CA6140普通机床的数控化改造设计.docx
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CA6140普通机床的数控化改造设计
CA6140普通车床的数控化改造设计
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摘要
针对现有常规CA6140普遍车床的缺点提出数控改装方案和单片机系统设计，提高加工精度和扩大机床使用范围，并提高生产率。
本论文说明了普通车床的数控化改造的设计过程，较详尽地介绍了CA6140机械改造部分的设计及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，由I/O接口输出步进脉冲，经一级齿轮传动减速后，带动滚动丝杠转动，从而实现纵向、横向的进给运动。
关键词CA6140普遍车床数控改装数控化改造进给运动
第一章概述
机床作为机械制造业的重要基础装备，它的发展一直引起人们的关注，由于计算机技术的兴起，促使机床的控制信息出现了质的突破，导致了应用数字化技术进行柔性自动化控制的新一代机床－数控机床的诞生和发展。
计算机的出现和应用，为人类提供了实现机械加工工艺过程自动化的理想手段。
随着计算机的发展，数控机床也得到迅速的发展和广泛的应用，同时使人们对传统的机床传动及结构的概念发生了根本的转变。
数控机床以其优异的性能和精度、灵捷而多样化的功能引起世人瞩目，并开创机械产品向机电一体化发展的先河。
数控机床是以数字化的信息实现机床控制的机电一体化产品，它把刀具和工件之间的相对位置，机床电机的启动和停止，主轴变速，工件松开和夹紧，刀具的选择，冷却泵的起停等各种操作和顺序动作等信息用代码化的数字记录在控制介质上，然后将数字信息送入数控装置或计算机，经过译码，运算，发出各种指令控制机床伺服系统或其它的执行元件，加工出所需的工件。
数控机床与普通机床相比，其主要有以下的优点：
1.适应性强，适合加工单件或小批量的复杂工件；在数控机床上改变加工工件时，只需重新编制新工件的加工程序，就能实现新工件加工。
2.加工精度高；
3.生产效率高；
4.减轻劳动强度，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。
数控机床已成为我国市场需求的主流产品，需求量逐年激增。
我国数控机机床近几年在产业化和产品开发上取得了明显的进步，特别是在机床的高速化、多轴化、复合化、精密化方面进步很大。
但是，国产数控机床与先进国家的同类产品相比，还存在差距，还不能满足国家建设的需要。
我国是一个机床大国，有三百多万台普通机床。
但机床的素质差，性能落后，单台机床的平均产值只有先进工业国家的1/10左右，差距太大，急待改造。
旧机床的数控化改造，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，以实现预定的加工工艺目标。
随着数控机床越来越多的普及应用，数控机床的技术经济效益为大家所理解。
在国内工厂的技术改造中，机床的微机数控化改造已成为重要方面。
许多工厂一面购置数控机床一面利用数控、数显、PC技术改造普通机床，并取得了良好的经济效益。
我国经济资源有限，国家大，机床需要量大，因此不可能拿出相当大的资金去购买新型的数控机床，而我国的旧机床很多，用经济型数控系统改造普通机床，在投资少的情况下，使其既能满足加工的需要，又能提高机床的自动化程度，比较符合我国的国情。
1984年，我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，已有很多厂家生产经济型数控系统。
可以预料，今后，机床的经济型数控化改造将迅速发展和普及。
所以说，本毕业设计实例具有典型性和实用性。
第二章总体方案的设计
2.1设计任务
本设计任务是对CA6140普通车床进行数控改造。
