數控機床改造方案

1、1. 緒論22總體方案確定62.1車床改造方案的選擇62.2車床改造方案的確定83. 機械計算部分93.1選擇脈沖當量93.2計算切削力103.3滾珠絲杠螺母副的計算和選型103.3.1縱向進給絲杠 103.3.2橫向進給絲杠143.4齒輪傳動比的計算163.4.1縱向齒輪傳動比計算 163.4.2橫向齒輪傳動比計算 163.5步進電機的計算和選型163.5.1縱向步進電機的計算163.5.2橫向進給步進電機的計算和選型204. 微機控制部分 錯誤！未定義書簽。4.1總體設計234.2主控制器234.2.1主控器的選擇 234.2.2 8031對片外存儲器的選擇 244.2.3 8031 并行

2、 I/O 口擴展255. 電路原理圖設計 255.1關于各線路元件之間線路連接2552關于電路原理圖的一些說明 276. 數控機床故障診斷316.1初級診斷316.2高級診斷336.3未來數控系統(tǒng)的診斷技術357.SolidWorks 造型 377.1SolidWorks 軟件介紹377.2繪制草圖397.3裝配體設計418.數控系統(tǒng)發(fā)展趨勢46結論2致謝54參考文獻551 緒論機床數控技術就是以數字化的信息實現(xiàn)機床自動控制的專門技術，其中刀具與工件運動軌跡的自動控制、刀具與工件相對運動速度的自動控制是機床數字控制的最主要內數字控制機床（Numerical Control Machine To

3、ols）簡稱數控機床，這是一種將數字計算技術應用于機床的控制技術。數控機床是一個精密的機電一體化產品。是由精密機械部件（如滾珠絲桿、高精度導軌、精密軸承、主軸）和復雜電氣部件（如數控系統(tǒng)、驅動裝置和伺服 電機以及精密測量系統(tǒng)）構成的一個完整的產品。它把機械加工過程中的各種控制信息用代碼化 的數字表示，通過信息載體輸入數控裝置。經運算處理由數控 裝置發(fā)出各種控制信號，控制機床 的動作，按圖紙要求的形狀和尺寸，自動地將零件加工出來。數控機床較好地解決了復雜、精 密、小批量、多品種的零件加工問題，是一種 柔性的、高效能的自動化機床，代表了現(xiàn)代機床控制技術的發(fā)展方向，是一種典型的機 電一體化產品。數控

4、機床的基本組成包括加工程序載體、數控裝置、伺服驅動裝置、機 床主體和其他輔助裝置。數控機床的系統(tǒng)組成框圖如下:1反焼裝數控機床的系統(tǒng)組成框圖其工作原理是先根據被加工零件的形狀、尺寸和技術要求等條件，確定該零件的加工工藝過程、工藝參數，并按一定的規(guī)則形成數控系統(tǒng)能理解的加工程序。即：將被加工零件的幾何信息和工藝信息數字化；按標準的格式編制成零件加工程序單；然后將此加工程序 輸入到數控機床的數控裝置中，并將輸入到數控單元的加工程序進行試運行、刀具路徑模擬等。 確認無誤后，再將被加工零件裝夾好；對刀后，即可啟動機床運行加 工程序。在加工程序運行 時，數控系統(tǒng)會根據加工程序的內容，發(fā)岀各種控制命令，如

5、啟動主軸電動機，打開切削液、進行刀具軌跡計算、向特殊的執(zhí)行單元發(fā)出數字位移脈沖和進行 進給速度控制等。正常情況下，加工程序可直接運行到其結束。當改變加工零件時，在數控機床 上只要改變加工程序，就可以繼續(xù)加工新零件。數控機床改造在國外以發(fā)展成一個新興的工業(yè)部門。早在60年代已經開始迅速發(fā) 展，并有 專門企業(yè)經營這門業(yè)務，其發(fā)展的原因是多方面的。首先是技術的原因，過去20年里，金屬切削的基本原理變化不大，但社會的生產 力的巨大 發(fā)展，要求制造技術向自動化和精密化前進。而刀具材料和電子技術卻有很的大的進步，特別是 微電子技術，電子計算機的技術進步，反應出控制系統(tǒng)，它能幫助機床自動化又能提高加工精 度

6、，技術進步和高生產率的要求，精密加工的增多等，突出了舊機床技術改造技術的必要性和急 迫性。其次是經濟上的原因。許多發(fā)達國家多做過系統(tǒng)的分析，如果舊機床設備以新設備更新，要 付出很大的代價的，若利用“改造技術”，則節(jié)省大半資金，這種事半功倍的技術，不僅不浪費 資金而切還為小企業(yè)技術改造開創(chuàng)了新路，而且對實力雄厚的大企業(yè) 也有很大的經濟吸引力。再次是市場因素，目前許多國家設備所需的數控機床數量，按機床工業(yè)現(xiàn)狀是無力及時提供 的。機床“改造”就成為機床市場需要的補足手段。最后是生產力的因素，在工業(yè)生產中，品種多小批量生產是現(xiàn)代化機械制造業(yè)的基本特征， 只有相當大比重完成生產任務，不外乎選擇通用機床、

7、專業(yè)機床和數控機床，柔性制造系統(tǒng)，就 工業(yè)復雜程度和一批工件所需要生產總成本比較中看出，數控機床最 能適應這一需要。我國是擁有300萬機床國家。而這些機床又大量是多年累積生產的通用機床，自動化程度 不高，要想在近幾年內大量用自動、半自動和精密機床更新現(xiàn)有設備，不論資金還是我國機床的 能力是辦不到的。因此應盡快將我國現(xiàn)有一部分普通機床實現(xiàn)自動化和精密化改裝，是我國現(xiàn) 有設備改造自動化要求解決的課題。用這控制技術正是適應這一要求。它是建立在微電子現(xiàn)代技 術和傳統(tǒng)技術相結合的基礎上。在機床改造中引入了微機的應用，不但技術具有先進性，同時在 應用此自動化改造方案，有較大的應用性和 可調性，而且投資改造

