CA6140普通车床数控化改造

1、第一章 前言1.1问题提出数控车床作为机电液气一体化的典型产品，是现代机械制造业中不可缺少的加工设备，在机械制造业中发挥着重要的作用，能解决机械制造中结构复杂、精密、批量小、零件多变的加工问题，且产品加工质量稳定，生产效率较高。企业要在激烈的市场竞争中获得生存、求得发展,就必须在最短的时间内以优异的质量、低廉的成本,制造出合乎市场需要的、性能合适的产品,而产品质量的优劣,制造周期的快慢,生产成本的高低,又往往受工厂现有加工设备的直接影响。购买新的数控机床是提高数控化率的主要途径,但是成本太高，很多工厂在短时间内都无法有那么多的资金，这严重阻碍企业的设备更新和设备改造的步伐；同时目前大多数企业还

2、有数量众多，而且还具有较长使用寿命的普通机床，由于普通机床加工精度相对较低、不能批量生产，生产的自动化程度不高，生产自适应性差，但考虑投资成本，产业的连续性和转型周期，又不能马上淘汰。而改造现有旧机床、配备与之相适应的数控系统，把普通机床改装成数控机床，是当前许多企业对现有设备改造换代的首选办法，也是提高机床数控化率的一条有效途径，不失为一条投资少、提升产品加工精度及质量，提高生产效率的捷径，使企业提升竞争力，在我国成为世界制造业中心及制造强国的进程中，占有一席之地。1.1.1国内外数控系统发展概况   机床作为机械制造业的重要基础装备，它的发展一直引起人们的关注

3、，由于计算机技术的兴起，促使机床的控制信息出现了质的突破，导致了应用数字化技术进行柔性自动化控制的新一代机床数控机床的诞生和发展。随着计算机技术的高速发展，传统的制造业开始了根本性变革，各工业发达国家投入巨资，对现代制造技术进行研究开发，提出了全新的制造模式。在现代制造系统中，数控技术是关键技术，它集微电子、计算机、信息处理、自动检测、自动控制等高新技术于一体，具有高精度、高效率、柔性自动化等特点，对制造业实现柔性自动化、集成化、智能化起着举足轻重的作用。目前，数控技术正在发生根本性变革，由专用型封闭式开环控制模式向通用型开放式实时动态全闭环控制模式发展。在集成化基础上，数控系统实现了超薄型、

4、超小型化；在智能化基础上，综合了计算机、多媒体、模糊控制、神经网络等多学科技术，数控系统实现了高速、高精、高效控制，加工过程中可以自动修正、调节与补偿各项参数，实现了在线诊断和智能化故障处理；在网络化基础上，CAD/CAM与数控系统集成为一体，机床联网，实现了中央集中控制的群控加工。长期以来，我国的数控系统为传统的封闭式体系结构，CNC只能作为非智能的机床运动控制器。加工过程变量根据经验以固定参数形式事先设定，加工程序在实际加工前用手工方式或通过CAD/CAM及自动编程系统进行编制。CAD/CAM和CNC之间没有反馈控制环节，整个制造过程中CNC只是一个封闭式的开环执行机构。在复杂环境以及多变

5、条件下，加工过程中的刀具组合、工件材料、主轴转速、进给速率、刀具轨迹、切削深度、步长、加工余量等加工参数，无法在现场环境下根据外部干扰和随机因素实时动态调整，更无法通过反馈控制环节随机修正CAD/CAM中的设定量，因而影响CNC的工作效率和产品加工质量。由此可见，传统CNC系统的这种固定程序控制模式和封闭式体系结构，限制了CNC向多变量智能化控制发展，已不适应日益复杂的制造过程，因此，对数控技术实行变革势在必行。1.1.2数控技术发展趋势 1 性能发展方向   (1) 高速高精高效化  速度、精度和效率是机械制造技术的关键性能指标。由于采用了高速CPU芯

