毕业设计（论文）-CA6150横向进给数控化改装.doc

摘要21 前言42 总体方案设计52.1 机械部分改造62.2 数控系统部分设计63 机械部分改造设计731 对机床进行恢复精度732主传动系统设计73.3 横向进给系统的设计与计算8331 横向进给系统的设计8332 横向进给系统的设计计算8333步进电机的选择113.4数控车床的传动装置设计11341螺旋传动12342 轴的结构设计13343透盖的结构设计14344螺母座的结构设计1535溜板箱纵横向滚珠丝杠和导轨润滑1536通过从厂家所得到的技术资料纵向和横向滚珠丝杠装配。15361X向和Z向滚珠丝杠装配图的设计过程1637主轴箱和拖板箱的改造1638自动转位刀架的设计1639安全防护164数控系统的选择1741系统简介17411 世纪星HNC-210A车削系统介绍17412世纪星HNC-210A功能描述18421 8031单片机的简介22422 8031单片机的系统扩展22423存储器扩展24424I/O的扩展2543步进电机驱动电路26431脉冲分配器（环行分配器）26432光电隔离电路27433功率放大器27434其他辅助电路285 数控机床零件加工程序296 结论30参 考 文 献31附 录32摘要本课题来源于生产实践。将CA6150型普通车床改造成经济型数控车床，应能实现CA6150车床原有功能，在机床的精度、性能等方面除保持原来状况外还有所提高。由于该设计是经济型数控改造，在考虑具体方案时，应遵守的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少，以降低成本。采用以步进电机驱动的开环控制。因为开环控制具有结构简单、设计制造容易、控制精度较好、容易调试、价格便宜、使用维修方便等优点。开环控制多用于负载变化不大或要求不高的经济型数控设备中。步进电机经减速后驱动滚珠丝杠，使刀架横向运动。步进电机安装在大拖板上，用法兰盘将步进电机和机床大拖板连接起来，以保证同轴度，提高传动精度。改造后的经济型数控车床不但实现了CA6150型普通车床的原有功能，而且在机床的加工精度、性能、自动化程度等方面也有所提高，利用数控方法可以准确地加工任意面的旋转体。它满足了现代加工工艺的要求,提高了劳动生产率，大大降低了工人的劳动强度，给企业带来了巨大的经济效益。关键词：CA6150 、经济、机床、步进电机 1 前言国外利用数字计算机进行控制加工是从40年代开始的。1952年美国麻省理工学院在一台立式铣床上装了一套试验性的数控系统，成功地实现同时控制三轴的运动，它成了世界上第一台数控机床。此后，从60年代开始，其他一些工业国家如德国、日本等陆续地开发生产及使用数控机床。1974年微处理机直接用于数控机床，进一步促进了数控机床的普及应用和大力发展。随着数控机床的功能越来越完善，可靠性和性能越来越高，它在制造业中逐渐担当了越来越重要的角色。我国数控机床的研制是从1958年开始的，经历了几十年的发展，直至80年代后引进了日本、美国、西班牙等国数控伺服及伺服系统技术后，我国的数控技术才有质的飞跃，应用面逐渐铺开，数控技术产业才逐步形成规模。由于现代工业的飞速发展，市场需求变的越来越多样化，多品种、中小批量甚至单件生产占有相当大的比重，普通机床已越来越不能满足现代加工工艺及提高劳动生产率的要求。如果设备全部更新替换，不仅资金投入太大，成本太高，而且原有设备的闲置又将造成极大的浪费。如今科学技术发展很快，特别是微电子技术和计算机技术的发展更快，应用到数控系统上，它既能提高机床的自动化程度，又能提高加工精度，所以最经济的办法就是进行普通机床的数控改造。这样既可以提高加工生产率，改善加工工艺，还可以减少资金投入，减轻工人的劳动强度，缩短订购新的数控机床的交货周期时间。实践已经证明普通车床的经济型数控改造具有重大的实际价值，为此，在旧有车床上进行数控改造有着较好的市场前景。CA6150机床的优点：1、 纵向自动进给时，溜板箱手轮可以自动脱开，防止打伤操作者。 2、 车床尾座有卸荷装置，可以减轻操作者的劳动强度。 3、 不用换挂轮，可以直接加工出公制、英制、径节及模数螺纹。 4、 床头箱及进给箱可以自动润滑。 5、 刀架可以四向快速移动。缺点：其刀架进给轴X轴（滑座进给）和Z轴（滑枕进给）只能互相切换，不能联动，无法加工具有复杂曲面的零件；加工精度不高；不能批量生产；滑动丝杠副的摩擦阻力大、传动效率低，不能适应于高速运动；车床导轨的动、静摩擦系数大，使用一段时间后会有不同程度的磨损；主轴由主电动机经皮带传动；刀架为手动刀架操作麻烦；人工定期注油润滑，对机床导轨、丝杠副等的精度保持很不利，在同等驱动下机床的运动稳定性、灵活性也差一些；车床靠齿轮和普通丝杠螺母传动。