C616数控机床改造

摘 要本设计任务是对 C616 普通车床进行数控改造。本次设计涉及到了 C616 机床的纵向进给系统、横向进给系统、步进电机、机床导轨、刀架以及改造后的使用问题。利用微机对纵向和横向进给系统进行开环控制。纵向脉冲当量为 0.01/脉冲，横向脉冲当量为 0.005 脉冲，驱动元件采用步进电机，传动系统采用滚珠丝杠副，刀架采用自动转位刀架。由于是经济型数控改造，所以在考虑具体方案时，基本原则是在满足使用要求的前提下，对机床的改动尽可能的减少，以降低成本。根据 C616 车床有关资料以及数控车床的改造经验，确定总体方案为采用微机对数据进行计算处理，由 I/O 接口输出步进脉冲，经过一级齿轮降速后，带动滚珠丝杠转动，从而实现纵向和横向的进给运动。关键词：C616，进给系统，数控改造，步进电机目 录摘要1 绪 论11.1 我国数控车床的发展和产业化的现状及当今世界数控车床的发展的趋势11.2 C616 数控步进改造设计的目的及意义21.3 本设计的内容和任务32 总体方案设计52.1 设计任务52.2 总体方案确定53 机械部分设计73.1 进给系统的设计计算73.1.1 横向进给系统73.1.2 纵向进给系统73.2 传动计算73.2.1 确定齿轮模数及有关尺寸83.3 切削力的计算83.4 滚珠丝杠的计算与选型103.4.1 机床丝杠进给牵引力103.4.2 疲劳强度计算103.4.3 横向滚珠丝杠螺母副几何参数的计算123.4.4 纵向滚珠丝杠螺母副几何参数的计算133.4.5 传动效率计算133.4.6 刚度验算143.5 步进电机惯性负载的计算153.5.1 横向转动惯量153.5.2 纵向转动惯量153.6 步进电机的计算和选用163.6.1 步进电机力矩的计算163.6.2 步进电机的选择183.7 自动转位刀架设计214 控制系统硬件设计224.1 确定硬件电路的总体方案224.1.1 主控制器 CPU 的选择224.1.2.存储器扩展电路设224.1.3 步进电机驱动电路设计254.1.4 其它辅助电路设计264.2 机床数控系统硬件电路设计275 系统控制软件的设计295.1 系统控制功能分析295.2 系统管理程序设计295.3 直线插补程序30结束语33致 谢34参 考 文 献351 绪 论1.1 我国数控车床的发展和产业化的现状及当今世界数控车床的发展的趋势。随着科学技术的发展，现代机械制造耍求产品的形状和结构不断改进，对零件的加工质量的要求也越来越高;机床作为机械制造业的重一要基础装备，它的发展一直引起人们的关注。由于计算机技术的兴起，促使机床的控制信息出现了质的突破，一导致了应用数字化技术进行柔性自动化控制的新一代机床数控机床的诞生和发展。计算机的出现和应用，为人类提供了实现机械加一工艺过程自动化的理想手段。随着计算机的发展，数控机床也得到迅速的发展和广泛的应用，同时使人们对传统的机床传动及结构的概念发生了根本的转变。数控机床以其优异的性能和精度、灵捷而多样化的功能引起世人瞩日，并开创机械产品向机电一体化发展的先河。随着社会对产品多样化要求的增强，产品品种增多，产品更新换代加速。数控机床代替普通机床是一个必然的趋势。同时，数控机床将向着更高的速度、精度、一可靠性及完善性的功能发展。目前，我国自主开发研制的机床产品基本满足了一些国家需要，并且在重型机床和超重型机床并多次创造出极限规格的世界之最。如我国已经制造出加工直径 25m 的超重型数控立式铣车床，镗杆直径 320mm 的落地式铣镗床，加工宽度为 10m 以上的数控龙门镗铣床，回转直径在 5000mm 以上的数控重型卧式车床等一批具有自主知识产权，而且技术水平已经接近世界先进水平的重型机床系列品。近两年，我国重型数控机床发展最快，如重型数控龙门镗铣床，重型落地镗铣床，重型立、卧式车床等的年产量和市场消费量已居世界第一。重型机床发展之快速是我国电力、船舶、石化和矿山等重型设备制造大量需求直接拉动的反映。一批新产品如数控双龙门镗铣床、龙门车铣复合加工机床、动梁可交换工作台可换铣头五面体龙门加工中心等研制成功；关键技术，如静压导轨和静压轴承技术、同步控制和运动补偿技术、五轴联动技术、大功率双摆角铣头和重型回转工作台的技术攻关相继突破，标志着我国重型机床发展达到新的高度。尽管我国机床行业在最近几年来有了长足进步，取得可喜的发展。