CA6140型普通车床的数控化改造设计精讲

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1、石家庄职业技术学院毕业设计说明书CA6140型普通车床的数控化改造设计系别：机电工程系年级：10机电一体化2班专业：机电一体化姓名：学号：指导教师：评阅人：2013年 5 月 15 日摘 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，机床控制目录第一章 CA6140车床数控系统总体设计方案511总体方案的确定5111

2、系统的运动方式与伺服系统的选择5112计算机系统5113机械传动方式512 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721系统脉冲当量的选择722 滚珠丝杠螺母副的选型723 纵向及横向滚珠丝杠副几何参数824 齿轮传动比计算9241.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123-1单片机数控系统的设计内容12311硬件电路设计内容121312机床数控系统软件设计123-2 MCS-80C51单片机及其扩展13321 80C51单片机的简介1333 存储器扩展电路设计15331 单片机的系统扩展概述15332 存储器扩展

3、1734 I/O接口电路及辅助电路设计18341 I/O口的扩展18342 步进电机驱动电路18343液晶显示控制器18344控制面板2335典型零件加工程序设计24参考文献26第一章CA6140车床数控系统总体设计方案11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.

4、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

5、构。齿轮传动也要采用消除齿侧间隙的消隙齿轮结构。12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输入输出数控装置PLC主轴控制单元主轴机床速度控制单元伺服电机位置检测反馈装置工作台图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21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

6、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0.010.005mm/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。22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W1L2506W1L2005螺纹滚道公称直径2520导程65接触角钢球直径3.9693.175滚道法面半径2.0641.651偏心距0

7、.0560.045螺纹升角螺杆螺杆外径24.219.4螺杆径20.98416.788螺杆接触直径17.02713.835螺母螺母螺纹直径32.82623.212螺母内径25.820.63524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

8、如下:表2-1传动比参数齿数324024402025分度圆648048804050齿顶圆688452844454齿根圆597543753545齿宽202020202020中心距7264453.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31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

9、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MCS51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

10、晶显示控制器LR104VRAM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。32MCS-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

11、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3-1XTAL1（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、

12、ALE/PROG、PSEN、EA/VppRST（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

13、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

14、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3-2P0.0-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

15、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A8A15。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P3.0P3.1P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7RXD（串行口输入）TXD（串行口输出）INT0（外部中断0输入）INT1（外部中断1输入）T0（定时器/计数器0的外部输入）T1（定时器/计数器1的外部输入）WR（片外数据存储器写选通控制输出）RD

16、（片外数据存储器读选通控制输出）33存储器扩展电路设计3.3.1单片机的系统扩展概述片外数据存储器与程序存储器的操作使用不同的指令和控制信号，允许两者的地址重复。故据地址的宽度，片外可扩展的存储器与程序存储器分别为64KB。此处扩展了16K的程序存储器和16K的地址存储器，且没有使用片内存储器。扩展的I/O口与片外数据存储器统一编址，不再另外提供地址线。地址锁存器因为P0口是分时提供低8位地址和数据信息的，所以必须用锁存器把地址锁存住。本次设计使用带三态缓冲输出的8D锁存器74HC373。其引脚见图3-3，图3-374HC373引脚图。D0-D7信号输入端，Q0-Q7信号输出端，G：下降沿时，

17、将D1-D8锁存于内部E：使能端，E=0时，三态门处于导通状态，输出端Q0-Q7与输入端D0-D7连通，当E=1时输出三态门断开，输入数据锁存。1、地址译码器80C51扩展电路中，都牵涉到外部地址空间的分配问题，即当80C51数据总线分时与多个外围芯片进行数据传送时，首选要进行片选，然后再进行片内地址选择。地址译码实现片选的方法目前常用的有两种：线选法和译码法。此处采用74HC139译码器组成的译码电路对系统的高位地址进行译码。74HC139是双“2-4”译码器，每个译码器仅有1个使能端G，0电平选通。有2个选择输入端，4个译码输出端，输出0电平有效。2个输入信号A、B译码后有4个输出状态，其

18、引脚与真值表如下所示。表3-274HC139真值表输入输出使能选择Y0Y1Y2Y3/GBA1111100001110011011010110101111103.3.2存储器扩展此处采用两片EPROM芯片2764（8K8）扩展程序存储器，数据存储器选用静态RAM27648（8K8）。其引脚见下图3-3。80C51芯片与存储器的连接存储器扩展实质是三总线的连接。据芯片存储容量的大小确定数据、地址线的根数。此处为13根。数据线的连接将80C51的芯片的P0.0-P0.7按位与RAM数据线D0-D7直连。地址总线的连接据确定的地址线根数，将相应低地址线相连，剩余高位地址线作为片选。控制总线的连接对应控

19、制线相连。图3-334I/O接口电路及辅助电路设计3.4.1I/O口的扩展MCS-51单片机共有四个8位并行I/O口，可提供给用户使用的只有P1口和部分P3口线，因此不可避免地要进行I/O口的扩展。这里采用8255（可编程的RAM/IO扩展接口电路）。I/O口扩展采用总线扩展方法，数据输入线取自80C51的P0口。这种扩展方法分时占用P0口，不影响P0口与其它扩展芯片的连接操作。8255具有3个8位的并行的I/O口，分别为PA、PB、PC口，其中PC口又分为高4位（PC7-PC4）和低4位（PC3-PC0）。3.4.2步进电机驱动电路采用细分驱动电路，根据所选电机说明，选取合适的驱动器，纵向驱

