CA6140型車床的經濟型數(shù)控改造設計（橫向）,ca6140,車床,經濟型,數(shù)控,改造,設計,橫向 I 摘 要 針對現(xiàn)有常規(guī) CA6140 普遍車床的缺點提出數(shù)控改裝方案和單片機系統(tǒng)設計，提高加 工精度和擴大機床使用范圍，并提高生產率。本論文說明了普通車床的數(shù)控化改造的設計 過程，較詳盡地介紹了 CA6140 機械改造部分的設計及數(shù)控系統(tǒng)部分的設計。采用以 8031 為 CPU 的控制系統(tǒng)對信號進行處理，由 I/O 接口輸出步進脈沖，經一級齒輪傳動減速后， 帶動滾動絲杠轉動，從而實現(xiàn)縱向、橫向的進給運動。 改造過程如下：（1）機械部分的改造，包括縱向進給方向的改造和橫向進給方向的 改造。主要包括對滾珠絲杠螺母副及反應式步進電機的計算選擇及縱向、橫向機構裝配圖 方案的制定。 （2）電氣控制部分的設計，主要包括 MCS-51 系列單片機及擴展芯片的選用 和電氣控制圖的設計。 關鍵詞：數(shù)控，單片機，步進電機，滾珠絲杠，改造 ABSTRACT III ABSTRACT To remedy the defects of ordinary lather C6140, a design of data processing system and its single chip microcomputer system program is put forward to raise the processing precision and extend the machine’s usage, and to improve production rate。 This paper presents the process of designing numerical control reform， and explicitly introduces the design of mechanical and numerical control system reforms。 We adopt control system which has 8031 as cpu to cope with the signal， and output the step pulse through the I/O interface。 After transmitting and slowing down by force 1 gear, the step pulses drive the leading screw to roll。 Thus achieve the vertical movement and the crosswise movement。 Reform process as follows:(1)The reformation of machine part, include to enter lengthways to the reformation of the direction with horizontal enter to direction of reformation. Mainly include to roll the ball screw shaft nut and the calculation choice of reaction stepping motor and the establishment of lengthways, horizontal organization assemble diagram project. (2)The reformation of electricity part, mainly include the choice of MCS-51 family single-chip and expand chip and the design of electric control chart. Key words : numerical control ,single-chip ,stepping motor , ball screw shaft ,reform IV 目 錄 摘 要 .......................................................................................................... Ⅰ ABSTRACT（英文摘要） ............................................................................ Ⅱ 目 錄 .......................................................................................................... Ⅲ 第一章 前言 ................................................................................................. 1 第二章 總體方案設計 .................................................................................. 2 2.1 機械部分改造 ................................................................................................. 2 2.2 數(shù)控系統(tǒng)部分設計 ......................................................................................... 2 第三章 機械部分改造設計 ........................................................................... 4 3.1 橫向進給系統(tǒng)的設計與計算 ......................................................................... 