但是绝大部分中、高档重型数控机床还是依靠进口，其中德国和意大利的产品较多，它们代表着世界先进水平。国内产品与国外产品在结构上的差别并不大，采用的新技术也相差无几，但在先进技术应用和制造工艺水平上与世界先进国家还有一定差距。新产品开发能力和制造周期还满足不了国内用户需要，零部件制造精度和整机精度保持性、可靠性尚需很大提高，尤其是在与重型机床配套的数控系统、功能部件，如刀库、机械手和两坐标铣头等部件，还需要境外厂家配套满足。国内厂家尽管技术略逊于国外先进水平，但在制造能力和价格上有很大的优势，尤其是超重型机床已达到当代国际先进水平。我们相信，我国机床制造随着科技进步与艰苦奋斗的努力，一定会逐步缩小与世界先进水平的差距。作为机械装备母机，机床制造业发展来源于其下游产业推动，机床行业下游产业主要有造船、工程机械、航空航天、汽车、铁路、电力设备、风电设备、动力设备、制冷设备和石化设备等。随着我国航空航天业发展，势必带动促进装备制造业发展。由于航空航天工业产品零件具有耐高温、高强度、难加工、合金材料与复合材料多、复杂结构件多、工艺要求高等特点，要求机床加工设备向大型（重型、超重型） 、高速、精密、复合、智能化趋势发展。航空发动机及其零部件加工需要大量高精度机床作支撑，发动机结构复杂，整体机匣、叶片加工需要多功能、高精度数控机床，如数控立车、数控精密镗床五轴加工心等。为此，航空航天业对机床要求高，加之欧美、日本等国外强势机床企业进驻与当前国际金融危机影响下不明朗的环境，应进一步加速推动国内机床调头向高端发展。在能源领域，国内重型机械企业在为能源工业重大工程项目建设中发挥了关键作用，包括国家三大动力制造基地及其他发电设备制造厂的重大关键设备都由国内厂家提供。我国造船工业发展形势依然严峻，市场竞争愈加激烈。特别是接船难、交船难、融资难局面没有改变，而产能庞大、开工率不足及产品同质性太强，我国造船工业仍面临着结构调整和严峻考验，国际上主要造船国家激烈竞争，因此，作为持续为船用柴油机、螺旋推进器、船用机械仪表、海洋工程、船台起重机等提供机械装备机床行业，需要装备的体积“个”越来越大，精密、复合、智能化性能越来越高。汽车制造水平质量取决于装备水平，同时，汽车工业国际竞争力又取决于装备先进性制造成本。随着技术发展，汽车零部件制造工艺水平提升，对机床要求还会进一步提高。因此，需要机床具有复合性能，以提高工序集中为目标，尽量减少装夹次数，提高生产率和工作精度，并具有智能化，即计算机技术及应用软件在产品中的技术含量越来越高，如采用软件补偿技术提高精度，使机床的结构简化，远程控制、远程故障排除及维护成为可能。综上所述，国内机床产品技术已趋成熟，与国外先进技术水平的差距正在逐步缩小，也将突破我国高档数控机床产品生产瓶颈，打破西方国家的垄断和制约，满足国防安全和国民经济建设的需要。国内制造能力已进入世界前列，而国外机床厂家的制造能力正在削弱。我们要以承担国家重点工程项目为契机，努力开发高档数控机床，为国产数控机床满足市场需求做出更大贡献。1.2 C616 数控步进改造设计的目的及意义首先，对 C616 数控步进改造设计后能使其实现数控控制；让数控机床可以完成普通机床难以完成或根本不能加工的复杂零件的加工；提升机床的加工精度、柔性、生产率和操控，实现计算机控制，排除人为误差，使零件的加工一致性好，质量稳定可靠；提升机床自动化程度，降低操作人员劳动强度。其次通过对 C616 普通车床进行改造能够正确运用机床数控系统等课程的基本理论个有关知识，学会设备数控化改造方案的拟定、比较、分析及进行必要的计算；掌握数控设备典型零件的计算方法和步骤以及正确的结构设计方法；掌握简单的数控系统硬件及软件设计的基本方法；初步树立正确的设计思想，培养自己分析问题和解决问题的能力；提高自己应用手册、标准以及编写文件等资料的能力。C616 普通车床进行数控步进改造后，机床的数控改造同购置新机床比拟一般可节省 60%左右的费用，大型及特殊装备尤为明显,一般机床改造只需花新机床购置费的 1/3。所以若将原有的 C616 机床进行彻底改造升级也只需破费购买新机床 60%的费用。并且该机床能加工原先机床不能加工的复杂零件，同时还能能减轻劳动强度,改善劳动条件,节省人力,能降低劳动成本;并且还可以熟悉和了解设备，便于以后的操作维修。