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CA6140普通车床的经济型数控改造设计【8张CAD图纸2A0+2张电路图+毕业论文】

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关键词：: ca6140 普通车床经济型数控改造设计 cad图纸电路图毕业论文 CA6140普通车床 CA6140普通车床数控改造

资源描述：

CA6140普通车床的经济型数控改造设计

103页 35000字数+说明书+任务书+8张CAD图纸【详情如下】

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任务书

开题报告

本科生毕业设计（论文）指导人评语

本科生毕业设计（论文）评阅人评语

本科生毕业设计（论文）答辩委员会记录

摘要…………………………………………………………………………………….1

前言……………………………………………………………………………………2

第一章概论…………………………………………………………………………..3

一、系统发展史……………………………………………………………………3

二、国内数控机床的状况分析……………………………………………………3

三、数控系统能发展趋势…………………………………………………………4

四、数控机床的改造的必要性……………………………………………………5

五、数控化改造的空间……………………………………………………………6

六、数控机床改造的效益分析……………………………………………………7

第二章普通机床的数控化改造和可行性论证……………………………………..9

第一节车床的数控化改造………………………………………………………9

一、设计的内容及任务…………………………………………………………….9

第二节可行性论证………………………………………………………………….10

第三章总体方案的拟订和论证……………………………………………………..11

第一节总体设计方案的拟订……………………………………………………..11

1．主传动系统的设计改造………………………………………………………..11

2．数控系统的选择………………………………………………………………..11

3．自动转位刀架选择设计………………………………………………………..12

4．驱动系统的设计改造……………………………………………………………..12

第二节可行性分析………………………………………………………………..15

第三节总体方案的确定 …………………………………………………………16

第四章主传动部分改造与设计……………………………………………………17

一、主传动部分方案拟订和设计的内容………………………………………….18

二、主轴部分改造设计计算……………………………………………………….19

第五章伺服进给结构设计………………………………………………………….20

第一节伺服系统的组成原理和要求……………………………………………….27

一、伺服系统的组成原理………………………………………………………….27

二、伺服系统的要求……………………………………………………………….27

第二节伺服进给系统的设计内容和设计计算…………………………………...29

一、纵向进给系统的设计…………………………………………………….……29

二、横向进给系统饿设计计算……………………………………………….……40

第三节步进电机的选择……………………………………………………….….47

一、CA6140纵向进给系统步进电机确定………………………………………….47

二、CA6140横向进给系统步进电机确定……………………………………….…48

第四节伺服系统说明………………………………………………………….….48

一、机床进给系统的结构及工作原理……………………………………….……48

二、步进电机………………………………………………………………………50

三、步进电机的驱动电源…………………………………………………………50

四、滚珠丝杠………………………………………………………………………51

五、机床导轨………………………………………………………………………52

第六章自动转位刀架………………………………………………………..…….53

一、数控车床刀架的基本要求……………………………………………..…….53

二、车床刀架结构…………………………………………………………..…….53

三、工作原理………………………………………………………………..…….54

四、刀架的安装…………………………………………………………………….55

第七章编码盘安装部分的结构设计……………………………………………….56

一、光电编码器工作原理………………………………………………………….56

二、步进电机频率对编码盘的限制…………………………………….........57

三、编码盘的安装………………………………………………………………….57

第八章经济型数控系统中常用软件模块设计…………………………………….59

第一节插补原理及其程序设计…………………………………………………...59

一、插补方法概述………………………………………………………………….59

二、逐点插补原理及其程序设计………………………………………………….60

三、插补控制软件………………………………………………………………….69

第二节接口电路设计………………………………………………………………78

一、单片机和主机（PC机）的连接………………………………………………78

二、8031单片机接口的扩展……………………………………………………….80

三、键盘/显示器接口芯片（8279）……………………………………………….82

四、中断优先电路…………………………………………………………………..85

五、光电隔离电路…………………………………………………………………..86

第三节伺服电路……………………………………………………………………87

一、系统的组成……………………………………………………………..............87

二、接口电路………………………………………………………………………..89

三、位置和速度接口……………………………………………………………….89

四、步进电机控制程序设计……………………………………………………….89

五、单片机控制的自动换刀程序设计…………………………………………….96

六、典型零件的加工程序设计…………………………………………………….97

参考文献

前言

大学四年的学习生活即将结束，大学学习生活中的最后一个环节也是最重要一个环节———毕业设计，是对所学知识和技能的综合运用和检验。

本人的毕业设计课题是对普通车床（CA6140）进行经济型数控改造，其内容包括：总体方案的确定和验证、机械改造部分的设计计算（伺服进给机构设计、自动转位刀架的选择或设计、编码盘安装部分的结构设计）、主运动自动变速原理等。对普通车床进行经济型数控改造符合我国国情，即适合我国目前的经济水平、教育水平和生产水平，又是国内许多企业提高生产设备自动化水平和精密程度的主要途径，在我国有着广阔的市场。从另一个角度来说，该设计既有机床结构方面内容，又有机加工方面内容，还有数控技术方面的内容，有利于将大学所学的知识进行综合运用。虽然设计者未曾系统的学习过机床设计的课程，但通过该设计拓宽了知识面，增强了实践能力，对普通机床和数控机床都有了进一步的了解。

毕业设计作为我们在大学校园里的最后一堂课、最后一项测试，它既是一次锻炼，也是一次检验，在整个设计过程中，我获益匪浅。在此，我要衷心感谢梁洁萍老师对我的关心和细致指导。

由于毕业设计是我的第一次综合性设计，无论是设计本人的纰漏还是经验上的缺乏都难免导致设计的一些失误和不足，在此，恳请老师和同学们给以指正。

摘要

本设计说明书包括：概论、总体设计方案的拟定和验证、主传动部分的改造设计、伺服进给系统的改造设计、自动转位刀架的选择设计、编码盘安装部分的结构设计等几个部分。改造后的机车，主运动实现自动变速，纵向、横向进给系统进行数控控制，并要求达到纵向最小运动单位为0.01/脉冲，横向最小运动单位0.005/脉冲，刀架要是自动控制的自动转位刀架，要能自动切削螺纹

关键字：数控改造进给系统滚珠丝杠自动刀架

Abstract

This introduction of the design included:The draw-up of the general outline, the decision and verify of the total designal projection, the reforms design to the parts of the lord spreads to move,the reforms design to the system of serve enters ,the choice and design to the knife which turn automatically, the constructions design of coding dish gearing part ,and so on.while the Motorcycle been reformed, the lord exercises realize to change speed automatically. lengthways, horizontal enter to proceed to system the number controls the control, and request to attain lengthways minimum sport unit as 0.01 mm/ pulse, horizontal minimum sport unit as 0.005 mm/ pulse, knife must be the automatic control a knife which is turning automatically,and it is able to slice the thread automatically.

Key word: The number controls to reforms the system of enters roll the bead in silk automatic knife

第一章概论

一、数控系统发展简史

　　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。从此，传统机床产生了质的变化。近半个世纪以来，数控系统经历了两个阶段和六代的发展。

二、国内数控机床状况分析

（一）国内数控机床现状

近年来我国企业的数控机床占有率逐年上升，在大中企业已有较多的使用，在中小企业甚至个体企业中也普遍开始使用。在这些数控机床中，除少量机床以FMS模式集成使用外，大都处于单机运行状态，并且相当部分处于使用效率不高，管理方式落后的状态。?2001年，我国机床工业产值已进入世界第5名，机床消费额在世界排名上升到第3位，达47.39亿美元，仅次于美国的53.67亿美元，消费额比上一年增长25%。但由于国产数控机床不能满足市场的需求，使我国机床的进口额呈逐年上升态势，2001年进口机床跃升至世界第2位，达24.06亿美元，比上年增长27.3%。?近年来我国出口额增幅较大的数控机床有数控车床、数控磨床、数控特种加工机床、数控剪板机、数控成形折弯机、数控压铸机等，普通机床有钻床、锯床、插床、拉床、组合机床、液压压力机、木工机床等。出口的数控机床品种以中低档为主。?

（二）国内数控机床的特点?

1、新产品开发有了很大突破，技术含量高的产品占据主导地位。?

2、数控机床产量大幅度增长，数控化率显著提高。?

2001年国内数控金切机床产量已达1.8万台，比上年增长28.5%。金切机床行业产值数控化率从2000年的17.4%提高到2001年的22.7%。?

3、数控机床发展的关键配套产品有了突破。??

第三章总体方案的拟定和论证

数控机床作为机电一体化的典型产品，在机械制造业中发挥着巨大的作用，很好地解决了现代机械制造中结构复杂、精密、批量小、多变零件的加工问题，且能稳定产品的加工质量，大幅度地提高生产效率。但从目前企业面临的情况看，因数控机床价格较贵，一次性投资较大使企业心有余而力不足。我国作为机床大国，对普通机床数控化改造不失为一种较好的良策。

第一节总体设计方案的拟定

C6140车床主要用于对中小型轴类、盘类以及螺纹零件的加工，这些零件加工工艺要求机床应完成的工作内容有：控制主轴正反转和实现其不同切削速度的主轴变速；刀架能实现纵向和横向的进给运动，并具备在换刀点自动改变四个刀位完成选择刀具；冷却泵、润滑泵的启停；加工螺纹时，应保证主轴转一转，刀架移动一个被加工螺纹的螺距或导程。这些工作内容，就是数控化改造数控系统控制的对象。察看C616车床及有关资料，并且参照数控车床的改造经验，确定总体改造方案。

1、主传动系统的设计改造

对普通车床进行数控改造时，一般可保留原有的主传动系统和变速操作机构，以减少改造量。但本设计中为了提高车床的自动化程度，以便于在加工过程中实现自动变换切削速度，对其作了相应的简化改造。

采用交流调速电机做车床主轴电机以取代原来的主轴电机，以实现无级调速；并简化原来传动系统，以达到多档调速范围的确定。

2、数控系统的选择设计

计算机数控装置（CNC）即控制装置是数控机床的中心环节。它通过对加工程序的运行处理，发出控制信号，实现对加工过程的自动控制。

在本设计中，由于时间较短、设计人员少，因而我们决定引进江苏东方数控新技术公司生产的NIM-9702数控系统

NIM-9702数控系统有以下特点：

3.自动转位刀架选择设计

数控机床的刀架是机床的重要组成部分。其结构直接影响车床的切削性能和效率。卧式车床数控改造应将原来机床的普通手动转位刀架替换成自动换位刀架，本设计决定采用常州武进数控设备厂生产的LD4四工位螺旋转位刀架。

