C63纵向数控改造设计毕业设计.doc

1、摘 要目前,在市场上购买一台数控车床的价格远大于改装一台普通车床所需花费,且在有技术条件下,对普通车床的数控化改造更可行所以,本课题着重对普通车床的数控化改造设计本设计是对普通车床c6163的数控化改造,主要是对原有机床的结构进行创造性的设计,最终使机床达到比较理想的状态其中主要对伺服系统数控系统等方面做了详细的计算和设计 本文研究了数控伺服系统的工作原理,阐述了c6163机床的数控化改造方案,分析了数控化改造过程中数控系统的选型根据机械动力学及电气设计原理,对数控机床的主传动系统进行了设计和校核;根据进给系统的要求,对切削力和滚珠丝杠进行了计算,并选配了合适的齿轮和进给电机主要设计过程如下:

2、首先,明确设计任务,构思总体结构方案,确定主要构件位置和总体结构;其次,根据工作条件进行理论计算,分析性能要求,合理选择主要零部件;第三,对设计的产品进行经济性环保性分析 通过设计,可以得到以下结论:一是,机床数控化改造后,能够达到所要求的加工精度,有很大的经济价值;二是,设计理论不够成熟,本设计最大的缺陷是从生产技术来看,设计产品的实用与推广进一步研究我们要加强理论与实践的结合,使我们的设计越来越科学先进关键词:c6163车床;数控化;改造设计 43 目 录第一章 概论 1.1数控系统发展的简史21.2国内数控机床状况的分析21.3数控系统的发展趋势21.4机床数控化改造的必要性3第二章普通

3、车床数控改造的可行性论证2.1 车床的数控改造42.2可行性论证7第三章设计方案3.1总体设计方案的确定83.2横向进给伺服系统机械部分的计算与校核 103.2.1 选择脉冲当量113.2.2计算切削113.2.3滚珠丝杆螺母副的计算与选型123.2.4齿轮传动比的计算16 3.2.5步进电机的计算,校核与选型17第四章 数控系统硬件电路设计4.1数控系统基本硬件组成224.2单片机控制系统的设计24 4.2.1 硬件电路的组成24 4.2.2机械控制系统原理及电路设计总结264.3数控车床数控系统软件的设计29参考文献341 概 论1.1 数控系统发展简史 1946年诞生了世界上第一台电子计

4、算机,这表明人类创造了可增强和部分代替脑力劳动的工具它与人类在农业工业社会中创造的那些只是增强体力劳动的工具相比,起了质的飞跃,为人类进入信息社会奠定了基础6年后,即在1952年,计算机技术应用到了机床上,在美国诞生了第一台数控机床从此,传统机床产生了质的变化1.2国内数控机床状况分析1.2.1国内数控机床现状:近年来我国企业的数控机床占有率逐年上升,在大中企业已有较多的使用,在中小企业甚至个体企业中也普遍开始使用在这些数控机床中,除少量机床以fms模式集成使用外,大都处于单机运行状态,并且相当部分处于使用效率不高,管理方式落后的状态2001年,我国机床工业产值已进入世界第5名,机床消费额在世

5、界排名上升到第3位,达47.39亿美元,仅次于美国的53.67亿美元,消费额比上一年增长25%但由于国产数控机床不能满足市场的需求,使我国机床的进口额呈逐年上升态势,2001年进口机床跃升至世界第2位,达24.06亿美元,比上年增长27.3%近年来我国出口额增幅较大的数控机床有数控车床数控磨床数控特种加工机床数控剪板机数控成形折弯机数控压铸机等,普通机床有钻床锯床插床拉床组合机床液压压力机木工机床等出口的数控机床品种以中低档为主1.3 数控系统的发展趋势1.3.1继续向开放式基于pc的第六代方向发展:基于pc所具有的开放性低成本高可靠性软硬件资源丰富等特点,更多的数控系统生产厂家会走上这条道路

