毕业设计（论文）-CA6163车床数控化改造论文.doc

摘 要现代数控机床是未来工厂自动化的基础。旧机床数控化改造范围大、潜力大、投资少、见效快，已经成为适合我国国情，促进制造业技术进步的重要手段。因此，数控系统改造车床的研究具有重要意义。 本文在叙述了数控技术的历史、现状和发展的基础上，通过对旧机床的分析，结合机床改造的总体思想，提出了数控化改造的技术方案和新数控系统的选型配置方案;针对旧机床的要求，进行了传动系统的重新设计，提高了传动的精度，还进行了电气系统的设计和调试，主要包括硬件设计和电气控制软件设计:简单介绍了单片机系统，并用单片机设计了数控车床的电气控制电路；重新设计机床的控制逻辑，通过对伺服系统的分析，完成了机床各主要参数的优化和匹配。 本机床改造后将会展示出强大的功能、稳定的性能，将完全符合机床的技术规格和精度标准，加工出合格的零件，大大提高了车床的性能，是一次有益的尝试。 关键词：1.机床；2.改造；3.数控系统；4.单片机ICA6163 Lathe numerical control transformationAbstract Modern CNC machine tools is the foundation of the factory automation in the future.Large range of old machine tool numerical control transformation, potential big, less investment, quick effect, has become suitable for Chinas national conditions, promote the technical progress in the manufacturing industry of the important means. Therefore, the lathe numerical control system modification research is of great significance.Described in this article in the numerical control technology on the basis of the history, current situation and development through the analysis of the old machine, combination machine tool transformation of the overall thinking, puts forward the technology of numerical control transformation plan and the reconfiguration of the CNC system; To the need of old machine tool, has carried on the transmission system, improve the accuracy of the transmission, also has carried on the electrical system design and debugging, including hardware design and electric control software design: simple introduces the single-chip microcomputer system, numerical control lathe electrical control circuit and single-chip microcomputer; Redesign of the machine tool control logic, through the analysis of the servo system, completed the machines main parameters optimization and matching.This tool modification will be shown after the powerful function, stable performance, will be completely accords with the technical specification of machine tools and precision standard, the processing of qualified parts, greatly improve the performance of the lathe, is a beneficial