普通CA6140车床的经济型数控改造 毕业设计论文.doc

徐州工程学院毕业设计图书分类号： _ 密 级： 毕业设计(论文)普通ca6140车床的经济型数控改造学生姓名 学院名称机电学院专业名称数控技术指导教师 2010年5月22日40摘要 我国是世界上机床产量最多的国家，但数控机床的产品竞争力在国际市场中仍处于较低水平，即使在国内市场也面临着严峻的形势：一方面国内市场对各类机床产品特别是数控机床有大量的需求，而另一方面却有不少国产机床滞销积压，国外机床产品充斥市场，严重影响我国数控机床自主发展的势头。这种现象的出现，除了有经营上、产品质量上和促销手段上等的原因外，一个最主要的原因就是新产品（包括基型、变型和专用机床）的开发周期长，不能及时针对用户的需求提供满意的产品。 普通机床的数控化改造事业方兴未艾，在我国目前形式下将大批故障机床尤其是一大批闲置的普通机床进行改造、升级，以较小的投入尽快使这批设备在经济发展中发挥效能、创造效益，的确是许多企业的一项不可忽视的课题。关键字：普通车床;数控改造;步进电机;数控刀架目 录1 绪论11.1 引言11.2 数控机床的基本结构及工作原理11.2.1 输入装置11.2.2 数控装置11.2.3 驱动装置和检测装置21.2.4 辅助控制装置22 普通ca6140车床数控改造总体方案的设计32.1 数控系统的选择设计32.2 主传动系统的改造设计32.3 伺服系统的改造设计32.3.1 控制方式类型选择32.3.2 伺服进给机构的改造42.3.3 步进电动机的选用42.3.4 丝杠螺母副42.3.5 机床导轨改造52.4 自动转位刀架的选择设计53 控系统的选择63.1 概述63.1.1 主控制器63.1.2 可编程接口芯片815563.2 计算机数控（cnc）系统简介73.2.1 中央处理单元（cnc）和总线(bus)73.2.3 输入/输出（i/o）接口电路及相应外部设备83.3 数控系统硬件部分设计93.3.1 cnc系统的硬件结构93.4 数控系统软件部分设计123.4.1 概述123.4.3 接口电路设计153.5 光电隔离电路164 主传动部分改造与设计184.1 概述184.2 与普通机床比较，数控机床主传动系统具有以下特点194.3 数控机床主传动系统的设计要求194.4 主传动部分改造设计计算194.4.1 切削力参数的确定194.4.2 确定变速级数z和公比q204.4.3 主轴参数计算224.4.4 分段无级变速传动方案确定224.4.5 主轴编码器的选择和安装235 伺服系统的改造设计265.1 概述265.2 伺服进给系统的基本要求：265.3 伺服进给系统结构265.4 控制方式类型选择275.5 伺服进给机构的设计内容和设计计算275.5.1 纵向进给系统改造与计算285.5.2 横向进给系统的设计计算与选型315.5.3 机床导轨326 自动回转刀架的选择设计346.1 概述346.2 数控车床刀架的选用346.3 自动回转刀架的工作原理356.3.1 刀架的安装36参考文献38结论39致谢40 1 绪论1.1 引言 我国是拥有300 多万台机床的国家,而这些机床又大量是多年积累的通用机床,自动化程度低,要想在几年内用自动化和精密设计更新现有机床。论是资金,还是我国机床制造厂的能力都是办不到的,为了适应多品种、中小批量零件加工自动化,应该走普通机床数控改造之路。它适合我国国情,即适合我国的经济水平、教育水平和生产水平。所以普通机床数控改造课题具有典型性和实用性。数控改造一般是指对普通车床某些部位作一定的改造，配上数控装置，从而使车床具有数控加工能力。1.2 数控机床的基本结构及工作原理 数控机床加工零件的工作过程分以下几个步骤实现： （1）根据被加工零件的图样与工艺方案，用规定的代码和程序格式编写程序。 （2）所编程序指令输入机床数控装置中。 （3）数控装置对程序（代码）进行翻译，运算之后，向机床各个坐标的伺服驱动机构和辅助控制装置发出信号，驱动机床的各运动部件，并控制所需要的辅助运动。 （4）在机床上加工出合格的零件。1.2.1 输入装置 数控加工程序可通过键盘，用手动方式直接输入数控系统，还可由编程计算机用rs232c或采用网络通信方式传送到数控系统中。零件加工程序输入过程有两种不同的方式：一种是边读入边加工，另一种是一次将零件加工程序全部读入数控装置内部的存储器中逐段调出进行加工。