基于单片机的小型龙门刨床的数控改造

基于单片机的 小型龙门刨床的数控改造 摘要： 普通机床的数控化改造，是指将普通机床配上数控系统，并对机床的某些机械结构做一定改造，使机床具有数控加工能力，从而提高机床的自动化程度、加工精度和生产效率。基于 8031 单片机的小型龙门刨床的数控化改造，结合扩展芯片不仅可以实现现代数控机床的各项基本功能，而且还有改造费用少，机床变动少， 统体积小的特点。 关键字： 数控改造 刨床 单片机 背景： 其一、 目前，我国机床制造水平因设备陈旧、技术水平落后，严重影响了生产力的以 展，因此在机床制造行业增加数控机床的比重，已成为我国制造技术以展的目标。提高数控机床比重的方法：一是购买新的数控机床，但需要花费大量资金；二是把现有的普通机床改造为经济型数控机床，即普通机床的数控改造。这种方法成熟并可节省大量资金，是符合我国国情的一种有效途径。 其二、 长度较小的非圆柱面， 半径很大的圆弧面， 可以采用数控铣床加工，也可以采用线切割加工（单件生产）。但当非圆柱面达到一定长度后 或者半径大到一定程度后 ，用上面的两种方法就无能为力或加工成本太高了 ， 线切割 速度慢 。如系列罗茨真空泵和罗茨鼓风机的转子（图 1 所示，其截面轮廓线由多段渐开线、外摆线和圆弧组成，长度在 300上）、大型水环泵叶轮模型的叶片（截面轮廓线由多段直线和圆弧组成，长度在 500上）。 基于 单片机 的刨床 统 正是 为了适应截面轮廓线是复杂曲线的柱面工件的加工 而设计的。 正文： 普通机床的数控化改造，是指将普通机床配上数控系统，并对机床的某些机械结构做一定改造，但是 普通机床的数控化改造并不适于所有的机床， 衡量的主要标准是机床基础件的刚性和改造的经济性。因为数控机床属于高精度的机床，高的定位精度的运动精度要求机床基础件具 有很高 的 静刚度 和 动刚度，基础件刚度不够，受力后易变形的机床都不适于改造成数控机床。另外，由于改造机床需要新的数控系统及某些机械结构的改造，总的改造费用也是需要考虑的。因此，从经济效果上看，大中型机床尤其是重型机床改造的经济性最好，也最适合数控化改造。而许多中、小机床，机床的机械部分改动很小，配上数控系统就可以达到很好的改造效果 ，目前已得到推广和应用。 本设计正是从数控改造的实用性和经济性出发， 对 列龙门刨床 小型龙门刨床进行了数控改造 。 列龙门刨床简介 ： 本刨床适应于粗、精加工各种 斜面、 T 形槽，各种平面组合的导轨面。具有刨、铣、磨的速度要求，可配置铣头、磨头完成加工。工作台与床身导轨结合面均有耐磨措施，使用寿命长。主润滑站与润滑油回油管外置于床身，保证润滑油的清洁与润滑系统的方便维护，并且于长规格床身导轨面增加两对润滑点，确保床体与工作台导轨面润滑良好。该系列机床具有刚性好、加工精度高、运动平稳、操作方便等优点，用途广泛。 刨床主传动采用欧陆直流高速器驱动直流电机进行工作，运行平稳可靠 。 一、 小型龙门刨床的机械改造 图 1 数控机床与普通机床区别主要在于进给驱动系统的不同，其主运动基本上是一致的，所以对普通机床的数控改造主要是改进进给传动系统。 由于步进电机 工 作时的步数或转数既不受电压波动和负载变化的影响（在允许负载范围内），也不受环境条件（温度、压力、冲击和振动等）变化的影响，只与控制脉冲同步，同时又能按照控制的要求进行启动、停止、反转或改变速度，而且没有重复精度误差，所以在开环系统中一般步进电机驱动 进给系统 。 图 1 所示是用小型龙门刨床改造而成的数控刨床的示意图。小型龙门刨床数控改造的方法是将手动调节刀架变成由步进电动机 驱动的数控刀架， Z 步进电动机控制刀架在垂直方向的移动， X 步进电动机控制刀架在水平方向的移动。在滑台底座靠近滑块的部位安装三个接近开关，在滑块上固定一个与三个接近开关平行又在运动过程中与三个开关都能接近的滑块位置标志块（铁块），两者共同用于滑块运动方向和位置的检测。另外，在滑台上安装一个简易的对刀装置。经过负载（摩擦力、转动惯量等）计算， 查手册，为满足负载及最小步距要求， 驱动刀架上下移动（ 左右移动（ X 坐标轴）的步进电动机分别选用 110和 130两个坐标移动的脉冲当量 X 为 冲 ， Z 为 冲 。 Z 轴 X 轴 1 图 2 数控刨床进给传动链 8 7 6 5 4 2 3 1、 进给传动链 步进电机的进给传动系统使用齿轮传动，不仅是为了求得必需的脉冲当量，而且还有满足结构要求和增大转矩的作用。 