车削中心应用毕业论文

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基于单片机的仪表车床简易数控系统的实现第2章 数控系统的设计要求概述该数控系统是为了适应国内众多的普通机床改造而设计的主要考虑四个方面：①经济性既然是用于普通机床的数控化改造，因此，必须充分考虑系统的成本，这是保证达到系统设计目的的关键。这里的成本包括整个系统的成本，包括数控系统、伺服驱动系统及机械传动系统等，其核心在于数控系统的方案选择。②方便性数控系统的方便性，又叫“宜人性”，主要反映在系统的编辑部分。编辑(编程)部分是人和系统直接打交道的部分，即所谓的“人机界面”。人机界而应当对用户友好，也就是说编辑(编程)部分应当尽量给用户提供力便、快捷舒适的操作使用环境。系统需从以下几个途径来体现：●汉化按键，方便各种层次的操作者使用。●输入、检索、修改尽量一体化。即输入时可以检索、修改，检索时可以修改、输入，并且自动显示程序段号。●快速检索，即能对程序进行上下翻页显示。③实用性经济则数控系统的设计不应追求功能的大而全，应以实用为原则。一般的机械加工只要能具有以下功能即可满足需要：●直线、圆弧插补。插补速度要充分考虑被机床本身的内在素质，如刚性、抗震性、耐磨性等，不宜过高。●速度衔接技术，即速度升／降速控制。速度衔接技术可以保证系统在加工过程中实现2段程序间的速度平滑连接，从而避免造成加工刀痕或平台，保证精度。●动态坐标显示。●加工程序的掉电保护能力。●电动刀架控制。采用电动刀架，用软件进行控制，可以提高生产效率。●细分技术。细分技术是当今经济型数控系统的一项重要技术。它可以有效解决步近电机的低频振荡问题，同时使机床脉冲当量细化，提高控制精度；另外，还可以提高低速加工时的出刀。④可靠性由于数控系统工作环境十分恶劣，必须有足够的可靠性才能保证系统稳定运行。数控系统的性能指标按照广述设计要求及设想，数控系统的性能指标可归纳为：●X，Z两轴联动，开环控制方式。●ISO国际数控标准格式代码编程。●快速定位。●具有直线、圆弧插补能力。●能与上价机串行通信、具有简单的联网能力。●最大编程尺寸，z轴脉冲当量，x轴脉冲当量，最大进给速度为（5m/min）。●预留螺纹加工功能的接口。●具有连动、点动2种手动加工方式，以及自动连续加工方式。第3章 总体方案的确定系统总体方案本系统在研制过程中，紧紧围绕可靠性、方便性、低成本等设计要求。确定总体方案如下：基于单片机的系统结构按照上述设计思想，本系统采用基于单片机的系统结构。这种方案结构简单，成本低。考虑到扩展性，主系统采用89S58单片机。AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。1.一个个8位的CPU2、26个特殊功能寄存器（Special Function Register）3、一个片内振荡器及时钟电路4、全静态工作：0Hz-24KHz5、32条可编程I/O线6、2个16位可编程定时计数器7、5个中断优先级2层中断嵌套中断8、2个全双工串行通信口9、电源控制模式：低功耗的闲置和掉电模式10、8031 CPU与MCS-51 兼容11、4个8位并行（Parallel）I/O口12、三级程序存储器保密锁定13、128B 内部RAM14、内部硬件看门狗电路15、4k Bytes Flash片内程序存储器(寿命：1000写/擦循环)16、一个SPI串行接口,用于芯片的在系统编程17、可寻址64KB的外部ROM和外部RAM的控制电路这些我们称为单片机的资源（Souce），单片机的应用就是怎么充分合理地利用这些资源，来解决实际中的问题人机界面(1)采用液晶显示界面作为一个简易型数控系统，采用了12232汉字图形点阵液晶显示模块，带背光字符型液晶模块作为主显示界面，不采用数码管显示。这样做的目的有3个：●液晶显示方式具有显示容量大、可以显示所有字符及自定义字符的能力。至于不能显示图形以实现加工曲线动态显示的缺陷，可以通过上仪机模拟仿真加工来弥补。●液晶显示模块自身具有控制器，可以减轻主CPU的负担。●使系统具有菜单驱动的基本素质。采用菜单驱功方式实现编辑模块的全屏幕编辑功能，达到友好的人机界面要求。●可显示汉字和图形。(2)采用双功能按键设计，简化键盘系统设计中充分考虑功能的需要、操作方便的需要及系统复杂性的要求三者之间的关系确定系统的大多数按键为双功能键，使得整个系统界面简洁。采用开环控制方式系统设计的目的决定了系统只能采用开环控制方式。在开环型位置控制系统中，只能采用步进电机作为伺服执行单元。这是由步进电机车身的特性决定的。关于步进电机的特性等详细内容参见本章后续有关章节。开环控制系统的数控机床结构简单，成本较低，仅适用于加工精度要求不很高的中小型数控机床，特别是简易经济型数控机床。这类系统比较简单，价格最便宜，可以用于小型车床、铣床、钻床和线切割机床。如下图是常见的两坐标简易数控系统的组成框图。系统软件固化在单片机的存储器中，加工程序可通过键盘或磁带机输入，经系统软件进行编辑处理后输出一个系列脉冲，再经光电隔离，功率放大后大驱动两台步进电机，分别控制机床两个方向的运动，完成位置、轨迹和速度的控制。