普通車床數(shù)控化改造畢業(yè)論文

1、<p>　　畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論文）</p><p>　　設(shè)計(jì)(論文)題目： 普通車床數(shù)控化改造 </p><p>　　姓 名 </p><p>　　準(zhǔn)考證號(hào) </p><p>　　專 業(yè)

2、 機(jī)電一體化工程（本）</p><p>　　指導(dǎo)教師 </p><p>　　2013年7月10 日</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　一、概述3</b></p><p>　　1.1 普通車

3、床數(shù)控改造3</p><p>　　二、車床改造方案的確定7</p><p>　　2.1 普通車床的構(gòu)成7</p><p>　　2.2總體改造方案9</p><p>　　三、步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)12</p><p>　　3.1 步進(jìn)電機(jī)的控制方案12</p><p>　　3.2

4、 步進(jìn)電機(jī)的恒速控制14</p><p>　　3.3 步進(jìn)電機(jī)的變速控制16</p><p>　　3.4 步進(jìn)電機(jī)控制程序設(shè)計(jì)19</p><p>　　四、刀架的選型21</p><p><b>　　五、結(jié)束語24</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)25</

5、b></p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　企業(yè)要在當(dāng)前市場(chǎng)需求多變，競(jìng)爭激烈的環(huán)境中生存和發(fā)展就需要迅速地更新和開發(fā)出新產(chǎn)品，以最低價(jià)格、最好的質(zhì)量、最短的時(shí)間去滿足市場(chǎng)需求的不斷變化。而普通機(jī)床已不適應(yīng)多品種、小批量生產(chǎn)要求，數(shù)控機(jī)床則綜合了數(shù)控技術(shù)、微電子技術(shù)、自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)，最適宜加工小批量、高精度、形狀復(fù)雜、生產(chǎn)周期要求

6、短的零件。當(dāng)變更加工對(duì)象時(shí)只需要換零件加工程序，無需對(duì)機(jī)床作任何調(diào)整，因此能很好地滿足產(chǎn)品頻繁變化的加工要求。</p><p>　　如果將機(jī)床設(shè)備全部更新?lián)Q代，不僅資金投入太大，成本太高，而且原有設(shè)備的閑置又將造成極大的浪費(fèi)。所以最經(jīng)濟(jì)的辦法就是進(jìn)行普通機(jī)床的數(shù)控改造。采用數(shù)控改造技術(shù)，不但可以使改造后的機(jī)床滿足了技術(shù)發(fā)展的需要，提高了生產(chǎn)率和產(chǎn)品精度，增大了設(shè)備適應(yīng)能力和型面加工范圍，還可以彌補(bǔ)定購新的數(shù)控機(jī)床

7、交貨周期長的不足。所以采用此方法對(duì)中、小型企業(yè)來說是十分理想的選擇。</p><p>　　ＣＡ6140型車床具有性能良好、結(jié)構(gòu)先進(jìn)、操作輕便等特點(diǎn) ,在我國機(jī)械制造行業(yè)中使用非常廣泛。本設(shè)計(jì)就取其為例，主要介紹其數(shù)控化改造的方案、以及改造部位的選型與設(shè)計(jì)計(jì)算。</p><p>　　關(guān)鍵詞：數(shù)控化、自動(dòng)控制、步進(jìn)電機(jī)、自動(dòng)刀架。</p><p><b>　　

8、一、概述</b></p><p>　　1.1 普通車床數(shù)控改造</p><p>　　數(shù)控車床是現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)中不可缺少的加工設(shè)備，在機(jī)械制造業(yè)中發(fā)揮著重要的作用，能解決機(jī)械制造中結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精密、批量小、零件多變的加工問題，且產(chǎn)品加工質(zhì)量穩(wěn)定，生產(chǎn)效率較高。</p><p>　　企業(yè)要在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭中獲得生存、求得發(fā)展，就必須在最短的時(shí)間內(nèi)以優(yōu)異的質(zhì)量

9、、低廉的成本，制造出合乎市場(chǎng)需要的、性能合適的產(chǎn)品，而產(chǎn)品質(zhì)量的優(yōu)劣，制造周期的快慢，生產(chǎn)成本的高低，又往往受工廠現(xiàn)有加工設(shè)備的直接影響。目前，采用先進(jìn)的數(shù)控機(jī)床，已成為我國制造技術(shù)發(fā)展的總趨勢(shì)。</p><p>　　購買新的數(shù)控機(jī)床是提高數(shù)控化率的主要途徑，但是成本太高，很多工廠在短時(shí)間內(nèi)都無法有那么多的資金，這嚴(yán)重阻礙企業(yè)的設(shè)備更新和設(shè)備改造的步伐；同時(shí)目前大多數(shù)企業(yè)還有數(shù)量眾多，而且還具有較長使用壽命的普通

10、機(jī)床，由于普通機(jī)床加工精度相對(duì)較低、不能批量生產(chǎn)，生產(chǎn)的自動(dòng)化程度不高，生產(chǎn)自適應(yīng)性差，但考慮投資成本，產(chǎn)業(yè)的連續(xù)性和轉(zhuǎn)型周期，又不能馬上淘汰。而改造現(xiàn)有舊機(jī)床、配備與之相適應(yīng)的數(shù)控系統(tǒng)，把普通機(jī)床改裝成數(shù)控機(jī)床，是當(dāng)前許多企業(yè)對(duì)現(xiàn)有設(shè)備改造換代的首選辦法，也是提高機(jī)床數(shù)控化率的一條有效途徑，不失為一條投資少、提升產(chǎn)品加工精度及質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率的捷徑，使企業(yè)提升競(jìng)爭力，在我國成為世界制造業(yè)中心及制造強(qiáng)國的進(jìn)程中，占有一席之地。對(duì)于本課

