机电一体化系统课程设计-纵向改造CA6140车床说明书

彦向大摩彦向大摩说明书内页第I。页GUANGXIUNIVERSITY一、前言随着科学技术的迅猛发展，数控机床已是衡量一个国家机械制造水平的重要标志。目前机床数控化改造的市场在我国还有很大的发展空间，现在我国机床数控化率不到3%。用普通机床加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长，从而在国际、国内市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的产品、市场、效益，影响企业的生存和发展，所以必须大力提高机床的数控化率。采用经济型数控系统对普通机床数控改造，尤其适合我国机床拥有量大、生产规模小的具体国情。《电气时代》、《机械工人》、《电气应用》等多家杂志为满足广大企业技术改造发展生产的需要，多次联合举办学习班，为企业提供权威、经济、可行、实用的技术指导，改造费用为新购置费用的四分之一到三分之一。普通机床的数控改造有两方面的意义：1、微观看改造的意义从微观上看，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)可以实现加工的自动化，而且是柔性自动化，从而效率可比传统机床提高3〜7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。如：降低了工人的劳动强度，节省了劳动力(一个人可以看管多台机床)，减少了工装，缩短了新产品试制周期和生产周期，可对市场需求作出快速反应等等。以上这些优越性是前人想象不到的，是一个极为重大的突破。此外，机床数控化还是推行FMC（柔性制造单元）、FMS（柔性制造系统）以及CIMS（计算机集成制造系统）等企业信息化改造的基础。数控技术已经成为制造业自动化的核心技术和基础技术。2、宏观看改造的意义从宏观上看，工业发达国家的军、民机械工业，在70年代末、80年代初已开始大规模应用数控机床。其本质是，采用信息技术对传统产业（包括军、民机械工业）进行技术改造。除在制造过程中采用数控机床、FMC、FMS外，还包括在产品开发中推行CAD、CAE、CAM、虚拟制造以及在生产管理中推行MIS（管理信息系统）、CIMS等等。以及在其生产的产品中增加信息技术，包括人工智能等的含量。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后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。二、普通机床的数控改造方案的确定1、系统总体改造方案的确定目前，在机械加工工业中，绝大多数是旧式机床，如果改用微机控制，实现机电一体化的改造，会使机床适应小批量、多品种、复杂零件的加工，不但提高加工精度和生产率，而且成本低、周期短，适合我国国情。利用微机实现机床的机电一体化改造的方法有两种：一种是以微机为中心设计控制部件；另一种是采用标准的步进电机数字控制系统作为主要控制装置。前者需要新设计控制系统，比较复杂；后者选用国内标准化的微机数控系统，比较简单。这种标准的微机数控系统通常采用单片机、驱动电源、步进电机及专用的控制程序组成开环控制，如图2-1所示，其结构简单、价格低廉。对机床的控制过程大多是由单片机按照彦向大摩彦向大摩说明书内页第I。页GUANGXIUNIVERSITY彦向大摩彦向大摩说明书内页第I。页GUANGXIUNIVERSITY席两次第说明书内页第席两次第说明书内页第3页GUANGXIUNIVERSITY输入的加工程序进行插补运算，产生进给，由软件或硬件实现脉冲分配，输出一系列脉冲，经功率放大、驱动刀架、纵横轴运动的步进电机，实现刀具按规定的轮廓轨迹运动。微机进行插补运算的速度较快，可以让单片机每完成一次插补、进给，就执行一次延时程序，由延时程序控制进给速度。电机电机

