CA6140型普通車床的數(shù)控化改造設(shè)計精講

1、CA6140型普通車床的數(shù)控化改造設(shè)計系別：機電工程系年級：10機電一體化2班專業(yè)：機電一體化姓名：學(xué)號：指導(dǎo)教師：評閱人：2013年 5 月 15 日摘 要隨著社會生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，機械產(chǎn)品日趨精密復(fù)雜，且需頻繁改型，普通機床已不能適應(yīng)這些要求，數(shù)控機床應(yīng)運而生。這種新型機床具有適應(yīng)性強、加工精度高、加工質(zhì)量穩(wěn)定和生產(chǎn)效率高等優(yōu)點。它綜合應(yīng)用了電子計算機、自動控制、伺服驅(qū)動、精密測量和新型機械結(jié)構(gòu)等多方面的技術(shù)成果，是今后機床控制的發(fā)展方向。關(guān)鍵字：數(shù)控機床，伺服驅(qū)動，機床控制目錄第一章 CA6140車床數(shù)控系統(tǒng)總體設(shè)計方案5§11總體方案的確定5§111系統(tǒng)的運

2、動方式與伺服系統(tǒng)的選擇5§112計算機系統(tǒng)5§113機械傳動方式5§12 設(shè)計X-Y數(shù)控工作臺及其控制系統(tǒng)6第二章 CA6140車床進給伺服系統(tǒng)機械部分設(shè)計7§21系統(tǒng)脈沖當量的選擇7§22 滾珠絲杠螺母副的選型7§23 縱向及橫向滾珠絲杠副幾何參數(shù)8§24 齒輪傳動比計算9§241.縱向進給齒輪箱傳動比計算9第三章 CA6140車床數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計12§3-1單片機數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計內(nèi)容12§311硬件電路設(shè)計內(nèi)容121§312機床數(shù)控系統(tǒng)軟件設(shè)計123-2 MCS-80C51單片機

3、及其擴展13§321 80C51單片機的簡介13§33 存儲器擴展電路設(shè)計15§331 單片機的系統(tǒng)擴展概述15§332 存儲器擴展17§34 I/O接口電路及輔助電路設(shè)計18§341 I/O口的擴展18§342 步進電機驅(qū)動電路18§343液晶顯示控制器18§344控制面板23§35典型零件加工程序設(shè)計24參考文獻26第一章CA6140車床數(shù)控系統(tǒng)總體設(shè)計方案11總體方案的確定1.1.1系統(tǒng)的運動方式與伺服系統(tǒng)的選擇由于改造后的經(jīng)濟型數(shù)控銑床應(yīng)具有定位、直線插補、順、逆圓插補、暫停、循環(huán)加工、

4、公英制螺紋加工等功能，由于在銑削加工中，要求工作臺或刀具沿各坐標軸運動有確定的函數(shù)關(guān)系，即刀具以給定的速率相對于工件沿加工路徑運動，所以不能選用點位系統(tǒng)，因為點位控制系統(tǒng)要求工件相對于刀具移動過程中不進行切削。因此，應(yīng)選用連續(xù)控制系統(tǒng)。1.1.2計算機系統(tǒng)根據(jù)機床要求，采用8位微機。由于MCS-51系列單片機具有集成度高、可靠性好、功能強、速度快、抗干擾能力強、具有很高的性能價格比等特點，因此采用MCS-51系列的8031單片機擴展系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)由微機部分、鍵盤及顯示器、I/O接口及光電隔離電路、步進電機功率放大電路等組成。系統(tǒng)的加工程序和控制命令通過鍵盤操作實現(xiàn)，顯示器采用數(shù)碼管顯示加工數(shù)據(jù)

5、及機床狀態(tài)等信息。1.1.3機械傳動方式為實現(xiàn)機床所要求的分辨率，采用步進電機齒輪減速再傳動絲杠，為保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性，盡量減小摩擦力，選用滾珠絲杠螺母副以及滾動導(dǎo)軌。同時，為提高傳動剛度和消除間隙，采用預(yù)加負載的滾動導(dǎo)軌和滾珠絲杠副機構(gòu)。齒輪傳動也要采用消除齒側(cè)間隙的消隙齒輪結(jié)構(gòu)。12設(shè)計X-Y數(shù)控工作臺及其控制系統(tǒng)根據(jù)設(shè)計任務(wù)的要求，采用連續(xù)控制系統(tǒng)和步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)。這樣可使控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉，調(diào)試和維修都比較容易。此工作臺采用滾珠絲杠螺母副和滾動導(dǎo)軌。為盡量消除傳動間隙，可設(shè)法調(diào)整傳動齒輪的中心距以消除齒側(cè)間隙。計算機系統(tǒng)仍采用高性能價格比的MCS-51系列單片機擴

