毕业论文普通数控机床的数控技术改造.doc

《毕业论文普通数控机床的数控技术改造.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《毕业论文普通数控机床的数控技术改造.doc（29页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、普通数控机床的数控技术改造目录前 言2一 机 械 部 分3二 微机数控系统硬件电路设计17三 程序编制26总结28参 考 文 献29普通数控机床的数控技术改造摘要本文用简明的语言有侧重的介绍了普通数控机床中CA6140车床进给系统的设计改造过程，第一部分为机械元件的设计，包括了滚珠丝杠、轴承、步进电机、和同步齿形带的计算、选择与应用。第二部分则是电路设计方面的主要内容，以单片机为主体的控制单元可以快捷方便的完成进给任务，其中包括环形分配器和存储器的设计、8031单片机和芯片8155和8255的选择和应用以及管角的功能、光电耦合器和步进电机驱动电路的设计、中断处理的原理和编程。关键词：数控；滚珠

2、丝杠；步进电机前 言金属切削机床是使用切削方法将金属毛坯加工成机器零件的机器.它是制造机器的机器,称为“工作母机”习惯上称为机床.机床的母机属性决定了它在国民经济中的重要地位,机床的技术水平直接影响机械制造工业产品质量和劳动生产率,标志着一个国家的工业生产能力和科学技术水平.由于计算机的发展,新技术的迅速发展和客观需要的多样化,特别是计算机控制在机床上的应用,使机床本身产生了革命性的变化机床必须多品种;技术的加速更新和产品更新换代的加速快,是机床主要面对多品种中小批生产,数控机床加工的全部运动都有电脑控制.不仅保证了加工精度效率,并且高度自动化.还可以完成手工操作无法完成的工作.数控机床作为一

3、种精密加工设备,不但应用广泛,也是一种高科技、高精度、高度机电一体化产品,对国民经济的发展有非常重要的作用.数控机床是一种装有计算机数字控制系统的机床.数控能够处理加工程序,控制机床完成各种加工运动,与普通机床相比,数控机床能够完成平面曲线和空间曲面的加工.一般说来,数控机床由机械部分、数字控制计算机、伺服系统、PC控制部分、液压气压传动系统，冷却润滑及排屑装置等组成。数控机床是由程序控制的，零件的编程工作是数控机床加工的重要组成部分。同时也是数控机床的驱动部分。计算机输出的控制命令是通过伺服系统产生坐标运动的。数控机床具有较高的加工精度，加工质量稳定，生产效率高，功能多，对不同的零件适应性强

4、，能完成普通车床不能完成的复杂表面加工，因此大大减轻了工人的劳动强度，有较高的经济效益，但是数控机床价格昂贵，一次性投资较大，维修和操作较复杂。 我国机床发展水平低，实际工业生产中存在着大量的普通机床，数控机床因为价格昂贵，很难全面普及，因此利用机电一体化新技术对普通机床进行数控化改造，降低成本，提高其加工精度和生产效率。本设计将针对CA6140普通车床的数控化改造，提出自己的看法和计算依据。请老师批评、指正 一 机 械 部 分数控机床进给伺服系统运动及动力计算如下：1主要设计参数如下：加工最大长度1500mm 主轴孔径50mm机床定位精度 + 0.03mm最大回转直径400mm 使用寿命Lh

5、(h)=14400h启动加速时 30ms 传动精度要求 =+0.02mm 或 =-0.02mm溜板及刀架重力（纵向）800N （横向）600N最大进给速度 （纵向）0.6m/min （横向）0.3m/min丝杠长（纵向）3.6m 、 （横向）0.5mnmax=1600r/min丝杠转速（纵向）60r/min （横向）30r/min2 选择脉冲当量根据机床精度要求确定脉冲当量：纵向 0.01mm/步 横向 0.005mm/步3 计算切削力3.1 纵车外圆主切削力Fz=0.67Dmax1.5=0.674001.5=5360(N)按切削力各分比例Fz:Fx:Fy=1:0.25:0.4则 Fx=536