4.驱动系统的设计改造：

由于改造设计的是简易型经济数控，所以在考虑具体方案时，基本原则是在满足需要的前提下，对于机床尽可能减小改动量，以降低成本。总体改造如下图所示：

图7-1 总体改造的示意图

控制方式类型选择

参考文献

1、张新义主编．经济型数控机床系统设计．北京：机械工业出版社，1998

2、余英良主编．机床数控改造设计与实例．北京：机械工业出版社，1994

3、王贵明主编．数控实用技术．北京：机械工业出版社，2001

4、张建纲、胡大锋主编．数控技术．武汉：华中科技大学出版社，2000

5、张建明主编．机电一体华系统控制．北京：高等教育出版社，2001

6、邓星钟主编．机电传动控制．武汉：华中科技大学出版社，2001

7、王爱玲主编．现代数控机床结构与设计．北京：兵器工业出版社，1999

8、卜云峰主编．机械工业及自动化简明设计手册上下册．北京：机械工业出版社，1999

9、刘跃南主编.机床计算机数控及应用,北京:机械工业出版社,1997

10、李洪主编.实用机床设计手册.沈阳:辽宁科学技术出版社,1999

11、李群芳、黄建主编．单片机微型计算机也接口技术．北京：电子工业出版社，2001

12、陶晓杰主编.伺服电机用于车床进给系统.制造业自动化，第22期,2000

13、机床设计手册编写组，机床设计手册（第三册），机械工业出版社，1986

14、李立强等主编.控车床自动转位刀台设计，制造技术与车床，2000

15、黄玉美主编.床总体方案的创新设计，设备管理与维修，2000

16、孙桓等主编.机械原理，高等教育出版社, 1995

17、机械工程手册.机械工程手册.机械工业出版社,1900

18、刘淑华.浅谈数控车床主传动系统设计.52668网路博览会.产业频道,2003

19、杨波.浅谈机床数控改造.e-works,e-works论坛,2001

20、大连理工大学工程画教研室主编.机械制图.北京:高等教育出版社,1993

内容简介：: 目录任务书开题报告本科生毕业设计（论文）指导人评语本科生毕业设计（论文）评阅人评语本科生毕业设计（论文）答辩委员会记录摘要.1前言2第一章概论.3一、系统发展史3二、国内数控机床的状况分析3三、数控系统能发展趋势4四、数控机床的改造的必要性5五、数控化改造的空间6六、数控机床改造的效益分析7第二章普通机床的数控化改造和可行性论证.9第一节车床的数控化改造9一、设计的内容及任务.9 第二节可行性论证.10第三章总体方案的拟订和论证.11第一节总体设计方案的拟订.111主传动系统的设计改造.112数控系统的选择.113自动转位刀架选择设计.124驱动系统的设计改造.12 第二节可行性分析.15 第三节总体方案的确定 16第四章主传动部分改造与设计17 一、主传动部分方案拟订和设计的内容.18二、主轴部分改造设计计算.19第五章伺服进给结构设计.20 第一节伺服系统的组成原理和要求.27一、伺服系统的组成原理.27二、伺服系统的要求.27第二节伺服进给系统的设计内容和设计计算.29一、纵向进给系统的设计.29二、横向进给系统饿设计计算.40第三节步进电机的选择.47一、 CA6140纵向进给系统步进电机确定.47二、 CA6140横向进给系统步进电机确定.48第四节伺服系统说明.48一、机床进给系统的结构及工作原理.48二、步进电机50三、步进电机的驱动电源50四、滚珠丝杠51五、机床导轨52第六章自动转位刀架.53 一、数控车床刀架的基本要求.53二、车床刀架结构.53三、工作原理.54四、刀架的安装.55第七章编码盘安装部分的结构设计.56一、光电编码器工作原理.56二、步进电机频率对编码盘的限制.57三、编码盘的安装.57第八章经济型数控系统中常用软件模块设计.59第一节插补原理及其程序设计.59一、插补方法概述.59二、逐点插补原理及其程序设计.60三、插补控制软件.69第二节接口电路设计78一、单片机和主机（PC机）的连接78二、 8031单片机接口的扩展.80三、键盘/显示器接口芯片（8279）.82四、中断优先电路.85五、光电隔离电路.86第三节伺服电路87一、系统的组成.87二、接口电路.89三、位置和速度接口.89四、步进电机控制程序设计.89五、单片机控制的自动换刀程序设计.96六、典型零件的加工程序设计.97参考文献前言大学四年的学习生活即将结束，大学学习生活中的最后一个环节也是最重要一个环节毕业设计，是对所学知识和技能的综合运用和检验。本人的毕业设计课题是对普通车床（CA6140）进行经济型数控改造，其内容包括：总体方案的确定和验证、机械改造部分的设计计算（伺服进给机构设计、自动转位刀架的选择或设计、编码盘安装部分的结构设计）、主运动自动变速原理等。对普通车床进行经济型数控改造符合我国国情，即适合我国目前的经济水平、教育水平和生产水平，又是国内许多企业提高生产设备自动化水平和精密程度的主要途径，在我国有着广阔的市场。从另一个角度来说，该设计既有机床结构方面内容，又有机加工方面内容，还有数控技术方面的内容，有利于将大学所学的知识进行综合运用。虽然设计者未曾系统的学习过机床设计的课程，但通过该设计拓宽了知识面，增强了实践能力，对普通机床和数控机床都有了进一步的了解。毕业设计作为我们在大学校园里的最后一堂课、最后一项测试，它既是一次锻炼，也是一次检验，在整个设计过程中，我获益匪浅。在此，我要衷心感谢梁洁萍老师对我的关心和细致指导。由于毕业设计是我的第一次综合性设计，无论是设计本人的纰漏还是经验上的缺乏都难免导致设计的一些失误和不足，在此，恳请老师和同学们给以指正。摘要本设计说明书包括：概论、总体设计方案的拟定和验证、主传动部分的改造设计、伺服进给系统的改造设计、自动转位刀架的选择设计、编码盘安装部分的结构设计等几个部分。改造后的机车，主运动实现自动变速，纵向、横向进给系统进行数控控制，并要求达到纵向最小运动单位为0.01/脉冲，横向最小运动单位0.005/脉冲，刀架要是自动控制的自动转位刀架，要能自动切削螺纹。关键字：数控改造进给系统滚珠丝杠自动刀架 AbstractThis introduction of the design included:The draw-up of the general outline, the decision and verify of the total designal projection, the reforms design to the parts of the lord spreads to move,the reforms design to the system of serve enters ,the choice and design to the knife which turn automatically, the constructions design of coding dish gearing part ,and so on.while the Motorcycle been reformed, the lord exercises realize to change speed automatically. lengthways, horizontal enter to proceed to system the number controls the control, and request to attain lengthways minimum sport unit as 0.01 mm/ pulse, horizontal minimum sport unit as 0.005 mm/ pulse, knife must be the automatic control a knife which is turning automatically,and it is able to slice the thread automatically.Key word: The number controls to reforms the system of enters roll the bead in silk automatic knife 第一章概论一、数控系统发展简史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。从此，传统机床产生了质的变化。近半个世纪以来，数控系统经历了两个阶段和六代的发展。二、国内数控机床状况分析（一）国内数控机床现状近年来我国企业的数控机床占有率逐年上升，在大中企业已有较多的使用，在中小企业甚至个体企业中也普遍开始使用。在这些数控机床中，除少量机床以FMS模式集成使用外，大都处于单机运行状态，并且相当部分处于使用效率不高，管理方式落后的状态。2001年，我国机床工业产值已进入世界第5名，机床消费额在世界排名上升到第3位，达47.39亿美元，仅次于美国的53.67亿美元，消费额比上一年增长25%。但由于国产数控机床不能满足市场的需求，使我国机床的进口额呈逐年上升态势，2001年进口机床跃升至世界第2位，达24.06亿美元，比上年增长27.3%。近年来我国出口额增幅较大的数控机床有数控车床、数控磨床、数控特种加工机床、数控剪板机、数控成形折弯机、数控压铸机等，普通机床有钻床、锯床、插床、拉床、组合机床、液压压力机、木工机床等。出口的数控机床品种以中低档为主。（二）国内数控机床的特点 1、新产品开发有了很大突破，技术含量高的产品占据主导地位。 2、数控机床产量大幅度增长，数控化率显著提高。 2001年国内数控金切机床产量已达1.8万台，比上年增长28.5%。金切机床行业产值数控化率从2000年的17.4%提高到2001年的22.7%。 3、数控机床发展的关键配套产品有了突破。三、数控系统的发展趋势1.继续向开放式、基于PC的第六代方向发展基于PC所具有的开放性、低成本、高可靠性、软硬件资源丰富等特点，更多的数控系统生产厂家会走上这条道路。至少采用PC机作为它的前端机，来处理人机界面、编程、联网通信等问题，由原有的系统承担数控的任务。PC机所具有的友好的人机界面，将普及到所有的数控系统。远程通讯，远程诊断和维修将更加普遍。2.向高速化和高精度化发展这是适应机床向高速和高精度方向发展的需要。 3.向智能化方向发展随着人工智能在计算机领域的不断渗透和发展，数控系统的智能化程度将不断提高。（1）应用自适应控制技术数控系统能检测过程中一些重要信息，并自动调整系统的有关参数，达到改进系统运行状态的目的。（2）引入专家系统指导加工将熟练工人和专家的经验，加工的一般规律和特殊规律存入系统中，以工艺参数数据库为支撑，建立具有人工智能的专家系统。（3）引入故障诊断专家系统（4）智能化数字伺服驱动装置可以通过自动识别负载，而自动调整参数，使驱动系统获得最佳的运行。四、机床数控化改造的必要性（一）微观看改造的必要性从微观上看，数控机床比传统机床有以下突出的优越性，而且这些优越性均来自数控系统所包含的计算机的威力。 1 、可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。由于计算机有高超的运算能力，可以瞬时准确地计算出每个坐标轴瞬时应该运动的运动量，因此可以复合成复杂的曲线或曲面。2 、可以实现加工的自动化，而且是柔性自动化，从而效率可比传统机床提高37倍。由于计算机有记忆和存储能力，可以将输入的程序记住和存储下来，然后按程序规定的顺序自动去执行，从而实现自动化。数控机床只要更换一个程序，就可实现另一工件加工的自动化，从而使单件和小批生产得以自动化，故被称为实现了柔性自动化。3、加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要修配。4 、可实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬运。5、拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，因而可实现长时间无人看管加工。6、由以上五条派生的好处。如：降低了工人的劳动强度，节省了劳动力（一个人可以看管多台机床），减少了工装，缩短了新产品试制周期和生产周期，可对市场需求作出快速反应等等。（二）宏观看改造的必要性从宏观上看，工业发达国家的军、民机械工业，在70年代末、80年代初已开始大规模应用数控机床。由于采用信息技术对国外军、民机械工业进行深入改造（称之为信息化），最终使得他们的产品在国际军品和民品的市场上竞争力大为增强。而我们在信息技术改造传统产业方面比发达国家约落后20年。如我国机床拥有量中，数控机床的比重（数控化率）到1995年只有1.9，而日本在1994年已达20.8，因此每年都有大量机电产品进口。这也就从宏观上说明了机床数控化改造的必要性。五、数控化改造的市场空间机床的数控制化改造是一个方兴未的行业，从各种统计数字上看前途应该是十分光明的，例如：在美国，日本和德国等发达国家，它们的机床改造人作为新的经济增长行业，生意盎然，正处在黄金时代。由于机床以及数控技术的不断进步，机床改造是一个永恒的课题。