時間：2023-12-18 10:04:55
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關鍵詞：數控機床；改造技術；加工效率；安全水平
在我國，應用的數控機床大多是從國外引進的，我國在數控機床自主研發能力方面與國外發達國家之間仍存在一定的差距。引進國外數控機床不僅增加了企業的運營成本，同時也對數控機床的維修工作提出了更高的要求。在這樣的情況下，工作人員要及時排除數控機床故障，提升生產效率，就必須從數控機床的改造工作入手，對其進行優化。本文從數控機床改造的必要性出發，對其改造技術要求進行了論述，現作如下總結。
1改造數控機床的必要性
1.1可有效提升加工效率
對數控機床進行改造主要是通過技術創新與技術改造的方法，在傳統數控機床的基礎上對其進行優化，突出其使用性能。改造數控機床后，由之前的工人一人控制1臺變為一人控制2臺。這有利于提高加工效率，節省人力資源。除此之外，還可以提升加工精度，降低廢品率，對于縮短生產周期、提升企業經濟效益具有重要的促進意義。
1.2可有效提高安全水平
基于當前我國機床數控化程度普遍不高，在安全水平方面也處于相對落后的狀態，機床在未得到及時改造的情況下，極易在使用過程中發生安全事故。而對數控機床進行合理改造后，工作人員可充分遵循人機工程的相關要求，提升機床的自動化、智能化水平，由此提升數控機床的安全水平，大幅降低工作人員在操作時與危險部位接觸的概率，進而降低事故發生率。
1.3可有效提高維修便捷性
如果工作人員對數控機床設備缺乏相應的了解，便難以判斷其實際性能是否符合實際加工要求，維修的工序也因此變得較復雜。通過改造數控機床，工作人員可精確計算機床的實際加工能力，同時，在熟知機床特性的情況下，維修難度也隨之明顯降低，這有助于提升機床的加工效率。通常情況下，對經改造后的機床進行適當調試后，便可實現機床的全負荷運轉。
1.4可有效降低機床成本
部分大型機床的價格相對較高，導致機床的購置成本難以得到有效降低。這一問題可通過對機床進行數控改造進行解決。研究表明，對機床進行數控改造后，所花的費用僅為原機床購置費用的1/3，且可在一定程度上縮短購置時間。除此之外，還可以有效降低機房更新過程中造成的污染排放量和能源消耗量。
2改造數控機床的相關技術要求
對機床進行數控改造的實質就是將普通機床與數控裝置進行連接，使其充分滿足現代化生產需求，從而實現生產效益的最大化。在數控機床改造過程中，除了要確保機床能達到標準的設計要求外，還要盡可能地發揮機床的使用性能。為從根本上提高數控機床的應用效能，筆者特對其改造技術要求作了如下總結。
2.1滑動導軌副
導軌是數控機床的重要組成部分，對機床的整體性能具有重要影響。通常情況下，工作人員在改造數控機床時，要確保其導軌性能與實際改造需求相符，具體要注意以下幾點：
①在導向精度與工藝性方面，應與普通車床的基本要求相符；
②應具備一定的耐摩擦和耐磨損能力，由此盡可能地減少摩擦阻力，減少致死區；
③應具有一定的剛度，以保障導軌的防護性和度以及產品的加工精度。
2.2滑動絲杠與滾珠絲杠
絲杠會對傳動鏈精度產生直接影響，加工件的精度要求與拖動扭矩要求可對其主要指標產生決定性的影響。在加工件要求較低且原絲杠基本未受磨損的情況下，可將滑動絲杠作為首選。通常情況下，滑動絲杠的等級應不小于6級。如果螺母存在間隙過大的現象，就應及時更換。滾珠鋼絲具有傳動效率較高、摩擦損失較小、使用壽命相對較長、傳送精度相對較高的特點，可有效降低電機的啟動力矩，滿足對精度要求較高的零件加工需求。與滾珠絲杠相比，滑動絲杠的價格相對較低，但由于其精度也相對較低，因此，對于具有較高精度要求的零件加工，應將滾珠絲杠作為首選。
2.3齒輪副
機床的變速箱和主軸箱是齒輪的主要集中點，對傳動精度有著至關重要的影響。在改造機床的過程中，為進一步提高傳動精度，工作人員應在普通機床的基礎上進一步提升齒輪精度，由此實現傳動精度的提升。要保障機床的加工精度，就要確保傳動結構無間隙，同時還要根據數控機床的實際要求，對機床的齒輪作出相應改造。
2.4安全防護
要從根本上提升數控機床的改造效果，就要對其安全防護性能進行有效改造。首先，應重視滾珠絲杠副的安全防護工作，采取相應的措施防止硬砂礫、切屑等塵粒進入滾道當中，對元件的精密度產生不良影響；其次，應將整體鐵板防護罩加在縱向絲杠上，由此對其形成防護；最后，應確保大拖板與滑動導軌接觸兩端面的密封性，防止硬質異物進入，對導軌造成損傷。
3結束語
綜上所述，對機床進行數控改造是實現機械機械自動化的必經環節，同時也是實現機床自動化、智能化的有效途徑。在改造數控機床的過程中，工作人員需充分遵循機床運作的客觀規律，并在此基礎上通過創新技術不斷革新、改造機床，由此實現機床應用效率的大幅提升。
參考文獻
［1］韓沖.數控機床電氣改造問題研究［J］.科技與企業，2014（08）：269.
［2］周霞瑜.數控機床維修改造中需要注意的要點探析［J］.科技創新與應用，2014（08）：95.
［3］王小軍.論職業院校數控機床升級改造的必要性及改造方法［J］.電子制作，2014（24）：205.
