ca6140车床数控控制系统改造设计方案

CA6140CA6140 车床数控改造之控制系统设计车床数控改造之控制系统设计 内内容容摘摘要要 本文主要是将传统 的 CA6140 车床的电气控制系统改造成为数 字控制的开环控制系统。改造后的系统是以 MCS-51 单片机系统 为控制模块，以步进电机为驱动执行元件。实现 X 轴和 Z 轴的两 坐标联动以及对刀具的自动选取。同时能够进行直线和圆弧的插补； 工件在一次安装后，完成多道工序的加工，通过编写不同的程序完 成各种较为复 杂零件的加工； 改造后 的 CA6140 车床提高了加工 范围和加工精度。 关关键键词词： CA6140 车床、控制系统 、数控改造 Abstract This paper mainly is that the traditional CA6140 lathe elec tricity control system is Reformed the numerical control the op en-loop control system. After the reform system is take the M CS-51 monolithic integrated circuit system as the control modu le, Take step-by-steps the electrical machinery as the actuation functional element. Realizes X axis and the Z axis two coordi nates linkage as well as to the cutting tool automatic selection. At the same time can carry on the straight line and the circul ar arc inserts makes up; After installs the work piece Complet es the multichannel working procedure the processing Complete s each kind of more complex components through the compilat ion different procedure the processing; Enhanced the processing scope and the processing precision compared to the traditional CA6140 lathe. Keywords: CA6140 lathe Control system Numerical control Reform 目 录 前言.5 正文10 1.总体改造方案构思 10 1.1 CA6140 车床的用途 10 1.2 CA6140 数控改造后的功能10 1.3 普通车床数控改造设计方案10 1.3.1 改造机械部分10 1.3.2 增加数控控制系统10 1.4 CA6140 车床的电气控制系统10 1.4.1 电路分析.11 1.4.2 控制电路分析12 1.5 数控系统的基本概念13 .数控装置的硬件结构15 .数控装置的软件系统16 .数控系统的 I/O 和通信接口.17 1.5.4 CNC 系统接口电路的主要任务.18 2.CA6140 车床数控化改造的具体实施方案.18 2.1 系统硬件设计.20 2.1.1 8031 单片机21 2.1.2 程序存储器 21 2.1.3 数据存储器 22 2.1.4 地址锁存器 22 2.1.5 接口芯片.23 2.1.6 译码器.23 2.2 系统软件设计.23 2.2.1 进给伺服系统 X 轴与 Z 轴步进电机控制 .24 2.2.2 自动刀架换刀控制.25 2.3 接口电路设计29 3.