图 1 为小型 小型龙门刨床 数控改造后的进给传动链。刀具的纵向（ Z 轴）移动由步进电机 8，经过一对减速齿轮 7 和 8。转动纵向移动的丝 杠 5 而实现。刀具的横向（ X 轴） 移动由步进电机 1。经过一对减速齿轮 2 和 3，转动横向移动丝 杠 4 而实现。 2、 减速齿轮的齿数 对于开环系统，齿轮的总传动比为 360t其中 为脉冲当量（ 冲） 螺距 为步距角 在 Z 方 向 上 =脉 冲 ， =算得 故取 6 30z 7 18z m=2mm,b=20 = 020 676 0 , 3 6 ,m m m (1) 在 X 方向上 =冲， =算得 故取 2 32z 3 40z m=2mm,b=20 = 020 236 4 , 8 0m m m 3、 导轨副。 为 了减少刀架移动时的摩擦阻力，尤其是减少静摩擦阻力，拖板和刀架移动部件的相配导轨粘贴了摩擦系数低的聚乙 烯软带。 4、 传动丝 杠 副。 由于滚珠螺旋传动有运动效率高、精度高的特点， 为了减小丝 杠 与螺母的摩擦阻力， 经 轴向力及动载荷 计算， 将原水平方向丝 杠 副用 珠丝 杠 副代替，垂直方向用 珠丝 杠 副替代。由于水平方向滚珠丝 杠 螺母尺寸比原螺母尺寸要大，故需将横梁卸下进行加工，以便螺母在横梁上移动时不受阻碍。无论是水平还是垂直方向滚珠丝 杠 ，由于 其长度不可能和原丝杠相一致，因此，必须根据步进电机安装位置将滚珠丝杠两端接长，并注意接长的正确性和全长上的径上跳动。 二、 数控系统的设计 存 储 器：管理模块程序设计和控制软件设计 。其中管理软件包括： 1、系统的初始化 2、键盘处理及显示程序 3、用户程序的输入与输出处理程序4、零件程序的编辑和修改 5、诊断程序（ 时、中断），下面主要设计控制软件。 片机的性能特点： （ 1）、性能价格比好 （ 2）、支持芯片种类多 （ 3）、能适用于各 种场合 （ 4）、可靠性比较高、逻辑处理能力比较强 考虑到 性能，选用该系列的 8031为数控系统的中央处理机。外接两片 2674片作为监控程序的程序存储器，一片作为存放常用零件的加工程序，再选用一片 6264为存放调试程序和运行程序的中间数据。考虑到系统扩展，为使编程地址统一，采用译码法对芯片进行寻址。选用 74码器完成此功能。作为输入 /输出的扩展，选用两片 8155 作为系统的 I/O 扩展，分别键盘的输入和单片机的输出，其硬件原理如图 1 1、 控制系统的功能 （ 1） Z 向和 X 向进给伺服运动。 （ 2） 键盘显示。 （ 3） 面板管理 （ 4） 行程控制。 （ 5） 其它功能：报警电路、急停电路、复位电路、光电隔离电路、功放电路 2、 软件环形分配器。 步进电机采用软件环形分配器，虽然运行速度没有硬件环形分配器快，但可以省掉两个硬件环形分配专用芯片，且电路比较简单。通过以上分析， 驱动刀架上下移动（ 左右移动（ X 坐标轴）的步进电动机分别选用 110和 130 其 Z 向步进电机环形分配器的输出状态如下表 环 形分配表 储存单元地址 单元内容 对应通电相 方向 01H（ 0001） A 反转 03H（ 0011） 02H（ 0010） B 06H（ 0110） 04H（ 0100） C 正转 05H（ 0101） 相步电动机同 Z 向步进电动机，在此略。可将上述步进电动机所需的环形分配器输出状态表存入内存 ，根据步进电动机的运转方向按表地址的正向及反向，顺 序依次取出地址的内容到 8155A 口，驱动电机正转或反转，其程序流程图和程序如下。 环形分配 部分 子程序 （查表实现） （其中调速程序略） 正转 A 3,#05H, 00H A,A 结束 存指针值 调整指针到表底 表指针加 1 速度信息延时 调整指针到表首 输出表地址内容 步距数据 =0？ 正转吗？ 表底？ 初始化 读速度信息 读指针初值 读方向数 读步距数 开始 表首？ 取指针初值 指针减 1 Y Y N N Y N N Y 软件环分器流程图 A , 9 转 A 05H A ,A , 9 01H 03H 02H 06H 04H 05H ；电机的三相接 8155（ 2）的 ， B 相） ， C 相） 3、 步进电机增减速控制 在数控系统中，为了保证机床在启动或停止时不产生冲击、失步、超程及振荡，忙必须给电动机的进给频率或电压进行加减速控制。