451 CA6140型車床的經(jīng)濟型數(shù)控改造,ca6140,車床,經(jīng)濟型,數(shù)控,改造 11 前言國外利用數(shù)字計算機進行控制加工是從 40 年代開始的。1952 年美國麻省理工學院在一臺立式銑床上裝了一套試驗性的數(shù)控系統(tǒng)，成功地實現(xiàn)同時控制三軸的運動，它成了世界上第一臺數(shù)控機床。此后，從 60 年代開始，其他一些工業(yè)國家如德國、日本等陸續(xù)地開發(fā)生產(chǎn)及使用數(shù)控機床。1974 年微處理機直接用于數(shù)控機床，進一步促進了數(shù)控機床的普及應用和大力發(fā)展。隨著數(shù)控機床的功能越來越完善，可靠性和性能越來越高，它在制造業(yè)中逐漸擔當了越來越重要的角色。我國數(shù)控機床的研制是從 1958 年開始的，經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展，直至 80 年代后引進了日本、美國、西班牙等國數(shù)控伺服及伺服系統(tǒng)技術后，我國的數(shù)控技術才有質的飛躍，應用面逐漸鋪開，數(shù)控技術產(chǎn)業(yè)才逐步形成規(guī)模。由于現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展，市場需求變的越來越多樣化，多品種、中小批量甚至單件生產(chǎn)占有相當大的比重，普通機床已越來越不能滿足現(xiàn)代加工工藝及提高勞動生產(chǎn)率的要求。如果設備全部更新替換，不僅資金投入太大，成本太高，而且原有設備的閑置又將造成極大的浪費。如今科學技術發(fā)展很快，特別是微電子技術和計算機技術的發(fā)展更快，應用到數(shù)控系統(tǒng)上，它既能提高機床的自動化程度，又能提高加工精度，所以最經(jīng)濟的辦法就是進行普通機床的數(shù)控改造。這樣既可以提高加工生產(chǎn)率，改善加工工藝，還可以減少資金投入，減輕工人的勞動強度，縮短訂購新的數(shù)控機床的交貨周期時間。實踐已經(jīng)證明普通車床的經(jīng)濟型數(shù)控改造具有重大的實際價值，為此，在舊有車床上進行數(shù)控改造有著較好的市場前景。本課題來源于生產(chǎn)實踐。將 CA6140 型普通車床改造成經(jīng)濟型數(shù)控車床，應能實現(xiàn) CA6140 車床原有功能，在機床的精度、性能等方面除保持原來狀況外還有所提高。在整個設計過程中滿足以下幾點要求：a．橫向（X 向） 進給脈沖當量為 0.005mm /脈沖；b．進給速度范圍：向 3 ～ 1000mm/min （無級調速）快進速度：X 向 1000 ～ 3000mm/min 內任意設定；c.原車床的主傳動系統(tǒng)予以保留，橫向進給系統(tǒng)由微機實現(xiàn)開環(huán)控制，兩軸聯(lián)動；d.刀架采用自動轉位刀架，具有切削螺紋的功能；e.改造方便，成本低。該設計的總體思路是采用以 8031 單片機為核心的數(shù)控裝置控制加工過程。微機通過 I/O 接口發(fā)出驅動脈沖，經(jīng)過光電隔離進入步進電機的驅動控制線路，驅動控制線路接受來自數(shù)控車床控制系統(tǒng)的進給脈沖信號，并將該信號轉換為控制步進電機各定子繞組依次通電、斷電的信號，使步進電機運轉。步進電機的轉子帶動滾珠絲杠轉動，從而使工作臺產(chǎn)生移動，實現(xiàn)縱向、橫向的進給運動。由于步進電機需要的驅動電壓較高，電流較大，如果將 I/O 輸出信號直接與功率放大器相連，將CA6140 型車床的經(jīng)濟型數(shù)控改造設計(橫向)2會引起強電干擾，輕則影響單片機程序運行，重則導致單片機接口電路的損壞，所以在接口電路與功率放大器之間加上隔離電路，實現(xiàn)電氣隔離。2 總體方案設計由于該設計是經(jīng)濟型數(shù)控改造，在考慮具體方案時，應遵守的基本原則是在滿足使用要求的前提下，對機床的改動盡可能少，以降低成本。2.1 機械部分改造橫向進給機構的改造：拆掉原手動刀架和小拖板，安裝上數(shù)控刀架；拆掉普通絲桿、光桿進給箱和溜板箱，換上滾珠絲杠螺母副；保留原手動機構，用于調整操作，原有的支撐結構也保留，采用一級齒輪減速，步進電機、齒輪箱體安裝在中拖板的后側。2.2 數(shù)控系統(tǒng)部分設計數(shù)控系統(tǒng)按運動方式分為點位控制系統(tǒng)、點位直線控制系統(tǒng)、連續(xù)(輪廓)控制系統(tǒng)根據(jù)設計要求，CA6140 車床要加工復雜零件輪廓，其各坐標軸的運動有著確定的函數(shù)關系。根據(jù)設計要求，本微機數(shù)控系統(tǒng)采用連續(xù)控制系統(tǒng)。采用以步進電機驅動的開環(huán)控制。因為開環(huán)控制具有結構簡單、設計制造容易、控制精度較好、容易調試、價格便宜、使用維修方便等優(yōu)點。開環(huán)控制多用于負載變化不大或要求不高的經(jīng)濟型數(shù)控設備中。采用簡易數(shù)控裝置，以步進電機為驅動機構，實現(xiàn)在微機控制下的自動加工。其工作原理是：根據(jù)加工零件的圖樣與工藝方案，用規(guī)定的代碼和程序格式編寫加工程序，通過數(shù)控裝置上的鍵盤輸入微機，微機在監(jiān)控程序的管理下工作，并通過專用控制程序，把用戶加工程序轉化成一定頻率和數(shù)量的脈沖信號，經(jīng)驅動電路放大后驅動縱橫向二臺步進電機轉動，通過機械接口傳動絲杠實現(xiàn)刀架縱、橫兩個方向的頻率。自動回轉刀架由單片機發(fā)出換刀轉位指令，由自動刀架驅動電源驅動三相電機使刀架松開、抬起、旋轉后再自動鎖緊而完成轉位換刀過程。該經(jīng)濟型微機數(shù)控系統(tǒng)采用步進電機作為驅動元件。微機通過 I/O 接口發(fā)出驅動脈沖，經(jīng)過光電隔離進入步進電機的驅動控制線路，驅動控制線路接受來自數(shù)控車床控制系統(tǒng)的進給脈沖信號，并將該信號轉換為控制步進電機各定子繞組依次通電、斷電的信號，使步進電機運轉。步進電機的轉子帶動滾珠絲杠傳動，絲杠轉動使工作臺產(chǎn)生移動。