CA6140普通车床横向进给系统的数控化改造设计说明书

1、一、设计任务书课程设计题目CA6140一般车床横向进给系统的数控化改造（经济型）学院机械工程学院专业机械制造及其自动化年级2010已知参数和设计要求：1.工作台重量：W300N（粗估）2.滚珠丝杆导程：T4mm（供参照）3.行程：S190mm4.脉冲当量：5.迅速进给速度：V快1.5m/min6.迅速进给速度：V进0.5m/min7.时间常数：t100ms学生应达成的工作：1.机械构造装置图A1图纸2张，要求视图基本完好、切合标准。2.数控系统构成框图(或画在设计说明书里面)A2图纸1张。3.数控系统电气原理图A1图纸1张。4.软件框图(或画在设计说明书里面)A2图纸1张当前资料采集状况（含指

2、定参照资料）：1.机床设计图册哈工大华中纺织工业大学2.机床设计手册机械工业第一版社3.机械设计手册化学工业第一版社4.微机接口设计参照书课程设计的工作计划：1.方案论证天2.机械部分设计天3.电气部分设计天4.软件设计天5.编写说明书1天（约8000字）6.准备辩论及辩论1天达成日期年代任务下达日期2013年12月23日日指导教师（署名）学生（署名）二、设计要求整体方案设计要求整体方案设计应试虑机床数控系统的种类，计算机的选择，以及传动方式和履行机构的选择等。（1）一般车床数控化改造后应拥有定位、纵向和横向的直线插补、圆弧插补功能，还要求能暂停，进行循环加工和螺纹加工等，所以，数控系统选连续

3、控制系统。（2）车床数控化改装后属于经济型数控机床，在保证必定加工精度的前提下应简化构造、降低成本，所以，进给伺服系统采纳步进电机开环控制系统。（3）依据一般车床最大的加工尺寸、加工精度、控制速度以及经济性要求，经济型数控机床一般采纳8位微机。在8位微机中，MCS51系列单片机拥有集成度高、靠谱性好、功能强、速度快、抗扰乱能力强、拥有很高的性价比，所以，可选MCS51系列单片机扩展系统。（4）依据系统的功能要求，微机数控系统中除了CPU外，还包含扩展程序储存器，扩展数据储存器、I/O接口电路；包含能输入加工程序和控制命令的键盘，能显示加工数据和机床状态信息的显示器，包含光电隔绝电路和步进电机驱

4、动电路，别的，系统中还应包含螺纹加工顶用的光电脉冲发生器和其余协助电路。（5）设计自动展转刀架及其控制电路。（6）纵向和横向进给是两套独立的传动链，它们由步进电机、齿轮副、丝杠螺母副构成，其传动比应知足机床所要求的分辨率。（7）为了保证进给伺服系统的传动精度和安稳性，采纳摩擦小、传动效率高的滚珠丝杠螺母副，并应有预紧机构，以提升传动刚度和除去空隙，齿轮副也应有除去齿侧空隙的机构。（8）采纳贴塑导轨，以减小导轨的摩擦力。（9）原机床的主要构造布局基本不变，尽量减少变动量，以降低成本缩短改造周期。（10）机械构造改装部分应注意装置的工艺性，考虑正确的装置次序，保正安装、调试、拆卸方便，需常常调整的

5、部位调整应方便。Y向光功步机电率进上拖板隔放电离大机微X向光功步电率进下拖板隔放电离大机机经济型数控车床整体方案框图数控车床改造的整体方案表示图三、机械部分的改造设计和计算进给系统机械构造改造设计进给系统改造设计需要变动的主要部分有挂轮架、进给箱、溜板箱、溜板刀架等改造的方案不是独一的。以下是此中的一种方案：挂轮架系统：所有拆掉，在原挂轮主动轴处安装光电脉冲发生器。进给箱部分：所有拆掉，在该处安装纵向进给步进电机与齿轮减速箱总成丝杠、光杠和操作杠拆去，齿轮箱连结滚珠丝杠，滚珠丝杠的另一端支承座安装在车床尾座端本来装轴承座的部分。溜板箱部分：所有拆掉，在本来安装滚珠丝杠中间支撑架和螺母以及部分操