attempt.Keywords:1.lathe; 2.transformation; 3.CNC system;4.single-chipI目 录1 绪论11.1 数控机床的产生和发展11.2 数控机床的发展趋势和研究方向21.2.1 高速度、高精度化31.2.2 多功能化41.2.3 智能化51.2.4 数控系统小型化61.2.5 数控编程自动化61.2.6 更高的可靠性61.3 机床数控化改造的必要性72 机床改造的任务及总体思想92.1 机床改造的总体任务92.2 系统总体方案设计92.2.1 系统运动方式确定92.2.2 执行机构及传动方案的确定92.2.3 伺服系统的选择102.2.4 计算机控制系统的选择112.3 数控系统软硬件总体设计112.4 数控系统硬件结构112.5 数控系统软件结构123 进给伺服系统传动计算133.1 确定系统脉冲当量133.2 切削力的确定143.3 计算进给牵引力153.4 计算最大动负载C153.5 传动效率计算163.6 刚度计算173.7 进给伺服系统传动计算183.7.1 确定传动比183.7.2 齿轮参数的计算183.8 步进电机的计算和选用193.8.1 转动惯量的计算193.8.2 电机力矩的计算203.9 步进电机的选择233.10 齿轮间隙的调整234 数控系统设计254.1 控制系统的设计方案254.2 CPU和存储器选择264.2.1 CPU的选择264.2.2 存储器的选择264.2.3 CPU与存储器的接线264.3 I/O接口电路274.4 步进电机驱动电路274.5 其他电路285 电气控制系统的PLC改造设计295.1 电气控制分析295.2 PLC改造电气控制系统295.2.1 主要电气元件的选型295.2.2 各模块间的通信325.2.3 PLC改造电气系统设计346 数控插补的控制设计376.1 插补原理376.2 直线插补376.3 圆弧插补427 经济可行性分析及环保要求48结论49参考文献50致谢51III1 绪论1.1 数控机床的产生和发展随着科学的发展，机械产品的结构越来越合理，其性能、精度和效率日趋提高，因此对加工机械产品零部件的生产设备机床也相应的提出了高性能、高精度和高自动化的要求。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。其与与普通机床相比，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。采用数字控制技术进行机械加工的思想，最早是40年代初提出的。当时，美国北密执安的一个小型飞机承包商派尔逊斯公司在制造飞机框架和直升飞机的机翼叶片时，利用全数字电子计算机对叶片轮廓的加工路径进行了数据处理，并考虑了刀具半径对加工路径的影响，使得加工精度达到10.03 81mm，这在当时水平是相当高的。1952年美国麻省理工学院成功地研制出一台3坐标联动的试验型数控铣床，这是公认的世界上第一台数控机床，当时的电子元件是电子管。1959年，开始采用晶体管元件和印制线路板，出现了带自动换刀装置的数控机床，称为加工中心。从1960年开始，其他一些工业国家，比如德国、日本等也陆续开发生产出了数控机床。1965年，数控装置开始采用小规模集成电路，使数控装置的体积减小，功耗降低，可靠性提高。但仍然是硬件逻辑数控系统。1967年，英国首先把几台数控机床连接成具有柔性的加工系统，这就是最初的柔性制造单元。1974年，微处理器直接用于数控系统，促进了数控机床的普及应用和数控技术的发展。80年代初，国际上出现了以加工中心为主体，再配上工件自动装卸和监控检测装置的柔性制造单元。柔性制造系统和柔性制造单元被认为是实现计算机集成制造系统的必经阶段和基础。我国从1958年开始研究数控技术，直到60年代中期处于研制、开发阶段。1965年，国内开始研制晶体管数控系统。60年代初到70年代初研制成功X53K-1G数控铣床、CJK-18数控系统和数控非圆齿轮插齿机。从70年代开始，数控技术在车、铣、钻、锉、磨、齿轮加工、电加工等领域全面展开，数控加工中心在上海、北京研制成功。但由于电子元器件的质量和制造工艺水平低，致使数控系统的可靠性、稳定性问题没有得到解决，因此未能广泛推广。这一时期，数控线切割机床由于结构简单、使用方便、价格低廉，在模具加工中得到了推广。80年代我国先后从日本、美国等国家引进了部分数控装置和伺服系统技术，并于1981年在我国开始批量生产。在此期间，我国在引进、消化吸收的基础上，跟踪国外先进技术的发展，开发出了一些高档的数控系统，如多轴联动数控系统、分辨率为0.02um的高精度数控系统、数字仿形系统、为柔性单元配套的数控系统等。为了适应机械工业生产不同层次的需要，我国开发出了多种经济型数控系统，并得到了广泛应用。现在，我国已经建立了中、低档数控机床为主的产业体系，90年代主要发展高档数控机床。