使之车床生产效率高,是普通车床的 35倍;减少工装,减少人为误差,提高加工精度,具有广泛的适用性和灵活性;缩短新产品的试制和生产周期,易于组织多品种生产,使企业能对场需求作出快速响应。1.3 本设计的内容和任务1.3.1 将一台普通车床 C616 改造成一台经济数控车床；1.3.2 收集相关资料及图纸： C616 车床的外观图 ；机械装配图 ；数控系统组成框图 ；数控系统电气原理图 ；部分软件设计。1.3.3 确定改造目标、C616 车床的参数；1.3.4 编写开题报告；1.3.5 确定改造总体方案；1.3.6 确定机械改造方案（包括丝杆、导轨、传动装置的选型确定）确定系统脉冲当量；运动部件惯性计算；计算伺服电机参数；传动及导向元件的设计、计算、校核；其它相关零件的选型及计算。1.3.7 确定驱动系统改造方案；1.3.8 确定数控系统改造方案；2 总体方案设计2.1 设计任务设计一个数控 X-Y 工作台及其控制系统，该工作台可安装在普通钻、铣床上用于钻孔或铣削加工。系统分辨率 X：0.01mm，Y：0.01mm。系统分辨率X：0.01mm，Y：0.01mm。设计参数如下：快速进给速度纵向 X：2m/分；快速进给速度横向 Y：2m/分；切削进给速度：0.3m/分；时间常数： t200ms ； 最大钻孔直径 d=5mm；铣刀直径 15mm，齿数 Z=3；铣削最大余量 e=2mm；铣削最大深度 p=2mm；工作台加工范围 X=320mm，Y=260mm。加工材料为铸铁；最大工件重量 80Kg。2.2 总体方案确定2.2.1 系统的运动方式与伺服系统由于机床既能钻削又能铣削加工，故应采用连续控制系统。定位方式采用增量坐标控制。考虑到机床加工精度要求不高，为了简化结构，降低成本，采用步进电机开环伺服系统驱动 X-Y 工作台。钻头上下运动也由步进电机通过减速装置控制。2.2.2 计算机系统本设计采用 MCS-51 系列中的 8031 单片机扩展控制系统。MCS-51 单片机的主要特点是集成度高，可靠性好，功能强，速度快，性价比高。控制系统由微机部分、键盘及显示器、I/O 接口及光电隔离电路、步进功率放大电路等组成。系统的工作程序和控制命令通过键盘操作实现。显示器采用数码管显示加工数据和工作状态等信息。2.2.3 改造后的 C616 的传动方式将一台普通车床 C616 改造成一台经济数控车床，在纵向进给机械结构改造中，拆除原机床床的进给箱、溜板箱、滑动丝杠、光杠等，装上步进电机、齿轮减速箱和滚珠丝杠螺一母副。为了提高支承刚度，采用向心推力球轴承对加止推轴承支承方式。齿轮间隙采用双薄片调隙方式。利用原机床进给箱的安装孔和销钉孔安装齿轮箱体。滚珠丝杆仍安装在原来的位置，两端仍采用原固定方式:这样可减少改装的工作量，并由于滚珠丝杠的摩擦系数小于原丝杠，且外径比原先的大，从而使纵向进给整体刚度只可能增大。纵向进给机构都采用一级齿轮减速。双片齿轮间没有加弹簧自动消除间隙。因为弹簧的弹力很难适应负载的变化情况。当负载大时，弹簧弹力显小，起不到消除间隙之日的;当负载小时，弹簧弹力又显大，则加速齿轮的磨损。因此，采用定期人工调整、螺钉紧固的办法消除间隙。在横向进给机械结构改造中，拆除原中拖板丝杆，安装滚珠丝杆副，为提高横向进给系统刚度，支承方式采用两端装止推轴承。步进电机、齿轮箱安装于机床后侧，为了使减速机构不影响走刀，同时消除传动过程的冲击，减速机构采用一级传动，从动轮采用双薄片错位消除问隙。考虑电机步距角和丝杠导程只能按标准选取，为达到分辨率 0.01mm 的要求，以及考虑步进电机负载匹配，采用齿轮减速传动。数控改造机械部分方案如下：3 机械部分设计机械部分的改造设计重点是进给系统的结构设计。3.1 进给系统的设计计算3.1.1 横向进给系统工作台重量 NG401滚珠丝杠的导程 mT5行程 S9脉冲当量 .1快速进给速度 in/Vx切削进给速度 30v时间常数 st23.1.2 纵向进给系统工作台重量 NG12滚珠丝杠的导程 mT0行程 S64脉冲当量 .2快速进给速度 in/3Vz切削进给速度 v时间常数 st03.2 传动计算 iT36式中 脉 冲 当 量 ；步 距 角 ； 齿 轮 传 动 比 ； 丝 杠 螺 距 。T即 Ti360；6.025.1148.05.102i所以 式中 小齿轮， 大齿轮。2ZZ；横横i 481纵纵i经翻阅机械设计和计算得 ； 。