《金属切削 机床》-第2章

2.1数控机床及数控技术概述2.1.1数控机床的组成数控机床一般由控制介质、数控装置、伺服系统、测量装置和机床组成，如图2-1所示。1.控制介质数控机床工作时，不需要操作者直接操作机床，但机床又必须执行操作者的意图，这就需要在操作者和数控机床之间建立某种联系，这种联系的媒介物称之为控制介质（或称程序载体，输入介质）。下一页返回2.1数控机床及数控技术概述2.数控装置数控装置是数控机床的中枢，一般由输入装置、存储器、控制器、运算器和输出装置组成。数控装置接收输入介质的信息，并将其代码加以识别、储存、运算，并将其结果送到伺服机构中，用以驱动机床运动。3.伺服系统伺服系统包括伺服驱动机构与机床的运动部件，它是数控系统的执行部分。伺服系统将数控装置的指令信息加以放大，通过机床进给传动元件，去驱动机床移动部件作精确定位或按照规定的轨迹和速度运动，使机床加工出符合图样要求的零件。上一页下一页返回2.1数控机床及数控技术概述4.测量装置测量装置的作用是将机床的实际位置、速度以及机床当前的环境（如温度、振动、摩擦和切削力等因素的变化）参数加以检测，转变为电信号，输送给数控装置，使数控装置能够校核该机床的实际情况是否与指令一致，并由数控装置发出指令纠正所产生的误差，并及时作出补偿。因此，测量装置可较大幅度地提高零件的加工精度。5.机床与普通机床相比，传动部件的间隙要更小，相对运动表面的摩擦因数也更小，还应具备更好的刚性和抗振性及自动换刀功能等。因此，它的结构要根据数控技术的特殊要求进行专门设计，以便充分发挥数控机床的性能。上一页下一页返回2.1数控机床及数控技术概述2.1.2CNC系统的组成CNC系统主要由硬件和软件两大部分组成，其核心是计算机数字控制装置。CNC系统有很多种类型，有车床、铣床、加工中心等的CNC系统。但是，各种数控机床的CNC系统一般包括以下几个部分：中央处理单元CPU、存储器（ROM/RAM）、输入/输出设备（I/O）、操作面板、显示器和键盘、纸带穿孔机、可编程控制器等。图2-2所示为CNC系统的一般结构框图。上一页下一页返回2.1数控机床及数控技术概述2.1.3CNC系统的功能和一般工作过程1.CNC系统的功能根据数控机床的类型、用途、档次的不同，CNC系统的功能有很大差别，下面介绍其主要功能。（1）控制功能。CNC系统能控制的轴数和能同时控制（联动）的轴数是其主要性能之一。控制轴有移动轴和回转轴，有基本轴和附加轴。上一页下一页返回2.1数控机床及数控技术概述（2）准备功能。准备功能也称G指令代码，它用来指定机床运动方式的功能，包括基本移动、平面选择、坐标设定、刀具补偿、固定循环等指令。（3）插补功能。CNC系统是通过软件插补来实现刀具运动轨迹控制的。由于轮廓控制的实时性很强，软件插补的计算速度难以满足数控机床对进给速度和分辨率的要求，同时由于CNC不断扩展其他方面的功能也要求减少插补计算所占用的CPU时间。上一页下一页返回2.1数控机床及数控技术概述（4）进给功能。根据加工工艺要求，CNC系统的进给功能用F指令代码直接指定数控机床加工的进给速度。①切削进给速度。以每分钟进给的毫米数指定刀具的进给速度，如100mm/min。②同步进给速度。以主轴每转进给的毫米数规定的进给速度，如0.02mm/r。③进给倍率。操作面板上设置了进给倍率开关，倍率可以从0～200%变化，每挡间隔10%。上一页下一页返回2.1数控机床及数控技术概述（5）主轴功能。主轴功能就是指定主轴转速的功能。①转速的编码方式。一般用S指令代码指定，用地址符S后加两位数字或4位数字表示，单位分别为r/min和mm/min。②指定恒定线速度。该功能可以保证车床和磨床加工工件端面质量和不同直径的外圆的加工具有相同的切削速度。③主轴定向准停。该功能使主轴在径向的某一位置准确停止，有自动换刀功能的机床必须选取有这一功能的CNC装置。上一页下一页返回2.1数控机床及数控技术概述（6）辅助功能。辅助功能用来指定主轴的启、停和转向；切削液的开和关；刀库的启和停等，一般是开关量的控制，它用M指令代码表示。各种型号的数控装置具有的辅助功能差别很大，而且有许多是自定义的。（7）刀具功能。刀具功能用来选择所需的刀具，刀具功能字以地址符T为首，后面跟二位或4位数字，代表刀具的编号。（8）补偿功能。补偿功能是通过输入到CNC系统存储器的补偿量，根据编程轨迹重新计算刀具的运动轨迹和坐标尺寸，从而加工出符合要求的工件。上一页下一页返回2.1数控机床及数控技术概述（9）字符、图形显示功能。CNC控制器可以配置单色或彩色CRT或LCD，通过软件和硬件接口实现字符和图形的显示。（10）自诊断功能。为了防止故障的发生或在发生故障后可以迅速查明故障的类型和部位，以减少停机时间，CNC系统中设置了各种诊断程序。不同的CNC系统设置的诊断程序是不同的，诊断的水平也不同。上一页下一页返回2.1数控机床及数控技术概述（11）通信功能。为了适应柔性制造系统（FMS）和计算机集成制造系统（CIMS）的需求，CNC装置通常具有RS232C通信接口，有的还备有DNC接口。（12）人机交互图形编程功能。为了进一步提高数控机床的编程效率，对于NC程序的编制，特别是较为复杂零件的NC程序都要通过计算机辅助编程，尤其是利用图形进行自动编程，以提高编程效率。上一页下一页返回2.1数控机床及数控技术概述2.CNC系统的一般工作过程（1）输入。输入CNC控制器的通常有零件加工程序、机床参数和刀具补偿参数。机床参数一般在机床出厂时或在用户安装调试时已经设定好，所以输入CNC系统的主要是零件加工程序和刀具补偿数据。输入方式有纸带输入、键盘输入、磁盘输入，上级计算机DNC通信输入等。CNC输入工作方式有存储方式和NC方式。上一页下一页返回2.1数控机床及数控技术概述（2）译码。译码是以零件程序的一个程序段为单位进行处理，把其中零件的轮廓信息（起点、终点、直线或圆弧等），F、S、T、M等信息按一定的语法规则解释（编译）成计算机能够识别的数据形式，并以一定的数据格式存放在指定的内存专用区域。编译过程中还要进行语法检查，发现错误立即报警。（3）刀具补偿。刀具补偿包括刀具半径补偿和刀具长度补偿。为了方便编程人员编制零件加工程序，编程时零件程序是以零件轮廓轨迹来编程的，与刀具尺寸无关。程序输入和刀具参数输入分别进行。上一页下一页返回2.1数控机床及数控技术概述（4）进给速度处理。数控加工程序给定的刀具相对于工件的移动速度是在各个坐标合成运动方向上的速度，即F代码的指令值。（5）插补。要进行轨迹加工，CNC必须从一条已知起点和终点的曲线上自动进行“数据点密化”的工作，这就是插补。插补在每个规定的周期（插补周期）内进行一次，即在每个周期内，按指令进给速度计算出一个微小的直线数据段，通常经过若干个插补周期后，插补完一个程序段的加工，也就完成了从程序段起点到终点的“数据密化”工作。（6）位置控制。位置控制装置位于伺服系统的位置环上，如图2-3所示。它的主要工作是在每个采样周期内，将插补计算出的理论位置与实际反馈位置进行比较，用其差值控制进给电动机。位置控制可由软件完成，也可由硬件完成。