【正文】 mm/min；5) X 方向定位精度177。，Z 方向定位精度177。；6) 可以車削柱面、平面、錐面與球面等；7) 安裝螺紋編碼器，可以車削米/英制的直螺紋與錐螺紋，最大導(dǎo)程為24mm；8) 安裝四工位立式電動刀架，系統(tǒng)控制自動選刀；9) 自動控制主軸的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)與停止，并可輸出主軸有極變速與無極變速信號；10) 自動控制冷卻泵的起/停；11) 安裝電動卡盤，系統(tǒng)控制工件的夾緊與松開；12) 縱、橫向安裝限位開關(guān)；13) 數(shù)控系統(tǒng)可與 PC 機(jī)串行通信；14) 顯示界面采用 LED 數(shù)碼管，編程采用 ISO 數(shù)控代碼。 總體設(shè)計(jì)方案對臥式車床進(jìn)行數(shù)控化改造，主要是將縱向和橫向進(jìn)給系統(tǒng)改成用微機(jī)控制的、能獨(dú)立運(yùn)動的進(jìn)給伺服系統(tǒng)；將手動刀架換成能自動換刀的電動刀架。這樣，利用數(shù)控裝置，車床就可以按預(yù)先輸入的加工指令進(jìn)行切削加工。由于加工過程中的切削參數(shù)、切削次序和刀具都可按程序自動進(jìn)行調(diào)節(jié)和更換，再加上縱、橫向的聯(lián)動進(jìn)給功能，所以，改造后的車床就可以加工出各種形狀復(fù)雜的回轉(zhuǎn)零件，并能實(shí)現(xiàn)多工序集中車削，從而提高生產(chǎn)效率和加工精度?？傮w方案應(yīng)考慮車床數(shù)控系統(tǒng)的運(yùn)動方式、進(jìn)給伺服系統(tǒng)的類型、數(shù)控系統(tǒng) CPU 的選擇，以及進(jìn)給傳動方式和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇等。 （1）普通車床數(shù)控化改造后應(yīng)具有單坐標(biāo)定位，兩坐標(biāo)直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)以及螺紋插補(bǔ)的功能。因此，數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計(jì)成連續(xù)控制型。 （2）普通車床經(jīng)數(shù)控化改造后屬于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床，在保證一定加工精度的前提下，應(yīng)簡化結(jié)構(gòu)，降低成本。因此，進(jìn)給伺服系統(tǒng)常采用步進(jìn)電 動機(jī)的開環(huán)控制系統(tǒng)。宮鳳麗：C6140 臥式車床數(shù)控化改造設(shè)計(jì)控制部分的設(shè)計(jì)4 （3）根據(jù)技術(shù)指標(biāo)中的最大加工尺寸、最高控制速度，以及數(shù)控系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性要求，決定選用 MCS51 系列的 8 位單片機(jī)作為數(shù)控系統(tǒng)的 CPU。MCS51 系列 8 位機(jī)具有功能多、速度快、抗干擾能力強(qiáng)、性/價比高等優(yōu)點(diǎn)。 （4）根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，需要擴(kuò)展程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、鍵盤與顯示電路、I/O 接口電路、D/A 轉(zhuǎn)換電路、串行接口電路等；還要選擇步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動電源以及主軸電動機(jī)的交流變頻器等。 （5）為了達(dá)到技術(shù)指標(biāo)中的速度和精度要求，縱、橫向的進(jìn)給傳動應(yīng)選用摩擦力小、傳動效率高的滾珠絲杠螺母副；為了消除傳動間隙提高傳動剛度，滾珠絲杠的螺母應(yīng)有預(yù)緊機(jī)構(gòu)等。 （6）計(jì)算選擇步進(jìn)電動機(jī)，為了圓整脈沖當(dāng)量，可能需 要減速輪副，且應(yīng)有消間隙機(jī)構(gòu)。 （7）選擇四工位自動回轉(zhuǎn)刀架與電動卡盤，選擇螺紋編碼器等。 