数控机床改造毕业设计正文

1、数控机床改造毕业设计正文卧式车床数控化改造摘 要山于LI前国内的数控机床数量需求量大，达到300万台之巨，要进行全部翻新在时 间，物质上尚不具有足够的条件，为了达到的条件，为达到较高精度，实现较好的经济 性，对普通车床实行数控开环改造。本次设计着重对CA6140普通车床的纵横向进给系统改造，并对纵横向进给伺服系 统齿轮箱进行改造。本次设计作了下面的一些工作：1机械部分采用了一级齿轮传动，以BF型步进电动机作为驱动源，以CBM/CDM 滚珠丝杠作为重要元件，以便更好的实行软件控制；2数控部分采用MCS-51中的8031作为主控芯片建立一套单片机应用系统。扩展I/O 接口用8155芯片及外存储器，

2、采用地址锁存和译码器。3 SOlidWorkS造型，包括软件的应用和对车床的实体建摸。关键词：数控机床改造、单片机，滚珠丝杠BF型步进电机SoIidWOrkSABSTRACBeCaUSe Of the great number Of machine tools in OUr COUntry ,the number is3,000,000.It is impossible to renew them all WithOUt enough time and materialTo reform Part Of OId OneS With NUmerriCal COntrOI(nc) OPen-LOO

3、P COntrOl SyStem to get high PreCiSiOn and high economy is a good way.The design emphases On the reform Of IengthWiSe and axial feed systems, the fear box Of the axial system, too.some WOrk has been in the paper:(1) BaSed On the One-IeVel driving , the Style BFStePPer MOtOr WhiCh acts the SOUre Of p

4、ower, the CDM/CBM SCreW ball WhiCh is the important transmission element, the Part Of machinery realizes the SOftWare COntrOL(2) The numerical COntrOl Partiany USeS in MCS-51 8031 to do PrilnariIy COntrOlS the ChiP to establish a Set Of monolithic integrated CirCUitS application SyStem OEXPandS the

5、I/OCOnneCtiOn With 8155 ChiPS and the external memory, USeS the address IOCk to SaVe With the decoder(3) SOIidWOrkS MOdelIing COnStrUCtS including the SOftWare application and to the Iathe entitytracesKeywords： NUmeriCal COntrOl machine tool ,Single-chip MiCrOCOmPUter , Ball screw, the StyIe BF SteP

6、Per Motor5 SOlidWOrkSO2iAL 42.1车床改造方案的选择42.2车床改造方案的确定53. 机械计算部分63选择脉冲当量63.2计算切削力63.3滚珠纟幺杠螺母副的计算和选型73. 3. 1纵向进给丝杠73.3.2横向进给丝杠103.4齿轮传动比的计算113.4.1纵向齿轮传动比计算113. 4. 2横向齿轮传动比计算123.5步进电机的计算和选型123. 5. 1纵向步进电机的计算123. 5. 2横向进给步进电机的计算和选型154. 微机控制部分184.1总体设计184.2主控制器184.2. 1主控器的选择184. 2. 2 8031对片外存储器的选择194. 2.

7、 38031 并行 I/O 口扩展195. 电路原理图设计205关于各线路元件之间线路连接205.2.关于电路原理图的一些说明216. 数控机床故障诊断256.1初级诊断256.2高级诊断276.3未来数控系统的诊断技术287. SolidWOrkS 造型307.1 SOlidWOrkS 软件介绍307.2绘制草图317.3装配体设计33&数控系统发展趋势37结论42致谢43参考文献44机床数控技术就是以数字化的信息实现机床自动控制的专门技术，其中刀具与工件 运动轨迹的自动控制、刀具与工件相对运动速度的自动控制是机床数字控制的最主要内 容。数字控制机床（NUnIeriCaI COntr

8、OI MaChine TOOIS）简称数控机床，这是一种将数 字计算技术应用于机床的控制技术。数控机床是一个精密的机电一体化产品。是山精密 机械部件（如滚珠丝杆、高精度导轨、精密轴承、主轴）和复杂电气部件（如数控系统、 驱动装置和伺服电机以及精密测量系统）构成的一个完整的产品。它把机械加工过程中 的各种控制信息用代码化的数字表示，通过信息载体输入数控装置。经运算处理山数控 装置发出各种控制信号，控制机床的动作，按图纸要求的形状和尺寸，自动地将零件加 工出来。数控机床较好地解决了复杂、精密、小批量、多品种的零件加工问题，是一种 柔性的、高效能的自动化机床，代表了现代机床控制技术的发展方向，是一种

9、典型的机 电一体化产品。数控机床的基本组成包括加工程序载体、数控装置、伺服驱动装置、机 床主体和其他辅助装置。数控机床的系统组成框图如下：数控机床的系统组成框图其工作原理是先根据被加工零件的形状、尺寸和技术要求等条件，确定该零件的加 工工艺过程、工艺参数，并按一定的规则形成数控系统能理解的加工程序。即：将被加 工零件的儿何信息和工艺信息数字化；按标准的格式编制成零件加工程序单；然后将此 加工程序输入到数控机床的数控装置中，并将输入到数控单元的加工程序进行试运行、 刀具路径模拟等。确认无误后，再将被加工零件装夹好；对刀后，即可启动机床运行加 工程序。在加工程序运行时，数控系统会根据加工程序的内容

