c6132普通車床;-數(shù)控化改造-機械制造-機電一體化-數(shù)控技術(shù)畢業(yè)論文-課程設(shè)計

實用文檔PAGEIPAGEXXXV摘要機床數(shù)控化改造的研究是提高我國技術(shù)裝備水平的重要項目，在我國目前由于數(shù)控機床的加工能力和資金受限，對機床進行數(shù)控化改造是一條節(jié)約資金、快速有效的途徑。本文對C6132普通車床數(shù)控化改造進行了深入研究，包括對機床改造進行可行性分析、對機床關(guān)鍵部件參數(shù)的計算、對機床結(jié)構(gòu)的設(shè)計、對機床改造方案優(yōu)化選擇、選擇合適的機床伺服系統(tǒng)和計算機系統(tǒng)，以及在改造中應(yīng)注意的事項等進行了詳細(xì)的論述。結(jié)果表明:經(jīng)改造后的機床已達到預(yù)期的功能和精度，完全能實現(xiàn)加工外圓、錐度、螺紋、端面等的自動控制，提高了原機床的生產(chǎn)效率，降低了勞動強度。關(guān)鍵詞:c6132普通車床;數(shù)控化改造;步進電機;經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)

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目錄摘要 IABSTRACT II1緒論 11.1數(shù)控技術(shù)與數(shù)控機床 11.2機床數(shù)控化改造的興起及意義 11.2.1國外機床改造業(yè)的興起 11.2.2我國機床數(shù)控化改造的意義 11.3本文所研究的主要內(nèi)容 21.3本章小結(jié) 32車床總體改造方案設(shè)計 42.1總體方案設(shè)計 42.2主傳動系統(tǒng)的改造 42.2.1主軸無級變速的實現(xiàn) 42.2.2主軸脈沖編碼器的安裝 52.3橫向進給傳動系統(tǒng)的改造 62.3.1橫向傳動系統(tǒng)的改造 62.3.2齒輪傳動間隙的消除 62.4導(dǎo)軌的改造 72.5刀架部分的改造 82.6數(shù)控系統(tǒng)的類型及選擇 102.6.1數(shù)控系統(tǒng)的分類 102.6.2數(shù)控系統(tǒng)的選擇 112.7計算機系統(tǒng)的選擇 112.8本章小結(jié) 123C6132車床數(shù)控化改造機械部分改造設(shè)計與計算 133.1縱向進給系統(tǒng)的設(shè)計計算 133.1.1切削力計算 133.1.3同步帶減速箱設(shè)計 153.1.4步進電動機的選擇 173.2橫向進給系統(tǒng)的計算 193.3車床改造的機械結(jié)構(gòu)特點 193.3.1縱向滾珠絲杠 193.3.2橫向滾珠絲杠 203.3.3滾珠絲杠螺母副的設(shè)計、計算和選型 203.3.4導(dǎo)軌副 203.3.5主軸脈沖發(fā)生器 203.3.6安裝電動卡盤 213.4 安裝 213.5本章小結(jié) 224電氣控制部分設(shè)計 234.1硬件電路設(shè)計 234.2單片機數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計內(nèi)容 234.3MCS--51系列單片機簡介 254.4存儲器擴展電路設(shè)計 264.4.1地址鎖存器選用 264.4.2外部程序存儲器選擇 264.4.3內(nèi)部程序存儲器選擇 264.4.4外部I/O接口電路的擴展 264.4.5鍵盤接口電路的設(shè)計 274.5譯碼電路設(shè)計 274.6其他輔助電路設(shè)計 284.7步進電機的控制 284.7.1步進電機的工作原理 284.7.2步進電機的控制 294.7.3步進電機接口及驅(qū)動電路 294.8 C6132普通車床微機數(shù)控化改裝硬件設(shè)計說明 304.9控制軟件設(shè)計 314.9.1總體方案設(shè)計 324.9.2環(huán)形分配器軟件設(shè)計 324.9.3逐點比較法的直線插補軟件設(shè)計 334.9.4逐點比較法的圓弧插補軟件設(shè)計 334.9.5步進電機自動升降速控制 334.10本章小結(jié) 39結(jié)論 40致謝 41參考文獻 42附錄 43蘭州工業(yè)高等?？茖W(xué)校畢業(yè)設(shè)計（論文）PAGE11緒論1.1數(shù)控技術(shù)與數(shù)控機床數(shù)控技術(shù)，簡稱數(shù)控(NumericalCorltrol——NC)，是利用數(shù)字化信息對機械運動及加工過程進行控制的一種方法。由于現(xiàn)代數(shù)控都采用了計算機進行控制，因此，也可以稱為計算機數(shù)控(ComputerNumericalControl——CNC)。采用了數(shù)控技術(shù)進行控制的機床，或者說裝備了數(shù)控系統(tǒng)的機床稱為數(shù)控機床。它是一種綜合應(yīng)用了計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)、精密測量技術(shù)和機床設(shè)計等先進技術(shù)的典型機電一體化產(chǎn)品，是現(xiàn)代制造技術(shù)的基礎(chǔ)，它很好地解決了形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度要求高及小批量零件的加工問題且能穩(wěn)定產(chǎn)品的加工質(zhì)量，降低工人勞動強度，大幅度提高生產(chǎn)效率。機床控制也是數(shù)控技術(shù)應(yīng)用最早、最廣泛的領(lǐng)域，因此，數(shù)控機床的水平代表了當(dāng)前數(shù)控技術(shù)的發(fā)展水平和方向。與普通機床相比，數(shù)控機床能夠自動換刀、自動變更切削參數(shù)，完成平面、回旋面、平面曲線的加工，加工精度和生產(chǎn)效率都比較高，因而應(yīng)用日益廣泛。1.2機床數(shù)控化改造的興起及意義1.2.1國外機床改造業(yè)的興起在美國、日本和德國等發(fā)達國家，他們的機床改造業(yè)作為新的經(jīng)濟增長行業(yè)，生氣盎然，正處在黃金時期。由于機床以及數(shù)控技術(shù)的不斷進步，機床改造成了一個“永恒"的課題。在美國、日本、德國，用數(shù)控技術(shù)改造機床和生產(chǎn)線具有廣闊的市場，這已形成了機床和生產(chǎn)線數(shù)控改造的新的行業(yè)。在美國,機床改造業(yè)稱為機床再生(Remanufacturing)業(yè)。從事再生業(yè)的著名公司有：Bertsche工程公司、ayton機床公司、DeVlieg—BuUavd(得寶)服務(wù)集團、US設(shè)備公司等。美國得寶公司已在中國開辦公司。在日本，機床改造業(yè)稱為機床改裝(Retrofitting)業(yè)。從事改裝業(yè)的著名公司有：大限工程集團、崗三機械公司、千代田工機械公司、野崎工程公司、濱田工程公司、山本工程公司等。1.2.2我國機床數(shù)控化改造的意義我國目前機床總量約400萬臺，其中數(shù)控機床總數(shù)只有20萬臺，即我國機床數(shù)控化率僅為5％左右，而國外發(fā)達國家的機床數(shù)控化率，多年前就達到20％以上。我國機床役齡10年以上的占60％以上；役齡10年以下的機床中，自動／半自動機床不到20％，F(xiàn)MC／FMS等自動化生產(chǎn)線更屈指可數(shù)(美國和日本自動和半自動機床占60％以上)?？梢娢覀兊拇蠖鄶?shù)制造行業(yè)和企業(yè)的生產(chǎn)、加工裝備絕大多數(shù)是傳統(tǒng)的機床，而且半數(shù)以上是役齡在10年以上的舊機床。用這種裝備加工出來的產(chǎn)品普遍存在質(zhì)量差、品種少、檔次低、成本高、供貨期長等現(xiàn)象，從而在國際、國內(nèi)市場上缺乏競爭力，直接影響一個企業(yè)的產(chǎn)品、市場、效益，影響企業(yè)的生存和發(fā)展，所以必須大力提高機床的數(shù)控化率。目前各企業(yè)都有大量的普通機床，完全用數(shù)控機床來替換根本不現(xiàn)實，而且替換下來的舊機床閑置起來又會造成浪費，要解決這些問題，應(yīng)走普通機床的數(shù)控化改造之路。從美國、日本等國家工業(yè)現(xiàn)代化進程看，機床的數(shù)控化改造也必不可少，數(shù)控改造機床占有較大比例。如日本的大企業(yè)中有26％的機床經(jīng)過數(shù)控改造，中小型企業(yè)則是74％，在美國有許多數(shù)控專業(yè)化公司，為世界各地提供機床數(shù)控化改造服務(wù)。因此，普通機床的數(shù)控化改造不但有存在的必要，而且大有可為，尤其對一些中小型企業(yè)更是如此。利用現(xiàn)有閑置的舊機床，通過數(shù)控化改造，使其成為一臺高效、多功能的數(shù)控機床，投資少、見效快，是一種盤活存量資產(chǎn)的有效方法，也是低成本實現(xiàn)自動化的有效方法，也是在短期內(nèi)提高我國機床的數(shù)控化率的一條有效途徑。另外對普通機床進行數(shù)控化改造有許多積極的意義:1）節(jié)省資金。