毕业设计（论文）-CK6140普通车床进行数控化改造.doc

本科毕业设计说明书（论文）第 36 页 共 36 页1 绪论1.1 课题背景1946年诞生了世界上第一台电子计算机，这表明人类创造了可增强和部分代替脑力劳动的工具。它与人类在农业、工业社会中创造的那些只是增强体力劳动的工具相比，起了质的飞跃，为人类进入信息社会奠定了基础。6年后，即在1952年，计算机技术应用到了机床上，在美国诞生了第一台数控机床。我国目前机床总量380余万台，而其中数控机床总数只有11.34万台，即我国机床数控化率不到3。近10年来，我国数控机床年产量约为0.60.8万台，年产值约为18亿元。机床的年产量数控化率为6。我国机床役龄10年以上的占60以上；10年以下的机床中，自动/半自动机床不到20，FMC/FMS等自动化生产线更屈指可数。可见我们的大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大数是传统的机床，而且半数以上是役龄在10年以上的旧机床。用这种装备加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长，从而在国际、国内市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的产品、市场、效益，影响企业的生存和发展。所以必须大力提高机床的数控化率。1.2 车床改造的内容与意义1.2.1 改造意义企业要在当前市场需求多变，竞争激烈的环境中生存和发展就需要迅速地更新和开发出新产品，以最低价格、最好的质量、最短的时间去满足市场需求的不断变化。而普通机床已不适应多品种、小批量生产要求，数控机床则综合了数控技术、微电子技术、自动检测技术等先进技术，最适宜加工小批量、高精度、形状复杂、生产周期要求短的零件。当变更加工对象时只需要换零件加工程序，无需对机床作任何调整，因此能很好地满足产品频繁变化的加工要求。普通车床经过多次大修后，其零部件相互连接尺寸变化较大，主要传动零件几经更换和调整，故障率仍然较高，采用传统的修理方案很难达到大修验收标准而且费用较高。因此合理选择数控系统是改造得以成功的主要环节。数控机床在机械加工行业中的应用越来越广泛。数控机床的发展，一方面是全功能、高性能；另一方面是简单实用的经济型数控机床，具有自动加工的基本功能，操作维修方便。经济型数控系统通常用的是开环步进控制系统，功率步进电机为驱动元件，无检测反馈机构，系统的定位精度一般可达0.01至0.02mm，已能满足CK6140车床改造后加工零件的精度要求。1.2.2 主要研究内容及技术路线 1)纵向和横向滚珠丝杠的选型及校核。 2)纵向和横向步进电机的选择。 3)主轴交流伺服电机的选择与校核。 4)微机控制系统硬件电路设计。1.2.3 数控化改造后机床的优越性 1)机床数控化改造可以提高零件的加工精度和生产效率。 2)机床数控化改造可以提高机床的性能和质量，加工出普通机床难以加工或者不能加工的复杂型面零件。 3)机床数控化改造后可以实现加工的柔性自动化，效率可比传统机床提高3-7倍。 4)可实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬运，降低工件的定位误差。 5)拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自检功能，更好的调节了机床加工状态。还可以提示操作者机床故障或编程错误等机床运行中出现的问题。 6)数控加工降低了工人的劳动强度，节省了劳动力，减少了工装，缩短了新产品试制周期很生产周期，并可对市场需求做出快速反应。1.3 机床的经济型数控化改造主要解决的问题(1) 恢复原功能，对机床、生产线存在的故障部分进行诊断并恢复。(2) NC化在普通机床上加数显装置或加数控系统，改造成NC机床CNC机床。(3) 翻新，为提高精度、效率和自动化程度，对机械、电气部分进行翻新，对机械部分重新装配加工，恢复原精度；对其不满足生产要求的CNC系统以最新CNC进行更新。(4) 技术更新或技术创新，为提高性能或档次，或为了使用新工艺、新技术，在原有基础上进行较大规模的技术更新或技术创新，较大幅度地提高水平和档次的更新改造。2 设计方案的确定2.1 数控机床伺服系统的选择数控机床按伺服控制主要有三种类型，改造时，应根据具体情况进行选择。2.1.1 开环控制系统系统的伺服驱动装置主要是步进电机、功率步进电机、电液脉冲马达等。