铣床的数控化改造论文VIP

床的数控化改造 摘 要 本文提供了一种 床的经济型数控化改造方案，改造的主要模块有：机械 部分和数字控制电路部分。机械部分主要是对丝杠、驱动元件和减速齿轮的改造。改 造后的系统是以步进电机为驱动执行元件的开环控制系统，控制系统使系统能够控制 进给轴的转速，并实现其正反转控制工作台，实现其纵、横向进给运动，控制冷却和 润滑，以 单片机为控制处理芯片，通过键盘输入加工程序控制 床数 控化改造后是升降台式的。使得改造后的机床能加工除了铣削 键槽、平面及孔等简单 的零件外，还能加工形状复杂（如加工圆弧面、斜面及凸轮等）的零件。改造后的数 控机床具有高精、高效及加工产品范围广等特点。 关键词： 控化，改造，单片机 ！所有下载了本文的注意： 图纸， ！ 所有下载了本文的注意：本论文附有 纸，凡下载了本文的读者请留下 ！所有下载了本文的注意 你的联系方式（ 邮箱） 我把图纸发给你。最后，希望此文能够帮到你！ ，我把图纸发给你 你的联系方式（ 箱） 我把图纸发给你。最后，希望此文能够帮到你！ ， I F n in of s in to a in 52K is so a of to of in NC an as on a 52K is it is NC in 前 言 该课题来源于生产实践的需要，利用大量闲置旧机床，对其进行数控化改造 后，成为一种高效的、多功能的经济型数控机床，是一种推陈出新、盘活存量资 金的有效办法 ，是低成本自动化的必由之路。 数控技术及数控机床是以数控系统为代表的新技术，对传统机械制造产业的 渗透形成的机电一体化产品：数控机床；其技术范围涉及很多领域： 机械制造技术；信息处理技术；自动控制技术；伺服驱动技术；传感器技术； 软件技术等。 数控机床即是采用了数控技术的机床，或者说是装备了数控系统的机床。现 代数控机床都采用计算机（微型机算计）作为控制系统，它由 统，机床主 机及辅助装置组成。 数控未来发展的趋势 （ 1）往高精，高速，高柔性化及高复合化加工方向。 （ 2）集成化、模块化、网络化、通 用型开放式闭环控制模块。 （ 3）高效多轴化、实时智能化、用户界面图形化、科学计算可视化、插 补和补偿方式多样化。 （ 4）内装高智能 媒体技术的应用。 （ 5）应用自适应控制技术，引入专家系统指导加工，引入故障诊断专家 系统。 数控化改造的优缺点 （ 1）减少投资额，交货期短 （ 2）机械性能稳定可靠，结构受限 （ 3）熟悉了解设备，便于操作维修 （ 4）可充分利用现有的条件 （ 5）可更好的因地制宜，合理删选功能 （ 6）可及时采用最新技术，充分利用社会资源 机床数控改造的必要性 数控机床是一种典型的机电一体化 产品，它集精密，柔性，和集成与一身， 它可以较好的解决形状复杂，精密，小批多变的零件加工问题，能够稳定加工质 量和提高生产效率，是一种高度自动化机床。其造价较低，改造周期短，可靠性 高，改造技术也日趋成熟，加之我国特有的经济实用产品“经济型数控装置”的 技术指标不断的提高，产品的更新和完善的进度不断的加快，产量不断的提高， 故有广阔的前景，其必要性还体现在： 1. 由于数控改造费用低，可充分利用原有的设备和闲置设备，把它们改造 成数使它们的原有功能和改造后新增加的功能得到充分的利用，提高了 机床的使 用价值。 2. 易于对现有机床实现自动化，而且针对性强，即可针对新加工的零件类 型及机床来进行改造，改造后机床没有多余的功能。 3. 改造后的机床加工精度得到提高，工人的劳动强度得到降低。 4. 减少了辅助加工时间，可提高机床的生产效率。 5 数控改造可在企业技术人员参加下开发，所以他们可熟悉，掌握改造后 的机床性能，操作等，为以后的生产，维护，修理打下基础。 