1.2.2 数控装置数控装置是数控机床的中枢。数控装置从内部存储器中取出或接受输入装置送来的一段后几段数控加工程序，经过数控装置它的逻辑电路或系统软件进行编辑、运算和逻辑处理后，输出各种控制信息和指令，控制机床各部分的工作，使其进行规定的有序运动。零件的轮廓图形往往由直线、圆弧或其他圆弧曲线组成，刀具在加工过程中必须按零件形状和尺寸的要求进行运动，即按图形轨迹移动。但输入的零件加工程序只能是各线段轨迹的起点和终点坐标值等数据，不能满足要求。因此要进行轨迹，也是在线段的起点和终点坐标值之间进行“数据点的密化”，求出一系列中间点的坐标值，并向相应坐标输出脉冲信号，控制各坐标轴（即进给运动各执行部件）的进给速度、进给方向和进给位移量等。1.2.3 驱动装置和检测装置驱动装置接受来自数控装置的指令信息，经功率放大后，严格按照指令信息的要求驱动机床的移动部件，以加“出符号图样要求的零件”。驱动装置包括控制器（含功率放大器）和执行机构两大部分。目前大都采用直流或交流伺服电动机作为执行机构。检测装置将数控机床各坐标轴实际位移量检测出来，经反馈系统输入到机床的数控装置中。数控装置将反馈回来的实际位移值与设定值进行比较，控制驱动装置按指令设定值运动。1.2.4 辅助控制装置辅助控制装置的主要作用是接受数控装置输出的开关指令信号，经过编译、逻辑判断和运算，再经功率放大后驱动相应的电器，带动机床的机械、液压、气动等辅助装置完成指令的开关量动作。这些控制包括主轴运动部件的变速、换向和启停指令，刀具的选择和变换指令，冷却、润滑装置的启停，工件和机床部件的松开、夹紧、分度工作台转位等开关辅助动作。现在广泛采用可编程控制器（plc）作数控机床的辅助控制装置。1.2.5 机床本体数控机床的机床本体与传统机床相似，由主轴传动装置进给传动装置机身工作台以及辅助运动装置液压气动系统润滑系统冷却装置等组成。 2 普通ca6140车床数控改造总体方案的设计2.1 数控系统的选择设计计算机数控装置（cnc）即控制装置是数控机床的中心环节。它通过对加工程序的运行处理，发出控制信号，实现对加工过程的自动控制。 在经济型数控系统中，大多采用8位处理器的微型计算机，可采用zsocpu或mcs-51单片机组成的微机应用系统。由于单片机具有集成度高、性能价格比高、可靠性好、功能强和速度快等特点，本系统采用mcs-51作为控制微机。2.2 主传动系统的改造设计在对主传动系统进行改造时, 一般应尽量保留原主轴箱齿轮变速换档机构, 只把主轴的正转、反转和停转由原来的机械控制改变为由数控系统控制。当然, 此次改造为了扩大变速范围, 实现加工过程中的自动变速,采用交流调速电动机做车床主轴电动机以取代原来的主轴电动机，以实现无级调速；并简化原来传动系统，以达到多挡调速范围的确定 , 这样可以使机床性能更好。为了使改装后的机床主传动和进给传动保持必然的联系, 要在主轴箱内安装一个与主轴同步旋转的旋转脉冲编码器。 以保证具备螺纹加工的功能。2.3 伺服系统的改造设计由于是把普通机床改造设计为简易经济数控机床，所以在考虑具体方案时，基本原则是在满足需要的前提下，对机床尽可能减少改动量，以降低成本。总体改造如下：2.3.1 控制方式类型选择数控机床的伺服进给系统有开环控制、闭环控制和半闭环控制。开环系统：结构简单、工作可靠、造价低廉，但影响定位精度的机械传动装置的摩擦、惯量、间隙的存在，故精度和快速性较差。开环控制的定位精度一般为001002，不能满足横向最小运动单位0005/脉冲的要求。闭环系统：控制精度高、快速性好，但对机床的要求比较高，且造价较昂贵。闭环控制的定位精度一般为00010003，本设计属经济型数控改造，无须达到此精度。半闭环系统：结构简单、调整方便，在中小型性能要求较高的数控机床中应用较多，故本设计采用半闭环系统。原理图见图2-1。伺服电动机齿轮箱进给脉冲伺服放大器工作台比较环节反馈脉冲 测量角度图2-1 半闭环控制原理图2.3.2 伺服进给机构的改造纵向进给机构的改造:原来机床的溜板箱、光杠与丝杠即安装座，装上滚珠丝杠即其相应的安装装置，纵向驱动的步进电动机及减速箱安装在丝杠的右端，采用滚珠丝杠可以提高系统的精度和纵向进给的整体刚度。横向进给机构的改造 ：拆除原来横向进给的丝杠，换上滚珠丝杠；保留原来的横向手柄机构，横向步进电动机和减速箱安装在机床后侧。