,71横横 50,21纵纵 Z3.2.1 确定齿轮模数及有关尺寸因为传递的扭矩较小，取模数 ，齿轮有关尺寸见下表：m纵向 横向Z24 50 27 45（mm）md24 50 27 45（mm）a226 52 29 47f 5.1（mm） 21.5 47.5 24.5 42.5（mm）b)63( 5 5 5 5（mm）21 37 363.3 切削力的计算由金属切削原理知，车削时纵车外圆 横车外圆主切削力 FznyxpFzz KvfaCFzFzz81.9切深抗力 yyy y走刀抗力 xxx xxx式中 、 进 给 抗 力 ；主 切 削 力 、 切 深 抗 力、z 切 削 深 度 ；pa；取进 给 量；切 削 速 度 rffmv /m3.0,in)/( 若加工工件材料为灰铸铁则：切 削 力 修 正 系 数 。、 FxyFzK查表得 主切削力 中 。z 4.0;75;1;92FzzFzFzz ny切深抗力 中 。y 1.54yyy KxC进给抗力 中 。x 846xFxxrf/3.0取所以 FznypFzz KvfazFzz819N4.03.075.1 ynyxpyy fCFyF.N57.15.5075.09.0 FxnyxpFx vfaxFx81.9698.3.4604.01 3.4 滚珠丝杠的计算与选型因为 C616 普通车床使用的是三角形和矩形综合导轨，由于本设计是把C616 车床改造成经济型数控车床，所以在本设计仍然采用 C616 普通车床自身导轨。由于传统的导轨副的摩擦系数大，动摩擦系数随速度的变化而变化，摩擦损失大，低速时易出现爬行现象而降低运动部件的定位精度，因而本设计采用在原来的导轨上进行贴塑（贴聚四氟乙烯塑料导轨软带）处理，使之具有摩擦特性好、耐磨性好、减震性好等优点，其摩擦系数 。05.3.f3.4.1 机床丝杠进给牵引力由于机床横向采用的是燕尾形导轨，则式中)2( GFfKFyZXm ;04.;.1fKN18)4729(69411 由于机床纵向采用的是综合性导轨，则式中 )(fZX ;.;5.f切 削 分 力、 ZXF移 动 部 件 的 重 量 。Gm 861)0439(069.22 3.4.2 疲劳强度计算滚珠丝杠的当量动负荷式中 为横向或纵向的牵引力。mHFfLQ3经查询机械设计手册得 当其一般运转时，运转系数 ，本设5.12wf计取 ；精度等级为 3 级时，精度系数 。2.1wf式中 ，其中；in/9.0516.0maxVx min/4.138.04.maxVzz 又因为使用寿命 ，丝杠螺距 ，hT5t1t2HfntVMaxX 向的最大进给 ，Z 向的最大进给min/3.0vxmin/6.0vz；186.0maxvxi/2.48zz in/059.1ma rtVn140x2z)(62186106转TL 0.9046622 转n横向丝杠的牵引力式中 当量摩擦系数, 14.GfFPzX当当f 1.当fNz 4501.4.39. 当纵向丝杠的牵引力式中 当量摩擦系数, 24.fzZ当 当f 1.当f横向最大动负载纵向最大动负载根据给定的有效行程和经济成本的考虑，X 向选取 MISUMI 公司的BSX1205-300，Z 向选取 MISUMI 公司的 BSX1510-750。型式 指定单位 mm Y螺旋方向循环数基本额定负载精度等级 Type 丝杠轴外径螺距 XL2.5圈 1列（K动CN）（静OKN）3 12 5 300 3.74 4.94 BSX 15 10 7506870ZX右 1.5圈 1列 4.4 7.9FP 3.11当 NPfLQXHwX 320451.2.1633 fZ 6.9333.4.3 横向滚珠丝杠螺母副几何参数的计算名 称 符 号 计算公式和结果公称直径 0d12螺距 t5接触角 3钢球直径 3.175螺纹滚道法面半径 R651.2.0d偏心距 e03.sin)/(螺纹滚道螺纹升角 70tarcg螺杆外径 d4.).(螺杆内径 l 820Redl螺杆螺杆接触直径 z 39cosZ螺母螺纹外径 D.15螺母 螺母内径（外循环） 1 6).(0d3.4.4 纵向滚珠丝杠螺母副几何参数的计算名 称 符 号 计算公式和结果公称直径 0d15螺距 t10接触角 3钢球直径 3.175螺纹滚道法面半径 R651.2.0 d偏心距 e 03.sin)/( 螺纹滚道螺纹升角 0 tarcg螺杆外径 d 4.).