由数控系统送出的进给指令脉冲，经驱动电路控制和功率放大后，使步进电机转动，通过齿轮副与滚珠丝杠副驱动执行部件。只要控制指令脉冲的数量、频率以及通电顺序，便可控制执行部件运动的位移量、速度和运动方向。这种系统不需要将所测得的实际位置和速度反馈到输入端，故称该之为开环系统，该系统的位移精度主要决定于步进电机的角位移精度，齿轮丝杠等传动元件的节距精度，所以系统的位移精度较低。该系统结构简单，调试维修方便，工作可靠，成本低，易改装成功，该机床数控化改造纵向和横向进给伺服驱动选择开环步进电机控制。2.1.2 闭环控制系统该系统与开环系统的区别是：由光栅、感应同步器等位置检测装置测得的实际位置反馈信号，随时与给定值进行比较，将两者的差值放大和变换，驱动执行机构，以给定的速度向着消除偏差的方向运动，直到给定位置与反馈的实际位置的差值等于零为止。闭环进给系统在结构上比开环进给系统复杂，成本也高，对环境室温要求严。设计和调试都比开环系统难。但是可以获得比开环进给系统更高的精度，更快的速度，驱动功率更大的特性指标。可根据产品技术要求，决定是否采用这种系统。由于闭环控制代价高，适用于精密和高精密数控机床，对于经济型数控机床选择此系统，无疑提高了它的成本和调试难度。2.1.3 半闭环控制系统半闭环系统检测元件安装在中间传动件上，间接测量执行部件的位置。它只能补偿系统环路内部部分元件的误差，因此，它的精度比闭环系统的精度低，但是它的结构与调试都较闭环系统简单。在将角位移检测元件与速度检测元件和伺服电机作成一个整体时则无需考虑位置检测装置的安装问题。由于它的性价比高，大部分普通机床数控化改造都采用此系统。2.2 机械部分的改造为了充分发挥数控系统的技术性能，保证改造后的车床在系统控制下重复定位精度，微机进给无爬行，使用寿命长、外型美观，机械部分作了如下改动。2.2.1 床身为了使改造后的机床有较高的开动率和精度保持性，除尽可能地减少电器和机械故障的同时，应充分考虑机床零件、部件的耐磨性，尤其是机床导轨的耐磨性。增加耐磨性的方法有：增加导轨的表面强度如：淬火；降低摩擦系数等。当前国内外数控机床的床身等大件多采用普通铸铁。而导轨则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，在改造中利用旧床身，采用淬火制成导轨，贴塑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。2.2.2 主轴变速箱选用数控系统,主运动方式和传统机床一样都要求有十分宽广的变速范围（116）来保证加工时选择合理的切速，从而获得较高的生产率和表面质量,所以要根据具体情况对主轴变速箱进行改造。2.2.3 拖板拖板是数控系统直接控制的对象，不论是点位控制还是连续控制，对被加工零件的最后坐标精度将受拖板运动精度、灵敏度和稳定性的影响。对于应用步进电机作拖动元件的开环系统尤其是这样。因为数控系统发出的指令仅使拖板运动而没有位置检测和信号反馈，故实际移动值和系统指令值如果有差别就会造成加工误差。因此，除了拖板及其配件精度要求较高外，还应采取以下措施来满足传动精度和灵敏度要求。 1)在传动装置的布局上采用减速齿轮箱来提高传动扭矩和传动精度(分辨率为0.01mm)。传动比计算公式为： 式（2-1）式中：为步进电机的步距角(度)；p为丝杠螺距，mm；为脉冲当量，即要求的分辨率，mm。 2)在齿轮传动中，为提高正、反传动精度必须尽可能的消除配对齿轮之间的传动间隙，其方法有两种，柔性调整法和刚性调整法。柔性调整法是指调整之后的齿轮侧隙可以自动补偿的方法，在齿轮的齿厚和齿距有差异的情况下，仍可始终保持无侧隙啮合。但将影响其传动平稳性，而且这种调整法的结构比较复杂，传动刚度低。刚性调整法是指调整之后齿轮侧隙不能自动补偿的调整方法，它要求严格控制齿轮的齿厚及齿距误差，否则传动的灵活性将受到影响。但用这种方法调整的齿轮传动有较好的传动刚度，而且结构比较简单。在设备改造中应用的配对齿轮侧隙方法是刚性调整法。 3)采用滚珠丝杠代替原滑动丝杠，提高传动灵敏性和降低功率、步进电机力矩损失。 2.2.4 自动换刀装置为了满足在一台机床上一次装夹完成多工序加工，可采用自动刀架。自动刀架不但可代替普通车床手动刀架，还可用作数控机床微机控制元件。刀架体积小，重复定位精度高，适用于强力车削并安全可靠。2.2.5 拖板箱采用数控系统控制。拆除原拖板箱，利用此位置安装新拖板箱，新拖板箱除固定在滚珠丝杠的螺母上。