2.3.3 步进电动机的选用选用步进电动机，通过希望步进电动机的输出转距大，启动频率和运行频率高，步距误差小。但是，增大转距与快速运行存在一定的矛盾，高性能与底成本相矛盾。因此在实际选用步进电动机时，要考虑各方面因素。首先要保证机床的定位精度，而脉冲当量直接影响机床的定位精度。脉冲当量越小，机床的定位精度越高，但机床的快速进给速度就越小。为兼顾精度与速度的要求，应在满足精度的条件下，选择尽可能大的脉冲当量。脉冲当量确定后，以此为依据选择步进电动机的步距角和传动机构的传动比。2.3.4 丝杠螺母副卧式车床的进给丝杠都是滑动丝杠，即丝杠与螺母之间的摩擦为滑动摩擦。由于，滑动丝杠螺母副的摩擦大、转动效率低。在精度要求不高的情况下，可以仍用原机床的滑动丝杠。若要求机床精度和被加工精度较高的情况下，应将原机床的滑动丝杠螺母副改换成滚珠丝杠螺母副。考虑本设计的设计要求，选用滚珠丝杠螺母副代替原机床的滑动丝杠螺母副。2.3.5 机床导轨改造普通机床上的运动部件，如刀架、工作台都是沿着机床的导轨而运动的。导轨的作用就是支撑和导向，即支撑运动部件，并保持运动部件在外力的作用下，能准确的沿着一定方向运动。导轨的导向精度、精度保持性和低速运动平稳性，直接影响机床的加工精度要求、支撑能力和使用性能。数控改造时根据原机床导轨的磨损程度和加工精度要求，来确定导轨的结构形式。 2.4 自动转位刀架的选择设计数控机床的刀架是机床的重要组成部分。其结构直接影响车床的切削性能和效率。普通车床数控改造应将原来机床的普通手动转位替换成自动换位刀架，拆除原刀架和小滑板,替换为一个四工位电动刀架。 3 数控系统的选择3.1 概述在经济型数控系统中，大多采用8位处理器的微型计算机，可采用zsocpu或mcs-51单片机组成的微机应用系统。由于单片机具有集成度高、性能价格比高、可靠性好、功能强和速度快等特点，本系统采用mcs-51作为控制微机。计算机系统一般包括两部分：硬件电路：由微机部分、键盘及显示器、i/o接口及光电隔离、伺服电机驱动电路、检测电路等几部分组成。数控系统硬件框图（图5.1）。 软件：由主模块、子程序模块和中断处理模块等几部分组成。工作时，键盘输入零件加工程序。8位数码管显示工作状态和加工中的有关数据，工作前用波段选择编辑、手动、自动3档。微机对数据进行计算处理，由i/o接口输出步进脉冲。3.1.1 主控制器rmcs-51系列单片机有8031,8751,8051三个不同的品种。其中8051片内有4k om;8751片内有4k eprom,8031片内没有程序存储器，使用时必须在片外扩展eprom和ram.以上三个品种的共同特点是共有i/o线32条，有两个16位的定时/计数器，有5个中断源，有全双工申请通信接口，有片内ram共128个字节，有21个特殊功能寄存器等。可见mcs-51系列单片机是一种功能强的微机芯片，在智能仪表、数控等领域应用极为广泛。3.1.2 可编程接口芯片8155此芯片与微机连接较简单，是微机系统广泛采用的接口芯片，它具有40条引脚的双列直插式ram、i/o、ctc控制器，含256个字节的ram存储器，一个6位，两个8位可编程i/o接口，一个14位可编程的定时器/计数器。3.1.3 键盘、显示接口电路键盘、显示器是数控系统常用的人机交互的外围设备，可完成数据的输入和计算机状态数据的动态显示。采用行列式键盘，即用i/o接口线组成行、列结构，按键设置在行列的交点上。采用8155接口芯片管理的键盘、显示电路，由58键和7位led显示器组成，为了简化电路，键盘的列线及led显示器的自位控制共用一个接口，即8155芯片的a接口。键盘的行线由芯片接口控制，显示器的字型数据由芯片的b接口控制。见图3-2图3-2 数控系统硬件图 3.2 计算机数控（cnc）系统简介计算机数控系统是用计算机控制加工功能，实现数值控制的系统。cnc系统根据计算机存储器中存储的控制程序，执行部分或全部数值控制功能。由一台计算机完成以前机床数控装置所完成的硬件功能，对机床运动进行实时控制。cnc系统由程序、输入装置、输出装置、cnc装置、plc、主轴驱动装置和进给驱动装置组成。由于使用了cnc装置，使系统具有软件功能，又用plc取代了传统的机床电器逻辑控制装置，使系统更加小巧，灵活性、通用性、可靠性更好，易于实现复杂的数控功能，使用、维修也方便，并且具有与上位机连接及进行远程通信的功能。