普通車床數(shù)控研究及改造設(shè)計方案11904

1、摘 要：針對現(xiàn)有常規(guī)CA6140普遍車床 的缺點提出數(shù)控改裝方案和單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計，提高加工精度和擴(kuò)大機(jī)床使用范圍，并提高生產(chǎn)率。 本論文說明了普通車床的數(shù)控化改造的設(shè)計過程，較詳盡地介紹了CA6140機(jī)械改造部分的設(shè)計及 數(shù)控系統(tǒng)部分的設(shè)計。采用以 8031為 CPU 的控制系統(tǒng)對信號進(jìn)行處理，由 I/O 接口輸出步進(jìn)脈沖，經(jīng)一級齒輪傳動減速后，帶動滾動絲杠轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)縱向、橫向的進(jìn)給運(yùn)動。關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床，單片機(jī)數(shù)控系統(tǒng) ，改裝設(shè)計一、概述機(jī)床作為機(jī)械制造業(yè)的重要基礎(chǔ)裝備，它的發(fā)展一直引起人們的關(guān)注， 由于計算機(jī)技術(shù)的興起，促使機(jī)床的控制信息出現(xiàn)了質(zhì)的突破，導(dǎo)致了應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)進(jìn)行柔性自動

2、化控制的新一代機(jī)床數(shù)控機(jī)床的誕生和發(fā)展。計算機(jī)的出現(xiàn)和應(yīng)用，為人類提供了實現(xiàn)機(jī)械加工工藝過程自動化的理想手段。 隨著計算機(jī)的發(fā)展， 數(shù)控機(jī)床也得到迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用，同時使人們對傳統(tǒng)的機(jī)床傳動及結(jié)構(gòu)的概念發(fā)生了根本的轉(zhuǎn)變。數(shù)控機(jī)床以其優(yōu)異的性能和精度、靈捷而多樣化的功能引起世人矚目，并開創(chuàng)機(jī)械產(chǎn)品向機(jī)電一體化發(fā)展的先河。數(shù)控機(jī)床是以數(shù)字化的信息實現(xiàn)機(jī)床控制的機(jī)電一體化產(chǎn)品，它把 刀具和工件之間的相對位置，機(jī)床電機(jī)的啟動和停止， 主軸 變速，工件松開和夾緊，刀具 的選擇， 冷卻泵的起停等各種操作和順序動作等信息用代碼化的數(shù)字記錄在控制介質(zhì)上，然后將數(shù)字信息送入數(shù)控裝置或計算機(jī)，經(jīng)過譯碼， 運(yùn)

3、算， 發(fā)出各種指令控制機(jī)床 伺服系統(tǒng) 或其它的執(zhí)行元件，加工出所需的工件。數(shù)控機(jī)床與普通機(jī)床相比，其主要有以下的優(yōu)點：1.適應(yīng)性強(qiáng)，適合加工單件或小批量的復(fù)雜工件；在數(shù)控機(jī)床上改變加工工件時，只需重新編制新工件的加工程序，就能實現(xiàn)新工件加工。2.加工精度高；3.生產(chǎn)效率高；4.減輕勞動強(qiáng)度，改善勞動條件；5.良好的經(jīng)濟(jì)效益；6.有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化。數(shù)控機(jī)床已成為我國市場需求的主流產(chǎn)品，需求量逐年激增。 我國數(shù)控機(jī)機(jī)床近幾年在產(chǎn)業(yè)化和產(chǎn)品開發(fā)上取得了明顯的進(jìn)步，特別是在機(jī)床的高速化、多軸化、 復(fù)合化、精密化方面進(jìn)步很大。 但是，國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床與先進(jìn)國家的同類產(chǎn)品相比，還存在差距， 還不能滿足國

