毕业设计论文CA6140数控机床改造

第1章 概述1.1本文的选题及主要研究内容1.1.1本文的选题我们对已报废的两台CA6140进行数控化改造。通过改造，其目的就是要提高机械设备的数控化率，以便进行推广。分析现在经济型数控车床容易出现安全性故障的原因，经过反复的论证，在设计过程中，所有限位保护电路均采用负逻辑，如发生电路开路或接触不良时会立即报警，防止意外事故发生:设定了特殊的限位控制装置，使刀架在特定的位置不能换刀，保证了生产安全。数控加工过程中，程序的编制和输入调试是很重要也很烦琐的一个环节，工人的水平直接影响到生产效率的高低，同时也影响到产品的质量，如何降低对操作人员的要求，这是值得研究的问题，我们利用系统资源，依据特征参数，编写成组工艺，按照成组工艺编写若干程序存储在RAM中，输入相关零件的参数，即可调用程序，进行加工。非常适合于一般操作人员，对操作者的要求不高，大大提高了生产效率。合理的设计控制系统，利用原机床的电机作为主电机，节约了购买机的费用。1.1.2主要研究内容1、 CA6140改造总体机械部件设计。2、主要部件的设计和选用。对机床的改造部位是：拆掉手动刀架和小拖板装上数控刀架；拆掉普通丝杆、光杆进给箱、溜板箱，换上滚珠丝杠螺母副；主轴后端加一光电编码器用波纹管连接，供加工螺纹使用； 热点模具网。数控系统选用江苏东方数控新技术公司生产的NIM-9702数控系统。 驱动系统的设计：由于改造设计的是简易型经济数控，所以在考虑具体方案时，基本原则是在满足需要的前提下，对于机床尽可能减小改动量，以降低成本。 3、提供常用零件的成组工艺及数控程序模板，使用户只需根据零件特征，输入相关零件的参数，即可调用程序，进行加工。4、创新设计数控机床限位保护装置。使设备发生电路开路或接触不良时，应立即报警，防止意外事故发生，提高设备使用的安全性。5、设计双限位保护开关，使刀架在特定的位置不能换刀。6、满足设备的各项性能指标。7、对完成改造后的机床进行调试，使其达到用户使用要求。1.1.3数控机床的发展预测1、 数控机床推广应用逐步由经济型为主向普及型为主转变。2、 数控金切机床的构成比逐渐趋于合理。数控机床工序集中的加工特点，将使具有复合功能的高效数控机床的需求增长，这将导致数控机床拥有量和市场消费量中各类数控机床的构成比不同于传统的机床构成比。1.1.4 数控改造的意义我国作为机床大国.为了提高机床的数控化率.对普通机床进行数控化改造不失为一种良策。一些发达国家在机床的数控化改造方面已走在了我们的前面.如德国、美国、口木等国就非常重视对旧机床的改造.而且已形成了一个完善的“产学研”结合的改造体系.在世界机床行业不景气的今天.机床改造成为新的经济增长行业.生意盎然.处于黄金时代。由于机床与技术的不断进步.机床改造已成为一个“永恒”的课题。我国应在这方而加大重视和宣传.走出一条适合我国国情的机床的数控化改造之路。第2章 总体方案设计2.1 总体方案设计要求总体方案设计应考虑机床数控系统的运行方式，伺服系统的类型，计算机的选择，以及传动方式和执行机构的选择等。1、普通车床数控化改造后应具有定位，纵向和横向的直线插补，圆弧插补功能；还要求能暂停，进行循环加工和螺纹加工等，因此，数控系统选连续控制系统。2、车床数控化改装设计后属于经济型数控机床，在保证一定加工精度的前提下，应简化结构，降低成本。因此，进给伺服系统采用步进电机开环系统。3、根据普通车床最大的加工尺寸、加工精度、控制速度以及经济性要求，经济型数控车床一般采用8位微机。在8位微机中，MCS-51系列单片机具有集成度高、可靠性好、功能强、速度快、抗干扰能力强，具有很高的性能价格比。因此，可选择MCS-51系列单片机扩展系统。4、根据系统的功能要求，微机数控系统控制中除了CPU外，还包括扩展程序存储器、扩展数据存储器、I/O接口电路；包括能输入加工程序和控制命令的键盘，能相识加工数据和机床状态信息的显示器；包括光电隔离电路和步进驱动电路。此外系统中还应该包括螺纹加工用的光电脉冲发生器和其他辅助电路。5、设计自动回转刀架及其控制电路。6、纵向和横向进给是两套独立的传动链，它们由步进电机、齿轮副、丝杆螺母副组成，其传动比应满足机床所要求的分辨率。7、为了保证进给 伺服系统的传动精度和平稳性，选用摩擦小、传动效率高的滚珠丝杠螺母副，并应有预紧机构，以提高传动刚度和消除间隙。齿轮副也应有消除齿侧间隙的机构。8、采用贴塑导轨的摩擦力。9、原机床的主要结构布局基本不变，尽量减少改动量，以降低成本，缩短改造周期。图2.1总体改造方案2.2设计参数设计参数包括车床的部分技术参数和设计数控进给伺服系统所需要的数。以CA6140改装为例，设计参数如下：最大加工直径 在床面上 400mm 在床鞍上 210mm最大加工长度 1000mm快进速度 纵向 2.4m/min 横向 1.2m/min最大切削进给速度 纵向 0.5m/min 横向 0.25m/min溜板及刀架重力 纵向 800N 横向 600N主电动机功率 7.5kw代码制 ISO 脉冲分配方式 逐点比较法输入方式 增量值，绝对值通用控制坐标数 2最小指令值（脉冲当量） 纵向 0.01mm/冲 横向 0.005脉冲机床定位精度 0.015mm刀具补偿量 0mm99.99mm进给传动链京戏补偿量 纵向 0.15mm 横向 0.075mm自动升降速性能 有2.3具体的机械改装CA6140车床主要用于对中小型轴类、盘类及螺纹零件等的加工。