0131-CA6150普通車床的數(shù)控技術(shù)改造
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題目 CA6150普通車床的數(shù)控技術(shù)改造
目錄
第一章 緒論 - 3 -
數(shù)控技術(shù)和裝備發(fā)展趨勢 - 3 -
第二章 數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) - 8 -
一 總體方案設(shè)計(jì)內(nèi)容 - 8 -
二 總體方案確定 - 8 -
第三章 進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算 - 10 -
一 選擇脈沖當(dāng)量 - 10 -
二 計(jì)算切削力 - 10 -
三 滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型 - 11 -
四 齒輪進(jìn)給齒輪箱傳動比計(jì)算 - 20 -
五 步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選型 - 21 -
第四章 微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì) - 26 -
一 微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)綱要 - 26 -
[一] 硬件電路設(shè)計(jì) - 26 -
[二] 軟件電路設(shè)計(jì) - 27 -
二 8031單片機(jī)及其擴(kuò)展 - 27 -
[一] 8031單片機(jī)的簡介 - 27 -
[二] 8031單片機(jī)的系統(tǒng)擴(kuò)展 - 28 -
[三] 存儲器擴(kuò)展 - 30 -
[四] I/O口的擴(kuò)展 - 31 -
三 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路 - 32 -
[一] 脈沖分配器(環(huán)行分配器) - 32 -
[二] 光電隔離電路 - 33 -
[三] 功率放大器 - 33 -
[四] 其他輔助電路 - 34 -
四 數(shù)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) - 35 -
[一] 軟件脈沖分配器 - 35 -
[二] 逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)程序 - 37 -
[三] 步進(jìn)電機(jī)升降速軟件設(shè)計(jì) - 38 -
第五章 數(shù)控機(jī)床零件加工程序 - 40 -
第六章 總結(jié)與展望 - 41 -
第一章 緒論
數(shù)控技術(shù)和裝備發(fā)展趨勢
當(dāng)今世界數(shù)控技術(shù)及裝備發(fā)展的趨勢及我國數(shù)控裝備技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化的現(xiàn)狀,在此基礎(chǔ)上討論了在我國加入WTO和對外開放進(jìn)一步深化的新環(huán)境下,發(fā)展我國數(shù)控技術(shù)及裝備、提高我國制造業(yè)信息化水平和國際競爭能力的重要性,并從戰(zhàn)略和策略兩個層面提出了發(fā)展我國數(shù)控技術(shù)及裝備的幾點(diǎn)看法。?
? 裝備工業(yè)的技術(shù)水平和現(xiàn)代化程度決定著整個國民經(jīng)濟(jì)的水平和現(xiàn)代化程度,數(shù)控技術(shù)及裝備是發(fā)展新興高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和尖端工業(yè)(如信息技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)、生物技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)、航空、航天等國防工業(yè)產(chǎn)業(yè))的使能技術(shù)和最基本的裝備。馬克思曾經(jīng)說過“各種經(jīng)濟(jì)時代的區(qū)別,不在于生產(chǎn)什么,而在于怎樣生產(chǎn),用什么勞動資料生產(chǎn)”。制造技術(shù)和裝備就是人類生產(chǎn)活動的最基本的生產(chǎn)資料,而數(shù)控技術(shù)又是當(dāng)今先進(jìn)制造技術(shù)和裝備最核心的技術(shù)。當(dāng)今世界各國制造業(yè)廣泛采用數(shù)控技術(shù),以提高制造能力和水平,提高對動態(tài)多變市場的適應(yīng)能力和競爭能力。此外世界上各工業(yè)發(fā)達(dá)國家還將數(shù)控技術(shù)及數(shù)控裝備列為國家的戰(zhàn)略物資,不僅采取重大措施來發(fā)展自己的數(shù)控技術(shù)及其產(chǎn)業(yè),而且在“高精尖”數(shù)控關(guān)鍵技術(shù)和裝備方面對我國實(shí)行封鎖和限制政策??傊罅Πl(fā)展以數(shù)控技術(shù)為核心的先進(jìn)制造技術(shù)已成為世界各發(fā)達(dá)國家加速經(jīng)濟(jì)發(fā)展、提高綜合國力和國家地位的重要途徑。
??? 數(shù)控技術(shù)是用數(shù)字信息對機(jī)械運(yùn)動和工作過程進(jìn)行控制的技術(shù),數(shù)控裝備是以數(shù)控技術(shù)為代表的新技術(shù)對傳統(tǒng)制造產(chǎn)業(yè)和新興制造業(yè)的滲透形成的機(jī)電一體化產(chǎn)品,即所謂的數(shù)字化裝備,其技術(shù)范圍覆蓋很多領(lǐng)域:(1)機(jī)械制造技術(shù);(2)信息處理、加工、傳輸技術(shù);(3)自動控制技術(shù);(4)伺服驅(qū)動技術(shù);(5)傳感器技術(shù);(6)軟件技術(shù)等。
1 數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢
數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用不但給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來了革命性的變化,使制造業(yè)成為工業(yè)化的象征,而且隨著數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大,他對國計(jì)民生的一些重要行業(yè)(IT、汽車、輕工、意料等)的發(fā)展起著越來越重要的作用,因?yàn)檫@些行業(yè)所需裝備的數(shù)字化已是現(xiàn)代發(fā)展的大趨勢。從目前世界上數(shù)控技術(shù)及其裝備發(fā)展的趨勢來看,其主要研究熱點(diǎn)有以下幾個方面[1~4]。
???1.1 高速、高精加工技術(shù)及裝備的新趨勢
??? 效率、質(zhì)量是先進(jìn)制造技術(shù)的主體。高速、高精加工技術(shù)可極大地提高效率,提高產(chǎn)品的質(zhì)量和檔次,縮短生產(chǎn)周期和提高市場競爭能力。為此日本先端技術(shù)研究會將其列為5大現(xiàn)代制造技術(shù)之一,國際生產(chǎn)工程學(xué)會(CIRP)將其確定為21世紀(jì)的中心研究方向之一。
??? 在轎車工業(yè)領(lǐng)域,年產(chǎn)30萬輛的生產(chǎn)節(jié)拍是40秒/輛,而且多品種加工是轎車裝備必須解決的重點(diǎn)問題之一;在航空和宇航工業(yè)領(lǐng)域,其加工的零部件多為薄壁和薄筋,剛度很差,材料為鋁或鋁合金,只有在高切削速度和切削力很小的情況下,才能對這些筋、壁進(jìn)行加工。近來采用大型整體鋁合金坯料“掏空”的方法來制造機(jī)翼、機(jī)身等大型零件來替代多個零件通過眾多的鉚釘、螺釘和其他聯(lián)結(jié)方式拼裝,使構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度和可靠性得到提高。這些都對加工裝備提出了高速、高精和高柔性的要求。
??? 從EMO2001展會情況來看,高速加工中心進(jìn)給速度可達(dá)80m/min,甚至更高,空運(yùn)行速度可達(dá)100m/min左右。目前世界上許多汽車廠,包括我國的上海通用汽車公司,已經(jīng)采用以高速加工中心組成的生產(chǎn)線部分替代組合機(jī)床。美國CINCINNATI公司的HyperMach機(jī)床進(jìn)給速度最大達(dá)60m/min,快速為100m/min,加速度達(dá)2g,主軸轉(zhuǎn)速已達(dá)60 000r/min。加工一薄壁飛機(jī)零件,只用30min,而同樣的零件在一般高速銑床加工需3h,在普通銑床加工需8h;德國DMG公司的雙主軸車床的主軸速度及加速度分別達(dá)12*!000r/mm和1g。
???