華東交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）5第二章 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)中廣泛采用 Intel 公司的 MCS51 系列單片機(jī)，ATMEL 是著名的半導(dǎo)體公司，它以 51 系列內(nèi)核開發(fā)出許多具有特色的 MCS51 系列兼容微控制器，并改善了 51 系列許多特性，例如：提高了速度、降低了時鐘頻率、加寬了電壓范圍、降低了產(chǎn)品價格。因此選用 ATMEL 公司的AT89S52 單片機(jī)作 CPU。本章介紹用 MCS51 系列單片機(jī)構(gòu)成的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)內(nèi)容、方法及電路控制。根據(jù)任務(wù)書的要求，設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的硬件電路時主要考慮以下功能：（1）接收鍵盤數(shù)據(jù)，控制 LED 顯示；（2）接收操作面板的開關(guān)與按鈕信號；（3）接收車床限位開關(guān)信號：（4）接收螺紋編碼器信號；（5）接收電動卡盤夾緊信號與電動刀架刀位信號；（6）控制 X、Z 向步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動器；（7）控制主軸的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)與停止；（8）控制多速電動機(jī)，實(shí)現(xiàn)主軸有級變速；（9）控制交流變頻器，實(shí)現(xiàn)主軸無級變速；（10）控制冷卻泵啟動/停止；（11）控制電動卡盤的夾緊與松開；（12）控制電動刀架的自動選刀；（13）與 PC 機(jī)的串行通信。 確定控制系統(tǒng)方案控制系統(tǒng)有微機(jī)的、有 PLC 的、也有單片機(jī)的，這里采用的是開環(huán)控制系統(tǒng)，可以選擇經(jīng)濟(jì)型的單片機(jī)控制系統(tǒng)。另外，既然要控制，就得有輸入和輸出設(shè)備才能對相應(yīng)的運(yùn)動進(jìn)行控制。其控制系統(tǒng)框圖如圖 21 所示：宮鳳麗：C6140 臥式車床數(shù)控化改造設(shè)計(jì)控制部分的設(shè)計(jì)6圖 21 控制系統(tǒng)原理框圖 電路的系統(tǒng)設(shè)計(jì) CPU 和存儲器連接電路 CPU 選用 ATMEL 公司的 8 位單片機(jī) AT89S52；由于 AT89S52 本身資源有限，片內(nèi)僅含 4KB 的 EEPROM。所以擴(kuò)展了一片 EPROM 芯片 W27C512 用作程序存儲器，存放系統(tǒng)底層程序；擴(kuò)展了一片 SRAM 芯片 6264 用作數(shù)據(jù)存儲器，存放用戶程序；鍵盤與 LED 顯示采用 8279 來管理；輸入/輸出口的擴(kuò)展選用了并行接口8255 芯片，一些進(jìn)/出的信號均做了隔離放大；模擬電壓的輸出借助于DAC0832；與 PC 機(jī)的串行通信經(jīng)過 MAX233 芯片。其芯片連接電路如圖 22。華東交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）7圖 22 AT89S52 與存儲器電路AT89S52 芯片的 P0 和 P2 用來傳送外部存儲器的地址和數(shù)據(jù)，P2 口傳送的高 8 位地址，P0 口傳送低 8 位地址和數(shù)據(jù)，故要采用 74LS373 地址鎖存器，鎖存低 8 位地址，ALE 作為其選通信號，當(dāng) ALE 為高電平，鎖存器的輸入和輸出透明，即輸入的低 8 位存儲器地址在輸出端出現(xiàn)，此時不需鎖存。當(dāng) ALE 從高電平變低電平，出現(xiàn)下降沿時，低 8 位地址鎖存入地址鎖存器中，74LS373的輸出不再隨輸入變化，這樣 P0 口就可用來傳送讀寫的數(shù)據(jù)了。AT89S52 芯片的 P2 口和 74LS373 送出的 P0 口共組成 16 位地址，6264 是 8KB 的芯片，需要 13 根地址線；W27C512 是 64KB 的芯片，需要 16 根地址線。系統(tǒng)采用完全譯碼的方法，擴(kuò)展數(shù)據(jù)存數(shù)據(jù) 6264 時 A0~A7 低 8 位接 74LS373 芯片的輸出，宮鳳麗：C6140 臥式車床數(shù)控化改造設(shè)計(jì)控制部分的設(shè)計(jì)8A8~A12 接 AT89S52 芯片的 ~。6264 芯片片信號 Error!1用 CPU 的高位地址線 A1A1A13 經(jīng) 74LS138 的輸出 Y0 來選通，算得 6264 的地址范圍是1000H~1FFFH。