上一页下一页返回2.1数控机床及数控技术概述（7）I/O处理。CNC的I/O处理是CNC与机床之间的信息传递和变换的通道。其作用一方面是将机床运动过程中的有关参数输入到CNC中；另一方面是将CNC的输出命令（如换刀、主轴变速换挡、加冷却液等）变为执行机构的控制信号，实现对机床的控制。（8）显示。CNC系统的显示主要是为操作者提供方便，显示装置有CRT显示器或LCD数码显示器，一般位于机床的控制面板上。通常有零件程序的显示、参数的显示、刀具位置显示、机床状态显示、报警信息显示等。上述的CNC的工作流程如图2-4所示。上一页下一页返回2.1数控机床及数控技术概述2.1.4CNC系统的硬件结构1.CNC系统的硬件构成特点随着大规模集成电路技术和表面安装技术的发展，CNC系统硬件模块及安装方式不断改进。从CNC系统的总体安装结构看，有整体式结构和分体式结构两种。所谓整体式结构是把CRT和MDI面板、操作面板以及功能模块板组成的电路板等安装在同一机箱内。这种方式的优点是结构紧凑，便于安装，但有时可能造成某些信号连线过长。上一页下一页返回2.1数控机床及数控技术概述分体式结构通常把CRT和MDI面板、操作面板等做成一个部件，而把功能模块组成的电路板安装在一个机箱内，两者之间用导线或光纤连接。许多CNC机床把操作面板也单独作为一个部件，这是由于所控制机床的要求不同,操作面板相应地要改变，做成分体式有利于更换和安装。CNC操作面板在机床上的安装形式有吊挂式、床头式、控制柜式、控制台式等多种。上一页下一页返回2.1数控机床及数控技术概述从组成CNC系统的电路板的结构特点来看，有两种常见的结构，即大板式结构和模块化结构。大板式结构的特点是,一个系统一般都有一块大板，称为主板。主板上装有主CPU和各轴的位置控制电路等。其他相关的子板（完成一定功能的电路板），如ROM板、零件程序存储器板和PLC板都直接插在主板上面，组成CNC系统的核心部分。由此可见，大板式结构紧凑，体积小，可靠性高，价格低，有很高的性能/价格比，也便于机床的一体化设计，大板结构虽有上述优点，但它的硬件功能不易变动，不利于组织生产。上一页下一页返回2.1数控机床及数控技术概述另外一种柔性比较高的结构就是总线模块化的开放系统结构，其特点是将CPU、存储器、输入/输出控制分别做成插件板（称为硬件模块），甚至将CPU、存储器、输入/输出控制组成独立微型计算机级的硬件模块，相应的软件也是模块结构，固化在硬件模块中。硬件、软件模块形成一个特定的功能单元，称为功能模块。功能模块间有明确定义的接口，接口是固定的，成为工厂标准或工业标准，彼此可以进行信息交换。于是可以积木式组成CNC系统，使设计简单，有良好的适应性和扩展性，试制周期短，调整维护方便，效率高。上一页下一页返回2.1数控机床及数控技术概述2.单CPU结构CNC系统单CPU结构CNC系统的基本结构包括：CPU、总线、I/O接口、存储器、串行接口和CRT/MDI接口等，还包括数控系统控制单元部件和接口电路，如位置控制单元、PLC接口、主轴控制单元、速度控制单元、穿孔机和纸带阅读机接口以及其他接口等。图2-5所示的为一种单CPU结构的CNC系统框图。上一页下一页返回2.1数控机床及数控技术概述CPU主要完成控制和运算两方面的任务。控制功能包括：内部控制，对零件加工程序的输入/输出控制，对机床加工现场状态信息的记忆控制等。运算任务是完成一系列的数据处理工作：译码、刀补计算、运动轨迹计算、插补运算和位置控制的给定值与反馈值的比较运算等。在单CPU的CNC系统中通常采用总线结构。总线是微处理器赖以工作的物理导线，按其功能可以分为三组总线，即数据总线（DB）、地址总线（AD）、控制总线（CB）。上一页下一页返回2.1数控机床及数控技术概述CNC装置中的存储器包括只读存储器（ROM）和随机存储器（RAM）两种。系统程序存放在只读存储器EPROM中，由生产厂家固化。即使断电，程序也不会丢失。系统程序只能由CPU读出，不能写入。CNC装置中的位置控制单元主要对机床进给运动的坐标轴位置进行控制。位置控制的硬件一般采用大规模专用集成电路位置控制芯片或控制模板实现。上一页下一页返回2.1数控机床及数控技术概述CNC接受指令信息的输入有多种形式，如光电式纸带阅读机、磁带机、磁盘、计算机通信接口等形式，以及利用数控面板上的键盘操作的手动数据输入（MDI）和机床操作面板上手动按钮、开关量信息的输入。所有这些输入都要有相应的接口来实现。单CPU结构CNC系统的特点是：CNC的所有功能都是通过一个CPU进行集中控制、分时处理来实现的；该CPU通过总线与存储器、I/O控制元件等各种接口电路相连，构成CNC的硬件；结构简单，易于实现；由于只有一个CPU的控制，功能受字长、数据宽度、寻址能力和运算速度等因素的限制。上一页下一页返回2.1数控机床及数控技术概述3.多CPU结构CNC系统多CPU结构CNC系统是指在CNC系统中有两个或两个以上的CPU能控制系统总线或主存储器进行工作的系统结构。该结构有紧耦合和松耦合两种形式。紧耦合是指两个或两个以上的CPU构成的处理部件之间采用紧耦合（相关性强），有集中的操作系统，共享资源。松耦合是指两个或两个以上的CPU构成的功能模块之间采用松耦合（相关性弱或具有相对的独立性），有多重操作系统实现并行处理。上一页下一页返回2.1数控机床及数控技术概述4.多CPU的CNC系统的典型结构1）共享总线结构共享总线结构的各模块之间的通信，主要依靠存储器实现，采用公共存储器的方式。公共存储器直接插在系统总线上，有总线使用权的主模块都能访问，可供任意两个主模块交换信息，其结构如图2-6所示。2）共享存储器结构在该结构中，采用多端口存储器来实现各CPU之间的互联和通信，每个端口都配有一套数据、地址、控制线，以供端口访问。由多端控制逻辑电路解决访问冲突，如图2-7所示。上一页下一页返回2.1数控机床及数控技术概述5.多CPUCNC系统基本功能模块（1）管理模块。该模块是管理和组织整个CNC系统工作的模块，主要功能包括：初始化、中断管理、总线裁决、系统出错识别和处理、系统硬件与软件诊断等功能。（2）插补模块。该模块是在完成插补前，进行零件程序的译码、刀具补偿、坐标位移量计算、进给速度处理等预处理，然后进行插补计算，并给定各坐标轴的位置值。上一页下一页返回2.1数控机床及数控技术概述（3）位置控制模块。对坐标位置给定值与由位置检测装置测到的实际位置值进行比较并获得差值、进行自动加减速、回基准点、对伺服系统滞后量的监视和漂移补偿，最后得到速度控制的模拟电压（或速度的数字量），去驱动进给电动机。（4）PLC模块。零件程序的开关量（S、M、T）和机床面板来的信号在这个模块中进行逻辑处理，实现机床电气设备的启停，刀具交换，转台分度，工件数量和运转时间的计数等。上一页下一页返回2.1数控机床及数控技术概述（5）命令与数据输入/输出模块。指零件程序、参数和数据、各种操作指令的输入/输出，以及显示所需要的各种接口电路。（6）存储器模块。存储器模块是程序和数据的主存储器，或是功能模块数据传送用的共享存储器。