機床的數(shù)控改造同購置新機床相比一般可節(jié)省60%左右的費用，大型及特殊設(shè)備尤為明顯。一般大型機床改造只需花新機床購置費的1/3，即使將原機床的結(jié)構(gòu)進行徹底改造升級也只需花費購買新機床60%的費用，并可以利用現(xiàn)有地基。2）性能穩(wěn)定可靠。因原機床各基礎(chǔ)件經(jīng)過長期時效，幾乎不會產(chǎn)生應(yīng)力變形而影響精度。3）提高生產(chǎn)效率。機床經(jīng)數(shù)控改造后即可實現(xiàn)加工的自動化，效率可比傳統(tǒng)機床提高3至5倍。對復(fù)雜零件而言難度越高功效提高得越多，且可以不用或少用工裝，不僅節(jié)約了費用而且可以縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備周期。4）可實現(xiàn)多工序的集中，提高了相關(guān)的加工精度,同時減少了零件在機床間的頻繁運轉(zhuǎn)。5）可縮短新產(chǎn)品試制周期和生產(chǎn)周期，對市場需求做出快速反應(yīng)。機床數(shù)控化還是推行FMC、FMS以及CIMS等企業(yè)信息化改造的基礎(chǔ)。6）擁有自動報警、自動監(jiān)控、自動補償?shù)榷喾N自檢功能，更好的調(diào)節(jié)了機床的加工狀態(tài)。還可以提示操作者機床故障或編程錯誤等機床運行中出現(xiàn)的問題。1.3本文所研究的主要內(nèi)容1）根據(jù)數(shù)控化改造后車床所具備的功能，制訂了車床總體改造方案，并繪制了改造后車床總體布置圖；2）為使改造后的車床主軸能夠?qū)崿F(xiàn)無級變速、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)以及停止等功能，本次改造采用了變頻器驅(qū)動主電機的方式，本文對主軸變頻器的選用做了相應(yīng)的說明；3）為使改造后的車床能夠加工螺紋，改造時，拆除原來的掛輪架部分，在機床Ⅹ軸伸出端安裝主軸脈沖編碼器，本文對脈沖編碼器的安裝方法作了簡要論述；4）在利用聚四氟乙烯軟帶對原車床導(dǎo)軌貼塑的工作中，粘接工藝的好壞將直接影響改造后導(dǎo)軌的性能。本文對粘接工藝的控制作了簡要論述；5）在電氣改造方面，設(shè)計了車床數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路圖，縱、橫向步進電機的計算和選型也作了詳細(xì)闡述；6）在機械改造方面，對縱橫向伺服進給機構(gòu)，特別是滾珠絲杠螺母副作了詳細(xì)設(shè)計研究，并對數(shù)控轉(zhuǎn)位刀架的安裝和選用作了介紹；7）在軟件設(shè)計方面，對MCS-51單片機做了簡要的介紹，并在8031單片機的基礎(chǔ)上編制了相應(yīng)的程序。1.3本章小結(jié)本章主要介紹了國內(nèi)外數(shù)控技術(shù)和數(shù)控機床，以及機床數(shù)控化改造的興起及意義。并提出了本文的研究內(nèi)容和目標(biāo)。

2車床總體改造方案設(shè)計2.1總體方案設(shè)計利用數(shù)控系統(tǒng)NIM-9702對C6132型臥式車床的縱，橫向進給系統(tǒng)進行開環(huán)控制?？v向脈沖當(dāng)量為0.01mm/脈沖，驅(qū)動元件采用步進電動機。改造后的機床能完成一般車削及加工任意面、球面、螺紋等加工工序。并能控制主軸開停變速、刀架轉(zhuǎn)位及一些輔助功能，使加工實現(xiàn)自動化。根據(jù)設(shè)計任務(wù)，系統(tǒng)應(yīng)采用輪廓控制形式。控制系統(tǒng)硬件由微機部分、鍵盤及顯示器、I/O接口及光電隔電路、步進電動機功率放大電路等組成。縱向、橫向均采用步進電動機→減速帶→滾珠絲杠螺母→溜板的傳動方式。刀架更換為四刀位自動回轉(zhuǎn)刀架。2.2主傳動系統(tǒng)的改造2.2.1主軸無級變速的實現(xiàn)C6132車床的主軸變速為手動、有級變速?？紤]到數(shù)控車床在自動加工的過程中負(fù)載切削力隨時會發(fā)生變化，為了保證工件表面加工質(zhì)量的一致性、提高工件加工質(zhì)量，主軸要能實現(xiàn)恒切削速度切削。這就要求主軸能實現(xiàn)無級變速。目前實現(xiàn)無級變速主要有兩種方式，其一是采用變頻器驅(qū)動電機的方式，同時保留原有的主傳動系統(tǒng)和變速操縱機構(gòu)，這樣既保留了車床的原有功能，又減少了改造量；其二是用雙速或者是四速電動機替代原有車床的主電動機。由于多速電機的功率是隨著轉(zhuǎn)速的變化而變化的，所以要選擇功率較大一些的電動機，隨之電動機的尺寸也變大了，機床改造相對較麻煩，另外在這種改造方式下，主傳動系統(tǒng)也要拆除并進行重新設(shè)計，這樣可以得到加工精度和穩(wěn)定性更高的車床，但是加大了改造成本?？紤]到改造的成本，我決定采用第一種方式，這樣可以利用原車床的三相異步電動機。即由數(shù)控系統(tǒng)控制變頻器，變頻器驅(qū)動異步電動機實現(xiàn)主軸無級變速。交流異步電動機的轉(zhuǎn)速與電源頻率，電動機磁極對數(shù)nfp以及轉(zhuǎn)差率之間的關(guān)系式為：（2-1）對于C6132，電動機磁極對數(shù)和轉(zhuǎn)差率是定值，因此利用變頻器改變電源頻率fn即可改變電動機的轉(zhuǎn)速。另外，變頻器能方便地與數(shù)控系統(tǒng)連接，控制電動機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)及停止。變頻器的控制方式主要有U／f恒定控制方式、無反饋矢量控制方式和有反饋矢量控制方式。數(shù)控車床除了在車削毛坯時，負(fù)荷大小有較大變化外，以后的車削過程中，負(fù)荷的變化通常是很小的。因此，就切削精度而言，選擇U／f恒定控制方式是能夠滿足要求的。但在低速切削時，需要預(yù)置較大的U／f，在負(fù)載較輕的情況下，電動機的磁路常處于飽和狀態(tài)，勵磁電流較大。因此，從節(jié)能的角度看，并不理想。數(shù)控車床屬于高精度、快響應(yīng)的恒功率負(fù)載加工設(shè)備，應(yīng)盡可能選用矢量控制高性能型通用變頻器，而且中、小容量變頻器以電壓型變頻器為主。有反饋矢量控制方式雖然是運行性能最為完善的一種控制方式，但由于需要增加編碼器等轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié)，不但增加了費用，而且編碼器的安裝也比較麻煩。所以，除非對加工精度有特殊要求，一般沒有必要選擇此種控制方式。目前，無反饋矢量控制方式的變頻器已經(jīng)能夠做到在0.5Hz時穩(wěn)定運行。所以，完全可以滿足主運動系統(tǒng)的要求，而且無反饋矢量控制方式能夠克服U／f控制方式的缺點，因此可以說，是一種最佳選擇。數(shù)控車床連續(xù)運轉(zhuǎn)時所需的變頻器容量(kVA)計算式如下：（2-2）式中，PM——負(fù)載所要求的電動機的軸輸出功率；η——電動機的效率(通常約O.85)；cosφ——電動機的功率因素(通常約O.75)MU——電動機的電壓，380V；MI——電動機工頻電源時的電流，為15.4A；k——電流波形的修正系數(shù)(PWM方式時取1.05-1.10)；PCN——變頻器的額定容量，kVA；ICN——變頻器的額定電流，A；由公式(2-2)可得： （2-3）選擇變頻器時應(yīng)同時滿足以上三個等式的關(guān)系。綜合以上分析計算，確定選用三菱FR-A540系列變頻器，具體型號為FR-A540-7.5K-CH。2.2.2主軸脈沖編碼器的安裝為了使改造后的數(shù)控車床能自動加工螺紋，須配置主軸脈沖編碼器作為車床主軸位置信號的反饋元件，其目的是用來檢測主軸轉(zhuǎn)角的位置，通過主軸—脈沖編碼器—數(shù)控系統(tǒng)—步進電機的信息轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，實現(xiàn)主軸轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，刀架縱向移動一個導(dǎo)程的車螺紋運動。主軸脈沖編碼器的安裝，通常采用兩種方式：一種是同軸安裝，另外一種是異軸安裝。同軸安裝的結(jié)構(gòu)簡單，缺點是安裝后不能加工穿入車床主軸孔的零件，限制了工件的加工長度，而異軸安裝不會遇到這種問題，因此，異軸安裝較合適。主軸通過主軸箱中Ⅵ軸和Ⅸ軸的58／58及Ⅸ軸和Ⅹ軸的33／33兩級齒輪(實現(xiàn)傳動比1：1)把動力傳遞給掛輪軸X，見圖附錄1所示，主軸脈沖編碼器1通過支架2固定，并通過聯(lián)軸器3與悶頭4相連，悶頭4通過過盈配合與主軸箱內(nèi)X軸連接。C6132主軸轉(zhuǎn)速范圍是20~2000r/min，可以選擇歐姆龍E6B2-CWZ6C型光電脈沖編碼器，其允許的最高轉(zhuǎn)速為6000r/min，所以滿足設(shè)計要求。