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外文資料翻譯
機床數(shù)控改造
一、數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展簡史及趨勢
1946年誕生了世界上第一臺電子計算機，這表明人類創(chuàng)造了可增強和部分代替腦力勞動的工具。它與人類在農(nóng)業(yè)、工業(yè)社會中創(chuàng)造的那些只是增強體力勞動的工具相比，起了質(zhì)的飛躍，為人類進入信息社會奠定了基礎(chǔ)。6年后，即在1952年，計算機技術(shù)應(yīng)用到了機床上，在美國誕生了第一臺數(shù)控機床。從此，傳統(tǒng)機床產(chǎn)生了質(zhì)的變化。近半個世紀以來，數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)歷了兩個階段和六代的發(fā)展。
1.1、數(shù)控（NC）階段（1952～1970年）
早期計算機的運算速度低，對當時的科學計算和數(shù)據(jù)處理影響還不大，但不能適應(yīng)機床實時控制的要求。人們不得不采用數(shù)字邏輯電路"搭"成一臺機床專用計算機作為數(shù)控系統(tǒng)，被稱為硬件連接數(shù)控（HARD-WIRED NC），簡稱為數(shù)控（NC）。隨著元器件的發(fā)展，這個階段歷經(jīng)了三代，即1952年的第一代--電子管；1959年的第二代--晶體管；1965年的第三代--小規(guī)模集成電路。
1.2、計算機數(shù)控（CNC）階段（1970年～現(xiàn)在）
到1970年，通用小型計算機業(yè)已出現(xiàn)并成批生產(chǎn)。于是將它移植過來作為數(shù)控系統(tǒng)的核心部件，從此進入了計算機數(shù)控（CNC）階段（把計算機前面應(yīng)有的"通用"兩個字省略了）。到1971年，美國INTEL公司在世界上第一次將計算機的兩個最核心的部件--運算器和控制器，采用大規(guī)模集成電路技術(shù)集成在一塊芯片上，稱之為微處理器（MICROPROCESSOR），又可稱為中央處理單元（簡稱CPU）。
到1974年微處理器被應(yīng)用于數(shù)控系統(tǒng)。這是因為小型計算機功能太強，控制一臺機床能力有富裕（故當時曾用于控制多臺機床，稱之為群控），不如采用微處理器經(jīng)濟合理。而且當時的小型機可靠性也不理想。早期的微處理器速度和功能雖還不夠高，但可以通過多處理器結(jié)構(gòu)來解決。由于微處理器是通用計算機的核心部件，故仍稱為計算機數(shù)控。
到了1990年，PC機（個人計算機，國內(nèi)習慣稱微機）的性能已發(fā)展到很高的階段，可以滿足作為數(shù)控系統(tǒng)核心部件的要求。數(shù)控系統(tǒng)從此進入了基于PC的階段。
總之，計算機數(shù)控階段也經(jīng)歷了三代。即1970年的第四代--小型計算機；1974年的第五代--微處理器和1990年的第六代--基于PC（國外稱為PC-BASED）。
還要指出的是，雖然國外早已改稱為計算機數(shù)控（即CNC）了，而我國仍習慣稱數(shù)控（NC）。所以我們?nèi)粘Ｖv的"數(shù)控"，實質(zhì)上已是指"計算機數(shù)控"了。
1.3、數(shù)控未來發(fā)展的趨勢
1.3.1 繼續(xù)向開放式、基于PC的第六代方向發(fā)展
基于PC所具有的開放性、低成本、高可靠性、軟硬件資源豐富等特點，更多的數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家會走上這條道路。至少采用PC機作為它的前端機，來處理人機界面、編程、聯(lián)網(wǎng)通信等問題，由原有的系統(tǒng)承擔數(shù)控的任務(wù)。PC機所具有的友好的人機界面，將普及到所有的數(shù)控系統(tǒng)。遠程通訊，遠程診斷和維修將更加普遍。
1.3.2向高速化和高精度化發(fā)展
這是適應(yīng)機床向高速和高精度方向發(fā)展的需要。
1.3.3向智能化方向發(fā)展
隨著人工智能在計算機領(lǐng)域的不斷滲透和發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)的智能化程度將不斷提高。
（1）應(yīng)用自適應(yīng)控制技術(shù)
數(shù)控系統(tǒng)能檢測過程中一些重要信息，并自動調(diào)整系統(tǒng)的有關(guān)參數(shù)，達到改進系統(tǒng)運行狀態(tài)的目的。
（2）引入專家系統(tǒng)指導(dǎo)加工
將熟練工人和專家的經(jīng)驗，加工的一般規(guī)律和特殊規(guī)律存入系統(tǒng)中，以工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫為支撐，建立具有人工智能的專家系統(tǒng)。
（3）引入故障診斷專家系統(tǒng)
（4）智能化數(shù)字伺服驅(qū)動裝置
可以通過自動識別負載，而自動調(diào)整參數(shù)，使驅(qū)動系統(tǒng)獲得最佳的運行。
二、機床數(shù)控化改造的必要性
2.1、微觀看改造的必要性
從微觀上看，數(shù)控機床比傳統(tǒng)機床有以下突出的優(yōu)越性，而且這些優(yōu)越性均來自數(shù)控系統(tǒng)所包含的計算機的威力。
2.1.1 可以加工出傳統(tǒng)機床加工不出來的曲線、曲面等復(fù)雜的零件。
由于計算機有高超的運算能力，可以瞬時準確地計算出每個坐標軸瞬時應(yīng)該運動的運動量，因此可以復(fù)合成復(fù)雜的曲線或曲面。
2.1.2 可以實現(xiàn)加工的自動化，而且是柔性自動化，從而效率可比傳統(tǒng)機床提高3～7倍。
由于計算機有記憶和存儲能力，可以將輸入的程序記住和存儲下來，然后按程序規(guī)定的順序自動去執(zhí)行，從而實現(xiàn)自動化。數(shù)控機床只要更換一個程序，就可實現(xiàn)另一工件加工的自動化，從而使單件和小批生產(chǎn)得以自動化，故被稱為實現(xiàn)了"柔性自動化"。
2.1.3 加工零件的精度高，尺寸分散度小，使裝配容易，不再需要"修配"。
2.1.4 可實現(xiàn)多工序的集中，減少零件 在機床間的頻繁搬運。
2.1.5 擁有自動報警、自動監(jiān)控、自動補償?shù)榷喾N自律功能，因而可實現(xiàn)長時間無人看管加工。
2.1.6 由以上五條派生的好處。
如：降低了工人的勞動強度，節(jié)省了勞動力（一個人可以看管多臺機床），減少了工裝，縮短了新產(chǎn)品試制周期和生產(chǎn)周期，可對市場需求作出快速反應(yīng)等等。
以上這些優(yōu)越性是前人想象不到的，是一個極為重大的突破。此外，機床數(shù)控化還是推行FMC（柔性制造單元）、FMS（柔性制造系統(tǒng)）以及CIMS（計算機集成制造系統(tǒng)）等企業(yè)信息化改造的基礎(chǔ)。數(shù)控技術(shù)已經(jīng)成為制造業(yè)自動化的核心技術(shù)和基礎(chǔ)技術(shù)。
2.2、宏觀看改造的必要性
從宏觀上看，工業(yè)發(fā)達國家的軍、民機械工業(yè)，在70年代末、80年代初已開始大規(guī)模應(yīng)用數(shù)控機床。其本質(zhì)是，采用信息技術(shù)對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)（包括軍、民機械工業(yè)）進行技術(shù)改造。除在制造過程中采用數(shù)控機床、FMC、FMS外，還包括在產(chǎn)品開發(fā)中推行CAD、CAE、CAM、虛擬制造以及在生產(chǎn)管理中推行MIS（管理信息系統(tǒng)）、CIMS等等。以及在其生產(chǎn)的產(chǎn)品中增加信息技術(shù)，包括人工智能等的含量。由于采用信息技術(shù)對國外軍、民機械工業(yè)進行深入改造（稱之為信息化），最終使得他們的產(chǎn)品在國際軍品和民品的市場上競爭力大為增強。而我們在信息技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)方面比發(fā)達國家約落后20年。如我國機床擁有量中，數(shù)控機床的比重（數(shù)控化率）到1995年只有1.9％，而日本在1994年已達20.8％，因此每年都有大量機電產(chǎn)品進口。這也就從宏觀上說明了機床數(shù)控化改造的必要性。