11、題，既可以達(dá)到完成畢業(yè)設(shè)計(jì)的目的，又可以達(dá)到研制新成果，開闊科研門路的目的。</p><p>　　普通車床自動(dòng)控制系統(tǒng)研制，是利用傳統(tǒng)普通車床，結(jié)合計(jì)算機(jī)、電子科技知識(shí)，變動(dòng)手為自動(dòng)，由粗加工變精加工，實(shí)現(xiàn)“變廢為寶”的最終目的，成品的主要用處為：既可以作為成品機(jī)型加工小批量精度高的零配件，又可以作為直觀、實(shí)效的機(jī)電演示設(shè)備，結(jié)合理論教學(xué)最直接的實(shí)現(xiàn)由單一機(jī)械產(chǎn)品，經(jīng)電子化改造變?yōu)橐詸C(jī)電為動(dòng)力最終實(shí)現(xiàn)精密機(jī)械加工

12、的數(shù)控機(jī)床。</p><p>　　1.2 普通機(jī)床數(shù)控化改造經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)</p><p>　　目前新經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床約8．5萬/臺(tái)，以普通新車床CA6140為例，售價(jià)3．8萬／臺(tái)，使用壽命8-10年，而已使用了6-8年的舊車床CA6140，估價(jià)0.5萬／臺(tái)， 通過改造還可使用4-6年。普通車床CA6140每臺(tái)數(shù)控化改造所需價(jià)格大約3萬，數(shù)控加工的生產(chǎn)率可提高20．30％。因此需要對(duì)普通車床的數(shù)

13、控化改造進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)。</p><p>　　設(shè)備現(xiàn)代化改造是指應(yīng)用現(xiàn)代技術(shù)成就和先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，適應(yīng)生產(chǎn)的需要，改變現(xiàn)有設(shè)備的結(jié)構(gòu)(包括更換新部件、新裝置、新附件等)，改善現(xiàn)有設(shè)備的技術(shù)性能，使之全部或局部達(dá)到新設(shè)備的性能。</p><p>　　設(shè)備現(xiàn)代化改造是廣義設(shè)備更新的一種方式，因此，研究現(xiàn)代化改造的經(jīng)濟(jì)性與設(shè)備更新的其他方式相比較。一般情況下，與現(xiàn)代化改造并存的可行方案有：繼續(xù)使用舊設(shè)

14、備、舊設(shè)備大修理、原型設(shè)備更換和更換新設(shè)備。決策的任務(wù)就是要在各種可行方案中選擇設(shè)備使用總成本最小的方案。針對(duì)各種方案的設(shè)備使用總成本，進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析[1]，選用下列公式計(jì)算：</p><p><b>　　= </b></p><p><b>　　= </b></p><p><b>　　= </b>&

15、lt;/p><p><b>　　= </b></p><p><b>　　式中：</b></p><p>　　——舊設(shè)備到j(luò)年的使用總成本；</p><p>　　——原型新設(shè)備到j(luò)年的使用總成本：</p><p>　　——高效率新設(shè)備到j(luò)年的使用總成本：</p>&

16、lt;p>　　——現(xiàn)代化改裝后設(shè)備到j(luò)年的使用總成本；</p><p>　　——大修理后設(shè)備到j(luò)年的使用總成本：</p><p>　　——舊設(shè)備繼續(xù)使用時(shí)的勞動(dòng)生產(chǎn)率系數(shù)；</p><p>　　——原型新設(shè)備的勞動(dòng)生產(chǎn)率系數(shù)；</p><p>　　——高效率新設(shè)備的勞動(dòng)生產(chǎn)率系數(shù)；</p><p>　　——現(xiàn)代化

17、改裝后的勞動(dòng)生產(chǎn)率系數(shù)；</p><p>　　——大修理后的勞動(dòng)生產(chǎn)率系數(shù)；</p><p>　　——原型新設(shè)備的價(jià)值;</p><p>　　——高效率新設(shè)備的價(jià)值；</p><p>　　——舊設(shè)備現(xiàn)代化改裝的價(jià)值：</p><p>　　——設(shè)備大修理費(fèi)用：</p><p>　　——舊設(shè)備在j年

18、的使用費(fèi)用；</p><p>　　——原型新設(shè)備在j年的使用費(fèi)用；</p><p>　　——高效率新設(shè)備在j年的使用費(fèi)用；</p><p>　　——現(xiàn)代化改裝后在j年的使用費(fèi)用；</p><p>　　一——大修理后在j年的使用費(fèi)用：</p><p>　　——原型新設(shè)備使用j年后的殘值；</p><p

19、>　　——高效率設(shè)備使用J年后的殘值；</p><p>　　——第j年的現(xiàn)值系數(shù)，i為貼現(xiàn)利率；j為設(shè)備使用年限，(j=l，2，3，．．n)。</p><p>　　比較各種方案的設(shè)備使用總成本，取總成本最小的方案。各種方案投資成本</p><p>　　及生產(chǎn)率以及各年使用成本列于表1．1所示：</p><p>　　表1．1 各種更新方案

