普通機床數(shù)控化改裝畢業(yè)論文

1、張家界航空工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計題目：普通機床數(shù)控化改裝系 別： 數(shù)控工程系 專 業(yè)：機電設(shè)備維護與管理 姓 名： 學(xué) 號：10353114 指導(dǎo)老師： 二一三年四月二十八日摘 要針對大多數(shù)企業(yè)，具有數(shù)量眾多和較長使用壽命的普通機床，其加工精度較低、不能批量生產(chǎn)，自動化程度不高，自適應(yīng)性差，但考慮投資成本，產(chǎn)業(yè)的連續(xù)性，又不能馬上被淘汰，購買新的數(shù)控機床是提高產(chǎn)品質(zhì)量和效率的重要途徑，但是成本高，許多企業(yè)在短時間內(nèi)無法實現(xiàn)，這嚴重阻礙企業(yè)設(shè)備更新的步伐。企業(yè)要在激烈的市場競爭中獲得生存、求得發(fā)展，就必須在最短的時間內(nèi)以優(yōu)異的質(zhì)量、低廉的成本，制造出合乎市場需要的、性能合適的產(chǎn)品。為此改造現(xiàn)有

2、舊機床、配備與之相適應(yīng)的數(shù)控系統(tǒng)，把普通機床改裝成數(shù)控機床，不失為一條投資少、提升產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)效率的捷徑，是當前許多企業(yè)對現(xiàn)有設(shè)備更新?lián)Q代的首選辦法，也是提高機床數(shù)控化率的一條有效途徑。改造后的車床屬于開環(huán)控制。由于開環(huán)系統(tǒng)自身固有的缺陷不容易保證加工精度。因此，合理選擇伺服系統(tǒng)是課題的一個中心環(huán)節(jié)。步進電機工作原理特性和實際應(yīng)用正好符合我們的這一需求，所以，改造系統(tǒng)選擇步進電機作為雙向進給驅(qū)動電動機。步進電機是一種通過電脈沖信號控制相繞組電流實現(xiàn)定角轉(zhuǎn)動的機電元件，與其他類型電機相比具有易于開環(huán)精確控制、無積累誤差等優(yōu)點，在眾多領(lǐng)域中獲得了廣泛的應(yīng)用。為了得到性能優(yōu)良的控制結(jié)果，出現(xiàn)了很多

3、步進電機控制系統(tǒng)，其中采用單片機作為控制核心的控制系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用。很多這種控制系統(tǒng)在步進電機的驅(qū)動上已經(jīng)做的非常好，本文采用的控制電路主要由8031單片機、晶振電路、地址鎖存器、譯碼器、eeprom存儲器及可編程鍵盤顯示控制器intel一8279等組成，單片機是控制系統(tǒng)的核心。文中對整個系統(tǒng)的架構(gòu)及硬件電路和驅(qū)動軟件的實現(xiàn)都做了詳細的設(shè)計 。本設(shè)計在對原有機床機械機構(gòu)、性能、功能等進行充分研究基礎(chǔ)上，主要針對中小型普通車床控制系統(tǒng)進行改造，用單片機系統(tǒng)實現(xiàn)弱電控制強電機，改造了系統(tǒng)的切削工藝，提高了切削精度和效率，對舊車床的數(shù)控改造有一定的指導(dǎo)作用，是一種新的嘗試，也必將有更加廣闊的應(yīng)用

4、前景。關(guān)鍵詞：數(shù)控化、自動控制、步進電機、自動刀架。abstractmost enterprises still have large amounts generalpurpose machine tools which have longevity of service，low precision, cant adapt to mass production，low automatization and adaptability, but call not be washed out because of its low cost and continuity of enterprises

5、production. purchase of new cnc machine tools is to improve product quality and efficiency of an important way, but the costs are high, many companies can not be achieved in a short time, which seriously hindered the pace of business equipment updates. enterprises in the fierce competition in the ma

6、rket to survive, and seek development, it must in the shortest possible time and with excellent quality, low cost, to create a line with market needs, performance, the right products. to this end reform the existing old machine, equipped with suitable control system, converted into the ordinary cnc

7、machine tools, after a small investment, improve product quality and production efficiency of the shortcut, many companies are currently upgrading of existing equipment preferred option, but also improve the rate of cnc machine tools is an effective way.after transformation, the lathe is open-loop c

8、ontrol. because the inherent open-loop system is not easy to ensure accuracy flaws. therefore, a reasonable choice servo system is a central part of the subject. characteristics of stepper motor principle and practical application of this just to meet our needs, so the reform the system chosen as th

9、e bi-directional stepper motor feed drive motor. stepper motor is controlled by electrical pulse signal phase rotation angle of winding current to achieve given the mechanical and electrical components, compared with other types of motor control with easy-to-open-loop precision, no accumulation of e

10、rrors, etc., in many fields to obtain a wide range of applications. in order to obtain good control performance results, there has been a lot of stepping motor control system, which uses single chip as the control of the control system has been widely used. many of these control the stepper motor dr

11、ive system has been doing very well, in this paper, the control circuit mainly by 8031, crystal oscillator circuit, the address latch, decoder, eeprom memory, and programmable keyboard / display controller intel -8279 and other components, scm is the control core of the system. in this paper, the sy

