基于ISP的机床自动进给论文.docx
《基于ISP的机床自动进给论文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于ISP的机床自动进给论文.docx（28页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
基于ISP的机床自动进给论文
题目：
数控机床刀具吃刀量控制装置
毕业论文（设计）题目：
数控机床刀具吃刀量控制装置
毕业论文（设计）的立题依据
CNC（数控机床）是计算机数字控制机床（Computernumbercontrol）的简称，是一种装有程序控制系统的自动化机床。
该控制系统能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序，并将其译码，从而使机床动作并加工零件。
主要内容及要求
要求学生依据数控机床吃刀量控制装置的设计原理，运用数电课内专业课知识，设计一种有程序控制系统的自动化机床。
要求实现功能：
1、要求刀具进给速度在5秒内完成。
2、进给量分10级，并且进给量随时可调。
数控机床刀具吃刀量控制装置
摘 要
机床自动进给数控装置是运用数字电路控制机床自动进给的设备。
如磨床的磨头从一端运动到另一端时实现自动进给,创床的创刀往返一个行程时完成自动进刀等。
这样可以代替人工.度机床刀具（如磨头,创刀等）及时按预先确定的进给量自动地工作。
而且进给量可以随时根据加工要求改变。
下面介绍介绍了数控机床吃刀量控装置设计的总体思路,及采用数字电路进行设计的方式方法。
CNC系统的进给速度控制包括自动调节和手动调节两种方式。
自动方式指按加工需求编入程序中的指令进行进给速度控制;手动方式指加工过程中由操作者根据需要随时使用倍率旋钮对进给速度进行手动调节。
根据这两种速度控制要求及所采用的插补方法,通过软件控制输出脉冲的频率,即可控制进给速度。
编程的进给速度指令经译码分析处理后,按照所用插补方法计算出插补中断时间常数,以控制插补中断的发生率或调整输出脉冲延时子程序。
当中断服务程序扫描控制面板的倍率开关时（该开关已设置了新的进给率百分数）,在执行程序中对算出的时间常数或延时子程序进行百分率调整,从而对手动调整作出正确的响应。
关键词：
数控机床；数字电路；吃刀量
［关键词与摘要内容隔行书写，词条用小四号宋体字，词条间用分号（；）隔开，3-5个关键词］
ResearchandApplicationofUSB
Abstract
ThetoolautomaticfeedCNCdeviceistheuseofdigitalcircuitcontrolmachineautomaticfeedingdevice.Suchasagrindergrindingheadfromoneendtotheotherendwhenthemovementtorealizeautomaticfeed,abedaknifefromastroketocompletetheautomaticfeedetc.Itcanreplacetheartificial.Ofmachinetool（suchasgrindinghead,acutter）timelyaccordingtomakesuretheamountoffeedautomaticoperation.Andtheamountoffeedcanatanytimeaccordingtotheprocessingrequirementschange.HereintroducedthemachinetoolautomaticfeedCNCdevicedesignmethod,andusesthedigitalcircuitdesignmethod.[1]
FeedspeedcontrolofCNCsystemincludesautomaticcontrolandmanualadjustmentintwoways.Automaticmodereferstotheprocessingneedsofprogrammedinstructionoffeedspeedcontrol;manualmodereferstotheprocessbytheoperatoraccordingtoneedtouserateoffeedspeedformanualadjustmentknob.