由于各运动副间存在间隙，加上手工操作不准确，因此重复精度较低；测量时需停车后手工测量，测量误差较大，而且效率低下；加工工件时停车次数多、加工效率低；安全系数低。本课题来源于生产实践。将CA6150型普通车床改造成经济型数控车床，应能实现CA6150车床原有功能，在机床的精度、性能等方面除保持原来状况外还有所提高。在整个设计过程中满足以下几点要求：a横向（X向） 进给脉冲当量为0.005mm /脉冲；b进给速度范围：向 3 1000mm/min （无级调速）快进速度：X向 1000 3000mm/min内任意设定；c.原车床的主传动系统予以保留，横向进给系统由微机实现开环控制，两轴联动；d.刀架采用自动转位刀架，具有切削螺纹的功能；e.改造方便，成本低。该设计的总体思路是采用以8031单片机为核心的数控装置控制加工过程。微机通过I/O接口发出驱动脉冲，经过光电隔离进入步进电机的驱动控制线路，驱动控制线路接受来自数控车床控制系统的进给脉冲信号，并将该信号转换为控制步进电机各定子绕组依次通电、断电的信号，使步进电机运转。步进电机的转子带动滚珠丝杠转动，从而使工作台产生移动，实现纵向、横向的进给运动。由于步进电机需要的驱动电压较高，电流较大，如果将I/O输出信号直接与功率放大器相连，将会引起强电干扰，轻则影响单片机程序运行，重则导致单片机接口电路的损坏，所以在接口电路与功率放大器之间加上隔离电路，实现电气隔离。2 总体方案设计针对CA6150的一些不足对其制定如下改造方案：对CA6150车床数控改造，主要是将纵向和横向进给系统改造成为CNC装置控制的能独立运动的进给伺服系统，将刀架改造成为能自动换刀的回转刀架。这样，利用CNC装置，车床就可以按照预先输入的加工程序进行切削加工。由于切削参数，切削次数和刀具都可以有程序控制和调整，再加上纵向进给和横向进给的联动功能，数控化改造后的车床就可以加工出各种形状复杂的回转零件，并能实现多工序自动切削，从而提高生产效率和加工精度，还能适应小批量，多品种复杂零件的加工。在保留右刀架机械结构和操作功能不变的基础上对CA6150车床的左刀架进给系统进行了数控化改造。左刀架采用滚珠丝杠、伺服电机和一级齿轮减速，并利用华中数控系统的开闭环控制实现左刀架的X轴和Z轴联动控制，机床改造后,大大扩大了机床的加工范围，同时提高了生产效率和加工精度。单片机的工件尺寸自动检测系统，在机床不停车的条件下完成了对工件加工余量的测量，该系统主要由工件尺寸信号提取部分和数据处理部分组成，采用汇编语言完成软件编程。本文介绍了测量系统的总体方案，并对各个部分进行了具体分析。结果表明：该系统用动态非接触测量代替了静态手工测量，自动化程度高，提高了生产率，同时也在一定程度上提高了测量精度。采用双螺母螺纹式预紧结构，它通过调整端部的圆螺母，使螺母产生轴向位移。其特点是结构较紧凑，工作可靠，滚道磨损时可随时调整，预紧量不很准确，应用较普遍。由于该设计是经济型数控改造，在考虑具体方案时，应遵守的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少，以降低成本。2.1 机械部分改造横向进给机构的改造：拆掉原手动刀架和小拖板，安装上数控刀架；拆掉普通丝杆、光杆进给箱和溜板箱，换上滚珠丝杠螺母副；保留原手动机构，用于调整操作，原有的支撑结构也保留，采用一级齿轮减速，步进电机、齿轮箱体安装在中拖板的后侧。2.2 数控系统部分设计数控系统按运动方式分为点位控制系统、点位直线控制系统、连续(轮廓)控制系统根据设计要求，CA6150车床要加工复杂零件轮廓，其各坐标轴的运动有着确定的函数关系。根据设计要求，本微机数控系统采用连续控制系统。采用以步进电机驱动的开环控制。因为开环控制具有结构简单、设计制造容易、控制精度较好、容易调试、价格便宜、使用维修方便等优点。开环控制多用于负载变化不大或要求不高的经济型数控设备中。采用简易数控装置，以步进电机为驱动机构，实现在微机控制下的自动加工。其工作原理是：根据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加工程序，通过数控装置上的键盘输入微机，微机在监控程序的管理下工作，并通过专用控制程序，把用户加工程序转化成一定频率和数量的脉冲信号，经驱动电路放大后驱动纵横向二台步进电机转动，通过机械接口传动丝杠实现刀架纵、横两个方向的频率。自动回转刀架由单片机发出换刀转位指令，由自动刀架驱动电源驱动三相电机使刀架松开、抬起、旋转后再自动锁紧而完成转位换刀过程。