12、stem architecture and hardware implementation of the circuit and the driver software has done a detailed design.the design of the original machine tools sector, performance and function based on the full study, the main control system for small lathes to transform, to allow manual control into the g

13、rounds of the implementation of the automatic control of the stepper motor. this paper describes the transformation of cnc machine tools, machine parts design and drive circuit design, hardware design and software design work. because this system uses mechanical and electrical integration method, th

14、e scm system to achieve high power electronic control and transform the system of the cutting process and improve the cutting accuracy and efficiency, for transformation of old bed of the cnc has a guiding role, is a new attempt will also have a more broad application prospects.key words: cnc (compu

15、terized numerical control）, automatic control, stepping motor, harmonic reducer目 錄摘要iiabstractiv一、概述11.1 普通車床數(shù)控改造11.2 普通機床數(shù)控化改造經(jīng)濟性評價21.3數(shù)控機床伺服系統(tǒng)的選擇6二、車床改造方案的確定82.1 普通車床的構(gòu)成82.2 步進電機的控制選擇、安裝、與控制。92.3 普通車床傳動系統(tǒng)的改造112.4 車床改造機械部分具體零件的設(shè)計132.5 驅(qū)動電路的確定14四 步進電機控制系統(tǒng)的設(shè)計174.1 步進電機的控制方案174.2 步進電機的恒速控制194.3 步進電機的變

16、速控制20總結(jié)23致 謝24參考文獻25一、概述1.1 普通車床數(shù)控改造 數(shù)控車床是現(xiàn)代機械制造業(yè)中不可缺少的加工設(shè)備，在機械制造業(yè)中發(fā)揮著重要的作用，能解決機械制造中結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精密、批量小、零件多變的加工問題，且產(chǎn)品加工質(zhì)量穩(wěn)定，生產(chǎn)效率較高。企業(yè)要在激烈的市場競爭中獲得生存、求得發(fā)展，就必須在最短的時間內(nèi)以優(yōu)異的質(zhì)量、低廉的成本，制造出合乎市場需要的、性能合適的產(chǎn)品，而產(chǎn)品質(zhì)量的優(yōu)劣，制造周期的快慢，生產(chǎn)成本的高低，又往往受工廠現(xiàn)有加工設(shè)備的直接影響。目前，采用先進的數(shù)控機床，已成為我國制造技術(shù)發(fā)展的總趨勢。購買新的數(shù)控機床是提高數(shù)控化率的主要途徑，但是成本太高，很多工廠在短時間內(nèi)都無法有

17、那么多的資金，這嚴重阻礙企業(yè)的設(shè)備更新和設(shè)備改造的步伐；同時目前大多數(shù)企業(yè)還有數(shù)量眾多，而且還具有較長使用壽命的普通機床，由于普通機床加工精度相對較低、不能批量生產(chǎn)，生產(chǎn)的自動化程度不高，生產(chǎn)自適應(yīng)性差，但考慮投資成本，產(chǎn)業(yè)的連續(xù)性和轉(zhuǎn)型周期，又不能馬上淘汰。而改造現(xiàn)有舊機床、配備與之相適應(yīng)的數(shù)控系統(tǒng)，把普通機床改裝成數(shù)控機床，是當前許多企業(yè)對現(xiàn)有設(shè)備改造換代的首選辦法，也是提高機床數(shù)控化率的一條有效途徑，不失為一條投資少、提升產(chǎn)品加工精度及質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率的捷徑，使企業(yè)提升競爭力，在我國成為世界制造業(yè)中心及制造強國的進程中，占有一席之地。對于本課題，既可以達到完成畢業(yè)設(shè)計的目的，又可以達到

18、研制新成果，開闊科研門路的目的。普通車床自動控制系統(tǒng)研制，是利用傳統(tǒng)普通車床，結(jié)合計算機、電子科技知識，變動手為自動，由粗加工變精加工，實現(xiàn)“變廢為寶”的最終目的，成品的主要用處為：既可以作為成品機型加工小批量精度高的零配件，又可以作為直觀、實效的機電演示設(shè)備，結(jié)合理論教學(xué)最直接的實現(xiàn)由單一機械產(chǎn)品，經(jīng)電子化改造變?yōu)橐詸C電為動力最終實現(xiàn)精密機械加工的數(shù)控機床。1.2 普通機床數(shù)控化改造經(jīng)濟性評價目前新經(jīng)濟型數(shù)控車床約85萬/臺，以普通新車床ca6140為例，售價38萬臺，使用壽命8-10年，而已使用了6-8年的舊車床ca6140，估價0.5萬臺， 通過改造還可使用4-6年。普通車床ca6140

