C616车床经济型数控化的改造VIP

目 录 一、 序言 . 3 二、设计题目 . 4 三、 机械设计部分 . 5 四、电气部分 . 13 五、课程设计小结 . 30 六、参考文献 . 31 第 2 页 共 30 页 序言 面对日趋激烈的竞争形势，企业只有不断开发适销对路的新产品，才能保持其旺盛的生命力，而具有高精密、柔性化、高效率的特点的现代化自动化制造系统是企业开发和创新产品的保证。我国是一个工业化相对落后的地区。虽拥有大量的机械加工设备，但还不能适应制造业的多品种、小批量的生产方式。所以，加工中心数控系统等加工设备为大多数制造商所青睐，但不菲的价格成为企业 创新的瓶颈。 目前，在机械加工工业中，绝大多数是日式机床，如果改用微机控制，实现机电一体化的改造，会使机床适应小批量、多品种复杂零件的加工，不但能提高加工精度和生产率，而且成本低、周期短，适合我国国情，有利于我国加工业的发展。 第 3 页 共 30 页 设计题目： 床经济型数控化的改造 设计内容： 1. 设计采用步进点击伺服机构的开环机床数控系统，控制对象为机床进给系统的 X、 2. 总体方案设计包括机械、电器、微机部分的选择与设计。 3. 机械部分：对纵向进给系统进行机械结构设计，并画出纵向进给系统的装配图。 4. 设计一步进电机驱动电路包括环形分配程序设计，光电耦合器和功放电路的设计及其与微机的接口电路。画出驱动电路图。 5. 软件设计。 第 4 页 共 30 页 机械部分设计 一机电一体化对接卸部分的要求 1低摩擦导轨（滚动摩擦）精密丝杠（滚珠丝杆）。 2无传动间隙（用丝杠螺母副消除间隙）。 3高刚度。 4高谐振频率。 5低惯量（以提高稳定性和响应特性）。 二设计已知条件 1工作台质量 W=800N 2启动加速时间 50脉冲当量 =快速进给速度 =2m/工 作台行程 640滚珠丝杠基本导程 =6步进电机步距角 =机械设计计算 1切削力计算 有金属切削原理可知， m/ 120(对与 1%2%，因此可忽略。 又，因为 e 第 5 页 共 30 页 床电机功率，查机床书说明可知 电机到主轴传动机构的机械效率：取 *通车床加工工 件时，当采用硬质合金刀具时，其最小和最大切削速度为100m/00m/ v=100m/ 120Pm/v=6120*3/100=800N 当刀具 5，忍倾角 s =0，前角 0 =15时， 间有以下近似关系： 1800=720N 1800=900N 2丝杠所受轴向力的计算： 查机电一体化系统设计手册知： 对于三角形综合导轨的车床丝杠的轴向工作负载 （ ） 式中： 切削分力 G 移动部件的重量 导轨上的摩擦系数 K 考虑颠覆力矩影响的实验系数 其中，对于三角形或综合导轨 K= =杠所受轴向力 （ ） 第 6 页 共 30 页 =720+1800+800） （ 1） 强度计算： 寿命值 L=60： 丝杠转速， T：使用寿命系数，对于数控机床 T=15000h 001000=1 0 0 0 1 0 0 0 1 4 8 0 6=20r/中： 主运动转速， v=1000m/削速度。 f=r 为进给量。 D=80 0l =6丝杠导程 则： L=60 20 15000/ 610 =18 最大动载荷，由机电一体化系统设计查得： 3 寿命值 L=18 载荷系数 稳或轻度冲击） 硬度系数 1（ 58） 则最大动载荷 3 1 8 1 1 . 2 1 2 4 4 = 3 9 1 2 . 2 4 N 查机电一体化技术手册 丝杠型号： 关参数：中径 0d =25 大径 d=导程 0l =6螺旋角 =4 22 滚珠直径 6d =螺母长度 l =86定动载荷 9610N 易知 则 强度符合要求。 第 7 页 共 30 页 （ 2） 刚度验算： 因扭矩 据公式 L = 0 工作负载； 0l 滚珠丝杠的基本导程； E 弹性模量对于刚 E=710 N/ 2 S 丝杠的横截面积。 