在加工精度方面,近10年來,普通級數(shù)控機(jī)床的加工精度已由10μm提高到5μm,精密級加工中心則從3~5μm,提高到1~1.5μm,并且超精密加工精度已開始進(jìn)入納米級(0.01μm)。
??? 在可靠性方面,國外數(shù)控裝置的MTBF值已達(dá)6 000h以上,伺服系統(tǒng)的MTBF值達(dá)到30000h以上,表現(xiàn)出非常高的可靠性。
為了實(shí)現(xiàn)高速、高精加工,與之配套的功能部件如電主軸、直線電機(jī)得到了快速的發(fā)展,應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步擴(kuò)大。
??1.2 5軸聯(lián)動加工和復(fù)合加工機(jī)床快速發(fā)展
??? 采用5軸聯(lián)動對三維曲面零件的加工,可用刀具最佳幾何形狀進(jìn)行切削,不僅光潔度高,而且效率也大幅度提高。一般認(rèn)為,1臺5軸聯(lián)動機(jī)床的效率可以等于2臺3軸聯(lián)動機(jī)床,特別是使用立方氮化硼等超硬材料銑刀進(jìn)行高速銑削淬硬鋼零件時,5軸聯(lián)動加工可比3軸聯(lián)動加工發(fā)揮更高的效益。但過去因5軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)、主機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜等原因,其價格要比3軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床高出數(shù)倍,加之編程技術(shù)難度較大,制約了5軸聯(lián)動機(jī)床的發(fā)展。
??? 當(dāng)前由于電主軸的出現(xiàn),使得實(shí)現(xiàn)5軸聯(lián)動加工的復(fù)合主軸頭結(jié)構(gòu)大為簡化,其制造難度和成本大幅度降低,數(shù)控系統(tǒng)的價格差距縮小。因此促進(jìn)了復(fù)合主軸頭類型5軸聯(lián)動機(jī)床和復(fù)合加工機(jī)床(含5面加工機(jī)床)的發(fā)展。
??? 在EMO2001展會上,新日本工機(jī)的5面加工機(jī)床采用復(fù)合主軸頭,可實(shí)現(xiàn)4個垂直平面的加工和任意角度的加工,使得5面加工和5軸加工可在同一臺機(jī)床上實(shí)現(xiàn),還可實(shí)現(xiàn)傾斜面和倒錐孔的加工。德國DMG公司展出DMUVoution系列加工中心,可在一次裝夾下5面加工和5軸聯(lián)動加工,可由CNC系統(tǒng)控制或CAD/CAM直接或間接控制。
? 1.3 智能化、開放式、網(wǎng)絡(luò)化成為當(dāng)代數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢
??? 21世紀(jì)的數(shù)控裝備將是具有一定智能化的系統(tǒng),智能化的內(nèi)容包括在數(shù)控系統(tǒng)中的各個方面:為追求加工效率和加工質(zhì)量方面的智能化,如加工過程的自適應(yīng)控制,工藝參數(shù)自動生成;為提高驅(qū)動性能及使用連接方便的智能化,如前饋控制、電機(jī)參數(shù)的自適應(yīng)運(yùn)算、自動識別負(fù)載自動選定模型、自整定等;簡化編程、簡化操作方面的智能化,如智能化的自動編程、智能化的人機(jī)界面等;還有智能診斷、智能監(jiān)控方面的內(nèi)容、方便系統(tǒng)的診斷及維修等。
???
為解決傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)封閉性和數(shù)控應(yīng)用軟件的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)存在的問題。目前許多國家對開放式數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行研究,如美國的NGC(The Next Generation Work-Station/Machine Control)、歐共體的OSACA(Open System Architecture for Control within Automation Systems)、日本的OSEC(Open System Environment for Controller),中國的ONC(Open Numerical Control System)等。數(shù)控系統(tǒng)開放化已經(jīng)成為數(shù)控系統(tǒng)的未來之路。所謂開放式數(shù)控系統(tǒng)就是數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)可以在統(tǒng)一的運(yùn)行平臺上,面向機(jī)床廠家和最終用戶,通過改變、增加或剪裁結(jié)構(gòu)對象(數(shù)控功能),形成系列化,并可方便地將用戶的特殊應(yīng)用和技術(shù)訣竅集成到控制系統(tǒng)中,快速實(shí)現(xiàn)不同品種、不同檔次的開放式數(shù)控系統(tǒng),形成具有鮮明個性的名牌產(chǎn)品。目前開放式數(shù)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)規(guī)范、通信規(guī)范、配置規(guī)范、運(yùn)行平臺、數(shù)控系統(tǒng)功能庫以及數(shù)控系統(tǒng)功能軟件開發(fā)工具等是當(dāng)前研究的核心。
??? 網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控裝備是近兩年國際著名機(jī)床博覽會的一個新亮點(diǎn)。數(shù)控裝備的網(wǎng)絡(luò)化將極大地滿足生產(chǎn)線、制造系統(tǒng)、制造企業(yè)對信息集成的需求,也是實(shí)現(xiàn)新的制造模式如敏捷制造、虛擬企業(yè)、全球制造的基礎(chǔ)單元。國內(nèi)外一些著名數(shù)控機(jī)床和數(shù)控系統(tǒng)制造公司都在近兩年推出了相關(guān)的新概念和樣機(jī),如在EMO2001展中,日本山崎馬扎克(Mazak)公司展出的“CyberProduction Center”(智能生產(chǎn)控制中心,簡稱CPC);日本大隈(Okuma)機(jī)床公司展出“IT plaza”(信息技術(shù)廣場,簡稱IT廣場);德國西門子(Siemens)公司展出的Open Manufacturing Environment(開放制造環(huán)境,簡稱OME)等,反映了數(shù)控機(jī)床加工向網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展的趨勢。
1.4 重視新技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的建立
1.4.1 關(guān)于數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)規(guī)范
??? 如前所述,開放式數(shù)控系統(tǒng)有更好的通用性、柔性、適應(yīng)性、擴(kuò)展性,美國、歐共體和日本等國紛紛實(shí)施戰(zhàn)略發(fā)展計(jì)劃,并進(jìn)行開放式體系結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)規(guī)范(OMAC、OSACA、OSEC)的研究和制定,世界3個最大的經(jīng)濟(jì)體在短期內(nèi)進(jìn)行了幾乎相同的科學(xué)計(jì)劃和規(guī)范的制定,預(yù)示了數(shù)控技術(shù)的一個新的變革時期的來臨。我國在2000年也開始進(jìn)行中國的ONC數(shù)控系統(tǒng)的規(guī)范框架的研究和制定。
?? 1.4.2 關(guān)于數(shù)控標(biāo)準(zhǔn)
??? 數(shù)控標(biāo)準(zhǔn)是制造業(yè)信息化發(fā)展的一種趨勢。數(shù)控技術(shù)誕生后的50年間的信息交換都是基于ISO6983標(biāo)準(zhǔn),即采用G,M代碼描述如何(how)加工,其本質(zhì)特征是面向加工過程,顯然,他已越來越不能滿足現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)高速發(fā)展的需要。為此,國際上正在研究和制定一種新的CNC系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)ISO14649(STEP-NC),其目的是提供一種不依賴于具體系統(tǒng)的中性機(jī)制,能夠描述產(chǎn)品整個生命周期內(nèi)的統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型,從而實(shí)現(xiàn)整個制造過程,乃至各個工業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)品信息的標(biāo)準(zhǔn)化。