1實施
我院在2010級數控技術專業畢業設計執行時采用上述模式，進行了數控技術專業畢業設計教學改革試點。試點選取30名數控技術專業畢業生進行，分為4組，根據學生綜合能力高低每組題目各有差異。第一階段，指導老師根據學生情況選題。在試點階段，為了保質保量完成教改全過程，除風力推料機構為我院參加全省機械設計創新大賽機構難度較大外，其他的如裝卸器，槽輪機構，大力神杯相對難度都較小。風力推料機構由15人分別完成葉輪加工，凸輪軸加工，齒輪加工，偏心輪加工，底板、推桿、料筒等部分加工，其余3項目共有15人完成。第二階段，畢業設計學生根據設計任務進行造型、編程、加工、裝配。本階段，由指導老師指導學生完成料單上報，所需工裝清單；院部進行材料的準備，并由數控實訓中心提供相應的工裝，機床；在不影響正常教學的前提下，畢業設計機構的加工我們主要安排在課余時間進行，如晚自習、周末。學生進行零件工藝設計、數據計算、造型、數控編程、數控加工；在整個加工過程中，老師指導學生選用合適的刀具、夾具、量具、切削用量保證零件的加工精度。最終各小組成員完成零部件加工后，進行裝配。標準件：如軸承、螺釘、螺母、墊片由項目組統一購買；在裝配過程中，出現問題，老師指導學生進行修正，直至完成機構裝配達到預定目標。第三階段，畢業設計資料整理完善。各小組成員根據自己完成的指定零件進行畢業設計資料整理，主要內容有零件圖繪制，零件結構分析，工藝規程設計，各工序工裝的選擇，各工序切削用量的選擇，數控加工程序的編制，畢業設計總結幾個部分。本階段不僅僅要對零件進行工藝設計，更重要的是提高工藝規程資料的填寫、畢業設計文本資料的規范，通過本階段的總結，真正實現畢業設計內涵的升華，使理論與實踐相結合，為走上工作崗位做好鋪墊。第四階段，進行畢業設計答辯。在答辯過程中我們一改以往提問基礎理論知識的模式，重點讓學生陳述自己在機構加工過程中出現的問題，以及問題的解決方案，真正通過畢業設計讓學生學會自己動腦、動手解決實際問題。圖1為數控技術專業畢業設計教學改革實施流程圖。
2畢業設計教改效果
通過2013屆數控技術專業畢業生畢業設計教學改革試點后座談，學生普遍反映收獲頗豐，既鞏固了原本所學的專業理論知識，同時又加強了數控編程、加工、裝配等知識的學習，尤其對數控刀具、夾具、量具、切削用量這些知識理解更深刻，還教會了學生如何處理實際問題，如何獨立解決問題，學生的積極性很高，效果很好。
3總結
關鍵詞：伺服系統；閉環控制；PID
一、引言
數控系統中伺服控制系統的設計，均要考慮穩定性、動態特性、穩態特性、魯棒性等方面的性能指標。
穩定性：這是伺服控制系統設計的最基本要求。控制系統的穩定性可分為系統內部穩定性和系統外部的穩定性。所謂系統內部的穩定性即在任意初始狀態下伺服控制系統都能精準定位；系統外部的穩定性即為伺服控制系統有外部干擾時，也能自我調節，使得位移和速度達到控制目標。
動態特性：即系統運行過渡過程的形式和速度，其中包括響應速度和超調量。系統的響應速度可用系統過渡過程所經歷的時間來表示；而超調量是指系統的最大振幅度。一般而言，不同的系統對動態特性會有不同的要求，對于數控伺服系統而言，響應速度越快，系統跟隨誤差越小，控制精度就越高。
穩態特性：當過渡過程結束后，系統達到穩定狀態時，其被控量的穩態值與望值一致性程度。對于任何數控伺服系統，由于存在著系統結構、外部干擾、以及內摩擦等非線性因素的影響，被控量的穩態值與期期望值之間總會有誤差存在，該誤差稱為穩態誤差。穩態誤差是衡量控制系統控制精度的重要標志，有好的穩態誤差補償，伺服系統將獲得良好的位置控制精度和跟蹤速度。
魯棒性：當系統的約束條件發生變化時，系統的功能特性不會受到什么影響。系統的魯棒性好，當參數發生變化時，系統依然能夠保持其穩定性；在過渡過程中，系統的響應速度和超調量基本上不受參數變化的影響。機床在長期的使用過程中，有機械磨損及其他硬件的變化，伺服系統必須保持加工誤差在一定范圍內，因此，魯棒性很重要。
二、PID算法在數控伺服閉環控制中應用
PID（Proportional Integraland Differential）控制技術是最早發展起來的控制策之一，至今已有數十年歷史。它以算法簡單、魯棒性好、可靠性高、調整方便等優點而被廣泛應用于工業控制中。當被控對象的結構和參數不能完全掌握，或得不到精確的數學模型時，系統控制器的結構和參數必須依靠經驗和現場調試來確定，這時應用PID控制技術最為方便。在實際工程應用中，根據需要也可用PI控制和PD控制。PID控制器就是根據系統的偏差，通過比例、積分和微分運算來對控制量進行調節的。
數控伺服閉環速度控制如圖1所示，在數控加工中，加工軸雖然隨著負載特性變化而變化，但由于采用了PID控制，可以修正到等于指令速度。
PID控制器作為一種線性控制器，它將速度指令r（t）和反饋的實際速度y（t）進行比較后構成控制偏差e（t），再將該偏差按比例（P）、積分（I）和微分（D）通過線性組合構成系統控制量u（t）來控制驅動器，輸出功率控制伺服電機，對電機速度進行精確控制。上述PID控制器的輸出函數可描述為：
u（t）=Kpe（t）+Ki■e（t）dt+Kd■
三、PID參數調試的具體方法
