基于单片机的小型龙门刨床的数控改造

基于单片机的小型龙门刨床的数控改造摘要： 普通机床的数控化改造，是指将普通机床配上数控系统，并对机床的某些机械结构做一定改造，使机床具有数控加工能力，从而提高机床的自动化程度、加工精度和生产效率。基于8031单片机的小型龙门刨床的数控化改造，结合扩展芯片不仅可以实现现代数控机床的各项基本功能，而且还有改造费用少，机床变动少，CNC系统体积小的特点。关键字： 数控改造 刨床 单片机背景：其一、目前，我国机床制造水平因设备陈旧、技术水平落后，严重影响了生产力的以展，因此在机床制造行业增加数控机床的比重，已成为我国制造技术以展的目标。提高数控机床比重的方法：一是购买新的数控机床，但需要花费大量资金；二是把现有的普通机床改造为经济型数控机床，即普通机床的数控改造。这种方法成熟并可节省大量资金，是符合我国国情的一种有效途径。其二、长度较小的非圆柱面，半径很大的圆弧面，可以采用数控铣床加工，也可以采用线切割加工（单件生产）。但当非圆柱面达到一定长度后或者半径大到一定程度后，用上面的两种方法就无能为力或加工成本太高了，线切割速度慢。如系列罗茨真空泵和罗茨鼓风机的转子（图1所示，其截面轮廓线由多段渐开线、外摆线和圆弧组成，长度在300mm以上）、大型水环泵叶轮模型的叶片（截面轮廓线由多段直线和圆弧组成，长度在500mm以上）。基于单片机的刨床CNC系统正是为了适应截面轮廓线是复杂曲线的柱面工件的加工而设计的。正文：普通机床的数控化改造，是指将普通机床配上数控系统，并对机床的某些机械结构做一定改造，但是普通机床的数控化改造并不适于所有的机床，衡量的主要标准是机床基础件的刚性和改造的经济性。因为数控机床属于高精度的机床，高的定位精度的运动精度要求机床基础件具有很高的静刚度和动刚度，基础件刚度不够，受力后易变形的机床都不适于改造成数控机床。另外，由于改造机床需要新的数控系统及某些机械结构的改造，总的改造费用也是需要考虑的。因此，从经济效果上看，大中型机床尤其是重型机床改造的经济性最好，也最适合数控化改造。而许多中、小机床，机床的机械部分改动很小，配上数控系统就可以达到很好的改造效果 ，目前已得到推广和应用。本设计正是从数控改造的实用性和经济性出发，对B201XA系列龙门刨床小型龙门刨床进行了数控改造。B201XA系列龙门刨床简介：本刨床适应于粗、精加工各种斜面、T形槽，各种平面组合的导轨面。具有刨、铣、磨的速度要求，可配置铣头、磨头完成加工。工作台与床身导轨结合面均有耐磨措施，使用寿命长。主润滑站与润滑油回油管外置于床身，保证润滑油的清洁与润滑系统的方便维护，并且于长规格床身导轨面增加两对润滑点，确保床体与工作台导轨面润滑良好。该系列机床具有刚性好、加工精度高、运动平稳、操作方便等优点，用途广泛。 刨床主传动采用欧陆直流高速器驱动直流电机进行工作，运行平稳可靠。一、小型龙门刨床的机械改造图1 数控机床与普通机床区别主要在于进给驱动系统的不同，其主运动基本上是一致的，所以对普通机床的数控改造主要是改进进给传动系统。由于步进电机工作时的步数或转数既不受电压波动和负载变化的影响（在允许负载范围内），也不受环境条件（温度、压力、冲击和振动等）变化的影响，只与控制脉冲同步，同时又能按照控制的要求进行启动、停止、反转或改变速度，而且没有重复精度误差，所以在开环系统中一般步进电机驱动进给系统。图1所示是用小型龙门刨床改造而成的数控刨床的示意图。小型龙门刨床数控改造的方法是将手动调节刀架变成由步进电动机驱动的数控刀架，Z步进电动机控制刀架在垂直方向的移动，X步进电动机控制刀架在水平方向的移动。在滑台底座靠近滑块的部位安装三个接近开关，在滑块上固定一个与三个接近开关平行又在运动过程中与三个开关都能接近的滑块位置标志块（铁块），两者共同用于滑块运动方向和位置的检测。另外，在滑台上安装一个简易的对刀装置。经过负载（摩擦力、转动惯量等）计算，查手册，为满足负载及最小步距要求，驱动刀架上下移动（Z坐标轴）和左右移动（X坐标轴）的步进电动机分别选用110BF003型和130BF003型。这两个坐标移动的脉冲当量X为0.01mm/脉冲，Z为0.005mm/脉冲。Z轴X轴1图2数控刨床进给传动链87654231、 进给传动链步进电机的进给传动系统使用齿轮传动，不仅是为了求得必需的脉冲当量，而且还有满足结构要求和增大转矩的作用。图1为小型小型龙门刨床数控改造后的进给传动链。刀具的纵向（Z轴）移动由步进电机8，经过一对减速齿轮7和8。转动纵向移动的丝杠5而实现。刀具的横向（X轴）移动由步进电机1。