4 3.1.1 橫 向 進 給 系 統(tǒng) 的 設 計 ................................................................ 4 3.1.2 橫 向 進 給 系 統(tǒng) 的 設 計 計 算 ......................................................... 4 3.1.3 步 進 電 機 的 選 擇 ........................................................................ 7 3.2 數(shù)控車床的傳動裝置設計 ............................................................................. 7 3.2.1 螺 旋 傳 動 ................................................................................... 7 3.2.2 軸 的 結 構 設 計 ........................................................................... 9 3.2.3 透 蓋 的 結 構 設 計 ........................................................................ 10 3.2.4 螺 母 座 的 結 構 設 計 .................................................................... 10 3.3 自動轉位刀架的設計 ..................................................................................... 11 第四章 微機數(shù)控系統(tǒng)設計 ........................................................................... 13 4.1 概述 ................................................................................................................. 13 4.2 數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路設計 ............................................................................. 13 4.2.1 微 機 機 型 和 擴 展 存 儲 器 的 選 擇 ................................................. 14 4.2.2 確 定 I/O 接 口 ............................................................................ 15 4.2.3 鍵 盤 接 口 設 計 ........................................................................... 16 4.2.4 顯 示 電 路 設 計 ........................................................................... 17 4.3 軟件設計 ......................................................................................................... 18 4.3.1 插 補 原 理 及 其 程 序 設 計 ............................................................ 19 ABSTRACT V 4.3.2 步 進 電 機 的 控 制 及 其 程 序 設 計 ................................................. 21 4.3.3 間 隙 補 償 功 能 ........................................................................... 29 4.3.4 鍵 盤 的 診 斷 ............................................................................... 30 4.3.5 自 動 換 刀 程 序 設 計 .................................................................... 31 結論 ............................................................................................................. 33 參考文獻 ...................................................................................................... 34 ABSTRACT 1 1 前言 國外利用數(shù)字計算機進行控制加工是從 40 年代開始的。1952 年美國麻省理工 學院在一臺立式銑床上裝了一套試驗性的數(shù)控系統(tǒng)，成功地實現(xiàn)同時控制三軸的運 動，它成了世界上第一臺數(shù)控機床。此后，從 60 年代開始，其他一些工業(yè)國家如 德國、日本等陸續(xù)地開發(fā)生產及使用數(shù)控機床。1974 年微處理機直接用于數(shù)控機 床，進一步促進了數(shù)控機床的普及應用和大力發(fā)展。隨著數(shù)控機床的功能越來越完 善，可靠性和性能越來越高，它在制造業(yè)中逐漸擔當了越來越重要的角色。 