上一页下一页返回2.1数控机床及数控技术概述2.1.5CNC系统的软件结构1.CNC装置软硬件的界面图2-8给出了不同时期和不同产品中的3种典型的CNC系统软件、硬件界面。2.CNC系统控制软件的结构特点1）CNC系统的多任务性CNC系统作为一个独立的过程数字控制器应用于工业自动化生产中，其多任务性表现在它的管理软件必须完成管理和控制两大任务。其中系统管理包括输入，I/O处理，通信、显示、诊断以及加工程序的编制管理等程序。系统的控制部分包括：译码、刀具补偿、速度处理、插补和位置控制等软件，如图2-9所示。上一页下一页返回2.1数控机床及数控技术概述同时，CNC系统的这些任务必须协调工作。也就是在许多情况下，管理和控制的某些工作必须同时进行。如为了保证加工过程的连续性，即刀具在各程序段间不停刀，译码、刀补和速度处理模块必须与插补模块同时运行，而插补又要与位置控制必须同时进行等，这种任务并行处理关系如图2-10所示。事实上，CNC系统是一个专用的实时多任务计算机系统，其软件必然会融合现代计算机软件技术中的许多先进技术，其中最突出的是多任务并行处理和多重实时中断技术。上一页下一页返回2.1数控机床及数控技术概述2）并行处理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。并行处理分为“资源重复”法、“时间重叠”法和“资源共享”法等并行处理方法。上一页下一页返回2.1数控机床及数控技术概述资源重复是用多套相同或不同的设备同时完成多种相同或不同的任务，如在CNC系统硬件设计中采用多CPU的系统体系结构来提高处理速度。资源共享是根据“分时共享”的原则，使多个用户按照时间顺序使用同一套设备。时间重叠是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。上一页下一页返回2.1数控机床及数控技术概述3）实时中断处理CNC系统的中断管理主要由硬件完成，而系统的中断结构决定了软件结构。CNC的中断类型如下。（1）外部中断。外部中断主要有纸带光电阅读机中断、外部监控中断（如紧急停、量仪到位等）和键盘操作面板输入中断。前两种中断的实时性要求很高，将它们放在较高的优先级上，而键盘和操作面板的输入中断则放在较低的中断优先级上。在有些系统中，甚至用查询的方式来处理它。上一页下一页返回2.1数控机床及数控技术概述（2）内部定时中断。内部定时中断主要有插补周期定时中断和位置采样定时中断。在有些系统中将两种定时中断合二为一。但是在处理时，总是先处理位置控制，然后处理插补运算。（3）硬件故障中断。硬件故障中断是各种硬件故障检测装置发出的中断，如存储器出错，定时器出错，插补运算超时等。（4）程序性中断。程序性中断是程序中出现的异常情况的报警中断，如各种溢出，除零等。上一页下一页返回2.1数控机床及数控技术概述3.常规CNC系统的软件结构1）中断型结构模式中断型软件结构的特点是除了初始化程序之外，整个系统软件的各种功能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。其管理的功能主要通过各级中断服务程序之间的相互通信来解决。上一页下一页返回2.1数控机床及数控技术概述一般在中断型结构模式的CNC软件体系中，控制CRT显示的模块为低级中断（0级中断），只要系统中没有其他中断级别请求，总是执行0级中断，即系统进行CRT显示。其他程序模块，如译码处理、刀具中心轨迹计算、键盘控制、I/O信号处理、插补运算、终点判别、伺服系统位置控制等处理，分别具有不同的中断优先级别。上一页下一页返回2.1数控机床及数控技术概述例如，FANUC-BESK7CMCNC系统是一个典型的中断型软件结构。整个系统的各个功能模块被分为8级不同优先级的中断服务程序，如表2-1所示。其中伺服系统位置控制被安排成很高的级别，因为机床的刀具运动实时性很强。CRT显示被安排的级别最低，即0级，其中断请求是通过硬件接线始终保持存在。只要0级以上的中断服务程序均未发生的情况下，就进行CRT显示。1级中断相当于后台程序的功能，进行插补前的准备工作。1级中断有13种功能，对应着“口状态字”中的13个位，每位对应于一个处理任务。上一页下一页返回2.1数控机床及数控技术概述在进入1级中断服务时，先依次查询“口状态字”的0～12位的状态，再转入相应的中断服务（表2-2），其处理过程见图2-11。“口状态字”的置位有两种情况：一是由其他中断根据需要置1级中断请求的同时置相应的口状态字；二是在执行1级中断的某个“口”子处理时，置“口状态字”的另一位。当某一“口”的处理结束后，程序将“口状态字”的对应位清除。上一页下一页返回2.1数控机床及数控技术概述2级中断服务程序的主要工作是对数控面板上的各种工作方式和I/O信号处理。3级中断则是对用户选用的外部操作面板和电传机的处理。4级中断最主要的功能是完成插补运算。5级中断服务程序主要对纸带阅读机读入的孔信号进行处理。6级中断主要完成位置控制、4ms定时计时和存储器奇偶校验工作。7级中断实际上是工程师的系统调试工作，非使用机床的正式工作。上一页下一页返回2.1数控机床及数控技术概述中断请求的发生，除了第6级中断是由4ms时钟发生之外，其余的中断均靠别的中断设置，即依靠各中断程序之间的相互通信来解决。例如，第6级中断程序中每两次设置一次第4级中断请求（8ms），每4次设置一次第1、2级中断请求。插补的第4级中断在插补完一个程序段后，要从缓冲器中取出一段并作刀具半径补偿，这时就置第1级中断请求，并把4号口置1。上一页下一页返回2.1数控机床及数控技术概述下面介绍FANUC-BESK7CM中断型CNC系统的工作过程及其各中断程序之间的相互关联。（1）开机。开机后，系统程序首先进入初始化程序，进行初始化状态的设置，ROM检查工作。初始化结束后，系统转入0级中断服务程序，进行CRT显示处理。每4ms的间隔，进入6级中断。（2）启动纸带阅读机输入纸带。做好纸带阅读机的准备工作后，将操作方式置于“数据输入”方式，按下面板上的主程序MP键。按下纸带输入键，控制程序在2级中断“纸带输入键处理程序”中启动一次纸带阅读机。当纸带上的同步孔信号读入时产生5级中断请求。系统响应5级中断处理，从输入存储器中读入孔信号，并将其送入MP区，然后再启动一次纸带阅读机，直到纸带结束。上一页下一页返回2.1数控机床及数控技术概述（3）启动机床加工。①当按下机床控制面板上的“启动”按钮后，在2级中断中，判定“机床启动”为有效信息，置1级中断7号口状态，表示按下启动按钮后要求将一个程序段从MP区读入BS区中。②程序转入1级中断，在处理到7号口状态时，置3号口状态，表示允许进行“数控程序从MP区读入BS区”的操作。③在1级中断依次处理完后返回3号口处理，把一数控程序段读入BS区，同时置已有新加工程序段读入BS区标志。上一页下一页返回2.1数控机床及数控技术概述④程序进入4级中断，根据“已有新加工程序段读入BS区”的标志，置“允许将BS内容读入AS”的标志，同时置1级中断4号口状态。