c6132普通车床;-数控化改造-机械制造-机电一体化-数控技术毕业论文-课程设计

实用文档PAGEIPAGEXXXV摘要机床数控化改造的研究是提高我国技术装备水平的重要项目，在我国目前由于数控机床的加工能力和资金受限，对机床进行数控化改造是一条节约资金、快速有效的途径。本文对C6132普通车床数控化改造进行了深入研究，包括对机床改造进行可行性分析、对机床关键部件参数的计算、对机床结构的设计、对机床改造方案优化选择、选择合适的机床伺服系统和计算机系统，以及在改造中应注意的事项等进行了详细的论述。结果表明:经改造后的机床已达到预期的功能和精度，完全能实现加工外圆、锥度、螺纹、端面等的自动控制，提高了原机床的生产效率，降低了劳动强度。关键词:c6132普通车床;数控化改造;步进电机;经济型数控系统

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目录摘要 IABSTRACT II1绪论 11.1数控技术与数控机床 11.2机床数控化改造的兴起及意义 11.2.1国外机床改造业的兴起 11.2.2我国机床数控化改造的意义 11.3本文所研究的主要内容 21.3本章小结 32车床总体改造方案设计 42.1总体方案设计 42.2主传动系统的改造 42.2.1主轴无级变速的实现 42.2.2主轴脉冲编码器的安装 52.3横向进给传动系统的改造 62.3.1横向传动系统的改造 62.3.2齿轮传动间隙的消除 62.4导轨的改造 72.5刀架部分的改造 82.6数控系统的类型及选择 102.6.1数控系统的分类 102.6.2数控系统的选择 112.7计算机系统的选择 112.8本章小结 123C6132车床数控化改造机械部分改造设计与计算 133.1纵向进给系统的设计计算 133.1.1切削力计算 133.1.3同步带减速箱设计 153.1.4步进电动机的选择 173.2横向进给系统的计算 193.3车床改造的机械结构特点 193.3.1纵向滚珠丝杠 193.3.2横向滚珠丝杠 203.3.3滚珠丝杠螺母副的设计、计算和选型 203.3.4导轨副 203.3.5主轴脉冲发生器 203.3.6安装电动卡盘 213.4 安装 213.5本章小结 224电气控制部分设计 234.1硬件电路设计 234.2单片机数控系统硬件电路设计内容 234.3MCS--51系列单片机简介 254.4存储器扩展电路设计 264.4.1地址锁存器选用 264.4.2外部程序存储器选择 264.4.3内部程序存储器选择 264.4.4外部I/O接口电路的扩展 264.4.5键盘接口电路的设计 274.5译码电路设计 274.6其他辅助电路设计 284.7步进电机的控制 284.7.1步进电机的工作原理 284.7.2步进电机的控制 294.7.3步进电机接口及驱动电路 294.8 C6132普通车床微机数控化改装硬件设计说明 304.9控制软件设计 314.9.1总体方案设计 324.9.2环形分配器软件设计 324.9.3逐点比较法的直线插补软件设计 334.9.4逐点比较法的圆弧插补软件设计 334.9.5步进电机自动升降速控制 334.10本章小结 39结论 40致谢 41参考文献 42附录 43兰州工业高等专科学校毕业设计（论文）PAGE11绪论1.1数控技术与数控机床数控技术，简称数控(NumericalCorltrol——NC)，是利用数字化信息对机械运动及加工过程进行控制的一种方法。由于现代数控都采用了计算机进行控制，因此，也可以称为计算机数控(ComputerNumericalControl——CNC)。采用了数控技术进行控制的机床，或者说装备了数控系统的机床称为数控机床。它是一种综合应用了计算机技术、自动控制技术、精密测量技术和机床设计等先进技术的典型机电一体化产品，是现代制造技术的基础，它很好地解决了形状结构复杂、精度要求高及小批量零件的加工问题且能稳定产品的加工质量，降低工人劳动强度，大幅度提高生产效率。机床控制也是数控技术应用最早、最广泛的领域，因此，数控机床的水平代表了当前数控技术的发展水平和方向。与普通机床相比，数控机床能够自动换刀、自动变更切削参数，完成平面、回旋面、平面曲线的加工，加工精度和生产效率都比较高，因而应用日益广泛。1.2机床数控化改造的兴起及意义1.2.1国外机床改造业的兴起在美国、日本和德国等发达国家，他们的机床改造业作为新的经济增长行业，生气盎然，正处在黄金时期。由于机床以及数控技术的不断进步，机床改造成了一个“永恒"的课题。在美国、日本、德国，用数控技术改造机床和生产线具有广阔的市场，这已形成了机床和生产线数控改造的新的行业。在美国,机床改造业称为机床再生(Remanufacturing)业。从事再生业的著名公司有：Bertsche工程公司、ayton机床公司、DeVlieg—BuUavd(得宝)服务集团、US设备公司等。美国得宝公司已在中国开办公司。在日本，机床改造业称为机床改装(Retrofitting)业。从事改装业的著名公司有：大限工程集团、岗三机械公司、千代田工机械公司、野崎工程公司、滨田工程公司、山本工程公司等。1.2.2我国机床数控化改造的意义我国目前机床总量约400万台，其中数控机床总数只有20万台，即我国机床数控化率仅为5％左右，而国外发达国家的机床数控化率，多年前就达到20％以上。我国机床役龄10年以上的占60％以上；役龄10年以下的机床中，自动／半自动机床不到20％，FMC／FMS等自动化生产线更屈指可数(美国和日本自动和半自动机床占60％以上)。可见我们的大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大多数是传统的机床，而且半数以上是役龄在10年以上的旧机床。用这种装备加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长等现象，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。目前各企业都有大量的普通机床，完全用数控机床来替换根本不现实，而且替换下来的旧机床闲置起来又会造成浪费，要解决这些问题，应走普通机床的数控化改造之路。