用微機數(shù)控系統(tǒng)改造CK6150車床的設(shè)計

1、1弓丨言32機床的數(shù)控化改造32. 1概述32. 2數(shù)控改造的必要性32. 3數(shù)控改造的優(yōu)點43設(shè)計任務(wù)與總體方案的確定43. 1設(shè)計任務(wù)432總體方案的確定44機械部分設(shè)計計算64. 1諧振頻率64. 2高剛度64. 3阻尼74. 4轉(zhuǎn)動慣量74. 5摩擦84. 6其它部件的設(shè)計85數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計95.1數(shù)控系統(tǒng)基本硬件組成95. 2單片機控制系統(tǒng)設(shè)計95.3光電隔離電路105.4功率放大電路115.5其它輔助電路125.6自動回轉(zhuǎn)刀架的控制125. 7螺紋加工的控制135. 8地址編碼136軟件設(shè)計136. 1總體方案設(shè)計136. 2圓弧插補程序設(shè)計147半閉環(huán)反饋系統(tǒng)的設(shè)計167.

2、 1檢測元件的正確選用及其功能與特點167.2反饋系統(tǒng)設(shè)計168課程設(shè)計體會17參考文獻(xiàn)17ck6150車床的設(shè)計西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，重慶4007161引言木設(shè)計是對ck6150普通車床進(jìn)行設(shè)計改造，進(jìn)給兩坐標(biāo)聯(lián)動，采用單片機的半 閉環(huán)控制系統(tǒng)。驅(qū)動元件為步進(jìn)電動機，傳動系統(tǒng)采用滾珠絲杠。這里，主要對原車 床進(jìn)行橫、縱向進(jìn)給機構(gòu)改造，位置檢測元件為光電編碼器，經(jīng)過改造后的系統(tǒng)能實 現(xiàn)直線插補和圓弧插補，從而犬犬提高了普通車床的工作效率。2機床的數(shù)控化改造2.1概述隨著社會生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，機械產(chǎn)品的性能和質(zhì)量不斷提高，產(chǎn)詁的 更新?lián)Q代也不斷加快，因此對機床不僅需要具有較高的精度和生產(chǎn)

3、率，而且應(yīng)能迅速 地適應(yīng)產(chǎn)品零件的變換。生產(chǎn)的需要促使了數(shù)控機床的產(chǎn)生。隨著電子技術(shù)，特別是 計算機技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控機床迅速地發(fā)展起來。改革開放二十年來，數(shù)控技術(shù)在企業(yè)屮不斷得到普及捉高。與此同時，普通機床的數(shù)控化改造也在進(jìn)行屮。22控改造的必要性數(shù)控機床可以較好地解決形狀復(fù)雜，精密，小批，多變零件的加工問題，能夠穩(wěn) 定加工質(zhì)量和提高生產(chǎn)效率。但是應(yīng)用數(shù)控還受到其它條件的限制。(1) 數(shù)控機床價格昂貴，一次性投資巨大，中小型企業(yè)常是心有余而力不足。(2) 口前各企業(yè)都有大量的普通機床，完全用數(shù)控機床替換根木不可能，而且替代下的機床閑置起來又會造成浪費。(3) 通用數(shù)控機床對具休生產(chǎn)有多余功能。

4、要較好地解決上述問題，應(yīng)走普通機床數(shù)控改造之路。從國外的經(jīng)驗來看，機床的數(shù)控改造必不可少，而且大有可為，尤其對一些中小企業(yè)更是如此。2. 3數(shù)控改造的優(yōu)點數(shù)控改造一般是指對普通機床某些部位做一定的改造，配上數(shù)控裝置，從而使機 床具有數(shù)控加工能力。數(shù)控改造有下列優(yōu)點：（1）易于對現(xiàn)有的機床實現(xiàn)自動化，而且專業(yè)性強，沒有多余功能。（2）減少輔助加工時間，提高機床的生產(chǎn)效率。（3）降低對工人技術(shù)等級的要求。（4）數(shù)控改造費用低，可充分利用原冇機床設(shè)備。（5）數(shù)控改造的周期短，可滿足生產(chǎn)急需。3設(shè)計任務(wù)與總體方案的確定3.1設(shè)計任務(wù)木設(shè)計任務(wù)是對ck6150普通車床進(jìn)行數(shù)控改造。利用單片機對縱、橫系統(tǒng)

