关的知识材料介绍给我们,并将我们做的草图计算草稿进行了认真的检查和分析,当然了我们也有许多错误的地方.立木教授负责我们机
械方面的辅导,郭继生教授负责我们的微机电子方面的辅导.在他们的辅导下,我们不但对以前的知识得到了良好的巩固更对以前的知识得到良好的巩固,更对以前的未曾见过的实
践性问题进行了仔细的讲解.
我们以组的形式进行各自不同的项目,我是五组的成员,所属的项目是CA6150数控机床的纵向部分的改造.组长呢,对我们也很负责对各自的数据进行整理,图纸等大家在一块进
行修改讨论以及我们的辅导课程进行总结等等.
总之,通过这么长时间的合作我们的团体结合力得到了近一步的提高,在作业的研究讨论修改方面大家各抒己见对自己的想法尽情阐述,最后在大家的合作下我们的设计综合作
业得以完成,眼看设计也逐步接近于尾声,我们的一切学识都得到了完美的整理完善,心中的那份喜悦感激之情无法言表. | 
发表于 2017-4-25 11:52:20
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