第 1 章 整体改造方案 计方案： 现的目标 在论文中主要讨论在对 式升降台式铣床进行数控化改造，将 控化改造后，通过控制系统使系统能够控制进给轴的转速，并实现其正反转控制 工作台，实现其纵、横向进给运动，控制冷却和润滑。通过键盘输入加工程序控 制 床数控化改造后是升降台式的。 式铣床是铣削键槽、平面及铣 孔的通用机床，它没有准确可靠的定位装置，铣孔与铣键槽的位置精度一般靠模 板的精度和人工划线的精度来保证，故其加工精度低于数控机床。由于普通铣床 的柔性差，不能满足市场对形状复杂、精度高、小批量、多品种零件需求。而数 控化改造后系 统采用步进电机为驱动执行元件的开环系统，并且采用 控系 统控制 X、 Y 工作台，即采用以 片机为控制系统，实现两坐标联动改造 , 使得改造后的机床能加工除了铣削键槽、平面及孔等简单的零件外，还能加工形 状复杂（如加工圆弧面、斜面及凸轮等）的零件，且加工精度高、效率高，满足 市场的需求，且价格较廉，增加了市场的竞争力。 床改造的方案 方案： 床身的上部内装进给轴传动系统为进给轴变速系统，这部分采用原机床的进 给轴传动系统即保留原机床的电动机等等，还有添加的变速箱。 床身的底部是可 作冷却液箱的底座，数控系统显示器及按键位于操作者的右边，便于调试、和操 作观察。床身右侧的电器箱内装有两坐标的进给伺服控制系统，床身左侧的电器 箱内装有主控器和强电系统。显示器采用 以显示输入的程序，机床的实际 位置和已存储的各种信息。手动操作时，显示器可作为数字读出装置使用。 数控系统采用为两坐标开环控制，由步进电机经一级齿轮变速箱后减 速驱动。可实现两坐标直线插补和两坐标圆弧插补。采用系列单片 机组成微机控制系统，它的可靠性高、能在恶劣的环境下工作，适应能力较 好， 且功能强，速度高。数控系统还具有刀具长度偏移和半径补偿功能，自诊断功能， 可进行自动加、减速，并具有备用电池，停电时可做存储已编程序的电极。采用 微机对数据进行计算处理，由 I/O 接口输出脉冲信号，经光电隔离 电路， 功率放大再传给步进电机， 步进电动机驱动滚珠丝杠转动， 从而实现 X、 两 Y 个方向的进给运动，加工零件。总体设计如图 示： 步 进 信 号 分 配及 电 放大电路 动 控 机 制 部 分 信号分配及 进 放大电路 电 动 机 工作台（ Y 轴） 步 工作台（ X 轴） 图 1反馈控制电路 构和电气控制的改造： 52K 的改造要求 进给伺服系统改造后性能的好坏将直接影响到整个系统的性能的好坏。也因 此对进给伺服系统提出了改造设计要求： （ 1）提高传动部件的刚度，减小传动部件的惯量； （ 2）减小传动部件的间隙，并减小系统的摩擦阻力； （ 3）高精度 （ 4） 稳定性好 就是说伺服系统的输出量能复现输入量的精确程度。 指系统在给定输入或受外界干扰作用下， 能在短暂的调节后， 达到新的或者恢复到原来的平衡状态。 （ 5）快速响应，无超调 统的跟踪精度。 （ 6）低速大转矩 机床加工的特点是在低速时进行重切削。因此，要求伺服 它是衡量伺服系统动态品质的重要指标，反映了系 系统在低速时要有大的转矩输出。 （ 7）调速范围宽 指机械要求电机能提供的最高转速和最低转速之比。在数 控机床中，由于加工用刀具、被加工材质及零件加工要求的不同，为保证在任何 情况下都能得到最佳切削条件，就要求伺服系统具有足够宽的调速范围。 给机构的改造 考虑到该数控系统是开环 控制，没有位置反馈电路，故进给系统尽可能的要减 少中间传动环节。本铣床的 X， Y 两轴进给系统去掉了原来的进给系统的中间传动 环节，直接采用了步进电机一级减速齿轮滚珠丝杆的传动方案。拆除原来的 丝杆，增加少量的机械附件，就可安装步进电机及滚珠丝杆螺母副 ,带动工作台移 动。 机构的主要特点： （ 1）结构简单，操作方便，自动化程度高； （ 2）广泛采用高效、无间隙传动装置和新技术、新产品； （ 3）具有适应无人化、柔性化加工的特殊部件； （ 4）对机械结构、零部件的要求高。 