畢業(yè)設(shè)計(jì)論文CA6140數(shù)控機(jī)床改造

第1章 概述1.1本文的選題及主要研究?jī)?nèi)容1.1.1本文的選題我們對(duì)已報(bào)廢的兩臺(tái)CA6140進(jìn)行數(shù)控化改造。通過(guò)改造，其目的就是要提高機(jī)械設(shè)備的數(shù)控化率，以便進(jìn)行推廣。分析現(xiàn)在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床容易出現(xiàn)安全性故障的原因，經(jīng)過(guò)反復(fù)的論證，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，所有限位保護(hù)電路均采用負(fù)邏輯，如發(fā)生電路開路或接觸不良時(shí)會(huì)立即報(bào)警，防止意外事故發(fā)生:設(shè)定了特殊的限位控制裝置，使刀架在特定的位置不能換刀，保證了生產(chǎn)安全。數(shù)控加工過(guò)程中，程序的編制和輸入調(diào)試是很重要也很煩瑣的一個(gè)環(huán)節(jié)，工人的水平直接影響到生產(chǎn)效率的高低，同時(shí)也影響到產(chǎn)品的質(zhì)量，如何降低對(duì)操作人員的要求，這是值得研究的問(wèn)題，我們利用系統(tǒng)資源，依據(jù)特征參數(shù)，編寫成組工藝，按照成組工藝編寫若干程序存儲(chǔ)在RAM中，輸入相關(guān)零件的參數(shù)，即可調(diào)用程序，進(jìn)行加工。非常適合于一般操作人員，對(duì)操作者的要求不高，大大提高了生產(chǎn)效率。合理的設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，利用原機(jī)床的電機(jī)作為主電機(jī)，節(jié)約了購(gòu)買機(jī)的費(fèi)用。1.1.2主要研究?jī)?nèi)容1、 CA6140改造總體機(jī)械部件設(shè)計(jì)。2、主要部件的設(shè)計(jì)和選用。對(duì)機(jī)床的改造部位是：拆掉手動(dòng)刀架和小拖板裝上數(shù)控刀架；拆掉普通絲桿、光桿進(jìn)給箱、溜板箱，換上滾珠絲杠螺母副；主軸后端加一光電編碼器用波紋管連接，供加工螺紋使用； 熱點(diǎn)模具網(wǎng)。數(shù)控系統(tǒng)選用江蘇東方數(shù)控新技術(shù)公司生產(chǎn)的NIM-9702數(shù)控系統(tǒng)。 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)：由于改造設(shè)計(jì)的是簡(jiǎn)易型經(jīng)濟(jì)數(shù)控，所以在考慮具體方案時(shí)，基本原則是在滿足需要的前提下，對(duì)于機(jī)床盡可能減小改動(dòng)量，以降低成本。 3、提供常用零件的成組工藝及數(shù)控程序模板，使用戶只需根據(jù)零件特征，輸入相關(guān)零件的參數(shù)，即可調(diào)用程序，進(jìn)行加工。4、創(chuàng)新設(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床限位保護(hù)裝置。使設(shè)備發(fā)生電路開路或接觸不良時(shí)，應(yīng)立即報(bào)警，防止意外事故發(fā)生，提高設(shè)備使用的安全性。5、設(shè)計(jì)雙限位保護(hù)開關(guān)，使刀架在特定的位置不能換刀。6、滿足設(shè)備的各項(xiàng)性能指標(biāo)。7、對(duì)完成改造后的機(jī)床進(jìn)行調(diào)試，使其達(dá)到用戶使用要求。1.1.3數(shù)控機(jī)床的發(fā)展預(yù)測(cè)1、 數(shù)控機(jī)床推廣應(yīng)用逐步由經(jīng)濟(jì)型為主向普及型為主轉(zhuǎn)變。2、 數(shù)控金切機(jī)床的構(gòu)成比逐漸趨于合理。數(shù)控機(jī)床工序集中的加工特點(diǎn)，將使具有復(fù)合功能的高效數(shù)控機(jī)床的需求增長(zhǎng)，這將導(dǎo)致數(shù)控機(jī)床擁有量和市場(chǎng)消費(fèi)量中各類數(shù)控機(jī)床的構(gòu)成比不同于傳統(tǒng)的機(jī)床構(gòu)成比。1.1.4 數(shù)控改造的意義我國(guó)作為機(jī)床大國(guó).為了提高機(jī)床的數(shù)控化率.對(duì)普通機(jī)床進(jìn)行數(shù)控化改造不失為一種良策。一些發(fā)達(dá)國(guó)家在機(jī)床的數(shù)控化改造方面已走在了我們的前面.如德國(guó)、美國(guó)、口木等國(guó)就非常重視對(duì)舊機(jī)床的改造.而且已形成了一個(gè)完善的“產(chǎn)學(xué)研”結(jié)合的改造體系.在世界機(jī)床行業(yè)不景氣的今天.機(jī)床改造成為新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)行業(yè).生意盎然.處于黃金時(shí)代。由于機(jī)床與技術(shù)的不斷進(jìn)步.機(jī)床改造已成為一個(gè)“永恒”的課題。我國(guó)應(yīng)在這方而加大重視和宣傳.走出一條適合我國(guó)國(guó)情的機(jī)床的數(shù)控化改造之路。第2章 總體方案設(shè)計(jì)2.1 總體方案設(shè)計(jì)要求總體方案設(shè)計(jì)應(yīng)考慮機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的運(yùn)行方式，伺服系統(tǒng)的類型，計(jì)算機(jī)的選擇，以及傳動(dòng)方式和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇等。1、普通車床數(shù)控化改造后應(yīng)具有定位，縱向和橫向的直線插補(bǔ)，圓弧插補(bǔ)功能；還要求能暫停，進(jìn)行循環(huán)加工和螺紋加工等，因此，數(shù)控系統(tǒng)選連續(xù)控制系統(tǒng)。2、車床數(shù)控化改裝設(shè)計(jì)后屬于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床，在保證一定加工精度的前提下，應(yīng)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，降低成本。因此，進(jìn)給伺服系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)系統(tǒng)。3、根據(jù)普通車床最大的加工尺寸、加工精度、控制速度以及經(jīng)濟(jì)性要求，經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床一般采用8位微機(jī)。在8位微機(jī)中，MCS-51系列單片機(jī)具有集成度高、可靠性好、功能強(qiáng)、速度快、抗干擾能力強(qiáng)，具有很高的性能價(jià)格比。因此，可選擇MCS-51系列單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng)。4、根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)控制中除了CPU外，還包括擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器、擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、I/O接口電路；包括能輸入加工程序和控制命令的鍵盤，能相識(shí)加工數(shù)據(jù)和機(jī)床狀態(tài)信息的顯示器；包括光電隔離電路和步進(jìn)驅(qū)動(dòng)電路。此外系統(tǒng)中還應(yīng)該包括螺紋加工用的光電脈沖發(fā)生器和其他輔助電路。5、設(shè)計(jì)自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架及其控制電路。