⑤程序再转入1级中断，在4号口处理中，把BS内容读入AS区中，并进行插补轨迹计算，计算后置相应的标志。⑥程序再进入4级中断处理，进行其插补预处理，处理结束后置“允许插补开始”标志。同时由于BS内容已读入AS，因此置1级中断的8号口，表示要求从MP区读一段新程序段到BS区。此后转入速度计算→插补计算→进给量处理，完成第一次插补工作。上一页下一页返回2.1数控机床及数控技术概述⑦程序进入6级中断，把4级中断送出的插补进给量分两次进给。⑧再进入1级中断，8号口处理中允许再读入一段，置3号口。在3号口处理中把新程序段从MP区读入BS区。⑨反复进行4级、6级、1级等中断处理，机床在系统的插补计算中不断进给，显示器不断显示出新的加工位置值。整个加工过程就是由以上各级中断进行若干次处理完成的。上一页下一页返回2.1数控机床及数控技术概述2）前后台型结构模式该结构模式的CNC系统的软件分为前台程序和后台程序。前台程序是指实时中断服务程序，实现插补、伺服、机床监控等实时功能。这些功能与机床的动作直接相关。后台程序是一个循环运行程序，完成管理功能和输入、译码、数据处理等非实时性任务，也叫背景程序，管理软件和插补准备在这里完成。后台程序运行中，实时中断程序不断插入，与后台程序相配合，共同完成零件加工任务。上一页下一页返回2.1数控机床及数控技术概述图2-12所示为前后台软件结构中，实时中断程序与后台程序的关系图。这种前后台型的软件结构一般适合单处理器集中式控制，对CPU的性能要求较高。程序启动后先进行初始化，再进入后台程序环，同时开放实时中断程序，每隔一定的时间中断发生一次，执行一次中断服务程序，此时后台程序停止运行，实时中断程序执行后，再返回后台程序。上一页下一页返回2.1数控机床及数控技术概述美国A-B7360CNC软件是一种典型的前后台型软件，其结构框图如图2-13所示。该图的右侧是实时中断程序处理的任务，主要的可屏蔽中断有10.24ms实时时钟中断、阅读机中断和键盘中断。其中阅读机中断优先级最高，10.24ms实时时钟中断优先级次之，键盘中断优先级最低。上一页下一页返回2.1数控机床及数控技术概述当A-B7360CNC控制系统接通电源或复位后，首先运行初始化程序，然后设置系统有关的局部标志和全局性标志；设置机床参数；预清机床逻辑I/O信号在RAM中的映像区；设置中断向量，并开放10.24ms实时时钟中断，最后进入紧停状态。在背景程序中，自动/单段是数控加工中的最主要的工作方式，在这种工作方式下的核心任务是进行一个程序段的数据预处理，即插补预处理。即一个数据段经过输入译码、数据处理后，就进入就绪状态，等待插补运行。所以图2-13中段执行程序的功能是将数据处理结果中的插补用信息传送到插补缓冲器，并把系统工作寄存器中的辅助信息（S、M、T代码）送到系统标志单元，以供系统全局使用。上一页下一页返回2.1数控机床及数控技术概述一般情况下，下一段的数据处理及其结果传送比本段插补运行的时间短，因此，在数据段执行程序中有一个等待插补完成的循环，在等待过程中不断进行CRT显示。由于在自动/单段工作方式中，有段后停的要求，所以在软件中设置循环停请求。若整个零件程序结束，一般情况下要停机。若仅仅本段插补加工结束而整个零件程序未结束，则又开始新的循环。关于中断程序，除了阅读机和键盘中断是在其特定的工作情况下发生外，主要是10.24ms的定时中断。该时间是A-B7360CNC的实际位置采样周期，也就是采用数据采样插补方法（时间分割法）的插补周期。该实时时钟中断服务程序是系统的核心。上一页下一页返回2.1数控机床及数控技术概述2.1.6常用的数控系统介绍1.西门子数控系统1）SINUMERIK802D基本组件及功能介绍

（1）系统控制及显示单元（PCU）。系统单元与显示单元合为一体，既紧凑又方便连接。此单元为核心单元，有一块486工控机作主控CPU,其负责数控运算、界面管理、PLC逻辑运算等。上一页下一页返回2.1数控机床及数控技术概述（2）PLC输入/输出单元（PP）。最大144点输入，96点输出。由PROFIBUS完成与PCU的通信（2块）。（3）PROFIBUS总线单元如图2-14所示。由PROFIBUS子模块、各单元上相应的PROFIBUS接口以及PROFIBUS总线电缆组成。（4）SIMODIVE611U数字伺服驱动单元，如图2-15所示。（5）伺服电动机。通常有1FK6/1FK7/1FT6，主轴电动机：1PH7等。电动机外形如图2-16所示。（6）SINUMERIK802D各单元间的连接，如图2-17所示。上一页下一页返回2.1数控机床及数控技术概述2）SINUMERIK802S/C系统SINUMERIK802S和SINUMERIK802C系统标准配置包具备了所有的必要组成单元:NC,PLC,操作面板,机床控制面板,输入/输出单元及系统软件。SINUMERIK802S/C两个系统具有同样的显示器，操作面板，数控功能，PLC编程方法等，所不同的只是SINUMERIK802S带有步进驱动系统，控制步进电动机，可带3个步进驱动轴及一个±10V模拟伺服主轴；SINUMERIK802C带有伺服驱动系统,它采用传统的模拟伺服±10V接口,最多可带3个伺服驱动轴及一个伺服主轴。最新推出的SINUMERIK802Se/Ce，更是将CPU、输入/输出点、控制接口等所有部件集成在面板背后，一体化的设计使得使用维护更为方便。上一页下一页返回2.1数控机床及数控技术概述3）SINUMERIK840D它在复杂的系统平台上，通过系统设定而适于各种控制技术。SINUMERIK840D（图2-18）与SINUMERIK611D数字驱动系统和SIMATICS7可编程控制器一起，构成全数字控制系统。

它适于各种复杂加工任务的控制，具有优于其他系统的动态品质和控制精度。标准控制系统的特征是具有大量的控制功能，如钻削、车削、铣削、磨削以及特殊控制，这些功能在使用中不会有任何相互影响。上一页下一页返回2.1数控机床及数控技术概述4）SINUMERIK810DSINUMERIK810D是840D的CNC和驱动控制集成型，NCCPU和驱动集成在在一块板子上，驱动的功率部分又可提供3个坐标和2个坐标两种。简单来说，也就是SINUMERIK810D系统没有驱动接口，SINUMERIK810DNC软件选件的基本包含了840D的全部功能。上一页下一页返回2.1数控机床及数控技术概述5）SINUMERIK840C系统SINUMERIK840C系统一直雄居世界数控系统水平之首，内装功能强大的PLC135WB2，可以控制SIMODRIVE611A/D模拟式或数字式交流驱动系统，适合于高复杂度的数控机床。虽然已经推出很多年，但依然表现良好，深受用户欢迎。SINUMERIK840C的功能如表2-3所示。应用主要是在复杂的数控镗铣床、加工中心、龙门加工中心、五面体加工中心、高档磨床。上一页下一页返回2.1数控机床及数控技术概述SINUMERIK840D/810D/840Di系统具有以下特点。（1）SINUMERIK840D/SINUMERIK810D是几乎同时推出的，具有非常高的系统一致性。