1.2 数控机床的发展趋势和研究方向我国虽然是全世界机床拥有量最多的国家，但机床数控化率低，则已有数控机床利用率低，开动率低。随着国外的数控系统与伺服系统的制造技术的引进，我国经济型数控机床的研究、生产和推广工作也取得进展，必将对我国的各行各业的技术改造起到积极的推动作用。虽然从纵向看我国的发展速度很快，但横向比（与国外对比）不仅技术水平有差距，在某些方面发展速度也有差距，即一些高精尖的数控装备的技术水平差距有扩大趋势。主要表现在：精度、效率、自动化上存在一定差距；主机设计基本功差，缺乏创新，模块化设计少，尚未建立自己的品牌效应；功能部件专业化生产水平及成套能力较低，重要基础元部件、NC系统主要依靠进口；缺乏深入系统的科研工作，设计、试验手段较落后；在NC车床的产品水平和总体技术水平上，特别高精尖技术方面差距明显。努力方向包括狠抓根本，解决主机、元部件先进性随着科学技术的发展，世界先进制造技术的兴起和不断成熟，对数控加工技术提出了更高的要求，超高速切削、超精密加工等技术的应用，对数控机床的数控系统、伺服系统、主轴驱动、机床及结构等提出了更高的性能指标。随着FMS的迅速发展和CMS的不断成熟，又将对数控机床的可靠性、通讯功能、人工智能和自适应控制等技术提出了更高的要求。随着微电子计算机技术的发展，数控系统性能日益完善，数控技术应用领域日益扩大。当今数控机床正在不断采用最新技术成就，朝着高速度化、高精度化、多功能化、智能化、系统化与高可靠性等方向发展。1.2.1 高速度、高精度化速度和精度是数控机床的两个重要指标，它直接关系到加工效率和产品的质量，特别是在超高速切削、超精密加工技术的实施中，它对机床各坐标轴位移速度和定位精度提出了更高的要求:另外，这两项技术指标又是互相制约的，也就是说要求位移速度越高，定位精度就越难提高。现代数控机床配备了高性能的数控系统及伺服系统，分辨率可达到lum,0.lum, 0.0lum。为实现更高速度、更高精度的指标，自前主要在下述几方面采取措施和进行研究。（1）数控系统。采用位数、频率更高的微处理器，以提高系统的基本运算速度。目前己由8位CPU过渡到16位和32位CPU，并向64位CPU发展，频率已由原来的5MHz提高到16MHz, 20MHz和32MHzo同时也采用了超大规模的集成电路和多种微处理器结构，以提高系统的数据处理能力，即提高插补运算的速度和精度。(2) 伺服驱动系统。随着超高速切削、超精密加工等先进工艺的提出，使得在旋转伺服电动机加滚珠丝杠的传统机械进给机构已无法实现。为此采用直线电动机直接驱动机床工作台的零传动直线伺服进给方式，将极大地提高机床直线进给的各项伺服性能指标， 特别是高速度和动态响应特性是以往任何伺服机构无法比较的。(3) 前馈控制技术。过去的伺服系统是将位置指令值与所检测到的实际值比较，所得的差乘以位置环的增益，其积再作为速度指令去控制电动机。由于这种控制方式总是存在着位置跟踪滞后误差，即当进给速度为F时，其伺服系统的最终滞后位F/G，这使得在加工拐角及圆弧切削时加工精度恶化。所谓前馈控制，就是在原来的控制系统上加上速度指令的控制方式，这样将使位置跟踪滞后误差大大减小，以改善拐角切削加工精度。(4) 机床动、静摩擦的非线性补偿控制技术。机床动、静摩擦的非线性会导致机床爬行。除了在机械结构上采取措施降低静摩擦外，新型的数控伺服系统具有自动补偿机械系统动、静摩擦非线性的控制功能。(5) 伺服系统的速度环和位置环均采用软件控制。由于采用软件控制具有较高的柔性，适应不同类型的机床对不同精度及速度的要求，进行加、减速性能的调整，并能实现复杂的控制算法，以满足高性能控制的要求。(6) 采用高分辨率的位置检测装置。如高分辨率的脉冲编码器，内装微处理器组成的细分电路，使得分辨率大大提高。(7补偿技术得到发展和广泛应用。现代数控机床利用计算机控制系统的软件补偿功能对伺服系统进行多种补偿，以提高机床的位置精度和动态伺服性能，如轴向运动定点误差补偿、丝杠螺距误差补偿、齿轮间隙补偿、热变形补偿和空间误差补偿等。(8) 高速大功率电主轴的应用。由于在超高速加工中.对机床主轴转速提出了极高的要求，传统的齿轮变速主传动系统已不能适应其要求。为此，采用了所谓内装式电动机主轴，简称电主轴。它是采用主轴电动机与机床主轴合二为一的结构形式，即采用外壳电动机，将其空心转子直接套装在机床主轴上，带有冷却套的定子则安装在主轴单元的壳体内，即机床主轴单元的壳体就是电动机座。实现了变频电动机与机床主轴一体化，以适应主轴高速运转的要求。(9) 超高速切削刀具的应用。为适应超高速加工要求， 目前陶瓷刀具和金刚石涂层刀具已开始得到应用。(10) 配置高速、强功能的内装式可编程控制器(ProgrammableL ogicController，简称PLC)。以提高PLC的运行速度，满足数控机床高速加工的要求。新型的PLC具有专用的CPU，基本指令执行时间达0. 