根据需要，微机还可通过继电器电路，实现对诸如主轴起停、变速、各种辅助电机起停、刀架转位、工件爽紧松开等动作的自动控制，使整个加工过程自动进行。图3-1开环步进电机与单片机连接电路单片机控制步进电机拖动的开环系统具有价廉，技术成熟等优点，因而使用较多。但这种系统还存在拖动力矩偏小，过载能力差、速度偏低，精度不够高及其价格随力矩增加成指数卜升等缺点。为此，选用时要注意在适当的范围内发挥其优势。一般主要适用于拖动力矩小于15Nm的小型机床，如C616，C618，C620，C6140等普通车床。对于转矩要求大、功能要求多的机床(如铣床、镗床、钻床及镗铣床)和高精度机床(如坐标镗床)就难于使用，需要开发与其适应的其他经济型数控系统。功能精简，提高可靠性设计具备简易型数控系统必需的基本功能●直线、圆弧插补能力。●端面、台阶的循环加工。●点动、连动、自动3种运行方式。●申行通信能力。系统功能模块及其分析系统功能模块与总体框架(1)系统操作界面按照上述图3-2 系统的人机界面图复位——系统在死机、工作出错等情况下的总清键，使系统回复设计的原始状态。运行——自动运行用户的零件加工程序，包括程序的语法检查、数据处理、编译、插补运算及步进电机控制等。暂停一—自动加工的暂停，是一个乒乓键，按一次，加工暂停，再按一次，继续加工。换刀一—用于手工换刀，每按一次．电动刀架转一个工位，本系统中为90度。手动——与“←、↑、→、↓”配合，以实现动作台的连动；在编辑程序时为光标移动键。数字1—9均为双功能键、用于程序输入、用“上下档”键进行切换。G—一准备功能键，用于ISO加工程序输入。M——辅助功能键，用于冷却泵的启/停、程序的结束等程序段的输入。插入—一用于程序编辑过程中“插入修改”方式的切换。也是乒乓键，用块光标或下划线光标指示。删除——在插入方式下，删除当前的字符；在修改方式下，删除当前光标位置字符。上页一—程序上翻到上一程序段。相当PC机的PageUp键。下页——程序下翻到下一程序段。与上页键一样是一个屏幕编辑键。相当PC机的PageDown键。回车——确认键。Esc——相当于PC机的Esc键。(2)系统功能模块与总体框架系统从总体上分为人机界面模块、伺服执行模块、电动刀架拧制模块、串行通信模块及基于AT89S51单片机的主控模块等5大模块，参见图3-2。各模块的功能分别是：图3-3 系统模块与总体框架①人机界面模块该模块主要完成人机的对话与交流，物理上表现为显示器与键盘，核心功能是加工程序的编辑。由于采用全程菜单驱动形式．使该模块具有较好的友善性。②伺服执行模块该模块主要由脉冲分配器、伺服驱动及步进电机等组成，是一个执行单元，按照主机的指令完成工作台与刀具的相对运动，实现车削加工。其速度特性、矩频特性等直接影响加工的精度和速度。③电动刀架控制模块采用2继电器方式的4方电动刀架．用软件完成刀架的换刀动作，即刀架电机的正转拾刀→换刀→反转锁紧，是经济型数控系统必不可少的部分，可以提高加工效率，大大减少在加工过程中因手工换刀带来的误差。④串行通信模块该模块的功能是完成与上位机的串行通信，采用三线制方式，使系统具有基本的组网能力。⑤主控模块主要包括零片微处理器(也括监控程序)、加工程序存储单元及与其他模块的接口电路要完成程序编辑、加工程序处理、软件插补达贸、电动刀架饺制及行程限位保护等。系统软件框架如图3-4展示了系统软件框图。系统上电后，执行初始化程序、键盘扫描程序。如有“计数显示”、“计数清零”、“点动”等功能键按下，执行其各自的工作子程序后返回初始化程序，并显示其相应的提示符。顺序控制程序也设计成子程序模块，它的主要功能是读入各行程开关及压力继电器的信号状态组合，经分析判断，输出一系列控制信号，完成对工件的自动加工。如按下“点动”键，则显示点动提示符，执行顺序控制程序，即返回初始化程序，如按下“连动”功能键，则首先置连动工作标记（此时，除“返回”键外，其余各键均用软件屏蔽），然后开中断，等待，刀具检测信号，收到中断请求信号后，执行中断服务程序。在中断服务控制中，先后执行顺序控制子程序，键盘扫描及显示子程序，并记录和显示数据。完成一次顺序控制或有“返回”键按下，则返回主程序。回到主程序后，仍判断是否有“返回”键按下，如有，则返回初始化程序。否则，重新等待中断。采用模块化设计：①点动，连动，换刀该模块主要实现工作台在x，z两轴上正、反2个方向的点动、连动操作，以及手动控制换刀等，用于方便对刀、工作原点设置等。②自动该模块主要实现加工程序的处理(包括程序语法检查、程序编译、数据处理等)、插补运算步进电机的控制及自动换刀控制等。③参数设置该模块主要实现刀具补偿参数设置、间隙补偿参数设置等自动加工参数的设置。④编辑模块该模块主要实现零件加工程序的键盘编辑、输入。⑤通信模块该模块主要实现与上位机或其他智能设备的串行通信，可用于加工程序的传送等。图3-4 系统软件原理框图第4章 硬件系统设计主模块设计主模块中关键器件及其选型(1)单片机本系统采用PHILIPS公司的8位单片机AT89S51为控制核心。AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元,全静态工作，RAM可扩展到64K字节，5个中断优先级，2层中断嵌套中断，32个外部双向输入/输出（I/O）口，2个16位可编程定时计数器。外接一片2764EPROM，作为监控程序的程序存储器和存放常用零件的加工程序。再选用一片6264RAM用于存放需要随机修改的零件程序、工作参数。采用译码法对扩展芯片进行寻址，采用74LS138译码器完成此功能。8279作为系统的输入输出口扩展，分别接键盘的输入、输出显示，8255接步进电机的环形分配器，分别并行控制X轴和Z轴的步进电机。另外，还要考虑机床与单片机之间的光电隔离，功率放大电路等.图4-1单片机系统原理框图(2)数据存储器的选用系统采用单片机作为控制核心，最高速度为33MHz，我们用到。速度高对外部电路特别是外部数据，程序存储器扩展电路要求很高。必须满足在CPU读数据或程序指令时，外部数据或程序指令已准备好了。所以必须进行芯片的时序校验。为了使系统工作可靠我们也进行存储器的校验。首先，对存储器作一介绍。单片机存储器分为内部存储器和外部存储器，内部存储器又分为内部数据存储器和程序存储器，同样，外部存储器也分为程序和数据存储器。本系统采用AT89S51为核心单元，其本身带有128B的RAM和4KB的Flash内部程序存储器。对于数据存储器，内外两部分是独立编址的，用不同指令来访问不同的数据存储器，即，MOV访问片内，MOVC访问片外，外部可扩展到64K，由于在外部数据存储器和I/0是统一编址的，应给I/0留一定的空间，且本系统要求留有一定的扩展空间，所以本系统扩展采用的芯片是6264。Y62256是HUNDAI公司的一种高速低功耗32K的CMOS的静态RAM，采用现代公司的高速CMOS工艺技术。HY62265具有数据保持模式，以确保在最低供电电压下2V数据有效。使用CMOS技术，电源电压在之间，数据保持电流几乎没有影响。HY62256适合使用在低压和电池供电工作环境。M28256用于扩展程序存储器，是一种采用ST微电子公司拥有知识产权的多极性硅技术制造的。在3V或}V供电条件下具有快谏低功耗工作模式。电路已被设计成可提供与微控制器柔性接口特征。可使用软件或硬件进行数据循环测试或位功能锁定。可以使用标准的JEDEG运算法则进行软件数据保护。电路扩展如图4-2所示。图4-2 存储器扩展(3)总线驱动、数据、地址锁存及译码电路由于单片机的数据线和低位地址线共用必须加地址锁存器进行低位地址锁存。使用74LS373作为地址锁存器，当应用系统规模过大，扩展所接芯片过多，超过总线的驱动能力时，系统将不能可靠工作，此时应加用总线驱动器来减少读数据的持续时间。整个系统可扩展的外部数据总共为64K，由于单片机外部数据存贮器和工/0是统一编址的，我们将低32K作为外部扩展的数据存储器，高译码电路采用两片74LS138,用了32K作为I/0使用或留给以后扩展用。由于外设使可编程器件，所以在使用138作译码时需要产生两种译码地址:一种是地址连续，一种是段地址连续。其中Ll,L5可作为系统再次扩展时用。译码地址输出在图4-3中已给出，Y0-Y7作为单地址芯片片选信号，Y8-Y15可作为可编程芯片片选信号，如8254可编程计数器。译码电路如图4-3.图4-3译码电路主模块电原理图设计本系统选用AT89S51CPU作为数控系统的中央处理机。主程序框图如图4-4。外接一片2764EPROM，作为监控程序的程序存储器和存放常用零件的加工程序。再选用一片6264RAM用于存放需要随机修改的零件程序、工作参数。采用译码法对扩展芯片进行寻址，采用74LS138译码器完成此功能。8279作为系统的输入输出口扩展，分别接键盘的输入、输出显示，8255接步进电机的环形分配器，分别并行控制X轴和Z轴的步进电机。另外，还要考虑机床与单片机之间的光电隔离，功率放大电路等。8255A可编程并行I/O口扩展芯片可以直接与MCS系列单片机系统总线连接，它具有三个8位的并行I/O口，具有三种工作方式，通过编程能够方便地采用无条件传送、查询传送或中断传送方式完成CPU与外围设备之间的信息交换。CPU对8279的控制是先读回8279的状态字，查看PIFORAM中有无字符 ，若有将根据字符个数读出所有字符，并进行相应处理；若无，则直接返回。CPU对8279的监视采用查询方式，对8279分配的数据口地址为8000H，状态口地址为8001H，CPU每隔10ms定时中断查询一次，所有显示采用查询段码表的方式实现，简化了程序设计过程，提高了程序质量。图4-4主程序框图输入/输出模块设计 I／O模块电原理图设计8279作为系统的输入输出口扩展，分别接键盘的输入、输出显示。8279是可编程接口芯片，通过编程使其实现相应的功能，编程的过程实际上就是CPU向8279发送控制指令的过程。在软件设计中，显示方式采用了8个字符显示，左入方式，编码扫描键盘，双键锁定。I／O模块电原理图如图4-5所示。图4-5 I/O模块电原理图图4-6 8279工作程序框图步进电机控制接口X，Z两轴采用3相6拍步进电机，并口8255向控制端口写控制字，PUSLE来实现对步进电机的控制。