主传动系统不变，还是采用原有的电动机（ 。进给系统采用滚动丝杠 副螺母副代替原有丝杠副，以提高机床运行精度和传动效率。考虑到改造的目标 及成本的原因，决定 床的主轴支承仍采用滚动轴承支承，导轨仍使用动压 导轨。 气控制部分的改造 1. 由于是将 床改造成为经济型的开环控制的数控铣床，机床加工的 零件多属中小型，且加工精度要求不是很高，原有的交流电机就能够满足加工要 求。因此其主传动系统的电气部分仍采用其原来配置的 交流电动机驱动。 2. 控制系统设计的总体考虑： （ 1）确定功能指标； （ 2）明确硬件分工 （ 3）重视接口设计； （ 4）认真选择微机。 本系统采用 列单片机芯片为控制器，片的 作为程序存储器扩展芯片；数据存储器扩展芯片用片的 ；而选用片可编程并行接口芯片作为系统扩展的 口，对、轴步进电机及主轴进行控制 ,通过键盘的命令可使 X、 Y 工作 台联动，并可以灵活地输入切削程序和数据。用片做为机床开关、刀 架控制信号及主轴编码器反馈信号口用；片 作为键盘显示器 接口，识别键盘按键信号，对显示器自动扫描，完成键盘输入和显示控制 功能；采用做为统一地址译码器寻址，并用为地 址锁存器，并由对各步进电机脉冲信号进行环形分配，如图 示。 6264 74031 单片机 2764 电 主轴反馈 刀架转位 限位开关 功率 Y 放大 Z 8255 8155 主轴电机 变频调速器 隔离 冷却、润滑 光电隔离 键盘 8279 示 图 1控系统硬件结构框图 为避免强电干扰可采用光电耦合电路 (行光电隔离。因为 8255 输出 的信号功率很小，故用功率放大器对输出的脉冲信号放大，以驱动步进电机工作。 造后的布局 改造后的纵、横向装配图、数控电气原理图及外观图见附录 。 第 2 章 机构与电气控制部分的设计 向方向（ X 轴）的设计： 步进电机是一种用电脉冲信号进行控制 ，并将电信号转换成响应角位移的机 电元件。每输入一个脉冲，步进电动机转轴就转过一定角度，它与普通的匀速旋 转的电动机不同，它是步进式的，所以称步进电机。它的优点有：角位移输出与 输入的脉冲数相对应 ,改变通电顺序可以改变步进电机的旋转方向；步矩误差不会 长期积累；在负载范围内步矩角和转速不受电源电压波动的影响，而仅与脉冲频 率有关；维持控制绕组的电流不变，电机便停在某一位置上不动，即步进电机有 自整角能力，不需要机械制动，步矩角可在很大的范围内变化；步进电机的主要 特性：步矩角、启动频率、连续运行频率和加减速 特性。步进电机的缺点是效率 低，拖动负载的能力不大，脉冲当量不能太小，调整范围不大，最高输入脉冲频 率一般不超过 18000 数控系统对伺服电机的基本要求是调速范围宽，伺服电机需满足调速要求。 负载特性硬，在调速范围内电机应有足够的驱动力矩，动态响应快，为了使步进 电机正常工作运行（不失步、不超程） ，正常启动并满足对转速的要求，电机最大 静转矩（步进电机技术数据） ，必须大于电机的实际最大启动力矩。电机的运行频 率必须大于电机实际最高工作频率。系统脉冲当量是机床移动部件相对于每一个 进给脉冲信号的 位移量，其大小视机床的加工精度而定。根据 床工作状况 选系统脉冲当量为 矩角 ? = 0 . 75 。 根据同类型的机床及以往的经验，结合重量轻、功耗小、外观尺寸和与步距 角相配合的原则，初选步进电动机类型，然后验算是否满足使用要求，否则选取 其它型号，最后直到满足要求为止。 向步进电机选择计算 1. 计算工作台、丝杠以及齿轮折算到电机轴上的惯量 J d 根据机电一体化基础所提供的计算公式： J d = 1 ? ( J 2 + J S ) + ? ? g ? ? ? 2 ? ? P ? ? ? ? ? 2 ? ? ? ? ? ? ? 