CA6140車床的數(shù)控改造

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1、成都理工大學畢業(yè)設計（論文） CA6140車床數(shù)控改造之控制系統(tǒng)設計 內容摘要 本文主要是將傳統(tǒng)的CA6140車床的電氣控制系統(tǒng)改造成為數(shù)字控制的開環(huán)控制系統(tǒng)。改造后的系統(tǒng)是以MCS-51單片機系統(tǒng)為控制模塊，以步進電機為驅動執(zhí)行元件。實現(xiàn)X軸和Z軸的兩坐標聯(lián)動以及對刀具的自動選取。同時能夠進行直線和圓弧的插補；工件在一次安裝后，完成多道工序的加工，通過編寫不同的程序完成各種較為復雜零件的加工；改造后的CA6140車床提高了加工范圍和加工精度。 關鍵詞：CA6140車床、控制系統(tǒng)、數(shù)控改造  Abstract This paper mainly is tha

2、t the traditional CA6140 lathe electricity control system is Reformed the numerical control the open-loop control system. After the reform system is take the MCS-51 monolithic integrated circuit system as the control module, Take step-by-steps the electrical machinery as the actuation functional ele

3、ment. Realizes X axis and the Z axis two coordinates linkage as well as to the cutting tool automatic selection. At the same time can carry on the straight line and the circular arc inserts makes up; After installs the work piece Completes the multichannel working procedure the processing Completes

4、each kind of more complex components through the compilation different procedure the processing; Enhanced the processing scope and the processing precision compared to the traditional CA6140 lathe. Keywords: CA6140 lathe Control system Numerical control Reform 目 錄 前言 5 正文 10 1.總體改造方案構思

5、10 1.1 CA6140車床的用途 10 1.2 CA6140數(shù)控改造后的功能 10 1.3普通車床數(shù)控改造設計方案 10 1.3.1改造機械部分 10 1.3.2增加數(shù)控控制系統(tǒng) 10 1.4 CA6140車床的電氣控制系統(tǒng) 10 1.4.1電路分析 11 1.4.2控制電路分析 12 1.5數(shù)控系統(tǒng)的基本概念 13 １.５.１數(shù)控裝置的硬件結構 15 １.５.２數(shù)控裝置的軟件系統(tǒng) 16 １.５.３數(shù)控系統(tǒng)的I/O和通信接口 17 1.5.4 CNC系統(tǒng)接口電路的主要任務 18 2.CA6140車床數(shù)控化改造的具體實施方案 18 2.1系統(tǒng)硬件設計 20 2

6、.1.1 8031單片機 21 2.1.2程序存儲器 21 2.1.3數(shù)據(jù)存儲器 22 2.1.4地址鎖存器 22 2.1.5接口芯片 23 2.1.6譯碼器 23 2.2系統(tǒng)軟件設計 23 2.2.1進給伺服系統(tǒng)X軸與Z軸步進電機控制 24 2.2.2 自動刀架換刀控制 25 2.3 接口電路設計 29 3.步進電機的設計 30 3.1脈沖分配器PMM8713 30 3.2電壓-頻率變換器LM331 31 3.3驅動器系統(tǒng)電路 32 4.系統(tǒng)抗干擾和誤差分析 33 4.1系統(tǒng)的干擾信號 33 4.1系統(tǒng)誤差 33 5.總結 34 致謝 34 參考文獻 3

7、5 附件 36  前 言 當今世界，工業(yè)發(fā)達國家對機床工業(yè)高度重視，競相發(fā)展機電一體化、高精、高效、高自動化先進機床，以加速工業(yè)和國民經(jīng)濟的發(fā)展。目前普通機床已不適應這種多品種、小批量生產和快速反映的市場要求，數(shù)控機床則綜合了數(shù)控技術、自動檢測技術和微電子技術等先進技術，最適宜加工小批量、高精度、形狀復雜、生產周期要求短的零件。當變更加工對象時只需要更換零件相應的加工程序，不需要對機床作任何調整，因此既能很好地滿足產品頻繁變化的加工要求，又能降低機床升級改造成本、提高產品質量和生產效率，故而對普通機床進行數(shù)控化改造這一適合我國國情的技術正得到日益廣泛的應用。 長期以來，歐、美、亞在

8、國際市場上相互展開激烈競爭，已形成一條無形戰(zhàn)線，特別是隨微電子、計算機技術的進步，數(shù)控機床在二十世紀八十年代以后加速發(fā)展，各方用戶提出更多需求，早已成為四大國際機床展上各國機床制造商競相展示先進技術、爭奪用戶、擴大市場的焦點。 1948年美國空軍部門為制造飛機雜零件，提供設備研經(jīng)費，由G&L公司與MIT合作研究四年，于1952年試制出世界第一臺數(shù)控銑床，立即生產100臺交付軍工使用。在成果上顯示了它是社會需求、科技水平、人員素質三者的結晶；在技術上則顯示出機電一體化機床在控制方面的巨大創(chuàng)新。 數(shù)控機床具有以下三大突出的特點： 1利用二進制數(shù)學方式輸入，加工過程可任意編程，主軸及進給速度

9、可按加工工藝需要變化，且能實現(xiàn)多座標聯(lián)動，易加工雜曲面。對于加工對象具有“易變、多變、善變”的特點，換批調整方便，可實現(xiàn)雜件多品種中小批柔性生產，適應社會對產品多樣化的需求，但價格較昂貴。 2利用硬件和軟件相組合，能實現(xiàn)信息反饋、補償、自動加減速等功能，可進一步提高機床的加工精度、效率、自動化程度； 3是以電子控制為主的機電一體化機床，充分發(fā)揮了微電子、計算機技術特有的優(yōu)點，易于實現(xiàn)信息化、智能化、網(wǎng)絡化，可較易地組成各種先進制造系統(tǒng)，如FMS、FTL、FA，甚至將來的CIMS，能最大限度地提高工業(yè)的生產率、勞動生產率。 數(shù)控機床的發(fā)展條件主要包括： 1它是機、電、液、氣、光多學科

10、各種高科技的綜合性組合，特別是以電子、計算機等現(xiàn)代先進技術為基石，必須具有鞏固的技術基礎，互相配套，缺一不可。 2數(shù)控機床是由主機、各種元部件（功能部件）和數(shù)控系統(tǒng)三大部分組成，還需先進的自動化刀具配合，才能實現(xiàn)加工，各個環(huán)節(jié)在技術上、質量上必須切實過關，確保工作可靠、穩(wěn)定，才能保數(shù)控機床工作的精度、效率和自動化，否則，難以在生產實際中使用； 3它是社會需求、科技水平和人員素質三者的結合，缺一不成。如果人員素質差、科技水平達不到，則難以滿足社會需求。人是一切活動的主體，需要各種精通業(yè)務的專家、人才和熟練技術工人，互相配合，共同完成。 數(shù)控機床出現(xiàn)至今的50年，隨科技、特別是微電子、計算

