普通車床C6163縱向進給傳動機構(gòu)的數(shù)-控化改造

南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書(論文)作者:學(xué)號：學(xué)院(系):機械工程學(xué)院專業(yè):機械工程及自動化題目:普通車床C6163縱向進給傳動機構(gòu)的數(shù)控化改造指導(dǎo)者：評閱者：2014年06月南京理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書〔論文〕中文摘要普通機床的數(shù)控化改造是我國提高機械加工自動化程度的重要工程，我國現(xiàn)有擁有數(shù)量較多的普通機床，這些陳舊的機床急需進行數(shù)控化的改造，從而適應(yīng)現(xiàn)今的自動化加工，以及精準(zhǔn)加工；從經(jīng)濟角度來說，普通機床數(shù)控化改造的本錢要比直接購置數(shù)控機床低的多，并且改造后的機床能夠滿足加工精度要求。本文對C6163普通機床的縱向機械傳動機構(gòu)的數(shù)控化改造進行深入研究，其中包括數(shù)控化改造的必要性和可行性的論證、機床現(xiàn)有的機械結(jié)構(gòu)進行改造、機床主要傳動機構(gòu)的設(shè)計和計算、步進電機的選型和計算、選擇一個16位的單片機作為CPU以及對計算和設(shè)計過程中的注意點做了詳細(xì)的說明。本次改造的機床完全能符合加工精度要求，大大的提高了生產(chǎn)效率.關(guān)鍵詞普通車床數(shù)控化改造步進電機飛思卡爾畢業(yè)設(shè)計說明書〔論文〕外文摘要TitleCNCLatheC6163LongitudinalFeedTransmissionMechanismAbstractInChinatheNumericalcontroltransformationofgeneralmachinetoolsisanimportantprojecttoimprovetheautomationofmachining.TherearemanygeneralmachinetoolsandtheseoldmachinetoolsareinurgentneedofNCtransformation,soastoadapttotoday’sautomatedprocessingandprecisionmachining.Fromaneconomicperspective,thecommonmachinetoolNumericalcontroltransformationcostlessthandirectpurchaseNCmachinetools,andthemodifiedmachinecanmeettherequirementsofmachiningprecision.Inthispaper,thoroughresearchofNCtransformationinthelongitudinalmechanicaltransmissionmechanismofC6163generalmachinetools.IncludingtheessentialityandfeasibilityofNCtransformation,fabricatemechanicalstructureoftheexistingmachinetools,designandcalculationofmaintransmissionmechanism,selectionandcalculationofstepmotor,selecta16bitmicrocontrollerasCPUandmakesadetaileddescriptionaboutthepointsforattentionintheprocessofcalculationanddesign.Thetransformationofthistoolscanmeettherequirementsofprocessing,whichgreatlyimprovestheproductionefficiency.KeywordsCommonLatheNCImprovementSteppingMotorFreescale目錄1緒論 11.1數(shù)控機床開展概述 11.2國內(nèi)外普通機床數(shù)控化改造現(xiàn)狀 11.3普通機床數(shù)控化改造 21.4數(shù)控系統(tǒng)的開展趨勢 31.5本課題研究的內(nèi)容 31.6本章小結(jié) 42總體方案設(shè)計 52.1機械局部改造 52.2控制系統(tǒng)設(shè)計 62.3本章小結(jié) 93機床進給伺服系統(tǒng)的計算 113.1C6163車床技術(shù)參數(shù) 13.2切削力的計算 113.3滾珠絲桿螺母副的計算和選型 123.4本章小結(jié) 184電動機的選擇 194.1初選步進電機 194.2校核步進電機轉(zhuǎn)矩 204.3本章小結(jié) 255電氣控制系統(tǒng)設(shè)計 265.1控制器〔CPU〕的選擇 265.2復(fù)位及晶振電路 295.3顯示及鍵盤電路設(shè)計 315.4報警電路設(shè)計 365.5電機的驅(qū)動 375.6本章小結(jié) 446數(shù)控機床系統(tǒng)軟件設(shè)計 456.1LCD顯示程序 456.2單片機中斷程序 506.3本章小結(jié) 53結(jié)束語 54致謝 55參考文獻 56附錄A 571緒論1.1數(shù)控機床開展概述自1952年以來，第一臺數(shù)控銑床在美國誕生，數(shù)控機床的控制系統(tǒng)從一開始的電子管到晶體管再到小型集成電路最后開展成微型計算機。隨著計算機和科學(xué)技術(shù)的迅猛開展，數(shù)控技術(shù)也突飛猛進，產(chǎn)品的加工要求也越來越高，這就要求機床加工必須走向自動化、智能化和高性能化，并且操作起來要簡便快捷，能有效的提高生產(chǎn)效率?，F(xiàn)今的數(shù)控機床已經(jīng)不斷的在向精密加工、快速加工、多軸加工、加工智能化、功能復(fù)合化以及信息網(wǎng)絡(luò)化等方面開展，從而能夠勝任更多更復(fù)雜的加工任務(wù)。1.2國內(nèi)外普通機床數(shù)控化改造的現(xiàn)狀1.2.1國內(nèi)現(xiàn)狀改革開放使中國進入了一個嶄新的時期，國內(nèi)許多產(chǎn)業(yè)在興起，特別是制造行業(yè)的興起，這就把機械加工這個問題放在了首要地位。特別是在2001年，中國成功參加世貿(mào)組織以來，中國同世界的聯(lián)系愈來愈緊密，各種文化、經(jīng)濟以及技術(shù)的等方面的交流越來越多，其中制造行業(yè)的問題十分突出。從2001年開始，由于我國國內(nèi)的數(shù)控機床不能滿足市場的需要，機床的進口量龐大，位居世界第2位。對于中小型企業(yè)來說，進口的數(shù)控機床價格昂貴，維修保養(yǎng)都需要專門的人才，所以進口機床會是企業(yè)很大的負(fù)擔(dān)。目前我國擠壓的普通機床數(shù)量龐大，因此普通機床的數(shù)控化改造迫在眉睫，改造既可以解決加工精度的問題還可以降低企業(yè)的生產(chǎn)本錢。1.2.2國外現(xiàn)狀自從第一臺計算機誕生以來，由美國開始，各個工業(yè)強國都先后有了自己的數(shù)控機床。國外的政府是十分重視制造行業(yè)的開展，在他們看來數(shù)控機床技術(shù)就是開展軍事工業(yè)的戰(zhàn)略物資。另外，國外不光光是在制造行業(yè)這個領(lǐng)域用到機電一體化的產(chǎn)品，還有許多其他領(lǐng)域都運用到了機電一體化技術(shù)，即用機器手或者機器人代替人工操作，這就大大提高了自動化程度。在國外，他們的微電子技術(shù)開展迅速，并且以微電子為根底涌現(xiàn)出了許多不同的精密加工方式，這就大大的提高了機械加工產(chǎn)品的精度。在國外有許多國家把普通機床的數(shù)控化改造稱之為一種新的經(jīng)濟增長方式，在美國甚至稱之為機床再生，而且都有很好的市場前景。