步进电机的设计30 3.1 脉冲分配器 PMM8713 .30 3.2 电压-频率变换器 LM33131 3.3 驱动器系统电路.32 4.系统抗干扰和误差分析 .33 4.1 系统的干扰信号.33 4.1 系统误差.33 5.总结 .34 致谢.34 参考文献35 附件.36 前前 言言 当今世界，工业发达国家对机床工业高度重视，竞相发展 机电一体化、 高精、高效、高自动化先进机床，以加速工业和国民经济的发展。目前普 通机床已不适应这种多品种、小批量生产和快速反映的市场要求，数控机床则 综合了数控技术、自动检测技术和微电子技术等先进技术，最适宜加工小批量、 高精度、形状复杂、生产周期要求短的零件。当变更加工对象时只需要更换零 件相应的加工程序，不需要对机床作任何调整，因此既能很好地满足产品频繁 变化的加工要求，又能降低机床升级改造成本、提高产品质量和生产效率，故 而对普通机床进行数控化改造 这一适合我国国情的技术正得到日益广泛的应 用。 长期以来， 欧、美、亚在 国际市场上相互展开激烈竞争，已形成一条无形 战线，特别是随微电子、计算机技术的进步，数控机床在二十世纪八十年代 以后加速发展，各方用户提出更多需求，早已成为四大国际机床展上各国机床 制造商竞相展示先进技术、争夺用户、扩大市场的焦点。 1948 年美国空军部门为制造飞机杂零件，提供设备研经费，由 G由 CNC 向 MT 传送的信 号成为输出信号。直流信号用于进给坐标轴和主轴的伺服控制,交流信号用 于直接控制功率执行器件。无论是输出或输入信号都需要专门的接口电路。 继电器输出由数控系统输出到机床的信号，用于显示指示灯，驱动继电 器等，常用干弹 簧继电器，其 规格为 触点额定电压 DC 50V 以下 触点额定电流 DC500mA 以下 触点容量 5VA 以下 抖动时 1ms 以下 输出接口是将各种机床工作状态灯的信息送到机床操作面板，把控制机床 动作信号送到强电箱，因此有继电器输出电路和无触点输出电路。 1.5.4 CNC 系统接口电路的主要任务 (1)进行电平 转化和功 率放大 一般 CNC 系统的信号是 TTL 电平，而控 制机床的电平则不一定是 TTL 电平，负载较大，因此 要进行必要的信号电 平转化和功率放大。 (2)防止噪声引起 误动作 要用光电藕合器或继电器将CNC 系统和机床 之间的信号电气上加以隔离。 (3) 采用模拟量传送 时 在 CNC 和机床电气设备之间要接入 数/模 （D/A）和模 /数（A/D）转换电路。 (4) 防止信号畸 变 信号在传输过程中，由于衰减、噪声和反射等影响， 会发生畸变。为此要根据信号类别及传输线质量，采取一定措施并限制信号的 传输距离。 2.CA6140 车床数控化改造的具体实施方案 传统的 CA6140 车床是靠手工操作机床来完成各种切削加工，而改造后 的数控车床是将编制好的加工程序输入到数控系统中。再由数控系统通过 车床 X、Z 坐标轴的伺服电动机去控制车床各项运动部件的先后 动作顺序、 移动量和进给速度，再配以主轴的转速和转向，便能加工出各种形状不同的轴 类或盘类回转体零件。 改造后的 数控车床与 普通车床相比较，其结构上仍然是由主轴箱、刀架、 进给传动系统、床身、液压系统、冷却系统、润滑系统等部分组成。只是 数控车床的进给系统与 普通车床的进给系统在结构上存在着差别：CA6140 车床主轴的运动经过挂轮架、进给箱、溜板箱传到刀架实现纵向和横向进给运 动。而 改造后 的 CA6140 数控车床是采用伺服电动机经滚珠丝杠，传到滑板和 刀架，实 现 Z 向（纵向 ）和 X 向（横向）进给运动。 其外形变化也不大，只 是在原来的机床上添加了一个控制模块位于操作者的右侧，便于观察、调试和 操作 CA6140 车床改造后的外观图 如 2.1 所示。 图图 2.1 根据设计要求， 本设计确定的总体改造目标是将 CA6140 改造成为经济 型的开环控制的数控车床，采用普通交流电机拖动，有级调整能够满足加工要 求。因此其主传动系统的电气部分不需要改造。