浅析普通车床的数控化毕业设计论文.doc

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1、毕 业 设 计（论文）题 目：浅析普通车床的数控化 摘要数控系统、伺服系统在普通机床数控化改造中的选择。机械部分的改造。系统的组成。机床数控改造的意义、优缺点以及发展前景。关 键 词：普通机床；数控化；数控机床；伺服系统；数控系统论文类型：【基础研究】 ABSTRACTOn the basis of the condition of the equipment in small enterprises or middle enterprises, in the process of restructuring the general machine tool into NC, the prob

2、lems that how to select the NC system, servo system and how to restructure the structures of the machine tool and so on are introduced.KEY WORDS: General tools; NC; NC machine tool; servo system; NC systemDissertation Type: Basic Research目录第1章 机床数控化改造的分类1第2章 控制原理22.1伺服系统的选择22.2数控系统的选择3第3章 机床机械部件的改造4

3、3.1主传动系统的改造43.2进给传动系统的改造43.3刀架的改造6第4章 系统的组成94.1接口硬件介绍及其设计94.2系统的软件部分11第5章 机床数控化改造的联调135.1空运转前的检查135.2各种动作试验135.3功能试验145.4空运转试验145.5试切15第6章 数控系统的选择166.1步进电机拖动的开环系统166.2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166.3交/直流伺服电机拖动，编码器反馈的半闭环数控系统16第7章 改造的技术准备177.1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177.2改造的实施187.3验收及后期工作18第8章 机床数

4、控改造的意义及发展史208.1机床数控改造的意义208.2数控系统发展简史及趋势208.3数控未来发展的趋势218.4应用自适应控制技术218.5机床数控化改造的必要性228.6宏观看改造的必要性22第9章 机床与生产线数控化改造的市场及优缺点249.1机床数控化改造的市场249.2进口设备和生产线的数控化改造市场249.3数控化改造的内容及优缺24第10章 参考文献28近年来，随着各行业对机加工产品要求的不断提高和数控技术的飞速发展，数控机床以其精度高、效率高和劳动强度低等诸多普通机床无法比拟的优势，成为当今制造业的主流加工设备。目前，一个企业设备数控化程度的高低已经直接影响到了它的生存。那

5、些拥有大量普通机床的工厂，正面临着巨大的挑战。这些厂家效益不好的主要原因，一方面是大量普通机床闲置造成浪费，另一方面是没有足够的资金购买新的数控设备。而数控机床在机械加工行业中的应用越来越广泛。数控机床的发展，一方面是全功能、高性能；另一方面是简单实用的经济型数控机床，具有自动加工的基本功能，操作维修方便。经济型数控系统通常用的是开环步进控制系统，功率步进电机为驱动元件，无检测反馈机构，系统的定位精度一般可达0.01至0.022mm，已能满足C620车床改造后加工零件的精度要求。因此，投入较少的资金，把原有机床进行升级改造，使之变成数控机床，就成了解决这一问题的最好办法。现在，机床的改造，特别

6、是把普通机床改造成经济型数控机床，已经成为了我国广大企业设备投资的重要组成部分。现将机床改造中要考虑的主要问题介绍如下：数控车床行业中,目前国内使用的大都是以步进电机作为驱动元件构成的经济型车床数控系统。这些系统大多采用单片机作为控制核心,以开环方式工作,功能少而且故障率较高。在如今车床的改造过程中,我们应用的SKY普及型车床系统,以其独特的双位置闭环控制方式,全面兼容的标准高速64位PC控制核心,方便的自动对刀功能,强大的CAD/CAM/CNC一体化功能,发挥出国外系统所没有的优势,给用户带来良好的经济效益。 第1章、机床数控化改造的分类机床的数控化改造可以分为以下几种： *其一是恢复原功能

7、，对机床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；*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。 第2章、控制原理常规闭环车床位置控制系统的设计,是在速度环基础上加位置外环构成闭环系统。由于这类系统难以克服非线性因素的影响,常因自持振荡而无法工作。为了克服系统这种缺陷,以转角线位移双闭环位置控制方式,使数控技术达到一个崭新的的层次。