6、作按钮。横溜板箱部分：将原横溜板的丝杠的、螺母拆掉，改装横向进给滚珠丝杠螺母副、横向进给步进电机与齿轮减速箱总成安装在横溜板后部并与滚珠丝杠相连。刀架：拆掉原刀架，改装自动展转四方刀架总成。横向进给伺服系统机械部分的计算与选型进给伺服系统机械部分的计算与选型内容包含：计算切削力、滚珠丝杠螺母副的设计、计算与选型、齿轮传动计算、步进电机的计算和选型等。已知条件：1.工作台重量：W300N（粗估）2.滚珠丝杆导程：T4mm（供参照）3.行程：S190mm4.脉冲当量：5.迅速进给速度：V快1.5m/min6.切削进给速度：V进0.5m/min7.时间常数：t100ms、传动计算uT360此中表示步

7、距角（本设计取），表示脉冲当量（本设计是）所以u3600.48T、切削力计算主切削力Faf0.750.751108.7NC1840p切深抗力Fp(0.10.6)Fc0.5Fc0.51108.7554.4N走刀抗力Ff(0.150.7)Fc0.5Fc0.51108.7554.4N式中ap表示切削深度，f表示进给量，本设计取ap=，f=。、滚珠丝杠设计计算横向运动的导轨形式常为燕尾形导轨，其轴向力的实验公式为：FmKFf(Fc2FpW)式中，系数K为，摩擦系数取所以FmKFf(Fc2FpW)1.4554.40.05(1108.72554.4300)902N1）疲惫强度计算滚珠丝杠的当量动载荷Cm为

8、:Cm3LFwFQFm60nT式中，L为工作寿命，L,n为丝杠转速，T为适用时间寿命，数控机床取106T15000(h)，故L60nT60V快1000T135(106转)2Tg106106fw为载荷系数，取；fQ为精度系数，取1所以Cm3LFwFQFm36107.9N由上述当量动载荷，且使用条件为横向进给，应选择丝杠FFB2205。2）刚度验算滚珠丝杠的刚度依据下式校核：123丝杠的支撑方式：一端固定，一端简支。丝杠拉压弹性位移1Fml19024509.04103mmAE（25）2.1104丝杠副内滚珠与滚道的接触变形的1/3时的接触刚度，查手册得转动轴承的接触变形3Fm9021.77m，k2

9、是预紧力为额定载荷2510k2k2=510.11/32/3，初选推力球轴承0.52（2）?FmDwZ51104,Dw5.56，Z14，代入上式得，34.72m。又因为轴承存在预紧力，所以12.26m,210.89m,3132.36m11224212312.2416，丝杠精度取4级。0.45、确立齿轮参数因为3600.48，取Z124，Z250，齿轮模数m2.5mmuT，所以u360T所以d1mZ122448mm,d2mZ2250100mm，轴向长度l116mm,l214mm、步进电机的选择（1）负载转矩ML180FmML式中，为电机到丝杠的总传达效率查机械设计手册取齿轮传达效率为，转动轴承，推

10、力轴承，联轴器滚珠丝杠的效率计算：导程角：tan1(s)tan1(5)4.550。d20效率：tantan4.5500.965tan()tan(4.55010)所以总效率：总0.980.994故ML180Fm1800.0051039020.379Nm0.750.908（2）滚珠丝杠副预紧惹起的附带转矩M0M0180KF0式中，F0为丝杠螺母的预紧力，K为预紧螺母内部的摩擦系数，取180KFm1801039020.023Nm所以M00.75（3）加快度转矩MmMm(f1f0)J180t式中，f1为电机工作频次，切削进给时，v进10000.510005000Hzf160600.0053迅速进给时，

11、v快10001.510005000Hzf160600.005f0200Hz（突跳起动频次）t0.1s（加快时间）J(J0J1)(Z1)2(J2J3)m(180)2Z2d式中，J0为电机转子惯量，初取4.7kgcm2关于资料为钢的圆柱形部件，其转动惯量可按下式计算：J7.8104D4LJ17.8104D4L7.81044.841.60.745kgcm211J27.8104D24L27.81041041.412.48kgcm2J37.810447.810424450.5616kgcm2D3L3所以J(J0J1)(Z1)2(J2J3)m(180)2Z2d0.482300(1800.005101)9.