光電隔離微機功率放大步進電 機橫向工作臺xx3圖 2-1 CA6140 車床數(shù)控改造的總體方案示意圖綜上所述，本設計改造的總體方案為：采用 MCS-51 單片機對數(shù)據(jù)進行計算處理，由 I/O 接口輸出步進脈沖，步進電機經(jīng)一級齒輪減速后，帶動滾動絲杠轉動，從而實現(xiàn)縱向、橫向的進給運動。數(shù)控改造后的車床不僅提高了原車床的精度和自動化程度，達到快速調整且仍能保持車床的通用性，而且提高了原車床的功能，利用數(shù)控方法準確地加工任意面的旋轉體。CA6140 型車床的經(jīng)濟型數(shù)控改造設計(橫向)43 機械部分改造設計3.1 橫向進給系統(tǒng)的設計與計算3.1.1 橫向進給系統(tǒng)的設計步進電機經(jīng)減速后驅動滾珠絲杠，使刀架橫向運動。步進電機安裝在大拖板上，用法蘭盤將步進電機和機床大拖板連接起來，以保證同軸度，提高傳動精度。3.1.2 橫向進給系統(tǒng)的設計計算已知條件：工作臺重（根據(jù)圖紙粗略計算） W=30kgf=300N時間常數(shù) T=25ms滾珠絲杠基本導程 L=4mm 左旋行程 S=230mm脈沖當量 =0.005mm/stepp?步距角 =0.75 °/step?快速進給速度 νmax=1mm/minA.切削力計算 查參考文獻[1]可得知，橫向進給量為縱向的 1/2～1/3,取 1/2,則切削力約為縱向的 1/2F =(1/2)×152.76=76.38kgf=763.8N （3-z1）在切斷工件時：F =0.5F =0.50×76.38=38.19kgf=381.9N （3-zz2）B.滾珠絲杠設計計算a.強度計算對于燕尾型導軌：P=KFy+f＇(Fz+W) （3-3）取 K=1.4 f＇=0.2則P=1.4×38.19+0.2×（76.38+30）=74.74kgf=747.4N （3-4）壽命值5L = = =13.5 （3-i610Tin6150?5）最大動負載Q= = ×1.2×1×74.74=213.55kgf=2135.5N （3-iL35.6）根據(jù)最大動負荷 Q 的值，可選擇滾珠絲杠的型號。查參考文獻[2]可知，選用型號為 WL2004-2.5X1B 左，其額定動負荷為 6100N，所以強度足夠用。b.效率計算螺旋升角 γ=3°39′，摩擦角 ψ=10′則傳動效率η= = =0.956 （3-)(???tg)1038(???t　g7）c.剛度驗算滾珠絲杠受工作負載 P 引起的導程的變化量ΔL = = = 5.96×10-6cm （3-1EFL0?26719.0.214.347??8）滾珠絲杠受扭矩引起的導程變化量 ΔL 2很小，可忽略，即：ΔL=ΔL 。所以，1導程變形總誤差為Δ= ΔL= ×5.96×10-6=14.9μm/m （3-oL104.9）查表知 E 級精度絲杠允許的螺距誤差 1m 長為 15μm/m，故剛度足夠。d.穩(wěn)定性驗算由于選用滾珠絲杠的直徑與原絲杠直徑相同，而支承方式由原來的一端固定、一端懸空，變?yōu)橐欢斯潭?，一端徑向支承，所以穩(wěn)定性增強，故不用驗算。C.齒輪及轉矩有關計算a.有關齒輪計算傳動比 i= = （3-poL??36067.1350.47??10）故取 Z =18 Z =3012m=2mm b=20mm α=20°CA6140 型車床的經(jīng)濟型數(shù)控改造設計(橫向)6d =36mm d =60mm 12d =40mm d =64mmaaa=48mmb.轉動慣量計算工作臺質量折算到電機軸上的轉動慣量JI=（ ） 2W=（ ） 2×30×0.01=0.0439kgf cm2（3-???p18075.01438?·11）絲杠轉動慣量JS=7.8×10-4×24×50=0.624kgf cm2 （3-·12）齒輪的轉動慣量J =7.8×10-4×3.64×2=0.262kgf cm2 （3-1z ·13）J =7.8×10-4×64×2=2.022kgf cm2 （3-2z14）電機轉動慣量很小可忽略，因此，總的轉動慣量J= ????0439.26.0.624.531122 ???????????IZSJJi=1.258kgf cm2 （3-·15）c．所需轉動力矩計算n = = =41607r/min （3-maxoLi?43510?16）M = N m=2.23kgf cm （3-max 2184.0025.697418106.944a ??????TiJ ··17）（3-min/7.341.3.1 rDLfifnoot ????主18）7m=0.1775kgf cm （3-NMat 0174.025.6917384????··19）= （3-iLFof?? mNckgfif　W·028.·287.05.1432. ???20）（3-????·01.c·kgf16.09.58.014369.1i6M22oYo ?????20）（3-mNckgfiLFoYt ·179.0·2.58.014329. ???22）所以，快速空載啟動所需轉矩（3-cckgfMofa ·3.26·63.21.0287.3mx ??????23）切削時所需力矩：cm·N04.2c·kgf40.28.16.0287.14.0tofat ???????（3-24）快速進給時所需力矩：（3-cmNckgfMof ·03.4·403.16.287.0????25）從以上計算可知：最大轉矩發(fā)生在快速啟動時， =2.633kgf cm=26.33N cmaxM·3.1.3 步進電機的選擇C6140 橫向進給系統(tǒng)步進電機的確定（3-cmNMLoq ·285.64.0132.???26）電動機選用三相六拍工作方式，查參考文獻[1]表 7-2 知：（3-86.0?imq27）所以，步進電機最大靜轉矩 為：iMCA6140 型車床的經(jīng)濟型數(shù)控改造設計(橫向)8（3-28）cmNMqim·01.768.256.0??步進電機最高工作頻率（3-Hzfp3.05.1axma???29）為了便于設計和計算，選用 110BF003 型三相六拍步進電機，能滿足使用要求。3.2 數(shù)控車床的傳動裝置設計數(shù)控機床的傳動裝置是指將電動機的旋轉運動變?yōu)楣ぷ髋_的直線運動的整個機械傳動鏈及其附屬機構。包括絲杠螺母副、導軌、工作臺等。在數(shù)控機床數(shù)字調節(jié)技術領域，傳動裝置是伺服系統(tǒng)中的一個重要環(huán)節(jié)。因此，數(shù)控車床的傳動裝置與普通車床中傳動裝置在概念上有重要差別，它的設計與普通車床傳動裝置的設計不同。