C6140卧式车床数控化改造设计控制部分的设计毕业设计论文.docx
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C6140卧式车床数控化改造设计控制部分的设计毕业设计论文.docx
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C6140卧式车床数控化改造设计控制部分的设计毕业设计论文
C6140卧式车床数控化改造设计控制部分的设计
专业:
机械设计制造及其自动化学号:
20080310010143
学生姓名:
宫凤丽指导教师:
任继文
摘要
中国是一个传统的机械制造大国,但其装备水平落后,特别是一些老的机械制造厂大多还是比较旧的机床,远远不能满足加工的要求。
中国又是发展中国家,在经济紧张的情况下,如何提高装备精度及自动化程度具有重要的现实意义。
经济型数控机床系统就是结合我国国情和生产实际,在满足系统基本功能的前提下所提出的。
性价比适中是经济型数控机床最主要的特点。
本设计采用单片机控制,实现了车床自动化,提高了加工精度,并且成本较低。
C6140普通车床的数控化改造控制部分的设计主要包括主传动部分的改造设计和伺服进给系统的改造设计。
通过对控制系统硬件电路的设计和部分软件的设计,改造后的机床主运动能够实现自动变速;纵向、横向进给系统能够实现数控控制,其中纵向精度为/脉冲,横向精度为/脉冲,并且能够利用自动转位刀架,实现自动换刀及自动切削螺纹等功能。
关键词:
卧式车床;数控化改造;控制系统;单片机
ThenumericalcontroltransformationoftheC6140horizontallathe
ABSTRACT
Chinaisatraditionalmachinerymanufacturingcountry,butitslevelofequipmentisbackward,especiallysomeoldmechanicalmanufacturefactoriesareequippedwiththeoldermachines,cannotmeettheprocessingrequirements.Chinaisadevelopingcountry,inatighteconomycircumstances,howtoimprovetheaccuracyofequipmentanddegreeofautomationhasimportantpracticalsignificance.EconomictypeCNCmachinetoolsystemiscombinedwithChina'snationalconditionsandtheactualproduction,tomeetthebasicfunctionsofthesystemunderthepremiseoftheproposed.PricemoderateeconomictypeCNCmachinetoolsisthemostimportantfeatures.
Thisdesignusesasinglechipcontrol,realizestheautomaticlathe,theprocessingprecisionisimproved,andthecostisrelativelylow.C6140generaltransformationofCNClathecontrolsectiondesignmainlyincludesthemaintransmissionpartofthetransformationdesignandservosystemdesign.Throughthecontrolsystemhardwarecircuitdesignandsoftwaredesign,afterthetransformationofthemainmotortorealizetheautomatictransmission;longitudinal,transversefeedingsystemcanrealizethecontrol,inwhichthelongitudinalaccuracyfor/pulse,horizontalaccuracyfor/pulse,andcanusetheautomatickniferest,torealizetheautomatictoolchangeandautomaticcuttingthreadfunction.
KeyWords:
Horizontallathes;Numericalcontroltransformation;Controlsystem;SCM(SingleChipMicrocomputer )
第一章绪论
随着我国制造业的发展,对很多零部件的精度要求越来越高,许多零件用普通车床很难加工,要求用数控机床加工。
这就需要大量经费,对老设备进行改造是一条投资少见效快的途径,有许多工厂有C6140车床,但无法完成精度高的工件加工,因此需对其进行数控化改造。
发达国家重视装备制造业的发展,不仅在于其在本国工业中出口、积累、就业、贡献均占前列,更在于装备制造业为新技术、新产品的开发和生产提供重要的物质技术,是经济高级化不可或缺的战略性产业。
即使是迈进“信息化社会”的工业化国家,也无不高度重视机械制造业的发展。
先进的装备制造业是高新技术的重要组成部分,是促进相关产业技术升级和发展的重要依托。
进入90年代,随着信息装备技术、工业自动化技术、数控加工技术、机器人技术、先进的发电和输配电技术、电力电子技术、新型材料技术和新型生物、环保装备技术等当代高新技术成果的应用,使机械产品不断高技术化,其高新技术含量己成为市场竞争取胜的关键。
为适应市场需求的不确定性和个性化的用户要求,先进的制造企业不断吸收各种高新技术和现代管理技术等信息,并将其综合应用于产品设计、生产、管理、销售、使用、服务乃至回收的全过程,以实现优质、高效、低耗、清洁、灵敏及柔性化生产。
一方面规模化生产使得垄断性跨国公司的技术创新和市场主导作用日益增强,例如在汽车产业领域,目前年产超过400万辆的企业集团大概有6家,产量占世界汽车产量的80%以上;在电力设备领域,世界前三大公司控制了全球大型电力设备市场的70%。
另一方面各大跨国公司在不断联合重组,扩张竞争实力的同时,纷纷收缩战线,剥离非主营业务,以精干主业,提高系统成套能力和个性化、多样化市场适应能力。
作为规模化生产的前提和条件,生产高水平零部件和配套产品的“中场产业”快速发展,社会化生产服务体系不断完善,产业的国际化步伐不断加快。
早期的数控系统采用穿孔纸带传送加工程序,由专用数控装置读入加工代码、进行识别、储存和计算,输出相应的指令脉冲以驱动伺服系统。
70年代中期小型计算机出现。
由于其较低的价格,高超的数据处理和输入输出功能,使它迅速应用到数控机床的控制系统中,出现所谓计算机数控(CNC)和直接数控(DNC)系统
。
九十年代以来,计算机技术的发展日新月异,通用计算机从8位机,已发展到奔腾时代。
其速度和功能已比当年的8位机快了几百倍
。
使得在通用微机上以软件方式可以实现各种数控功能,数控技术发生了深刻变化。
PC机上的丰富软件资源、友好的人机界面,是其它数控系统所无法比拟的。
基于微机的开放式数控系统已成为世界数控技术的发展潮流,以PC机为平台的数控技术的应用范围迅速扩大。
继续向开放式、基于PC的第六代方向发展。
基于PC所具有的开放性、低成本、高可靠性、软硬件资源丰富等特点,更多的数控系统生产厂家会走上这条道路。
至少采用PC机作为它的前端机,来处理人机界面、编程、联网通信等问题,由原有的系统承担数控的任务。
PC机所具有的友好的人机界面,将普及到所有的数控系统。
远程通讯,远程诊断和维修将更加普遍。
这是适应机床向高速和高精度方向发展的需要
。
随着人工智能在计算机领域的不断渗透和发展,数控系统的智能化程度将不断提高。
数控系统能检测过程中一些重要信息,并自动调整系统的有关参数,达到改进系统运行状态的目的。
将熟练工人和专家的经验,加工的一般规律和特殊规律存入系统中,以工艺参数数据库为支撑,建立具有人工智能的专家系统。
引入故障诊断专家系统。
智能化数字伺服驱动装置。
可以通过自动识别负载,而自动调整参数,使驱动系统获得最佳的运行
。
随着科学技术的不断发展,数控技术的发展越来越快,数控机床朝着高性能、高精度、高速度、高柔性化和模块化方向发展。
但最主要的发展趋势就是采用“PC+运动控制器”的开放式数控系统,它不仅具有信息处理能力强、开放程度高、运动轨迹控制精确、通用性好等特点,而且还从很大程度上提高了现有加工制造的精度、柔性和应付市场需求的能力。
美国将其称为新一代的工业控制器,日本称其将带来第三次工业革命
。
本次设计任务是研究设计数控机床的控制部分。
采用单片机或微机对进给伺服步进电机及主轴电机进行开环控制,要求设计出硬件电路,包括:
光电隔离、环形分配器、驱动放大电路、PWN调速电路等,并设计相关的程序(软件),包括:
总体控制中断程序、输入输出程序(键盘输入、显示器输出)、插补程序、环形分配程序等。
其主要技术指标如下:
1)床身最大加工直径400mm,最大加工长度1000mm;
2)X方向(横向)的脉冲当量δx=/脉冲,Z方向(纵向)的脉冲当量δz=/脉冲;