5、進(jìn)行 半閉環(huán)控制，進(jìn)給兩坐標(biāo)聯(lián)動?？v向脈沖當(dāng)量為0.01mm/脈沖，橫向脈沖當(dāng)量為0.005 mm/脈沖。驅(qū)動元件采用步進(jìn)電動機。傳動系統(tǒng)采用滾珠絲杠。車床配冇自動回轉(zhuǎn)刀 架（4位），具有切削螺紋的功能，并且系統(tǒng)能實現(xiàn)直線插補和圓弧插補。3. 2總體方案的確定查看了有關(guān)資料，并口參照數(shù)控車床的改造經(jīng)驗，確定總體方案為：采用微機對 數(shù)據(jù)進(jìn)行計算處理，由i/o接口輸出步進(jìn)脈沖，經(jīng)二級齒輪減速后，帶動滾珠絲桿傳 動，從而實現(xiàn)縱向、橫向的進(jìn)給運動。其總體改造方案的結(jié)構(gòu)框圖見圖a。系統(tǒng)的運動方式和伺服系統(tǒng)的選擇由于改造后的經(jīng)濟型數(shù)控車床應(yīng)具有定位，直線插補（圓弧插補）。暫停，循環(huán) 加工，螺紋加工等功能。

6、故應(yīng)選擇連續(xù)控制系統(tǒng)。出于設(shè)計的是經(jīng)濟型數(shù)控車床，所 以在考慮具體方案時，基本原則是在滿足需要的前提下，對于機床盡可能減少改動量, 以降低成木。故采用半閉環(huán)控制系統(tǒng)。計算機系統(tǒng)根據(jù)機床要求，采用8位微機，由于mcs-51系列單片機具有集成度高可靠性好, 功能強，速度快，抗干擾能力強，具有很高的性能價格比等特點，采用mcs-51系列的8031單片機的擴展系統(tǒng)。經(jīng)過改造后的機床數(shù)控半閉環(huán)系統(tǒng)的功能模塊組成見f 圖。圖3-1數(shù)控半閉環(huán)系統(tǒng)的功能模塊組圖控制系統(tǒng)由微機部分、鍵盤及顯示器，i/o接口及光電隔離電路，步進(jìn)電機，功 率放大電路等組成。系統(tǒng)的加工程序和控制命令通過鍵盤操作實現(xiàn)。顯示器采用數(shù)碼

7、管顯示加工數(shù)據(jù)及機床狀態(tài)等信息。（3）機械傳動方式為實現(xiàn)機床所要求的分辨率，采用步進(jìn)電機經(jīng)齒輪減速再傳動絲桿，為保證一定 的傳動精度和平穩(wěn)性，盡量減小摩擦，選用滾珠絲桿螺母副。同時，為提高傳動剛度 和消除間隙采用冇預(yù)加負(fù)荷的結(jié)構(gòu)，齒輪傳動也耍采用消除齒側(cè)間隙的結(jié)構(gòu)。縱向進(jìn)給機構(gòu)的改造。拆除原機床的進(jìn)給箱和溜板箱，利用原機床進(jìn)給箱的安裝 孔和銷釘孔安裝齒輪箱體。滾珠絲杠仍安置在原絲杠的位置，兩端仍采用原固定方式。 這樣可減小改裝工作量，并由于滾珠絲杠的摩擦系數(shù)小于原絲杠，從而使縱向進(jìn)給整 體剛度增大。橫向進(jìn)給機構(gòu)的改造。保留原手動機構(gòu)，用于微進(jìn)給和機床刀具對零操作，原冇 的支承結(jié)構(gòu)也保留，步進(jìn)電