[2]Accordingtothetwokindsofspeedcontrolrequirementsandtheinterpolationmethod,byusingthesoftwaretocontroltheoutputpulsefrequency,cancontroltherateoffeed.Programmingfeedspeedinstructionbythedecodingprocess,accordingtotheinterpolationmethodtocalculateinterpolationinterrupttimeconstant,tocontroltheinterpolationinterruptedtheincidenceoradjusttheoutputpulsedelaysubroutine.Whentheinterruptserviceroutinescancontrolpanelpowerswitch（theswitchhasbeensetupanewfeedrate）,intheimplementationoftheprogramtocalculatethetimeconstantordelaysubroutineforpercentageofadjustment,soastomakethecorrectresponsetomanuallyadjust.[3]
Keywords：
NCmachinetool;digitalcircuit;cuttingdepth
小提示：
当需要从网站或者文档复制到本文档时，先将文字复制到文本文档，然后再从文本文档复制到本文档的相应位置，这样就能够保证格式是正确的！
此行不会被打印
千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。
（在word菜单-工具-选项-视图标签中，格式标记部分请全部打对号，这样就可以看到隐藏的分节符和空格等信息了）
目 录
摘 要I
AbstractII
第1章绪 论1
1.1概述1
1.2技术指标1
1.3本章小结1
第2章方案论证2
2.1电路方框图及工作原理2
2.2各部分组成与作用2
2.3本章小结3
第3章电路分析4
3.1信号源电路4
3.2控制脉冲形成电路6
3.2.1单稳态电路6
3.2.2RS触发电路7
3.3可变进制计数器7
3.4其它电路9
3.5本章小结9
第4章电路设计10
4.1设计指标要求和给定的条件10
4.2单元电路的设计10
4.2.1信号源10
4.2.2控制脉冲形成电路10
4.2.3可变进制计数器11
4.2.4主控门，放大器和执行机构12
4.3电路图及工作原理14
4.4本章小结15
第5章电路安装和测试方法16
5.1电路安装的步骤和测试方法16
5.2所用的仪器设备和元器件17
5.3本章小结17
结论18
参考文献19
附录20
致 谢22
数控机床刀具吃刀量控制装置
第1章绪 论
1.1概述
随着微电子技术、计算机技术和自动控制技术的发展，数控机床应运而生，它是一种具有广泛通用性的高效率自动化机床。
数控机床同一般自动化机床的区别在于：
后者的自动化程度虽然很高，但他们主要依靠模板、凸轮、专用夹具和刀具、定程挡板等来实现顺序的加工动作及控制刀具相对于工件的移动距离，由于专用模板、夹具和刀具等辅件的生产要求较高，生产时间较长，生产成本高，因此它只适合于大批量生产。
而数控机床既具有高效率的自动化特性，又具有广泛的通用性。
数控机床在改变加工对象时，除数重新选择相应刀具外，仅需更换一下控制介质，或改变一下控制介质的内容，即可进行新零件的加工。
机床自动进给控制装置是运用数字电路控制机床自动进给的设备，其用途很广：
如磨床的磨头从一端运动到另一端时实现自动进给，创床的创刀往返一个行程时完成自动进刀等。
由于数字电路的发展速度十分迅速。
尤其是IC电路的发展更是如此。
IC芯片的发展是功能越来越完善，电路越来越简单化。
但技术却比以前大有提高，芯片的成本理所当然要比以前少。
而我们用数字芯片构成的电路要比分立元件构成的电路大大的降低成本。
且相对来说更是要比分立元件构成的电路好调试、容易实现某项功能。
所以本设计各部分功能由数字逻辑电路来实现。
[4]
1.2技术指标
机床加工吃刀量自动进给装置的技术指标：
1、要求刀具进给速度在5秒内完成；
2、进给量分10级，并且进给量随时可调；
1.3本章小结
本章主要介绍了此设计的意义与前景，以便于为以后的学习做基础，并且加强概念，联系实际，通俗易懂，目的是为了在保证基本内容掌握的前提下，努力培养我们处理实际问题和自学的能力。
第2章方案论证
2.1电路方框图及工作原理
根据技术指标考虑用数字电路较容易实现。