數(shù)控車床傳動裝置的設計要求除了具有較高的定位精度之外，還應具有良好的動態(tài)特性，即系統(tǒng)跟蹤指令信號的響應要快，穩(wěn)定性要好。為確保數(shù)控車床進給系統(tǒng)的傳動精度和工作穩(wěn)定性，在設計機械傳動裝置時，通常提出了無間隙、低摩擦、高剛度等要求。為了達到這些要求，采取主要措施如下：a．盡量采用低摩擦的傳動，以減少摩擦力；b．鏈以及用預緊的辦法提高傳動系統(tǒng)的剛度；c．量消除傳動間隙，減少反向死區(qū)誤差。3.2.1 螺旋傳動A．概述螺旋傳動主要用來把旋轉運動變?yōu)橹本€運動，或把直線運動變?yōu)樾D運動。其中，有以傳遞能量為主的傳力螺旋，有以傳遞運動為主，并要求有較高傳動精度的傳動螺旋，還有調整零件相互位置的調整螺旋。螺旋傳動機構又有滑動絲杠螺母、滾珠絲杠螺母和液壓絲杠螺母機構。在經(jīng)濟型數(shù)控車床的進給系統(tǒng)中，螺旋傳動主要用來實現(xiàn)精密進給運動，并廣泛采用滾珠絲杠副傳動機構。滾珠絲杠副傳動是在具有螺旋滾道的絲杠和螺母間放入適當數(shù)量的滾珠。這些滾珠作為中間傳動件，使螺桿和螺母之間的摩擦由滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦的一種傳動裝置。它由絲杠、螺母、滾珠及滾珠循環(huán)返回裝置等四個部分組成。當螺桿轉動螺母移動時，滾珠則沿螺桿螺旋滾道面滾動，在螺桿上滾動數(shù)圈后，滾珠從滾道的一端滾出并沿返回裝置返回另一端，重新進入滾道，從而構成閉和回路。B．滾珠絲杠副傳動的特點a．傳動效率高，摩擦損失小。b．給予適當預緊，可消除絲杠和螺母的螺紋間隙，反向時就可以消除空程死區(qū)，9定位精度高，剛度好。c．啟動力矩小，運動平穩(wěn)，無爬行現(xiàn)象，傳動精度高，同步性好。d．有可逆性，可以從旋轉運動轉換為直線運動，也可以從直線運動轉換為旋轉運動，即絲杠和螺母都可以作為主動件。e．磨損小，使用壽命長，精度保持性好。f．制造工藝復雜。滾珠絲杠和螺母等元件的加工精度要求高，表面粗糙度值別別小，故制造成本高。g．不能自鎖。特別是對于垂直絲杠，由于中立的作用，下降時當傳動切斷后，不能立刻停止運動，所以需要添加制動裝置。C．滾珠絲杠副的支承方式為了滿足高精度、高剛度進給系統(tǒng)的需要，必須充分重視滾珠絲杠副支承的設計。a．一端固定 一端自由a) 絲杠的靜態(tài)穩(wěn)定性和動態(tài)穩(wěn)定性都很低。b) 結構簡單c) 軸向剛度小d) 適用于較短的滾珠絲杠安裝和垂直的滾珠絲杠安裝b．兩端鉸支a) 結構簡單b) 軸向剛度小c) 適用于對剛度和位移精度要求不高的滾珠絲杠安裝d) 對絲杠的熱伸長較敏感e) 適用于中等回轉速度c．一端固定 一端鉸支a) 絲杠的靜態(tài)穩(wěn)定性和動態(tài)穩(wěn)定性都較高，適用于中等回轉速度b) 結構稍復雜c) 軸向剛度大d) 適用于對剛度和位移精度要求較高的滾珠絲杠安裝e) 推力球軸承應安置在離熱源（步進電機）較遠的一端d．兩端固定a) 絲杠的靜態(tài)穩(wěn)定性和動態(tài)穩(wěn)定性最高，適用于高速回轉b) 結構復雜，兩端軸承均調整預緊，絲杠的溫度變形可轉化為推力軸承的預緊力c) 軸向剛度最大d) 適用于對剛度和位移精度要求高的滾珠絲杠安裝e) 適用于較長的絲杠安裝綜上所述，本設計中滾珠絲杠副支承方式由原來的一端固定、一端懸空，變?yōu)橐欢斯潭?，一端徑向支承。CA6140 型車床的經(jīng)濟型數(shù)控改造設計(橫向)10D．滾珠絲杠副軸向間隙的調整滾珠絲杠的傳動間隙是軸向間隙。為了保證反向傳動精度和軸向剛度，必須消除軸向間隙。消除間隙的方法采用雙螺母結構，利用兩個螺母的相對軸向位移，使兩個滾珠螺母中的滾珠分別貼緊在螺旋滾道的兩個相反的側面上。用這種方法預緊消除軸向間隙時，應注意預緊力不宜過大，預緊力大會使空載力矩增加，從而降低傳動效率，縮短使用壽命。此外，還要消除絲杠安裝部分和驅動部分的間隙。3.2.2 軸的結構設計A．軸 CAJJX6140-02-04 的結構設計由前面滾珠絲杠副的設計可知：滾珠絲杠的直徑為 20mm。由于絲杠與軸CAJJX6140-02-04 通過聯(lián)接套聯(lián)接，考慮到軸的加工方便性和整體的連貫性，軸CAJJX6140-02-04 的軸身部分直徑與滾珠絲杠的直徑相同，均為 φ20mm，其長度根據(jù)原車床實際需要的尺寸而定，軸頸部分直徑為 17mm。圖 3-1 軸 CAJJX6140-02-04B．軸 CAJJX6140-02-08 的結構設計考慮與軸承內經(jīng)的配合，所以該軸兩端支承部分直徑為 17mm。由于該軸需與法蘭盤聯(lián)接，而且該軸相對較長，因此在設計時為了方便安裝，降低裝配難度，將軸身部分增加一個軸肩，直徑適當減小，使其有一過渡，軸身直徑為 15mm。因為該軸的右端還需安裝一個透蓋，用雙螺母對其緊固。軸與透蓋用一鍵使其周向固定。查參考文獻[3]可知，根據(jù)軸的直徑選用型號為 GB/T1098-1979 的鍵，鍵槽寬度為3mm，深度為 3.8mm。11圖 3-2 軸 CAJJX6140-02-083.2.3 透蓋的結構設計透蓋的內徑和長度由與之配合的軸 CAJJX6140-02-08 的直徑和長度決定，所以透蓋的直徑為 16mm,長 33mm。因為選用型號為 GB/T1098-1979 的鍵，查參考文獻[3]可知，轂 t1=1.4mm，上偏差為+0.1，下偏差為 0。外圓的直徑由法蘭盤的直徑?jīng)Q定，為 96mm。圖 3-3 透蓋 CAJJX6140-02-013.2.4 螺母座的結構設計螺母座的長度根據(jù)滾珠螺母的長度而定。螺母座與滾珠螺母通過鍵進行軸向固定，查參考文獻[4]可知，該鍵型號選用 GB/T1096-1979，4×4×30。滾珠絲杠副通過螺母座帶動工作臺移動，因此螺母座通過螺釘與工作臺聯(lián)接。查參考文獻[4]可知，螺釘型號選用 GB/T70-1985。CA6140 型車床的經(jīng)濟型數(shù)控改造設計(橫向)12圖 3-4 螺母座 CAJJX6140-02-073.3 自動轉位刀架的設計自動轉位刀架的設計是普通機床數(shù)控改造機械方面的關鍵。在進行普通車床的經(jīng)濟型數(shù)控改造時，多采用外購自動轉位刀架。