CA6140型普通车床的数控化改造设计.docx
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CA6140型普通车床的数控化改造设计
目录
第一章CA6140车床数控系统总体设计方案5
§1—1总体方案的确定5
§1—1—1系统的运动方式与伺服系统的选择5
§1—1—2计算机系统5
§1—1—3机械传动方式5
§1—2设计X-Y数控工作台及其控制系统6
第二章CA6140车床进给伺服系统机械部分设计7
§2—1系统脉冲当量的选择7
§2—2滚珠丝杠螺母副的选型7
§2—3纵向及横向滚珠丝杠副几何参数8
§2—4齿轮传动比计算9
§2—4—1.纵向进给齿轮箱传动比计算9
第三章CA6140车床数控系统硬件电路设计12
§3-1单片机数控系统的设计内容12
§3—1—1硬件电路设计内容121
§3—1—2机床数控系统软件设计12
3-2MCS-80C51单片机及其扩展13
§3—2—180C51单片机的简介13
§3—3存储器扩展电路设计15
§3—3—1单片机的系统扩展概述15
§3—3—2存储器扩展17
§3—4I/O接口电路及辅助电路设计18
§3—4—1I/O口的扩展18
§3—4—2步进电机驱动电路18
§3—4—3液晶显示控制器18
§3—4—4控制面板23
§3—5典型零件加工程序设计24
参考文献26
摘要
随着社会生产和科学技术的迅速发展，机械产品日趋精密复杂，且需频繁改型，普通机床已不能适应这些要求，数控机床应运而生。
这种新型机床具有适应性强、加工精度高、加工质量稳定和生产效率高等优点。
它综合应用了电子计算机、自动控制、伺服驱动、精密测量和新型机械结构等多方面的技术成果，是今后机床控制的发展方向。
关键字：
数控机床，伺服驱动，机床控制
第一章CA6140车床数控系统总体设计方案
1．1总体方案的确定
1.1.1系统的运动方式与伺服系统的选择
由于改造后的经济型数控铣床应具有定位、直线插补、顺、逆圆插补、暂停、循环加工、公英制螺纹加工等功能，由于在铣削加工中，要求工作台或刀具沿各坐标轴运动有确定的函数关系，即刀具以给定的速率相对于工件沿加工路径运动，所以不能选用点位系统，因为点位控制系统要求工件相对于刀具移动过程中不进行切削。
因此，应选用连续控制系统。
1.1.2计算机系统
根据机床要求，采用8位微机。
由于MCS-51系列单片机具有集成度高、可靠性好、功能强、速度快、抗干扰能力强、具有很高的性能价格比等特点，因此采用MCS-51系列的8031单片机扩展系统。
控制系统由微机部分、键盘及显示器、I/O接口及光电隔离电路、步进电机功率放大电路等组成。
系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现，显示器采用数码管显示加工数据及机床状态等信息。
1.1.3机械传动方式
为实现机床所要求的分辨率，采用步进电机齿轮减速再传动丝杠，为保证一定的传动精度和平稳性，尽量减小摩擦力，选用滚珠丝杠螺母副以及滚动导轨。
同时，为提高传动刚度和消除间隙，采用预加负载的滚动导轨和滚珠丝杠副机构。
齿轮传动也要采用消除齿侧间隙的消隙齿轮结构。
1．2设计X-Y数控工作台及其控制系统
根据设计任务的要求，采用连续控制系统和步进电机开环控制系统。
这样可使控制系统结构简单、成本低廉，调试和维修都比较容易。
此工作台采用滚珠丝杠螺母副和滚动导轨。
为尽量消除传动间隙，可设法调整传动齿轮的中心距以消除齿侧间隙。
计算机系统仍采用高性能价格比的MCS-51系列单片机扩展系统
图1-1车床数控化改造总体方案框图
第二章CA6140车床进给伺服系统机械部分设计
2．1系统脉冲当量的选择
一个进给脉冲，使机床运动部件产生位移量，也称为机床的最小设定单位。
脉冲当量是衡量数控机床加工精度的一个基本技术参数。
