CA6140型車(chē)床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造設(shè)計(jì)（橫向）,ca6140,車(chē)床,經(jīng)濟(jì)型,數(shù)控,改造,設(shè)計(jì),橫向 I 摘 要 針對(duì)現(xiàn)有常規(guī) CA6140 普遍車(chē)床的缺點(diǎn)提出數(shù)控改裝方案和單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高加 工精度和擴(kuò)大機(jī)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(shù)控化改造的設(shè)計(jì) 過(guò)程，較詳盡地介紹了 CA6140 機(jī)械改造部分的設(shè)計(jì)及數(shù)控系統(tǒng)部分的設(shè)計(jì)。采用以 8031 為 CPU 的控制系統(tǒng)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，由 I/O 接口輸出步進(jìn)脈沖，經(jīng)一級(jí)齒輪傳動(dòng)減速后， 帶動(dòng)滾動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)縱向、橫向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。 改造過(guò)程如下：（1）機(jī)械部分的改造，包括縱向進(jìn)給方向的改造和橫向進(jìn)給方向的 改造。主要包括對(duì)滾珠絲杠螺母副及反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算選擇及縱向、橫向機(jī)構(gòu)裝配圖 方案的制定。 （2）電氣控制部分的設(shè)計(jì)，主要包括 MCS-51 系列單片機(jī)及擴(kuò)展芯片的選用 和電氣控制圖的設(shè)計(jì)。 關(guān)鍵詞：數(shù)控，單片機(jī)，步進(jìn)電機(jī)，滾珠絲杠，改造 ABSTRACT III ABSTRACT To remedy the defects of ordinary lather C6140, a design of data processing system and its single chip microcomputer system program is put forward to raise the processing precision and extend the machine’s usage, and to improve production rate。 This paper presents the process of designing numerical control reform， and explicitly introduces the design of mechanical and numerical control system reforms。 We adopt control system which has 8031 as cpu to cope with the signal， and output the step pulse through the I/O interface。 After transmitting and slowing down by force 1 gear, the step pulses drive the leading screw to roll。 Thus achieve the vertical movement and the crosswise movement。 Reform process as follows:(1)The reformation of machine part, include to enter lengthways to the reformation of the direction with horizontal enter to direction of reformation. Mainly include to roll the ball screw shaft nut and the calculation choice of reaction stepping motor and the establishment of lengthways, horizontal organization assemble diagram project. (2)The reformation of electricity part, mainly include the choice of MCS-51 family single-chip and expand chip and the design of electric control chart. Key words : numerical control ,single-chip ,stepping motor , ball screw shaft ,reform ABSTRACT IV 目 錄 摘 要 .......................................................................................................... Ⅰ ABSTRACT（英文摘要） ............................................................................ Ⅱ 目 錄 .......................................................................................................... Ⅲ 第一章 前言 ................................................................................................. 1 第二章 總體方案設(shè)計(jì) .................................................................................. 2 2.1 機(jī)械部分改造 ................................................................................................. 2 2.2 數(shù)控系統(tǒng)部分設(shè)計(jì) ......................................................................................... 2 第三章 機(jī)械部分改造設(shè)計(jì) ........................................................................... 