微处理器数控（mnc）系统的组成 大多数cnc装置现在都采用微处理器几个的计算机装置，故也可称微处理器数控系统。mcn一般由中央处理单元（cnc）和总线、存储器（rom，ram）、输入/输出（i/o)接口电路及相应的外围设备、plc、主轴控制单元、速度进给控制单元等组成。3.2.1 中央处理单元（cnc）和总线(bus)1 cpu是微型计算机的核心，由运算器、控制器和内寄存器组成。它对系统内的部件及操作进行统一的控制，按程序中指令的要求进行各种运算，使系统成为一个有机整体。2 总线（bus）是信息和电脑公共通路的总称，由物理导线构成。cpu与存储器、i/o接口及外设间通过总线联系。总线按照功能分为数据总线（db）、地址总线（ab）和控制总线（cb）。3.2.2 存储器存储器用于存储系统软件（管理软件和控制软件）和零件加工等，并将运算的中间结果和处理后的结果（数据）存储起来。数控系统所用的存储器为半导体存储器。3.2.2.1 半导体存储器的分类 随机存储器（只读存储器）ram用来存储零件加工程序，或作为工作单元存放各种输出数据、输入数据、中间计算结果，与外存交换信息以及堆栈用等。其存储单元的内容既可以读出又可写入或改写。只读存储器rom专门存放系统软件（控制程序、管理程序、表格和常数）的存储器，使用其存储单元的内容不可改变，即不可写入而只能读出，也不会因断电而丢失内容。3.2.3 输入/输出（i/o）接口电路及相应外部设备3.2.3.1 i/o接口 指外设与cpu间的连接电路。微机与外设要有输入输出数据通道，以便交换信息。一般外设与存储器间不能直接通信，需靠cpu传递信息，通过cpu对i/o接口对读或写操作，完成外设与cpu间输入或输出操作。cpu向外设送出信息的接口称为输出接口，外设向cpu传动信息的接口称输入接口，此外还有双向接口。 微机中i/o接口包括硬件电路和软件电路两大部分。由于选用的i/o设备或接口芯片不同，i/o接口的操作方式也不同，因而应用程序也不同。i/o接口硬件电路主要由地址译码、i/o读写译码和i/o接口芯片（如数据缓冲器和数据锁存器等）组成。在cnc系统中i/o的扩展是为对象或外部设备通过输入/输出通道，实现机床的控制和管理功能，如开关量控制、逻辑状态监测、键盘、显示器接口等。i/o接口电路与其相连的外设硬件电路特性密切相关，如驱动功率、电子匹配、干扰抑制等。3.2.3.2 外设i/o设备及i/o接口mdi/crt接口手动数据输入是通过数控面板上的键盘进行操作的。当cpu扫描到按下键的信号时，就将数据送入位移寄存器，其输出经过报警检查。若不报警，数据经选择门、位移寄存器、数据总线送入ram中；若报警则数据不送入ram。数据输入/输出串行接口cnc装置控制对立的单台机床时，通过需要与下列设备相接并进行数据的输入输出。 (a)数据输入输出设备 如光电纸带阅读器（ptr)、纸带穿孔机（pp）、打印和穿复设备（tty)、零件的编程机和可编程控制器的编程机等。(b)外部机床控制面板 尤其是大型机床，为操作方便常在机床上设外部机床控制面板，可分为固定式或悬挂式两种。(c)通用的手摇脉冲发生器。（d)进给驱动和主轴驱动线路 一般情况下它们与cnc装置装在同一机柜或邻机柜内，与cnc装置通过内部连接相连，它们之间不设置通用输出输入接口。此外，cnc装置还要与上级主计算机或dnc计算机直接通信，或通过工厂局部网络相连，从而具有网络通信功能。3.2.3.3 机床的i/o控制通道机床的i/o控制通道是指微机与机床之间的联系电路。计算机数控系统对机床的控制，通常由数控系统的i/o控制器和i/o控制软件共同完成。i/o控制器的功能特点 （a)能够可靠地传递控制机床的相关控制信息，并能够输入控制机床所需的有关状态信息。(b) 能够进行相应的信息转换，以满足cnc系统的输入与输出要求。(c)具有较强的阻断干扰信号进入计算机的能力，以提高系统的可靠性。3.3 数控系统硬件部分设计机床数控系统设计在应用工作中，软件设计是一个重要方面。软件设计与硬件设计是不可分割的，二者必须结合，那些能由硬件完成，哪些能由软件完成，在硬件设计基本定型后，分工也就基本确定下来了，这是软件工作才开始。3.3.1 cnc系统的硬件结构3.3.1.1 单微处理机与多微处理机结构（1）单微处理机结构这种结构只有1个微处理机，采用集中控制、分时方法处理数控的各个任务。