普通车床的数控改造设计(1)

4 0 - 船电技术 2 0 0 1 年 第 2 期 普 通 车床 的数 控 改造 设计 张 丽芳 ( 中船 重工 集 团公 司七院 第七一二研 究所武汉4 3 0 0 6 4 ) 摘要 ： 根据生产的发展 ， 机械自动化的需要， 提出了以 8 0 3 1 单片机为核心的、 用微机数控系统 控制 C A 6 1 4 0车床的改造设计方案 ， 并详细阐述了其单片机 控制系统 的硬件组成 、 软件设计 和工 作 原理 。 关键词 ： 数控机床数控改造单片机 1 引言 随着杜会 生 产 和 计 算 机 技 术 的 迅速 发 展 ， 机 械产 品 的性 能 和质 量 不 断 提高 ， 产 品 更新换代的步伐加快 ， 不仅要求机床具有较 高的加工精 度和 提高生 产率 的 能力 而且 还 要求 能 迅速 适 应 产 品零 件 的 更替 。在 这 种 形式 下 ， 数 控机床 诞生 了并迅速 发展起来 。 数控机床不仅可 以较好地解决形状复 杂 、 精密 、 小批 、 多变 零 件 的 加 工 问题 ， 还 能 稳定加工质量， 提高生产效率 ， 但价格昂贵 。 若将大量的普通机床完 全用数控机床来替 换将会造成很大的资源浪费， 故而对普通机 床进 行数控 改造是最 有效 的方法 。 数控改造 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 。下面将 详 细 阐述 其 单 片 机控制系统的硬件组成 、 软件设计 和工作原 理 2 总体方 案的设 计 本节介绍对 C A 6 1 4 0普通车床进行经济 型数控改造设计的总体方案。 由于对经济型数控机床的加工精度要 求 不很 高 ， 为简化 结构 ， 降低成 本 可 以采用 收 稿 日期 , 2 0 0 1 0 2 1 7 步进电机开环控制 系统。本系统利用微机 控制纵 、 横进给系统 ； 选用连续控制 系统保 证 改造 后的经 济型数控车床 具有定 位 ， 直线 插 补 ， 顺 、 逆 圆插朴 暂停 ， 循 环加 工 ， 公 英制 螺纹加工等功能； 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 动丝杠 ； 为保证一定的传动精度和平稳性 ， 尽量减小 磨擦 力 ， 选用 滚 珠丝 杠螺母 副 ； 为提 高传 动 刚度和消除间隙， 采用有预加负荷 的结构； 另外 ， 根据 机床要求 ， 还采用 M 一5 1 系列 的 8 0 3 1单 片 机 扩 展 系 统 。 主 要 圆 为 8 0 3 1 C P U具有集成度高， 可靠性好 ， 系统开 发较 容 易 等特 点 ， 而 且价格 低廉 ， 在 我 国的 数控改造方面应用较普遍。 系统 总体 方案框图见围 1 。 图 1 系统总体方案框图 维普资讯 船电技术 2 0 0 1 年 第 2 期 4 1 3 数控 系统硬件 电路设计 3 1 基本硬件 组成 任何一个数控系统都是由硬件和软件 两部 分组成 。硬件是 组成 电路的基础 ， 它 的 可靠性直 接 影 响 到数 控 系 统性 能指 标 。机 床硬件电路 由以下五部分组成 ： 1 )主控制 器 ， 即中央处理 单元 C P U； 2 )总线 ， 包 括 数据 总 线 、 地址 总线 和 控 制总线 ； 3 )存 储 器 ， 包 括 程 序 存 储 器 和数 据 存 储器 ； 4 )接 口， 即 I 1 0输入 输 出接 口电路 ； 5 )外 围设 备 。如 键 盘 、 显 示器 及 光 电 输 入机 。 其中， C P U是数控系统 的核心， 其作用 是进行数据运算处理和控制各部分 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 线则 是 C P U与存储器 、 接 口以及其它转换 电路 联接的纽带， 是 C k U与部分电路进行信息 交换和通讯的必由之路 ； 而外围设备则是数 控 系统 与人交互的窗 口。 3 2 系统硬件设计 系统 以 8 O 3 1单 片 机 为 核 心 ， 包 括 由 8 0 3 1 单片机和扩展芯片组成的基本系统 、 扩 展 I O接 口芯片等。