该经济型微机数控系统采用步进电机作为驱动元件。微机通过I/O接口发出驱动脉冲，经过光电隔离进入步进电机的驱动控制线路，驱动控制线路接受来自数控车床控制系统的进给脉冲信号，并将该信号转换为控制步进电机各定子绕组依次通电、断电的信号，使步进电机运转。步进电机的转子带动滚珠丝杠传动，丝杠转动使工作台产生移动。 光电隔离微机功率放大步进电 机横向工作台xx图 2-1CA6150车床数控改造的总体方案示意图综上所述，本设计改造的总体方案为：采用MCS-51单片机对数据进行计算处理，由I/O接口输出步进脉冲，步进电机经一级齿轮减速后，带动滚动丝杠转动，从而实现纵向、横向的进给运动。数控改造后的车床不仅提高了原车床的精度和自动化程度，达到快速调整且仍能保持车床的通用性，而且提高了原车床的功能，利用数控方法准确地加工任意面的旋转体3 机械部分改造设计进给系统数控化改造的主要部件有：挂轮架、进给箱、溜板箱、滑板、刀架等。现拟定以下改造方案：挂轮架系统：全部拆除，在原挂轮主动轴处安装光电脉冲编程器。进给箱部分：全部拆除，在该处安装纵向进给步进电机与齿轮减速箱总成。丝杠、光杠和操作杠拆去，齿轮箱连接滚珠丝杠。滚珠丝杠的另一端支承座安装在车尾端原来装轴承座部位。溜板箱部分：全部拆除，在原来安装滚珠丝杠的滚珠丝杠座，丝杠螺母固定在其上。在该处还可以安装部分操作按钮。横溜板部分：将原横溜板中的滚珠丝杠、螺母拆除，在该处安装横向进给滚珠丝杠螺母副，横向进给步进电机与齿轮减速箱总成安装在横溜板箱后部并与滚珠丝杠连接。刀架部分：拆除原刀架，在该处安装自动回转四方刀架总成。31 对机床进行恢复精度 机床经长期使用后，会不同程度地在机械、液压、润滑清洁等方面存在缺陷，所以首先要进行全面保养。更换主轴的齿轮和轴承。根据当前国内外成品数控机床的导轨采用淬硬的合金钢材料，其耐磨性比普通铸铁导轨高5至10倍。据此，在改造中利用CA6150车床旧床身，采用GCR15轴承钢淬硬到HRC56-62制成对称三角形导轨和矩形导轨，对称三角形导轨在垂直载荷作用下，磨损能自动补偿，不产生间隙，故导向精度高。压板还有间歇调整装置。矩形导轨结构简单，制造检验和修理方便，导轨较宽，承载能力大，刚度高，应用广泛。三角形导轨和矩形导轨组合它兼有两种导轨优点，并避免了由于热变形所引起的配合变化。用螺钉和粘剂固定在铸铁床身上。粘接前的导轨工作表面采用磨削加工，表面粗糙度Ra0.8mm，以提高粘接强度。最后，应对机床做一次改前的几何精度、尺寸精度测量，记录在案。32主传动系统设计保留原机床的主轴手动变速。改造后使其主运动和进给运动分离，主电机的作用仅为带动主轴旋转。增加一个电离合器，用以接收数控系统的停机制动信号以控制原制动装置制动停车。加工螺纹或丝杠时，为保证主轴每转一转，刀具准确移动一个导程，须配置主轴脉冲发生器作为主轴位置信号的反馈元件。脉冲发生器采用同轴安装，橡胶管柔性连接，意在实现角位移信号传递的同时，又能吸收车床主轴的部分振动，从而使主轴脉冲发生器转动平稳，传递信号准确。3.3 横向进给系统的设计与计算331 横向进给系统的设计步进电机经减速后驱动滚珠丝杠，使刀架横向运动。步进电机安装在大拖板上，用法兰盘将步进电机和机床大拖板连接起来，以保证同轴度，提高传动精度。332 横向进给系统的设计计算已知条件：工作台重（根据图纸粗略计算） W=30kgf=300N时间常数 T=25ms滚珠丝杠基本导程 L=4mm左旋行程 S=230mm脉冲当量 =0.005mm/step步距角 =0.75 /step快速进给速度 max=1mm/minA.切削力计算 查参考文献1可得知，横向进给量为纵向的1/21/3,取1/2,则切削力约为纵向的1/2 F=(1/2)152.76=76.38kgf=763.8N （3-1）在切断工件时：F=0.5F=0.5076.38=38.19kgf=381.9N （3-2）B.滚珠丝杠设计计算a.强度计算对于燕尾型导轨：P=KFy+f(Fz+W) （3-3）取K=1.4 f=0.2则 P=1.438.19+0.2（76.38+30） =74.74kgf=747.4N （3-4）寿命值 L =13.5 （3-5）最大动负载 Q=1.2174.74=213.55kgf=2135.5N （3-6）根据最大动负荷Q的值，可选择滚珠丝杠的型号。查参考文献2可知，选用型号为WL2004-2.5X1B左，其额定动负荷为6100N，所以强度足够用。b.效率计算螺旋升角=339，摩擦角=10则传动效率 =0.956 （3-7）c.