??? STEP-NC的出現(xiàn)可能是數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域的一次革命,對于數(shù)控技術(shù)的發(fā)展乃至整個制造業(yè),將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。首先,STEP-NC提出一種嶄新的制造理念,傳統(tǒng)的制造理念中,NC加工程序都集中在單個計(jì)算機(jī)上。而在新標(biāo)準(zhǔn)下,NC程序可以分散在互聯(lián)網(wǎng)上,這正是數(shù)控技術(shù)開放式、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展的方向。其次,STEP-NC數(shù)控系統(tǒng)還可大大減少加工圖紙(約75%)、加工程序編制時間(約35%)和加工時間(約50%)。
??? 目前,歐美國家非常重視STEP-NC的研究,歐洲發(fā)起了STEP-NC的IMS計(jì)劃(1999.1.1~2001.12.31)。參加這項(xiàng)計(jì)劃的有來自歐洲和日本的20個CAD/CAM/CAPP/CNC用戶、廠商和學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)。美國的STEP Tools公司是全球范圍內(nèi)制造業(yè)數(shù)據(jù)交換軟件的開發(fā)者,他已經(jīng)開發(fā)了用作數(shù)控機(jī)床加工信息交換的超級模型(Super Model),其目標(biāo)是用統(tǒng)一的規(guī)范描述所有加工過程。目前這種新的數(shù)據(jù)交換格式已經(jīng)在配備了SIEMENS、FIDIA以及歐洲OSACA-NC數(shù)控系統(tǒng)的原型樣機(jī)上進(jìn)行了驗(yàn)證。
???2 對我國數(shù)控技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基本估計(jì)
???我國數(shù)控技術(shù)起步于1958年,近50年的發(fā)展歷程大致可分為3個階段:第一階段從1958年到1979年,即封閉式發(fā)展階段。在此階段,由于國外的技術(shù)封鎖和我國的基礎(chǔ)條件的限制,數(shù)控技術(shù)的發(fā)展較為緩慢。第二階段是在國家的“六五”、“七五”期間以及“八五”的前期,即引進(jìn)技術(shù),消化吸收,初步建立起國產(chǎn)化體系階段。在此階段,由于改革開放和國家的重視,以及研究開發(fā)環(huán)境和國際環(huán)境的改善,我國數(shù)控技術(shù)的研究、開發(fā)以及在產(chǎn)品的國產(chǎn)化方面都取得了長足的進(jìn)步。第三階段是在國家的“八五”的后期和“九五”期間,即實(shí)施產(chǎn)業(yè)化的研究,進(jìn)入市場競爭階段。在此階段,我國國產(chǎn)數(shù)控裝備的產(chǎn)業(yè)化取得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)步。在“九五”末期,國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的國內(nèi)市場占有率達(dá)50%,配國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)(普及型)也達(dá)到了10%。
??? 縱觀我國數(shù)控技術(shù)近50年的發(fā)展歷程,特別是經(jīng)過4個5年計(jì)劃的攻關(guān),總體來看取得了以下成績。
??? a.奠定了數(shù)控技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ),基本掌握了現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)。我國現(xiàn)在已基本掌握了從數(shù)控系統(tǒng)、伺服驅(qū)動、數(shù)控主機(jī)、專機(jī)及其配套件的基礎(chǔ)技術(shù),其中大部分技術(shù)已具備進(jìn)行商品化開發(fā)的基礎(chǔ),部分技術(shù)已商品化、產(chǎn)業(yè)化。
??? b.初步形成了數(shù)控產(chǎn)業(yè)基地。在攻關(guān)成果和部分技術(shù)商品化的基礎(chǔ)上,建立了諸如華中數(shù)控、航天數(shù)控等具有批量生產(chǎn)能力的數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠。蘭州電機(jī)廠、華中數(shù)控等一批伺服系統(tǒng)和伺服電機(jī)生產(chǎn)廠以及北京第一機(jī)床廠、濟(jì)南第一機(jī)床廠等若干數(shù)控主機(jī)生產(chǎn)廠。這些生產(chǎn)廠基本形成了我國的數(shù)控產(chǎn)業(yè)基地。
??? c.建立了一支數(shù)控研究、開發(fā)、管理人才的基本隊(duì)伍。
雖然在數(shù)控技術(shù)的研究開發(fā)以及產(chǎn)業(yè)化方面取得了長足的進(jìn)步,但我們也要清醒地認(rèn)識到,我國高端數(shù)控技術(shù)的研究開發(fā),尤其是在產(chǎn)業(yè)化方面的技術(shù)水平現(xiàn)狀與我國的現(xiàn)實(shí)需求還有較大的差距。雖然從縱向看我國的發(fā)展速度很快,但橫向比(與國外對比)不僅技術(shù)水平有差距,在某些方面發(fā)展速度也有差距,即一些高精尖的數(shù)控裝備的技術(shù)水平差距有擴(kuò)大趨勢。從國際上來看,對我國數(shù)控技術(shù)水平和產(chǎn)業(yè)化水平估計(jì)大致如下。
??? a.技術(shù)水平上,與國外先進(jìn)水平大約落后10~15年,在高精尖技術(shù)方面則更大。
??? b.產(chǎn)業(yè)化水平上,市場占有率低,品種覆蓋率小,還沒有形成規(guī)模生產(chǎn);功能部件專業(yè)化生產(chǎn)水平及成套能力較低;外觀質(zhì)量相對差;可靠性不高,商品化程度不足;國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)尚未建立自己的品牌效應(yīng),用戶信心不足。
??? c.可持續(xù)發(fā)展的能力上,對競爭前數(shù)控技術(shù)的研究開發(fā)、工程化能力較弱;數(shù)控技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域拓展力度不強(qiáng);相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的研究、制定滯后。
??? 分析存在上述差距的主要原因有以下幾個方面。
??? a.認(rèn)識方面。對國產(chǎn)數(shù)控產(chǎn)業(yè)進(jìn)程艱巨性、復(fù)雜性和長期性的特點(diǎn)認(rèn)識不足;對市場的不規(guī)范、國外的封鎖加扼殺、體制等困難估計(jì)不足;對我國數(shù)控技術(shù)應(yīng)用水平及能力分析不夠。
??? b.體系方面。從技術(shù)的角度關(guān)注數(shù)控產(chǎn)業(yè)化問題的時候多,從系統(tǒng)的、產(chǎn)業(yè)鏈的
角度綜合考慮數(shù)控產(chǎn)業(yè)化問題的時候少;沒有建立完整的高質(zhì)量的配套體系、完善的培訓(xùn)、服務(wù)網(wǎng)絡(luò)等支撐體系。
??? c.機(jī)制方面。不良機(jī)制造成人才流失,又制約了技術(shù)及技術(shù)路線創(chuàng)新、產(chǎn)品創(chuàng)新,且制約了規(guī)劃的有效實(shí)施,往往規(guī)劃理想,實(shí)施困難。
??? d.技術(shù)方面。企業(yè)在技術(shù)方面自主創(chuàng)新能力不強(qiáng),核心技術(shù)的工程化能力不強(qiáng)。機(jī)床標(biāo)準(zhǔn)落后,水平較低,數(shù)控系統(tǒng)新標(biāo)準(zhǔn)研究不夠。
???
