普通机床6140纵向数控化改造

摘要水平的不断发展,使整个社会的生产力得到了空前的进步,不断催生而出的新的加工制造技术越来越多地运用于生产实践之中,并对社会进步发挥这巨大的推进作用。当前,机械制造业发展的一个明显的趋势是越来越广泛的运用数控技术。普通机床逐渐被高效率、高精度的数控机械所代替。数控机床是数控机械的典型代表。借于以上,本设计改变了普通车床被淘汰的命运,将其数控化改造。设计的题目是：车床C6140数控化的改造,其主要对机械传动部分、CNC系统、检测装置的设计和对电动机的选择。本设计的数控车床主轴运动采用三相交流电动机,进给运动采用了直流伺服电动机,它有低转速大惯量、启动力矩大、低速运转平稳、输出力矩大等优点。而PWM调速方式能实现正反转和调速,大大简化了传统机床传动部分的结构,拓宽了加工围,提高了生产效率。机械进给传动为滚珠丝杠传动,齿轮传动；减小了传动误差,并且有光电编码盘转速信号的反馈,提高了零部件的加工精度。本设计获得成果：归纳了大学三年来所学的知识。了解了现代数控车床的部结构和运行,提高了对机械部件以及整个机床的设计能力,理论联系了实践。关键词技术车床 电动机 精度With the development of technology, the capacity of the whole society has greatly grown. So a lot of new technology comes out, and which will do huge function to the society in the production,At present, one of the clear standard to judge the development of the mechanism production industry is how the numerical widely used in the industry. The fact is that ordinary tool is gradually replaced by numerical one which is more efficient and high precision. So numerical is the representative of the numerical mechanism.Because of the above easy, here I designed to revolute its numerical to change the replacement fate of the ordinary. Subject is THE NUMERICAL REVOLUTION OF TOOL C6140, the main parts are engine drive, CNC system, and design of inspectsequipment and the electromotor selecting.Three-direction alternating current electromotor is used, and direct current electromotor is used, which has the advantage of low rotate speed big inertia, huge startup drive, stable low speed movement, and huge output moment. while PWM timing way can realize as well as positive and negative moving and timing, which greatly simplified the traditional constructure of tool, widen the production extension, improve its efficiency. Geardriving, decrease the drive error, what is more, ithas the signal feedback of the photo electricity, thus improve its precision.What to get after done this design: re-learn the knowledge of three years in school, mastered the inter-constructure of numerical tool, make my capacity of designing components and the whole tool, that is practice makes perfect.Key words technology tool electromotor precision第一章 绪论11 数控机床改造的目的及必要性1.1.1 改造的目的从现在的状况看,与普通机床加工方法相比很有优势。