这些加工工艺要求机床应完成的工作内容有:控制主轴正反转和急停;刀架能实现纵向和横向的进给运动，并能在换刀点自动改变四个工位，以便选择刀具;冷却泵的启停;润滑泵的开与关等。当加工螺纹时，保证主轴转一转，刀架能移动一个被加工螺纹的导程S;能实现直线和圆弧插补等。同时，这些工作内容，就是数控系统控制的对象。为满足以上要求，对机床的改造部位是:将手动刀架改造成数控刀架;拆掉丝杠、光杠进给箱、溜板箱，换上滚珠丝杠螺母副;在主轴后端加一编码器，以便加工螺纹。第3章 机械部分设计纵向进给机构的改造。拆除原机床的进给箱，利用原机床进给箱的安装孔和销孔安装齿轮箱体。滚珠丝杠仍安装在原丝杠的位置，两端采用原固定方式，这样可减小改装现场，并由于滚珠丝杠的摩擦系数小于原丝杠，从而使纵向进给整体刚性略优于以前。 横向进给机构改造。保留原手动机构，用于调整操作，原有的支撑结构也保留，步进电机、齿轮箱体安装在中拖板的后侧。纵、横向进给机构都采用了一级齿轮减速，并用双片齿轮错齿法消除间隙，双片齿轮间没有加弹簧自动消除间隙，因为弹簧的弹力很难适应负载的变化情况。当负载较大时，弹簧弹力显得小，起不到自动消除间隙的作用；当负载较小时，弹簧弹力又显得大，则加速齿轮的磨损。为此采用人工定期调整螺钉紧固的办法来消除间隙。刀架的改造。拆除原刀架和小拖板，换上数控刀架。3.1传动系统改装设计与计算3.1.1 纵向进给系统步进电动机的确定纵向进给系统的设计(如图3.1)图3.1纵向进给系统装配图1、 向进给系统的计算2、己知条件:工作台重量:W = 80Kg=800N时间常数:T=25ms滚珠丝杠导程:L=10mm行程:S = 650mm脉冲当量:8 p=0.01mm/P步距角: =0.36o /P快速进给速度: =2.4m/mi n3、切削力计算纵切外圆时，车床的主切削力可以用下式计算：=0.67D (N)=0.67（400）=5360走刀方向切削力分为和垂直走刀方向切削分力可按以下比列求出：=1：0.25：0.4所以 =0.25 =1340N =0.4 4、滚珠丝杠设计与计算综合导轨车床丝杠的轴向工作负载采用下面公式计=1.151340+0.16(5360+800)=2526.6N强度计算(滚珠丝杠)寿命值L=60nT/1000000n=n主f/L=1000vf/DL=10001000. 2/ (3. 14806)=19.9r/minL=6019.9 15000/1000000=18000000r最大动负载C= = 1.22526.6 =8538NL为工作寿命，单位为106r,n为丝杆转速（r/min）,r为最大切削力条下的进给速度（m/min）可取最高进给速度的，为运转状态系数，无冲击取11.2，t为额定使用时间，可取t=1500h选用FC1B326-5-E2滚珠丝杠，其额定动负荷为10689N，与上面算果相比，强度足够。5、效率计算根据机械原理的公式，丝杠螺母副的传动效率为 为丝杆螺旋升角， 为摩擦角。6、刚度验算滚珠丝杠在工作负载作用下的变形量=2526.60.6/20600000(2.8031/2)3.14=16.7因扭矩M引起的导程变形量L2很小，可忽略，即L=L1。所丝杠长度为1000mm时，导程变形总误差为=100L/L0=10016.7E-6/1=2.77m/m查有关手册得知E级精度丝杠允许的螺距误差为15m/m，故刚度够。7、稳定性验算由于机床原丝杠直径为30mm，现选用的滚珠丝杠直径为32mm，支承向式不变，所以稳定性不存在问题。8、齿轮及转矩的计算采用同步带轮(1)有关带轮计算传动比i=360p/L=3600.001/0.361=1取Z1=20 Z2=20 =20 m=3mm b=28mm(带轮壁厚)dl= d2=pz/3.14=9.52520/3.14=60.66mm(2)转动惯量计算工作台质量折算到电动机轴上的转动惯量=（1800.001/3.140.75）280 =4.6N.cm2丝杠的转动惯量:Js=7.810-4 D4L=7.810-43.24100 =8.1789kg/cm2=81.789N/cm带轮的转动惯量:Jz1=Jz2=7.810-4D4L=7.810-460.60 42.8=2.957N.cm电动机转动惯量很小，忽略不计。总的转动惯量J为J=i2(Js+Jz2)+Jz1+J1=12(81.79+2.957)+2.957+4.6=92.3N.cm =9.23kg.cm(3)所需转动力距计算快速空载启动时所需力距最大切削负载时所需力距快速进给时所需力距M=Mf十M。式中空载启动时折算到电动机轴上的加速度力矩: Mf折算到电动机轴上的摩擦力距; M。由于丝杠预紧所引起，折算到电动机轴上的附加摩擦力矩 Mat一切削时折算到电动机轴上的加速度力矩; Mt一折算到电动机轴上的切削负载力矩。 Ma=Jnl/9.6T =2000/61=333.33rJmin则=Jnmax/9.6T=9.5333.3310-4/(9.60.025)=13. 