6、展系統(tǒng)輸入輸出數(shù)控裝置PLC主軸控制單元主軸機床速度控制單元伺服電機位置檢測反饋裝置工作臺圖1-1車床數(shù)控化改造總體方案框圖第二章CA6140車床進給伺服系統(tǒng)機械部分設(shè)計21系統(tǒng)脈沖當量的選擇一個進給脈沖，使機床運動部件產(chǎn)生位移量，也稱為機床的最小設(shè)定單位。脈沖當量是衡量數(shù)控機床加工精度的一個基本技術(shù)參數(shù)。經(jīng)濟型數(shù)控車床銑床常采用的脈沖當量是0.010.005mm/脈沖。根據(jù)機床精度要求確定脈沖當量，縱向：0.01mm/脈沖，橫向：0.005mm/脈沖。22滾珠絲杠螺母副的選型本設(shè)計采用雙螺母螺紋式預(yù)緊結(jié)構(gòu)，它通過調(diào)整端部的圓螺母，使螺母產(chǎn)生軸向位移。其特點是結(jié)構(gòu)較緊湊，工作可靠，滾道磨損時可

7、隨時調(diào)整，預(yù)緊量不很準確，應(yīng)用較普遍。2.3縱向及橫向滾珠絲杠副幾何參數(shù)。表2-1滾珠絲杠幾何參數(shù)名稱符號公式W1L2506W1L2005螺紋滾道公稱直徑2520導(dǎo)程65接觸角鋼球直徑3.9693.175滾道法面半徑2.0641.651偏心距0.0560.045螺紋升角螺桿螺桿外徑24.219.4螺桿徑20.98416.788螺桿接觸直徑17.02713.835螺母螺母螺紋直徑32.82623.212螺母內(nèi)徑25.820.63524齒輪傳動比計算2.4.1.縱向進給齒輪箱傳動比計算已確定縱向進給脈沖當量滾珠絲杠導(dǎo)程，初選步進電機步距角0.75°?？捎嬎愠鰝鲃颖瓤蛇x定齒輪齒數(shù)為:2.橫

8、向進給齒輪箱傳動比計算已確定橫向進給脈沖當量=0.005,滾珠絲杠導(dǎo)程=5,初選步進電機步距角0.75°可計算傳動比:考慮到結(jié)構(gòu)上的原因，不使大齒輪直徑太大，以免影響到橫向溜板的有效行程,故此處可采用兩級齒輪降速:、因進給運動齒輪受力不大，模數(shù)取2。有關(guān)參數(shù)如下:表2-1傳動比參數(shù)齒數(shù)324024402025分度圓648048804050齒頂圓688452844454齒根圓597543753545齒寬202020202020中心距7264453.計算步進電機空載起動頻率和切削時的工作頻率從表中查出型步進電機允許的最高空載起動頻率為2800HZ運行頻率為8000HZ，130BF001步

9、進電機的起動矩頻特性和運行矩頻特性曲線如圖2-3，2-4所示，當快速運動和切削進給時，130BF001型步進電機運行矩頻特性（圖2-4）完全可以滿足要求。第三章CA6140車床數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計31單片機數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計內(nèi)容3.1.1硬件電路設(shè)計內(nèi)容硬件是組成系統(tǒng)的基礎(chǔ),也是軟件編制的前提,數(shù)控系統(tǒng)硬件的設(shè)計包括以下幾部分內(nèi)容：1、繪制系統(tǒng)電氣控制結(jié)構(gòu)框圖據(jù)總體方案及機械結(jié)構(gòu)的控制要求，確定硬件電路的總體方案，繪制電氣控制結(jié)構(gòu)圖。機床硬件電路由五部分組成：2、選擇中央處理單元CPU的類型CPU的種類很多，在此處選擇MCS51系列單片機中的80C51， 3、存儲器擴展電路設(shè)計存儲器擴展包括數(shù)據(jù)存

