CA6140型車床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造設(shè)計(jì)（橫向）

CA6140型車床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造設(shè)計(jì)（橫向）,ca6140,車床,經(jīng)濟(jì)型,數(shù)控,改造,設(shè)計(jì),橫向 英文摘要 Overseas carries on the control processing using the digital computeris starts from the 40's. In 1952 the American Massachusetts Instituteof Technology has installed a set of experiments numerical controlssystem on a vertical milling machine, successfully realizessimultaneously controls the three axle the movement, it has become inthe world the first numerical control engine bed. Hereafter, startsfrom the 60's, other some industrial nation like Germany, Japan and soon develop one after another produces and uses the numerical controlengine bed. In 1974 the microprocessor directly used in the numericalcontrol engine bed, further promoted the numerical control engine bedpopularization application and vigorously develops. More and moreconsummates along with the numerical control engine bed function, thereliability and the performance are more and more high, it graduallytook on the more and more important role in the manufacturingindustry. Our country numerical control engine bed development was starts from1958, has experienced several dozens years development, after untilthe 80's have introduced country numerical control servo and theservosystem technology and so on the Japan, US, Spain, our countrynumerical control technology only then had the quantitive leap,gradually unfolded using the surface, the numerical control technologyindustry only then gradually formed the scale. As a result of the modern industry rapid development, the marketdemand changes more and more diverse, the multi- varieties, center thesmall batch even piecework holds the quite great proportion, theordinary engine bed has more and more not been able to satisfy modernprocessing craft and the enhancement labor productivity request. Ifthe equipment completely renews the replace, not only fund investmenttoo big, the cost too is high, moreover the original equipment willleave unused creates the enormous waste. Now science and technologydevelopment very quick, specially the micro electron technology andthe computer technology development is quicker, applies on thenumerical control system, it both can enhance the engine bed theautomaticity, and can increase the processing precision, therefore themost economical means are carry on the ordinary engine bed thenumerical control transformation. Like this already may enhance theprocessing productivity, the improvement processing craft, but alsomay reduce the fund investment, reduces worker's labor intensity,reduces orders the new numerical control engine bed the deliveryperiod. The practice already the certificate conventional latheeconomy numerical control transformation had the significant actualvalue, for this, old was having the lathe to progress the goodnumerical control transformation to have the better market prospect. 關(guān)鍵詞：Economy numerical control lathe, digital computer, crosswisetransformation 中文摘要 國(guó)外利用數(shù)字計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制加工是從40年代開始的。1952年美國(guó)麻省理工學(xué)院在一臺(tái)立式銑床上裝了一套試驗(yàn)性的數(shù)控系統(tǒng)，成功地實(shí)現(xiàn)同時(shí)控制三軸的運(yùn)動(dòng)，它成了世界上第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床。此后，從60年代開始，其他一些工業(yè)國(guó)家如德國(guó)、日本等陸續(xù)地開發(fā)生產(chǎn)及使用數(shù)控機(jī)床。1974年微處理機(jī)直接用于數(shù)控機(jī)床，進(jìn)一步促進(jìn)了數(shù)控機(jī)床的普及應(yīng)用和大力發(fā)展。隨著數(shù)控機(jī)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(dān)當(dāng)了越來越重要的角色。 我國(guó)數(shù)控機(jī)床的研制是從1958年開始的，經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展，直至80年代后引進(jìn)了日本、美國(guó)、西班牙等國(guó)數(shù)控伺服及伺服系統(tǒng)技術(shù)后，我國(guó)的數(shù)控技術(shù)才有質(zhì)的飛躍，應(yīng)用面逐漸鋪開，數(shù)控技術(shù)產(chǎn)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(chǎng)需求變的越來越多樣化，多品種、中小批量甚至單件生產(chǎn)占有相當(dāng)大的比重，普通機(jī)床已越來越不能滿足現(xiàn)代加工工藝及提高勞動(dòng)生產(chǎn)率的要求。如果設(shè)備全部更新替換，不僅資金投入太大，成本太高，而且原有設(shè)備的閑置又將造成極大的浪費(fèi)。如今科學(xué)技術(shù)發(fā)展很快，特別是微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展更快，應(yīng)用到數(shù)控系統(tǒng)上，它既能提高機(jī)床的自動(dòng)化程度，又能提高加工精度，所以最經(jīng)濟(jì)的辦法就是進(jìn)行普通機(jī)床的數(shù)控改造。這樣既可以提高加工生產(chǎn)率，改善加工工藝，還可以減少資金投入，減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，縮短訂購(gòu)新的數(shù)控機(jī)床的交貨周期時(shí)間。