车床的数控改造论文

课 题： 车床的数控改造 床的数控改造 摘 要 随着科学技术的发展，一些高科技产品的出现及产品的大规模生产。普通车床已无法满足需要，对数控机床的需求空前提高，但购买新的数控机床特别是大型数控机床费用很高，常使许多用户望而怯步，特别是像我国这样的发展中国家资金有限。为了满足需求我们对普通的车床进行数控化改造。经过近几年的努力探索，经验告诉我们，对老机床实施数控化 改造，不仅实用性能良好、周期短，而且可以节约大量资金。被改造的机床越大，所节约的资金也越多。 本文主要论述了普通车床改造的项目、步骤和需要进行改造的主要部件。重点讨论了床的主轴系统、进给系统、丝杠、刀架以及导轨的改造。 关键词：数控机床 数控改造 目 录 摘要 . . 数控车床的简介 控机床的 概 述 .控机床的工作原理 .控机床的发展趋势 .数控机床的改造概述 控机床改造的必要性 .控改造的步骤 .控系统的选择 .控改造中主要机械部件改装探讨 . 床的数控改造 基本情况 . 控 系统 改造 传动系统的改造 . 进给系统的改造 . 刀架的改造 . 常见故障及排除方法 .谢 .考文献 . . 数控车床的简介 控机床的概述 数控机床 （ 采用数字化信号，通过可编程的自动控制工作方式，实现对设备运行及其加工过程产生的位置、角度、速度、力等信号进行控制的新型自动化机床。数控机床的计算机信息处理及控制的内容主要包括：基本的数控数据输入输 出、直线和圆弧插补运算、刀具补偿、间隙补偿、螺距误差补偿和位置伺服控制等。一些先进的数控机床甚至还具有某些智能的功能，如螺旋线插补、刀具监控、在线测量、自适应控制、故障诊断、软键（ 单、会话型编程、图形仿真等。数控机床的大部分功能对实时性要求很强，信息处理量也较大，因此许多数控机床都采用多微处理器数控方式。 一般数控机床通常是指 数控车床 、数控 铣床 、数控镗铣床等，它们的下述特点对其组成自动化制造系统是非常重要的。 1、柔性高 数控机床按照数控程序加工零件，当加工零件改变时， 般只需要更换数控程序和配备所需的刀具，不需要靠模、样板、钻镗模等专用工艺装备。数控机床可以很快地从加工一种零件转变为加工另一种零件，生产准备周期短，适合于多品种小批量 生产。 2、自动化程度高 数控程序是数控机床加工零件所需的几何信息和工艺信息的集合。几何信息有走刀路径、插补参数、刀具长度和半径补偿；工艺信息有刀具、主轴转速、进给速度、冷却液开 /关等。在切削加工过程中，自动实现刀具和工件的相对运动，自动变换切削速度和进给速度，自动开 /关冷却液，数控 车床 自动转位换刀。操作者的任务是装卸工件、换刀 、操作按键、监视加工过程等。 3、加工精度高、质量稳定 现代数控机床装备有 控装置和新型伺服系统，具有很高的控制精度，普遍达到 1 精度数控机床可达到 0.2 m。数控机床的进给伺服系统采用闭环或半闭环控制，对反向间隙和丝杠螺距误差以及刀具磨损进行补偿，因而数控机床能达到较高的加工精度。对中小型数控机床，定位精度普遍可达到 复定位精度可达到 控机床的传动系统和机床结构都具有很高的刚度和稳定性，制造精度也比 普通机床 高。当数控机床有3 5 轴联动功能时，可加工各种复杂曲面，并能获得较高精度。由于按照数控程序自动加工，避免了人为的操作误差，因而同一批加工零件的尺寸一致性好，加工质量稳定。 4、生产效率较高 零件加工时间由机动时间和辅助时间组成，数控机床加工的机动时间和辅助时间比普通机床明显减少。数控机床主轴转速范围和进给速度范围比普通机床大，主轴转速范围通常在 10 6000r/速 切削加工时可达 15000r/给速度范围上限可达到 10 12m/速切削加工进给速度甚至超过 30m /速移动速度超过 30 60m/运动和进给运动一般为无级变速，每道工序都能选用最有利的切削用量，空行程时间明显减少。数控机床的主轴电动机和进给驱动电动机的驱动能力比同规格的普通机床大，机床的结构刚度高，有的数控机床能进行强力切削，有效地减少机动时间。 5、具有刀具寿命管理功能 构成 数控机床具有刀具寿命管理功能，可对每把刀的切削时间进行统计，当达到给定的刀 具耐用度时，自动换下磨损刀具，并换上备用刀具。 