2us/步，可编程步数可扩大到16000步以上。利用PLC的高速处理功能，将CNC与PLC之间有机地结合起来，能够满足数控机床运行中的各种实时控制要求。1.2.2 多功能化(1) 数控机床采用一机多能，提高了设备利用率。配有自动换刀机构的各类加工中心，能在同一台机床上同时实现铣削、锉削、钻削、车削、铰孔、扩孔、攻螺纹，甚至磨削等多种工序的加工。工件一经装夹，各种工序和工艺加工过程集中到同一台设备上完成，从而避免了工件多次装夹所造成的定位误差，确保零件的形位公差，减少装夹辅助时间，减少设备台数和占地面积。为了进一步提高工效，现代数控机床采用了多主轴、多面体切削，即同时对一个零件的不同部位进行不同方式的切削加工，如各类五面体加工中心。(2) 前台加工、后台编辑的前后台功能。现代数控系统采用了多CPU结构和分级中断控制方式，可以在一台机床上同时进行零件加工和程序编制，实现所谓的前台加工后台编辑.即操作者可在机床进入自动循环加工的空余期间，同时利用数控系统的键盘和CRT进行零件加工的编制，并利用CRT进行动态图形模拟显示及所编程序的加工轨迹，进行程序的调试和修改，以充分提高工作效益和机床利用率。(3) 具有更高的通信功能。为了适应FMC，FMS以及进一步联网组成CIMS的要求，一般的数控系统都具有RS-232C和RS-422高速远距离串行接口，可以按照用户级的格式要求，同上一级计算机进行多种数据交换。高档的数控系统应有的DNC接口，可以实现几台数控机床之间的数据通信，也可以直接对几台数控机床进行控制。现 代 数 控机床，为了适应自动化技术的进一步发展，满足工厂自动化规模越来越大的要求，满足不同厂家不同类型数控机床联网的需要，采用了MAP工业控制网络，现在已经实现了MAP3.0 版本，为现代数控机床进入FMS和CMS创造了条件。1.2.3 智能化(1) 引进自适应控制技术。自适应控制的目的是要求在随机变化的加工过程中，通过自动调节加工过程中所测得的工作状态、特性，按照给定的评价指标自动校正自身的工作参数，己达到或接近最佳工作状态。由于在实际加工过程中，大约有30余种变量直接和间接影响加工效果，如工件毛坯余量不匀、材料硬度不一致、刀具磨损、工件变形、机床热变形、化学亲和力的大小、切削液的粘度等，难以用最佳参数进行切削。而自适应控制系统则能根据切削条件的变化，自动调节工作参数，如伺服进给参数、切削用量等，使加工保持最佳工作状态，从而得到较高的加工精度和较小的表面粗糙度，同时也能提高刀具的使用寿命和设备的生产效率。(2) 故障自诊断、自修复功能。主要是利用CNC系统的内装程序实现在线诊断，即在整个工作状态中，系统随时对CNC系统本身以及与其相连的各种设备进行自动诊断、检查。一旦出现故障时，立即采用停机等措施，并通过了CRT进行故障报警、提示发生故障的部位、原因等。并利用冗余技术，自动使故障模块脱机，而接通备用模块，以确保在无人化工作环境的要求。为实现更高的故障诊断要求，最近又提出了人工智能专家诊断系统，它主要由知识库、推理机和人机控制器三部分组成。(3) 刀具寿命自动检测更换。利用红外、声发射、激光等各种检测手段，对刀具和工件进行监测。发现工件超差、刀具磨损、破损，进行及时报警、自动补偿或更换备用刀具，以保证产品质量。(4) 进行模式识别技术。应用图像识别和声控技术，使机器自己辨认图样，按照自然语音命令进行加工。1.2.4 数控系统小型化数控系统体积小型化便于将机、电装置融合为一体。目前主要采用超大规模集成元件、多层印制电路板，采用三维安装方法，使电子元器件得以高密度的安装，可以较大的缩小了系统的占有空间。此外，用新型的TFT彩色液晶薄膜型显示器，代替传统的阴极射线管CRT，即可使数控操作系统进一步小型化。这样可更方便地将它安装在机床设备上，更便于对数控机床的操作使用。1.2.5 数控编程自动化由于微处理机的应用，使数控编程从脱机编程发展到在线编程，实现了人机对话，给程序编辑、调试、修改带来了极大的方便。并进一步采用了前台加工后台编辑的前后台功能，使数控机床的利用率得到更大的发挥。随着计算机应用技术的发展，目前CAD被弹入图形交互式自动编程已得到应用，它是利用CAD绘制的零件加工图样，自动生成NC零件加工程序，实现CAD与CAM的集成。随着CIMS技术的发展，目前又出现了CAD/CAPP/CAM集成的全自动编程方式，它与CAD/CAM系统编程的最大区别是其编程所需的加工工艺参数不必有人工参与，直接从系统内的CAPP数据库获得。另外，还出现了测量、编程、加工一体化系统。它是通过激光快速扫描成型系统、三坐标测量机等对样机零件进行测量，并把所测得数据直接送入计算机内，一方面通过CAD系统而获得样机零件图样，另一方面通过数控自动编程系统，将其处理生成NC加工程序，然后通过通信接口送入数控机床，进行控制自动加工。1.2.6 更高的可靠性数控机床工作的可靠性是用户最关注的主要指标，它主要取决于数控系统和各伺服驱动单元的可靠性，为提高可靠性，目前主要在以下几个方面采取措施。