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CW6163
普通
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设计
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CW6163普通车床半闭环数控改造设计,CW6163,普通,车床,闭环,数控,改造,设计
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毕业设计说明书CW6163普通车床半闭环数控改造设计【月底】学 生 班 级 学 号 指导教师 摘 要本次设计是对CW6163旧机床数控化进给系统的改造的设计。在这里主要包括:主传动系统的设计、纵向进给系统的设计、横向进给系统的设计。而我主要是针对横向进给系统的设计纵向进给系统进行机械设计。这次毕业设计对设计工作的基本技能的训练，提高了分析和解决工程技术问题的能力，并为进行一般机械的设计创造了一定条件。数控设计主要传动系统的机械设计。由于对经济型机床数控化改造的加工精度要求不高，为简化结构、降低成本。通过控制横进给系统，保证设计后的车床具有定位、直线插补、圆弧插补、暂停等功能。为实现机床所要求的传动效率，采用步进电机经联轴器再传动丝杠；为保证一定的传动精度和平稳性，尽量减小摩擦力，选用滚珠丝杠螺母副。关键词：车床，数控设计， 联轴器，滚珠丝杠 AbstractThis design is about the common Lathe CW6163 transformation of NC. Main tasks are: the transformation of the main transmission system, the transformation of the vertical feeding system, horizontal feed system reform. While I was mainly aim at the lateral feeding system mechanical transformation. The graduation project on the design of the basic skills training has improved the analysis and the ability to solve engineering problems, and create a certain condition for general mechanical design. NC transformation is mainly a transformation of mechanical drive system. Because of the economy less precision CNC machining, it is order to simplify the structure and reduce costs. By controlling the cross-feed system, it ensures the modified lathe with positioning, linear interpolation, circular interpolation, and pause. Required for the realization of the transmission efficiency of machine tool, we should us a stepping motor drive and then screw through the coupling. To ensure a certain degree of driving accuracy and stability and minimize friction, a ball screw pair is needed. Keywords: lathe, NC Transformation , Coupling ,Ball Screw 目 录摘 要IIAbstractIII目 录IV第1章 概述11.1 国内外数控机床发展的历史和现状11.2 数控机床发展趋势和研究方向21.3普通机床的数控化改造的必要性8第2章 车床数控改造总体方案的制订及比较122.1 数控机床工作原理及组成122.2 数控部分的设计改造122.3 系统的运动方式与伺服系统的选择132.4 计算机系统132.5 机械传动方式132.6 运动方式的确定132.7 系统的选择142.8 机构传动方式的确定142.9 微机的选择142.10 总体方案框图14第3章 纵向进给伺服进给结构设计153.1 CW6163普通车床参数153.2 计算切削力153.3 丝杆螺母副的计算和造型163.4 齿轮传动比计算193.5 步进电机的计算和选型203.5导轨的特点243.6 导轨的设计25第4章 横向进给伺服进给结构设计284.1 滚珠丝杠螺母副的计算和选型284.1.1 最大工作载荷的计算284.1.2 最大动载荷的计算284.1.3滚珠丝杠螺母副的选型294.1.4 滚珠丝杠副的支承方式294.1.5 传动效率的计算294.1.6 刚度的验算304.1.7 稳定性校核304.1.8临界转速的验证314.2 进给伺服系统传动计算314.2.1确定传动比314.2.2齿轮参数的计算314.3 步进电机的计算和选用314.3.1转动惯量的计算314.3.2电机力矩的计算334.4 步进电机的选择35第5章 数控系统硬件电路设计375.1数控车床及数控系统概述375.1.1机床主机375.1.2驱动装置375.1.3辅助装置385.1.4数控装置系统385.1.5编程装置395.2微机控制系统硬件电路设计395.2.1控制系统的功能要求395.2.2硬件电路的组成395.3 单板机控制系统的设计405.3.1 硬件配置405.3.2 存贮器空间分配405.3.3 I/O口地址分配405.3.4.光电隔离电路415.4 8031单片机简介415.5存储器扩展电路设计425.5.1 程序存储器的扩展425.5.2数据存储器的扩展445.5.3并行I/O接口电路的扩展455.6译码电路设计475.7其他辅助电路设计485.7.1 8031的时钟电路单片机的时钟的产生方式485.7.2 复位电路485.7.3 越界报警电路495.7.4 掉电保护电路495.8 控制回路设计505.8.1 位置环控制505.8.2 电流环设计505.8.3 系统控制功能分析515.8.4 系统管理程序控制515.8.5 自动加工程序设计52结论54参考文献55致谢5711第1章 概述1.1 国内外数控机床发展的历史和现状数控技术，简称数控（Numerical Control ）即采用数字控制的方法对某一工作过程实现自动控制的技术。