6、至少采用pc机作为它的前端机,来处理人机界面编程联网通信等问题,由原有的系统承担数控的任务pc机所具有的友好的人机界面,将普及到所有的数控系统远程通讯,远程诊断和维修将更加普遍1.3.2向高速化和高精度化发展:这是适应机床向高速和高精度方向发展的需要1.4机床数控化改造的必要性1.4.1微观看改造的必要性:从微观上看,数控机床比传统机床有以下突出的优越性,而且这些优越性均来自数控系统所包含的计算机的威力 (1) 可以加工出传统机床加工不出来的曲线曲面等复杂的零件由于计算机有高超的运算能力,可以瞬时准确地计算出每个坐标轴瞬时应该运动的运动量,因此可以复合成复杂的曲线或曲面 (2) 可以实现加工的

7、自动化,而且是柔性自动化,从而效率可比传统机床提高37倍由于计算机有记忆和存储能力,可以将输入的程序记住和存储下来,然后按程序规定的顺序自动去执行,从而实现自动化数控机床只要更换一个程序,就可实现另一工件加工的自动化,从而使单件和小批生产得以自动化,故被称为实现了柔性自动化 (3) 加工零件的精度高,尺寸分散度小,使装配容易,不再需要修配 (4) 可实现多工序的集中,减少零件在机床间的频繁搬运 (5) 拥有自动报警自动监控自动补偿等多种自律功能,因而可实现长时间无人看管加工 (6) 由以上五条派生的好处 1.4.2宏观看改造的必要性 从宏观上看,工业发达国家的军民机械工业,在70年代末80年代

8、初已开始大规模应用数控机床由于采用信息技术对国外军民机械工业进行深入改造(称之为信息化),最终使得他们的产品在国际军品和民品的市场上竞争力大为增强而我们在信息技术改造传统产业方面比发达国家约落20年如我国机床拥有量中,数控机床的比重(数控化率)到1995年只有1.9%,而日本在1994年已达20.8%,因此每年都有大量机电产品进口这也就从宏观上说明了机床数控化改造的必要性2 普通车床数控改造的可行性论证对于普通车床的经济型数控改造,在考虑总体设计方案时,应遵循的原则是:在满足设计要求的前提下,对机床的改动应尽可能的少,以降低成本2.1 车床的数控改造2.1.1数控机床工作原理及组成(1) 数控

9、机床工作原理:数控机床加工零件时,首先应编制零件的加工程序,这是数控机床的工作指令将加工程序输入到数控装置,再由数控装置控制机床主运动的变化起停,进给运动的方向速度和位移量以及其它如刀具选择交换工件夹紧松开和冷却润滑的开关等动作,使刀具与工件及其它辅助装置严格的按照加工程序规定的顺序轨迹和参数进行工作,从而加工出符合要求的零件(2) 数控机床的组成:数控机床主要由控制介质数控装置伺服系统和机床本体等四部分组成,其组成框图如图2-1 图2-1数控机床的组成图2.1.2设计内容及任务普通车床(c6163)的数控改造设计内容包括:总体方案的确定和验证机械改造部分的设计计算(包括纵向横向进给系统的设计

10、与计算)主运动自动变速原理及改造后的机床传动系统图的设计机床调速电动机控制电路的设计本设计任务是对c6163卧式车床进行数控化改造,实现微机对车床的数控化控制利用微机对车床的纵向横向进给系统进行数字控制,并要达到纵向最小运动单位为0.01/脉冲,横向最小运动单位0.005/脉冲,主运动要实现自动变速,刀架要改造成自动控制的自动转位刀架,要能自动的切削螺纹2.1.3 数控部分的设计改造(1) 数控系统运动方式的确定数控系统按其运动轨迹可分为:点位控制系统连续控制系统点位控制系统只要求控制刀具从一点移到另外一点的位置,而对于运动轨迹原则上不加控制连续控制系统能对两个或两个以上坐标方向的位移进行严格

11、的不间断的控制由于c6163车床要加工复杂轮廓零件,所以本微机数控系统采用连续控制系统(2)伺服进给系统的设计改造 数控机床的伺服进给系统按有无位置检测和反馈可分为开环伺服系统半闭环伺服系统闭环伺服系统闭环控制方案的优点是可以达到高的机床精度,能补偿机械传动系统中的各种误差,消除间隙干扰对加工精度的影响但他结构复杂技术难度大调式和维修困难造价高半闭环控制系统由于调速范围宽,过载能力强,又采用反馈控制,因此性能远优于以步进电动机驱动的开环控制系统但是,采用半闭环控制其调式比开环要复杂,设计上也要有其自身的特点,技术难度较大开环控制系统中没有位置控制器及反馈线路,因此开环系统的精度较差,但其结构简