6、縱向和橫向進(jìn)給是兩套獨(dú)立的傳動(dòng)鏈，它們由步進(jìn)電機(jī)、齒輪副、絲桿螺母副組成，其傳動(dòng)比應(yīng)滿足機(jī)床所要求的分辨率。7、為了保證進(jìn)給 伺服系統(tǒng)的傳動(dòng)精度和平穩(wěn)性，選用摩擦小、傳動(dòng)效率高的滾珠絲杠螺母副，并應(yīng)有預(yù)緊機(jī)構(gòu)，以提高傳動(dòng)剛度和消除間隙。齒輪副也應(yīng)有消除齒側(cè)間隙的機(jī)構(gòu)。8、采用貼塑導(dǎo)軌的摩擦力。9、原機(jī)床的主要結(jié)構(gòu)布局基本不變，盡量減少改動(dòng)量，以降低成本，縮短改造周期。圖2.1總體改造方案2.2設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)計(jì)參數(shù)包括車床的部分技術(shù)參數(shù)和設(shè)計(jì)數(shù)控進(jìn)給伺服系統(tǒng)所需要的數(shù)。以CA6140改裝為例，設(shè)計(jì)參數(shù)如下：最大加工直徑 在床面上 400mm 在床鞍上 210mm最大加工長(zhǎng)度 1000mm快進(jìn)速度 縱向 2.4m/min 橫向 1.2m/min最大切削進(jìn)給速度 縱向 0.5m/min 橫向 0.25m/min溜板及刀架重力 縱向 800N 橫向 600N主電動(dòng)機(jī)功率 7.5kw代碼制 ISO 脈沖分配方式 逐點(diǎn)比較法輸入方式 增量值，絕對(duì)值通用控制坐標(biāo)數(shù) 2最小指令值（脈沖當(dāng)量） 縱向 0.01mm/沖 橫向 0.005脈沖機(jī)床定位精度 0.015mm刀具補(bǔ)償量 0mm99.99mm進(jìn)給傳動(dòng)鏈京戲補(bǔ)償量 縱向 0.15mm 橫向 0.075mm自動(dòng)升降速性能 有2.3具體的機(jī)械改裝CA6140車床主要用于對(duì)中小型軸類、盤類及螺紋零件等的加工。這些加工工藝要求機(jī)床應(yīng)完成的工作內(nèi)容有:控制主軸正反轉(zhuǎn)和急停;刀架能實(shí)現(xiàn)縱向和橫向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，并能在換刀點(diǎn)自動(dòng)改變四個(gè)工位，以便選擇刀具;冷卻泵的啟停;潤(rùn)滑泵的開與關(guān)等。當(dāng)加工螺紋時(shí)，保證主軸轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，刀架能移動(dòng)一個(gè)被加工螺紋的導(dǎo)程S;能實(shí)現(xiàn)直線和圓弧插補(bǔ)等。同時(shí)，這些工作內(nèi)容，就是數(shù)控系統(tǒng)控制的對(duì)象。為滿足以上要求，對(duì)機(jī)床的改造部位是:將手動(dòng)刀架改造成數(shù)控刀架;拆掉絲杠、光杠進(jìn)給箱、溜板箱，換上滾珠絲杠螺母副;在主軸后端加一編碼器，以便加工螺紋。第3章 機(jī)械部分設(shè)計(jì)縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的改造。拆除原機(jī)床的進(jìn)給箱，利用原機(jī)床進(jìn)給箱的安裝孔和銷孔安裝齒輪箱體。滾珠絲杠仍安裝在原絲杠的位置，兩端采用原固定方式，這樣可減小改裝現(xiàn)場(chǎng)，并由于滾珠絲杠的摩擦系數(shù)小于原絲杠，從而使縱向進(jìn)給整體剛性略優(yōu)于以前。 橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)改造。保留原手動(dòng)機(jī)構(gòu)，用于調(diào)整操作，原有的支撐結(jié)構(gòu)也保留，步進(jìn)電機(jī)、齒輪箱體安裝在中拖板的后側(cè)?？v、橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)都采用了一級(jí)齒輪減速，并用雙片齒輪錯(cuò)齒法消除間隙，雙片齒輪間沒(méi)有加彈簧自動(dòng)消除間隙，因?yàn)閺椈傻膹椓茈y適應(yīng)負(fù)載的變化情況。當(dāng)負(fù)載較大時(shí)，彈簧彈力顯得小，起不到自動(dòng)消除間隙的作用；當(dāng)負(fù)載較小時(shí)，彈簧彈力又顯得大，則加速齒輪的磨損。為此采用人工定期調(diào)整螺釘緊固的辦法來(lái)消除間隙。刀架的改造。拆除原刀架和小拖板，換上數(shù)控刀架。3.1傳動(dòng)系統(tǒng)改裝設(shè)計(jì)與計(jì)算3.1.1 縱向進(jìn)給系統(tǒng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的確定縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)(如圖3.1)圖3.1縱向進(jìn)給系統(tǒng)裝配圖1、 向進(jìn)給系統(tǒng)的計(jì)算2、己知條件:工作臺(tái)重量:W = 80Kg=800N時(shí)間常數(shù):T=25ms滾珠絲杠導(dǎo)程:L=10mm行程:S = 650mm脈沖當(dāng)量:8 p=0.01mm/P步距角: =0.36o /P快速進(jìn)給速度: =2.4m/mi n3、切削力計(jì)算縱切外圓時(shí)，車床的主切削力可以用下式計(jì)算：=0.67D (N)=0.67（400）=5360走刀方向切削力分為和垂直走刀方向切削分力可按以下比列求出：=1：0.25：0.4所以 =0.25 =1340N =0.4 4、滾珠絲杠設(shè)計(jì)與計(jì)算綜合導(dǎo)軌車床絲杠的軸向工作負(fù)載采用下面公式計(jì)=1.151340+0.16(5360+800)=2526.6N強(qiáng)度計(jì)算(滾珠絲杠)壽命值L=60nT/1000000n=n主f/L=1000vf/DL=10001000. 2/ (3. 14806)=19.9r/minL=6019.9 15000/1000000=18000000r最大動(dòng)負(fù)載C= = 1.22526.6 =8538NL為工作壽命，單位為106r,n為絲桿轉(zhuǎn)速（r/min）,r為最大切削力條下的進(jìn)給速度（m/min）可取最高進(jìn)給速度的，為運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)系數(shù)，無(wú)沖擊取11.2，t為額定使用時(shí)間，可取t=1500h選用FC1B326-5-E2滾珠絲杠，其額定動(dòng)負(fù)荷為10689N，與上面算果相比，強(qiáng)度足夠。5、效率計(jì)算根據(jù)機(jī)械原理的公式，絲杠螺母副的傳動(dòng)效率為 為絲桿螺旋升角， 為摩擦角。6、剛度驗(yàn)算滾珠絲杠在工作負(fù)載作用下的變形量=2526.60.6/20600000(2.8031/2)3.14=16.7因扭矩M引起的導(dǎo)程變形量L2很小，可忽略，即L=L1。所絲杠長(zhǎng)度為1000mm時(shí)，導(dǎo)程變形總誤差為=100L/L0=10016.7E-6/1=2.77m/m查有關(guān)手冊(cè)得知E級(jí)精度絲杠允許的螺距誤差為15m/m，故剛度夠。7、穩(wěn)定性驗(yàn)算由于機(jī)床原絲杠直徑為30mm，現(xiàn)選用的滾珠絲杠直徑為32mm，支承向式不變，所以穩(wěn)定性不存在問(wèn)題。8、齒輪及轉(zhuǎn)矩的計(jì)算采用同步帶輪(1)有關(guān)帶輪計(jì)算傳動(dòng)比i=360p/L=3600.001/0.361=1取Z1=20 Z2=20 =20 m=3mm b=28mm(帶輪壁厚)dl= d2=pz/3.14=9.52520/3.14=60.66mm(2)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算工作臺(tái)質(zhì)量折算到電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量=（1800.001/3.140.75）280 =4.6N.cm2絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量:Js=7.810-4 D4L=7.810-43.24100 =8.1789kg/cm2=81.789N/cm帶輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量:Jz1=Jz2=7.810-4D4L=7.810-460.60 42.8=2.957N.cm電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小，忽略不計(jì)?？