20、的投資和各年使用費(fèi)用 ( 萬元)</p><p>　　新設(shè)備殘值 = =O．5萬元，舊設(shè)備殘值 = =0，利率i=8％</p><p>　　將上表所列數(shù)據(jù)代入各計(jì)算公式得出各種方案逐年使用成本見表1-2：</p><p>　　表1-2 各種方案逐年設(shè)備使用總成本匯總表（萬元）</p><p>　　由以上計(jì)算結(jié)果

21、，比較各項(xiàng)更新方案中使用總成本最小者為優(yōu)。如果設(shè)備只使用3年，以繼續(xù)使用原設(shè)備方案為最佳；如果使用4-6年，則對(duì)原設(shè)備進(jìn)行大修理的方案為佳；如果設(shè)備使用6年以上到8年，則最佳方案是將原舊機(jī)床改裝為數(shù)控化機(jī)床；如果使用9年以上，則可更將普通機(jī)床更換為全新數(shù)控機(jī)床為最佳方案。</p><p>　　因此通過以上經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)，對(duì)使用6到8年的普通車床，將其改造為數(shù)控化車床，是比較經(jīng)濟(jì)和可行的。</p><

22、;p>　　二、車床改造方案的確定</p><p>　　數(shù)控技術(shù)改造機(jī)床是建立在微電子現(xiàn)代技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合的基礎(chǔ)上。在數(shù)控改造中引入單片機(jī)的應(yīng)用，不但技術(shù)上具有先進(jìn)性，同時(shí)，在應(yīng)用上比其它傳統(tǒng)的自動(dòng)化改裝方案有通用性與協(xié)調(diào)性。我們?cè)趯?shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床的改造的過程中堅(jiān)持這樣一條原則：在盡量不改變車床原有功能的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的目的，完成改造。</p><p>　　2.1 普通車床的構(gòu)成

23、</p><p>　　對(duì)普通車床的自動(dòng)改造包括三大部分：機(jī)械部分、硬件（含電部分）、軟件部分。車床改造前，主要有以下幾部分構(gòu)成。</p><p>　　圖1-1 普通車床外形結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　1．床腿 2.進(jìn)給箱 3.主軸箱 4.床鞍 5.中滑板 6.刀架</p><p>　　7．回轉(zhuǎn)盤 8.小滑板 9.尾座 10.床

24、身 11床腿 12.光杠 13.絲杠 14.溜板箱</p><p>　　車床部分名稱和用途如下：</p><p>　　2.1.1 車頭部分</p><p>　　1.車頭箱 用來帶動(dòng)車床主軸及卡盤轉(zhuǎn)動(dòng)，變換箱外的手柄位置，可以使主軸得到各種不同的轉(zhuǎn)速。</p><p>　　2.卡盤 用來夾住工件，并帶動(dòng)工件一起轉(zhuǎn)動(dòng)。</p>

25、<p>　　2.1.2 掛輪箱部分</p><p>　　用來把主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)傳給走刀箱。調(diào)換箱體內(nèi)的齒輪，并與走刀箱配合，可以車削各種不同螺距的螺紋。</p><p>　　2.1.3 走刀部分</p><p>　　1.走刀箱利用它內(nèi)部的齒輪機(jī)構(gòu)，可以把主軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳給絲杠，變換箱體外面的手柄位置，可以使主軸得到各種不同的轉(zhuǎn)速。</p>&l

26、t;p>　　2.用來車削螺紋。它能使拖板和車刀按要求的速比作很精確的直線移動(dòng)。</p><p>　　2.1.4 托板部分</p><p>　　1.拖板箱 把絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)傳給拖板部分，變換箱外的手柄位置，經(jīng)拖板部分使車刀作縱向或橫向走刀。</p><p>　　2.托板 分大、中和小托板三種：大的是橫向車削工件時(shí)使用；中的是縱向和控制吃道時(shí)使用；小的是橫向較短或者

27、加工角度工件時(shí)用的。</p><p>　　3.刀架 用來裝夾刀具。</p><p><b>　　2.1.5 尾座</b></p><p>　　用來安裝頂針，支頂較長工件。它還可以安裝各種切削刀具。</p><p><b>　　2.1.6 床身</b></p><p>　　用來

28、支持和安裝車床的各個(gè)部件，床身上面有兩條精確的導(dǎo)軌。托板和尾座可沿著導(dǎo)軌移動(dòng)。</p><p><b>　　2.1.7 附件</b></p><p>　　1.中心架 車削較長工件時(shí)用來支持工件。</p><p>　　2.冷卻嘴 用來注入切削液。</p><p><b>　　2.2總體改造方案</b>

29、</p><p>　　根據(jù)實(shí)際工況，型車床的數(shù)控化改造方案如下：</p><p>　　2.2．1數(shù)控系統(tǒng)選用南京產(chǎn)J WK - 15T 型數(shù)控系統(tǒng)</p><p>　　一般小型機(jī)床的數(shù)控化改造多半采用開環(huán)控制方式。數(shù)控系統(tǒng)多數(shù)為以單板機(jī)為主控制單元的簡易數(shù)控系統(tǒng)。因?yàn)樵摽刂品绞酵顿Y少，安裝調(diào)試方便。這里我們選用南京產(chǎn)J WK -15T 型機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)安裝到普通車床上