擴(kuò)展程序存儲器時 A0~A7 低 8 位接 74LS373 芯片的輸出，A8~A15 接 AT89S52 芯片的 ~。W27C512 芯片片選信號Error!Error!接低電平，芯片始終處于工作狀態(tài)，由于使用了單片機(jī)自帶的 4KB 的 EEPROM，所以 AT89S52 芯片的 Error!A 接高電平，系統(tǒng)復(fù)位以后片外擴(kuò)展的 EEPROM地址從 1000H 開始執(zhí)行。單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng)允許程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器獨(dú)立編址（即允許地址重疊） ，AT89S52 芯片控制信號Error!接 W27C512 的Error!引腳，讀寫控制信號Error!和Error! 分別接 6264 芯片的Error!和Error! ，以實(shí)現(xiàn)外部數(shù)據(jù)存儲器的讀寫。 掉電保護(hù)電路6264 具有兩個片選引腳：其中 CE1 為低電平有效；CE2 為高電平有效。CE1 用CPU 的高位地址線 A1A1A13 經(jīng) 74LS138 的輸出 Y0 來選通。CE2 由比較器LM393 的輸出經(jīng)兩次反相后提供。當(dāng)系統(tǒng)處于上電或斷電的過程中，系統(tǒng)的工作電壓低于+5V，LM393 比較器輸出低電平，經(jīng)兩次反相后，送到 6264 的 CE2也是低電平，于是禁止對 6264 進(jìn)行讀/寫；當(dāng)系統(tǒng)的工作電壓+5V 穩(wěn)定后，LM393 輸出高電平，6264 的第二片選 CE2 也變成高電平，如果此時第一片選CE1 為低電平，那么 CPU 就能對 6264 進(jìn)行讀/寫操作了。圖 23 為 6264 的掉電保護(hù)電路：華東交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）9圖 23 6264 的掉電保護(hù)電路 I/O 接口電路由于 AT89S52 只有 P1和 P3口部分能提供用戶作為 I/O 口使用，不能滿足輸入口的需要，因而系統(tǒng)必須擴(kuò)展輸入輸出接口電路。系統(tǒng)的擴(kuò)展采用了一片8255 可編程 I/O 接口芯片。8255A 是 Intel 公司生產(chǎn)的可編程輸入/ 輸出接口芯片，它具有 A、B、C 三個 8 位的并行 I/O 口，可選擇三種工作方式。工作方式0 為基本的輸入輸出；方式 1 為選通輸入輸出；方式 2 為雙向傳送。8255A 還能對 C 端口的任一位進(jìn)行置位 /復(fù)位操作。其 I/O 接口連接電路如圖 24 所示。8255 的片選信號 Error!S 接 74LS138 的 Error!1， 74LS138 譯碼器有三個輸入端 A、B、C 分別接到 AT89S52 的 、 ，輸出 Error!0~Error!78 輸出，低電平有效。Error! 0~Error!7對應(yīng)輸入 A、B、C 的 000 至 111 的 8 種組合，其中 Error!0對應(yīng) A、B 、C 為 000，Error!7 對應(yīng) A、B、C 為 111。74LS138 還有三個使能端，其中 2 個（Error!2 Error!和 Error!2Error!）為低電平使能，另一個 G1為高電平使能。 。只有當(dāng)使能端均處于有效電平時，輸出才能產(chǎn)生，否側(cè)輸出處于高電平無效狀態(tài)。所以把 Error!2 Error!和 Error!2 Error!接低電平，把 G1接高電平（+5V） 。宮鳳麗：C6140 臥式車床數(shù)控化改造設(shè)計(jì)控制部分的設(shè)計(jì)10圖 24 I/O 接口電路 步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動電路 通常在經(jīng)濟(jì)型數(shù)據(jù)機(jī)床中，大多數(shù)采用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制。步進(jìn)電機(jī)是一種用電脈沖信號進(jìn)行控制，并將電脈沖信號轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的角位移的電動機(jī)。其角位移量與電脈沖數(shù)成正比，其轉(zhuǎn)速與電脈沖頻率成正比，通過改變脈沖頻率就可以調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。