11、機技術的進步而不斷發(fā)展。美、德、日三國是當今世上在數(shù)控機床科研、設計、制造和使用上，技術最先進、經(jīng)驗最多的國家。因其社會條件不同，各有特點。 美國的特點是，政府重視機床工業(yè)，特別講究“效率”和“創(chuàng)新”，注重基礎科研。因而在機床技術上不斷創(chuàng)新，如1952年研制出世界第一臺數(shù)控機床、1958年創(chuàng)制出加工中心、70年代初研制成FMS、1987年首創(chuàng)開放式數(shù)控系統(tǒng)等。從90年代起，糾正過去偏向，數(shù)控機床技術上轉向實用，產量又逐漸上升。 德國政府一貫重視機床工業(yè)的重要戰(zhàn)略地位特別講究“實際”與“實效”，堅持“以人為本”，師徒相傳，不斷提高人員素質。1956年研制出第一臺數(shù)控機床，德國的數(shù)控機床質

12、量及性能良好、先進實用、貨真價實，出口遍及世界。尤其是大型、重型、精密數(shù)控機床。在質量、性能上居世界前列。如西門子公司之數(shù)控系統(tǒng)和Heidenhain公司之精密光柵，均為世界聞名，競相采用。 日本政府對機床工業(yè)之發(fā)展異常重視，通過規(guī)劃、法規(guī)（如“機振法”、“機電法”、“機信法”等）引導發(fā)展。1958年研制出第一臺數(shù)控機床，在戰(zhàn)略上先仿后創(chuàng)，在上世紀80年代開始進一步加強科研，向高性能數(shù)控機床發(fā)展。日本FANUC公司戰(zhàn)略正確，仿創(chuàng)結合，針對性地發(fā)展市場所需各種低中高檔數(shù)控系統(tǒng)，在技術上領先，在產量上居世界第一。 目前，中國機床工業(yè)廠多人眾。2000年，金切機床制造廠約358家（20.6萬人

13、），成形機床制造廠191家（約6.5萬人），共計549家（27.1萬人）。其中生產數(shù)控金切機床的約150家，生產數(shù)控成形機床的約30家，共計約180家，占廠家總數(shù)的三分之一。 中國于1958年研制出第一臺數(shù)控機床，發(fā)展過程大致可分為兩大階段。在1958－－1979年間為第一階段，從1979年至今為第二階段。通過合作生產先進數(shù)控機床，使設計、制造、使用水平大大提高，縮小了與世界先進技術的差距；通過利用國外先進元部件、數(shù)控系統(tǒng)配套，開始能自行設計及制造高速、高性能、五面或五軸聯(lián)動加工的數(shù)控機床，供應國內市場的需求，由于數(shù)控化技術基礎薄弱，至今許多重要功能部件、自動化刀具、數(shù)控系統(tǒng)依靠國外技術支撐

14、，基本上處于從仿制走向自行開發(fā)階段，與日本數(shù)控機床的水平差距很大。 總的來說：數(shù)控機床產量不斷增長，進口量增長較快，達29倍，出口量有所增加，但數(shù)目較小，為4.8倍；數(shù)控機床消費量增加較快，達7.9倍。國內企業(yè)對數(shù)控機床檔次上的要求存在著很大差異， 特別是那些中小型企業(yè)，如果購買成套的數(shù)控裝置，不但經(jīng)濟上不能承擔，而且對于只進行小批量，簡單零件生產企業(yè)來說無疑是大材小用，浪費成本。這就要求中國在數(shù)控機床方面要走出一條符合國情的道路。 數(shù)控系統(tǒng)的出現(xiàn),其發(fā)展經(jīng)過以下幾代： 第一代數(shù)控系統(tǒng):1952年由Parson公司和麻省理工學院聯(lián)合開發(fā)研究的第一臺電子管數(shù)控系統(tǒng)。 第二代數(shù)控系統(tǒng)：19

15、60年開始,采用晶體管元件。 第三代數(shù)控系統(tǒng)：1965年開始,采用集成電路。 第四代數(shù)控系統(tǒng)：1970年開始,采用大規(guī)模集成電路及小型通用計算機。 第五代數(shù)控系統(tǒng)：1974年開始,采用微處理機和微型計算機。 第六代數(shù)控系統(tǒng)：二十世紀九十年代后期，出現(xiàn)了PC+CNC的智能數(shù)控系統(tǒng)。 隨著微電子技術和計算機技術的發(fā)展，現(xiàn)在的數(shù)控系統(tǒng)性能日臻完善，數(shù)控系統(tǒng)應用領域日益擴大。科學技術的發(fā)展推動了數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展。各生產部門加工要求的不斷提高又從另一個方面促進了數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展。 二十世紀九十年代，數(shù)控系統(tǒng)由16位機向32位機的轉變，伺服驅動從直流向交流全數(shù)字式轉變，系統(tǒng)體系結構從封閉向開放轉變

16、，控制系統(tǒng)由專用計算機向通用計算機轉變，使數(shù)控系統(tǒng)可充分利用計算機技術豐富的資源，能根據(jù)控制對象的要求，迅速、靈活地更改軟硬件，并能及時吸收新技術，使數(shù)控技術的發(fā)展步伐加快。數(shù)控技術的進步突出表現(xiàn)在高精度、高效率，具有聯(lián)網(wǎng)通信功能等方面。數(shù)控技術主要朝著體系結構開放化、制策略的智能自適應化、網(wǎng)絡環(huán)境下的數(shù)字化、柔性制造系統(tǒng)（FMS）方向發(fā)展。 總之，當今數(shù)控系統(tǒng)正不斷吸收最新技術成就，朝著高速度化、高精度化 ，高功能、智能化、小型化、系統(tǒng)化、高可靠性以及開放性等方向發(fā)展。 機床工業(yè)是制造業(yè)的基礎產業(yè)，而數(shù)控機床是關系國家戰(zhàn)略地位、工業(yè)現(xiàn)代化和綜合國力水平的基礎裝備?，F(xiàn)代國防、工業(yè)裝備的制造

17、，都離不開數(shù)控技術。日本的“東芝事件”美國的“考克斯報告”，均提出對我國禁運高檔數(shù)控裝備。因此，為了增強我國國防實力和綜合國力，必須將發(fā)展數(shù)控技術和數(shù)控機床提高到戰(zhàn)略高度來對待。 目前，我國數(shù)控機床購置中60％依賴進口，2004年的進口總額超過50億美元。要提高我國機床數(shù)控化率，靠大量引進國外的數(shù)控機床是行不通的。引進一臺數(shù)控機床，至少幾十萬，多則數(shù)百萬，一般企業(yè)難以承受。從滿足企業(yè)加工需求來看，對那些精度等級要求高的零部件加工，可適當引進一些數(shù)控機床，而對于那些大量的半精加工和粗加工，普通機床數(shù)控化改造后，是完全可以勝任的。 機床數(shù)控化改造后，可在一定程度上提高加工精度，保證加工精度的一

