機床數(shù)控化改造

1、三門峽職業(yè)技術學院課程論文設計（ 機床數(shù)控裝置與調(diào)試）題目：CA6140機床數(shù)控化改造設計學生姓名： 學 號： 系 部： 專業(yè)名稱： 班級名稱: 指導教師： 完成日期： 年 月 日摘 要針對大多數(shù)企業(yè),具有數(shù)量眾多和較長使用壽命的普通機床，其加工精度較低、不能批量生產(chǎn)，自動化程度不高，自適應性差，但考慮投資成本，產(chǎn)業(yè)的連續(xù)性，又不能馬上被淘汰。數(shù)控機床作為機電液氣一體化的典型產(chǎn)品，能解決機械制造中結構復雜、精密、批量、零件多變的問題，加工質(zhì)量穩(wěn)定，生產(chǎn)效率較高。購買新的數(shù)控機床是提高產(chǎn)品質(zhì)量和效率的重要途徑,但是成本高，許多企業(yè)在短時間內(nèi)無法實現(xiàn)，這嚴重阻礙企業(yè)設備更新的步伐。為此把普通機床數(shù)

2、控化改造，不失為一條投資少、提升產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)效率的捷徑，提升企業(yè)競爭力，在我國成為制造強國的進程中，占有一席之地。本文的主要內(nèi)容有：1對普通車床數(shù)控化改造經(jīng)濟性評價詳細論證，確定普通車床數(shù)控化改造方案；2對進給系統(tǒng)的滾珠絲杠型號選擇與裝配設計，支承方式的設計與軸承型號選擇，步進電機選擇等進行了詳細研究；3對常用進口數(shù)控裝置系統(tǒng)和國產(chǎn)數(shù)控裝置系統(tǒng)進行仔細比較，根據(jù)所改造的性能和精度指標來選配數(shù)控裝置系統(tǒng)和自動刀架型號，提出選擇方法；4根據(jù)普通車床CA6140電氣控制系統(tǒng)和原理圖與普通車床數(shù)控化改造CJK6140-A的數(shù)控系統(tǒng)對比分析，形成普通車床數(shù)控化改造完整的電氣控制技術圖；5.為保持切削螺

3、紋的功能，仔細研究了在主軸上安裝脈沖發(fā)生器的選型，脈沖發(fā)生器直接與主軸間連接方法，并形成了相應的技術圖；6.拆卸普通機床，甩掉原有進給箱等，對主傳動系統(tǒng)的進行大修，滑板貼塑與鏟刮調(diào)試，對機床相關部件和參數(shù)進行測繪、測量；7.繪出相應的零件圖和裝備圖；8給出普通車床數(shù)控化改造的安裝、調(diào)試方法。關鍵詞：普通車床、數(shù)控、改造目 錄第一章CA6140普通車床數(shù)控改造總體方案的設計要求41.2設計要求51.3主傳動系統(tǒng)和進給系統(tǒng)的改造61.4主軸脈沖發(fā)生器6第二章 進給伺服系統(tǒng)機械部分設計與計算2.1進給系統(tǒng)機械結構改造設計82.2 進給伺服系統(tǒng)機械部分的計算與選型82.3橫向滾珠絲杠螺母副的型號選擇與

4、校核步驟14第三章 CA6140數(shù)控改造步進電機的設計3.1 步進電機的工作方式173.2 步進電機的選擇18第四章CA6140普通車床數(shù)控化改造的數(shù)控系統(tǒng)4.1 數(shù)控車床及數(shù)控系統(tǒng)概述204.2 微機控制系統(tǒng)硬件電路設計22234.4 存儲器擴展電路設計244.5 譯碼電路設計264.6 其他輔助電路設計設計27第五章 安裝調(diào)整中應注意的問題5.1 滾珠絲杠螺母副的選擇305.2 滾珠絲杠螺母副的調(diào)整305.3 聯(lián)軸器的安裝305.4 主軸脈沖發(fā)生器的安裝30第六章 結束語致謝31參考文獻-32第一章 CA6140普通車床數(shù)控改造總體方案的設計要求1.1總體方案總體方案設計應考慮機床數(shù)控系統(tǒng)

5、的類型，計算機的選擇，以及傳動方式和執(zhí)行機構的選擇等。（1）普通車床數(shù)控化改造后應具有定位、縱向和橫向的直線插補、圓弧插補功能，還要求能暫停，進行循環(huán)加工和螺紋加工等，因此，數(shù)控系統(tǒng)選連續(xù)控制系統(tǒng)。 （2）車床數(shù)控化改裝后屬于經(jīng)濟型數(shù)控機床，在保證一定加工精度的前提下應簡化結構、降低成本，因此，進給伺服系統(tǒng)采用步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)。 （3）根據(jù)普通車床最大的加工尺寸、加工精度、控制速度以及經(jīng)濟性要求，經(jīng)濟型數(shù)控機床一般采用8位微機。在8位微機中，MCS51系列單片機具有集成度高、可靠性好、功能強、速度快、抗干擾能力強、具有很高的性價比，因此，可選 MCS51系列單片機擴展系統(tǒng)。 （4）根據(jù)系統(tǒng)