12、单,易于调整,所以常用于精度要求不高的场合经过上序比较,由于所改造的c6163车床的目标加工精度要求不高,所以决定采用开环控制系统(3) 数控系统的硬件电路设计 数控系统都是由硬件和软件两部分组成,硬件是控制系统的基础,性能的好坏直接影响整体数控系统的工作性能数控装置的设计方案通常有:2.1.4机械改造部分的设计(1) 主传动部分的改造设计 将原机床的主轴电动机换成变频调速电动机,无级调速部分由变频器控制将原机床的主轴手动变速换成有电磁离合器控制的主轴变速机构改造后使其主运动和进给运动分离,主轴电动机的作用只是带动主轴旋转(2) 进给机构的改造将原机床的挂轮机构进给箱溜板箱滑动丝杠光杠等全部拆

13、除纵向横向进给以步进电动机作为驱动元件经一级齿轮减速后,由滚珠丝杠传动2.2 可行性论证 根据自动化制造系统,可行性论证使用户建造自动化制造系统项目前所进行的技术和经济性分析报告,是上级主管部门审定和批准立项的基本依据同样,在进行普通车床的经济型数控改造之前进行合理的科学的可行性论证是必要的根据传统的论证方法,普通车床的经济型数控改造的可行性论证应围绕以下几个方面进行,即企业生产经营现状及存在的问题分析,企业生产经营目标,改造的基础条件目标技术方案投资概算效益分析,改造后车床的实施计划,结论等由于本设计仅作为大学本科生的毕业设计,故在此,设计者仅对改造的投资概算作一简要的可行性论证本改造设计是

14、对普通车床c6136进行经济型数控改造在改造设计中,采用自己设置的数控装置,加上两台伺服电机,两套滚珠丝杠副和相配的传动部分以及齿轮副,一台变频调速电动机,四个电磁离合器以及主传动部分的齿轮副这样设备改造费用和旧设备费用总计不会超过8万元因此,对普通车床作经济型数控改造适合我国国情,是国内企业提高车床的自动化能力和精密程度的有效选择它具有一定的典型性和实用性 3 设计方案3.1 总体方案的确定3.1.1系统的运动方式与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顺圆和逆圆插补暂停循环加工公英螺纹加工等功能,故应选择连续控制系统考虑到属于经济型数控机床加工精度要求不高,为了简化结构

15、降低成本,采用步进电机开环控制系统3.1.2 计算机系统根据机床要求,采用8位微机由于mcs51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性能价格比高等特点,决定采用mcs51系列的8031单片机扩展系统3.1.3 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了保证一定的传动精度跟平稳性,尽量减少摩擦力选用滚珠丝杆螺母副同时,为了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3.1.4 运动方式的确定数按系统运动方式可分为点位控制系统点位/直线系统和连续控制系统由于c6163车床要加工复杂轮廓零件,所以本次设计采用连续控

16、制系统3.1.5 系统的选择伺服系统可分为开环控制系统半闭环控制和闭环控制系统经过比较,由于c6163车床加工精度要求不高,所以决定采用开环控制系统3.1.6 机构传动方式的确定为确保数控系统的传动精度和工作平稳性,在设计机械传动装置时,通常提出低摩低惯量高刚度无间隙高谐振以及有适宜尼比的要求在设计中应考虑以下几点:(1) 尽量采用低磨擦的传动和导向元件如采用滚珠丝杠螺母传动副滚动导轨贴塑导轨等(2) 尽量消除传动间隙例如采用隙齿轮等(3) 提高系统刚度缩短传动链可以提高系统的传动刚度,减小传动链误差可采用预紧的方法提高系统刚度例如采用预加负载导轨和滚珠丝杠副等3.1.7 微机的选择微机数控系