它所控制的通常是位置、角度、速度等机械量和与机械能量流向有关的开关量。数控的产生依赖于数据载体和二进制形式数据运算的出现。发展历史1948年，美国帕森斯公司接受美国空军委托，研制直升飞机螺旋桨叶片轮廓检验用样板的加工设备。由于样板形状复杂多样，精度要求高，一般加工设备难以适应，于是提出采用数字脉冲控制机床的设想。 1949年，该公司与美国麻省理工学院(MIT)开始共同研究，并于1952年试制成功第一台三坐标数控铣床，当时的数控装置采用电子管元件。 1959年，数控装置采用了晶体管元件和印刷电路板，出现带自动换刀装置的数控机床，称为加工中心( MC Machining Center)，使数控装置进入了第二代。 1965年，出现了第三代的集成电路数控装置，不仅体积小，功率消耗少，且可靠性提高，价格进一步下降，促进了数控机床品种和产量的发展。 60年代末，先后出现了由一台计算机直接控制多台机床的直接数控系统(简称 DNC)，又称群控系统；采用小型计算机控制的计算机数控系统(简称 CNC)，使数控装置进入了以小型计算机化为特征的第四代。 1974年，研制成功使用微处理器和半导体存贮器的微型计算机数控装置(简称 MNC)，这是第五代数控系统。 20世纪80年代初，随着计算机软、硬件技术的发展，出现了能进行人机对话式自动编制程序的数控装置；数控装置愈趋小型化，可以直接安装在机床上；数控机床的自动化程度进一步提高，具有自动监控刀具破损和自动检测工件等功能。 20世纪90年代后期，出现了PC+CNC智能数控系统，即以PC机为控制系统的硬件部分，在PC机上安装NC软件系统，此种方式系统维护方便，易于实现网络化制造。 现在，数控技术也叫计算机数控技术（Computerized Numerical Control 简称：CNC），目前它是采用计算机实现数字程序控制的技术。这种技术用计算机按事先存贮的控制程序来执行对设备的控制功能。由于采用计算机替代原先用硬件逻辑电路组成的数控装置，使输入数据的存贮、处理、运算、逻辑判断等各种控制机能的实现，均可以通过计算机软件来完成。数控技术是制造业信息化的重要组成部分。发展途径数控技术和数控装备是制造工业现代化的重要基础。这个基础是否牢固直接影响到一个国家的经济发展和综合国力，关系到一个国家的战略地位。因此，世界上各工业发达国家均采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业。 在我国，数控技术与装备的发展亦得到了高度重视，近年来取得了相当大的进步。特别是在通用微机数控领域，以PC平台为基础的国产数控系统，已经走在了世界前列。但是，我国在数控技术研究和产业发展方面亦存在不少问题，特别是在技术创新能力、商品化进程、市场占有率等方面情况尤为突出。在新世纪到来时，如何有效解决这些问题，使我国数控领域沿着可持续发展的道路，从整体上全面迈入世界先进行列，使我们在国际竞争中有举足轻重的地位，将是数控研究开发部门和生产厂家所面临的重要任务。 为完成此任务，首先必须确立符合中国国情的发展道路。为此，本文从总体战略和技术路线两个层次及数控系统、功能部件、数控整机等几个具体方面探讨了新世纪的发展途径。1.2 数控机床发展趋势和研究方向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12*1000r/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6 000h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。五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 数控技术（1）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。 （2）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。数控系统技术的突飞猛进为数控机床的技术进步提供了条件。为了满足市场的需要，达到现代制造技术对数控技术提出的更高的要求，当前，世界数控技术及其装备的发展主要体现为以下几方面技术特征：1高速、高效机床向高速化方向发展，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。20世纪90年代以来，欧、美、日各国争相开发应用新一代高速数控机床，加快机床高速化发展步伐。高速主轴单元(电主轴，转速15000100000r/min)、高速且高加/减速度的进给运动部件(快移速度60120m/min，切削进给速度高达60m/min)、高性能数控和伺服系统以及数控工具系统都出现了新的突破，达到了新的技术水平。随着超高速切削机理、超硬耐磨长寿命刀具材料和磨料磨具，大功率高速电主轴、高加/减速度直线电机驱动进给部件以及高性能控制系统(含监控系统)和防护装置等一系列技术领域中关键技术的解决，为开发应用新一代高速数控机床提供了技术基础。目前，在超高速加工中，车削和铣削的切削速度已达到50008000m/min以上；主轴转数在30000转/分(有的高达10万r/min)以上；工作台的移动速度(进给速度)：在分辨率为1微米时，在100m/min(有的到200m/min)以上，在分辨率为0.1微米时，在24m/min以上；自动换刀速度在1秒以内；小线段插补进给速度达到12m/min。2高精度从精密加工发展到超精密加工，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(10nm)，其应用范围日趋广泛。当前，在机械加工高精度的要求下，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11.5m，甚至更高；超精密加工精度进入纳米级(0.001微米)，主轴回转精度要求达到0.010.05微米，加工圆度为0.1微米，加工表面粗糙度Ra=0.003微米等。这些机床一般都采用矢量控制的变频驱动电主轴(电机与主轴一体化)，主轴径跳动小于2祄，轴向窜动小于1祄，轴系不平衡度达到G0.4级。高速高精加工机床的进给驱动，主要有“回转伺服电机加精密高速滚珠丝杠”和“直线电机直接驱动”两种类型。此外，新兴的并联机床也易于实现高速进给。