加工中心刀具自动进给控制系统的设计

毕业设计

论文任务书

一、题目及专题：

１、题目加工中心刀具自动进给控制系统的设计

２、专题

二、课题来源及选题依据

本课题来源于自选题目。

加工中心刀具自动进给控制系统是数控机床等现代加工设备的

重要组成部分。随着数控技术的不断成熟和发展，人们对数控方面的选择也有了更广阔的范围，对数控技术的掌握要求也越来越高

三、本设计（论文或其他）应达到的要求：

1．要求以中规模数字集成计数器为核心，以步进电机为执行元件，

设计一个数字化自动进给控制系统。

2．熟练掌握电子工作平台Multisim软件的使用方法。

3．用Multisim软件对进行自动进给控制系统的研究与设计。

4．用Multisim软件创建仿真电路。

摘要

自动进给控制系统是数控机床等现代加工设备的重要组成部分。本设计主要介绍以中规模数字集成计数器IC74163及IC74191为核心的两种方案，以步进电机为执行元件的数字化自动进给控制系统。文章详细介绍了自动进给系统的状态译码可编程计数器的设计过程，其中还涉及到的自动进给控制系统的译码可编程计数器所使用的元器件，及元器件的主要使用到的功能，元器件的管脚图等等，并且单独给出了设计图。文章简单的介绍了执行元件三相步进电机的工作原理，驱动系统，环形分配器的内部结构，工作原理等。在设计中用电子设计自动化(EDA)软件进行了系统的研究和设计，给出了系统仿真和实验结果。仿真软件使用的是EWB的升级版本Multisim。在文章中也对它的工作界面使用方法做了简单的介绍。

I

关键词:IC74163；IC74191；电子设计自动化；自动进给；数字电路仿真

Abstract

The auto-advancing driving system is the important part of numerical controlled processing equipment such as numeri cal controlled machine tool. This design mainly introduces two programs one is the numerical auto-advancing driving system whose kernel is middle scale number integration counter IC74163 and the other is numerical auto-advancing driving system whose kernel is middle scale number integration counter IC74191.and both of their operation components are stepping motor.The paper introduces the Design process of the State decoding programmable counter which belongs to the auto-advancing driving system In detail.It also involved the components that used in the Decoding programmable counter,the main use of the components ,the pin maps of the components ,etc. and gives the design alone. Article describes the working principle of the three-phase stepper motor actuator,drive system, the internal structure of the ring distributor ,working principle and so on, simply.Among the Design,I used Electronic design automation (EDA) software to do the Research and design,gives the simulation and experimental results.The simulation software used in the design is the Multisim which is the Upgrade edition of the EWB.The article also introduced the Working interface,and the Methods of the use.

Key words: IC74163;IC74191;Electronic design automation; auto-advancing

driving;Digital circuit simulation

II

目录

1绪论 (1)

1.1 加工中心的概念 (1)

1.2 加工中心的发展史 (1)

1.3 课题研究的意义 (2)

2 仿真软件MULTISIM (3)

2.1 EDA技术 (3)

2.1.1什么是EDA (3)

2.1.2EDA技术的概念 (3)

2.1.3EDA工具软件 (3)

2.2 MULTISIM电子仿真软件的介绍及简单的使用说明 (4)

2.2.1 基本概念 (4)

2.2.2仿真的内容 (4)

2.2.3电路的构建及仿真 (4)

2.2.4M ULTISIM对元器件的管理 (5)

2.2.5输入并编辑电路 (5)

2.2.6将元器件连接成电路 (6)

2.2.7M ULTISIM11.0特点 (6)

3 加工中心刀具进给控制系统的设计 (9)

3.1 自动进给控制系统的组成 (9)

3.2 执行元件三相步进电机 (9)

3.2.1步进电机的简单定义 (9)

3.2.2三相步进电机的结构 (9)

3.2.3三相步进电机的旋转 (10)

3.3 步进电机环形分配器 (10)

III

3.3.1工作原理 (10)

3.3.2程序设计 (11)

3.4 自动进给控制系统的设计原理 (12)

3.5 基于IC74163自动进给系统的设计 (12)

3.5.1基于IC74163自动进给系统的设计介绍 (12)

3.5.2IC74163介绍 (14)