3 對我國數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的戰(zhàn)略思考
?3.1 戰(zhàn)略考慮
??? 我國是制造大國,在世界產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移中要盡量接受前端而不是后端的轉(zhuǎn)移,即要掌握先進(jìn)制造核心技術(shù),否則在新一輪國際產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整中,我國制造業(yè)將進(jìn)一步“空芯”。我們以資源、環(huán)境、市場為代價,交換得到的可能僅僅是世界新經(jīng)濟(jì)格局中的國際“加工中心”和“組裝中心”,而非掌握核心技術(shù)的制造中心的地位,這樣將會嚴(yán)重影響我國現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展進(jìn)程。
??? 我們應(yīng)站在國家安全戰(zhàn)略的高度來重視數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)問題,首先從社會安全看,因?yàn)橹圃鞓I(yè)是我國就業(yè)人口最多的行業(yè),制造業(yè)發(fā)展不僅可提高人民的生活水平,而且還可緩解我國就業(yè)的壓力,保障社會的穩(wěn)定;其次從國防安全看,西方發(fā)達(dá)國家把高精尖數(shù)控產(chǎn)品都列為國家的戰(zhàn)略物質(zhì),對我國實(shí)現(xiàn)禁運(yùn)和限制,“東芝事件”和“考克斯報告”就是最好的例證。
?3.2 發(fā)展策略
??? 從我國基本國情的角度出發(fā),以國家的戰(zhàn)略需求和國民經(jīng)濟(jì)的市場需求為導(dǎo)向,以提高我國制造裝備業(yè)綜合競爭能力和產(chǎn)業(yè)化水平為目標(biāo),用系統(tǒng)的方法,選擇能夠主導(dǎo)21世紀(jì)初期我國制造裝備業(yè)發(fā)展升級的關(guān)鍵技術(shù)以及支持產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的支撐技術(shù)、配套技術(shù)作為研究開發(fā)的內(nèi)容,實(shí)現(xiàn)制造裝備業(yè)的跨躍式發(fā)展。
??? 強(qiáng)調(diào)市場需求為導(dǎo)向,即以數(shù)控終端產(chǎn)品為主,以整機(jī)(如量大面廣的數(shù)控車床、銑床、高速高精高性能數(shù)控機(jī)床、典型數(shù)字化機(jī)械、重點(diǎn)行業(yè)關(guān)鍵設(shè)備等)帶動數(shù)控產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。重點(diǎn)解決數(shù)控系統(tǒng)和相關(guān)功能部件(數(shù)字化伺服系統(tǒng)與電機(jī)、高速電主軸系統(tǒng)和新型裝備的附件等)的可靠性和生產(chǎn)規(guī)模問題。沒有規(guī)模就不會有高可靠性的產(chǎn)品;沒有規(guī)模就不會有價格低廉而富有競爭力的產(chǎn)品。
第二章 數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
一 總體方案設(shè)計(jì)內(nèi)容
接到一個數(shù)控裝置的設(shè)計(jì)任務(wù)以后,必須首先擬定總體方案,繪制系統(tǒng)總體框圖,才能決定各種設(shè)計(jì)參數(shù)和結(jié)構(gòu),然后再分別對機(jī)械部分和電氣部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。
機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)總體方案的擬定包括以下內(nèi)容:系統(tǒng)運(yùn)動方式的確定、伺服系統(tǒng)的選擇、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及傳動方式的確定,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的選擇等內(nèi)容。
一般應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)和要求提出數(shù)個總體方案,進(jìn)行綜合分析、比較和論證,最后確定一個可行的總體方案。
一、 系統(tǒng)運(yùn)動方式的確定
數(shù)控系統(tǒng)按運(yùn)動方式可分為點(diǎn)位控制系統(tǒng)、點(diǎn)位直線控制系統(tǒng)和連續(xù)控制系統(tǒng)。
二、 控制方式的選擇
系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)、半閉環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。
經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床普遍采用開環(huán)伺服系統(tǒng)。開環(huán)控制系統(tǒng)中,沒有檢測反饋裝置,數(shù)控裝置發(fā)出的信號的流程是單向的,也正是由于信號的單向流程,它對機(jī)床移動部件的實(shí)際位置不做檢測,所以機(jī)床加工精度要求不太高,其精度主要取決于伺服系統(tǒng)的性能。開環(huán)伺服系統(tǒng)主要由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動。這類機(jī)床工作比較穩(wěn)定,反應(yīng)迅速,調(diào)試和維修都比較簡單。
二 總體方案確定
(1)、系統(tǒng)的運(yùn)動方式伺服系統(tǒng)的選擇
由于改造后的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床應(yīng)具備定位,直線插補(bǔ),順、逆圓弧插補(bǔ),暫停,循環(huán)加工,公英制螺紋加工等功能,故應(yīng)選擇連續(xù)控制系統(tǒng)??紤]達(dá)到屬于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床加工精度要求不高,為了簡化結(jié)構(gòu)、降低成本,采用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)。
(2)、數(shù)控系統(tǒng)
根據(jù)機(jī)床要求,采用8位微機(jī)。由于MCS-51系列單片機(jī)具有集成度高,可靠性好,功能強(qiáng),速度快,抗干擾性強(qiáng),具有很高的性能價格比等特點(diǎn),決定采用MCS-51系列的8031單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng)。
控制系統(tǒng)由微機(jī)部分、鍵盤及顯示器、I/O接口及光電隔離電路、步進(jìn)電機(jī)功率放大電路等組成,系統(tǒng)的加工程序和控制命令通過鍵盤操作實(shí)現(xiàn),顯示器采用數(shù)碼管顯示加工數(shù)據(jù)及機(jī)床狀態(tài)等信息。
(3)、機(jī)械傳動方式
為實(shí)現(xiàn)機(jī)床所要求的分辨率,采用步進(jìn)電機(jī)經(jīng)齒輪減速再傳動絲桿,為保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性,盡量減少摩擦力,選用滾珠絲桿螺母副。同時,為提高傳動剛度和消除間隙,采用預(yù)加負(fù)荷的結(jié)構(gòu)。齒輪傳動也要采用消除齒輪間隙的結(jié)構(gòu)。
系統(tǒng)總體方案框圖如下:
圖1—系統(tǒng)總體方案框圖
第三章 進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算
一 選擇脈沖當(dāng)量
脈沖當(dāng)量是衡量數(shù)控機(jī)床加工精度的一個基本技術(shù)參數(shù)。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床、銑床常采用的脈沖當(dāng)量是0.01~0.005mm/step。