（2）显示/操作面板，机床操作面板。（3）STEP7-300PLC输入/输出模块，PLC编程语言。（4）数控系统操作，工件程序编程，参数设定，诊断等。（5）伺服驱动的许多部件。上一页下一页返回2.1数控机床及数控技术概述由于以上的特点，该系列产品在许多企业应用及其广泛，尤其在汽车，航空，机械等行业。采用SINUMERIK810D/SINUMERIK840D系统，S7300，Profibus，HMI等产品，客户的利益得到了非常好的维护：操作的一致性，编程的一致性，备件的一致性，培训，维修方便等，都可显示中文。西门子各数控系统参数的对照如表2-4所示。上一页下一页返回2.1数控机床及数控技术概述2.FAUNC-0i数控系统该系统示意图如图2-19和图2-20所示，其提供了丰富而先进的功能，适用于加工中心、数控铣床和数控车床。0i系统具有可靠性好、体积小、功能强等特点。1）整体软件功能包（AllinOnePackage）0i系列为车床和加工中心提供各种用途丰富的CNC功能，提供作为整体标准的“功能软件包”。“整体软件功能包”是把基本和主要的软件功能捆绑在一起，作为一个整体销售给用户。上一页下一页返回2.1数控机床及数控技术概述2）清晰的显示器高对比度8.4英寸彩色TFT的LCD显示器，也可提供9英寸单色CRT显示器。3）高性能的交流伺服电动机和放大器有高性能的Αi系列、α系列、Αc系列、β系列伺服电动机，高性能的Αi系列、α系列、Αp系列、Αc系列主轴电动机，以及高性能的α系列伺服放大器。上一页下一页返回2.1数控机床及数控技术概述4）丰富的先进功能（1）高速高精度控制功能。（2）零件程序多段预读控制，实现切削速度的最佳加速度和减速度。（3）伺服采用HRV（FANUC开发出一种称为HRV（HighResponseVectorControl）控制的功能，即高响应矢量控制）控制，实现高增益的速度控制。（4）大大降低位置指令的延时，缩短定位时间。上一页下一页返回2.1数控机床及数控技术概述（5）高性能的PMC功能：采用PMC-SA3，梯形图程序运行时间为0.15μs/步，最大容量为16000步，并且可在显示器上显示和编辑梯形图。（6）与PC通信：CNC通过无噪声HSSB（HighSpeedSerialBus的缩写）是FANUC开发的采用光纤作为转递媒介的高速串行总线。（7）PowerMateCNC管理：除CNC控制轴外，通过I/Olink最多可控制8台β系列伺服电动机，并可在CNC上进行设定和显示。还可用PMC方便地控制电动机的运动。上一页下一页返回2.1数控机床及数控技术概述5）强力个性化功能利用用户宏程序/宏程序执行器，机床厂家可以进行个性化的作业，比如编制适合于机床专用加工和测量的循环程序。用户还可以利用宏程序编制自己的CNC显示程序。6）丰富的维修功能报警历史记录/操作历史记录：报警信息自动地存到CNC存储器内，并且可以显示，也可自动记录所有的操作。这两项功能可方便地检查故障。上一页下一页返回2.1数控机床及数控技术概述伺服波形显示：各种伺服数据，如位置误差、指令脉冲、转矩指令以波形显示在CNC的显示屏上，不用示波器就可方便地检查伺服故障。采用存储卡进行信息交换：系统具有PCMCIA(PersonalComputerMemoryCardInternationalAssociation)存储卡接口，CNC系统的数据如参数、零件程序、偏置数据、PMC的程序和宏程序执行器的程序等可以通过简单的操作存储到PCMCIA卡，也可重装到系统。上一页下一页返回2.1数控机床及数控技术概述3.华中数控系统1）华中数控简介武汉华中数控股份有限公司创立于1994年，主导产品包括数控系统和伺服驱动。其中具有自主知识产权的华中“世纪星”高档、中档、普及型系列数控系统产品，年销售近万台套，与国内数十家著名主机厂实现了批量配套。五轴联动数控产品打破国外技术封锁，已有近百台成功应用在航空、船舶、汽车、电力等行业工业用户中。上一页下一页返回2.1数控机床及数控技术概述2）世纪星HNC-21/22M数控系统简介华中“世纪星”系列数控系统HNC-21/22M采用先进的开放式体系结构，内置嵌入式工业PC，配置8.4英寸或10.4英寸彩色液晶显示屏和通用工程面板，集成进给轴接口、主轴接口、手持单元接口、内嵌式PLC接口于一体，采用电子盘程序存储方式以及软驱、DNC、以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。主要应用于铣、加工中心等各类数控机床的控制。上一页返回2.2通用机床数控化改造总体设计及常用部件2.2.1机床数控化改造的必要性1.微观看改造的必要性（1）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。（2）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，可以复合成复杂的曲线或曲面。（3）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。下一页返回2.2通用机床数控化改造总体设计及常用部件（4）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”。（5）可实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬运。（6）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。（7）由以上6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。上一页下一页返回2.2通用机床数控化改造总体设计及常用部件2.宏观看改造的必要性从宏观上看，工业发达国家的军、民机械工业，在20世纪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。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。上一页下一页返回2.2通用机床数控化改造总体设计及常用部件3.数控化改造的优缺点1）减少投资额、交货期短同购置新机床相比，一般可以节省60％～80％的费用，改造费用低。2）机械性能稳定可靠、结构受限、熟悉了解设备、便于操作维修3）可充分利用现有的条件上一页下一页返回2.2通用机床数控化改造总体设计及常用部件4.数控系统的选择数控系统主要有3种类型，改造时，应根据具体情况进行选择。1）步进电动机拖动的开环系统步进电动机拖动的开环系统的伺服驱动装置主要是步进电动机、功率步进电动机、电液脉冲电动机等。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，使步进电动机转动，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。