18、致性，提高加工的自動化程度，縮短加工周期，提高加工效率。經(jīng)過幾十年來的發(fā)展，國產數(shù)控系統(tǒng)的可靠性已大為提高。機床數(shù)控化改造費用低，改造后的機床使用維護費低，操作使用方便，企業(yè)改得起，用得起。 總之，對普通機床進行數(shù)控化改造，既解決了舊機床大量閑置的問題，做到了物盡其材，為企業(yè)節(jié)省了成本，帶來了明顯的經(jīng)濟效益。同時也能提高了企業(yè)的加工能力和信息化水平，提高產品的加工質量和精度，是一條符合我國國情的技術改造的路子。 本文主要是結合我國國情,源于生產實際的需要,利用大量閑置的舊CA6140車床，對其進行數(shù)控化改造,本改造主要對CA6140車床的控制系統(tǒng)進行數(shù)控改造，將用單片機，存儲器等組成的數(shù)控

19、控制系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的控制裝置，改造成為可以實現(xiàn)平面兩坐標聯(lián)動的數(shù)控車床。使之成為一種新型的高效、多功能的經(jīng)濟型數(shù)控機床。 該論文的主要內容是: (1)從總體上給出了一套數(shù)控改造車床C6140的思路和框架。 (2)在細節(jié)上完成了對開環(huán)控制系統(tǒng)部分的改造設計。 (3)數(shù)字控制部分給出了總體設計思路和設計后硬件的控制電路原理圖。 正文 1.總體改造方案 1.1 CA6140車床的用途 CA6140車床主要用于加工中小型軸類盤類和螺紋零件，各種零件的回轉表面，刀架能實現(xiàn)縱向和橫向進給運動，并能在換刀點自動改變工位選擇刀具。 1.2 CA6140數(shù)控改造后的功能 該車床經(jīng)過數(shù)控化改造

20、后，能夠實現(xiàn)兩軸聯(lián)動，自動換刀，直線和圓弧的插補；工件在一次安裝后，完成多道工序的加工，通過編寫不同的程序完成各種較為復雜零件的加工；提高了加工范圍和加工精度。 1.3普通車床數(shù)控改造設計方案 一般來說對于現(xiàn)有普通機床進行數(shù)控化改造的做法應從兩方面著手：機械部分和數(shù)控控制部分。 1.3.1改造機械部分 主傳動的機械部分的改造主要是在主軸上加裝編碼器，實現(xiàn)反饋主軸轉速，保證主軸轉一轉，刀架能移動一個被加工螺紋的導程。保留原調速系統(tǒng)，進給傳動系統(tǒng)中采用高精度的滾珠絲杠螺母副替換進給軸原有的普通絲杠副。 1.3.2增加數(shù)控控制系統(tǒng) 機械部分改造完成后，配上由單片機系統(tǒng)及應用程序構成的開環(huán)

21、數(shù)字控制系統(tǒng)，用步進電機作為進給軸動力，直接或經(jīng)過一級減速齒輪驅動X、Z軸的運動。 1.4 CA6140車床的電氣控制系統(tǒng) CA6140型傳統(tǒng)車床是車床中使用最廣泛的一種。該車床的主要組成部件有：主軸箱、進給箱、溜板箱、刀架部件、尾座、和床身等。車床一般由四個基本部分組成：主機部分、驅動部分、控制部分、檢測和顯示部分。其電氣控制原理圖, 如圖1.1所示： 圖1.1 1.4.1電路分析 電源由漏電保護斷路器引入。主電路中共有三臺電動機。M1為主軸電動機，用來帶動主軸旋轉和刀架作進給運動，它的運轉和停止 接觸器KM1的三個常開主觸點的接通和斷開來控制。電動機M1的容量不大，所以采用

22、直接啟動。熱繼電器FR1作過載保護。 M2為冷卻泵電動機。它的運轉和停止由接觸器KM2的三個常開主觸點的接通和斷開來控制，熱繼電器FR2作過載保護。 M3為刀架快速移動電動機。它的運轉和停止由接觸器KM3的三個常開主觸點來控制。因刀架快速移動電動機M3是短時工作，故不設過載保護。 對線路圖進行照明燈和信號燈的電路分析可知,控制變壓器TC的二次側分別輸出24v和6v電壓，作為機床照明燈和信號燈的電源。照明電路由開關QS2接燈泡EL，燈泡EL的另一端必須接地，以防止照明變壓器原繞組和副繞組間發(fā)生短路時可能發(fā)生的觸電事故。熔斷器FU4是照明電路的短路保護。信號指示電路采用6V交流電壓，指示燈泡

23、HL接在控制變壓器的6V線圈上，指示燈亮表示控制電路有電。熔斷器FU3是信號指示電路的短路保護。 1.4.2控制電路分析 控制電路采用110交流電壓供電，該電壓由380電壓經(jīng)控制變壓器TC降壓而得。二次側輸出110v交流電壓作為控制回路的電源。 主軸電動機M1的控制：按下起動按鈕開關SB2，接觸器KM1的線圈通電，KM1的鐵心吸合，主電路上接觸器KM1的三個常開主觸頭閉合，主軸電動機M1起動運轉。同時，KM1的一個常開輔助觸點也閉合，進行自鎖保證主軸電動機M1在松開起動按鈕后能連續(xù)轉動。按下蘑菇形停止按鈕開關SB1，接觸器KM1因線圈斷電而釋放，電動機停轉。 熱繼電器FR1的常閉觸點串

24、聯(lián)在KM1線圈的電路中，當主軸電動機M1過載時，F(xiàn)R1的常閉觸點斷開，KM1因線圈斷電而釋放，電動機M1便停止。 該電路有零壓保護功能，在電源斷電后，接觸器KM1釋放，當電源電壓再次恢復正常時，若不按下起動按鈕SB2，則電動機不會自行起動，以免發(fā)生事故。 該電路也有欠電壓保護，當電源電壓太低時，接觸器KM1因電磁吸力不足而自動釋放．電動機M1自行停止，以避免欠電壓時電動機M1回電流過大而燒壞。 冷卻泵電動機M2的控制：當主軸電動機運轉時，KMI的常開輔助觸點閉合，這時若需要冷卻液，則可旋轉轉換開關SA1使其閉合，則接觸器KM2線圈通電，鐵心吸合，主電路上KM2的三個常開主觸點閉合，冷卻泵

25、電動機起動運轉，給切削加工提供冷卻液。 當主軸電動機停車時，接觸器KM1釋放，其常開觸點斷開，冷卻泵電動機M2也同時停止?？梢?，只有當主軸電動機MI起動后，冷卻泵電動機M2才能起動，兩者之間存在聯(lián)鎖。 熱繼電器FR2的常閉觸點串聯(lián)在KM2線圈的電路中，所以當冷卻泵電動機過載時，F(xiàn)R2的常閉觸點斷開，接觸器KM2因線圈斷電而釋放，電動機M2便停止，實現(xiàn)過載保護。接觸器KM2對冷卻泵電動機也有欠壓保護。 刀架快速移動電動機M3的控制：刀架快速移動電動機M3的起動是由安裝在進給操縱手柄頂端的按鈕開關SB3來控制，它與交流接觸器KM3組成點動控制環(huán)節(jié)。將裝在溜板箱的