8、機一齒輪箱體安裝在機床后側(cè)。縱、橫向進(jìn)給機構(gòu)都采用了二級齒輪減速，并用雙片齒輪錯齒法消除間隙。雙片 齒輪間沒有加彈簧自動消除間隙，這是因為彈簧的彈力很難適應(yīng)負(fù)載的變化情況。當(dāng) 負(fù)載大時，彈簧彈力小，起不到消除間隙的目的，當(dāng)負(fù)載小時，彈簧力大，由加速齒 輪的磨損。因此，采用定期人工調(diào)整，螺釘緊固的辦法消除間隙。縱向齒輪箱和溜板箱均加外罩，以保機床原外觀，起到美化機床的效果。在溜板 箱安裝了縱、橫向快速進(jìn)給按鈕和急停按鈕，以適應(yīng)機床調(diào)整時的操作需要和遇到意 外情況吋的緊急處理需要。4機械部分設(shè)計計算機械傳動是利用各種形式的機構(gòu)傳遞運動和動力。傳動裝置的作用就是傳遞運動 和動力，變換運動形式，傳動鏈

9、示意圖及等效力學(xué)模型圖見圖b。一般整個機械傳動系統(tǒng)的特性可用若干相互聯(lián)系的質(zhì)量彈簧阻尼系統(tǒng) 表示，其中毎部分的動力學(xué)特性可表示為如下傳遞函數(shù)：式屮：x (s)位移的像函數(shù)f (s)外力的像函數(shù) m (s)質(zhì)量k (s)彈性剛度b (s)粘性阻尼系統(tǒng)4.1諧振頻率諧振角頻率(無阻尼自振角頻率)通常表示為v加為了滿足機電一體化系統(tǒng)的高動態(tài)特性，機械傳動各個分系統(tǒng)的諧振頻率均 應(yīng)遠(yuǎn)離于機電一體化系統(tǒng)的設(shè)計截止頻率，設(shè)計時采用如下經(jīng)驗關(guān)系：°»(212)畋 其屮：3最低機械傳動分系統(tǒng)諧振角頻率3t機電系統(tǒng)剪切頻率4. 2高剛度機械傳動分系統(tǒng)的剛度k = co m = 4 mf式中f

10、頻率(hz)；對傳動鏈?zhǔn)疽鈭D的系統(tǒng)3,對于絲杠螺母傳動副帶動工作臺及工件的系統(tǒng)。其剛度為 % - 3.95x10 5(加32 +m3)f2式中：k3機械傳動系統(tǒng)剛度，n/um；m32工作臺質(zhì)量，kg；m31工件的質(zhì)量，kg對滾珠絲杠螺母副傳動的剛度出spm式中：fasp外軸向力；a sspm軸向位移4.3阻尼機械傳動分系統(tǒng)的阻尼比根據(jù)經(jīng)驗適當(dāng)?shù)淖枘岜葢?yīng)選為01-°24. 4轉(zhuǎn)動慣量快速性是現(xiàn)代機電一體化系統(tǒng)的顯著特點，在驅(qū)動力矩一定的前提下。根據(jù)式(11) 轉(zhuǎn)動慣量越小，加速性能越好。即時m =jc(1-1)式中m力矩；j轉(zhuǎn)動慣量；e加速度；滾珠絲杠傳動的轉(zhuǎn)動慣量=plhdh式中：j

11、1滾珠絲杠的慣量32p絲杠的節(jié)距w工作臺與工件的總質(zhì)量p鐵的密度db絲杠直徑lb絲杠全長絲杠傳動時傳動系統(tǒng)折算到電動機軸上的總轉(zhuǎn)動慣量jl = j +*+e+g(2 八(ncms2)式屮：j1-齒輪z1及軸的轉(zhuǎn)動慣量(ncms2)j2-齒輪z2的轉(zhuǎn)動慣量（ncms2）js一絲杠轉(zhuǎn)動慣量（ncms2）t絲杠螺距 cmw工件及工件臺質(zhì)量n4.5摩擦摩擦是機械化傳動部件常見的現(xiàn)象，軸承摩擦，齒輪傳動摩擦工作臺導(dǎo)軌摩擦 絲杠螺母副摩擦等。應(yīng)當(dāng)注意：與速度無關(guān)的摩擦產(chǎn)生反轉(zhuǎn)誤差，與速度有關(guān)的摩擦將影響阻尼 比，對機械傳動部件的摩擦特性的耍求可歸納為：1. 具冇與速度成正比摩擦力避免負(fù)斜率；2. 與速度無