仍采用其原来配置的交流电 动机。主传动机械部分的改造主要是在主轴上加装编码器，实现反馈主轴转速， 保证主轴转一转，刀架 能移动一个被加工螺纹的导程，同时保留原调速系 统。 改造后的数控车床的控制部分：采用微机 （MCS51 单片机）对数据进行 计算处理，由 I/O 接口输出步进脉冲，环形分配，经光电隔离电路，以步 进电机作为驱动执行件，数控系统送出的指令脉冲经过驱动电路控制和功率放 大后，使步进电机转动， 再经齿轮减速，带动滚珠丝杠转动，从而实现 X、Y 两个方向的进给运动，以及刀架的移动。 具体设计如 2.2 图所示： 图图 2.22.2 2.1 系统硬件设计 硬件主控制器 （CPU）采用 MCS-51 系列的单片机 芯片 8031 。程序存 储器采用 2764EPROM 2 片。数据存储 器采用 6264RAM 1 片。地址 锁存器 采用 74LS373 1 片。用 8255A 芯片和 8155 芯片各一片作为 I/O 口的扩展电 路。8255A 作为作为控制 X、Y 向步进电机脉冲输出； 8155 作为控制键盘 和 LED 显示器。采用 138 译码器 74LS138 1 片进行全地址译码。线路连接 简图如下图 2.3 所示。 图图 2.32.3 2.1.1 8031 单片机 由于主机数控系统为两坐标联动 CNC 控制系统，对控制器的要求不是 很高，所以采用 MCS-51 系列单片 机的 8031 型。该机芯片内部包含 4K 字节的 ROM ，128 个字节的 RAM ，2 个 16 位的定时、计数器和一个处理功能很强的中央 处理器， 4 个 8 位的并行接口， 一个串行接口。 大部分功能 部件和总线在芯 片内部不易受干扰， 容易采用屏蔽等措施，高可 靠性，能在较 恶劣 的环境下工作，功能强，速度高。系统具有加、 减、乘、除指令，还有位 操作功能，时钟频率 高达 12 MHz，单字节乘法和 除法仅需 4s， 同时具备 刀具长度偏移和半径 补偿功能、自诊 断功能，可 以进行加、减速， 并备有电 池，停 电时可用做存储已编程序 的电源控制。 图 2.4 为 8031 的结构示意图。 图图 2.42.4 2.1.2 程序存储器 由于 8031 单片机本身是没有 ROM 的，不 能构成完整的计算机，因此必须接 EPROM 或 ROM 作为程序存储器，在这 里设计选用了两片 2764 （8KB8） 。图 2.5 为程序存储 器 2764 的结构示意图。 EPROM2764 是用电信号编程可擦除的只读存储器，自EPROM2716 芯片被 淘汰后，目前比较广泛采用的就是 2764 芯片。该芯 片为双列直 插式 28 引 脚的标准芯片，容量 是 8K8 位，其中 ：A12-A0：13 为地址线 ；D7- D0：8 位数据线；：片选信号，低电平有效； CE 图图 2.52.5 ：输出允许信号，当0 时，输出缓冲器打开，被寻址单元的内 OEOE 容才能读出。 ：编程电源，当芯片编程时 ，该端加上编程电压 （+25V 或+12V） ； pp V 正常使用时 ，该端加上+5V 电源。 （NC 为不用的 管脚） 2764 在使用时，只能将其所存储的内容读 出，其过程与 RAM 的读出类 似。即首先送出要读 出的单元地址，然后使和均有效，则在芯 CEOE 片的 D0-D7 数据线上就可 以输出要读出的内容。 2.1.3 数据存储器 数据存储器即随机存取存储器简称 RAM，用于可随时可修改的数据信息。 它与 ROM 不同， 对 RAM 可进行读写两种操作 。RAM 为易失性存储器，断电后 所存信息立即消失。 由于 8031 内部 RAM 不够使用，因此设计又外接了一片 6264（8KB8）型的静态 RAM 来扩展 8031RAM。该存储器 为 28 引脚双列直 插式封装，其引脚如2.6 图示： 该芯片有两个片选信 号 CE1 和 CE2，只有当 0，CE2=1 时，芯片才被选 中。在实际应用中，只选中 图图 2.62.6 其中一个，而将 另 1 个接成常有 效;也可以将系统的片选信号以及取反后的信 号分别接至和端。 