1923kg.cm 当n=n t时(为切削时电动机转速)，Ma= Mat又因为 =n主f/Li=1000vf/(3.14DLi)=10000. 3/ (3. 148061) =19. 9r/min则Mat=Jnx10/9.6T=9.519.910-4/(9.60.025)=0. 0787Nm=0.787kg.cmMf= fWL0i/2=0.16800.61/(23.140.8)=1. 528kg.cm=15.28N.cmMo= P0L0i(1-)/ 2=13400.6l(1-0.9)2/(323.140.8)=10.14N.cm=1.014kg.cmMt=FxL0i/2=13400.61 /(23.140.8) =160.03N.cm=16.003kg.cm快速空载启动时所需力距=13.1923+1.528+1.014=15.734kg.cm最大切削负载时所需力距0.787+1.528+1.014+16.003=19.332kg.cm快速进给时所需力距=1.528+1.014=2.542kg.cm由以上分析计算可知，所需最大力矩发生在快速启动时:=15.734kg.cm=157.34N.cm3.2 步进电动机的选择3.2.1 纵向进给系统步进电动机的确定一般启动力距选取为ML0/(0.3 0.5)取= ML0/0.4ML0= =152. 98N. cm则: =152.98/0.4=382.45 为满足最小步距要求，电动机选用五相十拍工作方式，则=0.951，所以步进电动机最大静转距=382.45/0.951=402.16 步进电动机最高工作频率=vmax/60p=2000/600.01=3333.33Hz综合考虑，选用1l0BYC-007五相混合式步进电动机，能满足使用要求。3.2.2 横向进给系统步进电动机的确定ML0= =36.91N.cm则: =36.91/0.4=92.275 为满足最小步距要求，电动机选用五相十拍工作方式，则= ML0/0.4=0.951，所以步进电动机最大静转距=92.275/0.951=97.03 步进电动机最高工作频率=vmax/60p=1000/600.005=3333.33Hz综合考虑，选用110BYG007五相混合式步进电动机，能满足使用要求3.2.3 电动刀架的选择拆除原手动刀架和小拖板，安装山微机控制的四工位电架。据车床的型号及主轴中心高度，选用LD4- I型四工位电动刀架。安装时，去床小拖板，置刀架于中拖板上，卸掉电机风罩，逆时针方向转动电机，或动轴承处之内六角螺孔，使刀架转动到450左右时，装上螺钉，然后固定架即可。 电动刀架的安装较为方便，安装时须注意以下两点：(1)电动刀架的两侧而与原车床纵、横向的进给方向、平行。(2)电动刀架与系统的连线在安装时应合理，以免加工时切屑、冷却液及其它杂物磕碰电动刀架连线。3.3横向进给系统的设计与计算3.3.1横向进给系统的设计图3.1横向进给系统图3.3.2横向进给系统的设计计算己知条件:工作台重量W=600N时间常数T=25ms滚珠丝杠导程L=4mm左旋行程S=200mm脉冲当量:p=0.005mm/P步距角:=0.36/P快速进给速度: =l.2m/min1、切削力计算横向进给量为纵向的1 /21 /3，取1/2，则切削力约为纵向的1/2。=1/25360=268.0kg=2680N在切断工件时: =0.5 =0.52680=134.0kg=1340N2、滚珠丝杠设计计算(1)强度计算对于燕尾型导轨=1.4134.0+0.2(268.0+30) =247.2kg=2472N寿命值:L=60NT/1000000=601515000/1000000=13500000r最大动负载:C=1.212472=213.55kg=3269.78N根据最大动负载C的值，可选择滚珠丝杠型号为FC1B20 4-E2D左，其额定动负荷为5393N，所以强度足够用。(2)效率计算(3)刚度验算 滚珠丝杠受工作负载P引起的导程变化量L1=PL/EF=247.20.4/ 20600000(1.7619/2) 23.14 =1.9710-6 cm因扭矩M引起的导程变形量L2很小，可忽略，即L=Ll。所以导程变形总误差为:=100L/L=1001.97106=4.93um/m查表知E级精度丝杠允许螺距(1米长)为15m/m，故刚度足够。(4)稳定性验算 由于选用滚珠丝杠的直径与原丝杠相同，而支承方式由原来的一端固定、一端悬空，变为一端固定、一端径向支承，所稳定J性增强，故不再验算。(5)转矩计算A.转动惯量计算工作台质量折算到电动机轴上的转动惯量J1=(1800.0005 / 3.140.75) 260=0.044kg.cm丝杠的转动惯量:Js=7.810-4D4L=7.810-42450 =0. 624kg.cm2电动机转动惯量很小，忽略不计。电动机转动惯量很小忽略，因此，总的转动惯量J=J1+ Js=0.044+0.624=0.668kg.cm2B.