三、機床與生產(chǎn)線數(shù)控化改造的市場
3.1、機床數(shù)控化改造的市場
我國目前機床總量380余萬臺，而其中數(shù)控機床總數(shù)只有11.34萬臺，即我國機床數(shù)控化率不到3％。近10年來，我國數(shù)控機床年產(chǎn)量約為0.6～0.8萬臺，年產(chǎn)值約為18億元。機床的年產(chǎn)量數(shù)控化率為6％。我國機床役齡10年以上的占60％以上；10年以下的機床中，自動/半自動機床不到20％，F(xiàn)MC/FMS等自動化生產(chǎn)線更屈指可數(shù)（美國和日本自動和半自動機床占60％以上）?？梢娢覀兊拇蠖鄶?shù)制造行業(yè)和企業(yè)的生產(chǎn)、加工裝備絕大數(shù)是傳統(tǒng)的機床，而且半數(shù)以上是役齡在10年以上的舊機床。用這種裝備加工出來的產(chǎn)品普遍存在質(zhì)量差、品種少、檔次低、成本高、供貨期長，從而在國際、國內(nèi)市場上缺乏競爭力，直接影響一個企業(yè)的產(chǎn)品、市場、效益，影響企業(yè)的生存和發(fā)展。所以必須大力提高機床的數(shù)控化率。
3.2、進口設(shè)備和生產(chǎn)線的數(shù)控化改造市場
我國自改革開放以來，很多企業(yè)從國外引進技術(shù)、設(shè)備和生產(chǎn)線進行技術(shù)改造。據(jù)不完全統(tǒng)計，從1979～1988年10年間，全國引進技術(shù)改造項目就有18446項，大約165.8億美元。
這些項目中，大部分項目為我國的經(jīng)濟建設(shè)發(fā)揮了應(yīng)有的作用。但是有的引進項目由于種種原因，設(shè)備或生產(chǎn)線不能正常運轉(zhuǎn)，甚至癱瘓，使企業(yè)的效益受到影響，嚴重的使企業(yè)陷入困境。一些設(shè)備、生產(chǎn)線從國外引進以后，有的消化吸收不好，備件不全，維護不當，結(jié)果運轉(zhuǎn)不良；有的引進時只注意引進設(shè)備、儀器、生產(chǎn)線，忽視軟件、工藝、管理等，造成項目不完整，設(shè)備潛力不能發(fā)揮；有的甚至不能啟動運行，沒有發(fā)揮應(yīng)有的作用；有的生產(chǎn)線的產(chǎn)品銷路很好，但是因為設(shè)備故障不能達產(chǎn)達標；有的因為能耗高、產(chǎn)品合格率低而造成虧損；有的已引進較長時間，需要進行技術(shù)更新。種種原因使有的設(shè)備不僅沒有創(chuàng)造財富，反而消耗著財富。
這些不能使用的設(shè)備、生產(chǎn)線是個包袱，也是一批很大的存量資產(chǎn)，修好了就是財富。只要找出主要的技術(shù)難點，解決關(guān)鍵技術(shù)問題，就可以最小的投資盤活最大的存量資產(chǎn)，爭取到最大的經(jīng)濟效益和社會效益。這也是一個極大的改造市場。
四、數(shù)控化改造的內(nèi)容及優(yōu)缺
4.1、國外改造業(yè)的興起
在美國、日本和德國等發(fā)達國家，它們的機床改造作為新的經(jīng)濟增長行業(yè)，生意盎然，正處在黃金時代。由于機床以及技術(shù)的不斷進步，機床改造是個"永恒"的課題。我國的機床改造業(yè)，也從老的行業(yè)進入到以數(shù)控技術(shù)為主的新的行業(yè)。在美國、日本、德國，用數(shù)控技術(shù)改造機床和生產(chǎn)線具有廣闊的市場，已形成了機床和生產(chǎn)線數(shù)控改造的新的行業(yè)。在美國，機床改造業(yè)稱為機床再生（Remanufacturing）業(yè)。從事再生業(yè)的著名公司有：Bertsche工程公司、ayton機床公司、Devlieg-Bullavd（得寶）服務(wù)集團、US設(shè)備公司等。美國得寶公司已在中國開辦公司。在日本，機床改造業(yè)稱為機床改裝（Retrofitting）業(yè)。從事改裝業(yè)的著名公司有：大隈工程集團、崗三機械公司、千代田工機公司、野崎工程公司、濱田工程公司、山本工程公司等。
4.2、數(shù)控化改造的內(nèi)容
機床與生產(chǎn)線的數(shù)控化改造主要內(nèi)容有以下幾點：
其一是恢復(fù)原功能，對機床、生產(chǎn)線存在的故障部分進行診斷并恢復(fù)；其二是NC化，在普通機床上加數(shù)顯裝置，或加數(shù)控系統(tǒng)，改造成NC機床、CNC機床；其三是翻新，為提高精度、效率和自動化程度，對機械、電氣部分進行翻新，對機械部分重新裝配加工，恢復(fù)原精度；對其不滿足生產(chǎn)要求的CNC系統(tǒng)以最新CNC進行更新；其四是技術(shù)更新或技術(shù)創(chuàng)新，為提高性能或檔次，或為了使用新工藝、新技術(shù)，在原有基礎(chǔ)上進行較大規(guī)模的技術(shù)更新或技術(shù)創(chuàng)新，較大幅度地提高水平和檔次的更新改造。
4.3、數(shù)控化改造的優(yōu)缺
4.3.1 減少投資額、交貨期短
同購置新機床相比，一般可以節(jié)省60％～80％的費用，改造費用低。特別是大型、特殊機床尤其明顯。一般大型機床改造，只花新機床購置費用的1/3，交貨期短。但有些特殊情況，如高速主軸、托盤自動交換裝置的制作與安裝過于費工、費錢，往往改造成本提高2～3倍，與購置新機床相比，只能節(jié)省投資50％左右。
4.3.2 機械性能穩(wěn)定可靠，結(jié)構(gòu)受限
所利用的床身、立柱等基礎(chǔ)件都是重而堅固的鑄造構(gòu)件，而不是那種焊接構(gòu)件，改造后的機床性能高、質(zhì)量好，可以作為新設(shè)備繼續(xù)使用多年。但是受到原來機械結(jié)構(gòu)的限制，不宜做突破性的改造。
4.3.3 熟悉了解設(shè)備、便于操作維修
購買新設(shè)備時，不了解新設(shè)備是否能滿足其加工要求。改造則不然，可以精確地計算出機床的加工能力；另外，由于多年使用，操作者對機床的特性早已了解，在操作使用和維修方面培訓(xùn)時間短，見效快。改造的機床一安裝好，就可以實現(xiàn)全負荷運轉(zhuǎn)。
4.3.4 可充分利用現(xiàn)有的條件
可以充分利用現(xiàn)有地基，不必像購入新設(shè)備時那樣需重新構(gòu)筑地基。
4.3.5 可以采用最新的控制技術(shù)
可根據(jù)技術(shù)革新的發(fā)展速度，及時地提高生產(chǎn)設(shè)備的自動化水平和效率，提高設(shè)備質(zhì)量和檔次，將舊機床改成當今水平的機床。
五、數(shù)控系統(tǒng)的選擇
數(shù)控系統(tǒng)主要有三種類型，改造時，應(yīng)根據(jù)具體情況進行選擇。
5.1、步進電機拖動的開環(huán)系統(tǒng)
該系統(tǒng)的伺服驅(qū)動裝置主要是步進電機、功率步進電機、電液脈沖馬達等。由數(shù)控系統(tǒng)送出的進給指令脈沖，經(jīng)驅(qū)動電路控制和功率放大后，使步進電機轉(zhuǎn)動，通過齒輪副與滾珠絲杠副驅(qū)動執(zhí)行部件。只要控制指令脈沖的數(shù)量、頻率以及通電順序，便可控制執(zhí)行部件運動的位移量、速度和運動方向。這種系統(tǒng)不需要將所測得的實際位置和速度反饋到輸入端，故稱之為開環(huán)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的位移精度主要決定于步進電機的角位移精度，齒輪絲杠等傳動元件的節(jié)距精度，所以系統(tǒng)的位移精度較低。