数控机床的定位精度是最具数控机床特征的精度项目,其他精度项目包括几何精度都与它有一定的对应关系。定位精度和重复定位精度综合反应该轴各运动部件的综合精度。尤其是重复定位精度,它反应了机床在该控制轴行程任意定位点的定位稳定性,这是衡量该控制轴能否稳定可靠工作的基本指标,所以它不仅保证了加工精度加工质量,而且大大的缩短了加工周期,减少了劳动力的投入。当然这一设计的出现将对除尘设备的性能和加工生产都带来了生机。环保产业是当今社会的重要产业,这不仅是中国社会发展人类生存的需要,而且是整个世界的共同问题,这就需要整个世界和社会重视环保产业,加强环保设备的开发和研究,当然数控在环保产业的发展和环保设备的创新和开发过程中起着至关重要的作用。112 改造的必要性1微观看改造的必要性 从微观上看,数控机床比传统机床有以下突出的优越性,而且这些优越性均来自数控系统所包含的计算机的威力a可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。 由于计算机有高超的运算能力,可以瞬时准确地计算出每个坐标轴瞬时应该运动的运动量,因此可以复合成复杂的曲线或曲面。b. 可以实现加工的自动化,而且是柔性自动化,从而效率可比传统机床提高37倍。由于计算机有记忆和存储能力,可以将输入的程序记住和存储下来,然后按程序规定的顺序自动去执行,从而实现自动化。数控机床只要更换一个程序,就可实现另一工件加工的自动化,从而使单件和小批生产得以自动化,故被称为实现了柔性自动化。 c. 加工零件的精度高,尺寸分散度小,使装配容易,不再需要修配。 d. 可实现多工序的集中,减少零件 在机床间的频繁搬运。e. 拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能,因而可实现长时间无人看管加工。 f. 由以上五条派生的好处。如：降低了工人的劳动强度,节省了劳动力一个人可以看管多台机床,减少了工装,缩短了新产品试制周期和生产周期,可对市场需求作出快速反应等等。以上这些优越性是前人想象不到的,是一个极为重大的突破。此外,机床数控化还是推行FMC柔性制造单元、FMS柔性制造系统以及CIMS计算机集成制造系统等企业信息化改造的基础。数控技术已经成为制造业自动化的核心技术和基础技术。 2. 宏观看改造的必要性从宏观上看,工业发达国家的军、民机械工业,在70年代末、80年代初已开始大规模应用数控机床。其本质是,采用信息技术对传统产业包括军、民机械工业进行技术改造。除在制造过程中采用数控机床、FMC、FMS外,还包括在产品开发中推行CAD、CAE、CAM、虚拟制造以及在生产管理中推行MIS管理信息系统、CIMS等等。以及在其生产的产品中增加信息技术,包括人工智能等的含量。由于采用信息技术对国外军、民机械工业进行深入改造称之为信息化,最终使得他们的产品在国际军品和民品的市场上竞争力大为增强。而我们在信息技术改造传统产业方面比发达国家约落后20年。如我国机床拥有量中,数控机床的比重数控化率到1995年只有1.9,而日本在1994年已达20.8,因此每年都有大量机电产品进口。这也就从宏观上说明了机床数控化改造的必要性。1.2 数控机床的分类 121 以运动轨迹不同分1. 点位控制系统对于一些加工孔的数控机床,如数控钻床、数控镗床、数控冲床、三坐标测量机、印刷电路板钻床等。它们只要求获得精确的孔系坐标定位精度,而不管从一个孔到另一个孔是按照什么轨迹运动,在坐标运动过程中,不进行切削加工。具有这种运动控制的机床称为点位控制数控机床。点位控制的数控机床加工的都是平面的孔系图1.1,它控制平面的两个坐标轴带动刀具与工件作相对运动,运动停止后,控制刀具进行钻、镗切削加工；为了提高效率和确保精度的定位精度,首先系统控制进给部件高速运行,接近目标点时,采用分级或连续降速,低速趋近目标点,从而减少运动部件的惯性过冲和因此而引起的定位误差。 图1.1 点位加工 2 直线控制系统直线控制的数控机床是指控制机床工作台或刀具刀架以要求的进给速度,沿着平行于坐标轴的方向进行直线移动和切削加工一般还包括45的斜线的机床。如数控车床、某些数控镗铣床和加工中心等,都具有直线控制功能。这一类数控机床不仅要求具有准确的定位功能,而且还要控制位移的速度。由于在移动过程中进行切削加工,所以对于不同的刀具和工件,需要选用不同的切削用量。一般情况下这些数控机床有两个到三个可控制的轴,但同时控制轴只有一个。为了能在刀具磨损或更换刀具后,仍可加工出合格的零件,这类机床是数控系统常常要求它具有半径和刀具长度补偿功能,以及主轴转速的控制功能等。现代组合机床采用数控技术,驱动各种动力头、多轴箱轴向进给进行钻镗铣等加工,也算是一种直线控制数控机床。直线控制也称为单轴数控。3. 轮廓控制的数控机床可以加工斜线,曲线,曲面的数控机床,如数控车床,数控铣床,加工中心等。它们都是具有同时控制两个,或两个以上坐标进行联动即进行插补的数控车床。该类机床在加工过程中,每时每刻都对个坐标的位移和速度进行严格的不间断的控制, 故称具有这种控制功能的机床为轮廓控制数控机床。现代数控机床绝大部分都具有两坐标或两坐标以上联动的功能、刀具半径 补偿、刀具长度补偿、机床轴向误差补偿、丝杠螺距误差补偿、齿侧间隙补偿等一系列功能。