上一页下一页返回2.2通用机床数控化改造总体设计及常用部件2）异步电动机或直流电动机拖动，光栅测量反馈的闭环数控系统闭环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，对环境室温要求严格。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。根据产品技术要求，决定是否采用这种系统。上一页下一页返回2.2通用机床数控化改造总体设计及常用部件3）交/直流伺服电动机拖动，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动机作成一个整体时则无须考虑位置检测装置的安装问题。上一页下一页返回2.2通用机床数控化改造总体设计及常用部件5.数控改造中主要机械部件改装探讨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。上一页下一页返回2.2通用机床数控化改造总体设计及常用部件3）滑动丝杠与滚珠丝杠丝杠传动直接关系到传动链精度。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，可以降低电动机启动力矩。因此可满足较高精度零件加工要求。上一页下一页返回2.2通用机床数控化改造总体设计及常用部件4）安全防护高效必须以安全为前提。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。上一页下一页返回2.2通用机床数控化改造总体设计及常用部件6.机床数控改造主要步骤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。一般来说，需进行电气改造的机床，都需进行机械修理。2）先易后难、先局部后全局确定改造步骤时，应把整个电气部分改造先分成若干个子系统进行，如数控系统、测量系统、主轴、进给系统、面板控制与强电部分等，待各系统基本成型后再互联完成全系统工作。这样可使改造工作减少遗漏和差错。上一页下一页返回2.2通用机床数控化改造总体设计及常用部件3）根据使用条件选择系统针对某台或某几台机床，确定它的环境、温度、湿度、灰尘、电源、光线，甚至有否鼠害等外界使用条件，这对选择电气系统的防护性能、抗干扰性能、自冷却性能、空气过滤性能等可提供正确的依据，使改造后的电气系统有了可靠的使用保证。4）落实参与改造人员和责任改造是一个系统工程，人员配备十分重要。除了人员的素质条件外，根据项目的大小，合理地确定人数与分工是关键。根据各个划分开的子系统，确定人员职责，有主有次，便于组织与协调。如果项目采用对外合作形式，更需在目标明确的前提下，界定分工，确定技术协调人。上一页下一页返回2.2通用机床数控化改造总体设计及常用部件5）改造范围与周期的确定有时数控机床电气系统改造，并不一定包含该机床全部电气系统，应根据科学的测定和分析决定其改造范围。6）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。7）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、PLC梯形图及文本、安装调试说明、使用手册、编程手册等。上一页下一页返回2.2通用机床数控化改造总体设计及常用部件8）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、互连部分接点、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。9）操作、编程人员的技术培训及调试步骤与验收标准的确定机床电气系统改造后，必然对操作、编程人员带来新的要求。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。重点是弄懂、弄通操作说明书和编程说明书。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。上一页下一页返回2.2通用机床数控化改造总体设计及常用部件7.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以下几部分。1）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。2）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。上一页下一页返回2.2通用机床数控化改造总体设计及常用部件3）原系统拆除原系统的拆除必须对照原图纸，仔细进行，及时在图纸上做出标记，防止遗漏或过拆(局部改造情况下)。4）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。上一页下一页返回2.2通用机床数控化改造总体设计及常用部件5）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。6）验收及后期工作验收工作应聘请有关的人员共同参加，并按已制定的验收标准进行。改造的后期工作也很重要，它有利于项目技术水平的提高和使设备尽早投产。上一页下一页返回2.2通用机床数控化改造总体设计及常用部件2.2.2机床改造系统的组成及传动原理步进电动机驱动的开环数控系统的精度、性能虽然不如半闭环连续控制系统，但功能已能满足简易数控机床的要求，而且价格便宜、技术简单，尤其适用于旧机床改造。用步进电动机驱动的开环数控系统改造的卧式车床如图2-21所示，由数控箱、步进电动机及减速箱、滚珠丝杠副、主轴脉冲编码器、自动转位刀架及原机床组成。上一页下一页返回2.2通用机床数控化改造总体设计及常用部件步进电动机通过减速齿轮箱、联轴器带动纵、横向丝杠转动，使刀架按指定的轨迹运动。主轴脉冲编码器与主轴保持1∶1的传动，加工螺纹时，发出控制刀架运动的同步信号。自动回转刀架的控制箱接收数控系统的指令信号，控制刀架的转位。若需要主运动自动变速，还要对主传动链进行改装。上一页下一页返回2.2通用机床数控化改造总体设计及常用部件2.2.3常用机械传动装置1.滚珠丝杠螺母副1）滚珠丝杠螺母副的工作原理及特点滚珠丝杠螺母副的丝杠及螺母工作表面为弧形螺旋槽，装配后形成螺旋滚道。在螺旋滚道内放入一定数量的滚珠，使丝杠与螺母在工作时形成滚动摩擦（图2-22）。当丝杠1与螺母3相对运动时，滚珠4沿螺旋滚道滚动。螺母3的两端设有回珠管道2，使滚珠能在闭合回珠槽内做周而复始的循环运动。上一页下一页返回2.2通用机床数控化改造总体设计及常用部件滚珠丝杠螺母副具有如下传动特点。（1）传动效率高，摩擦损失小。（2）运动平稳无爬行。（3）传动精度高，反向无空行程。（4）磨损小、精度保持性好，使用寿命长。（5）具有运动的可逆性，由于摩擦因数小，不能自锁，因而不仅可以将旋转运动转换成直线运动，也可将直线运动转换成旋转运动，即丝杠和螺母均可作主动件或从动件。上一页下一页返回2.2通用机床数控化改造总体设计及常用部件滚珠丝杠副的缺点如下。