實(shí)踐已經(jīng)證明普通車床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造具有重大的實(shí)際價(jià)值，為此，在舊有車床上進(jìn)行數(shù)控改造有著較好的市場(chǎng)前景。 關(guān)鍵詞：經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床,數(shù)字計(jì)算機(jī),橫向改造 I 摘 要 針對(duì)現(xiàn)有常規(guī) CA6140 普遍車床的缺點(diǎn)提出數(shù)控改裝方案和單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高加 工精度和擴(kuò)大機(jī)床使用范圍，并提高生產(chǎn)率。本論文說明了普通車床的數(shù)控化改造的設(shè)計(jì) 過程，較詳盡地介紹了 CA6140 機(jī)械改造部分的設(shè)計(jì)及數(shù)控系統(tǒng)部分的設(shè)計(jì)。采用以 8031 為 CPU 的控制系統(tǒng)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，由 I/O 接口輸出步進(jìn)脈沖，經(jīng)一級(jí)齒輪傳動(dòng)減速后， 帶動(dòng)滾動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)縱向、橫向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。 改造過程如下：（1）機(jī)械部分的改造，包括縱向進(jìn)給方向的改造和橫向進(jìn)給方向的 改造。主要包括對(duì)滾珠絲杠螺母副及反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算選擇及縱向、橫向機(jī)構(gòu)裝配圖 方案的制定。 （2）電氣控制部分的設(shè)計(jì)，主要包括 MCS-51 系列單片機(jī)及擴(kuò)展芯片的選用 和電氣控制圖的設(shè)計(jì)。 關(guān)鍵詞：數(shù)控，單片機(jī)，步進(jìn)電機(jī)，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(shè)計(jì) .................................................................................. 2 2.1 機(jī)械部分改造 ................................................................................................. 2 2.2 數(shù)控系統(tǒng)部分設(shè)計(jì) ......................................................................................... 2 第三章 機(jī)械部分改造設(shè)計(jì) ........................................................................... 4 3.1 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算 ......................................................................... 4 3.1.1 橫 向 進(jìn) 給 系 統(tǒng) 的 設(shè) 計(jì) ................................................................ 4 3.1.2 橫 向 進(jìn) 給 系 統(tǒng) 的 設(shè) 計(jì) 計(jì) 算 ......................................................... 4 3.1.3 步 進(jìn) 電 機(jī) 的 選 擇 ........................................................................ 7 3.2 數(shù)控車床的傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì) ............................................................................. 7 3.2.1 螺 旋 傳 動(dòng) ................................................................................... 7 3.2.2 軸 的 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì) ........................................................................... 9 3.2.3 透 蓋 的 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì) ........................................................................ 10 3.2.4 螺 母 座 的 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì) .................................................................... 10 3.3 自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架的設(shè)計(jì) ..................................................................................... 11 第四章 微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) ........................................................................... 13 4.1 概述 ................................................................................................................. 13 4.2 數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì) ............................................................................. 13 4.2.1 微 機(jī) 機(jī) 型 和 擴(kuò) 展 存 儲(chǔ) 器 的 選 擇 ................................................. 14 4.2.2 確 定 I/O 接 口 ............................................................................ 15 4.2.3 鍵 盤 接 口 設(shè) 計(jì) ........................................................................... 16 4.2.4 顯 示 電 路 設(shè) 計(jì) ........................................................................... 17 4.3 軟件設(shè)計(jì) ......................................................................................................... 18 4.3.1 插 補(bǔ) 原 理 及 其 程 序 設(shè) 計(jì) ............................................................ 19 ABSTRACT V 4.3.2 步 進(jìn) 電 機(jī) 的 控 制 及 其 程 序 設(shè) 計(jì) ................................................. 21 4.3.3 間 隙 補(bǔ) 償 功 能 ........................................................................... 29 4.3.4 鍵 盤 的 診 斷 ............................................................................... 30 4.3.5 自 動(dòng) 換 刀 程 序 設(shè) 計(jì) .................................................................... 