利用微机对纵、横向进给系统进行开环控制，纵向（Z向）脉冲当量为0.01mm/脉冲，横向（X向）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，刀架采用自动转位刀架。
2.2总体方案的论证
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，对机床的改动应尽可能少，以降低成本。
（一）数控系统运动方式的确定
数控系统按运动方式可分为点位控制系统、点位直线控制系统、连续控制系统。
由于要求CA6140车床加工复杂轮廓零件，所以本微机数控系统采用两轴联动连续控制系统。
（二）伺服进给系统的改造设计
数控机床的伺服进给系统有开环、半闭环和闭环之分。
因为开环控制具有结构简单、设计制造容易、控制精度较好、容易调试、价格便宜、使用维修方便等优点。
所以，本设计决定采用开环控制系统。
（三）数控系统的硬件电路设计
任何一个数控系统都由硬件和软件两部分组成。
硬件是数控系统的基础，性能的好坏直接影响整体数控系统的工作性能。
有了硬件，软件才能有效地运行。
在设计的数控装置中，CPU的选择是关键，选择CPU应考虑以下要素：
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.可扩展存储器的容量与数控功能的强弱相关；
3.I/O口扩展的能力与对外设控制的能力相关。
除此之外，还应根据数控系统的应用场合、控制对象以及各种性能、参数要求等，综合起来考虑以确定CPU。
在我国，普通机床数控改造方面应用较普遍的是Z80CPU和MCS-51系列单片机，主要是因为它们的配套芯片便宜，普及性、通用性强，制造和维修方便，完全能满足经济型数控机床的改造需要。
本设计中是以MCS-51系列单片机，51系列相对48系列指令更丰富，相对96系列价格更便宜，51系列中，是无ROM的8051，8751是用EPROM代替ROM的8051。
目前，工控机中应用最多的是8031单片机。
本设计以8031芯片为核心，增加存储器扩展电路、接口和面板操作开关组成的控制系统。
2.3总体方案的确定
经总体设计方案的论证后，确定的CA6140车床经济型数控改造示意图如图所示。
CA6140车床的主轴转速部分保留原机床的功能，即手动变速。
车床的纵向（Z轴）和横向（X轴）进给运动采用步进电机驱动。
由8031单片机组成微机作为数控装置的核心，由I/O接口、环形分配器与功率放大器一起控制步进电机转动，经齿轮减速后带动滚珠丝杠转动，从而实现车床的纵向、横向进给运动。
刀架改成由微机控制的经电机驱动的自动控制的自动转位刀架。
为保持切削螺纹的功能，必须安装主轴脉冲发生器，为此采用主轴靠同步齿形带使脉冲发生器同步旋转，发出两路信号：
每转发出的脉冲个数和一个同步信号，经隔离电路以及I/O接口送给微机。
第三章微机数控系统硬件电路设计
3.1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机。
外接一片2764EPROM，作为监控程序的程序存储器和存放常用零件的加工程序。
再选用一片6264RAM用于存放需要随机修改的零件程序、工作参数。
采用译码法对扩展芯片进行寻址，采用74LS138译码器完成此功能。
8279作为系统的输入输出口扩展，分别接键盘的输入、输出显示，8255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。
另外，还要考虑机床与单片机之间的光电隔离，功率放大电路等。
各引脚功能简要介绍如下：
⒈源引脚
VSS：
电源接地端。
VCC：
＋5V电源端。
⒉输入/输出（I/O）口线
8031单片机有P0、P1、P2、P34个端口，每个端口8根I/O线。
当系统扩展外部存储器时，P0口用来输出低8位并行数据，P2口用来输出高8位地址，P3口除可作为一个8位准双向并行口外，还具有第二功能，各引脚第二功能定义如下：
P3.0RXD：
串行数据输入端。
P3.1TXD：
串行数据输出端