2.3橫向進給傳動系統(tǒng)的改造2.3.1橫向傳動系統(tǒng)的改造如圖2-1所示是橫向傳動系統(tǒng)的改造布置圖，步進電機和減速箱安裝在遠離操作者的床鞍一端，拆除床鞍上原來的手動操作裝置，在原來支承絲杠的軸承位置，安裝角接觸球軸承進行支撐，同縱向一樣，滾珠絲杠一端直接充當(dāng)減速器的輸出軸，滾珠絲杠兩端同樣有兩對鎖緊螺母對滾珠絲杠進行預(yù)拉伸，滾珠絲杠螺母副采用雙螺母螺紋預(yù)緊方式消除絲杠和螺母間的間隙。螺母座和中拖板的連接可以利用原來的螺釘孔進行連接。圖2-1橫向傳動結(jié)構(gòu)圖車床進行橫向進給時，由步進電機通過減速箱將動力傳遞給滾珠絲杠，再由滾珠絲杠帶動螺母座，再通過螺母座帶動中拖板做橫向運動。滾珠絲杠螺母副繼續(xù)采用雙螺母螺紋預(yù)緊方式消除絲杠和螺母間的間隙。2.3.2齒輪傳動間隙的消除模數(shù)相同的兩片薄齒輪2和3，齒輪2空套在齒輪3上可以做相對回轉(zhuǎn)運動。在齒輪3上開有三個周向圓弧槽，齒輪2上均布著三個螺紋孔，裝配時在齒輪3的槽中放置3個彈簧，數(shù)控車床在加工過程中，會經(jīng)常變換移動方向。當(dāng)進給方向改變時，如側(cè)存在間隙會造成進給運動滯后于指令信號，丟失指令脈沖并產(chǎn)生反向死區(qū)，影響傳動精度和系統(tǒng)穩(wěn)定。因此，必須消除齒側(cè)間隙。通常齒側(cè)間隙的消除主要有剛性調(diào)整法和柔性調(diào)整法。剛性調(diào)整法雖然結(jié)構(gòu)簡單，但側(cè)隙調(diào)整后不能自動補償，柔性調(diào)整法是調(diào)整后齒側(cè)間隙仍可自動補償?shù)恼{(diào)整法。因此決定采用柔性調(diào)整法中的雙片齒輪錯齒消隙法和周向彈簧調(diào)整法。雙片齒輪錯齒消隙法圖2-2是雙片齒輪錯齒式消除間隙結(jié)構(gòu)。兩個相同齒數(shù)的薄齒輪1和2與另一個厚齒輪(圖中未畫出)嚙合。齒輪l空套在齒輪2上并可作相對回轉(zhuǎn)。每個齒輪的端面均勻分布著四個螺孔，分別裝上凸耳3和8。齒輪1的端面還有另外四個通孔，凸耳8可以在其中穿過。彈簧4的兩端分別鉤在凸耳3和調(diào)節(jié)螺釘7上，通過轉(zhuǎn)動螺母5就可以調(diào)節(jié)彈簧4的拉力，調(diào)節(jié)完畢用螺母6鎖緊。彈簧的拉力使薄片齒輪1和2錯位，即兩個薄齒輪的左、右齒面分別緊貼在厚齒輪齒槽的左、右齒面上，消除了齒側(cè)間隙。這種方法適合直徑較大，有充分安裝螺釘空間的圓柱齒輪。2）周向彈簧調(diào)整法。同樣是兩個齒數(shù)、利用齒輪2上安裝的螺釘頂住彈簧，裝配完成后兩片齒輪在彈簧力作用下的情況下錯齒，從而達到消除間隙的目的。這種結(jié)構(gòu)適合齒輪直徑偏小，安裝空間較小。2.4導(dǎo)軌的改造由于導(dǎo)軌表面有明顯的劃痕，摩擦系數(shù)變大，會產(chǎn)生進給運動的失真。為了恢復(fù)導(dǎo)軌的精度，增加耐磨性，提高機床的穩(wěn)定性，提高機床的防爬行和吸振性能，對機床導(dǎo)軌選用填充聚四氟乙烯軟帶來改造。填充聚四氟乙烯是在聚四氟乙烯中添加青銅粉、二硫化硅、玻璃纖維粉、二硫化銅、石墨、聚苯等填充劑，使聚四氟乙烯的性能改善如下：(1)耐負(fù)荷變形可提高5倍；(2)剛性提高4～5倍；(3)熱膨脹系數(shù)減小1／3—1／2；(4)導(dǎo)熱率提高2倍；(5)硬度提高10％；(6)抗壓強度增加2～3倍。在利用填充聚四氟乙烯軟帶對原車床導(dǎo)軌貼塑的工作中，主要是對粘接工藝的控制。具體工藝為：首先對原導(dǎo)軌進行刮研，保證粘貼前導(dǎo)軌的表面粗糙度1.6—6.3um，平面度達到0．01／1000精度；選用厚度為1.5mm的軟帶，用鈉基溶液處理聚四氟乙烯軟帶表面；粘接前需對金屬導(dǎo)軌粘接面除銹去油，可先用砂布、砂紙或鋼絲刷清除銹斑雜質(zhì)，然后再用丙酮擦洗干凈、晾干；專用膠須隨配隨用，按A組份／B組份=1／l的重量比混合，攪拌均勻后即可涂膠?？捎谩皫X刮板”或lmm厚的膠木片進行涂膠。專用膠可縱向涂布于金屬導(dǎo)軌上，橫向涂布于軟帶上，涂布應(yīng)均勻，膠層不宜過薄或太厚，膠層厚度控制在0.08—0.12mm之間；軟帶剛粘貼在金屬導(dǎo)軌上時需前后左右蠕動一下，使其全面接觸，要用手或器具從軟帶長度中心向兩邊擠壓，以趕走氣泡。用重物加壓或扣壓于床身導(dǎo)軌上，加壓均勻，壓強通常為0.05—0.1MPa。加壓前在軟帶面上覆蓋一層油紙或在加壓面上涂一薄層潤滑脂或機油，防止膠粘劑粘接加壓物。軟帶粘接后約24小時固化(環(huán)境溫度15℃以上)，可清除余膠，切去軟帶工藝余量，并倒角；對軟帶進行開油槽和刮研，油槽深度可為軟帶厚度的1／2—2／3，油槽離開軟帶邊緣至少6mm以上，刮研要求達到與導(dǎo)軌面接觸面積為：全長不少于75％，全寬上不少于50％。2.5刀架部分的改造型號及主軸中心高度，選用常州市宏達機床數(shù)控設(shè)備廠生產(chǎn)的LD4-C6132型電動刀架，該刀架內(nèi)帶120W三相交流異步電動機用于驅(qū)動正轉(zhuǎn)選刀。內(nèi)置的4只霍爾元件檢測刀位位置拆除原手動刀架和小拖板，安裝由數(shù)控系統(tǒng)控制的四工位電動刀架。根據(jù)車床的，電動機反轉(zhuǎn)完成刀具定位鎖緊。安裝時，拆除車床上的原小拖板，置刀架于中拖板上，卸掉電機風(fēng)罩，逆時針方向轉(zhuǎn)動電機，使刀架轉(zhuǎn)動到45°左右時，裝上螺釘，然后固定刀架即可。電機安裝圖見附錄1。LD4-C6132型電動刀架技術(shù)參數(shù)見表2-1。電動刀架的安裝較為方便，安裝時必須注意以下兩點：1)電動刀架的兩側(cè)面與原車床縱、橫向的進給方向平行；2)電動刀架與系統(tǒng)的連線在安裝時應(yīng)合理，以免加工時切屑、冷卻液及其它雜物磕碰電動刀架連線。1、2—薄齒輪3、8—凸耳4—彈簧5、6—螺母7—調(diào)節(jié)螺釘圖2-2雙圓柱薄片齒輪錯齒消隙結(jié)構(gòu)根據(jù)以上分析可初步確定車床改造的總體布置方案，如圖2-4所示。由于導(dǎo)軌表面有明顯的劃痕，摩擦系數(shù)變大，會產(chǎn)生進給運動的失真。為了恢復(fù)導(dǎo)軌的精度，增加耐磨性，提高機床的穩(wěn)定性，提高機床的防爬行和吸振性能，對機床導(dǎo)軌選用填充聚四氟乙烯軟帶來改造。填充聚四氟乙烯是在聚四氟乙烯中添加青銅粉、二硫化硅、玻璃纖維粉、二硫化銅、石墨、聚苯等填充劑，使聚四氟乙烯的性能改善如下：(1)耐負(fù)荷變形可提高5倍；(2)剛性提高4～5倍；(3)熱膨脹系數(shù)減小1／3—1／2；(4)導(dǎo)熱率提高2倍；(5)硬度提高10％；(6)抗壓強度增加2～3倍。在利用填充聚四氟乙烯軟帶對原車床導(dǎo)軌貼塑的工作中，主要是對粘接工藝的控制。換刀時間(s)最大許用應(yīng)力（N·m）重復(fù)定位精度（mm）電機功率（w）電機轉(zhuǎn)速（r/min）凈重（㎏）2.12.63lt;0.005120140025表2-1LD4-C6132型電動刀架技術(shù)參數(shù)具體工藝為：首先對原導(dǎo)軌進行刮研，保證粘貼前導(dǎo)軌的表面粗糙度1.6—6.3um，平面度達到0.01／1000精度；選用厚度為1.5mm的軟帶，用鈉基溶液處理聚四氟乙烯軟帶表面；粘接前需對金屬導(dǎo)軌粘接面除銹去油，可先用砂布、砂紙或鋼絲刷清除銹斑雜質(zhì)，然后再用丙酮擦洗干凈、晾干；專用膠須隨配隨用，按A組份／B組份=1／l的重量比混合，攪拌均勻后即可涂膠?？捎谩皫X刮板”或lmm厚的膠木片進行涂膠。專用膠可縱向涂布于金屬導(dǎo)軌上，橫向涂布于軟帶上，涂布應(yīng)均勻，膠層不宜過薄或太厚，膠層厚度控制在0.08—0.12mm之間；軟帶剛粘貼在金屬導(dǎo)軌時需前后左右蠕動一下，使其全面接觸，要用手或器具從軟帶長度中心向兩邊擠壓，以趕走氣泡。用重物加壓或扣壓于床身導(dǎo)軌上，加壓均勻，壓強通常為0.05—0.1MPa。加壓前在軟帶面上覆蓋一層油紙或在加壓面上涂一薄層潤滑脂或機油，防止膠粘劑粘接加壓物。軟帶粘接后約24小時固化(環(huán)境溫度15℃以上)，可清除余膠，切去軟帶工藝余量，并倒角；對軟帶進行開油槽和刮研，油槽深度可為軟帶厚度的1／2—2／3，油槽離開軟帶邊緣至少6mm以上，刮研要求達到與導(dǎo)軌面接觸面積為：全長不少于75％，全寬上不少于50％。圖2-3車床改造總體布置圖2.6數(shù)控系統(tǒng)的類型及選擇2.6.1數(shù)控系統(tǒng)的分類目前，數(shù)控系統(tǒng)的品種規(guī)格繁多，功能各異，分類方法不一，通?？砂聪旅鎯煞N方法進行分類。(1)按加工路線分類1）點位控制系統(tǒng)其特點是：只要求控制機床移動部件從一點移動到另一點的準(zhǔn)確位置，至于點與點之間的移動軌跡（路徑和方向）并不嚴(yán)格要求。各坐標(biāo)軸之間的運動是不相關(guān)的，并且在移動過程中不進行切削。2）直線切削控制系統(tǒng)其特點是，除了控制移動部件從一點到另一點之間的準(zhǔn)確定位外，還要控制兩相關(guān)點之間的移動速度和路線（即軌跡），但其路線只是與機床坐標(biāo)軸平行的直線。也就是說，同時控制的坐標(biāo)軸只有一個，且在移動過程中刀具能以給定的進給速度進行切削，一般只能加工矩形、臺階形零件。3）連續(xù)切削控制系統(tǒng)也稱為輪廓控制系統(tǒng)，其特點是能夠?qū)蓚€或兩個以上運動坐標(biāo)的位移和速度同時進行連續(xù)相關(guān)控制。