有cnc装置有2个以上的微处理机，但其中只有1个微处理机能够控制系统总线，占有总线资源，而其它微处理机成为专用的智能部件，不能控制系统总线，不能访问主存储器，它们组成主从结构。这类结构也属于单微机结构。在这种单微机结构中，所有的数控功能和管理功能都由1个微机完成，因此cnc装置的功能将受到微处理器的字长、数据宽度、寻址能力和运算速度等因素的影响和限制。（2）多微机处理结构有些多微机处理结构中，有2个或2个以上的微机理机构成处理部件，处理部件之间采用紧耦合，有集中的操作系统，并共享资源。有些多微机处理结构则有2个或2个以上的微处理机构成的功能模块，功能模块之间采用松耦合，有多重操作系统，能有效实现并行处理。这种结构中的各处理机分别承担一定的任务，通过公共存储器或公用总线进行协调，实现各微机间的互联和通信。多微处理机的结构特点a 性能价格比高。 多微机结构中的每个微机完成系统中指定的一部分功能。独立执行程序。它比单微机提高了计算的速度，适于多轴控制、高速进给速度、高精度、高效率的数控要求。由于系统采用共享资源，而单个微处理机的价格又比较便宜，使cnc装置的性能价格比大为提高。b采用模块化结构，有良好的适应性和扩展性。多微机的cnc装置大都采用模块化结构，可将微处理器、存储器、i/o控制组成独立微机级的硬件模块，相应的软件也采用模块结构，固化在硬件模块中。硬软件模块形成特定的功能单元，称为功能模块。功能模块间有明确定义的接口。接口是固定的，符合工厂标准或工业标准，彼此可以进行信息交换。这样可以积木式地组成cnc装置，使cnc装置设计简单、适应性和扩展性好、试制周期短、调整维护方便、结构紧凑、效率高。c硬件易于组织规模生产。由于硬件是通用的，容易配置，只要开发新的软件就可构成不同的cnc装置，因此多微处理机结构便于组织规模生产，且保证质量。d有很高的可靠性。多微处理机cnc装置的每个微机分管各自的任务，形成若干模块。如果某个模块出了故障，其他模块仍照常工作，而不像单微机那样，一旦出故障就整个系统瘫痪。而且插件模块更换方便，可使故障对系统的影响减小到最小。另外，由于多微机的cnc装置可进行资源共享，省去了一些重复结构，不但降低了造价，也提高了系统的可靠性。 3.3.1.2 大板式结构与功能模块式结构 a大板式结构大板式结构cnc系统的cnc装置由主电路板、位置控制板、plc板、图形控制板和电源单元等组成。主电路板是大印刷电路板，其他电路是小印刷电路板，它们插在大印刷电路板上的插槽内，共同构成cnc装置。大板式结构示意图：见图3-3。 图3-3 大板式结构示意图b 功能模块式结构在采用功能模块式结构cnc装置中，整个cnc装置按功能划分为模块，硬件和软件的设计都采用模块化设计方法，即每个功能模块被做成尺寸相同的印刷电路板，而相应功能模块的控制软件也模块化。这样形成一个“交钥匙”cnc系统产品系列，用户只要按需要选用各种控制单元母板及所需功能模板，再将各功能模板插入控制单元母板的槽内，就搭成了自己需要的cnc系统控制装置。常见的功能模块有cnc控制板、位置控制板plc板、图形板、通信板及主存储器模板等6种。另外，机床操作面板的按钮箱也是标准化的，上面有由用户定义的按键。用户只要按产品的型号、功能把各功能模块、外设、相应的电缆（带插头）及按钮箱（机床操作面板及mdi,crt）刚买回来，经组装连接便可，从而大大方便了用户。3.4 数控系统软件部分设计3.4.1 概述软件设计工作,按其功能可分两类:一类是执行软件，它能完成各种实质性的功能，如步进电机控制、插补、误差补偿计算、反馈量的处理、零件加工程序、显示输出等；另一类是监控软件，它是控制微机系统按预定的操作方式运转的程序，它完成人机通信，并协调执行程序和操作者之间的关系，在软件中充当组织调度的角色，如系统自检、初始化、处理键盘命令、处理揭开命令等。但执行软件和监控软件没有明确的界限和固定功能划分。习惯上把键盘程序作为监控程序，其它任务都分散在特定功能执行程序中 ，并由监控程序调用必要的功能模块，完成预定的任务。在进行软件设计时，应从全局着眼，先将整个系统按功能分成一个一个的模块，并为每一个执行模块定义，然后设计出每一个具体模块的程序，最后组成一个整体系统。不仅整个系统的程序结构可具有模块化的特性，而且其模块内部有可以细分为小模块。