所需转动力距计算=1000/41=250r/min= 104/9.6T=0.668250104/9.60.025=0.0696N.m =0.693kg.cm当n= 时(为切削时电动机转速)，Ma= Mat又因为=n f/Li=1000vf/(3.14DLi)=10001000.15/(3.146041)=19.9 r/min则:10-4/9.6T=(0.66819.910-4)/(9.60.025)=0.0055N.m=0.055kg.cmMf= fWLoi/2=(0.2600.41) /(23.140.8) =0.955kg.cm=0.0955N.mMo=13400.4l(1-0.92)/(323.140.8)=6.757kg.cm=0.6757N.mMt=(13400.41) /(23.140.8) =10.669N.m快速空载启动时所需力距=0.696+0.955+6.757=8.408kg.cm最大切削负载时所需力距=0.055+0.955+6.757+106.69=114.457kg.cm快速进给时所需力距=0.955+6.757=7.712 由以上分析计算可知，所需最大力矩发生在最大切削负载时:=114.457kg. cm=1144.57N.cm第4章 控制系统设计4.1控制系统硬件的基本组成机电一体化控制系统由硬件系统和软件系统两大部分组成。在机床行业，控制系统的控制对象主要包括各种机床，如车床、铣床、钻床、磨床等，在其他行业控制对象还有很多的。在使用中各种控制对象各不相同的，但其控制系统硬件组成的基本原理是一致的。单片机为核心的控制系统中，大多采用MCS-51系列单片机的8031芯片，经过扩展存储器、接口和面板操作开关等，组成功能较完善、抗干扰能力较强的控制系统。8031内部包含一个8位CPU，128字节的RAM，两个16为的定时器，四个8位并行口，一个全双工串行口，可扩展的程序和数据存储器各64kB,有5个中断源。硬件设计主要介绍微机控制系统的扩展、接口及控制电路。4.2数控系统硬件设计MCS-51系列的单片机以片内无程序存储器和片内有程序存储器形式.分为三种基木产品:8051 、8751和8031。8051单片机以片内含有掩膜ROM程序存储器. 因为这种只读存储器中的程序要由单片机生产厂制作芯片时为用户固化于片内.所以只适用于批量极大.程序要永久性保留且不会修改的场合8751片内含有EPROM型程序存储器.用户可以把程序固化在EPROM中.需要修改时.可用紫外线光照擦除.然后又写入新的用户程序.但该芯片价格较 8031片内没有程序存储器.外部扩展一片或多片含有用户程序的EPROM后.就相当于一片8751因而使用方便灵话.且价格低廉.日前是应用最广泛的机型综上所述.考虑到MCS -51的性能.选用该系列的8031CPU作为数控系统的中央处理机外接一片2764EPROM作为程序存储器.再选用两片6264RAM作为存放调试程序和运行程序的中间数据。考虑到系统扩展.为使编程地址统一采用译码法对扩展芯片进行寻址选用74LS138译码器完成此功能作为输入/输出口(I/U)的扩展.选用两片8155作为系统的输入/输出扩展.分别接受键盘(系统控制而板)的输入和显示器的输出。4.2.1单片机的选择8031属8位单片机，它是集CPU , I/O端口及部分RAM等为一体的控制器具有价格低、功能全、体积小、编程灵活性大、开发手段齐全、硬件资源丰富等特点。在国内的经济型数控系统中多数使用8031单片机。8031芯片内部具有128个字节的数据存储器RAM.内部地址为OOH 7FH ,CPU对片内数据存储器有很丰富的操作指令，通过直接寻址或间接寻址方式进行访问。这128个字节单元可作为数据缓冲器、堆栈和工作寄存器.但应用片内的RAM往往不够，故外接6264芯片来扩展8031的RAM存储器。8031是一个无ROM/EPROM的单片机，必须扩展程序存储器，存放控制程序，所以外接了一片2764芯片。8031本身提供给用户使用的输入、输出口线不够，只有P1口和部分P3口线用来与外部设备连接，但若处设较多时，不能满足需要，所以在该应用系统中还要在8031外接一片8155芯片以扩展I/O口。8031为40引脚的双列直插式器件，有4个双向8位1/O口(Po.o/P1.0).P0.0 口和P2.0口作为地址总线使用。16位地址总线由Po.0口经地址锁存储器74LS373提供低8位(AoA7)，高8位(A8A15)由P:口直接提供。8位数据总线由Po.口提供。这样数据总线与地址总线共用，SLE为地址锁存允许，当送低8位地址时，使ALE有效并锁存到74LS373中，当送数据时使ALE无效.图4.1 8031控制的数控系统设计原理图4.2.2储存器芯片的选择2764芯片是一种高速、容量为8KB X 8的EPROM存储器电路，读出时间为250ns，而8031选用晶振频率为6MHz，则读取时间为480ns都满足要求。2764为28脚器件，其中AoA12为13位地址线,DoD7为8位数据线.CE为片选信号，低电平有效。由于2764和6264芯片都是8KB X 8,需要13根地址线。AoA7，低8位接74LS373芯片的输出，A8 A12接8031的P2.0 P2.4, 74LS373地址锁存器在选通信号ALE为高电平时直接传送8031Po口低8位地址。当ALE在高电平变低电平的下降沿时，低8位地址被锁存，此时，P0口可用来向片外传送读写效据。8031单片机对存储器的片选控制是采用全地址译码法，使用74LS138译码器来实现的。