根據(jù)機(jī)床精度要求確定脈沖當(dāng)量:
縱向:0.01mm/step, 橫向:0.005mm/step(半徑)
二 計(jì)算切削力
用車床經(jīng)驗(yàn)公式F=D來計(jì)算主切削力
式中D指車床身上最大加工直徑(mm)。橫切端面時主切削力可取縱切時F的1/2。
求出主切削里F以后再按以下比例分別求出分力F和F。
F:F:F=1 :0.25 :0.5
式中 F:指走刀方向的切削力(N);
F:指垂直走刀方向的切削力(N)。
下圖為縱切和橫切時切削力的示意圖。
圖2—縱切和橫切時切削力的示意圖
1、 縱車外圓
主切削力F(N)按經(jīng)驗(yàn)公式估計(jì)算:
F=D= (N)
按切削力各分力比例:
F:F:F=1 :0.25 :0.4
F(N)
F(N)
2、 橫切端面
主切削力(N)可取縱切的1/2。
(N)
(N)
(N)
三 滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型
(一) 縱向進(jìn)給絲杠
1、 計(jì)算進(jìn)給軸向力F(N)
縱向進(jìn)給這里為三角形導(dǎo)軌:F
式中K:指顛覆力矩影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù),綜合導(dǎo)軌取K=1.15;
:指滑動導(dǎo)軌摩擦系數(shù)取0.15~0.18之間的值;
G:指流板及刀架重力,G=1100N。
則 F=(N)
2、 計(jì)算最大動負(fù)載Q
考慮滾珠絲杠在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中沖擊擾動對壽命的影響,則最大動負(fù)載Q的計(jì)算公式為:
Q
L
n
式中 :指滾珠絲杠導(dǎo)程,初選=8;
n:指絲杠轉(zhuǎn)速,(r/min);
:指最大切削力條件下的進(jìn)給速度(m/min),可取最高進(jìn)給速度的1/2~1/3,此處取=0.3;
:指使用壽命時間(h),對于數(shù)控機(jī)床取T=15000h.。
L:指壽命,以10轉(zhuǎn)為一單位;
:指運(yùn)動系數(shù),見表1,選=1.3。
表1—運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)
運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)
運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)
無沖擊運(yùn)轉(zhuǎn)
1.0~1.2
一般運(yùn)轉(zhuǎn)
1.2~1.5
有沖擊運(yùn)轉(zhuǎn)
1.5`-~2.5
則 n( r/min)
L
Q(N)
3、 滾珠絲杠螺母副的選型
從手冊或樣本的滾珠絲杠副的尺寸系列表中可以找到相應(yīng)的動負(fù)載C的滾珠絲杠副的尺寸規(guī)格和結(jié)構(gòu)類型,選用時應(yīng)滿足Q C的條件。
查表:可采用WL5008外循環(huán)調(diào)整預(yù)緊的雙螺母滾珠絲杠副,2.5圈1列,其額定動負(fù)載為23400N,符合Q C的條件。精度等級按表 2,選為1級。
Vmm
表 2—滾珠絲杠行程公差
項(xiàng)目
符號
有效行程(mm)
精度等級
1
2
3
4
5
目標(biāo)行程公差
e
6
8
12
16
23
315~400
7
9
13
18
25
400~500
8
10
15
20
27
500~630
9
11
16
22
30
行程變動量公差
V
6
8
12
16
23
315~400
6
8
12
17
25
400~500
7
10
13
19
26
500~630
7
11
14
21
29
任意300 mm內(nèi)行程變動量
V
6
8
12
16
23
2弧度內(nèi)行程變動量
V
4
5
6
7
8
4、傳動效率計(jì)算
式中 :指螺旋升角,=255
:指摩擦角,滾珠絲杠副的滾動摩擦系數(shù)其摩擦角,約等于。
則
5、剛度驗(yàn)算
先畫出此縱向進(jìn)給滾珠絲杠支承方式草圖,如圖3所示,最大軸向力為N,支承間距L=1500mm, 絲杠螺母及軸承均進(jìn)行預(yù)緊,預(yù)緊力為最大軸向負(fù)荷的1/3。
圖3—縱向進(jìn)給系統(tǒng)計(jì)算簡圖
計(jì)算如下:
(1) 絲杠的拉伸或壓縮變形量(mm)
F=N,
L=8mm,
EN/mm(材料彈性模數(shù),對鋼來說是等于這個值),
mm, R=2.477, e=0.068mm
則 d( mm)
A(mm) (A指滾珠絲杠按內(nèi)徑定的 截面積)
絲杠導(dǎo)程L的變化量為:
總長度L=1500mm,絲杠上的變形量,由于兩端均采用推力球軸承,則值:
(mm)
(2) 滾珠與螺紋滾道間接觸變形(mm)
由d=4.763mm, F=kgf,
承載滾珠數(shù)量 ZZ
由于滾珠絲杠副施加預(yù)應(yīng)力,且預(yù)應(yīng)力F為軸向負(fù)載的1/3,則變形
=0.0013
(mm)
(3) 支承滾珠絲杠軸承的軸向接觸形變(mm)
這里采用有預(yù)緊時的推力球軸承則
查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》中表6-2-82,采用51109型推力球軸承,其d=45mm,
滾動體直徑D=3.969 mm, 滾動體數(shù)量Z=22,
(mm)
則定位誤差
=0.01785mm0.025mm(規(guī)定定位精度)
6、穩(wěn)定性校核
滾珠絲杠兩端采用推力軸承,不會產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象,故不需作穩(wěn)定性校核。
(二) 橫向進(jìn)給絲杠
1、 計(jì)算進(jìn)給軸向力
橫向?qū)к墳檠辔残?,?jì)算如下:
由于是燕尾形導(dǎo)軌式中: K=1.4,=0.2
則 N
2、計(jì)算最大動負(fù)載Q
n( r/min)
L
Q(N)
查表:可采用WL2506外循環(huán)調(diào)整預(yù)緊的雙螺母滾珠絲杠副,2.5圈1列,其額定動負(fù)載為13100N,符合Q C的條件。精度等級按表 2—滾珠絲杠行程公差表,選為1級。
Vmm
4、傳動效率計(jì)算
5、剛度驗(yàn)算
橫向進(jìn)給滾珠絲杠支承方式如圖4所示,最大軸向力為2759N,支承間距L=550mm, 因絲杠長度較短,不需要預(yù)緊。
圖4—橫向進(jìn)給系統(tǒng)計(jì)算簡圖
計(jì)算如下:
(1) 絲杠的拉伸或壓縮變形量(mm)
根據(jù) N, D=25mm, EN/mm, R=2.064, e=0.056mm
d( mm)
A(mm)
(mm)
(2) 滾珠與螺紋滾道間接觸變形(mm)
對滾珠絲杠副施加預(yù)緊力F為軸向負(fù)載的1/3。
由 mm, kgf
承載滾珠數(shù)量 ZZ
=0.0013
(mm)
(3) 支承滾珠絲杠軸承的軸向接觸形變(mm)
這里采用有預(yù)緊時的推力球軸承則
查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》中表6-2-82,采用51104型推力球軸承,其d=20mm,
滾動體直徑D=3.175 mm, 滾動體數(shù)量Z=14,
(mm)
則定位誤差
=0.03682 (mm)
顯然變形量已大于規(guī)定的定位精度(),應(yīng)該采取相應(yīng)的措施修改,因橫向溜板空間限制,不宜加大滾珠絲杠直徑,故采用貼塑導(dǎo)軌來減少摩擦力,從而減少軸向力,采用貼塑導(dǎo)軌=0.03~0.05。重新計(jì)算如下:
N
Q(N)
由此可知:滾珠絲杠螺母副和軸承的型號可不改變。
此時的變形量為:
(mm)
=0.0013 (mm)
(mm)
定位誤差
0.02412 (mm) 0.025mm(規(guī)定定位精度)
6、穩(wěn)定性校核
臨界負(fù)載與工作負(fù)載 之比稱為穩(wěn)定性系數(shù),如果,則壓桿穩(wěn)定,為許用穩(wěn)定性安全系數(shù),一般=2.5~4。
計(jì)算臨界負(fù)載(N):
式中 E:指絲杠材料彈性模量,對鋼E(N/mm);
J:指截面慣性矩(mm),絲杠截面慣性矩J(為絲杠螺紋的底徑);
:絲杠兩支承端距離(mm);
:絲杠支承方式系數(shù),見表3,這里。