26、十字形操縱手柄扳到所需的方向，壓下按鈕開關SB2，接觸器KM3通電吸合，電動機M3獲電起動．刀架就向指定方向快速移動。 聯(lián)鎖保護：鑰匙式電源開關SA2的觸點（WZI—13）與行程開關SQ2的常閉觸點并聯(lián)后與檢漏電阻R串聯(lián)。檢漏電阻不通電流的條件是用鑰匙將鑰匙式電源開關旋轉到SA2斷開位置，并且電氣箱蓋于已蓋好，這時其蓋子壓下行程開關SQ2，常閉觸點斷開。只有在這種情況下，檢漏電阻不通電．漏電保護開關QF才能合得上，以保證安全。 SQ1為掛輪架安全行程開關。當裝好掛輪架罩時，SQ1的常開觸點閉合，控制電路才有電，電動機才可能起動。 通過對CA6140車床的電氣原理圖的分析，我知道了傳統(tǒng)機床電

27、氣控制就是采用各種控制元件、自動裝置．對機床進行自動操縱、自動調節(jié)轉速、按給定程序和自動適應多種條件的隨機變化而選擇最優(yōu)的加工方案，以及工作循環(huán)自動化等。采用直流或交流無級調速電動機驅動機床，使結構復雜的變速箱變的十分簡單，簡化了機床結構．提高了效率和剛度，也提高了精度。 由此可見普通車床的動力控制系統(tǒng)一般是由三相異步電機來實現(xiàn)，三相異步電動機是由各種有觸點的接觸器、繼電器、按鈕、行程開關等電器組成的電器線路來進行控制的。電氣控制線路一般應由電源電路，主電路、控制電路和輔助電路（保護、顯示和報警電路）四大部分構成。 1.5數(shù)控系統(tǒng)的基本概念 計算機數(shù)控系統(tǒng)（computer numer

28、ical control）簡稱CNC系統(tǒng)，按照美國電子工業(yè)協(xié)會（EIA）數(shù)控標準化委員會的定義，CNC系統(tǒng)是：用計算機道過執(zhí)行其存貯器內的程序來完成數(shù)控要求的部分或全部功能，并配有接口電路、伺服驅動的一種專用計算機系統(tǒng)。 CNC系統(tǒng)根據(jù)輸入的程序或指令，由計算機進行插補運算，形成理想的運動軌跡，插補計算出的位置數(shù)據(jù)輸出到伺服單元，控制電機帶動執(zhí)行機構，加工出所需的零件。 CNC系統(tǒng)具有靈活性強，易于變化和擴展，通用性高；易于實現(xiàn)許多復雜的功能；可靠性高，使用維修方便等優(yōu)點。CNC系統(tǒng)是由程序、輸入輸出設備。計算機數(shù)控裝置（CNC裝置）、可編程控制器（PLC）、主軸驅動和伺服驅動等組成，其核

29、心是CNC裝置。圖1.2為CNC系統(tǒng)的結構框圖： 圖1.2 數(shù)控伺服驅動系統(tǒng)按有無反饋檢測元件分為開環(huán)、半閉環(huán)和閉環(huán)三種類型。 開環(huán)伺服系統(tǒng)由驅動控制單元、執(zhí)行單元和機床組成（如圖1.4所示）。通常,執(zhí)行元件選用步進電動機,因系統(tǒng)不對輸出進行檢測,所以執(zhí)行元件對系統(tǒng)的特性具有重要的影響。 圖1.3 半閉環(huán)控制系統(tǒng)是在開環(huán)控制伺服電動機裝有角位移檢測裝置，通過檢測伺服電機的轉角間接的檢測出運動部件的位移（或角位移）反饋給數(shù)控裝置的比較器，與輸入指令進行比較，用差值控制運動部件。雖然半閉環(huán)控制將運動部件的機械傳動鏈不包括在閉環(huán)內，但目前廣泛采用的滾珠

30、絲杠螺母機構精度和精度保持性，而且采取了可靠的消除反向運動間隙機構，完全可以滿足絕大部分機床用戶的需要。圖1.5所示為半閉環(huán)控制系統(tǒng)示意圖。 圖1.4 閉環(huán)伺服系統(tǒng)是在機床最終的運動部件的相應位置直接安裝直線或回轉式檢測裝置，將直接測量到的位移或角位移反饋到數(shù)控裝置的比較器中與輸入指令位移進行比較，用差值控制運動部件，使運動部件嚴格按照實際需要的位移量進行運動。從理論上來說閉環(huán)系統(tǒng)的控制精度相當高，但閉環(huán)系統(tǒng)除了價格昂貴外，對機床的結構及傳動鏈提出了嚴格要求，同時會增加系統(tǒng)調試的難度，甚至使伺服系統(tǒng)產生振動，降低數(shù)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性。圖1.6所示是閉環(huán)控制示意圖。 圖1.5 １.５

31、.１數(shù)控裝置的硬件結構 現(xiàn)在生產研制的數(shù)控機床都是采用微型計算機數(shù)控裝置。從價格，功能和使用性能指標考慮，可分為經(jīng)濟型，標準型和高檔型三類數(shù)控裝置；按CNC裝置中微處理器的數(shù)目可以分為單微處理機和多微處理機結構兩大類；從硬件結構上可分為大板式結構和模塊化結構；按CNC裝置硬件的設計與制造方式可分為專用型和通用型，通用型又稱為開放式體系結構數(shù)控系統(tǒng)，主要是基于通用個人計算機的數(shù)控系統(tǒng)。但總體來說它們基本上都是由微處理器、存儲器、系統(tǒng)BUS、PLC、接口電路、控制模塊等組成。圖1.4是數(shù)控裝置的硬件結構圖： 圖1.6 微處理器是數(shù)控裝置的核心；存儲器用于存儲數(shù)據(jù)、參數(shù)和程序等；系統(tǒng)BUS

32、進行硬件之間的調配通訊和數(shù)據(jù)傳輸；可編程控制器(PLC)是代替?zhèn)鹘y(tǒng)車床的繼電器邏輯控制來實現(xiàn)各種開關量的控制；控制模塊控制插補后的坐標位置、數(shù)據(jù)輸入、輸出和顯示等，該模塊包括零件程序、參數(shù)和數(shù)據(jù)以及各種操作命令的輸入、輸出以及顯示所需的各種接口電路和程序；接口電路用于連接外設。 １.５.２數(shù)控裝置的軟件系統(tǒng) CNC裝置作為一個獨立的過程控制單元用于自動加工中，其系統(tǒng)軟件必須完成管理和控制兩項任務。 CNC裝置的管理任務包括輸入、I/O處理、顯示、診斷等，控制任務包括譯碼、刀具補償、速度處理、插補、位置控制等。圖1.5為軟件結構圖： 圖1.7 CNC裝置的軟件結構,無論其硬件是采用單

33、微處理器還是多微處理器,都具有兩個特點:多任務并行處理和多重實時中斷處理。 (1)CNC裝置的多任務并行處理 在許多情況下，CNC裝置中的管理和控制的某些工作必須同時進行，即所謂的并行處理，這是由CNC裝置的工作特點所決定的。。 并行處理是指計算機在同一時刻或同一時間間隔內完成兩種或兩種以上性質相同或不相同的工作。并行處理的優(yōu)點是提高了運行速度。 (2) CNC裝置的多重實時中斷處理 CNC裝置的中斷管理主要靠硬件完成,而系統(tǒng)的中斷結構決定了系統(tǒng)軟件結構。CNC裝置的中斷類型分為:外部中斷、內部定時中斷、硬件故障中斷、程序性中斷。