以FANUCOi機床為例，有菜單操作，顯示伺服參數設置畫面如圖2所示。
當設置驅動器為速度模式控制時，在完成對伺服驅動器參數的優化后，引入控制器對速度環的作用。控制器可調的基本伺服參數即為比例常數KP、微分常數Kd以及積分器Ki?？刂破鳛V波傳遞函數為：
D（z）=4 ×Kp+■+■
手動調整PID各項參數：
第一，確定速度比例增益Kp值。當伺服系統安裝畢，必須調整各項PID參數，使得系統穩定運行?？墒紫日{整速度比例增益Kp值，因為Kp值是PID參數中對超調影響最大，可再調整之前將積分增益Ki及微分增益Kd設置為零，接著逐漸加大Kp值，主要考量伺服電機停止時是否有振蕩現象，以此手動方式調整Kp參數，觀察電機旋轉速度有無明顯忽快忽慢現象。若Kp值加大到產生上述現象時，必須將Kp值降低，減少超調量，消除振蕩，穩定旋轉速度。以此初步確定Kp值。
第二，確定積分增益Ki值。逐漸加大積分增益Ki值，使積分效應逐漸產生。由PID控制原理可知，Kp值配合積分效應增加到臨界值后會產生振動不穩定現象，此時回調Ki值，消除振蕩現象，穩定旋轉速度。此時的Ki值既可為初步確定的參數值。
第三，調整微分增益Kd值。微分增益主要目的就是平穩旋轉速度，降低超調量，微分控制也是一種預先控制，在超調量發生之前做適當的校正?？芍饾u加大Kd的值，改善速度穩定性。
最終，數控機床伺服閉環控制速度曲線如圖3所示。
四、總結
數控機床伺服閉環控制系統的調整主要是針對閉環控制器的PID參數增益進行調整，使得機床工作誤差最小，達到一個最優狀態。其中速度環的調整是整個系統調整中最關鍵的，也是最難調整的。通常，在了解伺服增益的限制因素上，先調整比例增益參數，再調試積分參數，最好調整微分參數。對于每個增益參數的調整，都是從低慢慢地增加，以確保系統穩定。
參考文獻：
1.包杰,李亮,何寧.基于PC的開放式數控系統微銑削伺服控制的研究[J].機械科學與技術,2009(9).
關鍵詞：閉環控制；數控機床；PID；應用
1引言
在現代化的設備生產中，數控機床的應用變得越來越廣泛，而且對數控機床加工精度和速度的要求也越來越高。為了更高精度、更高自動化水平的控制數控機床的加工，需要在加工過程中加入反饋調節，從而對機床加工過程中的誤差因素進行實時調節，使誤差不會隨時間的延續進行累積，即在數控機床上實施閉環控制。目前，在數控機床上應用閉環控制系統的設備很多，并且這些機床在加工復雜精密零件時取得了很好的效果。本文根據自身實踐經驗和理論研究，對閉環控制在數控機床中的應用理論及具體案例進行了詳細的論述，為閉環控制在數控機床中的應用和推廣提供了有力的技術支撐。
2閉環控制在數控機床中的應用
2.1數控機床中的閉環控制特點
在數控系統中，伺服控制系統必須具備較好的穩定性、動態特性、穩態特性、魯棒性等。在所有的伺服系統中，穩定性是其最根本的要求，系統的穩定性有兩種重要的作用，一是能自動排除外界對系統的干擾，能在有外部干擾的環境下，精確調節定位，二是自動恢復穩定狀態，不管系統處于什么樣的初始狀態，都能夠快速準確的進行定位；在閉環伺服控制系統中，動態特性是其最重要的衡量指標，它主要表現在系統的響應速度和振幅，在通常狀態下，系統的最大振幅就表達這系統的控制精度，振幅越小，精度越高，而系統的響應速度是影響振幅的重要因素，系統的響應速度越快，系統的過渡時間就越小，系統的誤差就越小，控制精度也就越高；穩態特性閉環控制系統的正常工作狀態特性，主要是是指控制系統經過過渡階段后，進入穩定狀態的情況下，其最終輸出的穩態指與預期的穩定指相符合的程度，通常情況下，伺服閉環控制系統會因為自身結構、內部摩擦力、外界干擾等非線性的因素導致系統的實際的穩態值與期望值存在一定的誤差，這種誤差就是穩態誤差，穩態誤差是衡量閉環控制精度的重要指標，而通過加入穩態誤差補償，可以有效的調整伺服控制系統的控制精度和跟蹤速度；魯棒性的主要作用是幫助閉環控制系統控制誤差，其主要特點是在系統的約束條件發生變化時，保持系統自身的功能特性不變，即對于具有較好魯棒性特征的閉環控制系統，即使參數發生了變化，控制自身仍有保持穩定性不變，系統的響應速度和振幅也不會隨參數變化而變化，如魯棒性好的數控機床長期使用造成的機械零件磨損不會導致機床自身誤差的增大。
2.2閉環控制系統中的PID控制技術
PID控制技術是閉環控制中最早發展起來的一門技術，它以算法簡單、可靠性高、調整方便、魯棒性好等優點在工業控制領域廣泛應用，尤其在一些被控對象的結構和參數有一定的不確定性，沒法得到精確的數學模型的情況下，可以采用PID控制技術依據現場調試和經驗確定系統控制器的結構和參數。在實際工程應用中，也有僅采用PI控制和PD控制的控制系統。PID控制技術是一種線性調節技術，它將系統的偏差分為比例、積分、微分三類運算對被控量進行具體的調節。它對速度的調節主要是根據速度指令（rt）與傳感器反饋的回來的實際y（t）進行比較構成控制的偏差e（t），并將此偏差按比例（P）、積分（I）、微分（D）的方式進行線性組合，最終形成控制量u（t）對驅動器進行控制，從而達到對電機速度的精確控制的目的，具體列公式如下：
2.3閉環控制系統在數控機床中的應用