8、由其构成的位置控制系统的动态结构如图1所示。该系统由内外双位置环组成。其内环为转角位置环,检测元件为装于电机轴上的光电码盘,驱动装置为交流伺服系统,由此构成一输入为i、输出为o的随动系统。外部位置环采用光栅、感应同步器等线位移检测元件直接获取机床工作台位移信息,并以内环的转角随动系统作为驱动装置驱动工作台运动,并且引入Gc(S)组成的前馈通道,构成复合控制系统,大大提高了其跟随性能。因为工作台的精度由线位移检测元件决定,所以在理论上消除了机床间隙对精度的影响。2.1 伺服系统的选择 伺服系统是数控机床的重要组成部分，它既是数控系统CNC系统与刀具、主轴间的信息传递环节，又是能量放大与传递的环节

9、。它的性能在很大程度上决定了数控机床的性能。例如，数控机床的最高移动速度、跟踪精度、定位精度等重要指标均取决于伺服系统的动态和静态性能。伺服系统按控制方式分为开环控制系统、半闭环控制系统和闭环控制系统三类。在普通机床的数控化改造中，一般选用价格较低的开环控制系统。该系统的执行元件伺服电机，通常采用步进电机或永磁式交流伺服电机。 步进电机是采用脉冲数字信号进行控制的，每转一转步距误差自动变为零，易于控制，价格最低。其选择的关键是对参数进行确定。确定参数的具体方法是：先计算电机的步距角，其次确定其步距精度，然后再对它的转矩进行选择，最后选定步进电机驱动器。永磁式交流伺服电机常用于进给驱动系统中，它

10、容量大，结构简单，运行可靠，效率高，但启动特性欠佳。其选择方法是：先确定电机的额定转速，其次选择其负载惯量，然后再确定它的额定转矩，进行电机预选，最后通过进一步的速度、加减速转矩及连续工作转矩的验算确定预选电机是否符合要求。根据车床传动部分的机械特性,我们选用相匹配的进口交流数字式伺服电机。根据改造后车床的精度要求,选用相匹配的光栅尺作为线位移检测元件。常规5V方波光栅尺的分辨率为5m,其精度可达到0.01mm,读数头最大快移速度达24m/min,可以保证数控车床的精度及稳定性。实际上系统分辨率可达0.5m。采用更高精度的检测元件,已经使系统工作精度达到1m。2.2数控系统的选择 数控系统是数

11、控机床的中枢，是其中最关键的环节。目前，市场上数控系统的类型较多，选择时要保证能购得最适合的系统，就必须要充分考虑改造中各方面的因素。首先，要考虑被改造机床的功能要求。根据机床的功能要求选择数控系统，以使数控系统所具有的功能要与准备改造的机床所能达到的功能相匹配。既要避免因偏面追求数控系统的高性能指标，而选择了功能远远多于改造机床功能的系统，造成功能过剩、资金浪费，且在一定程度上还可能潜伏下由于数控系统复杂程度的增加而带来故障率升高的隐患。又要保证所选数控系统能满足机床全部功能要求，不要出现一些因必须的系统功能短缺，影响其它功能的使用，使机床的优良性能发挥不出来。其次，要考虑数控系统的制造厂商

12、。老牌著名跨国公司主要有德国的西门子、日本的发那科和三菱、法国的NVM等，国内公司主要有中华数控、中国珠峰、北京航天等。目前，进口系统的性能尚优于国产系统，但价格也较高，因此适用于大型高精度机床。国产系统功能较简单，性能较稳定，价格便宜，对一般车床、铣床已能可靠使用，且近几年国产系统也有长足进步，与世界先进技术的差距越来越小。如中华数控公司，就凭借已其达到国际领先水平，且具有自主版权的数控技术和现代化的产业基地在中国大地迅速崛起。该公司的中华数控系统曾在2004年举行的第一届全国数控技能大赛上与西门子、发那科等著名系统同台全方位竞技，充分发挥了其强大功能优势。使用此系统的参赛选手，有多人取得了

13、很好的成绩。可见，国内系统功能也会越来越完善。要考虑数控系统与其它配件的匹配。如果数控系统、电机及驱动器的品种、牌号太杂，在连接各部件时，就可能会出现输入与输出信号的不匹配及在传送中信号产生滞后等现象。因此，选择时要优先考虑能提供进给伺服系统和主轴驱动的厂家的数控系统。另外，在资金允许的条件下，尽量向著名厂家型号系列靠拢。一般著名厂商此类系统零件筛选更严格，制造工艺更规范可靠，性能稳定，能更好地预防电器元件的故障或提前失效引起的设备故障，也有利于维修。第3章、 机床机械部件的改造 数控机床的机械部分在刚度、精度、速度、摩擦磨损等方面较普通机床有更高的要求。因此，不能简单地认为将数控装置与普通机