由微機控制的自動轉位刀架具有重復定位精度高,工件剛性好,性能可靠,使用壽命長以及工藝性好等特點。自動轉位刀架設計時,刀架要能自動完成抬起、回轉、選位、下降、定位和壓緊,即要設計出合理的機構又要檢測出個順序動作的電信號,以便由控制系統(tǒng)加以控制。刀架的回轉常采用微電機通過蝸輪蝸桿使刀架抬到一定高度時,由撥塊帶動刀架轉動。刀架的選位由刀架位置的編碼和微機程序來實現(xiàn)。這里選用的是 LD4-1 型自動刀架，其工作原理是由微機發(fā)出換刀信號,使微電機正轉,通過減速機構和升降機構將上刀體升至一定位置時,離合轉盤起作用,帶動上刀體旋轉,旋轉到所選刀位,發(fā)信盤發(fā)出刀位信號,使微電機反轉,反靠初定位,上刀體下降,齒牙盤嚙合，完成精定位，并通過蝸輪蝸桿，鎖緊螺母，使刀架固緊。當夾緊力達到預先調好的狀態(tài)時，過流繼電器動作，切斷電源，電機停轉，并向微13機發(fā)出回答信號，開始執(zhí)行下道工序。刀架的動作順序簡明地表示為：微電機——減速機構——升降機構——上刀體上升轉位——信號符合——粗定位機構——上刀體下降——精定位——刀體鎖緊——微電機停轉——換刀回答信號——加工順序執(zhí)行。CA6140 型車床的經(jīng)濟型數(shù)控改造設計(橫向)144 微機數(shù)控系統(tǒng)設計4.1 概述數(shù)控機械的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)一般用步進電機作為執(zhí)行驅動元件，因此又稱為開換步進控制系統(tǒng)。由于這種系統(tǒng)不使用位置、速度檢測和反饋裝置，沒有閉環(huán)控制系統(tǒng)中的穩(wěn)定性問題，因此具有結構簡單、使用維護方便、可靠性高、制造成本低等一系列優(yōu)點，適用于精度要求不太高的中小型數(shù)控設備。開環(huán)系統(tǒng)主要由脈沖分配器、驅動電源、步進電機組成。步進電機是一種多相脈沖電機，它的各相繞組必須按一定的規(guī)律輪流供電，步進電機才能按一定的方向旋轉。為實現(xiàn)步進電機各繞組間有規(guī)律輪流供電，可以采用硬件邏輯來實現(xiàn)，也可以用計算機軟件來實現(xiàn)。單片機通過運算不斷地向步進電機發(fā)出脈沖分配信號，這樣就使步進電機朝一個方向不斷轉動。單片機發(fā)出的脈沖速度快，步進電機也轉得快，單片機發(fā)出的脈沖速度慢，步進電機也轉得慢，這樣單片機就可以通過改變輸出脈沖的速度來改變步進電機的速度。單片機還可以通過改變脈沖分配的順序來改變電機的轉動方向。再通過機械傳動使電機的轉向、轉速、轉角變?yōu)楣ぷ髋_的進退、移動速度和位移量。單片機就是這樣通過步進電機驅動系統(tǒng)來控制工作臺運動的。由于單片機脈沖輸出的脈沖功率很小，不足以推動步進電機，因而必須有一個把脈沖信號放大到足以推動步進電機轉動的放大器，這就是步進電機驅動電源。由于步進電機是一個電感性負載，電流的上升率受電感大小的影響而在高頻運行時扭矩將有較大的下降。所以在設計驅動電源時必須采取適當?shù)拇胧﹣硖岣唠娏鞯纳仙室员ＷC運行時有足夠的扭矩。由此可見步進電機和步進電機驅動電源的性能好壞將對開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的性能起很重要的作用。CPU I/O 接口 光電隔 離 功率放 大 步進電 機RAMROM外 設鍵盤、顯示器圖 4-1 數(shù)控系統(tǒng)結構框圖4.2 數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路設計15任何一個數(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，其性能的好壞直接影響整個系統(tǒng)的工作性能。有了硬件，軟件才能有效的運行。機床數(shù)控系統(tǒng)硬件電路概括起來由 CPU、總線、存儲器以及 I/O 接口四部分組成。其中CPU 是數(shù)控系統(tǒng)的核心，作用是進行數(shù)據(jù)運算處理和控制各部分電路協(xié)調工作。存儲器用于存放系統(tǒng)軟件，應用程序和運行中所需要的各種數(shù)據(jù)。I/O 接口是系統(tǒng)與外界進行信息交換的橋梁?？偩€則是 CPU 與存儲器、接口以及其它轉換電路聯(lián)接的紐帶，是 CPU 與部分電路進行信息交換和通訊的必由之路。4.2.1 微機機型和擴展存儲器的選擇確定微機機型就是選擇 CPU。單片機價格低、可靠性較高，適用于控制，選擇單片機做控制器比較合適。根據(jù)總體方案的確定，微機采用 MCS-51 系列單片機。51 系列有三種型號：8031 是無 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。本設計就采用 8031 單片機。8031 單片機是美國 Intel 公司的產(chǎn)品 MCS—51 系列單片機的一個型號，是目前性能較高的 8 位單片微型計算機。8031 單片機內部包含一個 8 位 CPU，128 字節(jié)的RAM，兩個 16 位定時器，四個八位并行口，一個全功能串行口，可擴展的外部程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器的容量為 64K 字節(jié)，具有 5 個中斷源并配有兩個優(yōu)先級，還有 21 個特殊功能寄存器。所以 8031 單片機是一種理想的 8 位微型計算機，在各種數(shù)控系統(tǒng)中的到廣泛的應用。8031 單片機是一個有 40 根引腳的雙列直插式器件。P0 口：8 位雙向 I/O 口，既是數(shù)據(jù)線，又是低 8 位地址線，分時使用；P1 口：8 位雙向 I/O 口，可供用戶使用的接口；P2 口：8 位雙向 I/O 口，系統(tǒng)外部存儲器擴展時，作高 8 位地址線使用，系統(tǒng)不需要擴展時，也可以供用戶使用；P3 口：8 位雙向 I/O 口，是一個雙功能口。ALE/PROG：訪問外部存儲器時，用于鎖存地址線低 8 位字節(jié)的地址鎖存允許輸出。ALE 提供一個定時信號，在與外部存儲器存取數(shù)據(jù)時把 P0 口的低位地址字節(jié)鎖存到外接的鎖存器中。這個引腳也是 EPROM 編程時的編程脈沖輸入端（PROG） 。EA/VDD：EA 為高電平時，CPU 執(zhí)行內部程序存儲器的指令。