滚珠丝杠由于工艺成熟，应用广泛，不仅精度能达到较高(ISO3408 1级)，而且实现高速化的成本也相对较低，所以迄今仍为许多高速加工机床所采用。当前使用滚珠丝杠驱动的高速加工机床最大移动速度90m/min，加速度1.5g。滚珠丝杠属机械传动，在传动过程中不可避免存在弹性变形、摩擦和反向间隙，相应地造成运动滞后和其它非线性误差，为了排除这些误差对加工精度的影响，1993年开始在机床上应用直线电机直接驱动，由于是没有中间环节的“零传动”，不仅运动惯量小、系统刚度大、响应快，可以达到很高的速度和加速度，而且其行程长度理论上不受限制，定位精度在高精度位置反馈系统的作用下也易达到较高水平，是高速高精加工机床特别是中、大型机床较理想的驱动方式。目前使用直线电机的高速高精加工机床最大快移速度已达208 m/min，加速度2g，并且还有发展余地。3高可靠性随着数控机床网络化应用的发展，数控机床的高可靠性已经成为数控系统制造商和数控机床制造商追求的目标。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，无故障率在P(t)99%以上，则数控机床的平均无故障运行时间MTBF就必须大于3000小时。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(数控的可靠比主机高一个数量级)。此时数控系统的MTBF就要大于33333.3小时，而其中的数控装置、主轴及驱动等的MTBF就必须大于10万小时。当前国外数控装置的MTBF值已达6000小时以上，驱动装置达30000小时以上，但是，可以看到距理想的目标还有差距。4、复合化在零件加工过程中有大量的无用时间消耗在工件搬运、上下料、安装调整、换刀和主轴的升、降速上，为了尽可能降低这些无用时间，人们希望将不同的加工功能整合在同一台机床上，因此，复合功能的机床成为近年来发展很快的机种。柔性制造范畴的机床复合加工概念是指将工件一次装夹后，机床便能按照数控加工程序，自动进行同一类工艺方法或不同类工艺方法的多工序加工，以完成一个复杂形状零件的主要乃至全部车、铣、钻、镗、磨、攻丝、铰孔和扩孔等多种加工工序。就棱体类零件而言，加工中心便是最典型的进行同一类工艺方法多工序复合加工的机床。事实证明，机床复合加工能提高加工精度和加工效率，节省占地面积特别是能缩短零件的加工周期。5、多轴化随着5轴联动数控系统和编程软件的普及，5轴联动控制的加工中心和数控铣床已经成为当前的一个开发热点，由于在加工自由曲面时，5轴联动控制对球头铣刀的数控编程比较简单，并且能使球头铣刀在铣削3维曲面的过程中始终保持合理的切速，从而显着改善加工表面的粗糙度和大幅度提高加工效率，而在3轴联动控制的机床无法避免切速接近于零的球头铣刀端部参予切削，因此，5轴联动机床以其无可替代的性能优势已经成为各大机床厂家积极开发和竞争的焦点。最近，国外还在研究6轴联动控制使用非旋转刀具的加工中心，虽然其加工形状不受限制且切深可以很薄，但加工效率太低一时尚难实用化。6、智能化智能化是21世纪制造技术发展的一个大方向。智能加工是一种基于神经网络控制、模糊控制、数字化网络技术和理论的加工，它是要在加工过程中模拟人类专家的智能活动，以解决加工过程许多不确定性的、要由人工干预才能解决的问题。智能化的内容包括在数控系统中的各个方面：1.3普通机床的数控化改造的必要性机床数控化改造的必要性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。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、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。如何进行机床数控化改造1、国外改造业的兴起在美国、日本和德国等发达国家，它们的机床改造作为新的经济增长行业，生意盎然，正处在黄金时代。由于机床以及技术的不断进步，机床改造是个永恒的课题。我国的机床改造业，也从老的行业进入到以数控技术为主的新的行业。在美国、日本、德国，用数控技术改造机床和生产线具有广阔的市场，已形成了机床和生产线数控改造的新的行业。在美国，机床改造业称为机床再生（Remanufacturing）业。从事再生业的著名有：Bertsche工程、ayton机床、Devlieg-Bullavd（得宝）服务、US设备等。美国得宝已在中国开办。在日本，机床改造业称为机床改装（Retrofitting）业。从事改装业的著名有：大隈工程、岗三机械、千代田工机、野崎工程、滨田工程、山本工程等。2、数控化改造的内容机床与生产线的数控化改造主要内容有以下几点：其一是恢复原功能，对机床、生产线存在的故障部分进行诊断并恢复；其二是NC化，在普通机床上加数显装置，或加数控系统，改造成NC机床、CNC机床；其三是翻新，为提高精度、效率和自动化程度，对机械、电气部分进行翻新，对机械部分重新装配加工，恢复原精度；对其不满足生产要求的CNC系统以最新CNC进行更新；其四是技术更新或技术创新，为提高性能或档次，或为了使用新工艺、新技术，在原有基础上进行较大规模的技术更新或技术创新，较大幅度地提高水平和档次的更新改造。3、数控化改造的优点(1)减少投资额、交货期短同购置新机床相比，一般可以节省6080的费用，改造费用低。特别是大型、特殊机床尤其明显。一般大型机床改造，只花新机床购置费用的1/3，交货期短。但有些特殊情况，如高速主轴、托盘自动交换装置的制作与安装过于费工、费钱，往往改造成本提高23倍，与购置新机床相比，只能节省投资50左右。(2)机械性能稳定可靠，结构受限所利用的床身、立柱等基础件都是重而坚固的铸造构件，而不是那种焊接构件，改造后的机床性能高、质量好，可以作为新设备继续使用多年。但是受到原来机械结构的限制，不宜做突破性的改造。(3)熟悉了解设备、便于操作维修新设备时，不了解新设备是否能满足其加工要求。改造则不然，可以精确地计算出机床的加工能力；另外，由于多年使用，操作者对机床的特性早已了解，在操作使用和维修方面培训时间短，见效快。改造的机床一安装好，就可以实现全负荷运转。(4)可充分利用现有的条件可以充分利用现有地基，不必像购入新设备时那样需重新构筑地基。(5)可以采用最新的控制技术可根据技术革新的发展速度，及时地提高生产设备的自动化水平和效率，提高设备质量和档次，将旧机床改成当今水平的机床。4、数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。 第2章 车床数控改造总体方案的制订及比较对于普通车床的经济型数控改造，在考虑总体设计方案时，应遵循的原则是：在满足设计要求的前提下，对机床的改动应尽可能的少，以降低成本。