(1) 提高系统硬件质量.采用更高集成度的电路芯片，利用大规模和超大规模的专用机混合式集成电路，以减少元器件的数量，精简外部连线和降低功耗，对元器件进行严格筛选，采用高质量的多层印制电路板，实行三维高密度安装工艺，并经过必要的老化、振动等有关考机试验。(2) 模块化、标准化和通用化。通过硬件功能软件化，以适应各种控制功能的要求，同时采用硬件结构模块化、标准化和通用化，既提高了硬件生产批量，又便于组织生产和质量把关。(3) 增强故障自诊断、自恢复和保护功能。通过自动运行启动诊断、在线诊断、离线诊断等多种自诊断程序，实现对系统内硬件、软件和各种外部设备进行故障诊断和报警。利用报警提示，及时排除故障;利用容错技术，对重要部件采取冗余设计，以实现故障自恢复;利用各种测试、监控技术，当产生超程、刀损、干扰、断电等各种意外事件时，自动进行相应的保护。1.3 机床数控化改造的必要性从微观上看数控机床相对传统机床有以下突出的优越性。这些优越性均来自数控系统所包含的计算机的特性。可以加工出传统机床无法加工的曲线、曲面等复杂的零件。由于计算机可以瞬时准确地计算出每个坐标轴的运动量，就可以复合成复杂的曲线和曲面。可实现加工的自动化，且是柔性自动化，效率比传统机床提高3-7倍。计算机可以将输入的程序记忆和存储，然后按程序规定的顺序自动去执行，从而实现自动化。传统机床可以靠凸轮或挡块等实现自动化，称之为刚性自动化。但凸轮制造及调整比较费时，只有进行大批量生产时才经济合理。而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，从而使单件和小批量生产得以自动化，称之为“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”。加工过程自动化，不受人的情绪高低和疲劳因素的影响。计算机还可以自动进行刀具寿命管理，不会因为刀具磨损而影响工件精度和一致性。此外数控系统中增加了机床误差、加工误差修正补偿的功能，使加工精度得到进一步提高。可实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬运是自动化带来的效果(可以自动更换刀具)。如加工中心在工件装夹后，可实现钻、铣、铿、攻丝、扩孔等多工序的加工。现在己出现其他工序集中的机床、如车削中心、车铣中心、磨削中心等。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加工。在配备多种传感器条件下，工人只工作8小时，而机床可工作24小时，劳动生产率的提高和生产周期的缩短等效益是非常明显的。此外，机床数控化还是推行FMC(柔性制造单元)、FMS(柔性制造系统)以及CIMS(计算机集成制造系统)等企业信息化改造的基础。从宏观上看工业发达国家的军、民机械工业在70年代末、80年代初己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)的技术改造，除采用数控机床外、还包括推行CAD, CAE,CAM及MIS(管理信息系统)、CMS(计算机集成制造系统)。以及在其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)，最终使得产品在国际军品和民品的市场上竞争力大为增强，而我国在信息技术改造传统产业方面比发达国家落后约20年，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和迫切性。2 机床改造的任务及总体思想2.1 机床改造的总体任务(1) 进给伺服系统设计计算：此部分为设计计算部分，用以确定脉冲当量，进给牵引力，选择丝杠螺母副，计算传动效率，确定传动比，选择电机等，并绘制改造后机床的总装配图及箱体零件图。 (2) 控制系统设计：采用单片机控制系统，设计电路原理图。 2.2 系统总体方案设计2.2.1 系统运动方式确定 为保证改造后的数控系统的传动精度及工作台的平稳性，在设计机床的传动系统时，应努力保证传动系统低摩擦、低惯量、高效率、高刚度。因此在传动系统中注意以下几点： (1) 用低摩擦高精度的传动元件：如滚珠丝杠螺母副，滚动导轨。 (2) 采用消隙齿轮减小传动间隙。 2.2.2 执行机构及传动方案的确定轴的步进电机输出轴端配置减速器。减速器由一对啮合齿轮组成，通过减速器齿轮传动，由滚珠丝杠副把动力传给床鞍，从而带动托板的移动。为实现机床所需的分辨率，采用步进电机经齿轮减速再传动丝杆。同时为保证一定的传动精度和平稳性，尽量减少摩擦力，确保数控系统的传动精度和工作平稳性，应尽量减少摩擦力，而采用滚珠丝杠螺母副。纵向和横向均采用步进电动机-减速齿轮-滚珠丝杠螺母副-床鞍的传动方式。同时应提高传动刚度和消除间隙。