12、80.758.46104kgm2Mm(空)(f1f0)J180t0.755000-200）8.4610-4（0.15316NmMm(进)(f1f0)J180t0.755000-2003-4（）8.46100.10.1624Nm所以选用Mm(空)所以M总MLM0Mm（空）。m9.336kgcm09336N又因为M电/M1.52,取M电18.672kgcm依据上述转矩，查表选电机型号为110BF003。四、单片机型数控系统硬件电路设计设计内容1）依据总统方案以及机械构造的控制要求，确立硬件电路的方案，并绘制系统电气控制的构造框图；2）选择计算机或中央办理单元的种类；3）依据控制系统的详细要求设计储

13、存器扩展电路；4）依据控制对象以及系统工作要求设计扩展接口电路，检测电路，变换电路以及驱动电路等；5）选择控制电路中各器件及电气元件的参数和型号；6）绘制出一张清楚完好的电气原理图，图中要注明各器件的型号，管脚号及参数；7）说明书中对电气原理图以及各相关电路进行详尽的原理说明和方案论证。控制系统的功能要求1）z向和x向进给伺服运动控制2）自动展转刀架控制3）螺纹加工控制4）行程控制5）键盘及显示6）面板管理7）其余功能：光电隔绝、功率放大、报警、急停、复位。硬件电路的构成：后边所画大图采纳MCS-51系列单片机构成的控制系统硬件电路原理图。电路的构成以下：1）CPU采纳8031芯片；2）扩展程

14、序储存器2764两片，6264一片；3）扩展可编程接口芯片8155两片；4）地点锁存器，译码器个一个；5）键盘电路，显示电路；6）光电隔绝电路，功率放大功率；7）越程报警电路，急停电路，复位电路；8）面板管理电路。RAMROMCPUI/O接口光电功率步进隔绝放大电机外设键盘、显示器数控系统构造框图选择电气元件及电路设计微机机型和扩展储存器的选择确立微机机型就是选择CPU。单片机价钱低、靠谱性较高，合用于控制，选择单片机做控制器比较适合。依据整体方案确实定，微机采纳MCS-51系列单片机。51系列有三种型号：8031是无ROM的8051；8751是用EPROM取代ROM的8051。当前，工控机中

15、应用最多的是8031单片机。本设计就采纳8031单片机。8031单片机是美国Intel企业的产品MCS51系列单片机的一个型号，是当前性能较高的8位单片微型计算机。8031单片机内部包含一个8位CPU，128字节的RAM，两个16位准时器，四个八位并行口，一个全功能串行口，可扩展的外面程序储存器和数据储存器的容量为64K字节，拥有5此中止源并配有两个优先级，还有21个特别功能寄存器。所以8031单片机是一种理想的8位微型计算机，在各样数控系统中的到广泛的应用。A程序储存器的扩展a采纳2732芯片常用的EPROM储存器有2716，2732，2764，27128，27256等，容量分别为2K、4K

16、、8K、16K，32K。因为车床数控系统包含系统控制程序和加工程序，采用4KB8的2732芯片。2732芯片是一个有24根引脚的双列直插式集成元件。该芯片共有13根地址线A0A12，8根数据线D0D7，其余的为控制线。2732低八位地点线和74LS373的输出端连结,高六位地点线直接与8031的连结。它的八位数据线直接与8031的P0口连结。b地点锁存器74LS373单片机规定P0口供给低8位地点线，同时又要作为数据线，所以P0是一个分时输出低8位地点和数据的通道口。为了把地点信息分别出来保留，供给外接储存器的低8位地点信息，往常采纳74LS373作为地点锁存器。除74LS373外，74LS2