我國數(shù)控機床的研制是從 1958 年開始的，經歷了幾十年的發(fā)展，直至 80 年代 后引進了日本、美國、西班牙等國數(shù)控伺服及伺服系統(tǒng)技術后，我國的數(shù)控技術才 有質的飛躍，應用面逐漸鋪開，數(shù)控技術產業(yè)才逐步形成規(guī)模。 由于現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展，市場需求變的越來越多樣化，多品種、中小批量甚 至單件生產占有相當大的比重，普通機床已越來越不能滿足現(xiàn)代加工工藝及提高勞 動生產率的要求。如果設備全部更新替換，不僅資金投入太大，成本太高，而且原 有設備的閑置又將造成極大的浪費。如今科學技術發(fā)展很快，特別是微電子技術和 計算機技術的發(fā)展更快，應用到數(shù)控系統(tǒng)上，它既能提高機床的自動化程度，又能 提高加工精度，所以最經濟的辦法就是進行普通機床的數(shù)控改造。這樣既可以提高 加工生產率，改善加工工藝，還可以減少資金投入，減輕工人的勞動強度，縮短訂 購新的數(shù)控機床的交貨周期時間。實踐已經證明普通車床的經濟型數(shù)控改造具有重 大的實際價值，為此，在舊有車床上進行數(shù)控改造有著較好的市場前景。 本課題來源于生產實踐。將 CA6140 型普通車床改造成經濟型數(shù)控車床，應能 實 現(xiàn) CA6140 車床原有功能，在機床的精度、性能等方面除保持原來狀況外還有所提 高。在整個設計過程中滿足以下幾點要求： a．橫向（X 向） 進給脈沖當量為 0.005mm /脈沖； b．進給速度范圍：向 3 ～ 1000mm/min （無級調速） 快進速度：X 向 1000 ～ 3000mm/min 內任意設定； c.原車床的主傳動系統(tǒng)予以保留，橫向進給系統(tǒng)由微機實現(xiàn)開環(huán)控制，兩軸聯(lián) 動； d.刀架采用自動轉位刀架，具有切削螺紋的功能； e.改造方便，成本低。 該設計的總體思路是采用以 8031 單片機為核心的數(shù)控裝置控制加工過程。微 機通過 I/O 接口發(fā)出驅動脈沖，經過光電隔離進入步進電機的驅動控制線路，驅動 控制線路接受來自數(shù)控車床控制系統(tǒng)的進給脈沖信號，并將該信號轉換為控制步進 電機各定子繞組依次通電、斷電的信號，使步進電機運轉。步進電機的轉子帶動滾 CA6140 型車床的經濟型數(shù)控改造設計(橫向) 2 珠絲杠轉動，從而使工作臺產生移動，實現(xiàn)縱向、橫向的進給運動。由于步進電機 需要的驅動電壓較高，電流較大，如果將 I/O 輸出信號直接與功率放大器相連，將 會引起強電干擾，輕則影響單片機程序運行，重則導致單片機接口電路的損壞，所 以在接口電路與功率放大器之間加上隔離電路，實現(xiàn)電氣隔離。 2 總體方案設計 由于該設計是經濟型數(shù)控改造，在考慮具體方案時，應遵守的基本原則是在滿 足使用要求的前提下，對機床的改動盡可能少，以降低成本。 2.1 機械部分改造 橫向進給機構的改造：拆掉原手動刀架和小拖板，安裝上數(shù)控刀架；拆掉普通 絲桿、光桿進給箱和溜板箱，換上滾珠絲杠螺母副；保留原手動機構，用于調整操 作，原有的支撐結構也保留，采用一級齒輪減速，步進電機、齒輪箱體安裝在中拖 板的后側。 2.2 數(shù)控系統(tǒng)部分設計 數(shù)控系統(tǒng)按運動方式分為點位控制系統(tǒng)、點位直線控制系統(tǒng)、連續(xù)(輪廓)控制 系統(tǒng)根據(jù)設計要求，CA6140 車床要加工復雜零件輪廓，其各坐標軸的運動有著確定 的函數(shù)關系。根據(jù)設計要求，本微機數(shù)控系統(tǒng)采用連續(xù)控制系統(tǒng)。 采用以步進電機驅動的開環(huán)控制。因為開環(huán)控制具有結構簡單、設計制造容易、 控制精度較好、容易調試、價格便宜、使用維修方便等優(yōu)點。開環(huán)控制多用于負載 變化不大或要求不高的經濟型數(shù)控設備中。 采用簡易數(shù)控裝置，以步進電機為驅動機構，實現(xiàn)在微機控制下的自動加工。 其工作原理是：根據(jù)加工零件的圖樣與工藝方案，用規(guī)定的代碼和程序格式編寫加 工程序，通過數(shù)控裝置上的鍵盤輸入微機，微機在監(jiān)控程序的管理下工作，并通過 專用控制程序，把用戶加工程序轉化成一定頻率和數(shù)量的脈沖信號，經驅動電路放 大后驅動縱橫向二臺步進電機轉動，通過機械接口傳動絲杠實現(xiàn)刀架縱、橫兩個方 向的頻率。自動回轉刀架由單片機發(fā)出換刀轉位指令，由自動刀架驅動電源驅動三 相電機使刀架松開、抬起、旋轉后再自動鎖緊而完成轉位換刀過程。 該經濟型微機數(shù)控系統(tǒng)采用步進電機作為驅動元件。微機通過 I/O 接口發(fā)出驅 動脈沖，經過光電隔離進入步進電機的驅動控制線路，驅動控制線路接受來自數(shù)控 車床控制系統(tǒng)的進給脈沖信號，并將該信號轉換為控制步進電機各定子繞組依次通 電、斷電的信號，使步進電機運轉。步進電機的轉子帶動滾珠絲杠傳動，絲杠轉動 使工作臺產生移動。 ABSTRACT 3 圖 2-1 CA6140 車床數(shù)控改造的總體方案示意圖 綜上所述，本設計改造的總體方案為：采用 MCS-51 單片機對數(shù)據(jù)進行計算處 理，由 I/O 接口輸出步進脈沖，步進電機經一級齒輪減速后，帶動滾動絲杠轉動， 從而實現(xiàn)縱向、橫向的進給運動。數(shù)控改造后的車床不僅提高了原車床的精度和自 動化程度，達到快速調整且仍能保持車床的通用性，而且提高了原車床的功能，利 用數(shù)控方法準確地加工任意面的旋轉體。 光 電 隔 離 微 機 功 率 放 大 步進 電 機 橫向工作臺 x x CA6140 型車床的經濟型數(shù)控改造設計(橫向) 4 3 機械部分改造設計 3.1 橫向進給系統(tǒng)的設計與計算 3.1.1 橫向進給系統(tǒng)的設計 步進電機經減速后驅動滾珠絲杠，使刀架橫向運動。步進電機安裝在大拖板上， 用法蘭盤將步進電機和機床大拖板連接起來，以保證同軸度，提高傳動精度。 