10、儲器和程序存儲器擴展兩部分。分別選擇兩片2764和一片6264來擴展16K的內(nèi)存。4、I/O接口電路設(shè)計設(shè)計內(nèi)容包括：據(jù)外部要求選用I/O接口芯片，步進電機伺服控制電路，鍵盤、顯示部分以及其他輔助電路設(shè)計（如復(fù)位、掉電保護等）。經(jīng)考慮，選擇8255為I/O接口芯片，液晶顯示控制器LR104VRAM來控制LCD。3.1.2機床數(shù)控系統(tǒng)軟件設(shè)計1、軟件設(shè)計步驟分為以下幾步：據(jù)軟件要實現(xiàn)的功能，能制定出軟件技術(shù)要求；將整個軟件模塊化，確定各模塊的編制要求，包括各模塊功能，入口參數(shù)，出口參數(shù)；據(jù)硬件資源，合理分配好存儲單元；分別對各模塊編程，并調(diào)試；連接各模塊，進行統(tǒng)一調(diào)試及優(yōu)化；2、數(shù)控系統(tǒng)中常用軟

11、件模塊1）軟件實現(xiàn)環(huán)行分配器；（2）插補運算模塊；（3）自動升降速控制模塊。32MCS-80C51單片機及其擴展3.2.180C51單片機的簡介1芯片引腳及片外總線結(jié)構(gòu)80C51單片機采用40腳雙直插封裝（DIP）形式，80C51單片機是高性能單片機，因為受到引腳數(shù)目的限制，所以有不少引腳具有第二功能。下面說明這些引腳的名稱和功能。電源引腳Vss和VccVss(20腳)：接地。Vcc(40腳)：主電源+5V，時鐘電路引腳XTAL1和XTAL2。圖3-1XTAL1（19腳）：接外部晶體的一端。在片內(nèi)它是振蕩電路反向放大器的輸入端。在采用外部時鐘時，對于HMOS單片機，該端引腳必須接地；對于CHM

12、OS單片機，此引腳作為驅(qū)動端。XTAL2（18腳）：接外部晶體的另一端。在片內(nèi)它是一個振蕩電路反向放大電路的輸出端，振蕩電路的頻率是晶體振蕩頻率。若需采用外部時鐘電路，對于HMOS單片機，該引腳輸入外部時鐘脈沖；對于CHMOS單片機，此引腳應(yīng)懸浮。控制信號引腳RST、ALE/PROG、PSEN、EA/VppRST（9腳）：單片機剛接上電源時，其內(nèi)部各寄存器處于隨機狀態(tài)，在該引腳輸入24個時鐘周期寬度以上的高電平將使單片機復(fù)位（RESET）。ALE/PROG：訪問片外存儲器時，ALE作鎖存擴展地址低位字節(jié)的控制信號（稱允許鎖存地址）。平時不訪問片外存儲器時，該端也以1/6的時鐘振蕩頻率固定輸出正

13、脈沖，供定時或者其他需要使用；在訪問片外數(shù)據(jù)存儲器時會失去一個脈沖。ALE端的負載驅(qū)動能力為8個LSTTL。PSEN（29腳）：在訪問片外程序存儲器時，此端輸出負脈沖作為存儲器讀選通信號。CPU在向片外存儲器取指令期間，PSEN信號在12個時鐘周期中兩次生效。不過，在訪問片外數(shù)據(jù)存儲器時，這兩個有效的PSEN信號不出現(xiàn)。PSEN端同樣可驅(qū)動8個LSTTL負載。我們根據(jù)PSEN、ALE和XTAL2輸出是否有信號輸出，可以判別80C51是否在工作。EA/Vpp（31腳）：當EA端輸入高電平時，CPU從片內(nèi)程序存儲器地址0000H單元開始執(zhí)行程序。當?shù)刂烦^4KB時，將執(zhí)行片外程序存儲器的程序。當E

14、A輸入低電平時，CPU僅訪問片外程序存儲器。輸入/輸出引腳（P0、P1、P2和P3端口引腳）P0-P3是4個寄存器，也稱為4個端口，是80C51單片機與外界聯(lián)系的4個8位雙向并行I/O口。由于在數(shù)據(jù)的傳輸過程中，CPU需要對接口電路輸入輸出數(shù)據(jù)的寄存器進行讀寫操作，所以在單片機中對這些寄存器象對存儲單元一樣進行編址。通常把接口電路中這些已編址并能進行讀寫操作的寄存器稱為端口（PORT），或簡稱口。 圖3-2P0.0-P0.7（39-32腳）：P0是一個8位漏極開路型雙向I/O端口。在訪問片外存儲器時，它分時提供低8位地址和8位雙向數(shù)據(jù)，故這些I/O線有地址線/數(shù)據(jù)線之稱，簡寫為AD0-AD7。

