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CA6140型车床的经济型数控横向改造设计【6张CAD图纸+毕业论文】

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关键词：: CA6140型车床经济型数控横向改造设计 cad图纸毕业论文数控横向改造 CA6140型车床数控横向改造

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CA6140型车床的经济型数控横向改造设计

40页 17000字数+说明书+任务书+6张CAD图纸【详情如下】

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摘要

针对现有常规CA6140普遍车床的缺点提出数控改装方案和单片机系统设计，提高加工精度和扩大机床使用范围，并提高生产率。本论文说明了普通车床的数控化改造的设计过程，较详尽地介绍了CA6140机械改造部分的设计及数控系统部分的设计。采用以8031为CPU的控制系统对信号进行处理，由I/O接口输出步进脉冲，经一级齿轮传动减速后，带动滚动丝杠转动，从而实现纵向、横向的进给运动。

改造过程如下：（1）机械部分的改造，包括纵向进给方向的改造和横向进给方向的改造。主要包括对滚珠丝杠螺母副及反应式步进电机的计算选择及纵向、横向机构装配图方案的制定。（2）电气控制部分的设计，主要包括MCS-51系列单片机及扩展芯片的选用和电气控制图的设计。

关键词：数控，单片机，步进电机，滚珠丝杠，改造

ABSTRACT

To remedy the defects of ordinary lather C6140, a design of data processing system and its single chip microcomputer system program is put forward to raise the processing precision and extend the machine’s usage, and to improve production rate。This paper presents the process of designing numerical control reform，and explicitly introduces the design of mechanical and numerical control system reforms。We adopt control system which has 8031 as cpu to cope with the signal，and output the step pulse through the I/O interface。After transmitting and slowing down by force 1 gear, the step pulses drive the leading screw to roll。Thus achieve the vertical movement and the crosswise movement。

Reform process as follows:(1)The reformation of machine part, include to enter lengthways to the reformation of the direction with horizontal enter to direction of reformation. Mainly include to roll the ball screw shaft nut and the calculation choice of reaction stepping motor and the establishment of lengthways, horizontal organization assemble diagram project. (2)The reformation of electricity part, mainly include the choice of MCS-51 family single-chip and expand chip and the design of electric control chart.

Key words?: numerical control ,single-chip ,stepping motor ,?ball screw shaft ,reform????

摘要Ⅰ

Abstract（英文摘要）Ⅱ

目录Ⅲ

第一章前言1

第二章总体方案设计2

2.1机械部分改造2

2.2数控系统部分设计2

第三章机械部分改造设计4

3.1横向进给系统的设计与计算4

3.1.1横向进给系统的设计4

3.1.2横向进给系统的设计计算4

3.1.3步进电机的选择7

3.2数控车床的传动装置设计7

3.2.1螺旋传动7

3.2.2轴的结构设计9

3.2.3透盖的结构设计10

3.2.4螺母座的结构设计10

3.3自动转位刀架的设计11

第四章微机数控系统设计13

4.1概述13

4.2数控系统的硬件电路设计13

4.2.1微机机型和扩展存储器的选择14

4.2.2确定I/O接口15

4.2.3键盘接口设计16

4.2.4显示电路设计17

4.3软件设计18

4.3.1插补原理及其程序设计19

4.3.2步进电机的控制及其程序设计21

4.3.3间隙补偿功能29

4.3.4键盘的诊断30

4.3.5自动换刀程序设计31

结论33

参考文献34

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。

本课题来源于生产实践。将CA6140型普通车床改造成经济型数控车床，应能实

现CA6140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

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，CA6140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。

参考文献

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[22]李耀光,路春光,段润宝.普通车床数控改造的结构设计[J].改装与维修：1998，（1）：53.

[23]王玉兴,曹金海,张杰.普通车床数控改造中机械部分的改装方法研究[J].机械制造：1996，（3）：38-39.