12、關(guān)的干摩擦應(yīng)盡量?。?根據(jù)經(jīng)驗折算到電動機上的摩擦力矩z和應(yīng)等于電動機轉(zhuǎn)矩的（）.2（）.3。4. 6其它部件的設(shè)計導(dǎo)軌：導(dǎo)軌用于引導(dǎo)運動部件的走向，它對機電一體化系統(tǒng)的影響通常是由其摩擦特性 決定的，主要影響定位精度和低速均勻性。導(dǎo)軌分滑動導(dǎo)軌，滾柱導(dǎo)軌，液休靜壓導(dǎo)軌和氣浮導(dǎo)軌。為了起動跟隨快，希望摩擦小，為了加強抗振能力，提高穩(wěn)定性，則希望阻尼系 數(shù)大，因此合理選擇導(dǎo)軌是捉高機電一體化系統(tǒng)動態(tài)性能的重要環(huán)節(jié)。此處選用滑動導(dǎo)軌。5數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計5.1數(shù)控系統(tǒng)基本硬件組成任何一個數(shù)控系統(tǒng)都由駛件和軟件兩部分組成。機床數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路概括起 來由以下四部分組成：屮央處理單元cpu總線 包

13、描數(shù)據(jù)總線（db）,地址總路線（ab）和控制總線（cb）存儲器 包括只讀可編程存儲器（com）和隨機存儲器（ram）i/o輸入，輸出接口電路其屮cpu是數(shù)控系統(tǒng)的核心。作用是進(jìn)行數(shù)據(jù)運算處理和控制和部分電路協(xié)調(diào) 工作。存儲器用于存放系統(tǒng)軟件，應(yīng)用程序和運行中所需要的齊種數(shù)據(jù)。i/o接口是 系統(tǒng)與外界進(jìn)行信息交換的橋梁。三總線是cpu與存儲器、接口以及其它轉(zhuǎn)換電路 聯(lián)接的紐帶，是cpu與部分屯路進(jìn)行信息交換和通訊的必曲之路，數(shù)控系統(tǒng)硬件框 圖如圖所示。圖5-1數(shù)控系統(tǒng)便件框圖5.2單片機控制系統(tǒng)設(shè)計主耍技術(shù)特性及碩件配置屮央處理器為mcs-51系列的8031單片機，存儲器選用2764eprom

14、（8kx8） 和6264ram （8kx8）, 1/0接口芯片選用8031 cpuo 8031單片機的pl 口可用作i/o 接口。用8031單片機的pl 口管理步進(jìn)電機，用擴展接口管理鍵盤和顯示屯路。其a 口做縱、橫進(jìn)給系統(tǒng)步進(jìn)脈沖的輸出口。pa0pa2為橫向（x）輸出口。pa3-pa5 為縱向（y）輸出口。b 口為位控方式，其屮pb0pb3為+x,x, +y,y的行程越 位信號輸入。pb5為急停信號輸入。pb6, pb7為系統(tǒng)工作正常，報警信號輸出。x, y向步進(jìn)電機和口用一個環(huán)形分配器控制。控制步進(jìn)電機的脈沖發(fā)生器與脈沖分 配由碩件實現(xiàn)。數(shù)碼顯示的字符發(fā)生，鍵盤掃掃描管理器由軟件實現(xiàn)。5.