经济型数控车床铣床常采用的脉冲当量是0.01～0.005mm/脉冲。
根据机床精度要求确定脉冲当量，纵向：
0.01mm/脉冲，横向：
0.005mm/脉冲。
2．2滚珠丝杠螺母副的选型
本设计采用双螺母螺纹式预紧结构，它通过调整端部的圆螺母，使螺母产生轴向位移。
其特点是结构较紧凑，工作可靠，滚道磨损时可随时调整，预紧量不很准确，应用较普遍。
2.3纵向及横向滚珠丝杠副几何参数。
表2-1滚珠丝杠几何参数
名称
符号
公式
W1L2506
W1L2005
螺
纹
滚
道
公称直径
25
20
导程
6
5
接触角
钢球直径
3.969
3.175
滚道法面半径
2.064
1.651
偏心距
0.056
0.045
螺纹升角
螺
杆
螺杆外径
24.2
19.4
螺杆径
20.984
16.788
螺杆接触直径
17.027
13.835
螺
母
螺母螺纹直径
32.826
23.212
螺母内径
25.8
20.635
2．4齿轮传动比计算
2.4.1.纵向进给齿轮箱传动比计算
已确定纵向进给脉冲当量滚珠丝杠导程，初选步进电机步距角
0.75°。
可计算出传动比
可选定齿轮齿数为:
2.横向进给齿轮箱传动比计算
已确定横向进给脉冲当量=0.005,滚珠丝杠导程=5㎜,初选步进电机步距角0.75°可计算传动比:
考虑到结构上的原因，不使大齿轮直径太大，以免影响到横向溜板的有效行程,故此处可采用两级齿轮降速:
、、、
因进给运动齿轮受力不大，模数取2。
有关参数如下:
表2-1传动比参数
齿数
32
40
24
40
20
25
分度圆
64
80
48
80
40
50
齿顶圆
68
84
52
84
44
54
齿根圆
59
75
43
75
35
45
齿宽
20
20
20
20
20
20
中心距
72
64
45
3.计算步进电机空载起动频率和切削时的工作频率
从表中查出型步进电机允许的最高空载起动频率为2800HZ运行频率为8000HZ，130BF001步进电机的起动矩频特性和运行矩频特性曲线如图2-3，2-4所示，
当快速运动和切削进给时，130BF001型步进电机运行矩频特性（图2-4）完全可以满足要求。
第三章CA6140车床数控系统硬件电路设计
3．1单片机数控系统的设计内容
3.1.1硬件电路设计内容
硬件是组成系统的基础,也是软件编制的前提,数控系统硬件的设计包括以下几部分内容：
1、绘制系统电气控制结构框图
据总体方案及机械结构的控制要求，确定硬件电路的总体方案，绘制电气控制结构图。
机床硬件电路由五部分组成：
2、选择中央处理单元CPU的类型
CPU的种类很多，在此处选择MCS——51系列单片机中的80C51，
3、存储器扩展电路设计
存储器扩展包括数据存储器和程序存储器扩展两部分。
分别选择两片2764和一片6264来扩展16K的内存。
4、I/O接口电路设计
设计内容包括：
据外部要求选用I/O接口芯片，步进电机伺服控制电路，键盘、显示部分以及其他辅助电路设计（如复位、掉电保护等）。
经考虑，选择8255为I/O接口芯片，液晶显示控制器LR—104VRAM来控制LCD。
3.1.2机床数控系统软件设计
1、软件设计步骤分为以下几步：
据软件要实现的功能，能制定出软件技术要求；
将整个软件模块化，确定各模块的编制要求，包括各模块功能，入口参数，出口参数；
据硬件资源，合理分配好存储单元；
分别对各模块编程，并调试；连接各模块，进行统一调试及优化；
2、数控系统中常用软件模块
﹙1）软件实现环行分配器；
（2）插补运算模块；
（3）自动升降速控制模块。
3．2MCS-80C51单片机及其扩展
3.2.180C51单片机的简介
1．芯片引脚及片外总线结构
80C51单片机采用40脚双直插封装（DIP）形式，
80C51单片机是高性能单片机，因为受到引脚数目的限制，所以有不少引脚具有第二功能。