3.1.2 橫向進給系統(tǒng)的設計計算 已知條件： 工作臺重（根據(jù)圖紙粗略計算） W=30kgf=300N 時間常數(shù) T=25ms 滾珠絲杠基本導程 L=4mm 左旋 行程 S=230mm 脈沖當量 =0.005mm/stepp? 步距角 =0.75 °/step? 快速進給速度 νmax=1mm/min A.切削力計算 查參考文獻[1]可得知，橫向進給量為縱向的 1/2～1/3,取 1/2,則切削力約為縱 向的 1/2 F =(1/2)×152.76=76.38kgf=763.8N （3-z 1） 在切斷工件時： F =0.5F =0.50×76.38=38.19kgf=381.9N （3-zz 2） B.滾珠絲杠設計計算 a.強度計算 對于燕尾型導軌： P=KFy+f＇(Fz+W) （3- 3） 取 K=1.4 f＇=0.2 則 P=1.4×38.19+0.2×（76.38+30） ABSTRACT 5 =74.74kgf=747.4N （3- 4） 壽命值 L = = =13.5 （3-i610Tin6150? 5） 最大動負載 Q= = ×1.2×1×74.74=213.55kgf=2135.5N （3-iL35. 6） 根據(jù)最大動負荷 Q 的值，可選擇滾珠絲杠的型號。查參考文獻[2]可知，選用 型號為 WL2004-2.5X1B 左，其額定動負荷為 6100N，所以強度足夠用。 b.效率計算 螺旋升角 γ=3°39′，摩擦角 ψ=10′ 則傳動效率 η= = =0.956 （3-)(???tg)1038(???t g 7） c.剛度驗算 滾珠絲杠受工作負載 P 引起的導程的變化量 ΔL = = = 5.96×10-6cm （3-1EFL0?26719.0.214.347?? 8） 滾珠絲杠受扭矩引起的導程變化量 ΔL 2很小，可忽略，即：ΔL=ΔL 。所以，1 導程變形總誤差為 Δ= ΔL= ×5.96×10-6=14.9μm/m （3-oL104. 9） 查表知 E 級精度絲杠允許的螺距誤差 1m 長為 15μm/m，故剛度足夠。 d.穩(wěn)定性驗算 由于選用滾珠絲杠的直徑與原絲杠直徑相同，而支承方式由原來的一端固定、 一端懸空，變?yōu)橐欢斯潭?，一端徑向支承，所以穩(wěn)定性增強，故不用驗算。 C.齒輪及轉矩有關計算 a.有關齒輪計算 傳動比 i= = （3-poL??36067.130.47?? CA6140 型車床的經濟型數(shù)控改造設計(橫向) 6 10） 故取 Z =18 Z =3012 m=2mm b=20mm α=20° d =36mm d =60mm 12 d =40mm d =64mmaa a=48mm b.轉動慣量計算 工作臺質量折算到電機軸上的轉動慣量 JI=（ ） 2W=（ ） 2×30×0.01=0.0439kgf cm2（3-???p18075.01438?· 11） 絲杠轉動慣量 JS=7.8×10-4×24×50=0.624kgf cm2 （3-· 12） 齒輪的轉動慣量 J =7.8×10-4×3.64×2=0.262kgf cm2 （3-1z · 13） J =7.8×10-4×64×2=2.022kgf cm2 （3-2z 14） 電機轉動慣量很小可忽略，因此，總的轉動慣量 J= ????0439.26.0.624.531122 ???????????IZSJJi =1.258kgf cm2 （3-· 15） c．所需轉動力矩計算 n = = =41607r/min （3-maxoLi?43 510? 16） M = N m=2.23kgf cm （3-max 2184.0025.697418106.944a ??????TiJ ·· 17） ABSTRACT 7 （3-min/17.34601.35.10rDLfifnoot ??????主 18） m=0.1775kgf cm （3-NMat 7.025.69784??·· 19） = （3-iLFof??? mNckgfif W·028.·287.05.1432. ???? 20） （3-????·01.c·kgf16.09.58.014369.1i6M22oYo ??? 20） （3-mNckgfiLFoYt ·179.0·2.58.014329. ????? 22） 所以，快速空載啟動所需轉矩 （3-cckgfMofa ·3.26·63.21.0287.3mx ?????? 23） 切削時所需力矩： cm·N04.2c·kgf40.28.16.0287.14.0tofat ??????? （3- 24） 快速進給時所需力矩： （3-cmNckgfMof ·03.4·403.16.287.0???? 25） 從以上計算可知：最大轉矩發(fā)生在快速啟動時， =2.633kgf cm=26.33N cmaxM· 3.1.3 步進電機的選擇 C6140 橫向進給系統(tǒng)步進電機的確定 （3-cmNMLoq ·285.64.0132.??? 26） 電動機選用三相六拍工作方式，查參考文獻[1]表 7-2 知： （3-86.0?imq CA6140 型車床的經濟型數(shù)控改造設計(橫向) 8 27） 所以，步進電機最大靜轉矩 為：imM （3-28）cmNqi ·01.768.256.0?? 步進電機最高工作頻率 （3-Hzfp3.05.1maxa??? 29） 為了便于設計和計算，選用 110BF003 型三相六拍步進電機，能滿足使用要求。 3.2 數(shù)控車床的傳動裝置設計 數(shù)控機床的傳動裝置是指將電動機的旋轉運動變?yōu)楣ぷ髋_的直線運動的整個機 械傳動鏈及其附屬機構。包括絲杠螺母副、導軌、工作臺等。在數(shù)控機床數(shù)字調節(jié) 技術領域，傳動裝置是伺服系統(tǒng)中的一個重要環(huán)節(jié)。因此，數(shù)控車床的傳動裝置與 普通車床中傳動裝置在概念上有重要差別，它的設計與普通車床傳動裝置的設計不 同。數(shù)控車床傳動裝置的設計要求除了具有較高的定位精度之外，還應具有良好的 動態(tài)特性，即系統(tǒng)跟蹤指令信號的響應要快，穩(wěn)定性要好。為確保數(shù)控車床進給系 統(tǒng)的傳動精度和工作穩(wěn)定性，在設計機械傳動裝置時，通常提出了無間隙、低摩擦、 高剛度等要求。為了達到這些要求，采取主要措施如下： a．盡量采用低摩擦的傳動，以減少摩擦力； b．