2.1 数控机床工作原理及组成(1) 数控机床工作原理：数控机床加工零件时，首先应编制零件的加工程序，这是数控机床的工作指令。将加工程序输入到数控装置，再由数控装置控制机床主运动的变化、起停，进给运动的方向、速度和位移量以及其它如刀具选择交换、工件夹紧松开和冷却润滑的开、关等动作，使刀具与工件及其它辅助装置严格的按照加工程序规定的顺序、轨迹和参数进行工作，从而加工出符合要求的零件。(2) 数控机床的组成：数控机床主要由控制介质、数控装置、伺服系统和机床本体等四部分组成，其组成框图如图2-1 图2-1数控机床的组成图2.2 数控部分的设计改造(1) 数控系统运动方式的确定数控系统按其运动轨迹可分为：点位控制系统、连续控制系统。点位控制系统只要求控制刀具从一点移到另外一点的位置，而对于运动轨迹原则上不加控制。连续控制系统能对两个或两个以上坐标方向的位移进行严格的不间断的控制。由于车床要加工复杂轮廓零件，所以本微机数控系统采用连续控制系统。(2)伺服进给系统的设计改造 数控机床的伺服进给系统按有无位置检测和反馈可分为开环伺服系统、半闭环伺服系统、闭环伺服系统。闭环控制方案的优点是可以达到高的机床精度，能补偿机械传动系统中的各种误差，消除间隙、干扰对加工精度的影响。但他结构复杂、技术难度大、调式和维修困难、造价高。半闭环控制系统由于调速范围宽，过载能力强，又采用反馈控制，因此性能远优于以步进电动机驱动的开环控制系统。但是，采用半闭环控制其调式比开环要复杂，设计上也要有其自身的特点，技术难度较大。开环控制系统中没有位置控制器及反馈线路，因此开环系统的精度较差，但其结构简单，易于调整，所以常用于精度要求不高的场合。经过上序比较，由于所改造的车床的目标加工精度要求不高，所以决定采用开环控制系统。(3) 数控系统的硬件电路设计 数控系统都是由硬件和软件两部分组成，硬件是控制系统的基础，性能的好坏直接影响整体数控系统的工作性能。数控装置的设计方案通常有：a) 可以全部自己设计制作a) 可以采用单板机或STD模块或工控机改制b) 可以选用现成的数控装置作少量的适应化改动跟据本次设计的要求采用第一种设计方案。2.3 系统的运动方式与伺服系统的选择由于改造后的经济型数控车床应具有定位、直线插补、顺圆和逆圆插补、暂停、循环加工公英螺纹加工等功能，故应选择连续控制系统。考虑到属于经济型数控机床加工精度要求不高，为了简化结构、降低成本，采用步进电机开环控制系统。2.4 计算机系统根据机床要求，采用8位微机。由于MCS51系列单片机具有集成度高，可靠性好、功能强、速度快、抗干扰能力强、性能价格比高等特点，决定采用MCS51系列的8031单片机扩展系统。控制系统由微机部分、键盘及显示器、I/O接口及光隔离电路、步进电机功率放大电路等组成。系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现，显示器采用数码管显示加工数据及机床状态等信息。2.5 机械传动方式为实现机床所要求的分辨率，采用步进电机经齿轮减速再传动丝杆。为了保证一定的传动精度跟平稳性，尽量减少摩擦力。选用滚珠丝杆螺母副。同时，为了提高传动刚度和消除间隙，采用有预加负荷的结构。齿轮传动也要采用消除齿侧间隙的结构。2.6 运动方式的确定数按系统运动方式可分为点位控制系统、点位/直线系统和连续控制系统。由于车床要加工复杂轮廓零件，所以本次设计采用连续控制系统。2.7 系统的选择伺服系统可分为开环控制系统、半闭环控制和闭环控制系统。经过比较，由于车床加工精度要求不高，所以决定采用半闭环控制系统。2.8 机构传动方式的确定为确保数控系统的传动精度和工作平稳性，在设计机械传动装置时，通常提出低摩、低惯量、高刚度、无间隙、高谐振以及有适宜尼比的要求。在设计中应考虑以下几点：(1) 尽量采用低磨擦的传动和导向元件。如采用滚珠丝杠螺母传动副、滚动导轨、贴塑导轨等。(2) 尽量消除传动间隙。例如采用隙齿轮等。(3) 提高系统刚度。缩短传动链可以提高系统的传动刚度，减小传动链误差。可采用预紧的方法提高系统刚度。例如采用预加负载导轨和滚珠丝杠副等。2.9 微机的选择微机数控系统由CPU、存储器扩展电路、I/O接口电路、伺服电机驱动电路、检测电路等几部分组成。2.10 总体方案框图 图3-115第3章 纵向进给伺服进给结构设计3.1 CW6163普通车床参数最大回转直径630mm电机功率10KVLmax2000mm快进速度纵向2.4m/min横向1.2m/min切削速度纵向0.5m/min横向0.25m/min定位精度0.015移动部件重量纵向1200N横向800N加速时间30ms机床效率0.73.2 计算切削力横切端面: 查综合作业指导书P13页式中车床床身上加工最大直径横切端面时主切削力可取纵切时的式中 走刀方向的切削力（N） 垂直走刀方向的切削力（N） 主切削力F（N）按经验公式估算：走刀方向的切削分力（N）车床身上加工最大直径（mm）=630mm=10594.63（N） ：=1：0.25：0.4走刀方向的切削力垂直走刀方向的切削力=0.25=2648.66(N)=0.4=4237.85(N)3.3 丝杆螺母副的计算和造型(1) 计算进给牵引力纵向进给选为综合导轨。参考表6.22，6.23两表机床设计手册.3查书综合作业指导书P22在正常情况下：考虑颠复力矩影响的实验系数，综合导轨取K=1.15滑动导轨磨擦系数0.150.18移动部件重量，取=1200N=1.152648.66+0.16(4237.85+800)=2175.94(N)(2) 计算最大动负载CC=参考机床设计手册.3P185P210 选用滚珠丝杆导轨式中：滚珠丝杆导程。 初选为最大切削力条件下的进给速度，可取最高进给速度的1/21/3 取纵向3m/min使用寿命（h），对于数控取 =15000h 运转系数，按一般运转取1.21.5（查表314综合作业指导取为1.2寿命以 转为1单位丝杆转速r/min113C=19512.57(3) 滚珠丝杆螺母副的选型可采用WD6008外循环螺纹调整预紧的双螺母珠丝杆副，1列2.5圈，其额定功动负载为18200（N），精度等级按表综合作业指导书表3-17选为3级。(4) 传功效率计算：=式中：r螺旋升角，WD6008 r=磨擦角取10 滚动磨擦系数0.0030.004(5) 刚度验算先画出此纵向进给滚珠丝杠支承方式草图如A图所示，最大牵引力2175.94(N)。支承L=1500mm，丝杆螺母及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向负荷1/3。 