8255接步进电机的环形分配器，通过3片4N25光电隔离，分别形成X、Z所需的3相控制信号，送往步进电机驱动电源，分别并行控制X轴和Z轴的步进电机。芯片YB013实现硬件环分任务，；达林顿光隔离管4N25实现计算机弱点部分和步进电机强电部分的隔离，既起功率放大作用，又充当无触点开关，实现对计算机的保护。单片机控制步进电机连接如图4-7所示。图4-7 单片机控制步进电机刀具控制接口(1)电动刀架及其工作原理电动刀架的机械部分类似于蜗轮机构，实现刀具的抬升、旋转(交换刀具位置)及下降锁紧，这里着重讨论实现上述动作所必须的硬件条件和电路原理。在图4-8中，继电器KA1，KA2实现电动刀架的动作切换控制，主要完成刀架电机的正、反转切换。在刀架旋转过程中，每个工位上的霍尔元件会依次切换为有效状态，系统根据T1，T2，T3及T4状态的变化，可以推断出目前的刀号，并判断是否为当前所选用刀具，一旦符合，则电机反向旋转，锁紧刀具。电动刀架各时序的切换反间隔是系统控制的关键，反向锁紧所用时间取决于电动刀架生产厂家的推荐指标，过长会引起电机发热甚至烧毁。为保证电动刀架安全运行，在电动刀架交流380V进线处加装快速熔断器和热继电器。图4-8电动刀架的电原理图(2)电动刀架与单片机的接口电动刀架与系统的硬件接口主要是控制电机正、反转信号J1，J2及刀号反馈信号TI，T2，T3和T4。上述信号均光电隔离后与单片机系统接口。电动刀架软件控制流程如图4-9所示，采用查询方式。图4-9电动刀架控制流程程序为：#include <>#include <>#define N1 XBYTE[ ]typedef unsigned char ucharvoid adc0809(uchar idata *x);void delay();void main(){static uchar idata ad[4];adc0809(ad);}void adc0809(uchar idata *x){uchar i,*ad_adr;uchar motor=1;ad_adr=&N1;for(i=0;i<4;i++){If(*ad_adr=i){delay1( );KA1=1;delay2( );return();}else KA1=0}}void delay1(motor==0){uchar j;for(j=0;j<20000;j++){;}}void delay2(void){uchar j;for(j=0;j<150000;j++){;}}急停、暂停、行程限位接口电路限位开关为常开状态；因此，X十，X一，Z十，Z一正常输人为低电平状态。因此如果行程开关被压合，向INT0发出中断信号，系统进行复位，步进电机的脉冲消失，也就无法继续前行，起到保护机床的目的。本系统采用三输入端与非门74HC10的输出端作为一个共用的中断信号接至单片机的INT0，用于实时处理紧急停车、暂停、限位报警功能。电路如图4-8所示：串行通信电路本系统由两部分构成，上位机系统和下位机系统，由于上位机主要完成管理显示等工作，下位机完成控制功能，所以上位机和下位机的数据传输实时性要求不高，我们采用串口通信。使用RS232标准，MAX232进行电频的转换。串口RS232标准，它是美国电子工业协会(Electronic Industry Association)的推荐标准。本系统采用9针连接器，其定义见表4-1。本系统采用三线制TXD,RXD,GND连接，以使电路简单。表4-1 连接器定义表串口通讯电路主要由MAX 232电平转换电路构成。MAX232是MAXIM公司产品，一种电平转换芯片。可以将TTL转换成RS232，或RS232转换成TTL。满足单片机和普通计算机的通讯电平转换要求。电路如图4-10所示。图4-10 通信接口电路人机界面模块设计单片机应用系统中常用显示方式及其比较在单片机应用系统中，目前比较常用的显示介质有数码管(LED)、液晶显示(LCD)及CRT等，在家用电器中用的比较多的是真空荧光屏(VFD)。现就各自特点简述如下：(1)数码管数码管是一种主动发光器件。所谓主动发光．是指环境越暗越清晰。分为7段数码管和“米”字数码管2种。前者用于显示ARCⅡ码，显示信息量小；后者除了可显示ARCⅡ字符外，还可显示一些自定义的比较复杂的字符。数码管按驱动电流分，又可分为普通亮度、高亮、超高亮等。数码管由于其廉价而且扩展方便等特性，—直是单片机系统中用得最多、最广的一种显示器件。国内有不少型号的数控系统、尤其是早期的数控系统，广泛采用数码管作为显示界面。(2)液晶显示液晶显示器是一种被动发光器件。所谓被动发光，是指环境越亮越清晰，黑暗环境下必须加入背光才能清晰显示。分为字段型液晶显示器、字符型液晶显示器及图形点阵液晶显示器。字段型只能显示ASCII字符，字符型可以显示ASCII字符，显示效果比字段型好，而且可以显示少量的自定义字符；图形点阵液晶显示器是目前在单片机系统中比较流行的新型显示器件，可以显示所有字符及图形，由于其可以显示汉字的特性，被广泛用于国内智能设备中，国内的数控系统也开始广泛采用。