10、，发出各种控制命令，如 启动主轴电动机，打开切削液、进行刀具轨迹汁算、向特殊的执行单元发出数字位移脉 冲和进行进给速度控制等。正常悄况下，加工程序可直接运行到其结束。当改变加工零 件时，在数控机床上只要改变加工程序，就可以继续加工新零件。数控机床改造在国外以发展成一个新兴的工业部门。早在60年代已经开始迅速发 展，并有专门企业经营这门业务，其发展的原因是多方面的。首先是技术的原因，过去20年里，金属切削的基本原理变化不大，但社会的生产 力的巨大发展，要求制造技术向自动化和精密化前进。而刀具材料和电子技术却有很的 大的进步，特别是微电子技术，电子计算机的技术进步，反应出控制系统，它能帮助机 床自

11、动化乂能提高加工精度，技术进步和高生产率的要求，精密加工的增多等，突出了 旧机床技术改造技术的必要性和急迫性。其次是经济上的原因。许多发达国家多做过系统的分析，如果旧机床设备以新设备 更新，要付出很大的代价的，若利用“改造技术”，则节省大半资金，这种事半功倍的 技术，不仅不浪费资金而切还为小企业技术改造开创了新路，而且对实力雄厚的大企业 也有很大的经济吸引力。再次是市场因素，目前许多国家设备所需的数控机床数量，按机床工业现状是无力 及时提供的。机床“改造”就成为机床市场需要的补足手段。最后是生产力的因素，在工业生产中，品种多小批量生产是现代化机械制造业的基 本特征，只有相当大比重完成生产任务，

12、不外乎选择通用机床、专业机床和数控机床， 柔性制造系统，就工业复杂程度和一批匸件所需要生产总成本比较中看出，数控机床最 能适应这一需要。我国是拥有300万机床国家。而这些机床乂大量是多年累积生产的通用机床，自动 化程度不高，要想在近儿年内大量用自动、半自动和精密机床更新现有设备，不论资金 还是我国机床的能力是办不到的。因此应尽快将我国现有一部分普通机床实现自动化和 精密化改装，是我国现有设备改造自动化要求解决的课题。用这控制技术正是适应这一 要求。它是建立在微电子现代技术和传统技术相结合的基础上。在机床改造中引入了微 机的应用，不但技术具有先进性，同时在应用此自动化改造方案，有较大的应用性和可

13、 调性，而且投资改造的费用低，一套经济型数控装置的价格仅是全功能型数控装置的 1/3到1/5拥护承担的起。从若干单位应用的实例可论证，投入使用后，成倍的提高了 生产效率，取得了显著的经济效益。因此，我国提出从大力推广经济型数控这一中间技 术的基础上，再推出全功能型数控这条道路，适合我国经济、教育、生产水平，对于以 后全动能型数控机床应用的准备阶段，为实现我国传统的机械制造的方向过度的虫要内 容。CA6140机床是一种普通精度的及万能卧式机床，属于使用范圉广的通用机床。这 种机床的性能及质量较好。但结构复杂，自动化程序较低，是一种属于中型的普通机床, 在各厂矿企业的应用很广。为此，本次设计的任务

14、是对CA6140普通机床进行数控改造，利用微机对纵横向进 给系统实行开环控制。驱动元件是利用步进电动机，传动系统利用滚珠丝杠。2. 总体方案确定2.1车床改造方案的选择2.1.1设计系统的选择在简易数控系统中，大多数是利用八位微处里机和单片机，近年来国有一些主要的 半导体制造厂家相继生产了各种八位单片微型机，主要有MCST8系列，CS-51系列, MOStek的3870, MOtOroIO公司的6801和6805。Ll前在国内用的较广，开发工具较齐 的是MCS-51系列，这里选用MCS-51系列中的8031。2.1.2系统运用方式的确定数控系统按运动方式可分为点位控制系统，点位直线控制系统，轮

15、廓控制系统，连 续控制系统。车床是控制刀具以给定速率沿指定路线运动来加工工件轮廓复朵的零件， 其个坐标轴的运动之间有着精确的出数关系，根据车床加工这一特点，采用连续控制系 统比较合适，连续控制系统具有点位控制系统的功能，故定位方式采用增量坐标控制。 2.1.3伺服系统的选择伺服系统是实现位量伺服控制有开环、闭环和半闭环三种控制方式。开环控制的伺 服系统存在着精度不能达到太高的基本问题，但是步进电机具有位移和输出脉冲的严格 对应关系，使误差不能积累，转速和输出脉冲频率有严格的对映关系，而且在负载能力 范围内不受电流、电压、负载大小、环境条件的波动变化的特点，数据装置发出信号的 流向是单向的，对移