挂轮箱、走刀箱拆除，在此两个位置分别装控制螺纹加工的主轴脉冲编码器和拖板轴向伺服元件功率步进电机及减速箱。使改造后的机床外型美观、合理。改造后机床的启动、停机均由数控系统完成，故拆除原机床操纵杆，变向杠、立轴等杠杆零件。2.3 主轴交流伺服电机2.3.1 主轴的变速范围主轴能实现的最高转速与最低转速之比称为变速范围, 即=,数控机床的工艺范围宽，切削速度与刀具，工件直径变化很大，所以主轴变速范围很宽。 由于 =1800 =14 = 式（2-2） 则 =113r/min 这里为电动机的额定转速该机床主轴要求的恒功率调速范围为：= =1800/113=15.9 式（2-3）主轴电机的功率是：7.5kw2.3.2 初选主轴电机的型号选主轴电机的型号为：SIMODRIVE系列交流主轴驱动系统型号为1HP6167-4CB4，连续负载PH/KW=14.5，间歇负载（60%）/ =17.5kw,短时负载（20min）/=19.25,额定负载n=5000，最大转速=8000,额定转矩277N.m,惯性矩0.206/kg.m晶体管PWM变频器型号为6SC6058-4AA022.3.3 主轴电机的校核电动机恒功率调速范围：=8000/500=16所以所选电动机型号的调速范围满足主轴所要求的调速范围。2.4 进给电机的选择对于经济型数控化改造，我们选用步进电机进行伺服控制。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。2.4.1 步进电动机的选用原则选用步进电动机时，通常希望步进电动机的输出转距，启动频率和运行频率高，步距误差小，性能价格比高。但增大转距也快速运行存在一定矛盾，高性能也低成本存在矛盾，因此实际选用时，必须全面考虑。 1)应考虑系统的精度和速度的要求。为了提高精度，希望脉冲当量小。但是脉冲当量越小，系统的运行速度越低。故因兼顾精度也速度的要求来选定系统的脉冲当量。在脉冲当量确定以后，又可以为依据来选择步进电动机的步距角和传动机构的传动比。 2)对位移误差的要求。步进电动机的步距角从理论上说是固定的，但实际上还是有误差的。此外，负载转距也将引起步进电动机的定位误差。应将步进电动机的步距误差、负载引起的定位误差和传动机构的误差全部考虑在内，使总的误差小于数控机床允许的定位误差。 3)步进电动机的特性曲线对步进电动机参数选择有影响的特性曲线包括：起动距频特性曲线和反映转距也连续运行频率之间关系的工作距频特性曲线。 4)步进电动机的选择既要满足快速进给的要求，又要满足切削进给的要求。在这两种情况下，对转距和进给速度有不同的要求。若要求进给驱动装置有如下性能：在切削进给时的转距为 ,最大切削进给速度为v,在快速进给时的转距为 ，最大快速进给速度为 。2.4.2 步距角步距角应满足 式（2-4）式中， -传动比 - 脉冲当量 -丝杠导程2.4.3 精度步进电动机的精度可以用步距误差或累积误差衡量，累积误差是指转子从任意位置开始，经过任意步后，转子的实际转角与理论转角之差的最大值，用累积误差衡量精度比较实用，所选用的步进电动机应满足：式（2-5）式中， -步进电动机的累积误差。 -系统对步进电动机驱动部分允许的角度误差。2.4.4 转矩为了使步进电动机正常运转（不失步，不越步）正常启动并满足对转速的要求，必须考虑以下条件：起动力矩一般选取为 式（2-6）式中， -电动机起动力矩 -电动机静负载力矩根据步进电动机的相数和拍数，启动力矩选取如表2-1所示，表中MJM为步进电动机的最大静载矩，是步进电动机技术数据中给出的。表2-1步进电动机相数、拍数启动力矩表运行方式相数33445566拍数3648510612Mg/0.50.8660.7070.7070.8090.9510.8660.866在要求的运行频率范围内，电动机运行力矩应大于电动机的静载力矩与电动机转动惯量（包括负载的转动惯量）引起的惯性矩之和。2.4.5 启动频率由于步进电动机的启动频率随着负载力矩和转动惯量的增大而降低，因此，相应负载力矩和转动惯量的极限启动频率应满足： 式(2-7)式中，-极限启动频率， -要求步进电动机最高启动频3 纵向步进电机的选择3.1 确定系统的脉冲当量脉冲当量是指一个进给脉冲使机床执行部件产生的进给量，它是衡量数控机床加工精度的一个基本技术参数。因此，脉冲当量应根据机床精度的要求来确定，CK6140的定位精度为0.015mm，因此选用的脉冲当量为0.01mm/脉冲 0.005mm/脉冲。3.2 步距角的选择根据步距角初步选步进电机型号，并从步进电机技术参数表中查到步距角，三种不同脉冲分配方式对应有两种步距角。