14、床连接在一起就达到了机床数控改造的目的。而是应该从机床自身的价值考虑，分析改造要达到的目标和所需投入。从该机床在本单位产品制造中的地位和重要程度来分析改造价值。对被改造机床的结构、性能、精度等技术现状作全面分析。其中包括机床原来的结构设计是否符合改造要求，部件结构是否仍然完好，各坐标轴的机械传动结构及导轨副的形式等是否适用，各项精度是否满足要求，机床在加工中是否存在故障和历史上有无出现过重大故障。从该机床的投入产出率估算，确定最终改造方案。3.1主传动系统的改造 传动系统进行改造时，一般应尽量保留原主轴箱齿轮变速换档机构，只把主轴的正转、反转和停转由原来的机械控制改变为由数控系统控制。当然，如

15、果为了扩大变速范围，实现加工过程中的自动变速，也可以将原来的单速电机更换为多速电机，这样可以使机床性能更好。但多速电机的功率是随转速的变化而变化的，所以电机功率要大，且还要增加一套电机变速系统，改装比较麻烦。对普通机床进行简易数控改造时，最好不要用这种方法。另外，为了使改装后的机床主传动和进给传动保持必然的联系，要在主轴箱内安装一个与主轴同步旋转的旋转脉冲编码器。如普通车床改装为数控车床时，在主轴箱内装主轴脉冲编码器，以保证改造后的车床具备螺纹加工的功能。3.2进给传动系统的改造 传动系统进行改造时，一般都应该把原来的进给变速传动装置及操纵机构全部拆除。而每个方向的进给传动都改由各自独立的功率

16、步进电机，经减速齿轮直接与带动滑板移动的丝杠连接，分别实现各坐标方向的运动，进行各坐标的控制。例如普通机床的简易化数控改装，通常都是把原来由主轴箱到进给箱的传动路线切断，且将溜板箱拆除，直接把齿轮减速箱和功率步进电机安装在纵向丝杠的右端和横向丝杠的外端。在对机床进给传动系统改装的同时，也要对此传动系统中的传动装置元件进行相应的改造。具体如下：a丝杠。丝杠是将回转运动转换为直线运动的传动装置。改造时，为了满足数控机床上较高精度零件的加工要求，应该用滚珠丝杠螺母副替换原普通机床上的梯形丝杠螺母副。滚珠丝杠螺母副把传动丝杠与螺母之间的滑动摩擦变为了滚动摩擦，使摩擦损失减小，精度保持性、传动平稳性、传

17、动效率等都得以提高。其传动效率可达到92%98%，是普通丝杠螺母副的34倍。普通车床大多采用的是T型丝杠等滑动丝杠副，与滚珠丝杠副相比摩擦阻力大、传动效率低，不能适应于高速运动。另外由于磨损快，造成其精度保持性和寿命低等等，在进行普通机床数控化改造时往往都将其更换为滚珠丝杠副。滚珠丝杠副有以下一些特点：摩擦损失小，传动效率高，可达0.900.96；若使用的丝杠螺母预紧后，可以完全消除间隙，提高传动刚度；摩擦阻力小，几乎与运动速度无关，动静摩擦力之差极小，能保证运动平稳，不易产生低速爬行现象；磨损小、寿命长、精度保持性好。但应注意，由于滚珠丝杠副不能自锁，有可逆性，即能将旋转运动转换为直线运动，

18、或将直线运动转换为旋转运动，因此丝杠立式和倾斜使用时，应增加制动装置或平衡装置。滚珠丝杠副根据其滚珠的回转方式可以分为外循环和内循环两种，根据螺母的结构形式又可以分为双螺母和单螺母。在进行改造时应根据具体情况和结构形式来定，由于外循环式丝杠副螺母回珠器在螺母外边，所以很容易损坏而出现卡死现象，而内循环式的回珠器在螺母副内部，不存在卡死和脱落现象。由于双螺母不仅装配、预紧调整等比单螺母方便，而且其传动刚性比单螺母也好，所以只要结构和机床空间满足要求，在普通机床数控化改造中多选内循环式双螺母结构。 改造时各轴滚珠丝杠的直径一般都是与原T型丝杠直径相近，对有特殊要求的机床还应根据杆系的稳定性计算其临

