c6132普通车床数控化改造设计本科毕设论文

摘要XXXX大学本科毕业设计论文丝杠导程为0.005m；计算圆柱体转动惯量的公式为J=为材料密度，d为传动件的等效直径，l为轴向长度；按照上式可依次计算出各传动件的转动惯量，其中丝杠的等效直径取mm经计算：，，则将各传动部件及工作台质量折算到电机轴上的总的转动惯量2)惯量匹配验算参考同类型机床，初选反应式步进电机110BF003型反应式步进电动机，查《机械设计手册第5卷》表34.3-11得到其最大静转矩Ts=4.87N.m,则<=0.82<1所以惯量匹配比较合理。3）步进电机负载能力校验作用在步进电动机轴上的总负载转矩T可按下式计算①空载启动时，电动机轴上的惯性转矩：②电动机轴上的当量摩擦转矩：③工作台上的最大轴向载荷折算到电动机轴上的负载转矩：④设滚珠丝杠螺母副的预紧力是最大轴向载荷的，则可得到因预紧力而引起的、折算到电动机轴上的附加摩擦转矩：则空载启动时电动机上的总负载转矩为反应式步在最大外载荷下工作时，电动机轴上的总负载转矩为步进电机正常运行时所需的最大静转矩Ts可由以下经验公式计算由于初选的步进电机110BF003最大静转矩>mas所以按给定要求110BF003步进电机可以正常启动，可作为初选电机，但还必须进一步考核步进电机的启动矩频特性和运行矩频特性。电机最大空载启动频率和最大运行工作频率的确定从《机械设计手册（新版）第5卷》表34.3-11查出110BF003型步进电机允许最大空载启动频率为1500Hz，运行频率为7000Hz.再查出110BF003步进电机的启动矩频特性和运行矩频特性曲线。可看出，当步进电机起动时，远远不能满足此机床所要求的空载起动力矩，直接使用则会产生失步现象，所以必须采用升降速控制，将起动频率降到1230Hz.，起动力矩可增高到M=196N.m左右，，即可满足要求。当快速运动和切削进给时，110BF003型步进电机运行矩频特性完全可以满足要求。5）系统刚度计算丝杠螺母机构的刚度主要由丝杠本身的拉压刚度、丝杠螺母间的接触刚度以及轴承和轴承座组成的支承刚度三部分组成。由于丝杠本身的扭转刚度与拉压刚度相比要小得多，故可将其忽略不计。①丝杠本身的最大、最小拉压刚度②轴承和轴承座组成的支承刚度丝杠的扭转刚度动态分析丝杠工作台纵振的最低频率折算到丝杠轴上系统的总当量转动惯量为如果忽略电动机轴与减速器的扭转变形，则系统最低扭振固有频率为此设计中，>>300rad/s,>>300rad/s说明系统动态特性良好，满足要求。7）系统误差分析①死区误差查《机电一体化设计》式5-59可得max<0.005mm所以满足单脉冲进给的要求。②由系统刚度变化引起的定位误差影响系统定位误差的因素很多，但是主要是由丝杠螺母机构综合拉压刚度的变化锁引起的定位误差。查《机电一体化设计基础》式5-60可得到由丝杠螺母机构综合拉压刚度的变化所引起的最大定位误差为对于开环控制的伺服系统，将其控制在定位误差的1/3~1/5范围内，由于系统要求的定位精度为mm，即允许的定位误差为0.02mm，<<0.004mm,因而系统刚度满足定位精度要。综合上述7条分析，所选步进电动机100BF003以及CDM2005-5-P3丝杠螺母副符合设计要求。第四章硬件电路设计4.1单片机数控系统硬件电路设计内容当前，在经济型数控机床控制系统中广泛采用关国Intel公司的MCS--51系列单片计算机，因此本章着重介绍用MCS--51系列单片徽机构成的控制系统的设计内容，方法及步骤。单片微机数控系统硬件电路设计包括以下几部分内容：（一）绘制系统电气控制的结构框图根据总体方案及机械结构的控制要求，确定硬件电路的总体方案，绘制系统电气控制的结构框图。数控系统是由硬件和软件两部分组成。硬件是组成系统的基础，有了硬件，软件才能有效地运行。硬件电路的可靠性直接影响到数控系统性能指标。机床硬件电路由以下五部分组成。（1）主控制器，即中央处理单元CPU。（2）总线。