从美国、日本等国家工业现代化进程看，机床的数控化改造也必不可少，数控改造机床占有较大比例。如日本的大企业中有26％的机床经过数控改造，中小型企业则是74％，在美国有许多数控专业化公司，为世界各地提供机床数控化改造服务。因此，普通机床的数控化改造不但有存在的必要，而且大有可为，尤其对一些中小型企业更是如此。利用现有闲置的旧机床，通过数控化改造，使其成为一台高效、多功能的数控机床，投资少、见效快，是一种盘活存量资产的有效方法，也是低成本实现自动化的有效方法，也是在短期内提高我国机床的数控化率的一条有效途径。另外对普通机床进行数控化改造有许多积极的意义:1）节省资金。机床的数控改造同购置新机床相比一般可节省60%左右的费用，大型及特殊设备尤为明显。一般大型机床改造只需花新机床购置费的1/3，即使将原机床的结构进行彻底改造升级也只需花费购买新机床60%的费用，并可以利用现有地基。2）性能稳定可靠。因原机床各基础件经过长期时效，几乎不会产生应力变形而影响精度。3）提高生产效率。机床经数控改造后即可实现加工的自动化，效率可比传统机床提高3至5倍。对复杂零件而言难度越高功效提高得越多，且可以不用或少用工装，不仅节约了费用而且可以缩短生产准备周期。4）可实现多工序的集中，提高了相关的加工精度,同时减少了零件在机床间的频繁运转。5）可缩短新产品试制周期和生产周期，对市场需求做出快速反应。机床数控化还是推行FMC、FMS以及CIMS等企业信息化改造的基础。6）拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自检功能，更好的调节了机床的加工状态。还可以提示操作者机床故障或编程错误等机床运行中出现的问题。1.3本文所研究的主要内容1）根据数控化改造后车床所具备的功能，制订了车床总体改造方案，并绘制了改造后车床总体布置图；2）为使改造后的车床主轴能够实现无级变速、正转、反转以及停止等功能，本次改造采用了变频器驱动主电机的方式，本文对主轴变频器的选用做了相应的说明；3）为使改造后的车床能够加工螺纹，改造时，拆除原来的挂轮架部分，在机床Ⅹ轴伸出端安装主轴脉冲编码器，本文对脉冲编码器的安装方法作了简要论述；4）在利用聚四氟乙烯软带对原车床导轨贴塑的工作中，粘接工艺的好坏将直接影响改造后导轨的性能。本文对粘接工艺的控制作了简要论述；5）在电气改造方面，设计了车床数控系统的硬件电路图，纵、横向步进电机的计算和选型也作了详细阐述；6）在机械改造方面，对纵横向伺服进给机构，特别是滚珠丝杠螺母副作了详细设计研究，并对数控转位刀架的安装和选用作了介绍；7）在软件设计方面，对MCS-51单片机做了简要的介绍，并在8031单片机的基础上编制了相应的程序。1.3本章小结本章主要介绍了国内外数控技术和数控机床，以及机床数控化改造的兴起及意义。并提出了本文的研究内容和目标。

2车床总体改造方案设计2.1总体方案设计利用数控系统NIM-9702对C6132型卧式车床的纵，横向进给系统进行开环控制。纵向脉冲当量为0.01mm/脉冲，驱动元件采用步进电动机。改造后的机床能完成一般车削及加工任意面、球面、螺纹等加工工序。并能控制主轴开停变速、刀架转位及一些辅助功能，使加工实现自动化。根据设计任务，系统应采用轮廓控制形式。控制系统硬件由微机部分、键盘及显示器、I/O接口及光电隔电路、步进电动机功率放大电路等组成。纵向、横向均采用步进电动机→减速带→滚珠丝杠螺母→溜板的传动方式。刀架更换为四刀位自动回转刀架。2.2主传动系统的改造2.2.1主轴无级变速的实现C6132车床的主轴变速为手动、有级变速。考虑到数控车床在自动加工的过程中负载切削力随时会发生变化，为了保证工件表面加工质量的一致性、提高工件加工质量，主轴要能实现恒切削速度切削。这就要求主轴能实现无级变速。目前实现无级变速主要有两种方式，其一是采用变频器驱动电机的方式，同时保留原有的主传动系统和变速操纵机构，这样既保留了车床的原有功能，又减少了改造量；其二是用双速或者是四速电动机替代原有车床的主电动机。由于多速电机的功率是随着转速的变化而变化的，所以要选择功率较大一些的电动机，随之电动机的尺寸也变大了，机床改造相对较麻烦，另外在这种改造方式下，主传动系统也要拆除并进行重新设计，这样可以得到加工精度和稳定性更高的车床，但是加大了改造成本。考虑到改造的成本，我决定采用第一种方式，这样可以利用原车床的三相异步电动机。即由数控系统控制变频器，变频器驱动异步电动机实现主轴无级变速。交流异步电动机的转速与电源频率，电动机磁极对数nfp以及转差率之间的关系式为：（2-1）对于C6132，电动机磁极对数和转差率是定值，因此利用变频器改变电源频率fn即可改变电动机的转速。另外，变频器能方便地与数控系统连接，控制电动机的正转、反转及停止。变频器的控制方式主要有U／f恒定控制方式、无反馈矢量控制方式和有反馈矢量控制方式。数控车床除了在车削毛坯时，负荷大小有较大变化外，以后的车削过程中，负荷的变化通常是很小的。因此，就切削精度而言，选择U／f恒定控制方式是能够满足要求的。但在低速切削时，需要预置较大的U／f，在负载较轻的情况下，电动机的磁路常处于饱和状态，励磁电流较大。因此，从节能的角度看，并不理想。数控车床属于高精度、快响应的恒功率负载加工设备，应尽可能选用矢量控制高性能型通用变频器，而且中、小容量变频器以电压型变频器为主。有反馈矢量控制方式虽然是运行性能最为完善的一种控制方式，但由于需要增加编码器等转速反馈环节，不但增加了费用，而且编码器的安装也比较麻烦。所以，除非对加工精度有特殊要求，一般没有必要选择此种控制方式。目前，无反馈矢量控制方式的变频器已经能够做到在0.5Hz时稳定运行。所以，完全可以满足主运动系统的要求，而且无反馈矢量控制方式能够克服U／f控制方式的缺点，因此可以说，是一种最佳选择。数控车床连续运转时所需的变频器容量(kVA)计算式如下：（2-2）式中，PM——负载所要求的电动机的轴输出功率；η——电动机的效率(通常约O.85)；cosφ——电动机的功率因素(通常约O.75)MU——电动机的电压，380V；MI——电动机工频电源时的电流，为15.4A；k——电流波形的修正系数(PWM方式时取1.05-1.10)；PCN——变频器的额定容量，kVA；ICN——变频器的额定电流，A；由公式(2-2)可得： （2-3）选择变频器时应同时满足以上三个等式的关系。