該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試維修方便，工作可靠，成本低，易改裝成功。
5.2、異步電動機或直流電機拖動，光柵測量反饋的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)
該系統(tǒng)與開環(huán)系統(tǒng)的區(qū)別是：由光柵、感應(yīng)同步器等位置檢測裝置測得的實際位置反饋信號，隨時與給定值進行比較，將兩者的差值放大和變換，驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)，以給定的速度向著消除偏差的方向運動，直到給定位置與反饋的實際位置的差值等于零為止。閉環(huán)進給系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上比開環(huán)進給系統(tǒng)復(fù)雜，成本也高，對環(huán)境室溫要求嚴。設(shè)計和調(diào)試都比開環(huán)系統(tǒng)難。但是可以獲得比開環(huán)進給系統(tǒng)更高的精度，更快的速度，驅(qū)動功率更大的特性指標。可根據(jù)產(chǎn)品技術(shù)要求，決定是否采用這種系統(tǒng)。
5.3、交/直流伺服電機拖動，編碼器反饋的半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)
半閉環(huán)系統(tǒng)檢測元件安裝在中間傳動件上，間接測量執(zhí)行部件的位置。它只能補償系統(tǒng)環(huán)路內(nèi)部部分元件的誤差，因此，它的精度比閉環(huán)系統(tǒng)的精度低，但是它的結(jié)構(gòu)與調(diào)試都較閉環(huán)系統(tǒng)簡單。在將角位移檢測元件與速度檢測元件和伺服電機作成一個整體時則無需考慮位置檢測裝置的安裝問題。
當前生產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)的公司廠家比較多，國外著名公司的如德國SIEMENS公司、日本FANUC公司；國內(nèi)公司如中國珠峰公司、北京航天機床數(shù)控系統(tǒng)集團公司、華中數(shù)控公司和沈陽高檔數(shù)控國家工程研究中心。
選擇數(shù)控系統(tǒng)時主要是根據(jù)數(shù)控改造后機床要達到的各種精度、驅(qū)動電機的功率和用戶的要求。
六、數(shù)控改造中主要機械部件改裝探討
一臺新的數(shù)控機床，在設(shè)計上要達到：有高的靜動態(tài)剛度；運動副之間的摩擦系數(shù)小，傳動無間隙；功率大；便于操作和維修。機床數(shù)控改造時應(yīng)盡量達到上述要求。不能認為將數(shù)控裝置與普通機床連接在一起就達到了數(shù)控機床的要求，還應(yīng)對主要部件進行相應(yīng)的改造使其達到一定的設(shè)計要求，才能獲得預(yù)期的改造目的。
6.1、滑動導(dǎo)軌副
對數(shù)控車床來說，導(dǎo)軌除應(yīng)具有普通車床導(dǎo)向精度和工藝性外，還要有良好的耐摩擦、磨損特性，并減少因摩擦阻力而致死區(qū)。同時要有足夠的剛度，以減少導(dǎo)軌變形對加工精度的影響，要有合理的導(dǎo)軌防護和潤滑。
6.2、齒輪副
一般機床的齒輪主要集中在主軸箱和變速箱中。為了保證傳動精度，數(shù)控機床上使用的齒輪精度等級都比普通機床高。在結(jié)構(gòu)上要能達到無間隙傳動，因而改造時，機床主要齒輪必須滿足數(shù)控機床的要求，以保證機床加工精度。
6.3、滑動絲杠與滾珠絲杠
絲杠傳動直接關(guān)系到傳動鏈精度。絲杠的選用主要取決于加工件的精度要求和拖動扭矩要求。被加工件精度要求不高時可采用滑動絲杠，但應(yīng)檢查原絲杠磨損情況，如螺距誤差及螺距累計誤差以及相配螺母間隙。一般情況滑動絲杠應(yīng)不低于6級，螺母間隙過大則更換螺母。采用滑動絲杠相對滾珠絲杠價格較低，但難以滿足精度較高的零件加工。
滾珠絲杠摩擦損失小，效率高，其傳動效率可在90%以上；精度高，壽命長；啟動力矩和運動時力矩相接近，可以降低電機啟動力矩。因此可滿足較高精度零件加工要求。
6.4、安全防護
效率必須以安全為前提。在機床改造中要根據(jù)實際情況采取相應(yīng)的措施，切不可忽視。滾珠絲杠副是精密元件，工作時要嚴防灰塵特別是切屑及硬砂粒進入滾道。在縱向絲杠上也可加整體鐵板防護罩。大拖板與滑動導(dǎo)軌接觸的兩端面要密封好，絕對防止硬質(zhì)顆粒狀的異物進入滑動面損傷導(dǎo)軌。
七、機床數(shù)控改造主要步驟
7.1、改造方案的確定
改造的可行性分析通過以后，就可以針對某臺或某幾臺機床的現(xiàn)況確定改造方案，一般包括：
7.1.1 機械修理與電氣改造相結(jié)合
一般來說，需進行電氣改造的機床，都需進行機械修理。要確定修理的要求、范圍、內(nèi)容；也要確定因電氣改造而需進行機械結(jié)構(gòu)改造的要求、內(nèi)容；還要確定電氣改造與機械修理、改造之間的交錯時間要求。機械性能的完好是電氣改造成功的基礎(chǔ)。
7.1.2 先易后難、先局部后全局
原系統(tǒng)的拆除必須對照原圖紙，仔細進行，及時在圖紙上作出標記，防止遺漏或過拆(局部改造情況下)。在拆的過程中也會發(fā)現(xiàn)一些新系統(tǒng)設(shè)計中的欠缺之處，應(yīng)及時補充與修正，拆下的系統(tǒng)及零件應(yīng)分門別類，妥善保管，以備萬一改造不成功或局部失敗時恢復(fù)使用。還有一定使用價值的，可作其他機床備件用。切忌大手大腳，亂扔亂放。
7.2 合理安排新系統(tǒng)位置及布線
根據(jù)新系統(tǒng)設(shè)計圖紙，合理進行新系統(tǒng)配置，包括箱體固定、面板安放、線路走向和固定、調(diào)整元器件位置、密封及必要裝飾等。連線工作必須分工明確，有人復(fù)查檢驗，以確保連線工藝規(guī)范、線徑合適、正確無誤、可靠美觀。
7.3 調(diào)試
調(diào)試必須按事先確定的步驟和要求進行。調(diào)試人員應(yīng)頭腦冷靜，隨時記錄，以便發(fā)現(xiàn)和解決問題。調(diào)試中首先試安全保護系統(tǒng)靈敏度，防止人身、設(shè)備事故發(fā)生。調(diào)試現(xiàn)場必須清理干凈，無多余物品；各運動坐標拖板處于全行程中心位置；能空載試驗的，先空載后加載；能模擬試驗的，先模擬后實動；能手動的，先手動后自動。
7.4、驗收及后期工作
驗收工作應(yīng)聘請有關(guān)的人員共同參加，并按已制定的驗收標準進行。改造的后期工作也很重要，它有利于項目技術(shù)水平的提高和使設(shè)備盡早投產(chǎn)。驗收及后期工作包括：
7.4.1 機床機械性能驗收
經(jīng)過機械修理和改造以及全面保養(yǎng)，機床的各項機械性能應(yīng)達到要求，幾何精度應(yīng)在規(guī)定的范圍內(nèi)。
7.4.2 電氣控制功能和控制精度驗收
電氣控制的各項功能必須達到動作正常，靈敏可靠?？刂凭葢?yīng)用系統(tǒng)本身的功能(如步進尺寸等)與標準計量器具(如激光干涉儀、坐標測量儀等)對照檢查，達到精度范圍之內(nèi)。同時還應(yīng)與改造前機床的各項功能和精度作出對比，獲得量化的指標差。
7.4.3 試件切削驗收
可以參照國內(nèi)外有關(guān)數(shù)控機床切削試件標準，在有資格的操作工、編程人員配合下進行試切削。試件切削可驗收機床剛度、切削力、噪聲、運動軌跡、關(guān)聯(lián)動作等，一般不宜采用產(chǎn)品零件作試件使用。
7.4.4 圖紙、資料驗收
機床改造完后，應(yīng)及時將圖紙(包括原理圖、配置圖、接線圖、梯形圖等)、資料(包括各類說明書)、改造檔案(包括改造前、后的各種記錄)匯總、整理、移交入檔。保持資料的完整、有效、連續(xù)，這對該設(shè)備的今后穩(wěn)定運行是十分重要的。