( 螺杆内径 l 8120Redl螺杆螺杆接触直径 z 3cosZ螺母螺纹外径 D.螺母 螺母内径（外循环） 1 65).(0 d由于丝杠的价格较高，一般按导程选取丝杠，由于丝杠长度一定，所以采用联轴器的方式来补偿其长度。在安装联轴器时，传动丝杠轴线上各联轴套上的锥销孔座按十字分布方式进行配做。这是因为同一联轴套上分布的锥孔都由同一方向加工时，往往会引起轴线的直线度误差增大，从而使安装在丝杠上各零件间的同轴度误差增大，产生传动附加载荷，影响丝杠副的传动性能。连接方式如下：3.4.5 传动效率计算滚珠丝杠螺母副的传动效率 ：式中 丝杠螺旋长升角； 摩擦角，滚珠丝杠副的)tan(F P A B T d d1 h 滚珠直径 （cm） 滚珠丝杠预紧力（ ）cmN15 8 44 34 10 4.5 8 4.4 1.5515 8 52 40 12 6 9.5 83.1753.0 以下滚动摩擦系数 ，其摩擦角约等于 。04.3.f 10所以 )tan(97.).576tan(3.4.6 刚度验算滚珠丝杠受进给率引力 引起的导程 T 的变化量mF因为 22)(14.3ldRF 221 8.60).(14.3cml 22 19)(.l所以 cEFTLm 6611 04.80.25. m2 1791丝杠因受扭矩而引起的导程变化量很小，可以忽略。所以导程总误差 TL0/85.04.161 1722查表得 丝杠精度等级为 3 级时，允许误差为 ，丝杠精度等级为 4m/12级时，允许误差为 ，所以两根丝杠的刚度足够。m/3.5 步进电机惯性负载的计算根据等效转动惯量的计算公式，式中： 折算到电机轴上的惯性负载（ ） ； 齿轮 的转动惯量（ ） ； 齿轮 的转动惯量（ ） ； 滚珠2Z丝杠的转动惯量（ ） ；M移动部件与工件的质量（kg） 。对材料为钢的圆柱零件转动惯量可按下式估算( )式中：D圆柱零件直径（cm） ；L零件长度（cm） 。所以3.5.1 横向转动惯量 21.057.2108.7431 J623则电机轴总转动惯量： 22223 6.1)4.5(0)5.1()45(1.0 cmkgTMJZ横横总3.5.2 纵向转动惯量 1.8743 ckgJ .2.2 m)(3723则电机轴总转动惯量：EL6/0cNE20321)()()LJJ总总J cmkg1J2cmkg 23DJ438. 1Z222 23211 94.3)1.(0)4.()50(3. cmkgTMJZJ 纵纵总3.6 步进电机的计算和选用3.6.1 步进电机力矩的计算摩擦力矩 （ ）式中 导轨的摩擦力 丝杠导程（cm） ；齿轮降速比，按计 算；传动链总效率，一般可取导轨采用贴塑，摩擦系数一般为 ；进给牵引力； 运动部件的重量；G所以 cmNiTFMf 4275.014.32.)8(.011.86附加摩擦力矩 （ ）式中 滚珠丝杠预加负荷，一般取 ， 为进给牵引力；丝杠导程（cm） ；滚珠丝杠未预紧时的传动效率， 。所以 cmNiTFMpo 4.1)97.0(2457.13208)1(2 200.62空载起动时折算到电机轴上的力矩 （ ） 2maxmaxmax 6ntJtnJ总总总式中 传动系统折算到电机轴上的总等效转动惯量（ ） ；电机最大角加速度（ ） ；电机最大转速（r/min）,；运动部件从停止起动加速到最大进给速度所需要的时间（s） ，因为 =200ms； 运动部件的最大进给速度（mm/min） ；at脉冲当量（mm/步） ； 步进电机的步距角（ ） ；min/25036.10.361max rvnb2z 2maxax 1062tJtnJM总总总cNtJaa .4.02xx总 m5051396 2m总折算到电机轴上的切削负载力矩 式中 丝杠导程（cm） ；iTFzt2齿轮降速比，按计算 ； 传动链总效率，一般可取i 12Z)(cNtfcmNiTFMf200F；)(0FfmTi 12Zi8.07f 05.3fm0cN)(0ipo0 mF3LaxMcN总 ckg2/srdaxn360maxabpVat axp b85.07 cmNiTFMzt 302745.01.324918横向快速起动时所需力矩 即 快速进给时所需力矩 即 最大切削负载时所需力矩 即 纵向快速起动时所需力矩 即 快速进给时所需力矩 即 最大切削负载时所需力矩 即 经过上述计算后，在 、 两种力矩中取其大者作为选择步进电机的依据。