用微机数控系统改造CK6150车床的设计.doc

目 录 1 引言 3 2 机床的数控化改造 3 2 1 概述 3 2 2 数控改造的必要性 3 2 3 数控改造的优点 4 3 设计任务与总体方案的确定 4 3 1 设计任务 4 3 2 总体方案的确定 4 4 机械部分设计计算 6 4 1 谐振频率 6 4 2 高刚度 6 4 3 阻尼 7 4 4 转动惯量 7 4 5 摩擦 8 4 6 其它部件的设计 8 5 数控系统硬件电路设计 9 5 1 数控系统基本硬件组成 9 5 2 单片机控制系统设计 9 5 3 光电隔离电路 10 5 4 功率放大电路 11 5 5 其它辅助电路 12 5 6 自动回转刀架的控制 12 5 7 螺纹加工的控制 13 5 8 地址编码 13 6 软件设计 13 6 1 总体方案设计 13 6 2 圆弧插补程序设计 14 7 半闭环反馈系统的设计 16 7 1 检测元件的正确选用及其功能与特点 16 7 2 反馈系统设计 16 8 课程设计体会 17 参考文献 17 CK6150 车床的设计 西南大学工程技术学院 重庆 400716 1 引言 本设计是对 CK6150 普通车床进行设计改造 进给两坐标联动 采用单片机的半 闭环控制系统 驱动元件为步进电动机 传动系统采用滚珠丝杠 这里 主要对原 车床进行横 纵向进给机构改造 位置检测元件为光电编码器 经过改造后的系统 能实现直线插补和圆弧插补 从而大大提高了普通车床的工作效率 2 机床的数控化改造 2 1 概述 随着社会生产和科学技术的迅速发展 机械产品的性能和质量不断提高 产品 的更新换代也不断加快 因此对机床不仅需要具有较高的精度和生产率 而且应能 迅速地适应产品零件的变换 生产的需要促使了数控机床的产生 随着电子技术 特别是计算机技术的发展 数控机床迅速地发展起来 改革开放二十年来 数控技 术在企业中不断得到普及提高 与此同时 普通机床的数控化改造也在进行中 2 2 数控改造的必要性 数控机床可以较好地解决形状复杂 精密 小批 多变零件的加工问题 能够 稳定加工质量和提高生产效率 但是应用数控还受到其它条件的限制 1 数控机床价格昂贵 一次性投资巨大 中小型企业常是心有余而力不足 2 目前各企业都有大量的普通机床 完全用数控机床替换根本不可能 而且 替代下的机床闲置起来又会造成浪费 3 通用数控机床对具体生产有多余功能 要较好地解决上述问题 应走普通机床数控改造之路 从国外的经验来看 机 床的数控改造必不可少 而且大有可为 尤其对一些中小企业更是如此 2 3 数控改造的优点 数控改造一般是指对普通机床某些部位做一定的改造 配上数控装置 从而使 机床具有数控加工能力 数控改造有下列优点 1 易于对现有的机床实现自动化 而且专业性强 没有多余功能 2 减少辅助加工时间 提高机床的生产效率 3 降低对工人技术等级的要求 4 数控改造费用低 可充分利用原有机床设备 5 数控改造的周期短 可满足生产急需 3 设计任务与总体方案的确定 3 1 设计任务 本设计任务是对 CK6150 普通车床进行数控改造 利用单片机对纵 横系统进 行半闭环控制 进给两坐标联动 纵向脉冲当量为 0 01mm 脉冲 横向脉冲当量为 0 005 mm 脉冲 驱动元件采用步进电动机 传动系统采用滚珠丝杠 车床配有自动 回转刀架 4 位 具有切削螺纹的功能 并且系统能实现直线插补和圆弧插补 3 2 总体方案的确定 查看了有关资料 并且参照数控车床的改造经验 确定总体方案为 采用微机 对数据进行计算处理 由 I O 接口输出步进脉冲 经二级齿轮减速后 带动滚珠丝 杆传动 从而实现纵向 横向的进给运动 其总体改造方案的结构框图见图 A 系统的运动方式和伺服系统的选择 由于改造后的经济型数控车床应具有定位 直线插补 圆弧插补 暂停 循环 