综合以上分析计算，确定选用三菱FR-A540系列变频器，具体型号为FR-A540-7.5K-CH。2.2.2主轴脉冲编码器的安装为了使改造后的数控车床能自动加工螺纹，须配置主轴脉冲编码器作为车床主轴位置信号的反馈元件，其目的是用来检测主轴转角的位置，通过主轴—脉冲编码器—数控系统—步进电机的信息转换系统，实现主轴转一转，刀架纵向移动一个导程的车螺纹运动。主轴脉冲编码器的安装，通常采用两种方式：一种是同轴安装，另外一种是异轴安装。同轴安装的结构简单，缺点是安装后不能加工穿入车床主轴孔的零件，限制了工件的加工长度，而异轴安装不会遇到这种问题，因此，异轴安装较合适。主轴通过主轴箱中Ⅵ轴和Ⅸ轴的58／58及Ⅸ轴和Ⅹ轴的33／33两级齿轮(实现传动比1：1)把动力传递给挂轮轴X，见图附录1所示，主轴脉冲编码器1通过支架2固定，并通过联轴器3与闷头4相连，闷头4通过过盈配合与主轴箱内X轴连接。C6132主轴转速范围是20~2000r/min，可以选择欧姆龙E6B2-CWZ6C型光电脉冲编码器，其允许的最高转速为6000r/min，所以满足设计要求。2.3横向进给传动系统的改造2.3.1横向传动系统的改造如图2-1所示是横向传动系统的改造布置图，步进电机和减速箱安装在远离操作者的床鞍一端，拆除床鞍上原来的手动操作装置，在原来支承丝杠的轴承位置，安装角接触球轴承进行支撑，同纵向一样，滚珠丝杠一端直接充当减速器的输出轴，滚珠丝杠两端同样有两对锁紧螺母对滚珠丝杠进行预拉伸，滚珠丝杠螺母副采用双螺母螺纹预紧方式消除丝杠和螺母间的间隙。螺母座和中拖板的连接可以利用原来的螺钉孔进行连接。图2-1横向传动结构图车床进行横向进给时，由步进电机通过减速箱将动力传递给滚珠丝杠，再由滚珠丝杠带动螺母座，再通过螺母座带动中拖板做横向运动。滚珠丝杠螺母副继续采用双螺母螺纹预紧方式消除丝杠和螺母间的间隙。2.3.2齿轮传动间隙的消除模数相同的两片薄齿轮2和3，齿轮2空套在齿轮3上可以做相对回转运动。在齿轮3上开有三个周向圆弧槽，齿轮2上均布着三个螺纹孔，装配时在齿轮3的槽中放置3个弹簧，数控车床在加工过程中，会经常变换移动方向。当进给方向改变时，如侧存在间隙会造成进给运动滞后于指令信号，丢失指令脉冲并产生反向死区，影响传动精度和系统稳定。因此，必须消除齿侧间隙。通常齿侧间隙的消除主要有刚性调整法和柔性调整法。刚性调整法虽然结构简单，但侧隙调整后不能自动补偿，柔性调整法是调整后齿侧间隙仍可自动补偿的调整法。因此决定采用柔性调整法中的双片齿轮错齿消隙法和周向弹簧调整法。双片齿轮错齿消隙法图2-2是双片齿轮错齿式消除间隙结构。两个相同齿数的薄齿轮1和2与另一个厚齿轮(图中未画出)啮合。齿轮l空套在齿轮2上并可作相对回转。每个齿轮的端面均匀分布着四个螺孔，分别装上凸耳3和8。齿轮1的端面还有另外四个通孔，凸耳8可以在其中穿过。弹簧4的两端分别钩在凸耳3和调节螺钉7上，通过转动螺母5就可以调节弹簧4的拉力，调节完毕用螺母6锁紧。弹簧的拉力使薄片齿轮1和2错位，即两个薄齿轮的左、右齿面分别紧贴在厚齿轮齿槽的左、右齿面上，消除了齿侧间隙。这种方法适合直径较大，有充分安装螺钉空间的圆柱齿轮。2）周向弹簧调整法。同样是两个齿数、利用齿轮2上安装的螺钉顶住弹簧，装配完成后两片齿轮在弹簧力作用下的情况下错齿，从而达到消除间隙的目的。这种结构适合齿轮直径偏小，安装空间较小。2.4导轨的改造由于导轨表面有明显的划痕，摩擦系数变大，会产生进给运动的失真。为了恢复导轨的精度，增加耐磨性，提高机床的稳定性，提高机床的防爬行和吸振性能，对机床导轨选用填充聚四氟乙烯软带来改造。填充聚四氟乙烯是在聚四氟乙烯中添加青铜粉、二硫化硅、玻璃纤维粉、二硫化铜、石墨、聚苯等填充剂，使聚四氟乙烯的性能改善如下：(1)耐负荷变形可提高5倍；(2)刚性提高4～5倍；(3)热膨胀系数减小1／3—1／2；(4)导热率提高2倍；(5)硬度提高10％；(6)抗压强度增加2～3倍。在利用填充聚四氟乙烯软带对原车床导轨贴塑的工作中，主要是对粘接工艺的控制。具体工艺为：首先对原导轨进行刮研，保证粘贴前导轨的表面粗糙度1.6—6.3um，平面度达到0．01／1000精度；选用厚度为1.5mm的软带，用钠基溶液处理聚四氟乙烯软带表面；粘接前需对金属导轨粘接面除锈去油，可先用砂布、砂纸或钢丝刷清除锈斑杂质，然后再用丙酮擦洗干净、晾干；专用胶须随配随用，按A组份／B组份=1／l的重量比混合，搅拌均匀后即可涂胶。可用“带齿刮板”或lmm厚的胶木片进行涂胶。专用胶可纵向涂布于金属导轨上，横向涂布于软带上，涂布应均匀，胶层不宜过薄或太厚，胶层厚度控制在0.08—0.12mm之间；软带刚粘贴在金属导轨上时需前后左右蠕动一下，使其全面接触，要用手或器具从软带长度中心向两边挤压，以赶走气泡。用重物加压或扣压于床身导轨上，加压均匀，压强通常为0.05—0.1MPa。加压前在软带面上覆盖一层油纸或在加压面上涂一薄层润滑脂或机油，防止胶粘剂粘接加压物。软带粘接后约24小时固化(环境温度15℃以上)，可清除余胶，切去软带工艺余量，并倒角；对软带进行开油槽和刮研，油槽深度可为软带厚度的1／2—2／3，油槽离开软带边缘至少6mm以上，刮研要求达到与导轨面接触面积为：全长不少于75％，全宽上不少于50％。2.5刀架部分的改造型号及主轴中心高度，选用常州市宏达机床数控设备厂生产的LD4-C6132型电动刀架，该刀架内带120W三相交流异步电动机用于驱动正转选刀。内置的4只霍尔元件检测刀位位置拆除原手动刀架和小拖板，安装由数控系统控制的四工位电动刀架。根据车床的，电动机反转完成刀具定位锁紧。安装时，拆除车床上的原小拖板，置刀架于中拖板上，卸掉电机风罩，逆时针方向转动电机，使刀架转动到45°左右时，装上螺钉，然后固定刀架即可。电机安装图见附录1。LD4-C6132型电动刀架技术参数见表2-1。电动刀架的安装较为方便，安装时必须注意以下两点：1)电动刀架的两侧面与原车床纵、横向的进给方向平行；2)电动刀架与系统的连线在安装时应合理，以免加工时切屑、冷却液及其它杂物磕碰电动刀架连线。