CA6132型普通车床数控化改造设计（横向）

摘 要数控机床价格昂贵，一些企业要做一次性投资购买全新的数控机床经济上负担不起。针对这种情况，本课题提出对普通车床进行数控化改造，寻找一种可行的、有推广价值的设备改造方法。本设计论文以 CA6132 为例，阐述了普通数控车床的主轴系统的改进及机床控制系统的改造。机械部分的设计主要根据机械工业部的相关标准进行设计，并尽可能的选用标准件，以使总体成本下降，提高其通用性和经济性。对主轴箱的改造采用了电磁离合器来改变齿轮的传动路线，同时结合变速手板的不同位置来达到主轴不变速要求。采用滚珠丝杆对原动机床的纵向、横向进给系统进行改造，驱动装置为步进电机。在主轴内安装了主轴脉冲发生器，由脉冲发生器发出脉冲信号到 CNC 系统，再由 CNC 系统控制步进电机，实现进给运动。电气控制部分考虑到实际情况，单片机在国内应用较为广泛，且用户反映普遍较好,价格也不昂贵。8031 单片机是整个数控装置的核心。关键词: CA6132 车床 数控改造 滚珠丝杠 8031 单片机目 录第一章 绪论 .41.1 机床的数控化改造 .41.1.1 机床进行数控化改造的现状 .41.1.2 机床进行数控化改造的必要性 .51. 2 数控机床与数控技术 .71.2.1 数控机床 .71.2.2 数控技术 .92.3 轴联动加工和复合加工机床快速发展 .15第二章 设计方案和基本方案的确定 .212.1 设计任务 .212.2 总体方案设计的内容 .212.2.1 伺服驱动电机的选择 .212.2.2 控制芯片的选择 .222.2.3 微机数控制系统功能 .222.3 数控系统各部件的结构及其工作原理 .232.3.1 主控器 .232.3.2 选择芯片 .252.3.3 地址分配器及译码 .262.4 接口电路及辅助电路具体设计 .27第三章 进给伺服系统传动计算 .323.1 确定系统脉冲当量 .323.2 切削力的确定 .323.3 滚珠丝杠螺母副的设计、计算和选型 .333.3.1 计算进给牵引力 .333.3.2 计算最大动负载 C .343.3.3 传动效率计算 .353.3.4 刚度计算 .353.4 进给伺服系统传动计算 .363.4.1 确定传动比 .363.4.2 齿轮参数的计算 .363.5 步进电机的计算和选用 .363.5.1 转动惯量的计算 .363.5.2 电机力矩的计算 .383.5.3 步进电机的选择 .40结论 .42致谢 .43参考文献 .44第一章 绪论1.1 机床的数控化改造1.1.1 机床进行数控化改造的现状目前，关于机床改造方面的报道比较多，其方法多种多样，具体表现在:1.根据用户的需求可以选择不同的数控系统。2.根据要求可以进行经济性数控化改造，也可以进行智能化数控机床改造。不管哪种形式的数控改造，最基本的思路是要满足用户的基本使用需求。但目前对车床的数控化改造，主要是经济性数控化改造。在改造过程中，主要沿用系统供应商提供的外部接线要求进行控制电路设计，没有对系统进行深入的分析研究，不能结合实际应用解决当前同类机床存在的问题，比如:现在的机床普遍采用正逻辑控制，当限位保护电路，如发生电路开路或接触不良时，不会立即报警，容易造成事故。针对目前同类数控机床使用中存在的问题，经过仔细的研究和分析系统特性，在改造机床时所有限位保护电路均采用负逻辑，如发生电路开路或接触不良时会立即报警，防止意外事故发生；设定了特殊的限位控制装置，使刀架在特定的位置不能换刀，保证了生产安全。这一技术已经申请了国家发明专利。另外，我们知道车床加工的主要任务是承担轴类、套类、盘类等零件的加工。成本、质量、生产率和产量、交货期是衡量企业生产能力和市场竞争能力的 4 个要素，采用传统的非数控生产方式只有达到一定闭值的大批量的规模生产才能取得上述4 个方面的统一。但在当前激烈的市场竞争环境下，以生产为中心，企业为主导的卖方市场已转向以市场需求为中心用户为主导的买方市场，产品需求呈现多样化和个性化，且产品经济寿命大大缩短，这首先将形成以多品种变批量的生产方式为主流的生产环境；其次，衡量企业竞争力的首位因素也由成本转为交货期。为此，发展柔性结构体系的数控制造装备及制造系统是实现在快速多变的市场环境中对用户驱动的市场需求作出灵活、快速响应的关键。所谓制造装备及制造系统的柔性化是指当产品的品种的需求发生变化时，它们仍能在满足经济性的前提下，实现及时转换生产的适应能力。同时，持续地提高经济加工精度也是适应市场竞争的另一个主要目标。因而作为评定数控机床及系统效能的基本指标也将由传统的工作精度和切削能力改为用高效柔性和高精化的程度来衡量。高效柔性化和高精化分别反映了制造业在竞争激烈的市场环境下的两个最主要的要求，即产品生产变换的灵捷性和产品质量的持续提高。