機電一體化系統(tǒng)課程設計-縱向改造CA6140車床說明書

彥向大摩彥向大摩說明書內(nèi)頁第I。頁GUANGXIUNIVERSITY一、前言隨著科學技術(shù)的迅猛發(fā)展，數(shù)控機床已是衡量一個國家機械制造水平的重要標志。目前機床數(shù)控化改造的市場在我國還有很大的發(fā)展空間，現(xiàn)在我國機床數(shù)控化率不到3%。用普通機床加工出來的產(chǎn)品普遍存在質(zhì)量差、品種少、檔次低、成本高、供貨期長，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。采用經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)對普通機床數(shù)控改造，尤其適合我國機床擁有量大、生產(chǎn)規(guī)模小的具體國情。《電氣時代》、《機械工人》、《電氣應用》等多家雜志為滿足廣大企業(yè)技術(shù)改造發(fā)展生產(chǎn)的需要，多次聯(lián)合舉辦學習班，為企業(yè)提供權(quán)威、經(jīng)濟、可行、實用的技術(shù)指導，改造費用為新購置費用的四分之一到三分之一。普通機床的數(shù)控改造有兩方面的意義：1、微觀看改造的意義從微觀上看，數(shù)控機床比傳統(tǒng)機床有以下突出的優(yōu)越性，而且這些優(yōu)越性均來自數(shù)控系統(tǒng)所包含的計算機的威力。(1)可以加工出傳統(tǒng)機床加工不出來的曲線、曲面等復雜的零件。由于計算機有高超的運算能力，可以瞬時準確地計算出每個坐標軸瞬時應該運動的運動量，因此可以復合成復雜的曲線或曲面。(2)可以實現(xiàn)加工的自動化，而且是柔性自動化，從而效率可比傳統(tǒng)機床提高3?7倍。由于計算機有記憶和存儲能力，可以將輸入的程序記住和存儲下來，然后按程序規(guī)定的順序自動去執(zhí)行，從而實現(xiàn)自動化。數(shù)控機床只要更換一個程序，就可實現(xiàn)另一工件加工的自動化，從而使單件和小批生產(chǎn)得以自動化，故被稱為實現(xiàn)了“柔性自動化”。(3)加工零件的精度高，尺寸分散度小，使裝配容易，不再需要“修配”。(4)可實現(xiàn)多工序的集中，減少零件在機床間的頻繁搬運。(5)擁有自動報警、自動監(jiān)控、自動補償?shù)榷喾N自律功能，因而可實現(xiàn)長時間無人看管加工。(6)由以上五條派生的好處。如：降低了工人的勞動強度，節(jié)省了勞動力(一個人可以看管多臺機床)，減少了工裝，縮短了新產(chǎn)品試制周期和生產(chǎn)周期，可對市場需求作出快速反應等等。以上這些優(yōu)越性是前人想象不到的，是一個極為重大的突破。此外，機床數(shù)控化還是推行FMC（柔性制造單元）、FMS（柔性制造系統(tǒng)）以及CIMS（計算機集成制造系統(tǒng)）等企業(yè)信息化改造的基礎。數(shù)控技術(shù)已經(jīng)成為制造業(yè)自動化的核心技術(shù)和基礎技術(shù)。2、宏觀看改造的意義從宏觀上看，工業(yè)發(fā)達國家的軍、民機械工業(yè)，在70年代末、80年代初已開始大規(guī)模應用數(shù)控機床。其本質(zhì)是，采用信息技術(shù)對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)（包括軍、民機械工業(yè)）進行技術(shù)改造。除在制造過程中采用數(shù)控機床、FMC、FMS外，還包括在產(chǎn)品開發(fā)中推行CAD、CAE、CAM、虛擬制造以及在生產(chǎn)管理中推行MIS（管理信息系統(tǒng)）、CIMS等等。以及在其生產(chǎn)的產(chǎn)品中增加信息技術(shù)，包括人工智能等的含量。由于采用信息技術(shù)對國外軍、民機械工業(yè)進行深入改造（稱之為信息化），最終使得他們的產(chǎn)品在國際軍品和民品的市場上競爭力大為增強。而我們在信息技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)方面比發(fā)達國家約落后20年。如我國機床擁有量中，數(shù)控機床的比重（數(shù)控化率）到1995年只有1.9%，而日本在1994年已達20.8%，因此每年都有大量機電產(chǎn)品進口。這也就從宏觀上說明了機床數(shù)控化改造的必要性。二、普通機床的數(shù)控改造方案的確定1、系統(tǒng)總體改造方案的確定目前，在機械加工工業(yè)中，絕大多數(shù)是舊式機床，如果改用微機控制，實現(xiàn)機電一體化的改造，會使機床適應小批量、多品種、復雜零件的加工，不但提高加工精度和生產(chǎn)率，而且成本低、周期短，適合我國國情。利用微機實現(xiàn)機床的機電一體化改造的方法有兩種：一種是以微機為中心設計控制部件；另一種是采用標準的步進電機數(shù)字控制系統(tǒng)作為主要控制裝置。前者需要新設計控制系統(tǒng)，比較復雜；后者選用國內(nèi)標準化的微機數(shù)控系統(tǒng)，比較簡單。這種標準的微機數(shù)控系統(tǒng)通常采用單片機、驅(qū)動電源、步進電機及專用的控制程序組成開環(huán)控制，如圖2-1所示，其結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉。對機床的控制過程大多是由單片機按照彥向大摩彥向大摩說明書內(nèi)頁第I。頁GUANGXIUNIVERSITY彥向大摩彥向大摩說明書內(nèi)頁第I。頁GUANGXIUNIVERSITY席兩次第說明書內(nèi)頁第席兩次第說明書內(nèi)頁第3頁GUANGXIUNIVERSITY輸入的加工程序進行插補運算，產(chǎn)生進給，由軟件或硬件實現(xiàn)脈沖分配，輸出一系列脈沖，經(jīng)功率放大、驅(qū)動刀架、縱橫軸運動的步進電機，實現(xiàn)刀具按規(guī)定的輪廓軌跡運動。微機進行插補運算的速度較快，可以讓單片機每完成一次插補、進給，就執(zhí)行一次延時程序，由延時程序控制進給速度。電機電機