31 結(jié)論 ............................................................................................................. 33 參考文獻(xiàn) ...................................................................................................... 34 ABSTRACT 1 1 前言 國(guó)外利用數(shù)字計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制加工是從 40 年代開始的。1952 年美國(guó)麻省理工 學(xué)院在一臺(tái)立式銑床上裝了一套試驗(yàn)性的數(shù)控系統(tǒng)，成功地實(shí)現(xiàn)同時(shí)控制三軸的運(yùn) 動(dòng)，它成了世界上第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床。此后，從 60 年代開始，其他一些工業(yè)國(guó)家如 德國(guó)、日本等陸續(xù)地開發(fā)生產(chǎn)及使用數(shù)控機(jī)床。1974 年微處理機(jī)直接用于數(shù)控機(jī) 床，進(jìn)一步促進(jìn)了數(shù)控機(jī)床的普及應(yīng)用和大力發(fā)展。隨著數(shù)控機(jī)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(dān)當(dāng)了越來越重要的角色。 我國(guó)數(shù)控機(jī)床的研制是從 1958 年開始的，經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展，直至 80 年代 后引進(jìn)了日本、美國(guó)、西班牙等國(guó)數(shù)控伺服及伺服系統(tǒng)技術(shù)后，我國(guó)的數(shù)控技術(shù)才 有質(zhì)的飛躍，應(yīng)用面逐漸鋪開，數(shù)控技術(shù)產(chǎn)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(chǎng)需求變的越來越多樣化，多品種、中小批量甚 至單件生產(chǎn)占有相當(dāng)大的比重，普通機(jī)床已越來越不能滿足現(xiàn)代加工工藝及提高勞 動(dòng)生產(chǎn)率的要求。如果設(shè)備全部更新替換，不僅資金投入太大，成本太高，而且原 有設(shè)備的閑置又將造成極大的浪費(fèi)。如今科學(xué)技術(shù)發(fā)展很快，特別是微電子技術(shù)和 計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展更快，應(yīng)用到數(shù)控系統(tǒng)上，它既能提高機(jī)床的自動(dòng)化程度，又能 提高加工精度，所以最經(jīng)濟(jì)的辦法就是進(jìn)行普通機(jī)床的數(shù)控改造。這樣既可以提高 加工生產(chǎn)率，改善加工工藝，還可以減少資金投入，減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，縮短訂 購(gòu)新的數(shù)控機(jī)床的交貨周期時(shí)間。實(shí)踐已經(jīng)證明普通車床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造具有重 大的實(shí)際價(jià)值，為此，在舊有車床上進(jìn)行數(shù)控改造有著較好的市場(chǎng)前景。 本課題來源于生產(chǎn)實(shí)踐。將 CA6140 型普通車床改造成經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床，應(yīng)能 實(shí) 現(xiàn) CA6140 車床原有功能，在機(jī)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(gè)設(shè)計(jì)過程中滿足以下幾點(diǎn)要求： a．橫向（X 向） 進(jìn)給脈沖當(dāng)量為 0.005mm /脈沖； b．進(jìn)給速度范圍：向 3 ～ 1000mm/min （無級(jí)調(diào)速） 快進(jìn)速度：X 向 1000 ～ 3000mm/min 內(nèi)任意設(shè)定； c.原車床的主傳動(dòng)系統(tǒng)予以保留，橫向進(jìn)給系統(tǒng)由微機(jī)實(shí)現(xiàn)開環(huán)控制，兩軸聯(lián) 動(dòng)； d.刀架采用自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架，具有切削螺紋的功能； e.改造方便，成本低。 該設(shè)計(jì)的總體思路是采用以 8031 單片機(jī)為核心的數(shù)控裝置控制加工過程。微 機(jī)通過 I/O 接口發(fā)出驅(qū)動(dòng)脈沖，經(jīng)過光電隔離進(jìn)入步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制線路，驅(qū)動(dòng) 控制線路接受來自數(shù)控車床控制系統(tǒng)的進(jìn)給脈沖信號(hào)，并將該信號(hào)轉(zhuǎn)換為控制步進(jìn) 電機(jī)各定子繞組依次通電、斷電的信號(hào)，使步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子帶動(dòng)滾 CA6140 型車床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造設(shè)計(jì)(橫向) 2 珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使工作臺(tái)產(chǎn)生移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)縱向、橫向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。由于步進(jìn)電機(jī) 需要的驅(qū)動(dòng)電壓較高，電流較大，如果將 I/O 輸出信號(hào)直接與功率放大器相連，將 會(huì)引起強(qiáng)電干擾，輕則影響單片機(jī)程序運(yùn)行，重則導(dǎo)致單片機(jī)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(shí)現(xiàn)電氣隔離。 2 總體方案設(shè)計(jì) 由于該設(shè)計(jì)是經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造，在考慮具體方案時(shí)，應(yīng)遵守的基本原則是在滿 足使用要求的前提下，對(duì)機(jī)床的改動(dòng)盡可能少，以降低成本。 2.1 機(jī)械部分改造 橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的改造：拆掉原手動(dòng)刀架和小拖板，安裝上數(shù)控刀架；拆掉普通 絲桿、光桿進(jìn)給箱和溜板箱，換上滾珠絲杠螺母副；保留原手動(dòng)機(jī)構(gòu)，用于調(diào)整操 作，原有的支撐結(jié)構(gòu)也保留，采用一級(jí)齒輪減速，步進(jìn)電機(jī)、齒輪箱體安裝在中拖 板的后側(cè)。 2.2 數(shù)控系統(tǒng)部分設(shè)計(jì) 數(shù)控系統(tǒng)按運(yùn)動(dòng)方式分為點(diǎn)位控制系統(tǒng)、點(diǎn)位直線控制系統(tǒng)、連續(xù)(輪廓)控制 系統(tǒng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，CA6140 車床要加工復(fù)雜零件輪廓，其各坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)有著確定 的函數(shù)關(guān)系。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)采用連續(xù)控制系統(tǒng)。 采用以步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的開環(huán)控制。因?yàn)殚_環(huán)控制具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)制造容易、 控制精度較好、容易調(diào)試、價(jià)格便宜、使用維修方便等優(yōu)點(diǎn)。開環(huán)控制多用于負(fù)載 變化不大或要求不高的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控設(shè)備中。 采用簡(jiǎn)易數(shù)控裝置，以步進(jìn)電機(jī)為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)在微機(jī)控制下的自動(dòng)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(jī)，微機(jī)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(zhuǎn)化成一定頻率和數(shù)量的脈沖信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路放 大后驅(qū)動(dòng)縱橫向二臺(tái)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過機(jī)械接口傳動(dòng)絲杠實(shí)現(xiàn)刀架縱、橫兩個(gè)方 向的頻率。