如何达到上述要求，进一步提高其生产的柔性化，达到操作的简便易行，在改造过程中利用成组技术，来把单件多品种生产转变成变品种的批量生产，设计共用化的程序存入系统，减少编程的麻烦，提高了加工效率。这一创新思路是目前市场上没有的，该技术己申请专利。同时采用无级变速方式，使其转速提高到 2000r/min，实现了高速化。1.1.2 机床进行数控化改造的必要性1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、FMC、FMS 外，还包括在产品开发中推行 CAD、CAE、CAM、虚拟制造以及在生产管理中推行 MIS（管理信息系统） 、CIMS 等等。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 1.9，而日本在1994 年已达 20.8，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。2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 37 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 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。数控技术已经成为制造业自动化的核心技术和基础技术。1. 2 数控机床与数控技术1.2.1 数控机床国内数控机床现状由于机床下游行业固定资产投资连续几年快速增长，国内机电产品市场需求年均增长 30，带动了机床市场需求 30以上的增长。从 2002 年开始，我国就成为世界第一机床消费大国。2004 年国产金属切削机床年产量达到 38.94 万台、数控机床产量 5.19 万台；2005 年前三季度，我国金属切削机床和数控机床产量分别达到 34.08 万台和 4.33 万台。由于数控机床的增长速度明显快于普通金属切削机床，数控机床在金属加工机床总量中的比重逐年上升，我国机床的数控化率逐年提高。2001 年，机床数控化率为 9.68，2004 年上升为 13.32，2005 年前三季度机床数控化率保持在 12.72的水平。另外，我国机床出口增长较快。2001 年我国出口金属加工机床 4.55 万台，金额 2.90 亿美元；2004 年出口 6.19 万台，价值 5.40 亿美元。2005 年前三季度，出口分别达到 4.86 万台和 5.69 亿美元，同比增长 10.6、54.8。过去几年我国机床出口数量和金额年均增速分别达到 9.74、24.74。我国出口额增幅较大的数控机床有数控车床、数控磨床、数控特种加工机床、数控剪板机、数控成形折弯机、数控压铸机等，普通机床有钻床、锯床、插床、拉床、组合机床、液压压力机、木工机床等。但值得注意的是高档数控机床仍大量进口。从 2001 年开始，我国就成为世界上最大的机床进口国。最近几年我国用于机床进口的外汇高速增长，进口用汇是出口收汇的近 10 倍。2004年我国进口金属加工机床 12.78 万台，价值 59.16 亿美元，同比分别增长 2.7和 43.3；2005 年前三季度，进口量达 8.75万台，价值 49.29 亿美元。国内数控机床的特点1.新产品开发有了很大突破，技术含量高的产品占据主导地位 2.数控机床产量大幅度增长，数控化率显著提高3.数控机床发展的关键配套产品有了突破国内控机床的发展趋势1、数控机床推广应用逐步加深2、数控金切机床的构成比逐渐趋于合理3、数控机床的应用由单机向单元(系统)方向发展4、出口前景良好国外数控机床的特点一是利用二进制数学方式输入， 加工过程可任意编程，主轴及进给速度可按加工工艺需要变化，且能实现多坐标联动，易加工杂曲面。对于加工对象具有“易变、多变、善变”的特点换批调整方便可实现杂件多品种中小批柔性生产，适应社会对产品多样化的需求。但价格较昂贵，需要正确分析其使用的经济合理性。二是利用硬件与软件相结合。能实现信息反馈补偿、自动和减速等功能，可进一步提高机床的加工精度、效率和自动化程度。三是以电子控制为主的机电一体化机床充分发挥了微电子和计算机技术特有的优点，易于实现信息化、智能化、网络化， 可较容易地组成各种先进制造系统， 如 F M S、F T L、F A， 甚至将来的 CIMS，能最大限度地提高工业生产率、劳动生产率。国际对中国机械工业的冲击外资对我国机械工业的结构冲击主要表现在以下几点：1、部分行业发展主导权有可能受到冲击2、工程成套行业将面临更严峻的竞争3、我国机械工业自主技术创新的积极性有可能被抑制 4、处于幼稚期的自主产业的成长环境趋于严峻1.2.2 数控技术数控技术国内外现状1 开放结构的发展 数控技术从发明到现在，已有近 50 年的历史。