功率放大電路

光電隔離

驅(qū)動器電機電機

功率放大電路

光電隔離

驅(qū)動器

I/O口擴展

存儲器擴展微機CPU清功鈕

ST零能縱橫等軸限位

主軸脈沖發(fā)生器回轉(zhuǎn)刀架

（車刀）繼電器刀架控制電路刀架電機圖2-1開環(huán)控制系統(tǒng)框圖2、機械系統(tǒng)的改造方案的確定在熟悉原機床的操作過程及傳動系統(tǒng)后，根據(jù)設計要求確定系統(tǒng)的機械傳動系統(tǒng)改造方案。包括電機型號的選擇，減速比的確定，齒輪模數(shù)及齒輪的確定，原有絲杠及導軌是否要重新更換，改換成滾珠絲杠螺母副時絲杠螺母副的型號及安裝形式如何確定，導軌的設計方法等。對CA6140車床的縱向（Z向）進給運動進行數(shù)控改造，此時可將開合螺母合上，離合器M脫開，使主運動與進給運動脫開，此時，將脫落螺桿等橫向自5動進給機構(gòu)調(diào)至空擋（脫開）位置。若原刀架為自動轉(zhuǎn)位刀架，則可以由微機控制自動轉(zhuǎn)換刀具，否則仍由手動轉(zhuǎn)動刀架。如需加工螺紋，則要在主軸外端或其他適當位置安裝一個脈沖發(fā)生器來檢測主軸轉(zhuǎn)位，用它發(fā)出的脈沖來保證主軸旋轉(zhuǎn)運動與縱向進給運動的相互關(guān)系。這種改造方案成本較低。但是，為了保證加工精度，還需根據(jù)實際情況進行檢修，才能保證控制精度。原有機床運動部件（包括導軌、絲杠副等）安裝質(zhì)量的好壞，直接影響阻力和阻力矩的大小，應盡量減小阻力（力矩），以提高步進電機驅(qū)動力矩的效率。對絲杠及軸要提高其直線度，導軌壓板及螺母的預緊力都要調(diào)得合適。為減少導軌副的摩擦阻力可改換成滾動導軌副或采用鑲塑料導軌。根據(jù)阻力（力矩），切削用量的大小及機床型號的不同，應通過計算，選用與之相匹配的步進電機。如果選用步進電機的最大靜轉(zhuǎn)矩過大，價格就貴，機電一體化改造的成本就高，且對用戶來說，在使用中，始終用不到那么大的驅(qū)動能力，也是一個浪費；如果選得過小，在使用中很可能因各種原因而使切削阻力突然增大，驅(qū)動能力不夠，將會引起丟步現(xiàn)象的產(chǎn)生，造成加工誤差。因此，必須對執(zhí)行元件進行匹配選擇。對加工精度較高的機床，其進給絲杠應換成滾珠絲杠副。3、微機控制系統(tǒng)方案的確定（1）、微機控制系統(tǒng)的總體組成數(shù)控部分采用MCS-51系列單片機控制，其典型代表有8031、8051、8075等，其中8031的價格低，功能強，使用靈活等特點，比較適用于一般機床的數(shù)控改造，但由于其無內(nèi)存，必須外接存儲及I/O擴展芯片才可以成為一個較簡單的微機控制系統(tǒng)。存儲芯片的選擇依據(jù)系統(tǒng)控制程序的大小及CPU的字長，I/O擴展芯片的個數(shù)根據(jù)整個系統(tǒng)需要的I/O通道的個數(shù)來確定。（2）、軟硬件任務合理分配涉及軟、硬件任務分配的有：控制步進電機的脈沖發(fā)生與脈沖分配；數(shù)碼顯示的字符發(fā)生；鍵盤掃描管理。上述三個都可以用磚用硬件芯片實現(xiàn)，也可用軟件編程實現(xiàn)。用硬件實現(xiàn)，編程時比較簡單，但同時增加了硬件成本及故障源。用軟件實現(xiàn)，可節(jié)省芯片，降低成本，但增加了編程難度。在決定用何種方法實現(xiàn)時，應統(tǒng)籌兼顧，同時還應根據(jù)設計者的軟、硬件方面的實際經(jīng)驗及能力。

