彥向大摩彥向大摩說明書內頁第I。頁GUANGXIUNIVERSITY一、前言隨著科學技術的迅猛發展，數控機床已是衡量一個國家機械制造水平的重要標志。目前機床數控化改造的市場在我國還有很大的發展空間，現在我國機床數控化率不到3%。用普通機床加工出來的產品普遍存在質量差、品種少、檔次低、成本高、供貨期長，從而在國際、國內市場上缺乏競爭力，直接影響一個企業的產品、市場、效益，影響企業的生存和發展，所以必須大力提高機床的數控化率。采用經濟型數控系統對普通機床數控改造，尤其適合我國機床擁有量大、生產規模小的具體國情。《電氣時代》、《機械工人》、《電氣應用》等多家雜志為滿足廣大企業技術改造發展生產的需要，多次聯合舉辦學習班，為企業提供權威、經濟、可行、實用的技術指導，改造費用為新購置費用的四分之一到三分之一。普通機床的數控改造有兩方面的意義：1、微觀看改造的意義從微觀上看，數控機床比傳統機床有以下突出的優越性，而且這些優越性均來自數控系統所包含的計算機的威力。(1)可以加工出傳統機床加工不出來的曲線、曲面等復雜的零件。由于計算機有高超的運算能力，可以瞬時準確地計算出每個坐標軸瞬時應該運動的運動量，因此可以復合成復雜的曲線或曲面。(2)可以實現加工的自動化，而且是柔性自動化，從而效率可比傳統機床提高3?7倍。由于計算機有記憶和存儲能力，可以將輸入的程序記住和存儲下來，然后按程序規定的順序自動去執行，從而實現自動化。數控機床只要更換一個程序，就可實現另一工件加工的自動化，從而使單件和小批生產得以自動化，故被稱為實現了“柔性自動化”。(3)加工零件的精度高，尺寸分散度小，使裝配容易，不再需要“修配”。(4)可實現多工序的集中，減少零件在機床間的頻繁搬運。(5)擁有自動報警、自動監控、自動補償等多種自律功能，因而可實現長時間無人看管加工。(6)由以上五條派生的好處。如：降低了工人的勞動強度，節省了勞動力(一個人可以看管多臺機床)，減少了工裝，縮短了新產品試制周期和生產周期，可對市場需求作出快速反應等等。以上這些優越性是前人想象不到的，是一個極為重大的突破。此外，機床數控化還是推行FMC（柔性制造單元）、FMS（柔性制造系統）以及CIMS（計算機集成制造系統）等企業信息化改造的基礎。數控技術已經成為制造業自動化的核心技術和基礎技術。2、宏觀看改造的意義從宏觀上看，工業發達國家的軍、民機械工業，在70年代末、80年代初已開始大規模應用數控機床。其本質是，采用信息技術對傳統產業（包括軍、民機械工業）進行技術改造。除在制造過程中采用數控機床、FMC、FMS外，還包括在產品開發中推行CAD、CAE、CAM、虛擬制造以及在生產管理中推行MIS（管理信息系統）、CIMS等等。以及在其生產的產品中增加信息技術，包括人工智能等的含量。由于采用信息技術對國外軍、民機械工業進行深入改造（稱之為信息化），最終使得他們的產品在國際軍品和民品的市場上競爭力大為增強。而我們在信息技術改造傳統產業方面比發達國家約落后20年。如我國機床擁有量中，數控機床的比重（數控化率）到1995年只有1.9%，而日本在1994年已達20.8%，因此每年都有大量機電產品進口。這也就從宏觀上說明了機床數控化改造的必要性。二、普通機床的數控改造方案的確定1、系統總體改造方案的確定目前，在機械加工工業中，絕大多數是舊式機床，如果改用微機控制，實現機電一體化的改造，會使機床適應小批量、多品種、復雜零件的加工，不但提高加工精度和生產率，而且成本低、周期短，適合我國國情。利用微機實現機床的機電一體化改造的方法有兩種：一種是以微機為中心設計控制部件；另一種是采用標準的步進電機數字控制系統作為主要控制裝置。前者需要新設計控制系統，比較復雜；后者選用國內標準化的微機數控系統，比較簡單。這種標準的微機數控系統通常采用單片機、驅動電源、步進電機及專用的控制程序組成開環控制，如圖2-1所示，其結構簡單、價格低廉。對機床的控制過程大多是由單片機按照彥向大摩彥向大摩說明書內頁第I。頁GUANGXIUNIVERSITY彥向大摩彥向大摩說明書內頁第I。頁GUANGXIUNIVERSITY席兩次第說明書內頁第席兩次第說明書內頁第3頁GUANGXIUNIVERSITY輸入的加工程序進行插補運算，產生進給，由軟件或硬件實現脈沖分配，輸出一系列脈沖，經功率放大、驅動刀架、縱橫軸運動的步進電機，實現刀具按規定的輪廓軌跡運動。微機進行插補運算的速度較快，可以讓單片機每完成一次插補、進給，就執行一次延時程序，由延時程序控制進給速度。電機電機