6、的功能要求，微機數(shù)控系統(tǒng)中除了CPU外，還包括擴展程序存儲器，擴展數(shù)據(jù)存儲器、I/O接口電路；包括能輸入加工程序和控制命令的鍵盤，能顯示加工數(shù)據(jù)和機床狀態(tài)信息的顯示器，包括光電隔離電路和步進電機驅(qū)動電路，此外，系統(tǒng)中還應包括螺紋加工中用的光電脈沖發(fā)生器和其他輔助電路。 （5）設計自動回轉(zhuǎn)刀架及其控制電路。 （6）縱向和橫向進給是兩套獨立的傳動鏈，它們由步進電機、齒輪副、絲杠螺母副組成，其傳動比應滿足機床所要求的分辨率。 （7）為了保證進給伺服系統(tǒng)的傳動精度和平穩(wěn)性，選用摩擦小、傳動效率高的滾珠絲杠螺母副，并應有預緊機構，以提高傳動剛度和消除間隙，齒輪副也應有消除齒側間隙的機構。 （8）采用貼塑

7、導軌，以減小導軌的摩擦力。 （9） 原機床的主要結構布局基本不變，盡量減少改動量 ，以降低成本縮短改造周期。 （10）機械結構改裝部分應注意裝配的工藝性，考慮正確的裝配順序，保正安裝、調(diào)試、拆卸方便，需經(jīng)常調(diào)整的部位調(diào)整應方便?？傮w方案設計圖如1.1圖所示1.2設計要求將CA6140普通車床改造成經(jīng)濟型數(shù)控車床。要求該車床具有切削螺紋的功能，縱向和橫向具有直線和圓弧插補功能。系統(tǒng)分辨率縱向：，橫向：。設計參數(shù)如下：最大加工直徑：在床面上400mm在床鞍上210mm最大加工長度：1000mm快進速度縱向/min橫行/min最大切削進給速度縱向/min橫行/min代碼制ISO脈沖分配方式逐點比較法

8、輸入方式增量值、絕對值通用控制坐標數(shù)2最小指令值縱向/pulse橫行/pulse刀具補償量0進給傳動鏈間隙補償量縱向橫行自動升降速性能有1.3主傳動系統(tǒng)和進給系統(tǒng)的改造CA6140型普通車床的主傳動系統(tǒng)和進給系統(tǒng)都由主軸電機控制，而改造后的車床則把主傳動系統(tǒng)和進給系統(tǒng)的運動分離開。分別由各自的步進電機來控制，但是為保證車床在車螺紋時主傳動運動與進給運動之間的聯(lián)系，所以在拆掉進給系統(tǒng)的同時，必須在主軸上安裝一個脈沖發(fā)生器，來實現(xiàn)主軸傳動和進給運動之間的聯(lián)系。同時，為了提高機床的精度和效率，用滾珠絲杠來代替原機床的光杠，并且采用單獨的步進電機來控制。這樣不僅提高了機床的性能和精度，還提高了機床的使

9、用性能。1. 機械部分的改造首先拆去進給箱、溜板箱；還要對車床的床鞍進行部分的改造，拆去縱向小拖板、 橫向拖板，將絲杠換成滾珠絲杠，并且由一端驅(qū)動的步進電機來控制。2. 刀架的改造CA6140普通車床的刀架不能滿足數(shù)改后的車床的性能和精度的要求。所以，必須要換成數(shù)控自動刀架。1.4主軸脈沖發(fā)生器為保持切削螺紋的功能，必須在主軸上安裝脈沖發(fā)生器，采用脈沖發(fā)生器直接與主軸由無間隙傳動聯(lián)軸器連接，達到傳動系統(tǒng)結構簡化，傳動鏈短，傳動剛度提高。主軸與脈沖發(fā)生器同步旋轉(zhuǎn)，發(fā)出兩路信號：每轉(zhuǎn)發(fā)出的脈沖個數(shù)和一個同步信號，經(jīng)隔離電路以及I/O接口送給數(shù)控裝置（CNC），脈沖發(fā)生器及光柵編碼器安裝位置如圖光柵

10、編碼器安裝位置主軸脈沖發(fā)生器的結構及原理:脈沖發(fā)生器的組成部分包括白熾燈、聚光鏡、光柵盤、光闌板、光敏管及其光電整形放大電路組成。光柵盤和光闌板都是玻璃材料制成，玻璃表面經(jīng)過研磨拋光后用鍍膜法鍍上一層不透光的鉻層，透光條及用照相腐蝕法制成。在光柵盤上刻有明暗條紋，有單條和1024個條兩組。當平行光束經(jīng)過光柵盤時，在光柵盤的另一面就產(chǎn)生明暗光帶，這光帶通過一個光闌狹縫，照在對應的光敏管上，從而產(chǎn)生光電脈沖信號，經(jīng)斯密特電路整形后輸出。單條紋的一組產(chǎn)生同步脈沖，每轉(zhuǎn)發(fā)一個脈沖；1024條紋的一組通過光欄上兩個相位差/4間距的狹縫，產(chǎn)生兩組每轉(zhuǎn)1024個脈沖組相差為/4的脈沖序列，供給微機處理，借以