经过分析确定本课题的方案及框图如下：
图2-1自动进给数控装置的方框图
工作原理如下：
图2-1是实现机床进给的方框图。
由于机床两端的适当位置安装了传感器，当刀具运动到机床一端时，传感器便发出一个电信号。
此信号通过“控制脉冲形成电路”产生高电平输出，使“主控门”打开，这个信号源发出的脉冲信号可以通过主控门再经“放大器”放大后驱动“执行机构（进给机械装置）”。
“执行机构”根据脉冲数目的多少决定进给量。
脉冲数等于预置数时，预置电路立即发出“停止信号”，并送到控制脉冲形成电路，产生一个低电平输出信号封锁主控门。
直接下一个信号脉冲到来之前，执行机构停止动作。
同时，预置电路产生清零信号使计数器回到零状态，待下次进刀时再重新计数。
[5]
所以，机床自动进给电路可以代替人工，使机床刀具（如磨头，创刀等）及时按预先确定的进给量自动地工作。
而且进给量可以随时根据加工要求改变。
2.2各部分组成与作用
本课题方案的基本组成为：
1、信号源电路
此部分是采用CD4060集成电路作为脉冲震荡发生器，因为本店路需要的脉冲周期为0.5秒信号，所以CD4060较容易实现。
电路中利用CD4060组成两部分电路。
一部分是14级分频器，其最高分频数为16384；另一部分是由外接电子表用石英晶体、电阻及电容构成振荡频率为32768Hz的振荡器。
振荡器输出经14级分频后在输出端Q13上得到精确的0.5秒脉冲。
2、控制脉冲形成电路
此电路一部分是555定时器和外接定时元件R、C构成的单稳态触发器，另一部分是由与非门构成的基本RS触发器组成。
通过改变R、C的大小，可使延时时间在几个微秒到几十分钟之间变化。
在本设计中要延时5秒，所以要求R2C1要精确，此部分电路的作用是，当按下开关S1时，单稳态触发器电路输出高电平，经倒相后送到基本RS触发器，输出低电平，经非门倒相后输出低电平，封锁主控门。
3、主控门
此部分是由2输入端与非门组成的，当控制输入端接低电平时，主控门关闭，输出为高电平。
当控制端为高电平时，主控门打开，时钟脉冲顺利通过。
4、可变进制计数器
此部分是由计数器、二-十进制译码器、拨码开关和基本RS触发器组成。
计数输出等于预置数时，经拨码开关输出低电平，然后通过基本RS触发器达到异步置0，输出高电平使计数器清零。
待下次主控开启，CP脉冲的上升沿到来时，才终止清零信号，重新开始计数。
5、显示电路
此部分是由七段译码器CD4511和共阴极数码管组成。
经译码器4511将计数结果送到数码管，用来显示进给量等级。
6、放大器与执行机构
此部分放大器采用普通的晶体管放大电路，由它驱动执行机构，当信号脉冲到来时，产生高低电平，使三极管工作在导通与截止状态，即发光二极管发生亮灭变化，用于代表刀具进给过程。
执行机构这里不做详述，它由机床的具体构造而具体进行设计，本电路中用发光二极管代替。
[6]
2.3本章小结
本章主要介绍了机床加工刀具自动进给装置的原理方框图，以及各部分基本组成及作用，为以后章节的学习做了铺垫。
U注意：
除第一章绪论外，其他每一章都应该有一个本章小结
第3章电路分析
3.1信号源电路
信号源实际上是一个脉冲振荡器。
它可由TTL与非门基本多谢振荡器，或RC环形震荡起来实现。
1、TTL与非门基本多谐振荡器
图3-1（a）是一个有TTL与非门组成的基本多谐振荡器。
（a）电路（b）波形
图3-1TTL与非门基本多谐振荡器
根据数字电子技术基础课上已学过的知识，不难分析这一电路的工作过程。
当接通电源之后，两个门的输出V01和V02的状态将在高、低点评之间不停地翻转。
如果我们选择R1=R2，C1=C2，则两输出端得到相位相反的矩形脉冲波，见图3-1（b）。
振荡器的周期主要由RC世间常数决定。
一般，周期T=2.2（R//r）C.（r为门电阻）。
[7]
2、RC环形振荡器
信号从TTL与非门的输入端传输到输出端总要延迟一定的时间，即传输时间tpd。
因此，把奇数个与非门首尾相接，便可行性振荡器，如图3-3（a）所示。
（a）电路（b）波形图
图3-3环形振荡器
电源接通后，若V01由低电平变为高电平，经过门的传输时间tpd的延迟，V02便由高变低，再经过门传输时间tpd,则V03由低变高。
由于V03等于V11，经过门传输时间tpd再使V01由高电平翻转为低电平。
可见经过三倍的tpd时间V01反一次相，其振荡周期为6tpd，见图3-3（b）所示。
[8]
由于TTL与非门的传输时间极短，（只有几十毫微秒），所以这种环形振荡器的频率很高，而且不能调节。
为此，我们在电路力增加了RC延时电路，电路如图3-4（a）所示。