包括数据总线、地址总线和控制总线。（3）存储器。包括程序存储器和数据存储器（4）接口。即I/O输入/输出接口电路。（5）处围设备。如键盘、显示器及光电输入机等。（二）选择中央处理单元CPU的类型。在徽机应用系统中，CPU的选择应考虑以下因素：（1）时钟频率和字长，这个指标将控制数据处理的速度。（2）可扩展存储器（包括ROM和RAM）的容量。（3）指令系统功能，影响编程灵活性。（4）I/O口扩展的能力，即对外设控制的能力。（5）开发手段，包括支持开发的软件和硬件电路。此外还要考虑到系统应用场合，控制对象对各种参数的要求，以及经济价格比等经济性的要求。目前在经济型数控机床中，推荐采用MCS—51系列单片微机作为主控制器。（三）存储器扩展电路设计在存储器扩展电路设计应该包括程序存储器和数据存储器的扩展。在选择程序存储器芯片时，要考虑CPU与EPROM时序的匹配，还应考虑最大读出速度、工作温度及存储器的容量等问题。在存储器扩燕尾服电路的设计中还应包括地址锁存器和译码电路的设计。（四）I/O口即输入／输出接口电路设计应包括接口芯片的选用，步进电机控制电路，键盘显示电路以及其他辅助电路的设计（例如复位电路，越界报警电路，掉电保护电路等）。此外，不同的数控系统还要求配备不同的外设，这些部分的电路设计也应包括。4.3存储器扩展电路设计4.3.1地址锁存器选用现选择74LS373作单片机地址锁存器芯片。74LS373引脚图4.3.2外部程序存储器选择选用27128的扩展电路需要用到8031的P215引脚,这样的话,80的引脚就不够与3-8译码器相连,因此,扩展两片2764芯片。4.3.3内部程序存储器选择选用6264作为数据存储器扩展芯片。4.3.4外部I/O接口电路的扩展因为8031单片机本身提供的输入、输出口线只有P1口和部分P3口线,所以要对其系统进行I/O口扩展。扩展I/O口所用芯片主要有通用可编程I/O口芯片及TTL或CMOS锁存器、缓冲器电路两大类。I/O口扩展方式主要有并行总线扩展法和串行口扩展法。这里选用可编程I/O口芯片,可编程接口是指其功能可由计算机的指令来改变的接口芯片。可编程接口通过编制程序,可使一个接口芯片执行多种不同的接口功能,使用十分灵活。用它来连接计算机和外设时,不需要或只需要很少的外加硬件。在8031单片机中常用的两种接口芯片:8255和8155可编程通用并行接口。8255具有3个8位的并行I/O口,具有三种工作方式,可通过编程改变其功能,使用方便,通用性强。8155芯片内包含有256字节RAM,2个8位和1个6位的可编程并行I/O口,1个14位定时器/计数器。8155可直接与8031单片机连接,不需要增加任何硬件逻辑。由于8031单片机外接一片8155后,就综合地扩展了数据RAM、I/O端口和定时器/计数器,因而是8031单片机系统中最常用的外围接口芯片之一,通过比较选择8155扩展外部I/O口。在8155的控制逻辑部件中,设置有一个控制命令寄存器和一个状态标志寄存器。8155的工作方式由CPU写入控制命令寄存器中的控制字来确定。控制命令寄存器只能写入不能读出,8位控制命令寄存器的低4位用来设置A口、B口和C口的工作方式。8155的A口、B口可工作于基本I/O方式或选通方式,C口可作为输入输出口线,也可作为A口、B口选通方式工作时的状态控制信号线。8031与8155可直接相连,其接口方法如图4-7所示。图4-78031扩展8155连接图4.5其他辅助电路设计1）时钟电路8031的时钟电路单片机的时钟可以由两种方式产生：内部方式和外部方式。内部方式利用芯片内部振荡电路，在XTAL1、XTAL2引脚上外接定时元件，如图4-10所示。晶体可在1.2-12MHZ之间任选，耦合电容在5-30PF之间，对时钟有微调作用。采用外部时钟方式，可把XTA1直接接地，XTA2接外部时钟源。2）复位电路单片机的复位都是靠外部电路实现，在时钟电路工作后，只要RESET引脚上出现10ms以上高电平单片机便实现状态复位，以后单片机便从0000H单元开始执行程序。