451 CA6140型車床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造

451 CA6140型車床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造,ca6140,車床,經(jīng)濟(jì)型,數(shù)控,改造 11 前言國外利用數(shù)字計算機(jī)進(jìn)行控制加工是從 40 年代開始的。1952 年美國麻省理工學(xué)院在一臺立式銑床上裝了一套試驗(yàn)性的數(shù)控系統(tǒng)，成功地實(shí)現(xiàn)同時控制三軸的運(yùn)動，它成了世界上第一臺數(shù)控機(jī)床。此后，從 60 年代開始，其他一些工業(yè)國家如德國、日本等陸續(xù)地開發(fā)生產(chǎn)及使用數(shù)控機(jī)床。1974 年微處理機(jī)直接用于數(shù)控機(jī)床，進(jìn)一步促進(jìn)了數(shù)控機(jī)床的普及應(yīng)用和大力發(fā)展。隨著數(shù)控機(jī)床的功能越來越完善，可靠性和性能越來越高，它在制造業(yè)中逐漸擔(dān)當(dāng)了越來越重要的角色。我國數(shù)控機(jī)床的研制是從 1958 年開始的，經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展，直至 80 年代后引進(jìn)了日本、美國、西班牙等國數(shù)控伺服及伺服系統(tǒng)技術(shù)后，我國的數(shù)控技術(shù)才有質(zhì)的飛躍，應(yīng)用面逐漸鋪開，數(shù)控技術(shù)產(chǎn)業(yè)才逐步形成規(guī)模。由于現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展，市場需求變的越來越多樣化，多品種、中小批量甚至單件生產(chǎn)占有相當(dāng)大的比重，普通機(jī)床已越來越不能滿足現(xiàn)代加工工藝及提高勞動生產(chǎn)率的要求。如果設(shè)備全部更新替換，不僅資金投入太大，成本太高，而且原有設(shè)備的閑置又將造成極大的浪費(fèi)。如今科學(xué)技術(shù)發(fā)展很快，特別是微電子技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展更快，應(yīng)用到數(shù)控系統(tǒng)上，它既能提高機(jī)床的自動化程度，又能提高加工精度，所以最經(jīng)濟(jì)的辦法就是進(jìn)行普通機(jī)床的數(shù)控改造。這樣既可以提高加工生產(chǎn)率，改善加工工藝，還可以減少資金投入，減輕工人的勞動強(qiáng)度，縮短訂購新的數(shù)控機(jī)床的交貨周期時間。實(shí)踐已經(jīng)證明普通車床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造具有重大的實(shí)際價值，為此，在舊有車床上進(jìn)行數(shù)控改造有著較好的市場前景。本課題來源于生產(chǎn)實(shí)踐。將 CA6140 型普通車床改造成經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床，應(yīng)能實(shí)現(xiàn) CA6140 車床原有功能，在機(jī)床的精度、性能等方面除保持原來狀況外還有所提高。在整個設(shè)計過程中滿足以下幾點(diǎn)要求：a．橫向（X 向） 進(jìn)給脈沖當(dāng)量為 0.005mm /脈沖；b．進(jìn)給速度范圍：向 3 ～ 1000mm/min （無級調(diào)速）快進(jìn)速度：X 向 1000 ～ 3000mm/min 內(nèi)任意設(shè)定；c.原車床的主傳動系統(tǒng)予以保留，橫向進(jìn)給系統(tǒng)由微機(jī)實(shí)現(xiàn)開環(huán)控制，兩軸聯(lián)動；d.刀架采用自動轉(zhuǎn)位刀架，具有切削螺紋的功能；e.改造方便，成本低。該設(shè)計的總體思路是采用以 8031 單片機(jī)為核心的數(shù)控裝置控制加工過程。微機(jī)通過 I/O 接口發(fā)出驅(qū)動脈沖，經(jīng)過光電隔離進(jìn)入步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動控制線路，驅(qū)動控制線路接受來自數(shù)控車床控制系統(tǒng)的進(jìn)給脈沖信號，并將該信號轉(zhuǎn)換為控制步進(jìn)電機(jī)各定子繞組依次通電、斷電的信號，使步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子帶動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動，從而使工作臺產(chǎn)生移動，實(shí)現(xiàn)縱向、橫向的進(jìn)給運(yùn)動。由于步進(jìn)電機(jī)需要的驅(qū)動電壓較高，電流較大，如果將 I/O 輸出信號直接與功率放大器相連，將CA6140 型車床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造設(shè)計(橫向)2會引起強(qiáng)電干擾，輕則影響單片機(jī)程序運(yùn)行，重則導(dǎo)致單片機(jī)接口電路的損壞，所以在接口電路與功率放大器之間加上隔離電路，實(shí)現(xiàn)電氣隔離。2 總體方案設(shè)計由于該設(shè)計是經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造，在考慮具體方案時，應(yīng)遵守的基本原則是在滿足使用要求的前提下，對機(jī)床的改動盡可能少，以降低成本。2.1 機(jī)械部分改造橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的改造：拆掉原手動刀架和小拖板，安裝上數(shù)控刀架；拆掉普通絲桿、光桿進(jìn)給箱和溜板箱，換上滾珠絲杠螺母副；保留原手動機(jī)構(gòu)，用于調(diào)整操作，原有的支撐結(jié)構(gòu)也保留，采用一級齒輪減速，步進(jìn)電機(jī)、齒輪箱體安裝在中拖板的后側(cè)。2.2 數(shù)控系統(tǒng)部分設(shè)計數(shù)控系統(tǒng)按運(yùn)動方式分為點(diǎn)位控制系統(tǒng)、點(diǎn)位直線控制系統(tǒng)、連續(xù)(輪廓)控制系統(tǒng)根據(jù)設(shè)計要求，CA6140 車床要加工復(fù)雜零件輪廓，其各坐標(biāo)軸的運(yùn)動有著確定的函數(shù)關(guān)系。根據(jù)設(shè)計要求，本微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)采用連續(xù)控制系統(tǒng)。采用以步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的開環(huán)控制。因?yàn)殚_環(huán)控制具有結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計制造容易、控制精度較好、容易調(diào)試、價格便宜、使用維修方便等優(yōu)點(diǎn)。開環(huán)控制多用于負(fù)載變化不大或要求不高的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控設(shè)備中。采用簡易數(shù)控裝置，以步進(jìn)電機(jī)為驅(qū)動機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)在微機(jī)控制下的自動加工。其工作原理是：根據(jù)加工零件的圖樣與工藝方案，用規(guī)定的代碼和程序格式編寫加工程序，通過數(shù)控裝置上的鍵盤輸入微機(jī)，微機(jī)在監(jiān)控程序的管理下工作，并通過專用控制程序，把用戶加工程序轉(zhuǎn)化成一定頻率和數(shù)量的脈沖信號，經(jīng)驅(qū)動電路放大后驅(qū)動縱橫向二臺步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動，通過機(jī)械接口傳動絲杠實(shí)現(xiàn)刀架縱、橫兩個方向的頻率。自動回轉(zhuǎn)刀架由單片機(jī)發(fā)出換刀轉(zhuǎn)位指令，由自動刀架驅(qū)動電源驅(qū)動三相電機(jī)使刀架松開、抬起、旋轉(zhuǎn)后再自動鎖緊而完成轉(zhuǎn)位換刀過程。