因此在國外這些工業(yè)興旺國家，不管是數(shù)控機床還是普通機床的數(shù)控化改造都處在世界的領(lǐng)先地位。我國雖然與國外還有一定的差距，但近幾年來，國內(nèi)也逐漸形成了自己的數(shù)控技術(shù)，我們不僅要借鑒國外先進的技術(shù)，更要研發(fā)自己的數(shù)控系統(tǒng)，盡力縮小與興旺國家的差距。1.3普通機床數(shù)控化改造1.3.1數(shù)控化改造的必要性從宏觀上看，制造行業(yè)的強弱程度往往就可以決定這個國家綜合國力的強弱。早在1970～1980年之間，世界上一些工業(yè)技術(shù)興旺的國家已經(jīng)大規(guī)模的研發(fā)數(shù)控機床并且已成功投入生產(chǎn)。但是我國的數(shù)控機床占用率直到上世紀(jì)90年代還不到機床總數(shù)的2%，這個數(shù)值遠遠要低于同時期日本的20%，并且我國每年都要進口大量的數(shù)控機床，這就使得國內(nèi)的精密制造業(yè)的本錢大大提高，因此普通機床的數(shù)控化改造是十分有必要的。再從加工機械產(chǎn)品的質(zhì)量上說，數(shù)控機床遠遠要高于普通機床，具體在以下幾個方面：〔1〕數(shù)控機床能夠完成各種包含曲線曲面的復(fù)雜零件的加工，并且加工的工件的精度很好，且具有良好的裝配精度；〔2〕由于計算機擁有超高的計算能力，可以瞬間計算出各軸的坐標(biāo)，大大的提高了加工效率；計算機具有記憶功能，能把輸入的程序存儲到程序存儲器中，并且按照程序設(shè)定的加工順序控制機床執(zhí)行加工步驟，這個過程完全不需要人工干預(yù)，機床可以自動完成，這就實現(xiàn)了加工的自動化；而且每換一個零件只需要改變程序就可以完成加工，大大的提高了機床的柔性加工能力；〔3〕數(shù)控機床還具有自動檢測和反響裝置，可以實現(xiàn)自動補償、檢測故障以及誤操作之后的報警功能，這樣就可以在無人看管的情況下進行自動加工，節(jié)約勞動力，還能提高生產(chǎn)效率。1.3.2數(shù)控化改造的優(yōu)點普通機床的特點就是價格低廉，操作簡便，但普通機床加工出的產(chǎn)品精度不是很高，加工誤差大，而且還不適合大批量的工件加工，加工效率低，對工人的要求也很高，增加勞動強度；數(shù)控機床的價格要比普通機床高的多，但是數(shù)控機床的加工能力要遠高于普通機床，能實現(xiàn)快速加工、精密加工以及自動加工等等。綜合普通機床和數(shù)控機床的優(yōu)缺點，普通機床的數(shù)控化改造就是一條既實用而又經(jīng)濟的途徑。改造后的機床加工的機械產(chǎn)品完全可以滿足一定的精度要求，而且其加工本錢也不高。數(shù)控化改造后的機床的加工能力得到大大的提高，其加工范圍也擴大，可進行各種切削加工以及螺紋加工，還可以使機床的使用壽命延長。對于企業(yè)來說，普通機床的數(shù)控化改造可以節(jié)約本錢，提高勞動效率，用較少的資金生產(chǎn)符合市場需求的產(chǎn)品，提高企業(yè)的市場競爭力。1.3.3數(shù)控化改造的可行性分析從技術(shù)上說，在改造之前必須對將要進行改造的機床的加工精度、機床機構(gòu)、機床性能和運行情況進行全面的分析，還要綜合機床經(jīng)過改造后所要到達的系統(tǒng)控制精度與系統(tǒng)性能，再對機床改造設(shè)計方案。方案中應(yīng)該包括機床電機的替換、機床原有傳動機械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計、測量機床現(xiàn)有的加工精度以及檢測普通機床現(xiàn)有的導(dǎo)軌和各坐標(biāo)軸機械傳動是否符合改造要求等等。綜合以上改造內(nèi)容，設(shè)計總體方案，然后對改造的每一步驟進行詳細(xì)的說明和計算，最后完成改造任務(wù)。從經(jīng)濟上說，普通機床的價格遠遠低于數(shù)控機床，國內(nèi)許多企業(yè)中仍然有著許多普通機床，所以要利用這些資源。雖然普通機床的數(shù)控化改造時一條經(jīng)濟的途徑，但是換一個角度來說，從機床自身的價值出發(fā)，改造的機床要到達我們預(yù)期的精度所投入的資金是否合理；再者從改造完成投入使用到本錢回收再到盈利，這個時間的長短也是必須要考慮的。1.4數(shù)控系統(tǒng)的開展趨勢機床的數(shù)控化改造就是在普通機床上安裝一個數(shù)控系統(tǒng)，再對機床原有的一些傳動部件進行重新設(shè)計和計算，這樣普通機床就擁有了數(shù)控加工能力了。其中的改造包括步進電機的選擇、滾珠絲桿螺母副的改造、減速機構(gòu)的設(shè)計、導(dǎo)軌的改造等等。數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機床的核心，傳統(tǒng)的系統(tǒng)都是封閉式的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)不易進行系統(tǒng)功能的擴展，也逐漸的在被市場所淘汰。如今的系統(tǒng)都是要開放性的系統(tǒng)，通過與PC相連接，實現(xiàn)智能化控制。數(shù)控機床和經(jīng)數(shù)控化改造后的機床都要實現(xiàn)加工的高效率化、柔性加工、加工高精度化以及加工產(chǎn)品的良好的工藝性。此外最重要一點就是要實現(xiàn)工藝復(fù)合化，減少輔助時間，能夠通過一次裝夾，實現(xiàn)多個工序的加工，提高生產(chǎn)效率。1.5本課題研究的內(nèi)容此次對普通車床C6163車床縱向進給傳動機構(gòu)進行數(shù)控化改造，包括兩大局部的改造，及機械局部改造和電氣控制局部的改造。對于機械局部改造包括步進電機的選型，步進電機的脈沖當(dāng)量為0.01mmm，用步進電機替代原先縱向傳動電機；步進電機的驅(qū)動方式為上下壓驅(qū)動，利用硬件環(huán)形分配器控制步進電機的勵磁繞組。再對普通機床原有的機械傳動結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計及計算，這方面主要包括滾珠絲桿螺母副的選型，縱向?qū)к壍母脑欤瑴p速齒輪的重新計算和設(shè)計以及校核絲桿和導(dǎo)軌的剛度和穩(wěn)定性；控制系統(tǒng)采用開環(huán)控制，該系統(tǒng)包括一個16位的單片機作為CPU、譯碼電路、機床報警電路以及鍵盤顯示電路的設(shè)計。1.6本章小結(jié)本章簡要的論述了數(shù)控機床的開展歷史以及國內(nèi)外普通機床數(shù)控化改造的狀況，經(jīng)過比照國內(nèi)外的改造可以發(fā)現(xiàn)我國的形勢比擬嚴(yán)峻，目前國內(nèi)擁有許多擠壓的普通車床亟待改造，這就要求我們要借鑒國外興旺國家數(shù)控改造的經(jīng)驗。本章強調(diào)了普通機床數(shù)控化改造的必要性，在科學(xué)技術(shù)和信息技術(shù)迅速開展的如今，各種行業(yè)對機械產(chǎn)品的精度要求越來越高。在這個大背景下，數(shù)控機床的優(yōu)點十清楚顯，其精密的加工能力和高的生產(chǎn)效率都符合現(xiàn)代化加工要求，因此普通機床的數(shù)控化改造是十分必要的。在改造過程中，利用單片機作為CPU，外加其它外設(shè)，是普通車床具有一個方向或者多個方向的數(shù)控加工能力。本課題綜合比擬國內(nèi)外成功改造機床的案例，對普通機床C6163縱向傳動機構(gòu)進行數(shù)控化改造，因此本課題研究內(nèi)容具有很好的實用性和通用性。2總體設(shè)計本次改造是對普通車床C6163的縱向傳動機構(gòu)進行數(shù)控化改造，根據(jù)要求，本次改造分為機械局部改造和電氣控制局部改造兩大局部。機械局部改造是要將機床原有的不符合數(shù)控加工要求的傳動機構(gòu)替換掉，并且對減速齒輪進行重新計算設(shè)計；在系統(tǒng)控制改造局部，根據(jù)要求需要一個16位的單片機作為控制系統(tǒng)的CPU以及設(shè)計其它必要的功能電路和輔助電路，并且要求設(shè)計一個開環(huán)系統(tǒng)，采用有上下壓驅(qū)動的步進電機驅(qū)動電路。