在數控機床的閉環控制系統中，PID控制技術的應用非常廣泛。本文以FANCOi機床為例，其控制器的調試就主要分為比例增益、積分增益、微分增益三個部分，具體調試過程如下：首選將驅動器設置成速度控制模式控制，對便于對伺服驅動器參數進行優化調節。伺服驅動器的調節參數就是比例常數Kp、微分參數Kd和積分參數Ki，根據實踐經驗和現場控制需要，手動對PID的三項控制常數進行具體的調節。首先，確定速度比例增益常數Kp的值。當閉環控制系統安裝完畢后，第一步是對比例增益常數Kp就進行調節，因為在三個增益參數中，比例增益對振幅起到最主要的作用，確定比例參數的值后，再對積分增益Ki和微分增益Kd進行調節，調節比例參數的方式是在對先將積分增益Ki和微分增益Kd設置為零，再從零逐漸增加比例參數Kp的值，觀察伺服電機停止時的振蕩情況以及電機轉速的忽快忽慢現象，如果隨著Kp值的增加，系統產生振蕩現象，就降低Kp值，消除振蕩，穩定轉速，從而初步確定Kp的值。在確定Kp的值后，保持Kp不變，從零逐漸增加系統的積分增益常數Ki的值，觀察積分增益的效應現象，當積分增益參數超過臨界值后就會導致控制系統的振動不穩定，這時將Ki值進行回調，消除振蕩，穩定轉速，此時的Ki值就是初步確定的控制系統參數。最后，對控制系統的微分增益進行具體的調節。微分增益的調節可以有效的降低控制系統的振幅，它的主要工作原理是對系統進行預先控制，就是在系統的振蕩發生之前對其進行校正，在實際調節時，從零開始逐步增加Kd的值，從而改善旋轉速度的穩定性。
3結論
本文根據自身實踐和理論研究，對伺服閉環控制系統的特點進行了論述，并對PID控制技術的原理以及實際生產中的參數調節方法進行了具體的闡述，不僅為閉環控制技術在數控機床中應用提供了有力的技術支撐，也為閉環控制系統在數控機床中的推廣應用提供了有效的理論依據。
參考文獻：
[1]包杰,李亮,何寧.基于PC的開放式數控系統微銑削伺服控制的研究[J].機械科學與技術,2009，28(9)：1230-1234
[2]關鍵,舒志兵.基于PCI總線的全閉環交流伺服控制系統[J].機床與液壓,2008,36(7):283-285.
機床作為機械制造業的重要基礎裝備，它的發展一直引起人們的關注，由于計算機技術的興起，促使機床的控制信息出現了質的突破，導致了應用數字化技術進行柔性自動化控制的新一代機床－數控機床的誕生和發展。計算機的出現和應用，為人類提供了實現機械加工工藝過程自動化的理想手段。隨著計算機的發展，數控機床也得到迅速的發展和廣泛的應用，同時使人們對傳統的機床傳動及結構的概念發生了根本的轉變。數控機床以其優異的性能和精度、靈捷而多樣化的功能引起世人矚目，并開創機械產品向機電一體化發展的先河。數控機床是以數字化的信息實現機床控制的機電一體化產品，它把刀具和工件之間的相對位置，機床電機的啟動和停止，主軸變速，工件松開和夾緊，刀具的選擇，冷卻泵的起停等各種操作和順序動作等信息用代碼化的數字記錄在控制介質上，然后將數字信息送入數控裝置或計算機，經過譯碼，運算，發出各種指令控制機床伺服系統或其它的執行元件，加工出所需的工件。數控機床與普通機床相比，其主要有以下的優點：1.適應性強，適合加工單件或小批量的復雜工件；在數控機床上改變加工工件時，只需重新編制新工件的加工程序，就能實現新工件加工。2.加工精度高；3.生產效率高；4.減輕勞動強度，改善勞動條件；5.良好的經濟效益；6.有利于生產管理的現代化。數控機床已成為我國市場需求的主流產品，需求量逐年激增。我國數控機機床近幾年在產業化和產品開發上取得了明顯的進步，特別是在機床的高速化、多軸化、復合化、精密化方面進步很大。但是，國產數控機床與先進國家的同類產品相比，還存在差距，還不能滿足國家建設的需要。我國是一個機床大國，有三百多萬臺普通機床。但機床的素質差，性能落后，單臺機床的平均產值只有先進工業國家的1/10左右，差距太大，急待改造。舊機床的數控化改造，顧名思義就是在普通機床上增加微機控制裝置，使其具有一定的自動化能力，以實現預定的加工工藝目標。隨著數控機床越來越多的普及應用，數控機床的技術經濟效益為大家所理解。在國內工廠的技術改造中，機床的微機數控化改造已成為重要方面。許多工廠一面購置數控機床一面利用數控、數顯、PC技術改造普通機床，并取得了良好的經濟效益。我國經濟資源有限，國家大，機床需要量大，因此不可能拿出相當大的資金去購買新型的數控機床，而我國的舊機床很多，用經濟型數控系統改造普通機床，在投資少的情況下，使其既能滿足加工的需要，又能提高機床的自動化程度，比較符合我國的國情。1984年，我國開始生產經濟型數控系統，并用于改造舊機床。到目前為止，已有很多廠家生產經濟型數控系統。可以預料，今后，機床的經濟型數控化改造將迅速發展和普及。所以說，本畢業設計實例具有典型性和實用性。
第二章總體方案的設計