对于数控机床来说，因为要保证一定的动态性能，负载力矩又大于加速力矩，所以 作为选择步进电机的依据。3.6.2 步进电机的选择目前经济型数控机床中大多采用反应式步进电机，因此在本设计中采用反应式步进电机。首先根据最大静转矩 初选电机型号，由于步进电机的切削转矩 与最大静转矩 有如下关系：式中 的取值又有如下关系：相数 三相 四相 五相 六相步进电机拍数 3 6 4 8 5 10 6 12maxjM起0.5 0.866 0.707 0.707 0.809 0.951 0.866 0.866在本设计中横向采用四相八拍的反应式步进电机，纵向采用五相十拍步进电机。则 ；cmNj 07.5.43max切 cmNMj 6195.08ax切若不考虑启动时运动部件惯性的影响，则启动力矩为取安全系数为 0.3，则 cNMjQ.1673.05.maxm2步进电机最高工作频率 横向最大空载频率：5.03axjmaxj切 jaM切 起 切切McmNMtf 4.350.140切 tfM0切cf 快 f快f .0amx起 0amxf起 cNtf 5849.180切 tf0切f 0.快 f快f 2.1.2.amx起 0amxf起最快进给速度， 。为了保证不失步，采取降速措施。maxVmin/5.1Vx403.ma最大切削频率：最大切削速度， 。 纵向最大空载频率：最快进给速度， 。为了保证不失步，采取降速措施。maxVmin/3Vz4.18.0max最大切削频率：最大切削速度， 。 所以根据以上数据，横向选取一个 90BF001 型步进电机，纵向选取一个90BF002 型步进电机，电机的的相关参数如下：主要技术参数 外形尺寸(mm)型号 步距角最大静转矩（ ）mN最高空载启动频率（Hz）相数电压(V)电流(A)外径长度轴径重量(N)90BF001 5.13.92 2000 4 80 7 90 145 9 4.590BF002 1.5 3.92 3800 5 80 7 90 145 9 4.5由于只靠最大静转矩 来选择步进电机不一定能满足实际工作时的要求，也就是说，尽管最大静转矩 数值能满足要求，但是并不能保证在快速空载起动和运行时不失步。所以还必须用起动矩频特性和运行矩频特性两条重要的性能曲线来检查所选步进电机的型号是否能满足要求。通过对两个电机的起动矩频特性和运行矩频特性的分析，电机的转矩大于总转矩，并且 ，所以选择的这两个电机符合本设计要求。25.1/M电 maxjMjHzvf 305.60910maxmax铣 in/.xaxv Hzf 150.601ax 空 3Hzvf 4801.60210maxmax 切 in/6.zaxv zvf 20612ax空 mi/.48C616 装配图见 （图 A2）3.7 自动转位刀架设计数控机床往往在一次装夹中完成多工序加工，因此必须带有自动换刀装置。自动换刀装置应满足换刀时问短、刀具重复定位精度高、足够的刀具储存量、刀库体积小及安全可靠等基本要求。根据设计需求、CA616 加工工序的复杂程度，本设计中将原有刀架全部拆除，改装为四方回转刀架。刀架的全部动作由液压系统通过控制电路控制电磁换向阀和顺序阀进行控制口它的动作分为四个步骤:刀架抬起当数控装置发出换刀指令后，液压油进入压紧液压缸的下腔，活塞上升刀架体抬起使定位用活动销与固定插销脱开。同时，活塞杆下端的端齿轮离合器.与空套齿轮结合。刀架转位当刀架抬起后，液压油进入转位液压缸左腔，活塞向右移动，通过连接板带动齿条移动，使空套齿轮作逆时针方一向转动，通过端齿轮离合器使刀架转过 。活塞的行程应等于齿轮节圆周长的 1/4，并由限位开关控制。刀架压紧刀架转位后，液压油压紧液压缸上腔，活塞带动刀架体下降。缸体的底盘上精确地安装着四个带斜楔的圆形固定插销，利用活动插销消除定位销一与孔之间的间隙，实现反靠定位。刀架体下降时定位活动销一与另一个定插销卡紧，同时缸体与压盘的锥面接触，刀架在新的位置上定位并压紧。这时，端齿轮离合器与空套齿轮脱开。转位液压缸复位刀架压紧之后，液压油进入转位液压缸右腔，活塞带动齿条复位，由于端齿轮离合器已经脱开，齿条带动齿轮在轴上空转。4 控制系统硬件设计4.1 确定硬件电路的总体方案控制系统框图如下：中央处理单元(CPU)存储器RAM/ROM输入/输出I/O 接口信号变换控制对象外设（键盘、显示器、打印机、磁盘机等） 904.1.1 主控制器 CPU 的选择随着微电子技术水平的不断提高，单片微型计算机有了飞跃的发展。