1、2—薄齿轮3、8—凸耳4—弹簧5、6—螺母7—调节螺钉图2-2双圆柱薄片齿轮错齿消隙结构根据以上分析可初步确定车床改造的总体布置方案，如图2-4所示。由于导轨表面有明显的划痕，摩擦系数变大，会产生进给运动的失真。为了恢复导轨的精度，增加耐磨性，提高机床的稳定性，提高机床的防爬行和吸振性能，对机床导轨选用填充聚四氟乙烯软带来改造。填充聚四氟乙烯是在聚四氟乙烯中添加青铜粉、二硫化硅、玻璃纤维粉、二硫化铜、石墨、聚苯等填充剂，使聚四氟乙烯的性能改善如下：(1)耐负荷变形可提高5倍；(2)刚性提高4～5倍；(3)热膨胀系数减小1／3—1／2；(4)导热率提高2倍；(5)硬度提高10％；(6)抗压强度增加2～3倍。在利用填充聚四氟乙烯软带对原车床导轨贴塑的工作中，主要是对粘接工艺的控制。换刀时间(s)最大许用应力（N·m）重复定位精度（mm）电机功率（w）电机转速（r/min）净重（㎏）2.12.63lt;0.005120140025表2-1LD4-C6132型电动刀架技术参数具体工艺为：首先对原导轨进行刮研，保证粘贴前导轨的表面粗糙度1.6—6.3um，平面度达到0.01／1000精度；选用厚度为1.5mm的软带，用钠基溶液处理聚四氟乙烯软带表面；粘接前需对金属导轨粘接面除锈去油，可先用砂布、砂纸或钢丝刷清除锈斑杂质，然后再用丙酮擦洗干净、晾干；专用胶须随配随用，按A组份／B组份=1／l的重量比混合，搅拌均匀后即可涂胶。可用“带齿刮板”或lmm厚的胶木片进行涂胶。专用胶可纵向涂布于金属导轨上，横向涂布于软带上，涂布应均匀，胶层不宜过薄或太厚，胶层厚度控制在0.08—0.12mm之间；软带刚粘贴在金属导轨时需前后左右蠕动一下，使其全面接触，要用手或器具从软带长度中心向两边挤压，以赶走气泡。用重物加压或扣压于床身导轨上，加压均匀，压强通常为0.05—0.1MPa。加压前在软带面上覆盖一层油纸或在加压面上涂一薄层润滑脂或机油，防止胶粘剂粘接加压物。软带粘接后约24小时固化(环境温度15℃以上)，可清除余胶，切去软带工艺余量，并倒角；对软带进行开油槽和刮研，油槽深度可为软带厚度的1／2—2／3，油槽离开软带边缘至少6mm以上，刮研要求达到与导轨面接触面积为：全长不少于75％，全宽上不少于50％。图2-3车床改造总体布置图2.6数控系统的类型及选择2.6.1数控系统的分类目前，数控系统的品种规格繁多，功能各异，分类方法不一，通常可按下面两种方法进行分类。(1)按加工路线分类1）点位控制系统其特点是：只要求控制机床移动部件从一点移动到另一点的准确位置，至于点与点之间的移动轨迹（路径和方向）并不严格要求。各坐标轴之间的运动是不相关的，并且在移动过程中不进行切削。2）直线切削控制系统其特点是，除了控制移动部件从一点到另一点之间的准确定位外，还要控制两相关点之间的移动速度和路线（即轨迹），但其路线只是与机床坐标轴平行的直线。也就是说，同时控制的坐标轴只有一个，且在移动过程中刀具能以给定的进给速度进行切削，一般只能加工矩形、台阶形零件。3）连续切削控制系统也称为轮廓控制系统，其特点是能够对两个或两个以上运动坐标的位移和速度同时进行连续相关控制。在这类控制方式中，要求数控装置具有插补运算的功能，即根据程序输入的基本数据，通过数控系统内的插补运算器的数学处理，把直线或曲线的形状描述出来，并一边运算，一边根据计算结果向各坐标轴控制器分配脉冲，从而控制各坐标轴的联动位移量与所要求的轮廓相符合。(2)按伺服系统的类型分类1）开环控制系统采用开环控制系统的机床，没有检测反馈装置。指令信号单方向传送，并且指令发出后，不再反馈回来，故称为开环控制系统。其驱动电动机采用步进电机。这种机床采用开环进给伺服系统，数控装置根据所给的进给速度和进给位移，输出一定的频率和数量的进给指令脉冲，经驱动电路放大后，每一个进给脉冲控制步进电机旋转一个步距角，再经减速齿轮、丝杠螺母副转换成工作台的一个当量直线位移。2）闭环控制系统数控装置将位移指令与位置检测装置测得的实际位置反馈信号，随时进行比较，根据其差值与指令进给速度的要求，按一定的规律进行转换后，得到进给伺服系统的速度指令。闭环控制系统的特点是定位精度高，但由于这类系统采用直流伺服电动机或交流伺服电动机作为驱动元件，所以电动机的控制线路比较复杂。另外检测元件昂贵，调试和维修比较困难，成本高，所以主要用于精度要求很高的大型或精密数控机床。3）半闭环控制系统这种机床是将位置检测装置安装在驱动电机端部，或安装在传动丝杠端部，间接测量部件的实际位置或位移，然后反馈到控制装置的比较器中，与输入原指令位移值进行比较，用比较后的差值进行控制，直到差值消除为止。2.6.2数控系统的选择本设计中由于改造后的经济型数控车床应具有定位、直线插补、顺、逆圆插补、暂停、循环加工、公英制螺纹加工等功能，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、降低成本，采用步进电机开环系统，虽然开环控制系统中，没有速度反馈和位移反馈电路，不带检测装置，指令信号单向发送，但开环伺服系统结构简单、成本低，容易掌握，调试和维修都比较简单。如果采用螺距误差补偿和径向间隙补偿等措施，定位精度可提高到±0.01mm，可以满足设计要求。2.7计算机系统的选择微型机数控系统由CPU、ROM、RAM扩展电路、I/O接口电路、伺服电机驱动电路等几部分组成。由于MCS-51单片微型机具有各种寻址方式并有硬件乘法和除法指令，具有很强的位寻址和运算功能，特别适合于控制应用场合，使用MCS-51来构成各种控制系统，可大大简化硬件结构，降低成本。1）单片机的选择MCS-51系列中的8031单片机片内无ROM，适于需外接ROM、能在现场进行修改和更新程序存储器的应用场合，价格低，使用灵活，从实用性与经济性考虑，采用8031作为控制系统的单片机。2）存储器扩展①8031的片内没有程序存储器，必须外接扩展电路，具有扩展1片W27C512共64KB的程序扩展电路。②数据存储器的扩展8031内部有128个字节RAM存储器。它可以作为寄存器，堆栈，软件标志和数据缓冲器，CPU对其内部RAM有丰富的操作指令。因此，这个RAM是十分珍惜的资源。我们应合理地充分地应用片内RAM存储器，但片内RAM存储器往往是不够的。外接RAM扩展电路可扩大存储器容量。本设计扩展一个6264（8K）的外部RAM。③接口电路，伺服电机驱动电路等接口电路主要用于控制纵向和横向步进电机，刀架电机等。键盘有32个键。此外，还有伺服电机驱动电路，光电耦合器电路，报警电路，8031时钟电路，复位电路等。由此可得车床伺服系统控制方案，如图2-4所示。图2-4车床伺服系统控制方案图2.8本章小结本章主要确定了车床数控化改造的总体方案，主要从主传动系统，横向进给系统，导轨和刀架的部分的改造进行计算，以及数控系统的类型和计算机系统类型的选择。