19、每臺數(shù)控化改造所需價格大約3萬，數(shù)控加工的生產(chǎn)率可提高2030。因此需要對普通車床的數(shù)控化改造進行經(jīng)濟性評價。設(shè)備現(xiàn)代化改造是指應(yīng)用現(xiàn)代技術(shù)成就和先進經(jīng)驗，適應(yīng)生產(chǎn)的需要，改變現(xiàn)有設(shè)備的結(jié)構(gòu)(包括更換新部件、新裝置、新附件等)，改善現(xiàn)有設(shè)備的技術(shù)性能，使之全部或局部達到新設(shè)備的性能。設(shè)備現(xiàn)代化改造是廣義設(shè)備更新的一種方式，因此，研究現(xiàn)代化改造的經(jīng)濟性與設(shè)備更新的其他方式相比較。一般情況下，與現(xiàn)代化改造并存的可行方案有：繼續(xù)使用舊設(shè)備、舊設(shè)備大修理、原型設(shè)備更換和更換新設(shè)備。決策的任務(wù)就是要在各種可行方案中選擇設(shè)備使用總成本最小的方案。針對各種方案的設(shè)備使用總成本，進行經(jīng)濟分析1，選用下列公式計

20、算：cz0=10j=1ncnjrjcznn=1nn(knn+j=1ncnnjrj-lnnrj)czm=1m(km+j=1ncmjrj)czr=1r(kr+j=1ncrjrj)rj=1(1+i)j式中：cz0舊設(shè)備到j(luò)年的使用總成本；czn原型新設(shè)備到j(luò)年的使用總成本：cznn高效率新設(shè)備到j(luò)年的使用總成本：czm現(xiàn)代化改裝后設(shè)備到j(luò)年的使用總成本；czr大修理后設(shè)備到j(luò)年的使用總成本：o舊設(shè)備繼續(xù)使用時的勞動生產(chǎn)率系數(shù)；n原型新設(shè)備的勞動生產(chǎn)率系數(shù)；nn高效率新設(shè)備的勞動生產(chǎn)率系數(shù)；m現(xiàn)代化改裝后的勞動生產(chǎn)率系數(shù)；r大修理后的勞動生產(chǎn)率系數(shù)；kn原型新設(shè)備的價值;knn高效率新設(shè)備的價值；km

21、舊設(shè)備現(xiàn)代化改裝的價值：kr設(shè)備大修理費用：coj舊設(shè)備在j年的使用費用；cnj原型新設(shè)備在j年的使用費用；cnnj高效率新設(shè)備在j年的使用費用；cmj現(xiàn)代化改裝后在j年的使用費用；crj一大修理后在j年的使用費用：ln原型新設(shè)備使用j年后的殘值；lnn高效率設(shè)備使用j年后的殘值；rj第j年的現(xiàn)值系數(shù)，i為貼現(xiàn)利率；j為設(shè)備使用年限，(j=l，2，3，n)。比較各種方案的設(shè)備使用總成本，取總成本最小的方案。各種方案投資成本及生產(chǎn)率以及各年使用成本列于表11所示：序號可行方案基本投資勞動生產(chǎn)力系數(shù)各年使用費用1234567891舊車床繼續(xù)使用k0=00=0.70.250.50.7511.251.

22、51.7522.252更換為全新普通車床kn=3.5n=10.030.070.110.150.190.230.270.310.353更換為全新數(shù)控機床knn=6.5nn=1.60.020.040.060.080.10.120.140.160.184改裝為數(shù)控機床km=3.2m=1.20.10.180.260.340.420.50.580.660.745舊機床大修理kr=1.8r=0.90.10.190.280.370.460.550.640.730.82表11 各種更新方案的投資和各年使用費用 ( 萬元)新設(shè)備殘值ln=lnn=o5萬元，舊設(shè)備殘值ln=lnn=0，利率i=8將上表所列數(shù)據(jù)代入

23、各計算公式得出各種方案逐年使用成本見表1-2： 年份方案123456789cz00.330.941.792.844.065.416.878.4110.02czn3.593.593.683.793.914.064.224.384.56cznn4.074.104.134.164.204.254.304.364.41czm2.742.873.043.253.493.754.044.334.64czr2.102.282.532.833.183.573.984.424.87表1-2 各種方案逐年設(shè)備使用總成本匯總表 （萬元）由以上計算結(jié)果，比較各項更新方案中使用總成本最小者為優(yōu)。如果設(shè)備只使用3年，以繼

24、續(xù)使用原設(shè)備方案為最佳；如果使用4-6年，則對原設(shè)備進行大修理的方案為佳；如果設(shè)備使用6年以上到8年，則最佳方案是將原舊機床改裝為數(shù)控化機床；如果使用9年以上，則可更將普通機床更換為全新數(shù)控機床為最佳方案。因此通過以上經(jīng)濟性評價，對使用6到8年的普通車床，將其改造為數(shù)控化車床，是比較經(jīng)濟和可行的。1.3數(shù)控機床伺服系統(tǒng)的選擇 數(shù)控機床按伺服控制主要有三種類型，改造時，應(yīng)根據(jù)具體情況進行選擇。 1.3.1開環(huán)控制系統(tǒng) 系統(tǒng)的伺服驅(qū)動裝置主要是步進電機、功率步進電機、電液脈沖馬達等。由數(shù)控系統(tǒng)送出的進給指令脈沖，經(jīng)驅(qū)動電路控制和功率放大后，使步進電機轉(zhuǎn)動，通過齒輪副與滾珠絲杠副驅(qū)動執(zhí)行部件。只要控