EA 為低電平時CPU 執(zhí)行外部程序存儲器指令。使用 8031 單片機時，EA 必須接地。8031 單片機內只有 128 字節(jié)的 RAM，沒有 ROM。機床數(shù)控系統(tǒng)需要的程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器的容量都較大，必須外接程序存儲器（EPROM）和數(shù)據(jù)存儲器（RAM）芯片。A．程序存儲器的擴展a．選用 27128 芯片常用的 EPROM 存儲器有 2716，2732，2764，27128，27256 等，容量分別為CA6140 型車床的經(jīng)濟型數(shù)控改造設計(橫向)162K、4K、8K、16K，32K。由于車床數(shù)控系統(tǒng)包括系統(tǒng)控制程序和加工程序，采用16KB×8 的 27128 芯片，可與單片機所選的 12MHz 時鐘相匹配。27128EPROM 芯片是一個有 28 根引腳的雙列直插式集成元件。該芯片共有 14 根地址線 A0～A13，8 根數(shù)據(jù)線 D0～D7，其余的為控制線。27128 低八位地址線和 74LS373 的輸出端連接,高六位地址線直接與 8031 的P2.0～P2.5 連接。它的八位數(shù)據(jù)線直接與 8031 的 P0 口連接。ROM 的尋址范圍為 0000H～3FFFH，并且采用譯碼器，使地址范圍無重疊區(qū)。b．地址鎖存器 74LS373單片機規(guī)定 P0 口提供低 8 位地址線，同時又要作為數(shù)據(jù)線，所以 P0 是一個分時輸出低 8 位地址和數(shù)據(jù)的通道口。為了把地址信息分離出來保存，提供外接存儲器的低 8 位地址信息，通常采用 74LS373 作為地址鎖存器。除 74LS373 外，74LS273、8282、8212 等芯片也可用作地址鎖存器，使用時接法稍有不同，由于接線稍繁，多用硬件和價格稍貴，故不如 74LS373 用得普遍。74LS373 作為地址鎖存器。D1～D8 是輸入端，Q1 ～Q8 是輸出端，CE 是片選端，片選端 G 與 8031 單片機的地址鎖存信號 ALE 連接。當片選端 G=1 時，74LS373 的輸出端與輸入端相通，當 G 端從高電平返回低電平（下降沿）時，輸入的地址信息就被鎖入 Q1～Q8 中。B．數(shù)據(jù)存儲器的擴展a．選用 62256 芯片數(shù)據(jù)存儲器選用 32K×8 位的 62256 芯片，其地址范圍為 6000H～7FFFH，它的22 腳當 CS 為高，自己也在高電平時，具有自動提供刷新 RFSH 的功能。也采用譯碼器，使其無重疊區(qū)的地址范圍。b．地址譯碼器 74LS138外部芯片都通過總線與單片機連接，單片機數(shù)據(jù)總線分時地與各個外部芯片進行數(shù)據(jù)傳送，故需進行片選控制。若芯片內有多個地址單元時，還要進行片內地址選擇。8031 單片機應用系統(tǒng)的地址譯碼規(guī)定，外部擴展芯片與數(shù)據(jù)存儲器統(tǒng)一編址，所以外部芯片不僅占用數(shù)據(jù)存儲器一定數(shù)量的地址單元，而且要使用讀/寫信號與讀/寫指令完成數(shù)據(jù)傳送。經(jīng)濟型數(shù)控硬件結構中采用全地址譯碼方式。所謂全地址譯碼是：低位地址作為片內地址，高位地址用譯碼器譯碼，譯碼器輸出的地址選擇信號作為片選線連至每個外部芯片的片選端。地址譯碼常用 74LS138 譯碼器，G1、G2A 和 G2B 是賦能端，A、B、C 是選擇端，Y0～Y7 是輸出端。74LS138 地址譯碼電路輸入端出占用了 8031 單片機的 P2.5～P2.7 三根高位地址線，剩余的 13 根地址線用作數(shù)據(jù)存儲器的內地址線。74LS138 譯碼器每一個輸出端可接一個外部芯片的片選端實現(xiàn)分時片選控制，因此，一個 74LS138 譯碼器的 8根輸出端可以連接 8 個 8K 字節(jié)地址空間。單片機的讀/寫信號經(jīng)過與門后控制譯碼器的賦能端 G2A、G2B，這就保證只有在讀/寫狀態(tài)時譯碼器輸出端才會輸出片選。174.2.2 確定 I/O 接口8031 只有 P1 口可作為普通 I/O 口用，所以需擴展。鍵盤需要 32 個鍵，采用矩陣式鍵盤，需 12 個 I/O 口；顯示器采用 6 個 LED，需 6 個 I/O 接口；兩個三相步進電機，采用軟件環(huán)行分配器，需 6 個；刀架需 4 個；緊急停需 1 個。采用一片 8279芯片和一片 8255A 即可。鍵盤/顯示器接口采用 8279 芯片，因為 8279 芯片是專用的鍵盤 /顯示器接口芯片，還可以編程。8279 芯片具有消顫（去抖動） 、雙鍵同時按下保護功能。顯示控制亦按掃描方式工作，可以顯示 8 或 16 個數(shù)碼（字符） 。LED 的個數(shù)應滿足顯示值的要求和便于顯示。8279 與單片機 8031 的連接無特殊要求，除數(shù)據(jù)線、RESET、WR、RD 直接連接外，CS 與 74LS138 譯碼器輸出線 Y1 相連；8279 的 IRQ 經(jīng)反相器與 8031 的中斷請求輸人線 INT1 相連；時鐘輸人端 CLK 與 8031 的地址鎖存控制端 ALE 相連。8279 鍵盤最大可配置 8×8 個鍵，實際用了 32 個鍵。掃描線信號為 SL0～SL2，經(jīng)74LS138 譯碼器輸出的 4 個列選信號，接入鍵盤列線。鍵盤行查詢用了 RL0～RL7的 8 根回饋線，接人鍵盤行線。8279 配置的 8 位共陰極 LED 顯示器，其字位線由掃描線 SL0～ SL2 經(jīng)譯碼器、驅動器提供，字段線由OUTA0～OUTBA3、OUTB0～OUTB3 通過驅動器提供。8255A 的內部結構可分為四個部分：a.數(shù)據(jù)總線緩沖器 是一個 8 位的雙向三態(tài)驅動器，用于與單片機的數(shù)據(jù)總線相連。b.讀/寫控制邏輯 根據(jù)單片機的地址信息（A1、A0）與控制信息（RD、WR、RE、SET） ，控制片內數(shù)據(jù)、CPU 控制字、外設狀態(tài)信息的傳送。 c.控制電路 根據(jù) CPU 送來的控制字使所管 I/O 接口按一定工作方式工作。對C 口甚至可按位實現(xiàn)“置位”或“復位” 。d.