鏈以及用預緊的辦法提高傳動系統(tǒng)的剛度； c．量消除傳動間隙，減少反向死區(qū)誤差。 3.2.1 螺旋傳動 A．概述 螺旋傳動主要用來把旋轉運動變?yōu)橹本€運動，或把直線運動變?yōu)樾D運動。其 中，有以傳遞能量為主的傳力螺旋，有以傳遞運動為主，并要求有較高傳動精度的 傳動螺旋，還有調整零件相互位置的調整螺旋。螺旋傳動機構又有滑動絲杠螺母、 滾珠絲杠螺母和液壓絲杠螺母機構。 在經濟型數(shù)控車床的進給系統(tǒng)中，螺旋傳動主要用來實現(xiàn)精密進給運動，并廣 泛采用滾珠絲杠副傳動機構。 滾珠絲杠副傳動是在具有螺旋滾道的絲杠和螺母間放入適當數(shù)量的滾珠。這些 滾珠作為中間傳動件，使螺桿和螺母之間的摩擦由滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦的一種傳 動裝置。它由絲杠、螺母、滾珠及滾珠循環(huán)返回裝置等四個部分組成。當螺桿轉動 螺母移動時，滾珠則沿螺桿螺旋滾道面滾動，在螺桿上滾動數(shù)圈后，滾珠從滾道的 一端滾出并沿返回裝置返回另一端，重新進入滾道，從而構成閉和回路。 B．滾珠絲杠副傳動的特點 ABSTRACT 9 a．傳動效率高，摩擦損失小。 b．給予適當預緊，可消除絲杠和螺母的螺紋間隙，反向時就可以消除空程死區(qū)， 定位精度高，剛度好。 c．啟動力矩小，運動平穩(wěn)，無爬行現(xiàn)象，傳動精度高，同步性好。 d．有可逆性，可以從旋轉運動轉換為直線運動，也可以從直線運動轉換為旋轉 運動，即絲杠和螺母都可以作為主動件。 e．磨損小，使用壽命長，精度保持性好。 f．制造工藝復雜。滾珠絲杠和螺母等元件的加工精度要求高，表面粗糙度值別 別小，故制造成本高。 g．不能自鎖。特別是對于垂直絲杠，由于中立的作用，下降時當傳動切斷后， 不能立刻停止運動，所以需要添加制動裝置。 C．滾珠絲杠副的支承方式 為了滿足高精度、高剛度進給系統(tǒng)的需要，必須充分重視滾珠絲杠副支承的設 計。 a．一端固定 一端自由 a) 絲杠的靜態(tài)穩(wěn)定性和動態(tài)穩(wěn)定性都很低。 b) 結構簡單 c) 軸向剛度小 d) 適用于較短的滾珠絲杠安裝和垂直的滾珠絲杠安裝 b．兩端鉸支 a) 結構簡單 b) 軸向剛度小 c) 適用于對剛度和位移精度要求不高的滾珠絲杠安裝 d) 對絲杠的熱伸長較敏感 e) 適用于中等回轉速度 c．一端固定 一端鉸支 a) 絲杠的靜態(tài)穩(wěn)定性和動態(tài)穩(wěn)定性都較高，適用于中等回轉速度 b) 結構稍復雜 c) 軸向剛度大 d) 適用于對剛度和位移精度要求較高的滾珠絲杠安裝 e) 推力球軸承應安置在離熱源（步進電機）較遠的一端 d．兩端固定 a) 絲杠的靜態(tài)穩(wěn)定性和動態(tài)穩(wěn)定性最高，適用于高速回轉 b) 結構復雜，兩端軸承均調整預緊，絲杠的溫度變形可轉化為推力軸承的預緊 力 c) 軸向剛度最大 d) 適用于對剛度和位移精度要求高的滾珠絲杠安裝 CA6140 型車床的經濟型數(shù)控改造設計(橫向) 10 e) 適用于較長的絲杠安裝 綜上所述，本設計中滾珠絲杠副支承方式由原來的一端固定、一端懸空，變?yōu)?一端固定，一端徑向支承。 D．滾珠絲杠副軸向間隙的調整 滾珠絲杠的傳動間隙是軸向間隙。為了保證反向傳動精度和軸向剛度，必須消 除軸向間隙。消除間隙的方法采用雙螺母結構，利用兩個螺母的相對軸向位移，使 兩個滾珠螺母中的滾珠分別貼緊在螺旋滾道的兩個相反的側面上。用這種方法預緊 消除軸向間隙時，應注意預緊力不宜過大，預緊力大會使空載力矩增加，從而降低 傳動效率，縮短使用壽命。此外，還要消除絲杠安裝部分和驅動部分的間隙。 3.2.2 軸的結構設計 A．軸 CAJJX6140-02-04 的結構設計 由前面滾珠絲杠副的設計可知：滾珠絲杠的直徑為 20mm。由于絲杠與軸 CAJJX6140-02-04 通過聯(lián)接套聯(lián)接，考慮到軸的加工方便性和整體的連貫性，軸 CAJJX6140-02-04 的軸身部分直徑與滾珠絲杠的直徑相同，均為 φ20mm，其長度根 據(jù)原車床實際需要的尺寸而定，軸頸部分直徑為 17mm。 圖 3-1 軸 CAJJX6140-02-04 B．軸 CAJJX6140-02-08 的結構設計 考慮與軸承內經的配合，所以該軸兩端支承部分直徑為 17mm。由于該軸需與法 蘭盤聯(lián)接，而且該軸相對較長，因此在設計時為了方便安裝，降低裝配難度，將軸 身部分增加一個軸肩，直徑適當減小，使其有一過渡，軸身直徑為 15mm。因為該軸 的右端還需安裝一個透蓋，用雙螺母對其緊固。軸與透蓋用一鍵使其周向固定。查 參考文獻[3]可知，根據(jù)軸的直徑選用型號為 GB/T1098-1979 的鍵，鍵槽寬度為 3mm，深度為 3.8mm。 ABSTRACT 11 圖 3-2 軸 CAJJX6140-02-08 3.2.3 透蓋的結構設計 透蓋的內徑和長度由與之配合的軸 CAJJX6140-02-08 的直徑和長度決定，所以 透蓋的直徑為 16mm,長 33mm。因為選用型號為 GB/T1098-1979 的鍵，查參考文獻[3]可 知，轂 t1=1.4mm，上偏差為+0.1，下偏差為 0。外圓的直徑由法蘭盤的直徑決定， 為 96mm。 圖 3-3 透蓋 CAJJX6140-02-01 3.2.4 螺母座的結構設計 螺母座的長度根據(jù)滾珠螺母的長度而定。螺母座與滾珠螺母通過鍵進行軸向固 定，查參考文獻[4]可知，該鍵型號選用 GB/T1096-1979，4×4×30。滾珠絲杠副通 過螺母座帶動工作臺移動，因此螺母座通過螺釘與工作臺聯(lián)接。查參考文獻[4]可 知，螺釘型號選用 GB/T70-1985。 CA6140 型車床的經濟型數(shù)控改造設計(橫向) 12 圖 3-4 螺母座 CAJJX6140-02-07 3.3 自動轉位刀架的設計 自動轉位刀架的設計是普通機床數(shù)控改造機械方面的關鍵。在進行普通車床的 經濟型數(shù)控改造時，多采用外購自動轉位刀架。由微機控制的自動轉位刀架具有重 復定位精度高,工件剛性好,性能可靠,使用壽命長以及工藝性好等特點。 自動轉位刀架設計時,刀架要能自動完成抬起、回轉、選位、下降、定位和壓 緊,即要設計出合理的機構又要檢測出個順序動作的電信號,以便由控制系統(tǒng)加以控 制。 