内径： 1d = 60 = =211 =14 2（ =则 L = 071 2 4 4 0 1 1 0 4 = 610 杠受拉伸，取 L =610 意 300 =0 30= 61 0 0 8 . 2 7 1 0 0 . 30 . 6 =410 机械设计手册可知 任意 300差为 15 5，故，刚度满足要求。 （ 3）稳定性验算 丝杠螺纹长度 工作台行程 l +螺母长度 l +2余程 由机电一体化系统设计手册查得：余程 24 64062474机电一体化系统设计手册查知： 丝杠实际承受载荷的能力： 22 /f E I K l式中 2 支撑方式选择双推 简支 E：刚的弹性模量 0 N/ 2 第 8 页 共 30 页 I 丝杠内径 1d 的抗弯截面惯性矩（ I= 4 44111 3 . 1 4 2 . 3 4 1 . 4 76 4 6 4 ） K 压杆稳定安全系数，取 4. 27 422 3 . 1 4 2 . 1 1 0 1 . 4 7 2 . 5 4 1 04 7 7 . 4 =25400N 杠满足稳定性要求。 3齿轮计算 纵向进给脉冲当量： 0 . 0 1 /p m m p 滚珠丝杠导程： 0l =6进电机的步距角： =： 0 0 . 7 5 6 0 . 2 5360? 3 6 0 0 . 0 1 取 1z =28 2z =35 m=2b =282 5 2 8 5 3 3b b m m 取 20 11 2 . 5 2 8 7 0d m z m m 22 2 . 5 3 5 8 7 . 5d m z m m *11 2 7 0 2 2 . 5 7 5d h m m m *22 2 8 7 . 5 5 9 2 . 5d h m m m 4等效转动惯量计算： 齿轮选用 45钢，近似看作圆柱体 齿轮 1： 11 4 4 4 4 2 4 217 . 8 1 0 7 . 8 7 . 5 3 . 3 1 0 8 . 1 4 8 . 1 4 1 0d b k g c m k g m 齿轮 2： 22 4 4 4 4 2 4 227 . 8 1 0 7 . 8 9 . 2 5 2 . 8 1 0 1 5 . 9 9 1 5 . 9 9 1 0d b k g c m k g m 丝杠转动惯量的近似计算： 第 9 页 共 30 页 支撑跨距 l =1200 4 4 4 2 4 27 . 8 1 0 7 . 8 2 . 5 1 2 0 1 0 3 . 6 6 3 . 6 6 1 0J s d l k g c m k g m 等效转动惯量： 222 1114 式中 里选用快速进给速度 2m/ 则 电机） = 2 0 . 7 5 4 1 6 . 6 7 / m i 3 6 0 0 . 0 1pv r 溜 工作台质量 W=80 1 12 3 3 3 . 3 / m i 电机转动惯量 预选 424 . 6 1 0mJ k g m 则 122 2 2 4 22128 0 / 2 5 . 7 8 6 1 04 4 1 6 . 6 7m Z Z k g m J m J J J i k g 5所需转动力矩的计算 快速空载启动时所需力矩： m a x 0 M M 最大切削负载时所需力矩： 0a t f M M M 快速进给时所需力矩： 0 M 式中： 空载启动时折算到电机轴上的加速度力矩。 折算到电机轴上的摩擦力矩。 0M 由于丝杠预紧所引起，折算到电机轴的附加摩擦力矩。 切削时折算到电机轴上的加速度力矩。 折算到电机轴上的切削负载力矩。 4109 . 6M N 当 时， 第 10 页 共 30 页 m a 0 0 1 . 2 5 4 1 6 . 7 / m i 4m a x 2 5 . 7 8 6 1 0 4 1 6 . 7 2 . 2 4 2 2 49 . 6 0 . 