在這類控制方式中，要求數(shù)控裝置具有插補運算的功能，即根據(jù)程序輸入的基本數(shù)據(jù)，通過數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)的插補運算器的數(shù)學(xué)處理，把直線或曲線的形狀描述出來，并一邊運算，一邊根據(jù)計算結(jié)果向各坐標(biāo)軸控制器分配脈沖，從而控制各坐標(biāo)軸的聯(lián)動位移量與所要求的輪廓相符合。(2)按伺服系統(tǒng)的類型分類1）開環(huán)控制系統(tǒng)采用開環(huán)控制系統(tǒng)的機床，沒有檢測反饋裝置。指令信號單方向傳送，并且指令發(fā)出后，不再反饋回來，故稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。其驅(qū)動電動機采用步進電機。這種機床采用開環(huán)進給伺服系統(tǒng)，數(shù)控裝置根據(jù)所給的進給速度和進給位移，輸出一定的頻率和數(shù)量的進給指令脈沖，經(jīng)驅(qū)動電路放大后，每一個進給脈沖控制步進電機旋轉(zhuǎn)一個步距角，再經(jīng)減速齒輪、絲杠螺母副轉(zhuǎn)換成工作臺的一個當(dāng)量直線位移。2）閉環(huán)控制系統(tǒng)數(shù)控裝置將位移指令與位置檢測裝置測得的實際位置反饋信號，隨時進行比較，根據(jù)其差值與指令進給速度的要求，按一定的規(guī)律進行轉(zhuǎn)換后，得到進給伺服系統(tǒng)的速度指令。閉環(huán)控制系統(tǒng)的特點是定位精度高，但由于這類系統(tǒng)采用直流伺服電動機或交流伺服電動機作為驅(qū)動元件，所以電動機的控制線路比較復(fù)雜。另外檢測元件昂貴，調(diào)試和維修比較困難，成本高，所以主要用于精度要求很高的大型或精密數(shù)控機床。3）半閉環(huán)控制系統(tǒng)這種機床是將位置檢測裝置安裝在驅(qū)動電機端部，或安裝在傳動絲杠端部，間接測量部件的實際位置或位移，然后反饋到控制裝置的比較器中，與輸入原指令位移值進行比較，用比較后的差值進行控制，直到差值消除為止。2.6.2數(shù)控系統(tǒng)的選擇本設(shè)計中由于改造后的經(jīng)濟型數(shù)控車床應(yīng)具有定位、直線插補、順、逆圓插補、暫停、循環(huán)加工、公英制螺紋加工等功能，故應(yīng)選擇連續(xù)控制系統(tǒng)?？紤]到屬于經(jīng)濟型數(shù)控機床加工精度要求不高，為了簡化結(jié)構(gòu)、降低成本，采用步進電機開環(huán)系統(tǒng)，雖然開環(huán)控制系統(tǒng)中，沒有速度反饋和位移反饋電路，不帶檢測裝置，指令信號單向發(fā)送，但開環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低，容易掌握，調(diào)試和維修都比較簡單。如果采用螺距誤差補償和徑向間隙補償?shù)却胧?，定位精度可提高到?.01mm，可以滿足設(shè)計要求。2.7計算機系統(tǒng)的選擇微型機數(shù)控系統(tǒng)由CPU、ROM、RAM擴展電路、I/O接口電路、伺服電機驅(qū)動電路等幾部分組成。由于MCS-51單片微型機具有各種尋址方式并有硬件乘法和除法指令，具有很強的位尋址和運算功能，特別適合于控制應(yīng)用場合，使用MCS-51來構(gòu)成各種控制系統(tǒng)，可大大簡化硬件結(jié)構(gòu)，降低成本。1）單片機的選擇MCS-51系列中的8031單片機片內(nèi)無ROM，適于需外接ROM、能在現(xiàn)場進行修改和更新程序存儲器的應(yīng)用場合，價格低，使用靈活，從實用性與經(jīng)濟性考慮，采用8031作為控制系統(tǒng)的單片機。2）存儲器擴展①8031的片內(nèi)沒有程序存儲器，必須外接擴展電路，具有擴展1片W27C512共64KB的程序擴展電路。②數(shù)據(jù)存儲器的擴展8031內(nèi)部有128個字節(jié)RAM存儲器。它可以作為寄存器，堆棧，軟件標(biāo)志和數(shù)據(jù)緩沖器，CPU對其內(nèi)部RAM有豐富的操作指令。因此，這個RAM是十分珍惜的資源。我們應(yīng)合理地充分地應(yīng)用片內(nèi)RAM存儲器，但片內(nèi)RAM存儲器往往是不夠的。外接RAM擴展電路可擴大存儲器容量。本設(shè)計擴展一個6264（8K）的外部RAM。③接口電路，伺服電機驅(qū)動電路等接口電路主要用于控制縱向和橫向步進電機，刀架電機等。鍵盤有32個鍵。此外，還有伺服電機驅(qū)動電路，光電耦合器電路，報警電路，8031時鐘電路，復(fù)位電路等。由此可得車床伺服系統(tǒng)控制方案，如圖2-4所示。圖2-4車床伺服系統(tǒng)控制方案圖2.8本章小結(jié)本章主要確定了車床數(shù)控化改造的總體方案，主要從主傳動系統(tǒng)，橫向進給系統(tǒng)，導(dǎo)軌和刀架的部分的改造進行計算，以及數(shù)控系統(tǒng)的類型和計算機系統(tǒng)類型的選擇。

3C6132車床數(shù)控化改造機械部分改造設(shè)計與計算機械部分設(shè)計內(nèi)容包括：傳動元件的設(shè)計計算及選用，運動部件的慣性計算，步進電動機的選擇等。3.1縱向進給系統(tǒng)的設(shè)計計算已知條件：工作臺重量：加速時間常數(shù)：滾珠絲杠基本導(dǎo)程：快速進給速度：3.1.1切削力計算由《機床設(shè)計手冊》可知，切削功率（3-1）式中,電動機功率，C6132型車床；主傳動系統(tǒng)總效率，一般為0.75~0.85，??；進給系統(tǒng)功率系數(shù)，取。則切削功率應(yīng)按在各種加工情況下經(jīng)常遇到的最大切削力（或扭矩）和最大切削速度（或轉(zhuǎn)速）來計算，即（3-2）或（3-3） 式中，主切削力;切削速度;切削轉(zhuǎn)矩;主軸速度。設(shè)按最大切削速度來計算，取則（3-4）查《機床設(shè)計手冊》，在一般外圓車削時：（3-5）取3.1.2滾珠絲杠設(shè)計計算滾珠絲杠副已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，因此，滾珠絲杠副的設(shè)計歸結(jié)為滾珠絲杠副型號的選擇。計算作用在絲杠上的最大動負(fù)荷首先根據(jù)切削力和運動部件的重量引起的進給抗力，計算出滾珠絲杠的軸向載荷，再根據(jù)要求的壽命值計算出滾珠絲杠副應(yīng)能承受的最大動載荷 （3-6）式中，最大動載荷;工作負(fù)載，只數(shù)控機床工作時實際作用在滾珠絲杠上的軸向力；運轉(zhuǎn)系數(shù)，一般運轉(zhuǎn)取1.2~1.5；有沖擊的運轉(zhuǎn)取1.5~2.5；硬度系數(shù)，HRC為60時，為1；HRC<60時，>1;壽命（以轉(zhuǎn)為單位1，如1.5則為150萬轉(zhuǎn)）。壽命L可按下式計算（3-7）式中,滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速使用壽命時間，數(shù)控機床取15000h工作負(fù)載的數(shù)值可用《機床設(shè)計手冊》中進給牽引力的實驗公式計算，對于三角形或綜合導(dǎo)軌（3-8）式中,切削分力；移動部件的重量;考慮顛覆力矩影響的系數(shù)，； 導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù)，取。則當(dāng)機床以線速度，進給量為，車削直徑為外圓時，絲杠的轉(zhuǎn)速（3-9）則（3-10）根據(jù)工作負(fù)載、壽命，計算出滾珠絲杠副承受的最大動載荷，取，（3-11）由查滾珠絲杠的產(chǎn)品樣本或《機床設(shè)計手冊》，選擇絲杠的型號。例如參照某廠滾珠絲杠的產(chǎn)品樣本，選擇滾珠絲杠的直徑為，型號為,其額定動載荷是,強度足夠用。效率計算根據(jù)《機械原理》的公式，絲杠螺母副的傳動效率為（3-12）式中,螺紋的螺旋升角，該絲杠為；摩擦角，約等于。則3.剛度驗算滾珠絲杠工作時受軸向力和扭矩的作用，它將引起導(dǎo)程發(fā)生變化，因滾珠絲杠受扭時引起的導(dǎo)程變化量很小，可忽略不計，因此，工作負(fù)荷引起的導(dǎo)程變化量（3-13）式中,彈性模量，對鋼；滾珠絲杠截面積（按絲杠螺紋底經(jīng)確定）；（3-14）“+”用于拉升時，“-”用于壓縮時。則絲杠長度上導(dǎo)程變形總誤差3級精度絲杠允許的螺旋誤差為，因此剛度足夠。3.1.3同步帶減速箱設(shè)計為了滿足脈沖當(dāng)量的設(shè)計要求增大轉(zhuǎn)矩，同時也為了使傳動系統(tǒng)的負(fù)載慣量盡可能的減小，傳動鏈中常采用減速傳動。本設(shè)計中，縱向減速箱采用同步帶傳動。設(shè)計同步帶減速箱需要的原始數(shù)據(jù)有：帶傳動的功率P；主動輪轉(zhuǎn)速和傳動比i；傳動系統(tǒng)的位置和工作條件等。根據(jù)改造經(jīng)驗，C6132車床縱向步進電動機最大靜轉(zhuǎn)矩通常在15-25N·m之間選擇。