偟霓D(zhuǎn)動(dòng)慣量J為J=i2(Js+Jz2)+Jz1+J1=12(81.79+2.957)+2.957+4.6=92.3N.cm =9.23kg.cm(3)所需轉(zhuǎn)動(dòng)力距計(jì)算快速空載啟動(dòng)時(shí)所需力距最大切削負(fù)載時(shí)所需力距快速進(jìn)給時(shí)所需力距M=Mf十M。式中空載啟動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)軸上的加速度力矩: Mf折算到電動(dòng)機(jī)軸上的摩擦力距; M。由于絲杠預(yù)緊所引起，折算到電動(dòng)機(jī)軸上的附加摩擦力矩 Mat一切削時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)軸上的加速度力矩; Mt一折算到電動(dòng)機(jī)軸上的切削負(fù)載力矩。 Ma=Jnl/9.6T =2000/61=333.33rJmin則=Jnmax/9.6T=9.5333.3310-4/(9.60.025)=13. 1923kg.cm 當(dāng)n=n t時(shí)(為切削時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速)，Ma= Mat又因?yàn)?=n主f/Li=1000vf/(3.14DLi)=10000. 3/ (3. 148061) =19. 9r/min則Mat=Jnx10/9.6T=9.519.910-4/(9.60.025)=0. 0787Nm=0.787kg.cmMf= fWL0i/2=0.16800.61/(23.140.8)=1. 528kg.cm=15.28N.cmMo= P0L0i(1-)/ 2=13400.6l(1-0.9)2/(323.140.8)=10.14N.cm=1.014kg.cmMt=FxL0i/2=13400.61 /(23.140.8) =160.03N.cm=16.003kg.cm快速空載啟動(dòng)時(shí)所需力距=13.1923+1.528+1.014=15.734kg.cm最大切削負(fù)載時(shí)所需力距0.787+1.528+1.014+16.003=19.332kg.cm快速進(jìn)給時(shí)所需力距=1.528+1.014=2.542kg.cm由以上分析計(jì)算可知，所需最大力矩發(fā)生在快速啟動(dòng)時(shí):=15.734kg.cm=157.34N.cm3.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選擇3.2.1 縱向進(jìn)給系統(tǒng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的確定一般啟動(dòng)力距選取為ML0/(0.3 0.5)取= ML0/0.4ML0= =152. 98N. cm則: =152.98/0.4=382.45 為滿足最小步距要求，電動(dòng)機(jī)選用五相十拍工作方式，則=0.951，所以步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最大靜轉(zhuǎn)距=382.45/0.951=402.16 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最高工作頻率=vmax/60p=2000/600.01=3333.33Hz綜合考慮，選用1l0BYC-007五相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，能滿足使用要求。3.2.2 橫向進(jìn)給系統(tǒng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的確定ML0= =36.91N.cm則: =36.91/0.4=92.275 為滿足最小步距要求，電動(dòng)機(jī)選用五相十拍工作方式，則= ML0/0.4=0.951，所以步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最大靜轉(zhuǎn)距=92.275/0.951=97.03 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最高工作頻率=vmax/60p=1000/600.005=3333.33Hz綜合考慮，選用110BYG007五相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，能滿足使用要求3.2.3 電動(dòng)刀架的選擇拆除原手動(dòng)刀架和小拖板，安裝山微機(jī)控制的四工位電架。據(jù)車床的型號(hào)及主軸中心高度，選用LD4- I型四工位電動(dòng)刀架。安裝時(shí)，去床小拖板，置刀架于中拖板上，卸掉電機(jī)風(fēng)罩，逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)，或動(dòng)軸承處之內(nèi)六角螺孔，使刀架轉(zhuǎn)動(dòng)到450左右時(shí)，裝上螺釘，然后固定架即可。 電動(dòng)刀架的安裝較為方便，安裝時(shí)須注意以下兩點(diǎn)：(1)電動(dòng)刀架的兩側(cè)而與原車床縱、橫向的進(jìn)給方向、平行。(2)電動(dòng)刀架與系統(tǒng)的連線在安裝時(shí)應(yīng)合理，以免加工時(shí)切屑、冷卻液及其它雜物磕碰電動(dòng)刀架連線。3.3橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算3.3.1橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)圖3.1橫向進(jìn)給系統(tǒng)圖3.3.2橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算己知條件:工作臺(tái)重量W=600N時(shí)間常數(shù)T=25ms滾珠絲杠導(dǎo)程L=4mm左旋行程S=200mm脈沖當(dāng)量:p=0.005mm/P步距角:=0.36/P快速進(jìn)給速度: =l.2m/min1、切削力計(jì)算橫向進(jìn)給量為縱向的1 /21 /3，取1/2，則切削力約為縱向的1/2。=1/25360=268.0kg=2680N在切斷工件時(shí): =0.5 =0.52680=134.0kg=1340N2、滾珠絲杠設(shè)計(jì)計(jì)算(1)強(qiáng)度計(jì)算對(duì)于燕尾型導(dǎo)軌=1.4134.0+0.2(268.0+30) =247.2kg=2472N壽命值:L=60NT/1000000=601515000/1000000=13500000r最大動(dòng)負(fù)載:C=1.212472=213.55kg=3269.78N根據(jù)最大動(dòng)負(fù)載C的值，可選擇滾珠絲杠型號(hào)為FC1B20 4-E2D左，其額定動(dòng)負(fù)荷為5393N，所以強(qiáng)度足夠用。(2)效率計(jì)算(3)剛度驗(yàn)算 滾珠絲杠受工作負(fù)載P引起的導(dǎo)程變化量L1=PL/EF=247.20.4/ 20600000(1.7619/2) 23.14 =1.9710-6 cm因扭矩M引起的導(dǎo)程變形量L2很小，可忽略，即L=Ll。所以導(dǎo)程變形總誤差為:=100L/L=1001.97106=4.93um/m查表知E級(jí)精度絲杠允許螺距(1米長(zhǎng))為15m/m，故剛度足夠。