該經(jīng)濟(jì)型微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動元件。微機(jī)通過 I/O 接口發(fā)出驅(qū)動脈沖，經(jīng)過光電隔離進(jìn)入步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動控制線路，驅(qū)動控制線路接受來自數(shù)控車床控制系統(tǒng)的進(jìn)給脈沖信號，并將該信號轉(zhuǎn)換為控制步進(jìn)電機(jī)各定子繞組依次通電、斷電的信號，使步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子帶動滾珠絲杠傳動，絲杠轉(zhuǎn)動使工作臺產(chǎn)生移動。光電隔離微機(jī)功率放大步進(jìn)電 機(jī)橫向工作臺xx3圖 2-1 CA6140 車床數(shù)控改造的總體方案示意圖綜上所述，本設(shè)計改造的總體方案為：采用 MCS-51 單片機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行計算處理，由 I/O 接口輸出步進(jìn)脈沖，步進(jìn)電機(jī)經(jīng)一級齒輪減速后，帶動滾動絲杠轉(zhuǎn)動，從而實(shí)現(xiàn)縱向、橫向的進(jìn)給運(yùn)動。數(shù)控改造后的車床不僅提高了原車床的精度和自動化程度，達(dá)到快速調(diào)整且仍能保持車床的通用性，而且提高了原車床的功能，利用數(shù)控方法準(zhǔn)確地加工任意面的旋轉(zhuǎn)體。CA6140 型車床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造設(shè)計(橫向)43 機(jī)械部分改造設(shè)計3.1 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計與計算3.1.1 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計步進(jìn)電機(jī)經(jīng)減速后驅(qū)動滾珠絲杠，使刀架橫向運(yùn)動。步進(jìn)電機(jī)安裝在大拖板上，用法蘭盤將步進(jìn)電機(jī)和機(jī)床大拖板連接起來，以保證同軸度，提高傳動精度。3.1.2 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計計算已知條件：工作臺重（根據(jù)圖紙粗略計算） W=30kgf=300N時間常數(shù) T=25ms滾珠絲杠基本導(dǎo)程 L=4mm 左旋行程 S=230mm脈沖當(dāng)量 =0.005mm/stepp?步距角 =0.75 °/step?快速進(jìn)給速度 νmax=1mm/minA.切削力計算 查參考文獻(xiàn)[1]可得知，橫向進(jìn)給量為縱向的 1/2～1/3,取 1/2,則切削力約為縱向的 1/2F =(1/2)×152.76=76.38kgf=763.8N （3-z1）在切斷工件時：F =0.5F =0.50×76.38=38.19kgf=381.9N （3-zz2）B.滾珠絲杠設(shè)計計算a.強(qiáng)度計算對于燕尾型導(dǎo)軌：P=KFy+f＇(Fz+W) （3-3）取 K=1.4 f＇=0.2則P=1.4×38.19+0.2×（76.38+30）=74.74kgf=747.4N （3-4）壽命值5L = = =13.5 （3-i610Tin6150?5）最大動負(fù)載Q= = ×1.2×1×74.74=213.55kgf=2135.5N （3-iL35.6）根據(jù)最大動負(fù)荷 Q 的值，可選擇滾珠絲杠的型號。查參考文獻(xiàn)[2]可知，選用型號為 WL2004-2.5X1B 左，其額定動負(fù)荷為 6100N，所以強(qiáng)度足夠用。b.效率計算螺旋升角 γ=3°39′，摩擦角 ψ=10′則傳動效率η= = =0.956 （3-)(???tg)1038(???t　g7）c.剛度驗(yàn)算滾珠絲杠受工作負(fù)載 P 引起的導(dǎo)程的變化量ΔL = = = 5.96×10-6cm （3-1EFL0?26719.0.214.347??8）滾珠絲杠受扭矩引起的導(dǎo)程變化量 ΔL 2很小，可忽略，即：ΔL=ΔL 。所以，1導(dǎo)程變形總誤差為Δ= ΔL= ×5.96×10-6=14.9μm/m （3-oL104.9）查表知 E 級精度絲杠允許的螺距誤差 1m 長為 15μm/m，故剛度足夠。d.穩(wěn)定性驗(yàn)算由于選用滾珠絲杠的直徑與原絲杠直徑相同，而支承方式由原來的一端固定、一端懸空，變?yōu)橐欢斯潭ǎ欢藦较蛑С?，所以穩(wěn)定性增強(qiáng)，故不用驗(yàn)算。C.齒輪及轉(zhuǎn)矩有關(guān)計算a.有關(guān)齒輪計算傳動比 i= = （3-poL??36067.1350.47??10）故取 Z =18 Z =3012m=2mm b=20mm α=20°CA6140 型車床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造設(shè)計(橫向)6d =36mm d =60mm 12d =40mm d =64mmaaa=48mmb.轉(zhuǎn)動慣量計算工作臺質(zhì)量折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動慣量JI=（ ） 2W=（ ） 2×30×0.01=0.0439kgf cm2（3-???p18075.01438?·11）絲杠轉(zhuǎn)動慣量JS=7.8×10-4×24×50=0.624kgf cm2 （3-·12）齒輪的轉(zhuǎn)動慣量J =7.8×10-4×3.64×2=0.262kgf cm2 （3-1z ·13）J =7.8×10-4×64×2=2.022kgf cm2 （3-2z14）電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量很小可忽略，因此，總的轉(zhuǎn)動慣量J= ????0439.26.0.624.531122 ???????????IZSJJi=1.258kgf cm2 （3-·15）c．所需轉(zhuǎn)動力矩計算n = = =41607r/min （3-maxoLi?43510?16）M = N m=2.23kgf cm （3-max 2184.0025.697418106.944a ??????TiJ ··17）（3-min/7.341.3.1 rDLfifnoot ????主18）7m=0.1775kgf cm （3-NMat 0174.025.6917384????··19）= （3-iLFof?? mNckgfif　W·028.·287.05.1432. ???20）（3-????·01.c·kgf16.09.58.014369.1i6M22oYo ?????20）（3-mNckgfiLFoYt ·179.0·2.58.014329. ???22）所以，快速空載啟動所需轉(zhuǎn)矩（3-cckgfMofa ·3.26·63.21.0287.3mx ??????23）切削時所需力矩：cm·N04.2c·kgf40.28.16.0287.14.0tofat ???????（3-24）快速進(jìn)給時所需力矩：（3-cmNckgfMof ·03.4·403.16.287.0????25）從以上計算可知：最大轉(zhuǎn)矩發(fā)生在快速啟動時， =2.633kgf cm=26.33N cmaxM·3.1.3 步進(jìn)電機(jī)的選擇C6140 橫向進(jìn)給系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)的確定（3-cmNMLoq ·285.64.0132.???26）電動機(jī)選用三相六拍工作方式，查參考文獻(xiàn)[1]表 7-2 知：（3-86.0?imq27）所以，步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩 為：iMCA6140 型車床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造設(shè)計(橫向)8（3-28）cmNMqim·01.768.256.0??步進(jìn)電機(jī)最高工作頻率（3-Hzfp3.05.1axma???29）為了便于設(shè)計和計算，選用 110BF003 型三相六拍步進(jìn)電機(jī)，能滿足使用要求。