丝杠的拉伸或压缩变形量 图3-5查综合作业指导书图3-4，根据=2175.94(N), 查出10-5 可算出=(0.6510-51500)mm=0.97510-2 mm由于两端均采用向心推力球轴承，且丝杆进行了预拉伸，故其拉压刚度可以提高4倍。其实际变形量(mm)为=1/4=0.97510-2/2=0.24410-2mm 滚珠与螺纹滚道间接触变形查综合作业指导书图3-5，W系列1列2.5圈滚珠和螺纹滚道接触变形量 =6.0m因进行预紧 =1/2=1/26.0=3.0m 支承滚珠丝杆轴承的轴向接触变形采用D8208型推力球轴承，=35mm,滚动体直径=6.35mm,滚动体数量Z=18, 注意此公式中单位应为N因施加预紧力，故 =1/2=1/20.009065=0.004528mm根据以上计算 =0.002440.00300.004528=0.009968479.39N可以满足要求，但从表中看出130BF001步进电机最高空载起动频率为3000HZ，不能满足=3333HZ的要求，此项指标可暂不考虑，可以采用软件开降速程序来解决。(2) 校核步进电机转矩前面所初步电机的转矩计算，均为估算，初迭之后，应该进行校核计算。效转动惯量计算计算简图如前（a）所示，根据综合作业指导书表3-24，传动系统计算到电机轴上的总的转动惯量 可由下式计算：=()()步进电机转子转动惯量（）.矢轮Z1Z2的转动惯量（）滚珠丝杆转动惯车（）参考同类型机床，初步反应式步进电机BF1，作台质量折算到电机轴上的转动惯量：I4()2w()2800.468kgcm24.68Ncm2 齿轮转动惯量：J17.810-44.842=8.281kgcm2=82.81 Ncm2 J27.810-412.842=53.678kgcm2 丝杆传动惯量： J3=7.810-464140=141.52kgcm2=1415.2 Ncm2电机转动惯量很小，可以忽略。因此，总的转动惯量：(J3+J2)+J1+J4 =(141.52+53.68)+0.468+8.281 = 130.52 kgcm2=1305.2 Ncm2(1) 所需转动力矩计算。快速空载启动所需力矩：最大切削力负载时所需力矩：式中：空载启动时折算到电机轴上的加速度力矩折算到电机轴上的摩擦力矩由于丝杆预紧所引起，折算到电机轴上的附加摩擦力矩切削时折算到电机轴上的加速度力矩折算到电机轴上的切削负载力矩 当时， 当时， 当，时，Ncm 当时，预加载荷则 所以，快速空载启动所需力矩：快速进给时所需力矩： 切削时所需力矩： 由以上分析计算可知：所需最大力矩发生快速启动时： ，所以选择型号WD6008 校核步进电机起动矩频特性和运行矩频特性。已计算出机床最大快移时需步进电机的最高起动频率为3333Hz，切削进入时所需步进电机运行频率为1335.2Hz。从综合作业指导书表323中查出型步进电机允许的最高空BF1-160载起动频率为3000Hz，运行频率为16000Hz，再从综合作业指导书图315，316查出BF1-160步进电机起动矩频特性和运行矩频特性曲线如（C）图所示，当步进电机起动时，时，,不能满足此机床所要求的空载起动力矩222.916N.cm。直接使用则会施行失步现象，所以必须采取开降进控制用软件实现，将起动频率到1000Hz起动转矩可增高到588.4N.cm，然后电路上再采用高低压驱动电路，可将电机输出转矩扩大一倍左右。当快速运动和切削进给时，BF1-160型步进电机运行矩频特性（D）图完全可以满足要求： 图5-63.5导轨的特点滑动导轨的优点是结构简单、制造方便和抗振性良好；缺点是磨损快。为了提高耐磨性，国内外主要采用镶钢滑动导轨和塑料滑动导轨。 滑动导轨常用材料有铸铁、钢、有色金属和塑料等。1铸铁 铸铁有良好的耐磨性、抗振性和工艺性。常用铸铁的种类有：（1）灰铸铁 一般选择HT200，用于手工刮研、中等精度和运动速度较低的导轨，硬度在HB180以上； （2）孕育铸铁 把硅铝孕育剂加入铁水而得，耐磨性高于灰铸铁； （3）合金铸铁 包括：含磷量高于0.3的高磷铸铁，耐磨性高于孕育铸铁一倍以上；磷铜钛铸铁和钒钛铸铁，耐磨性高于孕育铸铁二倍以上；各种稀土合金铸铁，有很高的耐磨性和机械性能；铸铁导轨的热处理方法，通常有接触电阻淬火和中高频感应淬火。接触电阻淬火，淬硬层为0.150.2mm。硬度可达HRC55。中高频感应淬火， 淬硬层为23mm，硬度可达HRC4855，耐磨性可提高二倍，但在导轨全长上依次淬火易产生变形，全长上同时淬火需要相应的设备。2钢 镶钢导轨的耐磨性较铸铁可提高五倍以上。常用的钢有：9Mn2V、CrWMn、GCr15、T8A、45、40Cr等采用表面淬火或整体淬硬处理，硬度为5258HRC；20Cr、20CrMnTi、15等渗碳淬火，渗碳淬硬至5662HRC；38C rMoAlA等采用氮化处理。3有色金属 常用的有色金属有黄铜HPb59-l，锡青铜ZCuSn6Pb3Zn6，铝青铜ZQAl9-2和锌合金ZZn-Al10-5，超硬铝LC4、铸铝ZL106等，其中以铝青铜较好。4塑料 镶装塑料导轨具有耐磨性好(但略低于铝青铜)，抗振性能好，工作温度适应范围广(-200+260)，抗撕伤能力强，动、静摩擦系数低、差别小，可降低低速运动的临界速度，加工性和化学稳定件好，工艺简单，成本低等优点。目前在各类机床的动导轨及图形发生器工作台的导轨上都有应用。塑料导轨多与不淬火的铸铁导轨搭配。导轨的使用寿命取决于导轨的结构、材料、制造质量、热处理方法、以及使用与维护。提高导轨的耐磨性，使其在较长时期内保持一定的导向精度，就能延长设备的使用寿命。常用的提高导轨耐磨性的方法有：采用镶装导轨、提高导轨的精度与改善表面粗糙度、采用卸荷装置减小导轨单位面积上的压力(即比压)等。3.6 导轨的设计一作用力合作用点位置，作用力方向和作用点的位置唏嘘合理安置。一边导轨倾斜的力矩尽量小。否则会使导轨中的摩擦力增大，磨加剧，从而降低导轨的灵活性和导向精度。严重时甚至还可能卡死，不能正常工作。作用在运动件上的推力有三种情况： 1.推力通过运动件在轴线2.推力作用点在运动件的轴线上。但推力的方向与轴线成一夹角3.推力平行于运动件的轴线上对于第一种情况，导轨镇南关的摩擦力只受到载荷及运动件本身重量的影响，推力不会产生附加摩擦力。犹豫结构上的限制，实际的结构中往往出项第二第三中情况。为了保证导轨的灵活性，要对导轨进行验算，在已知的条件先，确定各部分的集合尺寸。推力F与运动件轴线组成夹角a,如图所示推力F的作用将使运动件产生倾斜，从而使运动件与承导体的俩点处压紧， 设正压力分别为 .，相应摩擦力，作用间的距离为L，轴向阻力为 根据静力平衡条件,运动件的直径较小时，上式中含有d的各项可以略去。