(3)CRTCRT显示器分为单色和彩色2种，在数控系统中，尤其是高档数控系统中应用日益广泛。其特点是成本低、显示容量大；可以显示所合字符、图形及汉字；采用视频专用接口电路MC6847等与单片机接口，比较复杂，因而在—般的应用中比较少见。(4)真空荧光屏真空荧光屏简称VFD(vacuunm fluorescent display module)，是一种新型的显示器件。它由3个基本电极——阴极(灯丝)、阳极及栅做封装在一个真空的玻璃容器内构成。阴极是涂敷了金属氧化物的钨丝；栅极是极细的金属网；阳极为段或点阵型的导电电极，它上面的荧光物质可显示相应的字符或符号。栅极和阳极之间加有正电压，从阴极发射出来的电子被这个正电压加速，碰擅到阳极表面的荧光物质产生辐射，发出波长为505nm左右的谈绿色荧光。通过按制栅极和阳极之间的电压，就可以显示各种字符。VFD由于其以下特点而被广泛应用于家用电器、商场POS机以及新型的仪器仪表中。①亮度高，并且不存在视角问题，②工作温度范围宽、寿命长；②外围电路简单，只需十5v电源就可以工作，提供准8位数据总线接口；④功耗低。但这种显示器目前用在数控系统上还比较少。点阵液晶显示模块(1)字符型液晶显示模块本数控系统采用字符点阵液晶显示模块DM12232。该模块具有以下特点：●能显示122列32行●电源（内置升压电路，无需负压）●与微处理器接8位或4位并行/ 3位串行●多种软件功能：自定义字符、画面移动、光标显示、睡眠模式等功能●配置LED背光}

数控车床智能控制系统的研究 摘要:针对目前现有数控车削加工过程中加工、测量、编程相互分离,导致生产效率低,智能化和自动化程度不高以 及对机床操作人员要求较高的现状和不足,对数控车床智能控制系统的研究进行了综述。 关键词:车床数控系统;在线测量; DSP;自动编程 0 引言 从20世纪80年代末以来,国内开始充分利用计 算机的软件资源来提高数控系统的性能。先后借助于 MS-DOS和W indows操作系统平台来开发基于个人计 算机(PC)的新一代数控系统[1]。 一般系统采用当前先进的PC+NC开放式体系结 构,选用高速DSP作为CPU来完成实时性的NC内 核任务,实现电机实时控制以及在线检测,而由PC 机来完成非实时性的任务,诸如编程模块中的图形信 息提取,通过USB串行通信实现上、下位机信息的 交互[2]。 1 数控车床智能控制系统结构 1·1 数控车床智能控制系统总体体系结构 富的资源和强大的运算能力和下位机DSP实时性强 的特点[3],整套系统功能配置合理,性价比高。系统 功能结构如图1所示。 1·2 系统工作流程 详细的系统工作流程如图2所示。 2 测量系统 通过引入测量系统,提高了数控车床的精度、生 产效率和自动化程度,同时基于测量的加工路径规划 功能使得数控车床的加工操作更加简便,使数控车床 具有了智能性。 2·1 测量的实现 测量实现的物理基础:工件为不透明物体,当有 光发射、接收元件组成的测量装置扫过其轮廓时,显 然在工件轮廓外光不被遮挡,接收元件可收到光;在 工件轮廓内光将被挡住,接收元件接收不到光,因 此,工件的轮廓位置可以由光的有无变化,进而由传 感器转化为电压的高低变化,来探测确定。如图3所 示。 2·2 测量方法 测量要完成的任务是要确定工件坐标系的原点位 置以及工件轮廓尺寸信息,并根据尺寸信息分析出刀 具参数信息,实现刀具补偿值的自动修正。 测量步骤如下: (1)数控机床启动后刀架先回机床零点,并通 过换刀命令使测量装置处于工作位置,即测量装置面 向待加工件。 (2)确定工件坐标系原点在机床坐标系中的位 置。 (3)工件尺寸的测定,可以确定任何位置处工 件的轮廓尺寸信息。 (4)测量结束后,刀架返回换刀点,通过换刀 命令使刀架转位,使下一工序使用的刀具处在工作位 置处,然后进行正常切削加工即可。 3 上位机(PC)功能的设计与实现 3·1 国内外研究现状 自动编程系统一般分为对话式数控语言编程系统 和图形交互自动编程系统。国际上流传最广、影响最 深的数控编程语言是APT语言,但随着计算机图形 编程和CAM软件的发展, APT语言已逐渐被淘汰。 随着计算机技术的迅速发展,计算机图形处理能 力有了很大增强,一种新的编程技术——— “图形交 互自动编程”便应运而生。图形交互自动编程系统 以机械计算机辅助设计(CAD)软件为基础,利用 CAD软件的图形编辑功能将零件的几何图形绘制到 计算机上,形成零件的图形文件,然后调用数控编程 模块,采用人机交互的方式在计算机屏幕上指定被加 工的部位,再输入相应的加工参数,计算机便可进行 必要的数学处理并编制数控加工程序,同时在计算机 屏幕上显示刀具的加工轨迹。这种编程方法具有速度 快、精度高、直观性好、使用简便、便于检查等优 点,现已成为目前国内外先进的CAD/CAM (计算机 辅助制造)软件所普遍采用的数控编程方法。 国外的图形自动编程系统起步较早,且发展迅 速,有些产品已经获得了较广泛的应用。