19、界转速，最终确定滚珠丝杠的直径。丝杠导程在满足机床改造后性能的前提下越小，对机床的传动精度越有利。机床的传动精度在保证机床刚性的情况下，与丝杠副本身的精度和轴承布置形式有很大的关系，一般在普通机床改造中丝杠副选P4级即可满足要求，特殊精密机床选P3级甚至更高。丝杠副轴承常见的布置形式根据不同的需要可以分为以下几种，如图1。图1 丝杠副轴承的布置形式(1).图1a中为一端固定，一端悬空的布置方式。这种安装方式的承载能力小，轴向刚度低，仅适应于短丝杠，如数控机床的调整环节或升降台式数控铣床的垂直坐标中。 (2).图1b中为一端固定，一端支承的布置方式。这种安装方式多在丝杠较长，转速较高的场合，在受

20、力较大时还得增加角接触球轴承得数量，转速不高时多用更经济的推力球轴承代替角接触球轴承。 (3).图1c和1d中为两端固定的布置方式。这种布置方式丝杠副得支承刚性最好，通过轴承的预紧力预拉伸丝杠，以减少丝杠热变形的影响。这种方式多用在丝杠长度不大得情况，但设计时要注意提高平面球轴承的承载能力、支承刚度以及丝杠装配时的预拉伸量，否则会影响轴承寿命，同时也会因为预加负载得不易控制而增加电机的附加扭矩。b拖板。拖板是数控系统直接控制的对象。不论是点位控制、直线控制，还是轮廓控制，被加工零件的最终坐标精度都将受到拖板运动精度、灵敏度和稳定性的影响。除拖板及相配件精度要高外，由驱动电机到丝杠间的传动齿轮也

21、要采用间隙消除结构。以满足传动精度和灵敏度的要求。常用的消隙方法有刚度调整法和柔性调整法两种。刚性调整法传动刚度较好，结构简单，但调整起来很费时；柔性调整法，一般用弹簧弹力自动消除齿侧间隙，传动刚度较低，传动平稳性差，结构复杂。改造中，可根据机床加工目标选用。具体选用可参考有关资料。c机床导轨。为了使改造后的机床有较高的开动率和精度保持性，应充分考虑机床导轨的耐磨性。当前国内普通机床床身等大件多采用普通铸铁，其摩擦系数较大。改造中，在对达不到预定要求的原机床导轨进行修磨、刮研后，要在上面贴上耐磨、吸振的聚四氟飞烯软带。 3.3刀架的改造 刀架是否需要进行改造，要根据改造后机床主要加工对象来确定

22、。若采用一把刀即可完成本机床上的加工，就没有必要对刀架进行改造。若需采用多把刀，如普通车床改装后需要三、四把刀才能完成全部车工工序，就必须对刀架部件进行改造。即拆掉原手动刀架，装上电气或液压驱动，由数控装置控制的自动刀架。机床的数控化改造要考虑的因素很多。除了上面提到的主要内容外，由于机床控制方式的改变，还要对其进行电气部分的重新设计，机械部分的大修和专项修理，解决调试、安装等多方面存在的问题。总之，在改造过程中，一定要全面综合地考虑问题。只有这样才能改造出性能价格比最优的机床。快速自动对刀部分配上附件对刀器，实现了有人工参与的快速自动对刀。其工作原理图4可简要说明。对刀模块上有两个对刀面A、

23、B，其位置关系已知。在系统控制下，刀具刀尖分别触及对刀面A、B的瞬间，采样X、Z坐标值，即可求得刀尖坐标。即确定了该刀具在机床坐标系中的位置。若刀具刀尖为圆弧形，刀尖触及A、B面时，采样到的X、Z坐标值为圆弧与对刀面接触点的相关坐标。此时系统将根据刀尖半径与对刀面的几何关系，通过计算求解出刀尖圆心坐标，以此确定刀具位置。利用快速对刀功能，对一把刀只需1min左右。且对刀精度高，大大减少了加工的辅助时间，有效地提高了劳动生产率与车削加工质量.如图1-1所示为CA6140型普通车床数控化改造例，它采用了一种比较简单但是较为典型的改装方案，改造后的车床进给运动由步进电机A和B驱动，它们分别安装在床头

