数控专业毕业设计

普通车床的数控研究与改造设计

文摘:针对现有CA6140普通车床的缺点,提出了数控改造方案和单片机系统的设计,以提高加工精度,扩大机床的应用范围,提高生产率。本文阐述了普通车床数控化改造的设计过程,详细介绍了CA6140的机械改造部分和数控系统部分的设计。采用以8031为CPU的控制系统对信号进行处理,通过I/O接口输出步进脉冲,经一级齿轮传动减速后驱动滚动丝杠转动,实现纵向和横向进给运动。

关键词:数控机床,单片机数控系统,改装设计

一.导言

作为机械制造业的重要基础装备,机床的发展一直备受人们关注。由于计算机技术的兴起,机床的控制信息有了质的突破,从而导致了新一代机床的诞生和发展——采用数字技术进行柔性自动控制的数控机床。计算机的出现和应用为人类实现加工过程的自动化提供了理想的手段。随着计算机的发展,数控机床得到了迅速发展和广泛应用,同时人们也从根本上改变了传统的机床传动和结构观念。

二。概观

数控机床以其优异的性能、精密、灵活和多样的功能引起了全世界的关注,并启动了机械产品向机电一体化的发展。数控机床是用数字信息实现对机床控制的机电一体化产品。它将刀具与工件的相对位置、机床电机的启动和停止、主轴转速变化、工件松开和夹紧、刀具选择、冷却泵的启动和停止等操作和顺序动作的信息用编码数字记录在控制介质上,然后将数字信息发送给数控装置或计算机。经过解码和运算后,发出各种指令控制机床的伺服系统或其他执行部件添加所需工件。

与普通机床相比,数控机床主要有以下优点:

1.适应性强,适用于单件或小批量复杂工件的加工;在数控机床上更换工件时,只需重新编制新工件的加工程序,即可实现新工件的加工。

2.加工精度高;

3.生产效率高;

4.降低劳动强度,改善劳动条件;

5.良好的经济效益;

6.有利于生产管理的现代化。

数控机床已经成为中国市场需求的主流产品,需求量逐年激增。近年来,我国数控机床在产业化和产品开发方面取得了显著进步,特别是在机床的高速化、多轴化、复合化和精密化方面。但是,国产数控机床与先进国家同类产品相比仍有差距,不能满足国家建设的需要。中国是机床大国,普通机床超过三百万台。但是机床质量差,性能落后。单台机床平均产值只有先进工业国家的1/10左右,太大了,急需改革。旧机床的数控改造,顾名思义,就是在普通机床上增加微机控制装置,使其具有一定的自动化能力,以达到预定的加工工艺目标。随着数控机床的日益普及和应用,数控机床的技术经济效益是大家都明白的。在国内工厂的技术改造中,机床的微机数控改造已成为一个重要方面。许多工厂在购置数控机床的同时,利用数控、数显、PC技术改造普通机床,取得了良好的经济效益。

中国经济资源有限,国家大,机床需求量大,不可能花可观的钱去买新的数控机床。而我国旧机床较多,用经济型数控系统改造普通机床更符合我国国情,这样既能满足加工的需要,又能以较少的投资提高机床的自动化程度。1984年,中国开始生产经济型数控系统,并用于改造旧机床。到目前为止,许多制造商已经生产出经济型数控系统。可以预计,在未来,机床的经济型数控化改造将会迅速发展和普及。因此,这个毕业设计实例具有典型性和实用性。

三、总体方案的设计

3.1设计任务

本次设计任务是对CA6140普通车床进行数控改造。纵向和横向进给系统由微机开环控制。纵向(Z方向)的脉冲当量为0.01mm/脉冲,横向(X方向)的脉冲当量为0.005mm/脉冲。驱动元件采用步进电机,传动系统采用滚珠丝杠副,刀架采用自动分度刀架。