8、的費用低，一套經濟型數控裝 置的價格僅是全功能型數控裝置的1/3到1/5擁護承擔的起。從若干單位應用的實例可論證，投 入使用后，成倍的提高了生產效率，取得了顯著的經濟效益。因此，我國提出從大力推廣經濟型 數控這一中間技術的基礎上，再推出全功能型數控這條道路，適合我國經濟、教育、生產水平， 對于以后全動能型數控機床應用的準備階段，為實現(xiàn)我國傳統(tǒng)的機械制造的方向過度的重要內 容。CA6140機床是一種普通精度的及萬能臥式機床，屬于使用范圍廣的通用機床。這種機床的性能及質量較好。但結構復雜，自動化程序較低，是一種屬于中型的普通機床，在各廠礦企 業(yè)的應用很廣。為此，本次設計的任務是對CA6140普通機

9、床進行數控改造，利用微機對縱橫向進給系統(tǒng) 實行開環(huán)控制。驅動元件是利用步進電動機，傳動系統(tǒng)利用滾珠絲杠2總體方案確定2.1車床改造方案的選擇2.1.1設計系統(tǒng)的選擇在簡易數控系統(tǒng)中，大多數是利用八位微處里機和單片機，近年來國有一些主要的半導體 制造廠家相繼生產了各種八位單片微型機，主要有MCS48系列，CS-51系列，Mostek 的3870 , Motorolo公司的6801和6805 目前在國內用的較廣，開發(fā)工具較齊的是MCS- 51系列，這里選用MCS51系列中的8031 o2.1.2系統(tǒng)運用方式的確定數控系統(tǒng)按運動方式可分為點位控制系統(tǒng)，點位直線控制系統(tǒng)，輪廓控制系統(tǒng)，連續(xù)控制系統(tǒng)。車

10、床是控制刀具以給定速率沿指定路線運動來加工壬件輪廓復雜的零件，其個坐標 軸的運動之間有著精確的出數關系，根據車床加工這一特點，采用連續(xù)控制系統(tǒng)比較合適，連 續(xù)控制系統(tǒng)具有點位控制系統(tǒng)的功能，故定位方式采用增量坐標控制。2.1.3伺服系統(tǒng)的選擇伺服系統(tǒng)是實現(xiàn)位量伺服控制有開環(huán)、閉環(huán)和半閉環(huán)三種控制方式。開環(huán)控制的伺服系統(tǒng) 存在著精度不能達到太高的基本問題，但是步進電機具有位移和輸出脈沖的嚴格對應關系，使誤 差不能積累，轉速和輸出脈沖頻率有嚴格的對映關系，而且在負載能力范圍內不受電流、電壓、 負載大小、環(huán)境條件的波動變化的特點，數據裝置發(fā)出信號的流向是單向的，對移動部件如工作 臺的實際位置工件檢測

11、。并且伴隨電子技術和計算機控制技術的發(fā)展，目前大多釆用直流電動機 或交流電動機作為執(zhí)行元件。雖然閉環(huán)、半閉環(huán)對控制系統(tǒng)能夠實現(xiàn)較高精確的位置伺副。由于反饋環(huán)節(jié)必須的技術條件要 控制閉環(huán)系統(tǒng)的良好的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能，其難度也大為提高。本設計是基于CA6140普通型的車床的經濟化、數控化改造故采用步進電動機實 現(xiàn)開環(huán)伺 服系統(tǒng)。2.1.4執(zhí)行機構傳動式的確定(1) 導軌由于普通型車床的改造精度要求的不高的開環(huán)系統(tǒng)，而滑動導軌定位精度和 靈敏不 需研磨措施可達到10um左右。能夠滿足改裝后的要求，所以仍采用原機床的導軌。(2) 螺旋傳動原機床的絲杠屬于滑動螺旋傳動，主要缺點就是機械效率低，一般僅為 3

12、0-60% ,與改造后的精度相差很多。數控機床除了具有較高的定位精度外，還應良好的動態(tài)間 應特征，滾珠絲杠副的特點，傳動效率高，一般達到90%以上，通過預 緊力可消除絲杠間隙， 運動平穩(wěn)，傳動精度高，有可靠性，磨損小，使用壽命長，但制造復雜，成本高。要使系統(tǒng)指令 好，有能滿足精度要求，本次改造采用滾動螺旋機構。3）齒輪傳動 考慮步進電動機步距角和絲杠導程只能按標準選擇，為達到0.001秒 的分辨率 的要求，縱、橫向均釆用錯齒調隙的齒輪做減速運動。2.2車床改造方案的確定（1）保留原車床的主傳動鏈。為了保證機床加工螺紋的功能，在主軸外端安裝一個YGM脈沖發(fā)生器，使其與主 軸轉速相 一致是1:1的

13、關系，用它來發(fā)出脈沖發(fā)生器，使微機處理機根據主軸的脈沖信號，使刀架通過 絲杠的轉角產生進給運動。（2）縱向進給機構的改造，拆除原機床的進給箱和溜板箱利用原機床的安裝孔銷釘孔安裝齒輪 箱體，滾珠絲杠仍安裝在原絲杠位置，兩端仍利用原固定方式，這樣可減少改裝工作量。（3）橫向進給機構的安裝：保留原手動機構。用于微機進給和機床對零件操作，原有的支撐結 構也保留，電動機、齒輪箱安裝在機床后側。（4）縱、橫向進給機構采用齒輪減速，并且用雙齒輪錯齒法消除間隙，雙片齒輪間采用消除彈 簧，布量成互為120的位置。當螺釘松開時，由于各個彈簧所受力不同而自動調節(jié)間隙，再用螺 釘緊固?？v向齒輪箱和溜板箱均加外罩，以保