24、箱内(或床身尾部)和拖板后方，通过减速齿轮和纵横向丝杠带动车床的纵横进给运动。(插图1-1) 为使改造后的车床能充分发挥数控车床的效能，纵横向丝杠螺母副一般需要调换成滚珠丝杠螺母副。当利用原丝杠螺母副时，为了减少改造工作量，纵向驱动电机及减速箱一般装在床身尾部，这时连接车床原传动系统(主轴系统)和纵向丝杠传动的离合器尚未拆除，工作时应使处于脱开位置。同理，脱落蜗杆等原横向自动进给机构若未拆除，工作时也应使其处于空档(空挡)位置。改造后的进给脉冲当量的量值靠步进电机步距角、减速齿轮比、丝杠导程三者协调确定。三者之间换算关系可以以下式表示： (/360)（ac/bd)T= 式中步进电机步聚角(度)

25、； T所驱动丝杠导程(mm); a,b,c,d齿轮齿数，当单级减数时，令c、d等于1； 脉冲当量值(mm)。 步进电机的参数根据阻力矩及切屑用量的大小和机床型号来选择，普通车床(如C6140、C620等)的数控改造中多采用0.080.15(Nm)静力矩的步进电机，如选0.08(Nm)的作为横向进给电机；选0.15(Nm)的作为纵向进给电机。 若需要，可将原刀架换成自动转位刀架，则可以用程序数控转换刀具进行切屑加工。当数控系统发出换刀信号时，首先继电器K1动作，换刀电动机正转驱动蜗轮蜗杆机构，使上刀体上升。当上刀体上升到一定的高度时，离合转盘起作用，带动上刀体旋转进行选刀。刀架上方的发信盘中对应

26、每个刀位都安有一个传感器，当上刀体旋转到某个刀位时，该刀位的传感器向数控系统输出信号，数控系统将刀位信号与指令刀位信号进行比较，当两信号相同时，说明上刀体已旋转到所选刀位。此时数控系统控制继电器K1释放，继电器K2吸合，换刀电动机反转，活动销在反靠盘上初定位。在活动销反靠的作用下，螺杆带动上刀体下降，直到齿牙盘咬合，完成精定位，并通过蜗轮蜗杆锁紧螺母，使刀架紧固。此时数控系统控制继电器K2释放，换刀电动机停转，完成换刀动作。也可以保留原刀架仍采用手动转换刀具，但在换刀时必须设置程序暂停。如果需要加工螺纹，则要在主轴外端或其他适当部位装上一个脉冲发生器C，用它发出脉冲使步进电机准确地配合主轴的旋

27、转而产生相应的进给运动，即保证主轴每转一转，车刀移动一个导程。 上述改造方案中，不更换丝杠方法当数控系统出现故障时，仍可以加工，但滑动丝杠螺母副容易磨损故需要经常检修，而且功率和加工精度均不如滚珠丝杠螺母副驱动方式。另外，拖板与床身的导轨不够平行或垂直，以及两者之间摩擦力过大，丝杠轴线与导轨间存在平行度误差等问题均会使驱动阻力增加。为了减阻力以提高步进电机的力矩有效率和加工精度. 机床改造完毕后，还应该对其进行安装调试及验收。一般来说，应特别注意安装的位置和基础，使机床处于良好稳定的工作环境。其次是全面检查各器件、插件的连接情况以及各油路、电路的情况，再进行数控系统的连接。当完成数控系统的调整

28、，具备了机床联机通电试车的条件，可切断数控系统的电源，连接电动机的动力线，恢复报警设定，准备通电试车。试车的目的是考核机床的安装是否稳固，各传动、操纵、控制、润滑、液压、气动等系统是否正常和灵敏可靠。改造后的数控机床的验收是和安装调试工作同步进行的。一台机床数控改造完好后的检测验收工作是一项复杂的工作，其试验检测手段及技术要求也很高，它需要使用各种高精度的仪器，对机床的机、电、液、气各部分及整机进行单项性能综合性能检测，包括运行刚度和热变形等一系列试验，其中应特别注意机床数控功能的检验，最后得出该机床的综合评价。第4章、系统的组成该系统是由PC机和自行开发的数控控制板两级控制组成，其组成如图l