内容简介：: I摘要针对现有常规 CA6140 普遍车床的缺点提出数控改装方案和单片机系统设计，提高加工精度和扩大机床使用范围，并提高生产率。本论文说明了普通车床的数控化改造的设计过程，较详尽地介绍了 CA6140 机械改造部分的设计及数控系统部分的设计。采用以 8031为 CPU 的控制系统对信号进行处理，由 I/O 接口输出步进脉冲，经一级齿轮传动减速后，带动滚动丝杠转动，从而实现纵向、横向的进给运动。改造过程如下：（1）机械部分的改造，包括纵向进给方向的改造和横向进给方向的改造。主要包括对滚珠丝杠螺母副及反应式步进电机的计算选择及纵向、横向机构装配图方案的制定。（2）电气控制部分的设计，主要包括 MCS-51 系列单片机及扩展芯片的选用和电气控制图的设计。关键词：数控，单片机，步进电机，滚珠丝杠，改造ABSTRACTIIIABSTRACTTo remedy the defects of ordinary lather C6140, a design of data processing system and its single chip microcomputer system program is put forward to raise the processing precision and extend the machines usage, and to improve production rate。This paper presents the process of designing numerical control reform，and explicitly introduces the design of mechanical and numerical control system reforms。We adopt control system which has 8031 as cpu to cope with the signal，and output the step pulse through the I/O interface。After transmitting and slowing down by force 1 gear, the step pulses drive the leading screw to roll。Thus achieve the vertical movement and the crosswise movement。Reform process as follows:(1)The reformation of machine part, include to enter lengthways to the reformation of the direction with horizontal enter to direction of reformation. Mainly include to roll the ball screw shaft nut and the calculation choice of reaction stepping motor and the establishment of lengthways, horizontal organization assemble diagram project. (2)The reformation of electricity part, mainly include the choice of MCS-51 family single-chip and expand chip and the design of electric control chart.Key words : numerical control ,single-chip ,stepping motor , ball screw shaft ,reform IV目目录录摘要.ABSTRACT（英文摘要）.目录.第一章前言.1第二章总体方案设计 .22.1 机械部分改造.22.2 数控系统部分设计.2第三章机械部分改造设计.43.1 横向进给系统的设计与计算.43.1.1 横向进给系统的设计 .43.1.2 横向进给系统的设计计算 .43.1.3 步进电机的选择 .73.2 数控车床的传动装置设计.73.2.1 螺旋传动 .73.2.2 轴的结构设计 .93.2.3 透盖的结构设计 . 103.2.4 螺母座的结构设计 . 103.3 自动转位刀架的设计. 11第四章微机数控系统设计.134.1 概述. 134.2 数控系统的硬件电路设计. 134.2.1 微机机型和扩展存储器的选择 . 144.2.2 确定 I/O 接口 . 154.2.3 键盘接口设计 . 164.2.4 显示电路设计 . 174.3 软件设计. 184.3.1 插补原理及其程序设计 . 19ABSTRACTV4.3.2 步进电机的控制及其程序设计 . 214.3.3 间隙补偿功能 . 294.3.4 键盘的诊断 . 304.3.5 自动换刀程序设计 . 31结论.33参考文献.34 ABSTRACT11 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。本课题来源于生产实践。将 CA6140 型普通车床改造成经济型数控车床，应能实现 CA6140 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CA6140 型车床的经济型数控改造设计(横向)2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，CA6140 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。 ABSTRACT3图 2-1 CA6140 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。