单片机的型号很多，而目前市场上应用 MCS-51 芯片及其派生的兼容芯片比较多，MCS-51 系列单片机是集中 CPU，I/O 端口及部分 RAM 等为一体的功能性很强的控制器。只需增加少量外围元件就可以构成一个完整的微机控制系统，并且开发手段齐全，指令系统功能强大，编程灵活，硬件资料丰富。如目前应用最广的 8 位单片机 8031，价格低廉，而性能优良，功能强大。从本设计的系统来看，选用 8031 单片可以获得较高的性价比。4.1.2.存储器扩展电路设计程序存储器的扩展单片机应用系统中扩展用的程序存储器芯片大多采用 EPROM 芯片。其型号有：2716，2732，2764，27128，27258，其容量分别为 2K,4K,8K,16K,32K。在选择芯片时要考虑 CPU 与 EPROM 时序的匹配。8031 所能读取的时间必须大于EPROM 所要求的读取时间。此外，还需要考虑最大读出速度，工作温度以及存储器容量等因素。在满足容量要求时，尽量选择大容量芯片，以减少芯片数量以简化系统。综合以上因素，选择 2764 芯片作为本次设计的程序存储器扩展用芯片。单片机规定 P0 口提供 8 为位地址线，同时又作为数据线使用，所以为分时用作低位地址和数据的通道口，为了把地址信息分离出来保存，以便为外接存储器提高低位的地址信息，一般采用 74LS373 芯片作为地址锁存器，并由CPU 发出允许锁存信号 ALE 的下降沿，将地址信息锁存入地址锁存器中。由以上分析，采用 2732EPROM 芯片的程序存储器扩展电路框图如下所示：扩展 2732 电路框图数据存储器的扩展由于 8031 内部 RAM 只有 128 字节，远不能满足系统的要求。需要扩展片外的数据存储器。单片机应用系统数据存储器扩展电路一般采用 6116,6262 静态 RAM 数据存储器。本次设计选用 6264 芯片作为数据存储器扩展用芯片。其扩展电路如下所示：P1.7P1.0P2.4P2.0ALE P0.7P0.0PSENA CE A12 A8 2732A7A0 OE D7D0译码电路G74LS372扩展 6264 电路框图译码电路在单片机应用系统中，所有外围芯片都通过总线与单片机相连。单片机数据总线分时的与各个外围芯片进行数据传送。故要进行片选控制。由于外围芯片与数据存储器采用统一编址，因此单片机的硬件设计中，数据存储器与外围芯片的地址译码较为复杂。可采用线选法和全地址译码法。线选法是把单独的地址线接到外围芯片的片选端上，只要该地址线为低电平，就选中该芯片。线选法的硬件结构简单，但它所用片选线都是高位地址线，它们的权值较大，地址空间没有充分利用，芯片之间的地址不连续。对于 RAM 和 I/O 容量较大的应用系统，当芯片所需的片选信号多于可利用的地址线的时候，多采用全地址译码法。它将低位地址作为片内地址，而用译码器对高位地址线进行译码，译码器输出的地址选择线用作片选线。存储器扩展电路设计8031 单片机所支持的存储系统起程序存储器和数据存储器为独立编址。该设计选用程序存储器 2764 和数据存储器 6264 组成 8031 单片机的外存储器扩展电路，单片机外存储器扩展电路如下：I/O 扩展电路设计(a).通用可编程接口芯片 81558031 单片机共有 4 个 8 位并行 I/O 接口，但供用户使用的只有 P1 口及部分P3 口线。因此要进行 I/O 口的扩展。8155 与微机接口较简单，是微机系统广泛使用的接口芯片。8155 与 8031 的连接方式如下图所示(b).键盘，显示器接口电路键盘，显示器是数控系统常用的人机交互的外部设备，可以完成数据的输入和计算机状态数据的动态显示。通常，数控系统都采用行列式键盘，即用I/O 口线组成行，列结构，按键设置在行列的交点上。数控系统中使用的显示器主要有 LED 和 LCD。下图所示为采用 8155 接口管理的键盘，显示器电路。它有 4X8 键和 6 位 LED 显示器组成。为了简化秒电路，键盘的列线及显示器的字位控制共用一个口，即共用 8155 的 PA 口进行控制，键盘的行线由 8155C 口担任，显示器的字形控制由 8155 的 PB 口担任。