15、3光電隔離電路在步進(jìn)電機驅(qū)動電路屮，脈沖信號經(jīng)功放后控制步進(jìn)電機勵磁繞組由丁步進(jìn)電機 需要的驅(qū)動電壓較高，電流較大，如果將輸出信號與功率放大器直接相聯(lián)，將會引起 強電干擾。輕則影響計算機程序的止常工作，重則導(dǎo)致計算機和接i i電路損壞。所以 一般在接口屯路與功率放人器之間都要接上隔離屯路，采用的光屯耦合屯路如圖所 zji ottl圖5-2光電耦介電路脈沖分配器（步進(jìn)電機雙三拍方式工作）選用yb013脈沖分配器。表1工作真值表"|狀態(tài)abc111020113101脈沖分配器接圖5-3o圖中cp的上升沿使脈沖分配器改變輸出狀態(tài)因此cp的頻率決定了步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)速，p端控制步進(jìn)電機轉(zhuǎn)向p=1

16、為正轉(zhuǎn)p二0為反轉(zhuǎn)。圖5-3脈沖分配器接線圖表2 ttl脈沖分配器主耍性能參數(shù)輸出高 電平(v) >輸出低 電平(v) <輸入低 電平(v) <輸入高電平(v) >吸收屯 流(ma)工作頻率(khz)電源電壓(v)環(huán)境溫度(° c)2.40.40.82.41.60-1605 ±0.50+705.4功率放大電路如圖5.4脈沖分配器的輸出功率很小，遠(yuǎn)不能滿足步進(jìn)電機的耍求。必須將它放大以產(chǎn)生足夠大的功率驅(qū)動步進(jìn)電機運轉(zhuǎn)。功率放人屯路分為單屯源和雙屯源型。單屯源型線路簡單，但效率不高，所以選用雙雙屯源型。雙屯源采用高低壓供屯屯路。在功率放大器導(dǎo)通初始，tl

17、, t3, t4全導(dǎo)通，并使脈沖變壓器b的副邊產(chǎn)生一 定寬度的脈沖電流，使t2導(dǎo)通，高壓電源eh通過t2； t1為步進(jìn)電機某一相繞組 供電，使其電流上升沿變陡，同時d2處于反向偏置，將低壓en與繞組wa切斷。經(jīng)過tb時間后脈沖電流消失，使t2截止，高壓電源與繞組z間被切斷，en通 過d2。t1為繞組wa供電，提供所需的額定電流，通過調(diào)整脈沖變壓器的磁芯和 r4可改變高壓供電的時間寬度tb。5.5其它輔助電路為了防止機床行程越界，所以在機床上裝有行程控制開關(guān)。為了防止意外，裝有 急停按鈕。因為這些開關(guān)都安裝在機床上，距控制箱較遠(yuǎn)，容易產(chǎn)生電氣干擾。為了 避免這種情況發(fā)生，在電路和接口之間實行光電

18、隔離。為了報警還設(shè)有報警電路。當(dāng)綠色的發(fā)光二極管亮?xí)r表示工作正常。當(dāng)紅色發(fā)光 二極管亮吋，表示溜板箱已到極限位置。紅燈500 i綠燈1.5kr圖5-5報警指示5.6自動回轉(zhuǎn)刀架的控制當(dāng)需要自動回轉(zhuǎn)刀架換刀吋，由8155 (1)的pcopc3發(fā)生刀位信號?？刂频?架電機回轉(zhuǎn)到達(dá)指定的刀位，刀架夾緊z后，發(fā)生換刀回答信號。8155 （1）的pb5 輸入計算機，控制刀架開始進(jìn)給。5. 7螺紋加工的控制當(dāng)加工螺紋時，由與主軸相連的光電脈沖發(fā)生器螺紋信號和零位螺紋信號分別送 入8031的to和8155 （1）的pb6通過設(shè)置不同的吋間常數(shù)來加工不同螺距的螺紋, 零位螺紋信號是防止螺紋亂扌ii。（即每次開