3.2总体方案演示

对于普通机床的经济型数控改造,在确定总体设计方案时,应考虑在满足设计要求的前提下,对机床的改动尽量少,以降低成本。

1)数控系统运动模式的确定

数控系统按运动方式可分为点对点控制系统、点对点线性控制系统和连续控制系统。由于需要CA6140车床加工复杂轮廓零件,本微机数控系统采用两轴联动连续控制系统。

2)伺服进给系统的改造设计。

数控机床的伺服进给系统可分为开环、半闭环和闭环。因为开环控制具有结构简单、设计制造容易、控制精度好、调试容易、价格低廉、使用维护方便等优点。因此,本设计决定采用开环控制系统。

3)数控系统的硬件电路设计。

任何数控系统都由硬件和软件组成。硬件是数控系统的基础,其性能直接影响整个数控系统的工作性能。有了硬件,软件才能有效运行。在数控装置的设计中,CPU的选择是关键,在选择CPU时应考虑以下因素:

(1)时钟频率和字长与被控对象的运动速度和精度密切相关;

(2)可扩展内存的容量与数控功能的强弱有关;

(3)扩展I/O口的能力与控制外设的能力有关。

另外,CPU要根据数控系统的应用场合、控制对象以及各种性能和参数要求来确定。在我国,Z80CPU和MCS-51系列单片机广泛应用于普通机床的数控改造,主要是因为其配套芯片价格低廉、通用性强、制造和维护方便,完全可以满足经济型数控机床改造的需要。本设计采用MCS-51系列单片机。51系列比48系列指令更丰富,比96系列更便宜。在51系列中,是8051不带ROM,8751是8051用EPROM代替ROM。目前,8031单片机在工业计算机中应用最为广泛。本设计以8031芯片为核心,增加了由内存扩展电路、接口和面板操作开关组成的控制系统。

3.3总体规划的确定

经过总体设计方案的论证,确定了CA6140车床的经济型数控改造图。CA6140车床的主轴转速保留了原机床的功能,即手动变速。车床的纵向(Z轴)和横向(X轴)进给运动由步进电机驱动。由8031单片机组成的微机是数控装置的核心。I/O接口、环形分配器和功率放大器控制步进电机转动,齿轮减速后带动滚珠丝杠转动,实现车床的纵向和横向进给运动。刀架改为微机控制、电机驱动的自动分度刀架。为了保持螺纹切削功能,有必要安装一个主轴脉冲发生器。因此,主轴与同步齿形带同步旋转,发出两个信号:每转脉冲数和一个同步信号,通过隔离电路和I/O接口送到微机。

四、微机数控系统的硬件电路设计

4.1微机数控系统硬件电路总体方案设计

本系统选用8031CPU作为数控系统的中央处理器。外部2764EPROM用作监控程序和处理程序的程序存储器,用于存储公共部分。然后选择一块6264RAM来存储需要随机修改的零件程序和工作参数。扩展芯片采用解码方式寻址,使用74LS138解码器完成该功能。作为系统输入输出端口的扩展,8279分别连接键盘的输入输出显示器,8255连接步进电机的环形分配器,分别并行控制X轴和Z轴的步进电机。此外,还要考虑机床与单片机之间的光电隔离、功率放大电路等。

各引脚的功能简述如下:

1)源引脚VSS:电源地。Vcc:+5v电源端子。

2)输入/输出端口线8031有P0,P1,P2和P3。

4个端口,每个端口有8条I/O线。系统扩展外存储器时,P0口用于输出低8位并行数据,P2口用于输出高8位地址,P3口除了是8位准双向并行口外还有第二个功能。每个引脚的第二个功能定义如下:P3.0

RXD:串行数据输入。P3.1 TXD:串行数据输出P3.2 INT0:外部中断0请求信号输入。P3.3

INT1:外部中断1请求信号输入。P3.4 T0:定时器/计数器0的外部输入P3.5 T1:定时器/计数器1的外部输入P3.6。

WR:外部数据存储器写选通脉冲。P3.7 RD:外部数据存储器读选通脉冲。在第二个函数运行之前,第二个函数的输出锁存器必须由程序设置为1。

3)信号控制线

RST/VPD: RST是复位信号线的输入引脚。时钟电路工作后,高电平出现在该引脚上超过两个机器周期,完成复位操作。8031单片机采用两种复位方式:一种是上电自动复位,另一种是开关复位。Ale/Prog: Ale是数据锁存许可信号。其功能是将CPU从P0端口发送的低8位地址锁定在一个附加锁存器中。