(4)穩(wěn)定性驗(yàn)算 由于選用滾珠絲杠的直徑與原絲杠相同，而支承方式由原來(lái)的一端固定、一端懸空，變?yōu)橐欢斯潭ā⒁欢藦较蛑С?，所穩(wěn)定J性增強(qiáng)，故不再驗(yàn)算。(5)轉(zhuǎn)矩計(jì)算A.轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算工作臺(tái)質(zhì)量折算到電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J1=(1800.0005 / 3.140.75) 260=0.044kg.cm絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量:Js=7.810-4D4L=7.810-42450 =0. 624kg.cm2電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小，忽略不計(jì)。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小忽略，因此，總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=J1+ Js=0.044+0.624=0.668kg.cm2B.所需轉(zhuǎn)動(dòng)力距計(jì)算=1000/41=250r/min= 104/9.6T=0.668250104/9.60.025=0.0696N.m =0.693kg.cm當(dāng)n= 時(shí)(為切削時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速)，Ma= Mat又因?yàn)?n f/Li=1000vf/(3.14DLi)=10001000.15/(3.146041)=19.9 r/min則:10-4/9.6T=(0.66819.910-4)/(9.60.025)=0.0055N.m=0.055kg.cmMf= fWLoi/2=(0.2600.41) /(23.140.8) =0.955kg.cm=0.0955N.mMo=13400.4l(1-0.92)/(323.140.8)=6.757kg.cm=0.6757N.mMt=(13400.41) /(23.140.8) =10.669N.m快速空載啟動(dòng)時(shí)所需力距=0.696+0.955+6.757=8.408kg.cm最大切削負(fù)載時(shí)所需力距=0.055+0.955+6.757+106.69=114.457kg.cm快速進(jìn)給時(shí)所需力距=0.955+6.757=7.712 由以上分析計(jì)算可知，所需最大力矩發(fā)生在最大切削負(fù)載時(shí):=114.457kg. cm=1144.57N.cm第4章 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1控制系統(tǒng)硬件的基本組成機(jī)電一體化控制系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成。在機(jī)床行業(yè)，控制系統(tǒng)的控制對(duì)象主要包括各種機(jī)床，如車床、銑床、鉆床、磨床等，在其他行業(yè)控制對(duì)象還有很多的。在使用中各種控制對(duì)象各不相同的，但其控制系統(tǒng)硬件組成的基本原理是一致的。單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)中，大多采用MCS-51系列單片機(jī)的8031芯片，經(jīng)過(guò)擴(kuò)展存儲(chǔ)器、接口和面板操作開關(guān)等，組成功能較完善、抗干擾能力較強(qiáng)的控制系統(tǒng)。8031內(nèi)部包含一個(gè)8位CPU，128字節(jié)的RAM，兩個(gè)16為的定時(shí)器，四個(gè)8位并行口，一個(gè)全雙工串行口，可擴(kuò)展的程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器各64kB,有5個(gè)中斷源。硬件設(shè)計(jì)主要介紹微機(jī)控制系統(tǒng)的擴(kuò)展、接口及控制電路。4.2數(shù)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)MCS-51系列的單片機(jī)以片內(nèi)無(wú)程序存儲(chǔ)器和片內(nèi)有程序存儲(chǔ)器形式.分為三種基木產(chǎn)品:8051 、8751和8031。8051單片機(jī)以片內(nèi)含有掩膜ROM程序存儲(chǔ)器. 因?yàn)檫@種只讀存儲(chǔ)器中的程序要由單片機(jī)生產(chǎn)廠制作芯片時(shí)為用戶固化于片內(nèi).所以只適用于批量極大.程序要永久性保留且不會(huì)修改的場(chǎng)合8751片內(nèi)含有EPROM型程序存儲(chǔ)器.用戶可以把程序固化在EPROM中.需要修改時(shí).可用紫外線光照擦除.然后又寫入新的用戶程序.但該芯片價(jià)格較 8031片內(nèi)沒(méi)有程序存儲(chǔ)器.外部擴(kuò)展一片或多片含有用戶程序的EPROM后.就相當(dāng)于一片8751因而使用方便靈話.且價(jià)格低廉.日前是應(yīng)用最廣泛的機(jī)型綜上所述.考慮到MCS -51的性能.選用該系列的8031CPU作為數(shù)控系統(tǒng)的中央處理機(jī)外接一片2764EPROM作為程序存儲(chǔ)器.再選用兩片6264RAM作為存放調(diào)試程序和運(yùn)行程序的中間數(shù)據(jù)?？紤]到系統(tǒng)擴(kuò)展.為使編程地址統(tǒng)一采用譯碼法對(duì)擴(kuò)展芯片進(jìn)行尋址選用74LS138譯碼器完成此功能作為輸入/輸出口(I/U)的擴(kuò)展.選用兩片8155作為系統(tǒng)的輸入/輸出擴(kuò)展.分別接受鍵盤(系統(tǒng)控制而板)的輸入和顯示器的輸出。4.2.1單片機(jī)的選擇8031屬8位單片機(jī)，它是集CPU , I/O端口及部分RAM等為一體的控制器具有價(jià)格低、功能全、體積小、編程靈活性大、開發(fā)手段齊全、硬件資源豐富等特點(diǎn)。在國(guó)內(nèi)的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)中多數(shù)使用8031單片機(jī)。8031芯片內(nèi)部具有128個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM.內(nèi)部地址為OOH 7FH ,CPU對(duì)片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器有很豐富的操作指令，通過(guò)直接尋址或間接尋址方式進(jìn)行訪問(wèn)。這128個(gè)字節(jié)單元可作為數(shù)據(jù)緩沖器、堆棧和工作寄存器.但應(yīng)用片內(nèi)的RAM往往不夠，故外接6264芯片來(lái)擴(kuò)展8031的RAM存儲(chǔ)器。8031是一個(gè)無(wú)ROM/EPROM的單片機(jī)，必須擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器，存放控制程序，所以外接了一片2764芯片。8031本身提供給用戶使用的輸入、輸出口線不夠，只有P1口和部分P3口線用來(lái)與外部設(shè)備連接，但若處設(shè)較多時(shí)，不能滿足需要，所以在該應(yīng)用系統(tǒng)中還要在8031外接一片8155芯片以擴(kuò)展I/O口。8031為40引腳的雙列直插式器件，有4個(gè)雙向8位1/O口(Po.o/P1.0).P0.0 口和P2.0口作為地址總線使用。16位地址總線由Po.0口經(jīng)地址鎖存儲(chǔ)器74LS373提供低8位(AoA7)，高8位(A8A15)由P:口直接提供。8位數(shù)據(jù)總線由Po.口提供。這樣數(shù)據(jù)總線與地址總線共用，SLE為地址鎖存允許，當(dāng)送低8位地址時(shí)，使ALE有效并鎖存到74LS373中，當(dāng)送數(shù)據(jù)時(shí)使ALE無(wú)效.