式中： J d ( ) ； J 1 , J 2 大齿轮的惯量 ( ) ； J S ( ) ； G X (N ) , G X = 2156 N ； P (， P = 齿轮及丝杠转动惯量的计算：由于有些传动件（如齿轮、丝杠等）的转动惯 量不易精确计算，可将其等效成圆柱体来近似计算。 圆柱体的转动惯量可依据公式： J = 式中： d l d 4 l 32 材料密度 ( Kg ) ,对钢取 = 10 ?5 Kg ； 圆柱体直径 (.(对于齿轮、丝杠等就是其等效直径 )； 圆柱体长 度 (,(对于齿轮、丝杠等就是其等效齿宽或长度 ) 2 则： 10?5 84 = g 32 d 2 4 2 = 10 ?5 g 32 d 0 4 L 32 10 ?5 54 = g 32 则可算得： 1 J d = 2 i ? (J 2 + J S ) + ? ? g ? ? ? ?P? ? ? ? ? 2 ? ? ? 2 ? ? ? = 1 2 ? ? 2200 ? ? ? + ? ? ?( ? ? ? ? ? 2 ? ? ? ? = g g / 2. 惯量匹配验算 初选的步进电机 110转子的转动惯量： J M = 转动系统与步进电机的惯量匹配条件： J 1 M j 以初选的步进电机型号符合要求。 7. 步进电机动载荷矩频特性和运行矩频特性 由数控技术得：动矩频特性： f 1000000 60 P 60 4167Hz 10000 P 运行矩频特性： 其中： 大切削力下的进给速度 (m ，可取最高 进给速度 1 1 7 ，现取中间值，即 m 2 3 12 2.5 m 所以： f e = = 1000 2431 0 步进电机 110矩频特性和运行矩频特性参数可以看出所选步进电机 在起动时力矩是满足要求的。 所以最终就确定步进电机的型号为： 110应式步进电动机。 杠设计 1. 丝杠副工作负荷计 算及丝杠型号的选择 工作台的进给运动是由步进电动机由一级消隙齿轮经滚珠丝杠螺纹副，带动 工作台移动。其中在纵向（轴）进给系统的改造布置中，滚珠丝杠、轴承支架 固定在工作台上，随工作台移动。步进电动机经降速齿轮和滚珠丝杠的螺母固定 在床鞍上，通过滚珠丝杠的转动，实现工作台与床鞍之间的相对移动。滚珠丝杠 螺母副，它的特点是在具有螺旋槽的丝杠螺母间装有滚珠作为中间传动元件，以 减少摩擦，丝杠与螺母之间基本上为滚动摩擦。 滚珠丝杠螺母副的优点有： （ 1）传动效率高，摩擦损失小，使用寿命长。 （ 2）给予适当预紧，可 消除丝杠和螺母的螺纹间隙，反向时就可以消除空程 死区，防止失步；定位精度高，刚度好。 （ 3）有可逆性 丝杠和螺母都可以作为主运动件，故可以从旋转运动转换为 直线运动，也可以从直线运动转换为旋转运动。 （ 4）运动平稳，无爬行现象，传动精度高。 床的主要技术规格：如下表所示 表 2轴端面到工作台的距离 主轴轴线到床身垂直导轨面的距离 面积： 宽长 最大纵向行程手动（机动） 最大横向行程手动（机动） 最大升降行程手动（机动） 进给级数 本技术规格 d 005020 125000（ 680） 60（ 240） 70（ 350） 8 级 d 0向： 1180mm/级量范围 横向： 15 786mm/直： 8 394mm/径 主轴孔锥度 29： 24 刀杆公称直径 转速级数 转速范围 轴向调整距离 主轴电动机功率 工作台进给电动机功率 最大工件质量 机床进给部件重量 32 50 8 级 30 1500r/0 50 向 4410N 纵向 2200N 机床进给部件参数初选： 纵向工作台及夹具重量： 2200 N（估计值） 滚珠丝杠的基本导程： 螺纹升角： 3 0 39 快速进给速度：取 8程： S= 680大纵向行程） 验值） 现在根据最大当量动载荷计算公式： 3 L Fx f w 中： f w 转系数，取 f w = 1.2 f a 度系数，取 f a = x 杠所受轴向载荷（ N ）， 1903 N L 据公式 L = 600 6 n 为丝杠平均转速（ r / n= 10000 1000 * 8 1 2 = =156.3 r/中： 大切削力下的进给速度，可取最高进给速度 2.5(mm 的 1 2 则： L= 600 6 T 用寿命时间，据查经济型数控机床设计手册取 T=15000 小时 L = 从而， C m = = 3 60 15000 06 L Fx f w 1903 13194N 2. 