11、判斷主軸正、反轉(zhuǎn)，且可以從1024個脈沖中均勻地取出F個脈沖，作為中斷信號控制插補速度，實現(xiàn)F進給控制的目的。脈沖發(fā)生器的結構原理圖第二章 進給伺服系統(tǒng)機械部分設計與計算2.1進給系統(tǒng)機械結構改造設計進給系統(tǒng)改造設計需要改動的主要部分有掛輪架、進給箱、溜板箱、溜板刀架等改造的方案不是唯一的。以下是其中的一種方案：掛輪架系統(tǒng)：全部拆除，在原掛輪主動軸處安裝光電脈沖發(fā)生器。進給箱部分：全部拆除，在該處安裝縱向進給步進電機與齒輪減速箱總成絲杠、光杠和操作杠拆去，齒輪箱連接滾珠絲杠，滾珠絲杠的另一端支承座安裝在車床尾座端原來裝軸承座的部分。溜板箱部分：全部拆除，在原來安裝滾珠絲杠中間支撐架和螺母以及部

12、分操作按鈕。橫溜板箱部分：將原橫溜板的絲杠的、螺母拆除，改裝橫向進給滾珠絲杠螺母副、橫向進給步進電機與齒輪減速箱總成安裝在橫溜板后部并與滾珠絲杠相連。刀架：拆除原刀架，改裝自動回轉(zhuǎn)四方刀架總成。2.2進給伺服系統(tǒng)機械部分的計算與選型進給伺服系統(tǒng)機械部分的計算與選型內(nèi)容包括：確定脈沖當量、計算切削力滾珠絲杠螺母副的設計、計算與選型、齒輪傳動計算、步進電機的計算和選型等。計算簡圖如下圖所示：2確定系統(tǒng)的脈沖當量脈沖當量是指一個進給脈沖使機床執(zhí)行部件產(chǎn)生的進給量,它是衡量數(shù)控機床加工精度的一個基本參數(shù)。因此,脈沖當量應根據(jù)機床精度的要求來確定。對經(jīng)濟型數(shù)控機床來說，常采用的脈沖當量為/step和/s

13、tep,在CA6140的技術參數(shù)中，要求縱向脈沖當量為/step。橫向脈沖當量為=/step。2縱向滾珠絲杠螺母副的副的型號選擇與校核步驟（1）滾珠絲杠螺母副滾珠絲杠副是在絲杠和螺母間以鋼球為滾動體的螺旋傳動元件。滾珠絲杠副的結構原理示意圖如圖所示，它可將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動，或者將直線運動轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)運動。因此，滾珠絲杠副既是傳動元件，也是直線運動與旋轉(zhuǎn)運動相互轉(zhuǎn)換的元件。滾珠絲杠螺母副的結構原理圖組成：主要由絲桿、螺母、滾珠和滾道（回珠器）、螺母座等組成。 工作原理：在絲桿和螺母上加工有弧行螺旋槽，當它們套裝在一起時便形成螺旋滾道，并在滾道內(nèi)裝滿滾珠。而滾珠則沿滾道滾動，并經(jīng)回珠管作周而復

14、始的循環(huán)運動?；刂楣軆啥诉€起擋珠的作用，以防滾珠沿滾道掉出。 特點：傳動效率高：機械效率可高達92%98%。 摩擦力小：主要是用滾珠的滾動代替了普通絲桿螺母副的滑動。 軸向間隙可消除：也是由于滾珠的作用，提高了系統(tǒng)的剛性。經(jīng)預緊后可消除間隙。 使用壽命長、制造成本高：主要采用優(yōu)質(zhì)合金材料，表面經(jīng)熱處理后獲得高的硬度。1）最大工作荷載計算滾珠絲杠的工作載荷（N）是指滾珠絲杠副的在驅(qū)動工作臺時滾珠絲杠所承受的軸向力，也叫做進給牽引力。它包括滾珠絲杠的走到抗力及與移動體重力和作用在導軌上的其他切削分力相關的摩擦力。由于原普通CA6140車床的縱向?qū)к壥侨切螌к?，則用公式2-1計算工作載荷的大小。

15、（2-1） 車削抗力分析車削外圓時的切削抗力有，主切削力與主切削速度方向一致垂直向下，是計算機床主軸電機切削功率的主要依據(jù)。切深抗力與縱向進給垂直，影響加工精度或已加工表面質(zhì)量。進給抗力與進給方向平行且相反指向，設計或校核進給系統(tǒng)是要用它。切削時總切削力的分解縱切外圓時，車床的主切削力可以用下式計算： （2-2） =5360(N) 由金屬切削原理知：=1:0.25:0.4 （2-3） 得 =1340(N)=2144(N)因為車刀夾在拖板上的刀架內(nèi)，車刀受到的車削抗力將傳遞到進給拖板和導軌上，車削作業(yè)時作用在進給托板的載荷和與車刀所受到的車削抗力有對應關系。因此，作用在進給托板上的載荷可以按下式