6、片、RISC芯片、多CPU控制系统以及带高分辨率绝对式检测元件的交流数字伺服系统，同时采取了改善机床动态、静态特性等有效措施，机床的高速高精高效化已大大提高。  (2) 柔性化  包含两方面：数控系统本身的柔性，数控系统采用模块化设计，功能覆盖面大，可裁剪性强，便于满足不同用户的需求；群控系统的柔性，同一群控系统能依据不同生产流程的要求，使物料流和信息流自动进行动态调整，从而最大限度地发挥群控系统的效能。  (3) 工艺复合性和多轴化  以减少工序、辅助时间为主要目的的复合加工，正朝着多轴、多系列控制功能方向发展。数控机床的

7、工艺复合化是指工件在一台机床上一次装夹后，通过自动换刀、旋转主轴头或转台等各种措施，完成多工序、多表面的复合加工。数控技术轴，西门子880系统控制轴数可达24轴。  (4) 实时智能化  早期的实时系统通常针对相对简单的理想环境，其作用是如何调度任务，以确保任务在规定期限内完成。而人工智能则试图用计算模型实现人类的各种智能行为。科学技术发展到今天，实时系统和人工智能相互结合，人工智能正向着具有实时响应的、更现实的领域发展，而实时系统也朝着具有智能行为的、更加复杂的应用发展，由此产生了实时智能控制这一新的领域。在数控技术领域，实时智能控制的研究和应用正沿着

8、几个主要分支发展：自适应控制、模糊控制、神经网络控制、专家控制、学习控制、前馈控制等。例如在数控系统中配备编程专家系统、故障诊断专家系统、参数自动设定和刀具自动管理及补偿等自适应调节系统，在高速加工时的综合运动控制中引入提前预测和预算功能、动态前馈功能，在压力、温度、位置、速度控制等方面采用模糊控制，使数控系统的控制性能大大提高，从而达到最佳控制的目的。1.1.3智能化新一代PCNC数控系统    当前开发研究适应于复杂制造过程的、具有闭环控制体系结构的、智能化新一代PCNC数控系统已成为可能。    智能化新一代PCNC数控系统将计

9、算机智能技术、网络技术、CAD/CAM、伺服控制、自适应控制、动态数据管理及动态刀具补偿、动态仿真等高新技术融于一体，形成严密的制造过程闭环控制体系。第二章 CA6140普通车床数控改造总体方案的设计要求2.1总体方案总体方案设计应考虑机床数控系统的类型，计算机的选择，以及传动方式和执行机构的选择等。（1）普通车床数控化改造后应具有定位、纵向和横向的直线插补、圆弧插补功能，还要求能暂停，进行循环加工和螺纹加工等，因此，数控系统选连续控制系统。 （2）车床数控化改装后属于经济型数控机床，在保证一定加工精度的前提下应简化结构、降低成本，因此，进给伺服系统采用步进电机开环控制系统。 （3）根据普通车

10、床最大的加工尺寸、加工精度、控制速度以及经济性要求，经济型数控机床一般采用8位微机。在8位微机中，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、具有很高的性价比，因此，可选 MCS51系列单片机扩展系统。（4）根据系统的功能要求，微机数控系统中除了CPU外，还包括扩展程序存储器，扩展数据存储器、I/O接口电路；包括能输入加工程序和控制命令的键盘，能显示加工数据和机床状态信息的显示器，包括光电隔离电路和步进电机驱动电路，此外，系统中还应包括螺纹加工中用的光电脉冲发生器和其他辅助电路。 （5）设计自动回转刀架及其控制电路。 （6）纵向和横向进给是两套独立的传动链，它们由