今初選電動機型號為110BF003，五相混合式，最大靜轉(zhuǎn)矩為20N·m，十拍驅(qū)動時步距角為。該電動機的詳細(xì)技術(shù)參數(shù)如表3-1所示。傳動比i的確定已知電動機的步距角，脈沖當(dāng)量/脈滾珠絲杠導(dǎo)程。根據(jù)式（3-15）算的傳動比i=1.2。（3-15）表3-1反應(yīng)式/磁阻式步進電動機的技術(shù)參數(shù)型號相數(shù)步距角/電壓/V電流/I最大靜轉(zhuǎn)矩/空載運行頻率/Hz空載起動頻率/Hz轉(zhuǎn)動慣量/110BF00330.75/1.580～300611.761200012009（2）主動輪最高轉(zhuǎn)速由縱向床鞍的最快移動速度:可以算出主傳動論最高轉(zhuǎn)速：（3）確定帶的設(shè)計功率預(yù)選的步進電動機在轉(zhuǎn)速為1200r/min時，對應(yīng)的步進脈沖頻率為：當(dāng)脈沖頻率為10000Hz時，電動機的輸出轉(zhuǎn)矩約為3.8，對應(yīng)的輸出功率為，今取，取工作情況系數(shù)，則由式，求得帶的設(shè)計功率。(4)選擇帶型和節(jié)距根據(jù)帶的設(shè)計功率和主動輪最高轉(zhuǎn)速，選擇同步帶，型號為L型，節(jié)距。(5)確定小帶輪齒數(shù)和小帶輪節(jié)圓直徑取，則小帶輪節(jié)圓直徑.，當(dāng)達到最高轉(zhuǎn)速1200r/min時，同步帶的速度為，沒有超過L型帶的極限速度35m/s。(6)確定大帶輪的齒數(shù)和大帶輪節(jié)圓直徑大帶輪的齒數(shù)，節(jié)圓直徑。(7)初選中心距、帶的節(jié)線長度、帶的齒數(shù)初選中心距，圓整后取，則帶的節(jié)線長度為。選取接近的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)線長度，相應(yīng)齒數(shù)。(8)計算實際中心距a實際中心距。(9)校驗帶與小帶輪的嚙合齒數(shù)，嚙合齒數(shù)比6大，滿足要求。此處ent表示取整。(10)計算基準(zhǔn)額定功率(所選型號同步帶在基準(zhǔn)寬度下所允許傳遞的額定功率)：式中，—帶寬為時的許用工作拉力，查得=244.46N；m—帶寬為時的單位長度的質(zhì)量，查得m=0.095kg/m；—同步帶的帶速，由上述(5)可知；算得：。(11)確定實際所需同步帶寬度式中，—選定型號的基準(zhǔn)寬度，查得；—小帶輪嚙合齒數(shù)系數(shù)，查得。由上式算得，查得選定最接近的帶寬。(12)帶的工作能力驗算根據(jù)公式：算的同步帶額定功率P的精確值：式中，為齒寬系數(shù)；。經(jīng)計算得,而，滿足。因此，帶的工作能力合格。3.1.4步進電動機的選擇(1)負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量的計算折算步進電動機軸上的轉(zhuǎn)動慣量可按下式估算（3-16）式中，折算到電動機軸上的轉(zhuǎn)動慣量齒輪的轉(zhuǎn)動慣量；齒輪的轉(zhuǎn)動慣量；絲杠的轉(zhuǎn)動慣量。對材料為鋼的圓柱形零件，其的轉(zhuǎn)動慣量可按下式計算：（3-17）式中，圓柱零件的直徑；零件軸向長度。所以(2)總慣量負(fù)載轉(zhuǎn)矩計算及最大靜轉(zhuǎn)矩選擇根據(jù)能量守恒原理，電動機等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩（3-18）如不考慮起動時運動部件慣性的影響，則起動轉(zhuǎn)矩（3-19）取安全系數(shù)為0.3，則對于工作方式為三相六拍的步進電動機因數(shù)控機床對動態(tài)性能要求較高，確定電動機最大靜轉(zhuǎn)矩時應(yīng)滿足快速空載起動時所需轉(zhuǎn)矩的要求（3-20）式中，空載快速起動時所需的轉(zhuǎn)矩；克服摩擦所需的轉(zhuǎn)矩；絲杠預(yù)緊所引起，折算到電動機軸上的附加轉(zhuǎn)矩。當(dāng)工作臺快速移動時，電動機的轉(zhuǎn)速（3-21）由動力學(xué)知，（3-22）式中角加速度，計算公式為（3-23）式中，預(yù)加載荷，一般為最大軸向載荷的，即。則(3)步進電動機的最高工作效率（3-24）根據(jù)計算綜合考慮，查表選用110BF003型步進電動機。3.2橫向進給系統(tǒng)的計算已知條件：工作臺重量：時間常數(shù)：滾珠絲杠基本導(dǎo)程：左旋快速進給速度：由于橫向進給系統(tǒng)的設(shè)計計算與縱向類似，所以計算過程略。選擇滾珠絲杠型號CDM2004LH-2.5-P3減速帶輪15齒L型步進電動機型號110BF0033.3車床改造的機械結(jié)構(gòu)特點3.3.1縱向滾珠絲杠滾珠絲杠必須采用三點支撐方式。步進電動機的布置，可放在絲杠的任意端。由于拆除了進給箱，可在原安裝進給箱處布置不進電動機和減速齒輪。機床改造常采用后一種布置方案。在絲杠的左端設(shè)計了一個專用軸承座，采用一個軸套式滑動。軸承作為徑向支承，在滑動軸承的兩側(cè)分別布置一對推力球軸承，承受兩個方向的軸承力。支承短軸與滾珠絲杠通過聯(lián)軸套連接在一起。滾珠絲杠的右端通過聯(lián)軸套和減速箱的輸出軸連接，在絲杠托架上布置一個軸套式滑動軸承作為徑向支承，減速箱固定在絲杠托架上。滾珠絲杠的中間支承為滾珠螺母，其與床鞍直接聯(lián)接。3.3.2橫向滾珠絲杠橫向滾珠絲杠也采用三點支承。步進電動機一般都安裝在床鞍的后部?？拷僮髡咭欢?，布置一根短軸，通過一個聯(lián)軸套與滾珠絲杠連接起來。利用車床原端橫向進給絲杠的滑動軸套作為徑向支承，并對原支承處進行適當(dāng)改裝，布置一對推力球軸承，以實現(xiàn)軸向支承。在遠離操作者的一端，用一個聯(lián)軸套和一個連接短軸把滾珠絲杠與減速箱輸出軸連接起來。滾珠螺母直接固定在中滑板上。3.3.3滾珠絲杠螺母副的設(shè)計、計算和選型滾珠絲杠螺母副的設(shè)計首先要選擇結(jié)構(gòu)類型：確定滾珠絲杠副的預(yù)緊方式。結(jié)構(gòu)類型確定之后，再計算和確定其他技術(shù)參數(shù)，包括：公稱直徑以d0（或絲杠外徑d)、導(dǎo)程Lo、滾珠的工作圈數(shù)j、列數(shù)K。滾珠絲杠副的預(yù)緊方法有：雙螺母墊片式預(yù)緊、雙螺母螺紋式預(yù)緊、雙螺母齒差式預(yù)緊、單螺母變導(dǎo)程預(yù)緊以及過盈滾珠預(yù)緊等。本設(shè)計預(yù)緊方式采用螺紋式預(yù)緊如表3-2所示。表3-2滾珠絲杠副預(yù)緊方式調(diào)整方式簡圖調(diào)整方法特點螺紋式調(diào)整端部的圓螺母，使螺母產(chǎn)生軸向位移結(jié)構(gòu)較緊緊湊，工作可可靠，滾道磨損時，可隨時調(diào)整預(yù)緊量不很準(zhǔn)確應(yīng)用較普便。滾珠循環(huán)方式可為外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)兩大類，外循環(huán)又分為螺旋槽式和插管式可參照表3-3選用。本設(shè)計循環(huán)方式采用：外循環(huán)滾珠絲杠，螺旋槽式。3.3.4導(dǎo)軌副為減少運動部件移動時的摩擦阻力，尤其是減少靜摩擦阻力床鞍和刀架移動部件的導(dǎo)軌可粘貼摩擦系數(shù)低的聚四氟乙烯軟帶。3.3.5主軸脈沖發(fā)生器改造后的簡易數(shù)控車床需要加工螺母時，可以在主軸后端同軸安裝或者異軸安裝一個主軸脈沖發(fā)生器，作為主軸位置的信反饋元件，改造后的簡易數(shù)控車床需要加工螺母時，可以在主軸后端同軸安裝或者異軸安裝一個主軸脈沖發(fā)生器目的是用來檢測主軸轉(zhuǎn)角的位置。并且將其變化情況輸送給數(shù)控裝置，使其能按照所需加工的螺距進行處理。3.3.6安裝電動卡盤為了提高經(jīng)濟型數(shù)控車床的加工效率，還可采用電動三爪自定心卡盤裝置。這種裝置也可與數(shù)控裝置的收發(fā)信號電路相配合，實現(xiàn)自動加緊、松開，提高加工過程的自動化程度。安裝表3-3滾珠循環(huán)方式類型型式簡圖循環(huán)滾珠鏈說明特點外循環(huán)滾珠絲杠螺旋槽式在螺母外圓上銑出螺旋槽，槽的兩端鉆出通孔，同螺母的螺紋滾道相切，形成滾珠返回通道。為防止?jié)L珠脫落，螺旋槽用鋼套蓋住。在通孔口設(shè)有擋珠器，引導(dǎo)滾珠進入通孔。擋珠器用圓鋼彎成弧形桿，并焊上螺栓，用螺帽固定在螺母上。優(yōu)點：工藝簡單，螺母外徑尺寸較小。缺點：螺旋槽同通孔不易連接準(zhǔn)確擋珠器剛性差、耐磨性差。內(nèi)循環(huán)滾珠性杠型扁圓嵌塊式反向器與上述結(jié)構(gòu)的區(qū)別，只是用扁圓嵌塊式反向器代替目柱凸鍵式反向器。優(yōu)點：螺母軸向尺寸比I型小；結(jié)構(gòu)更緊湊。缺點：制造比I型困難。利用螺母的間隙調(diào)整裝置調(diào)整絲杠副間隙，應(yīng)使調(diào)整后產(chǎn)生的預(yù)緊力為絲杠副最大負(fù)載的13為宜。