機(jī)電一體化系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)—縱向改造ca6140車床

1、<p><b>　　一、前言</b></p><p>　　隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，數(shù)控機(jī)床已是衡量一個(gè)國(guó)家機(jī)械制造水平的重要標(biāo)志。目前機(jī)床數(shù)控化改造的市場(chǎng)在我國(guó)還有很大的發(fā)展空間，現(xiàn)在我國(guó)機(jī)床數(shù)控化率不到3％。用普通機(jī)床加工出來的產(chǎn)品普遍存在質(zhì)量差、品種少、檔次低、成本高、供貨期長(zhǎng)，從而在國(guó)際、國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上缺乏競(jìng)爭(zhēng)力，直接影響一個(gè)企業(yè)的產(chǎn)品、市場(chǎng)、效益，影響企業(yè)的生存和發(fā)展，所以必須

2、大力提高機(jī)床的數(shù)控化率。采用經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)對(duì)普通機(jī)床數(shù)控改造，尤其適合我國(guó)機(jī)床擁有量大、生產(chǎn)規(guī)模小的具體國(guó)情?！峨姎鈺r(shí)代》、《機(jī)械工人》、《電氣應(yīng)用》等多家雜志為滿足廣大企業(yè)技術(shù)改造發(fā)展生產(chǎn)的需要，多次聯(lián)合舉辦學(xué)習(xí)班，為企業(yè)提供權(quán)威、經(jīng)濟(jì)、可行、實(shí)用的技術(shù)指導(dǎo)，改造費(fèi)用為新購(gòu)置費(fèi)用的四分之一到三分之一。</p><p>　　普通機(jī)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(jī)床比傳統(tǒng)機(jī)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(jì)算機(jī)的威力。 （1）可以加工出傳統(tǒng)機(jī)床加工不出來的曲線、曲面等復(fù)雜的零件。 由于計(jì)算機(jī)有高超的運(yùn)算能力，可以瞬時(shí)準(zhǔn)確地計(jì)算出每個(gè)坐標(biāo)軸瞬時(shí)應(yīng)該運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)量，因此可以復(fù)合成復(fù)雜的曲線或曲面。 </p><p>　?。?）可以實(shí)現(xiàn)加工的自動(dòng)化，而且是柔性自動(dòng)化，從而效率可比傳統(tǒng)機(jī)床提高3～7倍。由于計(jì)算機(jī)有記憶和存

4、儲(chǔ)能力，可以將輸入的程序記住和存儲(chǔ)下來，然后按程序規(guī)定的順序自動(dòng)去執(zhí)行，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。數(shù)控機(jī)床只要更換一個(gè)程序，就可實(shí)現(xiàn)另一工件加工的自動(dòng)化，從而使單件和小批生產(chǎn)得以自動(dòng)化，故被稱為實(shí)現(xiàn)了“柔性自動(dòng)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(shí)現(xiàn)多工序的集中，減少零件 在機(jī)床間的頻繁搬運(yùn)。 （5）擁有自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)監(jiān)控、自動(dòng)補(bǔ)償?shù)榷喾N自律功能，因而可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)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(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省了勞動(dòng)力（一個(gè)人可以看管多臺(tái)機(jī)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(duì)市場(chǎng)需求作出快速反應(yīng)等等。 　　以上這些優(yōu)越性是前人想象不到的，是一個(gè)極為重大的突破。此外，機(jī)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(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)）等企業(yè)信息化改造的基礎(chǔ)。數(shù)控技術(shù)已經(jīng)成為制造業(yè)自動(dòng)化的核心技術(shù)和基礎(chǔ)技術(shù)。 2、宏觀看改造的意義 從宏觀

6、上看，工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的</p><p>　　二、普通機(jī)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(jī)械加工工業(yè)中，絕大多數(shù)是舊式機(jī)床，如果改用微機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的改造，會(huì)使機(jī)床適應(yīng)小批量、多品種、復(fù)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(guó)國(guó)情。利用微機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)床的機(jī)電一體化改造的方

7、法有兩種：一種是以微機(jī)為中心設(shè)計(jì)控制部件；另一種是采用標(biāo)準(zhǔn)的步進(jìn)電機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)作為主要控制裝置。前者需要新設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，比較復(fù)雜；后者選用國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)化的微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)，比較簡(jiǎn)單。這種標(biāo)準(zhǔn)的微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)通常采用單片機(jī)、驅(qū)動(dòng)電源、步進(jìn)電機(jī)及專用的控制程序組成開環(huán)控制，如圖2-1所示，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉。對(duì)機(jī)床的控制過程大多是由單片機(jī)按照輸入的加工程序進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算，產(chǎn)生進(jìn)給，由軟件或硬件實(shí)現(xiàn)脈沖分配，輸出一系列脈沖，經(jīng)功率放大、驅(qū)動(dòng)刀架、縱橫