具體的改造方案如下。2.1機械局部改造2.1.1數(shù)控機床機械結(jié)構(gòu)特點CNC機床機械結(jié)構(gòu)特點如下：〔1〕剛度高、抗振性好：數(shù)控機床的加工時高速、高精度、高生產(chǎn)效率以及高的可靠性的，所以與普通機床相比，數(shù)控機床應(yīng)具有更好的動、靜剛度和良好的抗振性；〔2〕減少熱變形：在機床機構(gòu)設(shè)計時采用對稱結(jié)構(gòu)，對機床的主要發(fā)熱部位要進行有效的散熱方式，如風(fēng)冷水冷等；〔3〕簡化傳動機構(gòu)：數(shù)控機床主要使用步進電機或者交直流電機來提高機床的主運動，機床的進給運動多由伺服電機提供，以上這些電機的變速范圍比擬大，這就可以大大簡化主軸箱和減速箱的設(shè)計，并且有的電機還可以實現(xiàn)無極變速；〔4〕高效傳動和低摩擦導(dǎo)軌：數(shù)控機床的加工速度一般來說是很快的，因此對于控制系統(tǒng)必須在機床高速運行的狀態(tài)下保證機床有較高的精度和平穩(wěn)性，對于進給伺服系統(tǒng)來說，必須要有較高的剛度和使用壽命以及無縫隙等特點；機床的導(dǎo)軌很大程度上決定了加工產(chǎn)品的質(zhì)量，因此要采用摩擦系數(shù)較低的導(dǎo)軌；(5)工藝復(fù)合化和功能集成化：現(xiàn)代的數(shù)控機床除了高精度加工能力之外，還應(yīng)具有良好的工藝復(fù)合化程度，即通過一次裝夾工件，就可以完成多個工序的加工，這就可以減少反復(fù)裝夾工件帶來的誤差。2.1.2普通車床C6163可以加工各種軸類和小型盤類零件，以及螺紋的加工，此次機械局部改造要保證加工的精度和加工的可靠性。根據(jù)以上的要求，普通機床C6163的機械局部的改造具體方案如下[4]：〔1〕首先將提供C6163縱向進給的普通三相電機換成部件電機，這里為了減少改造的工作量，保存了機床原有的主傳動機構(gòu)和減速箱及結(jié)構(gòu)；〔2〕為了減少運動部件移動時的摩擦力，特別是靜摩擦力，在車床導(dǎo)軌上粘貼摩擦系數(shù)低的聚四氟乙烯膠帶；(3)撤除原有的縱向進給箱、滑動絲桿、操作桿、齒條等，在縱向進給箱處布置步進電機和齒輪減速箱，齒輪要采取消除反向間隙的結(jié)構(gòu)；機床的傳動采用滾珠絲桿，主運動從步進電機經(jīng)減速箱減速，再帶到滾珠絲桿從而帶開工作臺。滾珠絲桿采用一端固定一端簡支支承方式，改造后的縱向機械傳動結(jié)構(gòu)圖如圖2-1所圖2-1縱向機械傳動結(jié)構(gòu)圖2.2控制系統(tǒng)設(shè)計圖2-1縱向機械傳動結(jié)構(gòu)圖2.2.1控制系統(tǒng)的選擇數(shù)控機床的核心就是數(shù)控系統(tǒng)。對于普通機床數(shù)控化改造而言，主要是將機床的進給運動交由數(shù)控系統(tǒng)控制，并且能夠進行精準(zhǔn)加工，此外還應(yīng)滿足一些要求：〔1〕在加工過程中，由數(shù)控系統(tǒng)控制進給，實現(xiàn)精確定位、橫向和縱向的直線插補、圓弧插補以及準(zhǔn)停功能；(2)在臥式車床的改造中，在考慮到其最大加工尺寸、加工精度、控制速度以及以經(jīng)濟型改造為根底的綜合條件下，選擇適宜的數(shù)控系統(tǒng)；〔3〕因為此次改造屬于經(jīng)濟型數(shù)控化改造，在保證改造后的機床具有一定加工精度的前提下，為了簡化結(jié)構(gòu)和節(jié)省本錢，選用開環(huán)控制系統(tǒng)。2.2.2微型計算機、單片機及PLC的比擬(1)微型計算機微型計算機是以微處理器為核心，再配以存儲器、存放器、I/O接口以及其他輔助電路，它最突出的特點就是體積小、使用方便、CPU結(jié)構(gòu)簡單以及對環(huán)境的要求不是很高，并且價格還廉價。如今的微型計算在不斷的開展更新，微型機的應(yīng)用領(lǐng)域也越來越大，其功能也愈來愈強大，可以應(yīng)用到工業(yè)價格領(lǐng)域，并擁有很好的前景。但是微型計算只是一個“裸機”，本身無法完成單獨的處理數(shù)據(jù)的功能，必須加上其他必需的外圍器件，另外微型機的開發(fā)周期比擬長，一旦有什么參數(shù)發(fā)生變化，修改起來會比擬麻煩。(2)單片機單片機是一種典型的嵌入式微控制器，又稱為單片微型計算機，是最先在工業(yè)控制領(lǐng)域中使用的。單片機是一種集成芯片，其中包括一個中央處理單元〔CPU〕、存儲器〔隨機存儲器RAM和只讀存儲器ROM〕、定時器、計數(shù)器和一個時鐘振蕩電路。單片機的具體特點如下：a體積小、功能全：單片機中把計算機的根本功能都集成到一塊小型的芯片上，使用起來十分方便；b面向控制：單片機內(nèi)部具有許多可以直接用于控制的功能部件，其指令系統(tǒng)中包含了可以完成控制任務(wù)的指令，尤其適用于自動控制領(lǐng)域；c適合應(yīng)用于機電一體化領(lǐng)域：因為單片機體積小且控制功能強，可以輕松的替代傳統(tǒng)的機械及電子元件，單片機的抗干擾能力強，工作比擬穩(wěn)定。(3)PLC可編程邏輯控制器〔PLC〕是建立在單片機之上的，具有很強的邏輯編程功能和智能化功能，可以實現(xiàn)自動的順序控制，并且還具有通信功能，能夠進行信息的交流。此外PLC還具有如下的特點：a．PLC的可靠性好、抗干擾能力高：PLC控制不要連接許多電子元件，大大的減少了連線帶來的不穩(wěn)定性；對于故障，PLC自帶有斷電保護、故障檢測和信息的保護與恢復(fù)功能。另外PLC有多種編程語言，并且還可以通過梯形圖直觀的反響程序的邏輯關(guān)系，因此PLC的編程更易掌握運用；b．易操作性：PLC的程序的輸入和修改十分方便，輸入采用直接輸入即可，在更改程序時只要輸入程序的地址編號便可查找到要更改的程序；另外PLC還有多種編程語言可以選擇，還可以用梯形圖來表示一段程序，這就使得PLC程序變得十分直觀，并有很強的邏輯性，易懂易學(xué)；c．通用性好：PLC外帶了許多硬件輔助裝置，可以滿足各種系統(tǒng)的要求，因此使用者不必設(shè)計硬件裝置；一旦確定了硬件裝置，就可以通過改變程序代碼就可以完成對不同工藝的加工和適應(yīng)設(shè)備的更新?lián)Q代。綜上所述，此次數(shù)控化改造是經(jīng)濟型的改造，但要保證一定的加工精度，由于微型計算機的控制必須要外加其他電器元件，車床改造已沒有多余空間再來放置元器件，所以不采用微型計算機作為控制系統(tǒng)；PLC控制固然是很完美的方法，既可以保證加工精度，又能夠節(jié)約空間，但是其價格比擬昂貴，不符合經(jīng)濟型改造的理念，在此也不采用PLC控制；對于單片機來說，其價格適中，控制能力也強，能夠保證加工產(chǎn)品的質(zhì)量，不占用太多的空間，能夠精確控制機床的運作，單片機也能夠?qū)崿F(xiàn)智能化的控制，因此此次改造選用單片控制。2.2.3數(shù)控系統(tǒng)的選擇由步進電機和相應(yīng)的驅(qū)動電路組成的開環(huán)系統(tǒng)是一種沒有反響元件的控制系統(tǒng)，步進電機根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的脈沖指令驅(qū)開工作臺移動，在這個過程中沒有任何信號會返回給控制系統(tǒng)。這種伺服系統(tǒng)比擬簡單，并且工作運行狀態(tài)也穩(wěn)定，很容易掌握使用，所以比擬適合經(jīng)濟型數(shù)控改造，但是其加工精度和速度收到限制，不適宜精密加工。閉環(huán)控制系統(tǒng)是一種自帶反響裝置的精密控制系統(tǒng)，由伺服電動機、伺服放大器、速度檢測裝置、反響元器件以及位置檢測裝置組成。這種系統(tǒng)可以自動的對工作臺的位移量進行檢測，并不斷的與指令比擬，一步一步的縮小與指令的差距，以到達較高的精度。這種系統(tǒng)的加工精度、定位精度很高，但是其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維修復(fù)雜，適用于高精加工機床。