光电隔离微机功率放大步进电机横向工作台xxCA6140 型车床的经济型数控改造设计(横向)43 机械部分改造设计3.1 横向进给系统的设计与计算3.1.13.1.1 横向进给系统的设计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。3.1.23.1.2 横向进给系统的设计计算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/stepp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-z1）在切断工件时：F =0.5F =0.5076.38=38.19kgf=381.9N （3-zz2）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）ABSTRACT5 =74.74kgf=747.4N （3-4）寿命值 L =13.5 （3-i61060 Tini6101500015605）最大动负载 Q=1.2174.74=213.55kgf=2135.5N （3-iL335 .136）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-)(tgtg)10383(383tgtg7）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 （3-1EFPL0267619. 1106 .2014. 344 . 01074.748）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，1导程变形总误差为=L=5.9610-6=14.9m/m （3-oL1004 . 01009）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-poL36067. 135005. 0360475. 0CA6140 型车床的经济型数控改造设计(横向)610）故取 Z =18 Z =3012 m=2mm b=20mm =20d =36mm d =60mm 12d=40mm d=64mm1a2aa=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=0.0439kgf cm2（3-p18075. 014. 3005. 018011）丝杠转动惯量JS=7.810-42450=0.624kgf cm2 （3-12）齿轮的转动惯量J=7.810-43.642=0.262kgf cm2 （3-1z13）J=7.810-4642=2.022kgf cm2 （3-2z14）电机转动惯量很小可忽略，因此，总的转动惯量J=0439. 0262. 0022. 2624. 05312122IZZSJJJJi =1.258kgf cm2 （3-15）c所需转动力矩计算 n=41607r/min （3-maxoLimax435100016） M=N m=2.23kgf cm （3-maxa2184. 010025. 06 . 97 .416258. 1106 . 944maxTiJn17）ABSTRACT7 （3-min/17.33346014. 3515. 0100100010001rDLfiLfnnoot主18）m=0.1775kgf cm （3-NMat0174. 010025. 06 . 917.33258. 1419）= （3-iLFMoof2mNcmkgfifW028. 0287. 058 . 014. 3234 . 0302 . 0220）（3-mN011. 0cmkgf116. 09 . 0158 . 014. 3634 . 019.381i6LFM22ooYo20）（3-mNcmkgfiLFMoYt179. 0824. 158 . 014. 3234 . 019.38222）所以，快速空载启动所需转矩（3-cmNcmkgfMMMMofa33.26633. 2116. 0287. 023. 2max23）切削时所需力矩： cmN04.24cmkgf404. 2824. 1116. 0287. 01774. 0MMMMMtofat （3-24）快速进给时所需力矩：（3-cmNcmkgfMMMof03. 4403. 0116. 0287. 025）从以上计算可知：最大转矩发生在快速启动时，=2.633kgf cm=26.33N cmmaxM3.1.33.1.3 步进电机的选择步进电机的选择C6140 横向进给系统步进电机的确定（3-cmNMMLoq285.654 . 010633. 24 . 026）电动机选用三相六拍工作方式，查参考文献1表 7-2 知：（3-866. 0imqMMCA6140 型车床的经济型数控改造设计(横向)827）所以，步进电机最大静转矩为：imM （3-28）cmNMMqim01.76866. 0825.65866. 0步进电机最高工作频率（3-Hzfp3 .3333005. 060100060maxmax29）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。3.2 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。3.2.13.2.1 螺旋传动螺旋传动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ABSTRACT9a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CA6140 型车床的经济型数控改造设计(横向)10e) 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。