19、始進(jìn)刀的位置必須相同）5.8地址編碼（存儲器及i/o地址編碼）心片接74lsb8引腳地址選擇線片內(nèi) 地址 單元（字 節(jié)）地址編碼2764 (1)poooox xxxxxxxx xxxx8k0000h 1fffh2764 (2)fi00ix xxxxxxxx xxxx8k2000h 3fffh6264yi010x xxxxxxxx xxxx8k4000h 5fffh8155(1)ram030111 1110 xxxxxxxx2567e0()h7effhi/oy3oiii mi mi1xxx67ff8h 7ffdh8155(2)ramya1001 1110 xxxxxxxx2569e00h9eff

20、hi/o04iooi mi mi1xxx69ff8h 9ffdh6軟件設(shè)計6.1總體方案設(shè)計軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計，主要包扌舌主模塊，子模塊和定時中斷模塊，主模塊主要完成初始化和監(jiān)控。初始化應(yīng)包括pio、ctc的初始化，標(biāo)志位，原鍵盤緩沖區(qū)及 顯示緩沖區(qū)的初始化。監(jiān)控主要包括鍵盤管理和顯示管理，均可調(diào)用原監(jiān)控程序中鍵 盤管理和顯示管理子程序。功能子模塊包括+x,x, +y,y及stop功能子模塊， 并口j調(diào)用原監(jiān)控程序中的許多子程序。中斷模塊包括急停中斷模塊，報警中斷模塊等。6. 2圓弧插補程序設(shè)計插補原理：進(jìn)給機構(gòu)每進(jìn)一步后，計算新坐標(biāo)后的位置與加工曲線理想位置的偏 差。根據(jù)偏差的正負(fù)，確定

21、下一步進(jìn)給方向，以逼近理想位置。最后加工出所需要的 零件廓形。一個插補循環(huán)由四個節(jié)拍組成，即偏差判別，進(jìn)給偏差計算和終點判別。圓弧插補子程序流程圖見圖c,其子程序如下:org2200hpushafpushbcpushhllda,(2830h)ldh,alda,(2832h)ld l, aldb, alp3：ld a, ecpoohjp m, lpexaf, aflda,(2820h)set0, aret2, ald(2820h),aexaf, afcall 2600h;調(diào)環(huán)分子程序subl；f=f-yaincc；x=x+1jplp2lp1：ex af,aflda,(2820h)set2, ar

22、et0, ald(2820h),aexaf, afcall 2600h;調(diào)環(huán)分子程序adda , h；f二f+xaincd；y=y+1lp2：ld e,acall 2300h延時子程序haltdjne lp3pophlpopbcpopafret7半閉環(huán)反饋系統(tǒng)的設(shè)計7.1檢測元件的正確選用及其功能與特點木設(shè)計檢測元件選用增量式光電編碼器，安裝在滾珠絲杠未端。光電編碼器是碼盤式角度一數(shù)字檢測元件，所謂增量式編碼器是指旋轉(zhuǎn)的碼盤給 岀一系列脈沖，然后根據(jù)旋轉(zhuǎn)方向由計數(shù)器對這些脈沖進(jìn)行加減計數(shù)，以此來表示 轉(zhuǎn)過的角位移量。光電增量編碼器的原理：在圓盤上刻有節(jié)距相等的輻射狀窄縫，與 z相對應(yīng)的述冇兩組檢測窄縫，其節(jié)距與圓盤的節(jié)距相同。兩組檢測窄縫錯開1/4 節(jié)距，其目的是使a、b兩個光電轉(zhuǎn)換器的輸出信號在相位上相茅90° ,測量時兩組 窄縫是靜止不動的，i員i盤與被測軸一起轉(zhuǎn)動，這時在光電轉(zhuǎn)換器a和b上就輸出一個 相位差90。的近似正弦波，經(jīng)邏輯屯路處理后用來識別被測軸的轉(zhuǎn)動方向，其原理 框圖見(圖6la)當(dāng)圓盤上正轉(zhuǎn)吋，光電輸出波形如圖6lb屮左邊圖形所示，a比b滯后90° , 經(jīng)過邏輯電路處理后，輸出脈沖信號f,即為正轉(zhuǎn)脈沖信號，同理，當(dāng)圓盤反轉(zhuǎn)吋， 輸出反轉(zhuǎn)脈沖信