自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架由單片機(jī)發(fā)出換刀轉(zhuǎn)位指令，由自動(dòng)刀架驅(qū)動(dòng)電源驅(qū)動(dòng)三 相電機(jī)使刀架松開、抬起、旋轉(zhuǎn)后再自動(dòng)鎖緊而完成轉(zhuǎn)位換刀過程。 該經(jīng)濟(jì)型微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件。微機(jī)通過 I/O 接口發(fā)出驅(qū) 動(dòng)脈沖，經(jīng)過光電隔離進(jìn)入步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制線路，驅(qū)動(dòng)控制線路接受來自數(shù)控 車床控制系統(tǒng)的進(jìn)給脈沖信號(hào)，并將該信號(hào)轉(zhuǎn)換為控制步進(jìn)電機(jī)各定子繞組依次通 電、斷電的信號(hào)，使步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子帶動(dòng)滾珠絲杠傳動(dòng)，絲杠轉(zhuǎn)動(dòng) 使工作臺(tái)產(chǎn)生移動(dòng)。 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(shè)計(jì)改造的總體方案為：采用 MCS-51 單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處 理，由 I/O 接口輸出步進(jìn)脈沖，步進(jìn)電機(jī)經(jīng)一級(jí)齒輪減速后，帶動(dòng)滾動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)， 從而實(shí)現(xiàn)縱向、橫向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。數(shù)控改造后的車床不僅提高了原車床的精度和自 動(dòng)化程度，達(dá)到快速調(diào)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(zhǔn)確地加工任意面的旋轉(zhuǎn)體。 光 電 隔 離 微 機(jī) 功 率 放 大 步進(jìn) 電 機(jī) 橫向工作臺(tái) x x CA6140 型車床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造設(shè)計(jì)(橫向) 4 3 機(jī)械部分改造設(shè)計(jì) 3.1 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算 3.1.1 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 步進(jìn)電機(jī)經(jīng)減速后驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠，使刀架橫向運(yùn)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)安裝在大拖板上， 用法蘭盤將步進(jìn)電機(jī)和機(jī)床大拖板連接起來，以保證同軸度，提高傳動(dòng)精度。 3.1.2 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 已知條件： 工作臺(tái)重（根據(jù)圖紙粗略計(jì)算） W=30kgf=300N 時(shí)間常數(shù) T=25ms 滾珠絲杠基本導(dǎo)程 L=4mm 左旋 行程 S=230mm 脈沖當(dāng)量 =0.005mm/stepp? 步距角 =0.75 °/step? 快速進(jìn)給速度 νmax=1mm/min A.切削力計(jì)算 查參考文獻(xiàn)[1]可得知，橫向進(jìn)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(shí)： F =0.5F =0.50×76.38=38.19kgf=381.9N （3-zz 2） B.滾珠絲杠設(shè)計(jì)計(jì)算 a.強(qiáng)度計(jì)算 對(duì)于燕尾型導(dǎo)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(dòng)負(fù)載 Q= = ×1.2×1×74.74=213.55kgf=2135.5N （3-iL35. 6） 根據(jù)最大動(dòng)負(fù)荷 Q 的值，可選擇滾珠絲杠的型號(hào)。查參考文獻(xiàn)[2]可知，選用 型號(hào)為 WL2004-2.5X1B 左，其額定動(dòng)負(fù)荷為 6100N，所以強(qiáng)度足夠用。 b.效率計(jì)算 螺旋升角 γ=3°39′，摩擦角 ψ=10′ 則傳動(dòng)效率 η= = =0.956 （3-)(???tg)1038(???t g 7） c.剛度驗(yàn)算 滾珠絲杠受工作負(fù)載 P 引起的導(dǎo)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(dǎo)程變化量 ΔL 2很小，可忽略，即：ΔL=ΔL 。所以，1 導(dǎo)程變形總誤差為 Δ= ΔL= ×5.96×10-6=14.9μm/m （3-oL104. 9） 查表知 E 級(jí)精度絲杠允許的螺距誤差 1m 長(zhǎng)為 15μm/m，故剛度足夠。 d.穩(wěn)定性驗(yàn)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(qiáng)，故不用驗(yàn)算。 C.齒輪及轉(zhuǎn)矩有關(guān)計(jì)算 a.有關(guān)齒輪計(jì)算 傳動(dòng)比 i= = （3-poL??36067.130.47?? CA6140 型車床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造設(shè)計(jì)(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(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算 工作臺(tái)質(zhì)量折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 JI=（ ） 2W=（ ） 2×30×0.01=0.0439kgf cm2（3-???p18075.01438?· 11） 絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 JS=7.8×10-4×24×50=0.624kgf cm2 （3-· 12） 齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)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(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小可忽略，因此，總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J= ????0439.26.0.624.531122 ???????????IZSJJi =1.258kgf cm2 （3-· 15） c．所需轉(zhuǎn)動(dòng)力矩計(jì)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(dòng)所需轉(zhuǎn)矩 （3-cckgfMofa ·3.26·63.21.0287.3mx ?????? 23） 切削時(shí)所需力矩： cm·N04.2c·kgf40.28.16.0287.14.0tofat ??????? （3- 24） 快速進(jìn)給時(shí)所需力矩： （3-cmNckgfMof ·03.4·403.16.287.0???? 25） 從以上計(jì)算可知：最大轉(zhuǎn)矩發(fā)生在快速啟動(dòng)時(shí)， =2.633kgf cm=26.33N cmaxM· 3.1.3 步進(jìn)電機(jī)的選擇 C6140 橫向進(jìn)給系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)的確定 （3-cmNMLoq ·285.64.0132.??? 26） 電動(dòng)機(jī)選用三相六拍工作方式，查參考文獻(xiàn)[1]表 7-2 知： （3-86.0?imq CA6140 型車床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造設(shè)計(jì)(橫向) 8 27） 所以，步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩 為：imM （3-28）cmNqi ·01.768.256.0?? 