4、家建設(shè)的需要。我國是一個機(jī)床大國，有三百多萬臺普通機(jī)床。但機(jī)床的素質(zhì)差，性能落后，單臺機(jī)床的平均產(chǎn)值只有先進(jìn)工業(yè)國家的1/10 左右，差距太大，急待改造。舊機(jī)床的數(shù)控化改造， 顧名思義就是在普通機(jī)床上增加微機(jī)控制裝置， 使其具有一定的自動化能力， 以實現(xiàn)預(yù)定的加工工藝目標(biāo)。 隨著數(shù)控機(jī)床越來越多的普及應(yīng)用， 數(shù)控機(jī)床的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益為大家所理解。 在國內(nèi)工廠的技術(shù)改造中， 機(jī)床的微機(jī)數(shù)控化改造已成為重要方面。 許多工廠一面購置數(shù)控機(jī)床一面利用數(shù)控、數(shù)顯、 PC 技術(shù)改造普通機(jī)床，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。我國經(jīng)濟(jì)資源有限，國家大， 機(jī)床需要量大， 因此不可能拿出相當(dāng)大的資金去購買新型的數(shù)控機(jī)床，而

5、我國的舊機(jī)床很多，用經(jīng)濟(jì)型 數(shù)控系統(tǒng) 改造普通機(jī)床， 在投資少的情況下，使其既能滿足加工的需要，又能提高機(jī)床的自動化程度，比較符合我國的國情。1984 年，我國開始生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng) ，并用于改造舊機(jī)床。到目前為止， 已有很多廠家生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng) ?？梢灶A(yù)料，今后，機(jī)床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控化改造將迅速發(fā)展和普及。所以說，本畢業(yè)設(shè)計實例具有典型性和實用性。二、總體方案的設(shè)計2.1 設(shè)計任務(wù)本設(shè)計任務(wù)是對CA6140 普通車床 進(jìn)行數(shù)控改造。利用微機(jī)對縱、橫向進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行開環(huán)控制，縱向（ Z 向）脈沖當(dāng)量為0.01mm/ 脈沖，橫向（X 向）脈沖當(dāng)量為0.005mm/ 脈沖，驅(qū)動元件采用 步進(jìn)電機(jī) ，傳

6、動系統(tǒng)采用滾珠絲杠副，刀架采用自動轉(zhuǎn)位刀架。2.2 總體方案的論證對于普通機(jī)床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造，在確定總體設(shè)計方案時，應(yīng)考慮在滿足設(shè)計要求的前提下，對機(jī)床的改動應(yīng)盡可能少，以降低成本。1) 數(shù)控系統(tǒng) 運(yùn)動方式的確定 數(shù)控系統(tǒng) 按運(yùn)動方式可分為點位控制系統(tǒng)、 點位直線控制系統(tǒng)、連續(xù)控制系統(tǒng)。由于要求CA6140車床加工復(fù)雜輪廓零件，所以本微機(jī)數(shù)控系統(tǒng) 采用兩軸聯(lián)動連續(xù)控制系統(tǒng)。2) 伺服進(jìn)給系統(tǒng)的改造設(shè)計數(shù)控機(jī)床的伺服進(jìn)給系統(tǒng)有開環(huán)、半閉環(huán)和閉環(huán)之分。因為開環(huán)控制具有結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計制造容易、控制精度較好、容易調(diào)試、價格便宜、使用維修方便等優(yōu)點。所以，本設(shè)計決定采用開環(huán)控制系統(tǒng)。3) 數(shù)控系統(tǒng) 的

7、硬件電路設(shè)計任何一個 數(shù)控系統(tǒng) 都由硬件和軟件兩部分組成。硬件是數(shù)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)，性能的好壞直接影響整體數(shù)控系統(tǒng) 的工作性能。 有了硬件， 軟件才能有效地運(yùn)行。在設(shè)計的數(shù)控裝置中，CPU 的選擇是關(guān)鍵，選擇CPU 應(yīng)考慮以下要素：（ 1 ）時鐘頻率和字長與被控對象的運(yùn)動速度和精度密切相關(guān)；（ 2 ）可擴(kuò)展存儲器的容量與數(shù)控功能的強(qiáng)弱相關(guān)；（ 3 ） I/O 口擴(kuò)展的能力與對外設(shè)控制的能力相關(guān)。除此之外， 還應(yīng)根據(jù) 數(shù)控系統(tǒng) 的應(yīng)用場合、控制對象以及各種性能、參數(shù)要求等，綜合起來考慮以確定 CPU 。在我國， 普通機(jī)床數(shù)控改造方面應(yīng)用較普遍的是Z80CPU和 MCS-51系列單片機(jī)，主要是因為它們