25、制指令脈沖的數(shù)量、頻率以及通電順序，便可控制執(zhí)行部件運動的位移量、速度和運動方向。這種系統(tǒng)不需要將所測得的實際位置和速度反饋到輸入端，故稱該之為開環(huán)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的位移精度主要決定于步進電機的角位移精度，齒輪絲杠等傳動元件的節(jié)距精度，所以系統(tǒng)的位移精度較低。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試維修方便，工作可靠，成本低，易改裝成功。該機床數(shù)控化改造縱向和橫向進給伺服驅(qū)動選擇開環(huán)步進電機控制 1.3.2閉環(huán)控制系統(tǒng) 該系統(tǒng)與開環(huán)系統(tǒng)的區(qū)別是：由光柵、感應(yīng)同步器等位置檢測裝置測得的實際位置反饋信號，隨時與給定值進行比較，將兩者的差值放大和變換，驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)，以給定的速度向著消除偏差的方向運動，直到給定位置與反饋的實

26、際位置的差值等于零為止。閉環(huán)進給系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上比開環(huán)進給系統(tǒng)復(fù)雜，成本也高，對環(huán)境室溫要求嚴。設(shè)計和調(diào)試都比開環(huán)系統(tǒng)難。但是可以獲得比開環(huán)進給系統(tǒng)更高的精度，更快的速度，驅(qū)動功率更大的特性指標。可根據(jù)產(chǎn)品技術(shù)要求，決定是否采用這種系統(tǒng)。由于閉環(huán)控制代價高，適用于精密和高精密數(shù)控機床，對于經(jīng)濟型數(shù)控機床選擇此系統(tǒng)，無疑提高了它的成本和調(diào)試難度。 1.3.3半閉環(huán)控制系統(tǒng) 半閉環(huán)系統(tǒng)檢測元件安裝在中間傳動件上，間接測量執(zhí)行部件的位置。它只能補償系統(tǒng)環(huán)路內(nèi)部部分元件的誤差，因此，它的精度比閉環(huán)系統(tǒng)的精度低，但是它的結(jié)構(gòu)與調(diào)試都較閉環(huán)系統(tǒng)簡單。在將角位移檢測元件與速度檢測元件和伺服電機作成一個整體時則無

27、需考慮位置檢測裝置的安裝問題。由于它的性價比高，大部分普通機床數(shù)控化改造都采用此系統(tǒng)。二、車床改造方案的確定數(shù)控技術(shù)改造機床是建立在微電子現(xiàn)代技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合的基礎(chǔ)上。在數(shù)控改造中引入單片機的應(yīng)用，不但技術(shù)上具有先進性，同時，在應(yīng)用上比其它傳統(tǒng)的自動化改裝方案有通用性與協(xié)調(diào)性。我們在實現(xiàn)對機床的改造的過程中堅持這樣一條原則：在盡量不改變車床原有功能的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)自動控制的目的，完成改造2.1 普通車床的構(gòu)成對普通車床的自動改造包括三大部分：機械部分、硬件（含電部分）、軟件部分。車床改造前，主要有以下幾部分構(gòu)成。車床部分名稱和用途如下：2.1.1 車頭部分1.車頭箱 用來帶動車床主軸及卡盤轉(zhuǎn)

28、動，變換箱外的手柄位置，可以使主軸得到各種不同的轉(zhuǎn)速。2.卡盤 用來夾住工件，并帶動工件一起轉(zhuǎn)動。2.1.2 掛輪箱部分用來把主軸的轉(zhuǎn)動傳給走刀箱。調(diào)換箱體內(nèi)的齒輪，并與走刀箱配合，可以車削各種不同螺距的螺紋。2.1.3 走刀部分1.走刀箱利用它內(nèi)部的齒輪機構(gòu)，可以把主軸的旋轉(zhuǎn)運動傳給絲杠，變換箱體外面的手柄位置，可以使主軸得到各種不同的轉(zhuǎn)速。2.用來車削螺紋。它能使拖板和車刀按要求的速比作很精確的直線移動。2.1.4 托板部分1.拖板箱 把絲杠的轉(zhuǎn)動傳給拖板部分，變換箱外的手柄位置，經(jīng)拖板部分使車刀作縱向或橫向走刀。2.托板 分大、中和小托板三種：大的是橫向車削工件時使用；中的是縱向和控制吃

29、道時使用；小的是橫向較短或者加工角度工件時用的。3.刀架 用來裝夾刀具。2.1.5 尾座用來安裝頂針，支頂較長工件。它還可以安裝各種切削刀具。2.1.6 床身用來支持和安裝車床的各個部件，床身上面有兩條精確的導(dǎo)軌。托板和尾座可沿著導(dǎo)軌移動。2.1.7 附件1.中心架 車削較長工件時用來支持工件。2.冷卻嘴 用來注入切削液。2.2 步進電機的控制選擇、安裝、與控制2.2.1步進電機的選擇改造后的車床屬于開環(huán)控制。改造系統(tǒng)選擇步進電機作為雙向進給驅(qū)動電動機。步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變成角位移或直線位移的一種增量運動電磁執(zhí)行元件。由于它的位移量和輸入脈沖同步，因而只要控制輸入脈沖數(shù)量、頻率及電機各組