29、所示。主要功能部件有：4.1接口硬件介绍及其设计（1）PC机。可选用市面上任何一种机型，也可利用闲置低档配置的机型。在PC平台上可以开发出具有良好开放数控系统，从而增强经济型数控改造的整体效果。（2）数控控制板。考虑到经济型数控改造的特点，数控板没有采用常见的ISA总线插卡，而是结合本课题的具体情自行开发一块以8031单片机为核心的数控控制板。它主要成实EI性任务，如机床状态检测、紧急情况处理、细插补运算、脉冲分配等。PC机利用标准并行打印口与8031进行通信，将预处理后的数控加工信息通过数控控制板完成对机床的控这种结构省去了打开机箱的麻烦，方便安装和维护。为提靠性和处理速度，采用硬件环形分配

30、器产生脉冲控机的运转。为增强系统的抗干扰能力，输入输出信号要经电隔离。（3）机床本体。为满足数控加工的要求，对原机床机械的改造主要有：进给系统。拆除原机床进给箱、溜板箱内的零部件及光杠、滑动丝杠、挂轮。纵、横向以步进电机作为驱动元件，经一级齿轮减速后由滚珠丝杠传动。原横向手动机构仍保留，以方便机床的手动调整。主变速系统。保持原机床的主舳手动变速，数控系统仅控制主轴电机的起、停和正、反转。为实现螺纹加工功能，往机床主轴末端安装脉冲发生器作为主轴位信号的反锁元件。刀架部分，原机床手动转位刀架保留不变。（4）驱动电路。采用离低压驱动方式，自行设计步进电机驱动电路板。2、主轴部分的改造 车床主轴带动工

31、件以不同转速旋转是车削加工中的主运动，消耗机床大部分动力。普通车床由主电动机经皮带传动，经主轴变速箱带动主轴旋转，主轴箱经手动或自动变速获得（924）级转速，通过电磁或液压离合器操纵主轴的变速和正反转；而数控车床主轴箱由电主轴或传统机械主轴单元加变频电机和变频器组成。普通车床在数控化改造时大部分情况下保留原主轴箱，不做改动或少做改动。如需改动则要注意以下几点： 如原主轴含液压操纵主轴的变速、正反转和润滑功能，则需对其增装单独普通电机加以驱动，避免液压系统受到主电机正反转或转速变换而失灵。 如不需要原有机械变速换挡时，则需将主轴箱内齿轮组固定在一恒定的速度链上，摩擦片也应焊死以免因为误操作出现事

32、故。 机床能否进行螺纹加工是主轴部分数控化改造的另一重要部分，传统车床加工螺纹时往往是通过挂轮组来完成，加工不同的螺纹则需不同的挂轮组，操作起来十分麻烦。改造时如图2，我们通常在主轴末端或挂轮架处增装一光电编码器，其转速与主轴转速一致，主轴转一周，光电码盘转一转，通过反馈给系统控制进给轴与主轴的同步性，从而加工出理想螺距的螺纹。根据其编码方式的不同，光电码盘可分为增量式光电码盘和绝对式光电码盘，目前国内常用的为增量式光电码盘。根据光电码盘上刻线条数可分为1024线、2048线等，我们常用的为1024线即可满足要求。图2 主轴编码器安装图PC机的标准并行打印口是一个具有25个引脚，3个端址的控制

33、接口。本系统只需把PC机插补后的数据快速的下传，而上传的只是机床的少量状态信息，机床的动作主要由8031来控制完成。这种情况很适合打印机接口的通信特点。利用打印机接口在和数控控制板之间通信，不需增加额外硬件，只要把并行打的3个端口根据数控加工的需要重新定义即可利用，尤其适于经济型数控改造。数控控制板的有关组成电路如图2所示。4.2系统的软件部分本数控系统的软件部分采用VC6.0编写，三维图形实现。由于软件在PC平开发，因此适应能力强，界面通俗易懂，三维图形真实感强，系开放性能好，为以后的升级维护和功能的扩充修改提供了条件。用户在数控加工时，先要生成后缀为.cnc的零件加工程此程序可由/CAM软

