XA5032普通铣床的数控化改造[2A0]【全套含CAD图纸+文档全套资料】
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毕业设计（论文）第1章 数控机床的概述1.1 数控机床1.1 1数控机床的概念 数控机床是装备了数控系统的机床，既包括NC机床，也包括CNC机床。数字控制机床（Numerical Controlled Machine Tool），简称NC机床。数控系统是一种控制系统，它能控制机床的运动和加工过程。计算机数控机床（Computerized Numerecal Controlled Machine Tool），简称CNC机床，是利用具有专门存储程序的计算机来实现对机床的全部或部分控制功能。工作原理是：将数控加工程序输入到数控装置，再由数控装置控制主运动的变速、起停、进给运动的方向、速度和位移大小，以及诸如刀具的选择、交换、工件夹紧，松开和冷却的起、停等动作，使刀具与工件及其他辅助装置严格按数控程序的要求进行工作。数控机床的产生及发展简史1.1.2数控机床的特点数控机床在机械制造业中得到日益广泛的应用，是因为它具有如下特点：1）能适应不同零件的自动加工。2）工序集中。3）生产效率和加工精度高、加工质量稳定。4）能完成复杂型面的加工。5）减轻工人的劳动强度。1.1.3 数控机床的组成1)程序编制及程序载体 2)输入装置 3)数控装置4)辅助控制装置 5)驱动装置和位置检测装置 6)机床的机械部件1.1.4 数控机床的分类按照不同的分类方式，数控机床有不同的类型。1、按控制运动轨迹分类 （1）点位控制数控机床 （2）直线控制机床 （3）轮廓控制的数控机床2、按驱动装置的特点分类 （1） 开环控制数控机床 （2） 闭环控制数控机床 （3） 半闭环控制数控机床 1.2 机床数控化改造 机床数控化改造，顾名思义就是在机床上增加微型计算机控制装置，使其具有一定的自动化能力，以实现预定的加工工艺目标。它是根据生产实际需要提出，并随着机床行业以及技术的不断进步而发展起来，它的内容是应用成熟数控技术和经验，以适应生产的具体要求为目的，对现有机床的局部结构进行改造，并安装上新部件、新装置、新附件，用计算机控制机床的工作，提高机床的技术性能指标，使之全部或局部达到新数控机床的水平。1.3 机床数控化改造的意义 众所周知，制造业是国民经济的基础产业和支柱产业，是推动国家技术进步的主要力量。加入WTO之后，我国制造业正面临极大的考验和挑战。我国制造业水平与发达国家相比，总体水平偏低，这直接影响到我国工业产品质量的提高和制造成本的降低，影响到我国工业产品的国际市场竞争力。为改变这种落后状况，必须提高制造业的装备水平，特别是机床的数控化率。购置数控机床是提高机床数控化率的途径；对旧机床进行数控化改造，也是提高机床数控化率的重要途径之一。 我国机电行业（包括机械、电子、汽车、航空、航天、轻工、纺织、冶金、煤炭、邮电、船舶等）拥有的机床结构比较陈旧，操作系统复杂，控制系统落后，生产效率低下，如果靠购置新的数控机床取而代之，显然耗资巨大，不符合国情。因此，采用数控技术对现有机床进行改造，符合国家的产业政策。 近年来，美国、日本、德国、英国、等发达国家，在制造大量数控机床的同时，也非常重视对普通机床的数控化改造，机床的技术改造市场十分活跃。在美国，机床改造业被称为机床再生业；在日本，机床改造业被称为机床改装业。机床改造业正逐步从机床制造业中分化处理，形成了用数控技术改造机床和生产线的新的行业和领域。第二章 铣床机械结构的改造设计2.1 概述 根据我国国情，八十年代在普通机床的改造方面，出现了以经济型数控系统改造普通机床，尤其是普车、普铣数控化改造的热潮，并逐步形成了经济型数控产业。“八五”后期和“九五”，国家把旧设备的改造列入企业技术进步，工艺更新的一个重要途径，很多工厂把普通机床的数控化改造列入企业的发展计划，作为企业适应市场经济、提高产品市场占有率的一项措施。普通铣床的经济型数控化改造，除了选择可靠性高、性能稳定的数控系统外，对铣床自身的改造也是一个很重要的环节。普通铣床经济型数控化改造包括两个方面，即机床电气的数控化改造和机床本体的数控化改造。 2.1.1 数控铣床机械结构的主要特点1. 结构简单、操作方便、自动化程度高2. 广泛采用高效、无间隙传动装置和新技术、新产品3. 具有适应无人化、柔性化加工的特殊部件4. 对机械结构、零部件的要求高 2.1.2 数控铣床对机械结构的基本要求1. 具有较高的静、动刚度和良好的抗振性 2. 具有良好的热稳定性 3. 具有较高的运动精度与良好的低速稳定性4. 