6、00.25=1340(N) Fy=53600.4=2144(N)3.2 横切端面主切削力Fz可取纵切的1/2，为2680N.此时走刀抗力为Fy,吃刀抗力为Fx.Fz:Fx:Fy=1:0.25:0.4Fx=26800.25=670 Fy=26800.4=1072N4滚珠丝杠螺母副的计算和选择41横向进给丝杠4.1.1计算进给牵引力Fm=kFx+f(Fz+2Fy+G)h横向进给为燕尾形贴塑导轨。k=1.4 f=0.03Fm=1.4670+0.03(2680+21072+600)=1100.7(N)4.1.2计算载荷Fc(N) 有已知条件查得 kF=1.2, kH=1.0,kA=1.1 则Fc=kF

7、kHkAFm=1.21.01.11100.7=1453(N)4.1.3计算额定动载荷计算值Ca(N) 初选L0=5mmCa=Fc(nzLh/1.67*104)1/3=1453(3014400/1.67104)1/3=4297.2(N)4.1.4确定丝杠型号以及有关数据由于Ca=Ca,查表2-9(郑堤，唐可洪主编，机电一体化设计基础，机械工业出版社出版,第23页)选FYC1D2505-2.5型,Ca=9610N由表2-9得丝杠副的有关数据公称直径 D0=25mm 导程 P=5mm螺旋角 =3o38 滚珠直径 do=3.175mm按表2-1(郑堤，唐可洪主编，机电一体化设计基础，机械工业出版社出版

8、,第17页)中尺寸公式计算：滚道半径 R=0.52do=0.53.175=1.651mm偏心距 e=0.707(R-do/2)=0.707(1.651-3.125/2)=0.0449mm 丝杠内径d1=D+2e-2R=25+21.61=21.78784.1.5稳定性验算 (采用F-S)1)由于一端轴向固定的长丝杠在工作是可能发生失稳，所以设计是应验算其安全系数S,其值应大于丝杠副传动结构允许安全系数S，丝杠不会发生失稳的最大载荷称为临界载荷Fcr(N)。 Fcr=2EIa/(ul)2 (E=206GPa)因为Ia=d14/64=3.14(0.021788)4/64=1.110-8m4取u=2/

9、3时。Fcr=22061091.110-8/(2/3)0.52=2.01105(N)安全系数S=Fcr/Fm=2.01105/1100.7=182.68 S=1.53.3.2)高速长丝杠工作时可能发生共振，因此需验算其不会发生共振的最高转速临界转速ncr,需求丝杠的最大转速nmax1600r/min所以丝杠工作时不会发生共振。3)此外滚珠丝杠副还受D0n值的限制，通常要求D0n7104mm.r/min即D0n=2530=750mm.r/min7104mm.r/min所以丝杠副工作稳定。4.1.6刚度验算 滚珠丝杠在工作负载F(N)和转矩T(N.m)共同作用下引起每个导程的变形量 l0(m)为

10、l0=(+PF/EA)+(+P2T/2 GJc)或 l0=(-PF/EA)+(-P2T/2 GJc) 其中A为丝杠截面积A=1/4 d12,Jc为丝杠极惯性矩。Jc=(/32)d14,G为丝杠切变模量，对钢G=83.3Gpa,T(N.m)为转矩。T=Fm(D0/2)tg(+), 为摩擦角，其正切值为摩擦系数，Fm为平均工作负载，取摩擦系数为tg=0.003，则 =0.172o=1019 T=1100.7(25/2)10-3tg(3o38+1019)=0.9139(N.m)按最不利的情况(F=Fm)时l0=PF/EA+P2T/2 GJc=4PF/ Ed12+16P2T/ 2Gd14=4510-3

11、1100.7/3.14206109(0.021788)2+16(510-3)20.9139/(3.14)283.3109(0.021788)4=73.6810-9m则丝杠在工作长度上的弹性变形引起的导程误差为 l=L( l0/P)=0.5(7.36810-2/510-3)=7.368u m 通常要求丝杠的导程误差l应小于其传动精度的1/2。即 lmaxTS1,TS2,所以按给定要求步进电机可以正常启动,不会发生失步现象。 6.2纵向步进电动机的计算和选型6.2.1 等效转动惯量计算 计算简图见图所示。传动系统折算到电机轴上的总的传动惯量可由下式计算 ： 式中 步进电机转子转动惯量; 齿轮的转动