7.4.5 總結(jié)、提高
每次改造結(jié)束后應(yīng)及時總結(jié)，既有利于提高技術(shù)人員的業(yè)務(wù)水平，也有利于整個企業(yè)的技術(shù)進步。
八、數(shù)控改造幾個實例
1、用SIEMENS 810M改造X53銑床
1998年，公司投入20萬元，用德國西門子810M數(shù)控系統(tǒng)、611A交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)對公司的一臺型號為X53的銑床進行X、Y、Z三軸數(shù)控改造；保留了原有的主軸系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)；改造的三軸在機械上采用了滾軸絲桿及齒輪傳動機構(gòu)。整個改造工作包括機械設(shè)計、電氣設(shè)計、PLC程序的編制與調(diào)試、機床大修，最后是整機的安裝和調(diào)試。銑床改造后，加工有效行程X/Y/Z軸分別為880/270/280 mm；最大速度X/Y/Z軸分別為5000/1500/800 mm/min；手動速度X/Y/Z軸分別為3000/1000/500 mm/min；機床加工精度達到±0.001mm。機床的三坐標聯(lián)動可完成各種復(fù)雜曲線或曲面的加工。
2、用GSK980T和步進驅(qū)動系統(tǒng)改造C6140車床
1999年，公司投入了8萬元，采用廣州數(shù)控設(shè)備廠生產(chǎn)的GSK980T數(shù)控系統(tǒng)、DY3混合式步進驅(qū)動單元對公司的一臺加長C6140車床的X、Z兩軸進行改造；保留了原有的主軸系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)；改造的兩軸在機械上采用了滾軸絲桿及同步帶傳動機構(gòu)。整個改造工作包括機械設(shè)計、電氣設(shè)計、機床大修及整機的安裝和調(diào)試。車床改造后，加工有效行程X/Z軸分別為390/1400 mm；最大速度X/Z軸分別為1200/3000 mm/min；手動速度為400mm/min；手動快速為X/Z軸分別為1200/3000 mm/min；機床最小移動單位為0.001mm。
3、用GSK980T和交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)改造C6140車床
2000年，用廣州數(shù)控設(shè)備廠生產(chǎn)的GSK980T數(shù)控系統(tǒng)、DA98交流伺服單元及4工位自動刀架對電機分廠的一臺C6140車床X、Z兩軸進行數(shù)控改造；保留了原有的主軸系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)；改造的兩軸在機械上采用了滾軸絲桿及同步帶傳動機構(gòu)。整個改造工作包括機械設(shè)計、電氣設(shè)計、機床大修及整機的安裝和調(diào)試。車床改造后，加工有效行程X/Z軸分別為390/730 mm；最大速度X/Z軸分別為1200/3000 mm/min；手動速度為400mm/min；手動快速為X/Z軸分別為1200/3000 mm/min；機床最小移動單位為0.001mm。
4、用SIEMENS 802S改造X53銑床
2000年，公司投入12萬元，用德國西門子802S數(shù)控系統(tǒng)、步進驅(qū)動系統(tǒng)對公司的另一臺型號為X53的銑床進行X、Y、Z三軸數(shù)控改造；保留了原有的主軸系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)；改造的三軸在機械上采用了滾軸絲桿及齒輪傳動機構(gòu)。整個改造工作包括機械設(shè)計、電氣設(shè)計、機床大修，最后是整機的安裝和調(diào)試。銑床改造后，加工有效行程X/Y/Z軸分別為630/240/280 mm；最大速度X/Y/Z軸分別為3000/1000/600 mm/min；手動進給速度X/Y/Z軸分別為2000/800/500 mm/min；最小移動單位為0.001mm。
九、數(shù)控改造中的問題和建議
通過幾臺機床的數(shù)控改造工作后，發(fā)現(xiàn)工作中也存在許多問題，主要表現(xiàn)在：
一是各部門、開發(fā)人員職責不明朗，組織混亂，嚴重影響了改造進度；
二是制定的工作進程和計劃大多只是憑經(jīng)驗制定，不太合理；
三是相關(guān)人員的培訓(xùn)工作沒有到位，導(dǎo)致機床改造后工藝人員不會編程、操作人員對機床操作不熟練等問題。
綜合以上問題，有幾點建議：
一是負責改造的員工職責明確，獎罰分明，充分調(diào)動員工的積極性；
二是培養(yǎng)一批高素質(zhì)的應(yīng)用和維護人員，選派人員外出進修，學習先進技術(shù)；
三是要注重用戶使用、維護數(shù)控系統(tǒng)的技術(shù)培訓(xùn)，建立國內(nèi)外數(shù)控技術(shù)資源庫。
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C6163型車床的經(jīng)濟型數(shù)控改造設(shè)計
1 概 論
1.1 數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展簡史
1946年誕生了世界上第一臺電子計算機，這表明人類創(chuàng)造了可增強和部分代替腦力勞動的工具。它與人類在農(nóng)業(yè)、工業(yè)社會中創(chuàng)造的那些只是增強體力勞動的工具相比，起了質(zhì)的飛躍，為人類進入信息社會奠定了基礎(chǔ)。6年后，即在1952年，計算機技術(shù)應(yīng)用到了機床上，在美國誕生了第一臺數(shù)控機床。從此，傳統(tǒng)機床產(chǎn)生了質(zhì)的變化。近半個世紀以來，數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)歷了兩個階段和六代的發(fā)展。
1.2國內(nèi)數(shù)控機床狀況分析
1.2.1國內(nèi)數(shù)控機床現(xiàn)狀
近年來我國企業(yè)的數(shù)控機床占有率逐年上升，在大中企業(yè)已有較多的使用，在中小企業(yè)甚至個體企業(yè)中也普遍開始使用。在這些數(shù)控機床中，除少量機床以FMS模式集成使用外，大都處于單機運行狀態(tài)，并且相當部分處于使用效率不高，管理方式落后的狀態(tài)。?2001年，我國機床工業(yè)產(chǎn)值已進入世界第5名，機床消費額在世界排名上升到第3位，達47.39億美元，僅次于美國的53.67億美元，消費額比上一年增長25%。但由于國產(chǎn)數(shù)控機床不能滿足市場的需求，使我國機床的進口額呈逐年上升態(tài)勢，2001年進口機床躍升至世界第2位，達24.06億美元，比上年增長27.3%。?近年來我國出口額增幅較大的數(shù)控機床有數(shù)控車床、數(shù)控磨床、數(shù)控特種加工機床、數(shù)控剪板機、數(shù)控成形折彎機、數(shù)控壓鑄機等，普通機床有鉆床、鋸床、插床、拉床、組合機床、液壓壓力機、木工機床等。出口的數(shù)控機床品種以中低檔為主。?
1.2.2 國內(nèi)數(shù)控機床的特點?：
(1) 新產(chǎn)品開發(fā)有了很大突破，技術(shù)含量高的產(chǎn)品占據(jù)主導(dǎo)地位。?
(2) 數(shù)控機床產(chǎn)量大幅度增長，數(shù)控化率顯著提高。?
2001年國內(nèi)數(shù)控金切機床產(chǎn)量已達1.8萬臺，比上年增長28.5%。金切機床行業(yè)產(chǎn)值數(shù)控化率 從2000年的17.4%提高到2001年的22.7%。?
(3) 數(shù)控機床發(fā)展的關(guān)鍵配套產(chǎn)品有了突破。??