3.2.23.2.2 轴的结构设计轴的结构设计A轴 CAJJX6140-02-04 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CAJJX6140-02-04 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CAJJX6140-02-04 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 CAJJX6140-02-04B轴 CAJJX6140-02-08 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。ABSTRACT11图 3-2 轴 CAJJX6140-02-083.2.33.2.3 透盖的结构设计透盖的结构设计透盖的内径和长度由与之配合的轴 CAJJX6140-02-08 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 CAJJX6140-02-013.2.43.2.4 螺母座的结构设计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。CA6140 型车床的经济型数控改造设计(横向)12图 3-4 螺母座 CAJJX6140-02-073.33.3 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ABSTRACT13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执行。4 微机数控系统设计CA6140 型车床的经济型数控改造设计(横向)144.1 概述数控机械的开环数控系统一般用步进电机作为执行驱动元件，因此又称为开换步进控制系统。由于这种系统不使用位置、速度检测和反馈装置，没有闭环控制系统中的稳定性问题，因此具有结构简单、使用维护方便、可靠性高、制造成本低等一系列优点，适用于精度要求不太高的中小型数控设备。开环系统主要由脉冲分配器、驱动电源、步进电机组成。步进电机是一种多相脉冲电机，它的各相绕组必须按一定的规律轮流供电，步进电机才能按一定的方向旋转。为实现步进电机各绕组间有规律轮流供电，可以采用硬件逻辑来实现，也可以用计算机软件来实现。单片机通过运算不断地向步进电机发出脉冲分配信号，这样就使步进电机朝一个方向不断转动。单片机发出的脉冲速度快，步进电机也转得快，单片机发出的脉冲速度慢，步进电机也转得慢，这样单片机就可以通过改变输出脉冲的速度来改变步进电机的速度。单片机还可以通过改变脉冲分配的顺序来改变电机的转动方向。再通过机械传动使电机的转向、转速、转角变为工作台的进退、移动速度和位移量。单片机就是这样通过步进电机驱动系统来控制工作台运动的。由于单片机脉冲输出的脉冲功率很小，不足以推动步进电机，因而必须有一个把脉冲信号放大到足以推动步进电机转动的放大器，这就是步进电机驱动电源。由于步进电机是一个电感性负载，电流的上升率受电感大小的影响而在高频运行时扭矩将有较大的下降。所以在设计驱动电源时必须采取适当的措施来提高电流的上升率以保证运行时有足够的扭矩。由此可见步进电机和步进电机驱动电源的性能好坏将对开环数控系统的性能起很重要的作用。CPUI/O 接口光电隔离功率放大步进电机RAMROM外设键盘、显示器图 4-1 数控系统结构框图4.2 数控系统的硬件电路设计任何一个数控系统都由硬件和软件两部分组成。硬件是数控系统的基础，其性能的好坏直接影响整个系统的工作性能。有了硬件，软件才能有效的运行。机床数控系统硬件电路概括起来由 CPU、总线、存储器以及 I/O 接口四部分组成。其中CPU 是数控系统的核心，作用是进行数据运算处理和控制各部分电路协调工作。存ABSTRACT15储器用于存放系统软件，应用程序和运行中所需要的各种数据。I/O 接口是系统与外界进行信息交换的桥梁。总线则是 CPU 与存储器、接口以及其它转换电路联接的纽带，是 CPU 与部分电路进行信息交换和通讯的必由之路。4.2.14.2.1 微机机型和扩展存储器的选择微机机型和扩展存储器的选择确定微机机型就是选择 CPU。单片机价格低、可靠性较高，适用于控制，选择单片机做控制器比较合适。根据总体方案的确定，微机采用 MCS-51 系列单片机。51 系列有三种型号：8031 是无 ROM 的 8051；8751 是用 EPROM 代替 ROM 的 8051。目前，工控机中应用最多的是 8031 单片机。本设计就采用 8031 单片机。8031 单片机是美国 Intel 公司的产品 MCS51 系列单片机的一个型号，是目前性能较高的 8 位单片微型计算机。8031 单片机内部包含一个 8 位 CPU，128 字节的RAM，两个 16 位定时器，四个八位并行口，一个全功能串行口，可扩展的外部程序存储器和数据存储器的容量为 64K 字节，具有 5 个中断源并配有两个优先级，还有 21 个特殊功能寄存器。所以 8031 单片机是一种理想的 8 位微型计算机，在各种数控系统中的到广泛的应用。8031 单片机是一个有 40 根引脚的双列直插式器件。P0 口：8 位双向 I/O 口，既是数据线，又是低 8 位地址线，分时使用；P1 口：8 位双向 I/O 口，可供用户使用的接口；P2 口：8 位双向 I/O 口，系统外部存储器扩展时，作高 8 位地址线使用，系统不需要扩展时，也可以供用户使用；P3 口：8 位双向 I/O 口，是一个双功能口。 ALE/PROG：访问外部存储器时，用于锁存地址线低 8 位字节的地址锁存允许输出。ALE 提供一个定时信号，在与外部存储器存取数据时把 P0 口的低位地址字节锁存到外接的锁存器中。这个引脚也是 EPROM 编程时的编程脉冲输入端（PROG）。EA/VDD：EA 为高电平时，CPU 执行内部程序存储器的指令。EA 为低电平时CPU 执行外部程序存储器指令。使用 8031 单片机时，EA 必须接地。