17、统由cpu存储器扩展电路i/o接口电路伺服电机驱动电路检测电路等几部分组成3.2 横向进给伺服系统机械部分计算与校核实例3.2.1 计算切削力横切端面式中车床床身上加工最大直径横切端面时主切削力可取纵切时的式中 走刀方向的切削力(n) 垂直走刀方向的切削力(n) 3.2.2 杆螺母副的设计计算与选型(1) 计算牵引力横向进给选为三角型或综合导轨 参考机床设计手册.26.2-2;6.2-3表式中:,切削分力(n) g移动部件的重量(n) 表1-1查得横向溜板及刀架重力500n 滑动导轨摩擦系数,随导轨形式而不同 取=0.15-0.18 k考虑颠复力矩影响的实验系数 取k=1.15(2) 计算最大

18、动负载c 选用滚珠丝杆导轨 参考机床设计手册.3p185-p210式中:l寿命,以转为一单位 n丝杆转速(r/min) 为最大切削条件下进给速度,可取最高进给速度的1/2-1/3 取 丝杆导程(mm) 初选=6mm t为使用寿命(h),对于数控机床取15000h 运转系数,查表3-14一般取1.2-1.5(3) 螺母副的选型可采用wd3006外循环垫片调整紧的双螺母滚珠丝杆副,1列2.5圈,其额定动负载为9700n,精度等级按表3-17选为3级(4) 传动效率计算式中:螺旋升角,wd3006 摩擦角取 滚动摩擦系数0.003-0.004 (5) 刚度验算横向进给丝杆支承方式图2所示,最大牵引力

19、2087.98n,支承间距l=350mm,因丝杆长度较短,不需预紧螺母及轴承预紧计算如下:丝杆的拉伸或压缩变形量(mm)查阅,根据=2087.98n,d=30mm查出 可算出: c) 滚珠与螺纹滚道间接触变形量查图得w系列1列2.5圈滚珠和螺纹滚道接触变形量 因进行了预紧d) 支承滚珠丝杆的轴承的轴向接触变形 采用推力球轴承5204查阅机床设计手册.2表5.9-137,d=20mm,滚动体直径=5.556mm,数量z=13综合以上几项变形量之和:(6) 稳定性校核计算临界负载(n) 式中:e材料弹性模量() i截面惯性矩() l丝杆两轴承端距离(cm) 丝杆支承方式系数,从表3.15中查出,一

20、端固定,一端简支为2.00 一般=2.5-4.0,所以此滚珠丝杆不会产生失稳 (7) 横向滚珠丝杆副的几何参数 (见表1)表1参数名称符号关系式wd3006螺纹滚道公称直径30导程6接触角钢球直径3.175滚道法面半径r1.651偏心距e0.045螺纹升角螺杆外径d29.365内径26.788接触直径26.83螺母螺纹直径d33.212内径30.6353.2.3 齿轮传动比计算已确定横向脉冲当量,滚珠直径导程=6mm, 初选步进电动机步距角可计算传动比: 考虑到结构上的原因不使大齿轮直径太大,以免影响到横向溜板有行程,故此处可采用两级齿轮降速因进给运动齿轮受力不大,模数取2,有关参数参照表2表

21、2: 传动齿轮几何参数齿数 z18452032分度圆d=mz36904064齿顶圆40944468齿根圆31853559齿宽(6-10)m20中心距6352 3.2.4 横向步进电机的计算,校核和选型(1) 初选步进电机a) 计算步进电机负载转矩 式中: 脉冲当量,取0.01mm/step. 进给牵引力(n) 步距角,初选双拍制为 电机丝杆传动效率为齿轮轴承丝杆效率之积分别为 b) 估算步进电机起动转矩根据负载转矩除以一定的安全系数来估算步进电机起动转矩(n.cm) 一般横向进给伺服系统取0.4-0.5c) 计算最大静转矩查表3-22如取五相十拍,则d) 计算步进电机运行频率和最高启动频率 式

22、中:最大切削进给速度 最大快移速度 脉冲当量,取 根据估算出的最大静转矩在表3-23中查出150bfg2815最大静转矩为245n.cm 可以满足经济型数控机床有可能使用较大的切削用量,应该选用稍大转矩的步进电机,以留有一定余量,另一方面与国内同类型机床进行类比的要求决定采用150bfg2915,但从综合作业指导书p24页查出,步进电机最高空载启动频率为4000hz,满足空载时(3333.33hz)的要求(2) 校核步进电机转矩前面所述初选步进电机的转矩计算,均为估算,初选后,应该进行校核计算a) 等效转动惯量计算计算简图见图2,根据表3-24,经二对齿轮降速时,传动系统折算到电机轴上的总转动