铣削力 计算 现在以 工作寿命和实际加工过程中的最大铣削力为基础进行设计计算，以确 保平常工作状态下的工作安全和可靠。 工件材料为 ： 40 件并调质 铣削宽度 22 mm a 铣削深度 p ： 5 具直径 d ： 32 齿切厚 f z ： 刃齿数 Z ： 4 刀具材料为 ：高速刚立铣刀 据 ?机床设计手册 ? 有公式： C = a e a p Z d ? 22 51 4 32 ? 1500N 3. 滚珠丝杠所受的平均轴向载荷 计算 用高速钢立铣刀逆铣合金刚时 ,工件的切削力可查 ?数控机床书 ?中得 : 纵向进给力 F f C = 1 取中间值： F f =c =1500=1650N 横向进给力 e = 取中间值： e = c =1500=直进给力 F C = 取中间值： F c =1500=375N 故可知在插补平面内的合力为 : F f + 2 =1734N 那么丝杠所受的平均工作载荷： 所以丝杠轴向所受载荷 ( 2 2 1743 = 1162 N 3 3 其中 横向分力 275N 纵向工作台及夹具重量 2200N 为颠覆力矩影响系数 M 为当量摩擦系数 那么 取 取 x =1162 + (2200+1275) =1903N 根据机床设计手册得， 故可选丝杠型号为： 内循环浮动返 向器） 基本尺寸为： ， 公称直径： d o =50 刚球直径： d q =5 丝杠外径， d = d o - (d q = 纹底径， 30动载荷 25000 13194N 4. 传动效率 的计算 16 螺距： 8纹升角， = 3 39 故选择符合要求，丝杠可用。 根据机械设计原理滚珠丝杠的传动效率的计算公式为： = 则可得： + ) 式中： 丝杠的螺旋升角，由以上参数表知， = 3 39 摩擦角，滚珠丝杠副的摩擦角 10 o 39 = =97% o 39 + 10 ) 5. 刚度验算 滚珠丝杠受工作负荷 起的导程的变化量： ? 0 /中：弹性模量对于钢为： E=21 10 6 N / 滚珠丝杠横截面积： F（ ） 而： d ? ?3? 9 ? ? =? ? ? 2 ? = 4 F= ? 2 ? 2 2 则： 0 / 1903 10?6 21 10 珠丝杠受扭矩引起的导程变化量 ?小，可以忽略，故 ?L = ? 故导程的变形误差为： 100 100 ?L = o m / m 查表得 E 级精度丝杠所允许的螺纹无厂误差（ 1m 长）为 15 m / m ，故刚度足 够。 6. 稳定性的验算 由于纵向（ X 轴）的滚珠丝杠两端采用的是滚珠丝杠螺纹副固定，丝杠一般不 会受压，又由于机床的原普通丝杠的直径大于滚珠丝杠的直径，故稳定性一定能 满足要求。 7. 临界转速的验算 由计算得已知丝杠平均工作转速为： n = 156.3 r 100 r 0 f 2 A 因此，必须进行临界转速的验算，即： n l c 2 f 中式 中符号表示： n 丝杠的最大转速： 1000000* = 312.5 r L0 f 2 杠支承方式系数取 f 2 = 因为没有受压） f 22 d 2 9910 2 Lc d 2 = d o - 1.2 d q =5 = 34杠的长度。 l = 工作最大行程 + 螺母长度 + 两端余量（取 40 螺母长度由机床零部件设计上可查得，丝杠设计部分 l = 680 + （ 131 + 40） 2 = 680 + 342 = 1022撑跨距 略大于 l 取 1100 1100 ? 