3C6132车床数控化改造机械部分改造设计与计算机械部分设计内容包括：传动元件的设计计算及选用，运动部件的惯性计算，步进电动机的选择等。3.1纵向进给系统的设计计算已知条件：工作台重量：加速时间常数：滚珠丝杠基本导程：快速进给速度：3.1.1切削力计算由《机床设计手册》可知，切削功率（3-1）式中,电动机功率，C6132型车床；主传动系统总效率，一般为0.75~0.85，取；进给系统功率系数，取。则切削功率应按在各种加工情况下经常遇到的最大切削力（或扭矩）和最大切削速度（或转速）来计算，即（3-2）或（3-3） 式中，主切削力;切削速度;切削转矩;主轴速度。设按最大切削速度来计算，取则（3-4）查《机床设计手册》，在一般外圆车削时：（3-5）取3.1.2滚珠丝杠设计计算滚珠丝杠副已经标准化，因此，滚珠丝杠副的设计归结为滚珠丝杠副型号的选择。计算作用在丝杠上的最大动负荷首先根据切削力和运动部件的重量引起的进给抗力，计算出滚珠丝杠的轴向载荷，再根据要求的寿命值计算出滚珠丝杠副应能承受的最大动载荷 （3-6）式中，最大动载荷;工作负载，只数控机床工作时实际作用在滚珠丝杠上的轴向力；运转系数，一般运转取1.2~1.5；有冲击的运转取1.5~2.5；硬度系数，HRC为60时，为1；HRC<60时，>1;寿命（以转为单位1，如1.5则为150万转）。寿命L可按下式计算（3-7）式中,滚珠丝杠的转速使用寿命时间，数控机床取15000h工作负载的数值可用《机床设计手册》中进给牵引力的实验公式计算，对于三角形或综合导轨（3-8）式中,切削分力；移动部件的重量;考虑颠覆力矩影响的系数，； 导轨上的摩擦系数，取。则当机床以线速度，进给量为，车削直径为外圆时，丝杠的转速（3-9）则（3-10）根据工作负载、寿命，计算出滚珠丝杠副承受的最大动载荷，取，（3-11）由查滚珠丝杠的产品样本或《机床设计手册》，选择丝杠的型号。例如参照某厂滚珠丝杠的产品样本，选择滚珠丝杠的直径为，型号为,其额定动载荷是,强度足够用。效率计算根据《机械原理》的公式，丝杠螺母副的传动效率为（3-12）式中,螺纹的螺旋升角，该丝杠为；摩擦角，约等于。则3.刚度验算滚珠丝杠工作时受轴向力和扭矩的作用，它将引起导程发生变化，因滚珠丝杠受扭时引起的导程变化量很小，可忽略不计，因此，工作负荷引起的导程变化量（3-13）式中,弹性模量，对钢；滚珠丝杠截面积（按丝杠螺纹底经确定）；（3-14）“+”用于拉升时，“-”用于压缩时。则丝杠长度上导程变形总误差3级精度丝杠允许的螺旋误差为，因此刚度足够。3.1.3同步带减速箱设计为了满足脉冲当量的设计要求增大转矩，同时也为了使传动系统的负载惯量尽可能的减小，传动链中常采用减速传动。本设计中，纵向减速箱采用同步带传动。设计同步带减速箱需要的原始数据有：带传动的功率P；主动轮转速和传动比i；传动系统的位置和工作条件等。根据改造经验，C6132车床纵向步进电动机最大静转矩通常在15-25N·m之间选择。今初选电动机型号为110BF003，五相混合式，最大静转矩为20N·m，十拍驱动时步距角为。该电动机的详细技术参数如表3-1所示。传动比i的确定已知电动机的步距角，脉冲当量/脉滚珠丝杠导程。根据式（3-15）算的传动比i=1.2。（3-15）表3-1反应式/磁阻式步进电动机的技术参数型号相数步距角/电压/V电流/I最大静转矩/空载运行频率/Hz空载起动频率/Hz转动惯量/110BF00330.75/1.580～300611.761200012009（2）主动轮最高转速由纵向床鞍的最快移动速度:可以算出主传动论最高转速：（3）确定带的设计功率预选的步进电动机在转速为1200r/min时，对应的步进脉冲频率为：当脉冲频率为10000Hz时，电动机的输出转矩约为3.8，对应的输出功率为，今取，取工作情况系数，则由式，求得带的设计功率。(4)选择带型和节距根据带的设计功率和主动轮最高转速，选择同步带，型号为L型，节距。(5)确定小带轮齿数和小带轮节圆直径取，则小带轮节圆直径.，当达到最高转速1200r/min时，同步带的速度为，没有超过L型带的极限速度35m/s。(6)确定大带轮的齿数和大带轮节圆直径大带轮的齿数，节圆直径。(7)初选中心距、带的节线长度、带的齿数初选中心距，圆整后取，则带的节线长度为。选取接近的标准节线长度，相应齿数。(8)计算实际中心距a实际中心距。(9)校验带与小带轮的啮合齿数，啮合齿数比6大，满足要求。此处ent表示取整。(10)计算基准额定功率(所选型号同步带在基准宽度下所允许传递的额定功率)：式中，—带宽为时的许用工作拉力，查得=244.46N；m—带宽为时的单位长度的质量，查得m=0.095kg/m；—同步带的带速，由上述(5)可知；算得：。(11)确定实际所需同步带宽度式中，—选定型号的基准宽度，查得；—小带轮啮合齿数系数，查得。由上式算得，查得选定最接近的带宽。(12)带的工作能力验算根据公式：算的同步带额定功率P的精确值：式中，为齿宽系数；。经计算得,而，满足。因此，带的工作能力合格。3.1.4步进电动机的选择(1)负载转动惯量的计算折算步进电动机轴上的转动惯量可按下式估算（3-16）式中，折算到电动机轴上的转动惯量齿轮的转动惯量；齿轮的转动惯量；丝杠的转动惯量。对材料为钢的圆柱形零件，其的转动惯量可按下式计算：（3-17）式中，圆柱零件的直径；零件轴向长度。