23、惯量可由下式计算: 式中:齿轮及其轴的转动惯量 齿轮的转动惯量 丝杆转动惯量 丝杆导程(cm) g工件及工作台重量(n) g=500(n)b) 齿轮轴丝杆等圆柱体惯量计算 表3-24所示圆柱体转动惯量计算公式如下: 对于钢材,式中:m圆柱体质量 d圆柱体直径 (cm) l圆柱体长度或原长(cm) 钢材的密度为 因此 基本满足惯量匹配的要求c) 电机转矩计算机床在不同的工况下,其所需转矩不同,下面分别按各阶段计算: 快速空载起动转矩在快速空载起动阶段,加速转矩占的比例较大,具体计算如下: 式中: 快速空载起动转矩 空载起动时折算到电机轴上的摩擦转矩 折算到电机轴上的摩擦转矩 由于丝杆预紧时折算到

24、电机轴上的附加摩擦转矩 在采用丝杆螺母副传动时,上述各种转矩可用下式计算: 式中:传动系统折算到电机轴上的总等效转动惯量 电机最大角速度 电机最大转速 运动部件最快速度 脉冲当量 步进电机的步距角 运动部件从停止到起动加速到最大快进速度所需时间(s) 起动加速时间=30(ms) 折算到电机轴上的摩擦转矩 式中: 导轨的摩擦力(n) 垂直方向的切削力(n) g运动部件的总重量(n) 导轨摩擦系数,取=0.15 齿轮降速比 传动链总效率,一般可取0.7-0.8 附加摩擦转矩: 式中: 滚珠丝杆预加负荷,一般取,为进给牵引力(n) 滚珠丝杆导程(cm) 滚珠丝杆未预紧时的传动效率,一般取 上述三项合

25、计: 快速移动时所需转矩 最大切削负载时所需要的转矩 式中: 折算到电机轴上的切削负载转矩 从上面计算看出三种工况下,以快速空载所需转矩最大,即以此项作为校核步进电机转矩的依据从表3-22查出,当步进电机为五相十拍时为则最大静转矩为: 从表3-23查出150bfg2815最大转矩为为245,大于所需最大静转矩,可以满足此项要求d) 校核步进电动机起动矩频特性和运行矩频特性前面已经计算出机床最大快移时,需步进电机的最高起动频率为3333.33hz,切削进给时所需步进电机运行频率为1666.7hz从表3-23中查出150bfg2815型步进电机允许的最高空载起动频率为4000hz,运行频率为160

26、00hz,再从图3-15,3-16查出150bfg2815步进电机起动矩频特性和运行矩频特性如图3所示: 当快速运动和切削进给时,150bfg2815型步进电机起动矩频特性和运行矩频特性可以满足要求3.3纵向进给伺服系机械部分计算与校核3.3.1 计算切削力主切削力f(n)按经验公式估算:走刀方向的切削分力(n)车床身上加工最大直径(mm)=630mm=10594.63(n) :=1:0.25:0.4走刀方向的切削力垂直走刀方向的切削力=0.25=2648.66(n)=0.4=4237.85(n)3.3.2 丝杆螺母副的计算和造型(1) 计算进给牵引力纵向进给选为综合导轨参考表6.22,6.2

27、3两表查书综合作业指导书p22在正常情况下:考虑颠复力矩影响的实验系数,综合导轨取k=1.15滑动导轨磨擦系数0.150.18溜板及刀架重力查综合作业指导书表11,取=800n=1.152648.66+0.16(4237.85+500)=2175.94(n)(2) 计算最大动负载cc=参考机床设计手册.3p185p210 选用滚珠丝杆导轨式中:滚珠丝杆导程 初选为最大切削力条件下的进给速度,可取最高进给速度的1/21/3 取=1m/min使用寿命(h),对于数控机车取 =15000h 运转系数,按一般运转取1.21.5(查表314综合作业指导取为1.2寿命以 转为1单位丝杆转速r/min125