按照电子器件的发展可分为五个发展阶段：电子管数控，晶体管数控，中小规模 IC 数控，小型计算机数控，微处理器数控；从体系结构的发展，可分为以硬件及连线组成的硬数控系统、计算机硬件及软件组成的 CNC 数控系统，后者也称为软数控系统：从伺服及控制的方式可分为步进电机驱动的开环系统和伺服电机驱动的闭环系统。 数控系统装备的机床大大提高了加工精度、速度和效率。人类发明了机器，延长和扩展人的手脚功能：当出现数控系统以后，制造厂家逐渐希望数控系统能部分代替机床设计师和操作者的大脑，具有一定的智能，能把特殊的加工工艺、管理经验和操作技能放进数控系统， 同时也希望系统具有图形交互、诊断功能等。首先就要求数控系统具有友好的人机界面和开发平台，通过这个界面和平台开放而自由地执行和表达自己的思路。这就产生了开放结构的数控系统。机床制造商可以在该开放系统的平台上增加一定的硬件和软件构成自己的系统。目前，开放系统有两种基本结构：(1)CNC+PC 主板：把一块 PC 主板插入传统的 CNC 机器中，PC 板主要运行实时控制，CNC 主要运行以坐标轴运动为主的实时控制。(2)PC+运动控制板：把运动控制板插入 PC 机的标准插槽中作实时控制用，而PC 机主要作非实时控制。开放结构在 90 年代初形成；对于许多熟悉计算机应用的系统厂家，往往采用第(2)方案。但目前主流数控系统生产厂家认为数控系统最主要的性能是可靠性，象PC 机存在的死机现象是不允许的。而系统功能首先追求的仍然是高精高速的加工。加上这些厂家长期已经生产大量的数控系统：体系结构的变化会对他们原系统的维修服务和可靠性产生不良的影响。因此不把开放结构作为主要的产品，仍然大量生产原结构的数控系统。为了增加开放性，主流数控系统生产厂家往往采用(1)方案，即在不变化原系统基本结构的基础上增加一块 PC 板，提供键盘使用户能把 PC 和 CNC 联系在一起，大大提高了人机界面的功能比较典型的如 FANUC 的150/160180210 系统。有些厂家也把这种装置称为融合系统(fusion system)。由于它工作可靠，界面开放，越来越受到机床制造商的欢迎。 2 软件伺服驱动技术 伺服技术是数控系统的重要组成部分。广义上说，采用计算机控制，控制算法采用软件的伺服装置称为“软件伺服” 。它有以下优点：(1)无温漂，稳定性好。(2)基于数值计算，精度高。(3)通过参数对设定，调整减少。(4)容易做成 ASIC 电路。70年代，美国 GATTYS 公司发明了直流力矩伺服电机，从此开始大量采用直流电机驱动。开环的系统逐渐由闭环的系统取代。但直流电机存在以下缺点：(1)电动机容量、最高转速、环境条件受到限制；(2)换向器、电刷维护不方便。交流异步电机虽然价格便宜、结构简单，但早期由於控制性能差，所以很长时间没有在数控系统上得到应用。随着电力电子技术的发展，1971 年，德国西门子的 Blaschke 发明了交流异步机的矢量控制法；1980年，德国人 Leonhard 为首的研究小组在应用微理器的矢量控制的研究中取得进展，使矢量控制实用化。从 70 年代末，数控机床逐渐采用异步电机为主轴的驱动电机。如果把直流电机进行“里翻外”的处理，即把电驱绕组装在定子，转子为永磁部分，由转子轴上的编码器测出磁极位置，这就构成了永磁无刷电机。这种电机具有良好的伺服性能。从 80 年代开始，逐渐应用在数控系统的进给驱动装置上。为了实现更高的加工精度和速度，90 年代，许多公司又研制了直线电机。它由两个非接触元件组成，即磁板和线卷滑座：电磁力直接作用于移动的元件而无需机械连接，没有机械滞后或螺距周期误差，精度完全依赖于直线反馈系统和分级的支承，由全数字伺服驱动，刚性高，频响好，因而可获得高速度。但由于它的推力还不够大，发热，漏磁及造价也影响了它的广泛应用。对现代数控系统，伺服技术取得的最大突破可以归结为：交流驱动取代直流驱动、数字控制取代模拟控制、或者把它称为软件控制取代硬件控制。这两种突破的结果产生了交流数字驱动系统，应用在数控机床的伺服进给和主轴装置。由于电力电子技术及控制理论、微处理器等微电子技术的快速发展，软件运算及处理能力的提高，特别是 DSP 的应用，使系统的计算速度大大提高，采样时间大大减少。这些技术的突破，使伺服系统性能改善、可靠性提高、调试方便、柔性增强。大大推动了高精高速加工技术的发展。 3 CNC 系统的连网 数控系统从控制单台机床到控制多台机床的分级式控制需要网络进行通信；网络的主要任务是进行通信，共享信息。这种通信通常分三级：(1)工厂管理级。一般由以太网组成。(2)车间单元控制级。一般由 DNC 功能进行控制。