按照可联动同时控制轴数,可以分为两坐标 联动控制,2.5坐标联动控制,三坐标联动控制,四坐标联动控制,五坐标联动控制等。1.2.2 以控制方式不同分1. 闭环控制系统这类机床的位置检测装置安装在进给系统末段端的执行部件上,该位置检测装置可实测进给系统的位移量或位置。数控装置将位移指令与工作台端测得的实际位置反馈信号进行比较,根据其差值不断控制运动,使运动部件严格按照实际需要的位移量运动；还可利用测速元器件随时测得驱动电机的转速,将速度反馈信号与速度指令信号相比较,对驱动电机的转速随时进行修正。这类机床的运动精度主要取决于检测装置的精度,与机械传动链的误差无关,因此可以消除由于传动部件制造过程中存在的精度误差给工件加工带来的影响。图1.2是闭环控制的系统框图。 图1.2 闭环控制的系统框2. 半闭环控制系统这类机床的检测元件装在驱动电机或传动丝杠的端部,可间接测量执行部件的实际位置或位移。这种系统的闭环环路不包括机械传动环节,控制系统的调试十分方便,因此可以获得稳定的控制特性。由于采用高分辨率的测量元件,如脉冲编码器,因此可以获得比较满意的精度与速度。半闭环数控机床可以获得比开环系统更高的精度,但由于机械传动链的误差无法得到消除或校正,因此它的位移精度比闭环系统的要低。大多数数控机床采用半闭环控制系统。图1.3是半闭环控制的系统框图。图1.3 半闭环控制的系统框图11.开环控制系统这类数控机床采用开环进给伺服系统。其数控装置发出的指令信号是单向的,没有检测反馈装置对运动部件的实际位移量进行检测,不能进行运动误差的校正,因此步进电机的步距角误差、齿轮和丝杠组成的传动链误差都将直接影响加工零件的精度。 开环控制具有结构简单、系统稳定、容易调试、成本低等优点,但是系统对移动部件的误差没有补偿和校正,所以精度低。一般适用于经济型数控机床和旧数控化改造。图1.4是开环控制的系统框图。图1.4开环控制的系统框图1.2.3 以伺服方式不同分1. 主轴进给伺服系统进给伺服系统是一般概念的位置伺服系统,它包括速度控制环和位置控制环。进给伺服系统控制机床各进给坐标轴的进给运动,具有定位和轮廓跟踪功能,是数控机床中要求最高的伺服控制。 2. 进给伺服系统一般的主轴伺服系统只是一个速度控制系统。控制主轴的旋转运动,提供切削过程中的转矩和功率,完成在转速围的无级变速和转速调节。当主轴伺服系统要求有位置控制功能时,称为C轴功能。这时,主轴与进给伺服系统一样,为一般概念的位置伺服控制系统。 13 数控机床的基本组成1.3.1 硬件部分数控机床作为一种典型的机电一体化设备,其组成主要包括微机控制系统和机床本体两大部分。如果我们从机械的角度看待数控机床的区别,其实两者的祖本布局具有很多相似之处,并不存在特别的差异。数控机床与普通机床最要的区别在于,数控机床具有功能强大的、智能化的电气控制系统,即微机控制系统。一般标准型数控机床的组成如图1.5所示。机床电器控制主轴电机进给伺服电机位置检测可编程控制通信设备输出设备输入设备进给驱动装置主轴驱动装置微机系统数控系统图1.5 标准型数控机床的组成1. 微机控制系统 输入/输出设备这一部分是数控机床的信息输入、输出通道,加工零件的程序和各种参数、数据通过输入设备送进计算机系统数控装置。早期的 输入方式为穿孔纸带、磁带。目前较多采用磁盘；在生产现场,特别是一些简单的零件程序都采用按键、配合显示器CRT的手动数据输入MDI方式；手摇脉冲发生器输入多用于调整机床和对刀时使用；通过通讯接口,可由上位机输入。(2) 数控装置数控装置是由中央处理单元CPU、存储器、总线和相应的软件构成的专用计算机,它接受到输入信息后,经过译码、轨迹计算、速度计算、插补运算和补偿计算,再给各个坐标的伺服驱动系统分配速度、位移指令。这一部分是数控机床的核心。(3) 伺服系统伺服系统是数控机床的电气驱动部分。它不但要接收计算机数控装置发出的各种动作命令,还必须精确驱动机床进给轴或主轴运动。伺服系统的性能是影响数控机床加工精度和生产效率的主要因素之一。(4) 位置检测装置位置检测装置在数控机床中有着相当重要的作用。位置检测装置通过传感器对机床的转速及进给实际位置进行检测,并将角位移或直线位移转换成信号,反馈到计算机数控装置。2. 机械传动机械传动包括机床的主运动部件、进给运动部件、执行部件和基础部件,如底座、立柱、滑鞍、工作台刀架、导轨等。数控机床与普通机床不同,它的主运动,各个坐标轴的进给运动都由单独的伺服电机无级变速驱动,所以它的传动链短、结构比较简单。普通机床上传动链之间有复杂的齿轮联系,在数控机床上改由计算机来协调控制各个坐标轴之间的运动关系。为了保证数控机床的快速响应特性,在数控机床上普遍采用精密滚珠丝杠和直线滚动导轨副。为了保证数控机床的高精度、高效率和高自动化加工,机床的机械结构应具有较高的动态特性、动态刚度、阻尼精度、耐磨性以及抗热变形性能。在加工中心上还具备有刀库和自动换刀的机械手。同时还有一些良好的配套设施,如冷却、自动排屑、防护、可靠的润滑、程编机和对刀仪等,以利于充分发挥数控机床的功能。132 软件部分1. 系统程序2. 