功率放大電路

光電隔離

驅動器電機電機

功率放大電路

光電隔離

驅動器

I/O口擴展

存儲器擴展微機CPU清功鈕

ST零能縱橫等軸限位

主軸脈沖發生器回轉刀架

（車刀）繼電器刀架控制電路刀架電機圖2-1開環控制系統框圖2、機械系統的改造方案的確定在熟悉原機床的操作過程及傳動系統后，根據設計要求確定系統的機械傳動系統改造方案。包括電機型號的選擇，減速比的確定，齒輪模數及齒輪的確定，原有絲杠及導軌是否要重新更換，改換成滾珠絲杠螺母副時絲杠螺母副的型號及安裝形式如何確定，導軌的設計方法等。對CA6140車床的縱向（Z向）進給運動進行數控改造，此時可將開合螺母合上，離合器M脫開，使主運動與進給運動脫開，此時，將脫落螺桿等橫向自5動進給機構調至空擋（脫開）位置。若原刀架為自動轉位刀架，則可以由微機控制自動轉換刀具，否則仍由手動轉動刀架。如需加工螺紋，則要在主軸外端或其他適當位置安裝一個脈沖發生器來檢測主軸轉位，用它發出的脈沖來保證主軸旋轉運動與縱向進給運動的相互關系。這種改造方案成本較低。但是，為了保證加工精度，還需根據實際情況進行檢修，才能保證控制精度。原有機床運動部件（包括導軌、絲杠副等）安裝質量的好壞，直接影響阻力和阻力矩的大小，應盡量減小阻力（力矩），以提高步進電機驅動力矩的效率。對絲杠及軸要提高其直線度，導軌壓板及螺母的預緊力都要調得合適。為減少導軌副的摩擦阻力可改換成滾動導軌副或采用鑲塑料導軌。根據阻力（力矩），切削用量的大小及機床型號的不同，應通過計算，選用與之相匹配的步進電機。如果選用步進電機的最大靜轉矩過大，價格就貴，機電一體化改造的成本就高，且對用戶來說，在使用中，始終用不到那么大的驅動能力，也是一個浪費；如果選得過小，在使用中很可能因各種原因而使切削阻力突然增大，驅動能力不夠，將會引起丟步現象的產生，造成加工誤差。因此，必須對執行元件進行匹配選擇。對加工精度較高的機床，其進給絲杠應換成滾珠絲杠副。3、微機控制系統方案的確定（1）、微機控制系統的總體組成數控部分采用MCS-51系列單片機控制，其典型代表有8031、8051、8075等，其中8031的價格低，功能強，使用靈活等特點，比較適用于一般機床的數控改造，但由于其無內存，必須外接存儲及I/O擴展芯片才可以成為一個較簡單的微機控制系統。存儲芯片的選擇依據系統控制程序的大小及CPU的字長，I/O擴展芯片的個數根據整個系統需要的I/O通道的個數來確定。（2）、軟硬件任務合理分配涉及軟、硬件任務分配的有：控制步進電機的脈沖發生與脈沖分配；數碼顯示的字符發生；鍵盤掃描管理。上述三個都可以用磚用硬件芯片實現，也可用軟件編程實現。用硬件實現，編程時比較簡單，但同時增加了硬件成本及故障源。用軟件實現，可節省芯片，降低成本，但增加了編程難度。在決定用何種方法實現時，應統籌兼顧，同時還應根據設計者的軟、硬件方面的實際經驗及能力。