模块特性对测试很有利，功能扩充也很方便，要增加新功能，只要增加新模块就能实现，象堆积木一样。因此，这样的模块程序设计方法，思路清晰、逻辑性强、柔性较强。3.4.2 插补控制软件 数控系统的软件包括插补、刀具补偿、升降补偿、升降处理、位置控制等功能模块，下面只介绍其中插补程序软件：3.4.2.1 插补软件插补是数控机床中一种脉冲分配计算，合理的分配计算能保证数控机床连续的轨迹运动。逐点比较法在数控系统中应用很广，它不仅应用于直线和圆弧插补，还可以应用于其它二次曲线插补，例如椭圆、抛物线和双曲线等。下面只是以直线和圆弧为例来叙述逐点比较法的软件设计方法。（1）直线插补下面程序是四个子程序中第一象限的子程序，只须加以修改即可。改程序用mcs-51指令编写，电机采用步进电机，采用8255并行接口的a、b两端口进行控制,直线插补软件运行过程见图3-4。开始初始化x0、y0、j恢复判别yesnof等于0？恢复判别坐标进给+x走一步+y走一步xffy偏差判别j j-1终点判别noj=0yes图3-4 直线插补程序框图结束程序中，motr是步进电机控制地址，即软件环分器的人口地址。若采用硬件环分，则该程序只需做两件事：判别正、反转控制字，同时向相应电机输出一个脉冲。若采用软件环分，则除了判别正、反转控制外，还必须进行查表或者其它方式（如循环移位），输出电机控制字。下面是直线插补的内存分配表见表3-1。 表3-1 内存分配表 内存单元地址内存内容28h终点坐标sezhi3229h终点坐标sezhi322ah插补 x2bh插补 y2ch插补 a70h控制电机正、反转的控制字14h计数器org 2300hmain: mov sp,#60h ;主程序开始 mov ro,#t8255 ;8255初始化 mov a,#80h movx aroalor4: mov 28h,#oc8h ;xe mov 29h,#oc8h ；ye mov 2ah,#ooh ;x mov 2bh,#00h ;y mov 2eh,#00h ;f mov a, 2ehlop3: mov a,2ea jb acc.7,lop1 mov a,70h setb acc,0 clr acc.2 mov 70h,a ;ob+x lcall motr ;调环行分配器子程序，x方向走一步 lcall delag mov a, 2eh subb a,29h ;f-ye inc 2ah ;x+1 ajmp lop2lop1：mov a,70h setb acc.2 clr acc.2 mov 70h,a ;og+y lcall motr lcall delay mov a,2eh add a,28h ;f+xe inc 2bh ;y+1lop2: mov 2eh mov a, 28h cjne a,2a,lop3 ;xe=x?st： mov ro,#t8255 ;关8255 mov a,#00h mov ro,a ljmp st（2）圆弧插补与直线插补一样，这里介绍第一象限园的情况。其步骤为：a偏差计算；b进给脉冲的分配；c终点判别3.4.2.2 程序诊断在绝大多数的cnc系统中，都配有一定规模的诊断程序，这是cnc系统的一个主要的点。有了较完善的诊断程序（如存储器诊断、定时器、中断及可编程i/o的诊断），就可以防止故障的发生和扩大，就是在出现故障时也可以及早查明故障类型及部位，以便迅速排除，减少停机时间。诊断有rom的诊断、ram的诊断、定时器诊断、中断功能的诊断。3.4.3 接口电路设计3.4.3.1 单片机和主机（pc机）的连接 串行通信是cpu与外界交换信息的一种基本通讯方式。单片机用数据采集时，往往作为前端机安装在工业现场，远离主机，现场必须采用串行通信方式发往主机进行处理，以降低通信成本，提高通信可靠性。51系列单片机自身有全双工的异步通信接口，实现串行通信很是方便。片机和pc的串行通信接口电路图见图3-5。图3-5 单片机和pc机的串行通信接口3.4.3.2 8031单片机接口的扩展在使用单片机的实时控制系统中，往往需要通信的外部设备或控制对较多，单片机本身的i/o无法满足要求，因此需要扩展i/o口。维护可以把mcs-51的64kb数据存储器地址空间的一部分作为外部i/o的地址空间，cpu向访问外部ram单元一样读写扩展的i/o口。