34、 １.５.３數(shù)控系統(tǒng)的I/O和通信接口 數(shù)控機床“接口”是指數(shù)控裝置與機床及機床電氣設備之間的電氣連接部分。根據(jù)國際標準“ISO4366——1981（E）機床數(shù)字控制——數(shù)控裝置和數(shù)控機床電氣設備之間的接口規(guī)范”的規(guī)定，接口分為四種類型。 第Ⅰ類：與驅動命令有關的連接電路； 第Ⅱ類：數(shù)控裝置與測量系統(tǒng)和測量傳感器間的連接電路； 第Ⅲ類：電源及保護電路； 第Ⅳ類：通/斷信號和代碼信號連接電路。 CNC的I/O（輸入/輸出）接口是CNC系統(tǒng)與外界交換信息的必要手段，在CNC系統(tǒng)中占有重要的位置。不同的輸入輸出設備與CNC系統(tǒng)相連接，采用與其相應的I/O接口

35、電路和接口芯片。系統(tǒng)與機床之間的來往信號，不能直接連接，而要通過I/O接口電路連接起來。 由機床(MT)向CNC系統(tǒng)傳送的信號成為輸入信號;由CNC向MT傳送的信號成為輸出信號。直流信號用于進給坐標軸和主軸的伺服控制,交流信號用于直接控制功率執(zhí)行器件。無論是輸出或輸入信號都需要專門的接口電路。 繼電器輸出由數(shù)控系統(tǒng)輸出到機床的信號，用于顯示指示燈，驅動繼電器等，常用干彈簧繼電器，其規(guī)格為 觸點額定電壓 DC 50V 以下 觸點額定電流 DC500mA以下 觸點容量 5VA以下 抖動時 1ms以下 輸出接口是將各種機床工作狀態(tài)燈的信息

36、送到機床操作面板，把控制機床動作信號送到強電箱，因此有繼電器輸出電路和無觸點輸出電路。 1.5.4 CNC系統(tǒng)接口電路的主要任務 (1)進行電平轉化和功率放大 一般CNC系統(tǒng)的信號是TTL電平，而控制機床的電平則不一定是 TTL電平，負載較大，因此要進行必要的信號電平轉化和功率放大。 (2)防止噪聲引起誤動作 要用光電藕合器或繼電器將CNC系統(tǒng)和機床之間的信號電氣上加以隔離。 (3) 采用模擬量傳送時 在CNC和機床電氣設備之間要接入數(shù)/模（D/A）和模/數(shù)（A/D）轉換電路。 (4) 防止信號畸變 信號在傳輸過程中，由于衰減、噪聲和反射等影響，會發(fā)生畸變。為此要根據(jù)信號類別

37、及傳輸線質量，采取一定措施并限制信號的傳輸距離。 2.CA6140車床數(shù)控化改造的具體實施方案 傳統(tǒng)的CA6140車床是靠手工操作機床來完成各種切削加工，而改造后的數(shù)控車床是將編制好的加工程序輸入到數(shù)控系統(tǒng)中。再由數(shù)控系統(tǒng)通過車床X、Z坐標軸的伺服電動機去控制車床各項運動部件的先后動作順序、移動量和進給速度，再配以主軸的轉速和轉向，便能加工出各種形狀不同的軸類或盤類回轉體零件。 改造后的數(shù)控車床與普通車床相比較，其結構上仍然是由主軸箱、刀架、進給傳動系統(tǒng)、床身、液壓系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)等部分組成。只是數(shù)控車床的進給系統(tǒng)與普通車床的進給系統(tǒng)在結構上存在著差別：CA6140車床主軸的運動

38、經(jīng)過掛輪架、進給箱、溜板箱傳到刀架實現(xiàn)縱向和橫向進給運動。而改造后的CA6140數(shù)控車床是采用伺服電動機經(jīng)滾珠絲杠，傳到滑板和刀架，實現(xiàn)Z向（縱向）和X向（橫向）進給運動。其外形變化也不大，只是在原來的機床上添加了一個控制模塊位于操作者的右側，便于觀察、調試和操作CA6140車床改造后的外觀圖如2.1所示。 圖2.1 根據(jù)設計要求，本設計確定的總體改造目標是將CA6140改造成為經(jīng)濟型的開環(huán)控制的數(shù)控車床，采用普通交流電機拖動，有級調整能夠滿足加工要求。因此其主傳動系統(tǒng)的電氣部分不需要改造。仍采用其原來配置的交流電動機。主傳動機械部分的改造主要是在主軸上加裝編碼器，實現(xiàn)反饋主軸轉速，保

39、證主軸轉一轉，刀架能移動一個被加工螺紋的導程，同時保留原調速系統(tǒng)。 改造后的數(shù)控車床的控制部分：采用微機（MCS51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，環(huán)形分配，經(jīng)光電隔離電路，以步進電機作為驅動執(zhí)行件，數(shù)控系統(tǒng)送出的指令脈沖經(jīng)過驅動電路控制和功率放大后，使步進電機轉動，再經(jīng)齒輪減速，帶動滾珠絲杠轉動，從而實現(xiàn)X、Y 兩個方向的進給運動，以及刀架的移動。具體設計如2.2圖所示： 圖 2.2 2.1系統(tǒng)硬件設計 硬件主控制器（CPU）采用MCS-51系列的單片機芯片8031 。程序存儲器采用2764EPROM 2片。數(shù)據(jù)存儲 器采用6264RAM 1片。地址鎖存器采

40、用74LS373 1片。用8255A芯片和8155芯片各一片作為I/O口的擴展電路。8255A作為作為控制X、Y 向步進電機脈沖輸出；8155作為控制鍵盤和LED 顯示器。采用138譯碼器74LS138 1片進行全地址譯碼。線路連接簡圖如下圖2.3所示。 圖2.3 2.1.1 8031單片機 由于主機數(shù)控系統(tǒng)為兩坐標聯(lián)動 CNC 控制系統(tǒng)，對控制器的要求不是很高，所以采用 MCS-51 系列單片機的8031型。該機芯片內部包含 4K 字節(jié)的 ROM ，128 個字節(jié)的 RAM ，2 個16位的定時、計數(shù)器和一個處理功能很強的中央處理器，4個8位的并行接口，一個串行接口。大部分功能部件

41、和總線在芯片內部不易受干擾，容易采用屏蔽等措施，高可靠性，能在較惡劣的環(huán)境下工作，功能強，速度高。系統(tǒng)具有加、減、乘、除指令，還有位操作功能，時鐘頻率高達12 MHz，單字節(jié)乘法和除法僅需 4μs，同時具備刀具長度偏移和半徑補償功能、自診斷功能，可以進行加、減速，并備有電池，停電時可用做存儲已編程序的電源控制。圖2.4為8031的結構示意圖。 圖2.4 2.1.2程序存儲器 由于8031單片機本身是沒有 ROM 的，不能構成完整的計算機，因此必須接 EPROM 或 ROM 作為程序存儲器，在這里設計選用了兩片 2764 （8KB×8）。圖2.5

