x6132普通銑床數(shù)控改造(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡介】 系統(tǒng)性能越好。 進(jìn)給傳動系統(tǒng)的改造 方案 （ 1）電氣部分的改造 進(jìn)給傳動是按數(shù)控系統(tǒng)的指令，經(jīng)放大后使刀具精確定位或按規(guī)定的軌跡運動（如直線、圓弧等），加工出符合要求的工件。因此要求進(jìn)給傳動具有較高的定位精度和垂直定位精度，響應(yīng)快、調(diào)整范圍寬、輸出功率大。一般中小型機床的數(shù)控化改造多用微機控制的開環(huán)步進(jìn)電機驅(qū)動，這種方式簡單、經(jīng)濟、安裝調(diào)試方便，但是控制精度和速度較低。大型機床多用直流電機半閉環(huán)控制方式，控制精度和速度比開環(huán)控制方式高，但是 價格較高，維修較困難。 （ 2）機械部分的數(shù)控化改造 進(jìn)給系統(tǒng)的改造主要是提高移動部件的靈活性，減少或消除傳動間隙，通常是改造導(dǎo)軌副、進(jìn)給箱和移動元件。 導(dǎo)軌副的改造方法有兩種：一是把滑動導(dǎo)軌改為滾動導(dǎo)軌或靜壓導(dǎo)軌，用以消除傳動間歇、提高定位精度，但工藝復(fù)雜，改造費用大，實現(xiàn)起來比較困難。二是在進(jìn)給移動部件在粘接聚四氟乙烯軟帶，改造為粘塑導(dǎo)軌副。 進(jìn)給箱的改造主要是減少進(jìn)給箱內(nèi)的齒輪對數(shù)（往往是取消進(jìn)給箱或僅是一級減速進(jìn)給箱），并增有消除或減少間隙的裝置（如雙片齒輪結(jié)構(gòu)）。 在機床進(jìn)給傳動中，需將旋轉(zhuǎn)運動變成 直線運動。普通機床采用普通絲杠副實現(xiàn)，其摩擦阻力大，傳動效率低、動摩擦系數(shù)相差大、低速容易出現(xiàn)爬行。采用滾珠絲杠副可以滿足數(shù)控機床的要求，其精度高、反應(yīng)快、無爬行。 計算機數(shù)控系統(tǒng)（ CNC）是 20 世紀(jì) 70 年代發(fā)展起來的機床數(shù)控系統(tǒng)，它是用一臺計算機代替原先的硬件數(shù)控系統(tǒng)（ NC）所完成的功能。他之所以取代以前的 NC系統(tǒng)和當(dāng)前設(shè)計選用的原因，是因為 CNC系統(tǒng)具有 NC系統(tǒng)無法比擬的優(yōu)點： （ 1）活性大。 NC 系統(tǒng)是用硬件邏輯電路來實現(xiàn)對機床的控制功能。這種固定的接線的電路 一旦制成后，就難以改變，而 CNC 系統(tǒng)的數(shù)控功能大多由軟件在通用性較強的硬件的支持下來實現(xiàn)的，其功能的修改、擴充和適應(yīng)性方面都具有較大的靈活性，如果要改變、擴充其功能，只需通過對軟件的修改和擴充便可實現(xiàn)。 （ 2）通用性強。 CNC系統(tǒng)的軟件和硬件大多是采用模塊化的結(jié)構(gòu)。按模塊化方法組成的 CNC 系統(tǒng)基本配置部分是通用的，不同的數(shù)控機床（如車床、銑床、磨床、加工中心等），只要配置相應(yīng)的功能模塊，就可滿足這些機床的特定控制功能，這對數(shù)控機床的培訓(xùn)和學(xué)習(xí)以及維護(hù)、維修也是十分方便的。 （ 3）數(shù)控功能豐 富。 CNC系統(tǒng)利用計算機的高度計算能力，可實現(xiàn)許多復(fù)雜的數(shù)控功能，如高次曲線插補、動靜態(tài)圖形顯示、多種補償功能、數(shù)字伺服控制功能等。 （ 4）可靠性高。 CNC裝置的零件程序在加工前一次送入存儲器，并經(jīng)過檢查后方可被調(diào)用，這就避免了在加工過程中由紙帶輸入機的故障產(chǎn)生的停機現(xiàn)象。許多功能由軟件實現(xiàn)，硬件結(jié)構(gòu)大大簡化，采用大規(guī)模和超大規(guī)模通用和專用集成電路，使可靠性進(jìn)一步提高。 （ 5）易于實現(xiàn)機電一體化。 由于采用計算機，使硬件數(shù)量相應(yīng)減少，加之電子元件的集成度越來越高，使硬件的體積不斷縮小，同時控制柜的尺寸也 相應(yīng)減少。