1CE2CE 2.1.4 地址锁存器 地址锁存 器 74LS373：是一种带输出三态门 的 3D 锁存器。其结构示意图 如图 2.7 所示。 1D-8D 为 8 个输入端 ，1Q-8Q 为 8 个输出端 。G 为数据打入端： 当 G 为 1 时，锁存器输出状态同输入状态;当 G 由 1 变成 0 时，数据打入锁存器。 为输出允许端：当0 时，三态门打开；当1 时，三态门 OEOEOE 关闭，输出呈高阻。 2.1.5 接口芯片 8255A 和 8155 芯片：8255A 是一种可编程并 行 I/O 接口芯片，它采 用 NMOS 工艺制造， 用单一 5V 电源供电。具 有 40 条引脚，采用双列直插式封 装。它具 有 A,B,C 三个端口 共 24 条 I/O 线，可以通过编程 的方法来设 定 I/O 端口的功 能。8155 是一种可 编程 RAM/IO/CTC 接口芯片。 它的内部有两 个可 编程的 8 位并行 I/O 口，一 个 6 位 I/O 并行口，一 个 14 位定时 器/计数器以 及 246 字节的 RAM 存储器。这两种 芯片由于功能强，又能方便与各种微机相接，而且在外接设备时，通常不需再 附加外接电路，所以得到广泛应用。 图图 2.72.7 2.1.6 译码器 译码器 74LS138：是一 种常用的地址译码器芯片，所谓译码是使用地址译码 器对系统的片外地址进行译码，以其译码输出作为存储器的片选信号。其 结构示意图 如 2.8 所示。 图图 2.82.8 2 2. .2 2 系系统统软软件件设设计计 软件设计采用模块化技术，即各个功能都对应一定的模块程序。控制软件 包括系统软件和应用软件。系统软件其作用主要是检测系统状态并提供基本操 作管理，其中包 括 I/O 接口初始化，单 片机定时 器/计数器初始化，键盘数据 区，显示缓冲区初始化，各种软件标志初始化，开中断等处理。应用软件根据 用户编制的加工程序，控制机床的运行。本设计中系统应用软件主要是步 进电机的 控制程序：步进电机的速度控制进给系统各进给轴的进给速度，进给 方向由步进电机的旋转方向决定。 2.2.1 进给伺服系 统 X 轴与 Z 轴步进电机控制 数控单 元 ENC 发出指令信号，驱动器接到指令信号后，转换成脉冲信号 传递给 X 轴和 Z 轴的步进电机。 因为 Z 轴步进电机的控制方法 与 X 轴步进 电机的控制方法一样，所以在此仅以 X 轴步进电机控制为例说明。程序框图 如图 2.9 所示。 主程序 设置标志位 恒速步数赋 值 阶梯步数赋值 置正转模址 CPU 开中断 设 T0 计时 器 装入变速装置 置反转模址 装入减速装置 输出控制模型 恒步数-1 模址+1 T0 赋值 恢复模值 结 束 阶梯步数0？ 结束标志 模址结束？ 步长0？ 正转 图图 2.92.9 X 轴部分驱动程序为： 急停控制位 ：AXISI：CLR 7CH； 变速标志位 ：SETB 7EH； 升降速标志位 ：SETB 7DH； 恒速步数赋值 ： MOV R2, 22H ； 关中断 OVER: CLR EA; 行程控制反馈信 号 LP3: CLR C； 正转控制模型首 值 MOV R0, #10H ； 判断正反 转 ORL C, 06H； 完整程序见附表 2.2.2 自动刀架换刀 控制 刀架能实现纵向和横向的进给运动，并具备在换刀点自动改变四个刀位 完成选择刀具 图 2.9 所示为自动刀架电控原理。该刀架刀位数为 4，当数控 单元发出换刀信号后，数控单元 ENC 的 34 号线输出低电平 ，24V 正电源 使 KA4 通电吸合 ，换刀电 机 M 正向旋转，驱动蜗轮蜗杆减速机构。 图图 2.102.10 自动刀架程序流程如 图 2.10 示。