15、在EPROM編程時，從P0輸入指令字節(jié)，在驗證程序時，則輸出指令字節(jié)（驗證時，要外接上拉電阻）。P1.0-P1.7（1-8腳）：P1是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O端口。在EPROM編程和驗證程序時，它輸入低8位地址。P2.0-P2.7（21-28腳）：P2是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O端口。在訪問片外存儲器時，它輸出高8位地址，即A8A15。在對EPROM編程和驗證程序時，它輸入高8位地址。P3.0-P3.7（10-17腳）：P3是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O端口。在整個系統(tǒng)中，這8個引腳還具有專門的第二功能，如表（3-1）所示。表3-1表P3口各位的第二功能P3口的各位第二

16、功能P3.0P3.1P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7RXD（串行口輸入）TXD（串行口輸出）INT0（外部中斷0輸入）INT1（外部中斷1輸入）T0（定時器/計數(shù)器0的外部輸入）T1（定時器/計數(shù)器1的外部輸入）WR（片外數(shù)據(jù)存儲器寫選通控制輸出）RD（片外數(shù)據(jù)存儲器讀選通控制輸出）33存儲器擴展電路設(shè)計3.3.1單片機的系統(tǒng)擴展概述片外數(shù)據(jù)存儲器與程序存儲器的操作使用不同的指令和控制信號，允許兩者的地址重復(fù)。故據(jù)地址的寬度，片外可擴展的存儲器與程序存儲器分別為64KB。此處擴展了16K的程序存儲器和16K的地址存儲器，且沒有使用片內(nèi)存儲器。擴展的I/O口與片外數(shù)據(jù)存儲器統(tǒng)一編

17、址，不再另外提供地址線。地址鎖存器因為P0口是分時提供低8位地址和數(shù)據(jù)信息的，所以必須用鎖存器把地址鎖存住。本次設(shè)計使用帶三態(tài)緩沖輸出的8D鎖存器74HC373。其引腳見圖3-3，圖3-374HC373引腳圖。D0-D7信號輸入端，Q0-Q7信號輸出端，G：下降沿時，將D1-D8鎖存于內(nèi)部E：使能端，E=0時，三態(tài)門處于導(dǎo)通狀態(tài)，輸出端Q0-Q7與輸入端D0-D7連通，當E=1時輸出三態(tài)門斷開，輸入數(shù)據(jù)鎖存。1、地址譯碼器80C51擴展電路中，都牽涉到外部地址空間的分配問題，即當80C51數(shù)據(jù)總線分時與多個外圍芯片進行數(shù)據(jù)傳送時，首選要進行片選，然后再進行片內(nèi)地址選擇。地址譯碼實現(xiàn)片選的方法目

18、前常用的有兩種：線選法和譯碼法。此處采用74HC139譯碼器組成的譯碼電路對系統(tǒng)的高位地址進行譯碼。74HC139是雙“2-4”譯碼器，每個譯碼器僅有1個使能端G，0電平選通。有2個選擇輸入端，4個譯碼輸出端，輸出0電平有效。2個輸入信號A、B譯碼后有4個輸出狀態(tài)，其引腳與真值表如下所示。表3-274HC139真值表輸入輸出使能選擇Y0Y1Y2Y3/GBA1××111100001110011011010110101111103.3.2存儲器擴展此處采用兩片EPROM芯片2764（8K×8）擴展程序存儲器，數(shù)據(jù)存儲器選用靜態(tài)RAM27648（8K×8）。其

19、引腳見下圖3-3。80C51芯片與存儲器的連接存儲器擴展實質(zhì)是三總線的連接。據(jù)芯片存儲容量的大小確定數(shù)據(jù)、地址線的根數(shù)。此處為13根。數(shù)據(jù)線的連接將80C51的芯片的P0.0-P0.7按位與RAM數(shù)據(jù)線D0-D7直連。地址總線的連接據(jù)確定的地址線根數(shù)，將相應(yīng)低地址線相連，剩余高位地址線作為片選?？刂瓶偩€的連接對應(yīng)控制線相連。圖3-334I/O接口電路及輔助電路設(shè)計3.4.1I/O口的擴展MCS-51單片機共有四個8位并行I/O口，可提供給用戶使用的只有P1口和部分P3口線，因此不可避免地要進行I/O口的擴展。這里采用8255（可編程的RAM/IO擴展接口電路）。I/O口擴展采用總線擴展方法，數(shù)