单 片机 系统 采用 内部 时钟 方式 ， 利用 芯片 内部振 荡 电路 ， 工作 主 频为 1 2 MH z 。由于 8 0 3 1芯 片无 片 内 R O M， 因而在组成控 制 系统 时根 据 需要 扩 展 外部 程序存储器 ， 考虑到车床程序较复杂 ， 为减 少芯片数量 ， 故采用容 量为 3 2 k B的 2 7 2 5 6 E P R O M作 为扩展 的 外部 程 序存 储 器 ； 又 由 于 8 0 3 1片 内 R A M 只有 1 2 8字节 ， 远 不 能满 足系统 的需要 ， 在此 选 用 8 k B容 量 的 6 2 6 4 静 态 R A M作为数据存储器 ； 系统 的扩展 I O 接 口电路选用可编程的通用并行 接 E l 电路 8 1 5 5芯 片 。由 8 0 3 1 单 片机构成 的最小系统 及输 出接 口电路结构 ， 如 图 2所示 。 薹 l 述 告 器 L 1 l ： ： ： 。 嚣 兰 图 2 维普资讯 4 2 船 电技 术 2 0 0 1 年 第 2期 系 统 用 到 一 片 带 三 态 缓 冲 输 出 的 7 4 E S 3 7 3 锁存器作为外部存储器扩展时的地 址 锁 存 器 。系 统 采 用 全 地 址译 码 ， 用 38 译 码器 7 4 E S 1 3 8的 8根输 出线分别 对应 8个 8 k B的地 址空 间。步进 电机采用 软件环形 分 配器 ， 虽然运 行速 度没有 硬件环 形分 配 器 快 ， 但 可 以省 掉 两 个 硬环 分配 专 用 芯 片 。 且 电路 比较简单 。由 8 1 5 5的 P A口输 出 ， 经 光 电隔离 电路 功率放大电路直接趋 动电机。 当需要 自动 回转刀架 换刀时 ， 由 8 1 5 5的 P G1 P 岛发出刀位信号， 控制刀架 电机回转 ， 到 达指 定 的 刀位 ， 刀架 夹 紧之后 ， 发 出换 刀 回 答信号 。经 8 1 5 5的 P 输入计算 机 ， 控制 刀 架开始进 给 。当加工螺 纹时 ， 由与主 轴相 连 的光 电脉 冲发 生器 发 出螺 纹信 号和 零 位 螺 纹信号 ， 分别送人 8 0 3 1 的 和 8 1 5 5的 P 。 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。此 控制 系统 中还 设 有 越 界 报 警和 急 停 处理 电 路。 x、 Y方 向 的越 界和 急 停 信 号 经 与 门引入 8 0 3 1的 P 3 ： ， 中断 源 肌 同时 又 接 到 8 0 3 l 的 口， 采用硬件 申请 中断和软件 查 询的方法 ， 这样无论 哪个 方 向越 界都会 引 起中断 在 中断服务程序中通过软件查询的 办法 ， 便 可 确 定 是 哪 个 方 向越 界 。 当 X、 Y等 某 一 方 向 越 界 ， 则 相 应 的 红 灯 亮 报 警。与单 片机相连 的外部设备键盘和 显示器是实现人机对话的媒介 ， 可以通过键 盘来操纵数控车床的运动， 实现各种零件的 3 n 3 2 控 制 。本 系统 中键 盘 接 口电路 采 用 专 用键盘显 示器 接 口芯 片 8 2 7 9 。利用 8 2 7 9可 实现对键 盘 显 示器 的 自动扫 描 ， 并识 别 键 盘上闭合键 的键 号 ， 不仅可 以大 大节 省 C P U 对键盘 的操作 时 间 ， 减轻 C P U的负 担 ， 而且 程序简单 ， 不会 出现误 动作 。 4 数控 系统 的软件设计 本单 片机数 控 系统 的程 序设计 采用 模 块 化 的设计 技 术 ， 主 要 由系统 管 理程 序 ； 零 件加工 源程序的输 入、 输 出设备的管理程 序 ； 机床手动控制程序 ； 系统的编译 程序； 插 补程序 ； 伺服控制及 开关量控制程序； 系统 自检程序。控 制系统 的软件结构框 图如图 3所示 。 图 3 控制系统 的软件结构框图 系统管理程序是控制系统软件中不 可 缺少 的组 成 部 分 。