通过 DNC 功能形成网络可以实现对零件程序的上传或读、写 CNC 的数据：PLC 数据的传送；存贮器操作控制；系统状态采集和远程控制等。更高档次的 DNC 还可以对 CADCAM/CAPP 以及 CNC 的程序进行传送和分级管理。CNC 与通信网络连系在一起还可以传递维修数据，使用户与 NC 生产厂直接鴀?通信：进而，把制造厂家连系一起，构成虚拟制造网络。(3)现场设备级。现场级与车间单元控制级及信息集成系统主要完成底层设备单机及 I0 控制、连线控制、通信连网、在线设备状态监测及现场设备生产、运行数据的采集、存储、统计等功能，保证现场设备高质量完成生产任务，并将现场设备生产运行数据信息传送到工厂管理层，向工厂级提供数据。同时也可接受工厂管理层下达的生产管理及调度命令并执行之。因此，现场级与车间级是实现工厂自动化及 CIMS 系统的基础。传统的现场级大多是基于 PLC 的分布式系统。其主要特点是现场层设备与控制器之间的连接是一对一，即一个 I/0 点对设备的一个测控点。所谓 I0 接线方式为传递420ma(模拟量信息)或 24VDC(开关量信息)。这种系统的缺点是：信息集成能力不强、系统不开放、可集成性差、专业性不强、可靠性不易保证、可维护性不高。现场总线是以单个分散的、数字化、智能化的测量和控制设备作为网络节点，用总线相连接，实现相互交换信息，共同完成自动控制功能的网络系统与控制系统。因此，现场总线是面向：工厂底层自动化及信息集成的数字网络技术。现场总线技术的主要特点为：它是数控系统通信向现场级的延伸、数字化通信取代 420ma 模拟信号、应用现场总线技术，要求现场设备智能化(可编程或可参数化)：它集现场设备的远程控制、参数化及故障诊断为一体：由于现场总线具有开放性、互操作性、互换性、可集成性，因此是实现数控系统设备层信息集成的关键技术。它对提高生产效率、降低生产成本非常重要。目前在工业上采用的现场总线有Profibus-DP，SERCOS，JPCN-1，Deviconet，CAN，hterbusS，Marco 等。有的公司还有自己的总线，比如 FANUC 的FSSB，IOLINK(相当于 JPCN1)，YASKAW的 MOTIONLINK 等。目前比较活跃的是 Prof 主 bus-DP，为了允许更快的数据传送速度，它由 0S 工的七层结构省去 3-7 层构成。西门子最新推出802D 的伺服控制就是由 Profibus-DP 控制的。 4 功能不断发展和扩大 NC 技术经过 50 年的发展，已经成为制造技术发展的基础。这里以 FANUC 最先进的 CNC 控制系统 15i150i 为例说明系统功能的发展。这是一台具有开放性，4 通道、最多控制轴数为24 轴、最多联动轴数为 24 轴、最多可控制 4 个主轴的 CNC 系统。其快移速度与分辨率关系如下表 1-1。 表 1-1 快移速度与分辨率快速移动速度mmin 分辨率 L1m 240 1 100 01 10 001 l 0001 它的技术特点反映了现代 NC 发展的特点： a . 开放性：系统可通过光纤与 PC 机连接，采用 Window 兼容软件和开发环境。功能以高速、超精为核心，并具有智能控制。特别适合於加工航空机械零件，汽车及家电的高精零件，各种模具和复杂的需 5 轴加工的零件。15i150 主具有高精纳米插补功能；即使系统的没定编程单位为 1um，通过纳米插补也可提供给数字伺服以 lnm 为单位的指令，平滑了机床的移动量，提高了加工表面光洁度，大大减少加工工表面的误差。当分辨率为0.00lmm 时，快速可达 240m/min 速度；系统还具有高速高精加工的智能控制功能：(1)预计算出多程序段刀具轨迹，并进行预处理。(2)智能控制，计及机床的机械性能，可按最佳的允许进给率和最大的允许加速度使机床的功能得到最大的发挥。以便降低加工时间，提高效率，同时提高加工精度。(3)系统可在分辨率为 1nm 时工作，适用於控制超精机械。 b . 高级复杂的功能：15i150i 可进行各种数学的插补，如直线、圆弧、螺旋线、渐开线、螺旋渐开线、样条等插补。也可以进行 NURBS(Non uniform rat 主 ona!B spline)插补。采用 NURBS 插补可以人人减少 NC 程序的数据输入量，减少加工时间，特别适用模具加工。NURBS 插补不需任何硬件。 c . 强力的联网通信功能。适应工厂自动化需要，支持标准 FA网络及 DNC 的连接。（1）工厂干线或控制层通信网络：由 PC 机通过以太网控制多台 15i150i 组成的加工单元，可以传送数据、参数等。(2)设备层通信网络：15150i 采用 I0 LINK(与日本标准JPCN1 相对应的一种现场总线。 （3）通过 RS485 接口传送I0 信号：或且也可采用 PrellbusDP(符合欧洲 1 标准EN50170)以 12Mbps 进行高速通信。