42、為程序存儲器2764的結構示意圖。 EPROM2764是用電信號編程可擦除的只讀存儲器，自EPROM2716芯片被淘汰后，目前比較廣泛采用的就是2764芯片。該芯片為雙列直插式28引腳的標準芯片，容量是8K×8位，其中：A12--A0：13為地址線；D7--D0：8位數(shù)據(jù)線；：片選信號，低電平有效； 圖2.5 ：輸出允許信號，當＝0時，輸出緩沖器打開，被尋址單元的內容才能讀出。 ：編程電源，當芯片編程時，該端加上編程電壓（+25V或+12V）；正常使用時，該端加上+5V電源。（NC為不用的管腳） 2764在使用時

43、，只能將其所存儲的內容讀出，其過程與RAM的讀出類似。即首先送出要讀出的單元地址，然后使和均有效，則在芯片的D0--D7數(shù)據(jù)線上就可以輸出要讀出的內容。 2.1.3數(shù)據(jù)存儲器 數(shù)據(jù)存儲器即隨機存取存儲器簡稱RAM，用于可隨時可修改的數(shù)據(jù)信息。它與ROM不同，對RAM可進行讀寫兩種操作。RAM為易失性存儲器，斷電后所存信息立即消失。 由于 8031 內部 RAM 不夠使用，因此設計又外接了一片 6264（8KB×8）型的靜態(tài) RAM 來擴展8031RAM。該存儲器為28引腳雙列直插式封裝，其引腳如2.6圖示： 該芯片有兩個片選信號CE1和CE2，只有當＝0，CE2=1時，芯片才被選中。在

44、實際應用中，只選中 圖2.6 其中一個，而將另1個接成常有效;也可以將系統(tǒng)的片選信號以及取反后的信號分別接至和端。 2.1.4地址鎖存器 地址鎖存器74LS373：是一種帶輸出三態(tài)門的3D鎖存器。其結構示意圖如圖2.7所示。 1D--8D為8個輸入端，1Q--8Q為8個輸出端。G為數(shù)據(jù)打入端：當G為1時，鎖存器輸出狀態(tài)同輸入狀態(tài);當G由1變成0時，數(shù)據(jù)打入鎖存器。 為輸出允許端：當＝0時，三態(tài)門打開；當＝1時，三態(tài)門關閉，輸出呈高阻。 2.1.5接口芯片 8255A和8155芯片：8255A是一種可編程并行I/O接口芯片，它采用NMOS工藝制造，用單一＋5V電源供電。具

45、有40條引腳，采用雙列直插式封裝。它具有A,B,C三個端口共24條I/O線，可以通過編程的方法來設定I/O端口的功能。8155是一種可編程RAM/IO/CTC接口芯片。它的內部有兩個可編程的8位并行I/O口，一個6位 I/O并行口，一個14位定時器/計數(shù)器以及246字節(jié)的RAM存儲器。這兩種芯片由于功能強，又能方便與各種微機相接，而且在外接設備時，通常不需再附加外接電路，所以得到廣泛應用。 圖2.7 2.1.6譯碼器 譯碼器74LS138：是一種常用的地址譯碼器芯片，所謂譯碼是使用地址譯碼器對系統(tǒng)的片外地址進行譯碼，以其譯碼輸出作為存儲器的片選信號

46、。其結構示意圖如2.8所示。 圖2.8 2.2系統(tǒng)軟件設計 軟件設計采用模塊化技術，即各個功能都對應一定的模塊程序?？刂栖浖ㄏ到y(tǒng)軟件和應用軟件。系統(tǒng)軟件其作用主要是檢測系統(tǒng)狀態(tài)并提供基本操作管理，其中包括I/O接口初始化，單片機定時器/計數(shù)器初始化，鍵盤數(shù)據(jù)區(qū)，顯示緩沖區(qū)初始化，各種軟件標志初始化，開中斷等處理。應用軟件根據(jù)用戶編制的加工程序，控制機床的運行。本設計中系統(tǒng)應用軟件主要是步進電機的控制程序：步進電機的速度控制進給系統(tǒng)各進給軸的進給速度，進給方向由步進電機的旋轉方向決定。 2.2.1進給伺服系統(tǒng)X軸與Z軸步進電機控制 數(shù)控單元ENC發(fā)出指令信號，驅動器接到指令信號

47、后，轉換成脈沖信號傳遞給X軸和Z軸的步進電機。因為Z軸步進電機的控制方法與X軸步進電機的控制方法一樣，所以在此僅以X軸步進電機控制為例說明。程序框圖如圖2.9所示。 主程序 設置標志位 恒速步數(shù)賦值 階梯步數(shù)賦值 置正轉模址 CPU開中斷 設T0計時器 裝入變速裝置 置反轉模址 裝入減速裝置 輸出控制模型 恒步數(shù)-1 模址+1 T0賦值 恢復模值 結 束 階梯步數(shù)＝0？ 結束標志 模址結束？ 步長＝0？ 正轉 圖2.9 X軸部分驅動程序為： 急?？刂莆唬篈XISI：CLR 7CH； 變速標志位：SETB 7EH； 升降速標志位

48、：SETB 7DH； 恒速步數(shù)賦值： MOV R2, 22H ； 關中斷OVER: CLR EA; 行程控制反饋信號LP3: CLR C； 正轉控制模型首值MOV R0, #10H ； 判斷正反轉ORL C, 06H； 完整程序見附表 2.2.2 自動刀架換刀控制 刀架能實現(xiàn)縱向和橫向的進給運動，并具備在換刀點自動改變四個刀位完成選擇刀具圖2.9所示為自動刀架電控原理。該刀架刀位數(shù)為4，當數(shù)控單元發(fā)出換刀信號后，數(shù)控單元ENC的34號線輸出低電平，24V正電源使KA4通電吸合，換刀電機M正向旋轉，驅動蝸輪蝸桿減速機構。 圖2.10 自動刀架程序流程如圖2.