6、具有通信功能 现代数控机床一般都具有通信接口，可以实现上层计算机与数控机床之间的通信，也可以实现几台数控机床之间的数据通信，同时还可以直接对几台数控机床进行控制。通信功能是实现 必备条件。 图纸编程 介质 入输 入存储器控制器执行机构 坐标系伺服系统辅助控制1 2 3445876图 1 数控装置的基本组成框图 图 1 是数控装置的基本组成框图，其中 1 为加工零件的图样，作为数控装置工作的原始数据， 2 为程序编制部分， 3 为控制介质，也称为信息载体，通常用穿孔纸带、磁带、软磁盘或光盘作为记载控制指令的介质。控制介质上存储了 加工零件所需要的全部操作信息，是 数控系统 用来指挥和控制设备进行加工运动的唯一指令信息。但在现代 统中，可不经控制介质，而是将计算机辅助设计的 结果及自动编制的程序加以后置处理，直接输入数控装置。 图 1 中的 4 为数控系统，它是数控机床的核心环节。数控系统的作用是按接收介质输入的信息，经处理运算后去控制机床运行。按数控系统的软硬件构成特征来分类，可分为硬线数控与软线数控。传统的数控系统（即系统的核心数字控制装置）是由各种逻辑元件、记忆元件组成的随机逻辑电路，是采用固定接线的硬件结构，数控功能是由硬件来实现的，这类数控系统称之为硬件数控。 数控系统的工作本体是加工运动的实际执行部件，主要包括主运动部件、进给运动执行部件、工作台及床身立柱等支撑部件，此 外还有冷却、润滑、转位和夹紧等辅助装置，存放刀具的刀架、刀库或交换刀具的自动换刀机构等。对工作本体的要求是，应有足够的刚度和抗振性，要有足够的精度，热变形小，传动系统结构要简单，便于实现自动控制。 控机床的工作原理 数控机床的 工作原理是数控装置内的计算机对以数字和字符编码方式所记录的信息进行一系列处理后，向机床进给等执行机构发出命令，执行机构则按其命令对加工所需各种动作，如刀具相对于工件的运动轨迹、位移量和速度等实现自动控制，从而完成工件的加工。 控机床的发展趋势 为了满足市场和科学 技术发展的需要，为了达到现代制造技术对数控技术提出的更高的要求，数控未来仍然继续向开放式、基于 第六代方向、高速化和高精度化、智能化等方向发展。 1、开放式 为适应数控进线、联网、普及型个性化、多品种、小批量、柔性化及数控迅速发展的要求，最重要的发展趋势是体系结构的开放性，设计生产开放式的数控系统，例如美国、欧共体及日本发展开放式数控的计划等。 2、基于 第六代方向 基于 具有的开放性、低成本、软硬件资源丰富等特点，更多的数控系统生产厂家会走上这条道路。至少采用 作为它的前端机，来处 理人机界面、编程、联网通信等问题，由原有的系统承担数控的任务。 所具有的友好的人机界面，将普及到所有的数控系统。远程通讯，远程诊断和维修将更加普遍。 3、高速化、高效化 机床向高速化方向发展，可充分发挥现代刀具材料的性能，不但可大幅度提高加工效率、降低加工成本，而且还可提高零件的表面加工质量和精度。超高速加工技术对制造业实现高效、优质、低成本生产有广泛的适用性。 4、高精度化 精密化是为了适应高新技术发展的需要，也是为了提高普通机电产品的性能、质量和可靠性，减少其装配时的工作量从而提高装配效率的需 要。从精密加工发展到超精密加工（特高精度加工），是世界各工业强国致力发展的方向。其精度从微米级到亚微米级，乃至纳米级（ 10其应用范围日趋广泛。超精密加工主要包括超精密切削（车、铣）、超精密磨削、超精密研磨抛光以及超精密特种加工（三束加工及微细电火花加工、微细电解加工和各种复合加工等）。随着现代科学技术的发展，对超精密加工技术不断提出了新的要求。新材料及新零件的出现，更高精度要求的提出等都需要超精密加工工艺，发展新型超精密加工机床，完善现代超精密加工技术，以适应现代科技的发展。 随着高新技术的发展 和对机电产品性能与质量要求的提高，机床用户对机床加工精度的要求也越来越高。为了满足用户的需要，近 10 多年来，普通级数控机床的加工精度已由10m 提高到 5m ，精密级加工中心的加工精度则从 35m ，提高到 1 5、高可靠性 数控系统的可靠性要高于被控设备的可靠性在一个数量级以上，但也不是可靠性越高越好，仍然是适度可靠，因为是商品，受性能价格比的约束。