所以(2)总惯量负载转矩计算及最大静转矩选择根据能量守恒原理，电动机等效负载转矩（3-18）如不考虑起动时运动部件惯性的影响，则起动转矩（3-19）取安全系数为0.3，则对于工作方式为三相六拍的步进电动机因数控机床对动态性能要求较高，确定电动机最大静转矩时应满足快速空载起动时所需转矩的要求（3-20）式中，空载快速起动时所需的转矩；克服摩擦所需的转矩；丝杠预紧所引起，折算到电动机轴上的附加转矩。当工作台快速移动时，电动机的转速（3-21）由动力学知，（3-22）式中角加速度，计算公式为（3-23）式中，预加载荷，一般为最大轴向载荷的，即。则(3)步进电动机的最高工作效率（3-24）根据计算综合考虑，查表选用110BF003型步进电动机。3.2横向进给系统的计算已知条件：工作台重量：时间常数：滚珠丝杠基本导程：左旋快速进给速度：由于横向进给系统的设计计算与纵向类似，所以计算过程略。选择滚珠丝杠型号CDM2004LH-2.5-P3减速带轮15齿L型步进电动机型号110BF0033.3车床改造的机械结构特点3.3.1纵向滚珠丝杠滚珠丝杠必须采用三点支撑方式。步进电动机的布置，可放在丝杠的任意端。由于拆除了进给箱，可在原安装进给箱处布置不进电动机和减速齿轮。机床改造常采用后一种布置方案。在丝杠的左端设计了一个专用轴承座，采用一个轴套式滑动。轴承作为径向支承，在滑动轴承的两侧分别布置一对推力球轴承，承受两个方向的轴承力。支承短轴与滚珠丝杠通过联轴套连接在一起。滚珠丝杠的右端通过联轴套和减速箱的输出轴连接，在丝杠托架上布置一个轴套式滑动轴承作为径向支承，减速箱固定在丝杠托架上。滚珠丝杠的中间支承为滚珠螺母，其与床鞍直接联接。3.3.2横向滚珠丝杠横向滚珠丝杠也采用三点支承。步进电动机一般都安装在床鞍的后部。靠近操作者一端，布置一根短轴，通过一个联轴套与滚珠丝杠连接起来。利用车床原端横向进给丝杠的滑动轴套作为径向支承，并对原支承处进行适当改装，布置一对推力球轴承，以实现轴向支承。在远离操作者的一端，用一个联轴套和一个连接短轴把滚珠丝杠与减速箱输出轴连接起来。滚珠螺母直接固定在中滑板上。3.3.3滚珠丝杠螺母副的设计、计算和选型滚珠丝杠螺母副的设计首先要选择结构类型：确定滚珠丝杠副的预紧方式。结构类型确定之后，再计算和确定其他技术参数，包括：公称直径以d0（或丝杠外径d)、导程Lo、滚珠的工作圈数j、列数K。滚珠丝杠副的预紧方法有：双螺母垫片式预紧、双螺母螺纹式预紧、双螺母齿差式预紧、单螺母变导程预紧以及过盈滚珠预紧等。本设计预紧方式采用螺纹式预紧如表3-2所示。表3-2滚珠丝杠副预紧方式调整方式简图调整方法特点螺纹式调整端部的圆螺母，使螺母产生轴向位移结构较紧紧凑，工作可可靠，滚道磨损时，可随时调整预紧量不很准确应用较普便。滚珠循环方式可为外循环和内循环两大类，外循环又分为螺旋槽式和插管式可参照表3-3选用。本设计循环方式采用：外循环滚珠丝杠，螺旋槽式。3.3.4导轨副为减少运动部件移动时的摩擦阻力，尤其是减少静摩擦阻力床鞍和刀架移动部件的导轨可粘贴摩擦系数低的聚四氟乙烯软带。3.3.5主轴脉冲发生器改造后的简易数控车床需要加工螺母时，可以在主轴后端同轴安装或者异轴安装一个主轴脉冲发生器，作为主轴位置的信反馈元件，改造后的简易数控车床需要加工螺母时，可以在主轴后端同轴安装或者异轴安装一个主轴脉冲发生器目的是用来检测主轴转角的位置。并且将其变化情况输送给数控装置，使其能按照所需加工的螺距进行处理。3.3.6安装电动卡盘为了提高经济型数控车床的加工效率，还可采用电动三爪自定心卡盘装置。这种装置也可与数控装置的收发信号电路相配合，实现自动加紧、松开，提高加工过程的自动化程度。安装表3-3滚珠循环方式类型型式简图循环滚珠链说明特点外循环滚珠丝杠螺旋槽式在螺母外圆上铣出螺旋槽，槽的两端钻出通孔，同螺母的螺纹滚道相切，形成滚珠返回通道。为防止滚珠脱落，螺旋槽用钢套盖住。在通孔口设有挡珠器，引导滚珠进入通孔。挡珠器用圆钢弯成弧形杆，并焊上螺栓，用螺帽固定在螺母上。优点：工艺简单，螺母外径尺寸较小。缺点：螺旋槽同通孔不易连接准确挡珠器刚性差、耐磨性差。内循环滚珠性杠型扁圆嵌块式反向器与上述结构的区别，只是用扁圆嵌块式反向器代替目柱凸键式反向器。优点：螺母轴向尺寸比I型小；结构更紧凑。缺点：制造比I型困难。利用螺母的间隙调整装置调整丝杠副间隙，应使调整后产生的预紧力为丝杠副最大负载的13为宜。在实际调整中，可以把机床处于最大负载，使丝杠内部仍不产生间隙，或者间隙量小于0.01，而且运转灵活，并以此作为螺母间隙调整预紧量的判断标准。传动丝杠轴线上各联轴套上的锥销孔应按十字分布方式进行配做。这是因为同意联轴套上分布的锥销孔都由同一方向加工时，往往会引起轴心线的直线度误差增大，产生传动附加载荷，影响丝杠的传动性能。消除齿轮间隙的方法很多，用调整中心距的方法是最简单的一种。安装时将大齿轮所在支撑架转动中心与丝杠对中，首先固定，然后把电动机小齿轮按无间隙啮合，调整好中心距，在固定。滚珠丝杠副的制造精度要求高，加工工艺比较复杂，都是由专业化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它相关部分的结构和尺寸。主轴脉冲发生器的引出轴与车床主轴按1:1无间隙柔性连接传动，连接后应保证两者有很好的同步性。安装中要注意主轴脉冲发生器是玻璃器件，不能随意敲打碰撞。使用中车床主轴转速不能超过主轴脉冲发生器的最高需用转速。3.5本章小结本章主要通过对机械部分的计算，确定了纵向和横向进给系统，和车床改造的结构的特点，并且提出了电动卡盘安装调整时应注意的事项。4电气控制部分设计4.1硬件电路设计自动回转刀架的电气控制部分主要包括收信电路和发信电路两大块，如图4-1所示。收信电路图a中，发信盘上的4只霍尔开关（信号为UGN3120U)，都有3个引脚，第1脚接+12V电源，第2脚接+12V地，第3脚为输出。转位时刀台带动磁铁旋转，当磁铁对准某一个霍尔开关时其输出端第3脚输出低电平；当磁铁离开时，第3脚输出高电平。4只霍尔开关输出的4个刀位信号T1~T4分别送到图b的4只光耦离合器进行处理，经过光电隔离的信号再送给I/O接口芯片8255的PC4~PC7。发信电路图c为刀架电动机正反转控制电路，I/O接口芯片8255的PA6与PA7分别控制刀架电动机的正转与反转。其中KA1为正转继电器的线圈，KA2为反转继电器的线圈。