P3.2INT0：
外部中断0请求信号输入端。
P3.3INT1：
外部中断1请求信号输入端。
P3.4T0：
定时器/计数器0外部输入端
P3.5T1：
定时器/计数器1外部输入端
P3.6WR：
外部数据存储器写选通。
P3.7RD：
外部数据存储器读选通。
在进行第二功能操作前，对第二功能的输出锁存器必须由程序置1。
3.信号控制线
RST/VPD：
RST为复位信号线输入引脚，在时钟电路工作以后，该引脚上出现两个机器周期以上的高电平，完成一次复位操作。
（1）8031单片机采用两种复位方式：
一种是加电自动复位，另一种为开关复位。
ALE/PROG：
ALE是地址锁存允许信号。
它的作用是把CPU从P0口分时送出的低8位地址锁存在一个外加的锁存器中。
VPP：
当EA为高电平且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仅执行外部程序存储器中的程序。
XTAL1：
震荡器的反相放大器输入，使用外部震荡器时必须接地；
XTAL2：
震荡器的反相放大器输出，使用外部震荡器时，接收外围震荡信号；
（2）片外三总线结构
单片机在实际应用中，常常要扩展外部存储器、I/O口等。
单片机的引脚，除了电源、复位、时钟输入以及用户I/O口外，其余的引脚都是为了实现系统扩展而设置的，这些引脚构成了三总线形式：
⒈地址总线AB。
地址总线宽度为16位。
因此，外部存储器直接寻址范围为64KB。
由P0口经地址锁存器提供16位地址总线的低8位地址（A7～A0），P2口直接提供高8位地址（A15～A8）。
⒉数据总线DB。
数据总线宽度为8位，由P0口提供。
⒊控制总线CB。
控制总线由第二功能状态下的P3口和4根独立的控制线RST、EA、ALE和PSEN组成。
3.28255A可编程并行I/O口扩展芯片
8255A可编程并行I/O口扩展芯片可以直接与MCS系列单片机系统总线连接，它具有三个8位的并行I/O口，具有三种工作方式，通过编程能够方便地采用无条件传送、查询传送或中断传送方式完成CPU与外围设备之间的信息交换。
8255A的结构及引脚功能：
1、8255A的结构
8255A的内部结构包括三个8位并行数据I/O端口，二个工作方式控制电路，一个读/写控制逻辑电路和一个8位数据总线缓冲器。
各部分功能介绍如下：
（1）三个8位并行I/O端口A、B、C
A口：
具有一个8位数据输出锁存/缓冲器和一个8位数据输入锁存器。
可编程为8位输入、或8位输出、或8位双向寄存器。
B口：
具有一个8位数据输出锁存/缓冲器和一个8位输入或输出寄存器，但不能双向输入/输出。
C口：
具有一个8位数据输出锁存/缓冲器和一个8位数据输入缓冲器，C口可分作两个4位口，用于输入或输出，也可作为A口和B口选通方式工作时的状态控制信号。
（2）工作方式控制电路
A、B两组控制电路把三个端口分成A、B两组，A组控制A口各位和C口高四位，B组控制B口各位和C口低四位。
两组控制电路各有一个控制命令寄存器，用来接收由CPU写入的控制字，以决定两组端口的工作方式。
也可根据控制字的要求对C口按位清“0”或置“1”。
（3）读/写控制逻辑电路
它接收来自CPU的地址信号及一些控制信号，控制各个口的工作状态。
（4）数据总线缓冲器
它是一个三态双向缓冲器，用于和系统的数据总线直接相连，以实现CPU和8255A之间信息的传送。
2、引脚功能
8255A为双列直插式40引脚封装芯片，如3－5所示。
（1）D7～D0三态双向数据线，与单片机数据总线连接，用来传送数据信息。
（2）PA7～PA0、PB7～PB0及PC7～PC0A口、B口及C口的输入/输出线。
（3）CS片选信号线，低电平有效。
（4）RD读出信号线，低电平有效，控制数据的读出。
（5）WR写入信号线，低电平有效，控制数据的写入。
（6）A1、A0端口选择信号，用来寻址控制端口和I/O端口。
（7）RESET复位信号线，高电平有效。
有效时，控制寄存器的内容都被清零，三个I/O端口都被置成输入方式。