數(shù)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)非常緊湊，使其與機床結(jié)合在一起成為可能，減少占地面積，方便操作。由于通訊功能的增強，容易組成數(shù)控加工自動生產(chǎn)線，如 FMC、FMS、 DNC 和 CIMS 等。 （ 6）使用維護(hù)方便，操作使用方便。 目前大多數(shù)數(shù)控機床的操作采用了菜單結(jié)構(gòu)，用戶只需根據(jù)菜單的提示，進(jìn)行正確操作。 （ 7）編程方便。 大多數(shù)數(shù)控機床具有多種編程的功能，并且都具有程序自動校驗和模擬仿真功能。 （ 8）維護(hù)維修方便。 數(shù)控機床的許多日常維護(hù)工作都由數(shù)控裝置承擔(dān)；而且，數(shù)控機床的自診斷功能，可迅速使故障定位， 方便維修人員。 正是由于以上的優(yōu)點和本著經(jīng)濟、成本低的原則，設(shè)計經(jīng)濟型 CNC 數(shù)控系統(tǒng)是本設(shè)計的主要方案。 改造方案總體可以從硬件、軟件兩部分來著手設(shè)計。設(shè)計總圖如圖 15。 圖 15 數(shù)控改造設(shè)計總圖 系統(tǒng)主要由 89C51 單片機、速度檢測元件、直流伺服電機，及相應(yīng)的接口電路組成。總體數(shù)控系統(tǒng)電路原理框圖如圖 16 圖 16 數(shù)控系統(tǒng)電路原理框圖 軟件的設(shè)計包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件的設(shè)計。系統(tǒng)軟件其作用主要是檢測系統(tǒng)狀態(tài)并提供基本操作管理，其中包括 I/O 接口初始化，單片機定時器 /計數(shù)器初始 化，鍵盤數(shù)據(jù)區(qū)、顯示緩沖區(qū)初始化，各種軟件標(biāo)志初始化，中斷處理等，系統(tǒng)軟件部分采用模塊化設(shè)計。應(yīng)用軟件則根據(jù)用戶編制的加工程序（如），控制機床的運行。 X6132 的工作臺裝有進(jìn)給伺服系統(tǒng)，床身左側(cè)的電氣箱內(nèi)裝有主控器和強電系統(tǒng)。數(shù)控系統(tǒng)顯示器及按鍵，在右側(cè)便于觀察、調(diào)試和操作。數(shù)控系統(tǒng)為 CNC半閉環(huán)控制，伺服電機驅(qū)動，可實現(xiàn)直線插補和圓弧插補。顯示器可采用陰極發(fā)光二極管（ LED），用以顯示輸入的程序，機床的實際位置和已存儲的各種信息。手動操作時，顯示器可作為數(shù)字讀出裝置使用。 系統(tǒng)的硬件設(shè)計應(yīng)以實現(xiàn)數(shù)控的各種功能為標(biāo)準(zhǔn)，以經(jīng)濟性為基本原則。 CPU 的比較和選用 在選擇 CPU 時應(yīng)考慮的因素是 : (1) 時鐘頻率和字長 (即控制數(shù)據(jù)處理的速度 ) 。 (2) 可擴展存儲器 (指 ROM/ RAM) 的容量 。 (3) 指令系統(tǒng)的功能是否強 (即編程的靈活性 ) 。 (4) I/ O 口擴展能力 (即對外設(shè)控制的能力 ) 。 (5) 開發(fā)手段 (包括支持開發(fā)的軟件和硬件電路 ) 。 除此之外 ,還應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)應(yīng)用場合、控制對象及對各種參 數(shù)要求選擇 CPU。 在大多數(shù)相關(guān)的機床改造資料及論文中都采用了 8031，原因是： 8031 單片機是集 CPU 、 I/ O 端口及部分 RAM 等為一體的控制器 ,開發(fā)手段齊全 ,指令系統(tǒng)功能強 ,編程靈活性大 ,硬件資料也很豐富。 8031 芯片內(nèi)部具有 128 個字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲 RAM。內(nèi)部編址為 00H～ 7FH,用作工作寄存器、堆棧、軟件標(biāo)志和數(shù)據(jù)緩沖器 ,CPU 對內(nèi)部 RAM 有豐富的操作指令。但應(yīng)用片內(nèi)的 RAM 往往不夠 ,現(xiàn)外接6264 芯片來擴展 8031 的 RAM 存儲器。 