外部程序存储器读选通信号。低时有效。

VPP:当EA为高电平,PC值小于0FFFH时,CPU执行内部程序存储器中的程序。当EA为低电平时,CPU只执行外部程序存储器中的程序。XTAL1:使用外部振荡器时,振荡器的反相放大器输入必须接地;XTAL2:振荡器的反相放大器的输出,当使用外部振荡器时,接收外围振荡信号;

4.2片外三总线结构

在实际应用中,单片机经常需要扩展外部存储器、I/O口等。除了电源、复位、时钟输入和用户I/O口,单片机的管脚都是为了系统扩展而设置的,这些管脚形成三总线形式:

1)地址总线AB

地址总线宽度为16位。因此,外部存储器的直接寻址范围是64KB。P0端口通过地址锁存器提供16位地址总线的低8位地址(A7 ~ A0),P2端口直接提供高8位地址(A15 ~ A8)。

2)数据总线数据库

数据总线的宽度为8位,由P0端口提供。

3)控制总线CB

控制总线由处于第二功能状态的P3端口和四条独立的控制线RST、EA、ALE和PSEN组成。8255A可编程并行I/O口扩展芯片

8255A可编程并行I/O口扩展芯片可直接与MCS系列单片机系统的总线相连。它有三个8位并行I/O端口和三种工作模式。通过编程,它可以通过无条件传输、查询传输或中断传输,轻松完成CPU与外围设备的信息交换。

8255A的结构和引脚功能:8255A的结构。

8255A的内部结构包括三个8位并行数据I/O端口、两个工作模式控制电路、一个读/写控制逻辑电路和一个8位数据总线缓冲器。各部分的功能介绍如下:

(1)三个8位并行I/O端子A、B和C

答:它有一个8位数据输出锁存器/缓冲器和一个8位数据输入锁存器。它可以编程为8位输入、8位输出或8位双向寄存器。

b:它有一个8位数据输出锁存器/缓冲器和一个8位输入或输出寄存器,但它不能双向输入/输出。

c:它有一个8位数据输出锁存器/缓冲器和一个8位数据输入缓冲器。端口C可以分为两个4位端口用于输入或输出,也可以在端口A和端口B选通时用作状态控制信号。

(2)工作模式控制电路

A、B两组控制电路将三个端口分为A、B两组,A组控制A口位置和C口高的位置四个,B组控制B口位置和C口低的位置四个。两组控制电路各有一个控制命令寄存器,用于接收CPU写入的控制字,确定两组端口的工作模式。也可以根据控制字的要求,将C口清零或置“1”。

(3)读/写控制逻辑电路

它接收来自CPU的地址信号和一些控制信号来控制各个端口的工作状态。

(4)数据总线缓冲器

它是一个三态双向缓冲区,用来直接连接系统的数据总线,实现CPU与8255A之间的信息传输。

动词 (verb的缩写)摘要

普通车床的数控改造方案和单片机系统的设计,提高了加工精度,扩大了机床的使用范围,提高了生产率。采用以8031为CPU的控制系统对信号进行处理,通过I/O接口输出步进脉冲,经一级齿轮传动减速后驱动滚动丝杠转动,实现纵向和横向进给运动。

第六,谢谢

毕业论文暂时告一段落,也意味着我在九江职业学院的三年学习生活即将结束。回想起来,能够在这样一个校园里,在众多学识渊博、才华横溢的老师的熏陶下,度过人生中最宝贵的时光,是一种莫大的荣幸。在这三年里,我从学习和思考中受益匪浅。这除了我们自身的努力,更离不开老师、同学、朋友的关心、支持和鼓励。