8031的P2.5、P2.6、P2.7口分别与74LS138译码器的A,B,C端相联，74LS138译码器的抽出端Y1与6264的CE端相联，Y2与2764的CE端相联.2764的地址编码是4000HSFFFH. 6264的地址编码是2000H3FFFH.4.2.3 I/O接口芯片8155芯片是一个通用的接口电路，可以用编程的方式选择其逻辑功能，片内有256个字节RAM . 2个8位(PA.0PA.7.，PB.0 PB.7)，一个6位(Pc. o Pc. 6)的可编程并行I/O口和一个14位定时/计数器。它可直接与8031连接，不需增加任何硬件逻辑，是单片机应用系统中广泛使用的一种芯片，其中A口作为控制纵横向步进电机接口，B口控制主轴正反转，进给速度调整,C口控制回转刀架等。8279芯片是一种可编程的键盘、显示接口器件，单个芯片就能完成键盘扫描输人和LED显示控制两种功能，能对显示器自动扫描，能识别键盘上按下被的键号，这样可充分提高CPU的工作效率，大大减少软件工作量。8279与单片机联接无特殊要求，除数据线、RESET,WR.RD可直接联接外，CS与74LS138译码器输出线Y相联;8279的IRQ经反相器与8031的中断请求输人线INT相联;时钟输人端CLK与8031的地址锁存控制端ALE相联。8279键盘最大可配置8X8个键，实际用了24个键。扫描线信号为SL0SL2:经74LS138译码器(第二片)轴出的8个列选信号，接人键盘列线。键盘行查询只用了RLoRL7中3根回馈线，接人键盘行线。8279配置的8位共阴极LED显示器，其字位线由扫描线SL0SL2:经译码器、驱动器提供，字段线由AoA3,BoB3通过驱动器提供。由于8031单片机片内没有程序存贮器(ROM )，且只有256字节的数据存贮器(RAM)，远远达不到使用要求，故选择了两片存贮容量为8KX8的EPROM2764作为程序存贮截，一片8Kx8的RAM6264作为数据存贮器.这样就组成了一个完整的控制系统，图4.2 系统原理图8031具有16根地址线(P0口作为低八位地址，P1口作为高八位地址)，这样8031的寻址空间为64K. EPROM2764和RAM6264均为8K x 8字节，故只需13根地址线.而P。口为地址线和数据线分时复用(z)，故要连接地址锁存器.同时由于8031,连接多个设备，访问不同设备时，需要片选。因而采用译码电路.具体连接如图4.3，图中未给出电源线、接地电平及其它管脚。 图4.3 8031系统扩展图4.2.4 8031与I/O口的连接I/O口是控制主机与外围设备的通道.选择Intel公司生产的8155接口芯片.8155是可编程的RAM/ IO扩展接口电路，它具有256个RAM单元、2个8位口、1个6位口、1个14位的定时/计数器8031与8155的连接如图4.4图4.4 8031与8155的连接4.3数控系统软件设计数控系统软件是一系列能完成各种功能的程序的集合，程序采用模块化设计方法，主要包括监控模块(包括系统初始化、命令处理循环、零件加工程序的输人、零件加工程序的编辑修改、指令分析与执行、系统自检等。)、插补计算模块、步进电机控制模块、误差补偿模块等。1、监控模块系统初始化后系统即进人命令处理程序，对于一般以单片机构成的系统通常采用循环处理程序逻辑作为系统的主程序。在循环程序中.程序不断扫描键盘及操作面板的操作，对此操作进行分析后即根据相应的操作命令转人相应的程序模块。对于经济型数控系统，零件加工程序通常是从键盘输入。输人的数据经数据处理程序将输人的十进制数与指令转换成BCD码存于规定的缓冲区，即源程序区。而编辑零件程序可看作一个键盘命令处理程序，和键盘输人可合为一体，既用于从键盘输人新的零件加工源程序，也可在编辑状态下.对已输人的零件加工程序中的命令、数据进行编辑和修改。数控系统要对输人的指令进行分析，并根据分析结果执行相应的操作。诊断程序用子检测系统硬软件功能的正确性，找出系统故障的位置，并指出故障类型。2、插补计算模块数控系统根据工件加工程序中提供的数据。如曲线的种类、起点、终点等进行运算。根据运算结果，分别向各坐标轴发出进给脉冲这个过程即为插补运算。进给脉冲通过伺服驱动工作台或刀具作相应的运动，完成程序的加工任务。机床数控系统是一边插补进行运算，一边进行加工，是一种典型的实时控制方式.所以，插补运算的快慢直接影响机床的进给速度，因此应尽可能缩短运算时间，这是编制插补运算程序的关键。3、步进电机控制模块8031控制步进电机的驱动程序，不仅可用程序代替可变频率脉冲源和环形分配器等配件，还很容易用程序实现步进电机升降速控制等功能。4、误差补偿模块经济型数控机床的加工误差是必然存在的，但只要对引起加工误差的各个环节的定量关系清楚，就可以在编程中引人修正值，调整进给脉冲，达到减少和消除部分误差的作用，这就是误差的软件补偿。4.3.1 直线插补程序的设计1、逐点比较法的步骤：偏差判别、坐标进给、偏差计算、终判别。2、程序设计第一象限直线插补的程序如下：ORG 2000HMAIN： MOV SP，#60H；LP4： MOV 28H，#0C8H；XeMOV 29H,#0C8H;YeMOV 2AH,#00H;X初始化Fm=0?Y方向进给X方向进给Fm=Fm+XeY=Y+1Fm=Fm-YeX=X+1X=Xe?