3.2 數(shù)控車床的傳動裝置設(shè)計數(shù)控機(jī)床的傳動裝置是指將電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動變?yōu)楣ぷ髋_的直線運(yùn)動的整個機(jī)械傳動鏈及其附屬機(jī)構(gòu)。包括絲杠螺母副、導(dǎo)軌、工作臺等。在數(shù)控機(jī)床數(shù)字調(diào)節(jié)技術(shù)領(lǐng)域，傳動裝置是伺服系統(tǒng)中的一個重要環(huán)節(jié)。因此，數(shù)控車床的傳動裝置與普通車床中傳動裝置在概念上有重要差別，它的設(shè)計與普通車床傳動裝置的設(shè)計不同。數(shù)控車床傳動裝置的設(shè)計要求除了具有較高的定位精度之外，還應(yīng)具有良好的動態(tài)特性，即系統(tǒng)跟蹤指令信號的響應(yīng)要快，穩(wěn)定性要好。為確保數(shù)控車床進(jìn)給系統(tǒng)的傳動精度和工作穩(wěn)定性，在設(shè)計機(jī)械傳動裝置時，通常提出了無間隙、低摩擦、高剛度等要求。為了達(dá)到這些要求，采取主要措施如下：a．盡量采用低摩擦的傳動，以減少摩擦力；b．鏈以及用預(yù)緊的辦法提高傳動系統(tǒng)的剛度；c．量消除傳動間隙，減少反向死區(qū)誤差。3.2.1 螺旋傳動A．概述螺旋傳動主要用來把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動變?yōu)橹本€運(yùn)動，或把直線運(yùn)動變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動。其中，有以傳遞能量為主的傳力螺旋，有以傳遞運(yùn)動為主，并要求有較高傳動精度的傳動螺旋，還有調(diào)整零件相互位置的調(diào)整螺旋。螺旋傳動機(jī)構(gòu)又有滑動絲杠螺母、滾珠絲杠螺母和液壓絲杠螺母機(jī)構(gòu)。在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床的進(jìn)給系統(tǒng)中，螺旋傳動主要用來實(shí)現(xiàn)精密進(jìn)給運(yùn)動，并廣泛采用滾珠絲杠副傳動機(jī)構(gòu)。滾珠絲杠副傳動是在具有螺旋滾道的絲杠和螺母間放入適當(dāng)數(shù)量的滾珠。這些滾珠作為中間傳動件，使螺桿和螺母之間的摩擦由滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦的一種傳動裝置。它由絲杠、螺母、滾珠及滾珠循環(huán)返回裝置等四個部分組成。當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)動螺母移動時，滾珠則沿螺桿螺旋滾道面滾動，在螺桿上滾動數(shù)圈后，滾珠從滾道的一端滾出并沿返回裝置返回另一端，重新進(jìn)入滾道，從而構(gòu)成閉和回路。B．滾珠絲杠副傳動的特點(diǎn)a．傳動效率高，摩擦損失小。b．給予適當(dāng)預(yù)緊，可消除絲杠和螺母的螺紋間隙，反向時就可以消除空程死區(qū)，9定位精度高，剛度好。c．啟動力矩小，運(yùn)動平穩(wěn)，無爬行現(xiàn)象，傳動精度高，同步性好。d．有可逆性，可以從旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動，也可以從直線運(yùn)動轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，即絲杠和螺母都可以作為主動件。e．磨損小，使用壽命長，精度保持性好。f．制造工藝復(fù)雜。滾珠絲杠和螺母等元件的加工精度要求高，表面粗糙度值別別小，故制造成本高。g．不能自鎖。特別是對于垂直絲杠，由于中立的作用，下降時當(dāng)傳動切斷后，不能立刻停止運(yùn)動，所以需要添加制動裝置。C．滾珠絲杠副的支承方式為了滿足高精度、高剛度進(jìn)給系統(tǒng)的需要，必須充分重視滾珠絲杠副支承的設(shè)計。a．一端固定 一端自由a) 絲杠的靜態(tài)穩(wěn)定性和動態(tài)穩(wěn)定性都很低。b) 結(jié)構(gòu)簡單c) 軸向剛度小d) 適用于較短的滾珠絲杠安裝和垂直的滾珠絲杠安裝b．兩端鉸支a) 結(jié)構(gòu)簡單b) 軸向剛度小c) 適用于對剛度和位移精度要求不高的滾珠絲杠安裝d) 對絲杠的熱伸長較敏感e) 適用于中等回轉(zhuǎn)速度c．一端固定 一端鉸支a) 絲杠的靜態(tài)穩(wěn)定性和動態(tài)穩(wěn)定性都較高，適用于中等回轉(zhuǎn)速度b) 結(jié)構(gòu)稍復(fù)雜c) 軸向剛度大d) 適用于對剛度和位移精度要求較高的滾珠絲杠安裝e) 推力球軸承應(yīng)安置在離熱源（步進(jìn)電機(jī)）較遠(yuǎn)的一端d．兩端固定a) 絲杠的靜態(tài)穩(wěn)定性和動態(tài)穩(wěn)定性最高，適用于高速回轉(zhuǎn)b) 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，兩端軸承均調(diào)整預(yù)緊，絲杠的溫度變形可轉(zhuǎn)化為推力軸承的預(yù)緊力c) 軸向剛度最大d) 適用于對剛度和位移精度要求高的滾珠絲杠安裝e) 適用于較長的絲杠安裝綜上所述，本設(shè)計中滾珠絲杠副支承方式由原來的一端固定、一端懸空，變?yōu)橐欢斯潭?，一端徑向支承。CA6140 型車床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造設(shè)計(橫向)10D．滾珠絲杠副軸向間隙的調(diào)整滾珠絲杠的傳動間隙是軸向間隙。為了保證反向傳動精度和軸向剛度，必須消除軸向間隙。消除間隙的方法采用雙螺母結(jié)構(gòu)，利用兩個螺母的相對軸向位移，使兩個滾珠螺母中的滾珠分別貼緊在螺旋滾道的兩個相反的側(cè)面上。用這種方法預(yù)緊消除軸向間隙時，應(yīng)注意預(yù)緊力不宜過大，預(yù)緊力大會使空載力矩增加，從而降低傳動效率，縮短使用壽命。此外，還要消除絲杠安裝部分和驅(qū)動部分的間隙。3.2.2 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計A．軸 CAJJX6140-02-04 的結(jié)構(gòu)設(shè)計由前面滾珠絲杠副的設(shè)計可知：滾珠絲杠的直徑為 20mm。由于絲杠與軸CAJJX6140-02-04 通過聯(lián)接套聯(lián)接，考慮到軸的加工方便性和整體的連貫性，軸CAJJX6140-02-04 的軸身部分直徑與滾珠絲杠的直徑相同，均為 φ20mm，其長度根據(jù)原車床實(shí)際需要的尺寸而定，軸頸部分直徑為 17mm。圖 3-1 軸 CAJJX6140-02-04B．軸 CAJJX6140-02-08 的結(jié)構(gòu)設(shè)計考慮與軸承內(nèi)經(jīng)的配合，所以該軸兩端支承部分直徑為 17mm。由于該軸需與法蘭盤聯(lián)接，而且該軸相對較長，因此在設(shè)計時為了方便安裝，降低裝配難度，將軸身部分增加一個軸肩，直徑適當(dāng)減小，使其有一過渡，軸身直徑為 15mm。因?yàn)樵撦S的右端還需安裝一個透蓋，用雙螺母對其緊固。軸與透蓋用一鍵使其周向固定。查參考文獻(xiàn)[3]可知，根據(jù)軸的直徑選用型號為 GB/T1098-1979 的鍵，鍵槽寬度為3mm，深度為 3.8mm。11圖 3-2 軸 CAJJX6140-02-083.2.3 透蓋的結(jié)構(gòu)設(shè)計透蓋的內(nèi)徑和長度由與之配合的軸 CAJJX6140-02-08 的直徑和長度決定，所以透蓋的直徑為 16mm,長 33mm。因?yàn)檫x用型號為 GB/T1098-1979 的鍵，查參考文獻(xiàn)[3]可知，轂 t1=1.4mm，上偏差為+0.1，下偏差為 0。外圓的直徑由法蘭盤的直徑?jīng)Q定，為 96mm。圖 3-3 透蓋 CAJJX6140-02-013.2.4 螺母座的結(jié)構(gòu)設(shè)計螺母座的長度根據(jù)滾珠螺母的長度而定。螺母座與滾珠螺母通過鍵進(jìn)行軸向固定，查參考文獻(xiàn)[4]可知，該鍵型號選用 GB/T1096-1979，4×4×30。滾珠絲杠副通過螺母座帶動工作臺移動，因此螺母座通過螺釘與工作臺聯(lián)接。查參考文獻(xiàn)[4]可知，螺釘型號選用 GB/T70-1985。