8、軸運(yùn)動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)刀具按規(guī)定的輪廓軌跡運(yùn)動(dòng)。微機(jī)進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算的速度較快，可以讓單片機(jī)每完成一次插補(bǔ)、進(jìn)給，就執(zhí)行一次延時(shí)程序，由延時(shí)程序控制進(jìn)給速度。</p><p>　　圖2-1 開環(huán)控制系統(tǒng)框圖</p><p>　　機(jī)械系統(tǒng)的改造方案的確定</p><p>　　在熟悉原機(jī)床的操作過程及傳動(dòng)系統(tǒng)后，根據(jù)設(shè)計(jì)要求確定系統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)改造方案。包括電機(jī)型號(hào)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(dǎo)軌是否要重新更換，改換成滾珠絲杠螺母副時(shí)絲杠螺母副的型號(hào)及安裝形式如何確定，導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)方法等。</p><p>　　對(duì)CA6140車床的縱向（Z向）進(jìn)給運(yùn)動(dòng)進(jìn)行數(shù)控改造，此時(shí)可將開合螺母合上，離合器脫開，使主運(yùn)動(dòng)與進(jìn)給運(yùn)動(dòng)脫開，此時(shí)，將脫落螺桿等橫向自動(dòng)進(jìn)給機(jī)構(gòu)調(diào)至空擋（脫開）位置。若原刀架為自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架，則可以由微機(jī)控制自動(dòng)轉(zhuǎn)換刀具，否則仍由手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)刀架。如需

10、加工螺紋，則要在主軸外端或其他適當(dāng)位置安裝一個(gè)脈沖發(fā)生器來檢測(cè)主軸轉(zhuǎn)位，用它發(fā)出的脈沖來保證主軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與縱向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的相互關(guān)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(shí)際情況進(jìn)行檢修，才能保證控制精度。原有機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件（包括導(dǎo)軌、絲杠副等）安裝質(zhì)量的好壞，直接影響阻力和阻力矩的大小，應(yīng)盡量減小阻力（力矩），以提高步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩的效率。對(duì)絲杠及軸要提高其直線度，導(dǎo)軌壓板及螺母的預(yù)緊力都要調(diào)得合適。為減少導(dǎo)軌副的摩擦阻力

11、可改換成滾動(dòng)導(dǎo)軌副或采用鑲塑料導(dǎo)軌。根據(jù)阻力（力矩），切削用量的大小及機(jī)床型號(hào)的不同，應(yīng)通過計(jì)算，選用與之相匹配的步進(jìn)電機(jī)。如果選用步進(jìn)電機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩過大，價(jià)格就貴，機(jī)電一體化改造的成本就高，且對(duì)用戶來說，在使用中，始終用不到那么大的驅(qū)動(dòng)能力，也是一個(gè)浪費(fèi)；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(jī)控制系統(tǒng)方案的確定</p><p>　?。?）、微

12、機(jī)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(jī)控制，其典型代表有8031、8051、8075等，其中8031的價(jià)格低，功能強(qiáng)，使用靈活等特點(diǎn)，比較適用于一般機(jī)床的數(shù)控改造，但由于其無內(nèi)存，必須外接存儲(chǔ)及I/O擴(kuò)展芯片才可以成為一個(gè)較簡(jiǎn)單的微機(jī)控制系統(tǒng)。</p><p>　　存儲(chǔ)芯片的選擇依據(jù)系統(tǒng)控制程序的大小及CPU的字長(zhǎng)，I/O擴(kuò)展芯片的個(gè)數(shù)根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)需要

