机电系统设计课程设计

1、SHANDONG机电系统设计课程设计说明书课题：CA6140卧式车床经济型数控化改造学 院：农业工程与食品科学学院专 业： 农业机械化及其自动化 学生姓名： 李彬 学 号： 指导教师： 程卫东 2015年1月摘 要由于目前国内的数控机床数量需求量大，达到300万台之巨，要进行全部翻新在时间，物质上尚不具有足够的条件，为了达到的条件，为达到较高精度，实现较好的经济性，对普通车床实行数控开环改造。本次设计着重对CA6140普通车床的纵横向进给系统改造，并对纵横向进给伺服系统齿轮箱进行改造。本次设计作了下面的一些工作： 1、机械部分采用了一级齿轮传动，以BF型步进电动机作为驱动源，以CBM/CDM滚

2、珠丝杠作为重要元件，以便更好的实行软件控制；2、数控部分采用MCS-51中的8031作为主控芯片建立一套单片机应用系统。扩展I/O接口用8155芯片及外存储器，采用地址锁存和译码器。关键词：数控机床改造 单片机 滚珠丝杠 BF型步进电机 目 录1 绪 论32 总体方案确定52.1车床改造方案的选择52.1.1设计系统的选择52.1.2系统运用方式的确定52.1.3伺服系统的选择52.2车床改造方案的确定63.微机控制部分73.1 总体设计73.2主控制器73.2.1主控器的选择73.2.2 8031对片外存储器的选择83.2.3 8031并行I/O口扩展84.电路原理图设计94.1关于各线路元

3、件之间线路连接94.2. 关于电路原理图的一些说明10结 论13致 谢13参考文献141 绪 论数控机床改造在国外以发展成一个新兴的工业部门。早在60年代已经开始迅速发展，并有专门企业经营这门业务，其发展的原因是多方面的。首先是技术的原因，过去20年里，金属切削的基本原理变化不大，但社会的生产力的巨大发展，要求制造技术向自动化和精密化前进。而刀具材料和电子技术却有很的大的进步，特别是微电子技术，电子计算机的技术进步，反应出控制系统，它能帮助机床自动化又能提高加工精度，技术进步和高生产率的要求，精密加工的增多等，突出了旧机床技术改造技术的必要性和急迫性。其次是经济上的原因。许多发达国家多做过系统

4、的分析，如果旧机床设备以新设备更新，要付出很大的代价的，若利用“改造技术”，则节省大半资金，这种事半功倍的技术，不仅不浪费资金而切还为小企业技术改造开创了新路，而且对实力雄厚的大企业也有很大的经济吸引力。再次是市场因素，目前许多国家设备所需的数控机床数量，按机床工业现状是无力及时提供的。机床“改造”就成为机床市场需要的补足手段。最后是生产力的因素，在工业生产中，品种多小批量生产是现代化机械制造业的基本特征，只有相当大比重完成生产任务，不外乎选择通用机床、专业机床和数控机床，柔性制造系统，就工业复杂程度和一批工件所需要生产总成本比较中看出，数控机床最能适应这一需要。我国是拥有300万机床国家。而

5、这些机床又大量是多年累积生产的通用机床，自动化程度不高，要想在近几年内大量用自动、半自动和精密机床更新现有设备，不论资金还是我国机床的能力是办不到的。因此应尽快将我国现有一部分普通机床实现自动化和精密化改装，是我国现有设备改造自动化要求解决的课题。用这控制技术正是适应这一要求。它是建立在微电子现代技术和传统技术相结合的基础上。在机床改造中引入了微机的应用，不但技术具有先进性，同时在应用此自动化改造方案，有较大的应用性和可调性，而且投资改造的费用低，一套经济型数控装置的价格仅是全功能型数控装置的1/3到1/5拥护承担的起。从若干单位应用的实例可论证，投入使用后，成倍的提高了生产效率，取得了显著的

