CA6140普通车床横向进给系统的数控化改造设计说明书

1、设计任务书课程设计题目CA6140普通车床横向进给系统的数控化改造经济型学院机械工程学院专业机械制造及其自动化年级2010已知参数和设计要求：1. 工作台重量：W=300N粗估2. 滚珠丝杆导程：T=4mm供参考3. 行程:S=190mm4. 脉冲当里:5. 快速进给速度：V快=1.5m/min6. 快速进给速度：Va=0.5m/min7. 时间常数：t<100ms学生应完成的工作：1. 机械结构装配图A1图纸2张，要求视图基本完整、符合标准。2. 数控系统组成框图（或画在设计说明书里面）A2图纸1张。3. 数控系统电气原理图A1图纸1张。4. 软件框图（或画在设计说明书里面）A2图纸1

2、张目前资料收集情况含指定参考资料：1. 机床设计图册哈工大华中纺织工业大学2. 机床设计手册机械工业出版社3. 机械设计手册化学工业出版社4. 微机接口设计参考书课程设计的工作计划：1. 方案论证天2. 机械部分设计大部分设计大5. 编写说明书1天约8000字6. 准备答辩及答辩1天任务下达日期2013年12月23日完成日期年月日指导教师签名学生签名:、设计要求总体方案设计应考虑机床数控系统的类型，电脑的选择，以及传动方式和执行机构的选择等。1普通车床数控化改造后应具有定位、纵向和横向的直线插补、圆弧插补功能，还要求能暂停，进行循环加工和螺纹加工等，因此，数控系统选连续控制系统。2车床数控化改

3、装后届丁经济型数控机床，在保证一定加工精度的前提下应简化结构、降低成本，因此，进给伺服系统采用步进电机开环控制系统。3根据普通车床最大的加工尺寸、加工精度、控制速度以及经济性要求，经济型数控机床一般采用8位微机。在8位微机中，MCS51系列单片机具有集成度高、可靠性好、功能强、速度快、抗干扰能力强、具有很高的性价比，因此,可选MCS-51系列单片机扩展系统。4根据系统的功能要求，微机数控系统中除了CPU夕卜，还包括扩展程序存储器，扩展数据存储器、I/O接口电路；包括能输入加工程序和控制命令的键盘，能显示加工数据和机床状态信息的显示器，包括光电隔离电路和步进电机驱动电路，此外，系统中还应包括螺纹

4、加工中用的光电脉冲发生器和其他辅助电路。5设计自动回转刀架及其控制电路。6纵向和横向进给是两套独立的传动链，它们由步进电机、齿轮副、丝杠螺母副组成，其传动比应满足机床所要求的分辨率。7为了保证进给伺服系统的传动精度和平稳性，选用摩擦小、传动效率高的滚珠丝杠螺母副，并应有预紧机构，以提高传动刚度和消除间隙，齿轮副也应有消除齿侧间隙的机构。8采用贴塑导轨，以减小导轨的摩擦力。9原机床的主要结构布局基本不变，尽量减少改动量，以降低成本缩短改造周期。10机械结构改装部分应注意装配的工艺性，考虑正确的装配顺序，保正安装、调试、拆卸方便，需经常调整的部位调整应方便。上拖板微机光电隔离经济型数控车床总体方案

5、框图步诳电机数控车床改造的总体方案示意图三、机械部分的改造设计和计算进给系统改造设计需要改动的主要部分有挂轮架、进给箱、溜板箱、溜板刀架等改造的方案不是唯一的。以下是其中的一种方案：挂轮架系统：全部拆除，在原挂轮主动轴处安装光电脉冲发生器。进给箱部分：全部拆除，在该处安装纵向进给步进电机与齿轮减速箱总成丝杠、光杠和操作杠拆去，齿轮箱连接滚珠丝杠，滚珠丝杠的另一端支承座安装在车床尾座端原来装轴承座的部分。溜板箱部分：全部拆除，在原来安装滚珠丝杠中间支撑架和螺母以及部分操作按钮。横溜板箱部分：将原横溜板的丝杠的、螺母拆除，改装横向进给滚珠丝杠螺母副、横向进给步进电机与齿轮减速箱总成安装在横溜板后部