0 5 m N c m 当 时， at 0010001 0 0 0 1 0 0 0 . 3 1 . 2 5 2 4 . 8 8 / m i 1 4 8 0 6tv 主 42 5 . 7 8 6 1 0 2 4 . 8 8 0 . 1 3 4 1 3 . 49 . 6 9 . 6 0 . 0 5 m N c 摩擦力矩 0 0 02 9 . 6f F l f w lM 当 =f = 0 . 1 6 8 0 0 6 1 2 . 2 32 3 . 1 4 0 . 8 1 . 2 5f c m 附加摩擦力矩 00 200=12i 当 0 =加载荷0 1=3 20 200 7 2 0 0 . 6 1 0 . 9= 1 4 . 3 66 6 3 . 1 4 0 . 8 1 . 2 5 c 切削力矩 0 7 2 0 0 . 6= 6 8 . 7 92 2 3 . 1 4 0 . 8 1 . 2 5 c 所以快速空载启动所需力矩： m a x 0 2 2 4 1 2 . 3 3 4 . 3 6 2 4 0 . 5 9 M M N c m 切削时所需力矩 0 1 3 . 4 1 2 . 3 3 4 . 3 6 6 8 . 7 9 9 8 . 7 8a t f M M M N c m 第 11 页 共 30 页 快速进 给时所需力矩 0 1 2 . 3 3 4 . 3 6 1 6 . 5 9 M N c m 由以上分析可知： 所需最大力矩 生在快速空载启动时， m a x 2 4 0 . 5 9 2 . 4 0 5 9M N c m N m。 6步进电机的选择 启动力矩 m a x 2 . 4 0 5 9 6 . 0 1 50 . 3 0 . 5 0 . 4q m 电机采用三相六拍方式，查机电一体化系统设计表 3 m a x/ 0 m a x 6 . 0 1 5 6 . 90 . 8 7 0 . 8 7M N m 由机电一体化 系统设计表 3 选取 110参数： 外径： 110度： 160 轴径： 11 步距角： 重量： 60N 第 12 页 共 30 页 电气部分设计 微型计算机的应用已深入到机床数控系统，在本设计中所谓经济型计算机数控采用八位微机系统与步进电机驱动系统组成开环两坐标进给的简易数控系统。 电器部分设计包括硬件电路的设计和软件设计两部分 一 数控系统的硬件电路设计 硬件是数控系统的组成，其性能的好坏直接影响整个系统的工作性能。有了硬件，软件才能有效地运行，数控系统的 基本硬件电路由以下及部分组成：控制器、存储器、接口电路、光电隔离电路、功率放大电路。 1 控制器 本系统采用 808统作为数控系统的控制器件。 （ 1） 一般计算机的性能指标有速度、字长、内存的大小、软件配置等。 808 一般由 I/O 电路、存储器三部分组成。 （ 2） 时钟脉冲频率是计算机工作速度的主要因素， 8082 存储器 20 位的地址在 可寻址 1M 字节的内存空间，而机构内的存储器是 16位的，只能寻址 64808 系统把 1M 存储空间分成若干个逻辑段，每个逻辑段容量 64此， 1M 存储器空间 可分成 16个逻辑段，每个逻辑段允许在存储器空间浮动，即段与段之间可以部分重叠、完全重叠、连续排列、断续排列，非常灵活，在整个存储空间中可设置若干个逻辑段，对任意一个物理地址可以唯一的被包含在一个逻辑段内，也可以包含在多个相互重叠的逻辑段内，只要有段基地址和段内偏移地址，就可以访问到这个物理地址所对应的存储空间。 在 808 存储空间中，把 16存储空间称作为一节，为简化操作，要求各 第 13 页 共 30 页 个逻辑段从节的整数边界开始，也就是说段首地址的高 16 位称作段基址，存放在段寄存器内，段间偏移地址存放在 3 光电耦合电 路 光电耦合电路在微机系统中具有非常重要的作用，其通过发光二极管的光辉推动光敏三极管导通，从而实现通信系统中的光电隔离。 