計算與說明主要結(jié)果三、機床傳動部分的改造（一）系統(tǒng)負載的確定1、確定系統(tǒng)脈沖當量脈沖當量是衡量數(shù)控機床加工精度的一個基本技術(shù)參數(shù)。經(jīng)濟型數(shù)控車床采用的脈沖當量是0.01?0.005mm/脈沖，此次改造的CA6140車床在縱向的脈沖當量取0.01mm/脈沖。2、切削力計算用經(jīng)驗公式計算主切削力對于車床的主切削力縱切：Fz=0.67D1^（N）Dmax——車床床身上加工最大直徑（mm）F=0.67X4001.5=5360（N）z按比例分別求出分力Fx和Fy,由Fz：Fx：Fy,=1：0.25：0.4Fx——走刀方向Fy—一切深抗力得：Fx=0.25X5360=1340（N）F=0.4X5360=2144（N）作用在進給拖板上的載荷可按下列式子求出:拖板上進給方向載荷：F=F=1340（N）LX拖板上垂直方向載荷：F=F=5630（N）VZ拖板上橫向方向載荷：F=F=2144（N）CY（二）滾珠絲杠螺母副的設計、計算與選型1、計算進給率引力Fm（最大工作載荷）F=KF+f'（F+G）mxV根據(jù)設計任務要求，查表3—4《機電一體化專業(yè)課程設計指導書》，選綜合型導軌，其K=1.15,摩擦系數(shù)f=0.16,工作臺重量G=800（N），則：Fm=1.15X1340+0.16X（5360+800）=2526.6（N）2、計算最大動載荷CF=3LFFFFz=5360（Fz=5360（N）Fx=1340（N）Fy=2144（N）Fm=2526.6（N）彥向大摩彥向大摩說明書內(nèi)頁第I。頁GUANGXIUNIVERSITY彥向大摩彥向大摩說明書內(nèi)頁第I。頁GUANGXIUNIVERSITY彥歷大學說明書內(nèi)頁GUANGXIUNIVERSITY彥歷大學說明書內(nèi)頁GUANGXIUNIVERSITY第頁光耦合器選用光耦合器選用G0102GUANGXIUNIVERSITY從等效電路可得：I=I+1cbIR=U=8.03BEIR=E-U=72c2nBE選擇耦合器輸入電流I=10mA（最大的電流為50mA）,電流傳輸比C=30%；iTRI=IC=10義30%=3mAciTR解上述方程組得：R=8K。；R=24KQ。32（3）確定R1前面已選定耦合器輸入電流I=10mA，可得到光耦合器輸入正