30、的接通次序，便可精確地獲得所要求的轉(zhuǎn)角、速度和轉(zhuǎn)動方向，但同時應(yīng)注意電機的丟步，多步現(xiàn)象。步進電機定子上有a、b、c三相，當定子三相按順序輪流通電時，a、b、c三對磁極依次產(chǎn)生磁場吸引轉(zhuǎn)子一步一步運轉(zhuǎn)。為了改善步進電機工作性能，采用雙相輪流通電控制，由于兩相通電與單相輪流通電相比較轉(zhuǎn)子受力矩大一些，所以，工作穩(wěn)定不易丟步。但步矩角和單相的方式一樣。步進電機的選擇主要考慮以下幾個方面：1） 步矩角 2）最大靜轉(zhuǎn)矩 3)對于安裝條件而言的外形尺寸 首先，必須保證步進電機的輸出功率大于負載所需的功率，因此應(yīng)先計算機械系統(tǒng)的負載轉(zhuǎn)矩，使電機矩頻特性能有一定的量，以保證運行可靠，即在實際工作中，各種頻率

31、下的負載轉(zhuǎn)矩必須在矩頻特性曲線。一般來說，最大靜轉(zhuǎn)矩mmax大的電機，負載轉(zhuǎn)矩也大，通常取m/mmax=0.2-0.5。選擇步進電機時，應(yīng)使步矩角和機械系統(tǒng)匹配，可以達到機床使用要求的脈沖當量&（mm/脈沖）。步進電機在有載啟動時，其啟動頻率和矩頻特性用下式近似計算： fq=fq=(1-mf/m)(1+jf/j) 式中:m是啟動頻率下的由矩頻特性決定的步進電機轉(zhuǎn)矩（n/m） jf是負載慣量（nmss） fq是步進電機空載啟動頻率如負載參數(shù)無法確定，則可估算，當然還應(yīng)該結(jié)合電機溫升，供貸等具體條件而定。根據(jù)以上闡述，我們選擇了55bf003型步進電機，其基本參數(shù)如下表2-1：相數(shù)步距角電壓相電流

32、31.53a0.67n.m空載啟動頻率空載運行頻率分配方式外形尺寸180012000三相六拍55706表2-1 步進電機基本參數(shù)2.2.2 步進電機的安裝普通車床刀架滑移由兩個驅(qū)動裝置的滑移組成，與導(dǎo)軌平行方向和導(dǎo)軌垂直的水平方向，由于在這兩個方向可任意滑移，所以，刀架（包括刀具）可停留在加工有效區(qū)的任意位置。1.沿導(dǎo)軌方向：在這個方向上是由絲杠驅(qū)動，當溜板箱上手柄扳到自動走刀位置時，由驅(qū)動裝置的轉(zhuǎn)動，經(jīng)齒輪轉(zhuǎn)動，最后經(jīng)絲杠驅(qū)動實現(xiàn)導(dǎo)軌方向走刀過程。在動力來源上，由一個步進電機控制經(jīng)步進電機轉(zhuǎn)軸傳遞給一級齒輪，再經(jīng)齒輪嚙合傳遞給二級齒輪，二級齒輪軸向連接絲杠，最后，絲杠將動力傳給溜板箱，實現(xiàn)導(dǎo)

33、軌方向進給。2.與導(dǎo)軌垂直水平方向：將原有手柄手工進給改造，保留手柄部分，加裝第二個步進電機，將電機軸與原有絲杠連接起來。2.2.3 步進電機的控制如前所述，我們選擇了兩個方向,與導(dǎo)軌平行方向和與導(dǎo)軌垂直的水平方向作為雙坐標聯(lián)動，這樣刀具可在工作范圍內(nèi)任意一點工作，同時選擇了兩個步進電機對這兩個方向進行控制。對步進電機的控制，其方案有多種：硬件集成電路聯(lián)接、單片機、工業(yè)pc機、微機等。經(jīng)過綜合比較分析，我們選取了單片機，其主要原因如下：控制類微型計算機的典型機種是單片機，即將運算器、控制器、輸入輸出接口、部分存儲器以及其他一些邏輯部件集成在一片芯片上。這樣的單片計算機具有體積小、重量輕、耗電少

34、、功能強和價格低等特點；又由于數(shù)據(jù)大都是在芯片內(nèi)傳遞處理，所以運行速度快，抗干擾能力強，用于控制領(lǐng)域中是非常理想的，在國外一般稱為微控制器。單片機雖然從七十年代問世到現(xiàn)在只不過三十多年左右時間，但發(fā)展異常迅速，現(xiàn)在的單片機因其品種繁多，功能各異的優(yōu)點，應(yīng)用越來越廣泛。2.3 普通車床傳動系統(tǒng)的改造現(xiàn)有的普通車床有橫向和縱向兩個方向的進給，這兩個方向的傳動系統(tǒng)的改造示意圖如圖2-1所示： a)圖為縱向示意圖 b）圖為橫向示意圖4321圖 2-1（a）車床橫向傳動改造示意圖1.步進電機 2.諧波減速器 3.縱向進給絲杠 4.刀架7653421圖 2-1（b）車床縱向傳動改造示意圖1.縱向進給的驅(qū)動