光电耦合电路的作用： （ 1） 隔离功能：是微机与现场隔离，防止现场信号窜入微机，从而保证微机可靠工作。 （ 2） 实现信号电平转换：将来自微机的输出信号电平很方便地转换为执行机构所需的信号电平或将来自生产现场的信号电平转换为微机所需要的信号电平。 （ 3） 负载驱动：达林顿管可将电流放大很多，具有较强的负载驱动能力。 8255可直接用高电平来推动三极管驱动发光管，由于 8255A 在上电复 位时，端口初置为输入状态即高阻状态，为不使开机输出额外的信息，三极管基极应拉成低电平。 4 功率放大电路 功率放大电路分为单电源和双电源。单电源线路简单，但效率不高，所以选用双电源型。双电源型采用高低压供电电路，如下图： 第 14 页 共 30 页 工作原理： 无脉冲输入时， 截止，电动机绕阻 W 无电流通过，电动机不转： 有脉冲输入时， 集电极电流，也就是脉冲变压 一次电流急剧增加，在变压器二次侧感生成一个电压，使 80高压管 上，使电流迅速上升，当 入稳定状态后， 次侧电流暂时恒定，无磁通量变化，二次侧的感应电压为零， 时 12 上并维持绕阻中的电流，输入脉冲结束后， 都截止，储存在 W 中的能量通过 18欧姆的电阻和 电路由于采用高压驱动，电流增长加快，脉冲电流的前沿变徒，电动机的转矩和运行频率都得到了提高。 第 15 页 共 30 页 二 数控系统的软件设计 设计一个采用步进电机伺服机构的开环机床，数控系统控制对象为机床进给系统 X、 Z 工作台，用逐点比较法直线插补加工已知直线，故主程序调用插补子程序，由 8255 1主程序功能 82558259用插补加工子程序 2 8255本设计采用 A 口的 8 根引线来控制 X、 Z 电机、红灯、绿灯。其中红灯与警铃相连，红灯亮，警铃响，作输出用。 控制字 6 4 2 0 1 0 0 0 0 0 0 0 工作方式控制字： 10000000=80H 8255作为基本的输入 /出口， 。 点击的。 别控制 Z 电机的 。 制绿灯，绿灯亮表示运行正常。 灯亮表示有中断输入。 3三相六拍环形分配器脉冲通电代码 相 码 A 0 0 0 0 1 0 0 1 09H 0 0 0 1 0 1 1 0第 16 页 共 30 页 B 0 0 0 0 1 0 1 0 0C 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0A 0 0 0 0 1 1 0 1 0电机通电代码 相 码 A 0 0 0 1 1 0 0 0 18H 0 1 1 1 0 0 0 38H B 0 0 1 0 1 0 0 0 28H 1 1 0 1 0 0 0 68H C 0 1 0 0 1 0 0 0 48H 1 0 1 1 0 0 0 58H 中断时 ： 码 1 0 0 0 0 0 0 0 80H 4 82598259个中断，本次设计共用 5个中端口，分别用来控制 +X,Z,8259 端口地址为偶地址 6 5 4 3 2 1 0 命令字 第 17 页 共 30 页 0 0 0 0 1 0 0 1 1 13H 其端口地址为奇地址 6 5 4 3 2 1 0 命令字 1 0 1 1 0 0 0 0 0 60H 采用边缘触发、单极使用，需设置 端口地址为奇地址 6 5 4 3 2 1 0 命令字 1 0 0 0 0 0 0 0 1 01H 采用非特殊完全嵌套方式，非自动 8259端口地址为奇地址 6 5 4 3 2 1 0 命令字 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 端口地址为偶地址 6 5 4 3 2 1 0 命令字 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0用普通 5逐点比较法直线插补加工程序设计 第 18 页 共 30 页 1）直线差不计算原理 根据逐点比较法的原理，每走一步必须把动点的实际位置与给定轨迹的理想位置间的误差以“偏差”形式计算出来，然后根据偏差的正负决定下一步的走向，以逼近给定轨迹。 