单片机通常采用上电自动复位和按钮复位两种。图4-11所示为上电与按钮复位组合。在上电瞬间，RC电路充电，RESET引脚端出现正脉冲，只要RESET端保持10ms以上高电平，就能使单片机有效的复位。4.6步进电机的控制4.6.1步进电机的工作原理步进电机是将电能转化为机械能的电磁元件。定子上安装了六个磁极，相对的两个磁极上放置着同一相励磁绕组，而转子上没有，只有四个凸极，a、b、c、d组成，当s1接通，s2，s3断开，A相建立磁场，转子力求以磁路最大来取向，转子齿与定子A相磁极对齐，即转子a、c齿的轴线与定子A相磁极轴线重合。当s1，s3断开，s2接通，转子b、d齿的轴线与定子B相磁极轴线重合。依次类推s1—s2—s3—s1循环接通，转子以一定的步距角旋转，改变输入电流方向，实现反转即s1—s3—s2—s1。4.6.2步进电机的控制步进电机是由脉冲信号控制的，脉冲信号的产生和分配由软件编程来完成，而信号的放大由放大电路来完成。由于强弱信号的原因，我们在放大电路前加上光电耦合电路，以防止电源串路。具体控制电路如图4-15所示。图4-15步进电机控制原理电路W是步进电机的一相绕组，VD3是续流二极管。74LS373是8路三态输出触发器，一路输出信号控制一相绕组，可控制两台三相步进电机或两台四相步进电机。Q输出高电平，将其所控制的相绕组通电。74LS373的LE是锁存允许端，高电平有效。下面来分析一下该接口电路的工作过程。4.6.3步进电机接口及驱动电路步进电机控制框图如图4-16所示：1.脉冲分配器又叫环形分配器，有硬件环形分配器和软件环形分配器两种。硬件环形分配器需要的I/O口接线数少，且执行速度快，但需要专用的芯片。软件环形分配器是用程序实现的。1）硬件环形分配器是由门电路及其逻辑电路组成，目前已经大量采用可靠性高，外形尺寸小，使用方便的集成脉冲分配器。按其电路结构不同分为TTL集成电路和CMOS集成电路。2）软件环形分配器软件环形分配器在电路上不需要环形分配专用芯片，而是在微处理中专门安排一个输出寄存器作为步进电动机的控制寄存器，步进电动机的每一相绕组都与这个寄存器中某一指定位相对应。寄存器中这一位为“1”，对应相应绕组的通电状态，这一位为“0”在电路上步进电动机的每一绕组需和一个I/O口相连（经光电隔离电路）故占用的I/O口数量较多。本设计采用软件环形分配器。2.光电隔离电路在步进电动机驱动电路中，脉冲分配输出的信号经放大后，控制步进电动机的励磁绕组。由于步进电动机需要的驱动电压较高（几十伏），电流也较大，如果将I/O口输出信号直接与功率放大器相连，将会引起强电干扰，轻则影响计算机程序的正常运行，重则导致计算机接口电路的损坏。所以一般在接口电路与功率放大器之间都要加上隔离电路，实现电气隔离，通常使用最多的是光电耦合器。如图4-17：耦合器由发光二极管和光敏三极管组成，图4-18为共集电极输出型。当输入信号加到输入端时，发光二极管导通激发发出红外光，受光三极管受光照射后，由于光敏效应产生光电源，通过输出端输出，从而实现了以光为媒介的电信号传输。输入端与输出端在电气上完全隔离。下图为光电隔离输出及输入电路，且为同向输出电路，控制信号经74LS05集电极开路门反相后驱动耦合器的输入发光二极管，当控制信号为低电平，74LS05不吸收电流，发出二极管不导通，从而输出的三极管截止。同相电路输入电平为零电平，反相电路输出电压为高电平（12V）。当控制信号为低电平时，反相输出电平接近零。3.功率放大器脉冲分配器的输出功率很小，远不能满足步进电机的要求，必须将它放大以产生足够大的功率驱动步进电机正常运转。从步进电动机的启动矩频特性可以看出,随着运行频率的增高，步进电机输出力矩（即带动负载的能力）下降，这一现象产生的主要原因是:作为功率放大器负载的步进电机是电感负载。第五章软件设计数控机床通过软件程序实现对硬件及机床的控制，数控系统软件是根据机床零件加工的实际需要而编号的控制程序。