16、动部件如工作台的实际位置工件检测。并且伴随电子技术和汁算机 控制技术的发展，目前大多釆用直流电动机或交流电动机作为执行元件。虽然闭环、半闭环对控制系统能够实现较高精确的位置伺副。山于反馈环节必须的技术 条件要控制闭环系统的良好的稳态和动态性能，其难度也大为提高。本设讣是基于CA6140普通型的车床的经济化、数控化改造故釆用步进电动机实现 开环伺服系统。2.1.4执行机构传动式的确定(1) 导轨山于普通型车床的改造精度要求的不高的开环系统，而滑动导轨定位精度和 灵敬不需研磨措施可达到IOUm左右。能够满足改装后的要求，所以仍采用原机床的导 轨。（2）螺旋传动原机床的丝杠属于滑动螺旋传动，主要缺点

17、就是机械效率低，一般仅 为3060%,与改造后的精度相差很多。数控机床除了具有较高的定位精度外，还应良 好的动态间应特征，滚珠丝杠副的特点，传动效率高，一般达到90%以上，通过预紧力 可消除丝杠间隙，运动平稳，传动精度高，有可靠性，磨损小，使用寿命长，但制造复 杂，成本高。要使系统指令好，有能满足精度要求，本次改造釆用滚动螺旋机构。（3）齿轮传动 考虑步进电动机步距角和丝杠导程只能按标准选择，为达到0.001秒 的分辨率的要求，纵、横向均采用错齿调隙的齿轮做减速运动。2.2车床改造方案的确定（1）保留原车床的主传动链。为了保证机床加工螺纹的功能，在主轴外端安装一个YGM脉冲发生器，使其与主 轴

18、转速相一致是1:1的关系，用它来发出脉冲发生器，使微机处理机根据主轴的脉冲信 号，使刀架通过丝杠的转角产生进给运动。（2）纵向进给机构的改造,拆除原机床的进给箱和溜板箱利用原机床的安装孔销钉孔安 装齿轮箱体,滚珠丝杠仍安装在原丝杠位置,两端仍利用原固定方式,这样可减少改装工 作量。（3）横向进给机构的安装：保留原手动机构。用于微机进给和机床对零件操作，原有 的支撑结构也保留，电动机、齿轮箱安装在机床后侧。（4）纵、横向进给机构采用齿轮减速，并且用双齿轮错齿法消除间隙，双片齿轮间采 用消除弹簧，布量成互为120的位置。当螺钉松开时，由于各个弹簧所受力不同而自动 调节间隙，再用螺钉紧固。纵向齿轮箱

19、和溜板箱均加外罩,以保持机床原外观，起到美化机床的效果,溜板箱上 安装了纵向快速进给按钮,以适应机床调整时的操作需要和遇到意外时紧急处理。3. 机械计算部分本次设计将一台CA6140普通机床改造成微机数控机床，采用MCS51型系列单片 机控制系统，步进电机开环控制，具有直线和圆弧插补功能,具有降速控制功能,其他设 计参数如下：最大回直径:400 Inln7.5KW电机功率:快速进给:纵向 2.4nnin切削速度:纵向 0.5mmin定位精度:0.015mm移动部件重量:纵向:80ON横向600N加速时间:机床效率: 3.1选择脉冲当量根据机床精度要求脉冲当量,纵向0.0Imln/脉冲，横向为0

20、.005mm/脉冲3.2计算切削力321纵切外圆1主切削力（FZ）计算由金属切削原理可知 切削率：P：电机功率7.5KWn:主传动系统总效率取： =0.78PC切削功率 Pc=0.78×7.5=5.85Kw乂 PC=FZV AFZ=一式中：V切削速度V=IoomminFzPcV=60 ×Pc×l OOOv=351ON3.2.2横切端面主切削力Fz',可取纵切的1/2F=l2Fzl2×3510=1755N又 F十辰：Fy" =1:0.4:0.25Fx, =0.4 Fz! =0.4 × 1755=702NF y' =0.2

21、5 Ft! =0.25 × 1755=438.75NFx=0.25Fz=0.25× 1755=877.5NFy=0.4Fz=0.4 ×3510=1404N3.3滚珠丝杠螺母副的计算和选型3.3.1纵向进给丝杠1 计算进给牵引力Fm纵向进给的综合型导轨釆用三角型或综合导轨：(3.1)(3.2)Fm=kFx+ f, (Fz+G)式中:Fx,Fy,Fz, 切削分力(N):G-移动部件的車量(N)广一导轨上的摩擦系数,随导轨形式而不同K考虑颠复力距影响的实验系数.f=0.16则 Fm= 1.15×877.5+0.16(3510+800)= 1698.75N2.计

