CA6140型普通车床的数控化改造设计

CA6140型普通车床的数控化改造设计

系别： 年级： 专业： 姓名： 学号： 指导教师：评阅人：

机电工程系 10机电一体化2班

机电一体化

石家庄职业技术学院毕业设计说明书

2013年 5 月 15 日

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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

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目录

第一章 CA6140车床数控系统总体设计方案 .................... 5

§1—1总体方案的确定 ............................................. 5

§1—1—1系统的运动方式与伺服系统的选择 ...................... 5 §1—1—2计算机系统 .......................................... 5 §1—1—3机械传动方式 ........................................ 5 §1—2 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 ............... 7

§2—1系统脉冲当量的选择 ......................................... 7 §2—2 滚珠丝杠螺母副的选型 ....................................... 7 §2—3 纵向及横向滚珠丝杠副几何参数 ............................... 8 §2—4 齿轮传动比计算 ............................................ 9

§2—4—1.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 ................... 12

§3-1单片机数控系统的设计内容 ................................... 12

§3—1—1硬件电路设计内容 .................................. 121 §3—1—2机床数控系统软件设计 ............................... 12 3-2 MCS-80C51单片机及其扩展 ..................................... 13

§3—2—1 80C51单片机的简介 ................................. 13 §3—3 存储器扩展电路设计 ........................................ 15

§3—3—1 单片机的系统扩展概述 ............................... 15 §3—3—2 存储器扩展 ......................................... 17 §3—4 I/O接口电路及辅助电路设计 ................................ 18

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§3—4—1 I/O口的扩展 ...................................... 18 §3—4—2 步进电机驱动电路 ................................... 18 §3—4—3液晶显示控制器 ..................................... 18 §3—4—4控制面板 ........................................... 23 §3—5典型零件加工程序设计 ...................................... 24 参考文献 ............................................................. 26

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第一章CA6140车床数控系统总体设计方案

1．1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。 1.1.2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构。齿轮传动也要采用消除齿侧间隙的消隙齿轮结构。

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1．2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 数控装置 PLC 主轴控制单主轴 机床 速度控制单元 伺服电机 工 作 位置检测反馈装置 台 输出 图1-1车床数控化改造总体方案框图

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第二章CA6140车床进给伺服系统机械部分设计

2．1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0.01～0.005mm/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。

2．2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。

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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 W1L2506 W1L2005 螺 纹 滚 道 螺 杆 螺 母 公称直径 d0 l0 d041.3F 25 20 导程 接触角 钢球直径 滚道法面半径 偏心距 l0s 6 422| 5 430|  db R cosL0d dbd02l0 3.969 2.064 3.175 1.651 R0.52db e r d e(Rdb/2)sin0.056 0.045 螺纹升角 螺杆外径 螺杆径 螺杆接触直径 螺母螺纹直径 螺母内径 rarctgL0/d0dd0(0.20.25)db 422| 430| 24.2 20.984 17.027 19.4 16.788 13.835 d1 d1d02e2R dZ dZd1dbcos D Dd02e2R 32.826 23.212 D1 D1d0(0.20.52)db25.8 20.635

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2．4齿轮传动比计算

2.4.1.纵向进给齿轮箱传动比计算

L6mm已确定纵向进给脉冲当量P0.01滚珠丝杠导程0，初选步进电

机步距角

0.75°。可计算出传动比i

i可选定齿轮齿数为:

360pbL03600.010.80.756

i2.横向进给齿轮箱传动比计算

Z13225或Z24040

已确定横向进给脉冲当量P=0.005,滚珠丝杠导程L0=5㎜,初选步进电机步距角0.75°可计算传动比i:

i360pbL03600.050.480.75

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:

iZ1Z3342420Z2Z4554025

Z124、Z240、Z320、Z425

因进给运动齿轮受力不大，模数m取2。有关参数如下:

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表2-1传动比参数

齿数 分度圆 齿顶圆 齿根圆 齿宽 中心距 zdm 32 64 68 59 20 72 40 80 84 75 20 24 48 52 43 20 64 40 80 84 75 20 20 40 44 35 20 45 25 50 54 45 20 dmz dad2mdfd21.25m 6-10m A(d1d2)/2 3.计算步进电机空载起动频率和切削时的工作频率

fk1000vmax10002.44000HZ60p600.011000vs10000.61000HZ60p600.01

f

BF002型步进电机允许的最高空载起动频率为2800HZ运从表中查出150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，

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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。

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第三章CA6140车床数控系统硬件电路设计

3．1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MCS——51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，液晶显示控制器LR—104VRAM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；

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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。

3．2MCS-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。

1P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7RSTP3.0P3.1P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7XTAL2XTAL1VssVccP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.740393837363534333231302928262524232221