3.5.310-4线编码器74147介绍 (15)

3.5.46反相器7404介绍 (16)

3.5.5用555定时器接成多谐振荡器的介绍 (16)

3.5.6仿真与实验结果 (17)

3.5.7自动进给系统的改进 (17)

3.5.84-16线译码器74159介绍 (19)

3.5.916选1数据选择器74150介绍 (20)

3.5.10电平触发的RS触发器的介绍 (22)

3.6 基于IC74191的自动进给控制系统的设计 (25)

3.6.1基于IC74191自动进给系统的设计介绍 (25)

3.6.2IC74191介绍 (28)

3.6.34D触发器74175介绍 (29)

3.6.4仿真和实验结果 (30)

4 结论与展望 (31)

4.1 结论 (31)

4.2 展望 (31)

致谢 (32)

参考文献 (33)

附录 A (34)

附录 B (35)

附录 C (36)

IV

加工中心刀具自动进给控制系统的设计

1 绪论

1.1 加工中心的概念

能自动更换工具，对一次装夹的工件进行多工序加工的数控机床。加工中心,简称cnc，是由机械设备与数控系统组成的使用于加工复杂形状工件的高效率自动化机床。加工中心又叫电脑锣。加工中心备有刀库，具有自动换刀功能，是对工件一次装夹后进行多工序加工的数控机床。加工中心是高度机电一体化的产品，工件装夹后，数控系统能控制机床按不同工序自动选择、更换刀具、自动对刀、自动改变主轴转速、进给量等，可连续完成钻、镗、铣、铰、攻丝等多种工序，因而大大减少了工件装夹时间、测量和机床调整等辅助工序时间，对加工形状比较复杂，精度要求较高，品种更换频繁的零件具有良好的经济效果。

1.2 加工中心的发展史

加工中心（英文CNC machining center）：是带有刀库和自动换刀装置的一种高度自动化的多功能数控机床。在中国香港，台湾及广东一代也有很多人叫它电脑锣。

工件在加工中心上经一次装夹后，数字控制系统能控制机床按不同工序，自动选择和更换刀具，自动改变机床主轴转速、进给量和刀具相对工件的运动轨迹及其他辅助机能，依次完成工件几个面上多工序的加工。并且有多种换刀或选刀功能，从而使生产效率大大提高。

加工中心按其加工工序分为镗铣和车削两大类，按控制轴数可分为三轴、四轴和五轴加工中心。

加工中心由于工序的集中和自动换刀，减少了工件的装夹、测量和机床调整等时间，使机床的切削时间达到机床开动时间的80％左右(普通机床仅为15～20％)；同时也减少了工序之间的工件周转、搬运和存放时间，缩短了生产周期，具有明显的经济效果。加工中心适用于零件形状比较复杂、精度要求较高、产品更换频繁的中小批量生产。

第一台加工中心是1958年由美国卡尼-特雷克公司首先研制成功的。它在数控卧式镗铣床的基础上增加了自动换刀装置，从而实现了工件一次装夹后即可进行铣削、钻削、镗削、铰削和攻丝等多种工序的集中加工。二十世纪70年代以来，加工中心得到迅速发展，出现了可换主轴箱加工中心，它备有多个可以自动更换的装有刀具的多轴主轴箱，能对工件同时进行多孔加工。这种多工序集中加工的形式也扩展到了其他类型数控机床，例如车削中心，它是在数控车床上配置多个自动换刀装置，能控制三个以上的坐标，除车削外，主轴可以停转或分度，而由刀具旋转进行铣削、钻削、铰孔和攻丝等工序，适于加工复杂的旋转体零件。

加工中心按主轴的布置方式分为立式和卧式两类。卧式加工中心一般具有分度转台或数控转台，可加工工件的各个侧面；也可作多个坐标的联合运动，以便加工复杂的空间曲面。立式加工中心一般不带转台，仅作顶面加工。此外，还有带立、卧两个主轴的复合式加工中心，和主轴能调整成卧轴或立轴的立卧可调式加工中心，它们能对工件进行五个面的加工。

加工中心的自动换刀装置由存放刀具的刀库和换刀机构组成。刀库种类很多，常见的有盘式和链式两类。链式刀库存放刀具的容量较大。换刀机构在机床主轴与刀库之间交换刀具，常见的为机械手；也有不带机械手而由主轴直接与刀库交换刀具的，称无臂式换刀装置。