8031 的輸入、輸出 ( I/ O) 線不多 , 所以外接 8155 芯片以擴展 I/ O口。 8031 是一個無 ROM 的 8051 , 必須外接 E2PROM 或 ROM 作為程序存儲器 , 所以必須外接一片 2764 。 8031 為 40 引腳的雙列直插式器件 , 有 4 個雙向 8 位 I/ O 口 ( P0～ P3) , P0 口和 P2 口作為地址總線使用 , P1 口用作行程控制 , P3 口用作第二功能使用。 16 位地址總線由 P0 口經(jīng)地址鎖存器 74LS373 提供低 8 位 ( A 0～ A 7) ,高 8 位 ( A 8～ A 15 ) 由 P2 口直接提供。8 位數(shù)據(jù)總線由 P0口提供。這樣數(shù)據(jù)總線與地址總線共用。 AL E為地址鎖存允許 ,當(dāng)送低 8 位地址時使 AL E 有效。并鎖存到 74LS373 中 ,當(dāng)送數(shù)據(jù)時使 AL E 無效。在實際應(yīng)用方面比較繁瑣，已被市場淘汰。 如果選用 89C51，它的內(nèi)部不但有 128位的存儲器，而且相對于 8031還有以下優(yōu)點： *與 MCS－ 51兼容 *4K字節(jié)可編程閃爍存儲器 *壽命： 1000寫 /擦循環(huán) *數(shù)據(jù)保留時間： 10年 *全靜態(tài)工作： 0~24Hz *三級程序存儲器鎖定 *128179。 8位內(nèi)部 RAM *32可編程 I/O線 *兩個 16位定時器 /計數(shù)器 *5個中斷源 *可編程串行通道 *低功耗的閑置和掉電模式 *片內(nèi)震蕩器和時鐘電路 經(jīng)過兩者比較，本設(shè)計決定選用 89C51單片機。 該數(shù)控系統(tǒng)采 `用了多 CPU結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)功能強、速度快、分辨率高的要求。數(shù)控系統(tǒng)采用的中央 CPU、顯示和鍵盤管理 CPU及插補和輸入 /輸出 CPU。中央CPU起主要控制作用，負(fù)責(zé)數(shù)控程序的編輯，數(shù)控程序段的譯碼預(yù)處理，刀具半徑補償?shù)挠嬎悖毒吆蜋C器參數(shù)編輯，診斷處理，鍵信號監(jiān)控處理以及協(xié)調(diào)另兩個 CPU同步 工作。顯示 CPU主要功能是按照中央 CPU送來的顯示命令和顯示內(nèi)容，組成相應(yīng)的顯示頁面，負(fù)責(zé)產(chǎn)生 CRT顯示器所需要的視頻掃描信號，控制顯示器按規(guī)定的顯示方式顯示有關(guān)信息。此外，掃描鍵盤，將接受的鍵盤和開關(guān)信號經(jīng)譯碼后送給中央 CPU進(jìn)行相應(yīng)處理。插補 CPU主要進(jìn)行插補運算，發(fā)生伺服驅(qū)動所需的控制信號，接收測量元件的反饋信號，實現(xiàn)速度和位置的控制。此外，對輸入 /輸出信號進(jìn)行控制，并完成 RS232C通訊功能。插補 CPU接收中央 CPU送來的程序段信息和其他命令，并返回插補完成情況及出錯信號。為了完成信息交換，中央 CPU與顯示 CPU之間，中央 CPU與插補 CPU之間分別設(shè)置了公用存儲區(qū)。以中央 CPU與插補 CPU之間數(shù)據(jù)交換為例，為了避免兩個 CPU同時存取公用存儲區(qū)而發(fā)生沖突，需要采用措施。為了簡化線路和控制，該設(shè)計方案采取借用Z80CPU所具備的總線請求和響應(yīng)的功能，以中央 CPU為主控，當(dāng)中央 CPU需要時，通過 I/O口，由芯片 8255的輸出向插補 CPU的總線請求發(fā)出信號。插補 CPU返回響應(yīng)后，也經(jīng)由 8255，從輸入口傳給中央 CPU。中央 CPU接到響應(yīng)信號后把中央 CPU的地址信號送達(dá)插補 CPU的存儲區(qū)，數(shù)據(jù)得以傳送。 在地 址分配上。為了減少芯片數(shù)，插補 CPU所用的 ROM采用 2 片EPROM2764，由 1513 AA ?? 三根地址線譯碼后，每個輸出 Y端控制 8K存儲區(qū)。 2片 2764占低地址區(qū)。