3.4.3.3 键盘/显示接口芯片82978297的主要性能a提供了硬件扫描键盘接口，可连接8行8列的矩阵键盘。b键盘接口可接开关式传感器矩阵或者其开关输入量。c具有动态扫描显示器接口，可接16个8段数码显示器。显示数据采用右端或左端送到。d键盘和显示器扫描信号及扫描间隔由内部定时控制逻辑和扫描计数器完成。扫描信号具有编码输出和译码输出两种方式等功能。3.5 光电隔离电路 为了防止强电干扰其他信号通过i/o控制电路进入计算机，影响其工作，通常的办法是采用滤波吸收，抑制干扰信号的产生，然后采用光电隔离的方法，使微机与强电部件不共地，阻断干扰信号的传导，光电隔离电路主要由光电转换元件组成。当控制信号为高电平时，经反向后，加到发光的低电平上，因此，发光二极管不导通，没有光发出/这时光敏三极管截止，输出信号几乎等于加在光敏三极管集电极上的电源电压。当控制信号为低电平时，发光二极管导通并发光 ，光敏三极管接受发光二极管发出的光而导通，于是输出端几乎等于零。实现不同要求的电平合伙者极性转换。光电耦合电路有以下作用：(1) 可将输入与输出端两部分电路的地线分开，各自使用一套电源供电；(2) (2)可以进行电平转换电路见图3-6，通过光电耦合可以很方便地把微机的输出信号变为12v;(3) 提高驱动能力。图3-6 光电隔离电路4 主传动部分改造与设计4.1 概述数控车床的主传动系统承受主切削力的传动运动，它的功率大小与回转速度直接影响着机床的加工效率，而主轴部件是保证机床加工精度和自动化程度的主要部件，它们对数控车床的性能有着决定性的影响。数控车床的主传动系统广泛采用交直流主轴电动机，这就使得主传动的功率和调速范围较普通机床大为增加。同时为了进一步满足对主传动调速和扭矩输出的要求，在数控机床上常采用机电相结合的方法，即同时采用电动机调速和机械齿轮变速这两种方法。其中，通过齿轮减速来扩大输出扭矩，利用齿轮换档来进一步扩大调速范围。尽管如此，数控机床的主传动变速机构仍较以往的普通机床有了极大的简化，主轴箱内各种零件如轴、齿轮、轴承等的数量都大大减少，这使得可能出现机械故障的部位也大为减少。 思路: 改换主轴电动机，换成调速电动机，通过对电动机的变频调速控制再加以简单的齿轮调速来实现自动变速，齿轮调速部分用电磁离合器控制齿轮啮合， 主轴变频调速系统原理图见图4-1。cnc 图4-1主轴变频调速系统原理图 4.2 与普通机床比较，数控机床主传动系统具有以下特点 1）转速高、功率大。使数控机床能进行大功率切削和高速切削，实现高效率加工。2）变速范围宽。一般rn100，以保证加工时能选用合理的切削用量，从而获得最佳的生产率、加工精度和表面质量。3）主轴变速迅速可靠。数控机床的变速是按照控制指令自动进行的，因此变速机构必须适应自动操作的要求。4.3 数控机床主传动系统的设计要求1）主轴具有一定的转速、足够的转速范围和一定的转速级数，能够实现运动的开停、变速、换向和制动。2）主电动机具有足够的功率，全部机构和元件具有足够的强度和刚度，以满足机床的动力要求。3）主传动的有关结构，特别是主轴组件要有足够的精度、抗振性，热变形和噪音要小，传动效率要高，以满足机床的工作性能要求。 4）操纵灵活可靠，调整维修方便，润滑密封良好，以满足机床的使用要求。 5）结构简单紧凑，工艺性好，成本底，以满足经济性要求。4.4 主传动部分改造设计计算 根据要求粗选车床主轴变速范围： 粗步估算电动机功率 根据统计分析法: 式(3.1) 式中p-机车最大加工功率； d-机车的最大加工直径； d取400mm 所以 4.4.1 切削力参数的确定 切削力: 式(3.2) 式中f-切削力； 查表4-1得： 表4-1 查表(据金属切削原理）粗加工精加工切削深度461.02.0进给量0.80.40.20.4切削速度80110120150估算最小最大的切削力: 切削功率： 式（3.3）则最小最大的切削功率为: 主电动机功率： 式（3.4） 式中 -主传动链的总效率； pz-主电动机功率； 取=0.9 则最小最大的总效率： 根据计算选用11k的电动机;yd160l-4 最高转速 额定转速 4.4.2 确定变速级数z和公比q主轴计算转速: 式（3.5）式中 nr-主轴计算转速； nmin-最小转速； nmax-最大转速； 则 主轴恒功率变速范围： 式（3.6）即 电动机恒功率变速范围： 式（3.7）即 公比： 即 齿轮变级通常为24当z取2时: 当z取3时: 当z取4时： l 若选用z=2 式(3.9)即 l 若选用z=3 功率降低区的最小输出满载功率为2.0kw、7.25kw，与机床要求的最大功率相差太大，故不能采用。