表3—滾珠絲杠支承方式系數(shù)
方式
一端固定一端自由
兩端簡支
一端固定一端簡支
兩端固定
0.25
1.00
2.00
4.00
則 N
所以此絲杠不會產(chǎn)生失穩(wěn)。
(三)縱向及橫向滾珠絲杠副幾何參數(shù)
其幾何參數(shù)見表:
表4—WL5008及WL2506滾珠絲杠幾何參數(shù)
名稱
符號
WL5008
WL2506
螺 紋 滾 道
公稱直徑
50
25
導(dǎo)程
8
6
接觸角
鋼球直徑
4.763
3.969
滾道法面半徑
2.477
2.064
偏心距
0.068
0.056
螺紋升角
螺 桿
絲杠外徑
48.5
24
絲杠內(nèi)徑
45.182
20.984
螺桿接觸直徑
40.424
17.025
螺 母
螺母螺紋直徑
54.818
29.016
螺母內(nèi)徑
51.190
25.992
四 齒輪進(jìn)給齒輪箱傳動比計(jì)算
1、縱向進(jìn)給齒輪箱傳動比計(jì)算
已確定縱向進(jìn)給脈沖當(dāng)量,滾珠絲杠導(dǎo)程,初選步進(jìn)電機(jī)步距角,可計(jì)算出傳動比:
在閉式軟齒面齒輪傳動中,齒輪的彎曲強(qiáng)度總是足夠的,因此齒數(shù)可取多些,推薦取Z=24~40。所以可選定齒輪數(shù)為:
2、橫向進(jìn)給齒輪箱傳動比計(jì)算
已確定縱向進(jìn)給脈沖當(dāng)量,滾珠絲杠導(dǎo)程,初選步進(jìn)電機(jī)步距角,可計(jì)算出傳動比:
可選定齒輪數(shù)為:
因進(jìn)給運(yùn)動齒輪受力不大,模數(shù)m取2。有關(guān)參數(shù)參照表5。
表5—傳動齒輪幾何參數(shù)
所處位置
縱 向
橫 向
齒數(shù)
24
40
18
45
分度圓直徑
48
80
36
90
齒頂圓直徑
52
84
40
94
齒根圓直徑
43
75
31
85
齒寬
(6~10)m
16
16
16
16
中心距
64
63
五 步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選型
(一) 縱向進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)計(jì)算
1、 等效轉(zhuǎn)動慣量計(jì)算
傳動系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總的轉(zhuǎn)動慣量可由下式計(jì)算:
式中 :指步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量;
、:指齒輪、的轉(zhuǎn)動慣量;
:指滾珠絲杠轉(zhuǎn)動慣量;
:指工件及工作臺重量(N);
:指絲杠導(dǎo)程();
參考同類型機(jī)床,初選反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)150BF,其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量。
(分別表示齒輪的分度圓直徑和齒寬)
(分別表示齒輪的分度圓直徑和齒寬)
(分別表示縱向滾珠絲杠的公稱直徑和支承間距)
把這些數(shù)據(jù)代入上式:
2、 電機(jī)力矩計(jì)算
機(jī)床在不同的工況下,其所需轉(zhuǎn)矩不同,下面分別按個階段計(jì)算:
(1)快速空載起動力矩
在快速空載起動階段,加速度所占的比例較大,具體計(jì)算公式如下:
以上式中 :指空載起動時折算到電機(jī)軸上的加速度力矩();
:指折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩();
:指絲杠預(yù)緊時折算到電機(jī)軸上的附加摩擦力矩();
:指傳動系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總的轉(zhuǎn)動慣量;
:指電機(jī)最大角加速度();
:指電機(jī)最大轉(zhuǎn)速();
:指運(yùn)動部件最大進(jìn)給速度();
:指脈沖當(dāng)量();
:指步進(jìn)電機(jī)步距角();
:指運(yùn)動部件從停止起動到最大快進(jìn)速度所需時間(s),這里是30ms;
:指導(dǎo)程的摩擦力(N),;
:指垂直方向的切削力(N);
:指工件及工作臺重量(N);
:指導(dǎo)軌摩擦系數(shù),;
:指運(yùn)動部件的總重量(N);
:指齒輪降速比;按計(jì)算;
:指傳動鏈總效率,一般可??;
:指滾珠絲杠預(yù)加負(fù)載,一般取/3,為進(jìn)給軸向力(N);
:指滾珠絲杠導(dǎo)程;
:指滾珠絲杠未加預(yù)緊時的傳動效率,一般取。
將以前計(jì)算所得數(shù)據(jù)代入:
()
()
()
則 ()
(2)快速移動時所需力矩
()
(3)最大切削負(fù)載時所需力矩
()
從上面計(jì)算可以看出,、和三種工況下,以快速空載起動所需力矩最大,以此項(xiàng)作為初選步進(jìn)電機(jī)的依據(jù)。
由表6得:當(dāng)步進(jìn)電機(jī)為三相六拍時,,則(N)。
表6—步進(jìn)電機(jī)起動轉(zhuǎn)距與最大靜轉(zhuǎn)距關(guān)系
步進(jìn)
電機(jī)
相 數(shù)
三 相
四 相
五 相
六 相
拍 數(shù)
3
6
4
8
5
10
6
12
0.5
0.866
0.707
0.809
0.951
0.866
0.866
按此最大靜轉(zhuǎn)距從表中查出,150BF002型最大靜轉(zhuǎn)距為13.72,大于所需最大靜轉(zhuǎn)距,可作為初選型號,但還必須進(jìn)一步考核步進(jìn)電機(jī)起動矩頻特性和運(yùn)動矩頻特性。
3、 計(jì)算步進(jìn)電機(jī)空載起動頻率和切削時的工作頻率
可查出150BF002型步進(jìn)電機(jī)允許的最高空載啟動頻率為2800運(yùn)行頻率為8000,再從圖5查出150BF002步進(jìn)電機(jī)起動矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性。從圖中看出,當(dāng)步進(jìn)電機(jī)起動時,遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足此機(jī)床所要求的空載起動力矩(800.77),直接使用則會出現(xiàn)失步,所以必須采用升降速控制(用軟件實(shí)現(xiàn)),半起動頻率降到1000,起動力矩可提高到588.4,然后在電路上再采用高低壓驅(qū)動電路,還可以將步進(jìn)電機(jī)輸出力矩?cái)U(kuò)大一倍左右。當(dāng)快速運(yùn)動和切削進(jìn)給時,150BF002型步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行矩頻則完全可以滿足要求。
圖5—150BF002型步進(jìn)電機(jī)起動矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性
(二) 橫向進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)計(jì)算和選型
與縱向進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)計(jì)算的方法一樣,如果縱向的步進(jìn)電機(jī)能滿足條件那橫向的就也可以滿足條件,則這選用與縱向相同的步進(jìn)電機(jī)。
第四章 微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
一 微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)綱要
[一] 硬件電路設(shè)計(jì)
硬件是組成系統(tǒng)的基礎(chǔ),也是軟件編程的前提,數(shù)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)包括以下幾部分內(nèi)容:
1、 繪制系統(tǒng)電氣控制的結(jié)構(gòu)框圖
據(jù)總體方案及機(jī)械結(jié)構(gòu)的控制要求,確定硬件電路的總體方案,繪制電氣控制結(jié)構(gòu)圖。
機(jī)床硬件電路由五部分組成:
(1) 主控制器,即中央處理單元CPU;