計算與說明主要結果三、機床傳動部分的改造（一）系統負載的確定1、確定系統脈沖當量脈沖當量是衡量數控機床加工精度的一個基本技術參數。經濟型數控車床采用的脈沖當量是0.01?0.005mm/脈沖，此次改造的CA6140車床在縱向的脈沖當量取0.01mm/脈沖。2、切削力計算用經驗公式計算主切削力對于車床的主切削力縱切：Fz=0.67D1^（N）Dmax——車床床身上加工最大直徑（mm）F=0.67X4001.5=5360（N）z按比例分別求出分力Fx和Fy,由Fz：Fx：Fy,=1：0.25：0.4Fx——走刀方向Fy—一切深抗力得：Fx=0.25X5360=1340（N）F=0.4X5360=2144（N）作用在進給拖板上的載荷可按下列式子求出:拖板上進給方向載荷：F=F=1340（N）LX拖板上垂直方向載荷：F=F=5630（N）VZ拖板上橫向方向載荷：F=F=2144（N）CY（二）滾珠絲杠螺母副的設計、計算與選型1、計算進給率引力Fm（最大工作載荷）F=KF+f'（F+G）mxV根據設計任務要求，查表3—4《機電一體化專業課程設計指導書》，選綜合型導軌，其K=1.15,摩擦系數f=0.16,工作臺重量G=800（N），則：Fm=1.15X1340+0.16X（5360+800）=2526.6（N）2、計算最大動載荷CF=3LFFFFz=5360（Fz=5360（N）Fx=1340（N）Fy=2144（N）Fm=2526.6（N）彥向大摩彥向大摩說明書內頁第I。頁GUANGXIUNIVERSITY彥向大摩彥向大摩說明書內頁第I。頁GUANGXIUNIVERSITY彥歷大學說明書內頁GUANGXIUNIVERSITY彥歷大學說明書內頁GUANGXIUNIVERSITY第頁光耦合器選用光耦合器選用G0102GUANGXIUNIVERSITY從等效電路可得：I=I+1cbIR=U=8.03BEIR=E-U=72c2nBE選擇耦合器輸入電流I=10mA（最大的電流為50mA）,電流傳輸比C=30%；iTRI=IC=10義30%=3mAciTR解上述方程組得：R=8K。；R=24KQ。32（3）確定R1前面已選定耦合器輸入電流I=10mA，可得到光耦合器輸入正

i向壓降為1.3V，所以R=（5—1.3）/1=370Q。1i（4）確定R，R56R=8KQ3R=8KQ3R=24KQ2R=370Q1和電流，單穩已翻轉成低電平）。首先確定基極電流I。c2負載的平均阻抗：Z氏E/1=80/6=13.3QnNb,T2的飽和電流：I=（E-2U-U）/Zcs（2）HCESn=（192-2義2-80）/13彥向大摩彥向大摩說明書內頁第I。頁GUANGXIUNIVERSITY彥向大摩彥向大摩說明書內頁第I。頁GUANGXIUNIVERSITY氏8.31AT2基極電流應為：I=I/hB2cs（2）Fg=8.31/3000=2.77mA光耦合器輸入電流為100mA,所以：光耦合器輸出電流：I=ICc2iTR=10x33%=3.3mA因此：I=I-1=3.3-2.776c2B2=0.53mAC,求U（0點電位）0在期間0<t<t，U是變化的，變化范圍近似為E—2至Eb0HH一E，計算時取平均值：nU=［（E—2）+（E—E）］/20HHn=［（192-2）+（192-80）］/2=151VT2的等效輸入電阻為：R=U/1T2BESB2=8/0.35x10-3=22.86KQR=U/1=8/0.53x10-3215.09KQ6BES6R=（U-U-U）/18HCES0C2=（192-2-151）/3.3x10-3=11.82KQd,確定R9為提供給單穩和驅動門足夠輸入電流（各5mA），所以：R9=500Qe,選擇D1，D2選用2CZ13A硅整流二極管彥向大學說明書內頁第29頁GUANGXIUNIVERSITYf,單穩態多諧振蕩器74221翻轉時間的確定當單穩74221的“清除端”加高電平A端加低電平時，B端正躍變可使單穩的Q端從低電平變成高電平，經過一段時間自動翻轉成低電平，恢復到穩定狀態，Q端輸入一個脈沖，脈沖寬度由外電阻R（取10KQ）和C決定，即：TX一八一R=10KQTt=RCLn2bTX則：C=t/（Ln2R）XbTC=0.096NFX=0.667x10-3/（Ln2x10x10-3）=0.096NF74221為雙單端多諧振蕩器，步進電機需用3片74221。六、微機控制系統軟件設計（一）模塊組成本程序主要由如下模塊組成：1、主模塊用于系統初始化和監控；其中初始化包括8155初始化、緩沖區清零、定時/計數常數的設置、開中斷等處理；監控主要判斷是否有命令按下，并根據命令調用相應的子程序模塊。主模塊流程圖如下；彥向大摩彥向大摩說明書內頁第I。頁GUANGXIUNIVERSITY彥向大摩彥向大摩說明書內頁第I。頁GUANGXIUNIVERSITY開始①8031串行口工作方式設定(方式))②8155初始化③8255初始化④鍵盤、顯示緩沖器清零顯示提示符‘p"鍵盤掃描有命令發出否？N根據各鍵盤功能、定義