11、步进电机、齿轮副、丝杠螺母副组成，其传动比应满足机床所要求的分辨率。 （7）为了保证进给伺服系统的传动精度和平稳性，选用摩擦小、传动效率高的滚珠丝杠螺母副，并应有预紧机构，以提高传动刚度和消除间隙，齿轮副也应有消除齿侧间隙的机构。 （8）采用贴塑导轨，以减小导轨的摩擦力。 （9） 原机床的主要结构布局基本不变，尽量减少改动量 ，以降低成本缩短改造周期。 （10）机械结构改装部分应注意装配的工艺性，考虑正确的装配顺序，保正安装、调试、拆卸方便，需经常调整的部位调整应方便。总体方案设计图如2.1图所示2.2设计要求将CA6140普通车床改造成经济型数控车床。要求该车床具有切削螺纹的功能，纵向和横向

12、具有直线和圆弧插补功能。系统分辨率纵向：0.01mm，横向：0.005mm。设计参数如下：最大加工直径：在床面上400mm在床鞍上210mm最大加工长度：1000mm快进速度纵向2.4m/min横行1.2m/min最大切削进给速度纵向0.5m/min横行0.25m/min代码制ISO脉冲分配方式逐点比较法输入方式增量值、绝对值通用控制坐标数2最小指令值纵向0.01mm/pulse横行0.005mm/pulse刀具补偿量099.99mm进给传动链间隙补偿量纵向0.15mm横行0.075mm自动升降速性能有2.3主传动系统和进给系统的改造CA6140型普通车床的主传动系统和进给系统都由主轴电机控制

13、，而改造后的车床则把主传动系统和进给系统的运动分离开。分别由各自的步进电机来控制，但是为保证车床在车螺纹时主传动运动与进给运动之间的联系，所以在拆掉进给系统的同时，必须在主轴上安装一个脉冲发生器，来实现主轴传动和进给运动之间的联系。同时，为了提高机床的精度和效率，用滚珠丝杠来代替原机床的光杠，并且采用单独的步进电机来控制。这样不仅提高了机床的性能和精度，还提高了机床的使用性能。1. 机械部分的改造首先拆去进给箱、溜板箱；还要对车床的床鞍进行部分的改造，拆去纵向小拖板、 横向拖板，将丝杠换成滚珠丝杠，并且由一端驱动的步进电机来控制。2. 刀架的改造CA6140普通车床的刀架不能满足数改后的车床的

14、性能和精度的要求。所以，必须要换成数控自动刀架。2.4主轴脉冲发生器为保持切削螺纹的功能，必须在主轴上安装脉冲发生器，采用脉冲发生器直接与主轴由无间隙传动联轴器连接，达到传动系统结构简化，传动链短，传动刚度提高。主轴与脉冲发生器同步旋转，发出两路信号：每转发出的脉冲个数和一个同步信号，经隔离电路以及I/O接口送给数控装置（CNC），脉冲发生器及光栅编码器安装位置如图2.2图2.2光栅编码器安装位置主轴脉冲发生器的结构及原理:脉冲发生器的组成部分包括白炽灯、聚光镜、光栅盘、光阑板、光敏管及其光电整形放大电路组成。光栅盘和光阑板都是玻璃材料制成，玻璃表面经过研磨抛光后用镀膜法镀上一层不透光的铬层，

15、透光条及用照相腐蚀法制成。在光栅盘上刻有明暗条纹，有单条和1024个条两组。当平行光束经过光栅盘时，在光栅盘的另一面就产生明暗光带，这光带通过一个光阑狭缝，照在对应的光敏管上，从而产生光电脉冲信号，经斯密特电路整形后输出。单条纹的一组产生同步脉冲，每转发一个脉冲；1024条纹的一组通过光栏上两个相位差/4间距的狭缝，产生两组每转1024个脉冲组相差为/4的脉冲序列，供给微机处理，借以判断主轴正、反转，且可以从1024个脉冲中均匀地取出F个脉冲，作为中断信号控制插补速度，实现F进给控制的目的。第三章 进给伺服系统机械部分设计与计算3.1进给系统机械结构改造设计进给系统改造设计需要改动的主要部分有