14、持機床原外觀，起到美化機床的效果，溜板箱上安裝了縱向快速進給按鈕，以適應機床調整時的操作需要和遇到意外時緊急處理3.機械計算部分本次設計將一臺CA6140普通機床改造成微機數控機床，采用MCS-51型系列單片機控制系統(tǒng)，步進電機開環(huán)控制，具有直線和圓弧插補功能設計，具有降速控制功能，其他參數如下：最大回直徑：400 mm電機功率：7.5KW快速進給：縱向 2.4m/min橫向切削速度：縱向05m/min橫向025m/min定位精度：0.015mm移動部件重量：縱向:800N橫向600N加速時間：30ms機床效率：0 .83.1選擇脈沖當量根據機床精度要求脈沖當量，縱向0.01mm/脈沖,橫向為

15、0.005mm/脈沖3.2計算切削力3.2.1縱切外圓1主切削力(Fz)計算由金屬切削原理可知 切削率：P：電機功率7.5KWn:主傳動系統(tǒng)總效率?。簄 =0.78Pc切削功率 Pc=0.78 X 7.5=5.85KwPc 又 T Pc=FzV 二 Fz= 一v式中:V切削速度V=100m/minFzPc/V=60 X PcX 1000/v=3510N3.2.2橫切端面主切削力Fz,可取縱切的1/2F z =1/2Fz1/2 X 3510=1755N又 F x : Fz :F y =1:0.4:0.25Fx =0.4 Fz =0.4 X 1755=702NF y =0.25 Fz =0.25

16、X 1755=438.75NFx=0.25Fz=0.25 X 1755=877.5NFy=0.4Fz=0.4 X 3510=1404N3.3滾珠絲杠螺母副的計算和選型1 計算進給牽引力Fm3.3.1縱向進給絲杠縱向進給的綜合型導軌采用三角型或綜合導軌Fm=kFx+ f (Fz+G)(3.1 )式中:Fx,Fy,Fz,切削分力(N):G 移動部件的重量(N)f導軌上的摩擦系數，隨導軌形式而不同K考慮顛復力距影響的實驗系數.f=0.16貝 U Fm=1.15 X 877.5+0.16(3510+800)=1698.75N2計算最大動負載CC= 3 L fwFm°2)選用滾珠絲杠副的直徑d

17、.時必須保證在一定軸向負載 作用下絲杠在回轉100萬轉后，在它的滾道上不產生點蝕現(xiàn)象這個軸向負載的最大值稱為該滾珠絲杠能承受的最大動(3.3)(3.4)(3.5)負載C可用C= 3 L fw.Fm_60nT101000Vn= S式中滾操絲杠導程L=6mm.可取最高進給速度的(1/21/3)此處VS=0.5 X 0.5=0.25m/minT:使用壽命按15000h計算L:壽命以106轉為1單位Fw:運轉系數，按一般運轉取fw:121.5 取 fw=1.3N= 1000-0.25 =42r/m6 inL= 60nT p 嚴=38 小時106C= Vl .fw.FmC=338X 1.3X 1698.

18、75=7508.473 滾珠絲杠螺母的選型查vv精密機床配件系列>>山東濟寧選取滾珠絲杠公稱直徑為© 40選用的型號為CDM4006-2.5其額定動載荷15470N,所用強度足夠用4效率計算(3.6)tan rn=tan( r)式中摩擦角r=2 ° 44 6, (t=10式中:r絲杠螺旋升角r摩擦角滾珠副的滾動摩擦系數，f=0.0030.004 R摩擦角約為10分式中:r 螺旋角 CDM4006 r =2°44 6r:摩擦角取10分tan (2 4410)tan 2 44n=94.24%圖3 - 1縱向進給計算簡圖最大牽引力為1698.75N,支承間距

19、L=1700mm絲杠螺母及軸承均采用預緊，預緊力為最大牽引力為1698.75N.8=Fm丄OEF(3.7)式中：Fm工作負載(N)L:滾珠絲杠L=6mmE:材料彈性模數對鋼E=20.6 x 10 6(N/mm 2)F:滾珠絲杠面積mm 2F=1/4 tJD 2 =1/4 nX40 2 =1256m l二丄698.73 $0.394 x 104mm"再算滾珠絲杠總長度上拉伸或壓縮的變形量S mm3=0.394 X 10-4X L/6=0.011對滾珠絲杠經過預拉拉伸，拉壓剛度可提高4倍英實際變量=1/4X0.01 t 2.75 X10 3 mm3 =0.00756mm< 定位精度

20、 0.015mm3.3.2橫向進給絲杠1 計算進給牽引力Fm橫向導軌為燕尾形導軌其計算公式如下：Fm=KFx+ f (Fz+2Fy+G)式中K:考慮顛復力矩的影響實驗系數K=1.4f:導軌上摩擦系數為f =0.2, G移動部件重量G=600NFm=1.4 X 702+0.2(1755+2 X 438.75+600)=1629.3N2 計算最大動負載(N)1000VS1000 0.25 0.5,n=.=31.25L04l= 60 31,25 15000=28125 106.C= 3 28.125 X 1.2 X 1629.3=5865.48N3 選擇滾珠絲杠螺母副查vv精密機床配件系列 >

