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1、目 录1 引言111 课题背景112 课题的内容21.3 数控机床的发展趋势31.3.1智能化31.3.2高精度化31.3.3 高可靠性41.3.4现代数控机床还采取了以下措施来提高数控系统的可靠性42 机床数控改造主要步骤52.1 改造方案的确定52.1.1 数控系统的设计52.1.2 电气控制部分的改造52.1.3 系统的抗干扰措施62.2 改造的技术准备62.2.1 机械部分准备62.2.2 新系统电气资料消化62.2.3 新旧系统接口的转换设计72.2.4 操作、编程人员的技术培训72.2.5 调试步骤与验收标准的确定72.3 改造的实施72.3.1 原机床的全面保养82.3.2 保留
2、的电气部分最佳化调整82.3.3 原系统拆除82.3.4 合理安排新系统位置及布线82.3.5 调试82.4 验收及后期工作92.4.1 机床机械性能验收92.4.2 电气控制功能和控制精度验收92.4.3 试件切削验收92.4.4 图纸、资料验收92.4.5 总结、提高83微机数控系统的设计83.1微机数控系统的设计纲要83.1.1 硬件电路设计83.1.2 软件电路设计93.2 8031单片机及其扩展103.2.1 8031单片机的简介103.2.2 8031单片机的系统扩展113.2.3 I/O口的扩展133.3 步进电机驱动电路143.3.1 脉冲分配器（环行分配器）143.3.2光电
3、隔离电路153.3.3功率放大器153.3.4 其他辅助电路16参 考 文 献18致 谢191 引言11 课题背景1952年美国帕森斯公司和麻省理工学院伺服机构实验室合作研制成功世界上第一台三坐标数控立式铣床,用它来加工直升飞机叶片轮廓检查研样扳。这是一台采用专用计算机进行运算与控制的直线插补轮廓控制数控铣床,专用计算机采用电子管元件,逻辑运算与控制采用硬件联结的电路。 1955年，该类机床进入实用化阶段,在复杂曲面的加工中发挥了重要作用,这就是第一代数控系统。从那时起40多年来，随着自动控制技术、微电子技术、计算机技术、精密测量技术及机械制造技术的发展，数控机床得到了迅速发展，不断地更新换代
4、。1959年,晶体管元件问世,数控系统中广泛采用晶体管和印制板电路,从此数控系统跨入第二代。 1965年，出现了小规模集成电路,由于其体积小，功耗低,使数控系统的可靠性得到进一步提高,数控系统从而发展到第三代。 以上三代数控机床的控制系统均为硬接线数控系统,称为普通数控系统,即NC系统。 由于当时控制计算机的价格十分昂贵,为了提高系统的性能价格比,出现了用一台计算机控制多台机床插补运算的直接数控系统,即DNC系统。由于计算机负担较重,系统可靠性和实用性均较差。 随着计算机技术的发展，出现了小型计算机代替专用硬接线装置,以控制软件实现数控功能的计算机数控系统，即CNC系统，使数控机床进入第四代。
5、 1970年前后，美国英特尔公司首先开发和使用了4位微处理器,1974年美、日等国首先研制出以微处理器为核心的数控系统。由于中、大规模集成电路的集成度和可靠性高、价格低廉,所以微处理器数控系统得到了广泛的应用。这就是微机数控系统，即MNC系统，从而使数控机床进入第五代。 现代数控机床为了进一步扩展功能，增强实时控制能力和可靠性，常采用多微处理器结构,由多个微处理器构成功能模块,各功能模块之间的互连与通信,或采用共享总线结构，或采用共享存储器结构。 我国是从1958年开始研制数控机床的,到20世纪60年代末70年代初,已经研制出一些晶体管式的数控系统，并用于生产。但由于历史的原因，一直没有取得实