步距角 及减速比与脉冲当量和丝杠导程有关。初选电机型号时应合理选择及, 并满足： 式（3-1）由上式可知： =3600.011/ L。=0.36初选电机型号为:90BYG5502具体参数如表3-1所示表3-1 90BYG5502具体参数纵向电机步距角相 数驱动电压电 流90BYG55020.36550V3A静转矩空载起动频率空载运行频率转动惯量重 量5N.m22003000040kg.cm4.5kg图3-1 电机简图3.3 矩频特性： = () 由于： =(r/min)则： =J()式中：J为传动系统各部件惯量折算到电机轴上的总等效转动惯量（）;为电机最大角加速度（）；为与运动部件最大快进速度对应的电机最大转速（r/min）；t为运动部件从静止启动加速到最大快进速度所需的时间（s）；为运动部件最大快进速度（mm/min）；为脉冲当量（mm/脉冲）；为初选步进电机的步距角（）步，对于轴、轴承、齿轮、联轴器，丝杠等圆柱体的转动惯量计算公式为J=(),对于钢材，材料密度为7.810(),则上式转化为J=0.78DL10(),式中：Mc为圆柱体质量（kg）；D为圆柱体直径（cm），JD为电动机转子转动惯量，可由资料查出。(1)丝杠的转动惯量Js Js=Js/，为丝杠与电机轴之间的总传动比由于 =1则: Js=0.78DL10=0.78(6.3)17010=208.9()(2)工作台质量折算=（）(),式中：为丝杠导程（cm）；为工作台质量（kg）.由于=1cm =90kg则 ：=（）=90=2.28()1）一对齿轮传动小齿轮装置在电机轴上转动惯量不用折算，为.大齿轮转动惯量折算到电机轴上为=()2）两对齿轮传动传动总速比=,二级分速比为和.于是，齿轮1的转动惯量为,齿轮2和3装在中间轴上，其转动惯量要分别折算到电机轴上，分别为()和 ().齿轮4的转动惯量要进行二次折算或以总速比折算为：=() () 式（3-2）因此，可以得到这样的结论：在电机轴上的传动部件转动惯量不必折算，在其他轴上的传动部件转动惯量折算时除以该轴与电机轴之间的总传动比平方。由于减速机构为一对齿轮传动，且第一级=1,则可分别求出各齿轮与轴的转动惯量如下：n=45,m=1.5的转动惯量,其分度圆直径d=451.5=67.5mmS=27mm 则: =0.786.7510=4.371 n=40,m=1.5的转动惯量,其分度圆直径d=401.5=60mmS=27mm 则: =0.78610=2.73n=30,m=1.5的转动惯量,其分度圆直径d=301.5=45mmS=27mm 则: =0.784.510=0.964 n=45,m=1.5的转动惯量,其分度圆直径d=451.5=67.5mmS=30mm 则: =0.786.7510=4.9538 n=50,m=1.5的转动惯量,其分度圆直径d=501.5=75mmS=30mm 则: =0.787.510=7.548 n=60,m=1.5的转动惯量,其分度圆直径d=601.5=90mmS=30mm 则: =0.78910=15.66 两输入输出轴的转动惯量为:J输入=0.781.81310=0.106 ; L=130mmJ输出=0.782.51310=0.396 ; L=130mm查表得：=4 综上可知：=+2 式（3-3）=252.302 又由于 V =1.461600=2236mm/min则：=252.30210=41.1(3)力矩的折算：1）=空载摩擦力矩= 式（3-4）式中：为运动部件的总重力（N）；为导轨摩擦系数；为齿轮传动降速比；为传动系统总效率，一般取=0.70.85；为滚珠丝杠的基本导程（cm）。由于=9010=900N, =0.05, =1, =0.85则 =8.4N.cm2）附加摩擦力矩=(1-) 式（3-5）式中：为滚珠丝杠预加负载，即预紧力，一般取1/3Fm;Fm为进给牵引力，为滚珠丝杠未预紧时的传动效率，一般取0.9得 =1/3=1/31728.8=576.3N又 L。=10mm ，=0.95则 =96.6 则 =+=41.1+8.4+96.6=140 由于=则所选步进电机为五相十拍的经表查得 ：=0.951则 =1.67N.m=0.955=4.75 所以所选步进电机合乎要求3.4 据步进电机的矩频特性计算加减速时间校核的快速性T=(-) 式（3-6）式中：T为加减速时间，和分别为转子，负载的转动惯量（）为电机得步距角（），,为电机最大平均转矩，负载转矩（）,为起始加速时和加速终了时的频率（Hz）由于=0.410 =0.0252 =0.36=5 =1.67 =2200Hz =30000Hz 则 T=(30000-2200) =1.2s1.5s所以选此步进电机能满足要求。