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1、（数控加工）CA 车床的 数控改造 CA6140 车床数控改造之控制系统设计 内容摘要 本文主要是将传统的 CA6140 车床的电气控制系统改造成 为数字控制的开环控制系统。改造后的系统是以MCS-51 单 片机系统为控制模块，以步进电机为驱动执行元件。实现X 轴和 Z 轴的俩坐标联动以及对刀具的自动选取。同时能够进行 直线和圆弧的插补；工件在 壹次安装后，完成多道工序的加工， 通过编写不同的程序完成各种较为复杂零件的加工；改造后 的 CA6140 车床提高了加工范围和加工精度。 关键词： CA6140 车床、控制系统 、数控改造 Abstract Thispapermainlyisthatt
2、hetraditionalCA6140latheelec tricitycontrolsystemisReformedthenumericalcontroltheo pen-loopcontrolsystem.Afterthereformsystemistakethe MCS-51monolithicintegratedcircuitsystemasthecontrol module,Takestep-by-stepstheelectricalmachineryasthea ctuationfunctionalelement.RealizesXaxisandtheZaxistwo coordi
3、nateslinkageaswellastothecuttingtoolautomaticse lection.Atthesametimecancarryonthestraightlineandthec irculararcinsertsmakesup;AfterinstallstheworkpieceCom pletesthemultichannelworkingproceduretheprocessingC ompleteseachkindofmorecomplexcomponentsthroughth ecompilationdifferentproceduretheprocessing
4、;Enhanced theprocessingscopeandtheprocessingprecisioncompare dtothetraditionalCA6140lathe. Keywords:CA6140latheControlsystemNumericalcontrol Reform 目录 前言 5 正文 10 1.总体改造方案构思 10 1.1CA6140 车床的用途 10 1.2CA6140 数控改造后的功能 10 1.3 普通车床数控改造设计方案 10 1.3.1 改造机械部分 10 1.3.2 增加数控控制系统 10 1.4CA6140 车床的电气控制系统 10 1.4.1
5、电路分析 11 1.4.2 控制电路分析 12 1.5 数控系统的基本概念 13 .数控装置的硬件结构 15 .数控装置的软件系统 16 .数控系统的 I/O 和通信接口 17 1.5.4CNC 系统接口电路的主要任务 18 2.CA6140 车床数控化改造的具体实施方案 18 2.1 系统硬件设计 20 2.1.18031 单片机 21 2.1.2 程序存储器 21 2.1.3 数据存储器 22 2.1.4 地址锁存器 22 2.1.5 接口芯片 23 2.1.6 译码器 23 2.2 系统软件设计 23 2.2.1 进给伺服系统 X 轴和 Z 轴步进电机控制 24 2.2.2 自动刀架换刀