d. 具有高速内装的 PMC(有的厂商称为 PLC)， 以减少加工的循环的时间：(1)梯形图和顺序程序由专用的 PMC 处理器控制，这种结构可进行快速大规模顺序控制。(2)基本 PMC 指令执行时间为：0085ps；最大步数：32，000 步。(3)可以用 C 语言编程；32位的 C 语言处理器可作为实时多任务运行；它与梯形图计算的PMC 处理器并行工作。(4)可在 PC 机上进行程序开发。 e. 先进的操作：性和维修性。(1)具有触摸面板，容易操作。(2)可采用存储卡改变输入输出。数控技术的发展趋势数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，他对国计民生的一些重要行业（IT、汽车、轻工、医疗等）的发展起着越来越重要的作用，因为这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。从目前世界上数控技术及其装备发展的趋势来看，其主要研究热点有以下几个方面：1. 高速、高精加工技术及装备的新趋势效率、质量是先进制造技术的主体。高速、高精加工技术可极大地提高效率，提高产品的质量和档次，缩短生产周期和提高市场竞争能力。为此日本先端技术研究会将其列为 5 大现代制造技术之一，国际生产工程学会（CIRP）将其确定为 21 世纪的中心研究方向之一。在轿车工业领域，年产 30 万辆的生产节拍是 40 秒/辆，而且多品种加工是轿车装备必须解决的重点问题之一；在航空和宇航工业领域，其加工的零部件多为薄壁和薄筋，刚度很差，材料为铝或铝合金，只有在高切削速度和切削力很小的情况下，才能对这些筋、壁进行加工。近来采用大型整体铝合金坯料“掏空”的方法来制造机翼、机身等大型零件来替代多个零件通过众多的铆钉、螺钉和其他联结方式拼装，使构件的强度、刚度和可靠性得到提高。这些都对加工装备提出了高速、高精和高柔性的要求。从 EMO2001 展会情况来看，高速加工中心进给速度可达80m/min，甚至更高，空运行速度可达 100m/min 左右。目前世界上许多汽车厂，包括我国的上海通用汽车公司，已经采用以高速加工中心组成的生产线部分替代组合机床。美国CINCINNATI 公司的 HyperMach 机床进给速度最大达 60m/min，快速为 100m/min，加速度达 2g，主轴转速已达 60000r/min。加工一薄壁飞机零件，只用 30min，而同样的零件在一般高速铣床加工需 3h，在普通铣床加工需 8h；德国 DMG 公司的双主轴车床的主轴速度及加速度分别达 12000r/mm 和 1g。在加工精度方面，近 10 年来，普通级数控机床的加工精度已由10m 提高到 5m，精密级加工中心则从 35m，提高到11.5m，并且超精密加工精度已开始进入纳米级(0.01m)。在可靠性方面，国外数控装置的 MTBF 值已达 6000h 以上，伺服系统的 MTBF 值达到 30000h 以上，表现出非常高的可靠性。为了实现高速、高精加工，与之配套的功能部件如电主轴、直线电机得到了快速的发展，应用领域进一步扩大。2.3 轴联动加工和复合加工机床快速发展采用 5 轴联动对三维曲面零件的加工，可用刀具最佳几何形状进行切削，不仅光洁度高，而且效率也大幅度提高。一般认为，1 台 5 轴联动机床的效率可以等于 2 台 3 轴联动机床，特别是使用立方氮化硼等超硬材料铣刀进行高速铣削淬硬钢零件时，5 轴联动加工可比 3 轴联动加工发挥更高的效益。但过去因 5 轴联动数控系统、主机结构复杂等原因，其价格要比 3 轴联动数控机床高出数倍，加之编程技术难度较大，制约了 5 轴联动机床的发展。当前由于电主轴的出现，使得实现 5 轴联动加工的复合主轴头结构大为简化，其制造难度和成本大幅度降低，数控系统的价格差距缩小。因此促进了复合主轴头类型 5 轴联动机床和复合加工机床（含 5 面加工机床）的发展。在 EMO2001 展会上，新日本工机的 5 面加工机床采用复合主轴头，可实现 4 个垂直平面的加工和任意角度的加工，使得 5面加工和 5 轴加工可在同一台机床上实现，还可实现倾斜面和倒锥孔的加工。德国 DMG 公司展出 DMUVoution 系列加工中心，可在一次装夹下 5 面加工和 5 轴联动加工，可由 CNC 系统控制或 CAD/CAM 直接或间接控制。3. 