21、>叢書山東濟寧選用滾珠絲杠為CDM2504-2.5其額定的動載荷為6638螺旋導程角d=25mm di=24.5mm循環(huán)列數為 1X25X2Coa=16826r= arcta n =arcta n -r=2 055 選擇精度等級為 3 級n3.14 254 傳動效率的計算n=tan r =tg2 ° 55/tg(2 ° 55+10 )=0.945ta n(r )5 剛度計算橫向進給絲杠方式，如圖所示最大牽引力為2612.1 N支承間距L=450mm 因絲杠長度較短不需要預緊圖3-2橫向進給系統(tǒng)計算簡圖1滾珠絲杠的拉伸或壓縮變形量=0.6448 X 10A . FmL

22、1629.3 4A L= =62EF 20.6 10/4 25滾珠絲杠經過預拉伸=1/4X 0.007254=0.00183 =0.0054小于定位精度定位精度為0.0153.4齒輪傳動比的計算341縱向齒輪傳動比計算已確定縱向脈沖當量S =0.01，滾珠絲杠導程L=6mm和步距角0.75,可計算出i.360 P 360 0.01 門 ci= =0.8b 丄 0 0.75 6可選定齒輪的齒數為i=z1/z2=32/40或20/25d=mz=64 z 仁 32z2=40 或 z1=20z2=35d2=703.4.2橫向齒輪傳動比計算已確定橫向脈沖當量S =0.005mm/step,滾珠絲杠導程L

23、=4mm和步距角0.75，可計算出傳動比ii= 360.P = 360 0.005 =。£z 仁 21 ,z2=35b 丄0 0.75 43.5步進電機的計算和選型3.5.1縱向步進電機的計算計算簡圖見滾珠絲杠選擇中簡圖傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總的轉動慣量J (kg.cm2)由此式計算22J=J 1+(z1/z2)2Js+J2+G/g(L/2E)(3.7)式中:J齒輪z1的轉動慣量.J2 齒輪z2的轉動慣量(3.7)Js 絲杠的轉動慣量G 工作臺及工件等移動部件的重量(N)L絲杠的導程J1=0.78X 10 3xdi4xb=0.78 X 10 3X 6.44X22=2.62Kg.cm

24、J2=0.78x 103xd24xb=0.78 x 103x 84 x2=6.39Kg.cm2Js=078 x 10 3x D4x L=0.78 x 103x 44x 170=33.9946Kg.cm G=800N 代入式中J=2.62+(32/40)2 33.946+6.39+800/9.8(0.6/2n2=28.91 Kg.cm電機力矩的計算機床在不同工況下，其所需要的轉距不同，下面分別按各階段計算快速空載啟動時所需要的力矩M起(3.8)M 起二皿口ax+Mf+MO式中:M起快速空載啟動力矩（N.m）Mmax折算到電機軸上的加速力矩（N.m）Mf折算到電機軸上的附加摩擦力矩（M.m）起動加

25、速時間ta=30msMmax= J .e= J 2 nmax x60ta_V max. bPI max =p.36OJ 傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總等效轉動慣量(Kg.cm2)£ 電機最大角加速度nmax-電機最大轉速(r/min)p脈沖當量b步進電機的步距角vmax. b= 2400 075 =500r/mi nnm ax=np.360°° 360Mmax= 2陋500-io：5O44N.cm(60/230 10)摩擦力矩Mf(N.m)F0L0 = fGLO2i2iF一導軌摩擦力(N) 了發(fā)G運動部件總重量(N)i 齒輪降速比按i=Z1/Z2計算n傳動鏈總效率一般

26、n =0.7-0.85取 0.8 Mf= oi6 8oood12>22N.cm20.8 1.25附加摩擦力M0M0=°(12)、2 i式中FPO滾珠絲杠預加載荷一般取1/3F mFm為進給牽引力(N)L0 滾珠絲杠導程(cm)N 滾珠絲杠未預緊時傳動效率94.24%M0=FP2A (i2i2) - 1/3FmO LO ( i2)MO= 1/3 1698 73 0吩(10.92)20.8 1.25M 起=Mmax+Mf+M0=504.4+12.22+10.28=526.9N.cm(2)快速移動時所需力矩M快M 快=!/1 f +M0M f =f,(FZG> L0=o6 (3

27、51。800丿 o.6=65.88N.cm2 i20.8 1.25(3)最大切削力負載時所需力矩M切M 切=!/1 f +M0+MtMt=F max 丄0式中進給方向上的切削力取Fx=877.5NMt 折算到電機軸上的切削負載力矩(N.cm)877.5 0.6Mt=83.84(N.cm)20.8 1.25M 切=Mt+M0+Mt=65.88+10.28+83.84=160N.cm 從上面可以看出M起，M快,M切，三種情況下，以快速空載時 所需力矩最大，以此項工作為初選步進電機的依據計算電機空載轉動和切削堵的工作頻率fk=型 0V 叫型 g=4000Hz60 p 60 0.01：60°

28、pVS 9000X0.5/60X0.01=833Hz(5)步進電機的選擇對于工作方式為五相十拍的步進電機Mjmax=恥粋=526.9/0951=554.048查表選用130BF001型直流步進電機的最大靜轉距為930N.cm ,滿足其要求:3.5.2橫向進給步進電機的計算和選型(1) 步進電機的計算橫向計算簡圖見滾珠絲杠選擇中的簡圖，傳動系統(tǒng)折算到電機電機軸上的轉動慣量J (kg.cm 2)可由此式計算：J =J1+(z1/z2)2JS+J2+G/g(L0/2 n 2式中:J1-齒輪z1的轉動慣量J2齒輪z2的轉動慣量JS 絲杠的轉動慣量G 工作臺及工件等移動部件的重量(N)L0 絲杠的導程J