22、算最大动负载CC=VTfWFm选用滚珠丝杠副的直径d.时必须保证在一定轴向负载作用下.丝杠在回转100万转后,在它的滚道上不产生点蚀(3.3)(3.4)(3.5)现象这个轴向负载的最大值称为该滚珠丝杠能承受的最大动 负载C可用C=VrfW.FmT 6OnTIOOOVSn=Lo式中滚珠丝杠导程L=6mm.可取最高进给速度的(1/2- 1/3)此处VS=0.5×0.5=0.25mminT:使用寿命按150h计算L:寿命以106转为1单位Fw:运转系数，按一般运转取fw: 12-1.5 取 fw=1.3N=1000x0.256=42rmin60MIO660x42x1500010=38小时C

23、=T.fw.FmC=38 ×1.3× 1698.75=7508.473. 滚珠丝杠螺母的选型查VV精密机床配件系列 >> 山东济F选取滚珠丝杠公称直径为"40选用的型号为CDM4006-2.5其额定动载荷15470N,所用强度足够用4 .效率计算(3.6)tanr =tan(r+ )式中摩擦角r=2° 44f6 = 10式中:r丝杠螺旋升角r摩擦角滚珠副的滚动摩擦系数，f=0.0030.004 R摩擦角约为10分式中:r 螺旋角 CDM4006 r 二2 44'6"r:摩擦角取10分tan 2o44f o .n=94.24%

24、tan(2o44, + 10D5.刚度验算先画出纵向进给滚珠丝杠支承方式如图图31纵向进给计算简图最大牵引力为1698.75N,支承间距L= 1700mm丝杠螺母及轴承均采用预紧,预紧力为最大牵引力为1698.75N.L=FntLoEF(3.7)式中：Fm工作负载(N)L.:滚珠丝杠L=6mmE:材料弹性模数对钢E=20.6× 106(Nmm2)F:滚珠丝杠面积mm2F=l4D2=l4 X402 =1256mL=1698.73x620.6× IO6 X 1256.0= 0.394 Xl 04mm2再算滚珠丝杠总长度上拉伸或圧缩的变形量 mm=0.394× 10-4

25、 × 176=0.011对滚珠丝杠经过预拉拉伸,拉丿E刚度可提高4倍其实际变量 J, = l4×0.011=2.75× 103mm3 =0.00756mm定位精度 0.015mm 332横向进给丝杠1.计算进给牵引力Fm横向导轨为燕尾形导轨其计算公式如下：Fm=KFx+ f, (Fz+2Fy+G)式中K:考虑颠复力矩的影响实验系数K= 1.4广:导轨上摩擦系数为f,=0.2,G,移动部件重量G=600NFm= 1.4 X 702+0.2(1755+2 × 43&75+600)= 1629.3N2 计算最大动负载(N)IOOOVS IOOOXO.2

26、5x0.5 Un=.=31.25Lo4T 60×31.25×15000LZ=28.1ZJIO6C=U28.125 ×1.2× 1629.3=5865.48N3.选择滚珠丝杠螺母副查VV精密机床配件系列 >> 丛书山东济F选用滚珠丝杠为CDM2504-2.5其额定的动载荷为6638d=25mm Jl =24.5mm 循环列数为 1 X 2.5 X 2Coa=I6826 螺旋导程角r= arctan =arctan r=2c 55'选择精度等级为 3 级rD34x254. 传动效率的计算= tanr =tg2o 557tg(2o 55&#

27、39;+ 10')=0.945 tan(r+ ¢)5 刚度计算横向进给丝杠方式,如图所示最大牵引力为2612.1N支承间距L=450mm因丝杠长度较短不需要预紧图32横向进给系统计算简图1滚珠丝杠的拉伸或压缩变形量L=血=_13×4_ =O 6448 IO-EF 20.6×106×4×252滚珠丝杠经过预拉伸刃=1/4 X 0.007254=0.00183J =0.0054小于定位精度定位精度为0.0153.4齿轮传动比的计算 3.4.1纵向齿轮传动比计算已确定纵向脉冲当量 =0.01 ,滚珠丝杠导程L=6mm和步距角0.75,可计算出

28、i.360护 I= 360×001=0,8b.LO 0.75x6可选定齿轮的齿数为i=zlz2=3240或20/25d=mz=64 z 1=32 z2=40 或 zl=20 z2=35 d2=703.4.2横向齿轮传动比计算已确定横向脉冲'勺量 =0005mmstep,滚珠丝杠导程L=4nn和步距角0.75 ,可计算出传动比i.= 360 = 360x0.005 =O6 Zs 込356bZ0 0.75 × 43.5步进电机的讣算和选型3.5.1纵向步进电机的计算计算简图见滚珠丝杠选择中简图.传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量J (kg.cm2)山此式计算(3.7)

29、J =Jl+(zlz2)2 Js+J2+Gg(L2E)；)式中:J齿轮Zl的转动惯量.J2齿轮z2的转动惯量Js丝杠的转动惯量G工作台及工件等移动部件的重量(N)L丝杠的导程Jl=0.78×10-3×dl4 Xb= O.78×1O-3×6.44 ×2=2.62Kg.cmJ2=0.78×10-3×d24 Xb=0.78× IO-3 ×84 ×2=6.39Kg.cm2Js=078×10-3×D4 ×L=0.78× IO-3 ×44 × 17