13、的I/O通道的個(gè)數(shù)來確定。</p><p>　　、軟硬件任務(wù)合理分配</p><p>　　涉及軟、硬件任務(wù)分配的有：控制步進(jìn)電機(jī)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(gè)都可以用磚用硬件芯片實(shí)現(xiàn)，也可用軟件編程實(shí)現(xiàn)。用硬件實(shí)現(xiàn)，編程時(shí)比較簡(jiǎn)單，但同時(shí)增加了硬件成本及故障源。用軟件實(shí)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(shí)現(xiàn)時(shí)，應(yīng)統(tǒng)籌兼顧，同時(shí)還應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)者的軟、硬件方面的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)及能力。</p><p>　　六、微機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)</p><p><b>　　（一）模塊組成</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(shí)/計(jì)數(shù)常數(shù)的設(shè)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(diào)用相應(yīng)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(shè)定，相應(yīng)的子程序模塊包括“←”、“→”、“↑”、“↓”各個(gè)命令及“暫?！泵钐幚砟K。這里設(shè)定一標(biāo)志，其作用是反映XY工作臺(tái)的當(dāng)前運(yùn)動(dòng)方向。標(biāo)志位為內(nèi)部RAM區(qū)的2BH

16、，其定義如下：</p><p>　　2BH單元值 當(dāng)前運(yùn)動(dòng)方向</p><p>　?。?B）=01H → +X</p><p>　?。?B）=02H ← -X</p><p>　?。?B）=03H

17、 ↑ +Z</p><p>　?。?B）=04H ↓ -Z</p><p>　?。?B）=00H 初始時(shí)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(shí)

18、使XY工作臺(tái)停止移動(dòng)，因此只需停止步進(jìn)脈沖信號(hào)即可。</p><p>　　3、越界報(bào)警、急停處理模塊</p><p>　　本模塊的主要功能是當(dāng)XY工作臺(tái)移動(dòng)越出邊界時(shí)進(jìn)行應(yīng)急處理，停止一切正常工作，由復(fù)位重新使系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)。報(bào)警用紅燈亮指示。</p><p>　　4、實(shí)時(shí)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(shí)掃描方式。這里選擇后一種，用定時(shí)中斷模塊同時(shí)完成鍵盤和顯示的掃描。對(duì)于鍵盤掃描，應(yīng)該解決去抖動(dòng)問題，一般調(diào)用延時(shí)10ms左右來實(shí)現(xiàn)，而對(duì)于顯示掃描，為保證多位同時(shí)顯示而無閃爍，應(yīng)使掃描頻率高于50Hz。設(shè)定定時(shí)時(shí)間為3ms，即每隔3ms中斷 1次，修改一次顯示位，每位顯示的點(diǎn)亮?xí)r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(dòng)。設(shè)置一標(biāo)志位，其地址為內(nèi)存RAM30H單元，用于計(jì)數(shù)中斷次數(shù)，當(dāng)其等于3時(shí)，正好隔9ms，馬上查詢鍵盤。另外還應(yīng)設(shè)一標(biāo)志位，用以標(biāo)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(dāng)上次有鍵按下，且隔9ms后再次查詢有同一鍵按下時(shí)，才能確認(rèn)有鍵按下，否則均視為誤動(dòng)作，不予理睬。</p>

21、;<p>　　5、鍵盤、顯示定時(shí)掃描管理模塊</p><p>　　本模塊采用中斷方式，其作用是通過對(duì)8155定時(shí)/計(jì)數(shù)的輸出信號(hào)，也即對(duì)步進(jìn)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，來修改顯示緩沖區(qū)中工作臺(tái)當(dāng)前工作位置。根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的實(shí)際脈沖當(dāng)量，一個(gè)步進(jìn)脈沖，相當(dāng)于工作臺(tái)位移增量為0.01mm，可以設(shè)定中斷計(jì)數(shù)常數(shù)為10，每中斷一次，工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)0.1mm，這里用內(nèi)部RAM單元為中斷次數(shù)計(jì)數(shù)器。</p><

22、p><b>　?。ǘ┚彌_區(qū)設(shè)置</b></p><p>　　應(yīng)設(shè)置兩個(gè)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(zhǎng)度為4字節(jié)，地址為8031內(nèi)部RAM區(qū)20H~23H，第一字可用于緩沖區(qū)空、滿等標(biāo)志，定義如下：（20H）=

23、00H，緩沖區(qū)為空，（20H）=01H，緩沖區(qū)內(nèi)未處理完的命令個(gè)數(shù)，顯然（20H）=30H時(shí)即為滿。其余3個(gè)字節(jié)內(nèi)存放具體的命令碼。為防止誤操作，可以進(jìn)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(gè)或兩個(gè)以上未處理的命令碼，一般情況只要一個(gè)命令碼，馬上會(huì)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(duì)應(yīng)一顯示位，共5個(gè)字節(jié)，地址為8031內(nèi)部RAM 25H~29H，分別對(duì)應(yīng)百位、十位、個(gè)位（包括小數(shù)點(diǎn)）、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(shè)立一些標(biāo)志位，視具體情況而定。</p><p>　?。ㄈ┲袛鄡?yōu)先級(jí)所處理時(shí)間為緊急的則其中斷級(jí)別為最高，根據(jù)本題實(shí)際情況，中斷模塊的優(yōu)