部分驱动程序如下： AUTO： MOV A,P1 ；取 P1 口数据 ANL A,#03H ；取刀具码 ANL 20H,#03H ；取所需刀具的编码 CJNE A,20H,DJ1 ；对比编码，不同则正转 AJMP DJ3 DJ1: MOV DPTR,#7FFDH ；指向 8255PB 口 MOVX A,DPTR ANL A,#0FH ；保留低四位 ORL A,#40H ；输出刀架电机的正转电平 MOVX DPTR,A ；记录正转标志 SETB 7FH DJ5： JNB P1.3,DJ5 ；等待夹紧信号 MOVX A,DPTR ；输出 0 电平，电机停止 完整程序见附表 存储空间和地址口的分配如下： IC1:程序存储空间为 1000H1FFFH; IC2: 程序存储空间为 3000H3FFFH; IC3: 程序存储空间为 4000H5FFFH; 8155 控制口地址 9F00H; 8155PA 口地址 9F01H; 8155PB 口地址 9F02H; 8155PC 口地址 9F03H; 8255PA 口地址 7FFCH; 8255PB 口地址 7FFDH 8255PA 口地址 7FFEH; 开始 初始化 暂时停机 正转输出 置正转标志 延时 1 秒 结束 反转到位 正转到位 正转标志 位1？ 编码相同 反转输出 图图 2.112.11 I/O 口地址分配表如表 2.12 表表 2.122.12 字节地址位地址存储内容 P1.0 和 P1.1刀具编码的反馈信号 P1.2刀架到位的反馈信号 P1.3刀具加紧的反馈信号 P1.4X 相行程控制反馈信号 P1.5Y 相行程控制反馈信号 P1 口 P1.6急停开关控制接口 P3 口P3.4(T0)主轴脉冲发生器脉冲信号接口 10H01H 11H#03 H 12H#02 H 13H#06 H 14H#04 H 15H#05 H 16H#00 H 17H#01 H 18H#05 H 19H#04 H 1AH#06 H 1BH#02 H 1CH#03 H 1DH#00 H 00H 01H 刀具编码 02H主轴正反转控制信号 03H主轴走停控制信号 04HY 轴正反转控制信号 05HY 轴走停控制信号 06HX 轴正反转控制信号 20H 07HX 轴走停控制信号 21H X 轴的频率阶梯步数 22HX 轴的恒速步长低 8 位 23HX 轴的恒速步长高 8 位 24HX 轴的恒速 TL0 初值 25HX 轴的恒速 TH0 初值 26H Y 轴的频率阶梯步数 27HY 轴的恒速步长低 8 位 28HY 轴的恒速步长高 8 位 29HY 轴的恒速 TL0 初值 2AHY 轴的恒速 TH0 初值 2BH主轴 TL1 初值 2CH主轴 TH1 初值 2DH编码脉冲数 2EH调用程序号 低四位主轴步进电机接口8255 的 PA 口 高四位X 轴步进电机接口 低四位Y 轴步进电机接口8255 的 PB 口 高四位自动换刀直流电机接口 8255 的 PC 口机床状态指示灯接口 8155 扩展口键盘和显示器接口芯片 2 2. .3 3 接接口口电电路路设设计计 基于 Intel 8155 接口芯片 作为控制键盘和 LED 显示器， 8155 能直接 接收来自键盘的输入信息，并具有自动实现去抖动和重键处理功能，内部设有 按键缓冲区， 有两个可编程 的 8 位并行 I/O 口，和一 个 6 位并行 I/O 口。 连接时不需要最近硬件电路。 由于 LED 显示器具有显示容量大的特点，因此，系统键盘监控管理可方便 地设计成菜单驱动方式，从而实现编辑模块的全屏幕编辑功能。I/O 模块 以可编程并行接口芯片Intel 8255 为主体，通过 8255 实现 89C58 与电动 刀架控 制、步进电机 控制及光电编码接口电路的连接，为了增强数据总线的 驱动能力，在 89C58 与 8255 之间、 8255 与后续电路模块之间分别加上一片 74HC245。 环 由于步进电机需要的驱动电压较高（几十伏），电流也较大（几安几十 安），如果将输出信号与功率放大器直接相联，将会引起强电干扰。为消除干 扰，采用光电耦合器GO102 进行光电隔离。 功率放大器是因为8255 输出的脉冲信号功率很小，远不能满足步进电机 的需要，必须将其放大，以保证驱动步进电机正常运转。 