34、件自动编程，也可在本系统的程序辑窗口手工编写。然后，由数控系统软件对加工程序进行检查、编译、粗插补，如果发现错误，则给出详细的错误信息，便于用户修改。编译通过后，生成可执行文件，利用加工预览可以在加工前对加工过程仿真。在确认刀具轨迹符合要求况下，选择操作面板上的“自动”档，并按动“开始”按钮，PC机则将处理后的数据通过打印接口送给8032，8031按升降速度硬件环分，发送脉冲给步进电机使机床动作，完成数工。限位、急停信号送入8031的外中断引脚，发生紧急情况时，8031响应中断，停止发送脉冲，机床停止运动，同时向PC机发故障信号，使PC机停止向8031传送数据，并在屏幕上显示相的报警信息，用户

35、可根据报警信息的提示及时排除故障。在本系统中，PC机和8031单片机之间快速可靠的数送是保证数控系统正常工作的关键，也是一个难点。润滑部分的改造 老式传统车床除主轴箱外，导轨、丝杠副、光杆等多用油枪定期注油润滑和油脂润滑，这对机床的导轨、丝杠副等的精度保持很不利，在同等驱动下机床运动的稳定性、灵活性也差一些。图3 机床的润滑在对这些机床改造时一般都要对其润滑部分进行相应的改动，采用稀油集中定量、定时供油润滑的方式，可分为手控润滑和编程自动润化两种，在机床导轨、丝杠副布置好油路后可根据需要任选一种。 丝杠支承轴承一般采用油脂润滑，如特殊需要和供油充分的条件下也可采用稀油润滑。 第5章、机床数控化

36、改造的联调机床安装、系统各参数按要求设置完成之后，在机电联调时还需完成各种动作试验、功能试验、空运转、负荷试验，检验机床数控化改造后是否满足要求。 5.1空运转前的检查 （1）通电前机床外观检查（检查机床各部位的装配质量，使他们能在通电后正常工作）。重要固定结合面应紧密贴合，用0.03塞尺检查时应该插不进，滑动导轨面的端部用0.03塞尺检查深度小于20mm。重要固定结合面为床头箱与床身的结合面，转塔刀架底座与滑板的结合面，尾座体与尾座底板的结合面，床身与床身（拼结床身）的结合面，镶钢导轨与基础件的结合面等。 （2）仔细检查各个箱体及各个运动部件是否按要求加油，箱体中的油平面不得低于油标线以下。

37、冷却箱中是否有足够的冷却液，液压站、自动间歇润滑装置的油是否到油位指示器规定的油位，电器控制箱中的各开关及元器件是否正常，各插装集成电路板是否到位，通电启动集中润滑装置使各润滑部位及润滑油路充满润滑油。 5.2各种动作试验 （1）手动操作试验 如车床依靠手动使刀架沿X、Z正负方向运动和单向进给运动。主要是试验手动操作的准确性，此功能多在加工对刀时要用。 （2）点动试验 在点动状态下使刀架先慢后快运动，并进行倍率变换。 （3）主轴变档试验 主轴变挡试验可按说明书中规定的变档指令进行。 （4）超程试验 各轴做正负两个方向的超程试验。机床超程保护有两种，一是软件存储极限保护，另一种硬件保护。超程状态

38、表现为控制机报警和屏幕上有显示，另外液压站电源切断。如果超程保护不起作用，将造成机械部件损坏。 5.3功能试验 （1）功能试验 用按键、开关、人工操纵对机床进行功能试验。试验其动作的灵活性、平稳性以及功能的可靠性。 （2）任选一种主轴转速做主轴启动、正转、反转、停止（包括制动）的连续试验，连续操作不少于七次。 （3）主轴高、中、低转速变换试验。转速的指令值与显示值允差为5%。 （4）任选一种进给量，将启动、进给和停止动作连续操作，在X、Z轴的全部行程上，连续做工作进给和快速进给试验。快速行程应大于1/2全行程，正反方向连续操作不少于七次。 （5）在X、Z轴的全行程上，做低、中、高进给量变换试验

39、。 （6）转塔刀架进行正反方向转位和各种转位夹紧试验。 （7）液压、润滑、冷却系统做密封、润滑、冷却性能试验，做到不渗漏。 （8）卡盘做夹紧、松开、灵活性及可靠性试验。 （9）主轴做正转、反转、停止及变换主轴转速试验。 （10）进给机构做低、中、高进给量及快速进给的变换试验。 （11）用数字控制指令进行机床的功能试验，试验动作的灵活性和功能的可靠性。 （12）试验进给坐标超程、手动数据输入、位置显示、回基准点，程序序号显示和检索、程序暂停、程序删除、直线插补、直线切削循环、锥度切削循环、螺纹切削循环、圆弧切削循环、刀具位置补偿、螺距补偿、间隙补偿等功能的可靠性、动作灵活性等。 5.4空运转试验