3)X方向最快移动速度νxmax=3000mm/min,Z方向最快移动速度νzmax=6000mm/min;
4)X方向最快工进速度νxmaxf=400mm/min,Z方向最快移动速度νzmaxf=800mm/min;
5)X方向定位精度±,Z方向定位精度±;
6)可以车削柱面、平面、锥面与球面等;
7)安装螺纹编码器,可以车削米/英制的直螺纹与锥螺纹,最大导程为24mm;
8)安装四工位立式电动刀架,系统控制自动选刀;
9)自动控制主轴的正转、反转与停止,并可输出主轴有极变速与无极变速信号;
10)自动控制冷却泵的起/停;
11)安装电动卡盘,系统控制工件的夹紧与松开;
12)纵、横向安装限位开关;
13)数控系统可与PC机串行通信;
14)显示界面采用LED数码管,编程采用ISO数控代码。
对卧式车床进行数控化改造,主要是将纵向和横向进给系统改成用微机控制的、能独立运动的进给伺服系统;将手动刀架换成能自动换刀的电动刀架。
这样,利用数控装置,车床就可以按预先输入的加工指令进行切削加工。
由于加工过程中的切削参数、切削次序和刀具都可按程序自动进行调节和更换,再加上纵、横向的联动进给功能,所以,改造后的车床就可以加工出各种形状复杂的回转零件,并能实现多工序集中车削,从而提高生产效率和加工精度。
总体方案应考虑车床数控系统的运动方式、进给伺服系统的类型、数控系统CPU的选择,以及进给传动方式和执行机构的选择等。
(1)普通车床数控化改造后应具有单坐标定位,两坐标直线插补、圆弧插补以及螺纹插补的功能。
因此,数控系统应设计成连续控制型。
(2)普通车床经数控化改造后属于经济型数控机床,在保证一定加工精度的前提下,应简化结构,降低成本。
因此,进给伺服系统常采用步进电动机的开环控制系统。
(3)根据技术指标中的最大加工尺寸、最高控制速度,以及数控系统的经济性要求,决定选用MCS-51系列的8位单片机作为数控系统的CPU。
MCS-51系列8位机具有功能多、速度快、抗干扰能力强、性/价比高等优点。
(4)根据系统的功能要求,需要扩展程序存储器、数
据存储器、键盘与显示电路、I/O接口电路、D/A转换电路、串行接口电路等;还要选择步进电动机的驱动电源以及主轴电动机的交流变频器等。
(5)为了达到技术指标中的速度和精度要求,纵、横向的进给传动应选用摩擦力小、传动效率高的滚珠丝杠螺母副;为了消除传动间隙提高传动刚度,滚珠丝杠的螺母应有预紧机构等。
(6)计算选择步进电动机,为了圆整脉冲当量,可能需要减速轮副,且应有消间隙机构。
(7)选择四工位自动回转刀架与电动卡盘,选择螺纹编码器等。
第二章控制系统硬件电路设计
在经济型数控机床控制系统中广泛采用Intel公司的MCS-51系列单片机,ATMEL是著名的半导体公司,它以51系列内核开发出许多具有特色的MCS-51系列兼容微控制器,并改善了51系列许多特性,例如:
提高了速度、降低了时钟频率、加宽了电压范围、降低了产品价格。
因此选用ATMEL公司的AT89S52单片机作CPU。
本章介绍用MCS-51系列单片机构成的控制系统的设计内容、方法及电路控制。
根据任务书的要求,设计控制系统的硬件电路时主要考虑以下功能:
(1)接收键盘数据,控制LED显示;
(2)接收操作面板的开关与按钮信号;
(3)接收车床限位开关信号:
(4)接收螺纹编码器信号;
(5)接收电动卡盘夹紧信号与电动刀架刀位信号;
(6)控制X、Z向步进电动机的驱动器;
(7)控制主轴的正转、反转与停止;
(8)控制多速电动机,实现主轴有级变速;
(9)控制交流变频器,实现主轴无级变速;
(10)控制冷却泵启动/停止;
(11)控制电动卡盘的夹紧与松开;
(12)控制电动刀架的自动选刀;
(13)与PC机的串行通信。
控制系统有微机的、有PLC的、也有单片机的,这里采用的是开环控制系统,可以选择经济型的单片机控制系统。
另外,既然要控制,就得有输入和输出设备才能对相应的运动进行控制。
其控制系统框图如图2-1所示:
图2-1控制系统原理框图
2.2电路的系统设计
CPU和存储器连接电路
CPU选用ATMEL公司的8位单片机AT89S52;由于AT89S52本身资源有限,片内仅含4KB的EEPROM。
所以扩展了一片EPROM芯片W27C512用作程序存储器,存放系统底层程序;扩展了一片SRAM芯片6264用作数据存储器,存放用户程序;键盘与LED显示采用8279来管理;输入/输出口的扩展选用了并行接口8255芯片,一些进/出的信号均做了隔离放大;模拟电压的输出借助于DAC0832;与PC机的串行通信经过MAX233芯片。