6、经济效益。因此，我国提出从大力推广经济型数控这一中间技术的基础上，再推出全功能型数控这条道路，适合我国经济、教育、生产水平，对于以后全动能型数控机床应用的准备阶段，为实现我国传统的机械制造的方向过度的重要内容。CA6140机床是一种普通精度的及万能卧式机床，属于使用范围广的通用机床。这种机床的性能及质量较好。但结构复杂，自动化程序较低，是一种属于中型的普通机床，再各厂矿企业，应用的程序很广。为此，本次设计的任务是对CA6140普通机床进行数控改造，利用微机对纵横向进给系统实行开环控制。驱动元件是利用步进电动机，传动系统利用滚珠丝杠。2 总体方案确定2.1车床改造方案的选择2.1.1设计系统的选

7、择在简易数控系统中，大多数是利用八位微处里机和单片机，近年来国有一些主要的半导体制造厂家相继生产了各种八位单片微型机，主要有MCS48系列，CS-51系列，Mostek的3870，Motorolo公司的6801和6805。目前在国内用的较广，开发工具较齐的是MCS-51系列，这里选用MCS-51系列中的8031。2.1.2系统运用方式的确定数控系统按运动方式可分为点位控制系统，点位直线控制系统，轮廓控制系统，连续控制系统。车床是控制刀具以给定速率沿指定路线运动来加工工件轮廓复杂的零件，其个坐标轴的运动之间有着精确的出数关系，根据车床加工这一特点，采用连续控制系统比较合适，连续控制系统具有点位控

8、制系统的功能，故定位方式采用增量坐标控制。2.1.3伺服系统的选择伺服系统是实现位量伺服控制有开环、闭环和半闭环三种控制方式。开环控制的伺服系统存在着精度不能达到太高的基本问题，但是步进电机具有位移和输出脉冲的严格对应关系，使误差不能积累，转速和输出脉冲频率有严格的对映关系，而且在负载能力范围内不受电流、电压、负载大小、环境条件的波动变化的特点，数据装置发出信号的流向是单向的，对移动部件如工作台的实际位置工件检测。并且伴随电子技术和计算机控制技术的发展，目前大多采用直流电动机或交流电动机作为执行元件。虽然闭环、半闭环对控制系统能够实现较高精确的位置伺副。由于反馈环节必须的技术条件要控制闭环系统

9、的良好的稳态和动态性能，其难度也大为提高。本设计是基于CA6140普通型的车床的经济化、数控化改造故采用步进电动机实现开环伺服系统。2.1.4执行机构传动式的确定（1）导轨 由于普通型车床的改造精度要求的不高的开环系统，而滑动导轨定位精度和灵敏不需研磨措施可达到10um左右。能够满足改装后的要求，所以仍采用原机床的导轨。（2）螺旋传动 原机床的丝杠属于滑动螺旋传动，主要缺点就是机械效率低，一般仅为3060%，与改造后的精度相差很多。数控机床除了具有较高的定位精度外，还应良好的动态间应特征，滚珠丝杠副的特点，传动效率高，一般达到90%以上，通过预紧力可消除丝杠间隙，运动平稳，传动精度高，有可靠性

10、，磨损小，使用寿命长，但制造复杂，成本高。要使系统指令好，有能满足精度要求，本次改造采用滚动螺旋机构。（3）齿轮传动 考虑步进电动机步距角和丝杠导程只能按标准选择，为达到0.001秒的分辨率的要求，纵、横向均采用错齿调隙的齿轮做减速运动。2.2车床改造方案的确定（1）保留原车床的主传动链。 为了保证机床加工螺纹的功能，在主轴外端安装一个YGM脉冲发生器，使其与主轴转速相一致是1:1的关系，用它来发出脉冲发生器，使微机处理机根据主轴的脉冲信号，使刀架通过丝杠的转角产生进给运动。（2）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的安装孔销钉孔安装齿轮箱体,滚珠丝杠仍安装在原丝杠位置,两

11、端仍利用原固定方式,这样可减少改装工作量。（3）横向进给机构的安装：保留原手动机构。用于微机进给和机床对零件操作，原有的支撑结构也保留，电动机、齿轮箱安装在机床后侧。 （4）纵、横向进给机构采用齿轮减速，并且用双齿轮错齿法消除间隙，双片齿轮间采用消除弹簧，布量成互为120的位置。当螺钉松开时，由于各个弹簧所受力不同而自动调节间隙，再用螺钉紧固。 纵向齿轮箱和溜板箱均加外罩，以保持机床原外观，起到美化机床的效果，溜板箱上安装了纵向快速进给按钮，以适应机床调整时的操作需要和遇到意外时紧急处理。 3.微机控制部分在普通车床CA6140基础上加数控部分，以使其成为经济型数控机床,以完成较高的精度加工。