我国的机床改造业，也从老的行业进入到以数控技术为主的新的行业所以不难看出：1国内的市场我国目前机床总量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（美国和日本自动和半自动机床占60以上）。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。 2. 进口设备和生产线的数控化改造市场我国自改革开放以来，很多企业从国外引进技术、设备和生产线进行技术改造。据不完全统计，从19791988年10年间，全国引进技术改造项目就有18446项，大约165.8亿美元。这些项目中，大部分项目为我国的经济建设发挥了应有的作用。但是有的引进项目由于种种原因，设备或生产线不能正常运转，甚至瘫痪，使企业的效益受到影响，严重的使企业陷入困境。一些设备、生产线从国外引进以后，有的消化吸收不好，备件不全，维护不当，结果运转不良；有的引进时只注意引进设备、仪器、生产线，忽视软件、工艺、管理等，造成项目不完整，设备潜力不能发挥；有的甚至不能启动运行，没有发挥应有的作用；有的生产线的产品销路很好，但是因为设备故障不能达产达标；有的因为能耗高、产品合格率低而造成亏损；有的已引进较长时间，需要进行技术更新。种种原因使有的设备不仅没有创造财富，反而消耗着财富。这些不能使用的设备、生产线是个包袱，也是一批很大的存量资产，修好了就是财富。只要找出主要的技术难点，解决关键技术问题，就可以最小的投资盘活最大的存量资产，争取到最大的经济效益和社会效益。这也是一个极大的改造市场。六、机床改造的效益分析提高机床数控化效率有两个途径：一是购买新的数控机床；二是对旧的机床进行改造而对于一个机床拥有量大，经济财力又不足的发展中国家来说，采用旧机床改造来提高设备的先进性和数控化率是一个极其有效和使用的途径，采用第二中方法有以下的优点：1、减少了投资和交货的期限同购置新的数控机床相比，一般可以节省60%到80%的费用，改造的费用大大减低。2、机械的稳定性可靠机床的床身，立柱等基础件都是重而坚固的铸铁构件，而铸件越久自然失效充分，内应力的消除使得比新的铸件更稳定，这些铸件的使用又可以节约社会资源，又减少了铸铁件生产时对环境的污染。3、熟悉了解设备结构性能，便于操作维修购买的新设备，事先很难前面了解机床的结构性能，以至很难预算是否完全适合加工要求，而改造则完全可以避免这种情况，并且大大缩短了对数控机床在使用和维修方面的培训时间，机床一旦改装完成，很快就可以投入使用，见效较快。 4、可以充分利用现有的条件可以充分利用现有的地基，不必像购新机时重新构筑新基，同时工夹具、样板和外设备也可以在利用。5、可更好的因地制宜合理筛选功能购买现成的通用型机床，往往对一个具体的生产加工有一些多余的功能，又可能缺少某一个专用的特殊功能，如向机床制造厂提出特殊定货要求，增加某些特殊的加工要求，往往费用大，交货的日期又长。而采用改造的方案就可以根据生产加工要求，采用组合的方法再某些部件设计改造成专用的数控机床。6、可及时采用最新技术，充分利用社会资源由于技术进步和我国机床功能部件专业化生产的发展，目前已有众多的疏忽资源支持机床方面的改造，如随意采购各种尺寸的滚珠丝杠副，且交货期短；采用贴塑导轨新技术，可使传统的滑动导轨的摩擦系数降低五至十几倍来防止爬行，还可以使得刮研极容易，等等例子说明有一大批社会资源，可根据技术更新的发展速度，及时地采用最新技术来提高生产设备的自动化水平和效率，提高设备质量和档次，将旧机场改造成当今水平的机床。第二章普通车床的数控改和可行性论证第一节车床的数控改造一、设计内容及任务普通车床（）的数控改造设计内容包括：总体方案的确定和验证、机械改造部分的设计计算（伺服进给机构设计、自动转位刀架的选择或设计、编码盘安装部分的结构设计）、主运动自动变速原理、部分系统控制软件设计。本设计任务是对卧式车床进行数控化改造，实现微机对车床的数控化控制。利用微机对车床的纵向、横向进给系统进行数字控制，并要达到纵向最小运动单位为0.01/脉冲，横向最小运动单位0.005/脉冲，主运动要实现自动变速，刀架要改造成自动控制的自动转位刀架，要能自动的切削螺纹。二、数控机床工作原理及组成1. 数控机床工作原理：数控机床加工零件时，首先应编制零件的加工程序，这是数控机床的工作指令。将加工程序输入到数控装置，再由数控装置控制机床主运动的变化、起停，进给运动的方向、速度和位移量以及其它如刀具图2-1 数控机床的组成图选择交换、工件夹紧松开和冷却润滑的开、关等动作，使刀具与工件及其它辅助装置严格的按照加工程序规定的顺序、轨迹和参数进行工作，从而加工出符合要求的零件。2.数控机床的组成：数控机床主要由控制介质、数控装置、伺服系统和机床本体等四部分组成，其组成框图如图2-1 第二节可行性论证根据自动化制造系统，可行性论证使用户建造自动化制造系统项目前所进行的技术和经济性分析报告，是上级主管部门审定和批准立项的基本依据。同样，在进行普通车床的经济型数控改造之前进行合理的、科学的可行性论证是必要的。根据传统的论证方法，普通车床的经济型数控改造的可行性论证应围绕以下几个方面进行，即企业生产经营现状及存在的问题分析，企业生产经营目标，改造的基础条件、目标、技术方案、投资概算、效益分析，改造后车床的实施计划，结论等。由于本设计仅作为大学本科生的毕业设计，故在此，设计者仅对改造的投资概算作一简要的可行性论证。本改造设计是对普通车床CA1640进行经济型数控改造。在改造设计中，采用的是广州数控设备厂生产的GSK980T型数控系统，加上两台伺服电机，费用约为4万余元；两套滚珠丝杠副和相配的传动部分以及齿轮副、贴塑导轨等零件，费用约为1万余元，总的改造费用约为56万元。旧车床估计截至在67万元。这样设备改造费用和旧设备费用总计不会超过13万元。因此，对普通车床作经济型数控改造适合我国国情，是国内企业提高车床的自动化能力和精密程度的有效选择。它具有一定的典型性和实用性。第三章总体方案的拟定和论证数控机床作为机电一体化的典型产品，在机械制造业中发挥着巨大的作用，很好地解决了现代机械制造中结构复杂、精密、批量小、多变零件的加工问题，且能稳定产品的加工质量，大幅度地提高生产效率。但从目前企业面临的情况看，因数控机床价格较贵，一次性投资较大使企业心有余而力不足。我国作为机床大国，对普通机床数控化改造不失为一种较好的良策。第一节总体设计方案的拟定C6140车床主要用于对中小型轴类、盘类以及螺纹零件的加工，这些零件加工工艺要求机床应完成的工作内容有：控制主轴正反转和实现其不同切削速度的主轴变速；刀架能实现纵向和横向的进给运动，并具备在换刀点自动改变四个刀位完成选择刀具；冷却泵、润滑泵的启停；加工螺纹时，应保证主轴转一转，刀架移动一个被加工螺纹的螺距或导程。这些工作内容，就是数控化改造数控系统控制的对象。察看C616车床及有关资料，并且参照数控车床的改造经验，确定总体改造方案。1、主传动系统的设计改造对普通车床进行数控改造时，一般可保留原有的主传动系统和变速操作机构，以减少改造量。但本设计中为了提高车床的自动化程度，以便于在加工过程中实现自动变换切削速度，对其作了相应的简化改造。采用交流调速电机做车床主轴电机以取代原来的主轴电机，以实现无级调速；并简化原来传动系统，以达到多档调速范围的确定。2、数控系统的选择设计计算机数控装置（CNC）即控制装置是数控机床的中心环节。它通过对加工程序的运行处理，发出控制信号，实现对加工过程的自动控制。在本设计中，由于时间较短、设计人员少，因而我们决定引进江苏东方数控新技术公司生产的NIM-9702数控系统NIM-9702数控系统有以下特点：3.自动转位刀架选择设计数控机床的刀架是机床的重要组成部分。其结构直接影响车床的切削性能和效率。卧式车床数控改造应将原来机床的普通手动转位刀架替换成自动换位刀架，本设计决定采用常州武进数控设备厂生产的LD4四工位螺旋转位刀架。4.驱动系统的设计改造：由于改造设计的是简易型经济数控，所以在考虑具体方案时，基本原则是在满足需要的前提下，对于机床尽可能减小改动量，以降低成本。总体改造如下图所示：图7-1 总体改造的示意图（1）控制方式类型选择数控机床的伺服进给系统有开环控制、闭环控制和半闭环控制之分。开环系统：结构简单、工作可靠、造价低廉，但影响定位精度的机械传动装置的摩擦、惯量、间隙的存在，故精度和快速性较差。开环控制的定位精度一般为0.010.02，不能满足横向最小运动单位0.005/脉冲的要求。闭环系统：控制精度高、快速性好，但对机床的要求比较高，且造价较昂贵。闭环控制的定位精度一般为0.0010.003，本设计属经济型数控改造，无须达到此精度。半闭环系统：结构简单、调整方便，在中小型性能要求较高的数控机床中应用较多，故本设计采用半闭环控制。半闭环控制系统组成原理图如下：图7-2半闭环控制原理图（2）伺服进给机构的改造纵向进给机构的改造：拆除原来机床的溜板箱、光杠与丝杠以及安装座，装上滚珠丝杠及其相应的安装装置，纵向驱动的步进电机及减速箱安装在丝杠的右端，采用滚珠丝杠可以提高系统的精度和纵向进给的整体刚度。横向进给机构的改造：拆除原来横向进给的丝杠，换上滚珠丝杠；保留原来的横向手柄机构，横向步进电机和减速箱安装在机床后侧。（3）步进电动机的选用选用步进电动机，通常希望步进电动机的输出转矩大，启动频率和运行频率高，步距误差小。但是，增大转矩与快速运行存在一定的矛盾，高性能与低成本相矛盾。因此在实际选用步进电动机时，要考虑各方面因素。首先要保证机床的定位精度，而脉冲当量直接影响机床的定位精度。脉冲当量越小，机床的定位精度越高，但机床的快速进给速度就越小。为兼顾精度与速度的要求，应在满足精度的条件下，选择尽可能大的脉冲当量。脉冲当量确定后，以此为依据选择步进电动机的步距角和传动机构的传动比。（4）丝杠螺母副卧式车床的进给丝杠都是滑动丝杠，即丝杠与螺母之间的摩擦为滑动摩擦。由于，滑动丝杠螺母副的摩擦大、转动效率低。在精度要求不高的情况下，可以仍用原机床的滑动丝杠。若要求机床精度和被加工精度较高的情况下，应将原机床的滑动丝杠螺母副改换成滚珠丝杠螺母副。考虑本设计的设计要求，选用滚珠丝杠螺母副代替原机床的滑动丝杠螺母副。（5）机床导轨改造卧式车床上的运动部件，如刀架、工作台都是沿着机床的导轨面运动的。导轨的作用就是支承和导向，即支承运动部件，并保证运动部件在外力作用下，能准确的沿着一定方向运动。导轨的导向精度、精度保持性和低速运动平稳性，直接影响机床的加工精度要求、支承能力和使用性能。数控改造时根据原机床导轨的磨损程度和加工精度要求，来确定导轨的结构形式。一般是将原机床导轨进行修整后贴塑，使其成为贴塑导轨。贴塑导轨摩擦系数小，且动、静摩擦系数差很小，能防止低速爬行现象；耐磨性、抗咬伤能力强、加工性和化学性能稳定，具有良好的自润滑性和抗振性；工艺简单，成本低。第二节可行性论证可行性论证是用户建造自动化制造系统项目前所进行的技术和经济性分析报告，是上级主管部门审定和批准立项的基本依据。同样，在进行普通车床的经济型数控改造之前进行合理的、科学的可行性论证是必要的。根据传统的论证方法，普通车床经济型数控改造的可行性论证应围绕以下几个方面进行，即从企业生产经营现状及存在的问题分析；从企业生产经营目标，改造的基础条件、目标、技术方案、投资概算、效益分析；改造后车床的实施计划，结论等。由于原因限制，设计者只能就改造的投资概算作一简要的可行性论证。本改造设计是对普通车床进行经济型数控改造。在改造设计中，采用的是苏东方数控新技术公司生产的NIM-9702型数控系统，常州宏达机床数控设备厂的电动刀架，加上两台伺服电机，费用约为5万余元；一台交流调速电动机和齿轮减速机构，两套滚珠丝杠副和相配的传动部分以及齿轮副、贴塑导轨等零件，费用约为2万余元，总的改造费用约为78万元。旧车床估计截至在67万元。这样设备改造费用和旧设备费用总计不会超过15万元。因此，对普通车床作经济型数控改造适合我国国情，是国内企业提高车床的自动化能力和加工精度的有效选择，具有一定的实用性。第三节总体设计方案的确定经总体设计方案的论证后，确定的CA6140的车床经济型数控改造的总体方案示意图如下图所显：CA6140车床的主轴转速部分采用了变频调速交流异步电机；车床的纵向和横向进给运动采用步进电机驱动，经步进电机驱动，齿轮减速后带动滚珠丝杠转动，从而实现纵向、横向进给运动；刀架改成由微机控制，经电机驱动的自动转位刀架。为保持切削螺纹的功能，需安装主轴脉冲发生器。微机光电阻隔微电机刀架光阻编码器光电阻隔功率放大功率放大光电阻隔功率放大变频调速电机步进电机步进电机主轴纵向工作台横向工作台图3-3总体方案设计图第四章主传动部分改造与设计在改造设计之前，让我们先来看一下数控机床主传动与普通机床相比所具有的特点：1）采用调速电机驱动，以满足主轴根据数控指令进行自动变速的需要；2）传动路线短，从而简化了主传动系统机械结构；3）转速高、功率大；数控机床的主传动系统除应满足普通机床传动要求外，还应满足如下要求：具有更大的调速范围，并实现无极调速。数控机床就要为了保证加工时能选用合理的切削用量，充分发挥刀具的切削性能，从而获得最高的生产效率、加工精度和表面质量，必须有更高的转速和更多的调速范围。为了适应各种工序和各种加工材质的要求，主运动的调速范围还应进一步扩大。具有较高的精度和刚度，传动平稳，噪声低。