35、絲杠 2.溜板箱 3.橫向進給的驅(qū)動絲杠 4.齒輪2 5.齒輪1 6.諧波減速器 7.電機2.4 車床改造機械部分具體零件的設(shè)計下面將詳細介紹（包括繪圖）機械部分所需的零件設(shè)計、零件結(jié)構(gòu)、尺寸等主要從下面幾個方面進行設(shè)計。1. 傳動穩(wěn)定 不影響精度或者精度必須滿足在要求的范圍內(nèi)。2. 結(jié)構(gòu)盡量簡單、傳動合理。3. 經(jīng)濟性好。圖(2-2)為橫向進給時所需的具體零件及零件裝配示意圖。1110987654321圖2-2橫向進給零件裝配示意圖。1.電機 2.螺釘 3.聯(lián)軸器 4.諧波減速器 5.薄片斜齒輪 6.支承軸 7.斜齒輪 8.橫向絲杠 9.下箱體 10.螺釘 11.上箱體圖2-3為縱向進給時所

36、需的具體零件及零件裝配示意圖987612345圖2-3 縱向進給零件裝配示意圖1.電機 2.螺釘 3.聯(lián)軸器 4.諧波減速器 5.縱向絲杠 6.聯(lián)軸器 7.下箱體 8.螺釘 9.上箱體2.5 驅(qū)動電路的確定從微機接口中輸出的電流為毫安能，它雖然不能驅(qū)動電機，這就必須針對計算機輸出電流進行放大，因此，必須有一套完整的功率放大電路，用它去驅(qū)動步進電機。三 改造車床主軸及控制系統(tǒng)3.1改進主軸電機3.1.1主軸脈沖編碼器的概述脈沖編碼器又稱脈沖發(fā)生器，它是一種直接用數(shù)字代碼表示角位移及線位移的檢測器。能把機械轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)變成電脈沖，是數(shù)控機床上使用廣泛的位置控制裝置。脈沖編碼器控制方式的特點： （1）控制

37、方式是非接觸式的，無摩擦和磨損，驅(qū)動力矩小。 （2）由于光電交換器性能的提高，可得到較快的響應(yīng)速度。 （3）由于照像腐蝕技術(shù)的提高，可以制造高分辨率、高精度的光電盤，母盤制作后，復(fù)制很方便，且成本底。 （4）抗污染能力差，容易損壞。3.2 改進刀架3.2.1改造刀架的目的普通車床的上帶有手動刀架。根據(jù)加工要求和生產(chǎn)情況，對刀架進行改造，提高生產(chǎn)率、降低工人勞動強度、為實現(xiàn)自動化加工提供前提條件。3.2.2刀架的選擇經(jīng)過比較，選用常州宏達機床設(shè)備廠生產(chǎn)的ld4c0625型四工位電動刀架。作為車床的電動刀架?？梢酝瓿纱志嚕嚶菁y和切槽（斷）等加工的換刀工作，結(jié)構(gòu)簡單且實用。刀架的轉(zhuǎn)速驅(qū)動由三相微

38、型異步電動機來驅(qū)動完成3.2.3刀架的工作原理在加工過程中，選刀時在程序中輸入被選刀具的的txx（刀具號）和dxx（刀沿號）。pcu單元通過plc的輸出端口通過x111的q0.4接通電動刀架的正轉(zhuǎn)繼電器使刀架正轉(zhuǎn)，當所選刀具到達加工位置時，刀架上的集成霍爾單元則發(fā)出信號，通過plc輸入端口將x111的i0.0i0.3信息傳遞給puc單元結(jié)束選刀。3.3 x、z軸的限位輸入端設(shè)置為負邏經(jīng)過分析現(xiàn)有數(shù)控機床的限位控制電路的缺陷，想出一種新的限位控制方式，既負邏輯控制。其基本思路是：使用限位行程開關(guān)的常閉觸點，當限位開關(guān)沒有壓下i/o點與24v斷開，機床限位。這種接法消除因線路開路而產(chǎn)生限位失靈現(xiàn)象

39、，提高了限位電路的可靠性。限位輸入端采用負邏輯需對系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)進行修改。 采用負邏輯的輸入方法，這樣有利害、于提高數(shù)控機床的可靠性和安全性。如果機床的電路采用傳統(tǒng)的繼點器，接觸器等元件實現(xiàn)邏輯功能則不宜采用負邏輯，因為他會導(dǎo)致部分繼電器，接觸器處于始終接觸狀態(tài)。這會造成損耗大，元件升溫，壽命縮短等問題，并且元件間機械接觸，還會因為震動等因素造成誤動作?，F(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)其控制邏輯由邏輯電子線路實現(xiàn)，不會出現(xiàn)以上問題，本次數(shù)控改造使用的數(shù)控西門子802d數(shù)控系統(tǒng)，實現(xiàn)負邏輯輸入要軟件，硬件兩方面配合才能實現(xiàn)。 硬件連接 數(shù)控機床中plc的輸入點有以下兩中連接方法，其原理是：當機床運動超程時壓下行程開