29、1=0.78 X 10 3Xd1 4X L1 =0.78 X 103X4.22X 2=0.485kg. cm2J2=0.78 X 103Xd24X L1 =0.78 X 10 3X 74X 2=3.746kg. cm2G=600N, Js=0.78 X 103X2.52X 45=1.37kgcm2J =J1+(Z1/Z2)2 Js+J2+G/g(L0/2 R2J =0465+(06尸1.37+3.746+600/10(0.4/6.28)2=2.414kg.cm 2(2) 電機力矩的計算:機床在不同工況下其所需的轉距不同，下面分別按各段計算1快速空載起動時所需的力矩M起M 起=!/1 max+M

30、f+MOMmax= J .e= J2n max1060tanm ax=Mmax=2.414 v2X2500 10折算電機軸上的摩擦力力矩MfMf=FOLO = 0.16 600 0.4=4.58N.cmM0=2)=2 (10.8 5/3= 1/3 1629.320.8 5/3(10.92) =11.07NcmMmax=42.1+4.58+11.07=57.75N.cm(3) 快速進給時所需力矩M快M 快-M t+MOMf=-f'G=4.58N.cm2 i 2 iM0=1/3Fm/2pai ni(1 n2)=11.07N.cmM 快=4.58+11.07=15.65N.cmM 切-Mf+

31、MO+MtA iu Fot702 0.4 cc a k iMt=33.4N.cm2 3.14 0.8 5/3FA=fFZGl= 0佝755 600)17.96N.cm2i22 3.14 0.8 5/3M 切=33.4+17.96+11.07=62.43N.cm上面計算可以看出M起,M快,和M切三種工況下，以最大切削負載所需力矩M切作為選用電機的依據當步進電機為五相十拍時=M切/MmaxMjmax= M 切 /=62.43/0.951 =65.64步進電機三相四相五相六相3648510612=M 起 /M max0.50.860.700.700.800.950.8660.86677916選用90

32、BF002其最大靜轉距為400滿足要求:fk=嘶斗2 =4000HZ60 p 60 0.005fv=1000 0.25=833HZ60 0.0254 微機控制部分在普通車床CA6140基礎上加數控部分，以使其成為經濟型數控機床，以完成較高的精度 加工4.1總體設計我國目前廣泛使用MCS-51系列中的8031芯片，通過擴展和I/O 口擴展功能，實現(xiàn)對機 床X,Z兩個方向的控制以及軟硬的任務分配有：控制步進電機脈沖發(fā)生和脈沖分配，數碼顯示的 字符發(fā)生，鍵盤掃描管理既用硬件管理，又可用軟件實現(xiàn)，此次釆用若干方案：控制步進電機用的 脈沖發(fā)生器用硬件采用國產YB015環(huán)行分配器實現(xiàn)，字符發(fā)生及鍵盤掃描均

33、有軟件實現(xiàn)4.2主控制器4.2.1主控器的選擇近年來同外的一些主要的半導體制造廠家相繼生產了各種8位的單片微型端口及部分 RAM于一體的功能很強的控制器。目前國內用得較廣，開發(fā)工具較齊的是MCS 51系列包含 三個產品：8031、8051和8751。三者的引腳完全兼容，僅在結 構上有一些差異，主要是 8031 :8031是無ROM的8051 ,而8751是用EPROM代替ROM的8051。用得較多的就是我所選用的8031 o(1) 8031型芯片：1)單片機是集CPUJ/O端口及部分RAM 一體的功能很強的控制器,8031基本特點如F：1處理器CPU8位2芯片內有時鐘電位3具有12各字節(jié)RAM

34、4具有21特殊功能的存儲器5具有4各I/O端口，32根I/O線6可尋址64K外部數據存儲器7可尋址64K外部程序存儲器8具有兩個16位定時/記時數量9具有5個中斷位，配備兩個優(yōu)先級10具有一個全功能竄行接口11具有尋址能力，適宜邏輯計算從以上論證可以看岀，8031型芯片，功能幾乎為一塊Z80CPU, 一塊RAM, 一塊Z80CTC兩塊Z80PLO和一塊Z80SLO處理的微機計算機.（2）8031芯片管腳的功能及其他功能按引腳功能可分三類，即：其一：I/O 口線：P、Pk P2> P3共4個8為口。其二：控制 線：PSEN （片外取指令控制）、ALE （地址鎖存控制）、EA （片外取存儲

35、器選擇）、RESET （復位控制）。其三:電源及時鐘:Vcc、Vss、XTAL 1. XTAL2o4.2.28031對片外存儲器的選擇1、EPRAM選擇：根據MCS 51單片機應用系統(tǒng)中常用的EPRAM芯片，確定存儲器容量為16Ko選擇EPRAM的型號時，主要考慮的因素是讀取速度，這決定著系統(tǒng)是否 正確工作。根據CPU與EPRAM時序匹配要求，可選用2片2764程序存儲器。2、RAM選擇：單片機的擴展RAM多選用靜態(tài)RAM ,根據容量要求和RAM與CPU的 讀寫時序匹配的要求，這里選用大容量的RAM6264兩片。4.2.3 8031 并行 I/O 口擴展8031有四個8位口 （I/O端口），但

36、真正能夠提供用戶使用的只有P1 口，因為P2 P0 口通 常用來傳送外存儲器的地址和數據，P3 口也需要使用他的第二功能因此8031的I/O的端口通常 需要擴充以便他能和更多外聯(lián)機工作擴充方法有兩種： 借用外面RAM地址來擴充I/O端口 ； 利用并行I/O接口芯片來擴充I/O端口5. 電路原理圖設計本次設計在采用8031作為主控芯片，采用兩片2764程序存儲器之外還擴展了一片6264 數據存儲器，用一片74LS373鎖存P0 口傳遞低8位地址，地址譯碼采用74LS138C3-8譯碼 器;采用全地址碼，采用二個8155芯片，完成對執(zhí)行元件的控制。此外，還設有越界報警急停處理 電路5.1關于各線路