如美国 AUTO-CODEMECHANICAL公司的AUTO-CODE图形 自动编程系统,德国OPEN MIND公司的hyperMILL 数控机床(加工中心)图形自动加工系统,英国 Pathtrce公司的EdgeCAM forMDT数控自动编程系统 和美国的MERRYMECHANICAL公司的SPM-81TM钣 金CAD/CAPPICAM系统等。以上系统大都采用美国 Autodesk公司的AutoCAD或MDT (Mechanical Desk- top)作为开发平台和造型工具进行开发。 国内的图形自动编程软件的开发起步较晚,但近 几年发展较快。通用系统有北京华正公司的CAXA制 造工程师系列软件191,北京清华京渝天河公司的 PCAutoCAM系统等;另外大多数为专用数控编程系 统,如北京市机电研究所的VMC-750主轴箱体自动 编程系统,重庆ONLYSOFT的线切割自动编程系统 等。 图形自动编程系统是高效的数控编程手段,是数 控系统向集成化、智能化发展的必要环节,是当今数 控编程技术发展的主要潮流之一,是CAD/CAM研究 的重要领域。国外自动编程软件价格非常昂贵,国内 许多中小企业仍然采用繁琐、复杂、效率低的手工编 程。为此,在PC机上研究并开发数控车床自动编程 系统,能够实现CAD/CAM的集成。使系统具有读取 DXF文件、自动生成NC代码、二维仿真等功 能[4-5]。建立切削参数数据库,使自动编程系统可以 得到合理优化的切削用量,实现了整个系统信息集 成。 3·2 系统的总体框架结构与工艺流程 系统框架结构如图4所示,它主要包括AutoCAD 图形生成、提取图形数据信息、工艺干预、NC代码 生成、动态校验和数控加工程序输出6个功能模块。 机,主轴电机、刀架电机以及机床操作面板和机床 上开关I/O等。此外,还有测量接口电路。考虑到系 统可控制伺服的要求,控制接口要求有D/A输出和 脉冲串输出,同时有接受正交编码器的QEPI接口。 系统通过USB接口与PC机实现通讯,通过PC的丰 富功能实现系统的自动工艺规划、自动编程以及友好 的操作界面[6]。完成系统从CAD图形———工艺规 划———刀轨规划———编程后处理———数控加工的完整 过程。 4·1 硬件结构框图(图5) 4·2 软件实现 如图6所示,系统功能模块分为串行通讯、预处 理、加减速、轨迹插补、伺服输出、刀具补偿等分功 能模块,并通过加工信息缓冲区、轨迹缓冲区、插补 缓冲区交换信息,顺序进行最终驱动电机运行。 5 结束语 通过对数控车床智能控制系统的研究进行综述, 得到以下结论: (1)采用PC+DSP运动控制卡开放式体系结构, 面向用户的上位机(PC)界面友好,功能强大[7]。 用于电机控制的下位机(NC)采用DSP,实时性强。 上下位机采用USB串行通信。系统具有开放性、可 扩展性和模块化的特点。 (2)现有的数控系统和测量系统功能是相互分 离的,而且其仅用于工件定位、尺寸测量等固定 能,没有实现和数控系统的有机结合。本文提出一种 新型基于在线测量的数控系统,可以将测量信息直接 反馈到控制系统,由其实现刀具加工路径的智能规 划,减少机床操作人员对加工过程的干预。 (3)该系统的基于在线测量的车削加工路径智能 规划及自动编程功能,将极大简化数控车床操作,减 轻数控车床操作工人的劳动强度,提高设备生产率。 (4)该控制系统方案既可用于改造传统普通车 床,也可与新一代的经济型数控车床配套使用,符合 我国当前国情,能给制造企业带来可观的经济效益, 具有十分广阔的应用前景和市场价值。 参考文献 【1】毛军红,李黎川,吴序堂·机床数控软件化结构体系 [J]·机械工程学报, 2000, 36 (7): 48-51· 【2】Tao Cheng, Jie Zhang, et al·IntelligentMachine Tools in a Distributed Network Manufacturing Mode Environment [J]·The International JournalofAdvancedManufacturing Technology, 2001, 17: 221-232· 【3】J·Zuo, Y·P·Chen, et al·Building Open CNC Systems with Software IC Chips Based on Software Reuse [ J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2000, 16: 643-648· 【4】Mark·T·Hoske·New CNC Controller is‘Fully Open’ ControlEngineering, 1996, 43 (15): 69-70· 【5】R·E·Chalmer·Open-architecture CNC Continues Advan- cing [J]·Manufacturing Engineering, 2001, 126 (7): 48-52· 【6】王太勇,等·分布式智能协作体系结构构建集成化开 放结构数控系统的研究[J]·机械科学与技术, 2004 (12)· 【7】Y·Altintas·ModularCNC Design for IntelligentMachine Tools [J]·Annals of the CIRP, 1994, 43 (1)·