具有良好的操作、安全防护性能2.2 数控化改造铣床的总体布局选择机床的总体布局是铣床设计的重要步骤，它直接影响到机床的结构和性能，合理选择机床布局，不但可以满足铣床数控化的要求，而且能使机械结构更简单、合理、经济。2.2.1 XA5032型立式升降台铣床的布局及简介XA5032立式升降台铣床是一种使用范围很广的机床，它适应与用各种棒状、铣刀、角度铣刀及铣切平面、斜面、沟槽、齿轮等。该铣床上装置分度头是，可以铣切直齿齿轮和铰刀等零件，分度由手动来完成，如果在装上分度头的同时，把分度头的传动轴与工作台的纵向丝杠用挂轮架联系起来，尚能铣切螺旋面。该铣床还可以装上园工作台，用以铣切凸轮及弧形槽。该铣床适应与各种机械加工工业，从小规模的机械修理站到大量生产的部门的都可以使用。2.2.2 立式数控改造铣床的布局型式及简介 机床本体的数控化改造，是将原工作台进给电机，进给箱及其传动链拆除，然后进行如下改造：用三个步进电机分别驱动升降，纵向，横向坐标轴，根据各轮的脉冲当量配置相应的传动系统，换成滚珠丝杠传动。（1）改造前对原机床的要求 机床主轴传动精度，工作台两个运动轴导轨面的集合精度，即垂直度、半行度等，均应达到国家标准。由于工作台三个轴的传动系统要更换，故可不必严格要求，对于精度差的机床，可通过大修恢复其精度，然后进行改造。（2）传动系统的方案选择 第一种方案是采用齿轮传动，单螺母滚珠丝杠作为传动系统。这种系统的优点是价格便宜，根据实际需要可保留原机床的手动和机动功能，但存在潜在缺陷；齿轮传动噪声打，齿轮磨损后消隙难，单螺母滚珠丝杠螺距的一致性难以调整。 第二种方案是采用圆弧齿型同步带传动，双螺母滚珠丝杠作为传动系统。这种系统的优点是结构简单，可克服上方案的缺点，能提高加工精度1-2级。 我采用第二种传动方案，主轴采用H型同步带传动，进给系统采用双螺母滚珠丝杠传动。2.3 数控化改造铣床的主传动系统2.3.1 主传动系统的基本要求和变速方式数控铣床和普通铣床一样，主传动系统也必须通过变速，才能使主轴获得不同的转速，以适应不同的加工要求，在变速的同时，还要求传递一定的功率和足够的扭矩，满足切削的需要。数控铣床作为高度自动化的设备，它对主传动系统的基本要求如下：（1） 为了达到最佳切削效果，一般都应在最佳切削条件下工作，因此，主轴一般都要求能自动实现无级变速。（2） 要求机床主轴系统必须具有足够高的转速和足够大的功率，以适应高速、高效的加工需要。（3） 为了降低噪声、减轻发热、减少振动，主传动系统应简化结构，减少传动件。（4） 在加工中心上，还必须具有安装刀具和刀具交换所需要的自动夹紧装置，以及主轴定向准停装置，以保证刀具和主轴、刀库、机械手的正确啮合。（5） 为了扩大机床功能，实现对C轴位置（主轴回转角度）的控制，主轴还需要安装位置检测装置，以便实现对主轴位置的控制。主传动的无级变速通常有以下三种方法：（1） 采用交流主轴驱动系统实现无级变速传动，在早期的控制机床或大型数控机床（主轴功率超过100kw）上，也有采用直流主轴驱动系统的情况。（2） 在经济型、普及型数控机床上，为了降低成本，可以采用变频器带变频电动机或普通交流电动机实现无级变速的方式。（3） 在高速加工机床上，广泛使用主轴和电动机一体化的新颖功能部件电主轴。电主轴的电动机转子和主轴一体，无需任何传动件，可以使主轴达到数万转，甚至十几万转的高速。但是，不管采用任何型式，数控机床的主传动系统结构都要比普通机床简单的多。2.3.2 XA5032型铣床数控化改造主轴系统的设计1 主传动 主传动由FANUC 8 AC驱动，经一对减速为1：2的齿形带轮和同步齿形带传到主轴。 机床主轴电机7.5kw，交流变频调速，主轴具有恒转矩，恒功率调速特性及失速防止、过流、过载保护等功能。 2 主轴箱 主轴箱结构见图2.2，箱体材料为HT20-40铸铁件，主轴轴承采用前轴承轴向固定，后轴承可游动的支承方式，前轴承用两个角接触向心球D46118轴承，后轴承用一个深沟球E317轴承。 主轴锥孔的锥度为NO3（7：24），用于安装铣夹头或钻夹头刀柄，并用二个端面键，传递铣削或钻削扭矩，铣夹头或钻夹头刀柄，用拉杆拉紧在主轴锥孔内。 为保证主轴箱在伺服电机断电后，不会因自重而下滑，在立柱内腔设有与主轴箱相连结的钢丝绳、滑轮、平衡块等组成的平衡装置。 图 2.22.3.3 XA5032型铣床数控化改造主轴系统计算设计 1 主传动中同步带传动设计 （1）给出传动要求 1）传动的功率 Pw=7.5Kw 2）主动轴转速 n1=1500r/min；传动比 i=2； 3）中心距要求 300mm左右； 4）电动机 7.5Kw FANUC 8 AC； 5）动转时数 每天16小时； 6）其它 带轮直径不受限制； （2）选择带的型号和节距 1）计算设计功率Pd a.查书实用电子机械设计手册，由表6-61得载荷Ko=1.7，因未使用张紧轮，又是减速运动，故表的附加修正系数为零。 