其芯片连接电路如图2-2。
图2-2AT89S52与存储器电路
AT89S52芯片的P0和P2用来传送外部存储器的地址和数据,P2口传送的高8位地址,P0口传送低8位地址和数据,故要采用74LS373地址锁存器,锁存低8位地址,ALE作为其选通信号,当ALE为高电平,锁存器的输入和输出透明,即输入的低8位存储器地址在输出端出现,此时不需锁存。
当ALE从高电平变低电平,出现下降沿时,低8位地址锁存入地址锁存器中,74LS373的输出不再随输入变化,这样P0口就可用来传送读写的数据了。
AT89S52芯片的P2口和74LS373送出的P0口共组成16位地址,6264是8KB的芯片,需要13根地址线;W27C512是64KB的芯片,需要16根地址线。
系统采用完全译码的方法,扩展数据存数据6264时A0~A7低8位接74LS373芯片的输出,A8~A12接AT89S52芯片的P~P2.4。
6264芯片片信号———EC1用CPU的高位地址线A15、A14、A13经74LS138的输出Y0来选通,算得6264的地址范围是1000H~1FFFH。
扩展程序存储器时A0~A7低8位接74LS373芯片的输出,A8~A15接AT89S52芯片的P~P。
W27C512芯片片选信号___C___E接低电平,芯片始终处于工作状态,由于使用了单片机自带的4KB的EEPROM,所以AT89S52芯片的___EA接高电平,系统复位以后片外扩展的EEPROM地址从1000H开始执行。
单片机扩展系统允许程序存储器和数据存储器独立编址(即允许地址重叠),AT89S52芯片控制信号—————PSEN接W27C512的———OE引脚,读写控制信号———WE和———RD分别接6264芯片的———WE和———OE,以实现外部数据存储器的读写。
掉电保护电路
6264具有两个片选引脚:
其中CE1为低电平有效;CE2为高电平有效。
CE1用CPU的高位地址线A15、A14、A13经74LS138的输出Y0来选通。
CE2由比较器LM393的输出经两次反相后提供。
当系统处于上电或断电的过程中,系统的工作电压低于+5V,LM393比较器输出低电平,经两次反相后,送到6264的CE2也是低电平,于是禁止对6264进行读/写;当系统的工作电压+5V稳定后,LM393输出高电平,6264的第二片选CE2也变成高电平,如果此时第一片选CE1为低电平,那么CPU就能对6264进行读/写操作了。
图2-3为6264的掉电保护电路:
图2-36264的掉电保护电路
I/O接口电路
由于AT89S52只有P1和P3口部分能提供用户作为I/O口使用,不能满足输入口的需要,因而系统必须扩展输入输出接口电路。
系统的扩展采用了一片8255可编程I/O接口芯片。
8255A是Intel公司生产的可编程输入/输出接口芯片,它具有A、B、C三个8位的并行I/O口,可选择三种工作方式。
工作方式0为基本的输入输出;方式1为选通输入输出;方式2为双向传送。
8255A还能对C端口的任一位进行置位/复位操作。
其I/O接口连接电路如图2-4所示。
8255的片选信号___CS接74LS138的——Y1,74LS138译码器有三个输入端A、B、C分别接到AT89S52的P、P2.6、P,输出——Y0~——Y78输出,低电平有效。
——Y0~——Y7对应输入A、B、C的000至111的8种组合,其中——Y0对应A、B、C为000,——Y7对应A、B、C为111。
74LS138还有三个使能端,其中2个(——G2——A和——G2——B)为低电平使能,另一个G1为高电平使能。
。
只有当使能端均处于有效电平时,输出才能产生,否侧输出处于高电平无效状态。
所以把——G2——A和——G2——B接低电平,把G1接高电平(+5V)。
图2-4I/O接口电路
2.2.4步进电机与驱动电路
通常在经济型数据机床中,大多数采用步进电机开环控制。
步进电机是一种用电脉冲信号进行控制,并将电脉冲信号转变成相应的角位移的电动机。
其角位移量与电脉冲数成正比,其转速与电脉冲频率成正比,通过改变脉冲频率就可以调节电机的转速。
环形分配器是步进电动机驱动系统中的一个重要组成部分,通常分为硬件环分和软件环分两种。
硬件环分由数字逻辑电路构成,一般放在驱动器的内部,其优点是分配脉冲速度快,不占用CPU的时间。
本设计中我们采用硬件环分,由于本设计中我们选用的X向和Z向的步进电动机型号分别为110BYG5802和130BYG5501,这两种电动机均为5相混合式,所以我们选用控制该步进电机的专用芯片PMM8714。
采用硬件环分时,步进电动机的通电节拍由硬件电路来决定,控制器与硬件环分电路的连接只需两根信号线:
一根方向线,一根脉冲线。
为了使步进电机正常运行并输出一定功率,需要有足够的功率提供给电动机,因此需要有功率放大环节。
脉冲分配器及前面的微机及接口芯片,工作电压一般为5V,而作为电机电源要符合步进电机要求的额定电压值。
为了避免强电对弱电的干扰,在它们之间应采用隔离电路。
硬件环分的脉冲分配如图2-5。
图2-5硬件环分的脉冲分配
1.步进电动机驱动电源的选用
本设计中X向步进电动机的型号为110BYG5802,Z向步进电动机的型号为130BYG5501,生产厂家为常州宝马集团公司。
这两种电动机除了外形尺寸、步距角和输出转矩不同外,电气参数基本相同,均为5相混合式,5线输出,电机供电电压DC120~310V,电流5A。
这样,两台电动机的驱动电源可用同一型号。
在此,根据【1】表4-14选择合肥科林数控科技有限责任公司生产的五相混合式调频调压型步进驱动器,型号为BD5A。
它与控制系统的连接如图2-6所示。
表4-14混合式步进电动机驱动电源技术参数
型号
相数
输入电压
相电流
分配方式
适用电动机
BD28Nb
2
20-100VAC
2-4A
二相八拍
90BYG2502/90BYG2602等
BD28Nc
2
110-220VAC
4/6/8A
二相八拍
110BYG2502/110BYG2602/130BYG2502等
BD28Fb
2
20-100VAC
2-4A
1/2/4/5/8/10/20/40细分
90BYG2502/90BYG2602等
BD28Fc
2
110-220VAC
3/4/6/8A
110BYG2502/110BYG2602/130BYG2502等
BD3A
3
220VAC
3/5/7A
110BYG3502/130BYG3502等
BD5A
5
220VAC
4/6/8A
五相十拍/二十拍
110BYG5802/130BYG5501等
图2-6BD5A驱动器与控制系统的连接
2.光电隔离电路
在步进电机驱动电路中,脉冲分配器输出的信号经放大后,控制步进电机的励磁绕组。
由于步进电机需要驱动的电压较高,电流较大,如果将I/O口输出信号直接与功率放大器相连,将会引起强电干扰,轻则会引起计算机的正常运行,重则导致计算机接口电路损坏。
所以一般在接口电路与功率放大器之间都要加上隔离电路,实现电气隔离,通常使用最多的是光耦合器。
光耦合器是以光为媒介传输信号的器件,其输入端配置发光源,输出端配置受光器,因而输入和输出在电气上是完全隔离的。
其光电隔离输入电路如图2-7。
图2-7光电隔离输入电路
3.功率放大电路
脉冲分配器的输出的功率太小,远不能满足步进电机的要求,必须将它放大,以产生足够大的功率驱动步进电机正常运转。
其功率放大电路如图2-8。
图2-8功率放大电路
2.2.5开关量输出通道电路
在机电控制系统中,对被控设备的驱动控制常采用模拟量和开关量(数字量)输出两种方式。
模拟量输出的方法,由于受模拟器件的漂移影响,很难达到较高的控制精度,开关量输出的控制精度要比一般的模拟量控制高很多,而且在改变控制算法时,无须改动硬件,只要改动程序即可满足要求。
在开关量输出通道中,为了防止现场强电磁干扰或工频电压通过输出通道窜入测控系统,必须采用隔离技术。
在输出通道的隔离中采用光电隔离技术。
机电控制系统的开关量输出信号,通常是由I/O接口芯片给出的低压直流信号,这种信号一般不能直接驱动外设,需要经过接口电路的转换处理。
开关量的输出控制采用专门的驱动芯片MC1413(ULN2003)。
可编程接口芯片8255从PA引脚送出的低电平信号,经光电隔离后输出高电平,再由MC1413反相输出低电平送给直流继电器,而直流继电器的另一端的是+12V电源,于是,继电器线圈得电,常开触点闭合,完成指定的控制动作。
该直流继电器可当作中间继电器,利用中间继电器的触点来控制交流继电器线圈的得电与失电,如机床主电动机的起、停等,完成从低压直流到高压交流的过渡控制。
接口电路如图2-9。
继电器-接触器控制电路。
图2-9继电器-接触器控制电路
2.2.6D/A转换接口电路
将数字量转换为模拟量的过程称为数模(D/A)转换,完成这一转换的器件称为数模转换器(DAC)。
其转换框图如下:
图2-10D/A的实时控制系统
本设计中的D/A转换器选择DAC0832。
它是一种具有两个输入数据寄存器的8位DAC,它能直接与单片机相连,其主要特性如下:
分辨力为8位;电流稳定时间1us;可单缓冲、双缓冲或直接数字输入;只需在满量程下调整其
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