8031 单片机内只有 128 字节的 RAM，没有 ROM。机床数控系统需要的程序存储器和数据存储器的容量都较大，必须外接程序存储器（EPROM）和数据存储器（RAM）芯片。A程序存储器的扩展a选用 27128 芯片常用的 EPROM 存储器有 2716，2732，2764，27128，27256 等，容量分别为2K、4K、8K、16K，32K。由于车床数控系统包括系统控制程序和加工程序，采用16KB8 的 27128 芯片，可与单片机所选的 12MHz 时钟相匹配。27128EPROM 芯片是一个有 28 根引脚的双列直插式集成元件。该芯片共有 14 根地址线 A0A13，8 根数据线 D0D7，其余的为控制线。CA6140 型车床的经济型数控改造设计(横向)1627128 低八位地址线和 74LS373 的输出端连接,高六位地址线直接与 8031 的P2.0P2.5 连接。它的八位数据线直接与 8031 的 P0 口连接。ROM 的寻址范围为 0000H3FFFH，并且采用译码器，使地址范围无重叠区。b地址锁存器 74LS373单片机规定 P0 口提供低 8 位地址线，同时又要作为数据线，所以 P0 是一个分时输出低 8 位地址和数据的通道口。为了把地址信息分离出来保存，提供外接存储器的低 8 位地址信息，通常采用 74LS373 作为地址锁存器。除 74LS373 外，74LS273、8282、8212 等芯片也可用作地址锁存器，使用时接法稍有不同，由于接线稍繁，多用硬件和价格稍贵，故不如 74LS373 用得普遍。74LS373 作为地址锁存器。D1D8 是输入端，Q1Q8 是输出端，CE 是片选端，片选端 G 与 8031 单片机的地址锁存信号 ALE 连接。当片选端 G=1 时，74LS373 的输出端与输入端相通，当 G 端从高电平返回低电平（下降沿）时，输入的地址信息就被锁入 Q1Q8 中。B数据存储器的扩展a选用 62256 芯片数据存储器选用 32K8 位的 62256 芯片，其地址范围为 6000H7FFFH，它的22 脚当 CS 为高，自己也在高电平时，具有自动提供刷新 RFSH 的功能。也采用译码器，使其无重叠区的地址范围。b地址译码器 74LS138 外部芯片都通过总线与单片机连接，单片机数据总线分时地与各个外部芯片进行数据传送，故需进行片选控制。若芯片内有多个地址单元时，还要进行片内地址选择。8031 单片机应用系统的地址译码规定，外部扩展芯片与数据存储器统一编址，所以外部芯片不仅占用数据存储器一定数量的地址单元，而且要使用读/写信号与读/写指令完成数据传送。经济型数控硬件结构中采用全地址译码方式。所谓全地址译码是：低位地址作为片内地址，高位地址用译码器译码，译码器输出的地址选择信号作为片选线连至每个外部芯片的片选端。地址译码常用 74LS138 译码器，G1、G2A 和 G2B 是赋能端，A、B、C 是选择端，Y0Y7 是输出端。74LS138 地址译码电路输入端出占用了 8031 单片机的 P2.5P2.7 三根高位地址线，剩余的 13 根地址线用作数据存储器的内地址线。74LS138 译码器每一个输出端可接一个外部芯片的片选端实现分时片选控制，因此，一个 74LS138 译码器的 8根输出端可以连接 8 个 8K 字节地址空间。单片机的读/写信号经过与门后控制译码器的赋能端 G2A、G2B，这就保证只有在读/写状态时译码器输出端才会输出片选。4.2.24.2.2 确定确定 I/OI/O 接口接口8031 只有 P1 口可作为普通 I/O 口用，所以需扩展。键盘需要 32 个键，采用矩阵式键盘，需 12 个 I/O 口；显示器采用 6 个 LED，需 6 个 I/O 接口；两个三相步进电机，采用软件环行分配器，需 6 个；刀架需 4 个；紧急停需 1 个。采用一片 8279ABSTRACT17芯片和一片 8255A 即可。键盘/显示器接口采用 8279 芯片，因为 8279 芯片是专用的键盘/显示器接口芯片，还可以编程。8279 芯片具有消颤（去抖动）、双键同时按下保护功能。显示控制亦按扫描方式工作，可以显示 8 或 16 个数码（字符）。LED 的个数应满足显示值的要求和便于显示。8279 与单片机 8031 的连接无特殊要求，除数据线、RESET、WR、RD 直接连接外，CS 与 74LS138 译码器输出线 Y1 相连；8279 的 IRQ 经反相器与 8031 的中断请求输人线 INT1 相连；时钟输人端 CLK 与 8031 的地址锁存控制端 ALE 相连。8279 键盘最大可配置 88 个键，实际用了 32 个键。扫描线信号为 SL0SL2，经74LS138 译码器输出的 4 个列选信号，接入键盘列线。键盘行查询用了 RL0RL7的 8 根回馈线，接人键盘行线。8279 配置的 8 位共阴极 LED 显示器，其字位线由扫描线 SL0SL2 经译码器、驱动器提供，字段线由OUTA0OUTBA3、OUTB0OUTB3 通过驱动器提供。8255A 的内部结构可分为四个部分：a.数据总线缓冲器是一个 8 位的双向三态驱动器，用于与单片机的数据总线相连。b.读/写控制逻辑根据单片机的地址信息（A1、A0）与控制信息（RD、WR、RE、SET），控制片内数据、CPU 控制字、外设状态信息的传送。 c.控制电路根据 CPU 送来的控制字使所管 I/O 接口按一定工作方式工作。对C 口甚至可按位实现“置位”或“复位” 。d.并行 I/O 接口有 A、B、C 三个端口。 A 口：可编程为 8 位输入，或 8 位输出，或双向传送。 B 口：可编程为 8 位输入，或 8 位输出，按不能双向传送。C 口：可分为两个 4 位口，用于输入或输出；也可用作 A 口、B 口的状态控制信号。8255A 的 D0D7 依次与 8031 的 P0.0P0.7 连接；RD、WR、RESET 与 8031的同名引脚相连；A0、A1 两跟地址线与锁存器 74LS373 输出的最低 2 位连接。