b.计算设计功率Pd=KoPm=1.77.5=12.75Kw 2）选择带的型号和节距 由Pd=12.75Kw和n1=1500r/min，从实用电子机械设计手册图6-9查得带的节距代号为H，对应的节距为Pb=12.700mm （3）确定带轮直径和带节线长 1）确定带轮直径d由实用电子机械设计手册表6-69的：H型带，小带轮转速n1=1500r/min时，带轮最小许用齿数为Z1=18。取小带轮齿数Z1=24。传动比i=2，Z2=224=48小带轮直径为d1=PbZ1/=12.724/3.14=97.07mm大带轮直径为d2=PbZ2/=12.748/3.14=194.14mm 2）选择带长Lp Lp=2acos+（d1+d2）/2+（d2-d1）/180 式中，=arcsin（d2-d1/2a）=arcsin（97.07/600）=9.31。 所以Lp=592.096+457.19+15.765=1065.05mm 按表6-59取标准值Lp=1066.8mm 该带齿数为Zb=84 3）传动中心距的计算 按近似公式计算： M=Pb（2Zb-Z1-Z2）/8=12.7（284-24-48）/8=152.4mm a=M+ （4）选择标准带宽 1）确定基准额定功率 小带轮齿数=24，转速=1500r/min，由表6-66内插法得H型带的基准额定功率 2）确定额定功率P a啮合齿数系数 啮合齿数，故 b带宽系数 （查表6-62） c额定功率P 3）选择带宽根据设计要求， 故带宽按表6-58选择带宽，（标准值） 4）工作能力验算a许用工作拉力有表6-61得b单位长度质量由表6-61得c带的圆周速度 d工作能力验算 （5）额定功率大于设计功率，故带的传动能力足够 结果整理 1）带选用H型同步带 2) 带轮 3）传动中心距2.主轴的设计（1）初步估算轴的直径选取轴的材料为调质处理，由式得， ，取轴端铣削力（见金属切削刀具表4-3）由机械制造工程学表2-3知：横向进给力 纵向进给力 垂直进给力同步齿形带作用在主轴上的力为：主轴上转距为： 圆周力径向力（2）轴的结构设计 确定各轴段直径和长度段 ，由螺母（GB812-88）厚度定， 段 为固定螺母，由同步带大带轮段 为固定轴承，由套筒长度得段 ，由轴承长度， 段 参考原主轴，（3） 绘制轴的弯矩图和扭矩图L1=100mm，L2=189mm，L3=208mmH水平面Fr=168.318N，V垂直面Ft=462.449N，求弯矩H水平面， V垂直面，合成弯矩M明显判断出C点为危险截面，所以扭矩T弯矩图、扭矩图见下图（4）按弯矩合成强度校核轴的强度当量弯矩轴的材料为调质处理，查表得根据计算结果可知，该轴满足强度要求。（3）精确校核轴的疲劳强度 1）判断危险截面危险截面应该是应力较大，同时应力集中较严重的截面。从受载情况观察，两角接触轴承中心虽最大，但应力集中不大，而且这是轴径较大，故不是危险截面，危险截面在前端轴承左侧，该截面较大，应力较集中。2）计算危险截面应力截面右侧弯矩为截面上的扭矩T为：抗弯截面系数： 抗扭截面系数： 截面上的弯曲应力： 截面上的扭转剪应力： 弯曲应力幅：弯曲平均应力：扭转剪应力的应力幅与平均应力相等，即3）确定影响系数轴的材料为调质处理，查表得轴肩圆角处的有效应力集中系数、 取由上面结果可得查机械设计表8.13中的许用安全系数值：由，可知该轴安全。（4）主轴轴承的校核 由主轴的校核计算中，得知主轴轴承的受力情况，现对主轴后端轴承校核如下：由公式得，A/R=788.88/1356.849=0.581e由机械设计课程设计手册查表得，E317轴承的参数： 由机械设计查表10.5的：X=1,Y=0所以当量动载荷： 由轴承寿命公式得温度系数：载荷系数：极限转速：寿命指数：对球轴承故 由表10.4查得24小时连续工作的机械的轴承由此可见：故E317轴承寿命足够。2.4 数控化改造铣床的进给传动系统数控铣床的进给传动系统常用伺服进给系统来工作，伺服进给系统的作用是根据数控系统传来的指令信息，进行放大以后控制执行部件的运动，不仅控制进给运动的速度，同时还要精确控制刀具相对于工作的移动位置和轨迹，因此，数控铣床进给系统，尤其是轮廓控制系统，必须对经运动的位置和运动的速度两方面实现自动控制。与普通铣床相比，对数控铣床进给系统的设计要求除了具有较高的定位精度之外，还应具有良好的动态响应特性，系统跟踪指令信号的响应要快，稳定性要好。一个典型的数控铣床闭环控制的进给系统，通常有位置比较、放大元件、驱动单元、机械传动装置和检测反馈元件等几部分组成，而其中的机械传动装置是位置控制环中的一个重要环节。这里所说的机械传动装置，是指将驱动源旋动运动变为工作台直线运动的整个机械传动链，包括减速装置、丝杠螺母副等中间传动机构。 