20、动器和横向驱动器均为SH20806N。其接线图如(3-4)：3.4.3液晶显示控制器该显示器接口采用并行总线方式（数据总线、地址总线以及选、读、写等信号），可以很方便地连接到单片机或微处理器的总线上，用户可以象使用普通存储器一样使用它。或者可以把显示器看成是自己设备外挂的一个RAM。LR-104VRAM存储器地址单元同液晶屏幕上的像素点一一对应，用户可以把这个存储器理解为“显示映像”存储器。如果希望在液晶屏幕上某一位置显示文字或图形，只需要向存储器内对应区域写入相应的数据即可。VRAM存储器的一个字节由8位构成，显示器屏幕上的一个“像素”点由R、G、B三个“点”来组成。图3-4电动机驱动器连线

21、图1、原理框图：LR-104VRAM显示器的基本原理框图如图所示。总线接口电路数据转换逻辑电路液晶驱动电路彩色液晶模块512MVRAMAC/DC背光灯DC/AC.电源图3-5LR-104VRAM显示器的基本原理框图2、接口方法：LR-104VRAM的接口方式为总线方式。外部引线包括有地址总线、数据总线和片选读写输入，可以直接挂接到单片机、计算机的总线上，通过译码分配作为主机的某部分内存来使用。接口采用34针双列防反插插座（间距为标准2.54mm）,引脚定义如下表3-3引脚定义引脚号引脚定义引脚号引脚定义引脚号引脚定义1D013GND25A52D114GND26A63D215RDCS27A74D

22、316A1528A85D417+12V29A96D518+12V30A107D619保留31A118D720保留32A129WCS21A133A1310CLOSE22A234A1411A023A312保留24A43、应用程序：，将屏幕清成040H代码所表示的颜色；VRAM的片选地址（E000，FFFFH）；A13，14，15=P1.O,P1.1,P1.2ORG0000HLJMPMAINORG0090HMAIN:MOVSP,#60H;LCALLINITLCD;MOVR1,#040H;LCALLCLEAR1RETERN:SJMPRETERNINITLCD:LCALLLCDRETLCD:MOVR2,

23、#08HMOVR3,#00HLCD1:MOVP1,R3MOVDPTR,#0E000HMOVR4,#20HLCD2:MOVR5,#00HMOVA,#00HLCD3:MOVXDPTR,AINCDPTRDJNZR5,LCD3DJNZR4,LCD2INCR3DJNZR2,LCD1RETCLEAR1:LCALLLCD4RETLCD4:MOVR2,#08HMOVR3,#00HLCD5:MOVP1,R3MOVDPTR,#OE000HMOVR4,#20HLCD6:MOVR5,#0A1HMOVA,R1LCD7:MOVXDPTR,AINCDPTRDJNZR5,LCD7MOVR5,#5FHLCD8:INCDPTRD

24、JNZR5,LCD8DJNZR4,LCD6INCR3DJNZR2,LCD5RETEND3.4.4控制面板由于键盘的数量有限，故采用多功能键盘，利用SHIFT换档键进行选择。报警指示灯用的是LED35典型零件加工程序设计以以下零件为例，如图所示工件，毛坯为2565棒材，材料为45钢。1选择机床设备即本设计所改造后的CA6140。该工件的加工程序如下：%O3032N10G90G00G92X100Z60;坐标设定N20M03S1000;主轴正转转速1000r/minN30X48Z1;快速移动到X=48mm，Z=1mm处N40G01X48Z-2F10;倒角245N50X48Z-60;加工M48的外径N

25、60X50Z-60;加工50mm外径N70X70Z-120;加工锥面N80X70Z-140;加工70mm外径N90X80Z-160;加工80mm外径N100G02X80Z-220I51.96K-30F5;加工R=70mm圆弧N110G01X80Z-225F10;加工80mm外径N120G26T1000;回换刀点N130M05;主轴停转N140T0202;换2号刀N150M03S100;主轴正转转速100r/minN160G00X50Z-60;快速移动刀X=50mm，Z=-60mm处N170G01X45Z-60F5;切槽N180X50Z-60;N190G26T2000;回换刀点N200M05;主

26、轴停转N210T0303;换3号刀N220M03S60;主轴正转，转速60r/minN230G00X47.6Z10F2;快速移到X=47.6mm,Z=10mmN240G33X47.6Z-58F2;加工螺纹N250G01X52.6F10;回安全点N260G26;回换刀点N270G00X47.2Z10;快速移到X=47.2mm,Z=10mmN280G33X47.2Z-58F2;加工螺纹N290G01X51.2F10;回安全点N300G26;回换刀点N310G00X46.8Z10;快速移到X=46.8mm,Z=10mmN320G33X46.8Z-58F2;加工螺纹N330G01X51.8F10;回安

27、全点N340G26;回换刀点N350G00X46.587Z10;快速移到X=46.587mm,Z=10mmN360G33X46.587Z-58F2;加工螺纹N370G01X51.587F10;回安全点N380G26T300;回换刀点N390M05;主轴停转N400T0101;取消刀补N410M02;程序结束%参考文献1南昌大学机电工程系主编，机电一体化机电产品设计指导书，数控机床设计;2朱晓春主编，数控技术(第一版)，机械工业出版社，1999，P202-233；3张迎新主编，单片机初级教程，北京航空航天大学出版社，2000，P167-206;4戴曙主编，金属切削机床，机械工业出版社1993；5濮良贵、纪名刚主编，机械设计，高等教育出版社，2001；26