CA6140 型車床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造設(shè)計(橫向)12圖 3-4 螺母座 CAJJX6140-02-073.3 自動轉(zhuǎn)位刀架的設(shè)計自動轉(zhuǎn)位刀架的設(shè)計是普通機(jī)床數(shù)控改造機(jī)械方面的關(guān)鍵。在進(jìn)行普通車床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造時，多采用外購自動轉(zhuǎn)位刀架。由微機(jī)控制的自動轉(zhuǎn)位刀架具有重復(fù)定位精度高,工件剛性好,性能可靠,使用壽命長以及工藝性好等特點(diǎn)。自動轉(zhuǎn)位刀架設(shè)計時,刀架要能自動完成抬起、回轉(zhuǎn)、選位、下降、定位和壓緊,即要設(shè)計出合理的機(jī)構(gòu)又要檢測出個順序動作的電信號,以便由控制系統(tǒng)加以控制。刀架的回轉(zhuǎn)常采用微電機(jī)通過蝸輪蝸桿使刀架抬到一定高度時,由撥塊帶動刀架轉(zhuǎn)動。刀架的選位由刀架位置的編碼和微機(jī)程序來實(shí)現(xiàn)。這里選用的是 LD4-1 型自動刀架，其工作原理是由微機(jī)發(fā)出換刀信號,使微電機(jī)正轉(zhuǎn),通過減速機(jī)構(gòu)和升降機(jī)構(gòu)將上刀體升至一定位置時,離合轉(zhuǎn)盤起作用,帶動上刀體旋轉(zhuǎn),旋轉(zhuǎn)到所選刀位,發(fā)信盤發(fā)出刀位信號,使微電機(jī)反轉(zhuǎn),反靠初定位,上刀體下降,齒牙盤嚙合，完成精定位，并通過蝸輪蝸桿，鎖緊螺母，使刀架固緊。當(dāng)夾緊力達(dá)到預(yù)先調(diào)好的狀態(tài)時，過流繼電器動作，切斷電源，電機(jī)停轉(zhuǎn)，并向微13機(jī)發(fā)出回答信號，開始執(zhí)行下道工序。刀架的動作順序簡明地表示為：微電機(jī)——減速機(jī)構(gòu)——升降機(jī)構(gòu)——上刀體上升轉(zhuǎn)位——信號符合——粗定位機(jī)構(gòu)——上刀體下降——精定位——刀體鎖緊——微電機(jī)停轉(zhuǎn)——換刀回答信號——加工順序執(zhí)行。CA6140 型車床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造設(shè)計(橫向)144 微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計4.1 概述數(shù)控機(jī)械的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)一般用步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行驅(qū)動元件，因此又稱為開換步進(jìn)控制系統(tǒng)。由于這種系統(tǒng)不使用位置、速度檢測和反饋裝置，沒有閉環(huán)控制系統(tǒng)中的穩(wěn)定性問題，因此具有結(jié)構(gòu)簡單、使用維護(hù)方便、可靠性高、制造成本低等一系列優(yōu)點(diǎn)，適用于精度要求不太高的中小型數(shù)控設(shè)備。開環(huán)系統(tǒng)主要由脈沖分配器、驅(qū)動電源、步進(jìn)電機(jī)組成。步進(jìn)電機(jī)是一種多相脈沖電機(jī)，它的各相繞組必須按一定的規(guī)律輪流供電，步進(jìn)電機(jī)才能按一定的方向旋轉(zhuǎn)。為實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)各繞組間有規(guī)律輪流供電，可以采用硬件邏輯來實(shí)現(xiàn)，也可以用計算機(jī)軟件來實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)通過運(yùn)算不斷地向步進(jìn)電機(jī)發(fā)出脈沖分配信號，這樣就使步進(jìn)電機(jī)朝一個方向不斷轉(zhuǎn)動。單片機(jī)發(fā)出的脈沖速度快，步進(jìn)電機(jī)也轉(zhuǎn)得快，單片機(jī)發(fā)出的脈沖速度慢，步進(jìn)電機(jī)也轉(zhuǎn)得慢，這樣單片機(jī)就可以通過改變輸出脈沖的速度來改變步進(jìn)電機(jī)的速度。單片機(jī)還可以通過改變脈沖分配的順序來改變電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向。再通過機(jī)械傳動使電機(jī)的轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角變?yōu)楣ぷ髋_的進(jìn)退、移動速度和位移量。單片機(jī)就是這樣通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)來控制工作臺運(yùn)動的。由于單片機(jī)脈沖輸出的脈沖功率很小，不足以推動步進(jìn)電機(jī)，因而必須有一個把脈沖信號放大到足以推動步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動的放大器，這就是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電源。由于步進(jìn)電機(jī)是一個電感性負(fù)載，電流的上升率受電感大小的影響而在高頻運(yùn)行時扭矩將有較大的下降。所以在設(shè)計驅(qū)動電源時必須采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣硖岣唠娏鞯纳仙室员ＷC運(yùn)行時有足夠的扭矩。由此可見步進(jìn)電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電源的性能好壞將對開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的性能起很重要的作用。CPU I/O 接口 光電隔 離 功率放 大 步進(jìn)電 機(jī)RAMROM外 設(shè)鍵盤、顯示器圖 4-1 數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖4.2 數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計15任何一個數(shù)控系統(tǒng)都由硬件和軟件兩部分組成。硬件是數(shù)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)，其性能的好壞直接影響整個系統(tǒng)的工作性能。有了硬件，軟件才能有效的運(yùn)行。機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)硬件電路概括起來由 CPU、總線、存儲器以及 I/O 接口四部分組成。其中CPU 是數(shù)控系統(tǒng)的核心，作用是進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算處理和控制各部分電路協(xié)調(diào)工作。存儲器用于存放系統(tǒng)軟件，應(yīng)用程序和運(yùn)行中所需要的各種數(shù)據(jù)。I/O 接口是系統(tǒng)與外界進(jìn)行信息交換的橋梁。總線則是 CPU 與存儲器、接口以及其它轉(zhuǎn)換電路聯(lián)接的紐帶，是 CPU 與部分電路進(jìn)行信息交換和通訊的必由之路。4.2.1 微機(jī)機(jī)型和擴(kuò)展存儲器的選擇確定微機(jī)機(jī)型就是選擇 CPU。單片機(jī)價格低、可靠性較高，適用于控制，選擇單片機(jī)做控制器比較合適。根據(jù)總體方案的確定，微機(jī)采用 MCS-51 系列單片機(jī)。51 系列有三種型號：8031 是無 ROM 的 8051；8751 是用 EPROM 代替 ROM 的 8051。目前，工控機(jī)中應(yīng)用最多的是 8031 單片機(jī)。本設(shè)計就采用 8031 單片機(jī)。8031 單片機(jī)是美國 Intel 公司的產(chǎn)品 MCS—51 系列單片機(jī)的一個型號，是目前性能較高的 8 位單片微型計算機(jī)。8031 單片機(jī)內(nèi)部包含一個 8 位 CPU，128 字節(jié)的RAM，兩個 16 位定時器，四個八位并行口，一個全功能串行口，可擴(kuò)展的外部程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器的容量為 64K 字節(jié)，具有 5 個中斷源并配有兩個優(yōu)先級，還有 21 個特殊功能寄存器。