（1）由于结构复杂，丝杠和螺母等元件的加工精度和表面质量要求高，故制造成本高。（2）由于不能自锁，特别是在用作垂直安装的滚珠丝杠传动，会因部件的自重而自动下降。上一页下一页返回2.2通用机床数控化改造总体设计及常用部件2）滚珠的循环方式滚珠的循环方式有外循环和内循环两种。（1）外循环。滚珠在循环过程结束后通过螺母外表面上的螺旋槽或插管返回丝杠螺母间重新进入循环。如图2-22所示。（2）内循环。靠螺母上安装的反向器接通相邻滚道，使滚珠成单圈循环，如图2-23所示。上一页下一页返回2.2通用机床数控化改造总体设计及常用部件3）滚珠丝杠副的预紧滚珠丝杠螺母副的预紧是通过改变两个螺母的相对位置，使每个螺母中的滚珠分别接触丝杠滚道的左右两侧实现的。图2-24（a）所示为垫片式调整机构。通过修磨垫片3的厚度，使螺母2相对于螺母1产生轴向位移，从而消除轴向间隙并获得适当的预紧。上一页下一页返回2.2通用机床数控化改造总体设计及常用部件图2-24（b）所示为螺纹式调整机构。螺母8及螺母6由平键9限制其转动，调整时，松开锁紧螺母并转动调整螺母7，使螺母6做轴向移动，达到消除间隙及预紧的目的。图2-24（c）所示为齿差式调整机构。在螺母4和螺母5一端的凸缘上各加工出直齿圆柱齿轮并使两齿轮的齿数z1和z2

相差一个齿。它们分别与z3和z4两内齿轮相啮合。上一页下一页返回2.2通用机床数控化改造总体设计及常用部件4）滚珠丝杠螺母副的主要技术参数及选用（1）公称直径d0，指滚珠与螺纹滚道在理论接触角状态时包络滚珠球心的圆柱直径，它是滚珠丝杠副的特征尺寸。为了满足传动刚度和稳定性的要求，通常d0应大于丝杠长度的1/30。（2）导程L0主要根据机床的传动要求和位移精度确定。位移精度要求高时，应将导程取得小些，这样在一定的轴向力的作用下，丝杠上的摩擦阻力矩较小。（3）滚珠的工作圈数j和列数k0。增加滚珠工作圈数和列数可以提高承载能力和刚度。在同样的负载和刚度要求一下，选用较多的圈数和列数可以减小丝杠直径，从而可以减小惯量，提高进给传动速度。上一页下一页返回2.2通用机床数控化改造总体设计及常用部件5）滚珠丝杠螺母副的精度及选用根据机械工业部标准JB3162.2—82《滚珠丝杠副的精度》的规定，滚珠丝杠副按其使用范围及要求分为6个精度等级，即C、D、E、F、G、H级，C级精度最高，其余依次逐级降低。各种类型数控机床对滚珠丝杠副精度等级的要求，推荐参考表2-5。上一页下一页返回2.2通用机床数控化改造总体设计及常用部件6）滚珠丝杠副的计算在选用滚珠丝杠副的直径必须保证在一定轴向负载作用下，丝杠能在回转100万转（106r）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，可按下式计算：式中，C为最大动负载（N）；L为寿命，以106r为一单位，

［n为丝杠转速（r/min)，T为使用寿命（h），对于数控机床，T=15000h］；fW为运转系数（见表2-6）；fH为硬度系数（见表2-7）;P为工作负载。上一页下一页返回2.2通用机床数控化改造总体设计及常用部件从手册或样本的滚珠丝杠副的尺寸系列表中可以找出相应的额定动负载Ca的滚珠丝杠副的尺寸规格和结构类型，选用时应使C＜Ca。(2）静态强度计算。产生大的塑性变形量时的负载即称为允许的最大静载荷C0。选用相应的滚珠丝杠的额定静载荷C0a，应使C0＜C0a。上一页下一页返回2.2通用机床数控化改造总体设计及常用部件（3）滚珠丝杠的刚度验算。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，因此应验算滚珠丝杠在工作负载作用下的变形量。其值可按下式计算。对于扭矩引起丝杠螺距的变化量，一般较小，常忽略不计。如需计算，可参阅设计手册查找有关计算公式。上一页下一页返回2.2通用机床数控化改造总体设计及常用部件（4）稳定性验算。对已选定尺寸的丝杠，在给定的支承条件下，承受最大的轴向负载时，应验算其有没有产生纵向弯曲（失稳）的危险。产生失稳的临界负载Pk

可用下式计算：临界负载Pk与最大工作负载Pmax之比称为稳定性安全系数nk，如果,则丝杠不致失稳。[nk]为许用稳定性安全系数，一般取[nk]=2.5～4。上一页下一页返回2.2通用机床数控化改造总体设计及常用部件2.传动齿轮间隙消除机构（1）偏心轴套调整法：如图2-25(a)所示，电动机1通过偏心套2装在箱体上，转动偏心套2就能调整两圆柱齿轮的中心距，从而减少齿轮的齿侧间隙。（2）斜齿轮轴向垫片调整法：如图2-25(b)所示，宽斜齿轮6同时与两个相同齿数的薄片斜齿轮3和4啮合，两薄片斜齿轮用平键与轴连接，互相不能相对转动。（3）可调拉簧式调整法：如图2-26所示，两个齿数相同的薄片齿轮7和8套装在一起，并可作相对回转。上一页下一页返回2.2通用机床数控化改造总体设计及常用部件2.2.4进给传动系统的改装进给传动系统的改装，应根据机床自身精度及性能来决定。下面以卧式车床改装为简易数控车床为例进行说明。对于旧车床的改装，一般都是将原来的机床进给传动系统，即由主轴箱通过挂轮架带动进给变速箱，将运动传给光杠或丝杠，再驱动床鞍或中滑板运动的传动过程，改装为由功率步进电动机通过消隙减速传动齿轮，直接带动滚珠丝杠，使刀架分别实现纵向运动和横向运动，进行两个坐标的控制。在机床改造过程中，必须拆除机床上原有的溜板箱、进给变速箱、挂轮架及光杠、丝杠等。还需要对床身导轨、溜板及主轴箱等保留部件进行修理，使精度能达到大修要求。上一页下一页返回2.2通用机床数控化改造总体设计及常用部件对于精度符合要求的卧式车床，进行数控化改造，一般对车床的部件不做大的改动，只是把床鞍的纵向滑动丝杠副改造为纵向滚珠丝杠副。在纵向滚珠丝杠的右端安装一套消隙减速箱和功率步进电动机。同时，也把中滑板的横向滑动丝杠副改为横向滚珠丝杠副。在横向滚珠丝杠的外端安装一套消隙减速箱和功率步进电动机。从而，使车床的纵向和横向运动既能用微机系统进行控制，又能由操作者进行普通操作。在机床改造中，只要把溜板箱中的开合螺母及中滑板上的滑动螺母拆除，在合适位置上安装好滚珠螺母座即可。在电气控制方面，为了避免数控操作与普通操作相干涉，发生操作失误现象，必须由电气联锁开关控制操作转换。上一页下一页返回2.2通用机床数控化改造总体设计及常用部件1.采用滑动丝杠的改装方法步进电动机与丝杠的传动分为直接传动和齿轮降速传动两种方式。前者的特点是结构简单，不存在齿轮传动间隙，但得到的脉冲当量对加工零件的程序编制不便。采用齿轮降速传动，可以输出较大力矩，避开步进电动机的低频振荡区，减少工作台，丝杠等转动惯量的影响。因此，步进电动机驱动的伺服系统一般采用齿轮降速传动。开环进给传动系统如图2-27所示。若已知机床丝杠的导程L0其传动比计算如下。或上一页下一页返回2.2通用机床数控化改造总体设计及常用部件由式（2-7）可知，选定步进电动机的步距角α后，就可计算出传动比i值。在开环进给传动系统中，传动链的传动刚度和传动间隙是造成失动的主要原因。因此，传动齿轮要有消除间隙机构（如图2-25和图2-26所示），传动丝杠螺母副的间隙也要重新调整。