2.1設計任務本設計任務是對CA6140普通車床進行數控改造。利用微機對縱、橫向進給系統進行開環控制，縱向（Z向）脈沖當量為0.01mm/脈沖，橫向（X向）脈沖當量為0.005mm/脈沖，驅動元件采用步進電機，傳動系統采用滾珠絲杠副，刀架采用自動轉位刀架。2.2總體方案的論證對于普通機床的經濟型數控改造，在確定總體設計方案時，應考慮在滿足設計要求的前提下，對機床的改動應盡可能少，以降低成本。（1）數控系統運動方式的確定數控系統按運動方式可分為點位控制系統、點位直線控制系統、連續控制系統。由于要求CA6140車床加工復雜輪廓零件，所以本微機數控系統采用兩軸聯動連續控制系統。（2）伺服進給系統的改造設計數控機床的伺服進給系統有開環、半閉環和閉環之分。因為開環控制具有結構簡單、設計制造容易、控制精度較好、容易調試、價格便宜、使用維修方便等優點。所以，本設計決定采用開環控制系統。（3）數控系統的硬件電路設計任何一個數控系統都由硬件和軟件兩部分組成。硬件是數控系統的基礎，性能的好壞直接影響整體數控系統的工作性能。有了硬件，軟件才能有效地運行。在設計的數控裝置中，CPU的選擇是關鍵，選擇CPU應考慮以下要素：1.時鐘頻率和字長與被控對象的運動速度和精度密切相關；2.可擴展存儲器的容量與數控功能的強弱相關；3.I/O口擴展的能力與對外設控制的能力相關。除此之外，還應根據數控系統的應用場合、控制對象以及各種性能、參數要求等，綜合起來考慮以確定CPU。在我國，普通機床數控改造方面應用較普遍的是Z80CPU和MCS-51系列單片機，主要是因為它們的配套芯片便宜，普及性、通用性強，制造和維修方便，完全能滿足經濟型數控機床的改造需要。本設計中是以MCS-51系列單片機，51系列相對48系列指令更豐富，相對96系列價格更便宜，51系列中，是無ROM的8051，8751是用EPROM代替ROM的8051。目前，工控機中應用最多的是8031單片機。本設計以8031芯片為核心，增加存儲器擴展電路、接口和面板操作開關組成的控制系統。2.3總體方案的確定經總體設計方案的論證后，確定的CA6140車床經濟型數控改造示意圖如圖所示。CA6140車床的主軸轉速部分保留原機床的功能，即手動變速。車床的縱向（Z軸）和橫向（X軸）進給運動采用步進電機驅動。由8031單片機組成微機作為數控裝置的核心，由I/O接口、環形分配器與功率放大器一起控制步進電機轉動，經齒輪減速后帶動滾珠絲杠轉動，從而實現車床的縱向、橫向進給運動。刀架改成由微機控制的經電機驅動的自動控制的自動轉位刀架。為保持切削螺紋的功能，必須安裝主軸脈沖發生器，為此采用主軸靠同步齒形帶使脈沖發生器同步旋轉，發出兩路信號：每轉發出的脈沖個數和一個同步信號，經隔離電路以及I/O接口送給微機。如圖2－1所示：
第三章微機數控系統硬件電路設計
3.1微機數控系統硬件電路總體方案設計本系統選用8031CPU作為數控系統的中央處理機。外接一片2764EPROM，作為監控程序的程序存儲器和存放常用零件的加工程序。再選用一片6264RAM用于存放需要隨機修改的零件程序、工作參數。采用譯碼法對擴展芯片進行尋址，采用74LS138譯碼器完成此功能。8279作為系統的輸入輸出口擴展，分別接鍵盤的輸入、輸出顯示，8255接步進電機的環形分配器，分別并行控制X軸和Z軸的步進電機。另外，還要考慮機床與單片機之間的光電隔離，功率放大電路等。8031芯片內部結構圖各引腳功能簡要介紹如下：⒈源引腳VSS：電源接地端。VCC：＋5V電源端。⒉輸入/輸出（I/O）口線8031單片機有P0、P1、P2、P34個端口，每個端口8根I/O線。當系統擴展外部存儲器時，P0口用來輸出低8位并行數據，P2口用來輸出高8位地址，P3口除可作為一個8位準雙向并行口外，還具有第二功能，各引腳第二功能定義如下：P3.0RXD：串行數據輸入端。P3.1TXD：串行數據輸出端P3.2INT0：外部中斷0請求信號輸入端。P3.3INT1：外部中斷1請求信號輸入端。P3.4T0：定時器/計數器0外部輸入端P3.5T1：定時器/計數器1外部輸入端P3.6WR：外部數據存儲器寫選通。P3.7RD：外部數據存儲器讀選通。在進行第二功能操作前，對第二功能的輸出鎖存器必須由程序置1。⒊信號控制線RST/VPD：RST為復位信號線輸入引腳，在時鐘電路工作以后，該引腳上出現兩個機器周期以上的高電平，完成一次復位操作。8031單片機采用兩種復位方式：一種是加電自動復位，另一種為開關復位。ALE/PROG：ALE是地址鎖存允許信號。它的作用是把CPU從P0口分時送出的低8位地址鎖存在一個外加的鎖存器中。外部程序存儲器讀選通信號。當其為低電平時有效。
VPP：當EA為高電平且PC值小于0FFFH時CPU執行內部程序存儲器中的程序。當EA為低電平時，CPU僅執行外部程序存儲器中的程序。XTAL1：震蕩器的反相放大器輸入，使用外部震蕩器時必須接地；XTAL2：震蕩器的反相放大器輸出，使用外部震蕩器時，接收震蕩信號；（2）片外三總線結構單片機在實際應用中，常常要擴展外部存儲器、I/O口等。單片機的引腳，除了電源、復位、時鐘輸入以及用戶I/O口外，其余的引腳都是為了實現系統擴展而設置的，這些引腳構成了三總線形式：⒈地址總線AB地址總線寬度為16位。因此，外部存儲器直接尋址范圍為64KB。由P0口經地址鎖存器提供16位地址總線的低8位地址（A7～A0），P2口直接提供高8位地址（A15～A8）。⒉數據總線DB數據總線寬度為8位，由P0口提供。⒊控制總線CB控制總線由第二功能狀態下的P3口和4根獨立的控制線RST、EA、ALE和PSEN組成。