在實際調(diào)整中，可以把機床處于最大負(fù)載，使絲杠內(nèi)部仍不產(chǎn)生間隙，或者間隙量小于0.01，而且運轉(zhuǎn)靈活，并以此作為螺母間隙調(diào)整預(yù)緊量的判斷標(biāo)準(zhǔn)。傳動絲杠軸線上各聯(lián)軸套上的錐銷孔應(yīng)按十字分布方式進行配做。這是因為同意聯(lián)軸套上分布的錐銷孔都由同一方向加工時，往往會引起軸心線的直線度誤差增大，產(chǎn)生傳動附加載荷，影響絲杠的傳動性能。消除齒輪間隙的方法很多，用調(diào)整中心距的方法是最簡單的一種。安裝時將大齒輪所在支撐架轉(zhuǎn)動中心與絲杠對中，首先固定，然后把電動機小齒輪按無間隙嚙合，調(diào)整好中心距，在固定。滾珠絲杠副的制造精度要求高，加工工藝比較復(fù)雜，都是由專業(yè)化工廠按系列化進行生產(chǎn)。因此，在進行設(shè)備改造時要按廠家生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)進行選擇。選擇合適以后，再決定被改造設(shè)備的其它相關(guān)部分的結(jié)構(gòu)和尺寸。主軸脈沖發(fā)生器的引出軸與車床主軸按1:1無間隙柔性連接傳動，連接后應(yīng)保證兩者有很好的同步性。安裝中要注意主軸脈沖發(fā)生器是玻璃器件，不能隨意敲打碰撞。使用中車床主軸轉(zhuǎn)速不能超過主軸脈沖發(fā)生器的最高需用轉(zhuǎn)速。3.5本章小結(jié)本章主要通過對機械部分的計算，確定了縱向和橫向進給系統(tǒng)，和車床改造的結(jié)構(gòu)的特點，并且提出了電動卡盤安裝調(diào)整時應(yīng)注意的事項。4電氣控制部分設(shè)計4.1硬件電路設(shè)計自動回轉(zhuǎn)刀架的電氣控制部分主要包括收信電路和發(fā)信電路兩大塊，如圖4-1所示。收信電路圖a中，發(fā)信盤上的4只霍爾開關(guān)（信號為UGN3120U)，都有3個引腳，第1腳接+12V電源，第2腳接+12V地，第3腳為輸出。轉(zhuǎn)位時刀臺帶動磁鐵旋轉(zhuǎn)，當(dāng)磁鐵對準(zhǔn)某一個霍爾開關(guān)時其輸出端第3腳輸出低電平；當(dāng)磁鐵離開時，第3腳輸出高電平。4只霍爾開關(guān)輸出的4個刀位信號T1~T4分別送到圖b的4只光耦離合器進行處理，經(jīng)過光電隔離的信號再送給I/O接口芯片8255的PC4~PC7。發(fā)信電路圖c為刀架電動機正反轉(zhuǎn)控制電路，I/O接口芯片8255的PA6與PA7分別控制刀架電動機的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)。其中KA1為正轉(zhuǎn)繼電器的線圈，KA2為反轉(zhuǎn)繼電器的線圈。因刀架電動機的功率只有90W，所以圖b中刀架電動機與380V市電的接通可以選用大功率直流繼電器，而不必采用繼電器-接觸器控制電路，以節(jié)省成本，降低故障率。圖c中，正轉(zhuǎn)繼電器的線圈KA1與反轉(zhuǎn)繼電器的一組常閉觸點串聯(lián)，而反轉(zhuǎn)繼電器的線圈KA2又與正轉(zhuǎn)繼電器的一組常閉觸點串聯(lián)，這樣就構(gòu)成了正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)的互鎖電路，以防控制系統(tǒng)失控時導(dǎo)致短路現(xiàn)象。當(dāng)KA1或KA2的觸點接通380V電壓時，會產(chǎn)生較強火花，并通過電網(wǎng)影響控制系統(tǒng)的正常工作，為此，在圖b中布置了3對R-C阻容用來滅弧，以抑制火花的產(chǎn)生。4.2單片機數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計內(nèi)容當(dāng)前，在經(jīng)濟型數(shù)控機床控制系統(tǒng)中廣泛采用關(guān)國Intel公司的MCS--51系列單片計算機，因此本章著重介紹用MCS--51系列單片微機構(gòu)成的控制系統(tǒng)的設(shè)計內(nèi)容，方法及步驟。單片微機數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計包括以下幾部分內(nèi)容：（一）繪制系統(tǒng)電氣控制的結(jié)構(gòu)框圖根據(jù)總體方案及機械結(jié)構(gòu)的控制要求，確定硬件電路的總體方案，繪制系統(tǒng)電氣控制的結(jié)構(gòu)框圖。數(shù)控系統(tǒng)是由硬件和軟件兩部分組成。硬件是組成系統(tǒng)的基礎(chǔ)，有了硬件，軟件才能有效地運行。硬件電路的可靠性直接影響到數(shù)控系統(tǒng)性能指標(biāo)。機床硬件電路由以下五部分組成。（1）主控制器，即中央處理單元CPU。（2）總線。包括數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線。（3）存儲器。包括程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器（4）接口。即I/O輸入/輸出接口電路。（5）處圍設(shè)備。如鍵盤、顯示器及光電輸入機ａ）發(fā)信盤上的霍爾元件b)刀位信號的處理c)刀架電動機正反轉(zhuǎn)控制d)刀架電動機正反轉(zhuǎn)的控制圖4-1自動回轉(zhuǎn)刀架電氣控制原理圖（一）繪制系統(tǒng)電氣控制的結(jié)構(gòu)框圖根據(jù)總體方案及機械結(jié)構(gòu)的控制要求，確定硬件電路的總體方案，繪制系統(tǒng)電氣控制的結(jié)構(gòu)框圖。數(shù)控系統(tǒng)是由硬件和軟件兩部分組成。硬件是組成系統(tǒng)的基礎(chǔ)，有了硬件，軟件才能有效地運行。硬件電路的可靠性直接影響到數(shù)控系統(tǒng)性能指標(biāo)。機床硬件電路由以下五部分組成。（1）主控制器，即中央處理單元CPU。（2）總線。包括數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線。（3）存儲器。包括程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器（4）接口。即I/O輸入/輸出接口電路。（5）處圍設(shè)備。如鍵盤、顯示器及光電輸入機等。（二）選擇中央處理單元CPU的類型。在徽機應(yīng)用系統(tǒng)中，CPU的選擇應(yīng)考慮以下因素：（1）時鐘頻率和字長，這個指標(biāo)將控制數(shù)據(jù)處理的速度。（2）可擴展存儲器（包括ROM和RAM）的容量。（3）指令系統(tǒng)功能，影響編程靈活性。（4）I/O口擴展的能力，即對外設(shè)控制的能力。（5）開發(fā)手段，包括支持開發(fā)的軟件和硬件電路。此外還要考慮到系統(tǒng)應(yīng)用場合，控制對象對各種參數(shù)的要求，以及經(jīng)濟價格比等經(jīng)濟性的要求。目前在經(jīng)濟型數(shù)控機床中，推薦采用MCS—51系列單片微機作為主控制器。（三）存儲器擴展電路設(shè)計在存儲器擴展電路設(shè)計應(yīng)該包括程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器的擴展。在選擇程序存儲器芯片時，要考慮CPU與EPROM時序的匹配，還應(yīng)考慮最大讀出速度、工作溫度及存儲器的容量等問題。在存儲器擴燕尾服電路的設(shè)計中還應(yīng)包括地址鎖存器和譯碼電路的設(shè)計。（四）I/O口即輸入／輸出接口電路設(shè)計應(yīng)包括接口芯片的選用，步進電機控制電路，鍵盤顯示電路以及其他輔助電路的設(shè)計（例如復(fù)位電路，越界報警電路，掉電保護電路等）。此外，不同的數(shù)控系統(tǒng)還要求配備不同的外設(shè)，這些部分的電路設(shè)計也應(yīng)包括。4.3MCS--51系列單片機簡介1980年問世，它的集成度很高，是多部件于一體的優(yōu)良的單片機系統(tǒng)，在我國已廣泛地被應(yīng)用于經(jīng)濟型數(shù)控機床。MCS-51系列單片機主要有三種型號的產(chǎn)品：8031、8051、8751。三種型號的引腳完全相同，僅在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上有少數(shù)差異。8751具有片內(nèi)ERPOM，但價格高出10-15倍，所以適合于開發(fā)樣機，小批量生產(chǎn)和需要在現(xiàn)場進一步完善的場合。8051的ERPOM程序是Inter公司制作芯片時為用戶制備的，因此在國內(nèi)很難采用8051型芯片。而8031片內(nèi)無ROM，適用于需擴展ROM，可在現(xiàn)場修改和更新程序存儲器的應(yīng)用場合，其價格低，使用靈活，非常適合在我國使用。我們的設(shè)計也推薦使用8031芯片。4.4存儲器擴展電路設(shè)計4.4.1地址鎖存器選用現(xiàn)選擇74LS373作單片機地址鎖存器芯片,其引腳圖如圖4-2所示：圖4-274LS373引腳圖4.4.2外部程序存儲器選擇選用27128的擴展電路需要用到8031的P215引腳,這樣的話,80的引腳就不夠與3-8譯碼器相連,因此,擴展兩片2764芯片。