49、10示。部分驅動程序如下： AUTO： MOV A,P1 ；取P1口數(shù)據(jù) ANL A,#03H ；取刀具碼 ANL 20H,#03H ；取所需刀具的編碼 CJNE A,20H,DJ1 ；對比編碼，不同則正轉 AJMP DJ3 DJ1: MOV DPTR,#7FFDH ；指向8255PB口 MOVX A,@DPTR ANL A,#0FH ；保留低四位 ORL A,#

50、40H ；輸出刀架電機的正轉電平 MOVX @DPTR,A ；記錄正轉標志 SETB 7FH ………… DJ5： JNB P1.3,DJ5 ；等待夾緊信號 MOVX A,@DPTR ；輸出0電平，電機停止 完整程序見附表 存儲空間和地址口的分配如下： IC1:程序存儲空間為1000H～～1FFFH; IC2: 程序存儲空間為3000H～～3FFFH; IC3: 程序存儲空間為4000H～～5FFFH; 8155控制口地址9F00H; 8155PA口地址9F01H;

51、 8155PB口地址9F02H; 8155PC口地址9F03H; 8255PA口地址7FFCH; 8255PB口地址7FFDH 8255PA口地址7FFEH; 開始 初始化 暫時停機 正轉輸出 置正轉標志 延時1秒 結束 反轉到位 正轉到位 正轉標志位＝1？ 編碼相同 反轉輸出 圖2.11 I/O口地址分配表如表2.12 表2.12 字節(jié)地址 位地址 存儲內容 P1口 P1.0和P1.1 刀具編碼的反饋信號 P1.2 刀架到位的反饋信號 P1.3 刀具加緊的反饋信號 P1.4 X相行程控制反饋信號 P1.5

52、Y相行程控制反饋信號 P1.6 急停開關控制接口 P3口 P3.4(T0) 主軸脈沖發(fā)生器脈沖信號接口 10H ＃01H 11H #03 H 12H #02 H 13H #06 H 14H #04 H 15H #05 H 16H #00 H 17H #01 H 18H #05 H 19H #04 H 1AH #06 H 1BH #02 H 1CH #03 H 1DH #00 H 20H 00H 刀具編碼 01H 02H 主軸正反轉控制信號

53、03H 主軸走?？刂菩盘? 04H Y軸正反轉控制信號 05H Y軸走?？刂菩盘? 06H X軸正反轉控制信號 07H X軸走?？刂菩盘? 21H X軸的頻率階梯步數(shù) 22H X軸的恒速步長低8位 23H X軸的恒速步長高8位 24H X軸的恒速TL0初值 25H X軸的恒速TH0初值 26H Y軸的頻率階梯步數(shù) 27H Y軸的恒速步長低8位 28H Y軸的恒速步長高8位 29H Y軸的恒速TL0初值 2AH Y軸的恒速TH0初值 2BH 主軸TL1初值 2CH 主軸TH1初值 2

54、DH 編碼脈沖數(shù) 2EH 調用程序號 8255的PA口 低四位 主軸步進電機接口 高四位 X軸步進電機接口 8255的PB口 低四位 Y軸步進電機接口 高四位 自動換刀直流電機接口 8255的PC口 機床狀態(tài)指示燈接口 8155擴展口 鍵盤和顯示器接口芯片 2.3 接口電路設計 基于Intel 8155接口芯片作為控制鍵盤和LED 顯示器，8155能直接接收來自鍵盤的輸入信息，并具有自動實現(xiàn)去抖動和重鍵處理功能，內部設有按鍵緩沖區(qū)，有兩個可編程的8位并行I/O口，和一個6位并行I/O口。連接時不需要最近硬件電路。 由于LED顯示器具有顯

55、示容量大的特點，因此，系統(tǒng)鍵盤監(jiān)控管理可方便地設計成菜單驅動方式，從而實現(xiàn)編輯模塊的全屏幕編輯功能。I/O模塊以可編程并行接口芯片Intel 8255為主體，通過8255實現(xiàn)89C58與電動刀架控制、步進電機控制及光電編碼接口電路的連接，為了增強數(shù)據(jù)總線的驅動能力，在89C58與8255之間、8255與后續(xù)電路模塊之間分別加上一片74HC245。 環(huán) 由于步進電機需要的驅動電壓較高（幾十伏），電流也較大（幾安～幾十安），如果將輸出信號與功率放大器直接相聯(lián)，將會引起強電干擾。為消除干擾，采用光電耦合器GO102進行光電隔離。 功率放大器是因為8255輸出的脈沖信號功率很小，遠不能滿足步進電

56、機的需要，必須將其放大，以保證驅動步進電機正常運轉。 3.步進電機 隨著運動控制系統(tǒng)中數(shù)字化技術的發(fā)展與成熟，步進電機在工業(yè)自動化控制中得到廣泛的應用。步進電機是一種利用電脈沖信號進行控制并將電脈沖信號轉換成相應角位移的機電元件。步進電機角位移量與點脈沖數(shù)成正比,電機的轉速與脈沖頻率成正比。步進電機區(qū)別于其他控制用途電動機的最大特點是，步進電機接收數(shù)字控制信號（電脈沖信號），并將這些脈沖信號轉換成與之相對應的角位移或直線位移。步進電機另一重要的特點是其必須與相應的驅動電路配合使用，而且其工作性能在很大程度上取決于所使用的驅動電路的類型和實際參數(shù)。因此，步進電機驅動電路的設計是步進電機控制系

57、統(tǒng)中的關鍵部分。 該系統(tǒng)的伺服驅動裝置主要是步進電機、功率步進電機、電液脈沖等。由數(shù)控系統(tǒng)送出的進給指令脈沖，經(jīng)驅動電路控制和功率放大后，使步進電機轉動，通過齒輪副與滾珠絲杠副驅動執(zhí)行部件。由于該系統(tǒng)為開環(huán)系統(tǒng)，只要控制指令脈沖的數(shù)量、頻率以及通電順序，便可控制執(zhí)行部件運動的位移量、速度和運動方向。該系統(tǒng)的位移精度主要決定于步進電機的角位移精度，齒輪絲杠等傳動元件的節(jié)距精度。 3.1脈沖分配器PMM8713 ?PMM8713是由日本Sanyo（三洋）電機公司生產的步進電機控制用的脈沖分配器（又稱邏輯轉換器），為雙列直插式16腳單片CMOS集成芯片。PMM8713既可以用于3相控制，又可以

58、用于4相控制。勵磁有1相、2相和1-2相三種方式，通過電路設計可任選其中一種激勵方式。此外，PMM8713還具有單時鐘或雙時鐘工作方式，帶有正反轉控制功能以及初始化復位功能。其內部有時鐘選通，激勵方式控制，可逆環(huán)形計數(shù)，激勵方式判斷等電路。PMM8713所有輸入端均采用施密特整形電路，因此抗干擾能力強。輸出電流大于20mA，可直接驅動微型步進電機。 各引腳功能說明：CU(PIN1)、CD（PIN2）是雙時鐘工作的時鐘輸入端。CU端接正轉時鐘；CD端接反轉時鐘。CK（PIN3）為單時鐘輸入端，此時步進電機的正反轉由U/D（PIN4）腳來控制。在電路處于單時鐘輸入控制的前提下，當U/D=高電平時

59、，則輸出端輸出正轉脈沖序列；當U/D=低電平時，則輸出端輸出反轉脈沖序列。EA（PIN5）和EB（PIN6）為激勵方式選擇端。EAEB＝00時，為雙激勵方式；EAEB＝11時，為1-2相激勵方式；EAEB＝01或10(即兩電平相反)時，為單激勵方式。3/4（PIN7）為三相或四相選擇控制端。當該腳=0時，為三相輸出；當該腳=1時，為思想輸出，通過該腳可以選擇控制三相或四相步進電機。A～D（PIN13～10）為4個相驅動端。3相用A～C（D=0），4相用A～D端。EM（PIN14）是激勵方式狀態(tài)標志。雙激勵方式該端輸出為高電平；單激勵方式該端輸出為低電平；1-2相激勵時該端輸出兩倍時鐘周期的脈沖