其引腳圖如圖3－3所示：3.1.28255A可編程并行I/O口擴展芯片8255A可編程并行I/O口擴展芯片可以直接與MCS系列單片機系統總線連接，它具有三個8位的并行I/O口，具有三種工作方式，通過編程能夠方便地采用無條件傳送、查詢傳送或中斷傳送方式完成CPU與設備之間的信息交換。8255A的結構及引腳功能：1、8255A的結構8255A的內部結構如圖3－4所示。其中包括三個8位并行數據I/O端口，二個工作方式控制電路，一個讀/寫控制邏輯電路和一個8位數據總線緩沖器。各部分功能介紹如下：（1）三個8位并行I/O端口A、B、CA口：具有一個8位數據輸出鎖存/緩沖器和一個8位數據輸入鎖存器?？删幊虨?位輸入、或8位輸出、或8位雙向寄存器。B口：具有一個8位數據輸出鎖存/緩沖器和一個8位輸入或輸出寄存器，但不能雙向輸入/輸出。C口：具有一個8位數據輸出鎖存/緩沖器和一個8位數據輸入緩沖器，C口可分作兩個4位口，用于輸入或輸出，也可作為A口和B口選通方式工作時的狀態控制信號。（2）工作方式控制電路A、B兩組控制電路把三個端口分成A、B兩組，A組控制A口各位和C口高四位，B組控制B口各位和C口低四位。兩組控制電路各有一個控制命令寄存器，用來接收由CPU寫入的控制字，以決定兩組端口的工作方式。也可根據控制字的要求對C口按位清“0”或置“1”。（3）讀/寫控制邏輯電路它接收來自CPU的地址信號及一些控制信號，控制各個口的工作狀態。（4）數據總線緩沖器它是一個三態雙向緩沖器，用于和系統的數據總線直接相連，以實現CPU和8255A之間信息的傳送。
摘要：針對現有常規CA6140普遍車床的缺點提出數控改裝方案和單片機系統設計，提高加工精度和擴大機床使用范圍，并提高生產率。本論文說明了普通車床的數90控化改造的設計過程，較詳盡地介紹了CA6140機械改造部分的設計及數控系統部分的設計。采用以8031為CPU的控制系統對信號進行處理，由I/O接口輸出步進脈沖，經一級齒輪傳動減速后，帶動滾動絲杠轉動，從而實現縱向、橫向的進給運動。
關鍵詞：數控機床，單片機數控系統，改裝設計
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關鍵詞：傳統機床 數控化改造 必要性 特點 步驟
隨著制造業現代化水平的不斷提高，機床數控化率相應提高。利用電子技術和計算機技術對車床進行數控化改造，對提高生產效率、保證加工質量、進一步提高車床設備的先進性，不僅具有可行性，還具有經濟性。本文就車床的數控化改造談幾點看法。
一、車床數控化改造的必要性
數控機床與傳統機床相比有以下突出的優越性，而且這些優越性均與計算機有關。
一是數控機床可以加工出傳統機床不能加工的曲線、曲面等復雜的零件。由于計算機有高超的運算能力，可以準確地計算出每個坐標軸瞬時應該運動的運動量，因此可以復合成復雜的曲線或曲面。
二是數控機床可以實現加工的自動化，而且是柔性自動化，相比傳統機床效率提高了3～7倍。計算機有記憶和存儲功能，可以將輸入的程序記住和存儲下來，然后按程序規定的順序自動去執行，從而實現自動化。數控機床只要更改一個程序，就可以實現另一個工件加工的自動化，從而使單件和小批量生產得以自動化，故被稱作實現了“柔性自動化”。
三是數控機床加工的零件精度高，尺寸分散度小，裝配容易，不再需要修配。
四是數控機床可實現多工序的集中，減小零件在機床間的搬運頻率。
五是數控機床擁有自動報警、自動監控、自動補償等多種自律功能，因而加工可實現長時間無人看管。
由于數控機床具有以上五大優越性，因此大大降低了工人的勞動強度，節省了勞動力，縮短了新產品試制周期和生產周期，可對市場需求作出快速反應。此外，機床數控化還是推行FMC（柔性制造單元）、FMS（柔性制造系統）以及CIMS（計算機集成制造系統）等企業信息化改造的基礎。數控技術已經成為制造業自動化的核心技術和基礎技術。
從宏觀上看，大規模應用數控機床的本質是，采用信息技術對傳統產業（包括軍、民機械工業）進行技術改造。除在制造過程中采用數控機床、FMC、FMS外，還在產品中開發CAD、CAE、虛擬制造，在生產管理中推行MIS（管理系統）、CIMS等，在生產的產品中增加信息技術包括人工智能等，最終使得產品在國際軍品和民品市場上的競爭力大為增強。我國機床擁有量中數控機床的比例（數控化率）還比較低，因此每年都需進口大量機電產品。這也就從宏觀上再次說明了機床數控化改造的必要性。
二、車床數控化改造的特點
與發達國家相比，目前我國車床主要是臥式車床，型號陳舊，技術水平落后，嚴重制約了生產的發展。采用先進的數控車床，已經成為當今世界制造業的發展趨勢。鑒于國內制造業中普通機床的占有率較高，提高車床數控化率有兩個可行的途徑，一是購置新的數控車床，二是把臥式車床改裝成數控車床。
花大量的資金更換全新的數控車床，給企業造成的經濟負擔較大，同時報廢大量的普通車床也是很大的浪費。因此，各個企業可根據自身的情況，酌情提高車床的數控化率，可以購置一批精度高、性能強的數控車床，或數控化改造一批尚有一定精度的臥式車床。
1.臥式車床數控化改造的特點
（1）車床改造針對性強，能滿足生產的要求。因為車床的改造方案是根據原機床中存在的問題提出的，要改哪些地方、改到什么程度都要有的放矢，能與生產結合，可以直接將科學技術轉化為生產力，企業有積極性。