可解得：欲推动运动件，则必须使若要保证不卡死的条件是： 由此，可得到当推力F与运动件有一夹角a时，运动件正常工作的条件是 为当量摩擦系数在燕尾形和三角形导轨中:-滑动摩擦系数-眼尾轮廓角与三角底角二选与运动件轴线与轴线相距h，图中为轴向阻力和为反作用力，为当量摩擦系数，根据静力平衡条件解得：推动运动件则必须：保证运动件不卡死条件即：为了保证运动灵活，可取值当取f=0.25时，则有：对圆柱形导轨：对矩形导轨：对燕尾形或三角形导轨：在本设计的导轨中：h=200mm L=360 因此：符合相关要求.57第4章 横向进给伺服进给结构设计已知参数最小设定运动单位 脉冲当量纵0.01mm/step 横0.005mm/step最大进给速度 纵向3m/min； 横向=1.5m/min滚珠丝杠导程 S横4mm ； S纵6mm 行程 L横490mm ； L纵1060mm工作台重量 G横197kg G纵434kg时间常数 T10ms T纵10ms电机钮矩 P纵20Nm P横12 Nm步距角0.6/1.2(0.75/1.5)工作速度V横1m/min V纵2m/min4.1 滚珠丝杠螺母副的计算和选型4.1.1 最大工作载荷的计算已知溜板及刀架重力（N），横向为燕尾导轨，查表3-1，最大工作载荷的计算如下： =式中： 为考虑颠覆力矩影响时的实验系数，取1.4； 为滑动导轨摩擦系数，取0.2。4.1.2 最大动载荷的计算 式中：滚珠丝杠副的寿命系数，单位为r； 丝杠寿命，取15000； 载荷系数，一般取1.2； 硬度系数取1； 横向丝杠副最大工作载荷，其值为2459.6； 横向滚珠丝杠导程，初选为。 横向最大工进速度，横向=1.5m/min 横向最大工进速度对应丝杠的转度，单位。计算得出得 ：=12278.8。4.1.3滚珠丝杠螺母副的选型根据计算出的最大动载荷,选择江苏启东润泽机床附件有限公司生产的FL4005-3型内循环式滚珠丝杠副，采用双螺母方式预紧，精度等级为3级，其参数如表4-1所示。表4-1 FL3004型滚珠丝杠相关参数公称直径/导程/钢球直径/丝杠外径/丝杠底径/额定载荷/接触刚度/14533043.52926.532.8144.1.4 滚珠丝杠副的支承方式 考虑到横向滚珠丝杠副的长度、精度与负载的大小以及改造成本，采用双推-单推支承方式，该方式轴向刚度高，位移精度好，可以进行预拉伸。4.1.5 传动效率的计算 =式中：螺距升角，根据,可得=228； 摩擦角，一般取=10。算得： =95.67%4.1.6 刚度的验算=（“+”号代表拉伸，“-”代表压缩）式中：丝杠的最大工作载荷，单位为； 丝杠纵向最大有效行程，单位为； 丝杠材料的弹性模量，钢； 丝杠的横截面面积，单位按丝杠螺纹的底径确定。根据设计，为2459.6N，为490，为26.5，算得： =0.0047 =4.7查表3-3可知，,所以刚度足够。4.1.7 稳定性校核 =式中：丝杠支承系数，由表3-4得出单推-单推时，取1； 滚珠丝杠稳定安全系数，一般取2.54，本设计取4； 滚珠丝杠两端支承间的距离，单位为，本设计中该值为500； 按丝杠底径确定的截面惯性矩，（，单位为）本设中将代入算出=87080。 由以上数据可以算出：= 临界载荷远大于工作载荷（2459.6N），故丝杠不会失稳。4.1.8临界转速的验证 式中：丝杠支承系数，单推-单推方式时，由表3-5可得该值为12.1；临界转速计算长度，单位为，本设计中该值约为720；丝杠内径，单位；安全系数，可取=0.8经过计算可以算出，该值小于丝杠临界转速，所以满足要求。4.2 进给伺服系统传动计算4.2.1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选步进电机的步距角=0.75/1.5横向：4.2.2齿轮参数的计算摸数m取2。计算如下：横向：取小圆齿数为24小齿轮： 大齿轮：4.3 步进电机的计算和选用4.3.1转动惯量的计算（1）齿轮、轴、丝杠等圆柱体惯量计算（） 对于钢材： 式中：M圆柱体质量（）D圆柱体直径（）L圆柱体长度（）钢材的密度对于齿轮：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：（2）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：具体计算如下：纵向：横向：4.3.2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。1） 快速空载起动时所需力矩式中：（2） 快速进给时所需力矩因此对运动部件已起动，固不包含，显然。（3）最大切削负载时所需力矩式中：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：摩擦力矩 式中：附加摩擦力矩 式中：折算到电机轴上的切削负载力矩式中：具体计算：横向： 4.4 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从表中查出，当步进电机为三相六拍时， 纵向：按此最大静转矩产步进电机型号表（三相）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 Hz最高工作频率 Hz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。横向：按此最大静转矩产步进电机型号表（三相）可查出，90BYGH3502型最大静转矩转矩为5N.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。第5章 数控系统硬件电路设计5.1数控车床及数控系统概述第五技术委员会，对数控机床的定义：数控机床是一种装有程序控制系统的机床，该系统能够处理用号码或其它符号编码指令规定的程序。定义中所指的程序控制系统，就是数控系统或数控装置。它是一种控制系统，能自动阅读读入载体事先给定的数字值，并将其译码，从而控制机床动作，进行零件加工。数控机床的主要结构见图6-1，由机床主机、驱动装置、辅助装置、CNC装置和编程装置等组成。图6-1数控机床的主要结构5.1.1机床主机机床主机是数控机床的机械主体，由能实现各可控运动主轴和主运动的带传动、齿轮传动（变速箱）系统、工作部件和支承件等组成。在结构上数控机床主机与相应的非数控机床虽有类似的部分，但也有自己的特点：采用高性能的主轴及进给伺服传动系统；能长时间连续自动化加工，又能保持加工质量稳定性；通常采用预加载荷的滚珠丝杠副、直线滚动导轨副以及贴塑导轨等。5.1.2驱动装置数控机床主传动一般都由直流或交流主轴伺服电动机驱动。主轴调速功能由主轴伺服电动机的伺服单元接受数控装置给出的电位信号或数码转换信号控制，使电动机达到指定的转速。电动机上带速度反馈元件，它把电动机实际转速反馈给控制单元。