经过一对减速齿轮2和3，转动横向移动丝杠4而实现。2、 减速齿轮的齿数 对于开环系统，齿轮的总传动比为 其中为脉冲当量（mm/脉冲）为丝杠螺距为步距角(1) 在Z方向上=0.005mm/脉冲， =4mm，=0.75计算得 故取 m=2mm,b=20mm, = (2) 在X方向上=0.01mm/脉冲，=6mm，=0.75计算得 故取 m=2mm,b=20mm, = 3、 导轨副。为 了减少刀架移动时的摩擦阻力，尤其是减少静摩擦阻力，拖板和刀架移动部件的相配导轨粘贴了摩擦系数低的聚乙烯软带。4、 传动丝杠副。 由于滚珠螺旋传动有运动效率高、精度高的特点，为了减小丝杠与螺母的摩擦阻力，经轴向力及动载荷计算，将原水平方向丝杠副用LL400b 滚珠丝杠副代替，垂直方向用LL2004滚珠丝杠副替代。由于水平方向滚珠丝杠螺母尺寸比原螺母尺寸要大，故需将横梁卸下进行加工，以便螺母在横梁上移动时不受阻碍。无论是水平还是垂直方向滚珠丝杠，由于其长度不可能和原丝杠相一致，因此，必须根据步进电机安装位置将滚珠丝杠两端接长，并注意接长的正确性和全长上的径上跳动。二、数控系统的设计存储器RAMROMI/O接口CPU外设控制对象信号变换 数控系统软件的设计主要包括：管理模块程序设计和控制软件设计。其中管理软件包括：1、系统的初始化2、键盘处理及显示程序3、用户程序的输入与输出处理程序4、零件程序的编辑和修改5、诊断程序（ROM、RAM、定时、中断），下面主要设计控制软件。MS-51单片机的性能特点：（1）、性能价格比好（2）、支持芯片种类多（3）、能适用于各种场合（4）、可靠性比较高、逻辑处理能力比较强考虑到MS-51的性能，选用该系列的8031CPU用为数控系统的中央处理机。外接两片2674EPROM，一片作为监控程序的程序存储器，一片作为存放常用零件的加工程序，再选用一片6264RAM作为存放调试程序和运行程序的中间数据。考虑到系统扩展，为使编程地址统一，采用译码法对芯片进行寻址。选用74LS138译码器完成此功能。作为输入/输出的扩展，选用两片8155作为系统的I/O扩展，分别键盘的输入和单片机的输出，其硬件原理如图1-4。1、 控制系统的功能（1） Z向和X向进给伺服运动。（2） 键盘显示。（3） 面板管理（4） 行程控制。（5） 其它功能：报警电路、急停电路、复位电路、光电隔离电路、功放电路2、 软件环形分配器。步进电机采用软件环形分配器，虽然运行速度没有硬件环形分配器快，但可以省掉两个硬件环形分配专用芯片，且电路比较简单。通过以上分析，驱动刀架上下移动（Z坐标轴）和左右移动（X坐标轴）的步进电动机分别选用110BF003型和130BF003型。 其Z向步进电机环形分配器的输出状态如下表 环形分配表储存单元地址单元内容对应通电相方向TABLE+001H（0001）A正转反转TABLE+103H（0011）ABTABLE+202H（0010）BTABLE+306H（0110）BCTABLE+404H（0100）CTABLE+505H（0101）CAX相步电动机同Z向步进电动机，在此略。可将上述步进电动机所需的环形分配器输出状态表存入内存EPROM中，根据步进电动机的运转方向按表地址的正向及反向，顺序依次取出地址的内容到8155A口，驱动电机正转或反转，其程序流程图和程序如下。环形分配部分子程序（查表实现）（其中调速程序略）正转POP AMOV R3,ACJNE R3,#05H,NEXT1 MOV R3,#00HNEXT1:INC R3MOV A,R3PUSH A结束存指针值调整指针到表底表指针加1速度信息延时调整指针到表首输出表地址内容步距数据=0？正转吗？表底？初始化读速度信息读指针初值读方向数读步距数开始表首？取指针初值指针减1YYNNYNNY软件环分器流程图MOV A ,R3MOV DPTR,#TABLEMOVC A, DPTR+AMOV DPTR,#9FF9HMOVX DPTR,ARET反转POP AMOV R3,AJNZ NEXT2MOV R3,#05HNEXT2:DEC R3MOV A ,R3PUSH AMOV DPTR,#TABLEMOVC A, DPTR+AMOV DPTR,#9FF9HMOVX DPTR,A RETTABLE: 01H 03H 02H 06H 04H 05H ；电机的三相接8155（2）的PA0（A相），PA1（B相），PA2（C相）3、 步进电机增减速控制在数控系统中，为了保证机床在启动或停止时不产生冲击、失步、超程及振荡，忙必须给电动机的进给频率或电压进行加减速控制。