37、元件之間線路連接8031芯片的Po和P?用來傳送外部存儲器的地址和數據，P? 口送的是8位地址，Po 口傳送 低八位地址和數據，故采用74LS373地址鎖存器，鎖存低八位地址，ALE作為首選通信號，當 ALE為高電位，鎖存器的輸入輸出速度，即輸入的低八位地址在輸出端出現(xiàn)，此時不需鎖存，當 ALE從高電平變?yōu)榈碗娖?，出現(xiàn)下降沿時，低八位地址在輸出端出現(xiàn)，此時不需鎖存，當ACE這 樣POD共組成16位地址,2764和6264芯片都是8KB,需要13根地址線，A0-A7低8位安 74L373芯片的輸出,A 8A吃按8031芯片的P2.0-P2.4系 統(tǒng)采用全地址譯碼，兩片2764新片選信 號CE分別

38、按74LS138譯碼器的百和Y：，系 統(tǒng)復位以后程序從0000H-開始執(zhí)行,6264芯片的片 選信號CE地址按74LS138的町，單片機的擴展系統(tǒng)允許程序存儲器和數據存儲器獨立編 址,8031芯片控制信號PSEN按2764的OE引腳,讀寫控制信號WR和RD分別按6264芯片內 部沿有ROM,始終要選片外程序存儲器，故按EA地址由于8031只有已口和P3 口的部分能提供用戶作I/O接口使用，不能滿足輸入輸出口的需 要，因此比喻擴展輸入輸出擴展電路系統(tǒng)擴展3片8155可編程I/O接口芯片,8155(1)的片選信 號CE按74LS138的丫；端74LS138譯碼器有3個輸入ABC分別按8031的P2

39、.5 P2.6 P2.78個 輸出，低電平有效 Y； Y；對應輸出ABC DE 000至111 8種現(xiàn)合其中Yo對應ABC為 111.74LS138有3個使能端，其中2個為低電平使能端，另一個為高電平使能端只有當使能端 均處于有效電平是，輸岀才能產生，否則輸出才能處在高電平無效.I/O接口芯片與外設的聯(lián)接是這樣安排的.8155芯片PAoPA7作為顯示器段選信 號，輸出 PAP為顯示器的位選信號，輸出PC0-PC4 5根線是鍵盤輸入8155芯片的20個引腳按8031 芯片的P20,因此使用8155的I/O 口時P2.0為高電平.8155(2),按X Z向步進電機硬件環(huán)形分配 器為輸出，系統(tǒng)各芯片

40、采用全地址譯碼，各存儲器及I/O接口芯片.X向Z向步進電機硬件環(huán)形分 配器采用YB0153-2相5相10拍方式工 作，故/ Ai均按+5V,時鐘輸入端CP按8155芯片的 TIME007用以決定脈沖分配器 是如脈沖的頻率，為實現(xiàn)插補時不同的進給的速度，可給8155芯片定時/計數器中設置不同的常數.52關于電路原理圖的一些說明在此電路圖中，還有其他功能電路，如報警電路，急停電路，復位電路，隔離電路，功效 電路等，此外還有對自動回轉刀架，螺紋加工進行控制.1、復位電路通常8031的復位有自動復位，和人工按鈕復位兩種，下面將分別顯示電路結構±TrnT«：1 V 1CC11331

41、T1丄(A) (A)上電復位電路(B )開關復位電路2、時鐘電路時鐘電路如圖所示，XTAL和XTAL2為內振蕩電路輸入線，這兩個端口用來外 接石英 晶體和微調電器，用來聯(lián)接8031片內OSC的定時反饋回路.3、光電隔離電路在步進電機驅動電路，脈沖分配器輸岀的信號經過放大后，控制步進電機的勵磁繞組由于步進電機需要的驅動電壓數高，電流也較大，如果將I/O 口輸岀信號直接與功率放大電路相連，將引起電路干擾，輕則影響計數機程序的正常運行，重則導致接口電路的破壞因此一般在接口電路與功率放大器之間都要加上隔離電路，實行電氣隔離使用最多的是光電耦合器如下圖光電耦合器是以發(fā)光二級管和光敏二級管組成，為輸入信號

42、的輸入端時，發(fā)光二級管導通 激發(fā)紅 外光,受光三極管照射后，由于光敏效應產生光電流。通過輸出端輸出，從而實現(xiàn)了以光為信號的 輸出，輸入端與輸出端在電器繪出一種光隔離輸出電路，當開關斷開，發(fā)光二級管不通，光敏三 級管截止，輸出+5V高電平，當閉合，發(fā)光二級管導通，激勵 輸出三級管導通。適當選擇電阻 Rc,可使輸出三級管飽和，輸出0.3左右的TTL低電平。隨著運行頻率的增高，步進電機輸出力矩C帶動負載的能力，這一產生的原因，作為功率放大器負載的步進電機是電感負載。當改變通電時，電流從零逐漸增大，產生 感應電動 勢使電流按指數規(guī)律上升。4、鍵盤顯示本次設計中，采用PCoPC 5作為掃描口信號反向放大