23456789101112131415161718192080C51EA/VppALE/PROGPSENP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.020Vcc 3D0Q0 4D1Q1 7D2Q2 8D3Q3 13D4Q4 14D5Q5 17D6Q6 18D7Q7OEGND G 1 10 11 1111 14

74HC13927 3 2 16 1B1Y1 1A1Y0 Vcc1Y21GGND 1 874HC373石家庄职业技术学院毕业设计说明书

图3-1

XTAL1（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、ALE//PROG、PSEN、EA/Vpp

RST（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

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34781314171811D0D1D2D3D4D5D6D7GGNDOE11020VccQ0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q725691215161974LS373石家庄职业技术学院毕业设计说明书

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3-2

P0.0-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A8~A15。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 P3.0 P3.1 P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7 第二功能 RXD（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（片外数据存储器读选通控制输出）

3．3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

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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，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，其引脚与真值表如下所示。

表3-274HC139真值表

输入 使能 /G 1 0 0

输出 A × 0 1 17

选择 B × 0 0 Y1 1 1 0 Y2 1 1 1 Y3 1 1 1 Y0 1 0 1 石家庄职业技术学院毕业设计说明书

0 0 3.3.2存储器扩展

1 1 0 1 1 1 1 1 0 1 1 0 此处采用两片EPROM芯片2764（8K×8）扩展程序存储器，数据存储器

选用静态RAM27648（8K×8）。

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制线相连。

图3-3

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3．4I/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。

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图3-4电动机驱动器连线图

1、原理框图：

LR-104VRAM显示器的基本原理框图如图所示。

总线数据转换 接口逻辑电路 电路 512M VRAM AC/DC .电源 DC/AC 背光灯 电路 液晶 模块 驱动 彩色 液晶 图3-5LR-104VRAM显示器的基本原理框图

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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 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

引脚定义 引脚号 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 WCS CLOSE A0 保留 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 引脚定义 GND GND RDCS A15 +12V +12V 保留 保留 A1 A2 23 24 引脚号 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 引脚定义 A5 A6 A7 A8 A9 A10 A11 A12 A13 A14 A3 A4 21

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3、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,P1.2 ORG0000H LJMPMAIN ORG0090H MAIN: MOVSP,#60H; LCALLINITLCD; MOVR1,#040H; LCALLCLEAR1 RETERN: SJMPRETERN INITLCD: LCALLLCD RET LCD: MOVR2,#08H MOVR3,#00H LCD1: MOVP1,R3 MOVDPTR,#0E000H MOVR4,#20H LCD2: MOVR5,#00H MOVA,#00HLCD3: MOVX@DPTR,A INCDPTR DJNZR5,LCD3

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DJNZR4,LCD2 INCR3 DJNZR2,LCD1 RET CLEAR1: LCALLLCD4 RET LCD4: MOVR2,#08H MOVR3,#00H LCD5: MOVP1,R3 MOVDPTR,#OE000H MOVR4,#20H LCD6: MOVR5,#0A1H MOVA,R1 LCD7: MOVX@DPTR,A INCDPTR DJNZR5,LCD7 MOVR5,#5FH LCD8: INCDPTR DJNZR5,LCD8 DJNZR4,LCD6 INCR3 DJNZR2,LCD5 RET END

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3.4.4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LED

GpageuppagedownMTFXUIDPLZWEN741.;8520963CLRSKRLR-104VRAM显示器-Z+X-X+ZSHIFTX原点Z原点换档键编辑 自动1 自动2自动回零空运行单步运行单段运行起动暂停单段连续超程解除-Z+X-X+Z红绿超程正常超程报警开关起动急停

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石家庄职业技术学院毕业设计说明书 3．5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φ25㎜×65㎜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： % O3032

N10G90G00G92X100Z60;坐标设定 N20M03S1000;主轴正转转速1000r/min N30X48Z1;快速移动到X=48mm，Z=1mm处 N40G01X48Z-2F10;倒角2×45° N50X48Z-60;加工M48的外径 N60X50Z-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

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N130M05;主轴停转 N140T0202;换2号刀

N150M03S100;主轴正转转速100r/min

N160G00X50Z-60;快速移动刀X=50mm，Z=-60mm处 N170G01X45Z-60F5;切槽 N180X50Z-60;

N190G26T2000;回换刀点 N200M05;主轴停转 N210T0303;换3号刀

N220M03S60;主轴正转，转速60r/min

N230G00X47.6Z10F2;快速移到X=47.6mm,Z=10mm N240G33X47.6Z-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=10mm N280G33X47.2Z-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=10mm N320G33X46.8Z-58F2;加工螺纹 N330G01X51.8F10;回安全点 N340G26;回换刀点

N350G00X46.587Z10;快速移到X=46.587mm,Z=10mm N360G33X46.587Z-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 %

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石家庄职业技术学院毕业设计说明书

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；

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