CA6140型普通車床改造成經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床的設(shè)計【包含CAD圖紙、說明書】
摘 要數(shù)控機(jī)床作為機(jī)電液氣一體化的典型產(chǎn)品，能解決機(jī)械制造中結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精密、批量、零件多變的問題，加工質(zhì)量穩(wěn)定，生產(chǎn)效率較高。購買新的數(shù)控機(jī)床是提高產(chǎn)品質(zhì)量和效率的重要途徑,但是成本高，許多企業(yè)在短時間內(nèi)無法實現(xiàn)，這嚴(yán)重阻礙企業(yè)設(shè)備更新的步伐。為此把普通機(jī)床數(shù)控化改造，不失為一條投資少、提升產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)效率的捷徑，提升企業(yè)競爭力，在我國成為制造強(qiáng)國的進(jìn)程中，占有一席之地。本文的主要內(nèi)容有：1對普通車床數(shù)控化改造經(jīng)濟(jì)性評價詳細(xì)論證，確定普通車床數(shù)控化改造方案；2對進(jìn)給系統(tǒng)的滾珠絲杠型號選擇與裝配設(shè)計，支承方式的設(shè)計與軸承型號選擇，步進(jìn)電機(jī)選擇等進(jìn)行了詳細(xì)研究；3對常用進(jìn)口數(shù)控裝置系統(tǒng)和國產(chǎn)數(shù)控裝置系統(tǒng)進(jìn)行仔細(xì)比較，根據(jù)所改造的性能和精度指標(biāo)來選配數(shù)控裝置系統(tǒng)和自動刀架型號，提出選擇方法；4.為保持切削螺紋的功能，仔細(xì)研究了在主軸上安裝脈沖發(fā)生器的選型，脈沖發(fā)生器直接與主軸間連接方法，并形成了相應(yīng)的技術(shù)圖；5.拆卸普通機(jī)床，甩掉原有進(jìn)給箱等，對主傳動系統(tǒng)的進(jìn)行大修，滑板貼塑與鏟刮調(diào)試，對機(jī)床相關(guān)部件和參數(shù)進(jìn)行測繪、測量；6.繪出相應(yīng)的零件圖和裝備圖；7給出普通車床數(shù)控化改造的安裝、調(diào)試方法。關(guān)鍵詞：普通車床、數(shù)控、改造AbstractAs a representative production of mechanical, electronic, hydraulic and pneumatic integration, numerically controlled machines have a stabilization quality and high efficiency, and can solve problems such as complex structure, high precision, mass production, part variety in machining.Purchasing new numerically controlled machines is an important way to improve production precision and efficiency, but it may not come true to many enterprises because it cost much. Enterprises equipment updating step are counteracted severly. So General lathes numerically controlled reforming is a quick way that costs less, improve production precision and efficiency, and it can improve enterprises competitive power. So it can takes its place in our way to a powerful manufacturing country. The main contents is:1. The economical efficiency of the reform is evaluated in detail and the reforming scheme is maked according to misty optimums synthesize adjudicate principle.2. The ball screws type, assembling, supporting, bearing type, and stepping motor of feeding system is designed.3. The import and domestic NC systems were compared carefully, brought up a choose method and selected the NC system and automatic tool rest according to the function and accuracy index of reforming.4. In order to protect the function of cutting a screw ,we carefully studied the impulse regulator and its connection with the principal axis, and draw out a technique diagram.5. Disassembled the lathe, throw away the old feeding system, repaired the main driving system ,covered plastics on sliding surface, shoveling or scraping and testing, counted or measured the parts of the lathe.6. Draw out parts diagrams and assemble diagram.7 .Methods of installing and testing of general purpose lathes numerically controlled reforming were put forward.Key words: General purpose lathe、 Numerical control(NC)、Reform目 錄摘 要 ABSTRACT（英文摘要） 目 錄 第一章 前言 . 1第二章 總體方案設(shè)計 22.1 機(jī)械部分改造 . 22.2 數(shù)控系統(tǒng)部分設(shè)計 . 2第三章 機(jī)械部分改造設(shè)計 . 43.1 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計與計算 . 43.1.1 橫 向 進(jìn) 給 系 統(tǒng) 的 設(shè) 計 43.1.2 橫 向 進(jìn) 給 系 統(tǒng) 的 設(shè) 計 計 算 . 43.1.3 步 進(jìn) 電 機(jī) 的 選 擇 73.2 數(shù)控車床的傳動裝置設(shè)計 . 73.2.1 螺 旋 傳 動 . 73.2.2 軸 的 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計 . 93.2.3 透 蓋 的 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計 103.2.4 螺 母 座 的 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計 103.3 自動轉(zhuǎn)位刀架的設(shè)計 . 11第四章 微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計 . 134.1 概述 . 134.2 數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計 . 134.2.1 微 機(jī) 機(jī) 型 和 擴(kuò) 展 存 儲 器 的 選 擇 . 144.2.2 確 定 I/O 接 口 154.2.3 鍵 盤 接 口 設(shè) 計 . 164.2.4 顯 示 電 路 設(shè) 計 . 174.3 軟件設(shè)計 . 184.3.1 插 補 原 理 及 其 程 序 設(shè) 計 194.3.2 步 進(jìn) 電 機(jī) 的 控 制 及 其 程 序 設(shè) 計 . 214.3.3 間 隙 補 償 功 能 . 294.3.4 鍵 盤 的 診 斷 . 