3 3. .步步进进电电机机 随着运动控制系统中数字化技术的发展与成熟，步进电机在工业自 动 化控制中得到广泛的应用。 步进电机是一种利用电脉冲信号进行控制并将电 脉冲信号转换成相应角位移的机电元件。步进电机角位移量与点脉冲数成正 比,电机的转速与脉冲频率成正比。步进电机区别于其他控制用途电动机的最 大特点是，步进电机接收数字控制信号（电脉冲信号），并将这些脉冲信号 转换成与之相对应的角位移或直线位移。步进电机另一重要的特点是其必须与 相应的驱动电路配合使用，而且其工作性能在很大程度上取决于所使用的驱动 电路的类型和实际参数。因此，步进电机驱动电路的设计是步进电机控制系统 中的关键部分。 该系统的伺服 驱动装置主要 是步进电机、功率步进电机、电液脉冲等。 由数控系统送出的进给指令脉冲，经驱动电路控制和功率放大后，使步进电机 转动，通过齿轮副与滚珠丝杠副驱动执行部件。由于该系统 为开环系统， 只要控制指令脉冲的数量、频率以及通电顺序，便可控制执行部件运动的位移 量、速度和运动方向。该系统的位移精度主要决定于步进电机的角位移精度， 齿轮丝杠等传动元件的节距精度。 3 3. .1 1 脉脉冲冲分分配配 器器 P PM MM M8 87 71 13 3 PMM8713 是由日 本 Sanyo（三洋）电机公司生产的步进电机控制用的脉冲 分配器（又称逻辑转换器） ，为双列直插 式 16 脚单片 CMOS 集成芯片。 PMM8713 既可以用 于 3 相控制，又可以用 于 4 相控制。励磁 有 1 相、2 相 和 1-2 相三种方式，通过电路设计可任选其中一种激励方式。此外， PMM8713 还具有单时钟或 双时钟工作方式，带有正反转控制功能以及初始化复 位功能。其内部有 时钟选通，激励方式控制，可逆环形计数，激励方式判断 等电路 。PMM8713 所有输入端均采用施密特整形电路，因此抗干扰能力强。 输出电流大 于 20mA，可直接驱动微型步进电机。 各引脚功能说明： CU(PIN1)、CD（PIN2）是双时钟工作的时钟输入端。 CU 端接正转时钟； CD 端接反转时 钟。CK（PIN3）为单时钟输入端，此时步 进电机的正反转 由 U/D（PIN4）脚来控制。在电路处于单时钟输入控制的前 提下， 当 U/D=高电平时，则输出端输出正转脉冲序列；当 U/D=低电平时， 则输出端输出反转脉冲序列 。EA（PIN5）和 EB（PIN6）为激励方式选择端 。 EAEB00 时，为双激励方式 ；EAEB11 时，为 1-2 相激励方式 ；EAEB01 或 10(即两电平相 反)时，为单激励方式 。3/4（PIN7）为三相或四相选择控 制端。当该 脚=0 时，为三相输出；当该 脚=1 时，为思想输出，通过该脚可 以选择控制三相或四相 步进电机 。AD（PIN1310）为 4 个相驱动端 。3 相用 AC（D=0） ，4 相用 AD 端。EM（PIN14）是激励方式状态标志。双激 励方式该端输出为高电平；单激励方式该端输出为低电平；1-2 相激励时该 端输出两倍时钟周期的脉冲 。CO（PIN15）为输入时钟检测端。当该电路有 时钟脉冲输入时， 在 CO 端可输出同步于时钟的脉冲 。R（PIN9）为复位控 制端， 加低电平使输出 端 AD 复位为 表 1 所示的初始状态。（其中 0 表示 低电平 ，1 表示高电平）。 3 3. .2 2 电电压压- -频频率率变变换换 器器 L LM M3 33 31 1 LM331 是美国 NS 公司生产的性能价格比 较高的集成芯 片。LM331 可用 作精密的频率电压 （F/V）转换器 、A/D 转换器、线性频率调制解调、长时间 积分器以及其他相关的器件 。LM331 为双列直插 式 8 脚芯片 ， LM331 内部 有输入比较电路、 定时比较电路、 R-S 触发电路、复零晶体管、输出驱动管、 能隙基准电路、精密电流源电路、电流开关、输出保护点路等部分。