所以 8031 單片機(jī)是一種理想的 8 位微型計算機(jī)，在各種數(shù)控系統(tǒng)中的到廣泛的應(yīng)用。8031 單片機(jī)是一個有 40 根引腳的雙列直插式器件。P0 口：8 位雙向 I/O 口，既是數(shù)據(jù)線，又是低 8 位地址線，分時使用；P1 口：8 位雙向 I/O 口，可供用戶使用的接口；P2 口：8 位雙向 I/O 口，系統(tǒng)外部存儲器擴(kuò)展時，作高 8 位地址線使用，系統(tǒng)不需要擴(kuò)展時，也可以供用戶使用；P3 口：8 位雙向 I/O 口，是一個雙功能口。ALE/PROG：訪問外部存儲器時，用于鎖存地址線低 8 位字節(jié)的地址鎖存允許輸出。ALE 提供一個定時信號，在與外部存儲器存取數(shù)據(jù)時把 P0 口的低位地址字節(jié)鎖存到外接的鎖存器中。這個引腳也是 EPROM 編程時的編程脈沖輸入端（PROG） 。EA/VDD：EA 為高電平時，CPU 執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器的指令。EA 為低電平時CPU 執(zhí)行外部程序存儲器指令。使用 8031 單片機(jī)時，EA 必須接地。8031 單片機(jī)內(nèi)只有 128 字節(jié)的 RAM，沒有 ROM。機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)需要的程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器的容量都較大，必須外接程序存儲器（EPROM）和數(shù)據(jù)存儲器（RAM）芯片。A．程序存儲器的擴(kuò)展a．選用 27128 芯片常用的 EPROM 存儲器有 2716，2732，2764，27128，27256 等，容量分別為CA6140 型車床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造設(shè)計(橫向)162K、4K、8K、16K，32K。由于車床數(shù)控系統(tǒng)包括系統(tǒng)控制程序和加工程序，采用16KB×8 的 27128 芯片，可與單片機(jī)所選的 12MHz 時鐘相匹配。27128EPROM 芯片是一個有 28 根引腳的雙列直插式集成元件。該芯片共有 14 根地址線 A0～A13，8 根數(shù)據(jù)線 D0～D7，其余的為控制線。27128 低八位地址線和 74LS373 的輸出端連接,高六位地址線直接與 8031 的P2.0～P2.5 連接。它的八位數(shù)據(jù)線直接與 8031 的 P0 口連接。ROM 的尋址范圍為 0000H～3FFFH，并且采用譯碼器，使地址范圍無重疊區(qū)。b．地址鎖存器 74LS373單片機(jī)規(guī)定 P0 口提供低 8 位地址線，同時又要作為數(shù)據(jù)線，所以 P0 是一個分時輸出低 8 位地址和數(shù)據(jù)的通道口。為了把地址信息分離出來保存，提供外接存儲器的低 8 位地址信息，通常采用 74LS373 作為地址鎖存器。除 74LS373 外，74LS273、8282、8212 等芯片也可用作地址鎖存器，使用時接法稍有不同，由于接線稍繁，多用硬件和價格稍貴，故不如 74LS373 用得普遍。74LS373 作為地址鎖存器。D1～D8 是輸入端，Q1 ～Q8 是輸出端，CE 是片選端，片選端 G 與 8031 單片機(jī)的地址鎖存信號 ALE 連接。當(dāng)片選端 G=1 時，74LS373 的輸出端與輸入端相通，當(dāng) G 端從高電平返回低電平（下降沿）時，輸入的地址信息就被鎖入 Q1～Q8 中。B．?dāng)?shù)據(jù)存儲器的擴(kuò)展a．選用 62256 芯片數(shù)據(jù)存儲器選用 32K×8 位的 62256 芯片，其地址范圍為 6000H～7FFFH，它的22 腳當(dāng) CS 為高，自己也在高電平時，具有自動提供刷新 RFSH 的功能。也采用譯碼器，使其無重疊區(qū)的地址范圍。b．地址譯碼器 74LS138外部芯片都通過總線與單片機(jī)連接，單片機(jī)數(shù)據(jù)總線分時地與各個外部芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，故需進(jìn)行片選控制。若芯片內(nèi)有多個地址單元時，還要進(jìn)行片內(nèi)地址選擇。8031 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的地址譯碼規(guī)定，外部擴(kuò)展芯片與數(shù)據(jù)存儲器統(tǒng)一編址，所以外部芯片不僅占用數(shù)據(jù)存儲器一定數(shù)量的地址單元，而且要使用讀/寫信號與讀/寫指令完成數(shù)據(jù)傳送。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控硬件結(jié)構(gòu)中采用全地址譯碼方式。所謂全地址譯碼是：低位地址作為片內(nèi)地址，高位地址用譯碼器譯碼，譯碼器輸出的地址選擇信號作為片選線連至每個外部芯片的片選端。地址譯碼常用 74LS138 譯碼器，G1、G2A 和 G2B 是賦能端，A、B、C 是選擇端，Y0～Y7 是輸出端。74LS138 地址譯碼電路輸入端出占用了 8031 單片機(jī)的 P2.5～P2.7 三根高位地址線，剩余的 13 根地址線用作數(shù)據(jù)存儲器的內(nèi)地址線。74LS138 譯碼器每一個輸出端可接一個外部芯片的片選端實(shí)現(xiàn)分時片選控制，因此，一個 74LS138 譯碼器的 8根輸出端可以連接 8 個 8K 字節(jié)地址空間。單片機(jī)的讀/寫信號經(jīng)過與門后控制譯碼器的賦能端 G2A、G2B，這就保證只有在讀/寫狀態(tài)時譯碼器輸出端才會輸出片選。174.2.2 確定 I/O 接口8031 只有 P1 口可作為普通 I/O 口用，所以需擴(kuò)展。鍵盤需要 32 個鍵，采用矩陣式鍵盤，需 12 個 I/O 口；顯示器采用 6 個 LED，需 6 個 I/O 接口；兩個三相步進(jìn)電機(jī)，采用軟件環(huán)行分配器，需 6 個；刀架需 4 個；緊急停需 1 個。采用一片 8279芯片和一片 8255A 即可。鍵盤/顯示器接口采用 8279 芯片，因?yàn)?8279 芯片是專用的鍵盤 /顯示器接口芯片，還可以編程。8279 芯片具有消顫（去抖動） 、雙鍵同時按下保護(hù)功能。顯示控制亦按掃描方式工作，可以顯示 8 或 16 個數(shù)碼（字符） 。LED 的個數(shù)應(yīng)滿足顯示值的要求和便于顯示。8279 與單片機(jī) 8031 的連接無特殊要求，除數(shù)據(jù)線、RESET、WR、RD 直接連接外，CS 與 74LS138 譯碼器輸出線 Y1 相連；8279 的 IRQ 經(jīng)反相器與 8031 的中斷請求輸人線 INT1 相連；時鐘輸人端 CLK 與 8031 的地址鎖存控制端 ALE 相連。8279 鍵盤最大可配置 8×8 個鍵，實(shí)際用了 32 個鍵。掃描線信號為 SL0～SL2，經(jīng)74LS138 譯碼器輸出的 4 個列選信號，接入鍵盤列線。鍵盤行查詢用了 RL0～RL7的 8 根回饋線，接人鍵盤行線。8279 配置的 8 位共陰極 LED 顯示器，其字位線由掃描線 SL0～ SL2 經(jīng)譯碼器、驅(qū)動器提供，字段線由OUTA0～OUTBA3、OUTB0～OUTB3 通過驅(qū)動器提供。8255A 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可分為四個部分：a.數(shù)據(jù)總線緩沖器 是一個 8 位的雙向三態(tài)驅(qū)動器，用于與單片機(jī)的數(shù)據(jù)總線相連。b.讀/寫控制邏輯 根據(jù)單片機(jī)的地址信息（A1、A0）與控制信息（RD、WR、RE、SET） ，控制片內(nèi)數(shù)據(jù)、CPU 控制字、外設(shè)狀態(tài)信息的傳送。 c.控制電路 根據(jù) CPU 送來的控制字使所管 I/O 接口按一定工作方式工作。對C 口甚至可按位實(shí)現(xiàn)“置位”或“復(fù)位” 。d.并行 I/O 接口 有 A、B、C 三個端口。A 口：可編程為 8 位輸入，或 8 位輸出，或雙向傳送。B 口：可編程為 8 位輸入，或 8 位輸出，按不能雙向傳送。C 口：可分為兩個 4 位口，用于輸入或輸出；也可用作 A 口、B 口的狀態(tài)控制信號。