機電一體化系統(tǒng)課程設計—縱向改造ca6140車床

1、<p><b>　　一、前言</b></p><p>　　隨著科學技術的迅猛發(fā)展，數(shù)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(shù)控化改造的市場在我國還有很大的發(fā)展空間，現(xiàn)在我國機床數(shù)控化率不到3％。用普通機床加工出來的產(chǎn)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(yè)的產(chǎn)品、市場、效益，影響企業(yè)的生存和發(fā)展，所以必須

2、大力提高機床的數(shù)控化率。采用經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)對普通機床數(shù)控改造，尤其適合我國機床擁有量大、生產(chǎn)規(guī)模小的具體國情?！峨姎鈺r代》、《機械工人》、《電氣應用》等多家雜志為滿足廣大企業(yè)技術改造發(fā)展生產(chǎn)的需要，多次聯(lián)合舉辦學習班，為企業(yè)提供權威、經(jīng)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。</p><p>　　普通機床的數(shù)控改造有兩方面的意義：</p><p>　　微觀看改造

3、的意義 　　從微觀上看，數(shù)控機床比傳統(tǒng)機床有以下突出的優(yōu)越性，而且這些優(yōu)越性均來自數(shù)控系統(tǒng)所包含的計算機的威力。 （1）可以加工出傳統(tǒng)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。 </p><p>　　（2）可以實現(xiàn)加工的自動化，而且是柔性自動化，從而效率可比傳統(tǒng)機床提高3～7倍。由于計算機有記憶和存

4、儲能力，可以將輸入的程序記住和存儲下來，然后按程序規(guī)定的順序自動去執(zhí)行，從而實現(xiàn)自動化。數(shù)控機床只要更換一個程序，就可實現(xiàn)另一工件加工的自動化，從而使單件和小批生產(chǎn)得以自動化，故被稱為實現(xiàn)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(xiàn)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(jiān)控、自動補償?shù)榷喾N自律功能，因而可實現(xiàn)長時間無人看管加工。 （6）由以

5、上五條派生的好處。如：降低了工人的勞動強度，節(jié)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(chǎn)品試制周期和生產(chǎn)周期，可對市場需求作出快速反應等等。 　　以上這些優(yōu)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(shù)控化還是推行FMC（柔性制造單元）、FMS（柔性制造系統(tǒng)）以及CIMS（計算機集成制造系統(tǒng)）等企業(yè)信息化改造的基礎。數(shù)控技術已經(jīng)成為制造業(yè)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

6、上看，工業(yè)發(fā)達國家的</p><p>　　二、普通機床的數(shù)控改造方案的確定</p><p>　　1、系統(tǒng)總體改造方案的確定</p><p>　　目前，在機械加工工業(yè)中，絕大多數(shù)是舊式機床，如果改用微機控制，實現(xiàn)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(chǎn)率，而且成本低、周期短，適合我國國情。利用微機實現(xiàn)機床的機電一體化改造的方

7、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(shù)字控制系統(tǒng)作為主要控制裝置。前者需要新設計控制系統(tǒng)，比較復雜；后者選用國內標準化的微機數(shù)控系統(tǒng)，比較簡單。這種標準的微機數(shù)控系統(tǒng)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(huán)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輸入的加工程序進行插補運算，產(chǎn)生進給，由軟件或硬件實現(xiàn)脈沖分配，輸出一系列脈沖，經(jīng)功率放大、驅動刀架、縱橫

8、軸運動的步進電機，實現(xiàn)刀具按規(guī)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(zhí)行一次延時程序，由延時程序控制進給速度。</p><p>　　圖2-1 開環(huán)控制系統(tǒng)框圖</p><p>　　機械系統(tǒng)的改造方案的確定</p><p>　　在熟悉原機床的操作過程及傳動系統(tǒng)后，根據(jù)設計要求確定系統(tǒng)的機械傳動系統(tǒng)改造方案。包括電機型號的選

9、擇，減速比的確定，齒輪模數(shù)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。</p><p>　　對CA6140車床的縱向（Z向）進給運動進行數(shù)控改造，此時可將開合螺母合上，離合器脫開，使主運動與進給運動脫開，此時，將脫落螺桿等橫向自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