30、。經(jīng)過改裝后的數(shù)控機(jī)床工作原理框圖如圖1 所示。</p><p>　　圖2-1 數(shù)控機(jī)床工作原理圖</p><p>　　本系統(tǒng)由數(shù)控單元雙 8031機(jī)、步進(jìn)驅(qū)動(dòng)單元、專用控制程序、功率驅(qū)動(dòng)、步進(jìn)電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)減速裝置或轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)和絲杠等組成。在加工零件時(shí), 編制的數(shù)控程序數(shù)據(jù)輸入 RAM(62256)中,專用控制程序 EPRAM (27256 .2764) 在中央處理單元的支持下,按照所輸入

31、的加工程序數(shù)據(jù), 經(jīng)過計(jì)算處理 , 發(fā)出一系列的組合脈沖,經(jīng)過驅(qū)動(dòng)功放,驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī),拖動(dòng)機(jī)械負(fù)載分別控制縱、橫兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)方向、運(yùn)動(dòng)速度、位移長度,實(shí)現(xiàn)車床的微機(jī)控制。當(dāng)程序執(zhí)行到換刀指令時(shí),指令只給四個(gè)霍爾元件中的一個(gè)提供電源, 并同時(shí)接通電機(jī)電源使電機(jī)正轉(zhuǎn);當(dāng)轉(zhuǎn)位完成,霍爾元件反饋, 控制電機(jī)反轉(zhuǎn),夾緊完成;然后執(zhí)行下面的加工程序。</p><p>　　我們選用的J WK - 15T型機(jī)床數(shù)控系統(tǒng),采用

32、ISO國際標(biāo)準(zhǔn)數(shù)控代碼編程,能自動(dòng)完成車削端面、內(nèi)外圓柱面、倒角、任意錐面、球面、圓弧逼近的任意曲面以及公英制的螺紋加工,并配有完備的S、M、T功能。系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì),內(nèi)部設(shè)有計(jì)算機(jī)、電源、接口、驅(qū)動(dòng)等模塊,具有體積小、重量輕、功耗低、功能多、速度高、操作維修方便等特點(diǎn)。</p><p>　　2．2.2 保留原機(jī)床的主軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，在主軸安裝一個(gè)脈沖發(fā)生器</p><p>　　圖2-2

33、 主軸箱改造圖</p><p>　　在改造時(shí)，一般不改造主軸箱。因?yàn)槿舾脑熘鬏S箱，必然使機(jī)床改造的總費(fèi)用加大，改造周期也將延長，這樣會(huì)降低中、小型普通機(jī)床的改造的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。在主軸加脈沖發(fā)生器，是為了保證車螺紋時(shí)嚴(yán)格的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，在主抽上安裝GD7072光電脈沖發(fā)生器，通過主軸—脈沖發(fā)生器—數(shù)控系統(tǒng)—步進(jìn)電機(jī)的信息交換系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)主軸轉(zhuǎn)一圈，刀架縱向進(jìn)給一個(gè)螺紋導(dǎo)程的車螺紋運(yùn)動(dòng)。</p><p>

34、;　　2.2.3 進(jìn)給系統(tǒng)的改造</p><p>　　取消原進(jìn)給箱，將原絲杠換成滾珠絲杠，并在其尾端聯(lián)結(jié)一對(duì)齒輪進(jìn)行減速, 然后與步進(jìn)電機(jī)相聯(lián)。普通車床的進(jìn)給傳動(dòng)多半為齒輪傳動(dòng)，隨著進(jìn)給變換級(jí)數(shù)的增多，齒輪對(duì)數(shù)和操縱機(jī)構(gòu)顯著增加。傳動(dòng)鏈的增長，不僅使進(jìn)給箱結(jié)構(gòu)復(fù)雜，還因齒輪間隙的多個(gè)累積，反向間隙增大，急驟地降低了反向定位精度。進(jìn)給系統(tǒng)的改造主要是減少進(jìn)給箱內(nèi)的齒輪對(duì)數(shù)，縮短進(jìn)給傳動(dòng)鏈。所以一般改造時(shí)，是去掉進(jìn)給

35、箱。 用滾珠絲杠副代替普通絲杠副是因?yàn)闈L珠絲杠副具有傳動(dòng)精度高、效率高、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、壽命長以及可以預(yù)緊以消除間隙并提高系統(tǒng)剛度，反向定位精度高等特點(diǎn)。</p><p>　　2.2.4 導(dǎo)軌副設(shè)計(jì)</p><p>　　在導(dǎo)軌上粘接軟帶。滑動(dòng)導(dǎo)軌的靜摩擦因數(shù)大，動(dòng)摩擦因數(shù)隨速度變化而變化，摩擦損失大，在低速時(shí)易出現(xiàn)爬行現(xiàn)象，直接影響運(yùn)動(dòng)部件的定位精度。在原移動(dòng)部件的導(dǎo)軌L粘接聚四氟乙烯軟帶，該軟