功率放大电路

光电隔离

驱动器电机电机

功率放大电路

光电隔离

驱动器

I/O口扩展

存储器扩展微机CPU清功钮

ST零能纵横等轴限位

主轴脉冲发生器回转刀架

（车刀）继电器刀架控制电路刀架电机图2-1开环控制系统框图2、机械系统的改造方案的确定在熟悉原机床的操作过程及传动系统后，根据设计要求确定系统的机械传动系统改造方案。包括电机型号的选择，减速比的确定，齿轮模数及齿轮的确定，原有丝杠及导轨是否要重新更换，改换成滚珠丝杠螺母副时丝杠螺母副的型号及安装形式如何确定，导轨的设计方法等。对CA6140车床的纵向（Z向）进给运动进行数控改造，此时可将开合螺母合上，离合器M脱开，使主运动与进给运动脱开，此时，将脱落螺杆等横向自5动进给机构调至空挡（脱开）位置。若原刀架为自动转位刀架，则可以由微机控制自动转换刀具，否则仍由手动转动刀架。如需加工螺纹，则要在主轴外端或其他适当位置安装一个脉冲发生器来检测主轴转位，用它发出的脉冲来保证主轴旋转运动与纵向进给运动的相互关系。这种改造方案成本较低。但是，为了保证加工精度，还需根据实际情况进行检修，才能保证控制精度。原有机床运动部件（包括导轨、丝杠副等）安装质量的好坏，直接影响阻力和阻力矩的大小，应尽量减小阻力（力矩），以提高步进电机驱动力矩的效率。对丝杠及轴要提高其直线度，导轨压板及螺母的预紧力都要调得合适。为减少导轨副的摩擦阻力可改换成滚动导轨副或采用镶塑料导轨。根据阻力（力矩），切削用量的大小及机床型号的不同，应通过计算，选用与之相匹配的步进电机。如果选用步进电机的最大静转矩过大，价格就贵，机电一体化改造的成本就高，且对用户来说，在使用中，始终用不到那么大的驱动能力，也是一个浪费；如果选得过小，在使用中很可能因各种原因而使切削阻力突然增大，驱动能力不够，将会引起丢步现象的产生，造成加工误差。因此，必须对执行元件进行匹配选择。对加工精度较高的机床，其进给丝杠应换成滚珠丝杠副。3、微机控制系统方案的确定（1）、微机控制系统的总体组成数控部分采用MCS-51系列单片机控制，其典型代表有8031、8051、8075等，其中8031的价格低，功能强，使用灵活等特点，比较适用于一般机床的数控改造，但由于其无内存，必须外接存储及I/O扩展芯片才可以成为一个较简单的微机控制系统。存储芯片的选择依据系统控制程序的大小及CPU的字长，I/O扩展芯片的个数根据整个系统需要的I/O通道的个数来确定。（2）、软硬件任务合理分配涉及软、硬件任务分配的有：控制步进电机的脉冲发生与脉冲分配；数码显示的字符发生；键盘扫描管理。上述三个都可以用砖用硬件芯片实现，也可用软件编程实现。用硬件实现，编程时比较简单，但同时增加了硬件成本及故障源。用软件实现，可节省芯片，降低成本，但增加了编程难度。在决定用何种方法实现时，应统筹兼顾，同时还应根据设计者的软、硬件方面的实际经验及能力。

计算与说明主要结果三、机床传动部分的改造（一）系统负载的确定1、确定系统脉冲当量脉冲当量是衡量数控机床加工精度的一个基本技术参数。经济型数控车床采用的脉冲当量是0.01〜0.005mm/脉冲，此次改造的CA6140车床在纵向的脉冲当量取0.01mm/脉冲。2、切削力计算用经验公式计算主切削力对于车床的主切削力纵切：Fz=0.67D1^（N）Dmax——车床床身上加工最大直径（mm）F=0.67X4001.5=5360（N）z按比例分别求出分力Fx和Fy,由Fz：Fx：Fy,=1：0.25：0.4Fx——走刀方向Fy—一切深抗力得：Fx=0.25X5360=1340（N）F=0.4X5360=2144（N）作用在进给拖板上的载荷可按下列式子求出:拖板上进给方向载荷：F=F=1340（N）LX拖板上垂直方向载荷：F=F=5630（N）VZ拖板上横向方向载荷：F=F=2144（N）CY（二）滚珠丝杠螺母副的设计、计算与选型1、计算进给率引力Fm（最大工作载荷）F=KF+f'（F+G）mxV根据设计任务要求，查表3—4《机电一体化专业课程设计指导书》，选综合型导轨，其K=1.15,摩擦系数f=0.16,工作台重量G=800（N），则：Fm=1.15X1340+0.16X（5360+800）=2526.6（N）2、计算最大动载荷CF=3LFFFFz=5360（Fz=5360（N）Fx=1340（N）Fy=2144（N）Fm=2526.6（N）彦向大摩彦向大摩说明书内页第I。页GUANGXIUNIVERSITY彦向大摩彦向大摩说明书内页第I。页GUANGXIUNIVERSITY彦历大学说明书内页GUANGXIUNIVERSITY彦历大学说明书内页GUANGXIUNIVERSITY第页光耦合器选用光耦合器选用G0102GUANGXIUNIVERSITY从等效电路可得：I=I+1cbIR=U=8.03BEIR=E-U=72c2nBE选择耦合器输入电流I=10mA（最大的电流为50mA）,电流传输比C=30%；iTRI=IC=10义30%=3mAciTR解上述方程组得：R=8K。；R=24KQ。32（3）确定R1前面已选定耦合器输入电流I=10mA，可得到光耦合器输入正