加工 螺纹加工等功能 故应选择连续控制系统 由于设计的是经济型数控车床 所以在考虑具体方案时 基本原则是在满足需要的前提下 对于机床尽可能减少改 动量 以降低成本 故采用半闭环控制系统 计算机系统 根据机床要求 采用 8 位微机 由于 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等特点 采用 MCS 51 系列的 8031 单片机的扩展系统 经过改造后的机床数控半闭环系统的功能模块 组成见下图 图 3 1 数控半闭环系统的功能模块组图 控制系统由微机部分 键盘及显示器 I O 接口及光电隔离电路 步进电机 功 率放大电路等组成 系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现 显示器采用数 码管显示加工数据及机床状态等信息 3 机械传动方式 为实现机床所要求的分辨率 采用步进电机经齿轮减速再传动丝杆 为保证一 定的传动精度和平稳性 尽量减小摩擦 选用滚珠丝杆螺母副 同时 为提高传动 刚度和消除间隙采用有预加负荷的结构 齿轮传动也要采用消除齿侧间隙的结构 纵向进给机构的改造 拆除原机床的进给箱和溜板箱 利用原机床进给箱的安 装孔和销钉孔安装齿轮箱体 滚珠丝杠仍安置在原丝杠的位置 两端仍采用原固定 方式 这样可减小改装工作量 并由于滚珠丝杠的摩擦系数小于原丝杠 从而使纵 向进给整体刚度增大 横向进给机构的改造 保留原手动机构 用于微进给和机床刀具对零操作 原 有的支承结构也保留 步进电机一齿轮箱体安装在机床后侧 纵 横向进给机构都采用了二级齿轮减速 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 这是因为弹簧的弹力很难适应负载的变化情况 当负载大时 弹簧弹力小 起不到消除间隙的目的 当负载小时 弹簧力大 由加 速齿轮的磨损 因此 采用定期人工调整 螺钉紧固的办法消除间隙 纵向齿轮箱和溜板箱均加外罩 以保机床原外观 起到美化机床的效果 在溜 板箱安装了纵 横向快速进给按钮和急停按钮 以适应机床调整时的操作需要和遇 到意外情况时的紧急处理需要 4 机械部分设计计算 机械传动是利用各种形式的机构传递运动和动力 传动装置的作用就是传递运 动和动力 变换运动形式 传动链示意图及等效力学模型图见图 B 一般整个机械传动系统的特性可用若干相互联系的质量 弹簧 阻尼系统 表示 其中每部分的动力学特性可表示为如下传递函数 2222 1 1 mkskBSkBmsFX 式中 X s 位移的像函数 F s 外力的像函数 m s 质量 k s 弹性刚度 B s 粘性阻尼系统 4 1 谐振频率 谐振角频率 无阻尼自振角频率 通常表示为 m k 为了满足机电一体化系统的高动态特性 机械传动各个分系统的谐振频率均 应远离于机电一体化系统的设计截止频率 设计时采用如下经验关系 c 12 其中 最低机械传动分系统谐振角频率 t 机电系统剪切频率 4 2 高刚度 机械传动分系统的刚度 224mfk 式中 f 频率 Hz 对传动链示意图的系统 3 对于丝杠螺母传动副带动工作台及工件的系统 其刚度为 231253 109 fk 式中 k3 机械传动系统刚度 N m m32 工作台质量 kg m31 工件的质量 kg 对滚珠丝杠螺母副传动的刚度 spm aSFk 式中 Fasp 外轴向力 Sspm 轴向位移 4 3 阻尼 机械传动分系统的阻尼比 mk B12 根据经验适当的阻尼比应选为 2 01 4 4 转动惯量 快速性是现代机电一体化系统的显著特点 在驱动力矩一定的前提下 根据式 1 1 转动惯量越小 加速性能越好 即时 1 1 JM 式中 M 力矩 J 转动惯量 加速度 滚珠丝杠传动的转动惯量 2121 4 4 WJAJ 式中 J1 滚珠丝杠的惯量 