40、 5.4.1主运动机构运转试验 在不切削状态下，试验主轴运转时间的温度变化和空载功率。机床主运动机械由低、中、高三档转速，有级变速为全部转速运转时间不少于2分钟，在最高转速段不得少于1小时，使主轴轴承达到稳定温度。检查主轴轴承的温度不超过70。 5.4.2连续空运转试验 用数控程序指令全部功能做（不切削）连续运动和回转试验。其运动时间不大于15分钟。每个循环终了停车，并模拟松卡工作，停车不超过一分钟，根据客户不同的要求连续运转48h72h。 5.5试切 在机床各项几何精度和运动精度满足要求后，应按相应标准和自定标准加工工件，以检测机床数控化改造后的加工性能。有的除了要进行必要的精加工外，还要进

41、行一定的负荷试验，以检查其精度的稳定性。 在上述各项试验满足要求后，机床数控化改造后的联调工作也就完成了第6章、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。6.1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

42、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。6.2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。用这种系统可根据产品技术要求，决定是否采。6

43、.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。在将角位移检测元件与速度检测元件和伺服电机作成一个整体时则无需考虑位置检测装置的安装问题。当前生产数控系统的公司厂家比较多，国外著名公司的如德国SIEMENS公司、日本FANUC公司；国内公司如中国珠峰公司、北京航天机床数控系统集团公司、华中数控公司和沈阳高档数控国家工程研究中心。选择数控系统时主要是根据数控改造后机床要达到的各种精度、驱动电机的功率和用户的要求。第7章、改造

44、的技术准备7.1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。技术准备包括：1.机械部分准备为配合电气改造而需进行的机械大修改造的测量、计算、设计、绘图、零件制作等应先期完成。同时对停机后需拆、改、加工的部分等应事先规划完毕，提出明确要求，与整个改造工作衔接得当。2.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。要有充裕的时间来对上述资料进行翻译(进口系统)、消化、整理、核对，做到思路清晰，层次分明。3.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

45、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、互联部分接点、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。局部改造的，还需要考虑新旧系统的性能匹配、电压极性与大小变换、安装位置、数模转换等，必要时需自行制作转换接口。4.操作、编程人员的技术培训机床电气系统改造后，必然对操作、编程人员带来新的要求。因此提前对操作人员和编程人员进行新系统知识培训十分重要，否则将影响改造后的机床迅速投入生产。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

46、程等等。重点是弄懂、弄通操作说明书和编程说明书。5.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。调试工作涉及机械、液压、电气、控制、传感等，因此必须由项目负责人进行，其它人员配合。调试步骤可从简到繁，从小到大，从外到里进行，也可先局部后全局，先子系统后整系统进行。验收标准是对新系统的考核，制定时必须实事求是，过高或过低的标准都会对改造工作产生负面影响。标准一旦确定下来，不能轻易修改，因为它牵涉到整个改造工作的各个环节。7.2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：1.原机床的全面保养机床经

47、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。其次，应对机床作一次改前的几何精度、尺寸精度测量，记录在案。这样既可对改造工作起指导参考作用，又可在改造结束时作对比分析用。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。如强电部分的零件更换，电机的保养，变压器的烘干绝缘，污染的清洁，通风冷却装置的清洗，伺服驱动装置的最佳化调整，老化电线电缆的更新，连接件的紧固等等。只有对保留的电气部分做好过细的最佳化调整工作，才能保证改造后的机床有较低的故障率。3.原系统拆除原系统的拆除必须对照原图纸，仔细进行，及时在图纸上作

48、出标记，防止遗漏或过拆(局部改造情况下)。在拆的过程中也会发现一些新系统设计中的欠缺之处，应及时补充与修正，拆下的系统及零件应分门别类，妥善保管，以备万一改造不成功或局部失败时恢复使用。还有一定使用价值的，可作其他机床备件用。切忌大手大脚，乱扔乱放。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。连线工作必须分工明确，有人复查检验，以确保连线工艺规范、线径合适、正确无误、可靠美观。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。调试中首先试安全保护系统灵敏度，防止人身