8255A 的 D0～D7 依次與 8031 的 P0.0～P0.7 連接；RD 、WR 、RESET 與 8031的同名引腳相連；A0、A1 兩跟地址線與鎖存器 74LS373 輸出的最低 2 位連接。自單片機(jī)接受地址信息、控制信息，在數(shù)據(jù)總線與端口間傳送數(shù)據(jù)、狀態(tài)控制信號，也自數(shù)據(jù)總線接受控制字。4.2.3 鍵盤接口設(shè)計首先判斷鍵盤上有無鍵閉合，先送 8255 的 PA 口一個數(shù)據(jù)為 00H，使列線PA0～PA7 的電平均為 0，然后讀 PB 口的 PB0～PB2 的狀況；若不全為“1” ，則有鍵CA6140 型車床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造設(shè)計(橫向)18閉合，此時延時 10ms 去掉抖動后再判斷有無鍵閉合。如無則繼續(xù)掃描，如有則判斷按下的鍵號。如確定有鍵按下時，便開始計算鍵值。當(dāng)采用 8 行 4 列的鍵盤時，定義第一行的鍵為 00H～03H，定義第二行鍵的鍵值為 04H～ 07H，依次類推。首先判斷是哪一行有鍵閉合，若第一行有鍵閉合，設(shè)置初值為 00H，若第二行有鍵閉合，則設(shè)置初值為 04H，依次類推。接著對列線進(jìn)行掃描以判斷是哪一列閉合。方法上使 PA0對應(yīng)的列線輸出低電平，其余均為高電平，判斷一下是否第一列有鍵閉合，如有則列計數(shù)為 00H，與初值相加則為鍵值，也即是鍵盤的鍵號，如無則把低電平移到第二列上再判斷，直到四列線全判斷完畢，找出列線為止。然后計算鍵值，最后可根據(jù)鍵號跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的鍵功能程序的入口。0→列掃描線KEY有鍵按下？延時 10ms有鍵按下？計算行值掃描各列鍵盤線求出列值計算鍵值轉(zhuǎn)各鍵功能功能1功能2功能3功能32…………圖 4-2 鍵盤程序框圖4.2.4 顯示電路設(shè)計數(shù)碼顯示器是單片機(jī)應(yīng)用產(chǎn)品中的廉價輸出設(shè)備。它由若干個發(fā)光二極管組成19的。當(dāng)發(fā)光二極管導(dǎo)通時，相應(yīng)的一個點(diǎn)或一個筆畫發(fā)亮。控制不同組合的二極管導(dǎo)通，就能顯示出各種字符。發(fā)光二極管的陽極連在一起的稱為共陽極顯示器，陰極連在一起的稱為共陰極顯示器。這種筆畫式的七段顯示器，能顯示的字符數(shù)量較少，但控制簡單，使用方便。動態(tài)顯示是一位一位地輪流點(diǎn)亮各位顯示器（掃描） 。對于每一位顯示器來說，每隔一段時間點(diǎn)亮一次。顯示器的亮度既與導(dǎo)通電流有關(guān)，也和點(diǎn)亮?xí)r間與間隔時間的比例有關(guān)。調(diào)整電流和時間參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)亮度較高較穩(wěn)定的顯示。若顯示的為數(shù)不大于 8 位，則控制顯示器公共極電位只需一個 8 位并行口（稱為掃描口） ?？刂聘鱾€顯示器所顯示的字形也需一個公用的 8 位口（稱為數(shù)據(jù)口） 。在 8031RAM 中設(shè)置 6 個顯示緩沖單元 79H～7EH，分別存放 6 位顯示器的顯示數(shù)據(jù)。8255 的 A 口掃描總是一位為高電平，即 6 位顯示器中僅有一位公共陰極為低電平，其它為高電平。8255 的 B 口輸出相應(yīng)位（陰極為低）顯示數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)段，使某一位顯示出一個字符，其它位為暗。依次地改變 A 口輸出為高的位，B 口輸出對應(yīng)的段數(shù)據(jù)，6 位顯示器就顯示出緩沖器顯示數(shù)據(jù)所確定的字符。4.3 軟件設(shè)計車床數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用工作中，軟件設(shè)計是一個重要方面。實(shí)際上，軟件設(shè)計與硬件設(shè)計工作是不可分割的，二者必須結(jié)合進(jìn)行。軟件設(shè)計工作，按其功能可分二類：一類是執(zhí)行軟件，它能完成各種實(shí)質(zhì)性的功能；另一類是監(jiān)控（管理）軟件，它是控制微機(jī)系統(tǒng)按預(yù)定的操作方式運(yùn)轉(zhuǎn)的程序。但執(zhí)行軟件和監(jiān)控軟件沒有明確的界限和固定的功能劃分。習(xí)慣上把鍵盤解釋程序作為監(jiān)控程序，其它任務(wù)都分散在特定功能的執(zhí)行程序中，并由監(jiān)控程序來調(diào)用必要的功能模塊，完成預(yù)定的任務(wù)。在進(jìn)行軟件設(shè)計時，應(yīng)從全局著眼，先將整個系統(tǒng)的任務(wù)按功能分成一個一個的模塊，并為每一個執(zhí)行模塊定義，然后設(shè)計出每一個具體模塊的程序，最后組成一個系統(tǒng)。不僅整個系統(tǒng)的程序結(jié)構(gòu)可具有模塊化的特性，而且其模塊內(nèi)部也可以分為小模塊。模塊特性對測試很有利，功能擴(kuò)充也很方便。要增加新功能，只要增加新模塊就能實(shí)現(xiàn)，像搭積木一樣。因此，這樣的模塊程序設(shè)計方法，思路清晰，邏輯性強(qiáng)，柔性較大。CA6140 型車床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造設(shè)計(橫向)20數(shù)控系統(tǒng)加工程序 管理與操作模塊插補(bǔ)功能間隙補(bǔ)償步進(jìn)電機(jī)控制速度控制環(huán)行分配管理模塊程序設(shè)計自動換刀程序設(shè)計鍵盤程序顯示程序鍵盤診斷中斷功能診斷圖 4-3 數(shù)控系統(tǒng)框圖4.3.1 插補(bǔ)原理及其程序設(shè)計A．概述經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床是用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使刀具相對工件沿著指定的路徑運(yùn)動，切削零件的輪廓，并保證切削過程中的每一點(diǎn)的精度和表面粗糙度符合一定的要求。每一方向的進(jìn)給運(yùn)動是靠步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動拖板產(chǎn)生的，而步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動則是靠數(shù)字脈沖來控制的。一個脈沖能使拖板產(chǎn)生的位移量或最小增量，常用Δx、Δy 表示。因而，知道了平行于軸向的加工輪廓長度，就可換算成步進(jìn)電機(jī)控制脈沖總數(shù)，從而完成零件加工。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控技術(shù)中采用的插補(bǔ)運(yùn)算方法有多種多樣，常用的方法有如下幾種：a．?dāng)?shù)字乘法器b．逐點(diǎn)比較法c．?dāng)?shù)字積分法d．比較積分法e．矢量判別法f．最小偏差法這些插補(bǔ)方法各有其長處和短處，并且不斷發(fā)展和完善。其中，較為成熟并得到廣泛應(yīng)用的是逐點(diǎn)比較法和數(shù)字積分法。B．逐點(diǎn)比較法直線插補(bǔ)方法及其程序設(shè)計逐點(diǎn)比較法的插補(bǔ)原理是：計算機(jī)在控制加工軌跡過程中，每當(dāng)?shù)都猓ㄍ习澹┫蚰骋环较蛞苿右徊?，就要進(jìn)行一次偏差計算和偏差判斷，就是比較加工點(diǎn)同要求加工軌跡相應(yīng)點(diǎn)的坐標(biāo)之間的偏離程度，然后根據(jù)偏差的大小確定下一步的移動方21向，使刀尖始終緊靠要求的加工輪廓線運(yùn)動，起到步步逼近的效果。這種插補(bǔ)方法的特點(diǎn)在于每控制刀尖移動一步時，都要完成四個工作節(jié)拍，即：a.偏差判別 判別刀具當(dāng)前位置相對于給定輪廓的偏離情況，以此決定刀具移動方向；b.進(jìn)給 根據(jù)偏差判別結(jié)果，控制刀具相對于工件輪廓進(jìn)給一步，即向給定的輪廓靠攏，減少偏差；c.偏差計算 由于刀具進(jìn)給已改變了位置，因此應(yīng)計算出刀具當(dāng)前位置的新差，為下次判別作準(zhǔn)備；d.終點(diǎn)判斷 判別刀具是否已到達(dá)被加工輪廓線段的終點(diǎn)。若已到達(dá)終點(diǎn)，則停止插補(bǔ)；否則繼續(xù)插補(bǔ)。