6、并与滚珠丝杠相连。刀架：拆除原刀架，改装自动回转四方刀架总成。进给伺服系统机械部分的计算与选型内容包括：计算切削力、滚珠丝杠螺母副的设计、计算与选型、齿轮传动计算、步进电机的计算和选型等。已知条件：1. 工作台重量：W=300N粗估滚珠丝杆导程：T=4mm供参考行程：S=190mm脉冲当量：快速进给速度：W=1.5m/minI犬切削进给速度：我=0.5m/min时间常数：t<100ms、传动计算uT360其中a表小步距角本设计取0.75，表小脉冲当量本设计是所以u36L0.48T3.2.2、切削力计算主切削力FC1840apf0.7518402.50.150.751108.7N切深抗力F

7、p(0.10.6)Fc0.5Fc0.51108.7554.4N走刀抗力Ff(0.150.7)Fc0.5Fc0.51108.7554.4N式中ap表示切削深度，f表示进给量，本设计取ap=2.5mmf=0.15mm3.2.3、滚珠丝杠设计计算横向运动的导轨形式常为燕尾形导轨，其轴向力的实验公式为:FmKFf(Fc2FpW)式中，系数K为1.4,摩擦系数所以FmKFf(Fc2FpW)1.4554.40.05(1108.72554.4300)902N(1)疲劳强度计算滚珠丝杠的当量动载荷Cm为:CmULFwFQFm式中，L为工作寿命,L60n6T,n为丝杠转速，T为实用时间寿命，数控机床10取T15

8、000（h），故L哪60V快100顷135（106转）1062T106gfw为载荷系数，取1.3；fQ为精度系数，取1因此Cm3一LFwFQFm31351.21.19026107.9N由上述当量动载荷，且使用条件为横向进给,(2)刚度验算滚珠丝杠的刚度按照下式校核：故选择丝杠FFB2205丝杠的支撑方式：一端固定，一端简支。丝杠拉压弹性位移1里450AE(20-3.5)242.19.04103mm105丝杠副内滚珠与滚道的接触变形Fm2k?9025101.77m,k2是预紧力为额定载荷的1/3时的接触刚度，查手册得k2=510.滚动轴承的接触变形30.52（二"）”3?Fm2/3,初

9、选推力球轴承DwZ251104,Dw5.56,Z14,代入上式得，34.72m。乂因为轴承存在预紧力，所以111112.26m,220.89m,332.36m422'''-2一-12.2416,丝杠精度取4级。0.453.2.4、确定齿轮参数因为斯"丁，所以u6?0.48,取Z124,Z50，齿轮模数m2.5mm因此d1mZ122448mm,d2mZ2250100mm，轴向长度1116mm,l214mm3.2.5、步进电机的选择负载转矩MlMl180Fm式中，为电机到丝杠的总传递效率滚珠丝杠的效率计算：tan1(三)d导程角:15。tan1()4.55020效

10、率:tantan()一tan4.550'0.965tan(4.55010)因此总效率：总0.980.9940.9650.908180Fm1800.005103902故Ml0.379Nm0.750.908(2) 滚珠丝杠副预紧引起的附加转矩M0式中，Fo因此m°丝KFm180_3_°.2°.005109020.023Nm0.75(3) 加速度转矩Mm式中，&为电机工作频率，切削进给时，f1v进1000600.51000600.0055000,Hz3快速进给时,v快1000f160堕业匹5000Hz600.005fo200Hz突跳起动频率t0.1s加速