圖4.1 8031控制的數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理圖4.2.2儲(chǔ)存器芯片的選擇2764芯片是一種高速、容量為8KB X 8的EPROM存儲(chǔ)器電路，讀出時(shí)間為250ns，而8031選用晶振頻率為6MHz，則讀取時(shí)間為480ns都滿足要求。2764為28腳器件，其中AoA12為13位地址線,DoD7為8位數(shù)據(jù)線.CE為片選信號(hào)，低電平有效。由于2764和6264芯片都是8KB X 8,需要13根地址線。AoA7，低8位接74LS373芯片的輸出，A8 A12接8031的P2.0 P2.4, 74LS373地址鎖存器在選通信號(hào)ALE為高電平時(shí)直接傳送8031Po口低8位地址。當(dāng)ALE在高電平變低電平的下降沿時(shí)，低8位地址被鎖存，此時(shí)，P0口可用來(lái)向片外傳送讀寫效據(jù)。8031單片機(jī)對(duì)存儲(chǔ)器的片選控制是采用全地址譯碼法，使用74LS138譯碼器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。8031的P2.5、P2.6、P2.7口分別與74LS138譯碼器的A,B,C端相聯(lián)，74LS138譯碼器的抽出端Y1與6264的CE端相聯(lián)，Y2與2764的CE端相聯(lián).2764的地址編碼是4000HSFFFH. 6264的地址編碼是2000H3FFFH.4.2.3 I/O接口芯片8155芯片是一個(gè)通用的接口電路，可以用編程的方式選擇其邏輯功能，片內(nèi)有256個(gè)字節(jié)RAM . 2個(gè)8位(PA.0PA.7.，PB.0 PB.7)，一個(gè)6位(Pc. o Pc. 6)的可編程并行I/O口和一個(gè)14位定時(shí)/計(jì)數(shù)器。它可直接與8031連接，不需增加任何硬件邏輯，是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中廣泛使用的一種芯片，其中A口作為控制縱橫向步進(jìn)電機(jī)接口，B口控制主軸正反轉(zhuǎn)，進(jìn)給速度調(diào)整,C口控制回轉(zhuǎn)刀架等。8279芯片是一種可編程的鍵盤、顯示接口器件，單個(gè)芯片就能完成鍵盤掃描輸人和LED顯示控制兩種功能，能對(duì)顯示器自動(dòng)掃描，能識(shí)別鍵盤上按下被的鍵號(hào)，這樣可充分提高CPU的工作效率，大大減少軟件工作量。8279與單片機(jī)聯(lián)接無(wú)特殊要求，除數(shù)據(jù)線、RESET,WR.RD可直接聯(lián)接外，CS與74LS138譯碼器輸出線Y相聯(lián);8279的IRQ經(jīng)反相器與8031的中斷請(qǐng)求輸人線INT相聯(lián);時(shí)鐘輸人端CLK與8031的地址鎖存控制端ALE相聯(lián)。8279鍵盤最大可配置8X8個(gè)鍵，實(shí)際用了24個(gè)鍵。掃描線信號(hào)為SL0SL2:經(jīng)74LS138譯碼器(第二片)軸出的8個(gè)列選信號(hào)，接人鍵盤列線。鍵盤行查詢只用了RLoRL7中3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SL0SL2:經(jīng)譯碼器、驅(qū)動(dòng)器提供，字段線由AoA3,BoB3通過(guò)驅(qū)動(dòng)器提供。由于8031單片機(jī)片內(nèi)沒(méi)有程序存貯器(ROM )，且只有256字節(jié)的數(shù)據(jù)存貯器(RAM)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到使用要求，故選擇了兩片存貯容量為8KX8的EPROM2764作為程序存貯截，一片8Kx8的RAM6264作為數(shù)據(jù)存貯器.這樣就組成了一個(gè)完整的控制系統(tǒng)，圖4.2 系統(tǒng)原理圖8031具有16根地址線(P0口作為低八位地址，P1口作為高八位地址)，這樣8031的尋址空間為64K. EPROM2764和RAM6264均為8K x 8字節(jié)，故只需13根地址線.而P。口為地址線和數(shù)據(jù)線分時(shí)復(fù)用(z)，故要連接地址鎖存器.同時(shí)由于8031,連接多個(gè)設(shè)備，訪問(wèn)不同設(shè)備時(shí)，需要片選。因而采用譯碼電路.具體連接如圖4.3，圖中未給出電源線、接地電平及其它管腳。 圖4.3 8031系統(tǒng)擴(kuò)展圖4.2.4 8031與I/O口的連接I/O口是控制主機(jī)與外圍設(shè)備的通道.選擇Intel公司生產(chǎn)的8155接口芯片.8155是可編程的RAM/ IO擴(kuò)展接口電路，它具有256個(gè)RAM單元、2個(gè)8位口、1個(gè)6位口、1個(gè)14位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器8031與8155的連接如圖4.4圖4.4 8031與8155的連接4.3數(shù)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)數(shù)控系統(tǒng)軟件是一系列能完成各種功能的程序的集合，程序采用模塊化設(shè)計(jì)方法，主要包括監(jiān)控模塊(包括系統(tǒng)初始化、命令處理循環(huán)、零件加工程序的輸人、零件加工程序的編輯修改、指令分析與執(zhí)行、系統(tǒng)自檢等。)、插補(bǔ)計(jì)算模塊、步進(jìn)電機(jī)控制模塊、誤差補(bǔ)償模塊等。1、監(jiān)控模塊系統(tǒng)初始化后系統(tǒng)即進(jìn)人命令處理程序，對(duì)于一般以單片機(jī)構(gòu)成的系統(tǒng)通常采用循環(huán)處理程序邏輯作為系統(tǒng)的主程序。在循環(huán)程序中.程序不斷掃描鍵盤及操作面板的操作，對(duì)此操作進(jìn)行分析后即根據(jù)相應(yīng)的操作命令轉(zhuǎn)人相應(yīng)的程序模塊。對(duì)于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)，零件加工程序通常是從鍵盤輸入。輸人的數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)處理程序?qū)⑤斎说氖M(jìn)制數(shù)與指令轉(zhuǎn)換成BCD碼存于規(guī)定的緩沖區(qū)，即源程序區(qū)。而編輯零件程序可看作一個(gè)鍵盤命令處理程序，和鍵盤輸人可合為一體，既用于從鍵盤輸人新的零件加工源程序，也可在編輯狀態(tài)下.對(duì)已輸人的零件加工程序中的命令、數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯和修改。數(shù)控系統(tǒng)要對(duì)輸人的指令進(jìn)行分析，并根據(jù)分析結(jié)果執(zhí)行相應(yīng)的操作。診斷程序用子檢測(cè)系統(tǒng)硬軟件功能的正確性，找出系統(tǒng)故障的位置，并指出故障類型。2、插補(bǔ)計(jì)算模塊數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)工件加工程序中提供的數(shù)據(jù)。如曲線的種類、起點(diǎn)、終點(diǎn)等進(jìn)行運(yùn)算。根據(jù)運(yùn)算結(jié)果，分別向各坐標(biāo)軸發(fā)出進(jìn)給脈沖這個(gè)過(guò)程即為插補(bǔ)運(yùn)算。進(jìn)給脈沖通過(guò)伺服驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)或刀具作相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)，完成程序的加工任務(wù)。機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)是一邊插補(bǔ)進(jìn)行運(yùn)算，一邊進(jìn)行加工，是一種典型的實(shí)時(shí)控制方式.