1.3 數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢
1.3.1繼續(xù)向開放式、基于PC的第六代方向發(fā)展
基于PC所具有的開放性、低成本、高可靠性、軟硬件資源豐富等特點，更多的數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家會走上這條道路。至少采用PC機作為它的前端機，來處理人機界面、編程、聯(lián)網(wǎng)通信等問題，由原有的系統(tǒng)承擔數(shù)控的任務(wù)。PC機所具有的友好的人機界面，將普及到所有的數(shù)控系統(tǒng)。遠程通訊，遠程診斷和維修將更加普遍。
1.3.2向高速化和高精度化發(fā)展
這是適應(yīng)機床向高速和高精度方向發(fā)展的需要。
1.3.3向智能化方向發(fā)展
隨著人工智能在計算機領(lǐng)域的不斷滲透和發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)的智能化程度將不斷提高。
(1)應(yīng)用自適應(yīng)控制技術(shù)
數(shù)控系統(tǒng)能檢測過程中一些重要信息，并自動調(diào)整系統(tǒng)的有關(guān)參數(shù)，達到改進系統(tǒng)運行狀態(tài)的目的。
(2) 引入專家系統(tǒng)指導(dǎo)加工
將熟練工人和專家的經(jīng)驗，加工的一般規(guī)律和特殊規(guī)律存入系統(tǒng)中，以工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫為支撐，建立具有人工智能的專家系統(tǒng)。
(3) 引入故障診斷專家系統(tǒng)
(4) 智能化數(shù)字伺服驅(qū)動裝置
可以通過自動識別負載，而自動調(diào)整參數(shù)，使驅(qū)動系統(tǒng)獲得最佳的運行。
1.4機床數(shù)控化改造的必要性
1.4.1微觀看改造的必要性
從微觀上看，數(shù)控機床比傳統(tǒng)機床有以下突出的優(yōu)越性，而且這些優(yōu)越性均來自數(shù)控系統(tǒng)所包含的計算機的威力。
(1) 可以加工出傳統(tǒng)機床加工不出來的曲線、曲面等復(fù)雜的零件。
由于計算機有高超的運算能力，可以瞬時準確地計算出每個坐標軸瞬時應(yīng)該運動的運動量，因此可以復(fù)合成復(fù)雜的曲線或曲面。
(2) 可以實現(xiàn)加工的自動化，而且是柔性自動化，從而效率可比傳統(tǒng)機床提高3～7倍。由于計算機有記憶和存儲能力，可以將輸入的程序記住和存儲下來，然后按程序規(guī)定的順序自動去執(zhí)行，從而實現(xiàn)自動化。數(shù)控機床只要更換一個程序，就可實現(xiàn)另一工件加工的自動化，從而使單件和小批生產(chǎn)得以自動化，故被稱為實現(xiàn)了"柔性自動化"。
(3) 加工零件的精度高，尺寸分散度小，使裝配容易，不再需要"修配"。
(4) 可實現(xiàn)多工序的集中，減少零件在機床間的頻繁搬運。
(5) 擁有自動報警、自動監(jiān)控、自動補償?shù)榷喾N自律功能，因而可實現(xiàn)長時間無人看管加工。
(6) 由以上五條派生的好處。
如：降低了工人的勞動強度，節(jié)省了勞動力（一個人可以看管多臺機床），減少了工裝，縮短了新產(chǎn)品試制周期和生產(chǎn)周期，可對市場需求作出快速反應(yīng)等等。
1.4.2宏觀看改造的必要性
從宏觀上看，工業(yè)發(fā)達國家的軍、民機械工業(yè)，在70年代末、80年代初已開始大規(guī)模應(yīng)用數(shù)控機床。由于采用信息技術(shù)對國外軍、民機械工業(yè)進行深入改造（稱之為信息化），最終使得他們的產(chǎn)品在國際軍品和民品的市場上競爭力大為增強。而我們在信息技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)方面比發(fā)達國家約落20年。如我國機床擁有量中，數(shù)控機床的比重（數(shù)控化率）到1995年只有1.9％，而日本在1994年已達20.8％，因此每年都有大量機電產(chǎn)品進口。這也就從宏觀上說明了機床數(shù)控化改造的必要性。
數(shù)控化改造的市場空間
機床的數(shù)控化改造是一個方興未艾的行業(yè)，從各種統(tǒng)計數(shù)字上看前途應(yīng)該是十分光明的，例如："在美國，日本和德國等發(fā)達國家，它們的機床改造能作為新的經(jīng)濟增長行業(yè)，生意盎然，正處在黃金時代。由于機床以及數(shù)控技術(shù)的不斷進步，機床改造是一個"永恒"的課題。我國的機床改造業(yè)，也從老的行業(yè)進入到以數(shù)控技術(shù)為主的新的行業(yè)所以不難看出：`
(1) 國內(nèi)的市場
我國目前機床總量380余萬臺，而其中數(shù)控機床總數(shù)只有11.34萬臺，即我國機床數(shù)控化率不到3％。近10年來，我國數(shù)控機床年產(chǎn)量約為0.6～0.8萬臺，年產(chǎn)值約為18億元。機床的年產(chǎn)量數(shù)控化率為6％。我國機床役齡10年以上的占60％以上；10年以下的機床中，自動/半自動機床不到20％，F(xiàn)MC/FMS等自動化生產(chǎn)線更屈指可數(shù)（美國和日本自動和半自動機床占60％以上）。可見我們的大多數(shù)制造行業(yè)和企業(yè)的生產(chǎn)、加工裝備絕大數(shù)是傳統(tǒng)的機床，而且半數(shù)以上是役齡在10年以上的舊機床。用這種裝備加工出來的產(chǎn)品普遍存在質(zhì)量差、品種少、檔次低、成本高、供貨期長，從而在國際、國內(nèi)市場上缺乏競爭力，直接影響一個企業(yè)的產(chǎn)品、市場、效益，影響企業(yè)的生存和發(fā)展。所以必須大力提高機床的數(shù)控化率。
(2) 進口設(shè)備和生產(chǎn)線的數(shù)控化改造市場
我國自改革開放以來，很多企業(yè)從國外引進技術(shù)、設(shè)備和生產(chǎn)線進行技術(shù)改造。據(jù)不完全統(tǒng)計，從1979～1988年10年間，全國引進技術(shù)改造項目就有18446項，大約165.8億美元。
這些項目中，大部分項目為我國的經(jīng)濟建設(shè)發(fā)揮了應(yīng)有的作用。但是有的引進項目由于種種原因，設(shè)備或生產(chǎn)線不能正常運轉(zhuǎn)，甚至癱瘓，使企業(yè)的效益受到影響，嚴重的使企業(yè)陷入困境。一些設(shè)備、生產(chǎn)線從國外引進以后，有的消化吸收不好，備件不全，維護不當，結(jié)果運轉(zhuǎn)不良；有的引進時只注意引進設(shè)備、儀器、生產(chǎn)線，忽視軟件、工藝、管理等，造成項目不完整，設(shè)備潛力不能發(fā)揮；有的甚至不能啟動運行，沒有發(fā)揮應(yīng)有的作用；有的生產(chǎn)線的產(chǎn)品銷路很好，但是因為設(shè)備故障不能達產(chǎn)達標；有的因為能耗高、產(chǎn)品合格率低而造成虧損；有的已引進較長時間，需要進行技術(shù)更新。種種原因使有的設(shè)備不僅沒有創(chuàng)造財富，反而消耗著財富。
這些不能使用的設(shè)備、生產(chǎn)線是個包袱，也是一批很大的存量資產(chǎn)，修好了就是財富。只要找出主要的技術(shù)難點，解決關(guān)鍵技術(shù)問題，就可以最小的投資盤活最大的存量資產(chǎn)，爭取到最大的經(jīng)濟效益和社會效益。這也是一個極大的改造市場。
機床改造的效益分析
提高機床數(shù)控化效率有兩個途徑：一是購買新的數(shù)控機床；二是對舊的機床進行改造而對于一個機床擁有量大，經(jīng)濟財力又不足的發(fā)展中國家來說，采用舊機床改造來提高設(shè)備的先進性和數(shù)控化率是一個極其有效和使用的途徑，采用第二種方法有以下的優(yōu)點：