自单片机接受地址信息、控制信息，在数据总线与端口间传送数据、状态控制信号，也自数据总线接受控制字。4.2.3 键盘接口设计键盘接口设计首先判断键盘上有无键闭合，先送 8255 的 PA 口一个数据为 00H，使列线PA0PA7 的电平均为 0，然后读 PB 口的 PB0PB2 的状况；若不全为“1” ，则有键闭合，此时延时 10ms 去掉抖动后再判断有无键闭合。如无则继续扫描，如有则判断按下的键号。如确定有键按下时，便开始计算键值。当采用 8 行 4 列的键盘时，定义第一行的键为 00H03H，定义第二行键的键值为 04H07H，依次类推。首先判断是哪CA6140 型车床的经济型数控改造设计(横向)18一行有键闭合，若第一行有键闭合，设置初值为 00H，若第二行有键闭合，则设置初值为 04H，依次类推。接着对列线进行扫描以判断是哪一列闭合。方法上使 PA0对应的列线输出低电平，其余均为高电平，判断一下是否第一列有键闭合，如有则列计数为 00H，与初值相加则为键值，也即是键盘的键号，如无则把低电平移到第二列上再判断，直到四列线全判断完毕，找出列线为止。然后计算键值，最后可根据键号跳转到相应的键功能程序的入口。0列扫描线KEY有键按下？延时 10ms有键按下？计算行值扫描各列键盘线求出列值计算键值转各键功能功能1功能2功能3功能32图 4-2 键盘程序框图4.2.44.2.4 显示电路设计显示电路设计数码显示器是单片机应用产品中的廉价输出设备。它由若干个发光二极管组成的。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。发光二极管的阳极连在一起的称为共阳极显示器，阴极连在一起的称为共阴极显示器。这种笔画式的七段显示器，能显示的字符数量较少，但控制简单，使用方便。ABSTRACT19动态显示是一位一位地轮流点亮各位显示器（扫描）。对于每一位显示器来说，每隔一段时间点亮一次。显示器的亮度既与导通电流有关，也和点亮时间与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。若显示的为数不大于 8 位，则控制显示器公共极电位只需一个 8 位并行口（称为扫描口）。控制各个显示器所显示的字形也需一个公用的 8 位口（称为数据口）。在 8031RAM 中设置 6 个显示缓冲单元 79H7EH，分别存放 6 位显示器的显示数据。8255 的 A 口扫描总是一位为高电平，即 6 位显示器中仅有一位公共阴极为低电平，其它为高电平。8255 的 B 口输出相应位（阴极为低）显示数据的数据段，使某一位显示出一个字符，其它位为暗。依次地改变 A 口输出为高的位，B 口输出对应的段数据，6 位显示器就显示出缓冲器显示数据所确定的字符。4.3 软件设计车床数控系统设计与应用工作中，软件设计是一个重要方面。实际上，软件设计与硬件设计工作是不可分割的，二者必须结合进行。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；另一类是监控（管理）软件，它是控制微机系统按预定的操作方式运转的程序。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的执行程序中，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，先将整个系统的任务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，而且其模块内部也可以分为小模块。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，像搭积木一样。因此，这样的模块程序设计方法，思路清晰，逻辑性强，柔性较大。CA6140 型车床的经济型数控改造设计(横向)20数控系统加工程序管理与操作模块插补功能间隙补偿步进电机控制速度控制环行分配管理模块程序设计自动换刀程序设计键盘程序显示程序键盘诊断中断功能诊断图 4-3 数控系统框图4.3.14.3.1 插补原理及其程序设计插补原理及其程序设计A概述经济型数控车床是用步进电机驱动执行机构，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。每一方向的进给运动是靠步进电机驱动拖板产生的，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或最小增量，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总数，从而完成零件加工。随着计算机技术的发展，数控技术中采用的插补运算方法有多种多样，常用的方法有如下几种：a数字乘法器b逐点比较法c数字积分法d比较积分法e矢量判别法f最小偏差法这些插补方法各有其长处和短处，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。B逐点比较法直线插补方法及其程序设计逐点比较法的插补原理是：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ABSTRACT21向，使刀尖始终紧靠要求的加工轮廓线运动，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：a.偏差判别判别刀具当前位置相对于给定轮廓的偏离情况，以此决定刀具移动方向；b.进给根据偏差判别结果，控制刀具相对于工件轮廓进给一步，即向给定的轮廓靠拢，减少偏差；c.偏差计算由于刀具进给已改变了位置，因此应计算出刀具当前位置的新差，为下次判别作准备；d.终点判断判别刀具是否已到达被加工轮廓线段的终点。若已到达终点，则停止插补；否则继续插补。逐点比较法是我国数控装置中经常采用的一种插值运算方法，采用这种方法不仅可以加工直线轮廓，也可以加工圆弧曲线轮廓。