所以，插補(bǔ)運(yùn)算的快慢直接影響機(jī)床的進(jìn)給速度，因此應(yīng)盡可能縮短運(yùn)算時(shí)間，這是編制插補(bǔ)運(yùn)算程序的關(guān)鍵。3、步進(jìn)電機(jī)控制模塊8031控制步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)程序，不僅可用程序代替可變頻率脈沖源和環(huán)形分配器等配件，還很容易用程序?qū)崿F(xiàn)步進(jìn)電機(jī)升降速控制等功能。4、誤差補(bǔ)償模塊經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床的加工誤差是必然存在的，但只要對(duì)引起加工誤差的各個(gè)環(huán)節(jié)的定量關(guān)系清楚，就可以在編程中引人修正值，調(diào)整進(jìn)給脈沖，達(dá)到減少和消除部分誤差的作用，這就是誤差的軟件補(bǔ)償。4.3.1 直線插補(bǔ)程序的設(shè)計(jì)1、逐點(diǎn)比較法的步驟：偏差判別、坐標(biāo)進(jìn)給、偏差計(jì)算、終判別。2、程序設(shè)計(jì)第一象限直線插補(bǔ)的程序如下：ORG 2000HMAIN： MOV SP，#60H；LP4： MOV 28H，#0C8H；XeMOV 29H,#0C8H;YeMOV 2AH,#00H;X初始化Fm>=0?Y方向進(jìn)給X方向進(jìn)給Fm=Fm+XeY=Y+1Fm=Fm-YeX=X+1X=Xe?(Y=Ye)返回圖4.5 逐點(diǎn)比較法直線插補(bǔ)框圖MOV 2BH,#00H;YMOV 2EH,#00H;FMOV 70H,#0AHLP3: MOV A,2EHJB ACC.7,LP1MOV A,70HSETB ACC.0CLR ACC.2MOV 70H,ALCALL MOTR;LCALL DELAYMOV A,2EHSUBB A,29H;F-YeINC 2AH;X+1AJMP LP2LP1: MOV A,70HSETB ACC.2CLR ACC.0LCALL MOTR;LCALL DELAYMOV A,2DHADD A,28H;F+XeLP2: MOV 2EH,AMOV A.28CJNE A,2AH,LP3;Xe=X?RET4.3.2 圓弧插補(bǔ)程序的設(shè)計(jì)初始化Fm>=0?-X向進(jìn)給一步+Y向進(jìn)給一步F=F-2X+1X=X+1F=F+2Y+1Y=Y+1X=Xe?(Y=Ye)返回圖4.6 第一象限逆圓插補(bǔ)程序框圖第一象限逆圓插補(bǔ)程序如下：XL EQU 18HXH EQU 19HYL EQU 28HYH EQU 29HXeL EQU 1AHXeH EQU 1BHYeL EQU 2AHYeH EQU 2BHFL EQU 2CHFH EQU 2DHORG 2400HMAIN: MOV SP,#60H;MOV 70H,#08H;MOV XL,#80H;XLMOV XH.#0CH;XHMOV YeL,#80H;YeLMOV YeH,#0CH;YeHMOV Xe,#00H;YeLMOV XeH,#00H;XeHMOV YL,#00H;YLMOV YH,#00H;YHMOV FL,#00H;FLMOV FH,#00H;FHLP3: MOV A,FUJNB ACC.7,LP1MOV A,70HSETB ACC.2CLR ACC.0;LCALL MOTR;MOV R1,#28H;MOV R0,#1CH;MOV R7,#02H;LCALL MULT2;2*YADD: CLR CMOV A,FLADDC A,1CHMOV FL,AMOVA,FHADDC A,1DH;F+2YMOV FU,ACLR CMOV A,YLADD A,#01HMOV 28H,AMOV A,YHADDC A,#00HMOV YH,ACLR CMOV A,FLADD A,#01HMOV FL,AMOV A,FHADDC A,#00HMOV FH,A;F=2Y+1AJMP LP2LP1: MOV A,70HSETB ACC.0MOV 70H,A;LCALL MOTRMOV R1,#18H;XLMOV R0,#1CHMOV R7,#02HLCALL MULT2;2*XSUB: CLR CMOV A,FLSUBB A,1CHMOV FL,AMOV A,FUSUBB A,1DHMOV FH,A;F-2XCLR CMOV A,XLSUBB A,#01HMOV XL,AMOV A,XHSUBB A,#00HMOV XH,A;X-1CLR CMOV A,FLADD A,#01HMOV FL,AMOV A,FHADDC A,#00HMOV FH,A;F-2X+1LP2: MOV A,YHCJNE A,YeH,LP3A;YH=YeH?MOV A,YLCJNE A,YeL,LP3A;YL=YeL?LP3A: AJMP LP3ORG 2500HMULT2: PUSH PSW;PUSH APUSH BCLR CMOV R2,#00HSH1: MOV A,R1MOV B,#02HMUL ABPOP PSWADDC A,R2MOV R0,AINC R0INC R1DJNZ R7,SH1POP BPOP PSWPET4.4 操作面板顯示CA6140型數(shù)控車床的面板位于機(jī)床的左側(cè)主軸箱是前方，由上、下兩部分組成，上部分為數(shù)控系統(tǒng)操作面板，下部分為車床操作面板。1、數(shù)控系統(tǒng)操作面板CA6140型數(shù)控系統(tǒng)操作面板如圖所示。它是由CRT顯示屏和MDI鍵盤兩個(gè)部分組成的。圖4.7數(shù)控系統(tǒng)操作面板CRT顯示屏CRT顯示屏用于顯示車床的加工程序、各種參數(shù)和狀態(tài)。如顯示當(dāng)前刀尖點(diǎn)坐標(biāo)，輸入到數(shù)控系統(tǒng)中的指令數(shù)據(jù)，刀具補(bǔ)償量值、模擬顯示信息等。MDI鍵盤(1)地址/數(shù)字鍵區(qū)：該區(qū)域各鍵用于輸入地址、數(shù)值和符號(hào)。(2)功能鍵區(qū)：該區(qū)域各鍵用于選擇數(shù)控車床的各種操作功能。位置鍵（POS）用于顯示當(dāng)前數(shù)控車床刀尖的位置。程序鍵（PROG）用于顯示程序及設(shè)定編輯程序狀態(tài)。偏置鍵（OFFSET-SETING）用于設(shè)定和顯示刀具的偏置量和宏程序變量。系統(tǒng)鍵（SYSTEM）用于系統(tǒng)參數(shù)和顯示，以及自診斷數(shù)據(jù)的顯示。自定義圖形（CUSTOM GRAPH）用于顯示用戶宏程序屏幕和用于模擬顯示加工程序的刀路圖形。上檔鍵（SHIFT）用于切換地址/數(shù)字鍵區(qū)各鍵的輸入功能。修改鍵（ALTDR）用于對(duì)編輯狀態(tài)下的指令進(jìn)行修改。信息鍵（MESSAGE）用于顯示信息屏幕。(3)翻頁(yè)鍵（PAGE）：該位置的兩個(gè)鍵用于將屏幕顯示的頁(yè)面進(jìn)行整頁(yè)更換，按下上面的翻頁(yè)鍵，屏幕向前翻頁(yè)，按下下面的鍵，屏幕向后翻頁(yè)。(4)光標(biāo)移動(dòng)鍵：該位置有4個(gè)鍵，分別用于水平左右移動(dòng)光標(biāo)，以及豎直上下移動(dòng)光標(biāo)。(5)復(fù)位鍵（RESET）；當(dāng)系統(tǒng)因超程、操作不當(dāng)、編程出錯(cuò)等原因出現(xiàn)報(bào)警時(shí)，用此鍵來(lái)解除報(bào)警狀態(tài)。(6)幫助鍵（HELP）：用于顯示系統(tǒng)幫助信息。(7)程序編輯鍵區(qū)；該區(qū)的各鍵用于數(shù)控加工程序的編輯。取消鍵（CAN）用于取消最后一個(gè)進(jìn)入緩存區(qū)的字母、數(shù)字或符號(hào)。輸入鍵（INPUT）用于輸入?yún)?shù)和刀具補(bǔ)償值等。刪除鍵（DELETE）用于刪除程序中的代碼。插入鍵（INSERT）用于編輯程序時(shí)的確認(rèn)輸入，以及修改程序時(shí)在光標(biāo)位置插入程序。2、操作面板1、急停開關(guān)；2、功能方式旋鈕；3、進(jìn)給倍率旋鈕；4、手揭脈沖發(fā)生器；5、手動(dòng)方向按鈕；6、主軸按鈕；7、輔助功能按鈕；8、加工設(shè)置按鈕；9、輔助控制按鈕；10、系統(tǒng)開關(guān)；11程序保護(hù)鎖 CK6136數(shù)控車床操作面板急停開關(guān)：為紅色蘑菇頭狀按鈕。