（2）車床改造可以充分利用原車床的絕大部分零、部件，大大節約原材料和資金，見效快，改造周期短，可滿足生產急需。因為舊車床數控化改造中，大部分床身、立柱等基礎件和許多傳動部分都不需更換，費用只有購買新車床費用的l/15～1/10，工期大大縮短，節約了成本。
（3）改造后的車床性能穩定可靠，車床應用范圍得到擴大，能適應多品種、小批量零件的生產。因為車床的大型構件一般是鑄鐵制成的，而鑄鐵件年代越久時效越充分，精度比新鑄件更加穩定。改造不需要改變支撐類大型構件，只需修復或更換中小型部件就可以獲得與新車床類似的效果。改造后的車床功能有較大的提高，除了保有原有功能外，還可以滿足各種復雜型面類零件的加工要求，擴大了車床的應用范圍。
（4）經過數控化改造，可以有效提高工件加工精度和生產效率。改造依據了生產技術的發展要求，及時提高了生產設備的自動化水平和效率，提高了設備質量。
（5）可以充分發揮企業現有技術力量的作用，調動技術人員的積極性，同時對工人技術水平的要求也不會太高。
（6）在改造期間，通過拆解舊車床、裝配新的零部件等改造過程，間接培養了數控人才，讓其對機床的特性有更詳細的了解，從而縮短了操作使用和維護方面的培訓時間，見效快。
2.車床數控化改造的成效
通過車床數控化改造，可以使其具有如下優點：可以加工出臥式車床加工不了的曲線、曲面等復雜零件；可以實現加工柔性自動化，效率比靠凸輪或擋塊等實現模擬自動化的機床高3.7倍；加工精度高，尺寸分散度小，易于裝配；可實現多工序集中加工，提高了加工精度，同時減小了被加工零件在機床間的搬運頻率；擁有自動補償等多種功能，簡化了傳統機床加工工藝中的工序，機床利用率得以大幅提高；若購置一臺新的數控機床，國產數控機床價格也要10萬元，進口設備的價格更高，而對臥式車床進行數控化改造也能滿足實際生產的需要，改造的成本只要2萬～3萬元；由于采用了自動化加工技術，可以大大降低操作者的勞動強度，減少廢品率，提高工作效率。
三、車床數控化改造的基本步驟
1.設計總體改造方案
數控機床由機床、數控系統和設備三部分組成。臥式車床改造的目的是利用數控系統控制原有車床自動完成機械加工任務，提高車床的加工精度和生產率。
在考慮經濟型數控機床改造的具體方案時，所遵循的原則是，在滿足需要的前提下，對原有車床盡可能減少改動量，以降低改造成本。改造中需要解決的問題是：增加數控裝置，設計微機控制裝置或選用經濟型的數控系統；將現有機械傳動的進給控制裝置改造成數控控制的無級自動變速的進給系統；將絲杠換成滾珠絲杠，提高傳動精度；把手動控制的刀架轉位裝置改造成數控裝置控制的自動轉位刀架；加裝脈沖編碼器，實現螺紋的自動切削。若對改造后機床的要求較高，則要改造主軸，重新設計主軸箱，使用主軸伺服電動機或電主軸。
2.數控化改造項目
（1）控制系統的選定。目前市場上數控系統的類型比較多，選擇前首先應對擬改造的臥式車床的功能有一個充分的了解，可按照價格合理、技術先進、服務方便的原則選擇微機系統式數控系統。若選擇微機系統，需要完成軟、硬件的設計，即要完成X軸、Z軸的進給控制。分別完成X、Z向的插補運動，可實現車削端面、外圓、任意錐度圓弧面、球面等加工。為了能夠加工螺紋，配用主軸同步脈沖傳感器，可加工導程在6mm以下的螺紋工件。整個系統屬于開環控制，結構簡單，驅動力大，成本較低，抗干擾性能強，能很好地滿足生產的需要，但是設計工作量大，系統穩定性不高。
另外，還可以根據實際情況選擇經濟型車床的數控系統，調制、安裝簡單，可靠性較高，價格較貴。
（2）機械部分的改造。
①滑動導軌副。對數控車床來說，導軌除了應該具有臥式車床導軌的精度和工藝性外，還要有良好的耐磨性，并減少因摩擦力而致死區。同時還要有足夠的剛度，以減少導軌變形對加工精度的影響，要有合理的導軌防護和。一般臥式車床的導軌材料為HT200，機床改造時可在原床鞍下滑面經機械加工后貼一層聚四氟乙烯軟帶。聚四氟乙烯軟帶與鑄鐵配合時，具有良好的減磨性能，動摩擦因數約為鑄鐵的1/8～1/3，能有效地防止機床的爬行。此外，床鞍與床身、中滑板與小滑板應接觸均勻，接觸面積不應小于70%，接觸點數不應小于10點/cm2，這是保證加工精度和尺寸一致性的關鍵之一。
②絲杠傳動副。一般數控車床或數控系統要求采用滾珠絲杠副傳動，目的是為了提高機床的進給精度，減小傳動副的摩擦阻力。根據JB/T 2886—2008絲杠精度標準可知，滾珠絲杠分為九級。臥式車床使用的是7級精度的滑動絲杠。將3級精度的滾珠絲杠與7級精度的滑動絲杠比較，從精度來講，二者的差異并不大，因此建議選用3級滾珠絲杠來替換原有絲杠。這樣的好處是傳動速度快，反向靈敏，精度較高，所需轉矩小。
③拖板系統。拖板的運動是數控系統直接控制的對象，不論是點位控制還是連續控制。被加工零件的最后坐標精度將受拖板運動精度、靈敏度和穩定性的影響，尤其是用步進電動機作為拖動元件的開環系統更是如此。因為數控系統發出的指令僅使拖板運動，而沒有位置檢測和反饋，故實際移動值和系統指令值的差別造成加工誤差。因此，除了床鞍、中滑板（小滑板已被取消）配合精度要求較高外，在傳動裝置的布局上還應采用減速齒輪箱來提高傳動轉矩和傳動精度（分辨率為0.01mm）。