输出管采 用集电极开路形式，因此可以通过选择逻辑电流和外接电阻，灵活改变输出 脉冲的逻辑电平，从而适 应 TTL、DTL 和 CMOS 等不同的逻辑电路。此外 ， LM331 可采用 单/双电源供电，电压范围 为 440V，输出也 高达 40V。IR（PIN1）为电流源输出端， 在 f0（PIN3）输出逻辑低电平时，电流 源 IR 输出对电容 CL 充电。引 脚 2（PIN2）为增益调整，改变RS 的值可调 节电路转换增益的大小。 F0（PIN3）为频率输出端，为逻辑低电平，脉冲宽 度由 Rt 和 Ct 决定。引 脚 4（PIN4）为电源地。引 脚 5（PIN5）为定时比较 器正相输入端。引 脚 6（PIN6）为输入比较器反 相输入端。引 脚 7（PIN7） 为输入比较器正相输入端。引脚 8（PIN8）为电源正端 。 3 3. .3 3 驱驱动动器器系系统统电电路路 驱动器系统电路由电 压-频率变换电 路 LM331、脉冲分配 器 PMM8713 和 四电路通用运算放大 器 LM348 等构成，外接电 阻 Rt、电容 Ct、内部定时比 较器、复零晶体管 和 R-S 触发器等构成单稳定时电路。当输入端 Vi+输入 的电压大于 i-输入端的电压时 ，f0 输出逻辑低电平。同时，电流源对 电容 CL 充电。电源 VC 也通过电阻 Rt 对电容 Ct 充电。当电容 Ct 两端的充 电电压大于 VCC 的 2/3 时。输出端 f0 输出为逻辑高电 平。此时，电 容 Cr 通过内部电路放电； CL 对电阻 RL 放电。当 CL 放电电压等于输入电压Vi 时，输入比较器再次输出高电平，f0 输出逻辑低电平。如此反复循环，构成 自激振 f0 荡。根据电 容上电荷平衡原理和相关的电学知识，我们可以推导出： f0Vi/(t1IRRL） 。t1 为充电时间，由定时元件Ct 和 Rt 决定；IR 为内部 精密电流源输出电流。可得出输出频率 f0 和输入电 压 Vi 成正比。从而由运 动控制系统输出的可变电压信号经 PMM8713 变换后产生可变的频率信号，控 制步进电机的转速。 方向控制电路 由 LM348 四电路通用运算放大器构 成。外部方向控制信号 通过 LM348 和基准电压构成电压比较电路。当 Vdi 大于基准电压时 ， U3A 输出为正，接 至 PMM8713 的第四脚，控制输出端输出正相脉冲序列。 当di 小于基准电压时，输出端为负，接至 PMM8713 的第四脚，控制 输出端输出负相脉冲序列，相应相驱动输出端输出正反相脉冲序列，从而控制 步进电机的正反转。 由 LM331 给出的输入指令是输入时 钟 f0 和方向指 令 DIR，这两个指令 在 PMM8713 中经逻辑组合转换各相通断的时序逻辑信号。PMM8713 的相驱动 输出端 （PIN10PIN13）的驱动电流 达 20mA 以上，能直接驱动微型步进电 机。R1、C1 为开机时自动初始化电路。初上电的数十毫秒内 R 端为低电平， 从而 AD 端自动复位至初始状态（参见表 1） 。如果外接的步进 电机功率较 大，PMM8713 输出驱动端驱动能力不够。此时应设计功率放大驱动电路，然后 再驱动步进电机 。PMM8713 各相输出端的导通顺序逻辑信号送至功率驱动段 转换成内部功率开关的基极（或栅极）驱动信号。步进电机驱动方式，按相绕 组流过的电流是单向或双向，可分为单极性和双极性驱动。通常，三相步进电 机采用单极性驱动。从功率驱动级电路来分析，又有电压驱动和电流驱动 之分。本设计中采用串联电阻电压驱动方式。在相绕组中串接一定阻值和功率 的电阻，一方面减小了绕组回路的时间常数，同时又对低频和静止工作时的电 流进行限制。 4 4. .系系统统抗抗干干扰扰和和 误误差差分分析析 4 4. .1 1 系系统统的的干干扰扰信信号号 单片机控制系统体积小，价格低，功能灵活，使用方便，已获得广泛使用， 虽然在芯片设计上采取了不少措施，但其工作环境大多在工业现场或机械设备 之中，同强电联系较多，条件恶劣，干扰源多，因此抗干扰技术是保证单片机 控制系统稳定可靠的必要技术，为此还必须解决该系统由于收到干扰产生的误 差。 