下面说明这些引脚的名称和功能。
电源引脚Vss和VccVss（20脚）：
接地。
Vcc（40脚）：
主电源+5V，时钟电路引脚XTAL1和XTAL2。
图3-1
XTAL1（19脚）：
接外部晶体的一端。
在片内它是振荡电路反向放大器的输入端。
在采用外部时钟时，对于HMOS单片机，该端引脚必须接地；对于CHMOS单片机，此引脚作为驱动端。
XTAL2（18脚）：
接外部晶体的另一端。
在片内它是一个振荡电路反向放大电路的输出端，振荡电路的频率是晶体振荡频率。
若需采用外部时钟电路，对于HMOS单片机，该引脚输入外部时钟脉冲；对于CHMOS单片机，此引脚应悬浮。
控制信号引脚RST、ALE//PROG、PSEN、EA/Vpp
RST（9脚）：
单片机刚接上电源时，其内部各寄存器处于随机状态，在该引脚输入24个时钟周期宽度以上的高电平将使单片机复位（RESET）。
ALE//PROG：
访问片外存储器时，ALE作锁存扩展地址低位字节的控制信号（称允许锁存地址）。
平时不访问片外存储器时，该端也以1/6的时钟振荡频率固定输出正脉冲，供定时或者其他需要使用；在访问片外数据存储器时会失去一个脉冲。
ALE端的负载驱动能力为8个LSTTL。
PSEN（29脚）：
在访问片外程序存储器时，此端输出负脉冲作为存储器读选通信号。
CPU在向片外存储器取指令期间，PSEN信号在12个时钟周期中两次生效。
不过，在访问片外数据存储器时，这两个有效的PSEN信号不出现。
PSEN端同样可驱动8个LSTTL负载。
我们根据PSEN、ALE和XTAL2输出是否有信号输出，可以判别80C51是否在工作。
EA/Vpp（31脚）：
当EA端输入高电平时，CPU从片内程序存储器地址0000H单元开始执行程序。
当地址超过4KB时，将执行片外程序存储器的程序。
当EA输入低电平时，CPU仅访问片外程序存储器。
输入/输出引脚（P0、P1、P2和P3端口引脚）
P0-P3是4个寄存器，也称为4个端口，是80C51
单片机与外界联系的4个8位双向并行I/O口。
由于在数据的传输过程中，CPU需要对接口电路输入输出数据的寄存器进行读写操作，所以在单片机中对这些寄存器象对存储单元一样进行编址。
通常把接口电路中这些已编址并能进行读写操作的寄存器称为端口（PORT），或简称口。
图3-2
P0.0-P0.7（39-32脚）：
P0是一个8位漏极开路型双向I/O端口。
在访问片外存储器时，它分时提供低8位地址和8位双向数据，故这些I/O线有地址线/数据线之称，简写为AD0-AD7。
在EPROM编程时，从P0输入指令字节，在验证程序时，则输出指令字节（验证时，要外接上拉电阻）。
P1.0-P1.7（1-8脚）：
P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口。
在EPROM编程和验证程序时，它输入低8位地址。
P2.0-P2.7（21-28脚）：
P2是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口。
在访问片外存储器时，它输出高8位地址，即A8~A15。
在对EPROM编程和验证程序时，它输入高8位地址。
P3.0-P3.7（10-17脚）：
P3是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口。
在整个系统中，这8个引脚还具有专门的第二功能，如表（3-1）所示。
表3-1表P3口各位的第二功能
P3口的各位
第二功能
P3.0
P3.1
P3.2
P3.3
P3.4
P3.5
P3.6
P3.7
RXD（串行口输入）
TXD（串行口输出）
INT0（外部中断0输入）
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