環(huán)形分配器是步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)中的一個重要組成部分，通常分為硬件環(huán)分和軟件環(huán)分兩種。硬件環(huán)分由數(shù)字邏輯電路構(gòu)成，一般放在驅(qū)動器的內(nèi)部，其優(yōu)點(diǎn)是分配脈沖速度快，不占用 CPU 的時間。本設(shè)計(jì)中我們采用硬件環(huán)分，由于本設(shè)計(jì)中我們選用的 X 向和 Z 向的步進(jìn)電動機(jī)型號分別為 110BYG5802 和 130BYG5501，這兩種電動機(jī)均為 5 相混合式，所以我們選用控制該步進(jìn)電機(jī)的專用芯片 PMM8714。采用硬件環(huán)分時，步進(jìn)電動機(jī)的通電節(jié)拍由硬件電路來決定，控制器與硬件環(huán)分電路的連接只需兩根信號線：一根方向線，一根脈沖線。為了使步進(jìn)電機(jī)正常運(yùn)行并輸出一定功率，需要有足夠的功率提供給電動機(jī)，因此需要有功率放大環(huán)節(jié)。脈沖分配器及前面的微機(jī)及接口芯片，工作電壓一般為 5V，而作為電機(jī)電源要符合步進(jìn)電機(jī)要求的額定電壓值。為了避免強(qiáng)電對弱電的干擾，在它們之間應(yīng)采用隔離電路。硬件環(huán)分的脈沖分配如圖 25。華東交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）11控制器 功率驅(qū)動放大電路步進(jìn)電動機(jī)硬件環(huán)分電路隔離放大電路圖 25 硬件環(huán)分的脈沖分配 本設(shè)計(jì)中 X 向步進(jìn)電動機(jī)的型號為 110BYG5802，Z 向步進(jìn)電動機(jī)的型號為130BYG5501，生產(chǎn)廠家為常州寶馬集團(tuán)公司。這兩種電動機(jī)除了外形尺寸、步距角和輸出轉(zhuǎn)矩不同外，電氣參數(shù)基本相同，均為 5 相混合式，5 線輸出，電機(jī)供電電壓 DC120～310V，電流 5A。這樣，兩臺電動機(jī)的驅(qū)動電源可用同一型號。在此，根據(jù)【1】表 414 選擇合肥科林?jǐn)?shù)控科技有限責(zé)任公司生產(chǎn)的五相混合式調(diào)頻調(diào)壓型步進(jìn)驅(qū)動器，型號為 BD5A。它與控制系統(tǒng)的連接如圖 26 所示。表 414 混合式步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動電源技術(shù)參數(shù)型號 相數(shù)輸入電壓相電流分配方式 適用電動機(jī)BD28Nb2 20100V AC24A 二相八拍 90BYG2502/90BYG2602 等BD28Nc2 110220V AC4/6/8A 二相八拍 110BYG2502/110BYG2602/130BYG2502 等BD28Fb2 20100V AC24A 90BYG2502/90BYG2602 等BD28Fc2 110220V AC3/4/6/8A110BYG2502/110BYG2602/130BYG2502 等BD3A 3 220V AC3/5/7A1/2/4/5/8/10/20/40 細(xì)分110BYG3502/130BYG3502 等BD5A 5 220V 4/6/8A 五相十拍/二十 110BYG5802/130BYG5501 等宮鳳麗：C6140 臥式車床數(shù)控化改造設(shè)計(jì)控制部分的設(shè)計(jì)12AC 拍圖 26 BD5A 驅(qū)動器與控制系統(tǒng)的連接2．光電隔離電路在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路中，脈沖分配器輸出的信號經(jīng)放大后，控制步進(jìn)電機(jī)的勵磁繞組。由于步進(jìn)電機(jī)需要驅(qū)動的電壓較高，電流較大，如果將 I/O 口輸出信號直接與功率放大器相連，將會引起強(qiáng)電干擾，輕則會引起計(jì)算機(jī)的正常運(yùn)行，重則導(dǎo)致計(jì)算機(jī)接口電路損壞。所以一般在接口電路與功率放大器之間都要加上隔離電路，實(shí)現(xiàn)電氣隔離，通常使用最多的是光耦合器。光耦合器是以光為媒介傳輸信號的器件，其輸入端配置發(fā)光源，輸出端配置受光器，因而輸入和輸出在電氣上是完全隔離的。其光電隔離輸入電路如圖 27。 華東交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）13圖 27 光電隔離輸入電路3．功率放大電路脈沖分配器的輸出的功率太小