6、控制 25 2.3 接口电路设计 29 3.步进电机的设计 30 3.1 脉冲分配器 PMM871330 3.2 电压-频率变换器 LM33131 3.3 驱动器系统电路 32 4.系统抗干扰和误差分析 33 4.1 系统的干扰信号 33 4.1 系统误差 33 5.总结 34 致谢 34 参考文献 35 附件 36 前言 当今世界，工业发达国家对机床工业高度重视，竞相发展机电壹体 化、高精、高效、高自动化先进机床，以加速工业和国民经济的发展。目 前普通机床已不适应这种多品种、小批量生产和快速反映的市场要求，数 控机床则综合了数控技术、自动检测技术和微电子技术等先进技术，最适 宜加工小批量、高
7、精度、形状复杂、生产周期要求短的零件。当变更加工 对象时只需要更换零件相应的加工程序，不需要对机床作任何调整，因此 既能很好地满足产品频繁变化的加工要求，又能降低机床升级改造成本、 提高产品质量和生产效率，故而对普通机床进行数控化改造 这壹适合我 国国情的技术正得到日益广泛的应用。 长期以来，欧、美、亚在国际市场上相互展开激烈竞争，已形成壹 条无形战线，特别是随微电子、计算机技术的进步，数控机床在二十世 纪八十年代以 后加速发展，各方用户提出更多需求，早已成为四大国际机 床展上各国机床制造商竞相展示先进技术、争夺用户、扩大市场的焦点。 1948 年美国空军部门为制造飞机杂零件，提供设备研经费，
8、由 G由 CNC 向 MT 传送的信号成为输出信号。直流信号用于进给坐标轴和主轴的伺服控制,交 流信号用于直接控制功率执行器件。无论是输出或输入信号都需要专门的 接口电路。 继电器输出由数控系统输出到机床的信号，用于显示指示灯，驱动继 电器等，常用干弹簧继电器，其规格为 触点额定电压 DC50V 以下触点额定电流DC500mA 以下 触点容量 5VA 以下抖动时 1ms 以下 输出接口是将各种机床工作状态灯的信息送到机床操作面板，把控制 机床动作信号送到强电箱，因此有继电器输出电路和无触点输出电路。 1.5.4CNC 系统接口电路的主要任务 (1)进行电平转化和功率放大 壹般 CNC 系统的信
9、号是 TTL 电平，而 控制机床的电平则不 壹定是 TTL 电平，负载较大，因此要进行必要的信 号电平转化和功率放大。 (2)防止噪声引起误动作要用光电藕合器或继电器将CNC 系统和机 床之间的信号电气上加以隔离。 (3)采用模拟量传送时在CNC 和机床电气设备之间要接入数/模 （D/A）和模 /数（A/D）转换电路。 (4)防止信号畸变信号在传输过程中，由于衰减、噪声和反射等影响， 会发生畸变。为此要根据信号类别及传输线质量，采取壹定措施 且限 制信号的传输距离。 2.CA6140 车床数控化改造的具体实施方案 传统的 CA6140 车床是靠手工操作机床来完成各种切削加工，而改 造后的 数控
10、车床是将编制好的加工程序输入到数控系统中。再由数控系统 通过车床 X、Z 坐标轴的伺服电动机去控制车床各项运动部件的先后动作 顺序、移动量和进给速度，再配以主轴的转速和转向，便能加工出各种形 状不同的轴类或盘类回转体零件。 改造后的 数控车床 和普通车床相比较，其结构上仍然是由主轴箱、刀 架、进给传动系统、床身、液压系统、冷却系统、润滑系统等部分组成。 只是数控车床的进给系统 和普通车床的进给系统在结构上存在着差别： CA6140 车床主轴的运动经过挂轮架、进给箱、溜板箱传到刀架实现纵向 和横向进给运动。而 改造后的 CA6140 数控车床是采用伺服电动机经滚 珠丝杠，传到滑板和刀架，实现Z
11、向（纵向）和 X 向（横向）进给运动。 其外形变化也不大，只是在原来的机床上添加了壹个控制模块位于操作 者的右侧，便于观察、调试和操作CA6140 车床改造后的外观图如2.1 所示。 图 2.1 根据设计要求， 本设计确定的总体改造目标是将CA6140 改造成为 经济型的开环控制的数控车床，采用普通交流电机拖动，有级调整能够满 足加工要求。因此其主传动系统的电气部分不需要改造。仍采用其原来配 置的交流电动机。主传动机械部分的改造主要是在主轴上加装编码器，实 现反馈主轴转速，保证主轴转壹转，刀架能移动 壹个被加工螺纹的导程， 同时保留原调速系统 。 改造后的数控车床的控制部分：采用微机（ MCS