30、0=33.9946Kg.cmG=800N代入式中J=2.62+(3240)2 33.946+6.39+800/9.8(0.6/2 )2 )=28.9 lKg.cm2 电机力矩的讣算(3.8)机床在不同工况下,其所需要的转距不同,下面分别按各阶段计算 快速空载启动时所需要的力矩M起M 也=MmaX+Mf+M0式中:M起快速空载启动力矩(N.m)MmaX-折算到电机轴上的加速力矩(N.m)Nff折算到电机轴上的附加摩擦力矩(Mm)起动加速时间ta=30msMmaX= J .e= J2 InaX60taXlO"2nmax=V max .b.360人一传动系统折算到电机轴上的总等效转动惯量(

31、Kg.cm2) 一电机最大角加速度nmax-电机最大转速(rmin)切一脉冲当量的一步进电机的步距角nnax=V max 3.36O2400×0.750.01x360=500rminMmaX=28.9x500(602×30×103)×10-2=504.4N.cmMf=FozX)2iiGLO2iF. 一导轨摩擦力(N)了发G运动部件总重量(N)i 齿轮降速比按i=ZlZ2计算n 传动链总效率一般n =o.7-o.85取0.8Mf=O.16×800×0.6=I222NCm2r×0.8× 1.25附加摩擦力MOFPO 丄

32、 0JMO=-一 (1一7厂)2mp式中FPo-滚珠丝杠预加载荷一般取1/3FmFm为进给牵引力(N)LO滚珠丝杠导程(Cm)N滚珠丝杠未预紧时传动效率94.24%MO= 2)二1/3FMOX 厶02iMO=1/3x1698.73x0.61-q92龙 X 0.8x1.25/.=MmaX+Mf+M0=504.4+12.22+10.28=526.9N.cm 快速移动时所需力矩M決M快=M广+MO广(FZ + G) Zn 0.16x(3510 + 800) n A OQXTM / =× LO =X 0.6=65.88N.cm2i2龙 x 0.8 x 1.25(3)最大切削力负载时所需力矩M

33、 WJMifi=Mft+MO+MtMt=F InaX 厶02mi式中FmaX进给方向上的切削力取Fx=877.5NMt-折算到电机轴上的切削负载力矩(N.cm)877.5x0.6、Mt= =83.84(N.cm)2龙 X 0.8x1.25M 切=Mt+M0+Mt=65.88+10.28+83.84= 160N.cm从上面可以看出M起，M快，M切,三种情况下,以快速空载时所需力矩最大,以此项工作为初选步进电机的依据讣算电机空载转动和切削堵的丄作频率fk=I(X)OVnIaX=IOOOx 2.4 =4OooHZ60 切60x0.01IOoOKV,000×05z60×0°

34、;,=833HZ(5)步进电机的选择对于工作方式为五相十拍的步进电机MjmaX=-=526.9/0951=554.048Z查表选用130BFOOl型直流步进电机的最大静转距为930N.cm,满足其要求:3.5.2横向进给步进电机的计算和选型(1) 步进电机的计算横向计算简图见滚珠丝杠选择中的简图,传动系统折算到电机电机轴上的转动惯量J (kg.cm2)可山此式计算：J =Jl +(z lz2)2 JS+J2+Gg(L02 ) 2)式中:Jl-齿轮Zl的转动惯量J2-齿轮z2的转动惯量JS-丝杠的转动惯量G-工作台及工件等移动部件的重量(N)Lo-丝杠的导程Jl =0.78× IO-3

35、Xdl4 ×L1=O.78× 10'3×4.22 ×2=0.485kg.cm2J2=0.78× 103 ×d24 ×L1=O.78× 103×74 ×2=3.746kg.cm2G=600N, Js=0.78×10-3 × 2.52 ×45=1.37kgcm2J =J 1 +(Z1/Z2)2 Js+J2+Gg(L02 )2=0.465+(0.6)2 1.37+3.746+600/10(0.4/6.28)2 J =2.414kg.cm2(2) 电机力矩的计算：机

36、床在不同工况下其所需的转距不同,下面分别按各段计算1.快速空载起动时所需的力矩M起M 尼=MmaX+Mf+MOr r KZ 2n max TMmaX= J.c= J ×× 10*60taV max X t) 1200×0.75 La nmax=500rmnp X 3600.005 × 360MnlaX=2.414 ×2,×5OO×1O-=42JNCm60 x 30x10“ 折算电机轴上的摩擦力力矩MfMf=FOLO = O.16x600x0.4 =458NCm2i 2×3.14×53 附加摩擦力矩MoMo

37、=咤(> E(I)2i2rxO. 8x5/3.07NCmMmaX=42.1 +4.58+11.07=57.75N.cn(3) 快速进给时所需力矩M快FOLO f'GMf= =4.58N.cm2i 2riMO= l3Fn2paini(l -n2)= 11.07N.cmM 貴=4.58+11.07= 15.65N.cm(4) 最大切削负载所需力矩M切M 切=Mf+MO+MtMt=2mi702x0.42×3.14×0.8×53=33.4N.cmMf_ FQLo _ 广(皿+ G) _ 0.16(1755 + 600)2mi 2 2×3.14