半閉環(huán)控制系統(tǒng)的原理和組成局部與閉環(huán)控制系統(tǒng)的大致一樣，唯一的不同點就是半閉環(huán)的位置檢測裝置不像閉環(huán)控制系統(tǒng)那樣安裝在機床上的，而是安裝在伺服電機軸上的。這種伺服系統(tǒng)可以進行精密的加工，加工精度要高于開環(huán)系統(tǒng)，并且在進給控制方面也要優(yōu)于開環(huán)控制，但是其復(fù)雜程度要高于開環(huán)系統(tǒng)，所以這種系統(tǒng)適合應(yīng)用在中小型的數(shù)控機床上。2.2.4系統(tǒng)功能設(shè)計本課題是對于C6163普通車床的縱向傳動機構(gòu)進行數(shù)控化改造，在控制系統(tǒng)方面，要求采用一個16位單片機作為CPU，用步進電機驅(qū)動的開環(huán)系統(tǒng)?！?〕報警電路可以檢測機床的故障或者人為的誤操作，提醒操作者機床出現(xiàn)問題，此時機床的報警燈會閃爍，其中限位問題是最常見的，即機床越界報警；〔2〕看門狗電路看門狗電路就是單片機里自帶的一個定時計數(shù)器，可以保證數(shù)控機床不會進入死循環(huán)，可以使單片機在進入死循環(huán)時復(fù)位，而不需要整個控制系統(tǒng)斷電，這樣就起到保護硬件電路的作用了；〔3〕電動機驅(qū)動將原有電機換成步進電機，步進電動機采用硬件環(huán)形分配器，驅(qū)動方式為上下壓驅(qū)動，脈沖當(dāng)量為0.01mm。本次改造在電氣控制系統(tǒng)局部選用了飛思卡爾的16位MC9S12DG128單片機，此單片機擁有超大的閃存，既可以作為RAM還可以作為ROM，并且其處理數(shù)據(jù)的能力和速度都很快。電氣控制系統(tǒng)局部的電氣控制總結(jié)構(gòu)圖如圖2-2所示：圖圖2-2電氣控制總結(jié)構(gòu)圖2.3本章小結(jié)本章詳細(xì)論述了此次普通車床C6163數(shù)控化改造的總體方案，包括機械和電氣兩大方面的改造。簡單的論述了數(shù)控機床在機械結(jié)構(gòu)方面的特點，并給出了在機械局部改造的具體方案；在電氣控制系統(tǒng)改造局部，給出了初步的改造方案，并綜合比擬了微型計算機、PLC和單片機的優(yōu)缺點，最后選用單片機作為CPU，還綜合比擬了開環(huán)、半閉環(huán)和閉環(huán)控制的有趣點，再根據(jù)本次改造為經(jīng)濟型改造的宗旨，因此選那么開環(huán)控制系統(tǒng)，由步進電機提供進給運動。一個完整的控制系統(tǒng)還要需要許多輔助電路的設(shè)計，包括報警電路、看門狗電路以及電機的驅(qū)動電路的設(shè)計，本章做了簡單的介紹，詳細(xì)的說明見第五章電氣控制系統(tǒng)設(shè)計。3機床進給伺服系統(tǒng)的計算3.1C6163車床技術(shù)參數(shù)根據(jù)此次普通機床數(shù)控化改造的要求，縱向的脈沖當(dāng)量選為0.01mm。機床主要的技術(shù)參數(shù)如下：加工最大直徑在床面上630mm在床鞍上350mm加工最大長度1400mm溜板及刀架重力橫向1000N縱向1800N刀架快移速度橫向1.0m/min縱向2.0m/min定位精度0.015mm最大進給速度橫向0.25m/min縱向0.5m/min主電機功率10kW起動加速時間35s3.2切削力的計算因本次改造只對C6163車床的縱向傳動機構(gòu)做改造，所以只計算縱車外圓時的切削力的大小。以下所有的計算均為縱向的計算。主切削力按照經(jīng)驗計算公式〔3-1〕：[1](3-1)=〔0.67×6301.5〕N=10594.63N式中：—車床床身上加工的最大直徑。再按照切削力的比例求出各個分力：[1]=(10594.63×0.25)N=2648.66N=(10594.63×0.4)N=4327.85N3.3滾珠絲桿螺母副的計算和選型3.3.1縱向進給牽引力的計算縱向進給導(dǎo)軌為綜合型導(dǎo)軌，其牽引力計算公式〔3-2〕：[1]〔3-2〕=1.15×2648.66+0.15×〔10594.63+1800〕=4905.2N式中：—移動部件的重量〔N〕；—導(dǎo)軌摩擦系數(shù):0.15～0.18；—考慮顛覆力矩影響的實驗系數(shù)，綜合型導(dǎo)軌取1.15。3.3.2計算最大動載荷在選擇滾珠絲桿副的直徑時，必須要保證絲桿在一定的軸向負(fù)載作用下工作100萬轉(zhuǎn)后，在滾珠絲桿副的滾道上不產(chǎn)生點蝕。因此要計算滾珠絲桿所能承受的最大動載荷，其計算公式(3-3),(3-4)如下：[1]〔3-3〕==110r/min(3.4)==99[1](3-4)==34037.66N式中：—壽命，以106轉(zhuǎn)為以單位；—絲桿轉(zhuǎn)速〔r/min〕；—在最大切削力條件下的進給速度〔m/min〕,可以取最高進給速度的1/2～1/3，此次改造=2×1/3=0.66m/min；—絲桿導(dǎo)程〔mm〕，初選6mm；—機床的使用壽命〔h〕,對于數(shù)控機床為15000h；—運轉(zhuǎn)系數(shù)，這里取1.5。3.3.3滾珠絲桿副的選擇參照附錄A表A-1，此次改造選用W1L3.3.4傳動效率計算計算公式〔3-5〕如下：[1]〔3-5〕=×100%=96.24%式中：—絲桿螺旋升角，W1L5012;—摩擦角，取3.3.5剛度驗算根據(jù)以上的計算，滾珠絲桿的軸向最大牽引力為4905.2N，滾珠絲桿副的支承間距取1800mm，因為一開始滾珠絲桿螺母進行了預(yù)緊，預(yù)緊力為最大軸向載荷的。〔1〕滾珠絲桿的拉壓形變量參照圖3-1，根據(jù)=4905N，=50mm，查出=1.8×10-5，再由式〔3-6〕計算出：[1]〔3-6〕=〔1.8×10-5×1800〕mm=3.24×10-2mm式中：—滾珠絲桿在支承距離間的受力長度〔mm〕圖3-1滾珠絲桿軸向拉伸壓縮變形因為滾珠絲桿副兩端都是采用了向心推力球軸承，而且滾珠絲桿進行了預(yù)緊拉伸，因此其拉壓剛度變?yōu)榱嗽瓉淼?倍。絲桿的實際變形量〔mm〕為：=0.81×10-2mm〔2〕滾珠絲桿與絲桿螺紋滾道間的接觸變形參照圖3-2，W系列,2.5圈1列，軸向載荷就為最大牽引力4905N，查出軸向彈性形變量=9.8，因為進行了預(yù)緊，所以的值就為彈性形變量的一半，即：=×9.8=4.9μm 〔3〕支承滾珠絲桿的軸承的軸向接觸變形此次改造選用52208型推力球軸承[2]，mm，軸承的滾動體直徑，μ軸承的滾動體數(shù)量，由式〔3-7〕：[1]〔3-7〕==0.0093mm因為施加了預(yù)緊力，故=0.00465mm根據(jù)以上的計算：=0.0081+0.0049+0.00465=0.01765mm＞定位精度圖3-2W系列2.5圈1列絲桿副滾珠和螺紋滾道接觸變形圖3-2W系列2.5圈1列絲桿副滾珠和螺紋滾道接觸變形圖因為C6163機床允許的加工誤差為0.015mm，這里計算得出的變形量顯然超出了機床的允許值，故要采用貼塑導(dǎo)軌來減小摩擦力，進而減小最大牽引力。重新計算變形量如下：=1.15×2648.66+0.04×〔10594.63+1800〕=3541.7N從圖3-1中查出，當(dāng)=3541.7N時，=8.5×10-6。即，=〔8.5×10-6×1800〕mm=1.53×10-2mm此時的=0.038×10-2mm。再從圖3-2中查出，當(dāng)軸向載荷為3541.7N時，軸向彈性形變量=6.5μm，即，=3.25μm。最后對于支承滾珠絲桿軸承的軸向接觸變形：==0.0075mm所以=0.00375mm。