2.4.1 数控铣床对进给传动系统的基本要求进给传动系统的精度、灵敏度、稳定性直接影响了数控铣床的定位精度和轮廓加工精度。从系统控制的角度分析，其中其决定作用的因素主要有：（1）传动系统的刚度和惯量，它直接影响进给系统的稳定性和灵敏度。（2）传动部件的精度与传动系统的非线性，他直接影响系统的位置精度和轮廓加工精度，在闭环系统中还影响系统的稳定性。 传动系统的刚度和惯量主要决定于机械结构设计，而传动系统的间隙、摩擦死区则是造成传动系统非线性的主要原因。因此，数控铣床对机械传动系统的要求可以概况如下：1 提高传动部件的刚度2 减小传动部件的惯量3 减小系统的摩擦阻力2.4.2 数控铣床的进给传动系统的基本型式 数控机床的进给运动可以分为直线运动和圆周运动两大类。直线进给运动包括机床的基本坐标轴（X、Y、Z轴）以及和基本坐标轴平行的坐标轴（U、V、W等）的运动；圆周进给运动是指绕基本坐标轴X、Y、Z回转的坐标运动。在数控机床上实现直线进给运动主要有三种型式：（1）通过丝杠（通常为滚珠丝杠或静压丝杠）螺母副，将伺服电动机的旋转运动变成直线运动。（2）通过齿轮、齿条副、将伺服电动机的旋转运动变成直线运动。（3）直接采用直线电动机进行驱动，实现圆周运动除少数情况直接使用齿轮副外，一般都采用蜗轮蜗杆副。2.4.3 数控改造铣床进给系统的型式及介绍 XA5032型铣床数控化改造进给系统，X、Y、Z三轴在满足传递扭矩的前提下采用FANUC 20M 直流伺服电机并配有直流功能驱动系统，提高了驱动性能。步进电机通过精密膜片抗绕性联轴器与滚珠丝杠直接相连，提高了传动精度，效率较高，其中Z向通过圆锥齿轮转换成垂直方向的传动。 X、Y、Z三轴采用帖塑导轨，静，动摩擦系统变化小，快速移动响应快，振动小，低速移动是无爬行，稳定性好。2.4.4 数控改造铣床进给传动系统的计算设计 滚珠丝杠螺母副的设计 （1）纵向滚珠丝杠螺母副设计 用于计算的下列数据是已知的： 工作台质量：，最大加工受力： 快进速度： 工进速度： 最大加速度： 工作台导轨摩擦力： 工作进程： 轴承轴向刚度：，丝杠螺母刚度： 螺母支座刚度：丝杠传动效率： 丝杠长度： 丝杠轴承、丝杠螺母摩擦力距： 轴承平均间距：导程： 确定最大转速的常熟： 轴承支承方式：双推双推 伺服电机转子惯量： 钢的密度： （2）横向滚珠丝杠螺母副设计 横向滚珠丝杠长度要求为：354mm 同纵向滚珠丝杠螺母副设计得知，足够满足要求，故选用。 （3）Z向滚珠丝杠螺母副设计 Z向滚珠丝杠长度要求为：469mm，同纵向滚珠丝杠螺母副设计得知，海雄联精密配件有限公司滚珠丝杠副的产品，可采用CDM3206-5型滚珠丝杠副，滚珠丝杠的直径为32mm，基本导程为6mm，满足要求。 2.垂直进给系统中的圆锥齿轮设计 已知：圆锥齿轮需要传递的功率为1.5,小齿轮转速，传动比，双向运转，工作平稳，每天工作8小时，每年工作300天，预期寿命8年。 （1）选择齿轮材料 查机械设计表6.2 小齿轮选用45调质,大齿轮选用45正火 （2）按齿面接触疲劳强度设计计算 确定齿轮传动精度等级，按，估取圆周速度，参靠表6.8选取公差组8级。 齿宽系数，小齿轮齿数选取，大齿轮齿数 齿数比 传动比误差为最佳 小轮转矩 使用系数 查表6.3得 动载荷系数的初值 由推荐值， 齿向载荷分布系数 由推荐值， 载荷系数K的初值 弹性系数 查表6.4 得 节点影响系数 查图6-3得 接触疲劳极限 查图6-4得 接触寿命系数 应力循环次数N 有式6-7得 查图6-5得 硬化系数 接触安全系数 则 故的设计初值为 齿轮模数m m 按表6.6圆整 小轮大端分度圆直径的计算值为 小轮平均分度圆直径： 圆周速度 动载荷系数 由推荐值 载荷系数 小轮分度圆直径 取 大轮大端分度圆直径 锥距R: 齿宽 圆整 （3）齿根弯曲疲劳强度校核计算 由式6-10 齿形系数由当量齿数 查表6.5得 应力修正系数 查表6.5得 许用弯曲应力 由式6-12得， 弯曲疲劳极限 查图6-7得 弯曲寿命系数 查图6-8得 尺寸系数 查图6-9 安全系数 则 第三章 普通铣床的电气改造部分3.1 计算机数控装置3.1.1 CNC系统的组成CNC是用一个存储程序的计算机，按照存储在计算机内的读写存储器中的控制程序去执行数控装置的部分或全部功能，在计算机之外的唯一装置是接口。数控系统是一种控制系统，它自动阅读输入载体上事先给定的数字，并将其译码，从而使机床移动和加工零件。数控装置有两种类型：一是完全由硬件逻辑电路构成的专用硬件数控装置，即NC装置，NC装置是数控技术发展早期普遍采用的数控装置。二是由计算机硬件和软件组成的计算机数控装置，即CNC装置，它是由硬件和软件共同完成或是在硬件的支持下由软件单独实现全部数控功能。