6c163纵向数控改造设计-学位论文

沈阳工业大学硕士学位论文格式规范-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惯量：I4＝()2w＝()2×80＝0.468kg·cm2＝4.68N·cm2齿轮转动惯量：J1＝7.8×10-4×4.84×2=8.281kg·cm2=82.81N·cm2J2＝7.8×10-4×12.84×2=53.678kg·cm2丝杆传动惯量：J3=7.8×10-4×64×140=141.52kg·cm2=1415.2N·cm2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=EQ(141.52+53.68)+0.468+8.281=130.52kg·cm2=1305.2N·cm2(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，N·cm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WD6008③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3—23中查出型步进电机允许的最高空BF1-160载起动频率为3000Hz，运行频率为16000Hz，再从〈〈综合作业指导书〉〉图3—15，3—16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〈用软件实现〉，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CPU。CPU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H—2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A、B、C分别接到8031的P2。5，P2。6、P2。7，输出Y0~Y78个输出，低电平有效。Y0~Y7对应输入A、B、C的000至111的8种组合，其中Y0对应A、B、C为000，Y7对应A、B、C为111。74LS138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PA0—PA7作为显示器段选信号输出，PB0—PB7是显示器的位选信号输出，PC0—PC45根线是键盘扫描输入。8155芯片的IO/M引脚接8031芯片的P2。0，因为使用8155的I/O口故P2。0高电平。8255芯片PA0—PA6接X向、Y向和Z向步进电机硬件环形分配器，为输出，PB0—PB7为三个方向的点动及回零输入，PC0—PC5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4—19所示：X向，Y向步进电机硬件环形分配器采用YB015，3—2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2—3相通电四相八拍方式工作。A0、A1接高电平。三个芯片的选通输出控制E0分别接8255的PA0、PA3、PA5，清零R接8255的PA1，正、反转控制端分别接8255的PA2、PA4、PA6，时钟输入端CP接8155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）000xxxxxxxxxxxxx8K0000H～1FFFH2764(2)001xxxxxxxxxxxxx8K2000H～3FFFH6264010xxxxxxxxxxxxx8K4000H～5FFFH8155RAM10011110xxxxxxxx661009EFFHI/O1001111111111xxx69FF8H～9FFDH825501011111111111xx45FFCH～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ALE、PSEN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，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（A2图纸）。（3）地址计算：1）8155的地址计算：在8155中，采用P1.7来控制IO/M口，进行I/O和RAM选项控制。当P1.7=0时，选择RAM口，其地址为：010所以其地址为4000H-5FFFH（其中P1.7为0）当P1.7=1时，单片机选中I/O口，其地址为：010所以其地址为4000H-5FFFH（其中P1.7为1）因此：8155的具体地址： 命令字：4000HA口：4001HB口：4002HC口：4003H低四位：4004H高四位：4005H2）2764的地址：采用74LS138片选控制，地址选择如下：000所以地址范围为：0000H-1FFFH3）6264的地址：同样采用74LS138片选控制，地址选择如下：001所以地址范围为：2000H-3FFFH4）芯片列表：序号名称型号数量1微控制器MCS-803112数据存储器626413程序存储器276414锁存器74LS37315译码器74LS13816接口芯片815517键盘4x4键盘18显示器LED七段数码显示器69光电耦合器光电耦合器310电机驱动器HXD55驱动器111电阻若干12晶振20KHZ113电容若干4.3C6163经济型数控车床数控系统软件的设计直线圆弧插补程序设计在电机设备中，执行部件如果要实行平行斜线和圆弧曲线的路经运动，必须通过两个方向运动的合成来完成。在数控机床中，这是由X、Y两个方向运动的工作台，按照插补控制原理来实现的。在这里只以直线插补程序设计为例：(1)逐点比较法用逐点比较法进行直线插补计算，没走一步，都需要以下四个步骤：偏差判别：判别偏差Fm≧0或Fm≦0，从而啊决定哪个方向进给和采用哪个偏差计算公式。坐标进给：根据直线所在象限及偏差符号，决定沿+X、+Y、-X、-Y的哪个方向进给。偏差计算：进给每一步，计算新的加工偏差。终点判别：进给每一步后，终点计数器减1，若为0，表示到达终点停止插补不为0，则返回到第一步继续插补。终点计算判别可用两个方向的坐标植来判别，也可以由一个方向的坐标植来判别。当Xe﹥Ye，可用X方向的总步数Xe作为终点判别的依据，如动点X等于终点Xe则停止。当Xe<Ye，则用Y方向走的总步数Ye作为终点判别的依据。由此，第一象限直线插补程序的算法如下：a)判别Fm是大于0还是小于0。b)若Fm≧0，则想+X方向输出一进给脉冲，计算新的偏差Fm=Fm-Ye，并修改动点坐标为X=X+1；若Fm<0则向+Y方向输出一进给脉冲，计算新偏差Fm=Fm+Xe，并修改动点坐标为Y=Y+1。c)终点判别：若X=Xe（Y=Ye），则停止插补运算。否则转入第一步，重复上述步骤。第一象限直线插补程序框图如(2)程序设计设计程序时，在RAM数据区分别存放终点坐标值Xe，Ye，动点坐标值X、Y，偏差Fm。对8位机，一般可用2字节，而行程较大时则需用3字节或4字节才能满足长度和精度的要求。此外，所有的数据区必须进行初始化，如置初始值、X、Y向步进电机初态（控制字）。插补程序所用的内存单元如下：28H29H2AH2BH2CH70HXeYeXYFm电机正反转控制字电机正反转控制字为：D7D6D5D4D3D2D1D0逐点比较法直线插补框图如下：图4-2D1D0为X向电机控制位。D0=1运行，DO=0停止；D1=1正转，D1=0反转。D3D2为Y向电机控制位。D2=1运行，D2=0停止；D3=1正转，D3=0反转。第一象限的直线插补程序如下：ORG2000HMAIN：MOVSP，#60H；LP4：MOV28H，#0C8H；XeMOV29H，#0C8H；YeMOV2AH，#00H；XMOV2BH，#00H；YMOV2EH，#00H；FMOV70H，#7AHLP3：MOVA，2EHJBACC.7，LP1MOVA，70HSETBACC.0CLRACC.2MOV70H，A；置电机正反转控制字为0B，+X方向进给LCALLMOTR；调步进电机的控制子程序，+X方向进给一步LCALLDELA