8、的配套芯片便宜，普及性、通用性強(qiáng)，制造和維修方便，完全能滿足經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床的改造需要。本設(shè)計中是以MCS-51 系列單片機(jī)，51 系列相對 48系列指令更豐富， 相對 96 系列價格更便宜， 51 系列中，是無 ROM 的 8051，8751是用 EPROM代替 ROM 的 8051 。目前，工控機(jī)中應(yīng)用最多的是8031 單片機(jī)。本設(shè)計以 8031 芯片為核心，增加存儲器擴(kuò)展電路、接口和面板操作開關(guān)組成的控制系統(tǒng)。2.3 總體方案的確定經(jīng)總體設(shè)計方案的論證后，確定的 CA6140 車床 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造示意圖。CA6140 車床的主軸轉(zhuǎn)速部分保留原機(jī)床的功能，即手動變速。車床 的縱向（ Z 軸）

9、和橫向（ X 軸）進(jìn)給運(yùn)動采用 步進(jìn)電機(jī) 驅(qū)動。由8031 單片機(jī)組成微機(jī)作為數(shù)控裝置的核心，由I/O 接口、環(huán)形分配器與功率放大器一起控制步進(jìn)電機(jī) 轉(zhuǎn)動，經(jīng)齒輪減速后帶動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn) 車床 的縱向、 橫向進(jìn)給運(yùn)動。 刀架改成由微機(jī)控制的經(jīng)電機(jī)驅(qū)動的自動控制的自動轉(zhuǎn)位刀架。為保持切削螺紋的功能，必須安裝 主軸脈沖發(fā)生器， 為此采用 主軸 靠同步齒形帶使脈沖發(fā)生器同步旋轉(zhuǎn)，發(fā)出兩路信號：每轉(zhuǎn)發(fā)出的脈沖個數(shù)和一個同步信號，經(jīng)隔離電路以及I/O 接口送給微機(jī)。三、微機(jī) 數(shù)控系統(tǒng) 硬件電路設(shè)計3.1 微機(jī) 數(shù)控系統(tǒng) 硬件電路總體方案設(shè)計本系統(tǒng)選用8031CPU作為數(shù)控系統(tǒng) 的中央處理機(jī)。 外

10、接一片2764EPROM，作為監(jiān)控程序的程序存儲器和存放常用零件的加工程序。再選用一片6264RAM用于存放需要隨機(jī)修改的零件程序、 工作參數(shù)。 采用譯碼法對擴(kuò)展芯片進(jìn)行尋址，采用 74LS138譯碼器完成此功能。8279 作為系統(tǒng)的輸入輸出口擴(kuò)展， 分別接鍵盤的輸入、 輸出顯示， 8255 接步進(jìn)電機(jī) 的環(huán)形分配器，分別并行控制 X 軸和 Z 軸的步進(jìn)電機(jī) 。另外，還要考慮機(jī)床與單片機(jī)之間的光電隔離，功率放大電路等。各引腳功能簡要介紹如下：1) 源引腳VSS ：電源接地端。VCC ： 5V 電源端。2) 輸入 /輸出（ I/O ）口線 8031 單片機(jī)有 P0 、P1 、P2 、P3 4個端

11、口，每個端口8根I/O 線。當(dāng)系統(tǒng)擴(kuò)展外部存儲器時，P0 口用來輸出低 8 位并行數(shù)據(jù)，P2 口用來輸出高8 位地址，P3 口除可作為一個 8 位準(zhǔn)雙向并行口外， 還具有第二功能， 各引腳第二功能定義如下： P3.0RXD ：串行數(shù)據(jù)輸入端。P3.1 TXD ：串行數(shù)據(jù)輸出端P3.2 INT0 ：外部中斷0 請求信號輸入端。P3.3 INT1 ：外部中斷1 請求信號輸入端。 P3.4 T0：定時器 /計數(shù)器 0 外部輸入端 P3.5T1 ：定時器 / 計數(shù)器 1 外部輸入端 P3.6 WR ：外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通。 P3.7 RD ：外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通。 在進(jìn)行第二功能操作前，對第二功能的輸