逐點(diǎn)比較法是我國數(shù)控裝置中經(jīng)常采用的一種插值運(yùn)算方法，采用這種方法不僅可以加工直線輪廓，也可以加工圓弧曲線輪廓。其算法特點(diǎn)是：運(yùn)算直觀，插補(bǔ)誤差小于一個脈沖量，輸出均勻，而且輸出脈沖的速度變化小，調(diào)節(jié)方便。表 4-1 直線插補(bǔ)偏差計算F≥0 F＜0線型進(jìn)給 偏差計算 進(jìn)給 偏差計算L1L3 +Δx－ΔxF＇=F-ye +Δy-ΔyF＇=F+xeL2L4 +Δy－ΔyF＇=F-xe -Δx+ΔxF=F+yea．設(shè) PIO 端口為輸出狀態(tài)，其中 A 口控制 x 方向步進(jìn)電機(jī)，B 口控制 y 方向電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)均為三相六拍。b．?dāng)?shù)據(jù)單元：設(shè) xe 與 ye 均小于 128，2900H 單元放 x；2901H 單元放y；2801H為 x 向步進(jìn)電機(jī)控制碼首址，2811H 為 y 向步進(jìn)電機(jī)控制碼首址。c．控制狀態(tài)標(biāo)志： 2820H 中，D0D2 分別為 xy 向步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)停控制位，0 為停，為轉(zhuǎn)；D1D3 分別為 xy 向的正反轉(zhuǎn)控制位，0 為反轉(zhuǎn)，1 為正轉(zhuǎn)。d．加工各種線型都從原點(diǎn)（0，0）開始。CA6140 型車床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造設(shè)計(橫向)22開始初始化輸代碼置狀態(tài)標(biāo)志F＞0？調(diào)環(huán)分進(jìn)+X調(diào)環(huán)分進(jìn)+Y調(diào)環(huán)分進(jìn)+Y調(diào)環(huán)分進(jìn)-X調(diào)環(huán)分進(jìn)-X調(diào)環(huán)分進(jìn)-Y調(diào)環(huán)分進(jìn)-Y調(diào)環(huán)分進(jìn)+XF=F-YEX=X+1F=F+XEY=Y+1F=F-XEY=Y+1F=F+YEX=X+1F=F-YEX=X+1F=F+XEY=Y+1F=F-XFY=Y+1F=F+YEX=X+1F＞0？ F＞0？ F＞0？L1? L2? L3? L1?NNN NNNN轉(zhuǎn)監(jiān)控N判終到？停 機(jī)NY Y YYY圖 4-4 直線插補(bǔ)程序框圖4.3.2 步進(jìn)電機(jī)的控制及其程序設(shè)計步進(jìn)電機(jī)也叫脈沖電機(jī)，是將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或線位移的電磁機(jī)械裝置，是一種輸出與輸入數(shù)字脈沖對應(yīng)的增量驅(qū)動元件。當(dāng)給步進(jìn)電機(jī)一個電脈沖信號時，步進(jìn)電機(jī)便轉(zhuǎn)動一個步距角。如按一定規(guī)律給步進(jìn)電機(jī)一串連續(xù)電脈沖信號，步進(jìn)電機(jī)便一步一步地連續(xù)旋轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)具有如下特點(diǎn)：a.位移量與輸入電脈沖數(shù)有嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系，步距誤差不會積累。b.穩(wěn)定運(yùn)行時的轉(zhuǎn)速與控制脈沖的頻率有嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系。c.控制性能好，在一定的頻率下，能按控制脈沖的要求快速起、停和反轉(zhuǎn)。改變控制脈沖頻率，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速就隨著變化，并可在很寬的范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)。d.控制系統(tǒng)簡單，工作可靠，成本低。但其控制精度受到步距腳的限制。23所以，步進(jìn)電機(jī)廣泛用于數(shù)模轉(zhuǎn)換、速度控制和位置控制系統(tǒng)中，是開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的理想執(zhí)行元件。步進(jìn)電機(jī)的控制主要由脈沖分配和驅(qū)動電路兩部分組成。步進(jìn)電機(jī)脈沖控制任務(wù)主要有三點(diǎn)：一是控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向，二是控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，三是控制電機(jī)的轉(zhuǎn)角（步數(shù)） ?？刂戚斔徒o電機(jī)的脈沖數(shù)就控制了電機(jī)相應(yīng)的轉(zhuǎn)角數(shù)?？刂戚斔偷拿}沖頻率可以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向必須控制輸送脈沖給電機(jī)繞組的順序分配，這種分配稱為環(huán)行分配。三相六拍的通電順序?yàn)椋赫D(zhuǎn)：A —AB—B—BC—C—CA反轉(zhuǎn)：A —AC—C—CB—B—BA表 4-2 三相六拍步進(jìn)電機(jī)通電方式的控制數(shù)學(xué)模型節(jié) 拍 控 制 模 型正 轉(zhuǎn) 反 轉(zhuǎn)通 電 相二進(jìn)制 十六進(jìn)制1 6 A 00000001 01H2 5 AB 00000011 03H3 4 B 00000010 02H4 3 BC 00000110 06H5 2 C 00000100 04H6 1 CA 00000101 05HA．步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行控制程序設(shè)計只要給步進(jìn)電機(jī)各相繞組按規(guī)定的控制模型輸出時序脈沖，步進(jìn)電機(jī)就能按一定的方向轉(zhuǎn)動。在數(shù)控技術(shù)中，經(jīng)常要求步進(jìn)電機(jī)工作時隨時改變運(yùn)動方向，才能滿足機(jī)械加工的需要。步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行控制程序設(shè)計的主要任務(wù)是：判斷運(yùn)動方向，按順序送出控制脈沖，判斷所要送的脈沖是否送完。CA6140 型車床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造設(shè)計(橫向)24保護(hù)現(xiàn)場置步數(shù) N取控制碼正轉(zhuǎn)？輸出控制碼控制碼=00H正向控制碼首址延時 控制碼地址+1恢復(fù)現(xiàn)場返回步數(shù) N 完？反向控制碼首址NNNYYY圖 4-5 三相六拍步進(jìn)電機(jī)控制程序框圖 B．步進(jìn)電機(jī)的升降速控制及其程序設(shè)計步進(jìn)電機(jī)變速控制程序設(shè)計的任務(wù)就是合理地確定延時參數(shù) t，使步進(jìn)電機(jī)按照給定的速度規(guī)律運(yùn)行。從加工效率的觀點(diǎn)而言，我們總是希望要求步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行速度盡可能快些，快速地達(dá)到控制終點(diǎn)。但由于受步進(jìn)電機(jī)本身的特性限制，如果在速度較高的狀態(tài)啟、停及運(yùn)行速度突變時，往往會出現(xiàn)失步現(xiàn)象，使步進(jìn)電機(jī)不能正確地跟隨進(jìn)給脈沖。究其原因，是步進(jìn)電機(jī)的響應(yīng)頻率 fs 比較低，而空載最高啟動頻率也有所限制。所謂空載最高啟動頻率是指電機(jī)空載時，轉(zhuǎn)子從靜止?fàn)顟B(tài)不失步地與控制脈沖頻率相對應(yīng)的工作狀態(tài)同步的最大控制脈沖頻率。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)帶有負(fù)載時，它的啟動頻率要低于最高空載頻率。