根據(jù)新的計算：=0.00038+0.00325+0.00375=0.00738mm＜定位精度綜上，采用貼塑導(dǎo)軌，滾珠絲桿副采用W1L3.3.6穩(wěn)定性校核計算臨界負(fù)載，由式〔3-8〕得：[1]〔3-8〕式中：—滾珠絲桿材料的彈性模量〔N/cm2〕，對于鋼取20.6×106N/cm2；—截面慣性矩〔cm4〕,對于絲桿為〔為絲桿螺紋的底徑〕，這里=48.5-1.08×12=35.54mm，因此=7.71cm4；—絲桿兩支承端的距離〔cm〕；—絲桿支承方式系數(shù)，支承方式為一端固定一端簡支的=2.00；由上述計算可得：==96762N故，==19.24[]一般來講，[]可取2.5～4，所以，此滾珠絲桿是不會失穩(wěn)的，W1L5012型滾珠絲桿幾何參數(shù)見表3-1：表3-1W1L5012滾珠絲桿幾何參數(shù)參數(shù)名稱符號關(guān)系式W1L螺紋滾道公稱直徑50導(dǎo)程12接觸角4°22′鋼球直徑7.144滾道發(fā)面半徑3.71偏心距0.011螺紋升角4°22′螺桿外徑48內(nèi)徑42.602接觸直徑42.877螺母螺紋直徑57.398內(nèi)徑51.6073.3.7齒輪傳動比計算因為本次改造的縱向進給脈沖當(dāng)量已經(jīng)給出，即，滾珠絲桿的導(dǎo)程選,初步選擇步進電動機的步距角。根據(jù)式〔3-9〕計算傳動比：[1]〔3-9〕==0.4根據(jù)以上的計算，齒輪減速完全可以選擇一級減速齒輪，其齒數(shù)選擇計算如下：=，即=18，=45由于此次改造的進給伺服系統(tǒng)傳遞功率并不是很大，對于改造后的車床來說，齒輪模數(shù)可以取2，齒輪參數(shù)見表3-2。表3-2傳動齒輪幾何參數(shù)齒數(shù)1845分度圓3690齒頂圓4094齒根圓3185齒寬〔6～10〕2020中心距633.4本章小結(jié)本章主要是關(guān)于機械方面的計算，包括機床最大牽引力的計算和軸向最大載荷的計算，參考計算結(jié)果選擇滾珠絲桿副，對選定的滾絲桿螺母副進行剛度校核和穩(wěn)定性校核，其中還包括對于推力球軸承的選擇，并進行校核。根據(jù)脈沖當(dāng)量選擇步進電機型號和工作方式，計算和設(shè)計減速齒輪。4電動機的選擇4.1初選步進電機〔1〕計算步進電機負(fù)載轉(zhuǎn)矩[1]〔4-1〕==421.27N·cm式中：—脈沖當(dāng)量，這里取0.01mm；—進給牽引力；—步距角，雙拍制；—步進電機到絲桿的傳動效率，為齒輪、軸承、絲桿效率的乘積，具體效率為0.98、0.99和0.94〔2〕估算步進電機起動轉(zhuǎn)矩[1]==1053.18N·cm〔4-2〕〔3〕計算最大靜轉(zhuǎn)矩參照表4-1，初步選那么步進電機的工作方式為五相十拍，那么：[1]==1107.44N·cm〔4-3〕表4-1步進電機啟動轉(zhuǎn)矩和最大靜轉(zhuǎn)矩的關(guān)系表步進電機相數(shù)三相四相五相六相拍數(shù)36485106120.50.8660.7070.7070.8090.9510.8660.866〔4〕步進電機的運行頻率和最高起動頻率的計算[1]=Hz=833.3Hz〔4-4〕[1]=Hz=3333.3Hz〔4-5〕式中：—刀具最大切削進給速度〔m/min〕，取0.5m/min；—工作臺最大快移速度〔m/min〕,取2.0m/min；—脈沖當(dāng)量，取0.01mm/step?！?〕初選步進電機型號根據(jù)估算得出的最大靜轉(zhuǎn)矩再通過附錄A表A-2，查出150BF002型步進電機的最大靜轉(zhuǎn)矩為1372N·cm＞，故可以滿足要求。因為本次改造是經(jīng)濟型數(shù)控改造，可能會有較大的切削量，所以應(yīng)該選擇轉(zhuǎn)矩稍大的步進電機。綜合以上原因選擇150BF003型步進電機，其最大靜轉(zhuǎn)矩為1568N·cm。但在表格中可以看出此步進電機的最高空載起動頻率為2600Hz，不滿足=3333.3Hz，這里我們不做討論，這個問題可以用軟件程序來解決。4.2校核步進電動機轉(zhuǎn)矩〔1〕等效轉(zhuǎn)動慣量計算縱向機械傳動簡圖見本文第二章圖2-1，參照附錄A表A-3，傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總的轉(zhuǎn)動慣量〔kg·cm2〕可由下式〔4-6〕計算出：(4-6)式中：—步進電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量〔kg·cm2〕；、—齒輪、的轉(zhuǎn)動慣量〔kg·cm2〕；—滾珠絲桿轉(zhuǎn)動慣量〔kg·cm2〕?！ぜ肮ぷ髋_重力〔N〕，=1800N本次改造選擇的是150BF003型步進電機，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量kg·cm2,兩個齒輪以及滾珠絲桿的轉(zhuǎn)動慣量計算公式〔4-7〕如下：[1]〔4-7〕式中：—圓柱體直徑〔cm；—圓柱體長度或者厚度(cm)。=0.78×10-3×·=kg·cm2=0.78×10-3×·=kg·cm2=0.78×10-3×·=kg·cm2將上述計算結(jié)果代入公式〔4-7〕中得：==26.71kg·因此，=10.5/26.71=0.393，根本上滿足慣性量匹配的要求?！?〕電動機轉(zhuǎn)矩計算當(dāng)機床處于不同工作情況下，其要求電動機提供的轉(zhuǎn)矩不同，下面就分別按照每個不同的階段來計算：1〕快速空載起動轉(zhuǎn)矩當(dāng)步進電機處于快速空載起步階段，加速轉(zhuǎn)矩占有很大的比重，具體的計算公式〔4-8〕如下：[1]〔4-8〕式中：—快速空載起動轉(zhuǎn)矩〔N·cm〕；—步進電機在空負(fù)載起動時折算到電機軸上的加速轉(zhuǎn)矩〔N·cm〕；—步進電機在空負(fù)載起動時折算到電機軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩〔N·cm〕；—由于絲桿頂進時折算到電機軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩〔N·cm〕。①對于，由式〔4-9〕和式〔4-10〕得：[1]〔4-9〕[1]〔4-10〕式中：—步進電動機的傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總等效轉(zhuǎn)動慣量〔kg·cm2〕；—電機最大角加速度〔rad/s2〕；—電機最大轉(zhuǎn)速〔r/min〕；—機床工作臺的最大快移速度〔mm/min〕；—脈沖當(dāng)量〔mm/step〕；—步進電機步距角〔°〕；—機床工作臺從停止到加速到最大快移速度所需的時間〔s〕。將前面計算的數(shù)據(jù)代入式〔4-10〕中得：==417r/min普通車床C6163的起動加速時間=35ms,代入式〔4-9〕得：==333.25N·cm②對于摩擦轉(zhuǎn)矩，由式〔4-11〕得：[1]〔4-11〕式中：—導(dǎo)軌的摩擦力〔N〕；—垂直方向的切削力〔N〕；—運動部件的總重量〔N〕；—導(dǎo)軌摩擦系數(shù)；—齒輪降速比，；—傳動鏈的總效率，取0.7～0.85。將之前計算的數(shù)據(jù)代入式〔4-11〕中得：==94.69N·cm③附加摩擦由式〔4-12〕得：[1]〔4-12〕式中：—滾珠絲桿預(yù)加負(fù)荷，一般取，為進給牽引力〔N〕，因為N,因此=1676.37N；—滾珠絲桿導(dǎo)程〔cm〕；—滾珠絲桿沒有進行預(yù)緊操作時的傳動效率，一般取。將計算結(jié)果代入式〔4-12〕中：==15.21N·cm綜合以上三項計算結(jié)果，代入式〔4-8〕得：=333.25+94.69+15.21=443.15N·cm2〕快速移動時所需轉(zhuǎn)矩[1]=94.69+15.21=109.9N·cm3〕最大負(fù)載切削時所需負(fù)載[1]〔4-13〕其中是折算到電機軸上的切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩，其計算如下式〔4-14〕：[1]〔4-14〕式中：—進給方向最大切削力，這里為=2648.66N；==126.46N·cm將計算數(shù)據(jù)代入式〔4-13〕中：=94.69+15.21+126.46=236.36N·cm根據(jù)前面的計算，經(jīng)過比擬、、的三種不同的工作情況，其中以快速空負(fù)荷起動所要的轉(zhuǎn)矩最大，所以在校核部件電機的轉(zhuǎn)矩時，以為校核標(biāo)準(zhǔn)。