(Y=Ye)返回图4.5 逐点比较法直线插补框图MOV 2BH,#00H;YMOV 2EH,#00H;FMOV 70H,#0AHLP3: MOV A,2EHJB ACC.7,LP1MOV A,70HSETB ACC.0CLR ACC.2MOV 70H,ALCALL MOTR;LCALL DELAYMOV A,2EHSUBB A,29H;F-YeINC 2AH;X+1AJMP LP2LP1: MOV A,70HSETB ACC.2CLR ACC.0LCALL MOTR;LCALL DELAYMOV A,2DHADD A,28H;F+XeLP2: MOV 2EH,AMOV A.28CJNE A,2AH,LP3;Xe=X?RET4.3.2 圆弧插补程序的设计初始化Fm=0?-X向进给一步+Y向进给一步F=F-2X+1X=X+1F=F+2Y+1Y=Y+1X=Xe?(Y=Ye)返回图4.6 第一象限逆圆插补程序框图第一象限逆圆插补程序如下：XL EQU 18HXH EQU 19HYL EQU 28HYH EQU 29HXeL EQU 1AHXeH EQU 1BHYeL EQU 2AHYeH EQU 2BHFL EQU 2CHFH EQU 2DHORG 2400HMAIN: MOV SP,#60H;MOV 70H,#08H;MOV XL,#80H;XLMOV XH.#0CH;XHMOV YeL,#80H;YeLMOV YeH,#0CH;YeHMOV Xe,#00H;YeLMOV XeH,#00H;XeHMOV YL,#00H;YLMOV YH,#00H;YHMOV FL,#00H;FLMOV FH,#00H;FHLP3: MOV A,FUJNB ACC.7,LP1MOV A,70HSETB ACC.2CLR ACC.0;LCALL MOTR;MOV R1,#28H;MOV R0,#1CH;MOV R7,#02H;LCALL MULT2;2*YADD: CLR CMOV A,FLADDC A,1CHMOV FL,AMOVA,FHADDC A,1DH;F+2YMOV FU,ACLR CMOV A,YLADD A,#01HMOV 28H,AMOV A,YHADDC A,#00HMOV YH,ACLR CMOV A,FLADD A,#01HMOV FL,AMOV A,FHADDC A,#00HMOV FH,A;F=2Y+1AJMP LP2LP1: MOV A,70HSETB ACC.0MOV 70H,A;LCALL MOTRMOV R1,#18H;XLMOV R0,#1CHMOV R7,#02HLCALL MULT2;2*XSUB: CLR CMOV A,FLSUBB A,1CHMOV FL,AMOV A,FUSUBB A,1DHMOV FH,A;F-2XCLR CMOV A,XLSUBB A,#01HMOV XL,AMOV A,XHSUBB A,#00HMOV XH,A;X-1CLR CMOV A,FLADD A,#01HMOV FL,AMOV A,FHADDC A,#00HMOV FH,A;F-2X+1LP2: MOV A,YHCJNE A,YeH,LP3A;YH=YeH?MOV A,YLCJNE A,YeL,LP3A;YL=YeL?LP3A: AJMP LP3ORG 2500HMULT2: PUSH PSW;PUSH APUSH BCLR CMOV R2,#00HSH1: MOV A,R1MOV B,#02HMUL ABPOP PSWADDC A,R2MOV R0,AINC R0INC R1DJNZ R7,SH1POP BPOP PSWPET4.4 操作面板显示CA6140型数控车床的面板位于机床的左侧主轴箱是前方，由上、下两部分组成，上部分为数控系统操作面板，下部分为车床操作面板。1、数控系统操作面板CA6140型数控系统操作面板如图所示。它是由CRT显示屏和MDI键盘两个部分组成的。图4.7数控系统操作面板CRT显示屏CRT显示屏用于显示车床的加工程序、各种参数和状态。如显示当前刀尖点坐标，输入到数控系统中的指令数据，刀具补偿量值、模拟显示信息等。MDI键盘(1)地址/数字键区：该区域各键用于输入地址、数值和符号。(2)功能键区：该区域各键用于选择数控车床的各种操作功能。位置键（POS）用于显示当前数控车床刀尖的位置。程序键（PROG）用于显示程序及设定编辑程序状态。偏置键（OFFSET-SETING）用于设定和显示刀具的偏置量和宏程序变量。系统键（SYSTEM）用于系统参数和显示，以及自诊断数据的显示。自定义图形（CUSTOM GRAPH）用于显示用户宏程序屏幕和用于模拟显示加工程序的刀路图形。上档键（SHIFT）用于切换地址/数字键区各键的输入功能。修改键（ALTDR）用于对编辑状态下的指令进行修改。信息键（MESSAGE）用于显示信息屏幕。(3)翻页键（PAGE）：该位置的两个键用于将屏幕显示的页面进行整页更换，按下上面的翻页键，屏幕向前翻页，按下下面的键，屏幕向后翻页。(4)光标移动键：该位置有4个键，分别用于水平左右移动光标，以及竖直上下移动光标。(5)复位键（RESET）；当系统因超程、操作不当、编程出错等原因出现报警时，用此键来解除报警状态。