B DPL32 P 丝杠的节距 W 工作台与工件的总质量 铁的密度 DB 丝杠直径 LB 丝杠全长 丝杠传动时传动系统折算到电动机轴上的总转动惯量 N cm S2 221 tgWJiJSt 式中 J1 齿轮 Z1 及轴的转动惯量 N cm S2 J2 齿轮 Z2 的转动惯量 N cm S2 JS 丝杠转动惯量 N cm S2 t 丝杠螺距 cm W 工件及工件台质量 N 4 5 摩擦 摩擦是机械化传动部件常见的现象 轴承摩擦 齿轮传动摩擦工作台导轨摩 擦丝杠螺母副摩擦等 应当注意 与速度无关的摩擦产生反转误差 与速度有关的摩擦将影响阻尼 比 对机械传动部件的摩擦特性的要求可归纳为 1 具有与速度成正比摩擦力避免负斜率 2 与速度无关的干摩擦应尽量小 3 根据经验折算到电动机上的摩擦力矩之和应等于电动机转矩的 0 2 0 3 4 6 其它部件的设计 导轨 导轨用于引导运动部件的走向 它对机电一体化系统的影响通常是由其摩擦特 性决定的 主要影响定位精度和低速均匀性 导轨分滑动导轨 滚柱导轨 液体静压导轨和气浮导轨 为了起动跟随快 希望摩擦小 为了加强抗振能力 提高稳定性 则希望阻尼 系数大 因此合理选择导轨是提高机电一体化系统动态性能的重要环节 此处选用 滑动导轨 5 数控系统硬件电路设计 5 1 数控系统基本硬件组成 任何一个数控系统都由硬件和软件两部分组成 机床数控系统的硬件电路概括 起来由以下四部分组成 中央处理单元 CPU 总线 包括数据总线 DB 地址总路线 AB 和控制总线 CB 存储器 包括只读可编程存储器 COM 和随机存储器 RAM I O 输入 输出接口电路 其中 CPU 是数控系统的核心 作用是进行数据运算处理和控制和部分电路协调 工作 存储器用于存放系统软件 应用程序和运行中所需要的各种数据 I O 接口是 系统与外界进行信息交换的桥梁 三总线是 CPU 与存储器 接口以及其它转换电路 联接的纽带 是 CPU 与部分电路进行信息交换和通讯的必由之路 数控系统硬件框 图如图所示 图 5 1 数控系统硬件框图 5 2 单片机控制系统设计 主要技术特性及硬件配置 中央处理器为 MCS 51 系列的 8031 单片机 存储器选用 2764EPROM 8k 8 和 6264RAM 8k 8 I O 接口芯片选用 8031CPU 8031 单 片机的 P1 口可用作 I O 接口 用 8031 单片机的 P1 口管理步进电机 用扩展接口管 理键盘和显示电路 其 A 口做纵 横进给系统步进脉冲的输出口 PA0 PA2 为横向 X 输出口 PA3 PA5 为纵向 Y 输出口 B 口为位控方式 其中 PB0 PB3 为 X X Y Y 的行程越位信号输入 PB5 为急停信号输入 PB6 PB7 为系统工 作正常 报警信号输出 X Y 向步进电机和自用一个环形分配器控制 控制步进电机的脉冲发生器与脉冲 分配由硬件实现 数码显示的字符发生 键盘扫扫描管理器由软件实现 5 3 光电隔离电路 在步进电机驱动电路中 脉冲信号经功放后控制步进电机励磁绕组由于步进电机 需要的驱动电压较高 电流较大 如果将输出信号与功率放大器直接相联 将会引 起强电干扰 轻则影响计算机程序的正常工作 重则导致计算机和接口电路损坏 所以一般在接口电路与功率放大器之间都要接上隔离电路 采用的光电耦合电路如 图所示 图 5 2 光电耦合电路 脉冲分配器 步进电机双三拍方式工作 选用 YB013 脉冲分配器 表 1 工作真值表 相 状态 A B C 1 1 1 0 2 0 1 1 3 1 0 1 脉冲分配器接图 5 3 图中 CP 的上升沿使脉冲分配器改变输出状态因此 CP 的 频率决定了步进电机的转速 P 端控制步进电机转向 P 1 为正转 P 0 为反转 图 5 3 脉冲分配器接线图 表 2 TTL 