從表4-1中查出，當(dāng)步進電機為五相十拍時[1]，計算出最大靜轉(zhuǎn)矩：N·cm=465.98N·cm從附錄A表A-2中查出150BF003型步進電機的最大靜轉(zhuǎn)矩為N·cm，遠遠大于計算所需的最大靜轉(zhuǎn)矩，故此電機滿足轉(zhuǎn)矩要求?！?〕對步進電動機的起動矩頻和運行矩頻特性的校核根據(jù)上述計算可以看出，當(dāng)機床處于最大移動狀態(tài)時要求步進電動機的最高起動頻率為3333Hz,當(dāng)機床處于切削進給狀態(tài)時所需步進電機的運行頻率為833Hz。參照附錄A中的表A-2，可以看出150BF003型步進電機允許的最高空載起動頻率為，其運行頻率為8000Hz，150BF003型步進電機的起動矩頻特性曲線和運行矩頻特性曲線圖如圖4-1〔a〕和〔b〕所示：圖〔a〕150BF003型起動矩頻特性圖〔b〕150BF003型運行矩頻特性圖〔a〕150BF003型起動矩頻特性圖〔b〕150BF003型運行矩頻特性圖4-1150BF003型步進電機特性曲線在圖4-1可以看出當(dāng)步進處在電機起動階段時，其=2500Hz時，=190N·cm，是不能滿足本次改造機床所需要的空載起動力矩443.15N·cm，如果直接運步進電機那么會出現(xiàn)步進電機的失步，因此必須要采取升降速控制，把起動頻率下降為1500Hz時，起動轉(zhuǎn)矩就能夠提高到598.2N·cm，隨后再采用上下壓驅(qū)動方式，那么還可以將步進電機的輸出轉(zhuǎn)矩提高一倍左右。當(dāng)快速運動和切削進給時，機床所需的轉(zhuǎn)矩分別是109.9N·cm和236.36N·cm，由圖〔b〕可以看出此步進電機完全可以滿足要求。4.3本章小結(jié)本章是對步進電機進行選型和計算，結(jié)合C6163車床的相關(guān)技術(shù)參數(shù)，對選擇的步進電機進行轉(zhuǎn)矩校核，并校核步進電機的起動矩頻特性和運行矩頻特性，最終確定選定步進電動機的型號。5電氣控制系統(tǒng)設(shè)計5.1控制器〔CPU〕的選擇CPU是運算器和控制器的總和，微型計算機的數(shù)據(jù)處理的能力主要取決于計算機的性能和中央處理器的性能。本次數(shù)控化改造根據(jù)任務(wù)要求需要一個16位的CPU，選用飛思卡爾〔Freescale〕半導(dǎo)體公司的MC9S12系列單片機。5.1.1MC9S12系列單片機特點MC9S12系列單片機是屬于16位的高性能的處理器，它采用了處理運算速度極快的CPU12作為該系列單片機的核心，這個CPU可以發(fā)出許多的指令系統(tǒng)，而且還擁有很強的邏輯和數(shù)值運算能力；還具有種類繁多的外設(shè)和I/O資源，可以方便使用。這里使用的是MC9S12DG128單片機，其特點如下所述：〔1〕I/O接口除了有普通的功能外，還可以根據(jù)CPU的狀態(tài)，擁有許多特殊的功能，這些I/O接口被稱為雙重功能的I/O接口，它們都是集成在單片機的內(nèi)部，其工作的可靠性高，并且體積小，使用方便；〔2〕單片機內(nèi)部擁有容量超大的Flash閃存，容量為256KB，可以用來存儲程序和機床的原始數(shù)據(jù)，并且還可以防止修改，保護了數(shù)據(jù)的完整性；需特別的指出的是，此FLASH閃存既可以作為RAM又可作為ROM，故無需在擴展其他存儲芯片；〔3〕單片機內(nèi)部集成了看門狗〔系統(tǒng)運行監(jiān)視〕功能，可以確保程序運行出錯后快速恢復(fù)；〔4〕MC9S12DG128單片機具有暫停和等待模式，可以在不阻礙正常使用的時候最大限度的節(jié)約能耗；5.1.2MC9S12系列單片機引腳分配MC9S12有LQFP112和QFP80兩種典型的封裝形式，本文選擇QFP80方式封裝。其引腳圖如圖5-1所示[5]。〔1〕電源相關(guān)引腳a.和—29和28號引腳，為數(shù)字電源和接地引腳，單片機的外部電源和單片機接地引腳，并且還可以提供I/O接口的工作電壓；b.和—77和76號引腳，為I/O電源和接地引腳；c.和—59和62號引腳，ADC轉(zhuǎn)換模塊電源和接地引線；d.和—60和61號引腳，ADC參考電源輸入引腳；圖5-1MC9S12DG128引腳圖e.和—9、49、10、50號引腳，外部2.5V供電引腳，用這兩對引腳直接對內(nèi)部2.5V內(nèi)核供電；f.和—31、33號引腳，為外部振蕩器和地址鎖相環(huán)供電的引腳；g.—67號引腳，為電壓調(diào)整模塊選擇引腳?！?〕擴展模式下用到的引腳a．A口〔〕和B口〔〕—48～41號引腳和23～16號引腳，為地址、數(shù)據(jù)總線引腳；在寬擴展模式下，PA口和PB口即作為地址總線又作為數(shù)據(jù)總線，即數(shù)據(jù)線和地址線復(fù)用。其中引腳既用作地址總線又用作數(shù)據(jù)總線的高8位，即DD15～DD8和AD15～AD8；引腳既用作地址總線的低8位又用作數(shù)據(jù)總線的低8位，即DD7～DD0和AD7～AD0；當(dāng)單片機處于窄擴展模式下，PB口作為地址總線的低8位，PA口為地址線高8位和數(shù)據(jù)8位總線的復(fù)用端口；b．—27號引腳，為地址鎖存引腳，用來別離地址總線和數(shù)據(jù)總線，單片機處于寬擴展模式下必須要用地址鎖存器；c.—38號引腳，讀寫信號引腳，擴展模式下對擴展的存儲器和I/O電路進行數(shù)據(jù)讀/寫控制；〔3〕模式選擇引腳在MC9S12系列單片機中，有三個個引腳來設(shè)定單片機的運行模式，即15號引腳MODC(BKGD)、25號引腳MODB(PE6)、26號引腳MODA(PE5)。模式選擇見表5-1。表5-1MC9S12DG128模式選擇表BKGD(MODC)PE6(MODB)PE5(MODA)單片機模式選擇地址總線寬度數(shù)據(jù)總線寬度000特殊單片機模式00001仿真窄擴展模式168010測試模式1616011仿真寬擴展模式1616100普通單片模式00101普通窄擴展模式168110特殊外設(shè)模式--111普通寬擴展模式1616〔4〕系統(tǒng)功能引腳a.和、—35、34、32號引腳，和分別是晶體驅(qū)動和外部時鐘輸入端；是鎖相環(huán)濾波引腳；b.—24號引腳，為外部振蕩電路方式選擇，單片機假設(shè)使用串行振蕩電路時，該引腳接高電平；單片機假設(shè)使用并行振蕩電路時，該引腳要接地；c.—30號引腳，復(fù)位端口，低電平有效。d.—39號引腳，為可屏蔽中斷請求；e.—40號引腳，是系統(tǒng)的不可屏蔽中斷端口；f.—15號引腳，為背景調(diào)試引腳?！?〕輸入/輸出局部a.A、B口：單片機處在寬擴展模式下為數(shù)據(jù)總線和地址總線的復(fù)用端口，但也可以作為通用的I/O接口；b.E口：該系列接口是用于總線的控制和中斷請求的相應(yīng)，和為固定輸入，余下的接口在復(fù)位后為通用I/O接口；c.T口：脈沖累加器的端口，芯片復(fù)位后為通用I/O接口；d．P口：、直流電機控制信號發(fā)出端口、I/O中斷請求或者通用I/O端口，同樣復(fù)位后為通用I/O接口；e．S口：、或通用I/O，復(fù)位后為通用I/O引腳；f.M口：I/O端口與、的共享端口，復(fù)位后為通用I/O接口。5.2復(fù)位及晶振電路復(fù)位電路的作用就是使CPU的計數(shù)器清零，從而可以防止單片機因程序錯誤而進入死循環(huán)，最后導(dǎo)致死機；對于MCU而言，都有一個其最低的工作電壓閥值，如果電壓低于這個閥值，就會導(dǎo)致MCU工作發(fā)生紊亂，故需要有低壓復(fù)位功能的復(fù)位電路；晶振電路是給單片機提供正常工作所需要的時鐘信號。以下分別介紹兩種電路。5.2.1復(fù)位電路設(shè)計MC9S12DG128單片機復(fù)位信號是低電平有效，此次復(fù)位電路的設(shè)計時使用飛思卡爾專用的復(fù)位芯片MC34064來實現(xiàn)的。如圖5-2所示為MC34064的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。