10、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(fā)生器來檢測主軸轉位，用它發(fā)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(jù)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

11、可改換成滾動導軌副或采用鑲塑料導軌。根據(jù)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</p><p>　　3、微機控制系統(tǒng)方案的確定</p><p>　?。?）、微

12、機控制系統(tǒng)的總體組成</p><p>　　數(shù)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(shù)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(tǒng)。</p><p>　　存儲芯片的選擇依據(jù)系統(tǒng)控制程序的大小及CPU的字長，I/O擴展芯片的個數(shù)根據(jù)整個系統(tǒng)需要

13、的I/O通道的個數(shù)來確定。</p><p>　　、軟硬件任務合理分配</p><p>　　涉及軟、硬件任務分配的有：控制步進電機的脈沖發(fā)生與脈沖分配；數(shù)碼顯示的字符發(fā)生；鍵盤掃描管理。</p><p>　　上述三個都可以用磚用硬件芯片實現(xiàn)，也可用軟件編程實現(xiàn)。用硬件實現(xiàn)，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(xiàn)，可節(jié)省芯片，降低成本，但增加了編程難度

14、。在決定用何種方法實現(xiàn)時，應統(tǒng)籌兼顧，同時還應根據(jù)設計者的軟、硬件方面的實際經(jīng)驗及能力。</p><p>　　六、微機控制系統(tǒng)軟件設計</p><p><b>　?。ㄒ唬┠K組成</b></p><p>　　本程序主要由如下模塊組成：</p><p><b>　　1、主模塊</b></p>

15、;<p>　　用于系統(tǒng)初始化和監(jiān)控；其中初始化包括8155初始化、緩沖區(qū)清零、定時/計數(shù)常數(shù)的設置、開中斷等處理；監(jiān)控主要判斷是否有命令按下，并根據(jù)命令調用相應的子程序模塊。主模塊流程圖如下；</p><p>　　根據(jù)鍵盤功能鍵的設定，相應的子程序模塊包括“←”、“→”、“↑”、“↓”各個命令及“暫?！泵钐幚砟K。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(qū)的2BH

16、，其定義如下：</p><p>　　2BH單元值 當前運動方向</p><p>　?。?B）=01H → +X</p><p>　?。?B）=02H ← -X</p><p>　?。?B）=03H

17、 ↑ +Z</p><p>　　（2B）=04H ↓ -Z</p><p>　?。?B）=00H 初始時為00H</p><p><b>　　2、子程序模塊</b></p><p>　　使用暫停鍵“STOP”子模塊，暫停鍵功能是暫時

18、使XY工作臺停止移動，因此只需停止步進脈沖信號即可。</p><p>　　3、越界報警、急停處理模塊</p><p>　　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(tǒng)處于正常工作狀態(tài)。報警用紅燈亮指示。</p><p>　　4、實時修改顯示緩沖區(qū)數(shù)據(jù)模塊</p><p>　　根據(jù)鍵盤的接口電路，

19、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(xiàn)，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5×3=15ms，掃描頻率約64Hz，高于50Hz。</p><p>　　鍵盤

20、采用每隔3×3=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(shù)中斷次數(shù)，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(xù)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。</p>

21、;<p>　　5、鍵盤、顯示定時掃描管理模塊</p><p>　　本模塊采用中斷方式，其作用是通過對8155定時/計數(shù)的輸出信號，也即對步進脈沖進行計數(shù)，來修改顯示緩沖區(qū)中工作臺當前工作位置。根據(jù)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(shù)常數(shù)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(shù)計數(shù)器。</p><

22、p><b>　?。ǘ┚彌_區(qū)設置</b></p><p>　　應設置兩個緩沖區(qū)：鍵盤緩沖區(qū)和顯示緩沖區(qū)。</p><p><b>　　1、鍵盤緩沖區(qū)</b></p><p>　　主要用于存放由鍵盤輸入的命令，長度為4字節(jié)，地址為8031內部RAM區(qū)20H~23H，第一字可用于緩沖區(qū)空、滿等標志，定義如下：（20H）=