36、帶具有下述優(yōu)點(diǎn)：摩擦因數(shù)小，動(dòng)、靜摩擦因數(shù)差別小，部件運(yùn)行平穩(wěn)，無爬行現(xiàn)象，定位精度高。沒有振動(dòng)，提高了工件表面加工質(zhì)量，延長了刀具使用壽命。軟帶耐磨損，且嵌入性能好，與其配合的金屬導(dǎo)軌面不會(huì)拉傷。軟帶有自潤滑性，當(dāng)機(jī)械潤滑系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，導(dǎo)軌不會(huì)拉傷。</p><p>　　2.2.5 刀架選型</p><p>　　綜上所述，普通車床數(shù)控化改造后的總圖如下：</p><

37、;p>　　圖2-3 普通車床數(shù)控化改造方案圖</p><p>　　三、步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)</p><p>　　3.1 步進(jìn)電機(jī)的控制方案</p><p>　　3.1.1．基于電子電路控制</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)受電脈沖信號(hào)控制，電脈沖信號(hào)的產(chǎn)生、分配、放大全靠電子元器件的動(dòng)作來實(shí)現(xiàn)。由于脈沖控制信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力一般都很弱

38、，因此必須有功率放大驅(qū)動(dòng)電路。步進(jìn)電機(jī)與控制電路、功率放大驅(qū)動(dòng)電路組成一體，構(gòu)成步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。此種控制電路設(shè)計(jì)簡單，功能強(qiáng)大，可實(shí)現(xiàn)一般步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分任務(wù)。這個(gè)系統(tǒng)由三部分組成：脈沖信號(hào)產(chǎn)生電路、脈沖信號(hào)分配電路、功率放大驅(qū)動(dòng)電路。系統(tǒng)組成如下所示。</p><p>　　圖3-1 基于電子電路控制系統(tǒng)</p><p>　　此種方案即可為開環(huán)控制，也可閉環(huán)控制。開環(huán)時(shí)，其平穩(wěn)性好，成本

39、低，設(shè)計(jì)簡單，但未能實(shí)現(xiàn)高精度細(xì)分。采用閉環(huán)控制，即能實(shí)現(xiàn)高精度細(xì)分，實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速。閉環(huán)控制是不斷直接或間接地檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置和速度，然后通過反饋和適當(dāng)?shù)奶幚?，自?dòng)給出脈沖鏈，使步進(jìn)電機(jī)每一步響應(yīng)控制信號(hào)的命令，從而只要控制策略正確電機(jī)不可能輕易失步。</p><p>　　該方案多通過一些大規(guī)模集成電路來控制其脈沖輸出頻率和脈沖輸出數(shù)，功能相對(duì)較單一，如需改變控制方案，必須需重新設(shè)計(jì)，因此靈活性不高。</p&

40、gt;<p>　　3.1.2 基于單片機(jī)控制</p><p>　　采用單片機(jī)來控制步進(jìn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)了軟件與硬件相結(jié)合的控制方法,達(dá)到了對(duì)步進(jìn)電機(jī)的最佳控制。系統(tǒng)中采用單片機(jī)接口線直接去控制步進(jìn)電機(jī)各相驅(qū)動(dòng)線路。由于單片機(jī)的強(qiáng)大功能，還可設(shè)計(jì)大量的外圍電路，鍵盤作為一個(gè)外部中斷源，設(shè)置了步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、檔次、停止等功能，采用中斷和查詢相結(jié)合的方法來調(diào)用中斷服務(wù)程序，完成對(duì)步進(jìn)電機(jī)的最佳控制，顯示器

41、及時(shí)顯示正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)速度等狀態(tài)。</p><p>　　本方案有以下優(yōu)點(diǎn)(1)單片機(jī)軟件編程可以使復(fù)雜的控制過程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和精確控制，避免了失步、振蕩等對(duì)控制精度的影響：(2)大大提高了接口電路的靈活性和通用性:(3)單片機(jī)的強(qiáng)大功能使顯示電路、鍵盤電路、復(fù)位電路等外圍電路有機(jī)的組合，大大提高系統(tǒng)的交互性。</p><p>　　基于以上優(yōu)點(diǎn)，本次設(shè)計(jì)采用基于單片機(jī)的控制方案。</p&g

42、t;<p>　　3.1.3 基于PLC的控制</p><p>　　PLC也叫可編程控制器，是一種工業(yè)上用的計(jì)算機(jī)。PLC作為新一代的工業(yè)控制器，由于具有通用性好、實(shí)用性強(qiáng)、硬件配套齊全、編程簡單易學(xué)和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于各行業(yè)的自動(dòng)控制系統(tǒng)中。步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)有PLC、環(huán)形分配器和功率驅(qū)動(dòng)電路組成?？刂葡到y(tǒng)采用PLC來產(chǎn)生控制脈沖。通過PLC編程輸出一定數(shù)量的方波脈沖，控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)角進(jìn)而

43、控制伺服機(jī)構(gòu)的進(jìn)給量，同時(shí)通過編程控制脈沖頻率來控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，進(jìn)而控制伺服機(jī)構(gòu)的進(jìn)給速度。環(huán)形脈沖分配器將PLC輸出的控制脈沖按步進(jìn)電機(jī)的通電順序分配到相應(yīng)的繞組。PLC控制的步進(jìn)電機(jī)可以采用軟件環(huán)形分配器，也可采用硬件環(huán)形分配器。采用軟件環(huán)形分配器占用PLC資源較多，特別是步迸電機(jī)繞組相數(shù)大于4時(shí)，對(duì)于大型生產(chǎn)線應(yīng)該予以考慮。采用硬件環(huán)形分配器，雖然硬件結(jié)構(gòu)稍微復(fù)雜些，但可以節(jié)省PLC資源，目前市場(chǎng)有多種專用芯片可以選用。步