(2) 總線,包括數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線;
(3) 存儲器,包括程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器;
(4) 接口,即輸入/輸出接口電路;
(5) 外圍設(shè)備,如鍵盤、顯示器等。
機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)硬件框圖如圖6所示:
圖6—機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)硬件框圖(開環(huán)系統(tǒng))
2、 選擇中央處理單元CPU的類型
根據(jù)設(shè)計(jì)要求,CNC系統(tǒng)的主CPU采用8031單片機(jī)。
3、 存儲器擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)
存儲器擴(kuò)展包括數(shù)據(jù)存儲器和程序存儲器擴(kuò)展兩部分。
選擇EPROM作程序存儲器時,應(yīng)考慮:
(1) 速度應(yīng)與CPU時鐘匹配;
(2) 容量適中。
4、 I/O接口電路設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)內(nèi)容包括:據(jù)外部要求選用I/O接口芯片,步進(jìn)電機(jī)伺服控制電路,鍵盤、顯示部分以及其他輔助電路設(shè)計(jì)(如復(fù)位、掉電保護(hù)等)。這部分設(shè)計(jì)要求考慮系統(tǒng)的驅(qū)動能力。驅(qū)動能力不足時,系統(tǒng)工作不可靠。
在存儲器擴(kuò)展和I/O接口電路中,均涉及到地址譯碼問題。
[二] 軟件電路設(shè)計(jì)
軟件是硬件的補(bǔ)充。確定硬件電路后,根據(jù)系統(tǒng)功能要求設(shè)計(jì)軟件。
1、 軟件設(shè)計(jì)步驟
軟件設(shè)計(jì)步驟分為以下幾步:
(3) 據(jù)軟件要求實(shí)現(xiàn)的功能,制定出軟件技術(shù)要求;
(4) 將整個軟件模塊化,確定個模塊的編制要求,包括個模塊功能,入口參數(shù),出口參數(shù);
(5) 據(jù)硬件資源,合理分配好存儲單元;
(6) 分別對個模塊編程,并調(diào)試;
(7) 連接各模塊,進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)試及優(yōu)化;
(8) 固化到程序存儲器中。
2、 數(shù)控系統(tǒng)中常用的軟件模塊
(1) 軟件實(shí)現(xiàn)環(huán)形分配器;
(2) 插補(bǔ)運(yùn)算模塊;
(3) 自動升降速控制模塊等。
二 8031單片機(jī)及其擴(kuò)展
[一] 8031單片機(jī)的簡介
1、8031芯片引腳及片外總線結(jié)構(gòu)
(1)8031芯片引腳功能
8031芯片有40個引腳,引腳配置見圖7:
圖7—8031芯片引腳
(2)各引腳按功能可分為三部分:
l I/O口線:P0,P1,P2,P3共4個8位口;
l 控制口線:,ALE,,RST;
l 電源及時鐘:V、V;XTAL1,XTAL2。
(3)應(yīng)用特性:
l I/O口線不能都用作用戶I/O口線;
l I/O口的驅(qū)動能力,P0口可驅(qū)動8個TTL門電路,P1,P2,P3則只能驅(qū)動4個;
l P3是雙重功能口。
2、8031單片機(jī)片內(nèi)結(jié)構(gòu)
8031單片機(jī)由7個部件組成,既微處理器(CPU)、數(shù)據(jù)存儲器(RAM)、特殊功能寄存器、I/O口、串行口、定時/計(jì)數(shù)器及中斷系統(tǒng),它們都是通過片內(nèi)單一總線連接而成的。
[二] 8031單片機(jī)的系統(tǒng)擴(kuò)展
8031單片機(jī)內(nèi)無程序存儲器,如不擴(kuò)展外部程序存儲器則不能工作,且片內(nèi)僅有128字節(jié)數(shù)據(jù)存儲器,對于需要較多數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的程序來說,片內(nèi)RAM也不夠用,須擴(kuò)展。8031片內(nèi)四個I/O口中僅P1口可作為8位雙向的I/O接口用戶使用,也須擴(kuò)展,有些情況還須擴(kuò)展定時/計(jì)數(shù)器等。
1、8031的片外總線結(jié)構(gòu)
所有的外部芯片都通過三組總線進(jìn)行擴(kuò)展:
(1) 數(shù)據(jù)總線(DB):由P0口提供,數(shù)據(jù)總線要連接到連接的所有外圍芯片上,但在同一時間只能夠有一個是有效的數(shù)據(jù)傳輸通道。
(2) 地址總線(AB):16位,可尋址范圍為64K字節(jié),AB由P0口提供低8位地址,與數(shù)據(jù)分時傳送,傳送數(shù)據(jù)時將低8位地址鎖存。高8位地址由P2口提供。
(3) 控制總線(CB):系統(tǒng)擴(kuò)展用控制總線有、、、ALE、。
2、系統(tǒng)擴(kuò)展能力
據(jù)地址總線的寬度,在片外可擴(kuò)展的存儲器最大容量為64K字節(jié)。
片外數(shù)據(jù)存儲器與程序存儲器的操作使用不同的指令和控制信號。允許兩者的地址重復(fù)。故片外可擴(kuò)展的數(shù)據(jù)存儲器與程序存儲器分別為64K。
擴(kuò)展的I/O口與片外數(shù)據(jù)存儲器統(tǒng)一編址,不再另外提供地址線。
3、地址鎖存器
8031擴(kuò)展系統(tǒng)時,由P0口提供數(shù)據(jù)及低8位地址,分時傳送,故須地址鎖存。常用的地址鎖存器芯片是74LS373(帶三態(tài)緩沖輸出的8D觸發(fā)器),其引腳及連接見圖8。
圖8—74LS373引腳及連接圖
圖中:
D~D:信號輸入端;
Q~Q:信號輸出端;
G:下降沿時,將D~D鎖存于內(nèi)部;
E:使能端,E=0時,三態(tài)門處于導(dǎo)通狀態(tài),輸出端Q~Q與輸入端D~D連通,當(dāng)E=1時,輸出三態(tài)門斷開,輸入數(shù)據(jù)鎖存。
4、地址譯碼
8031擴(kuò)展電路中,都涉及到外部地址空間分配問題,即當(dāng)8031數(shù)據(jù)總線分時與多個外圍芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時,首先要進(jìn)行片選,然后再進(jìn)行片內(nèi)地址選擇。
地址譯碼實(shí)現(xiàn)片選的方法可分為三種:線選法、全地址譯碼法和部分地址譯碼法。這里選用部分地址譯碼法。這種方法是線選與地址譯碼相結(jié)合。圖9為74LS138碼器的引腳圖。
當(dāng)G時,74LS138工作。C、B、A的輸出決定譯碼器的輸出引腳。
圖9—74LS138引腳圖
[三] 存儲器擴(kuò)展
1、存儲器常用芯片
(1)EPROM芯片
常用的程序存儲器芯片(EPROM)有2761(2K8)、2732(4K8)、2764(8K8)、
27128(16K8)、27256(32K8)和27512(64K8)等,均為28腳雙列直插式扁平封裝長片,圖10為常用EPROM引腳。
圖10—常用EPROM引腳排列
EPROM選用原則:
(a) 據(jù)控制對象和任務(wù)的復(fù)雜程度,以及是否需要大量計(jì)算來確定存儲系統(tǒng)容量(粗略估計(jì),留有一定余地,以備系統(tǒng)的功能擴(kuò)展用),為使電路簡化,盡可能選擇大容量芯片,以減少芯片組合。
(b) 芯片的工作速度滿足系統(tǒng)的時序要求。8031訪問EPROM時,其所提供的讀取時間t與所選的晶體時鐘有關(guān),約為3T,不同型號的EPROM工作速度一般為200~450ns,故選取芯片時,應(yīng)使其工作速度小于t。
(2)數(shù)據(jù)存儲器
數(shù)據(jù)存儲器有動態(tài)和靜態(tài)之分,兩者相比,靜態(tài)RAM無須考慮保持?jǐn)?shù)據(jù)而設(shè)置的刷新電路,擴(kuò)展簡單,在數(shù)據(jù)存儲器擴(kuò)展電路中應(yīng)用較廣泛。
常用的靜態(tài)RAM有6116(2K8)、6264(8K8)、62256(2K8)等,它們都由單一的+5V電源供電,28腳雙列直插式扁平封裝,典型存取時間為150~200ns。其引腳如圖11所示:
圖11—常用RAM的引腳