刚度验算滚珠丝杠受工作负载P引起的导程的变化量L=5.9610-6cm （3-8）滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量L2很小，可忽略，即：L=L。所以，导程变形总误差为=L=5.9610-6=14.9m/m （3-9）查表知E级精度丝杠允许的螺距误差1m长为15m/m，故刚度足够。d.稳定性验算由于选用滚珠丝杠的直径与原丝杠直径相同，而支承方式由原来的一端固定、一端悬空，变为一端固定，一端径向支承，所以稳定性增强，故不用验算。C.齿轮及转矩有关计算a.有关齿轮计算传动比 i= （3-10）故取 Z=18 Z=30 m=2mm b=20mm =20d=36mm d=60mm d=40mm d=64mma=48mmb.转动惯量计算工作台质量折算到电机轴上的转动惯量JI=（）2W=（）2300.01=0.0439kgfcm2（3-11）丝杠转动惯量JS=7.810-42450=0.624kgfcm2 （3-12）齿轮的转动惯量J=7.810-43.642=0.262kgfcm2 （3-13）J=7.810-4642=2.022kgfcm2 （3-14）电机转动惯量很小可忽略，因此，总的转动惯量J= =1.258kgfcm2 （3-15）c所需转动力矩计算 n=41607r/min （3-16） M=Nm=2.23kgfcm （3-17） （3-18）m=0.1775kgfcm （3-19）= （3-20） （3-20） （3-22）所以，快速空载启动所需转矩 （3-23）切削时所需力矩： （3-24）快速进给时所需力矩： （3-25）从以上计算可知：最大转矩发生在快速启动时，=2.633kgfcm=26.33Ncm333步进电机的选择C6140横向进给系统步进电机的确定 （3-26）电动机选用三相六拍工作方式，查参考文献1表7-2知： （3-27）所以，步进电机最大静转矩为： （3-28）步进电机最高工作频率 （3-29）为了便于设计和计算，选用110BF003型三相六拍步进电机，能满足使用要求。3.4数控车床的传动装置设计 数控机床的传动装置是指将电动机的旋转运动变为工作台的直线运动的整个机械传动链及其附属机构。包括丝杠螺母副、导轨、工作台等。在数控机床数字调节技术领域，传动装置是伺服系统中的一个重要环节。因此，数控车床的传动装置与普通车床中传动装置在概念上有重要差别，它的设计与普通车床传动装置的设计不同。数控车床传动装置的设计要求除了具有较高的定位精度之外，还应具有良好的动态特性，即系统跟踪指令信号的响应要快，稳定性要好。为确保数控车床进给系统的传动精度和工作稳定性，在设计机械传动装置时，通常提出了无间隙、低摩擦、高刚度等要求。为了达到这些要求，采取主要措施如下：a尽量采用低摩擦的传动，以减少摩擦力；b链以及用预紧的办法提高传动系统的刚度；c量消除传动间隙，减少反向死区误差。341螺旋传动A概述 螺旋传动主要用来把旋转运动变为直线运动，或把直线运动变为旋转运动。其中，有以传递能量为主的传力螺旋，有以传递运动为主，并要求有较高传动精度的传动螺旋，还有调整零件相互位置的调整螺旋。螺旋传动机构又有滑动丝杠螺母、滚珠丝杠螺母和液压丝杠螺母机构。 在经济型数控车床的进给系统中，螺旋传动主要用来实现精密进给运动，并广泛采用滚珠丝杠副传动机构。 滚珠丝杠副传动是在具有螺旋滚道的丝杠和螺母间放入适当数量的滚珠。这些滚珠作为中间传动件，使螺杆和螺母之间的摩擦由滑动摩擦变为滚动摩擦的一种传动装置。它由丝杠、螺母、滚珠及滚珠循环返回装置等四个部分组成。当螺杆转动螺母移动时，滚珠则沿螺杆螺旋滚道面滚动，在螺杆上滚动数圈后，滚珠从滚道的一端滚出并沿返回装置返回另一端，重新进入滚道，从而构成闭和回路。B滚珠丝杠副传动的特点a传动效率高，摩擦损失小。b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，定位精度高，刚度好。c启动力矩小，运动平稳，无爬行现象，传动精度高，同步性好。d有可逆性，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，即丝杠和螺母都可以作为主动件。e磨损小，使用寿命长，精度保持性好。f制造工艺复杂。滚珠丝杠和螺母等元件的加工精度要求高，表面粗糙度值别别小，故制造成本高。g不能自锁。特别是对于垂直丝杠，由于中立的作用，下降时当传动切断后，不能立刻停止运动，所以需要添加制动装置。C滚珠丝杠副的支承方式 为了满足高精度、高刚度进给系统的需要，必须充分重视滚珠丝杠副支承的设计。a一端固定 一端自由a) 丝杠的静态稳定性和动态稳定性都很低。