轉向相應功能塊0功能10功能1功能N功能根據鍵盤功能鍵的設定，相應的子程序模塊包括“一”、“一”、“t”、“I”各個命令及“暫停”命令處理模塊。這里設定一標志，其作用是反映XY工作臺的當前運動方向。標志位為內部RAM區的2BH，其定義如下：2BH單元值當前運動方向TOC\o"1-5"\h\z=01H-+X=02H--X=03Ht+Z=04HI-Z=00H初始時為00H2、子程序模塊使用暫停鍵“STOP”子模塊，暫停鍵功能是暫時使XY工作臺停止移動，因此只需停止步進脈沖信號即可。3、越界報警、急停處理模塊本模塊的主要功能是當XY工作臺移動越出邊界時進行應急處理，停止一切正常工作，由復位重新使系統處于正常工作狀態。報警用紅燈亮指示。4、實時修改顯示緩沖區數據模塊根據鍵盤的接口電路，可以用編程掃描方式和定時掃描方式。這里選擇后一種，用定時中斷模塊同時完成鍵盤和顯示的掃描。對于鍵盤掃描，應該解決去抖動問題，一般調用延時10ms左右來實現，而對于顯示掃描，為保證多位同時顯示而無閃爍，應使掃描頻率高于50Hz。設定定時時間為3ms，即每隔3ms中斷1次，修改一次顯示位，每位顯示的點亮時間是3ms,掃描一遍共需5X3=15ms,掃描頻率約64Hz，高于50Hz。鍵盤采用每隔3X3=9ms掃描一次，其目的是消除鍵盤抖動。設置一標志位，其地址為內存RAM30H單元，用于計數中斷次數，當其等于3時，正好隔9ms,馬上查詢鍵盤。另外還應設一標志位，用以標志連續兩次查詢到按鍵值是否一樣，其地址為31H,定義如下：（31H）=1,表明上次查詢有鍵按下；（31H）=0,則為無鍵按下。只要當上次有鍵按下，且隔9ms后再次查詢有同一鍵按下時，才能確認有鍵按下，否則均視為誤動作，不予理睬。5、鍵盤、顯示定時掃描管理模塊本模塊采用中斷方式，其作用是通過對8155定時/計數的輸出信號，也即對步進脈沖進行計數，來修改顯示緩沖區中工作臺當前工作位置。根據步進電機的實際脈沖當量，一個步進脈沖，相當于工作臺位移增量為0.01mm,可以設定中斷計數常數為10,每中斷一次，工作臺運動0.1mm,這里用內部RAM單元為中斷次數計數器。（二）緩沖區設置應設置兩個緩沖區：鍵盤緩沖區和顯示緩沖區。1、鍵盤緩沖區主要用于存放由鍵盤輸入的命令，長度為4字節，地址為8031內部RAM區20H?23H,第一字可用于緩沖區空、滿等標志，定義如下：（20H）=00H,緩沖區為空，（20H）=01H,緩沖區內未處理完的命令個數，顯然（20H）=30H時即為滿。其余3個字節內存放具體的命令碼。為防止誤操作，可以進一步規定：命令碼若為00H,為無效命令。從本系統的施加情況及后面的軟件框圖可以看出，鍵盤緩沖區很少出現兩個或兩個以上未處理的命令碼，一般情況只要一個命令碼，馬上會得到處理。2、顯示緩沖區主要用于存放欲顯示的具體數據，每一字節對應一顯示位，共5個字節，地址為8031內部RAM25H~29H，分別對應百位、十位、個位（包括小數點）、10E-1位和10E-2位。除以上緩沖區外，根據需要，可以設立一些標志位，視具體情況而定。（三）中斷優先級所處理時間為緊急的則其中斷級別為最高，根據本題實際情況，中斷模塊的優先級如下：模塊名級別TOC\o"1-5"\h\z越界報警、急停處理模塊0高實時修改顯示緩沖區數據模塊1鍵盤、顯示定時掃描管理模塊2七、設計小結機電一體化系統設計課程設計是機電一體化系統課程的最后一個教學環節，同時也是一次對學生進行全面的機電一體化設計訓練。通過這次課程設計，我學會了怎樣去運用機電一體化系統設計的知識去分析和解決課程設計中遇到的問題，真正的學以致用，這不僅進一步鞏固和深化了所學的知識；同時，培養了正確的設計思想和分析問題、解決問題的能力。在設計時，認真閱讀參考資料，根據具體地設計條件和要求，借鑒前人的設計經驗和