智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势21 世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统，智能化的内容包括在数控系统中的各个方面：为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如加工过程的自适应控制，工艺参数自动生成；为提高驱动性能及使用连接方便的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等；简化编程、简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程、智能化的人机界面等；还有智能诊断、智能监控方面的内容、方便系统的诊断及维修等。为解决传统的数控系统封闭性和数控应用软件的产业化生产存在的问题。目前许多国家对开放式数控系统进行研究，如美国的 NGC(The Next Generation Work-Station/Machine Control)、欧共体的 OSACA(Open System Architecture for Control within Automation Systems)、日本的 OSEC(Open System Environment for Controller)，中国的 ONC(Open Numerical Control System)等。数控系统开放化已经成为数控系统的未来之路。所谓开放式数控系统就是数控系统的开发可以在统一的运行平台上，面向机床厂家和最终用户，通过改变、增加或剪裁结构对象（数控功能） ，形成系列化，并可方便地将用户的特殊应用和技术诀窍集成到控制系统中，快速实现不同品种、不同档次的开放式数控系统，形成具有鲜明个性的名牌产品。目前开放式数控系统的体系结构规范、通信规范、配置规范、运行平台、数控系统功能库以及数控系统功能软件开发工具等是当前研究的核心。网络化数控装备是近两年国际著名机床博览会的一个新亮点。数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求，也是实现新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元。国内外一些著名数控机床和数控系统制造公司都在近两年推出了相关的新概念和样机，如在EMO2001 展中，日本山崎马扎克（Mazak)公司展出的“CyberProduction Center”（智能生产控制中心，简称 CPC)；日本大隈（Okuma）机床公司展出“IT plaza” （信息技术广场，简称 IT 广场)；德国西门子(Siemens)公司展出的Open Manufacturing Environment（开放制造环境，简称OME）等，反映了数控机床加工向网络化方向发展的趋势。4. 重视新技术标准、规范的建立a.关于数控系统设计开发规范如前所述，开放式数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、扩展性，美国、欧共体和日本等国纷纷实施战略发展计划，并进行开放式体系结构数控系统规范(OMAC、OSACA、OSEC)的研究和制定，世界 3 个最大的经济体在短期内进行了几乎相同的科学计划和规范的制定，预示了数控技术的一个新的变革时期的来临。我国在 2000 年也开始进行中国的 ONC 数控系统的规范框架的研究和制定。b. 关于数控标准数控标准是制造业信息化发展的一种趋势。数控技术诞生后的50 年间的信息交换都是基于 ISO6983 标准，即采用 G，M 代码描述如何（how）加工，其本质特征是面向加工过程，显然，他已越来越不能满足现代数控技术高速发展的需要。为此，国际上正在研究和制定一种新的 CNC 系统标准 ISO14649（STEPNC)，其目的是提供一种不依赖于具体系统的中性机制，能够描述产品整个生命周期内的统一数据模型，从而实现整个制造过程，乃至各个工业领域产品信息的标准化。STEP-NC 的出现可能是数控技术领域的一次革命，对于数控技术的发展乃至整个制造业，将产生深远的影响。首先，STEP-NC 提出一种崭新的制造理念，传统的制造理念中，NC 加工程序都集中在单个计算机上。而在新标准下，NC 程序可以分散在互联网上，这正是数控技术开放式、网络化发展的方向。其次，STEP-NC 数控系统还可大大减少加工图纸（约 75） 、加工程序编制时间（约 35）和加工时间（约 50） 。目前，欧美国家非常重视 STEP-NC 的研究，欧洲发起了STEP-NC 的 IMS 计划(1999.1.12001.12.31)。参加这项计划的有来自欧洲和日本的 20 个 CAD/CAM/CAPP/CNC 用户、厂商和学术机构。美国的 STEP Tools 公司是全球范围内制造业数据交换软件的开发者，他已经开发了用作数控机床加工信息交换的超级模型(Super Model)，其目标是用统一的规范描述所有加工过程。