16、挂轮架、进给箱、溜板箱、溜板刀架等改造的方案不是唯一的。以下是其中的一种方案：挂轮架系统：全部拆除，在原挂轮主动轴处安装光电脉冲发生器。进给箱部分：全部拆除，在该处安装纵向进给步进电机与齿轮减速箱总成丝杠、光杠和操作杠拆去，齿轮箱连接滚珠丝杠，滚珠丝杠的另一端支承座安装在车床尾座端原来装轴承座的部分。溜板箱部分：全部拆除，在原来安装滚珠丝杠中间支撑架和螺母以及部分操作按钮。横溜板箱部分：将原横溜板的丝杠的、螺母拆除，改装横向进给滚珠丝杠螺母副、横向进给步进电机与齿轮减速箱总成安装在横溜板后部并与滚珠丝杠相连。刀架：拆除原刀架，改装自动回转四方刀架总成。3.2进给伺服系统机械部分的计算与选型进给

17、伺服系统机械部分的计算与选型内容包括：确定脉冲当量、计算切削力滚珠丝杠螺母副的设计、计算与选型、齿轮传动计算、步进电机的计算和选型等。3.2.1确定系统的脉冲当量脉冲当量是指一个进给脉冲使机床执行部件产生的进给量,它是衡量数控机床加工精度的一个基本参数。因此,脉冲当量应根据机床精度的要求来确定。对经济型数控机床来说，常采用的脉冲当量为0.01mm/step和0.005mm/step,在CA6140的技术参数中，要求纵向脉冲当量为0.01mm/step。横向脉冲当量为=0.005mm/step。3.2.2纵向滚珠丝杠螺母副的副的型号选择与校核步骤（1）滚珠丝杠螺母副滚珠丝杠副是在丝杠和螺母间以钢

18、球为滚动体的螺旋传动元件。滚珠丝杠副的结构原理示意图如图所示，它可将旋转运动转变为直线运动，或者将直线运动转变为旋转运动。因此，滚珠丝杠副既是传动元件，也是直线运动与旋转运动相互转换的元件。图3.1滚珠丝杠螺母副的结构原理图组成：主要由丝杆、螺母、滚珠和滚道（回珠器）、螺母座等组成。 工作原理：在丝杆和螺母上加工有弧行螺旋槽，当它们套装在一起时便形成螺旋滚道，并在滚道内装满滚珠。而滚珠则沿滚道滚动，并经回珠管作周而复始的循环运动。回珠管两端还起挡珠的作用，以防滚珠沿滚道掉出。 特点：传动效率高：机械效率可高达92%98%。 摩擦力小：主要是用滚珠的滚动代替了普通丝杆螺母副的滑动。 轴向间隙可消

19、除：也是由于滚珠的作用，提高了系统的刚性。经预紧后可消除间隙。 使用寿命长、制造成本高：主要采用优质合金材料，表面经热处理后获得高的硬度。1）最大工作荷载计算滚珠丝杠的工作载荷（N）是指滚珠丝杠副的在驱动工作台时滚珠丝杠所承受的轴向力，也叫做进给牵引力。它包括滚珠丝杠的走到抗力及与移动体重力和作用在导轨上的其他切削分力相关的摩擦力。由于原普通CA6140车床的纵向导轨是三角形导轨，则用公式2-1计算工作载荷的大小。 （3-1） 车削抗力分析车削外圆时的切削抗力有，主切削力与主切削速度方向一致垂直向下，是计算机床主轴电机切削功率的主要依据。切深抗力与纵向进给垂直，影响加工精度或已加工表面质量。进

20、给抗力与进给方向平行且相反指向，设计或校核进给系统是要用它。图3.2切削时总切削力的分解纵切外圆时，车床的主切削力可以用下式计算： （3-2） =5360(N)由金属切削原理知：=1:0.25:0.4 （3-3） 得 =1340(N)=2144(N)因为车刀装夹在拖板上的刀架内，车刀受到的车削抗力将传递到进给拖板和导轨上，车削作业时作用在进给托板的载荷和与车刀所受到的车削抗力有对应关系。因此，作用在进给托板上的载荷可以按下式求出：托板上的进给方向载荷 = =1340(N)托板上的垂直方向载荷 = =5360(N)托板上的横向载荷 = =2144(N) 因此，最大工作载荷 =1.15×