44、進(jìn)電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)電路將PLC輸出的控制脈沖放大，達(dá)到比較大的驅(qū)動(dòng)能力，來驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。</p><p>　　采用軟件來產(chǎn)生控制步進(jìn)電機(jī)的環(huán)型脈沖信號(hào)，并用PLC中的定時(shí)器來產(chǎn)生速度脈沖信號(hào)，這樣就可以省掉專用的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，降低硬件成本。但由于PLC的掃描周期一般為但由于PLC的掃描周期一般為幾毫秒到幾十毫秒，相應(yīng)的頻率只能達(dá)到幾百赫茲，因此，受到PLC工作方式的限制及其掃描周期的影響，步進(jìn)電機(jī)不能在高頻下工作，

45、無法實(shí)現(xiàn)高速控制。并且在速度較高時(shí)，由于受到掃描周期的影響，相應(yīng)的控制精度就降低了。</p><p>　　3.2 步進(jìn)電機(jī)的恒速控制</p><p>　　要實(shí)現(xiàn)這樣的分配方案，只需PA口順序輸出二進(jìn)制控制字001H、011H、010H、110H、100H、101H即可；電機(jī)反方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，輸出順序相反。</p><p>　　3.2.1脈沖頻率的實(shí)現(xiàn)</p>

46、;<p>　　每輸出一個(gè)控制字就相當(dāng)于發(fā)送一個(gè)步進(jìn)脈沖，脈沖與脈沖之間應(yīng)有時(shí)間間隔，即脈沖周期，它反映了步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)頻率，即速度。實(shí)現(xiàn)脈沖周期的方法很簡單，主要有兩種：利用程序循環(huán)延時(shí)和利用定時(shí)器中斷。前者占用計(jì)算機(jī)機(jī)時(shí)較嚴(yán)重，計(jì)算機(jī)延時(shí)階段將不能處理其他事務(wù)，且延時(shí)不很準(zhǔn)確，但實(shí)現(xiàn)簡單，不占用計(jì)算機(jī)硬件資源，主要用于ＣＰＵ較空閑的場(chǎng)合；后者可以精確定時(shí)，不占用ＣＰＵ空間，但有時(shí)需要系統(tǒng)另行擴(kuò)展定時(shí)器。</p>

47、;<p>　　3.2.2軟件的編寫</p><p>　　在實(shí)際編寫控制程序時(shí)，對(duì)環(huán)形分配器的實(shí)現(xiàn)常常采用脈沖分配表的辦法，即把各相通電的控制字存放在一串連續(xù)的存儲(chǔ)單元中，形成所謂的脈沖分配表，輸出時(shí)采用查表的方法將控制字順序取出。</p><p>　　下圖給出了采用程序延時(shí)的方法，步進(jìn)電機(jī)單向旋轉(zhuǎn)的程序原理框圖。實(shí)際編寫程序時(shí)還應(yīng)加上正反轉(zhuǎn)的判斷，反轉(zhuǎn)時(shí)反向查表，另外，運(yùn)行總

48、步數(shù)至少應(yīng)放在兩個(gè)字節(jié)內(nèi)。</p><p>　　圖3-2 步進(jìn)電機(jī)恒速控制流程圖</p><p>　　3.3 步進(jìn)電機(jī)的變速控制</p><p>　　如果步進(jìn)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的速度很高，那么在控制系統(tǒng)中應(yīng)該加入變速控制的內(nèi)容，這主要時(shí)收步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)頻率的限制。步進(jìn)電機(jī)適應(yīng)速度突變的能力比較差，其極限頻率一般比連續(xù)運(yùn)行頻率低十幾倍，如果實(shí)際啟動(dòng)頻率高于電機(jī)的極限啟動(dòng)頻

49、率，電機(jī)將發(fā)生失步現(xiàn)象或根本不能啟動(dòng)，所以必須以低于極限啟動(dòng)頻率的頻率啟動(dòng)。如果連續(xù)運(yùn)行頻率很高的話，則會(huì)有一個(gè)加速過程；反之，電機(jī)從一個(gè)較高的運(yùn)行頻率到靜止，也必須有一個(gè)減速的過程，否則會(huì)出現(xiàn)過沖現(xiàn)象。</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)的升降速過程可以按直線規(guī)律或指數(shù)規(guī)律變化，前者屬于恒加速過程，平穩(wěn)性好，速度變化范圍大，適于快速定位等過程；后者加減速時(shí)間短，跟蹤能力強(qiáng)。在實(shí)際應(yīng)用中，完全可以用多段的直線變化去逼近

50、指數(shù)變化，這里采用恒加速過程。</p><p>　　本設(shè)計(jì)中采用軟件自動(dòng)升降速控制。在步進(jìn)電機(jī)的控制當(dāng)中，運(yùn)行步數(shù)就是步進(jìn)脈沖數(shù)，是步進(jìn)電機(jī)是否運(yùn)行到終點(diǎn)的判別條件，延時(shí)參數(shù)就是控制脈沖的時(shí)間間隔，稱作步進(jìn)周期。電機(jī)恒速時(shí)，步進(jìn)周期為常數(shù)，變速時(shí)，步進(jìn)周期要發(fā)生變化：周期變小，電機(jī)加速，周期變大，電機(jī)減速。所以，對(duì)步進(jìn)電機(jī)的變速控制就是合理的改變其步進(jìn)周期，即合理地確定每個(gè)脈沖之間的延時(shí)時(shí)間，使步進(jìn)電機(jī)按規(guī)定的速