它 从操 作控 制 面板上 接 收操作者的命令 ， 按照命令完成对数控系统 的各种 操 作 和控 制 。系统 的诊断 白检程 序 一 般分散在其 它程 序 中， 在 执行其 它功 能程 序时进行 白检。真正体现数控系统特征的 软件是系统编译 程序 、 插补程序 、 伺服控 制 和开关量控制程序。零件加 工程序通过这 维普资讯 船 电技术 2 0 0 1 年 第 2期 4 3 几 个程序 的共同处 理和加工 ， 最 后才能 生成 控 制机床运动 的 目标信息 。 5 结束语 经过大量实践证 明普通机床 的数控改 造具有一定的经 济性 、 实用性 和稳 定性 。本 文所介绍的改造后 的经济型数控车床单片 机数控系统电路 简单实用 ， 软 件系 统也 比较 容易维护和修改 ， 可供 借鉴 、 参考 。 ( 上接第 2 0 页 ) 参考文 献 1 彭炎午主编 计算机数控( c N c ) 系统 西： l E T业 大学 出版社 1 9 9 8 2 林其骏 主编 机床数控 系统 中 国科学技术 出 版社 。 1 9 9 1 3 黄安南等 机床镦型计算 机控制 系统 电子 工 业 出版 社 1 9 9 8 4 何立民主编 MC S一5 1 系列单 片机应用系统设 计 、 系统配置与接 口技术 北 京航空 航天 大学 出版社 1 9 9 0 而实 际的温度差 有 4 5 ( 5 5 C一1 0 C) ， 所 以 1 7 6 k W 的热量完全可 以传递 出去， 鱼雷是 安全 的 。如果 允许 的最大 温差 一 。 = 8 5 一1 0 C= 7 5 ， 则允许的最大产热量为 0 =6 9 4 k W。 5 结论 以上的分析结果是分别在 l 0 a c 和 l 5 a c 的定性温度条件下得到的。简单的分析计 算可知 随着温差 的提高， 定性温度也 随之 提高， 上述三种情况下的平均换热系数都将 大 幅度 的提高。所 以说 ， 对 于 1 7 6 k W 的发 热量来说 ， 安 全措 施 顺 利 启 动 运 行 的情 况 下， 电池及战斗部肯定是安全的。 参考文 献 1 E c k e r t E P G ， d a 1 A n a l y s i s o f He a t a n d Ma s s T r a n s f e r Mc G r a wH i ll K e r g a I = u s Ia L t d ( 1 9 7 2 ) 1 2 G u p t a + V e t a 1 H e 耻and M a s s T ran s f e r Mc Gr a w H i l 1 ( 1 7 9 ) 3 扬世铭 传热学 人民教育 出版社 1 9 8 2 4( 美) M 范戴克著 李家春译 摄动 方法 及其 在 流体力学中的运用 科学 出版社 ， 1 9 8 7 Di s c u s s i o n O l l Th e r ma l S a f e t y o f Le o p a r d a f t e r I t S Fa i l u r e Fi r i n g L e i X i a n g b a o D a i Y i i t m ( T h e 7 1 2 R e s e a r c h I r ,s mt C S 1 C+Wu h a n ， 4 3 0 0 6 4 ) Ab s t r a c t ：T h e o r e t i c a l e s t i ma t i o n on t h e r ma l s a f e t y “ o f l e a f t e r i t S f a i l u r e fi r i n g h a s b e e n p r o v i d e d a n d t h e t h e o ret i c a l t h e r ma l s a f e t y b a s i s f o r d esi g n i n g l eo p a r d h a s b e e n o b t a i n e dT h e r e s u l t s h o d t h a t t h e l e o p a r d