图6-2进给传动表明每一个可控轴进给机构伺服系统的基本构成，按反馈控制形式分为以下三类。图5-2数控机床进给机构伺服系统1)开环伺服系统。如图5-2中虚线方框内结构，开环伺服系统没有检查机械运动的检测元件，即没有来自位置传感器的反馈信号。典型的开环伺服系统由步进电动机或电液脉冲马达驱动，运动速度和精度较低，运动中容易产生振荡、丢步等现象，因此仅用于经济型或简易型数控机床，其精度和速度的提高受到限制。2)半闭环伺服系统。这一类系统的位置检测元件从机械传动链的中间取得信号，检测元件大多是装在伺服电动机后端或滚珠丝杠驱动端，能获得比闭环伺服系统稳定性好的控制特性，而且也较经济，是全功能数控机床广泛采用的一种控制形式。3)闭环伺服系统。如图5-2所示，这类系统接受数控装置输出的指令信号，同时又接受由位置传感器检测的实际位置反馈信号，两者进行比较处理并由其差值不断进行误差修正；因此可以消除由于传动系统中存在的误差（如滚珠丝杠的导程误差)和热变形等的影响，得到较高的定位精度和加工精度。主要用于一些精度要求较高的数控机床，特别是精密、高精密数控机床，如精密卧式加工中心。本课题拟采用半闭环改造方式5.1.3辅助装置数控机床和非数控机床类似，包括液压和气动装置，冷却系统、润滑系统、自动排屑装置、防护装置等。数控机床对这些装置的工作质量、可靠性和技术性能都要求较高。5.1.4数控装置系统数控装置是数控机床的控制核心，包括运算和存储等计算机硬件、CRT显示器，操作面板和键盘、各种不同形式纷输入输出装置，以及相应配套的运算控制软件等。多数数控机床一般都采用计算机数控装置(CNC装置)，即按微机结构原理的硬件平台(有的采用少量专用芯片)配置专用软件，构成软件数控系统。数控装置通常具备的功能有：各可控轴控制及多轴联动控制、各种插补运算、代码转换、人机对话、局部加工功能选择、各种补偿功能、CRT显示、故障自诊断功能、与管理系统联网通信功能。数控系统功能档次可分为经济型(简易型)、全功能普及型和全功能高级型。全功能高级型还可有MAP通信协议接口，具有计算机联网和集成信息通信功能。5.1.5编程装置数控机床程序编制(简称编程)方法有手工和自动编程。对于点位加工或形状不太复杂的零件，编程计算较简单，程序段不多，用手工即可实现。但对于复杂零件，特别是空间曲面零件，编程计算相当繁琐，编程工作量大，必须采用自动编程方法。自动可分为离线编程和在线编程。与数控系统相脱离单独的自动编程系统实现离线编程，可为多台数控机床，编程时不占用机床工作时间。自动编程系统与数控系统连在一起时，可进行在线编程。例如有的CNC装置具有人机对话型编程功能，就是将离线编程机的许多功能移植到了数控系统。按输入方式的不同，自动有语言输入、图形输入和语音输入三种方式。5.2微机控制系统硬件电路设计5.2.1控制系统的功能要求（1）z向和x向进给伺服运动控制（2）自动回转刀架控制（3）螺纹加工控制（4）行程控制（5）键盘及显示（6）面板管理（7）其他功能：光电隔离、功率放大、报警、急停、复位。5.2.2硬件电路的组成后面所画大图采用MCS-51系列单片机组成的控制系统硬件电路原理图。电路的组成如下：（1）CPU采用8031芯片；（2）扩展程序存储器2764两片，6264一片；（3）扩展可编程接口芯片8155两片；（4）地址锁存器，译码器个一个；（5）键盘电路，显示电路；（6）光电隔离电路，功率放大功率；（7）越程报警电路，急停电路，复位电路；（8）面板管理电路。由于MCS51系列单片机在我国机床数控改造方面应用较普遍，其配套芯片价廉，普及性、通用性强，制造和维修方便，完全能够满足经济型数控车床改造的需要。C6140数控改造以8031CPU组成的单板机为数控控制系统。也可直接购买国内较好的数控系统系列产品做为数控装置。5.3 单板机控制系统的设计5.3.1 硬件配置存贮器选用1片4K8的2732EPROM和1片8K8位的6234RAM。监控程序固化在2732EPROM内，各功能模块程序及常用零件的的加工存放在2732EPROM内。1片6234RAM做为调试程序存放和运行程序的中间数据存放用。I/O接口芯片选用8155可编程I/O扩展接口，它的A口做为X、Y进给系统步进脉冲的输出口，其中PA0PA2为X向的输出口，PA3PA5为Y向输出口。B口为为位控方式，其中PB4PB7为-Y、+Y、-X、+X的行程越位信号输入。显示由8位LED构成，具有24键的键盘。5.3.2 存贮器空间分配单板机可寻址范围是64K字节，板上提供的插座占16K，已插入的芯片占10K，其余以备扩展使用。其存贮空间分配如下。0000H07FFH 2KB EPROM 放监控程序0800H0FFFH 2KB EPROM 放零件加工程序1000H17FFH 2KB RAM 调试程序2000H27FFH 2KB RAM 测试程序等5.3.3 I/O口地址分配单板机设置I/O口地址为809FH共32个口地址，分配如下。80H83H MCS51 803184H87H 字形锁存88H8BH 字位锁存8CH8FH 读键值90H9FH 用户使用5.3.4.光电隔离电路在步进电机驱动电路中，脉冲信号经功率放大器后控制步进电机励磁绕组。由于步进电机需要的驱动电压较高，电流较大，如果将输出信号与功率放大器直接相联，将会引起强电干扰。轻则影响计算机程序的正常工作，重则导致计算机和接口电路损坏。所以一般在接口电路功率放大器之间都要接上隔离电路。5.4 8031单片机简介8031单片机具有以下特点：（1） 具有功能很强的8位中央处理单元（CPU）；（2） 片内有时钟发生电路，每执行一条指令时间为2微秒或1微秒；（3） 片内具有128字节RAM；（4） 具有21个特殊寄存器；（5） 可扩展64K字节的外部数据存储器和64K字节的外部程序存储器。（6） 具有4个I/O口，32根I/O线；（7） 具有2个16位定时/器计数器；（8） 具有5个中断源，配备2个中断优先级；（9） 具有一个全双功串行接口；（10） 具有位寻址能力，适合逻辑功能。从上述特性可知，一块8031的功能几乎相当于一块Z80CPU、一块RAM。一块Z80CTC、两块Z80PIO和一块Z80SIO所组成的微机系统。可以看出这种芯片集成度高、功能强，只需增加少量外围器件就可以构成一个完整的微机系统。8031芯片引脚见下图：5.5存储器扩展电路设计5.5.1 程序存储器的扩展(1)MCS-51系列单片机的特点之一是硬件电路设计简单，系统结构紧凑。对于简单的应用场合，MCS-51系列的最小系统用一片8031外扩一片EPROM就能满足功能的要求，对于复杂的应用场合，可利用MCS-51的扩展功能，构成功能强、规模较大的系统。MCS-51的程序存储器的寻址空间为64K字节，8031片内不带ROM，用作程序存储器的器件是EPROM。