51、度運(yùn)行。</p><p>　　圖3-3 是步進(jìn)電機(jī)恒加速運(yùn)動(dòng)的情況。圖中橫坐標(biāo)是步數(shù)，反映距離；縱坐標(biāo)為頻率，反映速度。該圖表達(dá)的含義是：步進(jìn)電機(jī)以 的頻率啟動(dòng)，經(jīng)過H步運(yùn)行加速到到 ，以 恒速運(yùn)行V-H步，經(jīng)過W步把速度降到 ，最后停止。</p><p>　　圖3-3 恒加速控制圖</p><p>　　3.3.1 加速階段。</p><p&g

52、t;　　由恒加速的速度、距離公式可得</p><p>　　(a為加速度， 為加速時(shí)間)</p><p><b>　　= </b></p><p><b>　　由以上二式可求得</b></p><p><b>　　a=( )/2H</b></p><p>

53、<b>　　于是步進(jìn)周期</b></p><p><b>　　)/a</b></p><p>　　式中： =1/ ，x=2,3,4,…,H。</p><p>　　3.3.2 恒速階段。</p><p>　　恒速時(shí)步進(jìn)頻率為 ，所以步進(jìn)周期為T=1/ </p><p>　　3

54、.3.3 減速階段。</p><p>　　參照加速階段可得加速度</p><p><b>　　b=( )/2W</b></p><p><b>　　步進(jìn)周期</b></p><p><b>　　= )/b</b></p><p>　　式中： =1/ ，

55、x=2，3，4，…,W。</p><p>　　知道了各段的步進(jìn)周期，實(shí)際相當(dāng)于已知了步進(jìn)脈沖之間的延遲時(shí)間，這為編制程序掃清了最后的障礙。由于步進(jìn)周期的計(jì)算很復(fù)雜，若采用單片機(jī)在線實(shí)時(shí)計(jì)算十分困難，因此一般先做好步進(jìn)周期表，預(yù)先存放在存儲(chǔ)單元中，采用查表的方法實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的變速控制。</p><p>　　圖3-4給出了步進(jìn)電機(jī)加速控制的原理框圖，通過改變8031定時(shí)器 的時(shí)間常數(shù)來獲得不同

56、的步進(jìn)周期，即對(duì)電機(jī)進(jìn)行加速控制。程序一步步變速，在實(shí)際應(yīng)用中可以若干步一變速，并加入恒速及減速控制。</p><p>　　圖3-4 步進(jìn)電機(jī)加速控制原理圖</p><p>　　3.4 步進(jìn)電機(jī)控制程序設(shè)計(jì)</p><p>　　三相六拍步進(jìn)電機(jī)控制程序如下：</p><p>　　ORG 4000H</p><p>

57、　　ROUTN2: MOV R2 ， COUNT ； 步數(shù)送R2寄存器</p><p>　　LOOP0: MOV R3 ， #00H</p><p>　　MOV DPTR ， #POINT 送控制模型指針</p><p>　　JNB 00H ， LOOP2

58、 00H=0為反轉(zhuǎn)</p><p>　　LOOP1: MOV A ， R3； 取控制模型</p><p>　　MOVC A ， @A+DPTR</p><p>　　JZ LOOP0； 判控制模型是否為00H</p><p>　　MOV P1 ，

59、 A； 輸出控制模型</p><p>　　ACALL DELAY ； 延時(shí)</p><p>　　INC R3； 控制步數(shù)加1</p><p>　　DJNZ R2 ， LOOP1 判斷步數(shù)是否

60、走完</p><p><b>　　RET</b></p><p>　　LOOP2: MOV A ， R3 求反向控制模型的偏移量</p><p>　　ADD A ， #07h</p><p>　　MOV R3 ， A </p><p>　　AJ

61、MP LOOP1</p><p>　　ORG 4200H</p><p><b>　　DELAY：</b></p><p>　　LOOP10: MOV A ， R2</p><p>　　MOV R5 ， A</p><p>　　LOOP13: MOV R6 ， #00H<

62、;/p><p>　　LOOP12: MOV R7 ， #00H</p><p>　　LOOP11: NOP</p><p><b>　　NOP</b></p><p><b>　　NOP</b></p><p>　　DJNZ R7 ， LOOP11</p>

63、<p>　　DJNZ R6 ， LOOP12</p><p>　　DJNZ R5 ， LOOP53</p><p><b>　　RET</b></p><p>　　ORG 4210H</p><p>　　POINT： DB 10H :正向控制</p

64、><p><b>　　DB 01H</b></p><p><b>　　DB 03H</b></p><p><b>　　DB 02H</b></p><p><b>　　DB 06H</b></p><p><b

65、>　　DB 04H</b></p><p><b>　　DB 05H</b></p><p><b>　　DB 00H</b></p><p>　　DB 01H ：反向控制</p><p><b>　　DB 05