4 横向步进电机的选择4.1 步距角的确定 式(4-1） =6 =1 =0.005 0.3 初选电机型号为:110BYG5602 具体参数如表4-1所示。表4-1 110BYG5602电机具体参数横向电机步距角相数驱动电压电流110BYG56020.3580V3A静转矩空载起动频率空载运行频率转动惯量重量16 25003500015kg.cm16kg图4-1 电机简图4.2 距频特性(1)力矩的折算1)空载摩擦力矩 = =6010=600N =0.05 =6mm =0.8 =3.5()2)附加摩擦力矩 () =1/3=1/33433.6=1144.5N =6 =115 (2)转动惯量的折算1)滚珠丝杠的转动惯量 =0.7810 =4cm =26cm =0.7810=0.78(4)2610 =5.19 ()2)工作台转动惯量 = 式（4-2）=0.6cm =60kg =60=0.54( )(3)多脉冲减速装置的转动惯量折算Z=30 d=1.530=45mm =0.7810 =0.784.51.810 =0.58 Z=40 d=m=1.540=60mm =0.7810 =0.7861.810 =1.82 Z=45 d=1.545=67.5mm =0.7810 =0.786.751.810 =2.92 Z=50 d=1.550=75mm =0.7810 =0.787.51.810 =4.44 Z=60 d=1.560=90mm =0.7810 =0.7891.810 =9.2 又由于 输入=0.106 J输出=0.396 =15.8 则 =+=58 = 10=0.781600=1248mm/min =1.5s =0.005 =0.3 =50 =7.257 =+ =7.527+3.5+115=125.7N.cm又 步进电机为五相十拍=0.95 =16N.m=1.257N.m0.9516=15.2N.m所以此步进电机符合条件(4)上升时间校核 =()=1.5810 =5.810 =0.3 =16N.m =1.257N.m =2500Hz =35000Hz = (35000-2500) =0.086s1.5s合乎要求5 控制系统的设计5.1 CPU的选择80C196MC是专门为电机高速控制所设计的一种16位微控制器，其后缀MC正是英文“电机控制器”(Motor Contuoller)的字头缩写，已被广泛用于家用电器的马达控制中。80C196MC由一个C196核心、一个三相波形发生器WFG和若干个其他片内外设构成,其他外设装置包括一个A/D转换器、一个事件处理阵列EPA、两个定时器和一个脉宽调制单元PWM（两个PWM输出）。80C196MD是 80C196MC的改进型，前者比后者主要是多了一个频率发生器，此外在EPA中多了若干模块。本设计主要选用了80C196MC。80C196MC的P2口是一个双向口，具有CMOS思密特特触发器输入和CMOS电平输出。这种I/O口的结构不同与别的单片机。P2口可以实现两种功能：标准的I/O功能或与事件处理器阵列EPA有关的特殊功能。实现何种功能靠有关的专用寄存器来选择，且可以每个引脚独立地选择。P2口可以配置成下列4种操作模式之一；（1）作为受控与EPA的特殊功能信号引脚；（2）作为标准的互补推冕的输出脚；（3）作为标准的漏极开路的输出脚；（4）作为标准的高阻输入脚；由于内部ROM不够用，所以要适当的扩展存储器。16位地址的低8位由P0输出，高8位由P2口输出；P0/P2口作为分时复用的地址/数据总线。P0/P2口必须接锁存器，以便达到锁存的功能，这样地址或数据总线就可以分别的被传输了。当系统中接有外部数据存储器时，时序有些变化，在同一个周期的S5状态，ALE由高变低时P0总线上出现的将不再是有效的PCL值，则此地址是DPL值。同时在P2口出现有效的DPH值，在同一周期的S6状态将不再出现PSEN有效信号。 80C196MC的引脚如图5-1所示： 锁存器80C196MC P1.7 P2.7 P1.0 P 2.0 P3.7 P0.7 P3.0 P0.0 ALEPSEN VSSEA BHE ALE RDRESET VCC 用 数 地 户 据 址锁存器 I/O 总 总 控 线 线 制 总 线 图5-1 引脚功能由图可以看出，80C196MC芯片的引脚的功能说明如下:VCC 编程和正常操作时的电源电压，接+5VVSS 接地低电平XTAL 振荡器的反相放大器输出和内部时钟发生器的输入，当使用外部振荡器时用于输入外部振荡信号。