并行 I/O 接口 有 A、B、C 三個端口。A 口：可編程為 8 位輸入，或 8 位輸出，或雙向傳送。B 口：可編程為 8 位輸入，或 8 位輸出，按不能雙向傳送。C 口：可分為兩個 4 位口，用于輸入或輸出；也可用作 A 口、B 口的狀態(tài)控制信號。8255A 的 D0～D7 依次與 8031 的 P0.0～P0.7 連接；RD 、WR 、RESET 與 8031的同名引腳相連；A0、A1 兩跟地址線與鎖存器 74LS373 輸出的最低 2 位連接。自單片機接受地址信息、控制信息，在數(shù)據(jù)總線與端口間傳送數(shù)據(jù)、狀態(tài)控制信號，也自數(shù)據(jù)總線接受控制字。4.2.3 鍵盤接口設計首先判斷鍵盤上有無鍵閉合，先送 8255 的 PA 口一個數(shù)據(jù)為 00H，使列線PA0～PA7 的電平均為 0，然后讀 PB 口的 PB0～PB2 的狀況；若不全為“1” ，則有鍵CA6140 型車床的經(jīng)濟型數(shù)控改造設計(橫向)18閉合，此時延時 10ms 去掉抖動后再判斷有無鍵閉合。如無則繼續(xù)掃描，如有則判斷按下的鍵號。如確定有鍵按下時，便開始計算鍵值。當采用 8 行 4 列的鍵盤時，定義第一行的鍵為 00H～03H，定義第二行鍵的鍵值為 04H～ 07H，依次類推。首先判斷是哪一行有鍵閉合，若第一行有鍵閉合，設置初值為 00H，若第二行有鍵閉合，則設置初值為 04H，依次類推。接著對列線進行掃描以判斷是哪一列閉合。方法上使 PA0對應的列線輸出低電平，其余均為高電平，判斷一下是否第一列有鍵閉合，如有則列計數(shù)為 00H，與初值相加則為鍵值，也即是鍵盤的鍵號，如無則把低電平移到第二列上再判斷，直到四列線全判斷完畢，找出列線為止。然后計算鍵值，最后可根據(jù)鍵號跳轉到相應的鍵功能程序的入口。0→列掃描線KEY有鍵按下？延時 10ms有鍵按下？計算行值掃描各列鍵盤線求出列值計算鍵值轉各鍵功能功能1功能2功能3功能32…………圖 4-2 鍵盤程序框圖4.2.4 顯示電路設計數(shù)碼顯示器是單片機應用產(chǎn)品中的廉價輸出設備。它由若干個發(fā)光二極管組成19的。當發(fā)光二極管導通時，相應的一個點或一個筆畫發(fā)亮?？刂撇煌M合的二極管導通，就能顯示出各種字符。發(fā)光二極管的陽極連在一起的稱為共陽極顯示器，陰極連在一起的稱為共陰極顯示器。這種筆畫式的七段顯示器，能顯示的字符數(shù)量較少，但控制簡單，使用方便。動態(tài)顯示是一位一位地輪流點亮各位顯示器（掃描） 。對于每一位顯示器來說，每隔一段時間點亮一次。顯示器的亮度既與導通電流有關，也和點亮時間與間隔時間的比例有關。調整電流和時間參數(shù)，可實現(xiàn)亮度較高較穩(wěn)定的顯示。若顯示的為數(shù)不大于 8 位，則控制顯示器公共極電位只需一個 8 位并行口（稱為掃描口） ?？刂聘鱾€顯示器所顯示的字形也需一個公用的 8 位口（稱為數(shù)據(jù)口） 。在 8031RAM 中設置 6 個顯示緩沖單元 79H～7EH，分別存放 6 位顯示器的顯示數(shù)據(jù)。8255 的 A 口掃描總是一位為高電平，即 6 位顯示器中僅有一位公共陰極為低電平，其它為高電平。8255 的 B 口輸出相應位（陰極為低）顯示數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)段，使某一位顯示出一個字符，其它位為暗。依次地改變 A 口輸出為高的位，B 口輸出對應的段數(shù)據(jù)，6 位顯示器就顯示出緩沖器顯示數(shù)據(jù)所確定的字符。4.3 軟件設計車床數(shù)控系統(tǒng)設計與應用工作中，軟件設計是一個重要方面。實際上，軟件設計與硬件設計工作是不可分割的，二者必須結合進行。軟件設計工作，按其功能可分二類：一類是執(zhí)行軟件，它能完成各種實質性的功能；另一類是監(jiān)控（管理）軟件，它是控制微機系統(tǒng)按預定的操作方式運轉的程序。但執(zhí)行軟件和監(jiān)控軟件沒有明確的界限和固定的功能劃分。習慣上把鍵盤解釋程序作為監(jiān)控程序，其它任務都分散在特定功能的執(zhí)行程序中，并由監(jiān)控程序來調用必要的功能模塊，完成預定的任務。在進行軟件設計時，應從全局著眼，先將整個系統(tǒng)的任務按功能分成一個一個的模塊，并為每一個執(zhí)行模塊定義，然后設計出每一個具體模塊的程序，最后組成一個系統(tǒng)。不僅整個系統(tǒng)的程序結構可具有模塊化的特性，而且其模塊內部也可以分為小模塊。模塊特性對測試很有利，功能擴充也很方便。要增加新功能，只要增加新模塊就能實現(xiàn)，像搭積木一樣。因此，這樣的模塊程序設計方法，思路清晰，邏輯性強，柔性較大。CA6140 型車床的經(jīng)濟型數(shù)控改造設計(橫向)20數(shù)控系統(tǒng)加工程序 管理與操作模塊插補功能間隙補償步進電機控制速度控制環(huán)行分配管理模塊程序設計自動換刀程序設計鍵盤程序顯示程序鍵盤診斷中斷功能診斷圖 4-3 數(shù)控系統(tǒng)框圖4.3.1 插補原理及其程序設計A．概述經(jīng)濟型數(shù)控車床是用步進電機驅動執(zhí)行機構，使刀具相對工件沿著指定的路徑運動，切削零件的輪廓，并保證切削過程中的每一點的精度和表面粗糙度符合一定的要求。每一方向的進給運動是靠步進電機驅動拖板產(chǎn)生的，而步進電機的運動則是靠數(shù)字脈沖來控制的。一個脈沖能使拖板產(chǎn)生的位移量或最小增量，常用Δx、Δy 表示。因而，知道了平行于軸向的加工輪廓長度，就可換算成步進電機控制脈沖總數(shù)，從而完成零件加工。隨著計算機技術的發(fā)展，數(shù)控技術中采用的插補運算方法有多種多樣，常用的方法有如下幾種：a．數(shù)字乘法器b．逐點比較法c．數(shù)字積分法d．比較積分法e．矢量判別法f．最小偏差法這些插補方法各有其長處和短處，并且不斷發(fā)展和完善。其中，較為成熟并得到廣泛應用的是逐點比較法和數(shù)字積分法。B．逐點比較法直線插補方法及其程序設計逐點比較法的插補原理是：計算機在控制加工軌跡過程中，每當?shù)都猓ㄍ习澹┫蚰骋环较蛞苿右徊剑鸵M行一次偏差計算和偏差判斷，就是比較加工點同要求加工軌跡相應點的坐標之間的偏離程度，然后根據(jù)偏差的大小確定下一步的移動方21向，使刀尖始終緊靠要求的加工輪廓線運動，起到步步逼近的效果。