为了进一步缩短非切削时间，有的加工中心配有两个自动交换工件的托板。一个装着工件在工作台上加工，另一个则在工作台外装卸工件。机床完成加工循环后自动交换托板，使装卸工件与切削加工的时间相重合。加工中心通常以主轴与工作台相对位置分类，分为卧式、立式和万能加工中心。

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卧式加工中心：是指主轴轴线与工作台平行设置的加工中心，主要适用于加工箱体类零件。

立式加工中心：是指主轴轴线与工作台垂直设置的加工中心，主要适用于加工板类、盘类、模具及小型壳体类复杂零件。

万能加工中心(又称多轴联动型加工中心)：是指通过加工主轴轴线与工作台回转轴线的角度可控制联动变化，完成复杂空间曲面加工的加工中心。适用于具有复杂空间曲面的叶轮转子、模具、刃具等工件的加工。

1.3 课题研究的意义

数控技术和数控装备是制造工业现代化的重要基础。这个基础是否牢固直接影响到一个国家的经济发展和综合国力，关系到一个国家的战略地位。因此，世界上各工业发达国家均采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业。

数控机床等现代加工设备是采用自动控制，数字装置或电子计算机，全部或部分地取代一般通用机床在加工零件时对机床各种动作的人工控制。各种控制功能，均是以数字和文字实现的。自动进给数控系统是现代加工设备的核心部分，它由数字逻辑电路组合而成，广泛的应用于数控机床、刨床、磨床等的自动进给控制系统中。

2

加工中心刀具自动进给控制系统的设计

2 仿真软件Multisim

2.1 EDA技术

2.1.1 什么是EDA

EDA就是“Electronic Design Automation”的缩写。这种技术已经在电子设计领域得到广泛应用。

20世纪90年代，国际上电子和计算机技术较先进的国家，一直在积极探索新的电子电路设计方法，并在设计方法、工具等方面进行了彻底的变革，取得了巨大成功。在电子技术设计领域，可编程逻辑器件（如CPLD、FPGA）的应用，已得到广泛的普及，这些器件为数字系统的设计带来了极大的灵活性。这些器件可以通过软件编程而对其硬件结构和工作方式进行重构，从而使得硬件的设计可以如同软件设计那样方便快捷。这一切极大地改变了传统的数字系统设计方法、设计过程和设计观念，促进了EDA技术的迅速发展。

EDA技术就是以计算机为工具，设计者在EDA软件平台上，用硬件描述语言VHDL 完成设计文件，然后由计算机自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、布局、布线和仿真，直至对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作。EDA技术的出现，极大地提高了电路设计的效率和可操作性，减轻了设计者的劳动强度。

利用EDA工具，电子设计师可以从概念、算法、协议等开始设计电子系统，大量工作可以通过计算机完成，并可以将电子产品从电路设计、性能分析到设计出IC版图或PCB 版图的整个过程的计算机上自动处理完成。

现在对EDA的概念或范畴用得很宽。包括在机械、电子、通信、航空航天、化工、矿产、生物、医学、军事等各个领域，都有EDA的应用。目前EDA技术已在各大公司、企事业单位和科研教学部门广泛使用。例如在飞机制造过程中，从设计、性能测试及特性分析直到飞行模拟，都可能涉及到EDA技术。

2.1.2 EDA技术的概念

EDA技术是指以计算机为工作平台，融合了应用电子技术、计算机技术、信息处理及智能化技术的最新成果，进行电子产品的自动设计。

利用EDA工具，电子设计师可以从概念、算法、协议等开始设计电子系统，大量工作可以通过计算机完成，并可以将电子产品从电路设计、性能分析到设计出IC版图或PCB 版图的整个过程的计算机上自动处理完成。

现在对EDA的概念或范畴用得很宽。包括在机械、电子、通信、航空航天、化工、矿产、生物、医学、军事等各个领域，都有EDA的应用。目前EDA技术已在各大公司、企事业单位和科研教学部门广泛使用。例如在飞机制造过程中，从设计、性能测试及特性分析直到飞行模拟，都可能涉及到EDA技术。本文所指的EDA技术，主要针对电子电路设计、PCB设计和IC设计。