应用程序第二章 械传动部件的设计2.1 技术指标将一台CA6140普通车床改造成微机数控车床,采用MCS-96系列单片机控制系统,步进电机开环控制,具有直线和圆弧插补功能,具有升降速控制功能,其主要设计参数如下：加工最大直径：在床面上 400mm 在床鞍上 210mm加工最大长度： 1000mm溜板及刀架重力： 纵向 1000N 横向 600N刀架快速速度： 纵向 2.4m/min 横向 1.2m/min最大进给速度： 纵向 0.6m/min 横向 0.3m/min主电机功率 7.5kw起动加速时间 30ms机床定位精度： 0.015mm2.2 设计计算此机床进给伺服系统运动及动力计算如下：一、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0.005m/步二、计算切削力1纵车外圆主切削力Fz按经验公式计算： Fz = 0.67D1.5max= 0.67X4001.5=5360 按切削力各分力比例： Fz : Fx : Fy = 1 : 0.25 : 0.4 Fx = 5360 X 0.25 =1340 Fy = 5360 X 0.4 =21442.横切端面主切削力Fz 可取纵切的1/2 FZ=Fz/2 =2680此时走刀抗力为Fy,吃刀抗力为Fx。仍按上述比例粗略计算：三、滚珠丝杠螺母副的计算和选型一 纵向进给丝杠1.计算进给率引力FmN纵向进给为综合型导轨 Fm = KFx+fFz+G = 1.15 X 1340 + 0.165360 + 1000= 2558.6式中 K 滚珠丝杠导程,初选Lv=6mm f 滑动导轨摩擦系数：0.150.18G 溜板及刀架重力：G = 1000N2.计算最大动负载cC= fwFmL= 60nT/106n=1000VS/L0式中 L0 滚珠丝杠导程,初选L0 = 6mmvS 最大切削力下的进给速度可取最高进给速度的1/21/3 T 使用寿命,按15000h ； fw 运转系数,按一般运转取fw=1.21.5； L 寿命、以106转为1单位。n =1000VS/L0=10000.60.5/6=50r/min L=60nT/106=605015000/106=45 C= fw Fm=1.22558.6=10921N 式中 L0-滚珠丝杠导程,初选L0=6mm, vs-最大切削力下的进给速度,可取最高进给速度的1/2-1/3,此处vs=0.6m/min; T-使用寿命,按15000h; fw-运转系数,按一般运转取fw=1.2-1.5; L-寿命、以10转为1单位。3.滚珠丝杠螺母副的选型 查表可采用W1L400b外循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杠副,1列2.5圈,其额定动负载为16400N,精度等级按选为3级大致相当于老标准E级。4传动效率计算=tg/tg式中 螺旋升角 ,W1L400b = 244 摩擦角取10滚动摩擦系数0.0030.004= tg/tg= tg2026/tg=0.936要求在90%95%之间,所以该丝杠副合格。式中 -螺旋升角,W1L400b=244-摩擦角取10滚动摩擦系数0.003-0.0045.刚度验算先画出此纵向进给滚珠丝杠支承方式草图如图所有,最大牵引力为2558.6N。先画出次纵向进给滚珠丝杠支承方式如图4-20所示。最大牵引力为2530N,支承间距L=1500mm丝杠螺母及轴承均进行预紧,预紧力为最大轴向负荷的1/3。1 丝杠的拉伸或压缩变形量1查图4-6,根据Pm=2530,Do=40mm,查出L/L=1.2x10-5,可算出:1=L/Lx1500=1.2x10-5x1500=1.8x10-2由于两端均采用向心推力球轴承,且丝杠又进行了预拉伸,故其拉压刚度可以提高4倍.其实际变形量,1为;,1=1/4x1=0.45x10-2滚珠与螺纹滚道间接触变形2查图4-7,W系列2.5圈滚珠和螺纹滚道接触变形量QQ=6.4m因进行了预紧,2=1/2Q=1/2x6.4=3.2m支承滚珠丝杠轴承的轴向接触变形3 采用8107型推力球轴承,d1=35mm,滚动体直径dQ=6.35,滚动体数量zc=0.0024注意,次公式中Fm单位应为kgf因施加预紧力,故 3=1/2c=1/2x0.0075=0.0038mm根据以上计算: =1+2+3=0.0045+0.0032+0.0038=0.0115mm 定位精度6、稳定性校核滚珠丝杠两端推力轴承,不会产生失稳现象不需作稳定性校核。2.3 齿轮传动比 已知纵向进给脉冲当量p=0.01,滚珠丝杠导程L0=6mm,初选步进电机步矩角0.750,可计算出传动比ii = 360p/b L0式中：p脉冲当量mm/步 L0滚珠丝杠的基本导程mmb步进电机的步矩角,初选0.750 i =3600.01/1.56=0.8可选定齿轮齿数为: Z1=32 , Z2=40, 或 Z3=20, Z4=25因进给运动受力不大,模数m=2。