28、113c=19512.57(3) 滚珠丝杆螺母副的选型可采用wd6008外循环螺纹调整预紧的双螺母珠丝杆副,1列2.5圈,其额定功动负载为18200(n),精度等级按表综合作业指导书表3-17选为3级(4) 传功效率计算:=式中:r螺旋升角,wd6008 r=磨擦角取10 滚动磨擦系数0.0030.004(5) 刚度验算先画出此纵向进给滚珠丝杠支承方式草图如a图所示,最大牵引力2175.94(n)支承l=1500mm,丝杆螺母及轴承均进行预紧,预紧力为最大轴向负荷1/3 丝杠的拉伸或压缩变形量 图3-5查综合作业指导书图3-4,根据=2175.94(n), 查出10-5 可算出=(0.6510

29、-51500)mm=0.97510-2 mm由于两端均采用向心推力球轴承,且丝杆进行了预拉伸,故其拉压刚度可以提高4倍其实际变形量(mm)为=1/4=0.97510-2/2=0.24410-2mm 滚珠与螺纹滚道间接触变形查综合作业指导书图3-5,w系列1列2.5圈滚珠和螺纹滚道接触变形量 =6.0m因进行预紧 =1/2=1/26.0=3.0m 支承滚珠丝杆轴承的轴向接触变形采用d8208型推力球轴承,=35mm,滚动体直径=6.35mm,滚动体数量z=18, 注意此公式中单位应为n因施加预紧力,故 =1/2=1/20.009065=0.004528mm根据以上计算 =+=0.00244+0.

30、0030+0.004528=0.009968479.39n可以满足要求,但从表中看出130bf001步进电机最高空载起动频率为3000hz,不能满足=3333hz的要求,此项指标可暂不考虑,可以采用软件开降速程序来解决(2) 校核步进电机转矩前面所初步电机的转矩计算,均为估算,初迭之后,应该进行校核计算错误!未找到引用源效转动惯量计算计算简图如前(a)所示,根据综合作业指导书表3-24,传动系统计算到电机轴上的总的转动惯量 可由下式计算:=+(+)+()步进电机转子转动惯量().矢轮z1z2的转动惯量()滚珠丝杆转动惯车()参考同类型机床,初步反应式步进电机bf1,作台质量折算到电机轴上的转动

31、惯量: i4=()2w=()280=0.468kgcm2=4.68ncm2 齿轮转动惯量: j1=7.810-44.842=8.281kgcm2=82.81 ncm2 j2=7.810-412.842=53.678kgcm2 丝杆传动惯量: j3=7.810-464140=141.52kgcm2=1415.2 ncm2电机转动惯量很小,可以忽略因此,总的转动惯量:j=(j3+j2)+j1+j4 =(141.52+53.68)+0.468+8.281 = 130.52 kgcm2=1305.2 ncm2(1) 所需转动力矩计算快速空载启动所需力矩:最大切削力负载时所需力矩:式中:-空载启动时折算

32、到电机轴上的加速度力矩 折算到电机轴上的摩擦力矩 由于丝杆预紧所引起,折算到电机轴上的附加摩擦力矩 切削时折算到电机轴上的加速度力矩 折算到电机轴上的切削负载力矩 当时, 当时, 当,时, ncm 当时,预加载荷则 所以,快速空载启动所需力矩: 快速进给时所需力矩: 切削时所需力矩: 由以上分析计算可知:所需最大力矩发生快速启动时: ,所以选择型号wd6008 校核步进电机起动矩频特性和运行矩频特性已计算出机床最大快移时需步进电机的最高起动频率为3333hz,切削进入时所需步进电机运行频率为1333.3hz从综合作业指导书表323中查出型步进电机允许的最高空bf1-160载起动频率为3000h

33、z,运行频率为16000hz,再从图315,316查出bf1-160步进电机起动矩频特性和运行矩频特性曲线如(c)图所示,当步进电机起动时,时,不能满足此机床所要求的空载起动力矩222.916n.cm直接使用则会施行失步现象,所以必须采取开降进控制,将起动频率到1000hz起动转矩可增高到588.4n.cm,然后电路上再采用高低压驱动电路,可将电机输出转矩扩大一倍左右当快速运动和切削进给时,bf1-160型步进电机运行矩频特性(d)图完全可以满足要求: 图3-64 数控系统硬件电路设计4.1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,硬件是数控机床的基础,其性能的好坏,直接影