1、 方式旋鈕：PEF即參考點(diǎn)方式、EDIT方式即程序編輯方式、MID方式即手動(dòng)數(shù)據(jù)輸入方式、JOG方式即手動(dòng)連續(xù)進(jìn)給方式、HND手輪方式、MEM即自動(dòng)運(yùn)行方式。2、 進(jìn)給倍率旋鈕：此旋鈕用于設(shè)置進(jìn)給速度的倍率和快速進(jìn)給的倍率，在手動(dòng)方式、MDI方式和自動(dòng)方式均生效。3、 手搖脈沖發(fā)生器：手搖脈沖發(fā)生器只在功能方式旋鈕置于HND時(shí)才有效。4、 手動(dòng)方向按鈕及快速疊加鍵按鈕5、 主軸按鈕：主軸正轉(zhuǎn)按鈕、主軸停止按鈕、主軸反轉(zhuǎn)按鈕。6、 輔助功能按鈕：冷卻控制開關(guān)（COOL）、刀盤轉(zhuǎn)位開關(guān)（TOOL）。7、 加工設(shè)置按鈕：?jiǎn)味伟粹o（SBK）、在線加工按鈕（DNC）。8、 輔助控制按鈕：循環(huán)暫停按鈕、循環(huán)啟動(dòng)按鈕、M01有效按鈕。9、 系統(tǒng)開關(guān)：?jiǎn)?dòng)按鈕（ON）、關(guān)閉按鈕（OFF）。4.5 鍵盤及顯示器接口設(shè)計(jì)鍵盤是若干個(gè)按鍵組成的開關(guān)矩陣，它是單片機(jī)最簡(jiǎn)單的輸入設(shè)備.其工作原理如圖4.9.圖4.9 鍵盤的工作原理圖4(1)中，控制信號(hào)=“0”則開放，可對(duì)鍵識(shí)別:當(dāng)鍵松開，測(cè)試信號(hào)=1,當(dāng)鍵閉合，測(cè)試信號(hào)=“0”?？刂菩盘?hào)=I，禁止，不能對(duì)鍵進(jìn)行識(shí)別.控制系統(tǒng)如果要確認(rèn)是否有鍵閉合，可以通過(guò)掃描的方式完成.圖4(2)中，列線X2相當(dāng)于控制信號(hào)，行線X3相當(dāng)于測(cè)試信號(hào).數(shù)控系統(tǒng)中使用的顯示器主要有LED(發(fā)光二極管顯示器)和(液晶顯示器)，也有采用CRT接口顯示方式.我們選擇LED顯示器，通常它是由8個(gè)發(fā)光二極管組成，控制不同組合的二極管導(dǎo)通，就能顯示出各種字符. . 圖4.10共陰極接法，其數(shù)字、字符和對(duì)應(yīng)的段碼關(guān)系第5章 控制電路設(shè)計(jì)5.1 X、Z軸限位和參考點(diǎn)返回電路5.1.1. x. z軸的限位輸入端設(shè)置為負(fù)邏輯經(jīng)過(guò)分析現(xiàn)有數(shù)控機(jī)床的限位控制電路的缺陷，研制出一種新的限位控制方式，即負(fù)邏輯控制。其基本思路是:使用限位行程開關(guān)的常閉觸點(diǎn)，當(dāng)限位開關(guān)沒(méi)有壓下時(shí)I/0點(diǎn)與24V接通，當(dāng)限位開關(guān)被壓下I/O點(diǎn)與24V斷開，機(jī)床限位。這種接法消除因線路開路而產(chǎn)生限位失靈現(xiàn)象，提高了限位電路的可靠性。限位輸入端采用負(fù)邏輯需對(duì)系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行修改。采用負(fù)邏輯輸入的方法，這樣有利于提高數(shù)控機(jī)床的可靠性和安全性。如果機(jī)床的電路采用傳統(tǒng)的繼電器、接觸器等元件實(shí)現(xiàn)邏輯功能則不宜采用負(fù)邏輯，因?yàn)樗麜?huì)導(dǎo)致部分繼電器、接觸器處于始終通電狀態(tài)。這會(huì)造成損耗大、元件升溫、壽命縮短等問(wèn)題，并且元件間機(jī)械接觸，還會(huì)因?yàn)檎饎?dòng)等因素造成誤動(dòng)作。現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)其控制邏輯由邏輯電子線路實(shí)現(xiàn)，不會(huì)出現(xiàn)以上問(wèn)題。本次數(shù)控改造使用的數(shù)控系統(tǒng)為西門子802S數(shù)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)負(fù)邏輯輸入要軟件、硬件兩方面配合才能實(shí)現(xiàn)。(1)硬件連接 數(shù)控機(jī)床中PLC的輸入點(diǎn)有以下兩種連接方法，其中圖5-2所示的連接方法是正邏輯輸入，其原理是:當(dāng)機(jī)床運(yùn)動(dòng)超程時(shí)壓下行程開關(guān)SQ1 ， SQ1閉合PLC內(nèi)的光電藕合器件得電，PLC認(rèn)為該點(diǎn)的邏輯值為“1"，信號(hào)有效，PLC執(zhí)行相關(guān)操作。這種方法的缺點(diǎn)在于當(dāng)從+24V端子到PLC輸入點(diǎn)之間的線路接觸不良或開路則會(huì)造成SQl無(wú)效(即使SQ1被壓下閉合)，而導(dǎo)致機(jī)床出現(xiàn)重大事故。圖5.1負(fù)邏輯輸入 圖5.2正邏輯輸入圖5.1所示的是負(fù)邏輯輸入的連接方法，信號(hào)輸入使用行程開關(guān)的常閉觸點(diǎn)。在正常情況下SQ1是閉合的，該輸入點(diǎn)的邏輯值為“1"，當(dāng)SQ1被壓下斷開時(shí)輸入點(diǎn)邏輯值為“0"。這時(shí)要求通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置或修改PLC程序把該點(diǎn)邏輯值“1”設(shè)定為無(wú)效狀態(tài)，而邏輯值“0”設(shè)定為有效狀態(tài)。如果從十24V端子到PLC的輸入點(diǎn)之間的線路出現(xiàn)開路或接觸不良時(shí)，該點(diǎn)被認(rèn)為有效，機(jī)床會(huì)立即報(bào)警，必須在電路連接良好的情況下機(jī)床才能正常運(yùn)行。這種方法排除了因限位電路開路而造成故障的可能性，機(jī)床的安全性得到提高。(2)軟件設(shè)置 負(fù)邏輯需要把邏輯“1”改為無(wú)效狀態(tài)而邏輯“0”為有效狀態(tài)，其方法有兩種:第一，在PLC編程時(shí)通過(guò)程序?qū)崿F(xiàn)。第二，通過(guò)設(shè)定機(jī)床參數(shù)實(shí)現(xiàn)。在兩種方法中，要求數(shù)控系統(tǒng)具有可以對(duì)其PLC輸入、輸出端口的邏輯有效狀態(tài)進(jìn)行修改的功能。西門子的SINUMERIK 8025數(shù)控系統(tǒng)具有此功能。本次改造對(duì)限位等影響機(jī)床安全的輸入點(diǎn)采用負(fù)邏輯就是采用的第2種方法。(3)采用負(fù)邏輯存在的問(wèn)題及對(duì)對(duì)策 數(shù)控機(jī)床的PLC輸入點(diǎn)采用負(fù)邏輯輸入的方法使輸入電路中的光電藕合器的發(fā)光二極管長(zhǎng)期處于通電狀態(tài)。但是由于該發(fā)光二極管的工作電流很小(只有幾毫安，輸入電路只消耗幾十毫瓦)，因此系統(tǒng)的功耗的增加對(duì)功率幾千瓦的機(jī)床來(lái)說(shuō)可以忽略不計(jì)，同時(shí)發(fā)光二極管是冷光源，也不會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)熱。光電藕合器的工作壽命大于10萬(wàn)小時(shí)，以每臺(tái)機(jī)床每天連續(xù)工作12小時(shí)計(jì)，可以保證機(jī)床正常工作20多年，對(duì)機(jī)床的壽命也不會(huì)造成影響。5.1.2參考點(diǎn)返回采用雙開關(guān)方式用行程開關(guān)做參考點(diǎn)返回減速開關(guān)，用接近開關(guān)作為參考點(diǎn)檢測(cè)開關(guān)。在各軸返回參考點(diǎn)時(shí)，先高速運(yùn)動(dòng)到參考點(diǎn)返回減速開關(guān)，將其壓下后反向慢速逼近參考點(diǎn)，到參考點(diǎn)檢測(cè)開關(guān)后完成參考點(diǎn)返回。由于這種方法使各軸在達(dá)到參考點(diǎn)前速度較低(可通過(guò)參數(shù)設(shè)定改變)，所以精度較高并且可以消除絲杠的反向間隙。5.2 其他輔助電路5.2.1 8031的時(shí)鐘電路單片機(jī)的時(shí)鐘可以由兩種方式產(chǎn)生:內(nèi)部方式和外部方式.