机床数控化改造.docx

三门峡职业技术学院 课程论文设计（ 机床数控装置与调试）题目：CA6140机床数控化改造设计学生姓名： 学 号： 系 部： 专业名称： 班级名称: 指导教师： 完成日期： 年 月 日摘 要针对大多数企业,具有数量众多和较长使用寿命的普通机床，其加工精度较低、不能批量生产，自动化程度不高，自适应性差，但考虑投资成本，产业的连续性，又不能马上被淘汰。数控机床作为机电液气一体化的典型产品，能解决机械制造中结构复杂、精密、批量、零件多变的问题，加工质量稳定，生产效率较高。购买新的数控机床是提高产品质量和效率的重要途径,但是成本高，许多企业在短时间内无法实现，这严重阻碍企业设备更新的步伐。为此把普通机床数控化改造，不失为一条投资少、提升产品质量及生产效率的捷径，提升企业竞争力，在我国成为制造强国的进程中，占有一席之地。本文的主要内容有：1对普通车床数控化改造经济性评价详细论证，确定普通车床数控化改造方案；2对进给系统的滚珠丝杠型号选择与装配设计，支承方式的设计与轴承型号选择，步进电机选择等进行了详细研究；3对常用进口数控装置系统和国产数控装置系统进行仔细比较，根据所改造的性能和精度指标来选配数控装置系统和自动刀架型号，提出选择方法；4根据普通车床CA6140电气控制系统和原理图与普通车床数控化改造CJK6140-A的数控系统对比分析，形成普通车床数控化改造完整的电气控制技术图；5.为保持切削螺纹的功能，仔细研究了在主轴上安装脉冲发生器的选型，脉冲发生器直接与主轴间连接方法，并形成了相应的技术图；6.拆卸普通机床，甩掉原有进给箱等，对主传动系统的进行大修，滑板贴塑与铲刮调试，对机床相关部件和参数进行测绘、测量；7.绘出相应的零件图和装备图；8给出普通车床数控化改造的安装、调试方法。关键词：普通车床、数控、改造目 录第一章CA6140普通车床数控改造总体方案的设计要求1.1总体方案41.2设计要求51.3主传动系统和进给系统的改造61.4主轴脉冲发生器6第二章 进给伺服系统机械部分设计与计算2.1 进给系统机械结构改造设计82.2 进给伺服系统机械部分的计算与选型82.3横向滚珠丝杠螺母副的型号选择与校核步骤14第三章 CA6140数控改造步进电机的设计3.1 步进电机的工作方式173.2 步进电机的选择18第四章CA6140普通车床数控化改造的数控系统4.1 数控车床及数控系统概述204.2 微机控制系统硬件电路设计224.3单板机数控系统控制234.4 存储器扩展电路设计244.5 译码电路设计264.6 其他辅助电路设计设计27第五章 安装调整中应注意的问题5.1 滚珠丝杠螺母副的选择305.2 滚珠丝杠螺母副的调整305.3 联轴器的安装305.4 主轴脉冲发生器的安装30第六章 结束语致谢31参考文献-32第一章 CA6140普通车床数控改造总体方案的设计要求1.1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1.1图所示1.2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1.3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，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性能和精度的要求。所以，必须要换成数控自动刀架。1.4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，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。脉冲发生器的结构原理图第二章 进给伺服系统机械部分设计与计算2.1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。2.2进给伺服系统机械部分的计算与选型进给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。计算简图如下图所示：图2.1纵向进给图2.2进给系统计算简图2.2.1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。2.2.2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。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。 （2-1） 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。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： （2-2） =5360(N) 由金属切削原理知：=1:0.25:0.4 （2-3） 得 =1340(N) =2144(N)因为车刀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 =1.15×1340+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，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接触变形。1 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=597N 3.14×63/4.763=41.53 41.53×3.5×1=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。2.3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。2.3.1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：2.3.2滚珠丝杠设计计算(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。第三章 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。3.1 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。32步进电机的选择3.21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；3.22 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。3.23 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，查表选用110BF003型直流步进电动机，能满足要求。第四章 CA6140车床数控化改造的数控系统4.1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4-1，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4-1数控机床的主要结构4.1.1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。4.1.2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4-2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4-2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。4.1.3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。4.1.4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。4.1.5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。4.2微机控制系统硬件电路设计4.2.1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。4.3 单板机控制系统的设计4.3.1 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构成，具有24键的键盘。4.3.2 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4.3.3 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4.3.4.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。4.4存储器扩展电路设计4.4.1 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（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，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。4.5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：4.6其他辅助电路设计4.6.1 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。4.6.2 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。4.6.3 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。4.6.4 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，图中为电源电压，为备用电池电压，并且，为存储器RAM的电源端，正常通电时，二极管导通，截止， RAM的工作电压由提供，同时，还通过电阻R对电池充电。断电后，截止，导通，此时RAM的工作电压由电池电压由电池经二极管和电阻R供给，值一般取>3V时，存储器就能可靠的保持信息。第五章 安装调整中应注意的问题5.1滚珠丝杠螺母副的选择滚珠丝杠螺母副的制造精度要求高，加工工艺比较复杂。因此在进行设备改造时，要按厂家生产标准进行选择。选择合适后再决定被改造设备的 其他相关部分的结构和尺寸。5.2滚珠丝杠螺母副的调整利用螺母的 间隙调整装置调整丝杠副间隙时，应使调整后产生的 预紧力为丝杠副最大负载的1 / 3为宜。在 实际调整中，可以把车床处于最大工作负载，使丝杠内部仍不产生间隙或者间隙量小于0.01mm，而且运转灵活，并以此作为螺母间隙调整装置预紧的判断标准。5.3联轴器的安装传动丝杠轴线上各联轴套上的锥销孔座按十字分布方式进行配做。这是因为同一联轴套上分布的锥孔都由同一方向加工时会引起轴线的直线度误差增大，从而使安装在丝杠上各零件间的同轴度误差增大，产生传动附加载荷，影响丝杠副的传动性能。5.4主轴脉冲发生器的安装 主轴脉冲发生器的的引出轴按比例1：1无间隙柔性连接传动，连接后应保证两者都有很好的同步性，安装中要注意主轴脉冲发生器是玻璃件，不能随意敲打碰撞，使用中车床主轴转速不能超过脉冲发生器的最高许用转速。第六章 结束语随着微电子技术的发展，我国的机床数控化在近十年来有了很大的发展，而普通机床的数控化改造后在满足完成同样的加工任务的前提下，可大大降低技术改造的投资经费，在实际中得到广泛应用。基于对CA