60、。CO（PIN15）為輸入時鐘檢測端。當該電路有時鐘脈沖輸入時，在CO端可輸出同步于時鐘的脈沖。R（PIN9）為復位控制端，加低電平使輸出端A～D復位為表1所示的初始狀態(tài)。（其中0表示低電平，1表示高電平）。 3.2電壓-頻率變換器LM331 LM331是美國NS公司生產的性能價格比較高的集成芯片。LM331可用作精密的頻率電壓（F/V）轉換器、A/D轉換器、線性頻率調制解調、長時間積分器以及其他相關的器件。LM331為雙列直插式8腳芯片， LM331內部有輸入比較電路、定時比較電路、R-S觸發(fā)電路、復零晶體管、輸出驅動管、能隙基準電路、精密電流源電路、電流開關、輸出保護點路等部分。輸出

61、管采用集電極開路形式，因此可以通過選擇邏輯電流和外接電阻，靈活改變輸出脈沖的邏輯電平，從而適應TTL、DTL和CMOS等不同的邏輯電路。此外，LM331可采用單/雙電源供電，電壓范圍為4～40V，輸出也高達40V。IR（PIN1）為電流源輸出端，在f0（PIN3）輸出邏輯低電平時，電流源IR輸出對電容CL充電。引腳2（PIN2）為增益調整，改變RS的值可調節(jié)電路轉換增益的大小。F0（PIN3）為頻率輸出端，為邏輯低電平，脈沖寬度由Rt和Ct決定。引腳4（PIN4）為電源地。引腳5（PIN5）為定時比較器正相輸入端。引腳6（PIN6）為輸入比較器反相輸入端。引腳7（PIN7）為輸入比較器正相輸入

62、端。引腳8（PIN8）為電源正端。? 3.3驅動器系統(tǒng)電路 驅動器系統(tǒng)電路由電壓-頻率變換電路LM331、脈沖分配器PMM8713和四電路通用運算放大器LM348等構成，外接電阻Rt、電容Ct、內部定時比較器、復零晶體管和R-S觸發(fā)器等構成單穩(wěn)定時電路。當輸入端Vi+輸入的電壓大于Ｖi-輸入端的電壓時，f0輸出邏輯低電平。同時，電流源ＩＲ對電容CL充電。電源VC也通過電阻Rt對電容Ct充電。當電容Ct兩端的充電電壓大于VCC的2/3時。輸出端f0輸出為邏輯高電平。此時，電容Cr通過內部電路放電；CL對電阻RL放電。當CL放電電壓等于輸入電壓Vi時，輸入比較器再次輸出高電平，f0輸出邏輯低電

63、平。如此反復循環(huán)，構成自激振f0蕩。根據(jù)電容上電荷平衡原理和相關的電學知識，我們可以推導出：f0＝Vi/(t1IRRL）。t1為充電時間，由定時元件Ct和Rt決定；IR為內部精密電流源輸出電流。可得出輸出頻率f0和輸入電壓Vi成正比。從而由運動控制系統(tǒng)輸出的可變電壓信號經(jīng)PMM8713變換后產生可變的頻率信號，控制步進電機的轉速。 方向控制電路由LM348四電路通用運算放大器構成。外部方向控制信號通過LM348和基準電壓構成電壓比較電路。當Vdi大于基準電壓ＶＨ時，U3A輸出為正，接至PMM8713的第四腳，控制輸出端輸出正相脈沖序列。當Ｖdi小于基準電壓ＶＨ時，輸出端為負，接至PMM871

64、3的第四腳，控制輸出端輸出負相脈沖序列，相應相驅動輸出端輸出正反相脈沖序列，從而控制步進電機的正反轉。 由LM331給出的輸入指令是輸入時鐘f0和方向指令DIR，這兩個指令在PMM8713中經(jīng)邏輯組合轉換各相通斷的時序邏輯信號。PMM8713的相驅動輸出端（PIN10～PIN13）的驅動電流達20mA以上，能直接驅動微型步進電機。R1、C1為開機時自動初始化電路。初上電的數(shù)十毫秒內R端為低電平，從而A～D端自動復位至初始狀態(tài)（參見表1）。如果外接的步進電機功率較大，PMM8713輸出驅動端驅動能力不夠。此時應設計功率放大驅動電路，然后再驅動步進電機。PMM8713各相輸出端的導通順序邏輯信號

65、送至功率驅動段轉換成內部功率開關的基極（或柵極）驅動信號。步進電機驅動方式，按相繞組流過的電流是單向或雙向，可分為單極性和雙極性驅動。通常，三相步進電機采用單極性驅動。從功率驅動級電路來分析，又有電壓驅動和電流驅動之分。本設計中采用串聯(lián)電阻電壓驅動方式。在相繞組中串接一定阻值和功率的電阻，一方面減小了繞組回路的時間常數(shù)，同時又對低頻和靜止工作時的電流進行限制。 4.系統(tǒng)抗干擾和誤差分析 4.1系統(tǒng)的干擾信號 單片機控制系統(tǒng)體積小，價格低，功能靈活，使用方便，已獲得廣泛使用，雖然在芯片設計上采取了不少措施，但其工作環(huán)境大多在工業(yè)現(xiàn)場或機械設備之中，同強電聯(lián)系較多，條件惡劣，干擾源多，因此抗

66、干擾技術是保證單片機控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的必要技術，為此還必須解決該系統(tǒng)由于收到干擾產生的誤差。 干擾產生于干擾源，凡能產生一定能量，可以影響到周圍電路正常工作的媒體都可認為是干擾源，干擾有的來自外部，有的來自內部，如圖4.1所示。一般說來，干擾源分為一下3類： 自然界的宇宙射線，太陽黑子運動，大氣污染及雷電因素造成。 物質固有的，及電子元器件本身的熱噪聲和散粒噪聲。 人為造成的，主要是由電子和電氣設備引起的，在系統(tǒng)工作的環(huán)境中廣泛存在。 空間干擾 供電系統(tǒng)干擾 過程通道干擾 單 片 機 系 統(tǒng) 圖4.1 4.1系統(tǒng)誤差 整個系統(tǒng)的誤差來源于對控制系統(tǒng)的干擾信號，系統(tǒng)軟件，以及機床的傳動系統(tǒng)。為了減小系統(tǒng)誤差，必須提高系統(tǒng)的抗干擾能力，在硬件方面選用可靠的元器件盡量消除固有干擾。軟件設計中采用可靠性設計技術，利用軟、硬件相結合實現(xiàn)單片機系統(tǒng)抗干擾能力。同時提高傳動系統(tǒng)的傳動精度也是減小系統(tǒng)誤差的關鍵。 5.總結 本文本設計依據(jù)當前我國數(shù)控技術的發(fā)展和數(shù)控化改造的迫切需要，從傳統(tǒng)車床CA6140的電氣原理與數(shù)控車床的計算機數(shù)字控制系統(tǒng)的控制原理出