步進(jìn)電機(jī)最高工作頻率 （3-Hzfp3.05.1maxa??? 29） 為了便于設(shè)計(jì)和計(jì)算，選用 110BF003 型三相六拍步進(jìn)電機(jī)，能滿足使用要求。 3.2 數(shù)控車床的傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì) 數(shù)控機(jī)床的傳動(dòng)裝置是指將電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)楣ぷ髋_(tái)的直線運(yùn)動(dòng)的整個(gè)機(jī) 械傳動(dòng)鏈及其附屬機(jī)構(gòu)。包括絲杠螺母副、導(dǎo)軌、工作臺(tái)等。在數(shù)控機(jī)床數(shù)字調(diào)節(jié) 技術(shù)領(lǐng)域，傳動(dòng)裝置是伺服系統(tǒng)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。因此，數(shù)控車床的傳動(dòng)裝置與 普通車床中傳動(dòng)裝置在概念上有重要差別，它的設(shè)計(jì)與普通車床傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)不 同。數(shù)控車床傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)要求除了具有較高的定位精度之外，還應(yīng)具有良好的 動(dòng)態(tài)特性，即系統(tǒng)跟蹤指令信號(hào)的響應(yīng)要快，穩(wěn)定性要好。為確保數(shù)控車床進(jìn)給系 統(tǒng)的傳動(dòng)精度和工作穩(wěn)定性，在設(shè)計(jì)機(jī)械傳動(dòng)裝置時(shí)，通常提出了無間隙、低摩擦、 高剛度等要求。為了達(dá)到這些要求，采取主要措施如下： a．盡量采用低摩擦的傳動(dòng)，以減少摩擦力； b．鏈以及用預(yù)緊的辦法提高傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度； c．量消除傳動(dòng)間隙，減少反向死區(qū)誤差。 3.2.1 螺旋傳動(dòng) A．概述 螺旋傳動(dòng)主要用來把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，或把直線運(yùn)動(dòng)變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。其 中，有以傳遞能量為主的傳力螺旋，有以傳遞運(yùn)動(dòng)為主，并要求有較高傳動(dòng)精度的 傳動(dòng)螺旋，還有調(diào)整零件相互位置的調(diào)整螺旋。螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)又有滑動(dòng)絲杠螺母、 滾珠絲杠螺母和液壓絲杠螺母機(jī)構(gòu)。 在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床的進(jìn)給系統(tǒng)中，螺旋傳動(dòng)主要用來實(shí)現(xiàn)精密進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，并廣 泛采用滾珠絲杠副傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。 滾珠絲杠副傳動(dòng)是在具有螺旋滾道的絲杠和螺母間放入適當(dāng)數(shù)量的滾珠。這些 滾珠作為中間傳動(dòng)件，使螺桿和螺母之間的摩擦由滑動(dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng)摩擦的一種傳 動(dòng)裝置。它由絲杠、螺母、滾珠及滾珠循環(huán)返回裝置等四個(gè)部分組成。當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)動(dòng) 螺母移動(dòng)時(shí)，滾珠則沿螺桿螺旋滾道面滾動(dòng)，在螺桿上滾動(dòng)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(jìn)入滾道，從而構(gòu)成閉和回路。 B．滾珠絲杠副傳動(dòng)的特點(diǎn) ABSTRACT 9 a．傳動(dòng)效率高，摩擦損失小。 b．給予適當(dāng)預(yù)緊，可消除絲杠和螺母的螺紋間隙，反向時(shí)就可以消除空程死區(qū)， 定位精度高，剛度好。 c．啟動(dòng)力矩小，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，無爬行現(xiàn)象，傳動(dòng)精度高，同步性好。 d．有可逆性，可以從旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)，也可以從直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn) 運(yùn)動(dòng)，即絲杠和螺母都可以作為主動(dòng)件。 e．磨損小，使用壽命長(zhǎng)，精度保持性好。 f．制造工藝復(fù)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(duì)于垂直絲杠，由于中立的作用，下降時(shí)當(dāng)傳動(dòng)切斷后， 不能立刻停止運(yùn)動(dòng)，所以需要添加制動(dòng)裝置。 C．滾珠絲杠副的支承方式 為了滿足高精度、高剛度進(jìn)給系統(tǒng)的需要，必須充分重視滾珠絲杠副支承的設(shè) 計(jì)。 a．一端固定 一端自由 a) 絲杠的靜態(tài)穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性都很低。 b) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 b) 軸向剛度小 c) 適用于對(duì)剛度和位移精度要求不高的滾珠絲杠安裝 d) 對(duì)絲杠的熱伸長(zhǎng)較敏感 e) 適用于中等回轉(zhuǎn)速度 c．一端固定 一端鉸支 a) 絲杠的靜態(tài)穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性都較高，適用于中等回轉(zhuǎn)速度 b) 結(jié)構(gòu)稍復(fù)雜 c) 軸向剛度大 d) 適用于對(duì)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(yīng)安置在離熱源（步進(jìn)電機(jī)）較遠(yuǎn)的一端 d．兩端固定 a) 絲杠的靜態(tài)穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性最高，適用于高速回轉(zhuǎn) b) 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，兩端軸承均調(diào)整預(yù)緊，絲杠的溫度變形可轉(zhuǎn)化為推力軸承的預(yù)緊 力 c) 軸向剛度最大 d) 適用于對(duì)剛度和位移精度要求高的滾珠絲杠安裝 CA6140 型車床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造設(shè)計(jì)(橫向) 10 e) 適用于較長(zhǎng)的絲杠安裝 綜上所述，本設(shè)計(jì)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(diào)整 滾珠絲杠的傳動(dòng)間隙是軸向間隙。為了保證反向傳動(dòng)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(jié)構(gòu)，利用兩個(gè)螺母的相對(duì)軸向位移，使 兩個(gè)滾珠螺母中的滾珠分別貼緊在螺旋滾道的兩個(gè)相反的側(cè)面上。用這種方法預(yù)緊 消除軸向間隙時(shí)，應(yīng)注意預(yù)緊力不宜過大，預(yù)緊力大會(huì)使空載力矩增加，從而降低 傳動(dòng)效率，縮短使用壽命。此外，還要消除絲杠安裝部分和驅(qū)動(dòng)部分的間隙。 3.2.2 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) A．軸 CAJJX6140-02-04 的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 由前面滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)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(zhǎng)度根 據(jù)原車床實(shí)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 考慮與軸承內(nèi)經(jīng)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(duì)較長(zhǎng)，因此在設(shè)計(jì)時(shí)為了方便安裝，降低裝配難度，將軸 身部分增加一個(gè)軸肩，直徑適當(dāng)減小，使其有一過渡，軸身直徑為 15mm。因?yàn)樵撦S 的右端還需安裝一個(gè)透蓋，用雙螺母對(duì)其緊固。