圖5-2MC34064內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖外部電壓通過2號引腳輸入，當(dāng)輸入的電壓低于4.61V時，那么會使MC34064內(nèi)部的晶體管的基極〔B極〕、發(fā)射極〔E極〕飽和導(dǎo)通，從而使1號引腳與3號引腳導(dǎo)通，即1腳輸出低電平，單片機進入復(fù)位狀態(tài)；當(dāng)輸入電壓高于4.61V時，1腳與3腳間晶體管截止，此時1引腳就會輸出一個高電平信號，這時芯片進入正常工作狀態(tài)。具體的復(fù)位電路如圖5-3所示。圖5-3復(fù)位電路復(fù)位芯片MC34064可以在低壓情況下輸出一個復(fù)位信號，也可以通過手動復(fù)位，按下即可，這樣就可以提高復(fù)位的穩(wěn)定性，保證MCU的正常工作。如果用按鍵復(fù)位那么會在復(fù)位引腳上生成一個負(fù)的感應(yīng)電動勢，故要在上并聯(lián)一個二極管〔方向同電流方向相反〕來保護芯片。5.2.2晶振電路設(shè)計在單片機的使用過程中，晶振電路是必須要設(shè)計的，晶振電路可以提供單片機運行所需要的時鐘頻率，換句話說，晶振的頻率就不決定了CPU的運算速度，并且CPU執(zhí)行任何一條指令都要依靠晶振電路所提供的頻率。MC9S12DG128單片機的晶振電路如圖5-4所示。圖5-4并聯(lián)晶振電路這里采用并聯(lián)的方式，其中、為負(fù)載電容，當(dāng)晶振體的頻率為16M時，往往就不需要再接分壓電阻了。并且選用并聯(lián)方式，故單片機的24號引腳PE7必須要接地。5.3顯示及鍵盤電路設(shè)計根據(jù)此次改造的要求，顯示器采用液晶顯示，鍵盤采用4×8的鍵盤，以下分別對液晶顯示和鍵盤電路做具體說明。5.3.1液晶顯示電路液晶顯(LCD)要比數(shù)碼晶體管〔LED〕顯示優(yōu)越的多，LCD所需的工作電壓要比LED低很多，并且顯示的精度要比LED要好，因此在很多工控以及許多設(shè)備上都應(yīng)用了LCD顯示。此次改造采用YM-0802B型LCD顯示芯片，此芯片可以顯示2行字符，每行可以顯示8個字符。12864引腳圖如圖5-5所示。圖5-5YM-0802B-LCD引腳圖引腳功能如下：〔1〕VSS：1號引腳，接地；〔2〕VDD：2號引腳，為芯片電壓輸入端口，外接+5V電源；〔3〕V0:3號引腳，LCD的驅(qū)動電壓；〔4〕RS：4號引腳，存放器的選擇信號線，RS=1時，芯片的數(shù)據(jù)存放器為輸出，RS=0時，芯片的令存放器為輸出；〔5〕：5號引腳，讀/寫信號選擇端口，讀數(shù)據(jù)時該引腳為高電平，寫數(shù)據(jù)時該引腳為低電平；〔6〕E：6號引腳，LCD使能端口；〔7〕DB0～DB7:7～14號引腳，數(shù)據(jù)總線；本次改造將MC9S12DG128單片機的PA口作為數(shù)據(jù)線，與YM-0802B液晶顯示屏的數(shù)據(jù)總線連接，并用MC9S12DG128單片機PT0口作為存放器的選擇信號與液晶顯示屏的RS引腳相連，使能端E接+5V電源。其連接圖如圖5-6所示。圖5-6YM-0802B-LCD與CPU連接圖YM-0802B的實物圖如圖5-7所示。圖5-7YM-0802B實物圖5.3.2鍵盤電路鍵盤是由行線和列線組成的，當(dāng)按下一個按鈕，CPU會進行掃描，即逐個掃描行線和列線，直至掃描到按下的按鈕。假設(shè)一個按鈕處于第M行第N列，當(dāng)這個按鈕按下時，CPU就會先對行線進行掃描，直到掃描到M行，然后再進行列線掃描，直到掃描到N列，然后將行線與列線掃描到的信號進行與運算就可以知道哪個按鍵被按下了。根據(jù)這個原理，本次改造需要一個4×8的鍵盤，因為MC9S12DG128的通用I/O端口只有PT0～PT7共8個，所以必須要擴展一個I/O接口芯片8255A。因為8255A需要兩個地址信號，再因為本次改造使用的是16位的CPU，MC9S12DG128是出于寬擴展模式下的，其地址和數(shù)據(jù)總線是復(fù)用的，因此需要外接一個74LS373地址鎖存器。〔1〕地址鎖存器74LS37374LS373引腳圖見圖5-8所示：圖5-874LS373引腳圖引腳功能如下：a.1號引腳，為芯片的使能端，低電平有效；b.3、4、7、8、13、14、17、18號引腳，為芯片的數(shù)據(jù)輸入端口，與MC12DG128的低8位數(shù)據(jù)總線相連接；c.2、5、6、9、12、15、16、19號引腳，為地址鎖存器的地址信號輸出端口；d.11號引腳，鎖存控制端〔端〕，與MC9S12DG128的PE4口相連接。地址鎖存器74LS373只有在低電平時才會工作，當(dāng)不是出于低電平狀態(tài)下，不管輸入端是什么，也不管鎖存控制端如何，8個輸出端都呈現(xiàn)高阻狀態(tài)；只有當(dāng)1號引腳處于低電平時，這時只要11號引腳出現(xiàn)一個下降沿，那么輸出端那么會立即呈現(xiàn)輸入端的狀態(tài)。74LS373真值表見表5-2所示。表5-274LS373真值表使能端〔〕鎖存控制端〔〕功能LL輸入端與輸出端相同〔〕LH輸出端保持不變HX輸出高阻表中：L—低電平；H—高電平；X—不定態(tài)；74LS373與MC9S12DG128的連接圖如圖5-9所示。圖5-974LS373與MC9S12DG128的連接圖在圖5-9中，端與MC9S12DG128的PE4口高電平相連，暢通無阻低電平，關(guān)門鎖存；當(dāng)使能端時，并且再當(dāng)時，74LS373芯片的輸出端和輸入端相同；當(dāng)時，將輸入數(shù)據(jù)鎖存。圖中PE4口為CPU的地址鎖存引腳?！?〕I/O擴展芯片8255A8255A芯片是一種常用I/O接口芯片，可以對I/O接口進行編程，其引腳圖如圖5-10所示。圖5-108255A引腳圖其引腳功能如下：a.34、33、32、31、30、29、28、27號引腳，為8根雙向數(shù)據(jù)線，與MC9S12DG128單片機的數(shù)據(jù)總線相連；b.35號引腳，為芯片的復(fù)位端口，且是高電平有效；c.6號引腳，芯片的片選信號，片選信號由CPU提供；d.、5、36號引腳，為芯片的讀/寫信號線，都是低電平有效；e.、9、8號引腳，8255A芯片端口選擇信號線，用于選擇A、B、C端口，與CPU的地址線的低2位相連接；且當(dāng)=00時，選擇A端口；=01時，選擇B端口；=10時，選擇C端口；f.、、一共24根，為I/O接口線；g.26號引腳，芯片工作電壓借口，接+5V電壓；h.7號引腳，芯片接地端。8255A芯片與MC9S12DG128芯片的相連需要74LS373芯片，并且將MC9S12DG128單片機的地址總線的低2位PB0、PB1與8255A芯片的、相連〔即373芯片的Q0和Q1與、相連〕，其連接圖如圖5-11所示。圖5-118255A與MC9S12DG128連接圖〔3〕鍵盤電路設(shè)計根據(jù)上述原理，其鍵盤設(shè)計圖如圖5-12所示。圖5-12鍵盤電路圖鍵盤與CPU的連接圖如圖5-13所示。圖5-13鍵盤與MC9S12DG128連接圖從圖5-13中可以看出，將8255A的作為鍵盤的行線，作為列線，組成一個4×8的鍵盤電路圖。另外對于端口選擇信號、，當(dāng)同為低電平時，選擇A端口；當(dāng)為高電平為低電平時，選中B端口。5.4報警電路設(shè)計機床在運行過程中，可能會出現(xiàn)工作臺超出界限的誤操作，故要在機床工作臺的極限位置安裝限位開關(guān)來防止工作臺越界。因為此次改造是縱向改造，故只有2個方向可能會越界，在任何一個方向發(fā)生越界，工作臺就立刻停止移動并發(fā)出報警信號。如圖5-14〔a〕所示為報警信號的產(chǎn)生，圖5-14〔b〕為報警指示。本次改造利用MC9S12DG128單片機的中斷接口PE1口來實現(xiàn)報警的，只要機床有任一方向的越界，CPU就會立刻相應(yīng)中斷請求信號，并發(fā)出報警信號。報警信號設(shè)置紅綠燈指示，正常工作時綠燈亮，當(dāng)發(fā)生越界時紅燈亮報警，兩個燈均由一個I/O口PT2輸出?！瞐〕(b)圖5-14越界報警電路5.5電機的驅(qū)動因為本次改造屬于經(jīng)濟型改造，故采取由步進電機驅(qū)動的開環(huán)控制系統(tǒng)。