干扰产生于干扰源，凡能产生一定能量，可以影响到周围电路正常工作 的媒体都可认为是干扰源，干扰有的来自外部，有的来自内部，如图 4.1 所示。 一般说来，干扰源分为一 下 3 类： 自然界的宇宙射线，太阳黑子运动，大气污染 及雷电因素造成。 物质固有的，及电子元器件本身的热噪声和散粒噪声。 人为造成的，主要是由电子和电气设备引起的，在系统工作的环境中广泛 存在。 空间干扰 供电系统干扰 过程通道干扰 单 片 机 系 统 图图 4.14.1 4 4. .1 1 系系统统误误差差 整个系统的误差来源于对控制系统的干扰信号，系统软件，以及机床的传 动系统。为了减小系统误差，必须提高系统的抗干扰能力，在硬件方面选用 可靠的 元器件尽量消除固有干扰。软件设计中采用可靠性设计技术，利用软、 硬件相结合实现单片机系统抗干扰能力。同时提高传动系统的传动精度也 是减小系统误差 的关键 。 5 5. .总总结结 本文本设计依据当前我国数控技术的发展和数控化改造的迫切需要，从传 统车床 CA6140 的电气原理与数控车床的计算机数字控制系统的控制原理出发， 着重分析了电气控制系统和计算机数字控制系统，将普通车 床 CA6140 改造 成能实现 X，Z 两坐标联动的经济型数控车床，车床的加工精度和加工效率 得以提高。 改造后的车床 ，通过编写不同的程序 可以完成不同零 件的加工。 不仅能够 加工一般中小型轴类盘类和螺纹零件，还能有效加工不规则圆弧， 加工范围 将大大 扩大。该控制系统具有 系统模块化、通用化和标准化。 然而，在本设计中还存在 一些不足之处 ，由于该控制系统是开环系统， 加工精度不是很高，软件设计方面还不够深入。同时缺乏实践条件，因此理论 和实践不能够很好的结合，仍需要在实践中进一步完善，才能够应用与实际。 致致谢谢 经过长达一学期的毕业设计，在杨健老师 孜孜不倦的 指导、教诲下， 加深了对以往所学的基础理论知识、基本技能和专业知识的应用。增强了自己 的勤于思索、积极探索、严谨求实、团结协作、勇于创新的作风。通过本次 毕业设计的训练，使本人掌握了许多新知识，提高了自己的综合能力。值 此毕业之际，谨向尊敬的机械专业的各位老师们致以深深的谢意；也向曾帮 助过我的同学表 示衷心的感谢。谢谢你们四年来对我的关心和帮助，我将永远铭 刻在心。 参考文献参考文献 1 于海生等.微型计算机控制技术.北京：清华大学出版社，1999 2 刘 坚.机械加工设备.北京：机械工业出版社，2001 3 戴 曙.金属切削机床. 北京：机械工业出版社，1999 4 张 建 民.机电一体化系统设计.北京：高等教育出版社，2001 5 钟 约 先，林 亨.机械系统计算机控制. 北京：清华大学出版社，2001 6 宴 初 宏.数控机床. 北京：机械工业出版社，2002 7 望 贵 明.数控实用技术.北京：机械工业出版社，2002 8 中国机械工业教育协会.数控技术.北京：机械工业出版社，2001 9 房小翠等.单片微型计算机与机电接口技术.北京:国防工业出版社,2002 10 任振辉主编.电气控制技术. 北京：中国水利水电出版杜,2002 11张俊生主编.金属切削机床与数控机床.北京：机械工业出版社，2001.1 12张新义主编.经济型数控机床系统设计.北京：机械工业出版社，1995 13余英良主编.机床数控改造设计与实例.北京：机械工业出版社，1996 14张宝林主编.数控技术.北京：机械工业出版社，1997.8 15成大先主编.机械设计手册.北京：化学工业出版社，2002 16郑堤，唐可洪主编.机电一体化设计基础.北京：机械工业,2004 17杨可桢，程光蕴主编.机械设计基础.北京：高等教育出版社，1988 附件附件 X 轴及自动刀架控制程序流程如下： 程序如下： AXISI: CLR 7CH ;急停控制位 SETB 7EH ;变速标志位 SETB 7D