21、1340+0.04×(5360+90×9.8)=1790.68(N) 对于三角形导轨K=1.15, =0.030.05,选=0.04(因为是贴塑导轨)，G是纵向横向溜板箱和刀架的重量，选纵向横向溜板箱的重量为75kg,刀架重量为15kg.最大动载荷C的计算滚珠丝杠应根据额定动载荷Ca选用，可用式3-4计算： （3-4） L为工作寿命，单位为10r，L=60nt10;n为丝杠转速（rmin）,n=1000vL0;v为 最大切削力条件下的进给速度（mmin）,可取最高进给速度的1/21/3;L0为丝杠的基本导程，查资料得L0=12mm; 为运转状态系数，因为此时有冲击振动，所以

22、取=1.5.V纵向=1.59mm/r×1400r/min=2226mm/minn纵向=v纵向×1/2/L0=2226×1/2/12=92.75r/min L=60nt/106=60×92.75×15000/106=83.5则 =×1.5×1790.68=11740（N）初选滚珠丝杠副的尺寸规格，相应的额定动载荷Ca不得小于最大载荷C;因此有CaC=11740N另外例如滚珠丝杠副有可能在静态或低速运转下工作并受载，那么还需考虑其另一种失效形式-滚珠接触面上的塑性变形。即要考虑滚珠丝杠的额定静载荷是否充分地超过了滚珠丝杠的工作载

23、荷Fm,一般使=23.初选滚珠丝杠为：外循环，因为内循环较外循环丝杠贵，并且较难安装。考虑到简易经济改装，所以采用外循环。因此初选滚珠丝杠的型号为型CD63×8-3.5-E型，主要参数为=4.763mm, =8mm, =63mm, =2o19 ，圈数×列数3.5×1 纵向滚珠丝杠的校核 1）传动效率计算 滚珠丝杠螺母副的传动效率为 92% （3-5）2）刚度验算滚珠丝杠副的轴向变形将引起导程发生变化，从而影响其定位精度和运动平稳性，滚珠丝杠副的轴向变形包括丝杠的拉压变形，丝杠和螺母之间滚道的接触变形，丝杠的扭转变形引起的纵向变形以及螺母座的变形和滚珠丝杠轴承的轴向

24、接触变形。丝杠的拉压变形量 （3-6） =±1790.68×2280/20.6×10××(31.5)2 =0.0064mm2 滚珠与螺纹滚道间的接触变形量采用有预紧的方式，因此用公式=0.0013× （3-7）=0.0028mm在这里 =1/3=1/3×1790.68=597N3.14×63/4.763=41.5341.53×3.5×1=145.36 丝杠的总变形量= + =0.0064+0.0028=0.0092mm<0.015mm查表知E级精度丝杠允许的螺距误差为0.015mm，故所选

25、丝杠合格。3）压杆稳定性验算滚珠丝杠通常属于受轴向力的细长杆，若轴向工作负载过大，将使丝杠失去稳定而产生纵向屈曲，即失稳。失稳时的临界载荷为 （3-8）式中：E为丝杠材料弹性模量，对钢E=20.6×104Mpa；I为截面惯性矩，对丝杠圆截面 (为丝杠的底径)；L为丝杠的最大工作长度（mm）；为丝杠的支撑方式系数由下表查得。方式两端端自由一端固定一端自由两端固定两端简支0.252.04.01.0表3.3F的固定值由 且=2.0, E=Mpa, ,L=2800mm为丝杠的长度由于I=519614mm =276276 所以丝杠很稳定。3.3横向滚珠丝杠螺母副的型号选择与校核步骤经济型数控改