有关参数请参照表2-1齿数324024402025分度圆d=mz648048804050齿顶圆da=d+2m688452844454齿根圆df=d-2x1.25m597543753545齿宽m202020202020中心距A=/2726445表2-1 传动齿轮几何参照2.4 直流伺服电机计算和选型本课题改造的是普通车床C6140,考虑到最大加工零件的尺寸大,切削力较大,要求的进给力也大,所以初步选择FANUC-BESK 系统的B11型直流电动机。其性能指标如下：输出功率： 1.1 额定转矩：11.8最大转矩： 94 最高转速：1500转子惯量 : 10 机械时间常数：19重量： 272.4.1纵向电机计算1.等效转动惯量计算计算简图见图4-20.传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量J可由下式计算:J=JM +J1+2+J4+ JS+G/gz1z3/Z2Z42=57.762 Kg.cm2式中 Jm-直流电机转子转动惯量 J1、J2-齿轮z1、z2的转动惯量 J3-滚珠丝杠转动惯量参考同类型机床,初选反应式直流电机150BF,其转子惯量JM=10kg.cm2J1=0.78x10-3xd14xL1=0.786.4421032.62kg.cm2J2=0.78x10-3xd24xL2=0.788421036.39kgcm2J3=0.78x10-3xd4x150=29.952kgcm2代入上式:J=JM +J1+2+J4+ JS+G/gz1z3/Z2Z42=57.762 Kg.cm2 考虑直流伺服电动机惯量匹配问题,JM/ J=45/57.762=0.78 满足惯量匹配问题对于直流伺服电机,0.5JM/ J0.8。2.电机力矩计算机床在不同的工况下,其所需转矩不同,下面分别安各阶段计算：（1） 快速空载起动力阶段,加速力矩占的比例较大,具体计算公式如下：M起MamaxMfM0Mamax= J= JNmax/60/2Ta102=J2102/60TaNmaxVmaxb/p/360将前面数据代入,式中各符号意义同前.NmaxVmaxb/p/360=24000.75/0.01/360=500r/min起动加速时间Ta30msMamax J2.Nmax/60/Ta=36.3552500/102=634.5 Ncm折算到电机轴上的摩擦力矩MfMfF0L0/2iL0/=0.160.6/=94 Ncm附加摩擦力矩M0M0=1/3FML0/ = 1/32558.60.8/ =206.4Ncm上述三项合计： M起MamaxMfM0=634.5+94+206.4=934.9 Ncm 快速移动时所需力矩M快M快MfM0=94+206.4=310.4Ncm最大切削负载时所需力矩M切M切MfM0+MtMfM0+FXL0/ =310.4+2558.60.8/=636.3N.cm从上面计算可看出,M起、M快和M切三种工况下,以快速空载所需力矩最大,以此选作为初选直流电机的依据。优于94N.m93.49 N.m即该型号电动机的最大转矩M起,由此可以确定初选的FANUC-BESK 3M系统配套的B11型直流伺服电动机满足使用要求,即可采用。第三章 CNC控制系统31 基本构成 CNC系统由中心控制器、存、输入输出设备、外设等组成。3.2 中心控制器的选用中心控制器是CNC系统的核心部件,可采用单微机系统或多微机系统,其主要职责是完成CNC的控制与计算。经济型数控系统常采用单片机为主控微机,单片机与微型计算机类似,具有三条线,可以进行算术运算和逻辑运算,并通过控制逻辑由总线将运算结果输出到存储器和I/O设备等。但是,它与微型计算机在在表现和外在表现方面又有许多差别。概括起来,单片机具有面向工程控制领域、体积小、具有局限性、只能借助专门的开发系统进行开发、功耗低、价格低等特点,如 Intel公司的 8031、8098等。就当前情况来看,经济型数控系统选择8098较为经济合理,它的部结构与其它MCS-96系列单片机基本相同,执行MCS-96系列单片机所有指令,部数据总线为16位。它们之间的区别是8098单片机外部数据总线为8位,因而8098单片机应用系统的设计和开发相对为简单,性能价格比较高。其运算速度是8031的56倍。3.2.1 8098芯片的基本结构1. 8098的引脚介绍8098采用48引脚双列直插式封装形式,见图3.1图3.1 8098单片机管脚图XTAL1：部振荡器中反相器和部时钟发生器的输入,与XTL2共同接外部晶体振荡器；XTAL2：部振荡器中的反相器的输出； RESET：复位信号输入,两个状态周期低电平使芯片复位；EA：存储器选择输入,当EA为低电平,访问片外存储器,当EA为高电平访问片ROM,8098无片ROM,EA引脚有部下拉电阻,当不接任何信号其保持为低电平；ALE/ADV：地址锁存允许或地址输出允许；RD：外部存储器读信号,输出端,低电平有效；WR：外部存储器写信号,输出端,低电平有效；READY:外部存储器准备就绪,输入端,高电平有效。在与低存储器联接时,用来控制插入等待时钟周期。READY引脚部有微弱的上拉电阻,当无外部驱动时为高电平HSI：高速输入通道的信号输入端,共有4个引脚,包括HSI.0、HSI.1、HSI.2、HSI.3,其中HSI.2和HSI.3与HSO共用引脚；HSO：高速输入通道的信号输出端,共有6个引脚,包括HSO.0、HSO.1、HSO.2、HSO.3、HSO.4、HSO.5,其中HSO.4和HSO.5与高速输入HSI共用引脚；P0口：4位高阻抗输入口。