12、惯量; 滚珠丝杠转动惯量。 参考同类型机床，初选反应式步进电机150BF，其转子转惯量。 代入上式： 考虑步进电机与传动系统量匹配问题。 基本满足惯量匹配的要求。 7轴承的选择和验算轴承选择成对安装角接触球轴承。46300型，其额定动载荷Cr=6800N。F0取1/3Fm,=3。（角接触球轴承）L=Cr/(F0+Fm) = Cr/(1/3 Fm+ Fm) =68003/41100.723=4.63寿命 h=L106/60nv=4.63106/6030 =65814(h)hLh=14400h选46300型GB292-83的轴承满足条件。8. 刀架的选用电动刀架的安装较方便，普通车床已备有连接孔，

13、将卧式车床的原刀架拆下，将电动刀架装上即可。单安装时注意以下两点：1）电动刀架的两侧面应于车床纵向和车床横向的进给方向平行。2）电动刀台与系统的连线应如下安装：沿横向工作台右侧面先走线到车床后面，再沿车床后导轨下方拉出的铁丝滑线，走线到系统。其好处在于：避免走线杂乱无章，而使得加工时切屑、冷却液以及其他杂物磕碰到电动刀架连线。8.1刀架换刀回转刀架是最简单的自动换刀装置，有四方刀架、六角刀架，即在其上装有四把、六把或更多的刀具。 回转刀架必须具有良好的强度和刚度，以承受粗加工的切削力：同时要保证回转刀架在每次转位的重复定位精度。图8-17为数控车床六角回转刀架，它适用于盘类零件的加工。在加工轴

14、类零件时，可以用四方回转刀架。由于两者底部安装尺寸相同，更换刀架十分方便。图8-17数控车床六角回转刀架1活塞 2刀架体 3、7齿轮 4齿圈 5空套齿轮6活塞 8齿条 9固定插销 10、11推杆 12触头回转刀架的全部动作由液压系统通过电磁换向阀和顺序阀进行控制，它的动作分为4个步骤：(1)刀架抬起 当数控装置发出换刀指令后，压力油由a孔进入压紧液压缸的下腔，活塞1上升，刀架体2抬起，使定位用的活动插销10与固定插销9脱开。同时，活塞杆下端的端齿离合器与空套齿轮5结合。(2)刀架转位 当刀架抬起后，压力油从c孔进入转位液压缸左腔，活塞6向右移动，通过联接板带动齿条8移动，使空套齿轮5作逆时针方

15、向转动。通过端齿离合器使刀架转过60。活塞的行程应等于齿轮5分度圆周长的1/6，并由限位开关控制。 (3)刀架压紧 刀架转位之后，压力油从b孔进入压紧液压缸上腔，活塞1带动刀架体2下降。齿轮3的底盘上精确地安装有6个带斜楔的圆柱固定插销9，利用活动插销10消除定位销与孔之间的间隙，实现反靠定位。刀架体2下降时，定位活动插销10与另一个固定插销9卡紧，同时齿轮3与齿圈4的锥面接触，刀架在新的位置定位并夹紧。这时，端齿离合器与空套齿轮5脱开。(4)转位液压缸复位 刀架压紧之后，压力油从d孔进入转位液压缸的右腔，活塞6带动齿条复位，由于此时端齿离合器已脱开，齿条带动齿轮3在轴上空转。如果定位和夹紧动

16、作正常，推杆11与相应的触头12接触，发出信号表示换刀过程已经结束，可以继续进行切削加工。回转刀架除了采用液压缸转位和定位销定位之外，还可以采用电动机带动离合器定位，以及其他转位和定位机构。二 微机数控系统硬件电路设计1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,软件才能有效的运行。硬件电路的可靠性直接影响到数控系统性能指示。机床硬件电路有以下五部分组成(1) 主控制器,即中央处理器单元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