l 若选用z=4 符合机床功率要求4.4.3 主轴参数计算主轴恒转矩变速范围： 式（3.10）即 因为主轴和电动机的恒转距变速范围应相等，即： 主电动机的最低转速： 式(3.11)即 电动机额定转矩： 式(3.12)即 主轴计算转速： 主轴恒功率变速范围： 式（3.13）即 分级变速机构的变速范围 式(3.14)即 主传动系统总降速比： 式（3.15）即 4.4.4 分段无级变速传动方案确定由前面计算得：、令： 试取查表2.3-4取则 : 故取： 由以上计算得： 取 故取: 根据原机床的机床说明书取： ,所以: 因为齿轮、轴、轴承的型号大小与原机床无太大的改动，所以这里就不作强度、刚度的校核。 4.4.5 主轴编码器的选择和安装 （1) 改造后的机床为实现其螺纹加工还需配置主轴脉冲发生器作为车床主轴位置信号的反馈元件。它与车床主轴同步运行，采用主轴运动时的数据信息，发出主轴转角位置变化信息，输入到数控系统内，再由数控系统通过软件控制，以保证主轴每转一转时，螺纹车刀也同步在纵向进给一个螺纹，并保证螺纹加工中分几次切削时不发生乱扣，即每次螺纹切削进刀位子一致。主轴脉冲发生器一般采用增量式光电编码器， 主轴编码器的安装图见图4-1。 图4-1 主轴编码器的安装 (2) 经济型数控车床上加工螺纹或丝杠，须配置主轴编码器作为车床主轴位置信号的反馈元件，它与车床主轴同步转动，发出主轴转角位置变化信号，输送到数控系统中。在使用主轴编码器时，受到步进电动机频率的限制。采用1000hz工作频率 加工3mm螺距的螺纹时 步进电动机频率为300hz 主轴编码器的频率为 车床主轴转速 即车床主轴转速不得超过200r/min主轴编码器的频率提高到2000 hz，主轴转速也仅达到400r/min。由此可见，当螺距越大时，允许的车床主轴转速也就越低。主轴编码器的安装通常采用两种方式：一、同轴安装，二、异轴安装。同轴安装方式是直接与机床主轴的后端相连接，这种方式结构简单，但缺点是安装后不能加工穿出车床主轴的零件;异轴安装方式是通过桥齿轮或同步齿轮带传动，使主轴与光电编码器同步传动，其结构复杂，但避免了前述同轴安装的缺点。本设计采用异步安装方式。须注意的是，主轴编码器属精密元件，安装时应格外小心，以免损坏。另外，在使用中还应注意最高许用转速，使用时车床主轴不能超过此转速。根据实用机床设计手册知：当时，在变速箱的每档内会使一部分低转速的传动功率下降，按恒转矩方式变速，在p-n曲线上会出现“缺口”，曲线上的缺口则称为功率降低区;当时，可保证主轴在自计算转速至最高转速范围内全部为恒功率，p-n曲线上无“缺口”，可以充分利用主电动机的功率（该机床主轴传动系统图见图4-2）。 图4-2 主传动系统图 电磁离合器是应用电磁效应接通或切断的元件，它便于实现自动操作，能简化变速系统。给图中齿轮装上电磁离合器，通过传动轴上的离合器吸合和分离的不同组合来改变此轮的传动路线，实现自动变速。 5 伺服系统的改造设计5.1 概述数控机床伺服进给系统主要由伺服驱动控制系统与进给机械传动机构两大部分组成。进给机械传动系统通常由减速齿轮、滚珠丝杠、机床导轨和工作台拖板等组成。伺服进给系统的作用是接收数控系统发出的进给速度和位移指令信号，由伺服驱动电路作转换和放大后，经伺服驱动装置（直流、交流伺服电动机、功率步进电动机、电液脉冲马达等）和机械传动机构，驱动机床的工作台、主轴刀架等执行部件实现工作进给和快速运动。数控机床的伺服进给系统与一般机床的进给系统有本质的差别，它能根据指令信号精确地控制执行部件的运动速度与位置，以及几个执行部件按一定规律运动所合成的运动轨迹。5.2 伺服进给系统的基本要求：(1)精度要求 伺服系统必须保证机床的定位精度和加工精度。对于低档型数控系统，驱动控制精度一般为0.01mm:；而对于高性能数控系统，驱动控制精度为1um甚至0.1um。(2)响应速度 为了保证轮廓切削形状精度和加工表面粗糙度，除了要求有较高的定位精度外，还要有良好的快速响应特性，即要求跟踪指令信号的响应要快，(3)调整范围 调整范围rn是指生产机械要求电动机能提供的最高转速nmax和最低转速nmin之比。为保证在任