43、器按顯示器公共級，8031 Pi 口作為片選數據口。8155的PB°PB3作為行線輸入?；竟ぷ髟砣缦拢嚎刂菩盘栨I盤顯示口電路圖當鍵松開時，測試信號為1,鍵閉合，測試信號為0,當測試信號為1則禁止，不能對鍵進行識別。鍵盤是由若干個按鍵組成的開關陣列,圖中行線通過電阻接+5V,當鍵盤上沿有閉和時，所有行線和列線都以斷開，行線PC°PCX4是4根行線，PAOPA7Ss是6根列線，在行線與列線交叉點上安裝有鍵，PA 口的6根列線按一定的時間間隔輪流輸出低電平。當掃描到某一列線上時，若無鍵按下，則行 線都是高電平；若有一鍵按下時，交叉點上對應的行線變?yōu)榈碗娖?。這個低電平信號被計算

44、機捕 獲后，根據此間對應的行線和列線的位置，計算機可以判斷出鍵值，完成控制。5、越界報警電路X, Z方向的越界和急停信號經過門引入8031的P3.2中斷原LNTo,采用硬件申請中斷軟件查詢的方法。這樣無論哪個方向都能引起中斷，當X, Z等一越界，則相 應的紅燈亮報警。6. 數控機床故障診斷現(xiàn)代數控機床數控系統(tǒng)故障的診斷技術，對各類診斷技術進行了詳細的剖析。數控 診斷技 術在數控機床的生產調試、使用和維修中起著極為重要的作用，數控機床的數控系統(tǒng)是技術密 集型的產品，集大量電子元件和復雜的軟件技術于一體。硬件和軟件可能出現(xiàn)的故障繁多，千 變萬化。因此在數控系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，要想迅速準確地查明原因并確

45、定故障部位，不借助于診斷 技術是很困難的。數控系統(tǒng)的診斷大致分為初級診斷（起動診斷、在線診斷和離線診斷）和高級診斷（自修復診 斷、診斷指導專家系統(tǒng)和通訊診斷系統(tǒng)）。6.1初級診斷（1）起動診斷即從每次通電開始到進入正常運行準備狀態(tài)為止，數控系統(tǒng)內部診斷程序自動執(zhí)行的診 斷。其目 的是確認系統(tǒng)的主要硬件是否可以正常工作。起動診斷用數秒鐘即告完成，一般不超過10秒。 某些特殊或規(guī)模龐大的系統(tǒng)起動診斷周期要長一些。起動診斷所檢查的常見硬件有：CPU存儲 器、輸入輸出單元等印刷板或模塊、顯示器 單元、閱讀機、軟盤單元等裝置或外部設備。有些起 動診斷也對硬件配置進行檢查以便 確認是否所有指定的設備、模塊

46、己正常連接，甚至對某些芯 片RAM、ROM ,重要的IC是否插裝到位，其規(guī)格型號是否正常進行診斷。如：德國西門子公 司的數控8系統(tǒng)，每次開機都要對系統(tǒng)硬件、軟件及配置進行診斷。在8系統(tǒng)的中央處理器 MSI00模板上有四個硬件起動診斷指示信號燈，其含義如下：M-燃亮，代表中央處理器故障I/C-燃亮，用戶存儲器故障S-燃亮，位控制模塊板故障PC-燃亮，可編程控制器故障 根據以上指示燈，就可以判斷岀硬件故障部位。軟件起動診斷是在 起動時發(fā)現(xiàn)故障，診斷程序在顯示器上指示出相應軟件故障所在位置及內容。當確認所有項目都 正確無誤后，整個系統(tǒng)才進入正常的初始化完成狀態(tài)或運行準備狀態(tài)。否則數控系統(tǒng)將通過顯示

47、器報告故障信息。此時系統(tǒng)不能投入正常運行。日本法那克公司的6MB系統(tǒng)在大約6秒的起動診斷周期中，進行主要硬件檢查有： 主印刷 板；連接單元；磁泡存儲器；ROM存儲器；位置控制芯片；紙帶閱讀機；速度控 制單元。若被檢項目正常，則CRT將顯示表明系統(tǒng)已進入正常運行狀 態(tài)。反之，有上述任何一 項故障存在，將顯示報警信息畫面。有時存在故障與顯示功能有關，CRT已不能顯示報警信 息，但仍可以觀察安裝在主板上的相應發(fā)光二極管的亮 滅狀態(tài)，并查閱亮滅狀態(tài)與故障內容對照 表，即可對故障原因作岀判斷。（2）在線診斷數控系統(tǒng)內裝程序在準備和循環(huán)運行狀態(tài)時，對數控系統(tǒng)、與數控系統(tǒng)相連接 的外部設備及各伺服單元、伺服

48、電機等進行的自動診斷。只要系統(tǒng)不斷電，在線診斷就不會停 止。現(xiàn)代數控系統(tǒng)診斷顯示的信息一般為數百條。一臺帶有刀庫和交換工作臺的典型加工中心 的診斷顯示信息有五百多條。數控生產廠家將這些信息分成若干類：數控系統(tǒng)類，多為系統(tǒng)故 障報警；編程/設定類，多為操作錯誤引起的故障報警；伺服類，與伺服系統(tǒng)和伺服電機有關 的故障報警；行程開關報警類；各種溫度、壓力類報警；過熱報警類；印刷板間連接故 障類；集成的可編程控制器外設報警。上述每類信息又細分為數項至數十項具體的故障內容，并在說明書中以故障表的形式提供給用戶。故障發(fā)生時，每項被賦于一個故障編號外又附有簡明的說明語句，顯示在顯在線診斷己不只限于提供故障信