常用的半导体ROM芯片有：2716、2732、2764、27218、27256、27512等。2764、27218、27256、27512芯片均为8脚双列直插式扁平封装芯片，本设计中采用两片2764，其引脚如下图：(2)ROM芯片及引脚的选择选择2764（8K8）半导体芯片。晶体频率选用6MHz，其所能提供的读取时间t小于480ms，故其芯片在时序上满足要求。2764芯片的引脚排列与兼容特性如下图： (3)地址锁存器的设计与选择由于单片机8031芯片的口是分时传送低8位地址线和数据线，故8031扩展系统中一定要有地址锁存器。选择74LS373芯片。74LS373芯片是带三态缓冲输出的8D触发器。其引脚及与8031芯片连接见下图：其真值表见下表：EGDQLHHHLHLLLLX注释： L低电平；H高电平；X不定态；建立稳态前Q的电平；G输入端，与8031ALE 连高电平：畅通无阻；低电平：关门所存使能端，接地 当G=“1”时，74LS373输出端1Q8Q与输入端1D8D相同 当G为下降沿 时，将输入数据锁存。（4）8031与EPROM2764芯片连接。5.5.2数据存储器的扩展由于8031芯片内部RAM芯片只有128字节，远远不能满足系统的需要，需扩展片外的数据存储器RAM。常用的静态RAM芯片有6116、6264、62256等。6264、62256均采用CMOS工艺，由单一5V供电，典型存取时间为150-200ns。它们均采用28脚双列直插式片平封装。5.5.3并行I/O接口电路的扩展8031单片机共有四个8位并行I/O口，但可供用户使用的只有口和部分口，因此，在大部分应用系统中都需要扩展I/O口芯片。Intel公司常用的外围接口芯片有：8155：可编程的RAM/IO扩展接口电路（256个RAM单元、2个8位口、1个6位口、一个14位的定时/计数器）。8255：可编程的通用并行接口电路（3个8位口）。8253：3个16位的可编程的定时/计数器。8279：可编程的键盘、显示电路。8243：4个4位口I/O扩展接口电路。此外，74LS系列的LSTTS电路或MOS电路也可作MCS-51单片机的扩展I/O口，如74LS373、74LS377等。本设计中使用两片8155可编程接口芯片。下面简单介绍8155通用可编程接口芯片。8155通用可编程接口芯片：1）8155的结构及其引脚8155有3个可编程并行I/O端口：A口、B口、C口，其中，A口和B口是八位，C口是6位;1个14位可编程定时/计数器和256B的静态RAM，能方便的进行I/O扩展和RAM扩展，其引脚下图：8155共有40个引脚，按其功能特点分类说明如下：（1）地址数据线：是低八位地址和数据共用输入口，当时，输入的是地址信息，否则是数据信息。所以应与MCS-51的P0口相连。（2）端口线：、用于8155与外设之间传送数据，既可用于8155与外设之间传送数据，也可作为A口、B口的控制信号线。（3）地址锁存线：在下降沿将单片机P0口输出的低位地址信息及、的状态都所存到内部寄存器，因此，单片机P0口输出的。（4）或口选择线:当=0时，选中8155的片内RAM，为RAM地址；若时，选中8155片内3个I/O端口及命令/状态寄存器和定时/计数器。（5）片选线：为低电平时选中8155。（6）度、写线：、控制对8155的读/写操作。（7）定时/计数器的脉冲输入、输出线：TIMER IN是外界向8155输入计数脉冲的输入端，是8155向外界输出脉冲或方波的输出端。2)8155的工作方式（1）作为256B RAM使用时，将引脚置低电平，这时8155只能作片外RAM使用，其寻址范围由片选线和决定，与应用系统中其他数据存储器统一编址。（2）作为扩展I/O口使用时，引脚必须为高电平，这时PA、PB、PC的口地址低八位 分别为01H、02H、03H。（3）作为定时/计数器用。8155的可编程定时计数器实际上是一个14位减法器，在TIMER IN端输入计数脉冲，计数溢出时，由TIMER OUT输出脉冲或方波。当TIMER IN接外部脉冲时为计数方式，连接系统脉冲时，可作为定时方式，但需要注意芯片允许的最高计数频率。5.6译码电路设计 8031单片机允许扩展64K程序存储器和64K数据存储器（包括I/O口芯片），这就需要扩展多个外围芯片，因而需要把外部地址空间分配给这些芯片，并且使程序存储器各芯片之间、数据存储器各芯片之间地址互相不重叠，以使单片机访问外部存储器时，避免发生冲突。当8031数据总线分时地与各个外围芯片进行数据传送时，首先要进行片选,而当片内有许多单元时，还要进行片内地址选择。由于系统容量较大，扩展的外围芯片较多，芯片所需的片选信号多于可利用的地址线，所以用全地址译码的方法。采用74LS138译码器，其引脚图如下：5.7其他辅助电路设计5.7.1 8031的时钟电路单片机的时钟的产生方式 8031的时钟电路单片机的时钟可以由两种方式产生：内部方式和外部方式。内部方式利用芯片内部振荡电路，在XTAL1、XTAL2引脚上外接定时元件，如下图所示。晶体可在1.2-12MHZ之间任选，耦合电容在5-30PF之间，对时钟有微调作用。采用外部时钟方式，可把直接接地，接外部时钟源。5.7.2 复位电路单片机的复位都是靠外部电路实现，在时钟电路工作后，只要RESET引脚上出现10ms以上高电平单片机便实现状态复位，以后单片机便从0000H单元开始执行程序。单片机通常采用上电自动复位和按钮复位两种。下图所示为上电与按钮复位组合。在上电瞬间，RC电路充电，RESET引脚端出现正脉冲，只要RESET端保持10ms以上高电平，就能使单片机有效的复位。5.7.3 越界报警电路为了防止工作台越界，可分别在极限位置安装限位开关。如果是两坐标联动的数控系统，则有4个方向可能越界，即+X、-X、+Y、-Y。一旦某一方向越界，应立即停止工作台移动。下图为报警信号的产生，图为报警指示。这里采用中断方式，利用8031的外部中断，只要有任一个行程开关闭合，即工作台在某一个方向越界，均能产生中断信号。为了报警，设置红绿灯指示，正常工作时绿灯指示，当越界报警时红灯亮。两灯均由一个I/O口输出。5.7.4 掉电保护电路半导体存储器RAM最怕掉电，一掉电里面存储的信息就全部丢失。在工业现场环境恶劣，掉电时难免的，能不能在掉电的情况下，保持RAM中的信息呢？掉电保护电路就是为了解决此目的而设计的。数控机床加工过程中，一些重要的现场参数，如几何尺寸，工艺参数等都是存储在RAM中，一旦掉电，数据能妥善保存，恢复供电后又能马上运行。下图所示为一简单掉电保护电路的工作原理，图
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