数控机床加工精度的提高，与主传动系统的刚度密切相关。为此，应提高传动件的制造精度与刚度，齿轮齿面进行高频感应加热淬火增加耐磨性；最后一级采用斜齿轮传动，使传动平稳；采用高精度轴承及合理的支承跨距等，以提高主轴件的刚性。具有良好的抗振性和热稳定性。数控机床上一般既要进行粗加工，又要精加工；加工时可能由于断续切削、加工余量不均匀、运动部件不平衡以及切削过程中的自激振动等原因引起的冲击力或交变力的干扰，使主轴产生振动，影响加工精度和表面粗糙度，严重时甚至破坏刀具和或零件，使加工无法进行。因此在主传动系统中的各主要零部件不但要求有一定的静刚度，而且要求具有足够的抑制各种干扰力引起振动的能力抗振性。抗震性用动刚度或动柔度来衡量。如果把主轴组件视为一个等效的单自由度系统，则动刚度与动力参数的关系为： = (4-1)式中: 机床主轴结构系统的静刚度（）；外加激振力的激振频率（Hz）；主轴组件的固有频率（=，为当量质量，为当量静刚度）；阻尼比（=，是阻尼系数，是临界阻尼系数，=）。由上式可见，为提高主轴组件的抗震性，须使值较大，为此应尽量使阻尼比、当量刚度值或固有频率的值较高。在设计数控机床的主传动系统时，要注意选择上述几个参数的合理关系。一、主传动部分改造方案拟定和设计的内容改换主轴电动机，换成调速电动机，通过对电动机的变频调速控制再加以简单的齿轮调速来实现自动变速，齿轮调速部分用磁离合器控制齿轮啮合。主传动方式的选择、主轴电机的选择、齿轮传动系统的设计计算、绘制主传动系统结构图。图4 -1主轴变频调速系统原理图数控机床主轴变速方式主要有无级调速、分段无级调速和内置电机变速等。在本设计中采用分段无级调速。无级变速能够选用最合理的切削用量，可在运转中变速，操作方便，简化机械结构。无级变速主要是利用直流和交流调速电动机。但直流调速电动机恒功率调速范围很小，一般只有12，很少到34，且换向有限制，现大多采用交流变频主轴驱动系统。交流变频调速电动机的性能与直流调速电动机类似，在额定转速以下为恒转矩区，在额定转速以上为恒功率区域。一般主轴调速电动机的恒功率调速范围为34，对于恒功率变速范围大的主轴传动系统，需要增加变速齿轮，以保证主轴上较大的恒功率范围。考虑本设计机床要求采取交流变频电动机和有级变速箱配合的方案即分段无级变速，主轴的正反转和制动停止，由数控指令直接控制电动机来实现。利用车床的主轴交流异步电动机、变频器、数控单元构成了变频调速系统。交流电动机的转速与频率，电动机的级对数及转差率之间的关系为=,由此可知，改变电源的频率，即可改变电动机转速，且转速与频率成正比。考虑本设计机床的要求，采取交流变频电动机和有级变速箱配合的方案，即分段无级变速。主轴的正、反转和制动停止由数控指令直接控制电动机实现。所谓分段无级变速就是在交流或直流电机无级调速的基础上配以齿轮变速。它能够实现中、高速段的恒功率传动，低速段的恒转矩传动。在该系统中，主轴的正、反转和制动停止，通过数控指令直接控制电机来实现。主轴的变速则有电动机的无级变速与齿轮的有机变速相配合来实现。四、主传动部分改造设计计算根据机车要求粗选车床主轴变速范围：=100 =2500 =25粗步估算电动机功率根据统计分析法： =36.5 取400 (据车床说明书，机床的最大加工直径)所以 =36.50.41.54=8.9()1. 切削力参数的确定切削力： =9.81. (据实用机床设计手册，以后若无说明则源于实用机床设计手册)查表2.2-4得：=1 =0.75 =0 =1 =188 查表2.1-16（据金属切削原理）粗加工精加工切削深度461.02.0进给量0.80.40.20.4切削速度80110120150估算最大最小的切削力： =6286.5（） =1121.4（）切削功率： =（） (4-4) 则最大最小的切削功率为： =9.95（） =2.52（）主电动机功率： =（） (4-5)主转动链的总效率取=0.9 则最大最小的总效率： =11（） =2.8（）根据计算选用11的电动机：最高转速 =3500 额定转速 =14602.确定变速级数z和公比j主轴计算转速： = （46）则 =15=99.5（）主轴恒功率变速范围： = （47）即 =25.12电动机恒功率变速范围：= （48）即 =2.40 公比： = （49）即 =14.7齿轮变速级通常为24当取2时： j=13.25当取3时： j=3.64当取4时： j=2.37若选用=2 j=13.25 = （410）即 =2.0（）若选用=3 j=3.64 =7.25（）功率降低区的最小输出满载功率仅为2.0、7.25，与机床要求的最大功率相差太大，古不能采用。若选用=4 j=2.37 =11.14（）符合机床功率要求。3.主轴参数计算主轴恒转矩变速范围： = （411）即 =3.98因为主轴和电动机的恒转矩变速范围应相等，即：=主电动机的最低转速： = （412）即 =366.8 电动机额定转矩： = （413）即 =71.95（）主轴计算转速： =44.04()主轴恒功率变速范围： = （414）即 =35.07分级变速机构的变速范围： = （415）即 =14.6主传动系统总降速比： = （416）即 =0.068=1/164.分段无级变速传动方案确定由前面计算得：=4，j=2.37令：1=2=j试取1 查表2.3-4取=1.12则： =2.66 =0.47故取：=23 =61=50 =56=64 =30由以上计算得： =3.556 取=3.55故取：=20 =70根据原机床的机床说明书取：=2.5，=2，=2.25，=2.25 =35, =所以： =2.523=57.5（） =2.561=152.5（） =250=100（） =256=112（） =2.2565=144（） =2.2531=67.5（） =2.2520=45（） =2.2570=157.5（）因为齿轮、轴、轴承的型号大小与原机床无大的改动，所以这里就不再作强度、刚度的校核。根据实用机床设计手册知：当j时，在变速箱的每档内会使一部分低转速的传动功率下降，按恒转矩方式变速，在曲线上会出现“缺口”，曲线上的缺口则称为功率降低区；当j时，可保证主轴在自计算转速（）至最高转速（）范围内全部为恒功率，曲线上无“缺口”，可以充分利用主电动机的功率（该机床主轴传动系统图4-3）。图4-3 主轴传动系统电磁离合器是应用电磁效应接通或切断运动的元件，它便于实现自动操作，能简化变速系统。给图中齿轮装上电磁离合器，通过传动轴上的离合器吸合和分离的不同组合来改变齿轮的传动路线，实现自动变速。改造后的机床为实现其螺纹加工还须配置主轴脉冲发生器作为车床主轴位置信号的反馈元件。它与车床主轴同步运行，采集主轴运动时的数据信息，发出主轴转角位置变化信号，输入到数控系统内，再由数控系统通过软件控制，以保证主轴每转一转时，螺纹车刀也同步在纵向进给一个螺纹，并保证螺纹加工中分几次切削时不发生乱扣，即每次螺纹切削进刀位置一致。主轴脉冲发生器一般采用增量式光电编码器，其安装通常有两种方式：同轴安装、异轴安装。同轴安装方式是直接与车床主轴的后端相联结，这种方式结构简单，但缺点是安装后不能加工穿出车床主轴孔的零件；异轴安装方式是通过桥齿轮或同步齿形带传动，使主轴与光电编码器同步转动，其结构复杂，但避免了前述同轴安装的缺点。本设计中是采用异轴安装方式。主轴脉冲发生器输光学元件，安装时应小心轻放，不能有较大的冲击和振动，以防损坏玻璃光栅盘，造成报废。令应注意主轴脉冲发生器的最高运行转速，车床主轴的转速必须小于此转速，以免损坏脉冲发生器。第五章伺服进给机构设计伺服进给机构的设计是普通车床经济型数控改造的主要部分，如果说系统是数控机床的“大脑”，是发布“命令”的指挥机构，那么，伺服驱动系统便是数控机床的“四肢”，是执行机构，它忠实而准确的执行由系统发来的运动命令。伺服控制系统是联接数控系统与机床的枢纽，其性能是影响数控机床的精度、稳定性、可靠性、加工效率等方面的重要因素。第一节伺服系统的组成原理和要求一、伺服系统的组成原理机床进给伺服系统主要由伺服驱动控制系统与机床进给机械传动机构两大部分组成。机床进给机械传动系统通常由减速齿轮、滚珠丝杠、机床导轨和工作台拖板等组成。对于伺服驱动控制系统，按其反馈信号的有无，分为开环和闭环两种控制方式。对于开环伺服系统只能由步进电机驱动，它由步进电机驱动电源和电动机组成。闭环伺服系统则分为直流电动机和交流电动机两种驱动方式，并且是双闭环系统，内环是速度环，外环是位置环。速度环中用作速度反馈的检测装置为测速发电机、脉冲编码器等。速度控制单元是一个独立的单元部件，它由速度调节器、电流调节器以及功率驱动放大器等部分组成。位置环是由装置中的位置控制模块、速度控制单元、位置检测及反馈控制等部分组成。根据其位置检测信号所取部位不同，它又分为半闭环和全闭环两种。半闭环采用转角位置检测装置，安装于滚珠丝杠端部，或直接与伺服电动机转子的后端相连（与伺服电动机成一体）；对于全闭环系统需要采用直线位置检测装置，安装于机床导轨与工作台拖板之间。通常伺服驱动控制单元与电动机由一个生产厂家配套提供（甚至包括位置检测装置）。二、伺服系统的要求伺服系统是把数控信息转化为机床进给运动的执行机构。为确保机床的加工质量和效率，机床对其伺服系统有“稳、准、快、宽、足”五个要求，它反映了伺服驱动系统的五项性能指标,具体的内容如下:稳即稳定性，也就是要求系统有较好的抗干扰性，保证电源、环境、负载等所产生的波动对其影响甚小，有较硬的调速机械特性，过载能力强，稳定性好，适应性好，以确保工件加工的一致性。准及准确性，为确保加工质量，除要求系统稳定外，还必须有较高的准确定位精度。数控机床是由数控系统发出指令自动完成整个加工过程，它不象普通机床那样，中间可以由操作者测量工件后再通过操纵手轮来修正加工偏差。由于数控机床是按加工程序一次完成加工，所以进给系统的定位精度直接决定了工件的加工精度，这也是考核数控机床的一项至关重要的性能指标。通常影响数控加工精度的主要因素有：数控系统精度（主要取决于插补运算精度）；伺服系统精度；机床机械精度（如主轴、刀架、工作台回转精度，刀具、工件装夹精度等）。其中伺服系统精度起主要作用。快即快速响应性。机床进给伺服系统实际上就是一种高精度的位置随动系统，它不但要求静态误差小，也要求动态响应快，具体表现在起、停的升降速过程短，有较高的加速度，即要求系统的机电时间常数小，反应灵敏。宽即有较宽的调速范围。通常数控机床在实际运行中，对工作台的进给速度要求满足两项指标：轻载快速趋近定位速度（即编程指令的速度）、切削进给速度（即编程指令、等后面的值所要求的速度）。足即有足够的输出扭矩或驱动功率。特别是要满足强力切削和高速切削的要求，并且还要求系统有相应的过载能力，以确保稳定性。对进给伺服系统除了上述五项主要性能指标外，也要求温升低、噪声小、效率高、体积小、价格低、控制方便、线性度好（如输出速度与输入电压成线性）、可靠性高，维修保养方便，对温度、湿度等环境要求宽等等。第二节伺服进给机构的设计内容和设计计算伺服进给机构的设计内容包括：纵向进给系统的设计与计算、横行进给系统的设计与计算、步进电机的选择三大部分，该部分设计的总体方案示意图如图5-1所示。要使这三大部分与数控系统的配合达到好的效果，伺服进给机构的改造设计部分除了主要的三大部分内容外，还包括与步进电动机相关的驱动电源、功率放大电路、辅助电路；与滚珠丝杠副相关的机床导轨等内容的设计选择图5-1 伺服进给机构设计总体方案一、纵向进给系统的设计普通车床的经济型数控改造一般是步进电机经减速驱动丝杠，螺母固定溜板箱上，带动刀架左右移动。步进电机的布置，可放在丝杠的任意一端，从改造方便、实用方面来考虑，一般都把步进电机放在纵向丝杠的右端，即尾架部位。已知的条件：工作台重量： =100=1000 （根据图纸粗略计算）时间常数： =25滚珠丝杠基本导程： =6行程： =600脉冲当量： =0.01步距角： =0.750最大进给速度： =21.切削力计算由实用机床设计手册可知：切削功率： = （51）电机功率 =11主传动链的总效率取=0.90进给系统的功率系数，取=0.96则： =110.900.96=9.504（）又因为： = （52）则： = （53）切削线速度，取v=100所以： =581.64（kgf）=5700（）由金属切削原理可知：主切削力：=9.81查表得： =188 =1 =0.75 =1计算如下：2223330.20.30.40.20.30.41103.11495.21855.21654.72242.82782.9当=1495.2时，切削深度=2，走刀量=0.3以此参数作为下面计算的依据，从实用机床设计手册中可知，在一般外圆切削时：=（0.10.6） =（0.150.7）=0.5=0.55700=2850（）=0.6=0.65700=3420（）2.滚珠丝杠设计计算滚珠丝杠副已经标准化，因此滚珠丝杠副的设计归结为滚珠丝杠副型号的选择。