17、键盘、显示器及光电输入机等。2选择中央处理单元CPU的类型目前在经济型数控机床中，推荐采用MCS-51系列的单片机作为主控制器。而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，非常适用在我国使用，所以选用8031芯片，而且8031芯片集成度高，功能强，只要加少量外围器件就可以构成一个完整的微机系统。 3）控制线（1） PSEN:程序存储器的使用引脚，是外部程序存储器的读迭通信号，低电平有效。 从外部程序存储取数据时，在每个及其同期内二次有效。（2） EA/VPP:EA为高电平时，CPU执行外部程序存储器指令。因8031芯片没有内部程序存储

18、器，故EA必须接地，VPP是在8751EPROM编程时为+25V的编程电源输入端。（3） ALE/PROG,ALE是地址锁存使用信号。作为地址锁存允许时高电平有效。因为P0端口是分时传送数据和低8位地址。故访问外部存储器时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震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，护P0口的低位地址字节所存在外接的地址锁存器中。在对8751编程时，该引脚PROG时编程脉冲输入端，低电平有效。（4） RST/VCC是复位/备用电源，在振荡器运行时，使RST行脚，至少得保持两个

19、机器周期为高电平，可实现复位操作，复位后程序清零。即程序以000H电单元开始执行。在VCC关断前加上VP0（掉电保护）RAM的内容将不变。 3 定时器/计数器MCS-51系列单片机提供两个16为可编程的定时器/计数器，即T0和T1,它们能用来作为定时器（实际是对内部机器周期计数）或外部事件计数器。它们具有两种工作公式和四种模式，定时器/计数器T0的结构示意如图2所示。定时器/计数器T1结构与T0相同。图2定时器/计数器T0的结构定时/计数器的核心是一个+1计数器，加1计数器脉冲有两个来源：一个是外部脉冲源，一个是系统的时钟振荡器。计数器对两个脉冲源之一进行输入计数，每输出一个脉冲计数值加1。当

20、计数到计数器全为1时，再输入一个脉冲就使计数值回零。同时从最高位溢出一个脉冲，并使特殊寄存器TCON中的溢出中断标志置1。如定时/计数器工作于定时状态，这表示定时的时间到；若工作在计数状态，则表示计数回零。所以加1计数器的基本功能是对输入脉冲进行计数，至于其工作于定时还是计数状态，则取决于外界什么样的脉冲源。当脉冲源为时钟振荡器（等间隔的脉冲序列）时，脉冲数率以脉冲间隔不等的外部脉冲发生器时，就是外部事件的计数器，此时为计数功能。用作“定时器”时，每个机器周期寄存器加1。因此，也可以把它看作是在累计机器周期。由于一个机器周期包括几个振荡周期，所以它的计数速率是振荡频率的1/12。用作“计数器“

21、时，寄存器在其对应的外部输入端T0或T1有一个“10“的跳变时加1。由于识别一个从“10“的跳变要用两个机器周期（24个振荡周期）所以最快的计数速率是振荡频率的1/24。有两个模拟开关， TMOD和TCONTMOD：决定工作在定时还是在计数。 与振荡器连接为定时，与Ts端连接为计数。TCON：决定了加1计数器的开启与应用。定时/计数器是可编程的。4 中断系统MCS-51系列单片机提供五个中断源。配备两个中断优先级，两个为INT0、INT1输入外部中断请求，低电平有效。两个为片内定时/计数器T0和T1，溢出中断请求TF0和TF1；一个为片内串行口中断请求TI和RI。这些中断请求源的引脚都为P3口

22、的第二功能.对于每个中断可编程序为高优先级或低优先级中断，并能实现二级中断嵌套。各中断源所对应的中断服务程序和入口地址及优先级如下表2：表2：中断源入口地址优先级INT00003H0T0 000BH1INT10013H2T1001BH3串行中断0023H4CPU从地址开始执行中断服务程序，直到遇到一条RETI指令为止。 图4 6264引脚及逻辑符号图6264操作方式见表5：6264管脚CS1操作方式CSCSOEWEI/O0I/O7未选中VIH任意任意任意高阻未选中任意VI任意任意高阻读VILVIHVILVIHDOUT写VILVIHVIHVILDIN输出禁止VILVIHVIHVIH高阻 5.1.