40、關(guān)sq1，sq1閉合plc內(nèi)的光點歐合器件得點，plc認為該點的邏輯值為“1”，信號有效，plc執(zhí)行相關(guān)操作。這種方法的缺點在于當+叢4v端子到plc輸入點之間的線路接觸不良或開路則會造成sq1無效（即使sq1被牙下閉合），而導(dǎo)致機床出現(xiàn)大事故。負邏輯輸入的連接方法，信號輸入使用行程開關(guān)的常閉觸點。當正常情況下sq1是閉合的。該輸入點的邏輯值為（1），當sq1被壓下斷開時輸入點邏輯值為“1”設(shè)為無效狀態(tài)，而邏輯值“0”設(shè)定為有效狀態(tài)。如果從+24端子到plc的輸入點之間的線路出現(xiàn)開或接觸不良時，該點被認為有效，機場會立即報警，必須在電路連接良好的情況下才能正常運行。這中方法排除了因限位電路開路

41、而造成的故障的可能性，機床的安全性得到提高。 軟件設(shè)置 負邏輯需要把邏輯“1”改為無效狀態(tài)而邏輯“0”為有效狀態(tài)。其方法有兩種： （1）在plc編程時通過程序?qū)崿F(xiàn)。 （2）通過設(shè)定機床參數(shù)實現(xiàn)。 在這兩種方法種，要求數(shù)控系統(tǒng)具有可以對其plc輸入，輸出端口的邏輯有效狀態(tài)進行修改的功能。西門子的sinumerik 802s數(shù)控系統(tǒng)既有此功能。本次改造對限位等影響機床安全的輸入點才用負邏輯就是采用的第2種方法。 采用負邏輯存在的問題及對策 數(shù)控機床的plc輸入點采用負邏輯輸入的方法使輸入電路中的光電藕合器的發(fā)光二極管長期處于通電狀態(tài)。但是由于該發(fā)光二極管的工作電流很?。ㄖ挥袔缀涟玻斎腚娐分幌募?/p>

42、使毫瓦）因此系統(tǒng)的消耗增加對功率幾千瓦的機床來說可以忽略不計，同時發(fā)光二極管是冷光源，也不會導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)熱。光點耦合器的工作壽命大于10萬小時，以每臺機床每天工作10小時計，可以保證機床正常工作20多年，對機床壽命也不會造成影響 四 步進電機控制系統(tǒng)的設(shè)計4.1 步進電機的控制方案4.1.1基于電子電路控制步進電機受電脈沖信號控制，電脈沖信號的產(chǎn)生、分配、放大全靠電子元器件的動作來實現(xiàn)。由于脈沖控制信號的驅(qū)動能力一般都很弱，因此必須有功率放大驅(qū)動電路。步進電機與控制電路、功率放大驅(qū)動電路組成一體，構(gòu)成步進電機驅(qū)動系統(tǒng)。此種控制電路設(shè)計簡單，功能強大，可實現(xiàn)一般步進電機的細分任務(wù)。這個系統(tǒng)由三部分

43、組成：脈沖信號產(chǎn)生電路、脈沖信號分配電路、功率放大驅(qū)動電路。系統(tǒng)組成如下所示。 圖5-1 基于電子電路控制系統(tǒng)此種方案即可為開環(huán)控制，也可閉環(huán)控制。開環(huán)時，其平穩(wěn)性好，成本低，設(shè)計簡單，但未能實現(xiàn)高精度細分。采用閉環(huán)控制，即能實現(xiàn)高精度細分，實現(xiàn)無級調(diào)速。閉環(huán)控制是不斷直接或間接地檢測轉(zhuǎn)子的位置和速度，然后通過反饋和適當?shù)奶幚恚詣咏o出脈沖鏈，使步進電機每一步響應(yīng)控制信號的命令，從而只要控制策略正確電機不可能輕易失步。該方案多通過一些大規(guī)模集成電路來控制其脈沖輸出頻率和脈沖輸出數(shù)，功能相對較單一，如需改變控制方案，必須需重新設(shè)計，因此靈活性不高。4.1.2 基于單片機控制采用單片機來控制步進電

44、機，實現(xiàn)了軟件與硬件相結(jié)合的控制方法,達到了對步進電機的最佳控制。系統(tǒng)中采用單片機接口線直接去控制步進電機各相驅(qū)動線路。由于單片機的強大功能，還可設(shè)計大量的外圍電路，鍵盤作為一個外部中斷源，設(shè)置了步進電機正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、檔次、停止等功能，采用中斷和查詢相結(jié)合的方法來調(diào)用中斷服務(wù)程序，完成對步進電機的最佳控制，顯示器及時顯示正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)速度等狀態(tài)。本方案有以下優(yōu)點(1)單片機軟件編程可以使復(fù)雜的控制過程實現(xiàn)自動控制和精確控制，避免了失步、振蕩等對控制精度的影響：(2)大大提高了接口電路的靈活性和通用性(3)單片機的強大功能使顯示電路、鍵盤電路、復(fù)位電路等外圍電路有機的組合，大大提高系統(tǒng)的交互性?；谝?/p>