1022 2 临界转速计算长度 680 + 131 + 40 + = 811 + 40 + 39 = 890mm 9910 9533 r / 见满足： 内循环浮动返向器） 。 所以满足稳定性的要求， 故可选丝杠型号为： 18 轮设计 1. 齿轮材料的选用及许用应力： 由于闭式齿轮主要失效形式是齿面点蚀和轮齿折断，因此按照齿面接触强度 来设计来计算，最后校合弯曲强度。初选 7 级精度。 查机械设计基础，取小齿轮材料为 45#钢；则齿轮硬度为 220 大齿轮也采用 45#钢，其齿轮硬度为 180 由于： H = 560 H = 530 H 1 = H 1 = 取 S H = H = 560 =50930 =482 取 S F = H F = 190 F = 170 F 1 = F 2 = F F = 190 = 136 70 = 121 F 2. 齿轮传动设计的有关计算： 由于初选的步进电动机（ 110系统脉冲当量为 p = 步距角为： b = 杠导程为： 8果不采取齿轮传动，那么每个脉冲对应的丝杠螺母传动的距离为： L= o 8 60 = 360 =冲当量 以需要 有减速机构，也就是要设计齿轮减速。 采用减速齿轮具有如下特点： （ 1）便于配置出所要求的脉冲当量 （ 2）减小工作台以及丝杠折算到电动机轴上的惯量 （ 3）放大电动机输出扭矩，即增大工作台的推力 但采用减速齿轮会带来额外的传动误差，使机床的快速移动速度降低，并且 19 其自身又引入附加的转动惯量，这些应引起注意。 3. 直齿圆柱齿轮副的计算 （ 1）计算减速器的传动比 由 P = mm 步距角为： b = o ，丝杠导程为： 8传动比： i= 粗选小齿轮齿数 b 8 = = o 360 P 360 o 1 = 32 ，则大齿轮齿数： Z 2 = Z 1 i = 32 53 （可参照机械设计基础 169 页） 则实际传动比为： i = 53 2 满足误差要，取齿轮压力角 = 20 o ，初选模数 m=： 小齿轮直径： 32 = 80 齿轮直径： d 2 = = 53 = 133 齿轮大径： d 2 = 80 + 2 82 齿轮大径： d a 2 = d 2 + 2 = 133 + 2 135 心距： a = m Z 2 ) = (32 + 53) = 106 2 圆整中心距：取 a = 110 宽为： 大齿轮： a * a = 110 = 44 整为： 45 齿轮： 50 了补偿安装误差通常使小齿轮齿宽略宽一些 ) （ 2）齿轮弯曲强度应力校核 查机械设计基础中表得齿性系数 = = 载荷系数为 K=大转矩查步进电机相关参数，转矩取 F=算齿轮弯曲强度（按最小齿宽 50计算） ： 2 2 105 = = F 1 Z 50 32 =136 0 这里 F = F 2 = 121F 1 以符合安全要求。 齿轮的圆周速度 6000 60 据公式： = 875 r 60 V = d1 0 * 1000 = 80 875 = m s 10m / s 60 1000 上式中： 据初选步进电机 110运行频率： 7000 s ，和步距角： 计算。 可知选用 7 级精度是满足要求的。 向 (Y 轴 )的设计 Y 轴方向步进电动机的选择： Y 轴铣削圆周力： 1500N 则有 Y 向丝杠牵引力： Y =1500+4410 562N 则有电机轴负载力矩： T = 36 p ( 2 36 (1562 + 4410 ) = = ? m 2 中： Y 丝杠牵引力 21 不考虑启动时运动 部件惯性的影响，则启动力矩为： T 0 0 = = = ? m 0 0 取安全系数极限值 有： 对于工作方式为无相十拍的五相步进电机最大启动力矩： Tq 电机最大工作频率： ? m f 1000000 = 2667 0 p 60 合以上可选取步进电机型号为： 110应式步进电动机。 