（a）电路（b）波形图
图3-4带RC电路的环形多谐振荡器
在此电路中，由于RC延时时间比门电路的传输延时tpd长得多，所以每个门电路的tpd可以忽略。
其工作过程是：
当V01由高电平时，V02由低变高。
由于电容C上的电压不能突变，V23的电平会随V01也产生负跳变，从而使V03由低电平变成高电平，但V02的高电平经电阻R向电容C充电，使V23升到阈值电压VT时，门Ⅲ开始反转，V03由高变低。
因为V03和VI1由低变高。
这时，虽然V02由高变低，可V23又通过电容C随V01发生正跳变，使V03变成电平。
但电容C上的电荷通过电阻R向门Ⅱ的饱和输出管放电，使V23逐渐变低，直到下降到阈值电压VT，使V03再回到高电平。
这样周而复始地充放电，输出端产生脉冲振荡波形。
见图3-4（b）所示。
这里，电阻R可选择1KΩ左右，RS为100Ω，振荡频率随电容量的大小而变化。
当电容为100μF时，周期可达数秒；电容小到15ρF时频率可达数兆赫。
此电路震荡周期T=2.2RC。
为了得到更宽的频率范围，可在电阻R之后加一级射随器，以扩大电阻R的变化范围。
[9]
3.2控制脉冲形成电路
当机床需要进给时，传感器发出触发信号，使“控制脉冲形成电路”输出一个稳定的高电平，开启主控门，这时信号源发出的时钟脉冲可以通过主控门，同时送给驱动电路和计数器。
当计数器达到预置值时，产生停止信号使“控制脉冲形成电路”输出稳定的低电平，将主控门封闭。
本电路是由单稳态电路和RS触发器构成的。
干簧管作为传感器，当磨头或刨刀运动到机床一端时，安装在刀具上的小磁铁正好接近于干簧管使其吸引接地。
产生负脉冲信号触发单稳态电路，进行整形延时处理。
3.2.1单稳态电路
所谓单稳态电路是指在没有外加信号时，它处在稳定状态。
当输入触发信号时，电路翻转到暂稳状态，并维持一定时间后再回到稳态。
利用这一性质可以实现脉冲的延时或整形。
暂稳态的维持时间由电路本身的RC参数决定，与外信号无关。
图3-5（a）是TTL微分型单稳态电路原理图。
它是采用负脉冲触发的，当没有触发脉冲时，VI是高电平，门Ⅰ输出低电平。
因R较小，使门Ⅱ输出高电平。
在负触发脉冲时，门Ⅰ输出由低变高，而C两端压降不能突变，VR也随之突变到高电平，使门Ⅱ输出低电平。
这个低电平反馈到门Ⅰ输入端，以维持门Ⅰ的高电平输出，电路进入暂稳态。
随着电容C的充电，电阻R上的压降越来越低，当下降到阈值电压时，门Ⅱ输出高电平。
由于这时门Ⅰ的触发负脉冲已经过去，门Ⅰ的输出状况只由V02决定，所以又返回稳定的低电平输出。
电阻R上压降随之向负方向突变，加速了门Ⅱ输出向高电平变化。
电路波形如图3-5（b）所示。
[10]
（a）电路（b）波形图
图3-5TTL微分型但稳态电路
在实际应用中，可改变电容C的大小实现对脉冲宽度的粗调，改变电阻R值实现细调。
若要进一步增宽脉冲，可在电阻R与门Ⅱ间插入射随器，这样能使R值增加数千欧。
3.2.2RS触发电路
RS触发电路是一个双稳态电路。
在本电路中，当传感器信号来到时，它可能产生高电平输出，用来控制主控门开启。
当停止信号到来时，它能输出低电平，控制主控门的关闭。
1
0
0
0
1
1
1
1
保持
0
0
不定
图3-6（a）所示电路是由两只与非门组成的基本RS触发器，其功能表见图3-6（b）。
（a）电路（b）功能表
图3-6RS触发器电路
从以学的知识不难分析：
S为置位端；R为复位端；当两输入端都为1时（无信号），电路状态保持不变；当同时加负脉冲时，在触发脉冲消失时，电路状态不定，所以使用中应避免RS同时加负脉冲。
而是让负脉冲反向作用于置位端S或复位端R。
并且，负脉冲的持续时间大于两个门电路的传输时间之和。
3.3可变进制计数器
在机床自动进给装置中，可变进制计数器是精确地控制进给量的电路。
所以，它是实现自动进给的关键部分。
图3-7所示电路是异步二进制加法计数器。
其中每一触发器为JK触发器，当CP脉冲下降沿到来时触发器翻转。
由图3-7可知，计数器的状态从0000，直到1111共16个状态。
它的不同状态可表示计数器的数目。
若把整个电路看作一级的话，它可以作为16进制的计数器。
假如计数器包含有N级触发器，则它共有2N个状态，当2N个脉冲过后，它将重新从初始状态计数。
所以它是2N进制的计数器。
[11]
图3-7异步二进制加法计算器
为保证计数器能准确计数，必须使它起始状态为零，即每个触发器为零状态。
因此，在开始计数时一般用各触发器的异步置0端清零。