对于每天工作两班的无人工厂而言，如果要求在 16 小时内连续正常工作，无故障率 P(t) 99%以上的话，则数控机床的平均无故障运行时间 必须大于 3000 小时。 于 3000 小时，对于由不同数量的数控机床构成的无人化工厂差别就大多了，我们只对一台数控机床而言，如主机与数控系统的失效率之比为 10： 1 的话（数控的可靠比主机高一个数量级）。此时数控系统的 要大于 时，而其中的数控装置、主轴及驱动等的 必须大于 10 万小时。 6、智能化 随着人工智能在计算机领域的不断渗透和发展，数控系统的智能化程度将不断提高，智能化的内容包括在数控系统中的各个方面。 （ 1）应用自适应控制技术 （ 2）引入专家系统指导加工 （ 3）引入故障诊断专家系统 （ 4）智能化数字伺服驱动装置 综上所述，由于数控机床不断采纳科学技术发展中的各种新技术，使得其功能日趋完善，数控技术在机械加工中的地位也显得越来越重要，数控机床的广泛应用是现代制造业发展的必然趋势。 2数控机床的改造概述 控机床改造的必要性 1 微观看改造的必要性 微观上看，数控机床比传统机床有以下突出的优越性，而且这些优越性均来自数控系统所包含的计算机的威力。 可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。 由于计算机有高超的运 算能力，可以瞬时准确地计算出每个坐标轴瞬时应该运动的运动量，因此可以复合成复杂的曲线或曲面。 可以实现加工的自动化，而且是柔性自动化，从而效率可比传统机床提高 3 7 倍。 由于计算机有记忆和存储能力，可以将输入的程序记住和存储下来，然后按程序规定的顺序自动去执行，从而实现自动化。数控机床只要更换一个程序，就可实现另一工件加工的自动化，从而使单件和小批生产得以自动化，故被称为实现了“柔性自动化”。 加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要“修配”。 可实现多工序的集 中，减少零件 在机床间的频繁搬运。 拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，因而可实现长时间无人看管加工。 由以上五条派生的好处。如：降低了工人的劳动强度，节省了劳动力（一个人可以看管多台机床），减少了工装，缩短了新产品试制周期和生产周期，可对市场需求作出快速反应等等。 以上这些优越性是前人想象不到的，是一个极为重大的突破。此外，机床数控化还是推行 性制造单元）、 性制造系统）以及 算机集成制造系统）等企业信息化改造的基础。数控技术已经成为制造业自动 化的核心技术和基础技术。 2 宏观看改造的必要性 宏观上看，工业发达国家的军、民机械工业，在 70 年代末、 80 年代初已开始大规模应用数控机床。其本质是，采用信息技术对传统产业（包括军、民机械工业）进行技术改造。除在制造过程中采用数控机床、 ，还包括在产品开发中推行 拟制造以及在生产管理中推行 理信息系统）、 等。以及在其生产的产品中增加信息技术，包括人工智能等的含量。由于采用信息技术对国外军、民机械工业进行深入改造（称之为信息化），最终使得他们 的产品在国际军品和民品的市场上竞争力大为增强。而我们在信息技术改造传统产业方面比发达国家约落后 20 年。如我国机床拥有量中，数控机床的比重（数控化率）到 1995 年只有 而日本在 1994 年已达 因此每年都有大量机电产品进口。这也就从宏观上说明了机床数控化改造的必要性。 控改造的步骤 数控改造主要步骤 (1) 改造方案的确定 改造的可行性分析通过以后，就可以针对某台或某几台机床的现况确定改造方案，一般包括： 机械修理与电气改造相结合 先易后难、先 局部后全局 根据使用条件选择系统 落实参与改造人员和责任 改造范围与周期的确定 改造的技术准备 改造前的技术准备充分与否，很大程度上决定着改造能否取得成功。技术准备包括： a. 机械部分准备 为配合电气改造而需进行的机械大修改造的测量、计算、设计、绘图、零件制作等应先期完成。同时对停机后需拆、改、加工的部分等应事先规划完毕，提出明确要求，与整个改造工作衔接得当。 b. 