4.4.3內(nèi)部程序存儲器選擇選用6264作為數(shù)據(jù)存儲器擴展芯片。4.4.4外部I/O接口電路的擴展因為8031單片機本身提供的輸入、輸出口線只有P1口和部分P3口線,所以要對其系統(tǒng)進行I/O口擴展。擴展I/O口所用芯片主要有通用可編程I/O口芯片及TTL或CMOS鎖存器、緩沖器電路兩大類。I/O口擴展方式主要有并行總線擴展法和串行口擴展法。這里選用可編程I/O口芯片，可編程接口是指其功能可由計算機的指令來改變的接口芯片?？删幊探涌谕ㄟ^編制程序，可使一個接口芯片執(zhí)行多種不同的接口功能，使用十分靈活。用它來連接計算機和外設(shè)時，不需要或只需要很少的外加硬件。在8031單片機中常用的兩種接口芯片：8255和8155可編程通用并行接口。8255具有3個8位的并行I/O口,具有三種工作方式，可通過編程改變其功能，使用方便，通用性強。8155芯片內(nèi)包含有256字節(jié)RAM,2個8位和1個6位的可編程并行I/O口，1個14位定時器/計數(shù)器。通過比較選擇8155擴展外部I/O口。4.4.5鍵盤接口電路的設(shè)計鍵盤在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中是一個很關(guān)鍵的部件，它能實現(xiàn)計算機輸入數(shù)據(jù)、傳送命令等功能，是人工干預(yù)計算機的主要手段。1)鍵輸入原理當(dāng)按下所設(shè)置的功能鍵或數(shù)字鍵時，計算機應(yīng)用系統(tǒng)應(yīng)完成該按鍵所設(shè)定的功能。鍵信息的輸入與軟件結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。對于一組鍵或一個鍵盤，需要通過接口電路與CPU相連。CPU可以采用查詢或中斷方式了解有無鍵輸入并檢查是哪一個鍵被按下，將該鍵號送入累加器ACC，然后通過散轉(zhuǎn)指令轉(zhuǎn)入執(zhí)行該鍵的功能程序,執(zhí)行完又返回到原始狀態(tài)。2)矩陣式鍵盤接口電路設(shè)計矩陣式鍵盤適用于按鍵數(shù)量較多的場合,它由行線和列線組成。本設(shè)計擴展了32個鍵,由一個8位口和一個四位口組成4×8的行列式鍵盤。按鍵設(shè)置在行、列線交點上，行、列線分別接到按鍵開關(guān)的兩端。行線通過上拉電阻接到+5V上。平時無按鍵動作時，行線處于高電平狀態(tài)，而當(dāng)有鍵按下時，行線電平狀態(tài)將由與此行線相連的列線電平?jīng)Q定。列線電平如果為低，則行線電平為低；列線電平為高，則行線電平也為高。這一點是識別矩陣鍵盤按鍵是否按下的關(guān)鍵所在。鍵盤中究竟哪一個鍵被按下，是通過列線逐列置低電平后檢查行輸入狀態(tài)來確定的。先令列線PA0輸出低電平“0”,PA1～PA7全部輸出高電平“1”,讀行線PC0～PC3的輸入電平。如果讀得某行線為“0”，則可確認(rèn)對應(yīng)于該行線與列線PA0相交處的鍵被按下,否則PA0上無鍵按下。如果PA0列線上無鍵按下，接著令PA1輸出低電平“0”，其余為高電平“1”，再讀PC0～PC3，判斷是否全為“1”，若是,表示被按鍵也不在此列，依次類推直至列線PA7。如果所有列線均判斷完，仍未出現(xiàn)PC0～PC3讀入值有“0”的情況，則表示此次并無鍵按下。該鍵盤工作方式為編程掃描工作方式。這是利用CPU在完成其他工作的空余，調(diào)用鍵盤掃描子程序,來響應(yīng)鍵輸入的要求，在執(zhí)行鍵功能程序時,CPU不再響應(yīng)鍵輸入要求。在鍵盤掃描子程序中應(yīng)完成下述幾個功能:(1)判斷鍵盤上無鍵按下。(2)去鍵的機械抖動影響。(3)求按下鍵的鍵號。按照行列式鍵盤工作原理，圖中32個鍵對應(yīng)的鍵號如圖4-8。這種順序排列的鍵號按照行首鍵號與列號相加的辦法處理，每行的行首鍵號依次為0，8，16，24，列號依列線順序為0～7。(4)判別閉合的鍵是否被釋放。鍵閉合一次僅進行一次功能操作。等鍵釋放后去除鍵的抖動再將鍵值送入累加器A中，然后執(zhí)行鍵功能操作。4.5譯碼電路設(shè)計8031單片機允許擴展64K程序存儲器和64K數(shù)據(jù)存儲器（包括I/O口芯片），這就需要擴展多個外圍芯片，因而需要把外部地址空間分配給這些芯片，并且使程序存儲器各芯片之間、數(shù)據(jù)存儲器各芯片之間地址互相不重疊，以使單片機訪問外部存儲器時，避免發(fā)生沖突。當(dāng)8031數(shù)據(jù)總線分時地與各個外圍芯片進行數(shù)據(jù)傳送時，首先要進行片選,而當(dāng)片內(nèi)有許多單元時，還要進行片內(nèi)地址選擇。由于系統(tǒng)容量較大，擴展的外圍芯片較多，芯片所需的片選信號多于可利用的地址線所以用全地址譯碼的方法。采用74LS138譯碼器，其引腳圖如圖4-3。圖4-374LS138引腳圖4.6其他輔助電路設(shè)計1）時鐘電路8031的時鐘電路單片機的時鐘可以由兩種方式產(chǎn)生：內(nèi)部方式和外部方式。內(nèi)部方式利用芯片內(nèi)部振蕩電路，在XTAL1、XTAL2引腳上外接定時元件，如圖4-10所示。晶體可在1.2-12MHZ之間任選，耦合電容在5-30PF之間，對時鐘有微調(diào)作用。采用外部時鐘方式，可把XTA1直接接地，XTA2接外部時鐘源。2）復(fù)位電路單片機的復(fù)位都是靠外部電路實現(xiàn)，在時鐘電路工作后，只要RESET引腳上出現(xiàn)10ms以上高電平單片機便實現(xiàn)狀態(tài)復(fù)位，以后單片機便從0000H單元開始執(zhí)行程序。單片機通常采用上電自動復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種。在上電瞬間，RC電路充電，RESET引腳端出現(xiàn)正脈沖，只要RESET端保持10ms以上高電平，就能使單片機有效的復(fù)位。4.7步進電機的控制4.7.1步進電機的工作原理步進電機是將電能轉(zhuǎn)化為機械能的電磁元件。定子上安裝了六個磁極，相對的兩個磁極上放置著同一相勵磁繞組，而轉(zhuǎn)子上沒有，只有四個凸極，a、b、c、d組成，當(dāng)s1接通，s2，s3斷開，A相建立磁場，轉(zhuǎn)子力求以磁路最大來取向，轉(zhuǎn)子齒與定子A相磁極對齊，即轉(zhuǎn)子a、c齒的軸線與定子A相磁極軸線重合。當(dāng)s1，s3斷開，s2接通，轉(zhuǎn)子b、d齒的軸線與定子B相磁極軸線重合。依次類推s1—s2—s3—s1循環(huán)接通，轉(zhuǎn)子以一定的步距角旋轉(zhuǎn)，改變輸入電流方向，實現(xiàn)反轉(zhuǎn)即s1—s3—s2—s1。4.7.2步進電機的控制步進電機是由脈沖信號控制的，脈沖信號的產(chǎn)生和分配由軟件編程來完成，而信號的放大由放大電路來完成。由于強弱信號的原因，我們在放大電路前加上光電耦合電路，以防止電源串路。具體控制電路如圖4-4所示。W是步進電機的一相繞組，VD3是續(xù)流二極管。74LS373是8路三態(tài)輸出觸發(fā)器，一路輸出信號控制一相繞組，可控制兩臺三相步進電機或兩臺四相步進電機。Q輸出高電平，將其所控制的相繞組通電。74LS373的LE是鎖存允許端，高電平有效。下面來分析一下該接口電路的工作過程。圖4-4步進電機控制原理電路4.7.3步進電機接口及驅(qū)動電路1.脈沖分配器脈沖分配器又叫環(huán)形分配器，有硬件環(huán)形分配器和軟件環(huán)形分配器兩種。硬件環(huán)形分配器需要的I/O口接線數(shù)少，且執(zhí)行速度快，但需要專用的芯片。軟件環(huán)形分配器是用程序?qū)崿F(xiàn)的。1）硬件環(huán)形分配器是由門電路及其邏輯電路組成，目前已經(jīng)大量采用可靠性高，外形尺寸小，使用方便的集成脈沖分配器。按其電路結(jié)構(gòu)不同分為TTL集成電路和CMOS集成電路。2）軟件環(huán)形分配器軟件環(huán)形分配器在電路上不需要環(huán)形分配專用芯片，而是在微處理中專門安排一個輸出寄存器作為步進電動機的控制寄存器，步進電動機的每一相繞組都與這個寄存器中某一指定位相對應(yīng)。寄存器中這一位為“1”，對應(yīng)相應(yīng)繞組的通電狀態(tài)，這一位為“0”，對應(yīng)著相應(yīng)繞組的斷電狀態(tài)。微處理器按照程序中規(guī)定的順序，循環(huán)的向寄存器中寫入各控制字節(jié)，從而使步進電動機繞組按固定的規(guī)律，循環(huán)地通電或斷電，步進電動機便按照設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動。在電路上步進電動機的每一繞組需和一個I/O口相連（經(jīng)光電隔離電路）故占用的I/O口數(shù)量較多。本設(shè)計采用軟件環(huán)形分配器。2.光電隔離電路在步進電動機驅(qū)動電路中，脈沖分配輸出的信號經(jīng)放大后，控制步進電動機的勵磁繞組。由于步進電動機需要的驅(qū)動電壓較高（幾十伏），電流也較大，如果將I/O口輸出信號直接與功率放大器相連，將會引起強電干擾，輕則影響計算機程序的正常運行，重則導(dǎo)致計算機接口電路的損壞。