b) 结构简单c) 轴向刚度小d) 适用于较短的滚珠丝杠安装和垂直的滚珠丝杠安装b两端铰支a) 结构简单b) 轴向刚度小c) 适用于对刚度和位移精度要求不高的滚珠丝杠安装d) 对丝杠的热伸长较敏感e) 适用于中等回转速度c一端固定 一端铰支a) 丝杠的静态稳定性和动态稳定性都较高，适用于中等回转速度b) 结构稍复杂c) 轴向刚度大d) 适用于对刚度和位移精度要求较高的滚珠丝杠安装e) 推力球轴承应安置在离热源（步进电机）较远的一端d两端固定a) 丝杠的静态稳定性和动态稳定性最高，适用于高速回转b) 结构复杂，两端轴承均调整预紧，丝杠的温度变形可转化为推力轴承的预紧力c) 轴向刚度最大d) 适用于对刚度和位移精度要求高的滚珠丝杠安装e) 适用于较长的丝杠安装综上所述，本设计中滚珠丝杠副支承方式由原来的一端固定、一端悬空，变为一端固定，一端径向支承。D滚珠丝杠副轴向间隙的调整滚珠丝杠的传动间隙是轴向间隙。为了保证反向传动精度和轴向刚度，必须消除轴向间隙。消除间隙的方法采用双螺母结构，利用两个螺母的相对轴向位移，使两个滚珠螺母中的滚珠分别贴紧在螺旋滚道的两个相反的侧面上。用这种方法预紧消除轴向间隙时，应注意预紧力不宜过大，预紧力大会使空载力矩增加，从而降低传动效率，缩短使用寿命。此外，还要消除丝杠安装部分和驱动部分的间隙。342 轴的结构设计A轴CA6150-02-04的结构设计由前面滚珠丝杠副的设计可知：滚珠丝杠的直径为20mm。由于丝杠与轴CA6150-02-04通过联接套联接，考虑到轴的加工方便性和整体的连贯性，轴CA6150-02-04的轴身部分直径与滚珠丝杠的直径相同，均为20mm，其长度根据原车床实际需要的尺寸而定，轴颈部分直径为17mm。 图3-1 轴CA6150-02-04B轴CA6150-02-08的结构设计考虑与轴承内经的配合，所以该轴两端支承部分直径为17mm。由于该轴需与法兰盘联接，而且该轴相对较长，因此在设计时为了方便安装，降低装配难度，将轴身部分增加一个轴肩，直径适当减小，使其有一过渡，轴身直径为15mm。因为该轴的右端还需安装一个透盖，用双螺母对其紧固。轴与透盖用一键使其周向固定。查参考文献3可知，根据轴的直径选用型号为GB/T1098-1979的键，键槽宽度为3mm，深度为3.8mm。图3-2 轴CA6150-02-08343透盖的结构设计透盖的内径和长度由与之配合的轴CA6150-02-08的直径和长度决定，所以透盖的直径为16mm,长33mm。因为选用型号为GB/T1098-1979的键，查参考文献3可知，毂t1=1.4mm，上偏差为+0.1，下偏差为0。外圆的直径由法兰盘的直径决定，为96mm。图3-3 透盖CA6150-02-01344螺母座的结构设计螺母座的长度根据滚珠螺母的长度而定。螺母座与滚珠螺母通过键进行轴向固定，查参考文献4可知，该键型号选用GB/T1096-1979，4430。滚珠丝杠副通过螺母座带动工作台移动，因此螺母座通过螺钉与工作台联接。查参考文献4可知，螺钉型号选用GB/T70-1985。图3-4 螺母座CA6150-02-0735溜板箱纵横向滚珠丝杠和导轨润滑对数控车床来说，导轨除应具有普通车床导向精度和工艺性外，还要有良好的耐摩擦、磨损特性，并减少因摩擦阻力而致死区。同时要有足够的刚度，以减少导轨变形对加工精度的影响，所以要有合理的导轨防护和润滑。溜板箱纵横向滚珠丝杠和导轨采用重庆第二机床厂生产的间歇式自动润滑系统。36通过从厂家所得到的技术资料纵向和横向滚珠丝杠装配。361X向和Z向滚珠丝杠装配图的设计过程 首先选择定位基准，Z向左端选择拆除进给箱后所露出的右侧进给箱定位销和固定平面为新设计的电机架的定位销和固定平面，进给箱后所露出的右侧进给箱固定罗纹孔为新设计的电机架的固定罗纹孔。Z向右端选择原丝杠右端轴承座的定位销和固定平面为新设计轴承座的定位销和固定平面，原丝杠右端轴承座的固定罗纹孔为新设计的轴承座的固定罗纹孔。X向选择小拖板的前侧面加工定位平面和加工定位孔为基准。根据定位基准进一步确定其他尺寸。37主轴箱和拖板箱的改造拆除原拖板箱，利用此位置安装新拖板箱，新拖板箱除固定滚珠丝杠的螺母外都不要。在主轴箱的二轴加装17位位置编码器。将主轴正反离合器手动刹车装置拆除，在主轴驱动电抗上加装自动刹车离合器装置。电器系统控制电机正反转。拆除原机床操作杆，变向杠、立轴等杠杆零件。电路连接如电器原理图。原冷却泵改由数控系统控制，如电器原理图。考虑车床工作台Z向的移动范围，选择IGUS公司的E4系列拖链302型号。38自动转位刀架的设计 自动转位刀架的设计是普通机床数控改造机械方面的关键。