17、73、8282、8212等芯片也可用作地点锁存器，使用时接法稍有不一样，因为接线稍繁，多用硬件和价钱稍贵，故不如74LS373用得广泛。74LS373作为地点锁存器。D1D8是输入端，Q1Q8是输出端，CE是片选端，片选端G与8031单片机的地点锁存信号ALE连结。当片选端G=1时，74LS373的输出端与输入端相通，当G端从高电平返回低电平（降落沿）时，输入的地点信息就被锁入Q1Q8中。B数据储存器的扩展a采纳6264芯片数据储存器采纳8K8位的6264芯片。6264低8位地点线经过地点锁存器74LS373与8031P0口相接，高5位地点线分别与相连，8位数据线直接接到8031P0口，读写控

18、制引脚OE,WE与8031的读写控制引脚RD,WR直接相连，片选端CE1经过译码电路与8031相连。b地点译码器74LS138外面芯片都经过总线与单片机连结，单片机数据总线分时地与各个外面芯片进行数据传递，故需进行片选控制。若芯片内有多个地点单元时，还要进行片内地点选择。8031单片机应用系统的地点译码规定，外面扩展芯片与数据储存器一致编址，所之外面芯片不单占用数据储存器必定数目的地点单元，并且要使用读/写信号与读/写指令达成数据传递。经济型数控硬件构造中采纳全地点译码方式。所谓全地点译码是：低位地点作为片内陆点，高位地点用译码器译码，译码器输出的地点选择信号作为片选线连至每个外面芯片的片选端

19、。地点译码常用74LS138译码器，G1、G2A和G2B是赋能端，A、B、C是选择端，Y0Y7是输出端。74LS138地点译码电路输入端出占用了8031单片机的三根高位地点线，节余的13根地点线用作数据储存器的内陆点线。74LS138译码器每一个输出端可接一个外面芯片的片选端实现分时片选控制，所以，一个74LS138译码器的8根输出端能够连结8个8K字节地点空间。单片机的读/写信号经过与门后控制译码器的赋能端G2A、G2B，这就保证只有在读/写状态时译码器输出端才会输出片选。确立I/O接口8031只有P1口可作为一般I/O口用，所以需扩展。键盘需要32个键，采纳矩阵式键盘，需12个I/O口；显

20、示器采纳6个LED，需6个I/O接口；两个三相步进电机，采纳软件环行分派器，需6个；刀架需4个；紧迫停需1个。采纳一片8279芯片和一片8255A即可。键盘/显示器接口采纳8279芯片，因为8279芯片是专用的键盘/显示器接口芯片，还能够编程。8279芯片拥有消颤（去颤动）、双键同时按下保护功能。显示控制亦按扫描方式工作，能够显示8或16个数码（字符）。LED的个数应知足显示值的要乞降便于显示。8279与单片机8031的连结无特别要求，除数据线、RESET、WR、RD直接连结外，CS与74LS138译码器输出线Y1相连；8279的IRQ经反相器与8031的中断恳求输人线INT1相连；时钟输人端

21、CLK与8031的地点锁存控制端ALE相连。8279键盘最大可配置88个键，实质用了32个键。扫描线信号为SL0SL2，经74LS138译码器输出的4个列选信号，接入键盘列线。键盘行查问用了RL0RL7的8根回馈线，接人键盘行线。8279配置的8位共阴极LED显示器，其字位线由扫描线SL0SL2经译码器、驱动器供给，字段线由OUTA0OUTBA3、OUTB0OUTB3经过驱动器供给。键盘接口设计第一判断键盘上有无键闭合，先送8255的PA口一个数据为00H，使列线PA0PA7的电均匀为0，而后读PB口的PB0PB2的状况；若不全为“1，”则有键闭合，此时延时10ms去掉颤动后再判断有无键闭合。

22、如无则持续扫描，若有则判断按下的键号。如确立有键按下时，便开始计算键值。当采纳8行4列的键盘时，定义第一行的键为00H03H，定义第二行键的键值为04H07H，挨次类推。第一判断是哪一行有键闭合，若第一行有键闭合，设置初值为00H，若第二行有键闭合，则设置初值为04H，挨次类推。接着对列线进行扫描以判断是哪一列闭合。方法上使PA0对应的列线输出低电平，其余均为高电平，判断一下能否第一列有键闭合，若有则列计数为00H，与初值相加则为键值，也即是键盘的键号，如无则把低电平移到第二列上再判断，直到四列线全判断完成，找出列线为止。而后计算键值，最后可依据键号跳转到相应的键功能程序的进口。步进电机驱动电