其算法特点是：运算直观，插补误差小于一个脉冲量，输出均匀，而且输出脉冲的速度变化小，调节方便。表 4-1 直线插补偏差计算 F0F0线型进给偏差计算进给偏差计算L1L3+xxF=F-ye+y-yF=F+xeL2L4+yyF=F-xe-x+xF=F+yea设 PIO 端口为输出状态，其中 A 口控制 x 方向步进电机，B 口控制 y 方向电机，步进电机均为三相六拍。b数据单元：设 xe 与 ye 均小于 128，2900H 单元放 x；2901H 单元放y；2801H为 x 向步进电机控制码首址，2811H 为 y 向步进电机控制码首址。c控制状态标志：2820H 中，D0D2 分别为 xy 向步进电机转停控制位，0 为停，为转；D1D3 分别为 xy 向的正反转控制位，0 为反转，1 为正转。d加工各种线型都从原点（0，0）开始。CA6140 型车床的经济型数控改造设计(横向)22开始初始化输代码置状态标志F0？调环分进+X调环分进+Y调环分进+Y调环分进-X调环分进-X调环分进-Y调环分进-Y调环分进+XF=F-YEX=X+1F=F+XEY=Y+1F=F-XEY=Y+1F=F+YEX=X+1F=F-YEX=X+1F=F+XEY=Y+1F=F-XFY=Y+1F=F+YEX=X+1F0？F0？F0？L1?L2?L3?L1?NNNNNNN转监控N判终到？停机NYYYYY图 4-4 直线插补程序框图4.3.24.3.2 步进电机的控制及其程序设计步进电机的控制及其程序设计步进电机也叫脉冲电机，是将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的电磁机械装置，是一种输出与输入数字脉冲对应的增量驱动元件。当给步进电机一个电脉冲信号时，步进电机便转动一个步距角。如按一定规律给步进电机一串连续电脉冲信号，步进电机便一步一步地连续旋转。步进电机具有如下特点：a.位移量与输入电脉冲数有严格的对应关系，步距误差不会积累。b.稳定运行时的转速与控制脉冲的频率有严格的对应关系。c.控制性能好，在一定的频率下，能按控制脉冲的要求快速起、停和反转。改变控制脉冲频率，电动机的转速就随着变化，并可在很宽的范围内平滑调节。d.控制系统简单，工作可靠，成本低。但其控制精度受到步距脚的限制。ABSTRACT23所以，步进电机广泛用于数模转换、速度控制和位置控制系统中，是开环数控系统的理想执行元件。步进电机的控制主要由脉冲分配和驱动电路两部分组成。步进电机脉冲控制任务主要有三点：一是控制电机的转向，二是控制电机的转速，三是控制电机的转角（步数）。控制输送给电机的脉冲数就控制了电机相应的转角数。控制输送的脉冲频率可以控制电机的转速，控制电机的转向必须控制输送脉冲给电机绕组的顺序分配，这种分配称为环行分配。三相六拍的通电顺序为：正转：AABBBCCCA 反转：AACCCBBBA表 4-2 三相六拍步进电机通电方式的控制数学模型节拍控制模型正转反转通电相二进制十六进制 1 6 A00000001 01H 2 5 AB 00000011 03H 3 4 B 00000010 02H 4 3 BC 00000110 06H 5 2 C 00000100 04H 6 1 CA 00000101 05HA步进电机运行控制程序设计只要给步进电机各相绕组按规定的控制模型输出时序脉冲，步进电机就能按一定的方向转动。在数控技术中，经常要求步进电机工作时随时改变运动方向，才能满足机械加工的需要。步进电机运行控制程序设计的主要任务是：判断运动方向，按顺序送出控制脉冲，判断所要送的脉冲是否送完。CA6140 型车床的经济型数控改造设计(横向)24保护现场置步数 N取控制码正转？输出控制码控制码=00H正向控制码首址延时控制码地址+1恢复现场返回步数 N 完？反向控制码首址NNNYYY图 4-5 三相六拍步进电机控制程序框图 B步进电机的升降速控制及其程序设计步进电机变速控制程序设计的任务就是合理地确定延时参数 t，使步进电机按照给定的速度规律运行。从加工效率的观点而言，我们总是希望要求步进电机的运行速度尽可能快些，快速地达到控制终点。但由于受步进电机本身的特性限制，如果在速度较高的状态启、停及运行速度突变时，往往会出现失步现象，使步进电机不能正确地跟随进给脉冲。究其原因，是步进电机的响应频率 fs 比较低，而空载最高启动频率也有所限制。所谓空载最高启动频率是指电机空载时，转子从静止状态不失步地与控制脉冲频率相对应的工作状态同步的最大控制脉冲频率。当步进电机带有负载时，它的启动频率要低于最高空载频率。根据步进电机的矩频特性可知，入口ABSTRACT25启动频率越高启动转矩越小，带负载的能力越差；当步进电机启动后，进入稳定时的工作频率又远大于启动频率。由此可见，一个静止的步进电机，不可能一下子稳定到较高的工作频率，必须在启动的瞬间采取加速的措施。一般来说，升频的时间约为 0.11s 之间。反之，从高速运行，到停止也应该有减速的措施。为此，数控系统往往要求以某种最优的方式控制进给脉冲的频率，即要有自动升、降速控制的功能。a.设置突跳启动频率常数为 FA7C,放在 18H、19H 中。b.设置最高运行频率常数为 FF80,放在 1AH、1BH 中。c.设级差为 1,放在 1CH 中。设每阶脉冲数初始为 1,临时高速时增为 3,放在 1DH 中,因升速区后继续升速比比较困难,把每阶脉冲数增为 3,有利于提高最高速度值。 Y 图 4-6 自动升降速程序流程图C步进电机等加速度变速控制及程序设计a等加速度运行分析描述了一个步进电机的等加速的运行过程。在图中纵坐标是频率 f，它是以步/s5AH,5BH18H,19H4CH1DH70H1CH57H,58H=0?5AH,5BH18H,19H5AH,5BH+15AH,5BHRET5AH，5BH1AH，1BH5AH=FF4CH1DH4CH4CH+1（5AH，5BH）-15AH，5BH5AHTH05BHTL0NYCA6140 型车床的经济型数控改造设计(横向)26为单位的，因此本质上也是速度。