38、15;0.8×53=17.96N.cmM 切=33.4+17.96+11.07=62.43N.cm上面计算可以看出M起，M快,和M切三种工况下,以最大切削负载所需力矩M切作为选用电机的依据肖 步进电机为五相十拍时 = M切/MmaxMjmaX= M 坍 =62.43/0.951=65.64步进电机三相四相五相六相36485106122 =M 总/Mmax0.50.8660.7070.7070.8090.9510.8660.866选用90BF002其最大静转距为400满足要求:fk=IoooVnnXJOOOX1.2 =4OooHZ60 切60x0.005fv=IOOOXO.25=833

39、HZ60x0.0254. 微机控制部分在普通车床CA6140基础上加数控部分,以使其成为经济型数控机床,以完成较高的 精度加工.4.1总体设计我国Ll请广泛使用MCS-51系列中的8031芯片,通过扩展和I/O 口扩展功能,实现对 机床X,Z两个方向的控制.以及软硬的任务分配有:控制步进电机脉冲发生和脉冲分配, 数码显示的字符发生,键盘扫描管理既用硬件管理,乂可用软件实现,此次采用若干方案:控制 步进电机用的脉冲发生器用硬件.采用国产YBO15环行分配器实现,字符发生及键盘扫描 均有软件实现.4.2主控制器4.2.1主控器的选择近年来同外的一些主要的半导体制造厂家相继生产了各种8位的单片微型端

40、口及 部分RAM于一体的功能很强的控制器。Ll前国内用得较广,开发工具较齐的是MCS-51 系列包含三个产品：8031、8051和875U三者的引脚完全兼容，仅在结构上有一些差 异，主要是8031： 8031是无ROM的8051,而8751是用EPROM代替ROM的8051。 用得较多的就是我所选用的803U(1) 8031型芯片：1)单片机是集CPU,IO端口及部分RAM-体的功能很强的控制器,8031基本特点如下: 1处理器CPU8位2芯片内有时钟电位3具有12各字节RAM4具有21特殊功能的存储器5具有4各I/O端口,32根I/O线6可寻址64K外部数据存储器7可寻址64K外部程序存储器

41、8具有两个16位定时/记时数量9具有5个中断位,配备两个优先级10具有一个全功能窜行接口Il具有寻址能力,适宜逻辑计算从以上论证可以看出,8031型芯片,功能儿乎为一块Z80CPU,一块RAM,-块Z80CTC两块Z80PLO和一块Z80SLO处理的微机讣算机.（2）8031芯片管脚的功能及其他功能按引脚功能可分三类，即：其一：I/O 口线：P=、P1> P2、P3共4个8为口。其 二：控制线：PSEN （片外取指令控制）、ALE （地址锁存控制）、EA （片外取存储器 选择）、RESET （复位控制）。其三：电源及时钟：V“、J、XTALn XTAL2 04.2.2 8031对片外存储

42、器的选择1、EPRAM选择： 根据MCS-51单片机应用系统中常用的EPRAM芯片S确定 存储器容量为16K。选择EPRAM的型号时，主要考虑的因素是读取速度，这决定着系 统是否正确工作。根据CPU与EPRAM时序匹配要求，可选用2片2764程序存储器。2、RAM选择：单片机的扩展RAM多选用静态RAM,根据容量要求和RAM与CPU 的读写时序匹配的要求，这里选用大容量的RAM6264两片。4.2.3 8031 并行 I/O 口扩展8031有四个8位口（I/O端口），但真正能够提供用户使用的只有Pl 口，因为P2 PO 口 通常用来传送外存储器的地址和数据,P3 口也需要使用他的第二功能.因此

43、8031的I/O 的端口通常需要扩充.以便他能和更多外联机工作.扩充方法有两种： 借用外面RAM地址来扩充I/O端口； 利用并行I/O接口芯片来扩充I/O端口.5. 电路原理图设计本次设计在釆用8031作为主控芯片,采用两片2764程序存储器之外还扩展了一片 6264数据存储器,用一片74LS373锁存Po 口传递低8位地址,地址译码采用74LS138C38 译码器;采用全地址码,釆用二个8155芯片,完成对执行元件的控制。此外,还设有越界报 警急停处理电路.5.1关于各线路元件之间线路连接8031芯片的PO和P?用来传送外部存储器的地址和数据，P2 口送的是8位地址，PO 口传送低八位地址和