P0口是一个8位漏极开路的双向I/O端口。在存取外部存储器时，该端口分时地用作地8位双向的数据端口。P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O通道，专供用户使用。P2口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，在访问外部存储器时，它输出高8位地址A8A15.P3口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，该口的每一位均可独立地定义第一I/O口功能或第二I/O口功能。ALE是地址锁存使能信号。作为地址锁存允许时高电平有效因为P0端口是分时传送数据和低8位地址。BHE总线高位字节允许或写外部存储器高位字节信号输出，由CCR选择。BHE=0选择连线至数据总线高位字节的存储器。5.2 存储器的扩展80C196MC的64KB存贮器空间的分配如下2000H5FFFH可由片内ROM/EPROM占据，或由片外存储器占据，也可同时由片内和片外存储器占据。即使存在片内ROM/EPROM,只要EA=0,CPU仍可访问外部存储器。EA信号是在复位时被所存的。在重新复位之前，CPU对新的EA值将不予理睬。2000H207FH是一个专用的存储区。若芯片有内部ROM/EPROM，则保留在芯片内，后则保留区就在扩展存储器中。如内部存储器不够用还得扩充外部存储器。常用的ROM芯片有2716、2732、2764等等，在本设计中我才用了2764芯片。它可以扩展8KB的空间，可以有效的使程序运行。不同型号的EPROM工作速度也有差别，一般为200450ns，选择时应主意芯片的工作速度是否满足系统时序的要求。若晶体频率选用6MHZ，则t=480ns，故工作速度小于480ns的芯片在时序上均满足要求。由于80C196MC芯片内部RAM只有128字节，远远不呢满足系统的需要，需扩展片外的数据存储器常用的静态RAM芯片有6116、6264、62256等等，均采用 CMOS工艺，由单一5VG供电，典型存取时间为150200ns。它们均用28脚双列直插式扁平封装。单片机CPU与外部存储器芯片的连接方法和与程序存储器的连接方法大致相同。唯控制线的连接不同：RAM读输入信号OE与80C196MC芯片的RD引脚相连；RAM的写输入信号WE与80C196MC芯片WR相连。本设计采用了芯片6264，可以扩展8KB的容量。5.3 地址锁存器由于单片机80C196MC芯片的P0口是分时传送低8位地址线和数据线，故扩展系统中一定要有地址锁存器。常用的地址锁存器芯片是74LS373。74LS373是带三态缓冲输出的8D触发器。80C196MC与EPROM的连接。EPROM低8位地址线A0A7经地址锁存器与80C196MC的P0口相连；EPROM高8位地址线A8A15直接与80c196mc相连。因为P0口和P2口是分时复用口，所以要用地址锁存器，并由CPU发出的地址允许锁存器信号ALE的下降沿将地址信息锁存入地址锁存器中。5.4 键盘显示接口电路数控系统中使用的显示器主要有LED显示器和LCD液晶显示器，也采用CRT接口显示方式。我才用了LED显示器，通常它是由发光二极管组成的，当发光二极管导通时，相应的一个点或一个笔画发亮。控制不同组合的二极管导通，就能显示出各种字符。通常显示器采用动态显示，就是一位一位地轮流点亮显示器各个位，对于显示器的每一位来说 ，每隔一时间点亮一次，显示器的亮度即与导通电流有关，也与点亮时间和间隔时间的比例有关。调整电流和时间参数，可实现亮度较高较稳定的显示。这就是显示器的扫描过程。常常把键盘和显示电路做在一起以节省I/O线，如图5-2键盘/显示器接口电路。 PA7CE I/O WR RD PA0ALE PC0 PC3 PB0RESET 8155 PB7 P2.7 P2.6 WR RD ALE POD80C196MC 5V 874LS04 5V 图5-2 键盘/显示器接口电路5.5 键盘接口原理键盘是由若干个按键组成的开关矩阵，它是最简单的单片机输入设备。逐行逐列地检查键盘状态的过程称为对键盘的一次扫描。CPU对键盘扫描可以采取程序控制的随机方式，CPU空闭时扫描键盘，也可以采有定时控制方式，每隔一定时间，CPU对键盘扫描一次，CPU可随时响应键盘输入请求。