i向压降为1.3V，所以R=（5—1.3）/1=370Q。1i（4）确定R，R56R=8KQ3R=8KQ3R=24KQ2R=370Q1和电流，单稳已翻转成低电平）。首先确定基极电流I。c2负载的平均阻抗：Z氏E/1=80/6=13.3QnNb,T2的饱和电流：I=（E-2U-U）/Zcs（2）HCESn=（192-2义2-80）/13彦向大摩彦向大摩说明书内页第I。页GUANGXIUNIVERSITY彦向大摩彦向大摩说明书内页第I。页GUANGXIUNIVERSITY氏8.31AT2基极电流应为：I=I/hB2cs（2）Fg=8.31/3000=2.77mA光耦合器输入电流为100mA,所以：光耦合器输出电流：I=ICc2iTR=10x33%=3.3mA因此：I=I-1=3.3-2.776c2B2=0.53mAC,求U（0点电位）0在期间0<t<t，U是变化的，变化范围近似为E—2至Eb0HH一E，计算时取平均值：nU=［（E—2）+（E—E）］/20HHn=［（192-2）+（192-80）］/2=151VT2的等效输入电阻为：R=U/1T2BESB2=8/0.35x10-3=22.86KQR=U/1=8/0.53x10-3215.09KQ6BES6R=（U-U-U）/18HCES0C2=（192-2-151）/3.3x10-3=11.82KQd,确定R9为提供给单稳和驱动门足够输入电流（各5mA），所以：R9=500Qe,选择D1，D2选用2CZ13A硅整流二极管彦向大学说明书内页第29页GUANGXIUNIVERSITYf,单稳态多谐振荡器74221翻转时间的确定当单稳74221的“清除端”加高电平A端加低电平时，B端正跃变可使单稳的Q端从低电平变成高电平，经过一段时间自动翻转成低电平，恢复到稳定状态，Q端输入一个脉冲，脉冲宽度由外电阻R（取10KQ）和C决定，即：TX一八一R=10KQTt=RCLn2bTX则：C=t/（Ln2R）XbTC=0.096NFX=0.667x10-3/（Ln2x10x10-3）=0.096NF74221为双单端多谐振荡器，步进电机需用3片74221。六、微机控制系统软件设计（一）模块组成本程序主要由如下模块组成：1、主模块用于系统初始化和监控；其中初始化包括8155初始化、缓冲区清零、定时/计数常数的设置、开中断等处理；监控主要判断是否有命令按下，并根据命令调用相应的子程序模块。主模块流程图如下；彦向大摩彦向大摩说明书内页第I。页GUANGXIUNIVERSITY彦向大摩彦向大摩说明书内页第I。页GUANGXIUNIVERSITY开始①8031串行口工作方式设定(方式))②8155初始化③8255初始化④键盘、显示缓冲器清零显示提示符‘p"键盘扫描有命令发出否？N根据各键盘功能、定义