12、3.1 总体设计我国目前广泛使用MCS-51系列中的8031芯片，通过扩展和I/O口扩展功能，实现对机床X，Z两个方向的控制以及软硬的任务分配有：控制步进电机脉冲发生和脉冲分配，数码显示的字符发生，键盘扫描管理既用硬件管理，又可用软件实现，此次采用若干方案：控制步进电机用的脉冲发生器用硬件，采用国产YB015环行分配器实现，字符发生及键盘扫描均有软件实现。3.2主控制器3.2.1主控器的选择 近年来同外的一些主要的半导体制造厂家相继生产了各种8位的单片微型端口及部分RAM于一体的功能很强的控制器。目前国内用得较广，开发工具较齐的是MCS51系列包含三个产品：8031、8051和8751。三者的

13、引脚完全兼容，仅在结构上有一些差异，主要是8031：8031是无ROM的8051，而8751是用EPROM代替ROM的8051。用得较多的就是我所选用的8031。(1) 8031型芯片：1) 单片机是集CPU，I/O端口及部分RAM一体的功能很强的控制器，8031基本特点如下：1处理器CPU8位2芯片内有时钟电位3具有12 各字节RAM4具有21特殊功能的存储器5具有4 各I / O端口，32根I/O线 6可寻址64K外部数据存储器7可寻址64K外部程序存储器8具有两个16位定时/记时数量9具有5 个中断位，配备两个优先级10具有一个全功能窜行接口11具有寻址能力，适宜逻辑计算从以上论证可以看

14、出，8031型芯片,功能几乎为一块Z80CPU，一块RAM，一块Z80CTC两块Z80PLO和一块Z80SLO处理的微机计算机。(2)8031芯片管脚的功能及其他功能按引脚功能可分三类，即：其一：I/O口线：P、P、P、P共4个8为口。其二：控制线：（片外取指令控制）、ALE（地址锁存控制）、（片外取存储器选择）、RESET（复位控制）。其三：电源及时钟：V、V、XTAL、XTAL。3.2.2 8031对片外存储器的选择 1、EPRAM选择： 根据MCS51单片机应用系统中常用的EPRAM芯片，确定存储器容量为16K。选择EPRAM的型号时，主要考虑的因素是读取速度，这决定着系统是否正确工作。

15、根据CPU与EPRAM时序匹配要求，可选用2片2764程序存储器。 2、RAM选择：单片机的扩展RAM多选用静态RAM，根据容量要求和RAM与CPU的读写时序匹配的要求，这里选用大容量的RAM6264两片。3.2.3 8031并行I/O口扩展 8031有四个8位口(I/O端口),但真正能够提供用户使用的只有P1口,因为P2 P0口通常用来传送外存储器的地址和数据,P3口也需要使用他的第二功能。因此8031的I/O的端口通常需要扩充，以便他能和更多外联机工作扩充。方法有两种: 借用外面RAM地址来扩充I/O端口； 利用并行I/O接口芯片来扩充I/O端口。4.电路原理图设计本次设计在采用8031作

16、为主控芯片，采用两片2764程序存储器之外还扩展了一片6264数据存储器，用一片74LS373锁存P0口传递低8位地址，地址译码采用74LS138C38译码器；采用全地址码,采用二个8155芯片，完成对执行元件的控制。此外,还设有越界报警急停处理电路。4.1关于各线路元件之间线路连接8031芯片的P 和P用来传送外部存储器的地址和数据，P口送的是8位地址，P口传送低八位地址和数据，故采用74LS373地址锁存器。锁存低八位地址，ALE作为首选通信号，当ALE为高电位，锁存器的输入输出速度即输入的低八位地址在输出端出现，此时不需锁存。当ALE从高电平变为低电平，出现下降沿时，低八位地址在输出端出