在进行普通车床的经济型数控改造时，多采用外购自动转位刀架。由微机控制的自动转位刀架具有重复定位精度高,工件刚性好,性能可靠,使用寿命长以及工艺性好等特点。自动转位刀架设计时,刀架要能自动完成抬起、回转、选位、下降、定位和压紧,即要设计出合理的机构又要检测出个顺序动作的电信号,以便由控制系统加以控制。刀架的回转常采用微电机通过蜗轮蜗杆使刀架抬到一定高度时,由拨块带动刀架转动。刀架的选位由刀架位置的编码和微机程序来实现。这里选用的是LD4-1型自动刀架，其工作原理是由微机发出换刀信号,使微电机正转,通过减速机构和升降机构将上刀体升至一定位置时,离合转盘起作用,带动上刀体旋转,旋转到所选刀位,发信盘发出刀位信号,使微电机反转,反靠初定位,上刀体下降,齿牙盘啮合，完成精定位，并通过蜗轮蜗杆，锁紧螺母，使刀架固紧。当夹紧力达到预先调好的状态时，过流继电器动作，切断电源，电机停转，并向微机发出回答信号，开始执行下道工序。刀架的动作顺序简明地表示为：微电机减速机构升降机构上刀体上升转位信号符合粗定位机构上刀体下降精定位刀体锁紧微电机停转换刀回答信号加工顺序。39安全防护 高效必须以安全为前提。在机床改造中要根据实际情况采取相应的措施，是不可忽视的。滚珠丝杠副是精密元件，工作时要严防灰尘特别是切屑及硬沙粒进入滚道。在纵向丝杠上加整体铁板防护罩。大拖板与滑动导轨接触的两端面密封好，防止硬质颗粒状的异物进入滑动面损伤导轨。并且滚珠丝杠在使用时，也要防止螺母脱离丝杠表面，因为螺母一旦脱离滚珠将散落，此时滚珠丝杠副不能正常工作，严重时会引起设备事故，因此在主机上必须配置防止螺母脱出的超程保护装置，为了保障机床的运行安全，机床的X向和Z向运动通常设置有软限位（参数设定限位）和硬限位（行程开关限位）两道保护“防线”。软限位由选择的数控系统参数设定限位，硬限位在X向和Z向分别装一对行程开关，电路连接如电路图。4数控系统的选择考虑选择 HNC-210A世纪星HNC-210A数控装置。41系统简介“世纪星”HNC-210A数控装置，采用先进的开放式体系结构，内置嵌入式工业PC，配置8.4/彩色液晶显示屏和通用工程面板，集成进给轴接口、主轴接口、手持单元接口、内嵌式PLC接口于一体，采用电子盘程序存储方式以及CF卡、USB盘、DNC、以太网等程序扩展及数据交换功能、具有低价格、高性能、配置灵活、结构紧凑、易于使用、可靠性高的特点。采用一体化模具设计，外观更加美观，坚固。工程操作面板采用独立安装的形式。主要应用于车削和车削加工中心数控机床，以及铣削和铣削加工中心数控机床。411 世纪星HNC-210A车削系统介绍最大联动轴数为3轴。可选配各种类型的脉冲接口式交流伺服驱动单元（闭环）或步进驱动单元（开环）。 配置手持单元接口、主轴控制与编码器接口。外部PLC输入/输出全部采用基于总线的PLC I/O扩展模块，最多可扩展128/128。采用8.4/彩色液晶显示器（分辨率为640480），全汉字操作界面、故障诊断与报警、加工轨迹图形显示和仿真，操作简便，易于掌握和使用。 采用国际标准G代码编程，与各种流行的CAD/CAM自动编程系统兼容，具有直线插补、圆弧插补、固定循环、旋转、缩放、镜像、刀具补偿、用户宏程序等功能。 加工断点保存/恢复功能，方便用户使用。反向间隙和单、双向螺距误差补偿功能。内置RS232通讯接口，轻松实现机床数据通讯。支持高速以太网数据交换。 900KB FlashRAM程序断电存储区，可采用CF卡扩展，最大至2GB（选件）。支持USB热插拔。256MB RAM加工内存缓冲区。412世纪星HNC-210A功能描述系统配置程序缓冲区：256MB 零件程序和断点保护区：基本900KB，可扩展至2GB（选件）进给轴接口类型：脉冲接口主轴驱动单元接口主轴编码器接口开关量输入输出最多：128输入/128输出（选件）手持单元接口USB接口RS232接口以太网接口（选件）标准PC键盘接口手持单元（选件）CNC功能最大控制轴数：4进给轴+1主轴联动轴数：4轴（铣）/3轴（车）最小分辨率：0.1微米最大移动速度：32米/分钟（与驱动单元、机床相关）直线、圆弧、螺纹功能自动加减速控制（直线/抛物线）参考点返回坐标系设定MDI功能M、S、T功能加工过程图形静态仿真和实时跟踪内部二级电子齿轮简单车削循环（车）复合车削循环（车）固定铣削循环（铣）CNC编程编程最小单位：0.001毫米、度最大编程尺寸：99999。