6、质性的成果。数控机床的品种和数量都很少,稳定性和可靠性也比较差,只在一些复杂的、特殊的零件加工中使用。 直到20世纪80年代,我国先后从日本、德国、美国等国家引进一些先进CNC装置及主轴、伺服系统的生产技术，并陆续投入了生产。这些数控系统性能比较完善，稳定性和可靠性都比较好，在数控机床上采用后,得到了用户的认可，结束了我国数控机床发展徘徊不前的局面,使我国数控机床在质量、性能及水平上有了一个飞跃。到1985年，我国数控机床的品种累计80多种,数控机床进入实用阶段。12 课题的内容数控机床经济型改造,实质是机械工程技术与微电子技术的结合。经改造后的机床加工的精度、效率、速度都有了很明显的提高，适
7、合我国现在经济水平的发展要求。 本次毕业设计主要是对CAK6150数控车床的电气控制部分进行改造, 实现微机对车床的数控化控制。利用微机对车床的纵向、横向进给系统进行数字控制，并要达到纵向最小运动单位为0.01 /脉冲，横向最小运动单位0.005 /脉冲，主运动要实现自动变速，刀架要改造成自动控制的自动转位刀架，要能自动的切削螺纹。以步进电机驱动横向进给运动、纵向进给运动以及刀架的快速换刀,使传动系统变得十分简单，传动链大大缩短,传动件数减少,从而提高机床的精度。 设计中，我们对有关数控车床及数控改造的相关书籍、刊物进行大量阅读,收集了很多资料,了解了数控车床的基本概念，数控车床的发展概况，数
8、控车床的组成及其工作原理，扩大了我们的知识面。随着科学技术的发展,现代机械制造要求产品的形状和结构不断改进，对零件的加工质量的要求也越来越高。随着社会对产品多样化要求的增强，产品品种增多,产品更新换代加速。数控机床代替普通机床被广泛应用是一个必然的趋势。同时，数控机床将向着更高的速度、精度、可靠性及完善性的功能发展。1.3 数控机床的发展趋势 随着科学技术的发展，现代机械制造要求产品的形状和结构不断改进，对零件加工质量的要求也越来越高。随着社会对产品多样化需求的增强，产品品种增多，产品更新换代加速。这就要求数控机床成为一种具有高效率、高质量、高柔性和低成本的新一代制造设备。尤其是FMS的迅猛发
9、展CIMS的兴起和不断成熟，对机床数控系统提出了更高的要求。现代数控机床正向着更高的速度、更高的精度、更高的可靠性及更完善的功能发展。1.3.1智能化在数控机床控机床采用了交流数字伺服系统。伺服电动机的位置环、速度环、及电流环都实现了数字化，并采用了不受机械负荷变动影响的高速响应伺服驱动技术。同时，高分辨率、高响应的绝对位置检测器也已应用到数字伺服系统中，这种检测器每转可进行100万细分,可在1000r/min的高速运转中使用。此外，提高主轴转速、减少非切削时间，采用快速插补、超高速通信技术都使现代数控机床的切削速度得到很大的提高。1.3.2高精度化 高精度化一直是机床数控技术发展追求的目标，
10、在20世纪末一取得明显的效果。普通级中等规格的加工中心的定位精度已从20世纪80年代初的+12 m提高到+0.5 m. 现代数控机床通常采用以下技术来提高精度: 利用数控系统的补偿功能，提高其加工精度和动态特性。例如补偿轴向运动误差、丝杠导程误差、齿轮间隙误差、刀具磨损误差等。在新一代数控系统中，还开发了具有热补偿、空间误差补偿功能的传感器件和软件。 采用高分辨率、高响应性的绝对位置传感器技术，实现切削加工的精密检测。如这种传感器检测到的绝对位置信号，通过专用微处理器进行细分处理，可达到极高的分辨率,现已生产出配套的专用芯片,大大提高了使用精度和可靠性。 采用数字式伺服控制技术，该技术是基于现