26、造的横向进给的设计比较简单，一般是步进电机经减速后驱动滚珠丝杠，使刀架横向运动。步进电机安装在大拖板上，用法兰盘将步进电机和机床大拖板连接起来，以保证其同轴度，提高传动精度。3.3.1横向进给系统的设计计算由于横向进给系统的设计计算与纵向类似，所用到的公式不再详细说明，只计算结果。电机初步估算转速为1500r/min，进给速度=2。根据机械设计手册可知；则：；根据机械设计手册可查到滚珠丝杠的标准系列，初选。已知条件如下：工作台重量：； 脉冲当量：；步距角：；进给速度：；滚珠丝杠基本导程：；滚珠丝杠行程：；(1) 削力计算横向进给量为纵向的，取，则切削力约为纵向的：；在切断工件时：；3.3.2滚

27、珠丝杠设计计算(1) 强度计算对于燕尾型导轨：；取K=1.4，=0.2；则：；寿命值：；由以上条件，可以确定步进电机与滚珠丝杠齿轮传动比： ；由于电机轴与滚珠丝杠之间是降速传动则：;由机械设计手册可知，当量转速在之间变化时：；取为时，；取；因此：；根据经济型数控机床可知，最大动负载为：。根据最大负载Q值，可选择滚珠丝杠的型号,外循环插管埋入式双螺母预紧式的滚珠丝杠，型号为20042.53左，其中额定动载荷为14200N，所以强度够用。(2) 效率计算经计算螺旋升角，摩擦角；则：。(3) 刚度验算滚珠丝杠受工作负载P引起的导程的变化量：；滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量很小，即：。所以，导程变形总

28、误差为：；查表可知3级精度丝杠允许的螺距误差（1m）为15，故刚度足够。(4) 稳定性由于选用的滚珠丝杠的直径与丝杠直径相同，而支承方式由原来的一端固定，一端悬空，变为一端固定，一端径向支承，所以稳定性增强，故不再验算。3.3.3齿轮及转矩有关计算(1) 有关齿轮计算传动比：；故取：，。(2) 转动惯量计算工作台质量折算到电机轴上的转动惯量：；丝杠转动惯量：；齿轮的转动惯量：；电机转动惯量很小可忽略，因此转动惯量为：(3) 所需转动力矩计算；所以，快速空载启动所需转矩：切削时需力矩： 快速进给时所需力矩：。从上计算可，最大转矩发生在快速进给启动时：3.4滚珠丝杠螺母副的精度等级：数控机床根据定

29、位精度的要求通常选用1-5级精度的滚珠丝杠，1-5级度丝杠的行程公差数值如下表所示：项目符号有效行程lm/mm精度等级12345 目标行程公差ep3156812162331540079131825400500810152027500630911162230行程变动量公差Vmp3156812162331540068121725400500710131926500630711142129任意300mm内行程变动量V300p681216232rad内行程变动量V2p45678表3.4行程公差数3.5滚珠丝杠副轴向间隙的调整和预紧方法滚珠丝杠副的轴向间隙，是指负载时滚珠与滚道型面接触的弹性变形所引起的

30、螺母位移量和螺母原有间隙的总和。滚珠丝杠副的轴向间隙直接影响其传动刚度和传动精度，尤其是反向传动精度。因此，滚珠丝杠副除了对本身单一方面的进给运动精度有要求外，对其轴向间隙也有严格的要求。滚珠丝杠副轴向间隙的调整和预紧，通常采用双螺母预紧方式，其结构型式有三种。基本原理是使两个螺母间产生轴向位移，以达到消除间隙和产生预紧力的目的。1垫片调隙式图35所示结构。是通过改变垫片的厚度，使螺母产生轴向位移。这种结构简单可靠、刚性好，但调整费时，且不能在工作中随意调整。图35 双螺母垫片式结构图2螺帽调隙式 图36所示为利用螺帽来实现预紧的结构，两个螺母以平键与外套相联，键可限制螺母在外套内移动，其中右