44、数据,故采用74LS373地址锁存器,锁存低八位地址,ALE作为首选 通信号,当ALE为高电位,锁存器的输入输出速度,即输入的低八位地址在输出端出现,此 时不需锁存,当ALE从高电平变为低电平,出现下降沿时,低八位地址在输出端出现,此时 不需锁存,当ACE这样POD共组成16位地址,2764和6264芯片都是8KB,需要13根地 址线，A0-A7低8位安74L373芯片的输,A8-A12按8031芯片的P20-P24系统釆用全 地址译码,两片2764新片选信号CE分别按74LS138译码器的忆和百,系统复位以后程 序从OOo0H开始执行,6264芯片的片选信号CE地址按74LS138的百,单片

45、机的扩展系 统允许程序存储器和数据存储器独立编址,8031芯片控制信号PSEN按2764的OE引脚, 读写控制信号WR和RD分别按6264芯片内部沿有RoM,始终要选片外程序存储器,故 按EA地址山于8031只有匕口和P3 口的部分能提供用户作I/O接口使用,不能满足输入输岀口 的需要,因此比喻扩展输入输出扩展电路系统扩展3片8155可编程I/O接口芯片,8155(1) 的片选信号丞按74LS138的百端74LS138译码器有3个输入A B C分别按8031 的P 2.5P26 P 2.7 8个输出,低电平有效.広百对应输出A BCDE OOo至Ill8种现合.其中百对应ABC为111.74L

46、S138有3个使能端,其中2个为低电平使能 端,另一个为高电平使能端只有当使能端均处于有效电平是,输出才能产生,否则输出才能处在高电平无效.I/O接口芯片与外设的联接是这样安排的.8155芯片PAPA7作为显示器段选信号, 输出PAP为显示器的位选信号,输出PCoPC4 5根线是键盘输入.8155芯片的20个引 脚按8031芯片的P2.0,因此使用8155的I/O 口时P2.0为高电平.8155(2),按X Z向步 进电机硬件环形分配器为输出,系统各芯片采用全地址译码,各存储器及I/O接口芯片.X 向Z向步进电机硬件环形分配器采用YB0153-2相5相10拍方式工作,故AO儿均按+5V, 时钟

47、输入端CP按8155芯片的TIMEOO7用以决定脉冲分配器是如脉冲的频率,为实现插 补时不同的进给的速度,可给8155芯片定时/汁数器中设置不同的常数.5.2.关于电路原理图的一些说明在此电路图中，还有其他功能电路，如报警电路，急停电路，复位电路，隔离电路,功 效电路等,此外还有对自动回转刀架,螺纹加工进行控制.1、复位电路通常8031的复位有自动复位,和人工按钮复位两种,下面将分别显示电路结构(A) (A)上电复位电路(B)开关复位电路2、时钟电路时钟电路如图所示,XTAL和XTAL2为内振荡电路输入线,这两个端口用来外接 石英晶体和微调电器,用来联接8031片内OSC的定时反馈回路.3、光

48、电隔离电路在步进电机驱动电路,脉冲分配器输出的信号经过放大后,控制步进电机的励磁绕 组.l于步进电机需要的驱动电压数高,电流也较尢如果将o 口输出信号直接与功率放 大电路相连,将引起电路干扰,轻则影响讣数机程序的正常运行,重则导致接口电路的破 坏.因此一般在接口电路与功率放大器之间都要加上隔离电路,实行电气隔离使用最多的 是光电耦合器如下图光电耦合器是以发光二级管和光敏二级管组成,为输入信号的输入端时,发光二级管导通 激发红外光,受光三极管照射后,山于光敬效应产生光电流。通过输出端输出，从而实现 了以光为信号的输出，输入端与输出端在电器绘出一种光隔离输出电路，当开关断开， 发光二级管不通，光敬

49、三级管截止，输出+5V高电平，当闭合，发光二级管导通，激励 输出三级管导通。适当选择电阻R¢,可使输出三级管饱和，输出0.3左右的TTL低电 平。 随着运行频率的增高，步进电机输出力矩C带动负载的能力，这一产生的原因， 作为功率放大器负载的步进电机是电感负载。当改变通电时，电流从零逐渐增大，产生 感应电动势使电流按指数规律上升。4、键盘显示本次设计中，采用PCOPC5作为扫描口信号反向放大器按显示器公共级,803IPI 口作为片选数据口。8155的PBo-PB5作为行线输入。基本工作原理如下:<1二1 I +5V ft控制信号键盘显示口电路图当键松开时，测试信号为I,键闭合，测

50、试信号为O ,当测试信号为1则禁止，不能对键进行识别。键盘是山若干个按键组成的开关阵列，H SV图中行线通过电阻接+5V,当键盘上沿有闭和时，所有行线和列线都以断开，行线 PCo-PCX4是4根行线，PA0PA7Ss是6根列线，在行线与列线交义点上安装有键，PA 口的6根列线按一定的时间间隔轮流输岀低电平。当扫描到某一列线上时，若无键 按下，则行线都是高电平；若有一键按下时，交义点上对应的行线变为低电平。这个低 电平信号被讣算机捕获后，根据此间对应的行线和列线的位置，计算机可以判断出键值, 完成控制。5、越界报警电路±X, ±Z方向的越界和急停信号经过门引入8031的P3.