304.3.5 自 動 換 刀 程 序 設(shè) 計 31結(jié)論 . 33參考文獻(xiàn) 3411 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性的數(shù)控系統(tǒng)，成功地實現(xiàn)同時控制三軸的運動，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。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，實現(xiàn)縱向、橫向的進(jìn)給運動。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2會引起強(qiáng)電干擾，輕則影響單片機(jī)程序運行，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)按運動方式分為點位控制系統(tǒng)、點位直線控制系統(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。因為開環(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。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，從而實現(xiàn)縱向、橫向的進(jìn)給運動。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。3 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 max=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 1/21/3,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 =0.5076.38=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) （3-43）取 K=1.4 f=0.2則P=1.438.19+0.2（76.38+30）=74.74kgf=747.4N （3-4）壽命值L = = =13.5 （3-i610Tin61505）最大動負(fù)載Q= = 1.2174.74=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 =339，摩擦角 =10則傳動效率= = =0.956 （3-)(tg)1038(t g7）c.剛度驗算滾珠絲杠受工作負(fù)載 P 引起的導(dǎo)程的變化量L = = = 5.9610-6cm （3-1EFL026719.0.214.3478）滾珠絲杠受扭矩引起的導(dǎo)程變化量 L 2很小，可忽略，即：L=L 。所以，1導(dǎo)程變形總誤差為= L= 5.9610-6=14.9m/m （3-oL104.9）查表知 E 級精度絲杠允許的螺距誤差 1m 長為 15m/m，故剛度足夠。d.穩(wěn)定性驗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?，一端徑向支承，所以穩(wěn)定性增強(qiáng)，故不用驗算。C.齒輪及轉(zhuǎn)矩有關(guān)計算5a.有關(guān)齒輪計算傳動比 i= = （3-poL36067.1350.4710）故取 Z =18 Z =3012m=2mm b=20mm =20d =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=（ ） 2300.01=0.0439kgf cm2（3-p18075.0143811）絲杠轉(zhuǎn)動慣量JS=7.810-42450=0.624kgf cm2 （3-12）齒輪的轉(zhuǎn)動慣量J =7.810-43.642=0.262kgf cm2 （3-1z 13）J =7.810-4642=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-maxoLi4351016）6M = N m=2.23kgf cm （3-max 2184.0025.697418106.944a TiJn 17）（3-min/7.341.3.1 rDLfifnoot 主18）m=0.1775kgf cm （3-NMat 07.025.6978419）= （3-iLFof mNckgfif W028.287.05.1432. 20）（3-01.ckgf16.09.58.014369.1i6M22oYo 20）（3-mNckgfiLFoYt 179.02.58.014329. 22）所以，快速空載啟動所需轉(zhuǎn)矩（3-cckgfMofa 3.2663.21.0287.3mx 23）切削時所需力矩：cmN04.2ckgf40.28.16.0287.14.0tofat （3-24）快速進(jìn)給時所需力矩：（3-cmNckgfMof 03.4403.16.287.025）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 cmaxM3.1.3 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 285.4.0132.726）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：（3-86.0imqM27）所以，步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩 為：i（3-28）cmNqim01.768.256.0步進(jìn)電機(jī)最高工作頻率（3-Hzfp3.05.1axma29）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)運動變?yōu)楣ぷ髋_的直線運動的整個機(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)運動變?yōu)橹本€運動，或把直線運動變?yōu)樾D(zhuǎn)運動。其中，有以傳遞能量為主的傳力螺旋，有以傳遞運動為主，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現(xiàn)精密進(jìn)給運動，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8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)，定位精度高，剛度好。c啟動力矩小，運動平穩(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)運動轉(zhuǎn)換為直線運動，也可以從直線運動轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運動，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)9b) 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。D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 20mm，其長度根據(jù)原車床實際需要的尺寸而定，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。因為該軸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。10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。因為選用型號為 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/T1096-1979，4430。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11知，螺釘型號選用 GB/T70-1985。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。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12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。134 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，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現(xiàn)，也可以用計算機(jī)軟件來實現(xiàn)。