4 3.1 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算 ......................................................................... 4 3.1.1 橫 向 進(jìn) 給 系 統(tǒng) 的 設(shè) 計(jì) ................................................................ 4 3.1.2 橫 向 進(jìn) 給 系 統(tǒng) 的 設(shè) 計(jì) 計(jì) 算 ......................................................... 4 3.1.3 步 進(jìn) 電 機(jī) 的 選 擇 ........................................................................ 7 3.2 數(shù)控車(chē)床的傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì) ............................................................................. 7 3.2.1 螺 旋 傳 動(dòng) ................................................................................... 7 3.2.2 軸 的 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì) ........................................................................... 9 3.2.3 透 蓋 的 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì) ........................................................................ 10 3.2.4 螺 母 座 的 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì) .................................................................... 10 3.3 自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架的設(shè)計(jì) ..................................................................................... 11 第四章 微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) ........................................................................... 13 4.1 概述 ................................................................................................................. 13 4.2 數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì) ............................................................................. 13 4.2.1 微 機(jī) 機(jī) 型 和 擴(kuò) 展 存 儲(chǔ) 器 的 選 擇 ................................................. 14 4.2.2 確 定 I/O 接 口 ............................................................................ 15 4.2.3 鍵 盤(pán) 接 口 設(shè) 計(jì) ........................................................................... 16 4.2.4 顯 示 電 路 設(shè) 計(jì) ........................................................................... 17 4.3 軟件設(shè)計(jì) ......................................................................................................... 18 4.3.1 插 補(bǔ) 原 理 及 其 程 序 設(shè) 計(jì) ............................................................ 19 ABSTRACT V 4.3.2 步 進(jìn) 電 機(jī) 的 控 制 及 其 程 序 設(shè) 計(jì) ................................................. 21 4.3.3 間 隙 補(bǔ) 償 功 能 ........................................................................... 29 4.3.4 鍵 盤(pán) 的 診 斷 ............................................................................... 30 4.3.5 自 動(dòng) 換 刀 程 序 設(shè) 計(jì) .................................................................... 31 結(jié)論 ............................................................................................................. 33 參考文獻(xiàn) ...................................................................................................... 34 ABSTRACT 15 1 前言 國(guó)外利用數(shù)字計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制加工是從 40 年代開(kāi)始的。