2）逐点比较查补加工中由四个环节组成 a偏差判断 通过偏差计算确定刀具的位置，当偏差 F 0 时，加工刀具在被加工斜线上方，当 F 0时，刀具在被加工斜线下方。 b刀具进给 由上一步偏差判断结果，确定刀具进给方向，由此纠正偏差，若 F 0 向 F 0，沿 c偏差计算 1 i 1i i i i Y F F X 或 d终点判别 判别刀具是否到达终点，到达终点时则停止，否则继续插补。 6三相六拍环分子程序 步进电动机的各相绕组必须按一定的顺序通电才能正常工作。环形脉冲分配器可用硬件实现也可用软件来实现。采用软环分是利用查表或计算方法来进行脉冲的环形分配。通过正向顺序读取和方向吮吸读取可控制电动机正反转，通过控制读取一次数据的时间间隔可控制电动机的转速。该方法能充分利用计算机软件资源以降低硬件成本，尤其是对多相脉冲分配具有更 大的优点。 7辅助电路 第 19 页 共 30 页 为防止机床程序越界，在机床上装有行程控制开关，为防止意外装有急停按钮，由于这些开关离控制箱较近，易产生电气干扰，为避免此种情况发生，在电路与接口之间实行光电隔离，当绿灯亮时，表示正常工作，当红灯亮时表示溜板箱已到极限位置。 8控制系统的程序 1）主程序 ；定义数据段 M 4 T ? F ? C T 09H,0 ； 18H,38H,28H,68H,48H,58H ； ；设置堆栈段 100 ) ；寄存器说明 第 20 页 共 30 页 00H ；中断向量表段基址送 ；取中断子程序的段基址 ；去中断子程序的偏移地址 60H ；中断类型码送 ；将中断偏移量送 ，中 , ；将中断段基址送到 ，中 X, S, ；恢复 2003H ； 初始化 8255A 0H L 800H ； 定义 8259A 13H L 2801H ； 定义 8259A 60H 第 21 页 共 30 页 01H ； 定义 8259A 0 ； 定义 8259A L 2800H ； 定义 8259A 0 ； 中断打开 ； 调用插补程序 ） 直线插补子程序 ；保护现场 0H ；标志位清零 ；取起点，终点的 M+2 X ；取终点相对于起点横坐标的 第 22 页 共 30 页 绝对值 1： M+1 ；取起点，终点的 M+3 ；取终点相对于起点 的 Z 坐标的绝对值 2： ；计算纵进给步数 X F ；将偏差值送 H： 00H ；判断走向 ；跳向 S, 0H ；写 X/Z，正 /反） M+2, M R S, 00H S, 01H ；调用环分子程序， X 电机走一步 第 23 页 共 30 页 ；计算偏差值 ；调用延时程序 4： S, 02H ；写 Z 电机状态字（ X/Z，正 /反） M+3, M+1 R S, 00H S, 01H ；调用环分子程序， ；计算偏差值 ；调用延时子程序 ；总步数减 1 ；出栈，恢复现场 B 第 24 页 共 30 页 3)三相六拍环分子程序 ；压栈，保护现场 S ；送电机操作字给 01H ；判断正反转 0H ；跳转到反转 S ；判断 X、 02H 0H ；跳转至 C. 0H ；判断是否为第 1 次转动 ；送通电代码首地址给 1： C, 01H 2000H ；通过 8255L 第 25 页 共 30 页 ； 判断通电代码是否用完 ； 指针自增 1 2： T D, 0H ；判断是否为第 1次转动 T ；送通电代码首地址给 3： D,01H 2000H ；通过 8255L ；判断通电代码是否用完 ；指针自增 1 4： R： 2H ；判断用哪个电机 0H 第 26 页 共 30 页 C,0H ；判断是否为第 1 次转动 ；