i向壓降為1.3V，所以R=（5—1.3）/1=370Q。1i（4）確定R，R56R=8KQ3R=8KQ3R=24KQ2R=370Q1和電流，單穩(wěn)已翻轉(zhuǎn)成低電平）。首先確定基極電流I。c2負載的平均阻抗：Z氏E/1=80/6=13.3QnNb,T2的飽和電流：I=（E-2U-U）/Zcs（2）HCESn=（192-2義2-80）/13彥向大摩彥向大摩說明書內(nèi)頁第I。頁GUANGXIUNIVERSITY彥向大摩彥向大摩說明書內(nèi)頁第I。頁GUANGXIUNIVERSITY氏8.31AT2基極電流應為：I=I/hB2cs（2）Fg=8.31/3000=2.77mA光耦合器輸入電流為100mA,所以：光耦合器輸出電流：I=ICc2iTR=10x33%=3.3mA因此：I=I-1=3.3-2.776c2B2=0.53mAC,求U（0點電位）0在期間0<t<t，U是變化的，變化范圍近似為E—2至Eb0HH一E，計算時取平均值：nU=［（E—2）+（E—E）］/20HHn=［（192-2）+（192-80）］/2=151VT2的等效輸入電阻為：R=U/1T2BESB2=8/0.35x10-3=22.86KQR=U/1=8/0.53x10-3215.09KQ6BES6R=（U-U-U）/18HCES0C2=（192-2-151）/3.3x10-3=11.82KQd,確定R9為提供給單穩(wěn)和驅(qū)動門足夠輸入電流（各5mA），所以：R9=500Qe,選擇D1，D2選用2CZ13A硅整流二極管彥向大學說明書內(nèi)頁第29頁GUANGXIUNIVERSITYf,單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器74221翻轉(zhuǎn)時間的確定當單穩(wěn)74221的“清除端”加高電平A端加低電平時，B端正躍變可使單穩(wěn)的Q端從低電平變成高電平，經(jīng)過一段時間自動翻轉(zhuǎn)成低電平，恢復到穩(wěn)定狀態(tài)，Q端輸入一個脈沖，脈沖寬度由外電阻R（取10KQ）和C決定，即：TX一八一R=10KQTt=RCLn2bTX則：C=t/（Ln2R）XbTC=0.096NFX=0.667x10-3/（Ln2x10x10-3）=0.096NF74221為雙單端多諧振蕩器，步進電機需用3片74221。六、微機控制系統(tǒng)軟件設計（一）模塊組成本程序主要由如下模塊組成：1、主模塊用于系統(tǒng)初始化和監(jiān)控；其中初始化包括8155初始化、緩沖區(qū)清零、定時/計數(shù)常數(shù)的設置、開中斷等處理；監(jiān)控主要判斷是否有命令按下，并根據(jù)命令調(diào)用相應的子程序模塊。主模塊流程圖如下；彥向大摩彥向大摩說明書內(nèi)頁第I。頁GUANGXIUNIVERSITY彥向大摩彥向大摩說明書內(nèi)頁第I。頁GUANGXIUNIVERSITY開始①8031串行口工作方式設定(方式))②8155初始化③8255初始化④鍵盤、顯示緩沖器清零顯示提示符‘p"鍵盤掃描有命令發(fā)出否？N根據(jù)各鍵盤功能、定義