45、上優(yōu)點，本次設(shè)計采用基于單片機的控制方案。4.1.3 基于plc的控制plc也叫可編程控制器，是一種工業(yè)上用的計算機。plc作為新一代的工業(yè)控制器，由于具有通用性好、實用性強、硬件配套齊全、編程簡單易學(xué)和可靠性高等優(yōu)點而廣泛應(yīng)用于各行業(yè)的自動控制系統(tǒng)中。步進電機控制系統(tǒng)有plc、環(huán)形分配器和功率驅(qū)動電路組成?？刂葡到y(tǒng)采用plc來產(chǎn)生控制脈沖。通過plc編程輸出一定數(shù)量的方波脈沖，控制步進電機的轉(zhuǎn)角進而控制伺服機構(gòu)的進給量，同時通過編程控制脈沖頻率來控制步進電機的轉(zhuǎn)動速度，進而控制伺服機構(gòu)的進給速度。環(huán)形脈沖分配器將plc輸出的控制脈沖按步進電機的通電順序分配到相應(yīng)的繞組。plc控制的步進電機可

46、以采用軟件環(huán)形分配器，也可采用硬件環(huán)形分配器。采用軟件環(huán)形分配器占用plc資源較多，特別是步迸電機繞組相數(shù)大于4時，對于大型生產(chǎn)線應(yīng)該予以考慮。采用硬件環(huán)形分配器，雖然硬件結(jié)構(gòu)稍微復(fù)雜些，但可以節(jié)省plc資源，目前市場有多種專用芯片可以選用。步進電機功率驅(qū)動電路將plc輸出的控制脈沖放大，達到比較大的驅(qū)動能力，來驅(qū)動步進電機。采用軟件來產(chǎn)生控制步進電機的環(huán)型脈沖信號，并用plc中的定時器來產(chǎn)生速度脈沖信號，這樣就可以省掉專用的步進電機驅(qū)動器，降低硬件成本。但由于plc的掃描周期一般為但由于plc的掃描周期一般為幾毫秒到幾十毫秒，相應(yīng)的頻率只能達到幾百赫茲，因此，受到plc工作方式的限制及其掃描

47、周期的影響，步進電機不能在高頻下工作，無法實現(xiàn)高速控制。并且在速度較高時，由于受到掃描周期的影響，相應(yīng)的控制精度就降低了。4.2 步進電機的恒速控制要實現(xiàn)這樣的分配方案，只需pa口順序輸出二進制控制字001h、011h、010h、110h、100h、101h即可；電機反方向旋轉(zhuǎn)時，輸出順序相反。4.2.1脈沖頻率的實現(xiàn)每輸出一個控制字就相當于發(fā)送一個步進脈沖，脈沖與脈沖之間應(yīng)有時間間隔，即脈沖周期，它反映了步進電機的步進頻率，即速度。實現(xiàn)脈沖周期的方法很簡單，主要有兩種：利用程序循環(huán)延時和利用定時器中斷。前者占用計算機機時較嚴重，計算機延時階段將不能處理其他事務(wù)，且延時不很準確，但實現(xiàn)簡單，不

48、占用計算機硬件資源，主要用于較空閑的場合；后者可以精確定時，不占用空間，但有時需要系統(tǒng)另行擴展定時器。4.2.2軟件的編寫在實際編寫控制程序時，對環(huán)形分配器的實現(xiàn)常常采用脈沖分配表的辦法，即把各相通電的控制字存放在一串連續(xù)的存儲單元中，形成所謂的脈沖分配表，輸出時采用查表的方法將控制字順序取出。下圖給出了采用程序延時的方法，步進電機單向旋轉(zhuǎn)的程序原理框圖。實際編寫程序時還應(yīng)加上正反轉(zhuǎn)的判斷，反轉(zhuǎn)時反向查表，另外，運行總步數(shù)至少應(yīng)放在兩個字節(jié)內(nèi)。nya (dptr+r1)pa口 a r0 r0-1r0=0延時子程序結(jié)束開始r0 運行總步數(shù)dptr 首地址循環(huán)步數(shù) r1a圖5-2 步進電機恒速控制

49、流程圖4.3 步進電機的變速控制 如果步進電機穩(wěn)定運行的速度很高，那么在控制系統(tǒng)中應(yīng)該加入變速控制的內(nèi)容，這主要時收步進電機啟動頻率的限制。步進電機適應(yīng)速度突變的能力比較差，其極限頻率一般比連續(xù)運行頻率低十幾倍，如果實際啟動頻率高于電機的極限啟動頻率，電機將發(fā)生失步現(xiàn)象或根本不能啟動，所以必須以低于極限啟動頻率的頻率啟動。如果連續(xù)運行頻率很高的話，則會有一個加速過程；反之，電機從一個較高的運行頻率到靜止，也必須有一個減速的過程，否則會出現(xiàn)過沖現(xiàn)象。步進電機的升降速過程可以按直線規(guī)律或指數(shù)規(guī)律變化，前者屬于恒加速過程，平穩(wěn)性好，速度變化范圍大，適于快速定位等過程；后者加減速時間短，跟蹤能力強。在實際應(yīng)用中，完全可以用多段的直線變化去逼近指數(shù)變化，這里采用恒加速過程。本設(shè)計中采用軟件自動升降速控制。在步進電機的控制當中，運行步數(shù)就是步進脈沖數(shù)，是步進電機是否運行到終點的判別條件，延時參數(shù)就是控制脈沖的時間間隔，稱作步進周期。電機恒速時，步進周期為常數(shù)，變速時，步進周期要發(fā)生變化：周期變小，電機加速，周期變大，電機減速。所以，對步進電