1952 年美國(guó)麻省 理工學(xué)院在一臺(tái)立式銑床上裝了一套試驗(yàn)性的數(shù)控系統(tǒng)，成功地實(shí)現(xiàn)同時(shí)控制 三軸的運(yùn)動(dòng)，它成了世界上第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床。此后，從 60 年代開(kāi)始，其他一 些工業(yè)國(guó)家如德國(guó)、日本等陸續(xù)地開(kāi)發(fā)生產(chǎn)及使用數(shù)控機(jī)床。1974 年微處理 機(jī)直接用于數(shù)控機(jī)床，進(jìn)一步促進(jìn)了數(shù)控機(jī)床的普及應(yīng)用和大力發(fā)展。隨著數(shù) 控機(jī)床的功能越來(lái)越完善，可靠性和性能越來(lái)越高，它在制造業(yè)中逐漸擔(dān)當(dāng)了 越來(lái)越重要的角色。 我國(guó)數(shù)控機(jī)床的研制是從 1958 年開(kāi)始的，經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展，直至 80 年代后引進(jìn)了日本、美國(guó)、西班牙等國(guó)數(shù)控伺服及伺服系統(tǒng)技術(shù)后，我國(guó)的數(shù) 控技術(shù)才有質(zhì)的飛躍，應(yīng)用面逐漸鋪開(kāi)，數(shù)控技術(shù)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(chǎng)需求變的越來(lái)越多樣化，多品種、中小批 量甚至單件生產(chǎn)占有相當(dāng)大的比重，普通機(jī)床已越來(lái)越不能滿足現(xiàn)代加工工藝 及提高勞動(dòng)生產(chǎn)率的要求。如果設(shè)備全部更新替換，不僅資金投入太大，成本 太高，而且原有設(shè)備的閑置又將造成極大的浪費(fèi)。如今科學(xué)技術(shù)發(fā)展很快，特 別是微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展更快，應(yīng)用到數(shù)控系統(tǒng)上，它既能提高機(jī) 床的自動(dòng)化程度，又能提高加工精度，所以最經(jīng)濟(jì)的辦法就是進(jìn)行普通機(jī)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(dòng)強(qiáng)度，縮短訂購(gòu)新的數(shù)控機(jī)床的交貨周期時(shí)間。實(shí)踐已經(jīng)證明 普通車(chē)床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造具有重大的實(shí)際價(jià)值，為此，在舊有車(chē)床上進(jìn)行數(shù) 控改造有著較好的市場(chǎng)前景。 本課題來(lái)源于生產(chǎn)實(shí)踐。將 CA6140 型普通車(chē)床改造成經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車(chē)床，應(yīng) 能實(shí) 現(xiàn) CA6140 車(chē)床原有功能，在機(jī)床的精度、性能等方面除保持原來(lái)狀況外還有所 提高。在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中滿足以下幾點(diǎn)要求： a．橫向（X 向） 進(jìn)給脈沖當(dāng)量為 0.005mm /脈沖； b．進(jìn)給速度范圍：向 3 ～ 1000mm/min （無(wú)級(jí)調(diào)速） 快進(jìn)速度：X 向 1000 ～ 3000mm/min 內(nèi)任意設(shè)定； c.原車(chē)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)予以保留，橫向進(jìn)給系統(tǒng)由微機(jī)實(shí)現(xiàn)開(kāi)環(huán)控制，兩 軸聯(lián)動(dòng)； d.刀架采用自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架，具有切削螺紋的功能； e.改造方便，成本低。 該設(shè)計(jì)的總體思路是采用以 8031 單片機(jī)為核心的數(shù)控裝置控制加工過(guò)程。 微機(jī)通過(guò) I/O 接口發(fā)出驅(qū)動(dòng)脈沖，經(jīng)過(guò)光電隔離進(jìn)入步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制線路， ABSTRACT 16 驅(qū)動(dòng)控制線路接受來(lái)自數(shù)控車(chē)床控制系統(tǒng)的進(jìn)給脈沖信號(hào)，并將該信號(hào)轉(zhuǎn)換為 控制步進(jìn)電機(jī)各定子繞組依次通電、斷電的信號(hào)，使步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī) 的轉(zhuǎn)子帶動(dòng)滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使工作臺(tái)產(chǎn)生移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)縱向、橫向的進(jìn)給運(yùn) 動(dòng)。由于步進(jìn)電機(jī)需要的驅(qū)動(dòng)電壓較高，電流較大，如果將 I/O 輸出信號(hào)直接 與功率放大器相連，將會(huì)引起強(qiáng)電干擾，輕則影響單片機(jī)程序運(yùn)行，重則導(dǎo)致 單片機(jī)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(shí) 現(xiàn)電氣隔離。 2 總體方案設(shè)計(jì) 由于該設(shè)計(jì)是經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造，在考慮具體方案時(shí)，應(yīng)遵守的基本原則是 在滿足使用要求的前提下，對(duì)機(jī)床的改動(dòng)盡可能少，以降低成本。 2.1 機(jī)械部分改造 橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的改造：拆掉原手動(dòng)刀架和小拖板，安裝上數(shù)控刀架；拆掉 普通絲桿、光桿進(jìn)給箱和溜板箱，換上滾珠絲杠螺母副；保留原手動(dòng)機(jī)構(gòu)，用 于調(diào)整操作，原有的支撐結(jié)構(gòu)也保留，采用一級(jí)齒輪減速，步進(jìn)電機(jī)、齒輪箱 體安裝在中拖板的后側(cè)。 