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文檔簡介
1、普通車床數(shù)控研究及改造設(shè)計(jì) 摘 要 : 針對現(xiàn)有常規(guī)CA6140普遍車床的缺點(diǎn)提出數(shù)控改裝方案和單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì),提高加工精度和擴(kuò)大機(jī)床使用范圍,并提高生產(chǎn)率。本說明了普通車床的數(shù)控化改造的設(shè)計(jì)過程,較詳盡地介紹了CA6140機(jī)械改造部分的設(shè)計(jì)及數(shù)控系統(tǒng)部分的設(shè)計(jì)。采用以8031為CPU的控制系統(tǒng)對信號(hào)進(jìn)行處理,由I/O接口輸出步進(jìn)脈沖,經(jīng)一級(jí)齒輪傳動(dòng)減速后,帶動(dòng)滾動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)縱向、橫向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。 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(jì) 第一章
2、60; 概述機(jī)床作為機(jī)械制造業(yè)的重要基礎(chǔ)裝備,它的一直引起人們的關(guān)注,由于機(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(dòng)化控制的新一代機(jī)床數(shù)控機(jī)床的誕生和發(fā)展。計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)和應(yīng)用,為人類提供了實(shí)現(xiàn)機(jī)械加工工藝過程自動(dòng)化的理想手段。隨著計(jì)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(shí)使人們對傳統(tǒng)的機(jī)床傳動(dòng)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(shí)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
3、電機(jī)的啟動(dòng)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(dòng)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(jì)算機(jī),經(jīng)過譯碼,運(yùn)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(diǎn):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(shí),只需重新編制新工件的加工程序,就能實(shí)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(dòng)強(qiáng)度,改善勞動(dòng)條件;5.良好的效益;6.有利于生產(chǎn)管理的化。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)
4、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,還不能滿足國家建設(shè)的需要。我國是一個(gè)機(jī)床大國,有三百多萬臺(tái)普通機(jī)床。但機(jī)床的素質(zhì)差,性能落后,單臺(tái)機(jī)床的平均產(chǎn)值只有先進(jìn)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(dòng)化能力,以實(shí)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
5、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(dòng)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(jì)實(shí)例具有典型性和實(shí)用性。 第二章 總體方案的設(shè)計(jì)2.1 設(shè)計(jì)任務(wù) 本設(shè)計(jì)任務(wù)是對C
6、A6140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(dòng)元件采用步進(jìn)電機(jī),傳動(dòng)系統(tǒng)采用滾珠絲杠副,刀架采用自動(dòng)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(jì)方案時(shí),應(yīng)考慮在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下,對機(jī)床的改動(dòng)應(yīng)盡可能少,以降低成本。 (1)數(shù)控系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的確定 數(shù)控系統(tǒng)按運(yùn)動(dòng)方式可分為點(diǎn)位控制系統(tǒng)、點(diǎn)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(dòng)連續(xù)控制
7、系統(tǒng)。 (2)伺服進(jìn)給系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì) 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?yàn)殚_環(huán)控制具有結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計(jì)制造容易、控制精度較好、容易調(diào)試、價(jià)格便宜、使用維修方便等優(yōu)點(diǎn)。所以,本設(shè)計(jì)決定采用開環(huán)控制系統(tǒng)。 (3)數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì) 任何一個(gè)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(jì)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(shí)鐘頻率和字長與被控對象的運(yùn)動(dòng)速度和精度密切相關(guān); 2. 可擴(kuò)展存儲(chǔ)器的容量與數(shù)控
8、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?yàn)樗鼈兊呐涮仔酒阋耍占靶?、通用性?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(jì)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(jià)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(jì)以8031芯
9、片為核心,增加存儲(chǔ)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(jì)方案的論證后,確定的CA6140車床經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造示意圖如圖所示。CA6140車床的主軸轉(zhuǎn)速部分保留原機(jī)床的功能,即手動(dòng)變速。車床的縱向(Z軸)和橫向(X軸)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。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(dòng),經(jīng)齒輪減速后帶動(dòng)滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)車床的縱向、橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。刀架改成由微機(jī)控制的經(jīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)控制的自動(dòng)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
10、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(hào):每轉(zhuǎn)發(fā)出的脈沖個(gè)數(shù)和一個(gè)同步信號(hào),經(jīng)隔離電路以及I/O接口送給微機(jī)。如圖21所示:1 第三章 微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)3.1微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)硬件電路總體方案設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)選用8031CPU作為數(shù)控系統(tǒng)的中央處理機(jī)。外接一片2764EPROM,作為監(jiān)控程序的程序存儲(chǔ)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74LS1
11、38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。其硬件框圖如圖31所示: 圖32 8031芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 各引腳功能簡要介紹如下: 源引腳 VSS:電源接地端。 VCC:5V電源端。 輸入/輸出(I/O)口線 8031單片機(jī)有P0、P1、P2、P3 4個(gè)端口,每個(gè)端口8根I/O線。當(dāng)系統(tǒng)擴(kuò)展外部
12、存儲(chǔ)器時(shí),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(gè)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: P3.0 RXD: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(hào)輸入端。 P3.3 INT1:外部中斷1請求信號(hào)輸入端。 P3.4 T0:定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0外部輸入端 P3.5 T1:定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1外部輸入端 P3.6 WR:外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通。 P3.7 RD:外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通。 在進(jìn)行第二功能操作前,對第二功能的輸出鎖存器必須由程序置1。 信號(hào)控制線 RST/V
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