軸與透蓋用一鍵使其周向固定。查 參考文獻(xiàn)[3]可知，根據(jù)軸的直徑選用型號(hào)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 透蓋的內(nèi)徑和長(zhǎng)度由與之配合的軸 CAJJX6140-02-08 的直徑和長(zhǎng)度決定，所以 透蓋的直徑為 16mm,長(zhǎng) 33mm。因?yàn)檫x用型號(hào)為 GB/T1098-1979 的鍵，查參考文獻(xiàn)[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?jīng)Q定， 為 96mm。 圖 3-3 透蓋 CAJJX6140-02-01 3.2.4 螺母座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 螺母座的長(zhǎng)度根據(jù)滾珠螺母的長(zhǎng)度而定。螺母座與滾珠螺母通過鍵進(jìn)行軸向固 定，查參考文獻(xiàn)[4]可知，該鍵型號(hào)選用 GB/T1096-1979，4×4×30。滾珠絲杠副通 過螺母座帶動(dòng)工作臺(tái)移動(dòng)，因此螺母座通過螺釘與工作臺(tái)聯(lián)接。查參考文獻(xiàn)[4]可 知，螺釘型號(hào)選用 GB/T70-1985。 CA6140 型車床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造設(shè)計(jì)(橫向) 12 圖 3-4 螺母座 CAJJX6140-02-07 3.3 自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架的設(shè)計(jì) 自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架的設(shè)計(jì)是普通機(jī)床數(shù)控改造機(jī)械方面的關(guān)鍵。在進(jìn)行普通車床的 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造時(shí)，多采用外購(gòu)自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架。由微機(jī)控制的自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架具有重 復(fù)定位精度高,工件剛性好,性能可靠,使用壽命長(zhǎng)以及工藝性好等特點(diǎn)。 自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架設(shè)計(jì)時(shí),刀架要能自動(dòng)完成抬起、回轉(zhuǎn)、選位、下降、定位和壓 緊,即要設(shè)計(jì)出合理的機(jī)構(gòu)又要檢測(cè)出個(gè)順序動(dòng)作的電信號(hào),以便由控制系統(tǒng)加以控 制。 刀架的回轉(zhuǎn)常采用微電機(jī)通過蝸輪蝸桿使刀架抬到一定高度時(shí),由撥塊帶動(dòng)刀 架轉(zhuǎn)動(dòng)。刀架的選位由刀架位置的編碼和微機(jī)程序來實(shí)現(xiàn)。 這里選用的是 LD4-1 型自動(dòng)刀架，其工作原理是由微機(jī)發(fā)出換刀信號(hào),使微電 機(jī)正轉(zhuǎn),通過減速機(jī)構(gòu)和升降機(jī)構(gòu)將上刀體升至一定位置時(shí),離合轉(zhuǎn)盤起作用,帶動(dòng) 上刀體旋轉(zhuǎn),旋轉(zhuǎn)到所選刀位,發(fā)信盤發(fā)出刀位信號(hào),使微電機(jī)反轉(zhuǎn),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(dāng)夾緊力達(dá)到預(yù)先調(diào)好的狀態(tài)時(shí)，過流繼電器動(dòng)作，切斷電源，電機(jī)停轉(zhuǎn)，并向微 ABSTRACT 13 機(jī)發(fā)出回答信號(hào)，開始執(zhí)行下道工序。刀架的動(dòng)作順序簡(jiǎn)明地表示為：微電機(jī)—— 減速機(jī)構(gòu)——升降機(jī)構(gòu)——上刀體上升轉(zhuǎn)位——信號(hào)符合——粗定位機(jī)構(gòu)——上刀 體下降——精定位——刀體鎖緊——微電機(jī)停轉(zhuǎn)——換刀回答信號(hào)——加工順序執(zhí) 行。 4 微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) CA6140 型車床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造設(shè)計(jì)(橫向) 14 4.1 概述 數(shù)控機(jī)械的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)一般用步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行驅(qū)動(dòng)元件，因此又稱為開換 步進(jìn)控制系統(tǒng)。由于這種系統(tǒng)不使用位置、速度檢測(cè)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用維護(hù)方便、可靠性高、制造成本低等 一系列優(yōu)點(diǎn)，適用于精度要求不太高的中小型數(shù)控設(shè)備。開環(huán)系統(tǒng)主要由脈沖分配 器、驅(qū)動(dòng)電源、步進(jìn)電機(jī)組成。 步進(jìn)電機(jī)是一種多相脈沖電機(jī)，它的各相繞組必須按一定的規(guī)律輪流供電，步 進(jìn)電機(jī)才能按一定的方向旋轉(zhuǎn)。為實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)各繞組間有規(guī)律輪流供電，可以采 用硬件邏輯來實(shí)現(xiàn)，也可以用計(jì)算機(jī)軟件來實(shí)現(xiàn)。 單片機(jī)通過運(yùn)算不斷地向步進(jìn)電機(jī)發(fā)出脈沖分配信號(hào)，這樣就使步進(jìn)電機(jī)朝一 個(gè)方向不斷轉(zhuǎn)動(dòng)。單片機(jī)發(fā)出的脈沖速度快，步進(jìn)電機(jī)也轉(zhuǎn)得快，單片機(jī)發(fā)出的脈 沖速度慢，步進(jìn)電機(jī)也轉(zhuǎn)得慢，這樣單片機(jī)就可以通過改變輸出脈沖的速度來改變 步進(jìn)電機(jī)的速度。單片機(jī)還可以通過改變脈沖分配的順序來改變電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。 再通過機(jī)械傳動(dòng)使電機(jī)的轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角變?yōu)楣ぷ髋_(tái)的進(jìn)退、移動(dòng)速度和位移量。 單片機(jī)就是這樣通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來控制工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)的。 由于單片機(jī)脈沖輸出的脈沖功率很小，不足以推動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，因而必須有一個(gè) 把脈沖信號(hào)放大到足以推動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的放大器，這就是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源。由 于步進(jìn)電機(jī)是一個(gè)電感性負(fù)載，電流的上升率受電感大小的影響而在高頻運(yùn)行時(shí)扭 矩將有較大的下降。所以在設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電源時(shí)必須采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣硖岣唠娏鞯纳仙?率以保證運(yùn)行時(shí)有足夠的扭矩。由此可見步進(jìn)電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源的性能好壞 將對(duì)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(jìn)電 機(jī) RAM ROM 外 設(shè) 鍵盤、顯示器 圖 4-1 數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 4.2 數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì) 任何一個(gè)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(chǔ)，其性 能的好壞直接影響整個(gè)系統(tǒng)的工作性能。有了硬件，軟件才能有效的運(yùn)行。機(jī)床數(shù) 控系統(tǒng)硬件電路概括起來由 CPU、總線、存儲(chǔ)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(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算處理和控制各部分電路協(xié)調(diào)工作。