脉冲分配器主要性能参数 输出高 电平 V 输出低 电平 V 输入低 电平 V 输入高 电平 V 吸收电 流 mA 工作频 率 KHz 电源电 压 V 环境温度 C 2 4 0 4 0 8 2 4 1 6 0 160 5 0 5 0 70 5 4 功率放大电路 如图 5 4 脉冲分配器的输出功率很小 远不能满足步进电机的要求 必须将它 放大以产生足够大的功率驱动步进电机运转 功率放大电路分为单电源和双电源型 单电源型线路简单 但效率不高 所以 选用双双电源型 双电源采用高低压供电电路 图 5 4 功率放大电路 在功率放大器导通初始 T1 T3 T4 全导通 并使脉冲变压器 B 的副边产生 一定宽度的脉冲电流 使 T2 导通 高压电源 EH 通过 T2 T1 为步进电机某一相绕 组供电 使其电流上升沿变陡 同时 D2 处于反向偏置 将低压 En 与绕组 WA 切断 经过 tb 时间后脉冲电流消失 使 T2 截止 高压电源与绕组之间被切断 En 通 过 D2 T1 为绕组 WA 供电 提供所需的额定电流 通过调整脉冲变压器的磁芯和 R4 可改变高压供电的时间宽度 tb 5 5 其它辅助电路 为了防止机床行程越界 所以在机床上装有行程控制开关 为了防止意外 装 有急停按钮 因为这些开关都安装在机床上 距控制箱较远 容易产生电气干扰 为了避免这种情况发生 在电路和接口之间实行光电隔离 为了报警还设有报警电路 当绿色的发光二极管亮时表示工作正常 当红色发 光二极管亮时 表示溜板箱已到极限位置 图 5 5 报警指示 5 6 自动回转刀架的控制 当需要自动回转刀架换刀时 由 8155 1 的 PC0 PC3 发生刀位信号 控制刀 架电机回转到达指定的刀位 刀架夹紧之后 发生换刀回答信号 8155 1 的 PB5 输入计算机 控制刀架开始进给 5 7 螺纹加工的控制 当加工螺纹时 由与主轴相连的光电脉冲发生器螺纹信号和零位螺纹信号分别 送入 8031 的 T0 和 8155 1 的 PB6 通过设置不同的时间常数来加工不同螺距的螺 纹 零位螺纹信号是防止螺纹乱扣 即每次开始进刀的位置必须相同 5 8 地址编码 存储器及 I O 地址编码 芯片 接 74LSB 8 引脚 地址选择线 片内 地址 单元 字 节 地址编码 2764 1 0Y000X XXXX XXXX XXXX 8k 0000H 1FFFH 2764 2 1001X XXXX XXXX XXXX 8k 2000H 3FFFH 6264 2Y010X XXXX XXXX XXXX 8k 4000H 5FFFH RA M 3 0111 1110 XXXX XXXX 256 7E00H 7EFFH8155 1 I O 3Y0111 1111 1111 1XXX 6 7FF8H 7FFDH RA M 4 1001 1110 XXXX XXXX 256 9E00H 9EFFH8155 2 I O 4Y1001 1111 1111 1XXX 6 9FF8H 9FFDH 6 软件设计 6 1 总体方案设计 软件设计采用模块化设计 主要包括主模块 子模块和定时中断模块 主模块 主要完成初始化和监控 初始化应包括 PIO CTC 的初始化 标志位 原键盘缓冲 区及显示缓冲区的初始化 监控主要包括键盘管理和显示管理 均可调用原监控程 序中键盘管理和显示管理子程序 功能子模块包括 X X Y Y 及 STOP 功能 子模块 并可调用原监控程序中的许多子程序 中断模块包括急停中断模块 报警 中断模块等 6 2 圆弧插补程序设计 插补原理 进给机构每进一步后 计算新坐标后的位置与加工曲线理想位置的 偏差 根据偏差的正负 确定下一步进给方向 以逼近理想位置 最后加工出所需 要的零件廓形 一个插补循环由四个节拍组成 即偏差判别 进给偏差计算和终点判别 圆弧插补子程序流程图见图 