a) 減少了投資和交貨的期限
同購置新的數(shù)控機床相比，一般可以節(jié)省60%到80%的費用，改造的費用大大減低。
b) 機械的穩(wěn)定性可靠
機床的床身，立柱等基礎(chǔ)件都是重而堅固的鑄鐵構(gòu)件，而鑄件越久自然失效充分，內(nèi)應(yīng)力的消除使得比新的鑄件更穩(wěn)定，這些鑄件的使用又可以節(jié)約社會資源，又減少了鑄鐵件生產(chǎn)時對環(huán)境的污染。
c) 熟悉了解設(shè)備結(jié)構(gòu)性能，便于操作維修，購買的新設(shè)備，事先很難前面了解機床的結(jié)構(gòu)性能，以至很難預(yù)算是否完全適合加工要求，而改造則完全可以避免這種情況，并且大大縮短了對數(shù)控機床在使用和維修方面的培訓(xùn)時間，機床一旦改裝完成，很快就可以投入使用，見效較快。
d) 可以充分利用現(xiàn)有的條件
可以充分利用現(xiàn)有的地基，不必像購新機時重新構(gòu)筑新基，同時工夾具、樣板和外設(shè)備也可以在利用。
e) 可更好的因地制宜合理篩選功能
購買現(xiàn)成的通用型機床，往往對一個具體的生產(chǎn)加工有一些多余的功能，又可能缺少某一個專用的特殊功能，如向機床制造廠提出特殊定貨要求，增加某些特殊的加工要求，往往費用大，交貨的日期又長。而采用改造方案就可以根據(jù)生產(chǎn)加工要求，采用組合的方法再某些部件設(shè)計改造成專用的數(shù)控機床。
f)可及時采用最新技術(shù)，充分利用社會資源
由于技術(shù)進步和我國機床功能部件專業(yè)化生產(chǎn)的發(fā)展，目前已有眾多的疏忽資源支持機床方面的改造 ，如隨意采購各種尺寸的滾珠絲杠副，且交貨期短；采用貼塑導(dǎo)軌新技術(shù)，可使傳統(tǒng)的滑動導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)降低五至十幾倍來防止爬行，還可以使得刮研極容易，等等例子說明有一大批社會資源，可根據(jù)技術(shù)更新的發(fā)展速度，及時地采用最新技術(shù)來提高生產(chǎn)設(shè)備的自動化水平和效率，提高設(shè)備質(zhì)量和檔次，將舊機場改造成當今水平的機床。
2 普通車床數(shù)控改造的可行性論證
對于普通車床的經(jīng)濟型數(shù)控改造，在考慮總體設(shè)計方案時，應(yīng)遵循的原則是：在滿足設(shè)計要求的前提下，對機床的改動應(yīng)盡可能的少，以降低成本。
2.1 車床的數(shù)控改造
2.1.1數(shù)控機床工作原理及組成
(1) 數(shù)控機床工作原理：
數(shù)控機床加工零件時，首先應(yīng)編制零件的加工程序，這是數(shù)控機床的工作指令。將加工程序輸入到數(shù)控裝置，再由數(shù)控裝置控制機床主運動的變化、起停，進給運動的方向、速度和位移量以及其它如刀具選擇交換、工件夾緊松開和冷卻潤滑的開、關(guān)等動作，使刀具與工件及其它輔助裝置嚴格的按照加工程序規(guī)定的順序、軌跡和參數(shù)進行工作，從而加工出符合要求的零件。
(2) 數(shù)控機床的組成：
數(shù)控機床主要由控制介質(zhì)、數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)和機床本體等四部分組成，其組成框圖如圖2-1
圖2-1數(shù)控機床的組成圖
2.1.2設(shè)計內(nèi)容及任務(wù)
普通車床（C6163）的數(shù)控改造設(shè)計內(nèi)容包括：總體方案的確定和驗證、機械改造部分的設(shè)計計算（包括縱向、橫向進給系統(tǒng)的設(shè)計與計算）、主運動自動變速原理及改造后的機床傳動系統(tǒng)圖的設(shè)計、機床調(diào)速電動機控制電路的設(shè)計。
本設(shè)計任務(wù)是對C6163臥式車床進行數(shù)控化改造，實現(xiàn)微機對車床的數(shù)控化控制。利用微機對車床的縱向、橫向進給系統(tǒng)進行數(shù)字控制，并要達到縱向最小運動單位為0.01/脈沖，橫向最小運動單位0.005/脈沖，主運動要實現(xiàn)自動變速，刀架要改造成自動控制的自動轉(zhuǎn)位刀架，要能自動的切削螺紋。
2.1.3 數(shù)控部分的設(shè)計改造
(1) 數(shù)控系統(tǒng)運動方式的確定
數(shù)控系統(tǒng)按其運動軌跡可分為：點位控制系統(tǒng)、連續(xù)控制系統(tǒng)。點位控制系統(tǒng)只要求控制刀具從一點移到另外一點的位置，而對于運動軌跡原則上不加控制。連續(xù)控制系統(tǒng)能對兩個或兩個以上坐標方向的位移進行嚴格的不間斷的控制。由于C6163車床要加工復(fù)雜輪廓零件，所以本微機數(shù)控系統(tǒng)采用連續(xù)控制系統(tǒng)。
(2)伺服進給系統(tǒng)的設(shè)計改造
數(shù)控機床的伺服進給系統(tǒng)按有無位置檢測和反饋可分為開環(huán)伺服系統(tǒng)、半閉環(huán)伺服系統(tǒng)、閉環(huán)伺服系統(tǒng)。
閉環(huán)控制方案的優(yōu)點是可以達到高的機床精度，能補償機械傳動系統(tǒng)中的各種誤差，消除間隙、干擾對加工精度的影響。但他結(jié)構(gòu)復(fù)雜、技術(shù)難度大、調(diào)式和維修困難、造價高。
半閉環(huán)控制系統(tǒng)由于調(diào)速范圍寬，過載能力強，又采用反饋控制，因此性能遠優(yōu)于以步進電動機驅(qū)動的開環(huán)控制系統(tǒng)。但是，采用半閉環(huán)控制其調(diào)式比開環(huán)要復(fù)雜，設(shè)計上也要有其自身的特點，技術(shù)難度較大。
開環(huán)控制系統(tǒng)中沒有位置控制器及反饋線路，因此開環(huán)系統(tǒng)的精度較差，但其結(jié)構(gòu)簡單，易于調(diào)整，所以常用于精度要求不高的場合。
經(jīng)過上序比較，由于所改造的C6163車床的目標加工精度要求不高，所以決定采用開環(huán)控制系統(tǒng)。
(3) 數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計
數(shù)控系統(tǒng)都是由硬件和軟件兩部分組成，硬件是控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，性能的好壞直接影響整體數(shù)控系統(tǒng)的工作性能。
數(shù)控裝置的設(shè)計方案通常有：
a) 可以全部自己設(shè)計制作
b) 可以采用單板機或STD模塊或工控機改制
c) 可以選用現(xiàn)成的數(shù)控裝置作少量的適應(yīng)化改動
跟據(jù)本次設(shè)計的要求采用第一種設(shè)計方案。
2.1.4機械改造部分的設(shè)計
(1) 主傳動部分的改造設(shè)計
將原機床的主軸電動機換成變頻調(diào)速電動機，無級調(diào)速部分由變頻器控制。將原機床的主軸手動變速換成有電磁離合器控制的主軸變速機構(gòu)。改造后使其主運動和進給運動分離，主軸電動機的作用只是帶動主軸旋轉(zhuǎn)。
(2) 進給機構(gòu)的改造
將原機床的掛輪機構(gòu)、進給箱、溜板箱、滑動絲杠、光杠等全部拆除?？v向、橫向進給以步進電動機作為驅(qū)動元件經(jīng)一級齒輪減速后，由滾珠絲杠傳動。
2.2 可行性論證
根據(jù)《自動化制造系統(tǒng)》，可行性論證使用戶建造自動化制造系統(tǒng)項目前所進行的技術(shù)和經(jīng)濟性分析報告，是上級主管部門審定和批準立項的基本依據(jù)。同樣，在進行普通車床的經(jīng)濟型數(shù)控改造之前進行合理的、科學的可行性論證是必要的。