11、代控制理论而构成的反馈控制技术。该技术引进的现代控制技术有:非线性补偿技术，消除机床静摩檫引起的误差；鲁棒控制技术，实现加速度反馈，减小因负载变动而引起的误差；前馈控制技术，使伺服系统的追踪滞后减少一半,改善拐角切削加工精度；加减速控制技术，可在插补前后进行平滑的加减速控制.可使系统形状误差减至最小，保证系统具有高精度、高速度双重性能；低噪声电动机技术，保证控制系统获得高增益,目前生产的低噪声电动机，其噪声水平已降到额定值到0.5 以下,提高数控机床机械本体中基础大件的结构刚性和热稳定性。1.3.3 高可靠性 现代数控机床的可靠性是在设计阶段就开始进行，即预先确定可靠性指标，在生产过程中模拟实
12、际工作条件，进行检测并提高可靠性的措施予以保证。通常采用的可靠性技术有：冗余技术，故障诊断技术，自动检错、纠错技术，系统恢复技术，软件可靠性技术等。1.3.4现代数控机床还采取了以下措施来提高数控系统的可靠性(1)提高元器件和系统的可靠性。新型的数控系统大量采用大规模或超大规模的集成电路，采用专用芯片及混合式集成电路，使电路的集成度提高，元器件数量减小,供耗降低，从而大幅度降低系统的故障率。 (2)采用抗干扰技术，提高数控系统对环境的适应能力。例如采取滤波、隔离、屏蔽、合理接地等抗干扰措施。使数控系统模块化、通用化和标准化。数控系统的硬件被制成多种功能模块，根据机床数控功能的要求，选择不同的模
13、块，还可以自行扩展或裁剪,组成满意的数控系统。模块化、标准化、通用化的实现，不但便于组织开发、生产和应用，而且提高了可靠性。 (3)提高自诊断及保护功能。数控系统一般都具有软件、硬件及故障的自诊断程序,为了防止超程,可以在系统内预先设定工作范围，避免由于限位开关的不可靠而造成轴端超程,数控系统还具有自动返回功能，当机床在加工过程中，出现某种特殊情况时,例如由于刀具断裂等原因造成加工中断时,数控系统能力将刀具位置保存起来。在更换刀具后，只要重新输入刀具的有关数据,刀具就能自动回到正确位置，保证通电后继续工作，不让工件报废。 (4)多功能复合化 现代数控机床的功能复合化发展，主要体现在以下几个方面
14、: 大多数数控机床都具有人机对话功能，都有很“友好”的人机界面,借助CRT与键盘的配合，可以实现程序的输入、编辑、修改、删除等功能。此外还具有前台操作、后台编辑的功能，并大量采用菜单选择操作方式，操作更加方便。2 机床数控改造主要步骤2.1 改造方案的确定2.1.1 数控系统的设计根据机床要求，采用8位微机。由于MCS-51系列单片机具有集成度高，可靠性好，功能强，速度快，抗干扰性强，具有很高的性能价格比等特点，决定采用MCS-51系列的8031单片机扩展系统。控制系统由微机部分、键盘及显示器、I/O接口及光电隔离电路、步进电机功率放大电路等组成，系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现，显示
15、器采用数码管显示加工数据及机床状态等信息。2.1.2 电气控制部分的改造原机床电气控制是一个简单的继电器控制电路，车床的控制要求快速、准确，并且和CNC配合使用。因此采用外置PLC的形式实现电气控制。使用外置的PLC控制使电路变得简单，大部分原来的电气元件需要更换。电气部分的改造包括两个部分，一是PLC的选择，二是电气线路的改造。一般来说，需进行电气改造的机床，都需进行机械修理。要确定修理的要求、范围、内容；也要确定因电气改造而需进行机械结构改造的要求、内容；还要确定电气改造与机械修理、改造之间的交错时间要求。机械性能的完好是电气改造成功的基础。2.1.3 系统的抗干扰措施为了确保系统稳定可靠的工作，采取以下抗干扰措施：(1)系统电源加一系列不同容值的电容，来消除不同频率的高次谐波干扰。(2)对于接口干扰，普通车床主要在易于进入干扰信号的输入输出端加光耦合器隔离抗干扰电路，光电耦合集成片为TLP5214。光耦能有效地抑制尖脉冲及各种噪声干扰，阻容吸收是利用RC电路放电过程对尖峰脉冲做的抑制作用。(3)通过加装金属机箱来达