可作数据信号输入,也可以作为4路A/D转换模拟信号输入端；P2口：4位并行I/O口,具有双重功能。除用作数据输入/输出端口外,还具有第二功能,如下： P2.0： 串行口数据发送端TXD,输出端； P2.1： 串行口数据接收端RXD,输入端； P2.2： 外部中断EXTINT输入端； P2.3： PWM输出；P3口与P4口：漏极开路8位并行I/O口,P3口用作地址/数据总线,P4口用作高8位地址输出口,具有部强上拉电阻；Vcc：主电源电压,+5V；Vss：数字电路地,有两个Vss引脚,两者必须同时接地；Vpd：部RAM备用电源, +5V,正常运行时Vpd必须与电源接通；Vref：A/D转换器参考电源,+5V；ANGND：A/D转换器的参考地,通常与Vss接通；Vpp：部EPROM型芯片的编程电源。3.2.2 部结构框图图3.2 8098部结构图主要性能概括如下： 片采用17位16位加符号扩展位算术逻辑运算单元,可进行8位或16位算术逻辑运算,片232字节存储器均可用作累加器； 外部8位数据总线,应用系统的设计较MSC-96系列单片机简单； 部时钟采用A、B、C三相,指令的执行效率提高； 主PC与从PC并行工作；3 .3 存储器的选用 部存储器分为只读存储器ROM和随机存储器RAM在这里我们选用2片6264作为随机存储器,2片2764作为只读存储器。1、2764和6264的相同点和不同点 相同点：1都属于计算机的部存储器2存储空间都是8位x8K3地址线都是13根 4数据线都是8根 540个引脚,都是双列直插式 不同点：1CPU对它们的操作方式不同,对6264可读可写,对2764只读不写。 部存放的信息容不同,用户的程序和数据放在6264, 系统程序放在2764。3信息的保存方式不同,2764不能受紫外线照射,6264不能掉电。 4 操作指令不同,CPU访问2764用MOVE指令,访问6264外扩芯片时用MOVX指令,访问单片机用MOV指令。 5 硬件联线不同,2764读信号线OE与CPU的RD读信号线连接, 6264读信号线OE与CPU的RD读信号线连接,写信号线WE与CPU的写信号线连接。 名称不同,2764称为系统存储器只读存储器,6264称为数据存储器,又可称为随机存储器,可存放随机数,又可称为读写存储器。3.3.1 只读存储器 图3.3 2764引脚图在2764引脚图中Vpp是编程电压端,是编程控制端,是输出使能端,是片选端,它们均为低电平有效。2764的第26引脚空,未用。这是一块的芯片,它的引线与芯片6264兼容的。这给使用者带来很大的方便。因为在软件调式过程中,程序经常需要修改,此时可将程序先放大6264中,读写修改都很方便,调式成功后,将程序固化在2764中,由于化于6264引脚兼容,所以可以把2764直接插在原6264的插座上。这样,程序就不会由于断电而丢失。2764各引脚的含义：A0A12：根地址输入线。用于寻址片的个存储单元。D0D7：8根双向数据线,正常工作时为数据输出线。编程时为数据输入线。CS：选片信号。低电平有效。当CS时表示选中此芯片。OE：输出允许信号。低电平有效。当OE时,芯片中的数据可由D0D7端输出。PGM:编程脉冲输入端。对编程时,在该端加上编程脉冲。读操作时PGM。VPP：编程电压输入端。编程时应在该端加上编程高电压,不同的芯片对VPP的值要求不一样。3.3.2 读写存储器图3.4 6264引脚图外部扩展RAM6264是一种8K X 8位的高集成度的随机存取贮存器,有28个引脚,芯片引脚图如图3-3所示,A12-A0为13位地址信号线,寻址围为8K。D7-D0为8位数据输入/输出线,可与单片机的数据总线连接。CE为片选信号,可由地址译码器产生。WE为写允许信号线,可与单片机的写命令信号WR联接,用来控制存储器的写入操作。OE为读允许信号线,与单片机的读命令RD联接,用来控制存储器的读出操作。在与单片机联接时,主要要解决地址分配,数据线和控制信号线的连接。在进行存储器读/写操作时,数据由P3口输入/输出。由于8098最大寻址围为64K,因此6264最大使用8块。3.4 接口电路3.4.1 接口的类型 所谓接口,就是微处理器与外部连接的部件,是CPU与外部设备进行信息交换的中转站。可分为并行接口和串行接口。所谓串行接口,就是数据在一条传输线上一位一位地传送的接口,在串行传送下,外设通过串行接口与系统总线相连,如键盘、鼠标、CRT显示器、调制解调器等。所谓并行接口,就是同时在多条传输线上,数据以字节字为单位进行传送的接口。在并行传送下,外设通过并行接口与系统总线相连接,如打印机等都通过并行接口与主机相连。3.4.2 接口的作用 接口的作用,就是协调差异,使各部分协调配合,可靠有效地运行,以提高计算机系统的整体效率。3.4.3 可编程并行接口芯片的选择 并行接口芯片的作用是让CPU可以通过它们与外围设备进行交换信息,常用的并行接口芯片有8155和8255。本论文选用8155作为并行接口。1. 8155和8255的不同点和相同点 相同点： 都属于可编程的并行接口芯片。 2有A口、B口、C口和控制口。 