每种数控机床都配有相应的控制程序，用来完成各个控制功能。首先要建立数学模型，确定控制算法和控制功能，然后编写成相应的控制程序，固化在只读存储器中。本次设计编写了四个软件程序，分别为：（1）环形分配器软件设计（2）逐点比较直线插补软件设计（3）圆弧插补软件设计（4）步进电动机自动升降速控制。5.1总体方案设计软件设计采用模块化设计，主要包括主模块、子程序模块和定时中断模块，主模块主要完成初始化和监控，初始化包括PIO、CTC的初始化、标志位，原键盘缓冲区及显示缓冲区的初始化，监控主要包括键盘管理和显示管理，均可调原监控程序中的键盘管理和显示管理子程序，功能子模块包括+X，-X，+Z，-Z及STOP功能子模块并可调用原监控程序中的许多子程序，中断模块包括急停、中断模块和报警中断等。主模块系统图如下：5.3逐点比较法的直线插补软件设计在直线或圆弧廓形加工中，需要X向和Z向驱动电机同时动作，合成所需的运动轨迹。由于一个进给脉冲只能沿坐标轴（X轴或Z轴）进给一步，这个距离（步距）称为脉冲当量。基本原理：进给机构每进给一步，计算新的坐标点位置和它与理想直线（或曲线）的偏差。设要插补图中的直线OA，坐标原点位于被插补直线的起点，直线终点为A（xa,ya）第一象限直线插补程序框图5.4逐点比较法的圆弧插补软件设计原理同逐点比较法直线插补相似，可利用相似性得到。第一象限如图图5-6第一象限圆弧插补程序框图、总结对普通车床进行数控化改造，主要是将纵向和横向进给系统改为用微机控制的、能独立运动的进给伺服系统。将原有车床的光杠、丝杠和操纵刚拆除，换成滚珠丝杠螺母副，在选取滚珠丝杠螺母副时要注意，滚珠丝杠螺母副的制造精度要求高，加工工艺比较复杂，都是由专业工厂按系列化进行生产。因此在进行设备改造时，要按厂家生产标准进行选择，选择合适以后再决定被改造设备的其他相关部分的结构和尺寸。控制部分采用单片机控制，在选取单片机时，采用MCS-51系列的8031。MCS-51系列单片机的特点之一是硬件电路设计简单，系统结构紧凑，对于简单的应用场合，MCS-51系列的最小系统用一片8031外扩一片EPROM就能满足功能的要求，对于复杂的应用场合，可利用MCS-51的扩展功能，构成功能强、规模较大的系统。本设计程序存储器的扩展采用两片2764芯片，数据存储器的扩展采用一片6264芯片，I/O接口的扩展采用两片8155芯片。程序设计根据第一象限的直线及圆弧插补原理，采用逐点比较法编程。在做设计的过程中，我不但复习了所学过的知识点，还学到了新的知识，同时将所学到的知识充分的运用起来，做到了学以致用，还学会了查资料，除此之外，我还懂得了团结合作的重要性，知道了集体的力量有多么强大！致谢在本课程设计结束之际，我要向曾经帮助过我的老师和同学表示感谢。通过这次课程设计，我学会了独立分析问题和解决问题的能力，获得了不少宝贵的经验。本设计是在蔡宗琰老师的亲切关怀和悉心指导下完成的，从设计任务的下达、研究的内容和方法的确定到整个论文的撰写、修改直至最终完稿，无不包含蔡老师的心血与精力。尤其在我遇到难题和困惑时，蔡老师总能抽出宝贵的时间对我进行指导，为我及时解决困惑；当我没有信心进行下去时，也是蔡老师的鼓励和支持让我坚持下去。蔡老师严谨的治学态度、渊博的知识、对学生诲人不倦的指导和帮助，不仅让我学到了知识，更让我学会了怎么做人。在此我还要感谢工程机械学院的各位老师对我的辛勤培育，使我获得了丰富的知识，感谢各位老师在论文的修改和校正过程中给予的帮助；同时感谢所有为我提供帮助和便利的同学。最后，谨向所有在我学习生涯中，给予关心、帮助和支持的人表示衷心的感谢。参考文献[1]罗永顺主编.机床数控化改造技术[M].北京:机械工业出版社，2007.[2]陈婵娟主编.数控车床设计[M].北京：化学工业出版社，2006.[3]濮良贵，纪名刚主编.机械设计[M].北京：高等教育出版社，2006.[4]大