目前这种新的数据交换格式已经在配备了SIEMENS、FIDIA 以及欧洲 OSACA-NC 数控系统的原型样机上进行了验证。我国数控技术及其产业发展1.我国在数控技术方面的成绩我国数控技术起步于 1958 年，近 50 年的发展历程大致可分为 3 个阶段:第一阶段从 1958 年到 1979 年，即封闭式发展阶段。在此阶段，由于国外的技术封锁和我国的基础条件的限制，数控技术的发展较为缓慢。第二阶段是在国家的“六五” 、 “七五”期间以及“八五”的前期，即引进技术，消化吸收，初步建立起国产化体系阶段。在此阶段，由于改革开放和国家的重视，以及研究开发环境和国际环境的改善，我国数控技术的研究、开发以及在产品的国产化方面都取得了长足的进步。第三阶段是在国家的“八五”的后期和“九五”期间，即实施产业化的研究，进入市场竞争阶段。在此阶段，我国国产数控装备的产业化取得了实质性进步。在“九五”末期，国产数控机床的国内市场占有率达 50，配国产数控系统(普及型)也达到了 10%。纵观我国数控技术近 50 年的发展历程，特别是经过 4 个 5年计划的攻关，总体来看取得了以下成绩。(1)奠定了数控技术发展的基础，基本掌握了现代数控技术我国现在己基本掌握了从数控系统、伺服驱动、数控主机、专机及其配套件的基础技术，其中大部分技术己具备进行商品化开发的基础，部分技术己商品化、产业化。(2)初步形成了数控产业基地在攻关成果和部分技术商品化的基础上，建立了诸如华中数控、航天数控等具有批量生产能力的数控系统生产厂。兰州电机厂、华中数控等一批伺服系统和伺服电机生产厂以及北京第一机床厂、济南第一机床厂等若干数控主机生产厂。这些生产厂基本形成了我国的数控产业基地。(3)建立了一支数控研究、开发、管理人才的基本队伍虽然在数控技术的研究开发以及产业化方面取得了长足的进步，但我们也要清醒地认识到，我国高端数控技术的研究开发，尤其是在产业化方面的技术水平现状与我国的现实需求还有较大的差距。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。2.从国际上来看，对我国数控技术水平和产业化水平估计(1)技术水平上，与国外先进水平大约落后 10 至 15 年，在高精尖技术方面则更大。(2)产业化水平上，市场占有率低，品种覆盖率小，还没有形成规模生产；功能部件业化生产水平及成套能力较低；外观质量相对差；可靠性不高，商品化程度不足；国产数控系统尚未建立自己的品牌效应，用户信心不足。 (3)可持续发展的能力上，对竞争前数控技术的研究开发、工程化能力较弱；数控技术应用领域拓展力度不强;相关标准规范的研究、制定滞后。3、存在差距的主要原因(1)认识方面对国产数控产业进程艰巨性、复杂性和长期性的特点认识不足;对市场的不规范、国外的封锁加扼杀、体制等困难估计不足;对我国数控技术应用水平及能力分析不够。(2)体系方面从技术的角度关注数控产业化问题的时候多，从系统的、产业链的角度综合考虑数控产业化问题的时候少;没有建立完整的高质量的配套体系、完善的培训、服务网络等支撑体系。(3)机制方面不良机制造成人才流失，又制约了技术及技术路线创新、产品创新，且制约了规划的有效实施，往往规划理想，实施困难。(4)技术方面企业在技术方面自主创新能力不强，核心技术的工程化能力不强。机床标准落后，水平较低，数控系统新标准研究不够。第二章 设计方案和基本方案的确定2.1 设计任务（1）进给伺服系统设计计算此部分为机械部分，它包括脉冲当量的确定；滚珠丝杠螺母副的设计、计算和选型；进给伺服系统的传动计算；步进电机的计算和选用；设计并绘制总装配图，其中包括横向装配图，还有横向自制箱体的零件图。（2）单片机控制系统设计此部分包括设计并绘制控制系统硬件原理图。2.2 总体方案设计的内容机床数控系统总体方案的拟订应包括以下内容：伺服系统的选择，执行机构及运动方式的确定，控制芯片的选择等内容。一般应根据设计任务，机床实际情况和要求提出几个总体方案，进行综合分析，比较和论证，最后选出一个合理的总体方案。2.2.1 伺服驱动电机的选择在我过设备数控化改造的一段时间里，较多采用步进电机作为伺服驱动元件。步进电机是一种特殊结构的电机,它利用通电激磁绕组产生反应力矩，将脉冲电信号的能量转换为机械位移的电机执行元件。当激磁绕组按一定规律获得分配脉冲时，步进电机的转子就会转动。转子转过的角度与输入的脉冲个数具有较严格的比例关系，而且转动与输入脉冲在时间上同步，因此可以利用这些特点控制运动的速度和位移量。步进电机的优点是结构简单，电气控制和驱动电路也简单，体积小，重量轻，价格便宜，设计制造较简单，容易调试，使用维修方便。位移精度较好，对各种干扰因素不敏感，结构误差不会累积。另外，电机时间常数小，反应快。