都属于信息交换的电路。 可通过编程访问A口、B口、C口和控制口。不同点：1 8255的C口的8位口,8155的C口是6位口。 2 8155有256个ROM,8255中没有ROM。 3 8255有2个地址线,8个数据线。8155的8个数据线和8个地址线公用。 8255只能作为I/O口用,没有RAM。8155能数据寄存器来用,在这里是采用的是8155作为并行接口的芯片。2. 8155的引脚功能如下,引脚图见图3.5所示：图3.5 8155引脚图AD0AD7：三态地址/数据引出线；/M：选择信号输入线,高电平选择IO口,低电平选择RAM；：片选信号输入线,低电平有效；ALE：地址允许锁存信号输入线,高电平有效,其后沿将地址及片选信号锁存到器件中；：读选通信号输入线,低电平有效；：写选通信号输入线,低电平有效；TIMER IN：定时器/计数器的输入线；：定时器/计数器的输出线；RESET：复位控制信号输入线,高电平有效；PA0PA7：8位并行I/O口线；PB0PB7：8位并行I/O口线；PC0PC7：6位并行I/O口线；Vcc：电源线,+5V；Vss：线路地3. 8155的部结构8155的PA和PB口可以通过编程来决定是作为输出口还是输入口使用。PA口和PB口在选通方式下工作时,PC口用作PA口和PB口的状态线和控制线,在其它情况下,也可以作为基本的输入输出线。当IO/M为低电平时,AD0AD7输入的是RAM地址,寻址围为00H0FFH。当IO/M为高电平时,AD0AD7输出的是I/O端口地址。4. 8155的工作方式 8155部没有一个命令寄存器和一个状态寄存器,这两个寄存器使用同一个地址号,当对该地址写入时,数据被写入命令寄存器,读出时,读出的是状态寄存器的容。 8155中没有一个14位的减法计数器,同时TIN端输入的脉冲进行减法计数,常用作定时器,分频器或外部事件计数器。计数器的启停操作由控制字的最高两位确定,计数长度和计数方式存放在计数器的两个8位寄存器中。3.5 键盘显示电路键盘显示可通过使用8155、8255、8279三种芯片来实现,在本次车床改造中我选用了8279芯片3.5.1 可编程键盘/显示器接口8279 8279包括4X8键盘和8位数码管显示器,键盘扫描线由8279的SL0-SL2输出,经3-8译码器联接到8条列线上,4条行线联接到RL0-RL3。如果选用8X8键盘,8条行线联接到RL0-RL7即可。显示器的显示代码由OUTA3-A0和OUTB3-B0输出,经反相驱动器7406联接到所有数码管的阴极,位代码由SL0-SL2输出,经74LS138译码,再经75452反相后联接到各数码管显示器的阳极端。8279的CLK可直接与8098的ALE联接,由8279设置适当的分频系数,譬如分频为100KHZ。中断请求信号IRQ可与8098的某一HIS端联接,通过HIS请求CPU处理。 1引脚说明8279的引脚功能如下,引脚图见3.6所示：DB7DB0:双向数据输入/输出线,用来与系统总线联接,传送数据和控制命令；CLK:时钟脉冲输入端,用来输入系统时钟信号；RESET:复位信号输入端,高电平有效,用来输入复位信号；:片选信号输入端,低电平有效；:读信号,输入,低电平有效,将缓冲器中的容读出,送外部数据线；:写信号,输入,低电平有效,用来接受外部数据总线上的数据；IRQ:中断请求,输出,低电平有效。在键盘工作方式下,当FIFO/传感器RAM中有数据时,IRQ再变为高电平,在传感器工作方式下,每当探测到传感器信号变化时,IRQ变为高电平；SL3SL0:扫描线,用来扫描按键开关或传感器矩阵以及显示器的 各位数字；RL7RL0:回送线,通过按键或传感器开关与扫描线联接。这些输入端部设有上拉电路,使之保持高电平。只有当某一按键闭合时,其中一条变低。在选通输入方式下这些输入端也可以用作8条输入线；SHIFT:换位,在键盘扫描方式中,按键一闭合,按键位置就和换位输入状态一起被存贮起来。SHIFT端部设置上来电路,使之保持为高电平,当按键按下闭合变为低电平；CNTL/STB:控制/选择输入,在键盘工作方式下,该输入端用作控制输入,有键按下闭合时,输入状态被贮存。在选通输入方式中,该输入端作为将数据送入FIFO的选通线。该输入设置上拉电路,使之保持高电平,当按键按下闭合时变为低电平；OUT A3OUT A0,OUT B3OUT B0:这两个端口是164显示器更新寄存器的输出端。这两个端口的数据与扫描线同步,以供多路转换数字显示器使用。这两个端口可合并为一个8位端口使用；:空格显示,输出,低电平有效。用来在 数字切换过程中使显示器熄灭,或者显示熄灭命令使显示器熄灭；Vcc:+5V 电源；Vss:接地。图3 33.6 8279的引脚图3.6 系统保护及报警电路 在此论文中,采用了行程开关来保护系统的安全,以免发生超程现象。见图3.7 图3.7 行程开关报警电路：图3.8 报警电路 如图3.8所示,当从8089的HSO3口输出高电平时,此时下路不通,电流通过反相器变为低电平,上路导通,红灯亮,系统报警；反之亦然,红灯不亮,系统不报警。第四章 检测41 概述 数控系统为反馈控制的随动系统,该系统的输出量是机械位移、速度或加速度,利用这些量的反馈实现精确的位移、速度控制目的。