刀架的回轉常采用微電機通過蝸輪蝸桿使刀架抬到一定高度時,由撥塊帶動刀 架轉動。刀架的選位由刀架位置的編碼和微機程序來實現(xiàn)。 這里選用的是 LD4-1 型自動刀架，其工作原理是由微機發(fā)出換刀信號,使微電 機正轉,通過減速機構和升降機構將上刀體升至一定位置時,離合轉盤起作用,帶動 上刀體旋轉,旋轉到所選刀位,發(fā)信盤發(fā)出刀位信號,使微電機反轉,反靠初定位,上 刀體下降,齒牙盤嚙合，完成精定位，并通過蝸輪蝸桿，鎖緊螺母，使刀架固緊。 當夾緊力達到預先調好的狀態(tài)時，過流繼電器動作，切斷電源，電機停轉，并向微 ABSTRACT 13 機發(fā)出回答信號，開始執(zhí)行下道工序。刀架的動作順序簡明地表示為：微電機—— 減速機構——升降機構——上刀體上升轉位——信號符合——粗定位機構——上刀 體下降——精定位——刀體鎖緊——微電機停轉——換刀回答信號——加工順序執(zhí) 行。 4 微機數(shù)控系統(tǒng)設計 CA6140 型車床的經濟型數(shù)控改造設計(橫向) 14 4.1 概述 數(shù)控機械的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)一般用步進電機作為執(zhí)行驅動元件，因此又稱為開換 步進控制系統(tǒng)。由于這種系統(tǒng)不使用位置、速度檢測和反饋裝置，沒有閉環(huán)控制系 統(tǒng)中的穩(wěn)定性問題，因此具有結構簡單、使用維護方便、可靠性高、制造成本低等 一系列優(yōu)點，適用于精度要求不太高的中小型數(shù)控設備。開環(huán)系統(tǒng)主要由脈沖分配 器、驅動電源、步進電機組成。 步進電機是一種多相脈沖電機，它的各相繞組必須按一定的規(guī)律輪流供電，步 進電機才能按一定的方向旋轉。為實現(xiàn)步進電機各繞組間有規(guī)律輪流供電，可以采 用硬件邏輯來實現(xiàn)，也可以用計算機軟件來實現(xiàn)。 單片機通過運算不斷地向步進電機發(fā)出脈沖分配信號，這樣就使步進電機朝一 個方向不斷轉動。單片機發(fā)出的脈沖速度快，步進電機也轉得快，單片機發(fā)出的脈 沖速度慢，步進電機也轉得慢，這樣單片機就可以通過改變輸出脈沖的速度來改變 步進電機的速度。單片機還可以通過改變脈沖分配的順序來改變電機的轉動方向。 再通過機械傳動使電機的轉向、轉速、轉角變?yōu)楣ぷ髋_的進退、移動速度和位移量。 單片機就是這樣通過步進電機驅動系統(tǒng)來控制工作臺運動的。 由于單片機脈沖輸出的脈沖功率很小，不足以推動步進電機，因而必須有一個 把脈沖信號放大到足以推動步進電機轉動的放大器，這就是步進電機驅動電源。由 于步進電機是一個電感性負載，電流的上升率受電感大小的影響而在高頻運行時扭 矩將有較大的下降。所以在設計驅動電源時必須采取適當?shù)拇胧﹣硖岣唠娏鞯纳仙?率以保證運行時有足夠的扭矩。由此可見步進電機和步進電機驅動電源的性能好壞 將對開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的性能起很重要的作用。 CPU I/O 接口 光電隔 離 功率放 大 步進電 機 RAM ROM 外 設 鍵盤、顯示器 圖 4-1 數(shù)控系統(tǒng)結構框圖 4.2 數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路設計 任何一個數(shù)控系統(tǒng)都由硬件和軟件兩部分組成。硬件是數(shù)控系統(tǒng)的基礎，其性 能的好壞直接影響整個系統(tǒng)的工作性能。有了硬件，軟件才能有效的運行。機床數(shù) 控系統(tǒng)硬件電路概括起來由 CPU、總線、存儲器以及 I/O 接口四部分組成。其中 CPU 是數(shù)控系統(tǒng)的核心，作用是進行數(shù)據(jù)運算處理和控制各部分電路協(xié)調工作。存 ABSTRACT 15 儲器用于存放系統(tǒng)軟件，應用程序和運行中所需要的各種數(shù)據(jù)。I/O 接口是系統(tǒng)與 外界進行信息交換的橋梁?？偩€則是 CPU 與存儲器、接口以及其它轉換電路聯(lián)接 的紐帶，是 CPU 與部分電路進行信息交換和通訊的必由之路。 4.2.1 微機機型和擴展存儲器的選擇 確定微機機型就是選擇 CPU。單片機價格低、可靠性較高，適用于控制，選擇 單片機做控制器比較合適。 根據(jù)總體方案的確定，微機采用 MCS-51 系列單片機。51 系列有三種型號： 8031 是無 ROM 的 8051；8751 是用 EPROM 代替 ROM 的 8051。目前，工控機中 應用最多的是 8031 單片機。本設計就采用 8031 單片機。 8031 單片機是美國 Intel 公司的產品 MCS—51 系列單片機的一個型號，是目前 性能較高的 8 位單片微型計算機。8031 單片機內部包含一個 8 位 CPU，128 字節(jié)的 RAM，兩個 16 位定時器，四個八位并行口，一個全功能串行口，可擴展的外部程 序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器的容量為 64K 字節(jié)，具有 5 個中斷源并配有兩個優(yōu)先級，還 有 21 個特殊功能寄存器。 所以 8031 單片機是一種理想的 8 位微型計算機，在各種數(shù)控系統(tǒng)中的到廣泛 的應用。 8031 單片機是一個有 40 根引腳的雙列直插式器件。 P0 口：8 位雙向 I/O 口，既是數(shù)據(jù)線，又是低 8 位地址線，分時使用； P1 口：8 位雙向 I/O 口，可供用戶使用的接口； P2 口：8 位雙向 I/O 口，系統(tǒng)外部存儲器擴展時，作高 8 位地址線使用，系統(tǒng) 不需要擴展時，也可以供用戶使用； P3 口：8 位雙向 I/O 口，是一個雙功能口。 ALE/PROG：訪問外部存儲器時，用于鎖存地址線低 8 位字節(jié)的地址鎖存允許 輸出。ALE 提供一個定時信號，在與外部存儲器存取數(shù)據(jù)時把 P0 口的低位地址字 節(jié)鎖存到外接的鎖存器中。這個引腳也是 EPROM 編程時的編程脈沖輸入端 （PROG） 。 