引言从20世纪中叶数控技术出现以来，数控机床给机械制造业带来了革命性的变化。数控加工具有如下特点：加工柔性好，加工精度高，生产率高，减轻操作者劳动强度、改善劳动条件，有利于生产管理的现代化以及经济效益的提高。数控机床是一种高度机电一体化的产品，适用于加工多品种小批量零件、结构较复杂、精度要求较高的零件、需要频繁改型的零件、价格昂贵不允许报废的关键零件、要求精密复制的零件、需要缩短生产周期的急需零件以及要求100%检验的零件。数控机床的特点及其应用范围使其成为国民经济和国防建设发展的重要装备。

摘要:介绍了普通车床的数控改造条件,同时介绍了对CA6140车床的主传动系统和进给传动系统进行了数控化改造 的过程。改造后的数控车床的加工能力、自动化水平和加工精度明显提高。同时介绍了该车床机电联动调试的经验。 关键词:普通车床;数控改造 中图分类号: TG659 文献标识码: B 文章编号: 1001-3881 (2006) 4-208-2 企业要在激烈的市场竞争中获得生存、得到发展,它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。目前,采用先进的数控机床,已成为我国制造技术发展的总趋势。购买新的数控机床是提高数控化率的主要途径,而改造旧机床、配备数控系统把普通机床改装成数控机床也是提高机床数控化率的一条有效途径。我校为适应现代化生产和教学,对CA6140车床进行了数控化改造。 1 机床数控化改造的条件 1·1 机床基础件有足够的刚性 数控机床属于高精度机床,工件移动或刀具移动的位置精度要求很高,必须在0·001~0·01mm之间,高的定位精度和运动精度要求原有机床基础件具有很高的静刚度和动刚度。本次用于改造的CA6140车床自购进后一直保养良好,机床基础件刚性满足要求。 1·2 机床数控改装的总费用合适,经济性好 机床数控改装分两部分进行:一是维修机械部分。更换或修理磨损零件,调试大型基础零件,增加新的功能装置,提高机床的精度和性能,另一方面是舍弃原有的一部分进给系统,用新的数控系统和相应的装置来替代。改造总费用由机械维修和增加的数控系统两部分组成。若机床的数控改造的总费用仅为同类型车床价格的50% ~60%时,该机床数控改造在经济上适宜。经过考查,若购买同样配置的车床约需10万元,而我校机床数控改造的总费用为5·1万元,仅占51%,因此该机床数控改造在经济上是合适的。 2 系统配置及主要技术规格 该系统由SIEMENS 802S系统、接口电路、驱动线路及步进电机等组成,另外还配有自动转塔刀架、主轴变频调速器及主轴编码器等,系统属开环控制系统。其主要技术性能和参数如下: (1)系统控制部分。采用SIEMENS 802S系统,键盘和显示部分装在面板上。 (2)系统软件具有若干指令。其中加工指令有 直线、斜线、螺纹、锥螺纹和圆弧等5条指令。可实现车削外圆、端面、台阶、割槽、锥度、倒角、螺纹、顺圆弧和逆圆弧等操作。控制指令有结束循环、暂停、延时、延时换刀、编码换刀、通讯等,与加工指令配合,可加工出各种较复杂的零件。 (3)系统环境工作条件。温度-10~+40℃;湿度为40% ~80%。 (4)输入电网电压。交流(220±22)V;频率为50Hz;电流为1·5A。 (5)步进电机。BYG550C-2型电机两台,驱动电压为110V;相电流为2·5A;步距角为0·36°/步;静力距为12N·m。 3 主传动的数控化改造 机床主传动的作用是把电机的转速和转矩通过一定途径传给主轴,使工件以不同的速度运动,主传动性能的好坏,直接影响零件的加工质量和生产效率。考虑到改造的经济性,可乘用机床原有的普通三相异步交流电动机拖动。考虑到加工过程中当电网电压和切削力矩发生变化时,电机的转速也会随之波动,直接影响加工零件的表面粗糙度。因此为提高加工精度,实现主轴自动无级变速,在主轴上增加了交流异步电动机变频调速系统,从而不需进行机械换档。针对机床要求具有螺蚊切削功能,在主轴部位安装主轴脉冲发生器,如图1所示。为保证脉冲发生器与主轴等速旋转,即主轴转一周,主轴脉冲发生器也 图1 主轴脉冲发生器安装示意图转一周,主轴脉冲发生器的安装方式很重要。改装时,主轴传动必须经过原有CA6140车床主轴箱中58/58和33/33两级齿轮(实现1∶1)传递到原有CA6140车床的挂轮轴X,拆除挂轮留出空间,安装脉冲发生器,并用法兰盘固定。 4 进给传动的数控化改造 进给传动的作用是接受数控系统的指令,驱动刀具作精确定位或按规定的轨迹作相对运动,加工出符合要求的零件,对进给传动的要求是高精度、高速度。改造中我们采用步进电机驱动系统实现开环控 图2 进给传动系统制,这样结构简单,安装调试和维修都非常方便。 4·1 进给传动链 图2为普通车床改造后的进给传动链,刀具纵向(Z轴)移动由步进电机,经接口箱内一对减速齿轮,转动纵向移动的丝杆而实现。