根據(jù)傳統(tǒng)的論證方法，普通車床的經(jīng)濟型數(shù)控改造的可行性論證應(yīng)圍繞以下幾個方面進行，即企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營現(xiàn)狀及存在的問題分析，企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營目標，改造的基礎(chǔ)條件、目標、技術(shù)方案、投資概算、效益分析，改造后車床的實施計劃，結(jié)論等。
由于本設(shè)計僅作為大學本科生的畢業(yè)設(shè)計，故在此，設(shè)計者僅對改造的投資概算作一簡要的可行性論證。
本改造設(shè)計是對普通車床C6136進行經(jīng)濟型數(shù)控改造。在改造設(shè)計中，采用自己設(shè)置的數(shù)控裝置，加上兩臺伺服電機，兩套滾珠絲杠副和相配的傳動部分以及齒輪副，一臺變頻調(diào)速電動機，四個電磁離合器以及主傳動部分的齒輪副。這樣設(shè)備改造費用和舊設(shè)備費用總計不會超過8萬元。因此，對普通車床作經(jīng)濟型數(shù)控改造適合我國國情，是國內(nèi)企業(yè)提高車床的自動化能力和精密程度的有效選擇。它具有一定的典型性和實用性。
3 設(shè)計方案
3.1 總體方案的確定
3.1.1系統(tǒng)的運動方式與伺服系統(tǒng)的選擇
由于改造后的經(jīng)濟型數(shù)控車床應(yīng)具有定位、直線插補、順圓和逆圓插補、暫停、循環(huán)加工公英螺紋加工等功能，故應(yīng)選擇連續(xù)控制系統(tǒng)。考慮到屬于經(jīng)濟型數(shù)控機床加工精度要求不高，為了簡化結(jié)構(gòu)、降低成本，采用步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)。
3.1.2 計算機系統(tǒng)
根據(jù)機床要求，采用8位微機。由于MCS—51系列單片機具有集成度高，可靠性好、功能強、速度快、抗干擾能力強、性能價格比高等特點，決定采用MCS—51系列的8031單片機擴展系統(tǒng)。
控制系統(tǒng)由微機部分、鍵盤及顯示器、I/O接口及光隔離電路、步進電機功率放大電路等組成。系統(tǒng)的加工程序和控制命令通過鍵盤操作實現(xiàn)，顯示器采用數(shù)碼管顯示加工數(shù)據(jù)及機床狀態(tài)等信息。
3.1.3 機械傳動方式
為實現(xiàn)機床所要求的分辨率，采用步進電機經(jīng)齒輪減速再傳動絲桿。為了保證一定的傳動精度跟平穩(wěn)性，盡量減少摩擦力。選用滾珠絲桿螺母副。同時，為了提高傳動剛度和消除間隙，采用有預(yù)加負荷的結(jié)構(gòu)。齒輪傳動也要采用消除齒側(cè)間隙的結(jié)構(gòu)。
3.1.4 運動方式的確定
數(shù)按系統(tǒng)運動方式可分為點位控制系統(tǒng)、點位/直線系統(tǒng)和連續(xù)控制系統(tǒng)。由于C6163車床要加工復(fù)雜輪廓零件，所以本次設(shè)計采用連續(xù)控制系統(tǒng)。
3.1.5 系統(tǒng)的選擇
伺服系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)、半閉環(huán)控制和閉環(huán)控制系統(tǒng)。經(jīng)過比較，由于C6163車床加工精度要求不高，所以決定采用開環(huán)控制系統(tǒng)。
3.1.6 機構(gòu)傳動方式的確定
為確保數(shù)控系統(tǒng)的傳動精度和工作平穩(wěn)性，在設(shè)計機械傳動裝置時，通常提出低摩、低慣量、高剛度、無間隙、高諧振以及有適宜尼比的要求。在設(shè)計中應(yīng)考慮以下幾點：
(1) 盡量采用低磨擦的傳動和導(dǎo)向元件。如采用滾珠絲杠螺母傳動副、滾動導(dǎo)軌、貼塑導(dǎo)軌等。
(2) 盡量消除傳動間隙。例如采用隙齒輪等。
(3) 提高系統(tǒng)剛度。縮短傳動鏈可以提高系統(tǒng)的傳動剛度，減小傳動鏈誤差。可采用預(yù)緊的方法提高系統(tǒng)剛度。例如采用預(yù)加負載導(dǎo)軌和滾珠絲杠副等。
3.1.7 微機的選擇
微機數(shù)控系統(tǒng)由CPU、存儲器擴展電路、I/O接口電路、伺服電機驅(qū)動電路、檢測電路等幾部分組成。
3.1.8 總體方案框圖
圖3-1
3.2 橫向進給伺服系統(tǒng)機械部分計算與校核實例
3.2.1 計算切削力
橫切端面
查《綜合作業(yè)指導(dǎo)書》P13頁
式中——車床床身上加工最大直徑橫切端面時主切削力可取縱切時的
式中 ——走刀方向的切削力（N）
——垂直走刀方向的切削力（N）
3.2.2 桿螺母副的設(shè)計、計算與選型
(1) 計算牽引力
橫向進給選為三角型或綜合導(dǎo)軌 參考《機床設(shè)計手冊.2》6.2-2；6.2-3表
查閱《綜合作業(yè)指導(dǎo)書》P22頁
式中：，，——切削分力（Ｎ）
G——移動部件的重量（N） 表1-1查得橫向溜板及刀架重力500N
——滑動導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，隨導(dǎo)軌形式而不同 取=0.15-0.18
K——考慮顛復(fù)力矩影響的實驗系數(shù) 取K=1.15
(2) 計算最大動負載C
選用滾珠絲桿導(dǎo)軌 參考《機床設(shè)計手冊.3》P185-P210
查閱《綜合作業(yè)指導(dǎo)書》P22頁
式中：L——壽命，以轉(zhuǎn)為一單位
n ——絲桿轉(zhuǎn)速（r/min）
——為最大切削條件下進給速度，可取最高進給速度的1/2-1/3
取
——絲桿導(dǎo)程（mm） 初選=6mm
T——為使用壽命（h）,對于數(shù)控機床取15000h
——運轉(zhuǎn)系數(shù)，查表3-14一般取1.2-1.5
(3) 螺母副的選型
查閱《綜合作業(yè)指導(dǎo)書》附表Ａ-2，可采用WD3006外循環(huán)墊片調(diào)整緊的雙螺母滾珠絲桿副，1列2.5圈，其額定動負載為9700N,精度等級按表3-17選為３級。
(4) 傳動效率計算
式中：——螺旋升角，WD3006
——摩擦角取 滾動摩擦系數(shù)0.003-0.004
(5) 剛度驗算
橫向進給絲桿支承方式圖２所示，最大牽引力2087.98N,支承間距Ｌ＝350mm，因絲桿長度較短，不需預(yù)緊螺母及軸承預(yù)緊。
圖3-2
計算如下:
a) 絲桿的拉伸或壓縮變形量(mm)
b) 查閱《綜合作業(yè)指導(dǎo)書》圖3-4,根據(jù)＝2087.98N,D=30mm查出 可算出：
c) 滾珠與螺紋滾道間接觸變形量
查圖3-5得Ｗ系列１列2.5圈滾珠和螺紋滾道接觸變形量
因進行了預(yù)緊
d) 支承滾珠絲桿的軸承的軸向接觸變形
采用推力球軸承5204查閱《機床設(shè)計手冊.２》表5.9-137,d=20mm,滾動體直徑=5.556mm,數(shù)量Z=13
綜合以上幾項變形量之和：
〈定位精度>
(6) 穩(wěn)定性校核
計算臨界負載(N)
式中:E——材料彈性模量()
I ——截面慣性矩()
L——絲桿兩軸承端距離(cm)
——絲桿支承方式系數(shù)，從表3.15中查出，一端固定，一端簡支為2.00
一般=2.5-4.0,所以>>
此滾珠絲桿不會產(chǎn)生失穩(wěn)。
(7) 橫向滾珠絲桿副的幾何參數(shù) (見表1)
表1
參數(shù)名稱
符號
關(guān)系式
WD3006
螺
紋
滾
道
公稱直徑
30
導(dǎo)程
6
接觸角
鋼球直徑
3.175
滾道法面半徑
R
1.651
偏心距
e
0.045