步进电机 110外型尺寸为： 110 160 ，轴径为 11 。 Y 轴的丝杠选择与 X 轴一样为 循环浮动返向器 Y 轴的齿轮副设计也与 X 轴相同，这里不再累赘。 制部分设计 本系统以单片机为控制核心，扩展部件为外围器件，是比较经济的数控系统。 既满足了机床的数控加工能力，又经济可靠。 该系统是由数控单元和步进伺服单元组成。 数控部分采用 列的 8031 单片机，它和扩展系统以及电机驱动电源一起组成连续控制的数控系统。控制核 心按照所输入的加工程序数据，经计算处理，发出所需要的脉冲信号，经驱动电 路放大功率后，驱动补进电机，由步进电机带动滚珠丝杠副，从而使纵、横向工 作台按零件加工所需的进给速度及方向移动，实现机床的开环自动控制。系统的 定位精度由软件中适当的降频处理来保证，重复定位采用固定间隙来改善。最终 使系统灵活性大 ，通用性强，数控功能丰富，可靠性高，且易于实现机电一体化， 使用维护方便。 控制系统的主要功能 22 （ 1）手动暂停，手动快速返回坐标原点。 （ 2）六个方向点动传给，手动快速进给。 （ 3）间隙补偿功能，刀具补偿功能。 （ 4）用户指令掉电保护功能。 （ 5）具有程序暂停、延时、局部循环、自动循环功能。 （ 6）用户指令编辑、修改、删除、清零功能。 （ 7）错误操作诊断、错误操作显示功能。 （ 8）可自行进行直线、斜线、圆弧的加工 系统的硬件组成如下所示。主要有主控制器 储器、键盘显示器、 I/O 接口和驱动电路等。部分可参照单片机原理书中所述。如图 2示 存储器 行程控制 8031 单 片 机 接口 驱 动 电 路 步 进 电 机 译码锁存 键盘显示 图 2控系统硬件框图 控制器（ 用功能强、价格便宜的 8031 单片机。有 4 个 8 位的并行接口，一个串 行接口， 8031 的 作为分时服用的低 8 位地址 /数据总线接口， 作为显示 器的字型输出口， 作为高 8 位地址总线接口， 作为中断、定时、计数、 读写控制等特殊功能口。 时钟采用内部方式，晶振频率为 6芯片具 有高集成度，应用广泛，有 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。该芯片不易受干扰，容易实现屏蔽，可靠性高，能在较恶劣的环境下工 作，功能强，速度高。指令执行时间短，且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、减速操作。 23 储器扩展电路 1. 存储器芯片的选择。 8031 片内只有 128 以必须对其进行外部 程序存储和数据存储器进行扩展。选择存储器应考虑的主 要因素是速度和容量。 凡是工作时间小于 8031 的工作时间均可满足要求。这里选用 1 片容量为 8 2764片作为程序存储器扩展芯片，用 1 片容量为 8 的 6264 静态 片作为数据存储器扩展芯片，并带有 备用电池，使存放的加工数据能长 时间的保存。 2. 存储器地址分配及接线。 8031 芯片所支持的存储系统，其程序存储器与数 据存储器独立编址， 因此， 地址分配比较自由， 不必考虑是否冲突。 由于复位后 8031 从 0000H 单元开始执行程序故 8K 地址空间从 00008K 地址空间也设为 00008031 的地址锁存允许信号 地址锁存器 74输入端 G 相连，从 而将 输出的地址信息锁存在 373 中， 2764 需要 13 根地址线，低 8 位与 相连， 5 位分别与 连。 位数据线直接与 连， 2764 的片选端 8 将 接地，由于 8031 只能选通外部程序存储器，因而将 8031 的 地。 数据线和地址线的连接方法与 2764 相同，其读写控制端与 8031 的对应端相连。 