新系统电气资料消化 新系统有许多新功能、新要求、新技术，因此改造 前应熟悉技术资料，包括系统原理说明、线路图、 形图及文本、安装调试说明、使用手册、编程手册等。要有充裕的时间来对上述资料进行翻译 (进口系统 )、消化、整理、核对，做到思路清晰，层次分明。 c. 新旧系统接口的转换设计 根据每台设备改造范围不同，需事先设计接口部分转换，若全部改造的，应设计机电转换接口、操作面板控制与配置、互联部分接点、参数测量点、维修位置等，要求操作与维修方便、合理，线路走向通顺、中小连接点少，强弱电干扰最小，备有适当裕量等。局部改造的，还需要考虑新旧系统的性能匹配、电压极性与 大小变换、安装位置、数模转换等，必要时需自行制作转换接口。 d. 操作、编程人员的技术培训 机床电气系统改造后，必然对操作、编程人员带来新的要求。因此提前对操作人员和编程人员进行新系统知识培训十分重要，否则将影响改造后的机床迅速投入生产。培训内容一般应包括新的操作面板配置、功能、指示含义；新系统的功能范围、使用方法及与旧系统的差别；维护保养要求；编程标准与自动化编程等等。重点是弄懂、弄通操作说明书和编程说明书。 e. 调试步骤与验收标准的确定 新的电气系统改造完以后，怎样进行调试以及确定合理的验收标准，也是技术准备工作的重要一环。调试工作涉及机械、液压、电气、控制、传感等，因此必须由项目负责人进行，其它人员配合。调试步骤可从简到繁，从小到大，从外到里进行，也可先局部后全局，先子系统后整系统进行。验收标准是对新系统的考核，制定时必须实事求是，过高或过低的标准都会对改造工作产生负面影响。标准一旦确定下来，不能轻易修改，因为它牵涉到整个改造工作的各个环节。 (2) 改造的实施 准备工作就绪后，即可进入改造的实施阶段。实施阶段内容按时间顺序分为： a. 原机床的全面保养 机床经长期使用后，会不同程度地在机械、液压、润滑、清洁等方面存在缺陷，所以首先要进行全面保养。其次，应对机床作一次改前的几何精度、尺寸精度测量，记录在案。这样既可对改造工作起指导参考作用，又可在改造结束时作对比分析用。 b. 保留的电气部分最佳化调整 若对电气系统作局部改造，则应对保留电气部分进行保养和最佳化调整。如强电部分的零件更换，电机的保养，变压器的烘干绝缘，污染的清洁，通风冷却装置的清洗，伺服驱动装置的最佳化调整，老化电线电缆的更新，连接件的紧固等等。只有对保留的电气部分做好过细的最佳化调 整工作，才能保证改造后的机床有较低的故障率。 c. 原系统拆除 原系统的拆除必须对照原图纸，仔细进行，及时在图纸上作出标记，防止遗漏或过拆 (局部改造情况下 )。在拆的过程中也会发现一些新系统设计中的欠缺之处，应及时补充与修正，拆下的系统及零件应分门别类，妥善保管，以备万一改造不成功或局部失败时恢复使用。还有一定使用价值的，可作其他机床备件用。切忌大手大脚，乱扔乱放。 d. 合理安排新系统位置及布线 根据新系统设计图纸，合理进行新系统配置，包括箱体固定、面板安放、线路走向和固定、调整元器件位 置、密封及必要装饰等。连线工作必须分工明确，有人复查检验，以确保连线工艺规范、线径合适、正确无误、可靠美观。 e. 调试 调试必须按事先确定的步骤和要求进行。调试人员应头脑冷静，随时记录，以便发现和解决问题。调试中首先试安全保护系统灵敏度，防止人身、设备事故发生。调试现场必须清理干净，无多余物品；各运动坐标拖板处于全行程中心位置；能空载试验的，先空载后加载；能模拟试验的，先模拟后实动；能手动的，先手动后自动。 控系统的选择 数控系统主要有三种类型，改造时，应根据具体情况进行选择。 (1) 步进电机拖动的开环系统 该系统的伺服驱动装置主要是步进电机、功率步进电机、电液脉冲马达等。由数控系统送出的进给指令脉冲，经驱动电路控制和功率放大后，使步进电机转动，通过齿轮副与滚珠丝杠副驱动执行部件。只要控制指令脉冲的数量、频率以及通电顺序，便可控制执行部件运动的位移量、速度和运动方向。这种系统不需要将所测得的实际位置和速度反馈到输入端，故称之为开环系统，该系统的位移精度主要决定于步进电机的角位移精度，齿轮丝杠等传动元件的节距精度，所以系统的位移精度较低。该系统结构简单，调试维修方便，工作可靠 ，成本低，易改装成功。 (2) 异步电动机或直流电机拖动，光栅测量反馈的闭环数控系统 该系统与开环系统的区别是：由光栅、感应同步器等位置检测装置测得的实际位置反馈信号，随时与给定值进行比较，将两者的差值放大和变换，驱动执行机构，以给定的速度向着消除偏差的方向运动，直到给定位置与反馈的实际位置的差值等于零为止。闭环进给系统在结构上比开环进给系统复杂，成本也高，对环境室温要求严。设计和调试都比开环系统难。但是可以获得比开环进给系统更高的精度，更快的速度，驱动功率更大的特性指标。可根据产品技术要求 ，决定是否采用这种系统。 (3) 交 /直流伺服电机拖动，编码器反馈的半闭环数控系统 半闭环系统检测元件安装在中间传动件上，间接测量执行部件的位置。它只能补偿系统环路内部部分元件的误差，因此，它的精度比闭环系统的精度低，但是它的结构与调试都较闭环系统简单。在将角位移检测元件与速度检测元件和伺服电机作成一个整体时则无需考虑位置检测装置的安装问题。 选择数控系统时主要是根据数控改造后机床要达到的各种精度、驱动电机的功率和用户的要求。 控改造中主要机械部件改装探讨 一台新的数控机床，在设 计上要达到：有高的静动态刚度；运动副之间的摩擦系数小，传动无间隙；功率大；便于操作和维修。机床数控改造时应尽量达到上述要求。不能认为将数控装置与普通机床连接在一起就达到了数控机床的要求，还应对主要部件进行相应的改造使其达到一定的设计要求，才能获得预期的改造目的。 (1) 滑动导轨副 对数控车床来说，导轨除应具有普通车床导向精度和工艺性外，还要有良好的耐摩擦、磨损特性，并减少因摩擦阻力而致死区。同时要有足够的刚度，以减少导轨变形对加工精度的影响，要有合理的导轨防护和润滑。 (2) 齿轮副 一般机床的齿轮主要集中在主轴箱和变速箱中。为了保证传动精度，数控机床上使用的齿轮精度等级都比普通机床高。在结构上要能达到无间隙传动，因而改造时，机床主要齿轮必须满足数控机床的要求，以保证机床加工精度。 (3) 滑动丝杠与滚珠丝杠 丝杠传动直接关系到传动链精度。丝杠的选用主要取决于加工件的精度要求和拖动扭矩要求。被加工件精度要求不高时可采用滑动丝杠，但应检查原丝杠磨损情况，如螺距误差及螺距累计误差以及相配螺母间隙。一般情况滑动丝杠应不低于 6 级，螺母间隙过大则更换螺母。采用滑动丝杠相对 滚珠丝杠价格较低，但难以满足精度较高的零件加工。 滚珠丝杠摩擦损失小，效率高，其传动效率可在 90%以上；精度高，寿命长；启动力矩和运动时力矩相接近，可以降低电机启动力矩。因此可满足较高精度零件加工要求。 (5) 安全防护 改造效果必须以安全为前提。在机床改造中要根据实际情况采取相应的措施，切不可忽视。滚珠丝杠副是精密元件，工作时要严防灰尘特别是切屑及硬砂粒进入滚道。在纵向丝杠上也可加整体铁板防护罩。大拖板与滑动导轨接触的两端面要密封好，绝对防止硬质颗粒状的异物进入滑动面损伤导轨。 3 床的数控改造 基本情况 表 通车床的技术资料 产品名称 普通车床 产品型号 品规格 4001000 产品描述 本系列车床适用于车削内外圆柱面，内锥面及其它旋转面。车削各种公制、英制、模数和径节螺纹 ，并能进行钻孔和拉油槽等工作。 结构特点： 列产品，以 “A” 型为基型，派生出几种变形产品。 B 型：主轴孔径 80 型：主轴孔径 104F 型：液压仿形。 M 型：精密型。 有较高的刚度，导轨面经中频淬火，经久耐磨。 板设有快移机构。采用单手柄形象化操作，宜人性好。 率利用率高，适于强力高速切削。主轴孔径大，可选用附件齐全 技术参数 项目 单位 规格 床身上最大回转直径 00 最大工件长度（二顶尖间距离） 000 最大车削长度 (最大加工长度 ) 00 刀架上回转直径 10 主轴中心至床身平面导轨距离 05 主轴通孔直径 2 主轴孔前端锥度 莫氏 莫氏圆锥 6 号 主轴头形式 - 轴转速级数 - 正转 24；反转 12 主轴转速范围 r/转 110120反转140 0纵向进给范围种类 - 64 纵向进给范围 mm/r 向进给范围 - 向进给范围 - 向进给范围种类 - 64 横向进给范围 mm/r 向进给范围 - 向进给范围 - 架纵向的快移速度 m/ 刀架横向的快移速度 m/ 上 /下刀架最大行程（小刀架移动行程 /横刀架行程） 