EA/VDD：EA 為高電平時，CPU 執(zhí)行內部程序存儲器的指令。EA 為低電平時 CPU 執(zhí)行外部程序存儲器指令。使用 8031 單片機時，EA 必須接地。 8031 單片機內只有 128 字節(jié)的 RAM，沒有 ROM。機床數(shù)控系統(tǒng)需要的程序存 儲器和數(shù)據(jù)存儲器的容量都較大，必須外接程序存儲器（EPROM）和數(shù)據(jù)存儲器 （RAM）芯片。 A．程序存儲器的擴展 a．選用 27128 芯片 常用的 EPROM 存儲器有 2716，2732，2764，27128，27256 等，容量分別為 2K、4K、8K、16K，32K。由于車床數(shù)控系統(tǒng)包括系統(tǒng)控制程序和加工程序，采用 16KB×8 的 27128 芯片，可與單片機所選的 12MHz 時鐘相匹配。 27128EPROM 芯片是一個有 28 根引腳的雙列直插式集成元件。該芯片共有 14 根 地址線 A0～A13，8 根數(shù)據(jù)線 D0～D7，其余的為控制線。 CA6140 型車床的經濟型數(shù)控改造設計(橫向) 16 27128 低八位地址線和 74LS373 的輸出端連接,高六位地址線直接與 8031 的 P2.0～P2.5 連接。它的八位數(shù)據(jù)線直接與 8031 的 P0 口連接。 ROM 的尋址范圍為 0000H～3FFFH，并且采用譯碼器，使地址范圍無重疊區(qū)。 b．地址鎖存器 74LS373 單片機規(guī)定 P0 口提供低 8 位地址線，同時又要作為數(shù)據(jù)線，所以 P0 是一個分 時輸出低 8 位地址和數(shù)據(jù)的通道口。為了把地址信息分離出來保存，提供外接存儲 器的低 8 位地址信息，通常采用 74LS373 作為地址鎖存器。 除 74LS373 外，74LS273、8282、8212 等芯片也可用作地址鎖存器，使用時接 法稍有不同，由于接線稍繁，多用硬件和價格稍貴，故不如 74LS373 用得普遍。 74LS373 作為地址鎖存器。D1～D8 是輸入端，Q1 ～Q8 是輸出端，CE 是片選端，片 選端 G 與 8031 單片機的地址鎖存信號 ALE 連接。當片選端 G=1 時，74LS373 的輸出 端與輸入端相通，當 G 端從高電平返回低電平（下降沿）時，輸入的地址信息就被 鎖入 Q1～Q8 中。 B．數(shù)據(jù)存儲器的擴展 a．選用 62256 芯片 數(shù)據(jù)存儲器選用 32K×8 位的 62256 芯片，其地址范圍為 6000H～7FFFH，它的 22 腳當 CS 為高，自己也在高電平時，具有自動提供刷新 RFSH 的功能。也采用譯碼 器，使其無重疊區(qū)的地址范圍。 b．地址譯碼器 74LS138 外部芯片都通過總線與單片機連接，單片機數(shù)據(jù)總線分時地與各個外部芯片進 行數(shù)據(jù)傳送，故需進行片選控制。若芯片內有多個地址單元時，還要進行片內地址 選擇。8031 單片機應用系統(tǒng)的地址譯碼規(guī)定，外部擴展芯片與數(shù)據(jù)存儲器統(tǒng)一編址， 所以外部芯片不僅占用數(shù)據(jù)存儲器一定數(shù)量的地址單元，而且要使用讀/寫信號與 讀/寫指令完成數(shù)據(jù)傳送。 經濟型數(shù)控硬件結構中采用全地址譯碼方式。所謂全地址譯碼是：低位地址作 為片內地址，高位地址用譯碼器譯碼，譯碼器輸出的地址選擇信號作為片選線連至 每個外部芯片的片選端。 地址譯碼常用 74LS138 譯碼器，G1、G2A 和 G2B 是賦能端，A、B、C 是選擇端， Y0～Y7 是輸出端。 74LS138 地址譯碼電路輸入端出占用了 8031 單片機的 P2.5～P2.7 三根高位地 址線，剩余的 13 根地址線用作數(shù)據(jù)存儲器的內地址線。74LS138 譯碼器每一個輸出 端可接一個外部芯片的片選端實現(xiàn)分時片選控制，因此，一個 74LS138 譯碼器的 8 根輸出端可以連接 8 個 8K 字節(jié)地址空間。單片機的讀/寫信號經過與門后控制譯碼 器的賦能端 G2A、G2B，這就保證只有在讀/寫狀態(tài)時譯碼器輸出端才會輸出片選。 4.2.2 確定 I/O 接口 8031 只有 P1 口可作為普通 I/O 口用，所以需擴展。鍵盤需要 32 個鍵，采用矩 陣式鍵盤，需 12 個 I/O 口；顯示器采用 6 個 LED，需 6 個 I/O 接口；兩個三相步進 電機，采用軟件環(huán)行分配器，需 6 個；刀架需 4 個；緊急停需 1 個。采用一片 8279 ABSTRACT 17 芯片和一片 8255A 即可。 鍵盤/顯示器接口采用 8279 芯片，因為 8279 芯片是專用的鍵盤 /顯示器接口芯 片，還可以編程。8279 芯片具有消顫（去抖動） 、雙鍵同時按下保護功能。顯示控 制亦按掃描方式工作，可以顯示 8 或 16 個數(shù)碼（字符） 。LED 的個數(shù)應滿足顯示值 的要求和便于顯示。 8279 與單片機 8031 的連接無特殊要求，除數(shù)據(jù)線、RESET、WR、RD 直接連 接外，CS 與 74LS138 譯碼器輸出線 Y1 相連；8279 的 IRQ 經反相器與 8031 的中斷 請求輸人線 INT1 相連；時鐘輸人端 CLK 與 8031 的地址鎖存控制端 ALE 相連。 8279 鍵盤最大可配置 8×8 個鍵，實際用了 32 個鍵。掃描線信號為 SL0～SL2，經 74LS138 譯碼器輸出的 4 個列選信號，接入鍵盤列線。鍵盤行查詢用了 RL0～RL7 的 8 根回饋線，接人鍵盤行線。8279 配置的 8 位共陰極 LED 顯示器，其字位線由 掃描線 SL0～ SL2 經譯碼器、驅動器提供，字段線由 OUTA0～OUTBA3、OUTB0～OUTB3 通過驅動器提供。 8255A 的內部結構可分為四個部分： a.數(shù)據(jù)總線緩沖器 是一個 8 位的雙向三態(tài)驅動器，用于與單片機的數(shù)據(jù)總線 相 連。 b.讀/寫控制邏輯 根據(jù)單片機的地址信息（A1、A0）與控制信息 （RD、WR、RE、 SET） ，控制片內數(shù)據(jù)、CPU 控制字、外設狀態(tài)信息的傳送。 c.