3.1.2 CNC装置的主要功能和特点1.数控装置的主要功能CNC装置的功能是指满足用户操作和机床控制要求的方法和手段。包括：基本功能数控系统基本配置的功能，即必备功能。选择功能用户可根据实际要求选择的功能。3.1.3 CNC装置的硬件结构1. CNC装置的硬件构成CNC装置是在硬件支持下，通过系统软件控制来进行工作的。其控制功能在相当程度上取决于硬件结构。硬件结构根据控制功能的复杂程度可分别采用单处理器结构和多处理器结构，简易的经济型采用单微处理器结构,中高档的CNC装置以多微处理机结构为多。随着机械制造技术的发展，对数控机床提出了复杂功能、高进给速度和高加工精度的要求，因此多处理器结构得到了迅速发展。2. CNC装置的体系结构单微处理器硬件结构装置内的所有信息处理工作都由一个CPU来完成，它集中控制和管理整个系统资源，通过分时处理的方式来实现各种数控功能。它的优点是投资小，结构简单易于实现。但系统的功能则受CPU的字长、数据宽度、寻址能力和运算速度等因素限制。CPUROMRAMIN接口OUT接口阅读机接口MDI/CRT接口位置控制其它接口总线单微处理器硬件结构图多微处理机CNC装置的结构（1） 主从结构该装置中只有一个CPU，对整个装置的资源有控制权和使用权，处于主导地位，而其它CPU处于从属地位。（2） 多主结构该装置中有两个或更多CPU对装置资源有控制权和使用权。通过总线仲裁器来解决争用总线问题，通过公共存储器来交换装置内的信息。（3）分布式结构该装置有两个或更多CPU模块，每个模块有自己独立的运行环境，它们之间采用通讯方式交换信息。此外，还有一种多通道结构。3单微处理机数控装置的硬件结构单微处理机数控装置：单微处理器的CNC是指系统只有一个微处理器作为核心，这个CPU通过总线连接存储器和各种接口，采用集中控制、分时处理的方法来完成诸如输入/输出、插补计算、伺服控制等各种任务。这种系统硬件和软件结构都比较简单。单微处理机结构：微处理器、存储器、总线、接口等。接口包括I/O接口、串行接口、CRT/MDI接口、数控技术中的控制单元部件和接口电路，如位置控制单元、可编程控制器、主轴控制单元、穿孔机和纸带阅读机接口，以及其它选件接口等。典型的单微处理器CPU外部存储RS-232人机交互选件ROMRAMPLC接口位控位控位控位控速度控制单元D/A转换电路MMMMM、S、T微机系统机床的控制部分典型的单微处理器装置结构框图微处理器（CPU）是CNC的核心，CPU执行系统程序，首先读取工件加工程序，对加工程序段进行译码和数据处理，然后根据处理后得到的指令，进行对该加工程序段的实时插补和机床位置伺服控制；它还将辅助动作指令通过可编程控制器（PLC）送到机床，同时接收由PLC返回的机床各部分信息并予以处理，以决定下一步的操作。 位置控制单元接收插补运算得到的每一个坐标轴在单位时间间隔内位移量，控制伺服电机工作，并根据接收到的实际位置反馈信号，修正位置指令，实现机床运动的准确控制。同时产生速度指令送往速度控制单元。 速度控制单元将速度指令与速度反馈信号相比较，修正速度指令，用其差值去控制伺服电机以恒定速度运转。 数据输入/输出接口与外围设备是CNC与操作者之间交换信息的桥梁。如通过MDI方式或串行通信，可以将工件加工程序送入CNC装置；通过CRT显示器，可以显示工件的加工程序和其他信息。 总线是CPU与各组成部件、接口等之间的信息公共传输线，包括控制、地址和数据三总线。传输信息的高速度和多任务性，使总线结构和标准也在不断发展。 CNC装置中的存储器包括只读存储器（ROM）和随机存储器（RAM）两类。系统程序存放在只读存储器EROM中；运算的中间结果、需显示的数据、运行中的状态、标志信息等存放在随机存储器RAM中；加工的零件程序、机床参数、刀具参数存放在磁泡存储器中。 4. 多微处理机数控装置的硬件结构 多微处理器结构的CNC装置中有两个或两个以上的CPU，各个CPU之间采用紧耦合，资源共享，有集中的操作系统，甚至有两个或两个以上微处理器构成的功能模块，模块之间采用松耦合，多重操作系统有效地实现并行处理。（1）多微处理机CNC装置的典型结构 互联方式：总线互联方式。典型的结构：共享总线型、共享存储器型及混合型结构。1）功能模块 CNC管理模块 ；负责管理和组织协调整个CNC系统的工作，完成诸如初始化、终端管理、总线仲裁、系统错误识别和处理、系统软硬件诊断等。 CNC插补模块 ；完成数控代码编译、坐标计算和转换、刀具半径补偿、速度规划和处理等工作，按规定的插补类型通过插补计算为各坐标提供位置给定值。 位置控制模块 ；负责比较插补后的位置给定值与检测到的位置实际值，并根据比较结果完成加减速、回基准点、伺服系统滞后量的监视和补偿运算，最后得到速度控制的模拟电压，用以驱动进给电动机，完成相应操作，实现位置闭环。 