C 其子程序如下 ORG2200H PUSH AF PUSH BC PUSH HL LD A 2830H LD H A LD A 2832H LD L A LD A 2834H LD B A LP3 LD A E CP 00H JP M LP EX AF AF LD A 2820H SET 0 A RET 2 A LD 2820H A EX AF AF CALL 2600H 调环分子程序 SUB L F F Ya INC C X X 1 JP LP2 LP1 EX AF AF LD A 2820H SET 2 A RET 0 A LD 2820H A EX AF AF CALL 2600H 调环分子程序 ADD A H F F Xa INC D Y Y 1 LP2 LD E A CALL 2300H 延时子程序 HALT DJNE LP3 POP HL POP BC POP AF RET 7 半闭环反馈系统的设计 7 1 检测元件的正确选用及其功能与特点 本设计检测元件选用增量式光电编码器 安装在滚珠丝杠未端 光电编码器是码盘式角度 数字检测元件 所谓增量式编码器是指旋转的码盘 给出一系列脉冲 然后根据旋转方向由计数器对这些脉冲进行加减计数 以此来表 示转过的角位移量 光电增量编码器的原理 在圆盘上刻有节距相等的辐射状窄缝 与之相对应的还有两组检测窄缝 其节距与圆盘的节距相同 两组检测窄缝错开 1 4 节距 其目的是使 A B 两个光电转换器的输出信号在相位上相差 90 测量时 两组窄缝是静止不动的 圆盘与被测轴一起转动 这时在光电转换器 A 和 B 上就输 出一个相位差 90 的近似正弦波 经逻辑电路处理后用来识别被测轴的转动方向 其原理框图见 图 6 1a 当圆盘上正转时 光电输出波形如图 6 1b 中左边图形所示 a 比 b 滞后 90 经过逻辑电路处理后 输出脉冲信号 f 即为正转脉冲信号 同理 当圆盘反转时 输出反转脉冲信号 g 见图 6 1b 右边脉冲序列 把此正转和反转脉冲信号分别输 入到双时钟可逆计数器的正反向计数端进行计数 则可行到被测轴的旋转角度 为 了得到绝对转角 应在起始位置时 对可逆计数器清零 7 2 反馈系统设计 编码器输出信号经过方向判断电路处理后 得到反映转轴正转和反转的两个脉 冲序列 它们分别接至十进制可逆计数器 74LS193 的加减计数输入端 计数器的输 出经三态缓冲器 74LS244 与微机的数据总线相连接 微机可以通过选通地址 Y6 经输 入接口读入测量值 锁存器 74LS273 对微机来说是一个数字量接口 它的作用是对 计数器设定预置数 预置数设定分两步 第一步选通 Y5 先把预置数存入锁存器 74LS273 第二步选通 Y7 再把预置数送入可逆计数器 74LS192 反馈信号接至 8155 2 在实际使用中 当编码器在起始位置时 通过清零端 使计数器清零 这样 计数器所计的值将正好反映了转轴转过的角度 整 形整 形 反 相 微 分微 分 整 形整 形来 自 编 码 器 正 转 脉 冲反 转 脉 冲 图 6 1 a 图 6 2 b 8 课程设计体会 通过课程设计 使自己对各门课程进一步加深了理解 对于各方面知识之间的 相互联系有了实际的体会 同时也深深感到自己初步掌握的知识与实际需要还有相 当距离 在今后工作中需进一步学习和实践 参考文献 1 尹志强等编著 机电一体化系统课程设计指导书 北京 机械工业出版社 2007 5 2 曾琳琳 曾巧媛编著 单片机原理及接口技术 长沙 国防科技大学出版社 2000 7 3 曾励主编 机电一体化系统设计 北京 高等教育出版社 2004 4 4 张建民等编著 机电一体化系统设计 第二版 北京 高等教育出版社 2001 8 5 濮良贵 纪名刚主著 机械设计 第八版 北京 高等教育出版社 2006 5