数控系统的检测装置即传感器起着测量和反馈两个作用,它发出的信号传送给数控装置或专用控制器,构成闭环控制。从一定意义上看,数控机床的加工精度主要取决检测装置的精度。传感器能分辩出的最小测量值称为分辩率。分辨率不仅取决于传感器本身,也取决于测量线路。因此,研究和选用性能优良的检测装置是非常重要的。42 检测元件的分类421 以检测物理量不同分1光栅位置检测装置光栅是由许多等节距的透光缝隙和不透光的刻线均匀相间排列而构成的光感器件。按工作原理分,有物理光栅和计量光栅,前者的刻度不后者细蜜。物理光栅主要利用光的衍射现象,通常用于光谱分析和光波测定等方面；计量光栅主要利用光栅的莫尔条纹现象,广泛应用于位移的精密测量与控制中。 按应用需要,计量光栅又有透射和反射之分。据用途不同,可制成用于测量线位移的长光栅和测量角位移的圆光栅。(1) 光栅位置检测装置的结构如图4.1 所示,光栅检测装置主要由光源、透镜、标尺光栅长光栅、指示光栅短光栅和光敏元件等组成。图4.1 光栅位置检测装置光栅是在一块长条形的光学玻璃上或金属镜面上均匀地刻上许多 与运动方向垂直的线条。线条之间的距离即栅距可以根据测量精度确定。常用的光栅每毫米刻有50、100、或200条线。标尺光栅装在机床的移动部件上,指示光栅装在机床的固定部件上。(2) 光栅位置检测装置的工作原理如图42 所示,当指示光栅上的线纹和标尺光栅的线纹成个小角度两个光栅尺上线纹相互交叉。在光源的照射下,交叉点附近的小区域黑线重叠,透明区域变大,挡光面积最小,挡光效应最弱,透光的累积使这个区域出现亮带。相反,距交叉点越远的区域,两光栅不透明黑线的重叠部分越少,黑线占据的空间增大。因而挡光效应增强,只有较少的光线透过光栅而使这个区域出现暗带。这种明暗乡间的条纹称为莫尔条纹莫尔条纹与光栅线纹几乎成垂直方向排列。2感应同步器 感应同步器是利用电磁耦合原理,将位移或转角转变为电信号的测量装置。实质上,它是多极旋转变压器的展开形式。感应同步器按其运动方式和结构形式的不同,旋转式或称圆盘式和直线式两种。前者用来检测转角位移,常用于精密转台、各种回转伺服系统,后者用来检测直线位移,多用于大型和精密机床的自动定位、位移数字显示和数控系统中。两者工作原理相同。 感应同步器一般由1000Hz10000Hz,几伏到几十伏的交流电压励磁,输出电压一般不超过几毫伏。 感应同步器的工作原理 以直线式感应同步器为例,感应同步器由定尺和滑尺两部分组成,如图4.2所示。定尺与滑尺平行安装,且保持一定间隙。定尺表面制有连续平面绕组,滑尺上制有两组分段绕组,分别称为正弦绕组Sin绕组和余弦绕组Cos绕组,这两段绕组相对于定尺绕组在空间错开1/4的节距,节距用2表示。工作时,当在滑尺两个绕组中的任一绕组加上激励电压时,由于电磁感应,在定尺绕组中会感应出相同频率的感应电压,通过对感应电压的测量,可以精确地测量出位移量。图4.2 直线式感应同步器的定尺和滑尺3. 光电脉冲编码器422 以表示量的不同1. 增量式测量 增量式测量是指测量到的位移以增量方式计数。其特点的结构简单,任何一个对中点都可以作为测量的起点。现有的轮廓控制数控机床上大多采用这种测量方式。增量式检测系统中,移距是由测量信号计数读出的,一旦计数有误,以后的测量结果则完全错误。因此,在增量式检测系统中,基点尤为重要。此外,一旦某种事故如停电、刀具损坏而停机等发生,当事故排除后不能找到事故前执行部件的正确位置,必须将执行部件移至其始点从新计数才能找到事故前的正确位置。2.绝对式测量 绝对式测量装置对于被测量的任意一点位置均由固定的零点标记,每个被测量点都有一个绝对的测量值。该装置的结构较增量式复杂,分辨精度要求越高,量程越大,结构也越复杂。新出的轮廓控制数控机床上不少已采用这种测量方式。423 以输出量的形式不同1. 模拟式测量 模拟式测量是将被测量用连续变量来表示,如电压、相位变化等。数控机床所用的模拟测量主要用于小量程的测量。在大量程作精确的模拟式测量时,对技术要求较高。模拟式测量有以下几个特点：(1) 被测的量无需变换。(2) 量程实现较高精确的测量。(3) 数字式测量 数字式测量是将被测量的量用数字的形式来表示。测量信号一般为电脉冲,可以直接把它送到数控系统进行比较、处理。数字式测量装置有以下特点：(1) 被测量转换为脉冲个数,便于显示和处理。(2) 测量精度主要取决于测量单位,与量程基本无关。(3) 测量装置相对简单,脉冲信号的抗干扰能力强。4.3 光电编码盘光电编码器,是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。这是目前应用最多的传感器, 光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光电码盘与电动机同轴,电动机旋转时,光栅盘与电动机同速旋转,经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号；通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。此外,为判断旋转方向,码