49、息，還可依據地址的狀態(tài)，獲得各種各樣的信息。如:NC與機床之間接口紙帶校驗報警時紙帶錯孔位置；刀具與機床參考點的距離； 輸入/輸出信號；各坐標軸位置偏差值；與存儲據有關狀態(tài)顯示；機床實際值公英制；電 機隨動誤差狀態(tài)顯示；面板按鍵狀態(tài)顯示。（3）離線診斷也稱手工診斷，由專門訓練的技術人員查明故障原因、確定故障部位 的高層次診 斷。離線診斷力求把故障的可能范圍縮小到最低限度。離線診斷可在現(xiàn)場，也可在維修中心或原 數控系統(tǒng)制造廠進行?，F(xiàn)場常用工具是專用工程師面板或專用便攜式測試件。如：萬用表、信號 發(fā)生器邏輯分析儀、示波器、離線集成電路測試儀和在線 集成電路測試儀等。離線診斷所用軟件的存儲及使用方法

50、多不相同。女rn美國AB公司的8200系統(tǒng)在作離線診 斷檢查時，才把專用的診斷程序讀入CNC中作運行檢查。美國AB公司的8600系統(tǒng)，診斷程 序與數控程序一同存入數控系統(tǒng)中。因此，這些系統(tǒng)不需要再輸入軟件就具備離線診斷機能。維 修人員可隨時用鍵盤調用這程序并使之運行，然后在CRT±觀察診斷結果。6.2高級診斷（1）自修復診斷正常悄況下，自修復診斷在系統(tǒng)內設置不參與運行的備用模塊。自修復程序在控制系統(tǒng)每次開 機時執(zhí)行，當發(fā)現(xiàn)某模塊有故障時，系統(tǒng)把故障信息顯示在顯示屏上，同時自動查尋備用模塊。 如果機箱插槽上裝有相同的備用模塊.則故障模塊被備用模塊頂替。若未檢測到其他故障，系統(tǒng) 進行正常

51、工作，而故障模塊待維修工方便時再更換。自修復診斷軟件需要較多的插槽安裝備用模 塊，備用模塊與系統(tǒng)其他部分的通訊連接應與被替換模塊相同，所以自修復只適用于總線結構的 系統(tǒng)。從理論上講，備用模塊越多越好。這使系統(tǒng)體積增大，價格提高。（2）診斷指導專家系統(tǒng)近30年來，各個領域人工智能的開發(fā)研究已獲得很大進展。如圖像識別、聲音識別、自動翻譯 和智能工業(yè)機器人等。日本法那克系列數控系統(tǒng)的診斷指導專家系統(tǒng)是由知識庫、推理計算機和人工控制器組成。知識 庫內存儲了專家分析，判斷故障原因和如何消除故障的經驗知識。這些知識用 于讀出數控系統(tǒng)狀 態(tài)信息(如輸入/輸出口信號、參數、指令值等)的函數表達。通過 人工控制

52、器，編程員可用簡 捷的記述把專家的知識編成程序，井把程序變成知識庫目標 形式，再存儲到知識庫中。推理機通 過運行后向推理程序、并利用知識庫內的產生式規(guī)則和數控系統(tǒng)狀態(tài)函數進行推理，獲得與專家 相同的結論。操作者也可通過顯示單元，用簡單人機對話的方式選擇故障狀態(tài)，必要時回答系統(tǒng) 的提問以補充為得出結論所需要的其他信息。診斷專家系統(tǒng)以專家知識、經驗為基礎，自動模仿專家解決復雜問題的思維活動，這就 使普通工 作人員同樣能對故障作出具有專家級水平的診斷結論。(3) 通訊診斷系統(tǒng)通訊診斷系統(tǒng)又稱海外診斷。由中央維修站通過電話線路，甚至國際電話系統(tǒng)向用戶設 備發(fā)送 診斷程序所進行的一種遙控診斷。以美國AB

53、公司為例，用戶的數控系統(tǒng)經專用 的電話通訊接 口與普通電話線路連接，中央維修用的計算機經數據電話也與電話線路連 接。計算機向數控系統(tǒng) 發(fā)送診斷程序，井使之執(zhí)行某種運行測試數據送回計算機分析，比較并得出結論。中央維修站再 將診斷結論和處理辦法通知用戶。通訊診斷系統(tǒng)除用于故障發(fā)生后的診斷外，還可為用戶作定期 的預防診斷，維修工不必親臨現(xiàn)場。只需按預定的時間對機床作一系列試運行檢查。在中央維 修站分析診斷數據，以發(fā)現(xiàn)可能存在的故障隱患。6.3未來數控系統(tǒng)的診斷技術（1）運用數宇伺服技術擴大診斷范圍 隨著數事伺服技術的迅速發(fā)展和普及應用，數控系統(tǒng)設計者從機床和伺服系統(tǒng)直接獲得 更多的信 息。如爬行、增

54、益、平衡和軌跡誤差等狀態(tài)的診斷也就可以解決了。采用數字 伺服技術還可以開 發(fā)出一種自調整伺服系統(tǒng)，這樣系統(tǒng)可以使安裝調試時間大大縮短。目前這種主輔數字伺服和伺 服進給數字驅動在國內已廣泛應用。（2）滾動緩沖器概念隨著CPU工作速度的提高和診斷信息量的增大，出現(xiàn)了滾動緩沖器這個概念，經滾動 緩沖器處 理的數據有：進給速度、操作者輸入信號、零件程序數據、控制裝置和機床報警等。在后臺方式 下運行的滾動緩沖器記錄這些數據，數據緩沖時間約Imin。當機床故障造成停機時，滾動緩沖 器記錄的內容被“凍結”。這給技術人員提供一份重要的歷史記錄。（3）圖示技術的應用隨著個人計算機迅速發(fā)展起來的計算機圖示技術成果，不斷地移植到數控 系境中。如用圖形表示機床和控制系統(tǒng)。指出各種裝置、部件、開發(fā)工件等的位置，成為直觀的 圖形診斷畫面以幫助