PLC模块 ；零件程序中的开关功能和由机床来的信号在这个模块中作逻辑处理，实现各功能和操作方式之间的连锁，机床电气设备的启停、刀具交换、回转工作台的分度、工件数量和运转时间的计数等。 人机接口模块。负责处理零件程序、参数、操作控制、数据的输入/输出和显示等。 存储器模块 。指程序和数据的主存储器，或功能模块间数据传送用的共享存储器。2）共享总线结构在共享总线结构中，将各功能模块插在配有总线插座的机框内，由系统总线把各个模块有效地连接在一起，按照要求交换各种控制指令和数据，实现各种预定的功能。只有主模块有权控制和使用系统总线。但对于同时有多个主模块请求使用总线时，由总线仲裁器根据预先排好的优先级别的顺序来判别出各模块的优先权高低。仲裁方式有两种：串行方式和并行方式。3）共享存储器结构插补（CPU2）来自机床的控制信号输到机床的控制信号轴控制（CPU3）I/O CPU1CRT（CPU4）共享存储器共享存储器结构框图3.1.4 CNC装置的软件结构CNC软件是为实现CNC系统各项功能而编制的专用软件，又称为系统软件，其管理作用类似于计算机的操作系统的功能。不同的厂家的软件并不兼容，其功能和控制方案也不同，结构和规模上差别也较大。CNC系统是一个专用的实时多任务计算机系统，在它的控制软件中，融会了当今计算机软件技术中的许多先进技术。都具有多任务并行处理和多重实时中断的特点。软件结构特点1. CNC装置软件硬件的界面CNC软件的结构取决于CNC装置中软件和硬件的分工，也取决于软件本身所应完成的工作内容。软件与硬件在实现各种功能方面的关系CNC装置由软件和硬件组成，硬件为软件的运行提供了支持环境，是软件的运行基础，而软件反过来则可以优化硬件的设计，增强系统的功能和柔性。 从理论上讲，硬件能完成的功能也可以用软件来完成。从实现功能的角度看，软件与硬件在逻辑上是等价的。软件与硬件在实现各种功能方面的特点硬件处理速度快，但灵活性差，实现复杂控制的功能困难。软件设计灵活，适应性强，但处理速度相对较慢。功能界面划分的准则系统的性能价格比。软件、硬件实现功能的分配就是软件、硬件功能界面的划分。下图就是CNC的软、硬件界面。2. 系统软件的内容及结构类型系统软件的组成：（管理和控制）管理部分：输入、I/O处理、通讯、显示、诊断以及加工程序的编制管理等程序。控制部分：译码、刀具补偿、速度处理、插补和位置控制等软件。系统软件管理软件程序输入输出显示诊断控制软件刀具补偿速度控制插补运算位置控制译码通讯管理方式：单微处理机数控系统：前后台型和中断型的软件结构。多微处理机数控系统：将微处理机作为一个功能单元。3. 多任务并行处理（1）CNC装置的多任务性在许多情况下CNC的管理工作和控制工作必须同时进行，即所谓的并行处理。例如，加工控制时必须同步显示系统的有关状态、位置控制与I/O控制同步处理，并始终伴随着故障诊断功能；控制本身的插补、位置控制、预处理之间的并行处理。（2）并行处理是指计算机在同一时刻或同一时间间隔内完成两种或两种以上性质相同或不相同的工作。并行处理的优点是提高了运行速度。并行处理的分类： “资源重复”，“时间重叠”和“资源共享”。资源共享：根据“分时共享”的原则，使多个用户按时间顺序使用同一套设备。时间重叠：根据流水线处理技术，使多个处理过程在时间上相互错开，轮流使用同一套设备的几个部分。硬件结构中使用“资源重复”技术；软件结构中采用“时间重叠”和“资源共享”方法。1）资源分时共享并行处理（对单一资源的系统）VSVS诊断I/O处理输入插补准备显示初始化插补位控键盘中断级别高中断级别低资源（CPU）分时共享图在单CPU结构的CNC系统中，可采用“资源分时共享”并行处理技术。资源分时共享在规定的时间长度（时间片）内，根据各任务实时性的要求，规定它们占用CPU的时间，使它们分时共享系统的资源。“资源分时共享”的技术关键：其一：各任务的优先级分配问题。其二：各任务占用CPU的时间长度，即时间片的分配问题。资源分时共享技术的特征在任何一个时刻只有一个任务占用CPU；在一个时间片（如8ms或16ms）内，CPU并行地执行了两个或两个以上的任务。因此，资源分时共享的并行处理只具有宏观上的意义，即从微观上来看，各个任务还是逐一执行的。 2) 并发处理和流水处理（对多资源的系统） 在多CPU结构的CNC系统中，根据各任务之间的关联程度，可采用以下两种并行处理技术：若任务间的关联程度不高，则可让其分别在不同的CPU上同时执行 并发处理；若任务间的关联程度较高，即一个任务的输出是另一个任务的输入，则可采取流水处理的方法来实现并行处理。