步進電機是將CPU發(fā)出的脈沖信號轉(zhuǎn)化為步進電機的步距角的位移信號，并且其位移量的大小以及電機的轉(zhuǎn)速完全與CPU發(fā)出的脈沖信號成正比例關(guān)系，這樣就可以通過改變CPU的脈沖信號的頻率來控制步進電機的轉(zhuǎn)速。本次改造所使用的150BF003五相十拍步進電機，一共有五個繞組A、B、C、D、E組成，如果發(fā)出的脈沖按照ABC-BC-BCD-CD-CDE-DE-DEA-EA-EAB-AB的順序，那么電機正轉(zhuǎn)；那么其反轉(zhuǎn)順序正好與正轉(zhuǎn)相反，即BA-BAE-AE-AED-ED-EDC-DC-DCB-CB-CBA。步進電機的正反轉(zhuǎn)需要由脈沖分配器來決定，脈沖分配器可以根據(jù)CPU的指令按照一定的順序為步進電機的繞組通電，從而驅(qū)動步進電機按照規(guī)定的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)動。脈沖分配器及其之前的控制芯都是在小電壓下工作的，為了能夠提供步進電機正常運行所需要是轉(zhuǎn)矩和功率就必須對脈沖信號進行功率放大。因為本次改造的步進電機的驅(qū)動方式為上下壓驅(qū)動方式，這個方式本身就帶有功率放大功能，故無需重新設(shè)計新的功率放大電路了。為了防止強電對弱電的干擾，故在它們之間要設(shè)計一個光電隔離電路。其控制電路簡圖如圖5-15所示。圖5-15步進電機控制簡圖5.5.1脈沖分配器根據(jù)改造任務(wù)要求，選擇硬件環(huán)形分配器。硬件環(huán)形分配器是由相應(yīng)的門電路和邏輯電路構(gòu)成的，是一種既可靠又方便使用的集成脈沖分配器。根據(jù)之前選的五相十拍的步進電機150BF003，所以選用五相的硬件環(huán)形分配器YB015，其引腳圖如圖5-16所示。圖5-16YB015引腳圖其引腳介紹如下：〔1〕—2號引腳，為選通輸出端，控制硬件環(huán)形分配器輸出脈沖的順序；〔2〕、—6、7號引腳，為選通輸入端；〔3〕、、、、—1、16、15、14、13號引腳，分別為步進電機勵磁繞組的相、相、相、相、相輸出端；〔4〕—3號引腳，為清零端，當(dāng)硬件環(huán)形分配器在輸出脈沖前，對硬件環(huán)形脈沖分配器清零，保證硬件環(huán)形分配器的正常工作；〔5〕、—5、4號引腳，為勵磁方式控制端；根據(jù)上一章計算，要求步進電機工作方式為五相十拍，故當(dāng)=1，=0時，勵磁方式即為五相十拍；〔6〕+、-—11、10號引腳，為步進電機轉(zhuǎn)向控制端，+表示正轉(zhuǎn)，-表示反轉(zhuǎn)；〔7〕CP—8號引腳，為時鐘脈沖輸入端，輸出一定的脈沖頻率；〔8〕S—12號引腳，為出錯報警輸出端；假設(shè)脈沖分配器的任一端口運行錯誤或者這個端口的控制信號出錯，該端口立即發(fā)出報警信息；〔9〕GND—9號引腳，接地端；〔10〕—18號引腳，電源輸入端。如圖5-17所示，為YB015與MC9S12DG128的連接圖。圖5-17YB015與MC9S12DG128接口電路圖從圖5-12中可以看出，因為要求步進電機勵磁方式為五相十拍，所以接高電平，接地；因為YB015的選通輸出控制端和選通輸入控制端、都是低電平有效，故用一個I/O口PT3口來控制；步進電機的正向轉(zhuǎn)動反向轉(zhuǎn)動信號由PT4和PT5口來控制；為了防止亂相，清零端與PT6口連接。5.5.2光電隔離電路在步進電機的驅(qū)動電路中，脈沖分配器輸出的信號時小功率的，所以必須要經(jīng)過功率放大后才可以驅(qū)動電機的繞組，但由于步進電機的驅(qū)動電壓相對于分配器工作電壓高的許多，這么高的電壓會引起強電干擾。因此必須要在脈沖分配器和電機驅(qū)動電路之間加一個光電隔離電路。這里采用普通的光耦合器，4N25型光耦合器。其接線圖如圖5-18所示。圖5-184N25連線圖從圖5-13中可以看出，信號從輸入端輸入，發(fā)光二極管立刻導(dǎo)通并發(fā)出紅外光，光敏晶體管經(jīng)過光照后產(chǎn)生電流，并通過輸出端輸出，這就實現(xiàn)了電路的隔離，利用光信號來傳遞電信號。如圖5-19為4N25與YB015的A相連接圖。圖5-194N25與YB015A相驅(qū)動連接圖所以從圖5-14中可知，另外四相也是這種接法。5.5.3步進電機驅(qū)動電路根據(jù)改造要求，步進電機的驅(qū)動方式為上下壓驅(qū)動，但在這里要指出，此次改造中，對于上下壓中的晶體管全部換成功率場效應(yīng)管。功率場效應(yīng)管有許多比晶體管優(yōu)越的特點，比方功率場效應(yīng)管的迅速開關(guān)性能、低能耗、以及無二次擊穿等特點，所以用功率場效應(yīng)管代替晶體管。由于MC9S12DG128芯片只有一個可屏蔽中斷源，故此次改造中還要用一個可編程計數(shù)定時器8253芯片，另外該芯片還可以給出硬件環(huán)形分配器的CP信號?！?〕上下壓驅(qū)動原理上下壓驅(qū)動就是用兩個電源為步進電機供電，一開始步進電機繞組接通高壓電源，使得步進電機的繞組中電流快速上升，隨后切斷高壓電源，改用低壓電源來保持繞組中的電流。其原理圖如圖5-20所示。圖5-20上下壓驅(qū)動原理圖從圖5-20中可以看出，上下壓驅(qū)動方式有兩個電源，即高壓電源和低壓電源，高壓開關(guān)管端和低壓開關(guān)管端的脈沖同時起步，但端的脈沖要窄的多。這兩個脈沖同時接通晶體管、，使電機繞組接通高壓電源，繞組中的電流呈直線上升，如圖5-20中的電流波形變化圖所示。當(dāng)脈沖處于低電平時，高壓晶體管被截止，繞組斷開與高壓電源的連接，低壓電源經(jīng)過二極管繼續(xù)為電機維持工作電流。因為步進電機勵磁繞組本身的電阻可以忽略，并且回路中又沒有接任何電阻，所以低壓電源只需要幾伏就可以為維持繞組中較大的工作電流，從而保證了步進電機正常的運行?？梢钥闯錾舷聣候?qū)動方式本身就帶有信號的放大效果，故無需再設(shè)計另外的功率放大電路。(2)場效應(yīng)管場效應(yīng)管與晶體管一樣，有3個引腳，即柵極、源極和漏極。并且還分為溝道型和溝道型，其中溝道型相當(dāng)于型晶體管，溝道型相當(dāng)于型晶體管。溝道型和溝道型場效應(yīng)管電氣如圖5-21〔a〕、〔b〕所示?！瞐〔a〕N溝道型〔b〕P溝道型圖5-21場效應(yīng)管電氣符號因為一般的芯片的高電平輸出最低位3.5V，而功率場效應(yīng)管的啟動電壓要在2V至4V之間，所以場效應(yīng)管的正常使用必須要外接驅(qū)動電路，驅(qū)動電路如圖5-22所示。圖5-22N溝道型場效應(yīng)管一級晶體驅(qū)動電路圖5-22N溝道型場效應(yīng)管一級晶體驅(qū)動電路從圖5-22中可以看出，在柵極和源極之間并聯(lián)一個5～20的電阻，以提高場效應(yīng)管的耐壓和抗干擾能力，必要時還可以并聯(lián)兩個反串的穩(wěn)壓管。因為此次改造中上下壓驅(qū)動電路中使用的晶體管都是用的都是型的，因此選溝道型場效應(yīng)管?！?〕可編程定時/計數(shù)器8253上述已經(jīng)講到，8253芯片是為了給出環(huán)形分配器的CP時鐘信號，其引腳圖如圖5-23所示。圖5-238253引腳圖引腳功能如下：a.1～8號引腳，為8位的數(shù)據(jù)線；b.、19、20號引腳，為8253芯片端口選擇信號；c.CLK0～CLK2、GATE0～GATE2、OUT0～OUT29～18號引腳，分別為芯片的脈沖輸入引腳、門控脈沖輸入引腳和計數(shù)/定時輸出引腳；d.21號引腳，芯片的片選端口；e.、23、22號引腳，為芯片的寫/讀信號線；f.24號引腳，芯片工作電源，接+5V電壓；g.12號引腳，芯片接地線。8253芯片與CPU和環(huán)形分配器的連接圖見圖5-24。圖5-248253與CPU/環(huán)形分配器連接圖圖5-248253與CPU/環(huán)形分配器連接圖在這里還預(yù)留了16～18號引腳，這些引腳還可以驅(qū)動一臺步進電機的運轉(zhuǎn)，這樣就可以為以后如果還要需求的話，可以對機床進行橫向的數(shù)控化改造。〔