转向相应功能块0功能10功能1功能N功能根据键盘功能键的设定，相应的子程序模块包括“一”、“一”、“t”、“I”各个命令及“暂停”命令处理模块。这里设定一标志，其作用是反映XY工作台的当前运动方向。标志位为内部RAM区的2BH，其定义如下：2BH单元值当前运动方向TOC\o"1-5"\h\z=01H-+X=02H--X=03Ht+Z=04HI-Z=00H初始时为00H2、子程序模块使用暂停键“STOP”子模块，暂停键功能是暂时使XY工作台停止移动，因此只需停止步进脉冲信号即可。3、越界报警、急停处理模块本模块的主要功能是当XY工作台移动越出边界时进行应急处理，停止一切正常工作，由复位重新使系统处于正常工作状态。报警用红灯亮指示。4、实时修改显示缓冲区数据模块根据键盘的接口电路，可以用编程扫描方式和定时扫描方式。这里选择后一种，用定时中断模块同时完成键盘和显示的扫描。对于键盘扫描，应该解决去抖动问题，一般调用延时10ms左右来实现，而对于显示扫描，为保证多位同时显示而无闪烁，应使扫描频率高于50Hz。设定定时时间为3ms，即每隔3ms中断1次，修改一次显示位，每位显示的点亮时间是3ms,扫描一遍共需5X3=15ms,扫描频率约64Hz，高于50Hz。键盘采用每隔3X3=9ms扫描一次，其目的是消除键盘抖动。设置一标志位，其地址为内存RAM30H单元，用于计数中断次数，当其等于3时，正好隔9ms,马上查询键盘。另外还应设一标志位，用以标志连续两次查询到按键值是否一样，其地址为31H,定义如下：（31H）=1,表明上次查询有键按下；（31H）=0,则为无键按下。只要当上次有键按下，且隔9ms后再次查询有同一键按下时，才能确认有键按下，否则均视为误动作，不予理睬。5、键盘、显示定时扫描管理模块本模块采用中断方式，其作用是通过对8155定时/计数的输出信号，也即对步进脉冲进行计数，来修改显示缓冲区中工作台当前工作位置。根据步进电机的实际脉冲当量，一个步进脉冲，相当于工作台位移增量为0.01mm,可以设定中断计数常数为10,每中断一次，工作台运动0.1mm,这里用内部RAM单元为中断次数计数器。（二）缓冲区设置应设置两个缓冲区：键盘缓冲区和显示缓冲区。1、键盘缓冲区主要用于存放由键盘输入的命令，长度为4字节，地址为8031内部RAM区20H〜23H,第一字可用于缓冲区空、满等标志，定义如下：（20H）=00H,缓冲区为空，（20H）=01H,缓冲区内未处理完的命令个数，显然（20H）=30H时即为满。其余3个字节内存放具体的命令码。为防止误操作，可以进一步规定：命令码若为00H,为无效命令。从本系统的施加情况及后面的软件框图可以看出，键盘缓冲区很少出现两个或两个以上未处理的命令码，一般情况只要一个命令码，马上会得到处理。2、显示缓冲区主要用于存放欲显示的具体数据，每一字节对应一显示位，共5个字节，地址为8031内部RAM25H~29H，分别对应百位、十位、个位（包括小数点）、10E-1位和10E-2位。除以上缓冲区外，根据需要，可以设立一些标志位，视具体情况而定。（三）中断优先级所处理时间为紧急的则其中断级别为最高，根据本题实际情况，中断模块的优先级如下：模块名级别TOC\o"1-5"\h\z越界报警、急停处理模块0高实时修改显示缓冲区数据模块1键盘、显示定时扫描管理模块2七、设计小结机电一体化系统设计课程设计是机电一体化系统课程的最后一个教学环节，同时也是一次对学生进行全面的机电一体化设计训练。通过这次课程设计，我学会了怎样去运用机电一体化系统设计的知识去分析和解决课程设计中遇到的问题，真正的学以致用，这不仅进一步巩固和深化了所学的知识；同时，培养了正确的设计思想和分析问题、解决问题的能力。在设计时，认真阅读参考资料，根据具体地设计条件和要求，借鉴前人的设计经验和