單片機(jī)通過運算不斷地向步進(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。14CPU 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?？偩€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 MCS51 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15（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2K、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16KB8 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 A0A13，8 根數(shù)據(jù)線 D0D7，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P2.0P2.5 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 0000H3FFFH，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。D1D8 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 Q1Q8 中。B數(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 32K8 位的 62256 芯片，其地址范圍為 6000H7FFFH，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，Y0Y7 是輸出端。74LS138 地址譯碼電路輸入端出占用了 8031 單片機(jī)的 P2.5P2.7 三根高位地16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。4.2.2 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，因為 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 88 個鍵，實際用了 32 個鍵。掃描線信號為 SL0SL2，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 RL0RL7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OUTA0OUTBA3、OUTB0OUTB3 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 D0D7 依次與 8031 的 P0.0P0.7 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，17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PA0PA7 的電平均為 0，然后讀 PB 口的 PB0PB2 的狀況；若不全為“1” ，則有鍵閉合，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 00H03H，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。180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)光二極管組成的。當(dāng)發(fā)光二極管導(dǎo)通時，相應(yīng)的一個點或一個筆畫發(fā)亮?？刂撇煌M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，每隔一段時間點亮一次。顯示器的亮度既與導(dǎo)通電流有關(guān)，也和點亮?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 79H7EH，分別存放 6 位顯示器的顯示數(shù)19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。數(shù)控系統(tǒng)加工程序 管理與操作模塊插補功能間隙補償步進(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20運動，切削零件的輪廓，并保證切削過程中的每一點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x、y 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)中采用的插補運算方法有多種多樣，常用的方法有如下幾種：a數(shù)字乘法器b逐點比較法c數(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)用的是逐點比較法和數(shù)字積分法。B逐點比較法直線插補方法及其程序設(shè)計逐點比較法的插補原理是：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，就是比較加工點同要求加工軌跡相應(yīng)點的坐標(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向，使刀尖始終緊靠要求的加工輪廓線運動，起到步步逼近的效果。這種插補方法的特點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.終點判斷 判別刀具是否已到達(dá)被加工輪廓線段的終點。若已到達(dá)終點，則停止插補；否則繼續(xù)插補。逐點比較法是我國數(shù)控裝置中經(jīng)常采用的一種插值運算方法，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。其算法特點是：運算直觀，插補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 直線插補偏差計算F0 F0線型進(jìn)給 偏差計算 進(jìn)給 偏差計算21L1L3 +xxF=F-ye +y-yF=F+xeL2L4 +yyF=F-xe -x+xF=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數(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（0，0）開始。22開始初始化輸代碼置狀態(tài)標(biāo)志F0？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+1F0？ F0？ F0？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：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：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為：正轉(zhuǎn)：A ABBBCCCA反轉(zhuǎn)：A ACCCBBBA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)工作時隨時改變運動方向，才能滿足機(jī)械加工的需要。步進(jìn)電機(jī)運行控制程序設(shè)計的主要任務(wù)是：判斷運動方向，按順序送出控制脈沖，判斷所要送的脈沖是否送完。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)律運行。從加工效率的觀點而言，我們總是希望要求步進(jìn)電機(jī)的運行速度盡可能快些，快速地達(dá)到控制終點。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 0.11s 之間。反之，從高速運行，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等加速度運行分析描述了一個步進(jìn)電機(jī)的等加速的運行過程。在圖中縱坐標(biāo)是頻率 f，它是以步/s5AH,5BH18H,19H4CH1DH70H1CH57H,58H=0?5AH,5BH18H,19H5AH,5BH+1 5AH,5BHRET5AH，5BH1AH，1BH5AH=FF4CH1DH 4CH4CH+1（5AH，5BH）-15AH，5BH5AHTH05BHTL0NY
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