2、存儲器的擴(kuò)展
8031芯片與存儲器的連接
存儲器擴(kuò)展實(shí)質(zhì)是三總線的連接。
1) 據(jù)芯片存儲容量的大小確定數(shù)據(jù)、地址線的根數(shù)。
2) 數(shù)據(jù)線的連接:將8031芯片的P~P按位與RAM數(shù)據(jù)線D~D直連。
3) 地址總線的連接:據(jù)確定的地址線根數(shù),將相應(yīng)的低位地址線相連,剩余高位地址線作片選。
4) 控制總線的連接:對應(yīng)控制線連接。
[四] I/O口的擴(kuò)展
MCS—51單片機(jī)共有四個8位并行I/O口,可提供給用戶使用的只有P1口和部分P3口線,因此不可避免的要進(jìn)行I/O端口的擴(kuò)展。Intel公司常用的外圍接口芯片有:8155、8255及8279等。此外還有74LS系列的TTL電路和CMOS電路鎖存器、三態(tài)門電路也可以為擴(kuò)展I/O口。
1、 I/O口擴(kuò)展方法
據(jù)擴(kuò)展并行I/O口時數(shù)據(jù)線的連接方式,I/O口擴(kuò)展方式可分為三種:
1) 總線擴(kuò)展方法
2) 串行口擴(kuò)展方法
3) 通過單片機(jī)片內(nèi)I/O口的擴(kuò)展方法
2、 常用接口芯片
(1)8155芯片
8155芯片內(nèi)具有256個字節(jié)RAM、2個8位、1個6位的可編程I/O口和1個14位計(jì)數(shù)器。
8155的結(jié)構(gòu)和引腳見圖12:
(a) (b)
圖12—8155的邏輯結(jié)構(gòu)與引腳
(2)8255芯片
8255具有3個8位的并行I/O口,分別為PA、PB、PC口,其中PC口又分為高4位(PC~PC)和低4位(PC~PC)。
(3)8279芯片
8279內(nèi)部有168顯示數(shù)據(jù)RAM,通過命令字可選擇顯示器的4種工作方式,內(nèi)部還有6字節(jié)。
三 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路
在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床中,大多采用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制。而單片機(jī)的I/O口或I/O擴(kuò)展口的驅(qū)動能力有限,為使步進(jìn)電機(jī)正常運(yùn)行并輸出一定功率,需有功功率放大環(huán)節(jié);為避免強(qiáng)電干擾,因此還需采用隔離電路。其控制電路框圖如圖14所示:
圖14—步進(jìn)電機(jī)控制框圖
[一] 脈沖分配器(環(huán)行分配器)
有硬件和軟件分配器兩種,硬件分配器需要的I/O接口連線少,執(zhí)行速度快,需要專用的芯片,軟件則用程序?qū)崿F(xiàn)。
脈沖分配器的芯片
目前采用的TTL集成脈沖分配器有三相、四相、五相和六相,其型號分別為YB0B、YB014、YB015及YB016,都為18個引腳的直插式封裝。其主要性能參見表8:
表8—TTL脈沖分配器主要性能參數(shù)
輸入高電平(V)
輸入底電平(V)
輸出高電平(V)
輸出高電平(V)
吸收電流(mA)
工作頻率(Hz)
電源電壓(V)
環(huán)境溫度()
2.4
0.4
0.8
2.4
1.6
0~160
5
0~+70
[二] 光電隔離電路
單片機(jī)系統(tǒng)要控制電壓高、電流大的信號,必須采用電氣上的隔離并抑制干擾,光電耦合器就是利用光傳遞信息的器件,使電路的輸入和輸出在電氣上完全隔離,大大提高了系統(tǒng)安全可靠性,并可實(shí)現(xiàn)共模噪聲的抑制和電源的變換等。
光電耦合器的類型按輸出結(jié)構(gòu)可分為直流和交流輸出兩類。直流輸出可采用:(1)晶體管輸出;(2)達(dá)林頓管輸出;(3)史密特觸發(fā)器輸出。交流可采用:(1)單向可控硅輸出;(2)雙向可控硅輸出等。
[三] 功率放大器
脈沖分配器的功率很小,不能滿足步進(jìn)電機(jī)的要求,必須將它放大以產(chǎn)生足夠大的功率,驅(qū)動步進(jìn)電極正常運(yùn)轉(zhuǎn)。
從步進(jìn)電機(jī)的起動矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性可以看出,隨著運(yùn)行矩頻的增高,步進(jìn)電機(jī)帶動負(fù)載的能力下降。產(chǎn)生的主要原因是:作為功率放大器負(fù)載的步進(jìn)電機(jī)是電感負(fù)載,當(dāng)改變通電狀態(tài)時,通電繞組的電流將從零逐漸增大,該繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電勢使電流按指數(shù)規(guī)律上升,并將電源一部分能量存在(電感)繞組中,電流的時間常數(shù)為:
式中:指步進(jìn)電機(jī)一相繞組的平均電感量
:通電回路的電阻,包括繞組電阻、功率放大器輸出級的內(nèi)阻及串聯(lián)電阻。
而斷電繞組電流是下降的,這時存儲于繞組中的勢能將以電流式釋放出來,使電流按指數(shù)規(guī)律下降,其時間常數(shù)為:
式中:指放電回路電阻,包括繞組電阻,續(xù)流二極管正向電阻等。
這樣就使繞組中電流緩慢增加和下降,步進(jìn)各相繞組電流幾乎同時存在,步進(jìn)電機(jī)負(fù)載能力下降,嚴(yán)重時會出現(xiàn)失步。
為提高步進(jìn)電機(jī)動態(tài)特性,可采用以下幾種方法:(1)電阻法;(2)雙電源法。
[四] 其他輔助電路
1、 掉電保護(hù)電路
RAM中存放的數(shù)據(jù)一掉電就會全部丟失。為了保護(hù)RAM中的信息,采用掉電保護(hù)電路。圖15所示為一簡單掉電保護(hù)電路的工作原理。圖中V為電源電壓,V為備用電池電壓,并且VV;V為RAM的電源端。
圖15—掉電保護(hù)電路
2、 越界報警電路
為防止工作臺越界,可分別在極限位置安裝限位開關(guān),一旦某一方向越界應(yīng)立即停止工作臺移動,圖16(a)為報警指示, (b)為報警信號的產(chǎn)生,這里利用的8031的外部中斷INT0來控制報警。
(a) (b)
圖16—越界報警電路
四 數(shù)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
軟件是硬件的補(bǔ)充,確定硬件電路后,根基系統(tǒng)功能要求設(shè)計(jì)軟件。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床軟件的設(shè)計(jì)一般可分為以下幾個典型模塊:
(1) 軟件脈沖分配器;
(2) 插補(bǔ)模塊;
(3) 步進(jìn)電機(jī)升降速模塊等。
圖17是兩坐標(biāo)連續(xù)系統(tǒng)機(jī)床的微機(jī)控制的原理圖,該系統(tǒng)用8031的P1口作為輸出信號,分別控制X、Y方向的步進(jìn)電機(jī)。
圖17—兩坐標(biāo)連續(xù)系統(tǒng)機(jī)床的微機(jī)控制的原理圖
[一] 軟件脈沖分配器
機(jī)工作原理,改變繞組通電狀態(tài),步進(jìn)電機(jī)按規(guī)定方向運(yùn)轉(zhuǎn)。軟件分配器采用查表法,在微處理器中專門安排一個輸出寄存器作為步進(jìn)電機(jī)的控制寄存器,步進(jìn)電機(jī)的第一相繞組都與這個寄存器中的某一指定位對應(yīng),寄存器中這位為“1”,對應(yīng)相應(yīng)繞組的通電狀態(tài)為“0”時則斷電;循環(huán)向寄存器中寫入控制字,從而使步進(jìn)電機(jī)繞組按因定的規(guī)律循環(huán)通電和斷電。
電機(jī)以三相六拍方式工作,其通電規(guī)律為:A—AB—B—BC—C—CA。
假定脈沖分配表放在程序存儲器的0701H開始的單元中,因P1口與步進(jìn)電機(jī)之間接反向器,故其對應(yīng)的控制字及地址如表9:
表9—脈沖分配表
地 址
通電方式
ABC
代 碼
0701H
011
FBH
0702H
001
F9H
0703H
101
FDH
0704H
100
FCH
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ca6150
普通
車床
數(shù)控
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