16、求出： 托板上的進給方向載荷 = =1340(N) 托板上的垂直方向載荷 = =5360(N) 托板上的橫向載荷 = =2144(N) 因此，最大工作載荷 ××(5360+90×9.8) =1790.68(N) 對于三角形導軌K=1.15, =0.030.05,選=0.04，G是縱向橫向溜板箱和刀架的重量，選縱向橫向溜板箱的重量為75kg,刀架重量為15kg.最大動載荷C的計算滾珠絲杠應根據(jù)額定動載荷Ca選用，可用式3-4計算： （3-4） L為工作壽命，單位為10r，L=60nt10;n為絲杠轉(zhuǎn)速（rmin）,n=1000vL0;v為 最大切削力條件下的進給速度

17、（mmin）,可取最高進給速度的1/21/3;L0為絲杠的基本導程，查資料得L0=12mm; 為運轉(zhuǎn)狀態(tài)系數(shù)，因為此時有沖擊振動，所以取=1.5.V縱向=/r×1400r/min=2226mm/minn縱向=v縱向×1/2/L0=2226×1/2/12 L=60nt/106=60××15000/106則 =××1790.68=11740（N） 初選滾珠絲杠副的尺寸規(guī)格，相應的額定動載荷Ca不得小于最大載荷C;因此有CaC=11740N另外例如滾珠絲杠副有可能在靜態(tài)或低速運轉(zhuǎn)下工作并受載，那么還需考慮其另一種失效形式-滾珠接觸

18、面上的塑性變形。即要考慮滾珠絲杠的額定靜載荷是否充分地超過了滾珠絲杠的工作載荷Fm,一般使=23.初選滾珠絲杠為：外循環(huán)，因為內(nèi)循環(huán)較外循環(huán)絲杠貴，并且較難安裝。考慮到簡易經(jīng)濟改裝，所以采用外循環(huán)。因此初選滾珠絲杠的型號為型CD63×8-3.5-E型，主要參數(shù)為=, =8mm, =63mm, =2o19 ，圈數(shù)××1 縱向滾珠絲杠的校核 1）傳動效率計算 滾珠絲杠螺母副的傳動效率為92% （3-5）2）剛度驗算 滾珠絲杠副的軸向變形將引起導程發(fā)生變化，從而影響其定位精度和運動平穩(wěn)性，滾珠絲杠副的軸向變形包括絲杠的拉壓變形，絲杠和螺母之間滾道的接觸變形，絲杠的扭轉(zhuǎn)變

19、形引起的縱向變形以及螺母座的變形和滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形。1 絲杠的拉壓變形量 （3-6） =±××10××(31.5)2 =2 滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量采用有預緊的方式，因此用公式× （3-7） =在這里 =1/3=1/3×1790.68=597N×××1=145.36 絲杠的總變形量= + =0.0064+0.0028=<查表知E級精度絲杠允許的螺距誤差為，故所選絲杠合格。3）壓桿穩(wěn)定性驗算滾珠絲杠通常屬于受軸向力的細長桿，若軸向工作負載過大，將使絲杠失去穩(wěn)定而產(chǎn)生縱向屈曲，即

20、失穩(wěn)。失穩(wěn)時的臨界載荷為（3-8）×104Mpa；I為截面慣性矩，對絲杠圓截面 (為絲杠的底徑)；L為絲杠的最大工作長度（mm）；為絲杠的支撐方式系數(shù)由下表查得。方式兩端端自由一端固定一端自由兩端固定兩端簡支由 且=2.0, E=Mpa, ,L=2800mm為絲杠的長度由于I=519614mm =276276所以絲杠很穩(wěn)定。2.3橫向滾珠絲杠螺母副的型號選擇與校核步驟經(jīng)濟型數(shù)控改造的橫向進給的設計比較簡單，一般是步進電機經(jīng)減速后驅(qū)動滾珠絲杠，使刀架橫向運動。步進電機安裝在大拖板上，用法蘭盤將步進電機和機床大拖板連接起來，以保證其同軸度，提高傳動精度。2橫向進給系統(tǒng)的設計計算由于橫向進

21、給系統(tǒng)的設計計算與縱向類似，所用到的公式不再詳細說明，只計算結果。電機初步估算轉(zhuǎn)速為1500r/min，進給速度=2。根據(jù)機械設計手冊可知；則：；根據(jù)機械設計手冊可查到滾珠絲杠的標準系列，初選。已知條件如下：工作臺重量：； 脈沖當量：；步距角：； 進給速度：； 滾珠絲杠基本導程：；滾珠絲杠行程：；(1) 削力計算橫向進給量為縱向的，取，則切削力約為縱向的：；在切斷工件時：；2滾珠絲杠設計計算(1) 強度計算對于燕尾型導軌：；取K=1.4，=；則：；壽命值：；由以上條件，可以確定步進電機與滾珠絲杠齒輪傳動比：；由于電機軸與滾珠絲杠之間是降速傳動則：;由機械設計手冊可知，當量轉(zhuǎn)速在之間變化時：；取