键盘显示器接口电路如下所示：4.1.3 步进电机驱动电路设计脉冲分配器步进电机的控制方式由脉冲分配器实现，其作用是将数控装置送来的一系列指令脉冲按一定的分配方式和顺序输送给步进电机的各相绕组，实现电机正反转。数控系统中通常使用集成脉冲分配器和软件脉冲分配器。本设计采用集成脉冲分配器 YB015。采用 YB015 硬件环行分配器的步进电机接口线路图如下：光电隔离电路在步进电机驱动电路中，脉冲分配器输出的信号经放大后控制步进电机的励磁绕组。如果将输出信号直接与功率放大器相连，将会引起电气干扰。因此在接口电路与功率放大器间加上隔离电路实现电气隔离，通常使用光电耦合器。光电耦合器接线图如下：功率放大器脉冲分配器的输出功率很小，远不能满足步进电机的需要， ，必须将其输出信号放大产生足够大的功率，才能驱动步进电机正常运转。因此必须选用功率放大器，需根据步进电机容量选择功率放大器。本设计选用功率放大器。4.1.4 其它辅助电路设计8031 的时钟电路单片机的时钟可以由两种方式产生：内部方式和外部方式。内部方式利用芯片的内部振荡电路，在 XTAL1,XTAL2 引脚上外接定时元件，如下图所示。晶体可以在 1.212 之间任意选择，耦合电容在 530pF 之间，对时钟有微调作用。采用外部时钟方式时，可将 XTAL1 直接接地，XTAL2 接外部时钟源。时钟电路复位电路单片机的复位都是靠外部电路实现。在时钟工作后，只要在 RESET 引脚上出现 10ms 以上的高电平，单片机就实现状态复位，之后 CPU 便从 0000H 单元开始执行程序。在实际运用中，若系统中有芯片需要其复位电平与 8031 复位要求一致时，可以直接相连。当晶振频率选用 6MHz 时，复位电路中 C 取 10F,R取 10K。实用复位电路图如下所示：越界报警电路为了防止工作台越界，可分别在极限位置安装限位开关。利用光电耦合电路，将行程开关接至发光二极管的阴极，光敏三极管的输出接至 8031 的 I/O 口1.0。当任何一个行程开关被压下的时候，发光二极管就发光，使光敏三极管导通，由低电平变成高电平。8031 可利用软件设计成查询的方法随时检查有无越界信号。也可接成从光敏三极管的集电极输出接至 8031 的外部中断引脚（INT0 或 INT1） ，采用中断方式检查越界信号。越界报警电路如下图所示4.2 机床数控系统硬件电路设计该系统选用 MCS-51 系列的 8031 作为主控制器。扩展存储电路为一片2732EPROM 和一片 6264RAM。程序存储器扩展为 4K，数据存储器扩展为 8K。2732 的片选控制端 直接接地，该电路始终处于选中状态。系统复位以后，CPU 从 0000H 开始执行监控程序。6264 的片选端 由译码器（74LS138）的 Y2 输出提供。所以 6264 的空间地址为 4000 5FFFH。系统的扩展 I/O 接口电路选用通用可编程并行输入/输出接口芯片8155。8155 的片选端 接至译码器（74LS138 ）的 Y4 的输出端，故 8155 控制命令寄存器及 PA，PB，PC 口的地址号分别为 8000H 及8001H，8002H，8003H。8155RAM 区的地址为 8000H80FFH。8155 的 A 口为控制工作抬 X，Y 向电机的接口。为防止功率放大器高电压的干扰，不步进电机接口与功率放大器之间采用光电隔离。键盘与显示器设计在一起，8155 的 PC 口担任键盘的列线及显示器的扫描控制；PB 口的 PB0PB3 为键盘的行线。8031 的 P1 口为显示器的字形输出口。该系统采用 4X6 共 24 个行列式键盘和 6 位 8 段共阴极 LED 显示器。为了增加数码管显示亮度，分别在字形口和字位口加 74LS07 进行驱动。PB 口剩余的 I/O 线 PB4PB7 分别作为工作台+X，+Y，-X，-Y 四个方向的行程限位控制信号。在软件设计上 8155 的 PA 口，PC 口设置为输出，PB 口设置为输入。计算机随时巡回检测 PB4PB7 的电平，当某 I/O 线为 0 时，应立即停止 X，Y 向电机的驱动，并发出报警信号。另外，光电隔离器的输出端必须采用隔离电源。隔离电源选用 7805 三端集成稳压器设计。数控系统总的电气原理图见 图纸 A4。CECE5 系统控制软件的设计5.1 系统控制功能分析经济型数控车床的主要控制功能包括：系统初始化。如对 I/O 接口 8155、825