流水处理技术的涵义流水处理技术是利用重复的资源（CPU），将一个大的任务分成若干个子任务，这些小任务是彼此关系的，然后按一定的顺序安排每个资源执行一个任务，就象在一条生产线上分不同工序加工零件的流水作业一样。并发处理和流水处理的特征在任何时刻（流水处理除开始和结束外）均有两个或两个以上的任务在并发执行。并发处理和流水处理的关键是时间重叠，是以资源重复的代价换得时间上的重叠，或者说以空间复杂性的代价换得时间上的快速性。3）并行处理中的信息交换和同步在CNC装置中信息交换主要通过各种缓冲区来实现。各缓冲区数据交换和更新的同步是靠同步信号指针来实现的。加工程序译 码译码缓冲区刀补处理刀补缓冲区速度预处理插补缓冲区插补处理运行缓冲区伺服驱动位控处理位置反馈PLC控制CNC装置数据转换流程示意图4. 实时中断处理当数控系统运行时，出现某种非预期的事件，CPU暂时停下现行程序，转向为该事件服务，待事件处理完毕，再恢复执行原程序，这个过程称为中断。中断赋予数控系统中的CPU应变能力，把有序的运行和无序的事件统一起来，大大增强了系统的处理能力。 中断的处理过程（1）CNC系统的中断类型1）外部中断：纸带光电阅读机中断，外部监控中断和键盘操作面板输入中断。2）内部定时中断：插补周期定时中断和位置采样定时中断。3）硬件故障中断：各种硬件故障检测装置发出的中断。4）程序性中断：程序中出现异常情况的报警中断。（2）CNC系统中断结构模式1）前后台软件结构中的中断模式前后台型软件结构适合于采用集中控制的单微处理器CNC装置。在这种软件结构中，前台程序为实时中断程序，承担全部实时功能，这些功能都与机床动作直接相关，如位置控制、插补、辅助功能处理、面板扫描及输出等。后台程序主要用来完成准备工作和管理工作，包括输入、译码、插补准备及管理等，通常称为背景程序。背景程序是一个循环运行程序，在其运行过程中实时中断程序不断插入。前后台程序相互配合完成加工任务。背景程序初始化实施中断程序 2）中断型软件结构中的中断模式：除了初始化程序之外，整个系统软件的各种任务模块分别安排在不同级别的中断服务程序中，整个软件就是一个大的中断系统。其管理功能主要通过各级中断服务程序之间的相互通讯来解决。3.2 数控改造铣床的数控系统设计MCS-51系统结构紧凑，硬件设计简单灵活，特别是8031单片机以其构成系统的成本低及不需要特殊的开发手段等，在机电一体化系统中得到广泛应用。根据前面的数控知识和大学课程的学习，我为X5032型普通铣床设计了数控系统，其结构图如下图所示 3.2.1 8031应用系统 8.31内部不带ROM，需外接ERPOM作为外部程序存储器。又因为8031在外接程序存储器或数据存储器时地址的低8位信息及数据信息分时送出，故还需要采用一片74LS373来锁存低8位地址信息。这样，一片，EPROM2764及一片74LS373组成了一个最小的计算机系统。3.2.2 8031的数据存储器的扩展在8031单片机应用系统中，最常用的静态数据存储器RAM芯片有6116和两种。3.2.3 8031输入/输出口的扩展 在使用单片机的实时控制系统中，往往需要通讯的外部设备或控制对象比较多，单片机本身的口无法满足要求，因而需要扩展口。3.3 数控改造的伺服系统近几十年来，伺服技术得到突飞猛进的发展和越来越广泛的应用。数控伺服系统是指以机床运动部件（如工作台、主轴和刀具等）的位置和速度作为控制量的自动控制系统，又称为随动系统，数控伺服系统的作用在于接受来自数控装置的进给脉冲信号，经过一定的信号变换及电压、功率放大，驱动机床运动部件实现运动，以保证动作的快速性和准确性。数控伺服系统作为数控装置和机床的联系环节，是数控机床的重要组成部分，数控机床的精度和速度等技术指标很大程度上取决与伺服系统的性能优劣。因此，对高性能伺服系统的研究和开发一直是现代数控机床的关键技术之一。3.3.1 对数控伺服系统的要求 随着数控技术的发展，对数控伺服系统提出了较高的要求，可以归纳为以下几个方面。 （1）精度高（2） 稳定性好 （3） 快速响应好 （4）调速范围宽 （5）低速大转矩 3.3.2 伺服系统的分类（1）开环数控系统无位置反馈（测量），信号流是单向的（数控装置进给系统），故系统稳定性好。但精度相对闭环系统来讲不高，其精度主要取决于伺服驱动系统和机械传动机构的性能和精度。开环系统通常使用步进电动机。在开环系统中，插补脉冲经功率放大后直接控制步进电动机，由输出脉冲的频率来控制步进电动机的速度，由输出脉冲的数量来控制工作台的位置。其定位精度一般为0.010.005mm。这类系统具有结构简单、工作稳定、调试方便、维修简单、价格低廉等优点，在精度和速度要求不高、驱动力矩不大的场合得到广泛应用。一般用于经济型数控机床。（2）半闭环数控系统半闭环数控系统的位置采样点是从驱动装置(常用伺服电机)或丝杠引出，采样旋转角度进行检测，不是直接检测运动部件的实际位置， 而是由位置检测元件间接测量工作台的位置。