23、2 8031与外部数据存储器的连接单片机CPU与R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。为控制线的连接不同：RAM读入信号OE与8031芯片的RD(P3.7)引脚相连;RAM的写入输入信号WE与8031芯片WR(P3.6)相连。5.2 译码电路设计8031单片机允许扩展64程序存储器和64K数据存储器（包括I/O口芯片），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（包括I/O口芯片）地址相互不重叠，以使单片机访问外部存储器时避免发生冲突。当8031数据总线分时地与各外围芯片进行数据传送时，先要进行片选（指选中

24、某一个芯片）。当片内有多字节单元时，还要进行片内地址选择。6.3.1 MCS-51单片机应用系统中的地址译码规则（1） 程序存储器与数据存储器独立编址。程序存储器与数据存储器地址可以重叠使用，都是0000HFFFFH.（2） 外围I/O芯片与扩展数据存储器统一编址。外围I/O芯片不仅占用数据存储器地址单元，而且使用数据存储器的读/写控制信号与读/写指令。（3） CPU在访问外部存储器时地址编码。CPU的P2口提供高8位地址（A8A15）,P0经外部地址锁存器后提供低8位地址（A0A7）。6.3.2 地址译码方法 常用地址译码的方法有线选法和全地址译码两种方法。（1） 线选法线选法的优点是不需要

25、地址译码器，可节省硬件，减少成本。缺点是可寻址的芯片数目受到很大限制，而且地址空间也不是连续的，地址空间没有充分的利用。（2） 全地址译码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利用的地址线时，就需要用全地址译码的方法。它将低位地址作为片内地址，尔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。因而这种地址编码的方法，除了片内地址线外，剩余的高位地址线全部参加译码，故成为全地址译码。通常采用3-8译码器（74LS138），输入端占用3根最高位地址线，剩余的13根低位地址线可作为内地址线，74LS138译码器的8根输出线分别对应8个8K字节的地址空间。下图5为

26、74LS138引脚图：图5 74LS138引脚图把G1接+5V,G2A、G2B接地。8031的P2.7、P2.6、P2.5分别接到74LS138的C、B、A端。P2.0P2.4、P0.1P0.0这13根地址线接到扩展存储器芯片的A12A0端。74LS138的8个输出，Y0Y7分别接到18片8K存储器的片选端,而低13为完成对片内地址的选择。7 I/O接口电路及辅助电路设计8031单片机共有四个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口芯片。常用的外围接口芯片8155,是可编程的RAM/IO扩展接口电路(256个RAM单元,2个8位接口,

27、1个6位接口,1个14位口的定时计数器)。8255可编程的通用并行接口电路(3个8位口)。7.1 8155通用可编程接口芯片7.1.1 8155的引脚及其功能。8155的引脚排列见图6。图6 8155的引脚图8155具有40条引脚的双列直插式芯片,其各引脚的功能见下表6：引脚含义引脚含义AD0AD7地址,数据线ALE地址锁存PA0PA7A口RD读AB0PB7B口WR写PC0PC5C口CE片选TIMERIN定时输入RESET复位TIMEROUT定时输出VSS地IO/MIO/RAM口选择VCC电源 其中IO/M是8155内部RAM和I/O口的选择线,IO/M=0,(低电平)是选择片内RAM,AD0

28、AD7上的地址信息位8155中的RAM单元地址。当IO/M=1(高电平)时选择I/O口,AD0AD7上的地址信息为I/O口地址,它利用ACE的下降沿将此信息锁存到片内锁存器中。7.1.2 8155工作方式设定8155I/O口工作方式选择通过对8155内部命令寄存器(命令口)设定命令控制字实。8155I/O口有四种工作方式供选择:即ALT1,ALT2,ALT3,ALT4其中各符号说明如下:AINTR:A口中断,请求输出信号,高电平有效。BINTR:B口中断,请求输入信号,高电平有效。ASTB(BSTB):A口(B口)设备选通信号输入线,低电平有效。ABF(BBF):A口(B口)缓冲器满状态标志输