40/320 刀架转盘回转角度 - 90 刀杆 截面尺寸 (四方刀架刀杆截面 ) 525 主轴中心线至刀具支承面距离 6 床尾主轴直径（尾座套筒直径） 5 床尾主轴孔锥度(尾座套筒锥孔锥度 ) - 莫氏圆锥 5 号 床尾主轴最大行程 50 机床丝杠螺距 2 加工公制螺纹范围及种数 4 种； 1工英制螺纹范围及种数 牙 /寸（ 21 种； 2工模数螺纹范围及种数 9 种； 工径节螺纹范围及种数 7 种； 1身导轨宽度 (导轨跨度 ) 00 床身导轨硬度 电机功率 床净重 070 机床毛重 750 机床轮廓尺寸（长 宽 高） 66810001267 机床包装尺寸（长 宽 高） 85015202010 加工精度 - 面光洁度 m 华中 数控机床的价格主要由数控系统来决定，数控系统从功能上可分为低中高三档，中高档系统（如 2中 2能齐全，性能优良，但价格偏高。结合实际，从实用角度出发，应选择华中 21系统采用先进的开放式体系结构，内置嵌入式工业 置 成进给轴接口、主轴接口、手持单元接口、内嵌式 持硬盘、电子盘等程序存储方式及软驱、 太网等程序交换功能，具有低价格、高性能、配置灵活、结构紧凑、易于使用可靠性高的特点，编程格式符合 轴动态坐标，具有自动加工、 自动换刀、车螺纹和 教学、生产两用型的数控系统。 华中数控 介绍 床数控系统可与各种数控车床和车削中心配套。该系统在控制精度、运算速度和图形界面等方面均有很强的功能，其编程、加工操作方便。 华中数控的技术特点 1基于通用工业微机的开放式体系结构 华中数控系统采用工业微机作为硬件平台，使得系统硬件可靠性得到保证。由于与通用微机兼容，能充分利用 、硬件的丰富资源，使得华中数控系统的使用、维护、升级和二次开发非常方便。 2. 先进的控制软件技术和独创的曲面插 补算法 华中数控以软件创新，用单 现了国外多 构的高档系统的功能。可进行多轴多通道控制，其联动轴数可达到 9 轴。国际首创的多轴曲面插补技术能完成多轴曲面轮廓的直接插补控制，可实现高速、高精和高效的曲面加工。 3. 友好的用户界面 华中数控系统采用汉字菜单操作，并提供在线帮助功能和良好的用户界面。系统提供宏程序功能，具有形象直观三维图形仿真校验和动态跟踪，使用操作十分方便。 4. 完整的系统配套功能 公司除生产各类数控系统外，还具有全系列的交流伺服驱动单元、伺服电机、主轴电机的生产能力，同时 在 术等方面也处于国内前列，是国内综合配套能力较强的单位。 综上所述，华中数控系统具有高性能、低价位、易使用、高质量、多品种、易开发的特点 。 需要购买的元器件清单 序号 代号 名称 型号、规格 数量 +1制变 压器 50W R 型 1 +0/005 开关 电源 145W +数控 装置 +软驱 单元 件和线缆） 1 +气 开关 +气 开关 +气 开关 +气 开关 +流接触器 （ 220V 9A） 1 +流接触器 （ 220V 9A） 1 +进 电机 57进给 1 +进 电机 进给 +进驱动模块 采用相同功能的驱动模块 1 +服驱动模块 +入板 +出板 +电阻 W 2K 1 +电阻 W 510 欧 1 +变频器 6 作台 杆型接线柱 3310（ 色） 15 杆型接线柱 3310（ 色） 33 +相异步电机 55极 1 +动 刀架 625 1 套 + 限位 开关 + 限位 开关 +子排 +地排 84*3010 孔） 1 电缆线 *m 电缆线 *蔽线 5*蔽线 *6*蔽线 *8*蔽线 * 屏蔽线 *蔽线 0*m 屏蔽线 *4*主传动系统的改造 保留原机床的主轴手动变速。改造后使其主运动和进给运动分离 , 主电机的作用仅为带动主轴旋转。加工螺纹或丝杠时 , 为保证主轴每转一转 , 刀具准确移动一个导程 , 须配 置主轴脉冲发生器作为主轴位置信号的反馈元件。脉冲发生器采用同轴安装 , 橡胶管柔性联接 , 意在实现角位移信号传递的同时 , 又能吸收车床主轴的部分振动 , 从而使主轴脉冲发生器转动平稳 ,传递信号准确。其联接方式如图 2。 图 2 主轴脉冲发生器联接图 主轴脉冲发生器安装时须注意 : 小心轻放 , 不能有较大的冲击和振动 , 以防损坏光栅盘。 车床主轴的转速必须小于主轴脉冲发生器的最高允许转速 , 以免损坏脉冲发生器。 