23、路设计(1）脉冲分派器步进电机的控制方式由脉冲分派器实现，其作用是将数控装置送来的一系列指令脉冲按必定的分派方式温次序输送给步进电机的各相绕组，实现电机正反转。数控系统中往常使用集成脉冲分派器和软件脉冲分派器。本设计采纳集成脉冲分派器YB013。（2）光电隔绝电路在步进电机驱动电路中，脉冲分派器输出的信号经放大后控制步进电机的励磁绕组。假如将输出信号直接与功率放大器相连，将会惹起电气扰乱。所以在接口电路与功率放大器间加上隔绝电路实现电气隔绝，往常使用光电耦合器。（3）功率放大器脉冲分派器的输出功率很小，远不可以知足步进电机的需要，一定将其输出信号放大产生足够大的功率，才能驱动步进电机正常运行。

24、所以一定采纳功率放大器，需依据步进电机容量选择功率放大器。本设计采纳功率放大器。其余协助电路设计（）的时钟电路单片机的时钟能够由两种方式产生：内部方式和外面方式。内部方式利用芯片的内部振荡电路，在XTAL1，XTAL2引脚上外接准时元件，如下列图所示。晶体能够在.之间随意选择，耦合电容在pF之间，对时钟有微调作用。采纳外面时钟方式时，可将XTAL1直接接地，XTAL2接外面时钟源。（）复位电路单片机的复位都是靠外面电路实现。在时钟工作后，只需在引脚上出现ms以上的高电平，单片机就实现状态复位，以后便从单元开始履行程序。在实质运用中，若系统中有芯片需要其复位电平与复位要求一致时，能够直接相连。五

25、、系统控制软件的设计系统控制软件的主要内容数控系统是依据预先编好的控制程序来实现各样控制功能。依据功能可将数控系统的控制软件分为以下几个部分：1、系统管理程序：它是控制系统软件中实现系统协调工作的主体软件。其功能主假如接受操作者的命令，履行命令，从命令办理程序到管理程序接收命令的环节，使系统处于新的等候操作状态。2、部件加工源程序的输入办理程序。该程序达成从外面I/O设施输入零件加工源程序的任务。3、插补程序。依据部件加工源程序进行插补，分派进给脉冲。4、伺服控制程序。依据插补运算的结果或操作者的命令控制伺服电机的速度，转角以及方向。诊疗程序。包含挪动不见挪动超界办理，紧迫停机办理，系统故障诊

26、疗，查错等功能。5、机床的自动加工及手动加工控制程序。6、键盘操作和显示办理程序。包含监督键盘操作，显示加工程序、机床工作状态、操作命令等信息。软件设计系统控制功能剖析数控X-Y工作台的控制功能包含：（1）、系统初始化。如对I/O接口8155，8255A进行必需的初始化工作，预置接口工作方式控制字。（2）、工作台复位。开机后工作台应当自动复位，亦可手动复位。（3）、输入和显示加工程序。（4）、监督按键，键盘及开关。如监督紧迫停机键及行程开关，键盘扫描等功能。（5）、工作台超程显示与办理。工作台位移超出规定值时应当立刻停止工作台的运动，并显示相应的指示字符。（6）、工作台的自动控制。（7）、工作

27、台的手动控制。（8）、工作台的联动控制。系统管理程序控制管理称许是系统的主程序，开机后即进入管理程序。其主要功能是接受和履行操作者的命令。在设计管理程序时，应确立接收命令的形式，系统的各样操作功能等。数控X-Y工作台的基本操作功能有：输入加工程序，自动加工，刀位控制，工作台地点控制，手动操作，紧迫停机等。步进电机控制子程序设计步进电机的控制包含速度，转角及方向的控制。步进电机在忽然启动或停止时，因为负载和惯性，会使电机失步，所以电机运行时有一个加，减速过程。经过确立进给脉冲数和脉冲时间间隔，即可实现步进电机转角与速度的控制。1）时间常数确实定在步进电机控制程序中，利用单片机的准时器中止，延时产