這種插補方法的特點在于每控制刀尖移動一步時，都要完成四個工作節(jié)拍，即：a.偏差判別 判別刀具當前位置相對于給定輪廓的偏離情況，以此決定刀具移動方向；b.進給 根據(jù)偏差判別結果，控制刀具相對于工件輪廓進給一步，即向給定的輪廓靠攏，減少偏差；c.偏差計算 由于刀具進給已改變了位置，因此應計算出刀具當前位置的新差，為下次判別作準備；d.終點判斷 判別刀具是否已到達被加工輪廓線段的終點。若已到達終點，則停止插補；否則繼續(xù)插補。逐點比較法是我國數(shù)控裝置中經(jīng)常采用的一種插值運算方法，采用這種方法不僅可以加工直線輪廓，也可以加工圓弧曲線輪廓。其算法特點是：運算直觀，插補誤差小于一個脈沖量，輸出均勻，而且輸出脈沖的速度變化小，調節(jié)方便。表 4-1 直線插補偏差計算F≥0 F＜0線型進給 偏差計算 進給 偏差計算L1L3 +Δx－ΔxF＇=F-ye +Δy-ΔyF＇=F+xeL2L4 +Δy－ΔyF＇=F-xe -Δx+ΔxF=F+yea．設 PIO 端口為輸出狀態(tài)，其中 A 口控制 x 方向步進電機，B 口控制 y 方向電機，步進電機均為三相六拍。b．數(shù)據(jù)單元：設 xe 與 ye 均小于 128，2900H 單元放 x；2901H 單元放y；2801H為 x 向步進電機控制碼首址，2811H 為 y 向步進電機控制碼首址。c．控制狀態(tài)標志： 2820H 中，D0D2 分別為 xy 向步進電機轉停控制位，0 為停，為轉；D1D3 分別為 xy 向的正反轉控制位，0 為反轉，1 為正轉。d．加工各種線型都從原點（0，0）開始。CA6140 型車床的經(jīng)濟型數(shù)控改造設計(橫向)22開始初始化輸代碼置狀態(tài)標志F＞0？調環(huán)分進+X調環(huán)分進+Y調環(huán)分進+Y調環(huán)分進-X調環(huán)分進-X調環(huán)分進-Y調環(huán)分進-Y調環(huán)分進+XF=F-YEX=X+1F=F+XEY=Y+1F=F-XEY=Y+1F=F+YEX=X+1F=F-YEX=X+1F=F+XEY=Y+1F=F-XFY=Y+1F=F+YEX=X+1F＞0？ F＞0？ F＞0？L1? L2? L3? L1?NNN NNNN轉監(jiān)控N判終到？停 機NY Y YYY圖 4-4 直線插補程序框圖4.3.2 步進電機的控制及其程序設計步進電機也叫脈沖電機，是將電脈沖信號轉換成相應的角位移或線位移的電磁機械裝置，是一種輸出與輸入數(shù)字脈沖對應的增量驅動元件。當給步進電機一個電脈沖信號時，步進電機便轉動一個步距角。如按一定規(guī)律給步進電機一串連續(xù)電脈沖信號，步進電機便一步一步地連續(xù)旋轉。步進電機具有如下特點：a.位移量與輸入電脈沖數(shù)有嚴格的對應關系，步距誤差不會積累。b.穩(wěn)定運行時的轉速與控制脈沖的頻率有嚴格的對應關系。c.控制性能好，在一定的頻率下，能按控制脈沖的要求快速起、停和反轉。改變控制脈沖頻率，電動機的轉速就隨著變化，并可在很寬的范圍內平滑調節(jié)。d.控制系統(tǒng)簡單，工作可靠，成本低。但其控制精度受到步距腳的限制。23所以，步進電機廣泛用于數(shù)模轉換、速度控制和位置控制系統(tǒng)中，是開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的理想執(zhí)行元件。步進電機的控制主要由脈沖分配和驅動電路兩部分組成。步進電機脈沖控制任務主要有三點：一是控制電機的轉向，二是控制電機的轉速，三是控制電機的轉角（步數(shù)） ?？刂戚斔徒o電機的脈沖數(shù)就控制了電機相應的轉角數(shù)?？刂戚斔偷拿}沖頻率可以控制電機的轉速，控制電機的轉向必須控制輸送脈沖給電機繞組的順序分配，這種分配稱為環(huán)行分配。三相六拍的通電順序為：正轉：A —AB—B—BC—C—CA反轉：A —AC—C—CB—B—BA表 4-2 三相六拍步進電機通電方式的控制數(shù)學模型節(jié) 拍 控 制 模 型正 轉 反 轉通 電 相二進制 十六進制1 6 A 00000001 01H2 5 AB 00000011 03H3 4 B 00000010 02H4 3 BC 00000110 06H5 2 C 00000100 04H6 1 CA 00000101 05HA．步進電機運行控制程序設計只要給步進電機各相繞組按規(guī)定的控制模型輸出時序脈沖，步進電機就能按一定的方向轉動。在數(shù)控技術中，經(jīng)常要求步進電機工作時隨時改變運動方向，才能滿足機械加工的需要。步進電機運行控制程序設計的主要任務是：判斷運動方向，按順序送出控制脈沖，判斷所要送的脈沖是否送完。CA6140 型車床的經(jīng)濟型數(shù)控改造設計(橫向)24保護現(xiàn)場置步數(shù) N取控制碼正轉？輸出控制碼控制碼=00H正向控制碼首址延時 控制碼地址+1恢復現(xiàn)場返回步數(shù) N 完？反向控制碼首址NNNYYY圖 4-5 三相六拍步進電機控制程序框圖 B．步進電機的升降速控制及其程序設計步進電機變速控制程序設計的任務就是合理地確定延時參數(shù) t，使步進電機按照給定的速度規(guī)律運行。從加工效率的觀點而言，我們總是希望要求步進電機的運行速度盡可能快些，快速地達到控制終點。但由于受步進電機本身的特性限制，如果在速度較高的狀態(tài)啟、停及運行速度突變時，往往會出現(xiàn)失步現(xiàn)象，使步進電機不能正確地跟隨進給脈沖。究其原因，是步進電機的響應頻率 fs 比較低，而空載最高啟動頻率也有所限制。所謂空載最高啟動頻率是指電機空載時，轉子從靜止狀態(tài)不失步地與控制脈沖頻率相對應的工作狀態(tài)同步的最大控制脈沖頻率。當步進電機帶有負載時，它的啟動頻率要低于最高空載頻率。根據(jù)步進電機的矩頻特性可知，入口25啟動頻率越高啟動轉矩越小，帶負載的能力越差；當步進電機啟動后，進入穩(wěn)定時的工作頻率又遠大于啟動頻率。由此可見，一個靜止的步進電機，不可能一下子穩(wěn)定到較高的工作頻率，必須在啟動的瞬間采取加速的措施。一般來說，升頻的時間約為 0.1～1s 之間。反之，從高速運行，到停止也應該有減速的措施。