66、H</b></p><p><b>　　DB 04H</b></p><p><b>　　DB 06H</b></p><p><b>　　DB 02H</b></p><p><b>　　DB 03H</b></p>

67、;<p><b>　　DB 01H</b></p><p><b>　　DB 00H</b></p><p>　　COUNT EQU 30H</p><p>　　POINT EQU 0150H</p><p><b>　　四、刀架的選型</b>&

68、lt;/p><p>　　采用南京大地?cái)?shù)控有限公司生產(chǎn)的LD4－ck0620四方刀架, 安裝在原機(jī)床小刀架的位置上較為合適。刀架的動(dòng)作順序如下:電動(dòng)機(jī)(三相異步微型電動(dòng)機(jī))→減速機(jī)構(gòu)(蝸輪蝸桿)→上升機(jī)構(gòu) (螺旋機(jī)構(gòu))→刀架旋轉(zhuǎn)→電器信號(hào)確定(霍爾元件)→電機(jī)反轉(zhuǎn)→粗定位(反靠盤)→刀架下降→精定位→刀架鎖緊→換刀終了信號(hào)→執(zhí)行加工程序。</p><p>　　其原理圖與螺旋升降轉(zhuǎn)位刀架相似<

69、;/p><p>　　圖4-1螺旋升降轉(zhuǎn)位刀架圖</p><p>　　圖4-2 LD4－ck0620四方刀架外形及結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　圖4-3 LD4－ck0620四方刀架參數(shù)表圖</p><p>　　LD4型系列立式電動(dòng)刀架采用渦輪蝸桿傳動(dòng)，上下齒盤嚙合，螺桿夾緊的工作原理。具有轉(zhuǎn)位快，定位精度高，切向扭矩大的優(yōu)點(diǎn)。發(fā)信轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)位采用霍爾元件

70、，使用壽命長。并且完全滿足刀架設(shè)計(jì)使用的要求，即A夾緊力在4000N 以上,B需要進(jìn)行四個(gè)方位的轉(zhuǎn)換選擇,C重復(fù)定位精度不大于0.005mm。</p><p><b>　　其流程如圖：</b></p><p>　　圖5-5 步進(jìn)電機(jī)控制流程圖</p><p><b>　　五、結(jié)束語</b></p><p

71、>　　改造此種車床的目的：一是提高原車床的精度和自動(dòng)化程度, 達(dá)到快速調(diào)整而且仍能保持車床的通用性；二是提高原車床的功能，利用數(shù)控方法準(zhǔn)確地加工任意面的旋轉(zhuǎn)體。</p><p>　　本設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于改造成本相對(duì)較低，操控起來相對(duì)比較簡便，并且在精度上已能滿足普通車床改造后加工零件的精度要求。不足之出在于：1.機(jī)床改造部分不是很全面，比如主軸箱就沒進(jìn)行改造；2.機(jī)床采用的是開環(huán)步進(jìn)控制系統(tǒng)，功率步進(jìn)電機(jī)為驅(qū)動(dòng)

72、元件，無檢測(cè)反饋機(jī)構(gòu)。這樣就使得在精度上沒能更進(jìn)一步。</p><p>　　隨著自動(dòng)控制技術(shù)，計(jì)算機(jī)及集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，普通車床的改造將進(jìn)一步完善，加工范圍將進(jìn)一步擴(kuò)展。</p><p>　　按照本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的要求，本次設(shè)計(jì)的圖紙大部分都采用CAD繪制，說明書為電腦打印，這對(duì)我們雖然是一次考驗(yàn)，但同時(shí)也提高了我們運(yùn)用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的能力，使我們能夠適應(yīng)社會(huì)所需。通過這次設(shè)計(jì)，我的CAD繪

73、圖水平有了很大的提高，同時(shí)運(yùn)用word的能力也有所熟練和提高，可以說是不小的收獲。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 樹志編著.數(shù)控機(jī)床基礎(chǔ)知識(shí).北京.科學(xué)出版社，1978</p><p>　　[2] 張俊編著.金屬切削機(jī)床與數(shù)控機(jī)床.北京.機(jī)械工業(yè)出版社，1994</p><p&g

74、t;　　[3] 賈貽春編著. 機(jī)床數(shù)控基礎(chǔ).國防工業(yè)出版社，1980</p><p>　　[4] 朱喜林 張代治編著.機(jī)電一體化設(shè)計(jì)基礎(chǔ).北京.科學(xué)出版社，2005</p><p>　　[5] 劉武發(fā) 劉德平編著.機(jī)電一體化設(shè)計(jì)基礎(chǔ).北京.化學(xué)工業(yè)出版社，2007</p><p>　　[6] 李泉溪編著. 單片機(jī)原理與應(yīng)用實(shí)例仿真.北京.北京航空航天大學(xué)出版社，20

75、09</p><p>　　[7] 孫波編著.畢業(yè)設(shè)計(jì)寶典. 西安.西安電子科技大學(xué)出版社，2008</p><p>　　[8] 沈鴻編著.機(jī)械工程手冊(cè).北京.機(jī)械工業(yè)出版社，1997</p><p>　　[9] 孫桓 陳作模 葛文杰編著.機(jī)械原理.北京.高等教育出版社，2006</p><p>　　[10] 樊軍慶編著.實(shí)用數(shù)控技術(shù).北京.機(jī)