存 ABSTRACT 15 儲(chǔ)器用于存放系統(tǒng)軟件，應(yīng)用程序和運(yùn)行中所需要的各種數(shù)據(jù)。I/O 接口是系統(tǒng)與 外界進(jìn)行信息交換的橋梁?？偩€則是 CPU 與存儲(chǔ)器、接口以及其它轉(zhuǎn)換電路聯(lián)接 的紐帶，是 CPU 與部分電路進(jìn)行信息交換和通訊的必由之路。 4.2.1 微機(jī)機(jī)型和擴(kuò)展存儲(chǔ)器的選擇 確定微機(jī)機(jī)型就是選擇 CPU。單片機(jī)價(jià)格低、可靠性較高，適用于控制，選擇 單片機(jī)做控制器比較合適。 根據(jù)總體方案的確定，微機(jī)采用 MCS-51 系列單片機(jī)。51 系列有三種型號(hào)： 8031 是無 ROM 的 8051；8751 是用 EPROM 代替 ROM 的 8051。目前，工控機(jī)中 應(yīng)用最多的是 8031 單片機(jī)。本設(shè)計(jì)就采用 8031 單片機(jī)。 8031 單片機(jī)是美國(guó) Intel 公司的產(chǎn)品 MCS—51 系列單片機(jī)的一個(gè)型號(hào)，是目前 性能較高的 8 位單片微型計(jì)算機(jī)。8031 單片機(jī)內(nèi)部包含一個(gè) 8 位 CPU，128 字節(jié)的 RAM，兩個(gè) 16 位定時(shí)器，四個(gè)八位并行口，一個(gè)全功能串行口，可擴(kuò)展的外部程 序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的容量為 64K 字節(jié)，具有 5 個(gè)中斷源并配有兩個(gè)優(yōu)先級(jí)，還 有 21 個(gè)特殊功能寄存器。 所以 8031 單片機(jī)是一種理想的 8 位微型計(jì)算機(jī)，在各種數(shù)控系統(tǒng)中的到廣泛 的應(yīng)用。 8031 單片機(jī)是一個(gè)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(shí)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(chǔ)器擴(kuò)展時(shí)，作高 8 位地址線使用，系統(tǒng) 不需要擴(kuò)展時(shí)，也可以供用戶使用； P3 口：8 位雙向 I/O 口，是一個(gè)雙功能口。 ALE/PROG：訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，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(gè)定時(shí)信號(hào)，在與外部存儲(chǔ)器存取數(shù)據(jù)時(shí)把 P0 口的低位地址字 節(jié)鎖存到外接的鎖存器中。這個(gè)引腳也是 EPROM 編程時(shí)的編程脈沖輸入端 （PROG） 。 EA/VDD：EA 為高電平時(shí)，CPU 執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器的指令。EA 為低電平時(shí) CPU 執(zhí)行外部程序存儲(chǔ)器指令。使用 8031 單片機(jī)時(shí)，EA 必須接地。 8031 單片機(jī)內(nèi)只有 128 字節(jié)的 RAM，沒有 ROM。機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)需要的程序存 儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的容量都較大，必須外接程序存儲(chǔ)器（EPROM）和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 （RAM）芯片。 A．程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展 a．選用 27128 芯片 常用的 EPROM 存儲(chǔ)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(jī)所選的 12MHz 時(shí)鐘相匹配。 27128EPROM 芯片是一個(gè)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(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造設(shè)計(jì)(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(jī)規(guī)定 P0 口提供低 8 位地址線，同時(shí)又要作為數(shù)據(jù)線，所以 P0 是一個(gè)分 時(shí)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(chǔ) 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(shí)接 法稍有不同，由于接線稍繁，多用硬件和價(jià)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(jī)的地址鎖存信號(hào) ALE 連接。當(dāng)片選端 G=1 時(shí)，74LS373 的輸出 端與輸入端相通，當(dāng) G 端從高電平返回低電平（下降沿）時(shí)，輸入的地址信息就被 鎖入 Q1～Q8 中。 B．?dāng)?shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展 a．選用 62256 芯片 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器選用 32K×8 位的 62256 芯片，其地址范圍為 6000H～7FFFH，它的 22 腳當(dāng) CS 為高，自己也在高電平時(shí)，具有自動(dòng)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(jī)連接，單片機(jī)數(shù)據(jù)總線分時(shí)地與各個(gè)外部芯片進(jìn) 行數(shù)據(jù)傳送，故需進(jìn)行片選控制。若芯片內(nèi)有多個(gè)地址單元時(shí)，還要進(jìn)行片內(nèi)地址 選擇。8031 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的地址譯碼規(guī)定，外部擴(kuò)展芯片與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址， 所以外部芯片不僅占用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器一定數(shù)量的地址單元，而且要使用讀/寫信號(hào)與 讀/寫指令完成數(shù)據(jù)傳送。 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控硬件結(jié)構(gòu)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(nèi)地址，高位地址用譯碼器譯碼，譯碼器輸出的地址選擇信號(hào)作為片選線連至 每個(gè)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(jī)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(chǔ)器的內(nèi)地址線。74LS138 譯碼器每一個(gè)輸出 端可接一個(gè)外部芯片的片選端實(shí)現(xiàn)分時(shí)片選控制，因此，一個(gè) 74LS138 譯碼器的 8 根輸出端可以連接 8 個(gè) 8K 字節(jié)地址空間。單片機(jī)的讀/寫信號(hào)經(jīng)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(shí)譯碼器輸出端才會(huì)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(kuò)展。鍵盤需要 32 個(gè)鍵，采用矩 陣式鍵盤，需 12 個(gè) I/O 口；顯示器采用 6 個(gè) LED，需 6 個(gè) I/O 接口；兩個(gè)三相步進(jìn) 電機(jī)，采用軟件環(huán)行分配器，需 6 個(gè)；刀架需 4 個(gè)；緊急停需 1 個(gè)。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?yàn)?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(dòng)） 、雙鍵同時(shí)按下保護(hù)功能。顯示控 制亦按掃描方式工作，可以顯示 8 或 16 個(gè)數(shù)碼（字符） 。LED 的個(gè)數(shù)應(yīng)滿足顯示值 的要求和便于顯示。 8279 與單片機(jī) 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(jīng)反相器與 8031 的中斷 請(qǐng)求輸人線 INT1 相連；時(shí)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(gè)鍵，實(shí)際用了 32 個(gè)鍵。