為此，數(shù)控系統(tǒng)往往要求以某種最優(yōu)的方式控制進給脈沖的頻率，即要有自動升、降速控制的功能。a.設置突跳啟動頻率常數(shù)為 FA7C,放在 18H、19H 中。b.設置最高運行頻率常數(shù)為 FF80,放在 1AH、1BH 中。c.設級差為 1,放在 1CH 中。設每階脈沖數(shù)初始為 1,臨時高速時增為 3,放在 1DH 中,因升速區(qū)后繼續(xù)升速比比較困難,把每階脈沖數(shù)增為 3,有利于提高最高速度值。Y圖 4-6 自動升降速程序流程圖C．步進電機等加速度變速控制及程序設計a．等加速度運行分析描述了一個步進電機的等加速的運行過程。在圖中縱坐標是頻率 f，它是以步/s5AH,5BH←18H,19H4CH←1DH70H←1CH57H,58H=0?5AH,5BH≤18H,19H5AH,5BH+1→ 5AH,5BHRET5AH，5BH≥1AH，1BH5AH=FF4CH≤1DH 4CH←4CH+1（5AH，5BH）-1→5AH，5BH5AH→TH05BH→TL0NYCA6140 型車床的經(jīng)濟型數(shù)控改造設計(橫向)26為單位的，因此本質上也是速度。橫坐標是步數(shù)，其本質上也是位移距離。設步進電機以啟動頻率 f0 啟動后，以加速度 a 進行加速，經(jīng)過 H 步運行后達到f1，以后執(zhí)行勻速運行。行走一段時間后，則開始減速。從最高頻率 fH 開始，經(jīng)過S 步之后降至 f0 而停止。ffHf00 0 1 2 … H P P+1 P+SN圖 4-7 步進電機等加速度控制速度圖在數(shù)控技術的設計中，參數(shù) f0 、fH、H、 （P-H） 、S 都是已知的，需要求的參數(shù)是加速度 a,加速階段某時刻的步進周期及減速階段某時刻的步進周期和勻速階段的步進周期。a) 加速階段的參數(shù)求取對于一個線性加速過程，可表示為f=f0+at (4-1)式中 f—瞬時頻率f0—啟動頻率a—加速度t—加速時間當步進電機運行了 x 步，所對應的頻率為 fx，所用時間為 tx 時，根據(jù)運動學方程，則有x= f0tx+0.5at2x (4-2) 于是可得：（x=1,2, …，H ） (4-3)afftx020???相鄰兩個進給脈沖之間的時間間隔 Tx 為：(4-4)aaxfxftTx )1(22001 ???但式中仍含有未知參數(shù) a，所以必須求出 a。為此，把達到最高速度對應的頻率 fH和時間 tH 分別代入式，得方程組：27afHfttH020???解之得：(4-5)f20把式（4-5）代入式（4-4）得：20202020 ))(1)(f fxHfHfTHx ??????? ?????(x=1,2,…,H) （4-6）b) 勻速階段的參數(shù)求法步進電機達到最高運行頻率后勻速運行。此時的步進時間間隔為 Tx,有：（x=H,H+1,H+2,…P） （4-HhxfT1?7）c) 減速階段的參數(shù)求法設其加速度為-β，負號表示減速。則同上面的分析方法，有：（4-sfH20???8）在步進電機運行了 x 步（x=P,P+1,…P+S）是 4，對應的時間為 ，有：xt（4-?)(2pxftHx ???9）同理，在步進電機運行了 x-1 步時，對應的時間為 ，有：1?xt（4-?)(21??? pftHx10）式（4-9）與式（4-10）相減，得減速階段相鄰兩步的時間間隔 Tx 為：（4-?)(2)1(21 pxfpxftTHHxx ?????CA6140 型車床的經(jīng)濟型數(shù)控改造設計(橫向)2811）把式（4-8）代入式（4-11）得：202022 ))())(1(f fpxsfpxfsTHHx ??????? ???x=P,P+1,…,P+S （4-12）當 x=P 時， ，以后各步 x(x=P～P+S)間的步進時間間隔可用式（4-HpfT1?12）遞推出來。b．等加速度變速控制程序設計采用定時器中斷法延時，速度控制程序在進給一步后，把下一步的 Tx 值送入定時計數(shù)器時間常數(shù)寄存器，然后 CPU 進入等待中斷狀態(tài)或者處理其它事務，當定時計數(shù)器的延時時間一到，就向 CPU 發(fā)出中斷請求，CPU 接受中斷后立即響應，轉入脈沖分配的中斷服務子程序。29主程序設 T0 初值地址指針設頻率階梯計數(shù)器設階梯步長計數(shù)器轉向標志為 0？設置正轉模型地址設置定時器CPU 開中斷頻率階梯為 0？CPU 關中斷結 束設置反轉模型地址NNYY圖 4-8 等加速度變頻控制程序流程圖（主程序框圖）CA6140 型車床的經(jīng)濟型數(shù)控改造設計(橫向)30保護現(xiàn)場中斷服務程序輸出控制模型模型地址增 1模型結束？階梯步長為 0？是升頻賦升頻 T0 初值恢復現(xiàn)場返回恢復模型首址頻率階梯為 0？階梯步長賦值T0 初值地址更新賦降步 T0 初值YYYYNNN圖 4-9 等加速度變頻控制程序流程圖（中斷服務程序框圖）在編寫程序前有如下定約:a) 時器 T0 的初值寫在 EPROM 存儲區(qū)的同一頁中,上半頁為升頻時 T0 的初值,由小到大變化；下半頁是降頻時 T0 的初值，由大到小變化。b) 對 8031 單片機內部數(shù)據(jù)存儲區(qū)的一些單元進行定義，如表所示：表 4-3 正轉模型分配表內存字節(jié)地址 20H 21H 22H 23H 24H 25H 26H控制模型數(shù)據(jù) 01H 03H 02H 06H 04H 05H 00H31表 4-4 反轉模型分配表內存字節(jié)地址 27H 28H 29H 2AH 2BH 2CH 2DH控制模型地址 01H 05H 04H 06H 02H 03H 00H表 4-5 標志位定義表位 地 址 標 志 內 容 70H 運行方式：0 代表恒速，1 代表變速71H 變速方式：0 代表降速，1 代表升速72H 恒速轉向：0 代表正轉，1 代表反轉73H 升速轉向：0 代表正轉，1 代表反轉74H 降速轉向：0 代表正轉，1 代表反轉75H 程序結素標志：02 代表程序結素表 4-6 初值分配表字 節(jié) 地 址 存 儲 內 容1AH 頻率階梯步長計數(shù)器 R2 的值1BH 頻率階梯步長計數(shù)器 R3 的值1CH 恒速段步長低八位1DH 恒速段步長高八位1EH 恒速段 T0 初值低八位1FH 恒速段 T0 初值高八位4.3.3 間隙補償