因刀架电动机的功率只有90W，所以图b中刀架电动机与380V市电的接通可以选用大功率直流继电器，而不必采用继电器-接触器控制电路，以节省成本，降低故障率。图c中，正转继电器的线圈KA1与反转继电器的一组常闭触点串联，而反转继电器的线圈KA2又与正转继电器的一组常闭触点串联，这样就构成了正转与反转的互锁电路，以防控制系统失控时导致短路现象。当KA1或KA2的触点接通380V电压时，会产生较强火花，并通过电网影响控制系统的正常工作，为此，在图b中布置了3对R-C阻容用来灭弧，以抑制火花的产生。4.2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系列单片微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ａ）发信盘上的霍尔元件b)刀位信号的处理c)刀架电动机正反转控制d)刀架电动机正反转的控制图4-1自动回转刀架电气控制原理图（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。4.3MCS--51系列单片机简介1980年问世，它的集成度很高，是多部件于一体的优良的单片机系统，在我国已广泛地被应用于经济型数控机床。MCS-51系列单片机主要有三种型号的产品：8031、8051、8751。三种型号的引脚完全相同，仅在内部结构上有少数差异。8751具有片内ERPOM，但价格高出10-15倍，所以适合于开发样机，小批量生产和需要在现场进一步完善的场合。8051的ERPOM程序是Inter公司制作芯片时为用户制备的，因此在国内很难采用8051型芯片。而8031片内无ROM，适用于需扩展ROM，可在现场修改和更新程序存储器的应用场合，其价格低，使用灵活，非常适合在我国使用。我们的设计也推荐使用8031芯片。4.4存储器扩展电路设计4.4.1地址锁存器选用现选择74LS373作单片机地址锁存器芯片,其引脚图如图4-2所示：图4-274LS373引脚图4.4.2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。4.4.3内部程序存储器选择选用6264作为数据存储器扩展芯片。4.4.4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。通过比较选择8155扩展外部I/O口。4.4.5键盘接口电路的设计键盘在单片机应用系统中是一个很关键的部件，它能实现计算机输入数据、传送命令等功能，是人工干预计算机的主要手段。1)键输入原理当按下所设置的功能键或数字键时，计算机应用系统应完成该按键所设定的功能。键信息的输入与软件结构密切相关。对于一组键或一个键盘，需要通过接口电路与CPU相连。CPU可以采用查询或中断方式了解有无键输入并检查是哪一个键被按下，将该键号送入累加器ACC，然后通过散转指令转入执行该键的功能程序,执行完又返回到原始状态。2)矩阵式键盘接口电路设计矩阵式键盘适用于按键数量较多的场合,它由行线和列线组成。本设计扩展了32个键,由一个8位口和一个四位口组成4×8的行列式键盘。按键设置在行、列线交点上，行、列线分别接到按键开关的两端。行线通过上拉电阻接到+5V上。平时无按键动作时，行线处于高电平状态，而当有键按下时，行线电平状态将由与此行线相连的列线电平决定。列线电平如果为低，则行线电平为低；列线电平为高，则行线电平也为高。这一点是识别矩阵键盘按键是否按下的关键所在。键盘中究竟哪一个键被按下，是通过列线逐列置低电平后检查行输入状态来确定的。先令列线PA0输出低电平“0”,PA1～PA7全部输出高电平“1”,读行线PC0～PC3的输入电平。如果读得某行线为“0”，则可确认对应于该行线与列线PA0相交处的键被按下,否则PA0上无键按下。如果PA0列线上无键按下，接着令PA1输出低电平“0”，其余为高电平“1”，再读PC0～PC3，判断是否全为“1”，若是,表示被按键也不在此列，依次类推直至列线PA7。如果所有列线均判断完，仍未出现PC0～PC3读入值有“0”的情况，则表示此次并无键按下。该键盘工作方式为编程扫描工作方式。这是利用CPU在完成其他工作的空余，调用键盘扫描子程序,来响应键输入的要求，在执行键功能程序时,CPU不再响应键输入要求。在键盘扫描子程序中应完成下述几个功能:(1)判断键盘上无键按下。(2)去键的机械抖动影响。(3)求按下键的键号。按照行列式键盘工作原理，图中32个键对应的键号如图4-8。这种顺序排列的键号按照行首键号与列号相加的办法处理，每行的行首键号依次为0，8，16，24，列号依列线顺序为0～7。(4)判别闭合的键是否被释放。键闭合一次仅进行一次功能操作。等键释放后去除键的抖动再将键值送入累加器A中，然后执行键功能操作。4.5译码电路设计8031单片机允许扩展64K程序存储器和64K数据存储器（包括I/O口芯片），这就需要扩展多个外围芯片，因而需要把外部地址空间分配给这些芯片，并且使程序存储器各芯片之间、数据存储器各芯片之间地址互相不重叠，以使单片机访问外部存储器时，避免发生冲突。当8031数据总线分时地与各个外围芯片进行数据传送时，首先要进行片选,而当片内有许多单元时，还要进行片内地址选择。由于系统容量较大，扩展的外围芯片较多，芯片所需的片选信号多于可利用的地址线所以用全地址译码的方法。采用74LS138译码器，其引脚图如图4-3。图4-374LS138引脚图4.6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。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。4.7步进电机的控制4.7.1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。4.7.2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4-4所示。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。图4-4步进电机控制原理电路4.7.3步进电机接口及驱动电路1.