控制電路 根據(jù) CPU 送來的控制字使所管 I/O 接口按一定工作方式工作。對 C 口甚至可按位實現(xiàn)“置位”或“復位” 。 d.并行 I/O 接口 有 A、B、C 三個端口。 A 口：可編程為 8 位輸入，或 8 位輸出，或雙向傳送。 B 口：可編程為 8 位輸入，或 8 位輸出，按不能雙向傳送。 C 口：可分為兩個 4 位口，用于輸入或輸出；也可用作 A 口、B 口的狀態(tài)控制 信號。 8255A 的 D0～D7 依次與 8031 的 P0.0～P0.7 連接；RD 、WR 、RESET 與 8031 的同名引腳相連；A0、A1 兩跟地址線與鎖存器 74LS373 輸出的最低 2 位連接。自 單片機接受地址信息、控制信息，在數(shù)據(jù)總線與端口間傳送數(shù)據(jù)、狀態(tài)控制信號， 也自數(shù)據(jù)總線接受控制字。 4.2.3 鍵盤接口設計 首先判斷鍵盤上有無鍵閉合，先送 8255 的 PA 口一個數(shù)據(jù)為 00H，使列線 PA0～PA7 的電平均為 0，然后讀 PB 口的 PB0～PB2 的狀況；若不全為“1” ，則有鍵 閉合，此時延時 10ms 去掉抖動后再判斷有無鍵閉合。如無則繼續(xù)掃描，如有則判 斷按下的鍵號。 如確定有鍵按下時，便開始計算鍵值。當采用 8 行 4 列的鍵盤時，定義第一行 的鍵為 00H～03H，定義第二行鍵的鍵值為 04H～ 07H，依次類推。首先判斷是哪 CA6140 型車床的經濟型數(shù)控改造設計(橫向) 18 一行有鍵閉合，若第一行有鍵閉合，設置初值為 00H，若第二行有鍵閉合，則設置 初值為 04H，依次類推。接著對列線進行掃描以判斷是哪一列閉合。方法上使 PA0 對應的列線輸出低電平，其余均為高電平，判斷一下是否第一列有鍵閉合，如有則 列計數(shù)為 00H，與初值相加則為鍵值，也即是鍵盤的鍵號，如無則把低電平移到第 二列上再判斷，直到四列線全判斷完畢，找出列線為止。然后計算鍵值，最后可根 據(jù)鍵號跳轉到相應的鍵功能程序的入口。 0→列掃描線 KEY 有鍵按下？ 延時 10ms 有鍵按下？ 計算行值 掃描各列鍵盤線 求出列值 計算鍵值 轉各鍵功能 功 能 1 功 能 2 功 能 3 功 能 32 ……… … 圖 4-2 鍵盤程序框圖 4.2.4 顯示電路設計 數(shù)碼顯示器是單片機應用產品中的廉價輸出設備。它由若干個發(fā)光二極管組成 的。當發(fā)光二極管導通時，相應的一個點或一個筆畫發(fā)亮。控制不同組合的二極管 導通，就能顯示出各種字符。發(fā)光二極管的陽極連在一起的稱為共陽極顯示器，陰 極連在一起的稱為共陰極顯示器。這種筆畫式的七段顯示器，能顯示的字符數(shù)量較 少，但控制簡單，使用方便。 ABSTRACT 19 動態(tài)顯示是一位一位地輪流點亮各位顯示器（掃描） 。對于每一位顯示器來說， 每隔一段時間點亮一次。顯示器的亮度既與導通電流有關，也和點亮時間與間隔時 間的比例有關。調整電流和時間參數(shù)，可實現(xiàn)亮度較高較穩(wěn)定的顯示。若顯示的為 數(shù)不大于 8 位，則控制顯示器公共極電位只需一個 8 位并行口（稱為掃描口） 。控 制各個顯示器所顯示的字形也需一個公用的 8 位口（稱為數(shù)據(jù)口） 。 在 8031RAM 中設置 6 個顯示緩沖單元 79H～7EH，分別存放 6 位顯示器的顯示數(shù) 據(jù)。8255 的 A 口掃描總是一位為高電平，即 6 位顯示器中僅有一位公共陰極為低電 平，其它為高電平。8255 的 B 口輸出相應位（陰極為低）顯示數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)段，使某 一位顯示出一個字符，其它位為暗。依次地改變 A 口輸出為高的位，B 口輸出對應 的段數(shù)據(jù)，6 位顯示器就顯示出緩沖器顯示數(shù)據(jù)所確定的字符。 4.3 軟件設計 車床數(shù)控系統(tǒng)設計與應用工作中，軟件設計是一個重要方面。實際上，軟件設 計與硬件設計工作是不可分割的，二者必須結合進行。軟件設計工作，按其功能可 分二類：一類是執(zhí)行軟件，它能完成各種實質性的功能；另一類是監(jiān)控（管理）軟 件，它是控制微機系統(tǒng)按預定的操作方式運轉的程序。但執(zhí)行軟件和監(jiān)控軟件沒有 明確的界限和固定的功能劃分。習慣上把鍵盤解釋程序作為監(jiān)控程序，其它任務都 分散在特定功能的執(zhí)行程序中，并由監(jiān)控程序來調用必要的功能模塊，完成預定的 任務。 在進行軟件設計時，應從全局著眼，先將整個系統(tǒng)的任務按功能分成一個一個 的模塊，并為每一個執(zhí)行模塊定義，然后設計出每一個具體模塊的程序，最后組成 一個系統(tǒng)。不僅整個系統(tǒng)的程序結構可具有模塊化的特性，而且其模塊內部也可以 分為小模塊。模塊特性對測試很有利，功能擴充也很方便。要增加新功能，只要增 加新模塊就能實現(xiàn)，像搭積木一樣。因此，這樣的模塊程序設計方法，思路清晰， 邏輯性強，柔性較大。 CA6140 型車床的經濟型數(shù)控改造設計(橫向) 20 數(shù)控系統(tǒng) 加工程序 管理與操作模塊 插 補 功 能 間 隙 補 償 步 進 電 機 控 制 速 度 控 制 環(huán) 行 分 配 管理模塊 程序設計 自動換刀 程序設計 鍵 盤 程 序 顯 示 程 序 鍵 盤 診 斷 中 斷 功 能 診 斷 圖 4-3 數(shù)控系統(tǒng)框圖 4.3.1 插補原理及其程序設計 A．概述 經濟型數(shù)控車床是用步進電機驅動執(zhí)行機構，使刀具相對工件沿著指定的路徑 運動，切削零件的輪廓，并保證切削過程中的每一點的精度和表面粗糙度符合一定 的要求。每一方向的進給運動是靠步進電機驅動拖板產生的，而步進電機的運動則 是靠數(shù)字脈沖來控制的。一個脈沖能使拖板產生的位移量或最小增量，常用 Δx、Δy 表示。因而，知道了平行于軸向的加工輪廓長度，就可換算成步進電機控 制脈沖總數(shù)，從而完成零件加工。 隨著計算機技術的發(fā)展，數(shù)控技術中采用的插補運算方法有多種多樣，常用的 方法有如下幾種： a．數(shù)字乘法器 b．逐點比較法 c．數(shù)字積分法 d．比