25、先級(jí)如下：</p><p>　　模塊名 級(jí)別</p><p>　　越界報(bào)警、急停處理模塊 0 高</p><p>　　實(shí)時(shí)修改顯示緩沖區(qū)數(shù)據(jù)模塊 1</p><p>　　鍵盤、顯示定時(shí)掃描管理模塊 2 </p><p><b>　　、&l

26、t;/b></p><p><b>　　七、設(shè)計(jì)小結(jié)</b></p><p>　　機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)是機(jī)電一體化系統(tǒng)課程的最后一個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)，同時(shí)也是一次對(duì)學(xué)生進(jìn)行全面的機(jī)電一體化設(shè)計(jì)訓(xùn)練。通過這次課程設(shè)計(jì)，我學(xué)會(huì)了怎樣去運(yùn)用機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的知識(shí)去分析和解決課程設(shè)計(jì)中遇到的問題，真正的學(xué)以致用，這不僅進(jìn)一步鞏固和深化了所學(xué)的知識(shí)；同時(shí)，培養(yǎng)了正確的設(shè)計(jì)

27、思想和分析問題、解決問題的能力。</p><p>　　在設(shè)計(jì)時(shí)，認(rèn)真閱讀參考資料，根據(jù)具體地設(shè)計(jì)條件和要求，借鑒前人的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和成果，獨(dú)立思考，大膽地進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新。從車床改造方案的確定到機(jī)械部分設(shè)計(jì)及計(jì)算，從步進(jìn)電機(jī)的選擇到控制部分的設(shè)計(jì)。這一系列的改造，不僅考慮車床整體的工藝性，同時(shí)也考慮改造的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性。</p><p>　　在整個(gè)的設(shè)計(jì)過程中，我們都盡量參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，合理

28、的設(shè)計(jì)各改造部分，這在很大程度上提高了我們的嚴(yán)謹(jǐn)性和實(shí)事求是的精神。同時(shí)這次課程設(shè)計(jì)中所遇到并且解決的一些問題，比如電機(jī)的定位，各部件的配合，滾珠絲杠螺母副的預(yù)緊等等，這些都使我們進(jìn)一步地加深對(duì)機(jī)電一體化課程的理解，鞏固所學(xué)的知識(shí)。</p><p>　　這次課程設(shè)計(jì)結(jié)束了，整個(gè)設(shè)計(jì)過程就是對(duì)自己所學(xué)的知識(shí)的一次總結(jié)和應(yīng)用，受益頗豐，但是卻也讓我充分地認(rèn)識(shí)到自己在知識(shí)理解和接受應(yīng)用方面的不足，將來要進(jìn)一步加強(qiáng)和提高

29、。</p><p><b>　　八、參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　張建民等編著. 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì). 北京：高等教育出版社，2001.</p><p>　　機(jī)電一體化技術(shù)手冊(cè)編委會(huì)編. 機(jī)電一體化技術(shù)手冊(cè)（上、下冊(cè)）. 機(jī)械工業(yè)出版社.1994.</p><p>　　濮良貴、紀(jì)名剛主編. 機(jī)械設(shè)計(jì)（第七版）.北

30、京：高等教育出版社，2005.</p><p>　　唐增寶等主編. 機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)（第二版）.湖北：華中科技大學(xué)出版社.2006.</p><p>　　胡鳳蘭主編.互換性及技術(shù)測(cè)量基礎(chǔ). 北京：高等教育出版社.2005.</p><p>　　上海紡織工業(yè)學(xué)院機(jī)械制造專業(yè)教研室.機(jī)床設(shè)計(jì)參考圖冊(cè)（車床部分）.</p><p>　　華東紡織工學(xué)

31、院、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、天津大學(xué)主編.機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè). 上?？茖W(xué)技術(shù)出版社.</p><p>　　趙松華 張奇鵬主編. 機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì).機(jī)械工業(yè)出版社. 1999.</p><p>　　蔡美琴等主編. MCS-51系列單片機(jī)系統(tǒng)及其應(yīng)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(jī)床. 華中理工大學(xué)出版社.1992.</