采用步进电机） 1 步进电机驱动的基本原理 步进电机的细分功能采用数 模转换技术，用阶梯波驱动代替传统的方波驱动，使电机能以微步距 “连续运动 ”。具体办法一般为：微处理器接收步进信号的输入，经内部识别处理后，查表得到电机的驱动电流大小。并将这个数值与当前步进电机的工作电流比较，满足条件电流通，不满足则断。由此得到用来控制步进电机细分的正弦波阶梯电流信号，经驱动系统的驱动，使步进电机的相电流按近似正弦波的波形变化，使得电机平稳运转 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（称为 “步距角 ”），它的旋 转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差（精度为 100%）的特点，广泛应用于各种开环控制。 现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（ 永磁式步进电机（ 混合式步进电机（ 单相式步进电机等。 永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为 或 15 度；反应式步进电机一般为三相，可实现大转 矩输出，步进角一般为 ，但噪声和振动都很大。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。 混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为 而五相步进角一般为 。这种步进电机的应用最为广泛，也是本次细分驱动方案所选用的步进电机。 步进电机的一些基本参数：电机固有步距角：它表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。电机出厂时给出了一个步距角的值，如 86电机给出的值为 表示半步工作时为 整步工作时为 ，这个步距角可以称之为 电机固有步距角 ，它不一定是电机实际工作时的真正步距角，真正的步距角和驱动器有关。 步进电机的相数：是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为 三相的为 五相的为 户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求。如果使用细分驱动器，则 相数 将变得没有意义，用户 只需在驱动器上改变细分数，就可以改变步距角。 保持转矩（ 是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。比如，当人们说 步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为 步进电机。 指步进电机没有通电的情况下，定子锁住转子的力 矩。在国内没有统一的翻译方式，容易使大家产生误解；由于反应式步进电机的转子不是永磁材料，所以它没有 且不累积。 步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏 130 度以上，有的甚至高达摄氏 200 度以上，所以步进电机外表温度在 摄氏80完全正常。 当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。 若高于一定速度就无法启动，并伴有啸叫声。 步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达 到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。 步进电动机以其显著的特点，在数字化制造时代发挥着重大的用途。伴随着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高，步进电机将会在更多的领域得到应用 纵横向进给系统介绍 原机床挂轮机构、进给箱、溜板箱、滑动丝杠 ,光杠等全部拆除 , 纵、横向以步进电机作为驱动元件 ,经一级齿轮减速转矩增大后 , 由滚珠丝杠传动。 纵向进给机构。