12、出鎖存器必須由程序置1 。3) 信號控制線 RST/VPD ：RST 為復(fù)位信號線輸入引腳， 在時鐘電路工作以后， 該引腳上出現(xiàn)兩個機(jī)器周期以上的高電平，完成一次復(fù)位操作。8031 單片機(jī)采用兩種復(fù)位方式：一種是加電自動復(fù)位，另一種為開關(guān)復(fù)位。ALE/PROG ： ALE 是地址鎖存允許信號。它的作用是把 CPU 從 P0 口分時送出的低8 位地址鎖存在一個外加的鎖存器中。外部程序存儲器讀選通信號。當(dāng)其為低電平時有效。VPP ：當(dāng) EA 為高電平且PC 值小于 0FFFH 時 CPU 執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器中的程序。當(dāng)EA為低電平時， CPU 僅執(zhí)行外部程序存儲器中的程序。XTAL1 ：震蕩器的反

13、相放大器輸入，使用外部震蕩器時必須接地；XTAL2 ：震蕩器的反相放大器輸出，使用外部震蕩器時，接收外圍震蕩信號；3.2 片外三總線結(jié)構(gòu)單片機(jī)在實際應(yīng)用中，常常要擴(kuò)展外部存儲器、I/O 口等。單片機(jī)的引腳，除了電源、復(fù)位、時鐘輸入以及用戶I/O 口外，其余的引腳都是為了實現(xiàn)系統(tǒng)擴(kuò)展而設(shè)置的，這些引腳構(gòu)成了三總線形式：1) 地址總線 AB地址總線寬度為16 位。因此， 外部存儲器直接尋址范圍為64KB 。由 P0 口經(jīng)地址鎖存器提供 16 位地址總線的低8 位地址（ A7 A0 ）， P2 口直接提供高8 位地址（ A15 A8 ）。2) 數(shù)據(jù)總線 DB數(shù)據(jù)總線寬度為8 位，由 P0 口提供。3

14、) 控制總線 CB控制總線由第二功能狀態(tài)下的P3 口和 4 根獨立的控制線RST 、 EA 、 ALE 和 PSEN 組成。8255A 可編程并行I/O 口擴(kuò)展芯片8255A 可編程并行I/O 口擴(kuò)展芯片可以直接與MCS 系列單片機(jī)系統(tǒng)總線連接，它具有三個8 位的并行I/O 口，具有三種工作方式，通過編程能夠方便地采用無條件傳送、查詢傳送或中斷傳送方式完成CPU 與外圍設(shè)備之間的信息交換。8255A 的結(jié)構(gòu)及引腳功能：8255A 的結(jié)構(gòu)8255A 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括三個 8 位并行數(shù)據(jù) I/O 端口，二個工作方式控制電路，一個讀制邏輯電路和一個 8 位數(shù)據(jù)總線緩沖器。各部分功能介紹如下：/寫控（1）三個 8 位并行 I/O 端口 A、 B、 CA 口：具有一個8 位數(shù)據(jù)輸出鎖存 / 緩沖器和一個8 位數(shù)據(jù)輸入鎖存器。 可編程為 8 位輸入、或 8 位輸出、或8 位雙向寄存器。B 口：具有一個8 位數(shù)據(jù)輸出鎖存 / 緩沖器和一個8 位輸入或輸出寄存器，但不能雙向輸入/輸出。C 口：具有一個8 位數(shù)據(jù)輸出鎖存 /緩沖器和一個8 位數(shù)據(jù)輸入緩沖器， C 口可分作兩個4位口，用于輸入或輸出，也可作為A 口和 B 口選通方式工作時的狀態(tài)控制信號。（2 ）工作方式控制電路A、B 兩組控制電路把三個端口分成A、 B 兩組， A 組