脉冲分配器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”，对应着相应绕组的断电状态。微处理器按照程序中规定的顺序，循环的向寄存器中写入各控制字节，从而使步进电动机绕组按固定的规律，循环地通电或断电，步进电动机便按照设定的方向转动。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。耦合器由发光二极管和光敏三极管组成。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。C6132普通车床微机数控化改装硬件设计说明图4-5为控制系统的原理框图。CPU选用ATMEL公司的8位单片机AT89S51；由于AT89S51本身资源有限，所以扩展一片EPROM芯片W27C512用做程序存储器，存放系统底层程序；扩展了一片SRAM芯片6264用做数据存储器，存放用户程序；键盘与LED采用8279来管理；输入/输出口的扩展选用了并行接口8255芯片，一些进/出的信号均做了隔离放大；模拟电压的输出借助于DAC0832;与PC机的串行通信经过MAX233芯片。复位电路晶振电路复位电路晶振电路EPRAM芯片W27C512SRAM芯片6264键盘与显示接口芯片8279串行接口芯片MAX233CPU8031单片机并行接口芯片8255D/A转换芯片DAC0832螺纹光栅信号操作面板开关交流变频器主轴电动机隔离放大隔离放大隔离放大隔离放大隔离放大隔离放大隔离放大隔离放大X向步进电动机Z向步进电动刀架电动机主轴电动机卡盘电动机切削液泵电动机刀架刀位信号限位开关信号图4-5控制原理框图4.9控制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。4.9.1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。4.9.2环形分配器软件设计1.环形分配器工作原理微机是利用输入、输出接口I/O口来控制步进电机的，其中微机是MCS-51单片机，I/O口是并行接口芯片8155的PA、PB、PC口，当微机向I/O口输出不同的数据时，就可以控制各相控制绕组的通电或断电，从而实现步进电机的转动，以直角坐标系中的、D两坐标联动为例。设X向步进电机的三相控制绕组分别由I/O口位的D0、D1、D2位控制，Z向步进电机的三相控制绕组分别由I/O口的D3、D45位控制，当任一位输出为高电平时，则这一相的绕组就处于通电状态，相反任一位输出为低电平时，这相就处于断电状态。每一种通电状态对应一个数，把这个数叫通电状态码。如果把三相六拍控制方式的六种通电状态所对应的通电状态码按顺序经I/O输出，就会使步进电机转动。三相六拍控制方式的通电方式码如表4-1，通电状态码按正方向顺序输出时，步进电机则正转。按反向顺序输出时，步进电机则反转。把这些状态码预先用功能键放置在微机内存中，或通过程序设置在内存中。最后一个00H是供电动机正向时，每选一个通电状态码。微机判断是否六个数据送完，最前边00H是用来判断电动机反向时，判别六个数据是否送完。若为00H则地址指针重新赋值，不为00H，则地址指针加1（反向时减1），正转时，存放01H数据的地址单元为地址指针。在反转时，存数05H数据的地址单元为地址指针。状态代码起始地址如下：ORG××××H状态代码起始地址：00H、01H、03H、02H、06H、04H、05H、00H（其中：00H为地址指针重新赋值标志）2.步进电机转速的控制改变输出状态码之间的间隔时间，即可改变步进电机的速度，间隔时间可由软件延时的方法来实现，也可用微机的定时器实现，改变延时程序的时间常数T即可调整延时的时间，也就是改变了步进电机的转速。控制字的设置控制字FCW用来控制步进电的转动D1为X向方向位（1-正转、0-反转）D0为X向转、停控制位（1-转动、0-停止）环形分配器子程序框图如图4-6环形分配器子程序框图。微机判别控制字FCW的各位，选FCW.0=1，则检测为X电机进给，接着再判别是否FCW.1=1，来确定X是正向进给还是反向进给。表4-1三相六拍控制方式的通电方式码4.9.3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。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）4.9.4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4-7所示4.9.5步进电机自动升降速控制步进电动机应工作在额定工作频率下，不能超过最高频率，否则会出现失步现象。同样步进电动机若在较高频率下起动，停止或速度突变时。由于其惯性也会产生失步现象，所以在步进电机的起动，停止和变速过程采用图4-8为采用这种方法的输出脉冲频率的波形，步进电机在起动过程中，进给脉冲随时间按线性变化。上升到一定频率fc时停止变化，改为匀速进给。第一象限直线插补程序框图在制动过程中，同样由给定频率值fc匀速直到输出进给脉冲为0，步进电机停止运转，实现这种方法进给比较容易。也就是要求步进电机在起动、制动及变速过程中微机每输出一个状态码，延时时间间隔成线形递减或递加变化，然后走到一定的步数后达到匀速状态等加减速如附图4-9：在清楚了自动回转刀架的机械结构和电气控制电路后，就可以着手编制刀架自动转位的控制软件了。对于四工位自动回转刀架来说，它最多装有4把刀具，设计控制软件的任务，就是选中任意一把刀具，让其转到工作位置。图4-10表示让1#刀转到工作位置的程序流程，2#~4#刀的转位流程与1#刀相似。设控制系统的CPU为AT89C51单片机，扩展8255芯片作为自动回转刀架的收信与发信控制，已知8255芯片的控制口地址为2FFFH，则基于图4-1和图4-10的汇编程序清单如下：T01：MOVDPTR,#2FFEH；指向8255的PC口MOVXA,@DPTR；读取PC口内容JNBACC.4，TEND；测试PC4=0？若是，则说明1#已在工作位置，程序转到TENDMOVDPTR,#2FFCH；指向8255的PA口地址