综合车床导轨丝杠的轴向力： = （54）式中由于上选用的是矩形的导轨，根据机床设计手册查出，=1.1 ，=0.15则： =1.12850+0.15（5700+1176）=4166.4（）（1）强度计算：寿命值： = （ 55）所以： = （56）取工件直径： =80查表得： =15000（自动控制机床及机床通常的取值）所以： =20（r/min） =18最大动载荷： = （57）表51 运转系数值表：运转状态运转系数fW无冲击的圆滑运转1.01.2一般运转1.21.5有冲击的运转1.52.5 表5 2硬度系数表硬度（HRC）6057.55552.55047.54542.5403025硬度系数fH1.01.11.21.42.02.53.34.55.01015查表取：运转系数： =1.2硬度系数： =1 =13767.26（）根据最大动载荷的值和原机床参数，选择滚珠丝杠的型号，即内循环浮动返向器双螺母垫片预紧滚珠丝杠副，公称直径为40，导程为6，滚珠列数为5列，精度等级为级（一般数控机床精度等级为级），额定动载荷为26000。表53 型滚珠丝杠具体参数：公称直径基本导程钢球直径丝杠大径轴端直径额定载荷（）刚度动载荷静载荷406438.93526842220螺母安装连接尺寸DD3BhMTEL1L260947515915948M63668128因为： 2600013767.26, 所以强度不成问题。（2）效率计算：根据机械原理的公式，丝杠螺母副的传动效率为：= （58）式中：摩擦角： j= 螺旋升角： = =0.953（3）刚度验算：滚珠丝杠受工作负载引起导程的变化量： = （59）式中： =6=0.6 =20.6106滚珠丝杠截面积： F=3.14=12.56102（）则： =10.1510-8（）滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量很小，可以忽略，即：=所以导程变形总误差为： = （510）即 =16.92（）查表知级精度丝杠允许的螺距误差（1长）为25，故刚度足够。（4）稳定性验算根据公式: FK=fk2EI/KL2Fmax （511）式中: fk=2(双推简支); =20.610Pa; I=12.56 (cm4)K=4; L=Ls=35d1=354=140 (cm) (Ls为丝杆长度)FK=23.1422.0610712.56/4140288577 Fmax=6286.5故稳定性也没有问题.3.齿轮及转矩的有关计算（1）有关齿轮计算：传动比： = （512）则 =1.25故取齿轮齿数： =32 =40 模数: =2 =20 =200 分度圆直径: = =232=64（）= =240=80（）齿顶圆: =+=68（）=+=84（） =72（）（2）转动惯量计算：工作台折算到电机轴上的转动惯量： = （513）即 =100=0.468（）=4.68（）丝杠的转动惯量： =7.810-4 （514）式中：丝杠的名义直径，=4.0 丝杠两固定端的间距，=150所以： =7.810-444150=29.952（）=299.52）齿轮的转动惯量： =7.810-4（）42 =7.810-46.44=2.617（）=26.17（）=7.810-4842=6.39（）=63.9(）电机转动惯量很小可忽略，因此，总的转动惯量： =+ （514） =+2.617+0.468=26.343)=263.43 ()（3）所需转动力矩计算：快速空载启动时所需力矩： = （515）最大切削负载时所需力矩： = （516）快速进给时所需力矩： = 517）式中：空载启动时折算到电动机轴上的加速度力矩；折算到电动机轴上的摩擦力矩；由于丝杠预紧所引起，折算到电动机轴上的附加摩擦力矩；切削时折算到电动机轴上的加速度力矩；折算到电机轴上的切削负载力矩。 =10-4（）（518）式中：为时间常数，=2510-3当=时，= = （519）即 =416.67（） =10-4=45.736（）=457.36（）当=时，= = （520） =24.88（） =10-4 =0.273（）=2.73（） = （521）当=0.8，=0.16时， =1.529()=15.29() = （522）当=0.9时预加载荷： P0= =1.724()=17.24() = （523）即 =27.25()=272.5（）所以，快速空载启动所需力矩： =45.736+1.529+1.724=48.898()=488.98（）切削时所需力矩： =45.736+1.529+1.724+27.25=76.239()=762.39(）快速进给时所需力矩： = =1.529+1.724 =3.253()=32.53（）由以上分析计算可知，所需最大力矩发生在快速启动：=457.36()= 45.736()二、横向进给系统的设计计算普通车床经济型数控改造的横向进给系统的设计相对比较简单，一般是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车大拖板连接起来，以保证其同轴度，提高传动精度。由于横向进给系统的设计计算与纵向进给系统类似，所用到的公式不详细说明，只计算结果。已知条件：工作台重（根据图纸粗略计算）：=40=400时间常数： =25滚珠丝杠基本导程： =4行程： =190脉冲当量： =0.005步距角： =0.750快速进给速度： =11.切削力计算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： =5700=285()=2850（）在切断工件时： =285=142.5()=1425（）2.滚珠丝杠设计计算（1）强度计算：对于矩型导轨： =+取 =1.1，=0.15则： =1.1142.5+0.15（285+30）=204()=2040（）取工件直径：=80 走刀量： =0.15 =15（）寿命值： =13.5最大动负荷： = =1.21204=582.89()=5829.9（）根据最大动负荷值，选择滚珠丝杠的型号为左，其直径为32，导程为4，滚珠列数为5列，精度为级，额定动载荷是13000，所以其强度符合要求。型滚珠丝杠具体参数如下公称直径基本导程钢球直径丝杠大径轴端直径额定载荷（）刚度动载荷静载荷 324331.22813431780螺母安装连接尺寸507663115.8106386 344868（2）效率计算：摩擦角： =螺旋升角： =则传动效率： =0.956（3）刚度计算：滚珠丝杠截面积： =3.14=7.06510-2滚珠丝杠受工作负载引起导程的变化量： =5.6110-8滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量很小，可忽略，即=，所以，导程变形总误差为： =18.18（）查表知级精度丝杠允许的螺距误差（1长）为25，故刚度足够。（4）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。3.齿轮及转矩有关计算（1）有关齿轮计算：传动比： =故取： =18，=30 =2 =20 =200 =36 =120 =40 =64 =48（2）转动惯量计算：工作台质量折算到电机轴上的转动惯量：=40=0.0284（）丝杠转动惯量： =7.8 =7.850=0.624（）齿轮的转动惯量： =7.82=0.262（） =7.82=2.022（）电动机转动惯量很小可忽略，因此总的转动惯量： =1.242（）（3）所需转动力矩计算： =416.7（） = =0.268=2.68（） =24.88（） =0.0129（）=0.129（）当=0.8，=0.2时： =0.3822（）=3.822（）当=0.9时： =0.4312（）=4.312（） =6.807（）=68.07（）所以，快速空载启动所需转矩： =2.268+0.3822+0.4312=3.063（）=30.63（）切削时所需力矩： =0.0129+0.3822+0.4312+6.807= 7.633（）=76.33（）快速进给时所需转矩： = =0.3822+0.4312=0.8134（）=8.314（）从以上计算可知，最大转矩发生在快速启动时： max=3.063（）=30.63（）第三节步进电机的选择一、CA6140纵向进给系统步进电机确定启动力矩：（524）所以 =1222.45（）为满足最小步距要求，电动机选用三相六拍工作方式，查步进电机相数、拍数、启动力矩表：查表知=0.866，所以，步进电机最大静转矩为：（525）运行方式相数33445566拍数36485106120.50.8660.7070.7070.8090.9510.8660.866= 即 =1411.61（）步进电机最高工作频率： = （526）即 =3333.33（）综合考虑，查表选用型直流步进电机，能满足使用要求。二、CA6140横向进给系统步进电机的确定 =76.58（）电机仍选用三相六拍工作方式，查表知=0.866，所以，步进电机最大静转矩为： =87.39）步进电机最高工作频率： =3333.33（）为了便于购买和设计,选用型直流步进电机，能满足使用要求。第四节伺服系统说明一、机床进给系统的结构及工作原理1.进给系统结构说明拆除原机床的机械传动机构，用步进电机经齿轮减速机构驱动丝杠，带动刀沿轴、轴移动（如图5-2）。采用减速机构，可达到所需要的脉冲当量，还可满足结构要求和增大转矩。检测元件装在齿轮减速器上，通过检测图5-2 伺服进给系统改造示意图齿轮转动方向和齿数，输入到数控单元，通过其运算得出进给的方向和距离，达到半闭环控制的目的。2.数控进给系统工作原理驱动器的电源电压是专用变压器把380变成80，接到驱动器、电源输入端。轴和轴步进电机皆为三相六拍，分别受轴和轴驱动器输出信号控制，并把脉冲信号转换为位移角，角位移和角速度分别与指令脉冲的数量和频率成正比，旋转方向决定于脉冲电流的通电顺序。根据加工程序要求，数控单元发出指令信号，驱动器接到指令信号，转换成脉冲信号传递给步进电机。装在减速器上的角位移传感器将减速齿轮转动方向和转过的个数反馈给数控单元，根据该反馈信号和步进电机的通电相序，数控单元即可算出工作台运动方向、速度及位移量，并和加工程序相比较，以便修改数控单元的输出指令信号，实现了半闭环控制。二、步进电动机步进电动机是一种将脉冲信号变换成角位移（或线位移）的电磁装置。其转子的转角（或位移）与输入的脉冲数成正比，而运动方向是由步进电动机的各相通电顺序来绝对定，并且保持电动机各相通电状态就能使电动机自锁。因而步进电动机具有控制简单、运行可靠、惯性小等优点。但其缺点是调速范围窄、升降速响应慢、矩频特性软、输出力矩受限。步进电动机按力矩产生的原理可分为反应式、电磁式、永磁式、混合式等；按电动机结构可分为径向式、轴向式印刷绕组式；按使用场合或输出扭矩的大小可分为功率步进电动机和控制步进电动机；按励磁相数可分为三相、四相、五相、六相和八相步进电动机。随着电子技术和相关技术的发展，步进电动机在速度、功率及效率等方面都有很大的改进提高，因而目前在数控机床上任有较多的被采用尤其在我国经济型数控机床上用的较多。三、步进电动机的驱动电源环形脉冲分配器输出的电流很小（毫安级），必须经过功率放大。步进电动机的矩频特性中表明，随着频率增大，电动机带负载能力将下降。其主要原因是电动机绕组电感的影响，由于步进电动机绕组本身的直流电阻很小，而绕组电感较大，所以当频率增大时，其绕组的阻抗=也很快增大，从而使得绕组电流=减小，即使输出力矩降低。1.功率放大电路功率放大电路分为单电源和双电源型，单电源型线路简单，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。在功率放大器导通初始，、全导通，并使脉冲变压器的副边产生一定宽度的脉冲电流，使导通，高压电源通过、为步进电动机某一相绕组通电，使其电流上升沿变陡，同时处于反相偏置，将低压与绕组切断。经过时间后脉冲电流消失，使截止，高压电源与绕组之间被切断。通过，为绕组供电，提供所需要的额定电流。通过调整脉冲变压器的磁芯和可改变高压供电时间宽度。以上只是从原理上分析说明，由于我国目前步进电动机的功率放大器已由生产厂家生产出系列化产品，在设计数控机床控制电路时只需根据步进电动机的容量大小进行选择，所以不再进行计算。2.辅助电路为防止机床行程越界，所以在机床上装有行程控制开关；为了防止意外，装有急停按钮。由于这些开关都安装在机床上，距控制箱较近，容易产生电气干扰，为了避免这种情况发生，在电路和接口之间实行光电隔离，为了报警，还设有报警电路。当绿色的发光二极管亮时表示工作正常，当红色发光二极管亮时，表示溜板箱已到极限位置四、滚珠丝杠副滚珠丝杠副能保证机床进给动作灵敏、装配效率和传动精度要求。在滚珠丝杠副中是滚动摩擦，它具有以下特点：摩擦损失小，传动效率高，可达9096；采用双螺母预紧后，可以很好的消除间隙，提高传动刚度；图5-5 滚珠丝杠预紧调整机构 1-螺母 2-螺母 3-调整螺母摩擦阻力小，动静摩擦力之差极小，能保证运动平稳，不易产生低速爬行现象。磨损小、寿命长、精度保持好；不能自锁、有可逆转性，既能将旋转运动转换为直线运动，或将直线运动转换为旋转运动。因此丝杠立式使用时，应增加制动装置；运动速度受一定限制，传动速度过高时,滚珠在其回路管道内易产生卡珠现象。滚珠丝杠副轴向间隙的调整和预紧方法有垫片调隙式、螺母调隙式、齿差调隙式。为保证反向传动精度和机构的轴向间隙，并应适当预紧，本设计采用双螺母垫片式调隙法即双螺母结构来解决。