刀具的径向(X轴)移动由步进电机,经接口箱内一对减速齿轮,转动横向移动丝杆而实现,该传动链与原机床的传动链相比,摆脱了结构复杂的进给箱和拖板箱。 4·2 接口箱内减速齿轮的齿数比 该车床要求的控制精度为: Z向0·005mm, X向为0·0025mm,即当执行一个脉冲指令时,工件的长度和直径均变化0·005mm。BYG550C-2型步进电机的步距角为0·36°,每周步距数为360/0·36=1000(步/周), X向丝杠螺距为4mm,脉冲当量为0·0025mm,Z向丝杠螺距为6mm,脉冲当量0·005mm。按公式 主动轮齿数 从动轮齿数=步/周×脉冲当量丝杠螺距则X向:Z主/Z从=1000×2·5/4000=5/8Z向:Z主/Z从=1000×5/6000=5/6 4·2 接口箱内减速齿轮的齿数比 该车床要求的控制精度为: Z向0·005mm, X向为0·0025mm,即当执行一个脉冲指令时,工件的长度和直径均变化0·005mm。BYG550C-2型步进电机的步距角为0·36°,每周步距数为360/0·36=1000(步/周), X向丝杠螺距为4mm,脉冲当量为0·0025mm,Z向丝杠螺距为6mm,脉冲当量0·005mm。按公式 主动轮齿数 从动轮齿数=步/周×脉冲当量丝杠螺距则X向:Z主/Z从=1000×2·5/4000=5/8Z向:Z主/Z从=1000×5/6000=5/6 4·3 传动滚珠丝杠副 数控机床要求进给部分移动元件灵敏度高、精度高、反应快、无爬行,采用滚珠丝杠副可以满足上述要求。在结构中,用普通滚珠丝杠副实现将旋转运动变换为直线运动。滚珠丝杠螺母副安装时需预紧,通过预紧可消除滚珠丝杠螺母副的轴向间隙,提高传动刚度。预紧的方法是采用双螺母齿差调隙式结构(图3)。通过改变两个螺母的轴向相对位置,使每个螺母中滚珠分别接触丝杠滚道的左右两侧来实现的。 图3 双螺母齿差调隙式结构 一般需要几次调整才能保证机床在最大轴向载荷下,既消除间隙,又能灵活运转。 4·4 刀架 根据需要,拆除原方刀架,安装620型四方刀架(图4)。该刀架由120W的三相交流异步电机正转驱动,使刀架正转选刀,到预定刀位时,电机则反转,使刀架夹紧。换刀方式有手控和机控两种。机控时当零件在加工过程中需要换刀时,数控系统发出预先编制好的换刀控制指令,控制器接到换刀指令时,立即驱动刀架回转。手控时,按动面板上的按钮,刀架能转一个刀位(90°),也可连续按动按钮,直至任一刀位。 5 机电联动调试 5·1 机械调试 丝杠上,侧母线和横、纵导轨的平行度误差控制在0·01mm/全长之内;转动丝杠,丝杠轴向窜动在0·01mm之内;丝杠螺母同轴度误差控制在0·01mm之内。 5·2 机电联动调试 (1)单坐标点动,主要调试其有无动作,运动方向是否符合要求,机械传动是否正常,有无不正常响声等。 1·上刀体 2·活动销 3·反靠盘 4·定轴 5·蜗轮 6·下刀体 7·螺杆 8·离合器盘 9·霍尔元件 10·磁钢 图4 四方刀架结构图 (2)点动合格后,做连续运动。反复多次,若出现故障或异常,排除后方可继续进行。 (3)先试Z坐标方向,后试X坐标方向,这是因为Z坐标方向调试方便。 (4)测量两坐标重复定位精度。在Z向坐标做连续移动时,若发现与丝杠相联的齿 额定转速: 2000r/min 额定输出功率: 2kW 编码器:绝对位置检测方式,分辨率1000000p/r 轴端形式:锥轴伺服放大器采用与电机配套的SJV2系列20型,其驱动能力为2kW。对于2kW电机,也可采用SJV2系列的10型放大器,但此时的输出扭矩要比20型减少1/3,不利于大功率切削。I/O设备选用型号为HR341的基本I/O单元,主要用于机床操作面板及与机床间的输入输出控制。另外附加一个远程I/ODX110,主要用于教学功能的“故障模拟设置”的输入输出。伺服及I/O单元连接原理图如图2所示。 图2 电气连接原理图 2·2·2 主轴控制 主轴电机采用交流变频控制电机,由变频器进行控制,转速范围60~6000r/min。模拟量由基本I/O单元的A0端口输出0~10V的直流电压,变频器根据输入的电压变化而输出相应的转速。由于模拟主轴电机没有编码器,因此在发出转速命令后,系统无法检测到主轴的是否运行。为解决这一问题,我们利用变频器上的功能端子,将其通过参数设置成“到达指令频率闭合”状态,并通过PLC检测此信号,从而实现对电机的运转进行监控。 2·3 教学功能的附加 本机改造后除保证加工功能和精度外,还要满足一定的教学功能。所谓的教学功能主要是针对学习数 控系统调试及维修人员而设立的附加功能。该功能通过参数设置及调整PLC程序人为地设置故障,让学生通过故障现象先判断故障种类,再分析故障产生的原因,直至排除故障。通过这种实训,学生可全面学习工业现场可能出现的故障现象,掌握故障排除方法,提高学生解决现场问题的综合能力。 3 结束语 我国现有机床中,近几年急需技术改造的约占25%,这将蕴藏着无限商机。机床改造主要是采用数控和计算机控制技术,我国数控机床发展和机床数控化改造应紧跟世界潮流,发展多轴联动数控系统,开发高速、高精度、高效加工中心等关键技术,向智能化方向发展