28、生进给脉冲的时间间隔。此间隔由送入准时器的时间常数决定。时间常数由下式计算：TeT103te106式中：T为脉冲时间间隔（ms）；te为单片机机器周期（s），在时钟为6MHz时，te=2s。2）步进电机加，减速进给脉冲及脉冲时间间隔确实定设步进电机加，减速方式为直线加，减速。要使步进电机不失步，应知足：TmTgTI式中：Tm为步进电机启动力矩；Tg为负载力矩；TI为惯性力矩。由步进电机Tjmax=3。92N。m，取步进电机的加快启动力矩TMTjmax0.8660.33920.8660.3101.84则使步进电机不失不的惯性力矩TITmTg101.84步进电机角加快度TI5.27102676.2

29、5(rad/s2)Jd0.7793104dbdfbfmax又dtdttm式中：tm为上涨到步进电机最高频次所需时间，所以有：1.52fmax1667tm36064.5(ms)b676.25加快脉冲个数：n1ft1166764.510353.76m2max2确立加减脉冲个数都为54个又因为：n0.5ftn0.5(fmaxtn)tntm2tmnm所以脉冲时刻tnfmaxTeT103联合te106能够算出对应各脉冲时刻的计数器时间常数。EPROM储存器中，时间常数挨次安排在首地点为1000H的储存单元中，每个时间常数占有两个字节，低位地点寄存时间常数低8位，高位地点寄存时间常数高8位。在程序中，设置

30、加快，恒速，减速脉冲计数器N0，N1，N2。以计数器的值能否为0作为相应过程能否结束的标记。步进电机控制程序框图以下所示：图5-3步进电机控制子程序图5-4步进电机控制中止服务程序编语言程序设计（1）内存地点分派加快脉冲数计数器N0地点设为20H；恒速脉冲数计数器N1低8位字节地点为21H，高8位字节地点位22H；减速脉冲数计数器N2地点位23H。加快，减速，恒速脉冲总数寄存器N低位字节地点位24H，高位字节地点位25H；步进电机进给控制子程序FEED首地点位0E80H。每调用一次该程序，步进电机按规定方向进给一步。（2）程序清单7N0EQU20H;加快N1LEQU21H;恒速N1HEQU22

31、HN2EQU23H;减速NLEQU24H;脉冲总数寄存器NHEQU25HDSEQU26H；地点指针偏移量FEEDEQU0E80HORG0E00H0E007581600E03758901START：MOVP，#60HMOVTMOD，#01H；设计数器工作方式为1，16位准时器MOVN0，#01A4H；设N0为320MOVN2，#1A4HMOVA，N0；计算2XN0RLAMOVR0，ACLRC；计算N1=N-2N0MOVA，NLSUBBA，R0MOVN1L，AMOVA，NHSUBBA，#00HMOVN1H，AMOVDPTR，#1000H；设时间常数指针初值为1000HMOVDS，#00H；设地点偏

32、移量初值为00HMOVCA，A+DPTR；从EPROM中读时间常数MOVTL0，A；送时间常数至准时器0中INCDSMOVA，DSMOVCA，A+DPTRMOVTH0，AINCDSSETBEA；开中止同意SETBET0；同意准时器0中止SETBTR0；启动准时器0开始计算WAIT：JBEA，WAIT；中止同意返回RET中止服务程序：ORG000BHLJMP0F00HMOVCA，A+DPTRMOVTL0，AINCDSMOVA，DSMOVCA，A+DPTRMOVTH0，AINCDS；改正地点偏移量指针ACALLFEED；调FEED子程序MOVA，N0；判断N0能否为0CJNEA，#00H，LOOP1MOVA，N1H；判断N1能否为0CJNEA，#00H，LOOP2MOVA，N1HCJNEA，#00H，LOOP2MOVA，N2判断