由于 6264 的地址分配为 0000其片选端 与 74码器 连。 展 I/O 接口 为了满足铣床数控系统的需要， 选用可编程并行接口芯片 8155 作为 I/O 接口， 各个端口的功能定义和地址分配如下表所示。 8155 的片选端 74码器 的 连，地址空间为 2000址锁存控制端及读写控制分别与 8031 的 控制线对应相接， 8155 的 应接至 8031 的 线。如表 2示 表 238155I/O 口功能定义和地址分配 端口 工作方式 功能 地址 B 出 输入 输出 提供步进电机的控制信号及知识信号 键盘和行程控制 显示和键盘管理 24 2001H 2002H 2003H 用片做为机床开关、刀架控制 信号及主轴编码器反馈信号 口；用片作为键盘显示器接口，识别键盘按键信号，对显示器自动 扫描，完成键盘输入和显示控制两种功能 ,为了增加数码管的亮度 ,可分别 在字型口和字位口处增加 7407 驱动器。 进电机驱动电路 用步进电机作为执行元件的数控系统，可采用较为简单的开环控制，因而成 为经济型数控机床最为主要的一种驱动元件，步进电机的驱动电路一般由 4 部分 组成：计算机接口、脉冲分配器、光电隔离电路和功率放大电路。 本设计采用 8155 的 作为控制步进电 机的接口， 由该口的 供步 进电机所需的控制信号。 脉冲分配器的作用是为步进电机提供符合控制指令要求的脉冲序列，其实现 方法有硬件和软件 2 种。为降低硬件的成本及故障源，本设计采用软件方法进行 实现。 步进电机驱动电路中，脉冲信号经过放大后送给步进电机励磁绕组，为防止 强电干扰，在功放电路之前接上光电耦合电路进行隔离。 步进电机所需电流较大，必须将光电耦合器输出的信号放大后才能驱动步进 电机正常运转。 步进电机的驱动电路由三部分构成：环形分配器；光电耦合器；功率放大器。 1. 环形分 配器 环行分配器的主要作用是把来自于加减速电路的一系列进 给脉冲指令，转换成控制步进电机定子绕组通电、断电的电平信号，电平信号状 态的改变次数及顺序与进给脉冲的数量及方向对应。硬件环型分配器是有触发器 和门电路构成的硬件逻辑电路（如型号 。 2. 光电耦合器 选用 光电耦合器，其电路图如图 2示： 25 5V 12V 330? 74 8255 510? 接功率放大器 图 2电耦合电路图 3. 功率放大器 因为输出的脉冲功率很小，电流只有几毫安，故需要进行功 率放大，使脉冲电流达到 1 10 A，才足以驱动步进电机正常工作。 。其电路图如 图 2示： 图 2电压供电功放电路 通过综合的考虑本设计决定采用： 高低压驱动电路 程控制 为防止工作台越界， 设置了 4 个限位开关， 8155 的 别为工作台 +X、 +Y、 个方向的行程控制信号，计算机随时巡回检测 电平，当 某一个为低电位时，立即停止步进电机的运行。 26 盘与显示 担任键盘的列线及显示器 键盘与显示设计在一起， 8155 的 的 扫描控制（字位线） ， 的 0 为键盘的行线， 8031 的 为显示器 自形输出口，该采用 3 8 共 24 个矩阵式键盘和六位八段共阴极 示器，为 了增加数码管的亮度 ,可分别在字型口和字为口处增加驱 动器进行驱动。 位电路 此单片机是靠外部电路实现，在时钟电路工作后，只要在 8031 的 角 上出现 10上的高电平，单片机即可复位。本系统采用上电复位和手动按纽复 位组合。 急停车 系统中设置了一个紧急按纽，利用 8031 的外部中断 在加工过程中如 果出现紧急情况，按此按纽就可以紧急中断信号，整个系统就立即停止工作。 见 数控电气原理图 27 结 论 依照我国目前的数控机床发展状况及我国的国情， 对原有的普通机床进行数 控化改造是符合当前国情的。对普通立式铣床 数控化改造是为了扩大产品 加工范围和提高加工精度、效率、质量，进而满足市场多变的要求：小批量、多 品种、柔性化加工。改