2.2 數(shù)控系統(tǒng)部分設(shè)計(jì) 數(shù)控系統(tǒng)按運(yùn)動(dòng)方式分為點(diǎn)位控制系統(tǒng)、點(diǎn)位直線控制系統(tǒng)、連續(xù)(輪廓) 控制系統(tǒng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，CA6140 車(chē)床要加工復(fù)雜零件輪廓，其各坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng) 有著確定的函數(shù)關(guān)系。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)采用連續(xù)控制系統(tǒng)。 采用以步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的開(kāi)環(huán)控制。因?yàn)殚_(kāi)環(huán)控制具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)制造 容易、控制精度較好、容易調(diào)試、價(jià)格便宜、使用維修方便等優(yōu)點(diǎn)。開(kāi)環(huán)控制 多用于負(fù)載變化不大或要求不高的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控設(shè)備中。 采用簡(jiǎn)易數(shù)控裝置，以步進(jìn)電機(jī)為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)在微機(jī)控制下的自動(dòng)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(xiě)加工程序，通過(guò)數(shù)控裝置上的鍵盤(pán)輸入微機(jī)，微機(jī)在監(jiān)控程序的管理下 工作，并通過(guò)專(zhuān)用控制程序，把用戶加工程序轉(zhuǎn)化成一定頻率和數(shù)量的脈沖信 號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路放大后驅(qū)動(dòng)縱橫向二臺(tái)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)機(jī)械接口傳動(dòng)絲杠 實(shí)現(xiàn)刀架縱、橫兩個(gè)方向的頻率。自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架由單片機(jī)發(fā)出換刀轉(zhuǎn)位指令， 由自動(dòng)刀架驅(qū)動(dòng)電源驅(qū)動(dòng)三相電機(jī)使刀架松開(kāi)、抬起、旋轉(zhuǎn)后再自動(dòng)鎖緊而完 成轉(zhuǎn)位換刀過(guò)程。 該經(jīng)濟(jì)型微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件。微機(jī)通過(guò) I/O 接口發(fā) 出驅(qū)動(dòng)脈沖，經(jīng)過(guò)光電隔離進(jìn)入步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制線路，驅(qū)動(dòng)控制線路接受 來(lái)自數(shù)控車(chē)床控制系統(tǒng)的進(jìn)給脈沖信號(hào)，并將該信號(hào)轉(zhuǎn)換為控制步進(jìn)電機(jī)各定 子繞組依次通電、斷電的信號(hào)，使步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子帶動(dòng)滾珠絲 杠傳動(dòng)，絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)使工作臺(tái)產(chǎn)生移動(dòng)。 ABSTRACT 17 圖 2-1 CA6140 車(chē)床數(shù)控改造的總體方案示意圖 綜上所述，本設(shè)計(jì)改造的總體方案為：采用 MCS-51 單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算 處理，由 I/O 接口輸出步進(jìn)脈沖，步進(jìn)電機(jī)經(jīng)一級(jí)齒輪減速后，帶動(dòng)滾動(dòng)絲杠 轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)縱向、橫向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。數(shù)控改造后的車(chē)床不僅提高了原車(chē)床 的精度和自動(dòng)化程度，達(dá)到快速調(diào)整且仍能保持車(chē)床的通用性，而且提高了原 車(chē)床的功能，利用數(shù)控方法準(zhǔn)確地加工任意面的旋轉(zhuǎn)體。 光 電 隔 離 微 機(jī) 功 率 放 大 步進(jìn) 電 機(jī) 橫向工作臺(tái) x x ABSTRACT 18 3 機(jī)械部分改造設(shè)計(jì) 3.1 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算 3.1.1 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 步進(jìn)電機(jī)經(jīng)減速后驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠，使刀架橫向運(yùn)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)安裝在大拖 板上，用法蘭盤(pán)將步進(jìn)電機(jī)和機(jī)床大拖板連接起來(lái)，以保證同軸度，提高傳動(dòng) 精度。 3.1.2 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 已知條件： 工作臺(tái)重（根據(jù)圖紙粗略計(jì)算） W=30kgf=300N 時(shí)間常數(shù) T=25ms 滾珠絲杠基本導(dǎo)程 L=4mm 左旋 行程 S=230mm 脈沖當(dāng)量 =0.005mm/stepp? 步距角 =0.75 °/step? 快速進(jìn)給速度 νmax=1mm/min A.切削力計(jì)算 查參考文獻(xiàn)[1]可得知，橫向進(jìn)給量為縱向的 1/2～1/3,取 1/2,則切削力約 為縱向的 1/2 F =(1/2)×152.76=76.38kgf=763.8N z （3-1） 在切斷工件時(shí)： F =0.5F =0.50×76.38=38.19kgf=381.9N zz （3-2） B.滾珠絲杠設(shè)計(jì)計(jì)算 a.強(qiáng)度計(jì)算 對(duì)于燕尾型導(dǎo)軌： ABSTRACT 19 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 L = = =13.5 i610Tin6150? （3-5） 最大動(dòng)負(fù)載 Q= = ×1.2×1×74.74=213.55kgf=2135.5N iL35.1 （3-6）