（8）Vcc＋5V电源。
（9）GND地线。
3.38255A端口的寻址
一块8255A芯片内，A、B两组控制电路各有一个控制寄存器，由CPU入的控制字来决定三个I/O端口的工作方式。
两个控制寄存器一起构成控制端口，占用一个端口地址。
同时8255A芯片内有A、B、C三个I/O端口，各须占用一个端口地址。
这四个端口地址用A1、A0两个端口选择信号选择。
（1）工作方式。
8255A有三种工作方式：
即方式0、方式1、方式2。
①基本输入/输出方式—方式0
在这种工作方式下，不需要任何选号，A口、B口及C口的两个4位口（C口的高4位和低4位）都可以由程序设定为基本输入或输出。
作为输出口时，输出数据被锁存；作为输入口时，输出数据不被锁存。
按照方式0工作时，CPU可以通过简单的传送指令对任意一个端口进行读/写。
②选通输入/输出方式—方式1
只有A口和B口可以选择这种工作方式。
在这种工作方式下，A、B、C三个口分为两组：
A组包括A口和C口的高4位。
A口可由编程设定为输入或输出口，C口的高4位用作输入/输出操作的控制和联络信号；B组包括B口和C口的低4位，B口可由编程设定为输入或输出口，C口的低4位，用作输入/输出操作的控制和联络信号。
A口和B口的输入数据或输出数据都被锁存。
选通输入/输出方式主要用于中断应答式数据传送，也可用于连续查询式数据传送。
输入和输出时8255A与外围设备的连接方式不同，数据传送过程也不同。
③双向输入/输出工作方式—方式2只有A口可以选择这种工作
在这种工作方式下，A口成为8位双向数据总线端口，既可以发送数据，又可以接收数据。
C口的PC2～PC3用来作为A口的联络信号。
此时，B口和C口剩下的三位PC2～PC0仍可选择方式0或方式1。
按方式2工作时，A口既可工作于查询方式，又可工作于中断方式。
（2）8255A的控制字
8255A在投入工作前必须设定工作方式，工作方式由初始化程序对8255A的控制寄存器写入控制字来决定。
控制字共有两种。
①工作方式控制字
即控制A口、B口、C口的工作方式的控制字。
其中D7是特征位，D7=1表示本字是方式控制字；D6～D3用来定义A口和C口的高4位（即A组）的工作方式；D2～D0用来定义B口和C口的低4位（即B组）的工作方式；在方式1或2时，D3或D0只能定义C口中未用作联络线的各位是作输入还是输出，而不会改变作为联络线的各位的固定作用。
②C口的按位置/复位控制字
可以对C口各位进行按位操作，以实现某些控制功能。
对控制寄存器写入一个置/复位控制字，即可把C口的某一位置“1”或“0”，而不影响其他位的状态。
该控制字的格式和定义入土所示。
其中D7是特征位，D7=0表示本字是置/复位控制字；D6～D4未用，一般置成000；D3～D1用来确定对C口的哪一位进行置/复位操作；D0用于对于由D3～D0确定的位进行置“1”或清“0”。
两种控制字写入的控制端口相同。
由于两种控制字都有特征位，因此写入的顺序可以任意。
在工作中，随时可以根据需要对C口的某位置“1”或清“0”。
3.4可编程键盘，显示器接口——Intel8279
1．8279内部结构：
（1）数据缓冲器及I/O控制逻辑
数据缓冲器是一个双向缓冲器，它连接内部总线和外部总线，用于传送CPU和颜悦色8279之间的命令，数据和状态。
（2）控制与定时寄存器以及定时与控制电路
8279为一个可编程芯片，其工作方式等通过写入一些命令来设置。
控制与定时寄存器用来寄存操作命令字，通过对命令字译码产生相应的控制信号，控制8279的各个部件的协调工作，完成相应的功能。
（3）扫描计数器
扫描计数器有两种工作方式。
一种为外部译码方式。
计数器以二进制方式计数，4位计数状态从扫扫描结SL0~SL3输出，经外部译码后形成的16位扫描信号；另一种为内部译码方式。
①回复缓冲器，键盘去抖动与控制电路回复缓冲器缓冲并锁存来自RL0~RL78根回复线的回复信号。
②FIFO/传感RAM及其状态寄存器FIFO/传感器RAM是一个双重功能的8×8RAM