但步进电机也有缺点，主要是容易丢步，启动频率低，工作效率也不够高，低频时振动大，可能造成失误，因此步进电机多用于负载较小，负载变化不大或要求不太高的经济型简易型数控设备中。综上所述，综合了成功率，技术难度，精度和投资等因素，决定选用步进电机开环伺服驱动2.2.2 控制芯片的选择微机数控系统由 CPU、存储扩展电路和 I/O 接口电路、伺服电机驱动电路等几部分组成。数控系统的核心是微机，其它装置均在微机的控制下进行工作。系统的功能和系统中所用的微机直接相关。数控系统对微机的要求是多方面的，但主要指标是字长和速度，字长不仅影响系统的最大加工尺寸，而且影响加工的精度和运算精度。本设计采用的是 MCS51 机，并扩展2 片 2764 芯片，1 片 6264 芯片，3 片 8155 可编程并行 I/O 等组成的控制系统。2.2.3 微机数控制系统功能（1）横向，纵向进给伺服运动。（2）程控制（3）盘控制（4）功能：报警电路，复位电路，隔离电路，功放电路等。2.3 数控系统各部件的结构及其工作原理2.3.1 主控器（1）主控制器及主控制芯片的选择目前在数控系统中常用的芯片有8086，8088，80286，80386 以及 8098，8096 等 16 位机的CPU，在一般的数控系统中推荐采用 MCS51 系列单片机作为主控制器。这里选用 MCS51 系列中的 8031 芯片。 （2）MSC51 系列单片机介绍 MSC51 系列单片机的基本特征MSC51 系列单片机主要有三种：8031，8051 和 8751。该系列产品是集 CPU、I/0 口及部分 RAM 等为一体的功能很强的控制器，只需增加少量外围器件就可以构成一个完整的微机控制系统。并且开发手段齐全，指令系统功能强，编程灵活性大，硬件资料也很丰富。三种型号的引脚完全相同，仅在内部结构上有少许差别，可以说 8031 是没有 ROM 的 8051，而 8751 是EPROM 代替 ROM 的 8051。工业控制中应用最多的是 8031。8031 的基本特征如下：具有 8 位中央处理单元（CPU） 。片内有时钟发生电路（6MHz 或 12MHz）,每执行一条指令时间为 2s 或者 1s。具有 128 字节的 RAM。具有 21 个特殊功能寄存器。可寻址 64KB 的外部数据存储器和 64KB 的外部程序存储器。具有四个 I/O 口，32 根 I/O 线。具有两个 16 位定时器/计数器。具有 5 个中断源，配备两个优先级具有一个全双工串行接口具有位寻址能力，适用逻辑运算从上述特性可知:一块 8031 的功能相当于微型计算机系统。管脚功能分析及特性简介引脚功能分类表：I/O 口线： 0P， 1， 2， 3P共四个 8 位口。控制线： SEN（中断取指令控制） ，ALE（地址锁存控制） ，A（中断存储器选择） ，RESET（复位控制）电源及时钟： cV， s， 1XATL， 2应用特性：I/O 口线不能都用作用户 I/O 线，除 8051，8751 外真正可完全为用户使用的 I/O 口线，只有 1P口以及部分作为第一功能使用的 3P口。I/O 口的驱动功能为： 0口驱动 8 个 TTL 门电路，而 2P、 3只能驱动 4 个 TTL 门电路。3口具有提升电阻的 8 位双向 I/O 口，该口的每一位均可独立的定义为第一 I/O 口功能或者第二 I/O 口功能。时钟频率：外接时钟频率可在 1.212MHz 间选取。总线结构地址总线 AB地址总线宽度为 16 位，故其外部存储器直接选址范围达到64KB，16 位地址总线由 0P口经地址锁存器提供低 8 位， 8A15A由 2P直接提供。数据总线 DB数据总线宽度为 8 位，由 0口直接提供。控制总线 CB由 3口的第二功能状态和四根独立的控制线 RESET， EA，ALE，PSEN组成。 存储器结构单片机的存储器包括程序存储器（EPROM 或 ROM）和数据存储器（RAM） ，它们是可以选用并可直接寻址的存储器。 扩展芯片I/O 口扩展集成电路中有三种专用 I/O 口扩展芯片。I/O 口扩展复合芯片，TTL 电路芯片，在本次设计中，除了采用 I/O口外还能扩展其他外围功能电路，主要有 8155（28+6 并行I/O 口，256 个静态 RAM，一个 14 位定时器） ，TTL 电路芯片，也广泛用作 MCS-51 单片机 I/O 扩展芯片，主要有74LS373，273，374，244 等。2.3.2 选择芯片（1）EPROM 的选择芯片的型号不同，应用参数也不同，主要有最大读出速度，工作温度及容量。在确定容量内选择 EPROM 的型号，主要考虑因素是读取速度，这是决定系统能否正确工作队的前提。根据CPU 与 EPROM 的匹配要求，应满足 8031 能提供的读取时间大于EPROM 所需要的读