滚珠丝杠螺母副的预紧是提高刚度，减小传动间隙的重要措施。消除间隙采用的方法是双螺母结构，用螺纹调隙。而齿轮间隙的调整则是采用周向弹簧调整法。 主传动的布局采用分离式。变速箱所产生的震动和热量不传给或少传给主轴，从而减少了主轴的震动和热变形。当采用变轮传动时。高速时由带传动直接传动主轴，运转平稳，加工表面质量好。低速时由背轮机构传动，转矩大适应加工要求。 2.2.3 伺服系统的选择伺服系统分为开环控制系统、半闭环控制系统和闭环控制系统：开环控制系统中没有检测反馈装置，数控装置的控制指令直接通过驱动装置控制步进电机的运转，然后通过机械传动系统转化成刀架或工作台的位移。这种控制系统由于没有检测反馈校正，位移精度一般不高，但其控制方便、结构简单、价格便宜。 闭环控制系统又称全闭环控制系统，其检测装置安装在机床刀架或工作台等执行部件上，用以直接检测这些执行部件的实际运行位置（直线位移），并将其与CNC装置的指令位置（或位移）相比较，用差值进行控制。但是，由于很多机械传动环节包含在闭环控制的环路中，各部件的摩擦性，刚性等都是非线性量，直接影响系统的调节参数，因此，闭环系统的设计和调速都有很大难度。所以，闭环控制系统主要用于精度要求高的场合。 半闭环控制系统，它的检测元件装在电机或者丝杠的端头，通过测量伺服电机的角位移间接计算出机床工作台等执行部件的实际位置（或位移），然后进行反馈控制。由于将丝杠螺母副及机床工作台等大惯量环节排除在闭环控制系统之外，不能补偿他们的运动误差，精度受到影响，但系统稳定性有所提高，调试比较方便、价格也较全闭环系统便宜。 本次改造由于使用步进电机，所以可以选择开环伺服系统。 图2.1 开环控制原理图 2.2.4 计算机控制系统的选择根据机床的要求，采用8位机。由于MCS-51系列单片机具有集成度高、可靠性好、功能强、速度快、组成功能比较完善、抗干扰能力强等特点。所以采用MCS-51系列的8031单片机作为控制系统。2.3 数控系统软硬件总体设计为了使数控系统能够长期、可靠、方便地在工业环镜中运行，在制定数控系统总体方案时必须重点考虑以下几个方面。(1) 加强系统可靠性。影响数控系统可靠性的因素很多，硬件规模和硬件的制造工艺水平往往是影响可靠性的关键因素。因此，应选用高性能的CPU作为系统的运算和控制核心，并尽量用软件来实现数控系统的功能。在系统的具体硬件构成上，选用可靠性高的工控PC作为数控系统硬件平台，减少自制硬件数量。此外，在软件设计、电源选用、接插件设计与选用、接地与屏蔽设计等方面采用强抗干扰、高可靠性的设计，从而全面提高系统的可靠性。(2) 提高数控系统的控制精度。数控系统的控制精度是保证机床加工精度的关键。因此，它在数控系统中处于重要位置。如提高数控系统的最小分辨率，使用高精度的步进电机，采用高速高精度插补算法，提高轨迹生成精度。(3) 提高使用方便性。提高数控编程的方便性，是提高数控系统使用方便性的关键。因为现代工人都比较熟悉个人计算机，数控系统在操作方面应采用标准计算机键盘或与其兼容的薄膜键盘等输入设备，也可用软盘、移动磁盘、串行通讯、网络系统等输入零件程序。此外，数控系统中应设置仿真功能，便于用户在加工前检查零件程序的正确性。2.4 数控系统硬件结构系统由工控PC硬件平台、数控操作面板(包括LCD显示器，键盘)、数控接口板卡(I/0板，D/A板)和驱动执行机构等组成。PC硬件平台包括工控电源、无源母板、工控PC主板和软盘驱动器、硬盘驱动器等。数控操作面板上有液晶显示器和薄膜键盘等。数控接口板卡是计算机与外部执行装置间进行信息交换和转换的通道，对内通过无源母板与工控PC主板相连，对外通过屏蔽电缆与驱动执行装置相连接。该系统的驱动执行环节包括四个子系统：进给轴控制；驱动子系统；主轴控制与驱动子系统；开关量控制系统。主轴控制与驱动子系统的功能包括两方面:主轴转速的调速控制，以满足宽范围切削速度的要求;主轴转角的精确控制，以满足加工螺纹时的主轴与进给轴的联动控制和换刀时的主轴精确定位控制要求。开关量控制系统完成机床的逻辑顺序运动控制，如主轴起停控制、刀具交换、工件装夹、冷却开关、行程保护等任务。开关量控制系统与其它模块相配合，共同完成机床工作过程的控制。2.5 数控系统软件结构数控系统软件为实时多任务系统，系统中的各任务在数控实时操作系统控制下协调进行。(1) 数控实时操作系统。它是数控系统软件中的核心子系统，它对系统中的资源进行统一管理，对各任务进行动态调度，协调各模块的高效运行，并辅助完成各任务间的通讯和信息交换。(2) 信息预处理。该模块完成输入信息译码，完成轨迹插补前的坐标转换和刀补运算。(3) 轨迹插补。它是数控系统的核心模块，其任务是根据信息预处理给出的希望轨迹和从检测装置获得的实际轨迹信息，实时生成机床各坐标轴的移动指令，并完成机床运动的加减速控制。(4) 运动控制。该模块是数控系统的另一核心模块，它根据插补运算结果，通过高速算法对机床各坐标轴进行高精度位置控制，并完成主轴转速与转角的控制任务。