也可以采用中断方式，当键盘上有键闭合时，向CPU对键盘扫描一次。键盘与显示共用8155的PA口进行控制，在进行键盘扫描时，必须先关显示。有关键盘与显示器的工作必须经过软件协调处理后才能达到预定的效果5.6 数控机床控制软件机床数控系统是由硬件和软件两大部分组成，只有软件和硬件相结合才能实现数控机床控制系统的功能。硬件主要是指微机，外部I/O设备和机床I/O装置等。而软件是指由一系列功能子程序组成的一整套程序。设计这些程序的目的是为了完善功能。控制软件接受输入的数据，如零件加工程序，从键盘或操作面板输入的各种操作命令，以及反映机床工作状态的输入信号，对这些输入数据进行处理、加工最终产生输出，使驱动元件或使机床工作状态发生变化。控制软件的功能就是要完成从输入到输出的转换。控制软件主要由以下几部分组成：（1）系统的初始化上点或人工复位后，系统要进行必要的初始化处理，例如，设备系统硬件，可编程I/O芯片的工作状态；设备中断方式；对系统变量赋予初值；并初始化输出端口的内容以式机床处于正确的初始工作状态。（2）零件加工程序的输入和输出管理零件加工程序的输入有两种方法，一种是通过光电阅读机输入，另一种是从键盘输入，其处理方法基本相同。零件程序存储器通常具有几K至几十K字节容量，可以存放多个零件的加工程序，为了避免经常从外围设备输入程序，零件程序存储器通常由带电池保护的RAM实现。（3）零件加工程序的编辑编辑程序也可以看作键盘命令处理程序，既可以用来从键盘输入新的零件加工程序，也可以用来对已经存储在零件程序存储器的零件加工程序进行编辑和修改。（4）机床手动调整控制机床手动调整动作包括：各坐标轴的运动、主轴运转、刀架转位、冷却的开停等。在手动调整状态下，除了控制机床动作外，还要对系统的参数进行修改设备。比如对机床的参考点坐标、当前坐标、丝杆反向间隙值、机床丝杆螺距误差值等进行设置与补偿。（5）零件加工程序的解释和执行 这是完成零件加工任务的基础模块，用来根据零件加工程序实现零件的轨迹加工。一个加工程序的解释执行，包括取得程序，程序译码，完成程序中指定的G/M/S/T功能，对轨迹加工类程序进行数据预处理，插补计算，伺服控制等步骤。图5-3是对零件加工程序解释执行的框架。程序译码取程序段 M功 Y执行M功能 能？ N Y S 功能？完成S功能 N 加 Y 工结速？ N 程序结速处理 Y T插补计算、伺服控制数据预处理执行T功能 功能？ N 图5-3 一个加工程序段的解释 (6)插补计算 它的作用是决定在所要求的进给长度上数控机床个坐标轴的运动规律。常采用半闭环控制。 6 微机控制系统硬件电路设计6.1控制系统的功能要求（1）z向和x向进给伺服运动控制（2）自动回转刀架控制（3）螺纹加工控制（4）行程控制（5）键盘及显示（6）面板管理6.2主轴系统的改造 在对CK6140车床的数控改造中，保留了原有的变速箱，由变速箱手柄来完成主图6-1 主轴电动机电气控制原理图轴的有级调速。主轴电动机采用1PH7系列，配备相应的电气控制设备，可以实现主轴的正、反转，主轴点动，主轴电动机的热保护等功能，如图6-1所示，正转或反转命令通过面板操作写在程序中，由PLC输出端口控制正转继电器（KAZ）或反转继电器（KAF），使接触器KM1和KM2动作，完成主轴的正反转切换，为减小主轴电动机的起动电流计，使用了KM3、KM4、 KM5S三个接触器来完成电动机的Y切换。为适应螺纹加工的要求，主轴上安装了编码器，通过端口X472输入611UE反馈到PCU单元。热继电器（FR）的一组常开触点接入X111输入点D.7,当电动机过热时，热继电器（FR）动作，使D.7有效，PCU单元产生报警，并切断主轴电动机的电源。6.3机床控制系统改造(1)主轴编码器 在螺纹加工中必须知道主轴转速，根据主轴转速计算进给速度，为此我们在主轴上安装了主轴编码器用来检测主轴的转速，按照加工精度要求，我们选择lecLF型编码器（每转脉冲数为1200个），编码器的信号通过端口X472反馈到802S的PCU单元，X472端口的10-15引脚分别为零相正负脉冲Z-和Z+，B相正负脉冲B-和B+以及A相正负脉冲A-和A+，4和6脚为+5VDC电源，7和9脚为GND。最后将主轴编码器的每转脉冲数写入PCU单元的机床数据31020中。 (2)电动刀架选用LD4-CO625型四工位电动刀架，作为CK6140车床数控改造用的电动刀架， 图6-2 802S输入输出接线图选刀时在程序中输入被选刀具的Txx（刀具号）和Dxx（刀沿号），PCU单元将换刀指令通过PLC的输出端口传送到X111的Q0.4接通电动刀架的正转继电器，使刀架正转，当所选刀具到达指令位置时，刀架上的集成霍尔元件则发出反馈信号，通过PLC输入端口将X111的D.0-D.3信息传递给PCU单元结束选刀，其原理图为图6-1：(3)参考点的建立机床坐标系是机床固有的坐标系，它是其他坐标系（如工件坐标系、编程坐标系）的基准。CK6140车床的坐标原点M定在卡盘基座与主轴中心线的焦点上，如图6-3所示，数控系统是通过检测参考点的具体位置来确定机床坐标系的。选用两个接近开关，X轴方向与Z轴方向各安装一个在车床身上，用于建立参考点。当移动刀架，两个接近开关都有信号输出时，刀架的当前位置即为参考点R。测量XR及ZR，并将它们写入机床数据34100（参考点位置值），即可在数控系统中建立机床坐标系。图6-3机床坐标系示意图当我们对机床的硬件改造后，对机床的机械部分进行调整，对直线、圆弧插补、回参考点、反向间隙补偿、螺纹加工等参数进行了反复调试与测试以及工件的试切，对系统参数进行了整体优化，完全满足生产质量与精度要求，生产运行稳定，与购买新数控机床相比节省近一半资金，生产效率提高，劳动强度大大下降，节省了人力。通过近一年的生产实践证明，为企业增加直接经济效益。6.4编写PLC用户程序当系统的各部分连接完毕后，首先要进行PLC程序的编写、调试工作;如伺服的使能、急停、硬限位等。只有在所有安全功能都正确无误时，才可以进行NC参数和驱动器的调试。802S系统使用S7-200编写PLC程序，编程的基本规则如下：梯形图是基于继电器的逻辑电器图。在梯形图中，有一个提供能量的左母线。触点闭合可以使能量流流过该器件，在下一个器件，触点打开将阻止能量流通过。任何可以连到左/右母线或触点的梯形图元件都有输入/ 输出能量流。PLC编制分为两部分：(1)调用子程序来实现机床的基本功能。例如：坐标控制，手轮控制，主轴控制；(2)用户编制的PLC程序。用户编制PLC程序，可以使PLC程序更适应待改造车床的实际状况。其中保护措施的编写又是重中之重，主要涉及以下几个方面：1)在AUTO或MDI方式下，如果主轴没有旋转，坐标轴读入使能和进给使能需要被禁止；2)手轮误操作保护；3)尾座的防撞系统；4)防止溜板与小车（用于支撑需加工零件）撞击的系统;5)润滑油位的检测；6）主轴启动后，要等主轴转数稳定后，才能执行加工程序。6.5驱动器调试 在所有安全功能确保全部生效后，如PLC控制的急停、硬限位和电源馈入模块的使能等逻辑，就可以进行驱动器的调试。 SIEMENS 611U/Ue是目前SIEMENS常用的交流数字式伺服驱动系统，其基本结构与611A相似，采用模块化安装方式，主轴与各伺服驱动单元共用电源。用于进给驱动的伺服驱动模块有单轴与双轴两种结构型式，带有PROFIBUS DP总线接口。驱动器的调整、动态优化可以在WINDOWS环境下通过SIMOCOMU软件自动进行，安装。调整十分方便。驱动器由整流电抗器（或伺服变压器）、电源模块、功率模块、611控制模块、PROFIBUS DP总线与SIEMENS 802S系统相连接，组成数控机床的伺服驱动系统。 驱动器的调试主要通过SIMCOMU软件实现电机参数和PROFIBUS总线地址的设定，并进行驱动参数优化：（1）“驱动器调试电缆”，将调试计算机与611UE的X471接口连接；（2）接通驱动器电源，此时611UE的状态显示为“A1106”,表示驱动器没有安装正确的数据;同时驱动器上R/F红灯、总线接口模块上的红灯；（3）从WINDOWS的“开始”菜单中找出驱动器调试软件SIMOCOMU,并运行；（4）选择驱动器与计算机的联机方式；（5）进入联机画面后，计算机自动进入参数设定画面，在软件的提示下进行以下参数设定：命名轴名，如XK-X；根据模块的类型与安装位置，输入PROFIBUS总线地址；设定电机型号；设定电动机位置检测元器件；设定直接位置测量系统；存储参数，611UE的R/F红灯灭，状态显示为“A0831”，表示总线数据已经进行通信，总线接口模块上的绿灯亮；完成以上调试后，若电源模块的端子48、63、64分别与端子9接通，电源模块的黄灯亮，表示电源模块已使能，驱动器进入正常工作状态。 进行驱动器调试时，应该明确驱动器工作方式是模拟操作还是实际加工，驱动器的软硬件都可以设置工作方式。进行调试时一般将驱动器设置成模拟方式，这样电机不会运转也可以检查运行状态和错误。结 论这次我毕业设计的题目是：把CK6140普通车床进行数控化改造。