11、时间J(J0Ji)Zi2()(J2J3)Z21802r式中，J。为电机转子惯量，初取4.7kgcm2对丁材料为钢的圆柱形零件，其转动惯量可按下式计算:J7.8104D4LJi7.81044.D1L17.81044.841.620.745kgcmJ27.8104D2L7.81041041.4212.48kgcmJ37.8104_4D3L37.8104244520.5616kgcm因此J(JoJ1)Z12(Z)Z2(J2J3)m(180d)24.73001800.00510198(075)20.7450.48212.480.56168.46104kgm2一(ff°)J180t0.75,5

12、000-200、()8.461800.10.5316NmMm(空)10-4Mm(进)0.75(_1800.1624Nm(L180t5000-2003)8.460.1)J-410因此选取Mm(六)m()因此M总Ml0。9336NM0Mm(空)9.336kg0.3790.0230.5316cm乂因为M电/M1.52,取M电18.672kgcm根据上述转矩，查表选电机型号为110BF003四、单片机型数控系统硬件电路设计4.1设计内容1按照总统方案以及机械结构的控制要求，确定硬件电路的方案，并绘制系统电气控制的结构框图;2选择电脑或中央处理单元的类型;3根据控制系统的具体要求设计存储器扩展电路；4根

13、据控制对象以及系统工作要求设计扩展I/O接口电路，检测电路，转换电路以及驱动电路等；5选择控制电路中各器件及电气元件的参数和型号；6绘制出一张活晰完整的电气原理图，图中要标明各器件的型号，管脚号及参数；7说明书中对电气原理图以及各有关电路进行详细的原理说明和方案论证。4.2控制系统的功能要求1z向和x向进给伺服运动控制2自动回转刀架控制3螺纹加工控制4行程控制5键盘及显示6面板管理7其他功能：光电隔离、功率放大、报警、急停、复位。4.3硬件电路的组成：后面所画大图采用MCS-51系列单片机组成的控制系统硬件电路原理图。电路的组成如下：1CPU采用8031芯片；2扩展程序存储器2764两片，62

14、64一片；3扩展可编程接口芯片8155两片；4地址锁存器，译码器个一个；5键盘电路，显示电路；6光电隔离电路，功率放大功率；7越程报警电路，急停电路，复位电路；8面板管理电路。数控系统结构框图4.4选择电气元件及电路设计确定微机机型就是选择CPU。单片机价格低、可靠性较高，适用丁控制，选择单片机做控制器比较合适。根据总体方案确实定，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

15、，是目前性能较高的8位单片微型电脑。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，一个全功能申行口，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位微型电脑，在各种数控系统中的到广泛的应用。A.程序存储器的扩展a.选用2732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。由丁车床数控系统包括系统控制程序和加工程序，采用4KBX8的2732芯片。2732芯片是一个有24根引

16、脚的双列直插式集成元件。该芯片共有13根地址线A0A12,8根数据线D卜D7,其余的为控制线。2732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。b.地址锁存器74LS373单片机规定P0口提供低8位地址线，同时乂要作为数据线，所以P0是一个分时输出低8位地址和数据的通道口。为了把地址信息别离出来保存，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

17、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6264芯片数据存储器选用8KX8位的6264芯片。6264低8位地址线通过地址锁存器74LS373与8031P0口相接，高5位地址线分别与P2.0P2.4相连，8位数据线直接接到8031P0口，读写控制引脚OE,W由8031的读写控制引脚RD,WFfi接相连，片选端CE1通过译码电路与8

18、031相连。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。假设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、G2碍日G2B是赋能端，A8C是选择端，

19、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G2AG2B这就保证只有在读/写状态时译码器输出端才会输出片选。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

20、需4个；紧急停需1个。采用一片8279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芯片具有消颔去抖动、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8X8个键，实际用了32个键。

21、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。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PASPA7的电平均为0,然后读PB口的PB卜PB2的状况；假设不全为“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

22、行的键为00H03H,定义第二行键的键值为04H07H,依次类推。首先判断是哪一行有键闭合，假设第一行有键闭合，设置初值为00H,假设第二行有键闭合，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。4.4.4步进电机驱动电路设计(1脉冲分配器步进电机的控制方式由脉冲分配器实现，其作用是将数控装置送来的一系列指令