22、為時，；?。灰虼耍?；根據(jù)經(jīng)濟型數(shù)控機床可知，最大動負載為：。根據(jù)最大負載Q值，可選擇滾珠絲杠的型號,外循環(huán)插管埋入式雙螺母預緊式的滾珠絲杠，型號為20042.53左，其中額定動載荷為14200N，所以強度夠用。(2) 效率計算經(jīng)計算螺旋升角，摩擦角；則：。(3) 剛度驗算滾珠絲杠受工作負載P引起的導程的變化量：；滾珠絲杠受扭矩引起的導程變化量很小，即：。所以，導程變形總誤差為：；查表可知3級精度絲杠允許的螺距誤差（1m）為15，故剛度足夠。(4) 穩(wěn)定性由于選用的滾珠絲杠的直徑與絲杠直徑相同，而支承方式由原來的一端固定，一端懸空，變?yōu)橐欢斯潭ǎ欢藦较蛑С?，所以穩(wěn)定性增強，故不再驗算。第三章

23、CA6140數(shù)控改造步進電機的設計步進電機是受脈沖信號控制的，脈沖信號的產(chǎn)生和分配由軟件編程來完成，而信號的放大由放大電路來完成。由于強弱信號的原因，我們在放大電路前加上光電耦合電路，以防止電源串路。3.1 步進電機的工作方式步進電機的工作方式和一般電機的不同，是采用脈沖控制方式工作的。只有按一定的規(guī)律對各相繞組輪流通電，步進電機才能實現(xiàn)轉(zhuǎn)動。數(shù)控機床中采用的功率步進電機有三相、四相、五相、和六相等。工作方式有單m拍，雙m拍、三m拍及2×m拍，m是電機的相數(shù)。所謂單m拍是指每拍只有一相通電，循環(huán)拍數(shù)為m；雙m拍是指每拍同時有兩相通電，循環(huán)拍數(shù)為m；三m拍是每拍有三相通電，循環(huán)拍數(shù)為m

24、拍；2×m拍是各拍既有單相通電，也有兩相或三相通電。一般電機的相數(shù)越多，工作方式越多。由步距角計算可知，循環(huán)拍數(shù)越多，步距角越小，因此定位精度越高。另外，通電循環(huán)拍數(shù)和每拍通電相數(shù)對步進電機的矩頻特性、穩(wěn)定性等都有很大的影響。步進電機的相數(shù)也對步進電機的運行性能有很大影響。為提高步進電機輸出轉(zhuǎn)矩、工作頻率和穩(wěn)定性，可選用多相步進電機，并采用2×m拍工作方式。32步進電機的選擇3.21步進電機選用的基本原則合理選用步進電機是比較復雜的問題，需要根據(jù)電機在整個系統(tǒng)的實際工作情況，經(jīng)過分析后才能正確選擇?，F(xiàn)僅就選用步進電機最基本的原則介紹如下：步距角步距角應滿足：；式中：傳動比；

25、系統(tǒng)對步進電機所驅(qū)動部件的最小轉(zhuǎn)角。 精度步進電機的精確可用步距誤差或積累誤差衡量。積累誤差是指轉(zhuǎn)子從任意位置開始，經(jīng)過任意步后，轉(zhuǎn)子的實際轉(zhuǎn)角與理論轉(zhuǎn)角之差的最大值，用積累誤差衡量精度比較實用。所選用的步進電機應滿足：式中：步進電機的積累誤差；系統(tǒng)對步進電機驅(qū)動部分允許的角度誤差。 轉(zhuǎn)距為了使步進電機正常運行（不失步、不越步），正常啟動并滿足對轉(zhuǎn)速的要求，必須考慮： 啟動力矩一般啟動力矩選取為： 式中：電動機啟動力矩；電動機靜負載力矩。在要求的運行頻率范圍內(nèi)，電動機運行力矩應大于電動機的靜載力矩與電動機轉(zhuǎn)動慣量（包括負載的轉(zhuǎn)動慣量）引起的慣性矩之和。啟動頻率由于步進電機的啟動頻率隨著負載力矩

26、和轉(zhuǎn)動慣量的增大而降低，因此相應負載力矩和轉(zhuǎn)動慣量的極限啟動頻率應滿足：式中：極限啟動頻率；要求步進電機最高啟動頻率；3.22 CA6140縱向進給系統(tǒng)步進電機的確定為了滿足最小步距要求，電動機選用三相六拍工作方式，查表知：；所以，步進電機最大靜轉(zhuǎn)距為：步進電機最高工作頻率：綜合考慮，查表選用130BF003型直流步進電動機，能滿足要求。3.23 CA6140橫向進給系統(tǒng)步進電機的確定為了滿足最小步距要求，電動機選用三相六拍工作方式，查表知：；所以，步進電機最大靜轉(zhuǎn)距為：步進電機最高工作頻率：綜合考慮，查表選用110BF003型直流步進電動機，能滿足要求。第四章 CA6140車床數(shù)控化改造的數(shù)