3 进给伺服系统传动计算 3.1 确定系统脉冲当量 车床纵向脉冲当量为0.01mm/脉冲；横向脉冲当量为0.005mm/脉冲。 CA6163机床主要技术参数如表： 最大回转直径630mm电机功率10KWLmax2000mm快进速度纵向2.4m/min横向1.2m/min定位精度0.015mm加速时间30ms机床效率0.7表3.1 CA6163机床主要技术参数 进给传动机构如图3.1所示，纵向和横向均采用步进电动机-滚珠丝杠螺母副-床鞍（或中滑板）的传动方式。分别在X轴和Z轴的步进电机输出轴端由滚珠丝杠副把动力传给床鞍，从而带动托板的移动。步进电机传动丝杆，同时为保证一定的传动精度和平稳性，尽量减少摩擦力，选用滚珠丝杆螺母副。在本设计中滚珠采用循环插管式、双螺母垫片预紧、导珠管埋入式、精度等级为3级，型号为JCS-CDM系列滚珠丝杆副。此外，为提高传动刚度和消除间隙，齿轮传动要采用消除齿侧间隙的结构。图3.1 进给传动系统 1步进电机 2支撑装置 3滚珠丝杠 4床鞍 A、B齿轮 3.2 切削力的确定 纵切端面时的主切削力横切端面时的主切削力其中: 车床床身加工最大直径, 单位为3.3 计算进给牵引力 作用在滚珠丝杠上的进给牵引力主要包括切削时的走刀抗力以及移动件的重量和切削分力作用在导轨上的摩擦力。因此其数值的大小与导轨的类型有关。纵向采用三角形导轨:横向采用燕尾形导轨： 式中：G移动部件的重量，（N）；导轨上的摩擦系数，随导轨形势而不同；K考虑颠复力矩影响的实验系数。在正常情况下，K、f及可取下列数值： 矩形导轨： K=1.1 =0.15 燕尾导轨： K=1.4 =0.2 三角形或综合导轨： K=1.15 = 计算最大动负载C 选用滚珠丝杠副的直径d0时，必须保证在一定轴向负载作用下，丝杠在回转100万转后，在它的滚道上不产生点蚀现象。这个轴向负载的最大值即称为该滚珠丝杠能承受的最大动负载C，计算如下： 纵向： 初选丝杠基本导程 L0=8mmn=31.25 L=28.125 C=fwFm=1.24934=18005.8(kN)查表取FFZD5008，L0=8mm，d0=50mm，Ca=25kN横向：初选丝杠基本导程L0=6mmn=16.7L=15C=fwFm=1.24080=12075(kN)查表取FFZD2506，L0=6mm,d0=25mm，Ca=13kN均为FFZD型内循环浮动返向器双螺母垫片预紧滚珠丝杠副 其中： Vs为最大切削力条件下的进给速度(m/min). 可取最高进给速度1/21/3; Lo为丝杠导程，(mm) T为使用寿命(h), 对于数控机床取T=15000hfw运转系数见表运转状态运转系数无冲击状态1.01.2一般运转1.21.5有冲击运转1.52.5表3.2 运转系数3.5 传动效率计算 滚珠丝杠螺母副的传动效率=其中： -丝杠螺旋升角-摩擦角,滚珠丝杠副的滚动摩擦系数f=0.0030.004,其摩擦角约为10分纵向： r=arctan=arctan=2.92 =94.33%横向： r=arctan=arctan=4.37=96.25%3.6 刚度计算 滚珠丝杠副的轴向变形会影响进给系统的定位精度及运动的平稳性，因此应考虑以下引起轴向变形的因素：丝杠的拉伸或压缩变形量1： 纵向： L= =9.7610(mm)预紧后满足要求横向： L= =1.4210预紧后满足要求3.7 进给伺服系统传动计算 3.7.1 确定传动比 确定当机床脉冲当量和滚珠丝杠导程确定以后，可以先初选步进电机的步距角，计算伺服系统的降速比i横向: 纵向: 3.7.2 齿轮参数的计算 模数m取2。 计算如下： 纵向：取小圆齿数为Z1 = 36，小齿轮： 大齿轮：横向：取小圆齿数为Z2 = 18 小齿轮： 大齿轮：3.8 步进电机的计算和选用 3.8.1 转动惯量的计算 齿轮、轴、丝杠等圆柱体惯量计算(kg.cm)对于钢材： 式中： M圆柱体质量（kg） D圆柱体直径（cm） L圆柱体长度（cm） 钢材的密度=7.810/ cm对于齿轮：D可取分度圆直径，L取齿轮宽度； 对于丝杠：D可近似取丝杠公称直径滚珠直径，L取丝杠长度。 具体计算如下： 纵向：横向： 丝杠传动时折算到电机轴上的总传动惯量 步进电机经一对齿轮降速后传到丝杠，此传动系统折算到电机轴上的转动惯量为： 式中： J传动系统折算到电机轴上的转动惯量(kg.cm)J1小齿轮的转动惯量(kg.cm)J2大齿轮的转动惯量(kg.cm)JS丝杠的转动惯量(kg.cm)G工作台及工件等移动部件的重量(N)L0丝杠的导程(cm)具体计算如下： 纵向：横向：3.8.2 电机力矩的计算 电机的负载力矩在各种工况下是不同的，下面分快速空载起动时所需力矩、快速进给时所需力矩、最大切削负载时所需力矩等几部分介绍其计算方法。 