31、边的一个螺母外伸部分有螺纹。用两个锁紧螺帽1、2能使螺母相对丝杠作轴向移动。这种结构既紧凑，工作又可靠，调整也方便，故应用较广。但调整位移量不易精确控制。这种结构既紧凑，工作又可靠，调整也方便，帮应用较广。但调整位移量不易精确控制，因此，预紧力也不能准确控制。图36 双螺母帽式结构图 1、2锁紧螺帽 3.6进给系统传动齿轮间隙的消除3.6.1采用减速箱的目的及注意事项为了保证步进电机的启动性能，要特别考虑负载惯性矩。当所带负载的惯性矩增大时，由于步进电机是按电磁铁吸力原理来动作，所以当惯性矩增大到某一值时，就会使步进电机产生擅动就会产生启动不良效果，所以，使用步进电机时尽量选小的负载。在本次设

32、计过程中我们采用减速齿轮来联结滚珠丝杠和步进电机，以达到改变惯性矩的目的。同时，应该尽可能地消除配对齿轮之间的间隙，否则就会产生使运动滞后的指示信号的误差，对加工件的精度就会产生很大的影响。3.6.2减少或消除空程的必要性和方法1. 减少或消除空程的必要性数控机床的传动精度，除了机床的几何精度、丝杆精度影响外，又受其本身因素的影响，产生滞后现象而引起的间隙误差。在这次设计改造过程中只能采用开环系统，数控系统不能对车床的误差进行修改，所以只能通过机械的方式对其各部分传动误差进行修改。2. 消除方法本次设计采用双片齿轮来达到消隙的目的，通常将一对齿轮的从动齿制成两片，其中一片固定在轴上，两片之间装

33、有弹簧，弹簧力使两片齿轮的齿廓分别与主动齿轮的齿廓贴紧，从而完全消除了齿侧间隙。第四章 CA6140数控改造步进电机的设计步进电机是受脉冲信号控制的，脉冲信号的产生和分配由软件编程来完成，而信号的放大由放大电路来完成。由于强弱信号的原因，我们在放大电路前加上光电耦合电路，以防止电源串路。4.1 步进电机的工作方式步进电机的工作方式和一般电机的不同，是采用脉冲控制方式工作的。只有按一定的规律对各相绕组轮流通电，步进电机才能实现转动。数控机床中采用的功率步进电机有三相、四相、五相、和六相等。工作方式有单m拍，双m拍、三m拍及2×m拍，m是电机的相数。所谓单m拍是指每拍只有一相通电，循环拍

34、数为m；双m拍是指每拍同时有两相通电，循环拍数为m；三m拍是每拍有三相通电，循环拍数为m拍；2×m拍是各拍既有单相通电，也有两相或三相通电。一般电机的相数越多，工作方式越多。由步距角计算可知，循环拍数越多，步距角越小，因此定位精度越高。另外，通电循环拍数和每拍通电相数对步进电机的矩频特性、稳定性等都有很大的影响。步进电机的相数也对步进电机的运行性能有很大影响。为提高步进电机输出转矩、工作频率和稳定性，可选用多相步进电机，并采用2×m拍工作方式。42步进电机的选择4.21步进电机选用的基本原则合理选用步进电机是比较复杂的问题，需要根据电机在整个系统的实际工作情况，经过分析后才

35、能正确选择。现仅就选用步进电机最基本的原则介绍如下：步距角 步距角应满足：；式中：传动比；系统对步进电机所驱动部件的最小转角。 精度步进电机的精确可用步距误差或积累误差衡量。积累误差是指转子从任意位置开始，经过任意步后，转子的实际转角与理论转角之差的最大值，用积累误差衡量精度比较实用。所选用的步进电机应满足：式中：步进电机的积累误差；系统对步进电机驱动部分允许的角度误差。 转距为了使步进电机正常运行（不失步、不越步），正常启动并满足对转速的要求，必须考虑： 启动力矩一般启动力矩选取为：式中：电动机启动力矩；电动机静负载力矩。在要求的运行频率范围内，电动机运行力矩应大于电动机的静载力矩与电动机转