图5-5所示为垫片式调整机构，修磨垫片3的厚的，使螺母2相对于螺母1产生轴向位移，从而消除轴向间隙并获得适当的预紧.五、机床导轨滑动导轨具有结构简单，制造方便，接触刚度大的优点。但传统滑动导轨摩擦阻力大，磨损快，动静摩擦系数差特别大，低速时易产生爬行现象。除简易数控机床外，在其它数控机床上已不采用。在数控机床上常采用有耐磨粘贴带覆盖层的滑动导轨和新型塑料滑动导轨。它们具有良好的摩擦性能及使用寿命长的特点，尤其是塑料导轨将有代替滚动导轨的趋势。本设计考虑到改造的方便性和经济性，采用贴塑导轨。将原机床导轨进行修整后贴塑，使其成为贴塑导轨。采用的材料时我国生产的软带材料，厚度有0.8、1.6、3.2等几种规格。考虑承载变形宜选用厚度小的规格，同时考虑到加工余量，选用厚度为1.6的为宜。贴塑软带粘结工艺非常简单，可直接粘结在原有滑动导轨上，不受导轨形式的限制，各种组合形式的滑动导轨均可粘结。粘结前按导轨的精度要求对金属导轨进行加工修整，金属粘结表面与软带粘结面应清洗干净，用特殊配制的粘合剂粘结，加以固化，待其完全固化后进行加工。第六章自动转位刀架卧式车床数控改造应将原机床的普通手动转位刀架替换成自动转位刀架。自动转位刀架由数控系统控制，效率高，工艺性能可靠。根据所加工零件的工艺要求及机床控制方式确定自动刀架的刀位数和刀架类型。一、数控车床刀架的基本要求数控车床的刀架是机床的重要组成部分。刀架用于夹持切削用的刀具，在一定程度上，刀架的结构和性能体现了机床的设计和制造技术水平，所以有如下要求：转位准确可靠，工作平稳安全；按最短线路就近选择，转位时间短；重复定位精度高；防水、防屑，密封性能优良；夹紧刚性高，适宜重负荷切削。二、数控车床刀架结构图6-1 自动转位刀架大致尺寸图本设计采用的是常州宏达机床数控设备厂立式转位刀架，其结构表型号1908140192202015215219212168133752421622390 6-1:参数如图，其大致尺寸如图6-1和表6-1。三、工作原理自动转位刀架工作原理如图6-2所示，微电机经弹簧安全离合器至涡轮副带动螺母旋转，螺母抬起刀架使定位用的端齿盘的上盘与下盘分离，随即带动刀架旋转到位。然后发信号使电机反转锁紧，完成刀架换位后，再进行切削加工。其具体过程是：当微机发出换刀信号后，刀架控制器中继电器动作，电动机正转驱动涡轮蜗杆减速机构，螺杆升降机构使上刀架上升, 图6-2 自动转位刀架工作原理图当上刀架上升到一定高度时，离合转盘起作用，带动上刀体旋转。刀架上端的发信盘中对应每个刀位都安装一个霍尔元件，当 ( 1-电机；2-固定安装丝杠；3-安全离合器；4-刀架)上刀体旋转到某一刀位时，该刀架上霍尔元件输出高电平。在上刀体旋转过程中，发信盘不断的向数控系统反馈刀位信号。数控系统将反馈刀位信号与指令刀位信号相比较，当两信号相同时，说明上刀体已旋转到所选刀位。此时，数控系统立即控制刀架控制继电器使电动机反转，活动销反靠在反靠盘上初定位。在活动销反靠作用下，螺杆带动上刀体下降，直至齿牙盘啮合，完成精定位，并通过涡轮蜗杆锁紧螺母，使刀架紧固。向数控系统发出转位完成信号，切断电源，电机停转，完成选刀过程。四、刀架的安装图6-3 刀架的安装尺寸该刀架安装时，需先拆除原机床上的小拖板和原刀架，然后把电动刀架置于中拖板上。此时，刀架高度应使车刀前刀面基本通过车床主轴轴心线，否则要在刀架下面加垫板，调整其高度。然后，卸掉刀架电动机风扇罩壳，逆时针方向转动电动机，使上刀体相当于下刀体转动450左右。打装螺孔，再用内六角螺栓将刀架与中拖板固定，固定时应注意，将刀架的两侧面分别与车床纵向和横向的进给方向平行。电动刀架与系统的连线应如下安装：沿横向工作台右侧面先走线到车床后面，再沿车床后导轨下方拉出一铁丝滑线，走线到系统。其好处在于:避免走线杂乱无章，而使得加工时切屑、切削液以及其它杂物磕碰电动刀架连线。第七章编码盘安装部分的结构设计我们知道在经济型数控车床上加工螺纹或丝杠时，须培植主轴脉冲发生器（即编码盘）作为车床主轴位置信号的反馈元件，它与车床主轴同步转动，发出主轴转角位置变化信号，输送到计算机。一、光电编码器工作原理脉冲编码器是一种旋转式脉冲发生器，它把机械转角变成电脉冲，是一种常用的角位移传感器。编码盘按一定的编码形式如二进制编码，二-十进制编码等，将一个圆盘分成若干等份，并利用电子、光电或电磁器件，把代表被图7-1 脉冲发生器测位移的个等份上的数码转换成便于应用的二进制或其它表达方式。脉冲编码器分为光电式、接触式和电磁感应式三种。就精度与可靠性来讲，光电式脉冲编码器优于其它两种。数控机床上只用光电式脉冲编码器。由霍尔效应构成的电磁感应式脉冲发生器也有作速度检测元件用。(如上71图)(b) (c)增量式光电编码器安装在主轴尾部，光电编码器具有体积小、重量轻、力矩小、多脉冲、承载能力强、可靠性高、寿命长等特点。光电编码器工作原理如图7-1（），为等阶距透光窄缝圆盘，、为发展光源，、为受光元件，、错开。当圆盘旋转一个阶距时，得到图7-1（）所示的光电波形输出，经放大整形，得到图7-1（）所示方波。利用、的相位关系可以判别主轴工件的旋转方向。相为基准脉冲，编码器旋转一周，相产生一个脉冲。车制螺纹时，编码器与主轴同步旋转，同时发出与主轴相对应的脉冲信号，控制刀架向方向进给运动。车床要切制出合格的螺纹，必须保证工件转一圈，车刀沿方向进给一个螺距。编码器与主轴及工件同步转动，编码器的、信号与数控单元的计数器联接。车螺纹时主轴转一圈，编码器相产生一个脉冲信号，在每次开始进刀切削前，扫描相脉冲信号。相信号到来时开始切削，否则等待。二、步进电机频率对编码盘的限制在使用主轴脉冲发生器时，受到步进电机频率的限制。如采用1000的工作频率，加工3螺距的螺纹时，步进电动机频率为300，而主轴脉冲发生器频率为100060=60000，所以车床主轴转速=100060/300=200，即车床主轴转速不得超过200转；如将主轴脉冲发生器的频率提高到2000 ，转速也仅达到400。由此可见，当螺距越大时，允许的车床主轴转速也就越低。三、编码盘的安装编码盘的安装一般有两种方式，即同轴安装和异轴安装。同轴安装的结构简单，联接方便，但安装后不能加工穿出主轴孔的较长的工件；而异轴安装无此缺陷。考虑到这一点，本设计为使改造设计的车床具有较强的通用性，决定采用异轴安装的方式来安装编码盘。如图7-2中，编码盘通过传动比为1：1的同步齿形带与主轴联系起来。工作时，编码器与主轴同步旋转，数控装置控制进给步进电机准确地配合主轴的旋转而产生进给运动。保证主轴每转一转，螺纹车刀移动一个螺纹导程，同时还保证每次走刀都在工作的同一点切入，而不乱扣。图7-2 增量式编码盘安装示意图第八章经济型数控系统中常用软件模块设计机床数控系统设计在应用工作中，软件设计是一个重要方面。实际设计与硬件设计是不可分割的，二者必须结合, 哪些能由硬件完成，那些能由软件完成，在硬件设计基本定型后，分工也就基本确定下来了，这时软件设计工作才开始进行。软件设计工作，按其功能可分二类：一类是执行软件，它能完成各种实质性的功能，如步进电机控制，插补，误差补偿计算，反馈量的处理，零件加工程序，显示输出等；另一类是监控软件，它是控制微机系统按预定的操作方式运转的程序，它完成人机通信，并协调执行程序和操作者之间的关系，在软件系统中充当组织调度的角色，如系统自检，初始化，处理键盘命令，处理揭开命令等。但执行软件和监控软件没有明确的界限和固定的功能划分，。习惯上把键盘解释程序作为监控程序，其它任务都分散在特定功能执行程序中，并由监控程序来调用必要的功能模块，完成预定的任务。在进行软件设计时，应从全局着眼，先将整个系统按功能分成一个一个的模块，并为每一个执行模块定义，然后设计出每一个具体模块的程序，最后组成一个系统。不仅整个系统的程序结构可具有模块化的特性，而且其模块内部有可以细分为小模块。模块特性对测试很有利，功能扩充也很方便，要增加新功能，只要增加新模块就能实现，象搭积分木一样。因此，这样的模块程序设计方法，思路清晰，逻辑性强，柔性较强。第一节插补原理及其程序设计一、插补方法概述经济型数控机床是用步进电机或者伺服电机驱动执行结构，使刀具相对工件沿着指定的路径运动，切削零件的轮廓，并保证切削过程中的每一点的精度和表面粗糙度符合一定的要求。当加工具有与坐标方向一致的直线轮廓的工件时，只要沿其坐标方向进给就能满组加工要求。每一方向的进给运动靠不进电机驱动拖板产生，而步进电机的运动则是靠数字脉冲来控制的。一个脉冲能使拖板产生的位移量称当量或者最小增量，常用x，y表示。因而，知道了平行于轴向的加工轮廓长度，就可换算成步进电机控制脉冲数，从而完成零件加工。脉冲当量是脉冲分配的基本单位，按加工精度选定。经济型数控车床通常为0.01mm，精度较高的为0.005mm。随着计算机和计算机技术的发展可，数控技术中采用的插补运算方法有很多种，常用的方法有以下几种：1）数字乘法器（又称为MIT法，美国麻省工学院研制）2）逐点比较法又称富士通或者醉步法3）比较积分法4）矢量判别法5）最小偏差法这些插补方法各有自己长处和短处，并且不断发展和完善。其中，较为成熟并得到广泛应用的是逐点比较法和数字积分法，而比较积分法，矢量和最小偏差法是在基础上改进的。因此，本节主要介绍逐点比较法的原理和程序设计方法, 而圆户弧和直线是最基本的曲线，用机床加工的各种工件轮廓，大部分由直线和圆弧构成，若加工对象包含有更复杂的曲线轮廓，则可借助于自动编程方法，用直线和圆弧来逼近，因此，本节对两种插补方法的讨论，都分别给出直线和圆弧插补程序设计。二、逐点插补原理及其程序设计其原理是：计算机在控制加工轨迹过程中，每当刀尖（拖板）向某一方向移动一步，就要进行一次偏差计算和偏差判断，就是比较加工点同要求加工轨迹相应点的坐标之间的偏离程度，然后根据偏差的大小确定下一步的移动方向，使刀尖始终紧靠要求的加工轮廓运动，起到步步逼近的效果，这种插补方法的特点在于每控制刀尖移动一步时，都要完成四个工作节拍，即：1）偏差判别：判别加工点相对于轮廓线的偏离位置，从而决定刀具走向；2）坐标进给：控制刀具走向某一坐标方向进给一步，向要求的轮廓线逼近，缩小偏差；3）终点判断：判断是否达到程序规定的加工终点。若达到终点，则停止插补，否则回到第一拍/如此不断地重复上述循环过程就能加工出所要求的轮廓形状。4）偏差判别：根据递推公式算出新加工点的偏差值如图8-1所示直线OA为第一象限的直线，起点为坐标o（0.0），终点坐标为A（xe，ye），P（xi，yj）为加工点。 Y 若P点正好处在直线OA上，由相似三角形关系则有： A（xe，ye） P（xi，yi） F0 F=0 即 xeyj-xiye=0 F0 若P点在直线OA下方（严格为直线OA与x轴正向所包围的区域），则有即 xeyj-xiye0，则点在直线OA上方；（3）如Fi,j0时），应从+x方向进给一步；以逼近该直线；当在直线下方时（Fi,j0时），应向 +y方向进给一步，以逼近该直线；当P在直线上时（即Fi,j=0），既可向+x方向进给一步，也可向+y方向。表8-1 逐点比较法插补运算举例序号工作节拍第一拍：位置判别第二拍：坐标进给第三拍：偏差计算第四拍：终点判别1F00=0+ xF10= F00-ye=0-3=13J=8-1=72F10=-30+ xF21=F11-ye= 2-3=-1J=6-1=54F21=-10+ xF32=F22-ye=4-3=1J=43-1=36F32=10+ xF42=F32-ye=1-3= -2J=2-1=27F42=-20+ xF53=F43-ye=3-3=0J=0-1=0进给一步。一般将Fi,j0及Fi,j=0视为一类情况，即Fi,j0时，都向+x方向进给一步。对图8-1的加工直线OA，根据偏差判别函数值的大小，分别向+x和+y方向进给，当两方向所走的步数与终点相等时，停止插补，这就是比较法直线插补原理。设要加工直线为OA见下图，其坐标为A（5，3），则终点计数值J=xe=ye=5+3= 8工过程的运算节拍如下表：以上讨论了第一象限直线插补计算方法，对其他象限的直线，可根据相同原理得到其插补的计算方法，8-2列出了个象限直线L1、L2、L3、L4进给方向及偏差计算公式，其中偏差计算公式中的xe，ye都为绝对值，图8-3为第一象限逐点比较法直线插补的程序框图。对第一象限直线OA从起点（坐标原点）出发，当F0时，+x向走一步；当F0时，+y向走一步。各象限进给示意图现型F0进给方向F0进给方向偏差公式L1+x+yF0时FF+yeF0.下面推导全递推公式。设在加工点P（xi，yj）处Fi,j0，则应沿+x方向进给一步，此时新加工的坐标为新加工点的偏差为：Fi+1,j= xeyj-（xi+1）=xeyj-xjye-yeFi,j+1=Fi,j-ye （ 8-2）若在加工点P（xi，yj）处， Fi,jR2 即 xi2+yj2-R2 0若点P 在圆弧内则，则有xi2+yj2=R2pR2即 xi2+yj2-R2 0则点P在圆弧外则（3） Fi,j0则点P在圆弧不则常将8-4称为圆弧插补偏差判别式。当Fi,j时，为逼近圆弧，应向-x方向进给一步；当Fi,j0时，应向+y 方向走一步。这样就可以获得逼近圆弧的折线图。与直线插补偏差计算相似，圆弧插补的偏差的计算也采用递推的方法以简化计算。