快速进给时所需力矩 式中： 快速空载起动力矩（N.m）；空载起动时折算到电机轴上的加速力矩（N.m）； 折算到电机轴上的摩擦力矩（N.m）； 由于丝杠预紧时折算到电机轴上的附加摩擦力矩（N.m）；最大切削负载时所需力矩因此对运动部件已起动，固不包含Mamax，显然起快。 最大切削负载时所需力矩式中：折算到电机轴上的切削负载力矩（N.m）。在采用丝杠螺母副传动时，上述各种力矩可用下式计算式中： 传动系统折算到电机轴上的总等效转动惯量（kg.cm2）； 电机最大角加速度（N/s2）； 电机最大转速（r/min）； 脉冲当量（mm）； 步进电机的步距角（）； 运动部件从停止加速到最大进给速度所需要的时间（s）。摩擦力矩（N.m）式中： 垂直方向切削力（N）；空载快速起动时，进行切削加工时，其计算如计算牵引力处摩擦力的计算。 运动部件总重量（N）； 导轨摩擦系数； 齿轮降速比，按计算； 传动链总效率，一般可取=0.70.85。附加摩擦力矩（N.m）式中： 滚珠丝杠预加载荷， 一般取，为进给牵引力（N）。 滚珠丝杠导程（cm）； 滚珠丝杠未预紧时的传动效率，一般取。式中：进给方向最大切削力（N）； 其余参数如上。 具体计算:横向:纵向：由上面计算知，在 三种工况下，快速空载起动所需力矩最大，所以只需计算。 3.9 步进电机的选择 目前，经济型数控车床中大多数采用反应式步进电机。 1. 首先根据最大静转距初选电机型号从表中查出， 纵向：按此最大静转矩产步进电机型号表可查出，110BYG3500型最大静转矩转矩为8N.m，大于所需静转矩，可作为初选型号。但必须进一步考核步进电机起 动矩频特性和运行矩频特性。 步进电机起动频率最高工作频率从电机表中查出，110BYG3500型步进电机的空载起动频率为1600Hz，运行频率为30000Hz，满足要求。3.10 齿轮间隙的调整 数控机床进给系统由于经常处于自动变相状体，齿侧间隙会造成进给反向时指令丢失脉冲，并产生反向死区从而影响加工精度，因此必须采取措施消除齿轮传动的间隙。消除齿轮间隙的方法通常有刚性调整法和柔性调整法两种。此次设计才用的是柔性调整法，柔性调整法一般都采用调整压力弹簧的压力，消除齿侧间隙。这种调整方法的优点是可以在齿轮的齿厚和周节变化的情况下，保持齿轮的无间隙啮合。其结构见图图3.2 周向弹簧调整法1、2螺纹凸耳 3、4齿轮 5调节螺钉 6、7旋转螺母 8弹簧 两个波齿轮3和4，依靠4个弹簧拉紧，分别贴紧在宽齿轮齿间的两侧，以消除齿轮传动间隙，可以实现齿轮磨损后的间隙自动补偿。4 数控系统设计4.1 控制系统的设计方案硬件设计构成微机控制系统的基本硬件由四个部分组成：1. 中央处理单元，即CPU。2. 总线 包括数据总线（DB）、地址总线（AB）和控制总线。3. 存储器 包括只读可编程存储器和随机读写存储器。4. I/O输入、输出接口电路。 其中CPU是整个系统的核心，作用是进行数据运算处理和控制各部分电路协调工作，存储器用于存放系统软件，应用程序和运行中所需的各种数据。I/O接口电路是系统与外界进行信息交换的桥梁。三总线则是连接CPU、存储器和I/O接口电路和纽带，是CPU与部分电路进行信息交换和通讯的必由之路。数控系统硬件框图见图。图4.1 数控系统硬件框图设计内容如下：（1） 单片机的选择。考虑到通用性以及普遍性.（2） 芯片的选择与连线。完成程序存储器、数据存储器、扩展接口芯片等的选型及地址规划与连线等。 车床数控系统必须具备控制车床的全部功能和要求。车床数控系统和一般的数控系统组成基本相同，有硬件和软件共同完成数控任务。4.2 CPU和存储器选择4.2.1 CPU的选择MCS-51是高性能的8位单片机系列，其指令系统功能强、硬件资源丰富、可扩展性好。采用8031单片机。4.2.2 存储器的选择由于8031单片机没有程序存储器，所以在应用时要家扩展外部程序存储器，以存放控制程序。此外，8031单片机内部只有128B的数据储存器，内部地址为00H7FH，CPU需要在外部扩展数据存储器。单片机外部扩展常用的程序存储器扩展芯片是EPROM，其断电后信息不会丢失，且只有在紫外线的照射下，存储器的单元信息才可以擦除。考虑到程序存储的容量，本设计扩展芯片采用2个2764 EPROM，扩展储蓄存储容量。数据存储亲扩展主要用于存储现场采集的原始数据，运算结果等。所以扩展的外部数据存储器应能随机读/些，通常有半导体静态随机读/写存储器RAM组成。本设计扩展芯片采用一片6264，扩展8KB的数据存储容量。4.2.3 CPU与存储器的接线本系统同时扩展了两片2764 ROM和一片6264 RAM，由于2764和6264芯片都是8KB，需要13根地址线。用74LS373作为地址锁存器，锁存低8位地址，ALE作为其选通信号，下降沿出现时低8位地址锁存在地址锁存器中，74LS373的输出不在随输入变化，字样P0口就可以用来传送读写的数据了。2764和6264的A0A7低8位接74LS343的输出，A8A12接8