36、动惯量（包括负载的转动惯量）引起的惯性矩之和。启动频率由于步进电机的启动频率随着负载力矩和转动惯量的增大而降低，因此相应负载力矩和转动惯量的极限启动频率应满足：式中：极限启动频率；要求步进电机最高启动频率；4.22 CA6140纵向进给系统步进电机的确定为了满足最小步距要求，电动机选用三相六拍工作方式，查表知：；所以，步进电机最大静转距为：步进电机最高工作频率：综合考虑，查表选用130BF003型直流步进电动机，能满足要求。4.23 CA6140横向进给系统步进电机的确定为了满足最小步距要求，电动机选用三相六拍工作方式，查表知：；所以，步进电机最大静转距为：步进电机最高工作频率：综合考虑，查表

37、选用110BF003型直流步进电动机，能满足要求。第五章 自动回转刀架的选型卧式车床数控化改造应将原车床的普通手动转位刀架替换成自动转位刀架。自动转位刀架由数控系统控制，效率高，工艺性能可靠。根据所加工零件的工艺要求及车床控制方式确定自动刀架的刀位数和刀架类型。5.1数控车床刀架的基本要求数控车床的刀架是车床的重要组成部分。刀架用于夹持切削用的刀具，在一定程度上，刀架的结构和性能体现了车床的设计和制造技术水平，所以有如下要求：(1)转位准确可靠，工作平稳安全；(2)按最短线路就近选择，转位时间短；(3)重复定位精度高；(4)防水、防屑，密封性能优良；(5)夹紧刚性高，适宜重负荷切削。5.2自动

38、回转刀架的工作原理当数控系统发出换刀信号后，刀架控制器中继电器动作，电动机正转驱动涡轮蜗杆减速机构转动，驱动螺杆升降机构旋转使上刀架上升,当上刀架上升到一定高度时，离合转盘起作用，带动上刀体旋转。刀架上端的发信盘中对应每个刀位都安装一个霍尔传感器元件，当(1-电动机；2-固定安装丝杠；3-安全离合器；4-刀架)上刀体旋转到某一刀位时，该刀架上霍尔元件输出高电平。在上刀体旋转过程中，发信盘不断的向数控系统反馈刀位信号。数控系统将反馈刀位信号与指令刀位信号相比较，当两信号相同时，说明上刀体已旋转到所选刀位。此时，数控系统立即控制刀架控制继电器使电动机反转，活动销反靠在反靠盘上初定位。在活动销反靠作

39、用下，螺杆带动上刀体下降，直至齿牙盘啮合，完成精定位，并通过涡轮蜗杆锁紧螺母，使刀架紧固。向数控系统发出转位完成信号，切断电源，电动机停转，完成选刀过程。第六章 CA6140车床数控化改造的数控系统6.1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

40、床的主要结构6.1.1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。6.1.2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。

41、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

42、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。6.1.3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。6.1.4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

43、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。6.1.5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

44、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。6.2微机控制系统硬件电路设计6.2.1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

45、警、急停、复位。6.2.2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。

46、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。6.3 单板机控制系统的设计6.3.1 硬件配置存贮器选用1片4K×8的2732EPROM和1片8K×8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

47、成，具有24键的键盘。6.3.2 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6.3.3 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6.3.4.光电隔离电路在步

48、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。6.4 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

49、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：图6.28031芯片引脚数据6.5存储器扩展电路设计6.5.1 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-5

50、1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（8K×8）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，

51、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：图6.3芯片引脚数据(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：图6.4芯片引脚连接图其真值表见下表：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

52、 时，将输入数据锁存。（4）8031与EPROM2764芯片连接。6.5.2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。6.5.3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

53、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：图6.5 8155芯片引脚图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