③显示RAM各显示地址寄存器显示RAM用来存储显示数据，容量为16×8位。
2．8279的工作方式
（1）键盘工作方式
双键互锁方式
N键轮回方式
（2）显示器工作方式
（3）左端输入方式
右端输入方式
（4）传感器矩阵方式
（5）选通输入方式
3．8279的引脚功能：
（1）D0~D7数据总线双向，三态总线，和CPU数据总线相连，用于CPU和8279间的数据传输。
（2）CLK（系统时钟）：
输入线，为8279提供内部时钟输入端。
（3）RESET（复位）：
当RESET＝1时，8279复位其复位状态为：
16个字符显示；编码扫描键盘的----双重功能键锁定；程序时钟编程为31。
（4）CS（片选）：
输入线，当CS＝0时，8279被选中，允许CPU对其读、写。
（5）RD、WR（读写信号）：
输入线，低电平有效，来自CPU的控制信号，控制8279的读写操作。
（6）IRQ（中断请求）：
输出线，高电平有效。
（7）SL0~SL7（扫描线）：
输出线。
是键盘矩阵或传感器矩阵的行（或列）信号输出线。
（8）SHIFT（移位信号）：
输入。
高电平有效。
（9）OUTA0~OUTA3（A组显示信号）、OUTB0~OUTB3（B组显示信号）段码输出线。
3.5地址锁存器74LS373
单片机规定P0口提供低8位地址线，同时又要作数据线，所以P0是一个分时输出低8位和数据的通道口。
为了把地址信息分离出来保存，提供外接存储器的低8位地址信息，通常采用74LS373作为地址锁存器。
74LS373的引脚功能：
1D～8D是输入端，1Q～8Q是输出端，CE是片选端，选通端G与8031单片机的地址锁存信号ALE连接。
当选通端G=1时，74LS373的输出端与输入端相同，当G端从高电平返回低电平（下降沿）时，输入的地址信息就被锁入1Q～8Q中。
1.74LS138译码器
程序存储器的扩展的常用方法有两种：
线选法和译码法。
本设计使用的方法为译码法寻址。
常用的译码器有74LS138（3－8译码器），74LS154（4－16译码器），74LS138有3个选择输入端，组成8种输入状态。
输出端有8个，每个输出端分别对应8种输入状态的一种，低电平有效。
即对应每种输入状态，仅允许一端输出低电平，其余全为高电平。
它还具有3个使能端E3、E2和E1，3个使能端必须同时输入有效电平，译码器才能正常工作。
即仅当E3、E2和E1输入电平为1、0、0时，才能选通译码，否则译码器输出全无效。
3.6部分硬件接口电路及辅助电路设计
本系统接口电路包括程序存储器扩展电路、数据存储器扩展电路、键盘显示接口电路和步进电机接口电路，辅助电路包括时钟电路、复位电路、计数电路和报警指示电路。
1.外扩EPROM电路
EPROM2764芯片为28引脚，其主要有16根地址线（A0~A15），8根数据线（D0~D7），片选端（CE），输出允许端（OE）等。
1、地址线连接。
由于EPROM一般不含有地址锁器，因此8031的P0口要经地址锁存器74LS373与EPROM2764低8位地址端相连接，P2口与2764的高8位地址端相连接。
2、数据经的连接。
8031的P0口（P0.0~0.7）直接与2764的8位数据端（D0.0~0.7）相连接。
3、控制线的连接。
⑴2764的OE端（允许输出信号）与8031的PSEN（片外数据存储器取指信号）相连接。
⑵ALE（地址锁存允许信号）与74LS373的OC端连接。
由于扩展了一片8K的EPROM，因此2764片选端（CE）应接地，同时8031的EA端（片内/外存储选择信号）也应接地。
该芯片的地址范围0000H~FFFFH。
2.外扩RAM电路
SRAM6264芯片为28引脚，主要有15个地址端（A0~A14）、8个双向三态数据端（D0~D7）、片选端（CE）、读选通端（OE）、写允许端（CE）等。
1、地址线连接。