若加工点P（xi，yi）在圆弧外或者圆弧上，则有： Fi,j=xi2+yj2-R20为逼近该圆沿-x方向进给一步，移动到新加工点P（xi=1,yi），此时新加工点的坐标值为 xi+1=xi-1， yi=yi新加工点的偏差为：Fi+1,j=（xi-1）2+yi2-R2=xi2-2xi+1+ yi2-R2 = xi2+ yi2-R2+1即 Fi+1,j= Fi,j-2xi+1 （ 8-5）若加工P（xi，yi）在圆弧内，则有 Fi,j=xi2+yj2-R20若逼近该圆需沿+y方向进给一步，移到新加工点P（xi，yi），此时新加工点的坐标值图8-5 第一象限圆弧插补程序框图为新加工点的偏为：Fi,j+1=xi2+（yi+1）2-R2=xi2+ yi2+1 -R2 = xi2+ yi2-R2+1+2yiFi,j+1= Fi,j-2yi+1 （8-6）从（8-5）和式（8-6）两式可知，递推偏差计算仅为加法（或者减法）运算，大大降低了计算的复杂程度。由于采用递推方法，必须知道开始加工点的偏差，而开始加工点正是圆弧的起点，故F0,=0，除偏差计算外，还要进行终点判别。一般用x,y坐标所要走的总步数来判别。令J=| xe-x0|+|ye+y0|，每走一步则J减1 ，直至J=0到达终点停止插补。综上所述，逐点比较法圆弧插补与直线插补一样，每走一步都要完成位置判别，坐标进给，偏差计算，终点判别四个步骤。如图8-5所示为第一象限逆圆弧比较法插补的程序框图，下面举例说明圆弧插补的过程。例：设要加工圆弧为第一象限逆圆弧AB，如图所示，原点为圆心，起点为A（6，0），终点B（0，6），终点计算数值，J= |xe-x0|+|ye+y0| =|0-6|+|6-0|=12，加工过程的运算节拍如下表所示。对于第一象限的顺圆及其第二、三、四象限的顺圆，逆圆插补计算，可根据相同原理得到其插补计算方法，图8-7所示为四个象限的进给方向示意图。表8-4列出了四个象限的顺圆，逆圆的圆弧插补计算公式，其中偏差计算公式中的xe，ye都为绝对值。表中SR1、SR2、SR3、SR4分别代表第一，第二，第三，第四象限顺圆弧， NR1，NR2，NR3， NR4分别代表第一，第二，第三，第四象限逆圆弧。表中x,y都为加工点坐标值的绝对值。图8-6 第一象限圆弧插补轨迹序号工作节拍第一拍：位置判别第二拍:坐标进给第三拍:偏差计算第四拍：终点判别1F0=-0-xF1 =0-26+1=-11x1=6-1=5 y1=0J1=J0-1=112F1=-110+yF2 =-11+0+1=-10X2=5 y2=0+1=1J2=J1-1= 103F2=-100-+yF3=-10-21+1=-7X3=3 y3=1+1=2J3=J2-1=94F3=-70+yF4 =-7+22+1=-2X4= 5 y4= 2+1=3J4=J3-1=85F44=-20-xF6=5-25+1=-4X6=5-1=4 y6=4J6=J5-1=67F6=-40-xF8=5-24+1=-2X8=4-1=3 y8=5J8=J8-1=49F8=-20-xF1 0=9-23+1=4x10= 3-1=2 y10=6J10=J9-1= 211F10=40-x-F11 =4-22+1=1x11= 2-1=1 y11=6J11=J10-1=112F11=10-xF12 =1-21+1=0x12= 1-1=0 y12=6J12=J11-1=0图8-3 逐点比较法圆弧插补运算举例图8-7 第一、二、三、四象限圆弧插补进给方向图8-4 圆弧插补偏差计算表圆弧方向F0F0进给方向偏差公式进给方向偏差公式SR1-yFF-2y+1+xFF-2y+1SR2+yxx-xxx+1SR3-yyy-1-xyySR4+y+xNR1-xFF-2x+1+yFF-2y+1NR2+xxx-1-yxxNR3+xyy+yyy+1NR4-x-y三、插补控制软件数控系统的软件包括插补，刀具补偿，升降补偿，升降处理，位置控制等功能模块，下面只介绍其插补程序软件：1、插补软件插补是数控机床中一种脉冲分配计算，合理的分配计算能保证数控机床连续的轨迹运动。逐点比较法在数控系统中应用很广，它不仅应用于直线和圆弧插补，还可以应用于其它二次曲线的插补，例如椭圆，抛物线和双曲线等。下面只是以直线和圆弧为例来叙述逐点比较法的软件设计方法。（1）直线插补下面程序是四个子程序中第一象限的子程序，其它象限，只须加以修改即可。该程序用MCS-51指令编写，电机采用步进电机，采用8255并行接口的A、B两端口进行控制，其直线插补的程序图8-7如所示：图8-8直线插补程序框图程序中，MOTR是步进电机控制地址，即软件环分器的入口地址。若采用硬件环分，则该子程序只需做两件事：判别正、反转控制字，同时向相应电机输出一个脉冲。若采用软件环分，则除了判别正、反转控制字外，还必须进行查表或者其它方式（如循环移位），输出电机控制字。这两种程序都很简单，所以再此没有给出。下面是直线插补的程序清单：表 8-5 内存分配表：内存单元地址内存内容28H终点坐标SEZHI3229H终点坐标SEZHI322AH插补住X2BH偏差值Y2CH偏差住A70H控制电机正、反转的控制字14H计数器ORG 2300HMAIN： MOV SP，#60H ；主程序开始MOV R0，#T8255 ；8255初始化MOV A，#80HMOVX AR0ALOR4： MOV 28H，#0C8H ；XeMOV 29H，#0C8H ；YeMOV 2AH，#00H ；XMOV 2BH，#00H ；YMOV 2EH，#00H ；FMOV A，2EHLOP3：MOV A，2EAJB ACC.7，LOPIMOV A，70H SETB ACC，0CLR ACC.2MOV 70H，A ；0B+XLCALL MOTR ；调环行分配器子程序，x方向走一步LCALL DELAGMOV A，2EHSUBB A，29H ；F-YeINC 2AH ；X+1AJMP LOP2LOP1： MOV A，70HSETB ACC.2CLR ACC.2MOV 70H，A ；OG+YLCALL MOTRLCALL DELAYMOV A，2EHADD A，28H ；F+XeINC 2BH ；Y+1LOP2： MOV 2EHMOV A，28HCJNE A，2A，LOP3 ；Xe=X？ST： MOV R0，#T8255 ；关8255MOV A，#00HMOVX R0,ALJMP ST(2)圆弧插补与直线插补一样，这里这介绍第一象限逆圆的情况。其步骤为：1偏差计算；2进给脉冲的分配；3 终点判别下图是圆弧插补程序框图，程序清单如下： XL EQU 18H XH EQU 19H YL EQU 28H YH EQU 29H XeL EQU 1AH XeH EQU BH YeL EQU 2AH YeH EQU 2BH FL EQU 2CH FH EQU 2DH ORG 2400HMAIN： MOV SP，#60H MOV R0，#0EBH MOV A，#80H MOVX R0,A LCALL DSUP；调装码子程序 MOV R5， #11HMOV R6，#21HMOV 70，#08HMOV XL，#80H ；XLMOV XH，#XH，#0CH ；XHMOV YeL，#00H ；YeL MOV XeH，#00H ；XeHMOV XeL，#00H；XeLMOV YL，#00H；YLMOV YH，#00H；YHMOV YH，#00H；YHMOV FH，#00H；FHMOV 1CH，#00HMOV 1DH，#00HLOOP1： MOV A，FH JINB ACC.7.LOOP1 MOV A，70H SETB ACC.2CLR ACC.0MOV 70H，A ；OC+YLCALL MOTRLCALL DELAYMOV R1，#28H ；YLMOV R0，#1CHMOV R7，#02HLCALL CHFZ ；2*YADD： CLR C MOV A，FL ADDC A，1CHMOV FL，AMOV A，FHADDC A，1DH ；F+2YMOV FH，ACLR CMOV A，YLADD A，#01HMOV 28HMOV 28H，AMOV A，YHADDC A，#00HMOV YH，A ；Y+1CLR CMOV A，01HMOV FL，A ；F+Y+1MOV A，FHADDC 00HMOV FH，AAJMP LOOP2LOOP1： MOV A，70HSETB AXX，0MOV 70H，A ；09-XLCALL MOTRLCALL DELAYMOV R1，#18H ；XLMOV R0，1CHMOV R7，02HLCALL 0HFZ ；2*XSUB： CLR C MOV A，CHSUBB A，1CHMOV FL，AMOV A，FHSUBB A，1DHMOV FH，A ；F-2XCLR CMOV A，XL MOV XH，A ；X-1CLR CMOC A，FLADD A，#01JMOV FL，AMOV A，FHADDX A，00HMOV FH，A ；F-2X+1L00P2： MOV A，YH CJNE A，YEH，LOOP3A，YH=YEH？MOV A，YLCJNE A，YEL，LOOP3A，YL=YEL？ST MOV P0，2FBH MOV A，00H MOVX R0,A AJNMP STLOOP3A AJMP LOOP3 ；主程序结束END PRG 2500HGHFZ： PUSH PSW ；双字节乘2子程序 PUSH A PUSH B PUSH C MOV R2，00HSHIO MOV A，R1 MOV B，#02H PUSH PSW MUL AB POP PSW ADDC A，R2 MOV R0,A MOV R2，B INC R0 INC R1DJNZ R7，SHIOPOP BPOP APOP PSWRET四、诊断程序在绝大多数的CNC系统中，都配有一定规模的诊断程序，这是CNC系统的一个重要的点。有了较完善的诊断程序（如存储器诊断，定时器，中断及可编程I/O的诊断），就可以防止故障的发生和扩大，就是在出现故障时也可以及早查明故障类型及部位，以便迅速排除，减少停机时间。（1）ROM的诊断数控系统的监控程序固化在EPROM中，一般不会出错，但使用时间长了，也不能保证不出问题，当EPROM的窗口没有封装好或者处于放射线的环境中，都有可能使EPROM中的信息发生变化，从而使系统运行不正常。EPROM中的故障常用“校验和”来诊断，“检验和 ”有两中方法，：加法和，异或和。对程序块所有单元求检验和，并将和与远检验和值比较看是否相同，若相同则ROM正常，否则就就有故障。下面是用8031指令编写的异或校验和程序，对0100H0BFFFH的内容进行检验，0BFFFH中是原校验和。ORG 8000HXRTEST MOV DPTR，#0BFFFH MOV R2，#20H MOV B，#00HTEST： CLR A MOVC A，A+DPTR XRL B，A INC DPTR MOV A，DPL JNZ TESTDJNZ R2，TESTMOV A，BRET执行该诊断程序后，若累加器中内容不为零，则EPROM出错。（2）RAM的诊断 RAM存储器用于存储用户程序数据，RAM的诊断有两种方法：破坏性诊断和非破坏性诊断。破坏性诊断是将一定的数据写入，然后再读出看是否相同，这样原数据就破坏掉了，非破坏性诊断是将原数据读出并保留副本，求反，写入，再读出求反，与原副本比较是否相同。下面是对20003FFFH进行诊断测试程序： TEST： MOV DPTR MOV R2，#20HTEST1： LCALL TEST2JB F0，TEST4DJNZ R2，TEST1TEST2： SETB F0TEST3： MOVX A，SPTR ；诊断一个字节MOV B,A ;保留副本CRL A ；取反MOVX DPTR，A ；写MOVX A，DPTR ;读CLR A ；取反CJNE A，B，TEST4 ；校对，出错MOVX DPTR，A ；恢复MOVX A，DPTR ；CJNE A，B，TEST4 ；恢复出错INC DPTR ；下一个单元MOV A，DPLJINZ TEST3TEST4： RET（1）定时器的诊断定时器在数控系统中占有重要的位置，在插补等很多功能中要用到定时/计数器，因此对定时器进行诊断显得非常重要。对定时器诊断一般采用定时方式运行，如能按时溢出，置位溢出标志，就可以基本上诊断无故障，下面是对8031的定时器T0诊断程序：TEST：MOVE TMOD，#1CLR TR0MOV TH0#0 ；16位计数MOV TLE，#0SETB F0 ；出戳标志初始化SETB TR0MOV R2，#80 ；延时MOV R3，#0TEST1：DJNZ R3，TEST1 DJNZ R2，TEST1 CLR TR0 JNB TF0，TEST2 CLR F0 ；有正常溢出TEST2：RET（2）中断功能的诊断 8051系列单片机有五个中断源，如果一一诊断比较费事，一般选一个中断源作为代表，看看能否正常运行，为了家，最好选定时中断嗲表，它不需要外部硬件支持，在诊断T0定时器中断时，如果允许T0中断，并在中断子程序中做一件事通知自检程序，则可以根据这件事是否发生来判断中断是否发生，再将T0中断屏蔽，看看中断还能否发生，达到初步诊断中断控制功能的目的。程序流程图见其中土（a）为诊断主程序流程，图（b）为T0定时中断子程序流程。