12、51 单片机）对数 据进行计算处理，由I/O 接口输出步进脉冲，环形分配，经光电隔离电 路，以步进电机作为驱动执行件，数控系统送出的指令脉冲经过驱动电路 控制和功率放大后，使步进电机转动，再经齿轮减速，带动滚珠丝杠转 动，从而实现 X、Y 俩个方向的进给运动，以及刀架的移动。 具体设计 如 2.2 图所示： 图 2.2 2.1 系统硬件设计 硬件主控制器（ CPU）采用 MCS-51 系列的单片机芯片8031。程 序存储器采用 2764EPROM2 片。数据存储器采用6264RAM1 片。地 址锁存器采用 74LS3731 片。用 8255A 芯片和 8155 芯片各 壹片作为 I/O 口的扩
13、展电路。 8255A 作为作为控制 X、Y 向步进电机脉冲输出； 8155 作为控制键盘和 LED 显示器。采用 138 译码器 74LS1381 片进 行全地址译码。线路连接 简图如下图 2.3 所示。 图 2.3 2.1.18031 单片机 由于主机数控系统为 俩坐标联动 CNC 控制系统，对控制器的要求不 是很高，所以采用MCS-51 系列单片机的 8031 型。该机芯片内部包含 4K 字节的 ROM，128 个字节的 RAM，2 个 16 位的定时、计数器和 壹个处理功能很强的中央处理器，4 个 8 位的且行接口， 壹个串行接口。 大部分功能部件和总线在芯片内部不易受干扰，容易采用屏蔽
14、等措施，高 可靠性，能在较恶劣的环境下工作，功能强，速度高。系统具有加、减、 乘、除指令， 仍有位操作功能，时钟频率高达12MHz，单字节乘法和 除法仅需 4s，同时具备刀具长度偏移和半径补偿功能、自诊断功能，能 够进行加、减速， 且备有电池，停电时可用做存储已编程序的电源控制。 图 2.4 为 8031 的结构示意图。 图 2.4 2.1.2 程序存储器 由于 8031 单片机本身是没有ROM 的， 不能构成完整的计算机，因 此必须接 EPROM 或 ROM 作为程序存储器， 在这里设计选用了 俩片 2764（8KB8） 。图 2.5 为程序存储器 2764 的结构示意图。 EPROM276
15、4 是用电信号编程可擦除的只读存储器，自 EPROM2716 芯片被淘汰后，目前比较广泛采用的就是2764 芯片。该 芯片为双列直插式28 引脚的标准芯片，容量是8K8 位，其中： A12-A0：13 为地址线； D7-D0：8 位数据线；：片选信号，低电平 有效； 图 2.5 ：输出允许信号，当 0 时，输出缓冲器打开，被寻址单元的内容才 能读出。 ：编程电源，当芯片编程时，该端加上编程电压（+25V 或+12V） ； 正常使用时 ，该端加上 +5V 电源。 （NC 为不用的管脚 ） 2764 在使用时，只能将其所存储的内容读出，其过程和 RAM 的 读出类似。即首先送出要读出的单元地址，然
16、后使和均有效，则在芯片的 D0-D7 数据线上就 能够输出要读出的内容。 2.1.3 数据存储器 数据存储器即随机存取存储器简称 RAM，用于可随时可修改的数据 信息。它 和 ROM 不同，对 RAM 可进行读写 俩种操作。 RAM 为易失性 存储器，断电后所存信息立即消失。 由于 8031 内部 RAM 不够使用，因此设计又外接了壹片 6264（8KB8）型的静态 RAM 来扩展 8031RAM。该存储器为 28 引 脚双列直插式封装，其引脚如2.6 图示： 该芯片有 俩个片选信号 CE1 和 CE2，只有当 0，CE2=1 时，芯片 才被选中。在实际应用中，只选中图 2.6 其中壹个，而将另 1 个接成常有效 ;也能够将系统的片选信号以及取反后 的信号分别接至和端。 2.1.4 地址锁存器 地址锁存器 74LS373：是壹种带输出三态门的3D 锁存器。其结构 示意图如 图 2.7 所示。 1D-8D 为 8 个输入端， 1Q-8Q 为 8 个输出端。 G 为数据打入端： 当 G 为 1 时，锁存器输出