但 RAM只需 2K（包括公用存儲區(qū)），設(shè)計中把公用存儲區(qū)放在最高地址區(qū)，為了精確地選址，又加了 74LS139，進(jìn)一步用 11A 、 12A 選定 RAM的地址為 0F800H— 0FFFFH。 存儲芯片的選擇 由于 89C51本身帶有存儲器，故不 用選擇存儲芯片。 I/O 接口芯片 數(shù)控系統(tǒng)要完成數(shù)據(jù)的輸入 /輸出，由于 89C51芯片的輸入 /輸出接口有限，不能完成設(shè)計所需的所有輸入 /輸出工作，因此我們使用兩 8255芯片來完成。 輸入 /輸出采用 8255，每片可以有 24個端口作為輸入 /輸出用。對伺服驅(qū)動單元的餓控制模擬量信號采用 DAC0830數(shù) /模轉(zhuǎn)換。為了實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)控制，采用二級放大，可輸出 V10? 控制信號。由于數(shù)控裝置在使用 RS23C通訊功能時不做其它工作，為了簡化結(jié)構(gòu)，利用 8255的一個輸入端口 和一個輸出端口，用軟件實現(xiàn)串行數(shù)據(jù)通訊。 I/O的地址分配， I/O片不多，為簡化線路減少芯片數(shù)，地址譯碼輸入只用了 5根地址線，輸出分別給 CTC， 2片 8255和 4片 DAC0830共 7個芯片，其中 CTC和 8255每個口有 2個地址，而 DAC0830有 8個地址。 8255可編程并行輸入 /輸出接口芯片是 Intel公司生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)外圍接口電路，采用 NMOS工藝制造，用單一的 +5V電源供電，具有 40條引腳，采用雙列直插式封裝。該芯片有三個 I/O端口，即 A口、 B口和 C口，對應(yīng)的引腳分別是 PA0~PA PB0~PB7和 PC0~PC7。其內(nèi)部還有一個控制寄存器，即控制口。通常 A口、 B口作為輸入 /輸出的數(shù)據(jù)端口，而 C口作為控制或狀態(tài)信息的端口，它在方式字的控制下，可以分為 4位的端口，每個端口包含一個 4位鎖存器。它們分別與端口 A/B配合使用，可以用作控制信號輸出或作為狀態(tài)信號輸入。 用一片 8255來控制 LED與鍵盤輸入。鍵盤與顯示設(shè)計在一起， 8255的 PB口（ PB0～ PB7）提供鍵盤的列線及顯示器的掃描控制線（字位線）。 PC口的 PC0~PC4為鍵盤的行線， PA口的 PA0~PA7作為顯示器的字行輸出口，并經(jīng)過用于使得數(shù) 碼管顯示亮度增強的 7404驅(qū)動器。 另一片 8255則通過 YB015與伺服電機驅(qū)動電路連接實現(xiàn)對伺服電機的控制。其中， PA0~PA6接 X向、 Y向和 Z向直流電動機硬件環(huán)形分配器，為輸出， PB0~PB7為三個方向的點動及回零輸入， PC0~PC5為面板上的選擇開關(guān)，設(shè)有編輯、單步運行、單段運行、自動、手動 手動 2等方式。系統(tǒng)各芯片采用全地址譯碼。 X向、 Y向直流電動機硬件環(huán)形分配器采用 YB015， 32相通電五相十拍方式工作，故 A0、 A1引腳均接 +5V， Z向向直流電動機硬件環(huán)形分配器采用 YB014，是以23相通 電四相八拍方式工作， A0、 A1接高電平。三個芯片的選通輸出控制 E0分別接 8255的 PA PA PA6，時鐘輸入端 CP接 8255芯片的 TIMEOUT，用以決定脈沖分配器輸出脈沖的頻率。為實現(xiàn)插補時不同的進(jìn)給速度，可給 8255芯片定時 /計數(shù)器中設(shè)置不同的時間常數(shù)。 89C51的 P0口與 ALE口連接了一片 28引腳 8位 8通道逐次逼近式 A/D轉(zhuǎn)換器0809，在其后裝了測速發(fā)電機，來檢測直流電機的速度輸出， 0809的作用是將28CY01測速發(fā)電機傳來的模擬信號變化轉(zhuǎn)變成數(shù)字量，傳入 89C51，以實現(xiàn)對機床的半閉環(huán)控 制。 越界報警和急停電路 此控制系統(tǒng)中設(shè)有越界報警和急停電路。如圖 21。177。 X、177。 Y、177。 Z方向