999最大编程行数：20亿行公/英制编程绝对/相对指令编程宏指令编程子程序调用工件坐标系设定直径/半径编程（车）自动控制倒角（圆角、直角）（车）恒线速切削功能（车）平面选择（铣）坐标旋转、缩放、镜像（铣）后台编程（选件）极坐标编程（选件）蓝图编程（选件）显示中文菜单功能图形显示状态显示当前位置显示程序显示程序错误显示操作错误显示报警显示坐标轴设置显示主轴速度及修调进给速度及修调快速进给及修调自诊断功能插补功能HNC-210A/TD直线插补，最大3个轴圆弧插补螺纹切削HNC-210A/MD直线插补，最大4个轴圆弧插补螺纹切削螺旋线插补正弦线插补参考点功能参考点位置设定参考点开关偏差设定回参考点快移速度设定回参考点定位速度设定数据交换RS232以太网（选件）USB盘CF卡操作8.4/彩色液晶显示屏防静电薄膜编程面板与机床操作面板PC标准键盘接口手持单元（选件）图形显示功能与动态实时仿真网络通讯功能（选件）操作方式自动单段MDI点动步进增量进给手摇增量进给手动/自动回参考点进给保持重新对刀空运行保存断点/返回断点坐标轴监视机床坐标系显示工件坐标系显示跟踪误差显示剩余进给显示进给速度显示主轴速度显示指令位置显示实际位置显示工件坐标系原点显示运动轨迹显示进给轴功能无限制旋转轴功能最高设定速度32000 mm/min每分钟进给/每转进给主轴功能主轴速度：可通过PLC编程控制（最大99999 rpm）主轴速度和修调显示变速比和变速比级数可通过PLC编程控制编码器接口螺纹功能刚性攻丝功能主轴定向安全功能坐标轴软极限保护断电保护区加工断点保存/断点恢复参数备份与恢复参数权限保护加工统计421 8031单片机的简介1、8031芯片引脚及片外总线结构（1）8031芯片引脚功能8031芯片有40个引脚，引脚配置见图（2）各引脚按功能可分为三部分：* I/O口线：P0,P1,P2,P3共4个8位口；* 控制口线：PSEN,ALE,EA,RST;* 电源及时钟：Vcc、Vss;XTAL1,XTAL2. (3) 应用特性* I/O口线不能都用作用户I/O口线；* I/O口的驱动能力,P0口可驱动8个TTL门电路，P1,P2,P3则只能驱动4个；* P3是双重功能口。2、8031单片机片内结构8031单片机由7个部件组成，即微处理器（CPU）、数据存储器（RAM）、特殊功能存储器、I/O口、串行口、定时/记数器及中断系统，它们都是通过片内单一总线连接而成的。422 8031单片机的系统扩展8031单片机内无程序存储器，如不扩展外部程序存储器则不能工作，且片内仅有128字节数据存储器，对于需要较多数据缓冲区的程序来说，片内RAM也不够用，也须扩展，有些情况还须扩展定时/计数器等。1、8031的片外总线结构所有的外部芯片都通过三组总线进行扩展：（1） 数据总线（DB）：由P0口提供，数据总线要连接的所有外围芯片上，但在同一时间只能够有一个是有效的数据传输通道。（2） 地址总线（AB）:16位，可寻址范围为64K字节，AB由P0口提供低8位地址，与数据分时传送，传送数据时将低8位地址锁存。高8位地址由P2口提供。（3） 控制总线（CB）:系统扩展用控制总线有WR、RD、PSEN、ALE、EA。2、 系统扩展能力据地址总线的宽度，在片外可扩展的存储器最大容量为64K字节。片外数据存储器与程序存储器的操作使用不同的指令和控制信号。允许两者的地址重复。故片外可扩展的数据存储器与程序存储器分别为64K。扩展的I/O口与片外数据存储器统一编址，不再另外提供地址线。3、 地址镜存器8031扩展系统时，由P0口提供数据及低8位地址，分时传送，故须地址锁存。常用的地址锁存器芯片是74LS373（带三态缓冲输出的8D触发器），其引脚及连接见图图中：D0D1：信号输入端；Q0Q7：信号输出端；G：下降沿时，将D0D1锁存于内部；E：使能端，E=0时，三态门处于导通状态，输出端Q0Q7与输入端D0D1连通，当E=1时，输出三态门断开，输入数据锁存。4、 地址译码 8031扩展电路中，都涉及到外部地址空间分配问题，即当8031数据总线分时与多个外围芯片进行数据传送时，首先要进行片选，然后再进行片内地址选择。地址译码实现片选的方法可分为三种：线选法、全地址译码法和部分地址译码法。这里选用部分地址译码法。这种方法是线选与地址译码相结合。上图为74LS138码器的引脚图。当G1=1,G2A=G2B=0时，74LS138工作。C、B、A的输出决定译码器的输出脚图。423存储器扩展1、 存储器常用芯片（1） EPROM芯片常用的程序存储器芯片（EPROM）有2761（2K8）、2732（4K8）、2764（8K8）、27128（16K8）、27256（32K8）和27512（64K8）等，均为28脚双列直插式扁平封装长片，下图为常用EPROM引脚。