轉(zhuǎn)向相應功能塊0功能10功能1功能N功能根據(jù)鍵盤功能鍵的設定，相應的子程序模塊包括“一”、“一”、“t”、“I”各個命令及“暫?！泵钐幚砟K。這里設定一標志，其作用是反映XY工作臺的當前運動方向。標志位為內(nèi)部RAM區(qū)的2BH，其定義如下：2BH單元值當前運動方向TOC\o"1-5"\h\z=01H-+X=02H--X=03Ht+Z=04HI-Z=00H初始時為00H2、子程序模塊使用暫停鍵“STOP”子模塊，暫停鍵功能是暫時使XY工作臺停止移動，因此只需停止步進脈沖信號即可。3、越界報警、急停處理模塊本模塊的主要功能是當XY工作臺移動越出邊界時進行應急處理，停止一切正常工作，由復位重新使系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)。報警用紅燈亮指示。4、實時修改顯示緩沖區(qū)數(shù)據(jù)模塊根據(jù)鍵盤的接口電路，可以用編程掃描方式和定時掃描方式。這里選擇后一種，用定時中斷模塊同時完成鍵盤和顯示的掃描。對于鍵盤掃描，應該解決去抖動問題，一般調(diào)用延時10ms左右來實現(xiàn)，而對于顯示掃描，為保證多位同時顯示而無閃爍，應使掃描頻率高于50Hz。設定定時時間為3ms，即每隔3ms中斷1次，修改一次顯示位，每位顯示的點亮時間是3ms,掃描一遍共需5X3=15ms,掃描頻率約64Hz，高于50Hz。鍵盤采用每隔3X3=9ms掃描一次，其目的是消除鍵盤抖動。設置一標志位，其地址為內(nèi)存RAM30H單元，用于計數(shù)中斷次數(shù)，當其等于3時，正好隔9ms,馬上查詢鍵盤。另外還應設一標志位，用以標志連續(xù)兩次查詢到按鍵值是否一樣，其地址為31H,定義如下：（31H）=1,表明上次查詢有鍵按下；（31H）=0,則為無鍵按下。只要當上次有鍵按下，且隔9ms后再次查詢有同一鍵按下時，才能確認有鍵按下，否則均視為誤動作，不予理睬。5、鍵盤、顯示定時掃描管理模塊本模塊采用中斷方式，其作用是通過對8155定時/計數(shù)的輸出信號，也即對步進脈沖進行計數(shù)，來修改顯示緩沖區(qū)中工作臺當前工作位置。根據(jù)步進電機的實際脈沖當量，一個步進脈沖，相當于工作臺位移增量為0.01mm,可以設定中斷計數(shù)常數(shù)為10,每中斷一次，工作臺運動0.1mm,這里用內(nèi)部RAM單元為中斷次數(shù)計數(shù)器。（二）緩沖區(qū)設置應設置兩個緩沖區(qū)：鍵盤緩沖區(qū)和顯示緩沖區(qū)。1、鍵盤緩沖區(qū)主要用于存放由鍵盤輸入的命令，長度為4字節(jié)，地址為8031內(nèi)部RAM區(qū)20H?23H,第一字可用于緩沖區(qū)空、滿等標志，定義如下：（20H）=00H,緩沖區(qū)為空，（20H）=01H,緩沖區(qū)內(nèi)未處理完的命令個數(shù)，顯然（20H）=30H時即為滿。其余3個字節(jié)內(nèi)存放具體的命令碼。為防止誤操作，可以進一步規(guī)定：命令碼若為00H,為無效命令。從本系統(tǒng)的施加情況及后面的軟件框圖可以看出，鍵盤緩沖區(qū)很少出現(xiàn)兩個或兩個以上未處理的命令碼，一般情況只要一個命令碼，馬上會得到處理。2、顯示緩沖區(qū)主要用于存放欲顯示的具體數(shù)據(jù)，每一字節(jié)對應一顯示位，共5個字節(jié)，地址為8031內(nèi)部RAM25H~29H，分別對應百位、十位、個位（包括小數(shù)點）、10E-1位和10E-2位。除以上緩沖區(qū)外，根據(jù)需要，可以設立一些標志位，視具體情況而定。（三）中斷優(yōu)先級所處理時間為緊急的則其中斷級別為最高，根據(jù)本題實際情況，中斷模塊的優(yōu)先級如下：模塊名級別TOC\o"1-5"\h\z越界報警、急停處理模塊0高實時修改顯示緩沖區(qū)數(shù)據(jù)模塊1鍵盤、顯示定時掃描管理模塊2七、設計小結(jié)機電一體化系統(tǒng)設計課程設計是機電一體化系統(tǒng)課程的最后一個教學環(huán)節(jié)，同時也是一次對學生進行全面的機電一體化設計訓練。通過這次課程設計，我學會了怎樣去運用機電一體化系統(tǒng)設計的知識去分析和解決課程設計中遇到的問題，真正的學以致用，這不僅進一步鞏固和深化了所學的知識；同時，培養(yǎng)了正確的設計思想和分析問題、解決問題的能力。在設計時，認真閱讀參考資料，根據(jù)具體地設計條件和要求，借鑒前人的設計經(jīng)驗和