纵向电机为 57步距角 013。滚珠丝杠仍利用原丝杠位 置 , 其螺母副通过托架安装在床鞍底部 , 滚珠丝杠两端加装接套、接杆及支承 , 与床身尾部步进电机相联接。步进电机经减速后 , 减速器输出轴用套筒联轴器与丝杠直接联接 , 其结构见图 3。这种联轴器用两个互相垂直的锥销将输出轴与丝杠联接起来 , 结构简单 ,径向尺寸小 , 可防止被联接轴的位移和偏斜所带来装配困难和附加应力。 图 3 纵向步进电机联接图 横向进给机构。横向步进电机为 步距角 0145。 在原支承部位安装滚珠丝杠螺母副后 , 步进电机及减速器安装在横向溜板后方。 （四工位 自动刀架的原理与组成） 一、机械系统与结构 自动刀架机械系统的结构主要由蜗轮刀架 ， 座刀架体、鼠牙盘、粗定位销、球头销、刀位传感器电刷等组成。蜗轮与丝杠为整体结构，刀架体内侧有内螺纹与丝杠配合，丝杠导程为 9下鼠牙盘采用渐开线齿形，大端模数为 2，齿数为 68，上鼠牙盘升高 4动刀架采用三相异步电动机驱动，经过蜗轮蜗杆传动得到所需转速。蜗轮蜗杆机构具有自锁性，可以避免刀架在切削加工过程中产生松动。刀架的升降采用丝杠螺母机构实现，蜗轮转 160度后鼠牙盘脱开，同 时球头销在弹簧力作用下压入转位套的槽口中，使刀架与蜗轮一起转动而实现刀具转位。根据设计要求，电动机反转时刀架下落并加紧，但不能反转，故采用了粗定位销。 二 、刀架位置检测系统 刀架位置采用接触式码盘作为传感器进行检测，刀架夹紧是否到位采用位置开关检测。接触式码盘是一种绝对式检测装置，可直接把被测转角位置用数字代码表示出来。接触式码盘的特点是体积小，输出功率大。该接触式码盘有两个电刷 电刷电位的高低组合可以测出刀架的四个刀位。 三 、控制系统硬件电路 由于刀架控制系统比较简单， 故采用了 1系列单片机 8031进行控制。该单片机性能价格比高、控制功能强、功耗低、可靠性高、开发技术成熟。由于刀架控制软件比较小，中间运算结果很少，因此分配好 8031单片机内部 128需要再扩展片外随机存储器。 8031片内无只读存储器，为了存放系统控制软件必须扩展一片片外的764， 8此外控制系统从主计算机接收控制命令，还要接收若干外部开关量输入信号，输出刀架电动机正反转的控制信号等，仅 8031单片机的 统扩展了一片可编程并行接口芯片 8255。刀架控制系统硬件电路主要由 8031单片机、 742764可擦除 255可编程并行接口等四片芯片构成。开关量输入 /输出电路均采用了光电耦合器。显然自动刀架控制系统有三种复位方式，即上电复位 (利用 间常数为 T=100按键复位和主计算机控制复位。 四 、控制系统软件 自动刀架控制系统软件用 8031的单片机汇编语言编写，共 102条指令，占用 263软件能实现手动或自动换刀，且手动换刀和自动换刀互锁。刀架位置检测和各种循环控制均 采用了查询式工作方式。 1控制软件的主要功能字 根据控制系统硬件电路， 2764000H1片选信号线 于常选通状态。可编程并行接口芯片 8255的 制口地址为 7制字为 10010010B。 8031单片机 1112138255的 0工 换刀指令、为 0166778800010203 102040 2控制软件流程 自动刀架控制系统软件的简化 流程 拆除原手动刀架和小拖板 , 安装由微机控制的四工位电动刀架。根据车床的型号及主轴中心高度 , 选用 625型四工位电动刀架。安装时 , 去掉车床小板 , 置刀架于中拖板上 , 卸掉电机风罩 , 逆时针方向转动电机 , 或转动轴承盖处之内六角螺孔 , 使刀架转动到 45左右时 , 装上螺钉 , 然后固定刀架即可。电动刀架的安装较为方便 , 安装时须注意以下两点 : 电动刀架的两侧面与原车床纵、横向的进给方向平行。 电动刀架与系统的连线在安装时应合理 , 以免加工时切屑、冷却液及其它杂物磕碰电动刀架连线。 5常见故障及排 除方法 出现故障 , 应首先判断机床控制系统正常与否 ,先检查程序、显示及其它功能键是否正常运行 , 其次检查步进电动机运转有无间歇或抖动现象 , 如无上述故障 , 可初步判定问题出在机械部分。 机械部分故障先检查各传动环节 , 可用手动功能或手动进给并配合打表来进行。若运行