29、出线,(缓冲器有数据时，BF为高电平)7.1.3 查询状态8155还是一个状态寄存器，用于锁存I/O和定时器的当前状态，供CPU 查询用，状态寄存器和命令寄存器只用一个地址，命令寄存器只能写入不能读出，而状态寄存器只能读出不能写入，所以可以认为CPU读该地址时，作为状态寄存器，读出的是当前I/O口和定时器的状态，而写该地址时，则作为命令寄存器对I/O口工作方式的选择。7.1.4 8155的定时功能8155芯片内有一个14位的减法器，可对输入脉冲进行减法计数，外部有两个定时器引脚TIMEIN和TIMEOUT.TIMEIN为定时器时钟输入，由外部输入时钟脉冲,TIMEOUT为定时器输出,输出各种型

30、号脉冲波形。 7.2 8255可编程接口芯片8255是Intel 公司生产的可编程输出接口芯片,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（PC7PC4）和低4位（PC3PC0）。他们都可以通过软件编程来改变I/O口的工作方式。8255可与8031直接接口。7.2.1 8255引脚及其功能8255芯片能够扩展三个8位I/O接口，有3种工作方式，使用起来灵活方便，通用性强，可做为单片机与多种外围设备的中间接口电路。其引脚图如图7下所示：图7 8255引脚图 7.3 步进电机接口及驱动电路通常在经济型数控机床中,大多数采用步进电机开环控制。步进电机是一种用电脉冲

31、信号进行控制,并将电脉冲信号转变成相应的角位移的电动机。驱动步进电机的脉冲需要按所要求的顺序供给电机各相。脉冲分配器就是实现步进电机各相脉冲通电顺序的。为了使步进电机正常运行并输出一定功率,需要有足够功率提供给电动机,因此需要有功率放大环节。 脉冲分配器及前面的微机及接口芯片,工作电平一般为5U,而作为电动机电源的需符合步进电机要求的额定电压值。为避免强电对弱点的干扰,在他们之间应采用隔离电路。其控制电路框图如15所示。单片机走步脉冲方向电平脉冲分配器功率驱动步进电动机图15 步进电机的单片机控制(1) 脉冲分配器又叫环形分配器,由硬件环形分配器和软件环形分配器。 硬件环形分配器需要的I/O接

32、口接线少,且执行速度快,但需要专用的芯片。 软件环形分配器是用程序实现的。 (2)光电隔离电路在步进电及驱动电路中,脉冲分配器输出的信号经放大后,控制步进电机的励磁绕组。由于步进电机需要的驱动电压较高,电流也较大。如果将I/O口输出信号直接与功率放大器相连,将会引起强电干扰。所以一般在接口电路与功率放大器之间都要加上隔离电路,实现电气隔离,通常使用最多的是光电耦合器。 (3)功率放大器脉冲分配器的输出功率很小,远不满足步进电机的要求,必须将他放大后产生是够大的功率驱动步进电机的正常运转。从步进电计的起动矩频特性和运行矩频特性可以看出,随之运行频率的增高,步进电机输出力矩下降。为了提高步进电计动

33、态特性,必须改善电流步波形,使电流前沿、后沿更陡些.可采用高低压电路,如图16。 图16 步进电动机高低电压驱动电路 三 程序编制1 显示子程序如将8031片内RAM中的30H35H,辟为显示缓冲区，时效的子程序清单如下：XS： MOV DPTR, #7FF8H; MOV A, #03H; MOV DPTR, A; MOV RD, #30H; MOV A, R1XS1： MOV DPTR, #TFF9H; MOV DPTR, A; INC DPTR; MOV A, R0; ADD A, #DD#; MOVC A, A+PC MOVX DPTR, A; ACALL DL; INC R0; MOV A, R1; JB Acc, T, XS2; RL A; MOV