34、响整个系统的工作性能,有了硬件,软件就能发挥作用 机床数控机床的硬件电路概括起来又以下四部分组成:中央处理单元cpucpu是数控系统的核心总线包括数据总线(db) 地址总线(ab)和控制总线(cb)存储器包括只读可编程存储器和随机读写存储器i/o输入输出接口电路由于8031只有p1口和p3口部分能提供用户作为i/o口使用,不能满足输入输出口的需要,因而系统必须扩展输入输出接口电路从附录h图h2可以看出,系统扩展了一片8155和一片8255可编程i/o接口芯片8155的片选信号ce接74ls138的y0,8255芯片片选信号cs接到74ls138的y2端74ls138三八译码器有三个输入abc分

35、别接到8031的p25,p26p27,输出y0y7 8个输出,低电平有效y0y7对应输入abc的000至111的8种组合,其中y0对应abc为000,y7对应abc为11174ls138还有三个使能端,其中2个(ga和gb)为低电平使能,另一个g1为高电平使能吸有当使能端均处于有效电平时,输出才能产生,否则输出处于高电平无效状态i/o接口芯片与外设的连接是这样安排的:8155芯片pa0pa7作为显示器段选信号输出,pb0pb7是显示器的位选信号输出,pc0pc4 5根线是键盘扫描输入8155芯片的io/m引脚接8031芯片的p20,因为使用8155的i/o口故p20高电平8255芯片pa0pa

36、6接x向y向和z向步进电机硬件环形分配器,为输出,pb0pb7为三个方向的点动及回零输入,pc0pc5为面板上的选择开头是输入,设有编辑单步运行单段运行自动手动i手动ii等方式系统各芯片采用全地址译码,各存储器及i/o接口芯片的地址编码如表419所示:x向,y向步进电机硬件环形分配器采用yb015,32相通电五相十拍方式工作,故a0,a1引脚均接+5v,z向步进电机配件环形分配采用yb014,是以23相通电四相八拍方式工作a0a1接高电平三个芯片的选通输出控制e0分别接8255的pa0pa3pa5,清零r接8255的pa1,正反转控制端分别接8255的pa2pa4pa6,时钟输入端cp接815

37、5芯片的timrout,用以决定脉冲分配器输出脉冲分配器输出脉冲的频率为实现插补时不同的进给速度,可给8155芯片的定时/计数器中设置不同的时间常数芯 片接74ls138引脚 地址选择线片内地址单元(b) 地址编码2764(1)000xxxxxxxxxxxxx8k0000h1fffh2764 (2 )001xxxxxxxxxxxxx8k2000h3fffh6264010xxxxxxxxxxxxx8k4000h5fffh8155ram10011110xxxxxxxx661009effhi/o1001111111111xxx69ff8h9ffdh825501011111111111xx45ffch

38、5fffh 表5,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,输入输出接口是系统与外界进行交换的桥梁总线则是cpu与存储器,接口以及其它转换的纽带,是cpu与部分电路进行交换和通讯的必由之路 数控系统的硬件框图为:图4-14.2 单片机控制系统的设计1 向和x向进给伺服系统运动2 键盘显示3 自动转位刀架控制4 螺纹加工控制5 面板控制6 行程控制7其他功能 报警电路急停电路复位电路光隔离电路功能电路等4.2.1 硬件电路的组成采用mcs-5系列单片机组成的控制系统硬件电路原理图电路的组成如下:a) 采用8031作cpub) 扩展了

39、两片2764芯片一片6264芯片c) 两片8155可编程并行i/o接口d) cpu存储器及i/o接口cpu采用8031芯片,选用6mhz晶体振荡器它的作为数据总线和地址共用16位地址线由经地址锁存器74ls373提供8位地址,高8位地址由8031的口直接提供ale为地址锁存允许为低电平时选通外部存储器(eprom),相应的指令字节出现在eprom的数据线()上,输入到口,8031将指令读入reset为复位控制,当reset输入端出现高电平时,8031被初始化复位,在复位有效期向alepsen也输出高电平当reset输入端返回低电平后,cpu从o地址开始执行程序(故设计中一定有一片2764芯片连