根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的矩頻特性可知，入口25啟動頻率越高啟動轉(zhuǎn)矩越小，帶負(fù)載的能力越差；當(dāng)步進(jìn)電機(jī)啟動后，進(jìn)入穩(wěn)定時的工作頻率又遠(yuǎn)大于啟動頻率。由此可見，一個靜止的步進(jìn)電機(jī)，不可能一下子穩(wěn)定到較高的工作頻率，必須在啟動的瞬間采取加速的措施。一般來說，升頻的時間約為 0.1～1s 之間。反之，從高速運(yùn)行，到停止也應(yīng)該有減速的措施。為此，數(shù)控系統(tǒng)往往要求以某種最優(yōu)的方式控制進(jìn)給脈沖的頻率，即要有自動升、降速控制的功能。a.設(shè)置突跳啟動頻率常數(shù)為 FA7C,放在 18H、19H 中。b.設(shè)置最高運(yùn)行頻率常數(shù)為 FF80,放在 1AH、1BH 中。c.設(shè)級差為 1,放在 1CH 中。設(shè)每階脈沖數(shù)初始為 1,臨時高速時增為 3,放在 1DH 中,因升速區(qū)后繼續(xù)升速比比較困難,把每階脈沖數(shù)增為 3,有利于提高最高速度值。Y圖 4-6 自動升降速程序流程圖C．步進(jìn)電機(jī)等加速度變速控制及程序設(shè)計a．等加速度運(yùn)行分析描述了一個步進(jìn)電機(jī)的等加速的運(yùn)行過程。在圖中縱坐標(biāo)是頻率 f，它是以步/s5AH,5BH←18H,19H4CH←1DH70H←1CH57H,58H=0?5AH,5BH≤18H,19H5AH,5BH+1→ 5AH,5BHRET5AH，5BH≥1AH，1BH5AH=FF4CH≤1DH 4CH←4CH+1（5AH，5BH）-1→5AH，5BH5AH→TH05BH→TL0NYCA6140 型車床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造設(shè)計(橫向)26為單位的，因此本質(zhì)上也是速度。橫坐標(biāo)是步數(shù)，其本質(zhì)上也是位移距離。設(shè)步進(jìn)電機(jī)以啟動頻率 f0 啟動后，以加速度 a 進(jìn)行加速，經(jīng)過 H 步運(yùn)行后達(dá)到f1，以后執(zhí)行勻速運(yùn)行。行走一段時間后，則開始減速。從最高頻率 fH 開始，經(jīng)過S 步之后降至 f0 而停止。ffHf00 0 1 2 … H P P+1 P+SN圖 4-7 步進(jìn)電機(jī)等加速度控制速度圖在數(shù)控技術(shù)的設(shè)計中，參數(shù) f0 、fH、H、 （P-H） 、S 都是已知的，需要求的參數(shù)是加速度 a,加速階段某時刻的步進(jìn)周期及減速階段某時刻的步進(jìn)周期和勻速階段的步進(jìn)周期。a) 加速階段的參數(shù)求取對于一個線性加速過程，可表示為f=f0+at (4-1)式中 f—瞬時頻率f0—啟動頻率a—加速度t—加速時間當(dāng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行了 x 步，所對應(yīng)的頻率為 fx，所用時間為 tx 時，根據(jù)運(yùn)動學(xué)方程，則有x= f0tx+0.5at2x (4-2) 于是可得：（x=1,2, …，H ） (4-3)afftx020???相鄰兩個進(jìn)給脈沖之間的時間間隔 Tx 為：(4-4)aaxfxftTx )1(22001 ???但式中仍含有未知參數(shù) a，所以必須求出 a。為此，把達(dá)到最高速度對應(yīng)的頻率 fH和時間 tH 分別代入式，得方程組：27afHfttH020???解之得：(4-5)f20把式（4-5）代入式（4-4）得：20202020 ))(1)(f fxHfHfTHx ??????? ?????(x=1,2,…,H) （4-6）b) 勻速階段的參數(shù)求法步進(jìn)電機(jī)達(dá)到最高運(yùn)行頻率后勻速運(yùn)行。此時的步進(jìn)時間間隔為 Tx,有：（x=H,H+1,H+2,…P） （4-HhxfT1?7）c) 減速階段的參數(shù)求法設(shè)其加速度為-β，負(fù)號表示減速。則同上面的分析方法，有：（4-sfH20???8）在步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行了 x 步（x=P,P+1,…P+S）是 4，對應(yīng)的時間為 ，有：xt（4-?)(2pxftHx ???9）同理，在步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行了 x-1 步時，對應(yīng)的時間為 ，有：1?xt（4-?)(21??? pftHx10）式（4-9）與式（4-10）相減，得減速階段相鄰兩步的時間間隔 Tx 為：（4-?)(2)1(21 pxfpxftTHHxx ?????CA6140 型車床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造設(shè)計(橫向)2811）把式（4-8）代入式（4-11）得：202022 ))())(1(f fpxsfpxfsTHHx ??????? ???x=P,P+1,…,P+S （4-12）當(dāng) x=P 時， ，以后各步 x(x=P～P+S)間的步進(jìn)時間間隔可用式（4-HpfT1?12）遞推出來。b．等加速度變速控制程序設(shè)計采用定時器中斷法延時，速度控制程序在進(jìn)給一步后，把下一步的 Tx 值送入定時計數(shù)器時間常數(shù)寄存器，然后 CPU 進(jìn)入等待中斷狀態(tài)或者處理其它事務(wù)，當(dāng)定時計數(shù)器的延時時間一到，就向 CPU 發(fā)出中斷請求，CPU 接受中斷后立即響應(yīng)，轉(zhuǎn)入脈沖分配的中斷服務(wù)子程序。29主程序設(shè) T0 初值地址指針設(shè)頻率階梯計數(shù)器設(shè)階梯步長計數(shù)器轉(zhuǎn)向標(biāo)志為 0？設(shè)置正轉(zhuǎn)模型地址設(shè)置定時器CPU 開中斷頻率階梯為 0？CPU 關(guān)中斷結(jié) 束設(shè)置反轉(zhuǎn)模型地址NNYY圖 4-8 等加速度變頻控制程序流程圖（主程序框圖）CA6140 型車床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造設(shè)計(橫向)30保護(hù)現(xiàn)場中斷服務(wù)程序輸出控制模型模型地址增 1模型結(jié)束？階梯步長為 0？是升頻賦升頻 T0 初值恢復(fù)現(xiàn)場返回恢復(fù)模型首址頻率階梯為 0？階梯步長賦值T0 初值地址更新賦降步 T0 初值YYYYNNN圖 4-9 等加速度變頻控制程序流程圖（中斷服務(wù)程序框圖）在編寫程序前有如下定約:a) 時器 T0 的初值寫在 EPROM 存儲區(qū)的同一頁中,上半頁為升頻時 T0 的初值,由小到大變化；下半頁是降頻時 T0 的初值，由大到小變化。b) 對 8031 單片機(jī)內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲區(qū)的一些單元進(jìn)行定義，如表所示：表 4-3 正轉(zhuǎn)模型分配表內(nèi)存字節(jié)地址 20H 21H 22H 23H 24H 25H 26H控制模型數(shù)據(jù) 01H 03H 02H 06H 04H 05H 00H31表 4-4 反轉(zhuǎn)模型分配表內(nèi)存字節(jié)地址 27H 28H 29H 2AH 2BH 2CH 2DH控制模型地址 01H 05H 04H 06H 02H 03H 00H表 4-5 標(biāo)志位定義表位 地 址 標(biāo) 志 內(nèi) 容 70H 運(yùn)行方式：0 代表恒速，1 代表變速71H 變速方式：0 代表降速，1 代表升速72H 恒速轉(zhuǎn)向：0 代表正轉(zhuǎn)，1 代表反轉(zhuǎn)73H 升速轉(zhuǎn)向：0 代表正轉(zhuǎn)，1 代表反轉(zhuǎn)74H 降速轉(zhuǎn)向：0 代表正轉(zhuǎn)，1 代表反轉(zhuǎn)75H 程序結(jié)素標(biāo)志：02 代表程序結(jié)素表 4-6 初值分配表字 節(jié) 地 址 存 儲 內(nèi) 容1AH 頻率階梯步長計數(shù)器 R2 的值1BH 頻率階梯步長計數(shù)器 R3 的值1CH 恒速段步長低八位1DH 恒速段步長高八位1EH 恒速段 T0 初值低八位1FH 恒速段 T0 初值高八位4.3.3 間隙補(bǔ)償