④主軸同步傳感器。主軸同步傳感器的作用就是傳遞信息給數控裝置，保持主軸的速度和刀架進給量一致。安裝時要求機床主軸轉一圈，傳感器也要轉一圈，這樣才能保證發給數控裝置的信號準確，車削螺紋時不亂扣。
關鍵詞 塑料導軌 基本特點 選用原則
在金屬導軌基體的表面上覆蓋一層塑料或塑料和金屬混合物，稱之為塑料導軌。塑料導軌自七十年代被推出，就以摩擦系數小，且動、靜摩擦因數相近，運動平穩性好，能有效防止低速爬行現象；且耐磨性好，有自作用；抗振性及化學穩定性好；工藝簡單、成本低等諸多優點迅速成為數控機床廣泛使用的新型導軌材料。
1、塑料導軌的兩種類型
（1）貼塑導軌
貼塑導軌上的塑料常用聚四氟乙烯軟帶，其摩擦副的形式為鑄鐵-塑料摩擦副。以聚四氟乙烯為基體，加入石墨、銅粉和二硫化鉬混合均勻，然后燒結成軟帶狀態，就稱為聚四氟乙烯導軌軟帶。
聚四氟乙烯軟帶是通過粘接劑粘接在導軌面上的，通常被固定在導軌副中的運動導軌或者較短的導軌上，使其與支承導軌或者較長的導軌相對滑動。
（2） 注塑導軌
注塑導軌也可以叫做涂塑導軌，其上使用的塑料是環氧型耐磨導軌涂層。
以二硫化鉬和環氧樹脂為基體，添加增塑劑，使其混合成膏狀作為一組分，再以固化劑為另一組分，這樣形成的雙組份塑料涂層就是環氧型耐磨導軌涂層。
常用的有SKC-3或SKC-60耐磨涂層。
2、兩者之特點
這兩種導軌除了前面所述塑料導軌所共有的優點以外，它們還各有自己的特點：
（1）貼塑導軌的特點及長處
除了有良好的摩擦特性外還有良好的阻尼特性，能保證部件移動的均勻性和靈敏性，這對于提高數控機床的定位精度是至關重要的；抗咬傷性能好，數控機床在使用中混入導軌中的極少量灰塵或雜物可被軟帶嵌入，而不損傷配合面；可加工性好，軟帶粘貼好后可方便的在其上開油槽；可在干摩擦下工作；能確保導軌有足夠的剛度；成本低。
聚四氟乙烯軟帶導軌的另一個最顯著優點是使用工藝簡單，要求條件很容易達到并能快速掌握。這就使得生產效率大大提高，并且使用過程中的維護維修方便，損壞后更換容易。
（2）注塑導軌的特點及長處
注塑導軌所用SKC-3或SKC-60涂層與金屬的親和力好，從而導致其附著力強，具有良好的可加工型，可經車、銑、刨、鉆、磨削和刮削加工；涂料固化時體積不收縮，尺寸穩定；有極好的摩擦性和耐磨性；其抗壓強度比聚四氟乙烯軟帶導軌要高；能彌補一些導軌面的鑄造缺陷，有利于解決傳統刮研工藝費工費時的弊端；可有效縮短機床裝配周期、提高裝配精度、簡化裝配工藝。
SKC-3或SKC-60耐磨涂層導軌有別于軟帶導軌的最大優點在于它特別適合在不能用軟帶的復雜配合型面中使用。因其固化前是半流體狀態，在高壓油槍的注入壓力下，它很容易在復雜型面中流動、成型。對于重型機床和大型機床，可以在調整好固定導軌和運動導軌間的相關位置精度后再注入涂料，這樣可以很大程度的節省加工時間。
3、貼塑導軌與注塑導軌的選用原則
一般聚四氟乙烯軟帶和SKC-3或SKC-60常與鑄鐵導軌或淬硬的鑲鋼導軌相配合使用。
（1）貼塑導軌的選用
常根據PV值來進行選用。PV值是摩擦副的重要技術指標，在設計機床導軌尺寸時，應根據滑動速度v與比壓p之值，使P、V的交點處于曲線的下方。如果滿足不了要求，可以加大導軌面積，以降低p值來滿足要求。一般導軌的比壓p=0.1～0.2Mpa。
還要考慮到導軌的承載能力，在設計機床導軌尺寸時，應注意減小導軌的比壓，以獲得較高的運動精度。導軌軟帶的厚度有很多種，一般選用1.5～2.0mm為宜。
采用導軌軟帶時常配以定程、定量系統，這樣可進一步提高導軌的使用壽命。
粘貼工藝原則：
導軌軟帶一般粘在短的動導軌上，不受導軌形式的限制，各種組合形式的滑動導軌都可以粘貼；
粘貼軟帶的金屬導軌面一般是采用刨削或銑削的方式加工成凹槽，以防止軟帶黏結時發生移動。粘貼軟帶相配合的金屬導軌面的粗糙度要適宜，該粗糙度值太大，容易使軟帶產生劃痕，太小則不能形成聚四氟乙烯的轉移膜，會使軟帶加快磨損，一般推薦為1.6 um或3.2 um；
相配金屬導軌如為鑲鋼淬硬導軌，其硬度一般為52HRC以上；
按粘貼軟帶導軌面的幾何尺寸，將軟帶切割成形，適當考慮工藝余量；
采用各種清洗劑分別將軟帶與黏結導軌面清洗干凈，曬干備用；
粘結時，分別均勻涂布于軟帶表面和黏結導軌面的涂膠層不易太厚，一般以0.05～0.1mm之間為宜；
粘結好之后，將貼塑導軌副的貼塑導軌壓在與之相配合的金屬導軌上，使固化壓力達到規定值；
經過24小時室溫固化后，再檢查粘結質量。合格后可根據設計要求，在軟帶上開出油槽，寬度為5mm左右為宜。
（2）注塑導軌的選用
常在不能或不便用軟帶的復雜配合型面中使用；
特別適用于大型或重型機床導向基礎件的長動導軌。
注塑工藝原則：
在為導軌涂抹環氧型耐磨涂層之前，要先將導軌的涂層面加工成鋸齒形狀，然后對與塑料導軌相配合的金屬導軌面進行清洗，并且為其涂上薄薄一層專用脫模劑或者硅油，以防其與耐磨導軌涂層的粘接。在為導軌涂抹完環氧型耐磨涂層之后，等待其固化，最后將兩導軌分離。
本論文為江漢大學機電與建筑工程學院院級項目《在數控技術課程設計環節突出創新性、綜合性、實踐性的研究》資助。
參考文獻：
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