EDA设计可分为系统级、电路级和物理实现级。

2.1.3 EDA工具软件

EDA工具软件可大致可分为芯片设计辅助软件、可编程芯片辅助设计软件、系统设计辅助软件等三类。

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目前进入我国并具有广泛影响的EDA软件是系统设计软件辅助类和可编程芯片辅助设计软件：Protel、Altium Designer、PSPICE、multiSIM10(原EWB的最新版本)、OrCAD、PCAD、LSIIogic、MicroSim、ISE、modelsim、Matlab等等。这些工具都有较强的功能，一般可用于几个方面，例如很多软件都可以进行电路设计与仿真，同进还可以进行PCB自动布局布线，可输出多种网表文件与第三方软件接口。

下面按主要功能或主要应用场合，分为电路设计与仿真工具、PCB设计软件、IC设计软件、PLD设计工具及其它EDA软件，进行简单介绍。

电子电路设计与仿真工具包括SPICE/PSPICE；multiSIM；Matlab；SystemView；MMICAD LiveWire、Edison、Tina Pro Bright Spark等。在本设计中主要用到的是multiSIM 仿真软件。

2.2 MultiSIM电子仿真软件的介绍及简单的使用说明

2.2.1 基本概念[1]

工程师们可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。Multisim 提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计

和测试这样一个完整的综合设计流程。

NI Multisim软件是一个专门用于电子电路仿真与设计的EDA工具软件。作为Windows 下运行的个人桌面电子设计工具，NI Multisim 是一个完整的集成化设计环境。NI Multisim计算机仿真与虚拟仪器技术可以很好地解决理论教学与实际动手实验相脱节

的这一问题。学员可以很方便地把刚刚学到的理论知识用计算机仿真真实的再现出来，并且可以用虚拟仪器技术创造出真正属于自己的仪表。NI Multisim软件绝对是电子学教学的首选软件工具。

2.2.2 仿真的内容

1.器件建模及仿真;

2.电路的构建及仿真;

3.系统的组成及仿真；

4.仪表仪器原理及制造仿真。

器件建模及仿真：可以建模及仿真的器件:模拟器件（二极管，三极管，功率管等）;数字器件（74系列，COMS系列，PLD，CPLD等）;FPGA器件。

2.2.3 电路的构建及仿真

单元电路、功能电路、单片机硬件电路的构建及相应软件调试的仿真。

系统的组成及仿真：Commsim 是一个理想的通信系统的教学软件。它很适用于如‘信号与系统’、‘通信’、‘网络’等课程，难度适合从一般介绍到高级。使学生学的更快并且掌握的更多。

Commsim含有200多个通用通信和数学模块，包含工业中的大部分编码器，调制器，滤波器，信号源，信道等，Commsim 中的模块和通常通信技术中的很一致，这可以确保你的学生学会当今所有最重要的通信技术。

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加工中心刀具自动进给控制系统的设计

要观察仿真的结果，你可以有多种选择：时域，频域，XY图，对数坐标，比特误码率，眼图和功率谱。

仪表仪器的原理及制造仿真：可以任意制造出属于自己的虚拟仪器、仪表，并在计算机仿真环境和实际环境中进行使用。

PCB的设计及制作：产品级版图的设计及制作。

2.2.4 Multisim对元器件的管理

EDA软件所能提供的元器件的多少以及元器件模型的准确性都直接决定了该EDA软件的质量和易用性。Multisim为用户提供了丰富的元器件，并以开放的形式管理元器件，使得用户能够自己添加所需要的元器件。

Multisim以库的形式管理元器件，通过菜单Tools/ Database Management打开Database Management（数据库管理）窗口（如下图所示），对元器件库进行管理。

在Database Management窗口中的Daltabase列表中有两个数据库：Multisim Master和User。其中Multisim Master库中存放的是软件为用户提供的元器件，User是为用户自建元器件准备的数据库。用户对Multisim Master数据库中的元器件和表示方式没有编辑权。当选中Multisim Master时，窗口中对库的编辑按钮全部失效而变成灰色。但用户可以通过这个对话窗口中的Button in Toolbar显示框，查找库中不同类别器件在工具栏中的表示方法。据此用户可以通过选择User数据库，进而对自建元器件进行编辑管理。

