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大學(xué)畢業(yè)論文:普通車(chē)床數控研究及改造設計
摘 要 ： 針對現有常規CA6140普遍車(chē)床的缺點(diǎn)提出數控改裝方案和單片機系統設計，提高加工精度和擴大機床使用范圍，并提高生產(chǎn)率。本論文說(shuō)明了普通車(chē)床的數控化改造的設計過(guò)程，較詳盡地介紹了CA6140機械改造部分的設計及數控系統部分的設計。采用以8031為CPU的控制系統對信號進(jìn)行處理，由I/O接口輸出步進(jìn)脈沖，經(jīng)一級齒輪傳動(dòng)減速后，帶動(dòng)滾動(dòng)絲杠轉動(dòng)，從而實(shí)現縱向、橫向的進(jìn)給運動(dòng)。
關(guān)鍵詞： 數控機床，單片機數控系統，改裝設計
第一章 概述
機床作為機械制造業(yè)的重要基礎裝備，它的發(fā)展一直引起人們的關(guān)注，由于計算機技術(shù)的興起，促使機床的控制信息出現了質(zhì)的突破，導致了應用數字化技術(shù)進(jìn)行柔性自動(dòng)化控制的新一代機床－數控機床的誕生和發(fā)展。計算機的出現和應用，為人類(lèi)提供了實(shí)現機械加工工藝過(guò)程自動(dòng)化的理想手段。隨著(zhù)計算機的發(fā)展，數控機床也得到迅速的發(fā)展和廣泛的應用，同時(shí)使人們對傳統的機床傳動(dòng)及結構的概念發(fā)生了根本的轉變。數控機床以其優(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(kāi)創(chuàng )機械產(chǎn)品向機電一體化發(fā)展的先河。數控機床是以數字化的信息實(shí)現機床控制的機電一體化產(chǎn)品，它把刀具和工件之間的相對位置，機床電機的啟動(dòng)和停止，主軸變速，工件松開(kāi)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字記錄在控制介質(zhì)上，然后將數字信息送入數控裝置或計算機，經(jīng)過(guò)譯碼，運算，發(fā)出各種指令控制機床伺服系統或其它的執行元件，加工出所需的工件。數控機床與普通機床相比，其主要有以下的優(yōu)點(diǎn)：1.適應性強，適合加工單件或小批量的復雜工件；在數控機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)強度，改善勞動(dòng)條件；5.良好的經(jīng)濟效益；6.有利于生產(chǎn)管理的現代化。數控機床已成為我國市場(chǎng)需求的主流產(chǎn)品，需求量逐年激增。我國數控機機床近幾年在產(chǎn)業(yè)化和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)上取得了明顯的進(jìn)步，特別是在機床的高速化、多軸化、復合化、精密化方面進(jìn)步很大。但是，國產(chǎn)數控機床與先進(jìn)國家的同類(lèi)產(chǎn)品相比，還存在差距，還不能滿(mǎn)足國家建設的需要。我國是一個(gè)機床大國，有三百多萬(wàn)臺普通機床。但機床的素質(zhì)差，性能落后，單臺機床的平均產(chǎn)值只有先進(jìn)工業(yè)國家的1/10左右，差距太大，急待改造。舊機床的數控化改造，顧名思義就是在普通機床上增加微機控制裝置，使其具有一定的自動(dòng)化能力，以實(shí)現預定的加工工藝目標。隨著(zhù)數控機床越來(lái)越多的普及應用，數控機床的技術(shù)經(jīng)濟效益為大家所理解。在國內工廠(chǎng)的技術(shù)改造中，機床的微機數控化改造已成為重要方面。許多工廠(chǎng)一面購置數控機床一面利用數控、數顯、PC技術(shù)改造普通機床，并取得了良好的經(jīng)濟效益。我國經(jīng)濟資源有限，國家大，機床需要量大，因此不可能拿出相當大的資金去購買(mǎi)新型的數控機床，而我國的舊機床很多，用經(jīng)濟型數控系統改造普通機床，在投資少的情況下，使其既能滿(mǎn)足加工的需要，又能提高機床的自動(dòng)化程度，比較符合我國的國情。1984年，我國開(kāi)始生產(chǎn)經(jīng)濟型數控系統，并用于改造舊機床。到目前為止，已有很多廠(chǎng)家生產(chǎn)經(jīng)濟型數控系統�？梢灶A料，今后，機床的經(jīng)濟型數控化改造將迅速發(fā)展和普及。所以說(shuō)，本畢業(yè)設計實(shí)例具有典型性和實(shí)用性。
第二章 總體方案的設計