横坐标是步数，其本质上也是位移距离。设步进电机以启动频率 f0启动后，以加速度 a 进行加速，经过 H 步运行后达到f1，以后执行匀速运行。行走一段时间后，则开始减速。从最高频率 fH开始，经过S 步之后降至 f0而停止。ffHf000 1 2 H P P+1 P+SN图 4-7 步进电机等加速度控制速度图在数控技术的设计中，参数 f0 、fH、H、（P-H）、S 都是已知的，需要求的参数是加速度 a,加速阶段某时刻的步进周期及减速阶段某时刻的步进周期和匀速阶段的步进周期。a) 加速阶段的参数求取对于一个线性加速过程，可表示为 f=f0+at (4-1) 式中 f瞬时频率f0启动频率a加速度t加速时间当步进电机运行了 x 步，所对应的频率为 fx，所用时间为 tx时，根据运动学方程，则有 x= f0tx+0.5at2x (4-2) 于是可得：（x=1,2, ，H） (4-3)afxaftx0202相邻两个进给脉冲之间的时间间隔 Tx 为： (4-4)aaxfxaftTxx) 1(2220201但式中仍含有未知参数 a，所以必须求出 a。为此，把达到最高速度对应的频率 fH和时间 tH分别代入式，得方程组：ABSTRACT27 afHaftatffHHH02002解之得： (4-5)HffaH2202把式（4-5）代入式（4-4）得： 2022020202202202)(1()(2ffffxHfHffHfHTHHx(x=1,2,H) （4-6）b) 匀速阶段的参数求法步进电机达到最高运行频率后匀速运行。此时的步进时间间隔为 Tx,有：（x=H,H+1,H+2,P）（4-HhxfTT17）c) 减速阶段的参数求法设其加速度为-，负号表示减速。则同上面的分析方法，有：（4-sffH22028）在步进电机运行了 x 步（x=P,P+1,P+S）是 4，对应的时间为，有：xt （4-)(22pxfftHHx9）同理，在步进电机运行了 x-1 步时，对应的时间为，有：1xt （4-) 1(221pxfftHHx10）式（4-9）与式（4-10）相减，得减速阶段相邻两步的时间间隔 Tx 为：（4-)(2) 1(2221pxfpxfttTHHxxxCA6140 型车床的经济型数控改造设计(横向)2811）把式（4-8）代入式（4-11）得： 2022022220222)()(1(2ffffpxsfsffpxfsTHHHxx=P,P+1,P+S （4-12）当 x=P 时，以后各步 x(x=PP+S)间的步进时间间隔可用式（4-HpfT112）递推出来。b等加速度变速控制程序设计采用定时器中断法延时，速度控制程序在进给一步后，把下一步的 Tx 值送入定时计数器时间常数寄存器，然后 CPU 进入等待中断状态或者处理其它事务，当定时计数器的延时时间一到，就向 CPU 发出中断请求，CPU 接受中断后立即响应，转入脉冲分配的中断服务子程序。ABSTRACT29主程序设 T0 初值地址指针设频率阶梯计数器设阶梯步长计数器转向标志为 0？设置正转模型地址设置定时器CPU 开中断频率阶梯为 0？CPU 关中断结束设置反转模型地址NNYY图 4-8 等加速度变频控制程序流程图（主程序框图）CA6140 型车床的经济型数控改造设计(横向)30保护现场中断服务程序输出控制模型模型地址增 1模型结束？阶梯步长为 0？是升频赋升频 T0 初值恢复现场返回恢复模型首址频率阶梯为 0？阶梯步长赋值T0 初值地址更新赋降步 T0 初值YYYYNNN图 4-9 等加速度变频控制程序流程图（中断服务程序框图）在编写程序前有如下定约:a) 时器 T0 的初值写在 EPROM 存储区的同一页中,上半页为升频时 T0 的初值,由小到大变化；下半页是降频时 T0 的初值，由大到小变化。b) 对 8031 单片机内部数据存储区的一些单元进行定义，如表所示：表 4-3 正转模型分配表内存字节地址20H21H22H23H24H25H26H控制模型数据01H03H02H06H04H05H00HABSTRACT31表 4-4 反转模型分配表内存字节地址27H28H29H2AH2BH2CH2DH控制模型地址01H05H04H06H02H03H00H表 4-5 标志位定义表位地址标志内容 70H 运行方式：0 代表恒速，1 代表变速 71H 变速方式：0 代表降速，1 代表升速72H 恒速转向：0 代表正转，1 代表反转 73H 升速转向：0 代表正转，1 代表反转74H 降速转向：0 代表正转，1 代表反转75H 程序结素标志：02 代表程序结素表 4-6 初值分配表字节地址存储内容1AH频率阶梯步长计数器 R2 的值1BH频率阶梯步长计数器 R3 的值1CH恒速段步长低八位1DH恒速段步长高八位1EH恒速段 T0 初值低八位1FH恒速段 T0 初值高八位4.3.34.3.3 间隙补偿功能：间隙补偿功能：传动间隙主要有三方面：丝杠螺母间隙、齿轮传动间隙和配合间隙。前两种间隙往往是不可避免的，因为无间隙的传动是困难的，第三种间隙的存在应属于工艺上的失误，在机械上可以避免。传动间隙仅产生在运动反向的时候，，可用软件补偿方法补偿。无论是正向运转转为负向运转，还是负向运转转为正向运转，补偿量是相等的，且补偿进给的正负与当前运动方向一致。间隙补偿子程序本身能判别某个运动是否该补偿及补偿进给方向，而且用指令设定的速度进行补偿进给。CA6140 型车床的经济型数控改造设计(横向)32X 轴齿补进给方向改变吗？按进给方向进给一步齿差量减 1=0记忆进给方向查 y 方向有无齿补返回NNYY图 4-10 间隙补偿功能程序框图4.3.44.3.4 键盘的诊断键盘的诊断经济型数控系统中，程序的输入方式多采用键盘直接输入。若键盘中有一键失灵，就可能导致不能取得操作者的控制指令，而使系统失常。因此，键盘诊断是很重要的，通过键盘诊断程序，使操作者正确判断键盘工作无误或及

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