如果运用计数器的这一功能，把二进制计数器或2N进制计数器的某些输出端通过与非门连接到异步置0端，就可以形成2N以内的任意一种进制的计数器。
图3-8所示电路是十六以下可变进制异步计数器的示意图。
图中F1、F2、F3、F4为用JK触发器连成的简单二进制计数器，F0是D触发器，用作延迟触发。
若在与非门的四个输入端接上对应触发器Q或
端时，就可实现16进制之内的任意一种进制的计数。
图3-8 可变进制异步计算器
例如，我们要接成十二进制计数器，使它在0~11之间循环计数，当计数器从“0000”变到“1011”时，四个触发器输出Q4、Q3、Q2、Q1都为高电平，因此，只要将这几个输出端分别接到与非门1的A、B、C、D各输入端，当“1011”状态，门1输出低电平。
待第十二个脉冲到来时，F0输出低电平使计数器清零，返回“0000”状态。
同时，在F0的反相端输出一个高电平作为进位信号。
由此可见，四个JK触发器组成的计数器每收到一个CP脉冲就改变一个状态，而D触发器不起作用，当第N个脉冲到来时，D触发器才有输出并使触发器全部复零。
如果要把二进制计数器改成任意进制时，只要将门1的四个输入端分别用单刀双掷开关同四个触发器的正反输出端相连，即四刀接在门1的四个输入端，双掷分别接各触发器的正、反输出端。
或者，也可采用拨码盘开关改变计数器的进制。
拨码开关相当于一个单刀多掷开关，它的结构如图3-9所示。
在连接电路时，触发器的四个状态输出通过二十进制译码器译码，将译码输出的0~9十个输出端分别连接拨码开关的十个输入端。
由于译码器的每个输出端的高电平分别表示计数器的一个状态，当译码输出等于拨码开关的预置值时，则拨码开关的输出为高电平，否则它一直保持低电平状态。
拨码开关连接电路如图3-10所示。
为了实现更高进制的计数，还可再增加计数器和拨码开关的级数。
[12]
0
拨码开关
9
0
二~十进制译码器
计数器输出
A
~
2
C
B
9
D
图3-9拨码开关图3-10拨码开关连接图
3.4其它电路
在机床自动进给电路中，除了上述电路外，还必须有主控门电路，放大电路及执行机构。
主控门是由2输入端与非门组成的。
当控制输入端低电平时，主控门关闭，输出为高电平。
当控制端为高低那平时，主控门打开，时钟脉冲顺利通过。
放大电路对脉冲信号进行放大，用来推动执行机构正常工作。
脉冲信号越多，进给量将越大。
3.5本章小结
本章主要对控制机床刀具吃刀量自动进给装置的电路进行分析，以及电路的作用。
第4章电路设计
4.1设计指标要求和给定的条件
设计指标要求及给定的条件如下：
1、为了适用性更强，要求刀具进给速度可随时调节，并且在5秒时间内完成进给。
2、要求进给量共分10级。
进给量可随时调节。
3、要求在课程设计实验箱上装出控制电路，实现控制功能。
（传感器件和执行机构可分别用逻辑开关和显示器代替）。
4.2单元电路的设计
4.2.1信号源
为了满足设计要求，我们选择RC环形振荡器电路作为信号源，电路如图4-1所示。
图4-1信号源电路
这里，我们可选用T005、T035、T065等型的2输入端四与非门来连接。
电容C1选择200μF的电解电容，电阻R1选择1KΩ的可变电阻，电阻R2为100Ω。
这样，适当调节可变电阻R1值就可得到周期为0.5秒的时钟。
这里，在门1接——控制端，可使每次动作时均能得到完整的时钟脉冲波形。
4.2.2控制脉冲形成电路
这部分电路是由单稳态电路电路和RS触发组成的，当传感器发出信号时，单稳态电路产生的脉冲信号加到RS触发器的复位端，并经整形门输出高电平，此高电平开启控制门，使信号源产生的时钟脉冲通过主控门。
当计数器的数值达到预置值时，计数器发生停止停止信号加到RS触发器的置位端并经整形门输出低电平，使主控门关闭，执行机构停止动作，计数器停止计数。
这里选用微分型单稳态电路。
所以控制脉冲形成电路如图4-2所示。
用于单稳态电路的门5、门6、门7、门8和利用于隔离整形用的门11可选择T005、T035、T065等2输入端四与非门电路。
用于RS触发器的门9、门10、可选择1000P电容。
电阻R3、R4选择阻值为300Ω电阻。
电阻R5、R6、R7是为了在触发信号时或计数未到预置值，使门9、门10输入端保持在可靠的高电平而设置的。
R8C4积分电路是为了保证开机时主控门关闭。
电阻R5、R6、R7、R8可选择阻值为1KΩ的电阻。
电容C4可选择100μF。
图4-2控制脉冲形成电路
图4-2所示电路有两个传感器（逻辑开关）和单稳态电路，它适用于刀具运动到两端均需进给的场合。
若刀具往返一次才需进给的场合只要将一个传感器
升级会员 