2.1 設計任務(wù) 本設計任務(wù)是對CA6140普通車(chē)床進(jìn)行數控改造。利用微機對縱、橫向進(jìn)給系統進(jìn)行開(kāi)環(huán)控制，縱向（Z向）脈沖當量為0.01mm/脈沖，橫向（X向）脈沖當量為0.005mm/脈沖，驅動(dòng)元件采用步進(jìn)電機，傳動(dòng)系統采用滾珠絲杠副，刀架采用自動(dòng)轉位刀架。 2.2 總體方案的論證 對于普通機床的經(jīng)濟型數控改造，在確定總體設計方案時(shí)，應考慮在滿(mǎn)足設計要求的前提下，對機床的改動(dòng)應盡可能少，以降低成本。 （1）數控系統運動(dòng)方式的確定 數控系統按運動(dòng)方式可分為點(diǎn)位控制系統、點(diǎn)位直線(xiàn)控制系統、連續控制系統。由于要求CA6140車(chē)床加工復雜輪廓零件，所以本微機數控系統采用兩軸聯(lián)動(dòng)連續控制系統。 （2）伺服進(jìn)給系統的改造設計 數控機床的伺服進(jìn)給系統有開(kāi)環(huán)、半閉環(huán)和閉環(huán)之分。因為開(kāi)環(huán)控制具有結構簡(jiǎn)單、設計制造容易、控制精度較好、容易調試、價(jià)格便宜、使用維修方便等優(yōu)點(diǎn)。所以，本設計決定采用開(kāi)環(huán)控制系統。 （3）數控系統的硬件電路設計 任何一個(gè)數控系統都由硬件和軟件兩部分組成。硬件是數控系統的基礎，性能的好壞直接影響整體數控系統的工作性能。有了硬件，軟件才能有效地運行。 在設計的數控裝置中，CPU的選擇是關(guān)鍵，選擇CPU應考慮以下要素： 1. 時(shí)鐘頻率和字長(cháng)與被控對象的運動(dòng)速度和精度密切相關(guān)； 2. 可擴展存儲器的容量與數控功能的強弱相關(guān)； 3. I/O口擴展的能力與對外設控制的能力相關(guān)。 除此之外，還應根據數控系統的應用場(chǎng)合、控制對象以及各種性能、參數要求等，綜合起來(lái)考慮以確定CPU。在我國，普通機床數控改造方面應用較普遍的是Z80CPU和MCS-51系列單片機，主要是因為它們的配套芯片便宜，普及性、通用性強，制造和維修方便，完全能滿(mǎn)足經(jīng)濟型數控機床的改造需要。本設計中是以MCS-51系列單片機，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(wú)ROM的8051，8751是用EPROM代替ROM的8051。目前，工控機中應用最多的是8031單片機。本設計以8031芯片為核心，增加存儲器擴展電路、接口和面板操作開(kāi)關(guān)組成的控制系統。 2.3 總體方案的確定 經(jīng)總體設計方案的論證后，確定的CA6140車(chē)床經(jīng)濟型數控改造示意圖如圖所示。CA6140車(chē)床的主軸轉速部分保留原機床的功能，即手動(dòng)變速。車(chē)床的縱向（Z軸）和橫向（X軸）進(jìn)給運動(dòng)采用步進(jìn)電機驅動(dòng)。由8031單片機組成微機作為數控裝置的核心，由I/O接口、環(huán)形分配器與功率放大器一起控制步進(jìn)電機轉動(dòng)，經(jīng)齒輪減速后帶動(dòng)滾珠絲杠轉動(dòng)，從而實(shí)現車(chē)床的縱向、橫向進(jìn)給運動(dòng)。刀架改成由微機控制的經(jīng)電機驅動(dòng)的自動(dòng)控制的自動(dòng)轉位刀架。為保持切削螺紋的功能，必須安裝主軸脈沖發(fā)生器，為此采用主軸靠同步齒形帶使脈沖發(fā)生器同步旋轉，發(fā)出兩路信號：每轉發(fā)出的脈沖個(gè)數和一個(gè)同步信號，經(jīng)隔離電路以及I/O接口送給微機。如圖2－1所示：
第三章 微機數控系統硬件電路設計
3.1微機數控系統硬件電路總體方案設計 本系統選用8031CPU作為數控系統的中央處理機。外接一片2764EPROM，作為監控程序的程序存儲器和存放常用零件的加工程序。再選用一片6264RAM用于存放需要隨機修改的零件程序、工作參數。采用譯碼法對擴展芯片進(jìn)行尋址，采用74LS138譯碼器完成此功能。8279作為系統的輸入輸出口擴展，分別接鍵盤(pán)的輸入、輸出顯示，8255接步進(jìn)電機的環(huán)形分配器，分別并行控制X軸和Z軸的步進(jìn)電機。另外，還要考慮機床與單片機之間的光電隔離，功率放大電路等。其硬件框圖如圖3－1所示： 圖3－2 8031芯片內部結構圖 各引腳功能簡(jiǎn)要介紹如下： ⒈ 源引腳 VSS：電源接地端。 VCC：＋5V電源端。 ⒉ 輸入/輸出（I/O）口線(xiàn) 8031單片機有P0、P1、P2、P3 4個(gè)端口，每個(gè)端口8根I/O線(xiàn)。當系統擴展外部存儲器時(shí)，P0口用來(lái)輸出低8位并行數據，P2口用來(lái)輸出高8位地址，P3口除可作為一個(gè)8位準雙向并行口外，還具有第二功能，各引腳第二功能定義如下： P3.0 RXD：串行數據輸入端。 P3.1 TXD：串行數據輸出端 P3.2 INT0：外部中斷0請求信號輸入端。 P3.3 INT1：外部中斷1請求信號輸入端。 P3.4 T0：定時(shí)器/計數器0外部輸入端 P3.5 T1：定時(shí)器/計數器1外部輸入端 P3.6 WR：外部數據存儲器寫(xiě)選通。 P3.7 RD：外部數據存儲器讀選通。 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。 ⒊ 信號控制線(xiàn) RST/VPD：RST為復位信號線(xiàn)輸入引腳，在時(shí)鐘電路工作以后，該引腳上出現兩個(gè)機器周期以上的高電平，完成一次復位操作。 8031單片機采用兩種復位方式：一種是加電自動(dòng)復位，另一種為開(kāi)關(guān)復位。 ALE/PROG：ALE是地址鎖存允許信號。它的作用是把CPU從P0口分時(shí)送出的低8位地址鎖存在一個(gè)外加的鎖存器中。 外部程序存儲器讀選通信號。當其為低電平時(shí)有效。
VPP：當EA為高電平且PC值小于0FFFH時(shí)CPU執行內部程序存儲器中的程序。當EA為低電平時(shí)，CPU僅執行外部程序存儲器中的程序。 XTAL1：震蕩器的反相放大器輸入，使用外部震蕩器時(shí)必須接地； XTAL2：震蕩器的反相放大器輸出，使用外部震蕩器時(shí)，接收外圍震蕩信號； （2）片外三總線(xiàn)結構 單片機在實(shí)際應用中，常常要擴展外部存儲器、I/O口等。單片機的引腳，除了電源、復位、時(shí)鐘輸入以及用戶(hù)I/O口外，其余的引腳都是為了實(shí)現系統擴展而設置的，這些引腳構成了三總線(xiàn)形式： ⒈ 地址總線(xiàn)AB 地址總線(xiàn)寬度為16位。因此，外部存儲器直接尋址范圍為64KB。由P0口經(jīng)地址鎖存器提供16位地址總線(xiàn)的低8位地址（A7～A0），P2口直接提供高8位地址（A15～A8）。 ⒉ 數據總線(xiàn)DB 數據總線(xiàn)寬度為8位，由P0口提供。 ⒊ 控制總線(xiàn)CB 控制總線(xiàn)由第二功能狀態(tài)下的P3口和4根獨立的控制線(xiàn)RST、EA、ALE和PSEN組成。其引腳圖如圖3－3所示： 3.1.2 8255A可編程并行I/O口擴展芯片 8255A可編程并行I/O口擴展芯片可以直接與MCS系列單片機系統總線(xiàn)連接，它具有三個(gè)8位的并行I/O口，具有三種工作方式，通過(guò)編程能夠方便地采用無(wú)條件傳送、查詢(xún)傳送或中斷傳送方式完成CPU與外圍設備之間的信息交換。8255A的結構及引腳功能： 1、8255A的結構 8255A的內部結構如圖3－4所示。其中包括三個(gè)8位并行數據I/O端口，二個(gè)工作方式控制電路，一個(gè)讀/寫(xiě)控制邏輯電路和一個(gè)8位數據總線(xiàn)緩沖器。各部分功能介紹如下：（1） 三個(gè)8位并行I/O端口A(yíng)、B、C A口：具有一個(gè)8位數據輸出鎖存/緩沖器和一個(gè)8位數據輸入鎖存器�？删幊虨�8位輸入、或8位輸出、或8位雙向寄存器。 B口：具有一個(gè)8位數據輸出鎖存/緩沖器和一個(gè)8位輸入或輸出寄存器，但不能雙向輸入/輸出。 C口：具有一個(gè)8位數據輸出鎖存/緩沖器和一個(gè)8位數據輸入緩沖器，C口可分作兩個(gè)4位口，用于輸入或輸出，也可作為A口和B口選通方式工作時(shí)的狀態(tài)控制信號。（2） 工作方式控制電路 A、B兩組控制電路把三個(gè)端口分成A、B兩組，A組控制A口各位和C口高四位，B組控制B口各位和C口低四位。兩組控制電路各有一個(gè)控制命令寄存器，用來(lái)接收由CPU寫(xiě)入的控制字，以決定兩組端口的工作方式。也可根據控制字的要求對C口按位清“0”或置“1”。 （3） 讀/寫(xiě)控制邏輯電路 它接收來(lái)自CPU的地址信號及一些控制信號，控制各個(gè)口的工作狀態(tài)。（4） 數據總線(xiàn)緩沖器 它是一個(gè)三態(tài)雙向緩沖器，用于和系統的數據總線(xiàn)直接相連，以實(shí)現CPU和8255A之間信息的傳送。
參考文獻：
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