在Multisim Master中有实际元器件和虚拟元器件，它们之间根本差别在于：一种是与实际元器件的型号、参数值以及封装都相对应的元器件，在设计中选用此类器件，不仅可以使设计仿真与实际情况有良好的对应性，还可以直接将设计导出到Ultiboard中进行PCB 的设计。另一种器件的参数值是该类器件的典型值，不与实际器件对应，用户可以根据需要改变器件模型的参数值，只能用于仿真，这类器件称为虚拟器件。它们在工具栏和对话窗口中的表示方法也不同。在元器件工具栏中，虽然代表虚拟器件的按钮的图标与该类实际器件的图标形状相同，但虚拟器件的按钮有底色，而实际器件没有。

相同类型的实际元器件和虚拟元器件的按钮并排排列，并非所有的是元器件都设有虚拟类的器件。在元器件类型列标中，虚拟元器件类的后缀标有Virtual。

2.2.5 输入并编辑电路

输入电路图是分析和设计工作的第一步，用户从元器件库中选择需要的元器件放置在电路图中并连接起来,为分析和仿真做准备。

为了适应不同的需求和用户习惯，用户可以用菜单Option/Preferences打开Preferences 对话窗口。

通过该窗口的6个标签选项，用户可以就编辑界面颜色、电路尺寸、缩放比例、自动存储时间等内容作相应的设置。

取用元器件的方法有两种：从工具栏取用或从菜单取用。下面将以74LS00为例说明两种方法。

具栏取用：Design工具栏;Multisim Master工具栏;TTL工具栏;74LS按钮。从TTL工具栏中选择74LS按钮打开这类器件的Component Browser窗口，如下图所示。其中包含的字段有Database name（元器件数据库），Component Family（元器件类型列表），Component Name List（元器件名细表），Manufacture Names（生产厂家），Model Level-ID（模型层次）

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等内容。

从菜单取用：通过Place/ Place Component命令打开Component Browser窗口。选中相应的元器件

在Component Family Name中选择74LS系列，在Component Name List中选择74LS00。单击OK按钮就可以选中74LS00。7400是四/二输入与非门，在窗口种的Section A/B/C/D 分别代表其中的一个与非门，用鼠标选中其中的一个放置在电路图编辑窗口中。器件在电路图中显示的图形符号，用户可以在上面的Component Browser中的Symbol选项框中预览到。当器件放置到电路编辑窗口中后，用户就可以进行移动、复制、粘贴等编辑工作了，在此不再详述。

2.2.6 将元器件连接成电路

在将电路需要的元器件放置在电路编辑窗口后，用鼠标就可以方便地将器件连接起来。方法是：用鼠标单击连线的起点并拖动鼠标至连线的终点。在Multisim中连线的起点和终点不能悬空。

2.2.7 Multisim11.0特点

直观的图形界面：

整个操作界面就像一个电子实验工作台，绘制电路所需的元器件和仿真所需的测试仪器均可直接拖放到屏幕上，轻点鼠标可用导线将它们连接起来，软件仪器的控制面板和操作方式都与实物相似，测量数据、波形和特性曲线如同在真实仪器上看到的。

丰富的元器件：

提供了世界主流元件提供商的超过17000多种元件，同时能方便的对元件各种参数进行编辑修改，能利用模型生成器以及代码模式创建模型等功能，创建自己的元器件。

强大的仿真能力：

以SPICE3F5和Xspice的内核作为仿真的引擎，通过Electronic workbench 带有的增强设计功能将数字和混合模式的仿真性能进行优化。包括SPICE仿真、RF仿真、MCU仿真、VHDL仿真、电路向导等功能。

丰富的测试仪器：

提供了22种虚拟仪器进行电路动作的测量：

Multimeter(万用表)

Function Generatoer(函数信号发生器)

Wattmeter(瓦特表)

Oscilloscope(示波器)

Bode Plotter(波特仪)

Word Generator(字符发生器)

Logic Analyzer(逻辑分析仪)

Logic Converter(逻辑转换仪)

Distortion Analyer(失真度仪)

Spectrum Analyzer(频谱仪)

Network Analyzer(网络分析仪)

Measurement Pribe(测量探针)

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