內(nèi)部方式利用芯片內(nèi)部振蕩電路，在XTAL1,XTAL2引腳上外接定時(shí)元件，如圖9所示.晶體可在1.212MH之間任選，禍合電容在5 30PF之間，對(duì)時(shí)鐘有微調(diào)作用.采用外部時(shí)鐘方式，可把XTAL1;接地，XTAL2接外部時(shí)鐘源。 圖5.3 8031時(shí)鐘電路 圖5.4 8031復(fù)位電路 5.2.2復(fù)位電路單片機(jī)的復(fù)位都是靠外部電路實(shí)現(xiàn)、在時(shí)鐘電路工作后，只要在RESET引腳上出現(xiàn)l0ms以上高電平，單片機(jī)便實(shí)現(xiàn)狀態(tài)復(fù)位，以后單片機(jī)便從OOOOH單元開始執(zhí)行程序.圖10為上電與按鈕復(fù)位組合.在上電瞬間，RC電路充電，RESET引腳端出現(xiàn)正脈沖，只要保持l 0ms以上高電平，就能使單片機(jī)有效地復(fù)位.5.3 電動(dòng)刀架控制電路電動(dòng)刀架的刀位檢測(cè)霍爾元件為輸出電路為集電極開路輸出方式，不能與數(shù)控系統(tǒng)直接相連，需要在各刀位檢測(cè)電路輸出端添加集電極上拉電阻。如圖5-3所示。圖5.5刀架電路5.4 步進(jìn)電機(jī)的接口電路設(shè)計(jì)控制指令控制脈沖分配器的通電方式從而控制步進(jìn)電機(jī)的通電方式，完成正、反轉(zhuǎn)以及升降速要求.5.4.1光電隔離電路在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中，為了避免強(qiáng)電對(duì)弱電的干擾，常采用光電隔離電路。 圖5.6幾種常見的光電隔離電路圖在圖5.6中，a為同相輸出電路，b為反相輸出電路，。為輸入電路.我們選擇a作為實(shí)際電路中的光電隔離電路.5.4.2功率放大電路脈沖分配器的輸出功率很小，遠(yuǎn)不能滿足步進(jìn)電機(jī)的要求，必須將其放大以產(chǎn)生足夠大的功率驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn).圖5.7是一種高低壓供電的實(shí)用電路，其工作原理是:電路中各晶體管均處在開關(guān)狀態(tài).當(dāng)控制脈沖到來(lái)時(shí)，Tl,T3 ,T4 均導(dǎo)通，同時(shí)脈沖變壓器的副邊產(chǎn)生一定寬度的脈沖電流，使T2處于導(dǎo)通狀態(tài)，使二極管處于負(fù)偏置而截止，將電動(dòng)機(jī)繞組WA與電源E。斷開，高壓電源通過(guò)T 2,T1為電動(dòng)機(jī)繞組WA供電，使其電流上升沿變陡，通過(guò)時(shí)間后、脈沖電流消失，使T2處一于截止?fàn)顟B(tài)，切斷高壓電源EH與電動(dòng)機(jī)繞組Wa的回路，E。通過(guò)D2、T1為電動(dòng)機(jī)供電，提供電動(dòng)機(jī)所需的額定電流.圖5.7高壓供電電路第6章 數(shù)控機(jī)床的調(diào)試、精度檢測(cè)機(jī)床的安裝、調(diào)試是設(shè)備改造的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。數(shù)控機(jī)床的主報(bào)括電路安裝、機(jī)械部分安裝和機(jī)床基礎(chǔ)部分的安裝。按照安裝步驟，首先是機(jī)床總體安裝，然后是線路連接。數(shù)控機(jī)床的調(diào)試與精度檢驗(yàn)是機(jī)床交付使用前的必被與精度檢驗(yàn)主要要保證機(jī)床的各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。主要幾何精度檢驗(yàn)、運(yùn)動(dòng)精度檢驗(yàn)、位置精度檢驗(yàn)和試切加工，以檢驗(yàn)機(jī)切削精度，只有各項(xiàng)精度都達(dá)到國(guó)家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，才能交付使用。經(jīng)過(guò)試切檢驗(yàn)?zāi)K化數(shù)控程序的實(shí)用性，再通過(guò)機(jī)床的運(yùn)行操作，檢查邏輯控制的穩(wěn)定性和可靠性。經(jīng)過(guò)以上檢驗(yàn)，各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求受到了用戶的好評(píng)。結(jié)論通過(guò)上述方案改造后的車床具有數(shù)控加工能力，自動(dòng)化水平和加工精度明顯提高，定位準(zhǔn)確、可靠，操作簡(jiǎn)便，既可提高生產(chǎn)率，改善加工工藝，同時(shí)又保持“萬(wàn)能加工”和“專用高效”兩種屬性，提高設(shè)備自身對(duì)產(chǎn)品更新?lián)Q代的應(yīng)變能力，增強(qiáng)企業(yè)的竟?fàn)幠芰Γ@對(duì)中、小型企業(yè)來(lái)講是十分理想的選擇。作用及意義：(1)可用最新的技術(shù)改造機(jī)床。 (2)可按需改造.避免功能多余。 (3)能充分發(fā)揮工人的知識(shí)經(jīng)驗(yàn).培養(yǎng)他們的技能。 (4)可以節(jié)省開支.縮短交貨期.且工人對(duì)舊機(jī)床較熱悉.培訓(xùn)期短。 (5)可利用舊機(jī)床的基礎(chǔ)件(時(shí)效處理過(guò)后.性能更穩(wěn)定)地基。避免因鑄造、切削加工等帶來(lái)的環(huán)境污染，節(jié)約資源。 (6)資料齊全.便于維修和再改造。 (7)在我國(guó)有很大的機(jī)床改造市場(chǎng).不但能帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益.還能解決再就業(yè)問(wèn)題。致謝通過(guò)一段時(shí)間的畢業(yè)設(shè)計(jì)使我對(duì)所學(xué)的知識(shí)進(jìn)行了一次系統(tǒng)的鞏固，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)我要感謝我們的指導(dǎo)教師黃燁老師以及徐州建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院廣大教師，正式他們的精心教導(dǎo)才使得本次畢業(yè)設(shè)計(jì)得以順利地完成。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，黃老師不厭其煩的給我們提建議，為我們指明了設(shè)計(jì)的方向，講解相關(guān)的知識(shí)例如：數(shù)控設(shè)備、數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。在此對(duì)黃老師表示衷心的感謝!同時(shí)也要感謝學(xué)院的各位教師。謝謝你們，沒(méi)有你們的幫助我們也不會(huì)這樣順利的完成畢業(yè)設(shè)計(jì)。參考文獻(xiàn)1 李善術(shù)數(shù)控機(jī)床及其應(yīng)用北京:機(jī)械工業(yè)出版社19982 張毅剛單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社19903 劉文信機(jī)床數(shù)控技術(shù)北京:機(jī)械工業(yè)出版社19984 張毅剛修林成單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)M.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社 19905 楊俊廉機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書M北京:中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社19916 余水牧李小青陳林康單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的功率接口技術(shù)M北京:航空航天大學(xué)出版社1992