23、脉冲按一定的分配方式和顺序输送给步进电机的各相绕组，实现电机正反转。数控系统中通常使用集成脉冲分配器和软件脉冲分配器。本设计采用集成脉冲分配器YB013。2光电隔离电路在步进电机驱动电路中，脉冲分配器输出的信号经放大后控制步进电机的励磁绕组。如果将输出信号直接与功率放大器相连，将会引起电气十扰。因此在接口电路与功率放大器间加上隔离电路实现电气隔离，通常使用光电耦合器。3功率放大器脉冲分配器的输出功率很小，远不能满足步进电机的需要，必须将其输出信号放大产生足够大的功率，才能驱动步进电机正常运转。因此必须选用功率放大器,需根据步进电机容量选择功率放大器。本设计选用功率放大器。4.4.5其它辅助电路

24、设计18031的时钟电路单片机的时钟可以由两种方式产生：内部方式和外部方式。内部方式利用芯片的内部振荡电路，在XTAL1XTAL2引脚上外接定时元件，如下列图所示。晶体可以在1.212之间任意选择，耦合电容在5-30pF之问，对时钟有微调作用。采用外部时钟方式时，可将XTAL1直接接地，XTAL2接外部时钟源。2复位电路单片机的复位都是靠外部电路实现。在时钟工作后，只要在RESET引脚上出现10ms以上的高电平，单片机就实现状态复位，之后CPU便从0000H单元开始执行程序。在实际运用中，假设系统中有芯片需要其复位电平与8031复位要求一致时，可以直接相连。五、系统控制软件的设计系统控制软件的

25、主要内容数控系统是按照事先编好的控制程序来实现各种控制功能。按照功能可将数控系统的控制软件分为以下几个部分：1、系统管理程序：它是控制系统软件中实现系统协调工作的主体软件。其功能主要是接受操作者的命令，执行命令，从命令处理程序到管理程序接收命令的环节，使系统处于新的等待操作状态。2、零件加工源程序的输入处理程序。该程序完成从外部I/O设备输入零件加工源程序的任务。3、插补程序。根据零件加工源程序进行插补，分配进给脉冲。4、伺服控制程序。根据插补运算的结果或操作者的命令控制伺服电机的速度，转角以及方向。诊断程序。包括移动不见移动超界处理，紧急停机处理，系统故障诊断，查错等功能。5、机床的自动加工

26、及手动加工控制程序。6、键盘操作和显示处理程序。包括监视键盘操作，显示加工程序、机床工作状态、操作命令等信息。5.2软件设计5.2.1系统控制功能分析数控X-Y工作台的控制功能包括：1、系统初始化。如对I/O接口8155,8255A进行必要的初始化工作，预置接口工作方式控制字。2、工作台复位。开机后工作台应该自动复位，亦可手动复位。3、输入和显示加工程序。4、监视按键，键盘及开关。如监视紧急停机键及行程开关，键盘扫描等功能。5、工作台超程显示与处理。工作台位移超过规定值时应该立即停止工作台的运动，并显示相应的指示字符。6、工作台的自动控制。7、工作台的手动控制。8、工作台的联动控制。5.2.2

27、系统管理程序控制管理称许是系统的主程序，开机后即进入管理程序。其主要功能是接受和执行操作者的命令。在设计管理程序时，应确定接收命令的形式，系统的各种操作功能等。数控X-Y工作台的基本操作功能有：输入加工程序，自动加工，刀位控制，工作台位置控制，手动操作，紧急停机等。5.2.3步进电机控制子程序设计步进电机的控制包括速度，转角及方向的控制。步进电机在突然启动或停止时，由于负载和惯性，会使电机失步，所以电机运行时有一个加，减速过程。通过确定进给脉冲数和脉冲时间间隔，即可实现步进电机转角与速度的控制。1时间常数确实定在步进电机控制程序中，利用单片机的定时器中断，延时产生进给脉冲的时问间隔。此间隔由送