所以一般在接口電路與功率放大器之間都要加上隔離電路，實現(xiàn)電氣隔離，通常使用最多的是光電耦合器。耦合器由發(fā)光二極管和光敏三極管組成。當(dāng)輸入信號加到輸入端時，發(fā)光二極管導(dǎo)通激發(fā)發(fā)出紅外光，受光三極管受光照射后，由于光敏效應(yīng)產(chǎn)生光電源，通過輸出端輸出，從而實現(xiàn)了以光為媒介的電信號傳輸。輸入端與輸出端在電氣上完全隔離。下圖為光電隔離輸出及輸入電路，且為同向輸出電路，控制信號經(jīng)74LS05集電極開路門反相后驅(qū)動耦合器的輸入發(fā)光二極管，當(dāng)控制信號為低電平，74LS05不吸收電流，發(fā)出二極管不導(dǎo)通，從而輸出的三極管截止。同相電路輸入電平為零電平，反相電路輸出電壓為高電平（12V）。當(dāng)控制信號為低電平時，反相輸出電平接近零。3.功率放大器脈沖分配器的輸出功率很小，遠不能滿足步進電機的要求，必須將它放大以產(chǎn)生足夠大的功率驅(qū)動步進電機正常運轉(zhuǎn)。從步進電動機的啟動矩頻特性可以看出,隨著運行頻率的增高，步進電機輸出力矩負(fù)載的能力）下降，這一現(xiàn)象產(chǎn)生的主要原因是：作為功率放大器負(fù)載的步進電機是電感負(fù)載。C6132普通車床微機數(shù)控化改裝硬件設(shè)計說明圖4-5為控制系統(tǒng)的原理框圖。CPU選用ATMEL公司的8位單片機AT89S51；由于AT89S51本身資源有限，所以擴展一片EPROM芯片W27C512用做程序存儲器，存放系統(tǒng)底層程序；擴展了一片SRAM芯片6264用做數(shù)據(jù)存儲器，存放用戶程序；鍵盤與LED采用8279來管理；輸入/輸出口的擴展選用了并行接口8255芯片，一些進/出的信號均做了隔離放大；模擬電壓的輸出借助于DAC0832;與PC機的串行通信經(jīng)過MAX233芯片。復(fù)位電路晶振電路復(fù)位電路晶振電路EPRAM芯片W27C512SRAM芯片6264鍵盤與顯示接口芯片8279串行接口芯片MAX233CPU8031單片機并行接口芯片8255D/A轉(zhuǎn)換芯片DAC0832螺紋光柵信號操作面板開關(guān)交流變頻器主軸電動機隔離放大隔離放大隔離放大隔離放大隔離放大隔離放大隔離放大隔離放大X向步進電動機Z向步進電動刀架電動機主軸電動機卡盤電動機切削液泵電動機刀架刀位信號限位開關(guān)信號圖4-5控制原理框圖4.9控制軟件設(shè)計數(shù)控機床通過軟件程序?qū)崿F(xiàn)對硬件及機床的控制，數(shù)控系統(tǒng)軟件是根據(jù)機床零件加工的實際需要而編號的控制程序。每種數(shù)控機床都配有相應(yīng)的控制程序，用來完成各個控制功能。首先要建立數(shù)學(xué)模型，確定控制算法和控制功能，然后編寫成相應(yīng)的控制程序，固化在只讀存儲器中。本次設(shè)計編寫了四個軟件程序，分別為：（1）環(huán)形分配器軟件設(shè)計（2）逐點比較直線插補軟件設(shè)計（3）圓弧插補軟件設(shè)計（4）步進電動機自動升降速控制。4.9.1總體方案設(shè)計軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計，主要包括主模塊、子程序模塊和定時中斷模塊，主模塊主要完成初始化和監(jiān)控，初始化包括PIO、CTC的初始化、標(biāo)志位，原鍵盤緩沖區(qū)及顯示緩沖區(qū)的初始化，監(jiān)控主要包括鍵盤管理和顯示管理，均可調(diào)原監(jiān)控程序中的鍵盤管理和顯示管理子程序，功能子模塊包括+X，-X，+Z，-Z及STOP功能子模塊并可調(diào)用原監(jiān)控程序中的許多子程序，中斷模塊包括急停、中斷模塊和報警中斷等。4.9.2環(huán)形分配器軟件設(shè)計1.環(huán)形分配器工作原理微機是利用輸入、輸出接口I/O口來控制步進電機的，其中微機是MCS-51單片機，I/O口是并行接口芯片8155的PA、PB、PC口，當(dāng)微機向I/O口輸出不同的數(shù)據(jù)時，就可以控制各相控制繞組的通電或斷電，從而實現(xiàn)步進電機的轉(zhuǎn)動，以直角坐標(biāo)系中的、D兩坐標(biāo)聯(lián)動為例。設(shè)X向步進電機的三相控制繞組分別由I/O口位的D0、D1、D2位控制，Z向步進電機的三相控制繞組分別由I/O口的D3、D45位控制，當(dāng)任一位輸出為高電平時，則這一相的繞組就處于通電狀態(tài)，相反任一位輸出為低電平時，這相就處于斷電狀態(tài)。每一種通電狀態(tài)對應(yīng)一個數(shù)，把這個數(shù)叫通電狀態(tài)碼。如果把三相六拍控制方式的六種通電狀態(tài)所對應(yīng)的通電狀態(tài)碼按順序經(jīng)I/O輸出，就會使步進電機轉(zhuǎn)動。三相六拍控制方式的通電方式碼如表4-1，通電狀態(tài)碼按正方向順序輸出時，步進電機則正轉(zhuǎn)。按反向順序輸出時，步進電機則反轉(zhuǎn)。把這些狀態(tài)碼預(yù)先用功能鍵放置在微機內(nèi)存中，或通過程序設(shè)置在內(nèi)存中。最后一個00H是供電動機正向時，每選一個通電狀態(tài)碼。微機判斷是否六個數(shù)據(jù)送完，最前邊00H是用來判斷電動機反向時，判別六個數(shù)據(jù)是否送完。若為00H則地址指針重新賦值，不為00H，則地址指針加1（反向時減1），正轉(zhuǎn)時，存放01H數(shù)據(jù)的地址單元為地址指針。在反轉(zhuǎn)時，存數(shù)05H數(shù)據(jù)的地址單元為地址指針。狀態(tài)代碼起始地址如下：ORG××××H狀態(tài)代碼起始地址：00H、01H、03H、02H、06H、04H、05H、00H（其中：00H為地址指針重新賦值標(biāo)志）2.步進電機轉(zhuǎn)速的控制改變輸出狀態(tài)碼之間的間隔時間，即可改變步進電機的速度，間隔時間可由軟件延時的方法來實現(xiàn)，也可用微機的定時器實現(xiàn)，改變延時程序的時間常數(shù)T即可調(diào)整延時的時間，也就是改變了步進電機的轉(zhuǎn)速?？刂谱值脑O(shè)置控制字FCW用來控制步進電的轉(zhuǎn)動D1為X向方向位（1-正轉(zhuǎn)、0-反轉(zhuǎn)）D0為X向轉(zhuǎn)、?？刂莆唬?-轉(zhuǎn)動、0-停止）環(huán)形分配器子程序框圖如圖4-6環(huán)形分配器子程序框圖。微機判別控制字FCW的各位，選FCW.0=1，則檢測為X電機進給，接著再判別是否FCW.1=1，來確定X是正向進給還是反向進給。表4-1三相六拍控制方式的通電方式碼4.9.3逐點比較法的直線插補軟件設(shè)計在直線或圓弧廓形加工中，需要X向和Z向驅(qū)動電機同時動作，合成所需的運動軌跡。由于一個進給脈沖只能沿坐標(biāo)軸（X軸或Z軸）進給一步，這個距離（步距）稱為脈沖當(dāng)量?；驹恚哼M給機構(gòu)每進給一步，計算新的坐標(biāo)點位置和它與理想直線（或曲線）的偏差。要插補圖中的直線OA，坐標(biāo)原點位于被插補直線的起點，直線終點為A（xa，ya）4.9.4逐點比較法的圓弧插補軟件設(shè)計原理同逐點比較法直線插補相似，可利用相似性得到。第一象限如圖4-7所示4.9.5步進電機自動升降速控制步進電動機應(yīng)工作在額定工作頻率下，不能超過最高頻率，否則會出現(xiàn)失步現(xiàn)象。同樣步進電動機若在較高頻率下起動，停止或速度突變時。由于其慣性也會產(chǎn)生失步現(xiàn)象，所以在步進電機的起動，停止和變速過程采用圖4-8為采用這種方法的輸出脈沖頻率的波形，步進電機在起動過程中，進給脈沖隨時間按線性變化。上升到一定頻率fc時停止變化，改為勻速進給。第一象限直線插補程序框圖在制動過程中，同樣由給定頻率值fc勻速直到輸出進給脈沖為0，步進電機停止運轉(zhuǎn)，實現(xiàn)這種方法進給比較容易。也就是要求步進電機在起動、制動及變速過程中微機每輸出一個狀態(tài)碼，延時時間間隔成線形遞減或遞加變化，然后走到一定的步數(shù)后達到勻速狀態(tài)等加減速如附圖4-9：在清楚了自動回轉(zhuǎn)刀架的機械結(jié)構(gòu)和電氣控制電路后，就可以著手編制刀架自動轉(zhuǎn)位的控制軟件了。對于四工位自動回轉(zhuǎn)刀架來說，它最多裝有4把刀具，設(shè)計控制軟件的任務(wù)，就是選中任意一把刀具，讓其轉(zhuǎn)到工作位置。圖4-10表示讓1#刀轉(zhuǎn)到工作位置的程序流程，2#~4#刀的轉(zhuǎn)位流程與1#刀相似。設(shè)控制系統(tǒng)的CPU為AT89C51單片機，擴展8255芯片作為自動回轉(zhuǎn)刀架的收信與發(fā)信控制，已知8255芯片的控制口地址為2FFFH，則基于圖4-1和圖4-10的匯編程序清單如下：T01：MOVDPTR,#2FFEH；指向8255的PC口MOVXA,@DPTR；讀取PC口內(nèi)容JNBACC.4，TEND；測試PC4=0？若是，則說明1#已在工作位置，程序轉(zhuǎn)到TENDMOVDPTR,#2FFCH；指向8255的PA口地址