27、控系統(tǒng)4.1數(shù)控車床及數(shù)控系統(tǒng)概述第五技術委員會，對數(shù)控機床的定義：數(shù)控機床是一種裝有程序控制系統(tǒng)的機床，該系統(tǒng)能夠處理用號碼或其它符號編碼指令規(guī)定的程序。定義中所指的程序控制系統(tǒng)，就是數(shù)控系統(tǒng)或數(shù)控裝置。它是一種控制系統(tǒng)，能自動閱讀讀入載體事先給定的數(shù)字值，并將其譯碼，從而控制機床動作，進行零件加工。數(shù)控機床的主要結構見圖4-1，由機床主機、驅(qū)動裝置、輔助裝置、CNC裝置和編程裝置等組成。圖4-1數(shù)控機床的主要結構4機床主機機床主機是數(shù)控機床的機械主體，由能實現(xiàn)各可控運動主軸和主運動的帶傳動、齒輪傳動（變速箱）系統(tǒng)、工作部件和支承件等組成。在結構上數(shù)控機床主機與相應的非數(shù)控機床雖有類似的部分

28、，但也有自己的特點：采用高性能的主軸及進給伺服傳動系統(tǒng)；能長時間連續(xù)自動化加工，又能保持加工質(zhì)量穩(wěn)定性；通常采用預加載荷的滾珠絲杠副、直線滾動導軌副以及貼塑導軌等。4驅(qū)動裝置數(shù)控機床主傳動一般都由直流或交流主軸伺服電動機驅(qū)動。主軸調(diào)速功能由主軸伺服電動機的伺服單元接受數(shù)控裝置給出的電位信號或數(shù)碼轉(zhuǎn)換信號控制，使電動機達到指定的轉(zhuǎn)速。電動機上帶速度反饋元件，它把電動機實際轉(zhuǎn)速反饋給控制單元。圖4-2進給傳動表明每一個可控軸進給機構伺服系統(tǒng)的基本構成，按反饋控制形式分為以下三類。圖4-2數(shù)控機床進給機構伺服系統(tǒng)1)開環(huán)伺服系統(tǒng)。如圖5-2中虛線方框內(nèi)結構，開環(huán)伺服系統(tǒng)沒有檢查機械運動的檢測元件，即

29、沒有來自位置傳感器的反饋信號。典型的開環(huán)伺服系統(tǒng)由步進電動機或電液脈沖馬達驅(qū)動，運動速度和精度較低，運動中容易產(chǎn)生振蕩、丟步等現(xiàn)象，因此僅用于經(jīng)濟型或簡易型數(shù)控機床，其精度和速度的提高受到限制。2)半閉環(huán)伺服系統(tǒng)。這一類系統(tǒng)的位置檢測元件從機械傳動鏈的中間取得信號，檢測元件大多是裝在伺服電動機后端或滾珠絲杠驅(qū)動端，能獲得比閉環(huán)伺服系統(tǒng)穩(wěn)定性好的控制特性，而且也較經(jīng)濟，是全功能數(shù)控機床廣泛采用的一種控制形式。3)閉環(huán)伺服系統(tǒng)。如圖5-2所示，這類系統(tǒng)接受數(shù)控裝置輸出的指令信號，同時又接受由位置傳感器檢測的實際位置反饋信號，兩者進行比較處理并由其差值不斷進行誤差修正；因此可以消除由于傳動系統(tǒng)中存在

30、的誤差（如滾珠絲杠的導程誤差)和熱變形等的影響，得到較高的定位精度和加工精度。主要用于一些精度要求較高的數(shù)控機床，特別是精密、高精密數(shù)控機床，如精密臥式加工中心。4輔助裝置數(shù)控機床和非數(shù)控機床類似，包括液壓和氣動裝置，冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、自動排屑裝置、防護裝置等。數(shù)控機床對這些裝置的工作質(zhì)量、可靠性和技術性能都要求較高。4數(shù)控裝置系統(tǒng)數(shù)控裝置是數(shù)控機床的控制核心，包括運算和存儲等計算機硬件、CRT顯示器，操作面板和鍵盤、各種不同形式紛輸入輸出裝置，以及相應配套的運算控制軟件等。多數(shù)數(shù)控機床一般都采用計算機數(shù)控裝置(CNC裝置)，即按微機結構原理的硬件平臺(有的采用少量專用芯片)配置專用軟件，構

31、成軟件數(shù)控系統(tǒng)。數(shù)控裝置通常具備的功能有：各可控軸控制及多軸聯(lián)動控制、各種插補運算、代碼轉(zhuǎn)換、人機對話、局部加工功能選擇、各種補償功能、CRT顯示、故障自診斷功能、與管理系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)通信功能。數(shù)控系統(tǒng)功能檔次可分為經(jīng)濟型(簡易型)、全功能普及型和全功能高級型。全功能高級型還可有MAP通信協(xié)議接口，具有計算機聯(lián)網(wǎng)和集成信息通信功能。4編程裝置數(shù)控機床程序編制(簡稱編程)方法有手工和自動編程。對于點位加工或形狀不太復雜的零件，編程計算較簡單，程序段不多，用手工即可實現(xiàn)。但對于復雜零件，特別是空間曲面零件，編程計算相當繁瑣，編程工作量大，必須采用自動編程方法。自動可分為離線編程和在線編程。與數(shù)控系統(tǒng)相脫