第二节接口电路设计一、单片机和主机（PC机）的连接串行通信是CPU与外界交换信息的一种基本通信方式。单片机用语数据采集时，往往作为前端机安装在工业现场，远离主机，现场必须采用串行通信方式发往主机进行处理，以降低通信成本，提高通信可靠性。51系列弹片机自身有全双工的异步通信接口，实现串行通信很是方便。片机和PC的串行通信接口电路图如下：图8-9 单片机和PC机的串行通信接口图中MAX232完成TTL-EIA的电平转换。在PC机内接有PC16550（和8250兼容）串行接口、EIA-TTL的电平转换和RS-232C连接器，除鼠标占用一个串行口以外，还留有两个串行口给用户，这就是COM1（地址3F8H3FFH）和COM2（地址2F8H2FFH），通过这两个口，可以连接MODEM和电话线互联网，也可以连接其他通信设备，如单片机，仿真机等。二、8031单片机接口的扩展在使用单片机的实时控制系统中，往往需要通信的外部设备或者控制对象比较多，单片机本身的I/O口无法满足要求，因而需要扩展I/O口。拥护可以把MCS-51的64KB数据存储器地址空间的一部分（例如0DHFFH）作为外部I/O的地址空间，CPU向仿问外部RAM单元一样读写扩展的I/O 口。图8-10 8031单片机的接口扩展三、键盘/显示器接口芯片8279 8279是intel公司为其8位微处理器配套设计的可编程键盘/显示器接口芯片，在微机控制数控系统中广泛应用。数控系统中广泛应用。1、 8279的主要性能（1）提供了硬件扫描键盘接口，可连接8行8列的矩阵键盘。（2）键盘接口可接开关式传感器矩阵或者其开关输入量（3）具有动态扫描显示器接口，可接16个8段数码显示器。显示数据采用右端或左端送如。（4）键盘和显示器扫描信号及扫描间隔由内部定时控制逻辑和扫描计数器完成。扫描信号具有编码输出和译码输出两种方式等功能.其显示器和键盘的驱动程序如下：（1）LED 显示器程序:LED: MOV R1, #7EH ;显示缓冲区末地址MOV R2, #01HMOV A, R2LP0: MOV DPTR,#7f01HMOVX ADPTR,AINC DPTR MOV A,R0 :取显示数据ADD A,#0DH ;加上偏移量MOVC A,A+PCMOVX DPTR,AACALL DIMSDEC R0MOV A,R2JB ACC.5,LP1RL A MOV R2,AAJMP LP0LP1: RETDIMS: MOV R7,#02HDL: MOV R6,0FFHDL1: DJNZ R6,DL1DJNZ R7,DLRET键盘扫描子程序KD1: MOV A,#00000011BMOV DPTR,#7F00HMOVX DPTR,AKEY1: ACALL KS1JNZ LK1ACALL LEDAJMP KEY1LK1: ACALL LEDACALL LED ACALL KS1JNZ LK2ACALL LEDAJMP KEY1LK2: MOV R2,#0FEH MOV R4,#00HMOV DPTR,#7F01HLK4 MOV A,R2MOVX DPTR,AINC DPTRINC DPTRMOVX A,DPTRJB ACC.0,LONEMOV A,00HAJMKP LKPLONE: JB ACC.1,LTWOMOV A,#08HAJMP LKPLTWO: JB ACC.2,LTHRMOV A,#10HAJMP LKPLTHR: JB ACC.C,NEXTMOV A,#18HLKP: ADD A,R4PUSH ACCLK3: ACALL LEDACALL KS1JNZ LK3POPACCRETNET INC R4MOV A,R2JNB ACC.7,KNDRL A MOV A,R2JNB ACC.7,KNDRL AMOV R2,AAJMP LK4KND: ANMP KEY1KS1: MOV DPTR,#7F01HMOV A,#00HMOVX DPTR,AINC DPTRINC DPTRMOVX A,DPTRCPL AANL A,#0FHRET （2）插补程序清单:ORG 2300MAIN: MOV P,#60HMOV R0,#T8255MOVX AR0,ALOR4: MOV 28H,#0C8HMOV 29H,#0C8HMOV 2AH,#00H MOV 2EH,#00HMOV 2EH,#00HMOV 70H,#0AHLOP3: MOV A,2EJJB ACC.7,L0P1MOV A,70HSETBACC,0CLR ACC.2MOV 70H,ALCALL MOTR 调环行分配器子程序LCALL DELAGMOV A,2EHSUBB A,29HINC 2AHAJMP LOP2 ；转入子程序LOP2LOP1: MOV A,70HSETB ACC.2CLR ACC.0MKOV 70H,ALCALL MOTR ：Y方向走一步LCALL DELAY MOV A,2EHADD A,28HINC 2BHLOP2: MOV 2EH,AMOV A,28HCJNE A,2AH,LOP3 ;比较XST: MOV R0,#T8255 ;关8255MOV A,#00HMOVX R0ALJMP ST四、中断优先电路五个中断的有先级别寄存器管理，相应位置1，则该中断源优先鉴别高，置0的优先级别低PSPTiPXiPT0PX0无用位串行口高/低Ti高/低INT1高/低T0高/低INT1高/低当某几位中断源在IP寄存器相应为1或同为零时，由内部查询确定优先级，即优先响应先查询中断请求。CPU查询的顺序是：图8-12 中断系统图8-12 中断系统五、光电隔离电路为了防止强电干扰及其他信号通过I/O控制电路进入计算机，影响其工作，通常的办法是采用滤波吸收，抑制干扰信号的产生，然后采用光电隔离的办法，使微机与强电部件不共地，阻断干扰信号的传导，光电隔离电路主要由光电转换元件组成，如下图8-13所示：控制输出时，如图（a）所示，可知，微机输出的控制信号经74LS04A非门反相后，加到光电耦合器G的发光二极管正端。当控制信号为高电平时，经反相后，加到发光管的电平低电平，因此，发光二极管不导通，没有光发出/这时光敏三极管截止，输出信号几乎等于加在光敏三极管集电极上的电源电压。当控制信号为低电平时，发光二极管导通并发图8-13 光电隔离电路光，光敏三极管接受发光二极管发出的光而导通，于是输出端几乎等于零。同样的道理，可将光电耦合器用于信息的输入，如图（b）所示。当然，光电偶合器还有其他连接方式，以实现不同要求的电平合伙者极性转换。光电偶合电路有以下做用：（1）可将输入与输出端两部分电路的地线分开，各自使用一套电源供电；（2）可以进行电平转换如图（a）所示电路，通过光电偶合器可以很方便地把微机的输出信号变为12V；（3）提高驱动能力。第三节伺服电路伺服电机由于采用半闭环控制，在和微机接口时，不但需要输出接口，也需要输入接口。若驱动电路要模拟量，则是输入接口需要使用D/A转换器，若反馈信号是模拟量，则需要A/D转换器和微机接口。显然，接口的形式是随着控制系统的不同而不同的。下面是用8031单片机控制的伺服半闭环系统，其结构如图8-14所示：一、系统的组成系统主要由8031单片机，速度检测元件（测速发电机），位置检测元件（光电编码器）0直流伺服电机，位置给定电位器以及相应的接口电路组成。图8-14 单片机控制的伺服系统结构原理图光电编码器为9位，位置检测精度为0.70，测速发电机在额定转速下的输出电压是30V，PWM功率放大器由脉冲宽调制器及桥式开关组成。因编码器直接杂饲服电机上，其输出信号不能反映被驱动对象的实际位移，所以这个伺服系统诗歌半闭环系统。二、接口电路1、输出接口：输出接口就是单片机和伺服电机PWM功率放大器的接口。2、输入接口：（1）速度反馈接口这个接口主要由运算放大器N5及 00809A/D转换器组成。（2）组成有源低通滤波器，抑制测速放电机由于系统的微振而产生的高频噪声；（3）组成放大倍数小于1的放大器，将测速电机的输出信号；（-30V+30V）压缩在5V之间，以便0809转换。（4）位置反馈接口位置检测元件用光电码器，用以检测角位移；（5）位置给定接口位置给定和测速发电机共用一个0809A/D转换器。三、位置和速度接口位置和速度调节都由软件完成，位置调节一般采用比例调节，单片机根据采样得到的位置反馈信号，按P调节规律计算，并决定是否继续输出控制信号。速度调节通常采用PI调节，以实现无静差调速。单片机采样到速度反馈信后，按PI调节以便实现计算，决定下一步输出信号的大小，以控制伺服电机的转速。四、步进电机控制程序设计步进电机控制程序的任务是：判断旋转方向，按顺序送出控制一脉冲，以及判断所要送的脉冲信号是否已经送完。下面是三相六拍运转方式的程序设计方法。设步进电机所要走的步数放在寄存器R4中，转向标志放在程序寄存器用户标志F0中，当F0为0时，表示步进电机正转，当F0为1时，表示电机为反转，。正转，模型01H，03H，02H，07H，04H，05H存放在8031片内，数据存储器20H25H中，26H中存放结束标志字00H。在27H开始的6个存储单元内存放反转模型01，05，04H，06H，02H，03H在2DH单元内存放标志00H字。（1）步进电机恒转速的程序设计：CONTRLO2： PUSH A ；保护现场 MOV R4，#N ；置总步数初值N CLR C ORL C，#PSW.5 ；判断方向标志 JC ROTE ；若转向标志为1 MOV R0，#20H ；正转模型首地址 AJMP PHROTE： MOV R0，#27H ；反转模型首地址PH： MOV TMOD，#01H；设置定时器T0方式定时 MOV TL0，#XL；赋T0定时初值 MOV TH0，#XH SETB TR0；启动T0计时 SETB ET0；允许T0中断 SETB EA ；CPU开中断LOOP： MOV A，R4 JNZ LOOP；等待中断 CLR EA ；CPU关中断 POP A ；恢复现场 RET；返回中断服务程序清单（完成正转或反转操作）： ORG 000BHINTT0： PUSH A ；保护现场 MOV A，R0 ；RO放模型地址（开始放首地址 MOV P1,A ；输入控制模型 DEC R4 ；步长减1 INC R0 ；指向下一个脉冲控制字节地址 MOV A,#00H ；判断控制模型6个控制字送完否 ORL A,OOH JZ TPL ；若是结束标志，跳转TOR: MOV TL0, #XL MOV TH0, #XH ；赋初值跳转 POP A ；恢复现场 RETI ；中断返回TPL: MOV A,R0 ；正转（A）06H=20J CLR C；反转（A）05H=27H SUBB A,#06H MOV R0,A ；恢复模型首地址，正转（R0）=20H；反转（R0）=27H AJMP TOR（2）步进电机等加速程序设计 MOV DPTR，ADDR16 ；TC初值地址指针 MOV R3，1BH ；频率阶梯计数赋值 MOV R2，1AH ；阶梯步长计数器赋值 CLR C OLR C，73H；转向标志为1转到反转地址 JC ROTE MOV R0，20H；正转模型首地址 AJMP PH ROTE： MOV R0，#27H ；反转模型首地址PH： MOV TMOD，#01H ；TO方式1定时 MOV TL0，#00H ；TO初值 MOV TH0，#00H SETB TRO；启动TO SETB ET0 ；允许TO 中断 SETB EA；CPU断开LOOP： MOV A，R3；等待中断 JNZ LOOP CLR EA ；CPU中断 SJMP EA ；结束中断服务程序（000BH转来） PUSH A；保护现场 MOV A，R0MOV P1，A；输出控制模型INC R0；模型地址增1MOV A，#00H；是结束标志转ORL A，R0JZ TPLRR： DEC R2 ；步进计数器1 MOV A，#00H ；阶梯步长计数器为零转 ORL A，R2 JZ TILPRL： CLR C；是降频转移 ORL C，71H JNC ROTEL中断 MOVC A，A+DPTR；升频TO赋初值 MOV TL0,A MOV TL0 MOV A,01H MOVC A，A+DPTR MOC TH0，A AJMP QQROTEL： MO0V A，#80H MOVC A，A+DPTR ；降频TO赋初值 MOV TL0，A MOV A，#81H MOVC A，A+DPTR MOV TH0,AQQ： A ；恢复现场 RETI；返回THI： DJNZ R3，AT ；频率阶梯减1不为0转 AJMP QQAT： MOV R2，1AH ；阶梯不长赋值 INC DPTR INC DPTR ；初值指针更新 AJMP PRLTPL： CLR C；恢复模型首地址 MOV A，R0 SUBB A，#06H MOV R0，A AJMP RR（3）变加速运行程序设计SETB 70H；变频标志 SETB 71H；升频标志SETB 75H；执行程序WR： MOV DPTR，ADDR16；初值指针 MOV R3，1BH；阶梯计数器赋值 MOV R2，1AH；阶梯步长计数器赋值 CLR C ORL C，73H；判断升/

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