40、到74ls138的)设计中采用上电复位和开关复位另外,两片8155的reset也与8031的reset管脚相连,它们可同时复位8031的是片内的定时器/计数器溢出中断申请,由主轴后面的光电编码器输入当车床车螺纹时,主轴光电编码器向8031发出进给脉冲,用以控制不同导程的螺纹加工光电编码器还发出一个零位螺纹信号,输入8155(1)的,用以防止车螺纹乱扣8155(1)主要用于功能键的控制,刀架转位控制以及报警等其中pa口为输入口,作为功能键的控制管理,刀架控制编辑空运行自动手动i,手动和回零pb口也是输入口,由面板上的按键分别控制起动暂停单段连续急停等功能是换刀回答,当自动转位刀架按指令转位夹紧,

41、刀架电机停转之后,发出此信号,开始执行进给指令接光电编码器输出的零位螺纹信号pc口是输出口,控制自动转位刀架四个刀位的选刀用于报警显示,系统正常工作时,输出低电平,绿色发光二极管亮,当系统出现异常情况时,输出高电平,经反向后,红色发光二极管亮,实现报警功能 8155(2)控制步进电机,行程控制,以及键盘,显示电路其中为输出口,用于控制z向x向步进电机运转,z向步进电机为五相,x向为三相此系统采用软件分配键盘显示电路为46键和6位显示器作为键盘的6条列线,是键盘扫描线,是输出口接行线作为键盘输入口是6位数码显示器的位选信号,8031的口是数码显示器的段选信号接越程限位控制电路,当床鞍或拖板在z向

42、或x向越程时,即向计算机输入此信号,使进给系统停止 表6 :数控车床控制系统芯片地址分配芯片接74ls138引脚地址选择线片内地址单元地址编码2764(1)000xxxxxxxxxxxxx8k0000h-1fffh2764(2)001xxxxxxxxxxxxx8k2000h-3fffh6264010xxxxxxxxxxxxx8k4000h-5fffh8155(1)i/o0110000100000xxx66100h-6105h8155(2)i/o1000000100000xxx68100h-8105h4.2.2机械控制系统原理及电路设计总结:设计要求: 采用mcs-51系列单片机来完成此控制系统

43、的设计,完成控制系统原理图等.主要包括键盘,led显示,电动机的启动停止单进控制联动控制等的控制.同时还要有一些自动错误处理功能.如限位控制,驱动出错处理,这就需要在程序设计时提供相应的中断处理程序(2)方案分析: 由前面电动机的选择:选用电动机型号为130bf001的步进电机.此电机是一个五相十拍的电动机由机电一体化可以知道步进电机的运行特性与配套的驱动电源(驱动器)由密切的关系驱动器由脉冲发生器和功率放大器两大部分组成的在微机控制电机过程中,需要使电机按照一定规律变化进行运动,而控制这部分规律变化的部分叫做脉冲分配器实现脉冲分配有两种方法:计算机软件和硬件电路法当有了环形脉冲分配后,还是不

44、够的由于我们的脉冲是由微机单片机发出的,属于低电平,是不能直接驱动电机进行运动的,这时我们可以采用功率放大电路将脉冲进行功率放大,然后驱动硬件电路 对于复杂的电路驱动,如五相十拍电路,具有a,b,c,d,e无相,他的十拍工作方式为:ab-abc-bc-bcd-cd-cde-de-dea-eab-ab-对于这这种复杂的驱动方式,如果采用软件编程或者硬件电路来实现驱动控制都是比较复杂的,这时我们可以采用专用驱动控制芯片,这里采用hxd55型五相混合式驱动器 我们采用mcs-51系列的8031型的单片机作为微机控制的主芯片系统原理图中,采用74ls373进行p0口的锁存,同时扩展一片2764的程序存储器和一片6264的数据存储器,作为系统的数据处理和存储之用同时,我们需要扩展键盘和显示,就需要扩展接口来连接采用8155进行接口扩展,pa口,pc口属于输出口,pb口属于输入口pa口的八根地址连接成44的键盘接口电路,pb口用于led的八路接口,同时用pc口的6路进行led的位控接口同时由p2口的p2.5,p2.6,p2.7进行74ls138的片选输入,对2764和6264进行片选系统原理电路图见附图(