8031的低8位地址经P0口通过74LS373与62256的低8位地址端（A0~A7）相连接，由于63356的容量为32K，因此，高位地址线只用7根（即P2.0~P2.6）与6264的高7位地址端（A8~A14）相连接。
2、数据线连接。
同2764芯片一样，P0口（P0.0~P0.7）直接与6264的数据端（D0~D7）相连。
3、控制端连接。
片选（CE）端应接8031的P2.7端，OE、WE端分别与8031的RD、WR端相连接来控制6264的读写。
该芯片的地址范围为0000H~7FFFH。
3.键盘显示器的接口电路
利用8279扩展键盘和显示器，在这里采用外部译码的方式，因此要选用译码器，采用74LS154（“4－16”译码器）。
为了让数据显示稳定、可靠，必须增加数据线和扫描线的驱动能力，这里选用74LS244（8同相缓冲器/驱动器）。
1、数据线连接。
8279的数据端（D0~D7）直接8031的数据线（P0.0~P0.7）相连。
2、控制线连接
（1）片选信号8031的P0.0端经74LS373后与8279的片选（CS）端相连接。
（2）属性控制信号8031的P1.1端经74LS373后与8279的数据选择端（A0）相连接，控制输入线上信号的属性（命令/状态、数据）。
（3）时钟信号线8279的内部时钟信号（CLK）端直接与8031的地址锁存允许信号（ALE）端相连。
（4）读（RD）、写（WR）控制信号分别与8031的读（RD）、写（WR）端相连接。
3、键盘数据线连接
8279的扫描线（SL0~SL2）经74LS154译码后的Y1、Y2、Y3、Y4四条线分别与8位回复线（RL0~RL7）相交，其形成了4×8的键盘。
4、显示数据线连接
在本系统中，LED显示器（共阴极）动态显示。
显示器的位选码是8279的扫描线经74LS154译码经74LS244驱动后分别与各LED的共阴极端相连，段选码是8279的显示数据端（OUTA0~OUT3,OUTB0~OUTB3）经过74LS244驱动后与各显示器端的数据相连接。
该芯片的数据口地址为0FF80H、状态口地址为0FF82H。
5.面板操作键设置硬件接口电路
在面板上有起动、暂停、单段/连续运行、坐标轴进给手动操作键和急停按钮等。
起动按钮，用于起动加工程序。
暂停按钮，可中断程序的运行，需要继续运行程序时应按下起动键。
单段/连续控制开关，控制实现单段或连续加工。
置于单段位置时，每运行一条程序就暂停，只有重新按下起动键，才运行下一段程序。
将此开关置于连续位置时，程序将连续运行。
坐标轴进给操作按键X、—X、Z、—Z，可实现手动操作工作台的进给。
按下其中一个按键，例如X键，数控系统向X电机发出连续进给信号，使工作台沿X轴正向连续移动，直到松开X按键为止。
面板操作键与8031单片机连接如图所示，除急停按键使用单片机8031的最高优先级中断外，其余按键均联至P1口。
各操作键开关的连接方法和工作原理都相似。
由图3－13可见，当键未按下时，光电耦合管截止、P1口为高电平，程序检测到P1口为高电平时不于理睬；当键按下时，光电耦合管饱和导通，对应的P1口变为低电平，8031接到此低电平时，转而执行该键功能。
6.方式选择开关设置
方式选择开关是一单刀8掷的波段开关，提供选择的方式有编辑、空运行、自动、回零、手动Ⅰ、手动Ⅱ、手动Ⅲ和通信，总共8种功能。
（1）编辑方式可以对加工程序进行输入、检索、修改、插入和删除等操作。
（2）空运行方式开关置于空运行时，起动加工程序，只执行加工指令对M、S、T指令跳过不执行，而且刀具快速运动。
因此，用这种方法可以检查程序编制是否正确。
（3）自动方式只有开关置于这个位置时，按起动键才可以起动加工程序。
（4）手动方式Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、手动方式用于加工前对刀调整，或进行简单加工。
操作时，将方式选择开关置于手动方式，配合方向操作键进行
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