(6)帮助键（HELP）：用于显示系统帮助信息。(7)程序编辑键区；该区的各键用于数控加工程序的编辑。取消键（CAN）用于取消最后一个进入缓存区的字母、数字或符号。输入键（INPUT）用于输入参数和刀具补偿值等。删除键（DELETE）用于删除程序中的代码。插入键（INSERT）用于编辑程序时的确认输入，以及修改程序时在光标位置插入程序。2、操作面板1、急停开关；2、功能方式旋钮；3、进给倍率旋钮；4、手揭脉冲发生器；5、手动方向按钮；6、主轴按钮；7、辅助功能按钮；8、加工设置按钮；9、辅助控制按钮；10、系统开关；11程序保护锁 CK6136数控车床操作面板急停开关：为红色蘑菇头状按钮。1、 方式旋钮：PEF即参考点方式、EDIT方式即程序编辑方式、MID方式即手动数据输入方式、JOG方式即手动连续进给方式、HND手轮方式、MEM即自动运行方式。2、 进给倍率旋钮：此旋钮用于设置进给速度的倍率和快速进给的倍率，在手动方式、MDI方式和自动方式均生效。3、 手摇脉冲发生器：手摇脉冲发生器只在功能方式旋钮置于HND时才有效。4、 手动方向按钮及快速叠加键按钮5、 主轴按钮：主轴正转按钮、主轴停止按钮、主轴反转按钮。6、 辅助功能按钮：冷却控制开关（COOL）、刀盘转位开关（TOOL）。7、 加工设置按钮：单段按钮（SBK）、在线加工按钮（DNC）。8、 辅助控制按钮：循环暂停按钮、循环启动按钮、M01有效按钮。9、 系统开关：启动按钮（ON）、关闭按钮（OFF）。4.5 键盘及显示器接口设计键盘是若干个按键组成的开关矩阵，它是单片机最简单的输入设备.其工作原理如图4.9.图4.9 键盘的工作原理图4(1)中，控制信号=“0”则开放，可对键识别:当键松开，测试信号=1,当键闭合，测试信号=“0”。控制信号=I，禁止，不能对键进行识别.控制系统如果要确认是否有键闭合，可以通过扫描的方式完成.图4(2)中，列线X2相当于控制信号，行线X3相当于测试信号.数控系统中使用的显示器主要有LED(发光二极管显示器)和(液晶显示器)，也有采用CRT接口显示方式.我们选择LED显示器，通常它是由8个发光二极管组成，控制不同组合的二极管导通，就能显示出各种字符. . 图4.10共阴极接法，其数字、字符和对应的段码关系第5章 控制电路设计5.1 X、Z轴限位和参考点返回电路5.1.1. x. z轴的限位输入端设置为负逻辑经过分析现有数控机床的限位控制电路的缺陷，研制出一种新的限位控制方式，即负逻辑控制。其基本思路是:使用限位行程开关的常闭触点，当限位开关没有压下时I/0点与24V接通，当限位开关被压下I/O点与24V断开，机床限位。这种接法消除因线路开路而产生限位失灵现象，提高了限位电路的可靠性。限位输入端采用负逻辑需对系统的相关参数进行修改。采用负逻辑输入的方法，这样有利于提高数控机床的可靠性和安全性。如果机床的电路采用传统的继电器、接触器等元件实现逻辑功能则不宜采用负逻辑，因为他会导致部分继电器、接触器处于始终通电状态。这会造成损耗大、元件升温、寿命缩短等问题，并且元件间机械接触，还会因为震动等因素造成误动作。现代数控系统其控制逻辑由逻辑电子线路实现，不会出现以上问题。本次数控改造使用的数控系统为西门子802S数控系统，实现负逻辑输入要软件、硬件两方面配合才能实现。(1)硬件连接 数控机床中PLC的输入点有以下两种连接方法，其中图5-2所示的连接方法是正逻辑输入，其原理是:当机床运动超程时压下行程开关SQ1 ， SQ1闭合PLC内的光电藕合器件得电，PLC认为该点的逻辑值为“1，信号有效，PLC执行相关操作。这种方法的缺点在于当从+24V端子到PLC输入点之间的线路接触不良或开路则会造成SQl无效(即使SQ1被压下闭合)，而导致机床出现重大事故。图5.1负逻辑输入 图5.2正逻辑输入图5.1所示的是负逻辑输入的连接方法，信号输入使用行程开关的常闭触点。在正常情况下SQ1是闭合的，该输入点的逻辑值为“1，当SQ1被压下断开时输入点逻辑值为“0。这时要求通过数控系统的参数设置或修改PLC程序把该点逻辑值“1”设定为无效状态，而逻辑值“0”设定为有效状态。如果从十24V端子到PLC的输入点之间的线路出现开路或接触不良时，该点被认为有效，机床会立即报警，必须在电路连接良好的情况下机床才能正常运行。这种方法排除了因限位电路开路而造成故障的可能性，机床的安全性得到提高。(2)软件设置 负逻辑需要把逻辑“1”改为无效状态而逻辑“0”为有效状态，其方法有两种:第一，在PLC编程时通过程序实现。第二，通过设定机床参数实现。在两种方法中，要求数控系统具有可以对其PLC输入、输出端口的逻辑有效状态进行修改的功能。西门子的SINUMERIK 8025数控系统具有此功能。本次改造对限位等影响机床安全的输入点采用负逻辑就是采用的第2种方法。(3)采用负逻辑存在的问题及对对策 数控机床的PLC输入点采用负逻辑输入的方法使输入电路中的光电藕合器的发光二极管长期处于通电状态。但是由于该发光二极管的工作电流很小(只有几毫安，输入电路只消耗几十毫瓦)，因此系统的功耗的增加对功率几千瓦的机床来说可以忽略不计，同时发光二极管是冷光源，也不会导致系统发热。光电藕合器的工作寿命大于10万小时，以每台机床每天连续工作12小时计，可以保证机床正常工作20多年，对机床的寿命也不会造成影响。