23、00H，緩沖區(qū)為空，（20H）=01H，緩沖區(qū)內未處理完的命令個數(shù)，顯然（20H）=30H時即為滿。其余3個字節(jié)內存放具體的命令碼。為防止誤操作，可以進一步規(guī)定：命令碼若為00H，為無效命令。從本系統(tǒng)的施加情況及后面的軟件框圖可以看出，鍵盤緩沖區(qū)很少出現(xiàn)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。</p><p><b>　　2、顯示緩沖區(qū)</b></p>

24、;<p>　　主要用于存放欲顯示的具體數(shù)據(jù)，每一字節(jié)對應一顯示位，共5個字節(jié)，地址為8031內部RAM 25H~29H，分別對應百位、十位、個位（包括小數(shù)點）、10E-1位和10E-2位。</p><p>　　除以上緩沖區(qū)外，根據(jù)需要，可以設立一些標志位，視具體情況而定。</p><p>　　（三）中斷優(yōu)先級所處理時間為緊急的則其中斷級別為最高，根據(jù)本題實際情況，中斷模塊的優(yōu)

25、先級如下：</p><p>　　模塊名 級別</p><p>　　越界報警、急停處理模塊 0 高</p><p>　　實時修改顯示緩沖區(qū)數(shù)據(jù)模塊 1</p><p>　　鍵盤、顯示定時掃描管理模塊 2 </p><p><b>　　、&l

26、t;/b></p><p><b>　　七、設計小結</b></p><p>　　機電一體化系統(tǒng)設計課程設計是機電一體化系統(tǒng)課程的最后一個教學環(huán)節(jié)，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(tǒng)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(yǎng)了正確的設計

27、思想和分析問題、解決問題的能力。</p><p>　　在設計時，認真閱讀參考資料，根據(jù)具體地設計條件和要求，借鑒前人的設計經(jīng)驗和成果，獨立思考，大膽地進行改進和創(chuàng)新。從車床改造方案的確定到機械部分設計及計算，從步進電機的選擇到控制部分的設計。這一系列的改造，不僅考慮車床整體的工藝性，同時也考慮改造的經(jīng)濟性和實用性。</p><p>　　在整個的設計過程中，我們都盡量參照國家標準和規(guī)范，合理

28、的設計各改造部分，這在很大程度上提高了我們的嚴謹性和實事求是的精神。同時這次課程設計中所遇到并且解決的一些問題，比如電機的定位，各部件的配合，滾珠絲杠螺母副的預緊等等，這些都使我們進一步地加深對機電一體化課程的理解，鞏固所學的知識。</p><p>　　這次課程設計結束了，整個設計過程就是對自己所學的知識的一次總結和應用，受益頗豐，但是卻也讓我充分地認識到自己在知識理解和接受應用方面的不足，將來要進一步加強和提高

29、。</p><p><b>　　八、參考文獻</b></p><p>　　張建民等編著. 機電一體化系統(tǒng)設計. 北京：高等教育出版社，2001.</p><p>　　機電一體化技術手冊編委會編. 機電一體化技術手冊（上、下冊）. 機械工業(yè)出版社.1994.</p><p>　　濮良貴、紀名剛主編. 機械設計（第七版）.北

30、京：高等教育出版社，2005.</p><p>　　唐增寶等主編. 機械設計課程設計（第二版）.湖北：華中科技大學出版社.2006.</p><p>　　胡鳳蘭主編.互換性及技術測量基礎. 北京：高等教育出版社.2005.</p><p>　　上海紡織工業(yè)學院機械制造專業(yè)教研室.機床設計參考圖冊（車床部分）.</p><p>　　華東紡織工學

31、院、哈爾濱工業(yè)大學、天津大學主編.機床設計手冊. 上?？茖W技術出版社.</p><p>　　趙松華 張奇鵬主編. 機電一體化機械系統(tǒng)設計.機械工業(yè)出版社. 1999.</p><p>　　蔡美琴等主編. MCS-51系列單片機系統(tǒng)及其應用. 高等教育出版社.2004.</p><p>　　廖效果、朱啟逑主編. 數(shù)字控制機床. 華中理工大學出版社.1992.</