32、離單獨的自動編程系統(tǒng)實現(xiàn)離線編程，可為多臺數(shù)控機床，編程時不占用機床工作時間。自動編程系統(tǒng)與數(shù)控系統(tǒng)連在一起時，可進行在線編程。例如有的CNC裝置具有人機對話型編程功能，就是將離線編程機的許多功能移植到了數(shù)控系統(tǒng)。按輸入方式的不同，自動有語言輸入、圖形輸入和語音輸入三種方式。4.2微機控制系統(tǒng)硬件電路設計4控制系統(tǒng)的功能要求（1）z向和x向進給伺服運動控制（2）自動回轉(zhuǎn)刀架控制（3）螺紋加工控制（4）行程控制（5）鍵盤及顯示（6）面板管理（7）其他功能：光電隔離、功率放大、報警、急停、復位。4.3 單板機控制系統(tǒng)的設計4.3.1 硬件配置存貯器選用1片4K×8的2732EPROM和1

33、片8K×8位的6234RAM。監(jiān)控程序固化在2732EPROM內(nèi)，各功能模塊程序及常用零件的的加工存放在2732EPROM內(nèi)。1片6234RAM做為調(diào)試程序存放和運行程序的中間數(shù)據(jù)存放用。I/O接口芯片選用8155可編程I/O擴展接口，它的A口做為X、Y進給系統(tǒng)步進脈沖的輸出口，其中PA0PA2為X向的輸出口，PA3PA5為Y向輸出口。B口為為位控方式，其中PB4PB7為-Y、+Y、-X、+X的行程越位信號輸入。顯示由8位LED構成，具有24鍵的鍵盤。4.3.2 存貯器空間分配單板機可尋址范圍是64K字節(jié)，板上提供的插座占16K，已插入的芯片占10K，其余以備擴展使用。其存貯空間分配

34、如下。0000H07FFH 2KB EPROM 放監(jiān)控程序0800H0FFFH 2KB EPROM 放零件加工程序1000H17FFH 2KB RAM 調(diào)試程序2000H27FFH 2KB RAM 測試程序等4.3.3 I/O口地址分配單板機設置I/O口地址為809FH共32個口地址，分配如下。80H83H MCS51 803184H87H 字形鎖存88H8BH 字位鎖存8CH8FH 讀鍵值90H9FH 用戶使用4.3.4.光電隔離電路在步進電機驅(qū)動電路中，脈沖信號經(jīng)功率放大器后控制步進電機勵磁繞組。由于步進電機需要的驅(qū)動電壓較高，電流較大，如果將輸出信號與功率放大器直接相聯(lián)，將會引起強電干擾

35、。輕則影響計算機程序的正常工作，重則導致計算機和接口電路損壞。所以一般在接口電路功率放大器之間都要接上隔離電路。4.4存儲器擴展電路設計4.4.1 程序存儲器的擴展(1)MCS-51系列單片機的特點之一是硬件電路設計簡單，系統(tǒng)結構緊湊。對于簡單的應用場合，MCS-51系列的最小系統(tǒng)用一片8031外擴一片EPROM就能滿足功能的要求，對于復雜的應用場合，可利用MCS-51的擴展功能，構成功能強、規(guī)模較大的系統(tǒng)。MCS-51的程序存儲器的尋址空間為64K字節(jié)，8031片內(nèi)不帶ROM，用作程序存儲器的器件是EPROM。常用的半導體ROM芯片有：2716、2732、2764、27218、27256、2

36、7512等。2764、27218、27256、27512芯片均為8腳雙列直插式扁平封裝芯片，本設計中采用兩片2764，其引腳如下圖：(2)ROM芯片及引腳的選擇選擇2764（8K×8）半導體芯片。晶體頻率選用6MHz，其所能提供的讀取時間t小于480ms，故其芯片在時序上滿足要求。2764芯片的引腳排列與兼容特性如下圖：(3)地址鎖存器的設計與選擇由于單片機8031芯片的口是分時傳送低8位地址線和數(shù)據(jù)線，故8031擴展系統(tǒng)中一定要有地址鎖存器。選擇74LS373芯片。74LS373芯片是帶三態(tài)緩沖輸出的8D觸發(fā)器。其引腳及與8031芯片連接見下圖：其真值表見下表：EGDQLHHHLH

37、LLLLX注釋： L低電平；H高電平；X不定態(tài)；建立穩(wěn)態(tài)前Q的電平；G輸入端，與8031ALE 連高電平：暢通無阻；低電平：關門所存使能端，接地 當G=“1”時，74LS373輸出端1Q8Q與輸入端1D8D相同 當G為下降沿 時，將輸入數(shù)據(jù)鎖存。（4）8031與EPROM2764芯片連接。4.5譯碼電路設計 8031單片機允許擴展64K程序存儲器和64K數(shù)據(jù)存儲器（包括I/O口芯片），這就需要擴展多個外圍芯片，因而需要把外部地址空間分配給這些芯片，并且使程序存儲器各芯片之間、數(shù)據(jù)存儲器各芯片之間地址互相不重疊，以使單片機訪問外部存儲器時，避免發(fā)生沖突。當8031數(shù)據(jù)總線分時地與各個外圍芯片進行