20、據(jù)輸入線取自80C51的P0口。這種擴展方法分時占用P0口，不影響P0口與其它擴展芯片的連接操作。8255具有3個8位的并行的I/O口，分別為PA、PB、PC口，其中PC口又分為高4位（PC7-PC4）和低4位（PC3-PC0）。3.4.2步進電機驅(qū)動電路采用細分驅(qū)動電路，根據(jù)所選電機說明，選取合適的驅(qū)動器，縱向驅(qū)動器和橫向驅(qū)動器均為SH20806N。其接線圖如(3-4)：3.4.3液晶顯示控制器該顯示器接口采用并行總線方式（數(shù)據(jù)總線、地址總線以及選、讀、寫等信號），可以很方便地連接到單片機或微處理器的總線上，用戶可以象使用普通存儲器一樣使用它?；蛘呖梢园扬@示器看成是自己設(shè)備外掛的一個RAM。

21、LR-104VRAM存儲器地址單元同液晶屏幕上的像素點一一對應(yīng)，用戶可以把這個存儲器理解為“顯示映像”存儲器。如果希望在液晶屏幕上某一位置顯示文字或圖形，只需要向存儲器內(nèi)對應(yīng)區(qū)域?qū)懭胂鄳?yīng)的數(shù)據(jù)即可。VRAM存儲器的一個字節(jié)由8位構(gòu)成，顯示器屏幕上的一個“像素”點由R、G、B三個“點”來組成。圖3-4電動機驅(qū)動器連線圖1、原理框圖：LR-104VRAM顯示器的基本原理框圖如圖所示。總線接口電路數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換邏輯電路液晶驅(qū)動電路彩色液晶模塊512MVRAMAC/DC背光燈DC/AC.電源圖3-5LR-104VRAM顯示器的基本原理框圖2、接口方法：LR-104VRAM的接口方式為總線方式。外部引線包括有

22、地址總線、數(shù)據(jù)總線和片選讀寫輸入，可以直接掛接到單片機、計算機的總線上，通過譯碼分配作為主機的某部分內(nèi)存來使用。接口采用34針雙列防反插插座（間距為標準2.54mm）,引腳定義如下表3-3引腳定義引腳號引腳定義引腳號引腳定義引腳號引腳定義1D013GND25A52D114GND26A63D215RDCS27A74D316A1528A85D417+12V29A96D518+12V30A107D619保留31A118D720保留32A129WCS21A133A1310CLOSE22A234A1411A023A312保留24A43、應(yīng)用程序：，將屏幕清成040H代碼所表示的顏色；VRAM的片選地址（

23、E000，F(xiàn)FFFH）；A13，14，15=P1.O,P1.1,P1.2ORG0000HLJMPMAINORG0090HMAIN:MOVSP,#60H;LCALLINITLCD;MOVR1,#040H;LCALLCLEAR1RETERN:SJMPRETERNINITLCD:LCALLLCDRETLCD:MOVR2,#08HMOVR3,#00HLCD1:MOVP1,R3MOVDPTR,#0E000HMOVR4,#20HLCD2:MOVR5,#00HMOVA,#00HLCD3:MOVXDPTR,AINCDPTRDJNZR5,LCD3DJNZR4,LCD2INCR3DJNZR2,LCD1RETCLE

24、AR1:LCALLLCD4RETLCD4:MOVR2,#08HMOVR3,#00HLCD5:MOVP1,R3MOVDPTR,#OE000HMOVR4,#20HLCD6:MOVR5,#0A1HMOVA,R1LCD7:MOVXDPTR,AINCDPTRDJNZR5,LCD7MOVR5,#5FHLCD8:INCDPTRDJNZR5,LCD8DJNZR4,LCD6INCR3DJNZR2,LCD5RETEND3.4.4控制面板由于鍵盤的數(shù)量有限，故采用多功能鍵盤，利用SHIFT換檔鍵進行選擇。報警指示燈用的是LED35典型零件加工程序設(shè)計以以下零件為例，如圖所示工件，毛坯為25×65棒材，材料為45鋼。1選擇機床設(shè)備即本設(shè)計所改造后的CA6140。該工件的加工程序如下：%O3032N10G90G00G92X100Z60;坐標設(shè)定N20M03S1000;主軸正轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速1000r/minN30X48Z1;快速移動到X=48mm，Z=1mm處N40G01X48Z-2F10;倒角2×45°N50X48Z-60;加工M48的外徑N60X50Z-60;加工50mm外徑N70X70Z-120;加工錐面N80X70Z-140;加工70mm外徑N90X80Z-160;加工80mm外徑N100G02X80Z-220I51.96K-3