EPROM选用原则：（a） 据控制对象和任务的复杂程度，以及是否需要大量计算来确定存储系统容量（粗略估计，留有一定余地，以备系统的功能扩展用），为使电路简化，尽可能选择大容量芯片，以减少芯片组合。（b） 芯片的工作速度满足系统的时序要求。8031访问EPROM时，其所提供的读取时间t与所选的晶体时钟有关，约为3T,不同型号的EPROM工作速度一般为200450ns,故选取芯片时，应使其工作速度小于t。（2） 数据存储器数据存储器有动态和静态之分，两者相比，静态RAM无须考虑保持数据而设置的刷新电路，扩展简单，在数据存储器扩展电路中应用较广泛。常用的静态RAM有6116（2K8）、6264（8K8）、62256（2K8）等，它们都由单一+5V电源供电，28脚双列直插式扁平封装，典型存取时间为150200ns。其引脚如下图所示：2、 存储器的扩展8031芯片与存储器的连接存储器扩展实质是三总线的连接。1） 据芯片存储容量的大小确定数据、地址线的根数。2） 数据线的连接：将8031芯片的P0.0P0.7按位与RAM数据线D0D7直连。3） 地址总线的连接：据确定的地址线根数，将相应的低位地址相连，剩余高位地址线作片选。4） 控制总线的连接：对应控制线连接。424I/O的扩展 MCS-51单片机共有四个8位并行I/O口，可提供给用户使用的只有P1口和部分P3口线，因此不可避免的要进行I/O端口的扩展。Intel公司常用的外围接口芯片有：8155、8255及8279等。此外还有74LS系列的TTL电路和CMOS电路锁存器、三态门电路也可以为扩展I/O口。1、 I/O口扩展方法据扩展并行I/O口时数据线的连接方式，I/O口扩展方式可分为三种：1） 总线扩展方法2） 串行口扩展方法3） 通过单片机片内I/O口的扩展方法2、 常用借口芯片 （1）8155芯片内具有256个字节RAM、2个8位、1个6位的可编程I/O口和1个14位计数器。 8155的结构引脚见下图（2）8255芯片 8255具有3个8位的并行I/O口，分别为PA、PB、PC口，其中PC口又分为高4位（PC7PC4）和低4位（PC3PC0）。（3）8279芯片 8279内部有168显示数据RAM,通过命令字可选择显示器的4种工作方式，内部还有6字节。43步进电机驱动电路 在经济型数控机床中，大多采用步进电机开环控制。而单片机的I/O或I/O扩展口的驱动能力有限，为使步进电机正常运行并输出一定功率，需要有功率发大环节；为避免强电干扰，因此还需采用隔离电路。其控制电路框图如下图所示：431脉冲分配器（环行分配器） 有硬件和软件分配器两种，硬件分配器需要的I/O接口连线少，执行速度快，需要专用的芯片，软件则用程序实现。脉冲分配器的芯片 目前采用的TTL集成脉冲分配器有三相、四相、五相和六相，其型号分别为YB0B、YB014、YB015及YB016，都为18个引脚的直插式封装。其主要性能参见下表： 脉冲分配器主要性能参数432光电隔离电路 单片机系统要控制电压高、电流大的信号，必须采用电气上的隔离并抑制干扰，光电耦合器就是利用光传递信息的器件，使电路的输入和输出在电气上完全隔离，大大提高了系统安全可靠性，并可实现共模噪声的抑制和电源的变换等。 光电耦合器的类型按输出结构可分为直流和交流输出两类。直流输出可采用：（1）晶体管输出；（2）达林顿管输出；（3）史密特触发器输出。交流可采用：（1）单向可控硅输出；（2）双向可控硅输出等。433功率放大器 脉冲分配器的功率很小，不能满足步进电机的要求，必须将它放大以产生足够大的功率，驱动步进电机正常运转。 从步进电机的起动矩频特性可以看出，随着运行矩频的增高，步进电机带动负载的能力下降。产生的主要原因是：作为功率放大器负载的步进电机是电感负载，当改变通电状态时，通电绕组的电流将从零逐渐增大，该绕组中产生感应电势使电流按指数规律上升，并将电源一部分能量存在（电感）绕组中，电流的时间常数为： 式中Lm：指步进电机一相绕组的平均电感量 R：通电回路的电阻，包括绕组电阻、功率放大器输出级的内阻及串联电阻。而断电绕组电流是下降的，这时存储于绕组中的势能将以电流式释放出来，使电流按指数规律下降，其时间常数为：式中RD：指放电回路电阻，包括绕组电阻，续流二级管正向电阻等。这样就使绕组中电流缓慢增加和下降，步进各相绕组电流几乎同时存在，步进电机负载能力下降，严重时会出现失步。 为提高步进电机动态特性，可采用以下几种方法：（1）电阻法；（2）双电源法。434其他辅助电路1、 掉电保护电路 RAM中存放的数据一掉电就会全部丢失。为了保护RAM中的信息，采用掉电保护电路。下图所示为一简单掉电保护电路的工作原理。图中V+为电源