17、现，此时不需锁存。当ACE这样POD共组成16位地址，2764和6264芯片都是8KB，需要13根地址线,。AA低8位安74L373芯片的输出，AA按8031芯片的PP系统采用全地址译码。两片2764新片选信号CE分别按74LS138译码器的和，系统复位以后程序从0000H开始执行，6264芯片的片选信号CE地址按74LS138的，单片机的扩展系统允许程序存储器和数据存储器独立编址，8031芯片控制信号PSEN按2764的OE引脚,读写控制信号WR和RD分别按6264芯片内部沿有ROM，始终要选片外程序存储器，故按EA地址。由于8031只有P口和P口的部分能提供用户作I/O接口使用，不能满足输

18、入输出口的需要，因此比喻扩展输入输出扩展电路。系统扩展3片8155可编程I/O接口芯片，8155(1)的片选信号按74LS138的端74LS138译码器有3个输入A B C 分别按8031的 P P P8个输出，低电平有效。 对应输出A B C DE 000至111 8种现合。其中对应A B C 为111.74LS138有3个使能端，其中2个为低电平使能端，另一个为高电平使能端，只有当使能端均处于有效电平是输出才能产生，否则输出才能处在高电平无效。I/O接口芯片与外设的联接是这样安排的8155芯片PA作为显示器段选信号， 输出PAP为显示器的位选信号，输出PC0PC4 5根线是键盘输入8155

19、芯片的20个引脚按8031芯片的P2.0，因此使用8155的I/O口时P2.0为高电平8155(2)，按X Z 向步进电机硬件环形分配器为输出，系统各芯片采用全地址译码，各存储器及I/O接口芯片X向Z向步进电机硬件环形分配器采用YB0153-2相5相10拍方式工作。故 均按+5V，时钟输入端CP按8155芯片的TIME007用以决定脉冲分配器是如脉冲的频率，为实现插补时不同的进给的速度，可给8155芯片定时/计数器中设置不同的常数。4.2. 关于电路原理图的一些说明在此电路图中,还有其他功能电路,如报警电路,急停电路,复位电路,隔离电路,功效电路等,此外还有对自动回转刀架,螺纹加工进行控制.1

20、、 复位电路 通常8031的复位有自动复位,和人工按钮复位两种，下面将分别显示电路结构 （A）(A)上电复位电路 （B）开关复位电路2、时钟电路 时钟电路如图所示,XTAL和XTAL2为内振荡电路输入线,这两个端口用来外接石英晶体和微调电器,用来联接8031片内OSC的定时反馈回路.3、 光电隔离电路 在步进电机驱动电路，脉冲分配器输出的信号经过放大后，控制步进电机的励磁绕组。由于步进电机需要的驱动电压数高，电流也较大。如果将I/O口输出信号直接与功率放大电路相连，将引起电路干扰,轻则影响计数机程序的正常运行，重则导致接口电路的破坏。因此一般在接口电路与功率放大器之间都要加上隔离电路，实行电气

21、隔离使用最多的是光电耦合器。如下图光电耦合器是以发光二级管和光敏二级管组成，为输入信号的输入端时，发光二级管导通激发红外光，受光三极管照射后，由于光敏效应产生光电流，通过输出端输出，从而实现了以光为信号的输出，输入端与输出端在电器绘出一种光隔离输出电路，当开关断开，发光二级管不通，光敏三级管截止，输出+5V高电平，当闭合，发光二级管导通，激励输出三级管导通。适当选择电阻R，可使输出三级管饱和，输出0.3左右的TTL低电平。随着运行频率的增高，步进电机输出力矩C带动负载的能力，这一产生的原因，作为功率放大器负载的步进电机是电感负载。当改变通电时，电流从零逐渐增大，产生感应电动势使电流按指数规律上升。4、键盘显示 本次设计中，采用PCPC 作为扫描口信号反向放大器按显示器公共级，8031P口作为片选数据口。8155的PBPB作为行线输入。基本工作原理如下：键盘显示口电路图 当键松开时，测试信号为 1，键闭合，测试信号为0 ，当测试信号为1 则禁止，不能对键进行识别。键盘是由若干个按键组成的开关阵列，图中