由位置反馈信号来调节伺服电动机的速度。半闭环环路内不包括或只包括少量机械传动环节，因此可获得稳定的控制性能，其系统的稳定性虽不如开环系统，但比闭环要好。由于丝杠的螺距误差和齿轮间隙引起的运动误差难以消除。因此，其精度较闭环差，较开环好。但可对这类误差进行补偿，因而仍可获得满意的精度。半闭环数控系统结构简单、调试方便、精度也较高，因而在现代CNC机床中得到了广泛应用。（3）全闭环数控系统闭环系统通常使用直流伺服电动机或交流伺服电动机。全闭环数控系统的位置采样点如图的虚线所示，直接对运动部件的实际位置进行检测。在闭环伺服系统中，由速度检测元件来测量电动机的速度，由位置检测元件来测量工作台的位置，由速度和位置反馈信号来调节伺服电动机的速度和工作台的位置。因此从理论上讲，可以消除整个驱动和传动环节的误差、间隙和失动量。具有很高的位置控制精度。其定位精度一般为0.0010.003mm。由于位置环内的许多机械传动环节的摩擦特性、刚性和间隙都是非线性的，故很容易造成系统的不稳定，使闭环系统的设计、安装和调试都相当困难。该系统主要用于精度要求很高的镗铣床、超精车床、超精磨床以及较大型的数控机床等。3.3.3 数控改造伺服系统的驱动元件伺服系统驱动元件又称为执行电动机，它具有根据控制信号的要求而动作的功能，在输入电信号之前，转子静止不动；电信号到来之后，转子立即转运，且转向，转速随电信好的方向和大小而改变，同时带动一定的负载运动；电信号一旦消失，转子立即自行停转。数控伺服系统的执行元件，是根据输入的控制信号产生角位移或角速度，带动被控对象运动。数控伺服系统中常用的驱动元件有步进电机、直流伺服电动机和交流伺服电动机等。此外，近几年直线电动机以其独有的优势，日益受到青睐。我所使用的伺服驱动元件为直流伺服电动机和交流伺服电动机。1直流伺服电动机直流伺服电动机是用直流电信号控制的执行元件，是将输入的电压控制信号转换为电动机轴上的角位移或角速度进行输出。它具有线性调速范围宽、信号响应迅速、堵转转矩大、无控制电压时立即停转等特点，作为驱动元件被广泛的应用于闭环控制系统中。常用的直流电动机有：永磁式直流电机（有槽电枢、无槽电枢、杯型电枢、印刷绕组电枢）,励磁式直流电机,混合式直流电机,无刷直流电机,直流力矩电机。2交流伺服电动机 1) 交流伺服电机形式：同步型交流伺服电机：可方便地获得与频率成正比的可变速度，可以得到非常硬的机械特性和很宽的调速范围，在电源电压和频度固定不变时，它的转速是稳定不变的。主要用在进给驱动系统中。异步型交流感应伺服电机：结构简单，制造容量大。主要用在主轴驱动系统中。2) 数控铣床改造交流伺服电动机的选择和调速（1）XA5032型普通铣床，主轴系统是由7.5kw，转速为1440r/min三相交流异步电动机驱动，根据传动要求，选择FANUC 8 AC主轴电动机，连续额定输出7.5kw，基本转速1500r/min，最高速度5000r/min，输出转矩（在恒转矩范围内连续额定输出转矩）47.75，满足驱动要求。（2）数控铣床改造交流伺服电动机的调速：交流伺服电动机调速通常由调频调速的方法实现。实现调频调速有多中方法，通常都采用交流直流交流的变换电路来实现，这中电路主要组成部分是电流逆变器。在逆变器内对输出的交流电的电压和频率进行控制，这种方案的电动机运行特性好，是一种常用的方案。根据主轴需要五级调速的要求，我采用了山东欧美亚科贸有限公司生产的变频调速器，型号为：EAA-9-7R5T4，适配电机功率7.5kw，额定电压380V，额定电压380V，额定电流17A。下面介绍一下该变频器的特点： 1）采用日立32位电机控制专用单片机，实现先进的SVPWM控制技术；优化电流波形，降低谐波干扰、噪声低、低频转矩高。 2）主回路低电感设计，可靠性高；元器件布局优化，温升低，寿命长。 3）该变频器无接触器，采用无触点开关，防护等级可达到IP54，抗湿、抗尘能力强。 4）冷却风扇受控于运行指令，变频器无输出是风扇停止工作，大大延长了风扇的使用寿命，且拆换方便。 5）控制方式多样化，通用性强、操作简单，内置RS485通讯接口，可计算机联网控制。 6）内置PID调节器，功能丰富，使用方便，性能超群。 7）双行显示，监视量种类多，转换方便。 8）内置刹车单元，实现快速停车。 9）具有转速追踪起动及断电再起功能，结合其它丰富的内置逻辑控制功能，可完全实现无人值守连续运行。3.3.4 数控改造伺服系统驱动元件的连接电路数控改造伺服系统驱动元件的连接电路。下面分别详细讲述单片机系统与伺服电机的连接
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