即在机床加速启动时，保证加在伺服电动机的进给脉冲频率或电压逐渐增大；而当机床减速停止时，保证加在伺服电动机的进给脉冲频率或电压逐渐减小。升降速规律一般有两种选择：1、按照直线升降速；2、按照指数规律升降速。用微机对步进电机进行加减速控制，实际上是改变脉冲的时间间隔。升速时使脉冲加密，减速时使脉冲稀疏。在系统控制过程中，需先将加减速斜率、恒速过程运行总步数及减速过程运行总步数存入内存EPROM中，运行中采用查表方法查出对应参数。流程图5。4、 地址编码芯片地址编码芯片接74LS138引脚地址选择线片内地址单元 地址编码2764（1）0008KB0000H-1FFFH2764（2）0018KB2000H-3FFFH62640108KB4000H-5FFFH8155（1）RAM01111102567E00H-7EFFHI/O011111111111167FF8H-7FFDH8155（2）RAM10011112569E00H-9EFFHI/O100111111111169FF8H-9FFDH6、插补程序1、 第一象限直线插补框图。如图1-1a画出X、Z向电动机从原点开始，进行直线插补运动，终点这P点，坐标为xe、ze，其终点坐标值、判终值、偏差值及X、Z向电动机初值分别放入8031内部RAM的各单元中图。图1-1c为直线插补框图。2、 第一象限直线插补程序可以由多种不同的软件设计，这里用的是汇编语言。 ORG 2300HMAIN： MOV SP,#60H； 设置堆栈指针 MOV DPTR， #9FF8H； 8155（2）初始化 MOV A，#0D0H； A口输出 ，B口输入， MOVX DPTR，A； C口输出控制字00001101B，即0DH MOV 4AH,#00H； 偏差单元清零MOV 49H,#00HMOV 48H,#01H ； 置Z向电动机初态MOV 47H,#20H； 置X向电动机初态MOV A,4EH； 计算判终值低8位送入50H。ADD A,4CH； 8位+xe低8位相加，送入50HMOV 50H, AMOV A, 4DH； 将ze高8位与xe高8位相加，MOV A,4BH； 作为判终值高8位送入4FHADDC A,4BHMOV 4FH ,AMOV A ,#21H； Z向、X向电动机上电， MOV DPTR ,#9FF9H； 将控制字#21H送入8155（2）的PA口MOVX DPTR ALP1: ACALL DL0；延时1msMOV A,49H; 将偏差高8位送入A，判断F=0?JB ACC.7 LP3；ACC.7作为符号位，如ACC.7=1.偏差F为负。转移至LP3ACALL ZMP； 否则向下执行，F=0,走一步+z,ZMP为Z向电动机正转子程序 CLR C； 清进位位MOV A,4AH； 计算新偏差SUBB A,4CH ； Fi=F-xeMOV A,49HSUBB A,4BHMOV 49H,ALP2:CLR C;清进位位MOV A ,50HSUBB A,#01HMOV 50H,A; 终判值减1，并送入判断是否为0MOV A,4FHSUBB A,#00HMOV 4FH A ORL A 50HJNZ LP1； A不为0，转移至LP1，判断偏差值F的正负LJMP 0000H； 判终值为0，则插补结束，返回监控程序LP3:ACALL XMP ； F=0?走一步+z走一步+xF=Fi-xeF=Fi+ze到达终点？延时DL0LP2NN开始设栈指针，8155初始化各坐标值及偏差送内存ZXP(ze,xe) 终判值ZeXe偏差值F50H4FH4EH4DH4CH4BH4AH49H48H47H1-1b1-1c1-1a5、 光电隔离及步进电机功率放大电路电路（1） 光电耦合器是把发光二极管与光敏元件组装在一起，通过光线实现信号的传递，构成光电的转换器件，如图，起到电气隔离，电平转换的作用。 1-2（2）功率放大电路从计算机输出 口输出的信号脉冲一般只有几个毫安，不能直接驱动步进电机，必须采用功率放大器将脉冲电流进行放大，使其增大到几到十几安培，从而驱动步进电机运转。由于电动机各组都是绕在铁芯上的线圈，所以电感较大，绕组通电时，电流上升率受到限制，因而影响电动机绕组电流的大小。绕组断电时，电感中磁场的的储能元件将维持绕组中已有的电流不能突变，在绕组断电时会产生反向电动势，为使电流尽快衰减，并释放反电动势，必须增加适当的续流回路。由于单电压功率放大电路结构简单，成本低，满足改造要求，所以此处改造所使用的是单电压功率放大电路。如图1-3 是步进电机某一相绕组的控制脉冲信号，输入端与光电耦合器相连，它控制功率开关晶体管T的通断，L是步进电机某