28、入定时器的时间常数决定。时间常数由下式计算：TeT10te10式中：T为脉冲时间间隔ms；te为单片机机器周期s，在时钟为6MH力寸,te=2So2步进电机加，减速进给脉冲及脉冲时间间隔确实定设步进电机加，减速方式为直线加，减速。要使步进电机不失步，应满足：TmTgTi式中：L为步进电机启动力矩；Tg为负载力矩；l为惯性力矩。由步进电机Tjmax=3。92Mm取步进电机的加速启动力矩TmT0.8660.33920.8660.3101.84Mjmax则使步进电机不失不的惯性力矩TITmTg101.8496.575.27N.cm步进电机角加速度Ti25.27102Jd0.77931042676.2

29、5(rad/s2)ddtdffmaxbdtbtum式中：tm为上升到步进电机最高频率所需时间，所以有:tmfmaxb21.5166736064.5(ms)676.25加速脉冲个数：nm2fmaxt13166764.510353.762确定加减脉冲个数都为54个乂因为：n0.5此0.5（旗普儿tm所以脉冲时刻310结合Lt106可以算出对应各脉冲时刻的计数器时间常数。eEPROIW储器中，时间常数依次安排在首地址为1000H的存储单元中，每个时间常数占据两个字节，低位地址存放时间常数低8位，高位地址存放时间常数高8位。在程序中，设置加速，包速，减速脉冲计数器NO,N1,N2以计数器的值是否为。作

30、为相应过程是否结束的标志。步进电机控制程序框图如下所示：图5-3步进电机控制子程序中断服务程ff入口N中断返回图5-4步进电机控制中断服务程序5.2.4编语言程序设计1内存地址分配加速脉冲数计数器N0地址设为20H;包速脉冲数计数器N1低8位字节地址为21H，高8位字节地址位22H;减速脉冲数计数器N2地址位23H。加速，减速，包速脉冲总数寄存器N低位字节地址位24H,高位字节地址位25H;步进电机进给控制子程序FEED首地址位0E80H。每调用一次该程序，步进电机按规定方向进给一步。2程序活单7N0EQU20H;加速N1LEQU21H;恒速N1HEQU22HN2EQU23H;减速NLEQU2

31、4H;脉冲总数寄存器NHEQU25HDSEQU26H;地址拓针偏移里FEEDEQU0E80HORG0E00H0E007581600E03758901START:MOVP,#60HMOVTMOD,#01H;设计数器工作方式为1,16位定时器MOVN0,#01A4H;设N0为320MOVN2,#1A4HMOVA,N0;计算2XN0RLAMOVR0,ACLRC;计算N1=N-2N0MOVA,NLSUBBA,R0MOVN1L,AMOVA,NHSUBBA,#00HMOVN1H,AMOVDPTR,#1000H;设时间常数指针初值为1000H;设地址偏移量初值为00H;从EPROM中读时间常数;送时间常数至

32、定时器0中;修改地址偏移量指钉;调FEED子程序判断N0是否为0LOOP1判断N1是否为0MOVDS,#00HMOVCA,A+DPTRMOVTL0,AINCDSMOVA,DSMOVCA,A+DPTRMOVTH0,AINCDSSETBEASETBET0SETBTR0WAIT:JBEA,WAITRET中断服务程序：ORG000BHLJMP0F00HMOVCA,A+DPTRMOVTL0,AINCDSMOVA,DSMOVCA,A+DPTRMOVTH0,AINCDSACALLFEEDMOVA,N0;CJNEA,#00H,MOVA,N1H;开中断允许;允许定时器0中断;启动定时器0开始计算;中断允许返回CJNEA,#00H,LOOP2MOVA,N1HCJNEA,#00H,LOOP2MOVA,N2