即在机床加速启动时，保证加在伺服电动机的进给脉冲频率或电压逐渐增大；而当机床减速停止时，保证加在伺服电动机的进给脉冲频率或电压逐渐减小。 升降速规律一般有两种选择： 1、按照直线升降速； 2、按照指数规律升降速。用微机对步进电机进行加减速控制，实际上是改变脉冲的时间间隔。升速时使脉冲加密，减速时使脉冲稀疏。在系统控制过程中，需先将加减速 斜率、恒速过程运行总步数及减速过程运行总步数 存入内存 ，运行中采用查表方法查出对应参数。流程图 5。 4、 地址编码 芯片地址编码 芯片 接 74址选择线 片内地 地址编码 引脚 址单元 2764（ 1） 0 8000764（ 2） 1 8000264 2 8000155（ 1） 256 7 6 7155（ 2） 256 9 6 9、 插补程序 1、 第一象限直线插补框图。如图 1出 X、 Z 向电动机从原点开始，进行直线插补运动，终点这 P 点，坐标为 终 点坐标值、判终值、偏差值及 X、 Z 向电动机初值分别放入 8031 内部 各单元中图。图 1直线插补框图。 2、 第一象限直线插补程序可以由多种不同的软件设计，这里用的是汇编语言。 2300H 60H； 设置堆栈指针 #9 8155（ 2）初始化 A， #0 A 口输出 ， B 口输入， A； C 口输出控制字 00001101B，即 0400H； 偏差单元清零 49H,#00H 48H,#01H ； 置 Z 向电动机初态 47H,#20H； 置 X 向电动机初态 A,4 计算判终值低 8 位送入 50H。 A,4 8 位 + 8 位相加，送入 50H 50H, A A, 4 将 8 位与 8 位相加， A,4 作为判终值高 8 位送入 4 A,44,A A ,#21H； Z 向、 X 向电动机上电， #9 将控制字 #21H 送入 8155（ 2）的 A 时 1A,49H; 将偏差高 8 位送入 A，判断 F=0? 为符号位，如 为负。转移至 否则向下执行， F=0,走一步 +z, Z 向电动机正转子程序 C； 清进位位 A,4 计算新偏差 A,4 A,49H A,449H,A C;清进位位 A ,50H A,#01H 50H,A; 终判值减 1，并送入判断是否为 0 A,4A,#00H 4A A 50H A 不为 0，转移至 断偏差值 F 的正负 0000H； 判终值为 0，则插补结束，返回监控程序 F=0? 走一步 +z 走一步 +x F=Fi+ 开始 设栈指针， 8155 初始化 各坐标值及偏差送内存 Z X P(ze,50H 1 5、 光电隔离及步进电机功率放大电路电路 （ 1） 光电耦合器是把发光二极管与光敏元件组装在一起，通过光线实现信号的传递，构成光电的转换器件，如图，起到电气隔离，电平转换的作用。 1 2）功率放大电路 从计算机输出 口输出的信号脉冲一般只有几个毫安，不能直接驱动步进电机，必须采用功率放大器将脉冲电流进行放大，使其增大到几到十几安培，从而驱动步进电机运转。由于电动机各组都是绕在铁芯上的线圈，所 以电感较大，绕组通电时，电流上升率受到限制，因而影响电动机 绕组电流的大小。绕组断电时，电感中磁场的 的储能元件将维持绕组中已有的电流不能突变，在绕组断电时会产生反向电动势，为使电流尽快衰减，并释放反电动势，必须增加适当的续流回路。 由于单电压功率放大电路结构简单，成本低，满足改造要求，所以 此处改造所使用的是单电压功率放大电路。如图 1 输入端与光电耦合器相连， 它控制功率开关晶体管 T 的通断， L 是步进电机某一相绕组，是限流作用）， D 是续流二极管，电容 C 用于上电时加大绕组电流、提高步进电机的高频特性，电阻用于改善回路的放电常数。 1电压功率放大电路 1件电路原理图 （1）接 8 1 5 5 （ 1 ）编辑空行自动手动回零换刀回答起始暂停单段连续停止光电隔离电路功率放大电路向电动机向电动机接 8 0 3 1 接报警显示接 8 0 3 1 结论： 本改造从机械结构和 统设计两方面 出发 ，重点阐述 8031 单片机在 统设计 中 的应用。 经改造过的机床，拓展了刨削工艺的外延，将特定的程序写入固化芯片，能加工某些在加工中心和数控铣床上难以加工的特种型面异形工件，适用于加工零件：鼓风机叶轮、模具型腔、万向节、火车轮毂、水泵叶、摩托车变速鼓、钢厂用结晶器曲面等，适用于批量加工。改造后的机床具有下列优点：控制灵活，精确度高，效率高，刨削加工