38、數(shù)據(jù)傳送時，首先要進行片選,而當片內(nèi)有許多單元時，還要進行片內(nèi)地址選擇。由于系統(tǒng)容量較大，擴展的外圍芯片較多，芯片所需的片選信號多于可利用的地址線，所以用全地址譯碼的方法。采用74LS138譯碼器，其引腳圖如下：4.6其他輔助電路設計4.6.1 8031的時鐘電路單片機的時鐘的產(chǎn)生方式 8031的時鐘電路單片機的時鐘可以由兩種方式產(chǎn)生：內(nèi)部方式和外部方式。內(nèi)部方式利用芯片內(nèi)部振蕩電路，在XTAL1、XTAL2引腳上外接定時元件，如下圖所示。晶體可在1.2-12MHZ之間任選，耦合電容在5-30PF之間，對時鐘有微調(diào)作用。采用外部時鐘方式，可把直接接地，接外部時鐘源。4.6.2 復位電路單片機的

39、復位都是靠外部電路實現(xiàn)，在時鐘電路工作后，只要RESET引腳上出現(xiàn)10ms以上高電平單片機便實現(xiàn)狀態(tài)復位，以后單片機便從0000H單元開始執(zhí)行程序。單片機通常采用上電自動復位和按鈕復位兩種。下圖所示為上電與按鈕復位組合。在上電瞬間，RC電路充電，RESET引腳端出現(xiàn)正脈沖，只要RESET端保持10ms以上高電平，就能使單片機有效的復位。4.6.3 越界報警電路為了防止工作臺越界，可分別在極限位置安裝限位開關。如果是兩坐標聯(lián)動的數(shù)控系統(tǒng)，則有4個方向可能越界，即+X、-X、+Y、-Y。一旦某一方向越界，應立即停止工作臺移動。下圖為報警信號的產(chǎn)生，圖為報警指示。這里采用中斷方式，利用8031的外部

40、中斷，只要有任一個行程開關閉合，即工作臺在某一個方向越界，均能產(chǎn)生中斷信號。為了報警，設置紅綠燈指示，正常工作時綠燈指示，當越界報警時紅燈亮。兩燈均由一個I/O口輸出。4.6.4 掉電保護電路半導體存儲器RAM最怕掉電，一掉電里面存儲的信息就全部丟失。在工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境惡劣，掉電時難免的，能不能在掉電的情況下，保持RAM中的信息呢？掉電保護電路就是為了解決此目的而設計的。數(shù)控機床加工過程中，一些重要的現(xiàn)場參數(shù)，如幾何尺寸，工藝參數(shù)等都是存儲在RAM中，一旦掉電，數(shù)據(jù)能妥善保存，恢復供電后又能馬上運行。下圖所示為一簡單掉電保護電路的工作原理，圖中為電源電壓，為備用電池電壓，并且，為存儲器RAM的電源

41、端，正常通電時，二極管導通，截止， RAM的工作電壓由提供，同時，還通過電阻R對電池充電。斷電后，截止，導通，此時RAM的工作電壓由電池電壓由電池經(jīng)二極管和電阻R供給，值一般取>3V時，存儲器就能可靠的保持信息。第五章安裝調(diào)整中應注意的問題5.1滾珠絲杠螺母副的選擇滾珠絲杠螺母副的制造精度要求高，加工工藝比較復雜。因此在進行設備改造時，要按廠家生產(chǎn)標準進行選擇。選擇合適后再決定被改造設備的其他相關部分的結構和尺寸。5.2滾珠絲杠螺母副的調(diào)整利用螺母的間隙調(diào)整裝置調(diào)整絲杠副間隙時，應使調(diào)整后產(chǎn)生的預緊力為絲杠副最大負載的1 / 3為宜。在實際調(diào)整中，可以把車床處于最大工作負載，使絲杠內(nèi)部仍不產(chǎn)生間隙或者間隙量小于，而且運轉(zhuǎn)靈活，并以此作為螺母間隙調(diào)整裝置預緊的判斷標準。5.3聯(lián)軸器的安裝傳動絲杠軸線上各聯(lián)軸套上的錐銷孔座按十字分布方式進行配做。這是因為同一聯(lián)軸套上分布的錐孔都由同一方向加工時會引起軸線的直線度誤差增大，從而使安裝在絲杠上各零件間的同軸度誤差增大，產(chǎn)生傳動附加載荷，影響絲杠副的傳動性能。5.4主軸脈沖發(fā)生器的安裝主軸脈沖發(fā)生器的的引出軸按比例1：1無間隙柔性連接傳動，連接后應保證兩者都有很好的同步性，安裝中要注意主軸脈沖發(fā)生器是玻璃件，不能隨意敲打碰撞，使用中車床主軸轉(zhuǎn)速不能超過脈沖發(fā)生器的最高許用轉(zhuǎn)速。第六章 結束語隨著微電子技術的發(fā)