5.1.2参考点返回采用双开关方式用行程开关做参考点返回减速开关，用接近开关作为参考点检测开关。在各轴返回参考点时，先高速运动到参考点返回减速开关，将其压下后反向慢速逼近参考点，到参考点检测开关后完成参考点返回。由于这种方法使各轴在达到参考点前速度较低(可通过参数设定改变)，所以精度较高并且可以消除丝杠的反向间隙。5.2 其他辅助电路5.2.1 8031的时钟电路单片机的时钟可以由两种方式产生:内部方式和外部方式.内部方式利用芯片内部振荡电路，在XTAL1,XTAL2引脚上外接定时元件，如图9所示.晶体可在1.212MH之间任选，祸合电容在5 30PF之间，对时钟有微调作用.采用外部时钟方式，可把XTAL1;接地，XTAL2接外部时钟源。 图5.3 8031时钟电路 图5.4 8031复位电路 5.2.2复位电路单片机的复位都是靠外部电路实现、在时钟电路工作后，只要在RESET引脚上出现l0ms以上高电平，单片机便实现状态复位，以后单片机便从OOOOH单元开始执行程序.图10为上电与按钮复位组合.在上电瞬间，RC电路充电，RESET引脚端出现正脉冲，只要保持l 0ms以上高电平，就能使单片机有效地复位.5.3 电动刀架控制电路电动刀架的刀位检测霍尔元件为输出电路为集电极开路输出方式，不能与数控系统直接相连，需要在各刀位检测电路输出端添加集电极上拉电阻。如图5-3所示。图5.5刀架电路5.4 步进电机的接口电路设计控制指令控制脉冲分配器的通电方式从而控制步进电机的通电方式，完成正、反转以及升降速要求.5.4.1光电隔离电路在步进电机驱动电路中，为了避免强电对弱电的干扰，常采用光电隔离电路。 图5.6几种常见的光电隔离电路图在图5.6中，a为同相输出电路，b为反相输出电路，。为输入电路.我们选择a作为实际电路中的光电隔离电路.5.4.2功率放大电路脉冲分配器的输出功率很小，远不能满足步进电机的要求，必须将其放大以产生足够大的功率驱动步进电机正常运转.图5.7是一种高低压供电的实用电路，其工作原理是:电路中各晶体管均处在开关状态.当控制脉冲到来时，Tl,T3 ,T4 均导通，同时脉冲变压器的副边产生一定宽度的脉冲电流，使T2处于导通状态，使二极管处于负偏置而截止，将电动机绕组WA与电源E。断开，高压电源通过T 2,T1为电动机绕组WA供电，使其电流上升沿变陡，通过时间后、脉冲电流消失，使T2处一于截止状态，切断高压电源EH与电动机绕组Wa的回路，E。通过D2、T1为电动机供电，提供电动机所需的额定电流.图5.7高压供电电路第6章 数控机床的调试、精度检测机床的安装、调试是设备改造的一个重要环节。数控机床的主报括电路安装、机械部分安装和机床基础部分的安装。按照安装步骤，首先是机床总体安装，然后是线路连接。数控机床的调试与精度检验是机床交付使用前的必被与精度检验主要要保证机床的各项性能指标达到国家行业标准。主要几何精度检验、运动精度检验、位置精度检验和试切加工，以检验机切削精度，只有各项精度都达到国家有关标准时，才能交付使用。经过试切检验模块化数控程序的实用性，再通过机床的运行操作，检查逻辑控制的稳定性和可靠性。经过以上检验，各项指标达到了设计要求受到了用户的好评。结论通过上述方案改造后的车床具有数控加工能力，自动化水平和加工精度明显提高，定位准确、可靠，操作简便，既可提高生产率，改善加工工艺，同时又保持“万能加工”和“专用高效”两种属性，提高设备自身对产品更新换代的应变能力，增强企业的竟争能力，这对中、小型企业来讲是十分理想的选择。作用及意义：(1)可用最新的技术改造机床。 (2)可按需改造.避免功能多余。 (3)能充分发挥工人的知识经验.培养他们的技能。 (4)可以节省开支.缩短交货期.且工人对旧机床较热悉.培训期短。 (5)可利用旧机床的基础件(时效处理过后.性能更稳定)地基。避免因铸造、切削加工等带来的环境污染，节约资源。 (6)资料齐全.便于维修和再改造。 (7)在我国有很大的机床改造市场.不但能带来经济效益.还能解决再就业问题。致谢通过一段时间的毕业设计使我对所学的知识进行了一次系统的巩固，本次毕业设计我要感谢我们的指导教师黄烨老师以及徐州建筑职业技术学院广大教师，正式他们的精心教导才使得本次毕业设计得以顺利地完成。在设计过程中，黄老师不厌其烦的给我们提建议，为我们指明了设计的方向，讲解相关的知识例如：数控设备、数控技术的发展趋势。在此对黄老师表示衷心的感谢!同时也要感谢学院的各位教师。谢谢你们，没有你们的帮助我们也不会这样顺利的完成毕业设计。参考文献1 李善术数控机床及其应用北京:机械工业出版社19982 张毅刚单片机应用设计哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社19903 刘文信机床数控技术北京:机械工业出版社19984 张毅刚修林成单片机应用设计M.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社 19905 杨俊廉机床数控系统课程设计指导书M北京:中国科学技术出版社19916 余水牧李小青陈林康单片机应用系统的功率接口技术M北京:航空航天大学出版社1992