掃描線信號(hào)為 SL0～SL2，經(jīng) 74LS138 譯碼器輸出的 4 個(gè)列選信號(hào)，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(jīng)譯碼器、驅(qū)動(dòng)器提供，字段線由 OUTA0～OUTBA3、OUTB0～OUTB3 通過驅(qū)動(dòng)器提供。 8255A 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可分為四個(gè)部分： a.數(shù)據(jù)總線緩沖器 是一個(gè) 8 位的雙向三態(tài)驅(qū)動(dòng)器，用于與單片機(jī)的數(shù)據(jù)總線 相 連。 b.讀/寫控制邏輯 根據(jù)單片機(jī)的地址信息（A1、A0）與控制信息 （RD、WR、RE、 SET） ，控制片內(nèi)數(shù)據(jù)、CPU 控制字、外設(shè)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(duì) C 口甚至可按位實(shí)現(xiàn)“置位”或“復(fù)位” 。 d.并行 I/O 接口 有 A、B、C 三個(gè)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(gè) 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(hào)。 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(jī)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(hào)， 也自數(shù)據(jù)總線接受控制字。 4.2.3 鍵盤接口設(shè)計(jì) 首先判斷鍵盤上有無鍵閉合，先送 8255 的 PA 口一個(gè)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(shí)延時(shí) 10ms 去掉抖動(dòng)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(hào)。 如確定有鍵按下時(shí)，便開始計(jì)算鍵值。當(dāng)采用 8 行 4 列的鍵盤時(shí)，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(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造設(shè)計(jì)(橫向) 18 一行有鍵閉合，若第一行有鍵閉合，設(shè)置初值為 00H，若第二行有鍵閉合，則設(shè)置 初值為 04H，依次類推。接著對(duì)列線進(jìn)行掃描以判斷是哪一列閉合。方法上使 PA0 對(duì)應(yīng)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(jì)數(shù)為 00H，與初值相加則為鍵值，也即是鍵盤的鍵號(hào)，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(jì)算鍵值，最后可根 據(jù)鍵號(hào)跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的鍵功能程序的入口。 0→列掃描線 KEY 有鍵按下？ 延時(shí) 10ms 有鍵按下？ 計(jì)算行值 掃描各列鍵盤線 求出列值 計(jì)算鍵值 轉(zhuǎn)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(shè)計(jì) 數(shù)碼顯示器是單片機(jī)應(yīng)用產(chǎn)品中的廉價(jià)輸出設(shè)備。它由若干個(gè)發(fā)光二極管組成 的。當(dāng)發(fā)光二極管導(dǎo)通時(shí)，相應(yīng)的一個(gè)點(diǎn)或一個(gè)筆畫發(fā)亮?？刂撇煌M合的二極管 導(dǎo)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(jiǎn)單，使用方便。 ABSTRACT 19 動(dòng)態(tài)顯示是一位一位地輪流點(diǎn)亮各位顯示器（掃描） 。對(duì)于每一位顯示器來說， 每隔一段時(shí)間點(diǎn)亮一次。顯示器的亮度既與導(dǎo)通電流有關(guān)，也和點(diǎn)亮?xí)r間與間隔時(shí) 間的比例有關(guān)。調(diào)整電流和時(shí)間參數(shù)，可實(shí)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(gè) 8 位并行口（稱為掃描口） ?？?制各個(gè)顯示器所顯示的字形也需一個(gè)公用的 8 位口（稱為數(shù)據(jù)口） 。 在 8031RAM 中設(shè)置 6 個(gè)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(yīng)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(gè)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(duì)應(yīng) 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(shè)計(jì) 車床數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用工作中，軟件設(shè)計(jì)是一個(gè)重要方面。實(shí)際上，軟件設(shè) 計(jì)與硬件設(shè)計(jì)工作是不可分割的，二者必須結(jié)合進(jìn)行。軟件設(shè)計(jì)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(shí)質(zhì)性的功能；另一類是監(jiān)控（管理）軟 件，它是控制微機(jī)系統(tǒng)按預(yù)定的操作方式運(yùn)轉(zhuǎn)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(xí)慣上把鍵盤解釋程序作為監(jiān)控程序，其它任務(wù)都 分散在特定功能的執(zhí)行程序中，并由監(jiān)控程序來調(diào)用必要的功能模塊，完成預(yù)定的 任務(wù)。 在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)從全局著眼，先將整個(gè)系統(tǒng)的任務(wù)按功能分成一個(gè)一個(gè) 的模塊，并為每一個(gè)執(zhí)行模塊定義，然后設(shè)計(jì)出每一個(gè)具體模塊的程序，最后組成 一個(gè)系統(tǒng)。不僅整個(gè)系統(tǒng)的程序結(jié)構(gòu)可具有模塊化的特性，而且其模塊內(nèi)部也可以 分為小模塊。模塊特性對(duì)測(cè)試很有利，功能擴(kuò)充也很方便。要增加新功能，只要增 加新模塊就能實(shí)現(xiàn)，像搭積木一樣。因此，這樣的模塊程序設(shè)計(jì)方法，思路清晰， 邏輯性強(qiáng)，柔性較大。 CA6140 型車床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造設(shè)計(jì)(橫向) 20 數(shù)控系統(tǒng) 加工程序 管理與操作模塊 插 補(bǔ) 功 能 間 隙 補(bǔ) 償 步 進(jìn) 電 機(jī) 控 制 速 度 控 制 環(huán) 行 分 配 管理模塊 程序設(shè)計(jì) 自動(dòng)換刀 程序設(shè)計(jì) 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(bǔ)原理及其程序設(shè)計(jì) A．概述 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床是用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使刀具相對(duì)工件沿著指定的路徑 運(yùn)動(dòng)，切削零件的輪廓，并保證切削過程中的每一點(diǎn)的精度和表面粗糙度符合一定 的要求。每一方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是靠步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)拖板產(chǎn)生的，而步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)則 是靠數(shù)字脈沖來控制的。一個(gè)脈沖能使拖板產(chǎn)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(zhǎng)度，就可換算成步進(jìn)電機(jī)控 制脈沖總數(shù)，從而完成零件加工。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控技術(shù)中采用的插補(bǔ)運(yùn)算方法有多種多樣，常用的 方法有如下幾種： a．?dāng)?shù)字乘法器 b．逐點(diǎn)比較法 c．?dāng)?shù)字積分法 d．比