51、2中断原LNT0,采用硬件申请 中断软件查询的方法。这样无论哪个方向都能引起中断，当±x, ±z等一越界，则相 应的红灯亮报警。6. 数控机床故障诊断现代数控机床数控系统故障的诊断技术，对各类诊断技术进行了详细的剖析。数控 诊断技术在数控机床的生产调试、使用和维修中起着极为重要的作用，数控机床的数控 系统是技术密集型的产品，集大量电子元件和复杂的软件技术于一体。硬件和软件可能 出现的故障繁多，千变万化。因此在数控系统出现故障时，要想迅速准确地查明原因并 确定故障部位，不借助于诊断技术是很困难的。数控系统的诊断大致分为初级诊断（起动诊断、在线诊断和离线诊断）和高级诊断（自 修

52、复诊断、诊断指导专家系统和通讯诊断系统）。6.1初级诊断（1）起动诊断即从每次通电开始到进入正常运行准备状态为止，数控系统内部诊断程序自动执行的诊 断。其Ll的是确认系统的主要硬件是否可以正常工作。起动诊断用数秒钟即告完成，一 般不超过10秒。某些特殊或规模庞大的系统起动诊断周期要长一些。起动诊断所检查的常见硬件有：CPU存储器、输入输出单元等印刷板或模块、显示器单 元、阅读机、软盘单元等装置或外部设备。有些起动诊断也对硬件配置进行检查以便确 认是否所有指定的设备、模块已正常连接，其至对某些芯片RAM、ROM,重要的IC是否 插装到位，其规格型号是否正常进行诊断。如：德国西门子公司的数控8系统

53、，每次开 机都要对系统硬件、软件及配置进行诊断。在8系统的中央处理器MSIoo模板上有四个 硬件起动诊断指示信号灯，其含义如下：M燃亮，代表中央处理器故障I/C-燃亮，用户存储器故障S燃亮，位控制模块板故障PC燃亮，可编程控制器故障根据以上指示灯，就可以判断出硬件故障部位。软件起动诊断是在起动时发现故障，诊 断程序在显示器上指示出相应软件故障所在位置及内容。当确认所有项Ll都正确无误 后，整个系统才进入正常的初始化完成状态或运行准备状态。否则数控系统将通过显示 器报告故障信息。此时系统不能投入正常运行。日本法那克公司的6MB系统在大约6秒的起动诊断周期中，进行主要硬件检查有：主 印刷板；连接单

54、元：磁泡存储器；RoM存储器；位置控制芯片；纸带阅读机; 速度控制单元。若被检项IJ正常，则CRT将显示表明系统已进入正常运行状态。反之, 有上述任何一项故障存在，将显示报警信息画面。有时存在故障与显示功能有关，CRT 已不能显示报警信息，但仍可以观察安装在主板上的相应发光二极管的亮灭状态，并查 阅亮灭状态与故障内容对照表，即可对故障原因作出判断。(2) 在线诊断数控系统内装程序在准备和循环运行状态时，对数控系统、与数控系统相连接的外部设 备及各伺服单元、伺服电机等进行的自动诊断。只要系统不断电，在线诊断就不会停止。 现代数控系统诊断显示的信息一般为数白条。一台带有刀库和交换工作台的典型加工中

55、 心的诊断显示信息有五白多条。数控生产厂家将这些信息分成若干类：数控系统类， 多为系统故障报警：编程/设定类，多为操作错误引起的故障报警；伺服类，与伺 服系统和伺服电机有关的故障报警；行程开关报警类；各种温度、压力类报警； 过热报警类；印刷板间连接故障类；集成的可编程控制器外设报警。上述每类信息乂细分为数项至数十项具体的故障内容，并在说明书中以故障表的形式提 供给用户。故障发生时，每项被赋于一个故障编号外乂附有简明的说明语句，显示在显 示器上。在线诊断已不只限于提供故障信息，还可依据地址的状态，获得各种各样的信息。如： 纸带校验报警时纸带错孔位置；刀具与机床参考点的距离；NC与机床之间接口 输

56、入/输出信号；各坐标轴位置偏差值；与存储据有关状态显示；机床实际值公 英制；电机随动误差状态显示；面板按键状态显示。(3) 离线诊断 也称手工诊断，由专门训练的技术人员查明故障原因、确定故障部位 的高层次诊断。离线诊断力求把故障的可能范围缩小到最低限度。离线诊断可在现场， 也可在维修中心或原数控系统制造厂进行。现场常用工具是专用工程师面板或专用便携 式测试件。如：万用表、信号发生器逻辑分析仪、示波器、离线集成电路测试仪和在线 集成电路测试仪等。离线诊断所用软件的存储及使用方法多不相同。如：美国AB公司的8200系统在作 离线诊断检查时，才把专用的诊断程序读入CNC中作运行检查。美国AB公司的8600系 统，诊断程序与数控程序一同存入数控系统中。因此，这些系统不需要再输入软件就具 备离线诊断机能。维修人员可随时用键盘调用这程序并使之运行