上一页下一页返回2.2通用机床数控化改造总体设计及常用部件1）纵向滑动丝杠传动改装采用消隙减速箱与步进电动机改装的车床纵向传动结构如图2-28所示，消隙减速箱与步进电动机利用三杠支架6的丝杠支承孔安装定位，其好处是改装工作量小，同轴度好。消隙减速箱用圆螺母5锁紧，在支承面骑缝处用锥销7定位，防止消隙减速箱转动。2）横向滑动丝杠传动改装横向传动的改装如图2-29所示，消隙减速箱7要用连接支架5安装。连接支架5固定在大拖板后端面上，要保证丝杠和消隙减速箱连接后，丝杠轴线与横向导轨平行，且用手转动丝杠应平稳轻快，无阻滞现象。横向丝杠的轴向定位仍在原处不变。机床进行数控加工时，最好拆掉手柄，以免发生事故。上一页下一页返回2.2通用机床数控化改造总体设计及常用部件2.采用滚珠丝杠的改装方法1）纵向传动滚珠丝杠改装纵向传动滚珠丝杠，应采用三点支承的形式，如图2-30所示。若结构中保留进给变速箱，可以使滚珠丝杠的左端通过联轴套直接连接在进给变速箱的原丝杠连接轴上（图中未示出）。若结构中拆除了进给变速箱，则滚珠丝杠的左端可以设计一个专用轴承支承座3，采用轴套式滑动轴承4作为径向支承，在滑动轴承的两侧分别布置一对推力球轴承2，进行轴向支承，并且使支承短轴5与滚珠丝杠7通过联轴套6连接起来。上一页下一页返回2.2通用机床数控化改造总体设计及常用部件滚珠丝杠的右端通过一个联轴套9和消隙减速箱的输出轴12连接起来，并且在三杠托架上布置一个轴套式滑动轴承10作为径向支承，对消隙减速箱的输出轴12进行支承，消隙减速箱13固定在三杠托架上。滚珠丝杠的中间支承为滚珠螺母8，与床鞍直接连接。因滚珠丝杠对脏物敏感，要加防护罩。2）横向传动滚珠丝杠改装横向滚珠丝杠也采用三点支承形式，如图2-31所示，靠近操作者给丝一端应布置一根支承短轴9，通过联轴套8与滚珠丝杠6连接起来。可利用车床原横向进杠的滑动轴套11作为径向支承，并对原支承处进行适当改装，布置一对推力球轴承10,以实现轴向支承。在远离操作者的一端，用联轴套5和连接短轴4，把滚珠丝杠6与消隙减速箱2的输出轴连接起来。从而，就可以利用消隙减速箱2上的轴承实现对滚珠丝杠另一端的支承。滚珠螺母7直接固定在中滑板上。上一页下一页返回2.2通用机床数控化改造总体设计及常用部件3）安装调整中应注意的问题安装调整是设备改装的一个重要环节。采用滚珠丝杠对车改装，进行安装调整时应注意以下问题。（1）安装中必须注意滚珠螺母内的滚珠数量不能随意增减。（2）传动丝杠轴套上分布的锥销孔，应按十字分配方式进行配作。上一页下一页返回2.2通用机床数控化改造总体设计及常用部件3.步进电动机的选择步进电动机伺服系统一般构成典型的开环伺服系统，其基本机构如图2-32所示。步进电动机伺服系统主要应用于开环位置控制中，该系统由环形分配器、步进电动机、驱动电源等部分组成。这种系统简单容易控制，维修方便且控制为全数字化，比较适应当前计算机技术发展的趋势。上一页下一页返回2.2通用机床数控化改造总体设计及常用部件1）步进电动机的分类、结构和工作原理（1）步进电动机的分类。步进电动机的分类方法很多，根据不同的分类方式，可将步进电动机分为多种类型，如表2-9所示。（2）步进电动机的结构。目前，我国使用的步进电动机多为反应式步进电动机。在反应式步进电动机中，有轴向分相和径向分相两种。图2-33所示是一典型的单定子、径向分相、反应式伺服步进电动机的结构原理图。它与普通电动机一样，也是由定子和转子构成，其中定子又分为定子铁芯和定子绕组。此外，三相定子磁极上的小齿在空间位置上依次错开1/3齿距，如图2-34所示。上一页下一页返回2.2通用机床数控化改造总体设计及常用部件图2-35是一个轴向分相、反应式伺服步进电动机的结构原理图。从图2-35（a）中可以看出，步进电动机的定子和转子在轴向分为5段，每一段都形成独立的一相定子铁芯、定子绕组和转子。图2-35（b）所示的是其中的一段。各段定子铁芯形如内齿轮，由硅钢片叠成。转子形如外齿轮，也由硅钢片叠成。各段定子上的齿在圆周方向均匀分布，彼此之间错开1/5齿距，其转子齿彼此不错位。当设置在定子铁芯环形槽内的定子绕组通电时，形成一相环形绕组，构成图中所示的磁力线。

上一页下一页返回2.2通用机床数控化改造总体设计及常用部件（3）步进电动机的工作原理。步进电动机的工作原理实际上是电磁铁的作用原理。现以图2-36三相反应式步进电动机为例说明步进电动机的工作原理。当A相绕组通电时，转子的齿与定子AA上的齿对齐。若A相断电，B相通电，由于磁力的作用，转子的齿与定子BB上的齿对齐，转子沿顺时针方向转过30°，如果控制线路不停地按A→B→C→A…的顺序控制步进电动机绕组的通断电，步进电动机的转子便不停地顺时针转动。上一页下一页返回2.2通用机床数控化改造总体设计及常用部件若通电顺序改为A→C→B→A…步进电动机的转子将逆时针转动。这种通电方式称为三相三拍，而通常的通电方式为三相六拍，其通电顺序为A→AB→B→BC→C→CA→A…及A→AC→C→CB→B→BA→A…相应地，定子绕组的通电状态每改变一次，转子转过15°。因此在本例中，三相三拍的通电方式其步距角α等于30°，三相六拍通电方式其步距角α等于15°。上一页下一页返回2.2通用机床数控化改造总体设计及常用部件2）步进电动机的主要特性（1）步距角。步进电动机的步距角是反映步进电动机定子绕组的通电状态每改变一次，转子转过的角度，它是决定步进伺服系统脉冲当量的重要参数。数控机床中常见的反应式步进电动机的步距角一般为0.5°～3°。（2）矩角特性、最大静态转矩Mjmax和启动转矩Mq矩角特性是步进电动机的一个重要特性，它是指步进电动机产生的静态转矩Mj与失调角θ的变化规律。上一页下一页返回2.2通用机床数控化改造总体设计及常用部件（3）启动频率fq。空载时，步进电动机由静止突然启动,并进入不丢步的正常运行所允许的最高频率，称为启动频率或突跳频率。（4）连续运行的最高工作频率fmax。步进电动机连续运行时，它所能接受的，即保证不丢步运行的极限频率fmax，称为最高工作频率。（5）矩频特性与动态转矩。矩频特性Md=F(f)所描述的是步进电动机连续稳定运行时输出转矩与连续运行频率之间的关系。如图2-38所示，该特性曲线上每一频率f所对应的转矩为动态转矩Md。上一页下一页返回2.2通用机床数控化改造总体设计及常用部件（6）加减速特性。步进电动机的加减速特性是描述步进电动机由静止到工作频率和由工作频率到静止的加减速过程中，定子绕组通电状态的变化频率与时间的关系。用加速时间常数和减速时间常数来描述步进电动机的升速和降速特性，如图2-39所示。3）步进电动机的控制方法脉冲分配有两种方式：一种是硬件脉冲分配（或称为脉冲分配器），另一种是软件脉冲分配，是由计算机的软件完成的。上一页下一页返回2.2通用机床数控化改造总体设计及常用部件（1）脉冲分配器。脉冲分配器可以用门电路及逻辑电路构成，提供符合步进电动机控制指令所需的顺序脉冲。（2）软件脉冲分配。在计算机控制的步进电动机驱动系统中，可以采用软件的方法实现环形脉冲分配。软件环形分配器的设计方法有很多