螺紋升角
螺
桿
外徑
d
29.365
內(nèi)徑
26.788
接觸直徑
26.83
螺
母
螺紋直徑
D
33.212
內(nèi)徑
30.635
3.2.3 齒輪傳動比計算
已確定橫向脈沖當量，滾珠直徑導(dǎo)程=6mm,
初選步進電動機步距角可計算傳動比:
考慮到結(jié)構(gòu)上的原因不使大齒輪直徑太大，以免影響到橫向溜板有行程，故此處可采用兩級齒輪降速。
因進給運動齒輪受力不大，模數(shù)````取2，有關(guān)參數(shù)參照表2
表2: 傳動齒輪幾何參數(shù)
齒數(shù)
Z
18
45
20
32
分度圓
d=mz
36
90
40
64
齒頂圓
40
94
44
68
齒根圓
31
85
35
59
齒寬
(6-10)m
20
中心距
63
52
3.2.4 橫向步進電機的計算，校核和選型
(1) 初選步進電機
a) 計算步進電機負載轉(zhuǎn)矩
查閱《綜合作業(yè)指導(dǎo)書》P22頁
式中: ——脈沖當量，取
——進給牽引力(N)
——步距角，初選雙拍制為
——電機—絲桿傳動效率為齒輪、軸承、絲桿效率之積分別為
b) 估算步進電機起動轉(zhuǎn)矩
根據(jù)負載轉(zhuǎn)矩除以一定的安全系數(shù)來估算步進電機起動轉(zhuǎn)矩(N.cm)
一般橫向進給伺服系統(tǒng)取0.4-0.5
c) 計算最大靜轉(zhuǎn)矩
查表3-22如取五相十拍，則
d) 計算步進電機運行頻率和最高啟動頻率
式中:——最大切削進給速度
——最大快移速度
——脈沖當量，取
根據(jù)估算出的最大靜轉(zhuǎn)矩在表3-23中查出150BFG2815最大靜轉(zhuǎn)矩為245N.cm >可以滿足經(jīng)濟型數(shù)控機床有可能使用較大的切削用量，應(yīng)該選用稍大轉(zhuǎn)矩的步進電機，以留有一定余量，另一方面與國內(nèi)同類型機床進行類比的要求。決定采用150BFG2915，但從《綜合作業(yè)指導(dǎo)書》P24頁查出，步進電機最高空載啟動頻率為4000Hz,滿足空載時(3333.33Hz)的要求。
(2) 校核步進電機轉(zhuǎn)矩
前面所述初選步進電機的轉(zhuǎn)矩計算，均為估算，初選后，應(yīng)該進行校核計算。
a) 等效轉(zhuǎn)動慣量計算
計算簡圖見圖2，根據(jù)表3-24，經(jīng)二對齒輪降速時，傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總轉(zhuǎn)動慣量可由下式計算:
式中:——齒輪及其軸的轉(zhuǎn)動慣量
——齒輪的轉(zhuǎn)動慣量
——絲桿轉(zhuǎn)動慣量
——絲桿導(dǎo)程(cm)
G——工件及工作臺重量(N) G=500(N)
b) 齒輪、軸、絲桿等圓柱體慣量計算
表3-24所示圓柱體轉(zhuǎn)動慣量計算公式如下:
對于鋼材，
式中:M——圓柱體質(zhì)量
D——圓柱體直徑 (cm)
L——圓柱體長度或原長(cm)
鋼材的密度為
因此
基本滿足慣量匹配的要求。
c) 電機轉(zhuǎn)矩計算
機床在不同的工況下，其所需轉(zhuǎn)矩不同，下面分別按各階段計算:
快速空載起動轉(zhuǎn)矩
在快速空載起動階段，加速轉(zhuǎn)矩占的比例較大，具體計算如下：
式中: ——快速空載起動轉(zhuǎn)矩
——空載起動時折算到電機軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩
——折算到電機軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩
——由于絲桿預(yù)緊時折算到電機軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩
在采用絲桿螺母副傳動時，上述各種轉(zhuǎn)矩可用下式計算：
式中: ——傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總等效轉(zhuǎn)動慣量
——電機最大角速度
——電機最大轉(zhuǎn)速
——運動部件最快速度
——脈沖當量
——步進電機的步距角
——運動部件從停止到起動加速到最大快進速度所需時間(s)
起動加速時間=30(ms)
折算到電機軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩
式中: ——導(dǎo)軌的摩擦力(N)
——垂直方向的切削力(N)
G——運動部件的總重量(N)
——導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，取=0.15
——齒輪降速比
——傳動鏈總效率，一般可取0.7-0.8
附加摩擦轉(zhuǎn)矩:
式中: ——滾珠絲桿預(yù)加負荷，一般取，為進給牽引力(N)
——滾珠絲桿導(dǎo)程(cm)
——滾珠絲桿未預(yù)緊時的傳動效率，一般取
上述三項合計:
快速移動時所需轉(zhuǎn)矩
最大切削負載時所需要的轉(zhuǎn)矩
式中: ——折算到電機軸上的切削負載轉(zhuǎn)矩
從上面計算看出、、三種工況下，以快速空載所需轉(zhuǎn)矩最大，即以此項作為校核步進電機轉(zhuǎn)矩的依據(jù)。
從表3-22查出，當步進電機為五相十拍時為
則最大靜轉(zhuǎn)矩為:
從表3-23查出150BFG2815最大轉(zhuǎn)矩為為245，大于所需最大靜轉(zhuǎn)矩，可以滿足此項要求。
d) 校核步進電動機起動矩頻特性和運行矩頻特性
前面已經(jīng)計算出機床最大快移時，需步進電機的最高起動頻率為3333.33Hz,切削進給時所需步進電機運行頻率為1666.7Hz
從表3-23中查出150BFG2815型步進電機允許的最高空載起動頻率為4000Hz，運行頻率為16000Hz，再從圖3-15，3-16查出150BFG2815步進電機起動矩頻特性和運行矩頻特性如圖3所示:
當快速運動和切削進給時，150BFG2815型步進電機起動矩頻特性和運行矩頻特性可以滿足要求。
3.3縱向進給伺服系機械部分計算與校核
3.3.1 計算切削力
主切削力F（N）按經(jīng)驗公式估算：
—走刀方向的切削分力（N）
—車床身上加工最大直徑（mm）=630mm
=10594.63（N）
：：=1：0.25：0.4
—走刀方向的切削力
—垂直走刀方向的切削力
=0.25=2648.66(N)
=0.4=4237.85(N)
3.3.2 絲桿螺母副的計算和造型
(1) 計算進給牽引力
縱向進給選為綜合導(dǎo)軌。參考表6.2—2，6.2—3兩表〈〈機床設(shè)計手冊.3〉〉
查書《綜合作業(yè)指導(dǎo)書》P22
在正常情況下：
—考慮顛復(fù)力矩影響的實驗系數(shù)，綜合導(dǎo)軌取K=1.15
—滑動導(dǎo)軌磨擦系數(shù)0.15～0.18
—溜板及刀架重力查《綜合作業(yè)指導(dǎo)書》表1—1，取=800N
=1.152648.66+0.16(4237.85+500)=2175.94(N)
(2) 計算最大動負載C
C=
參考《機床設(shè)計手冊.3》P185～P210 選用滾珠絲桿導(dǎo)軌
式中：—滾珠絲桿導(dǎo)程。 初選
—為最大切削力條件下的進給速度，可取最高進給速度的1/2～1/3
取=1m/min
—使用壽命（h），對于數(shù)控機車取 =15000h
—運轉(zhuǎn)系數(shù)，按一般運轉(zhuǎn)取1.2～1.5（查表3—14《綜合作業(yè)指導(dǎo)》取為1.2
—壽命以 轉(zhuǎn)為1單位
—絲桿轉(zhuǎn)速r/min
125
113
C==19512.57
(3) 滾珠絲桿螺母副的選型
可采用WD6008外循環(huán)螺紋調(diào)整預(yù)緊的雙螺母珠絲桿副，1列2.5圈，其額定功動負載為18200（N），精度等級按表《綜合作業(yè)指導(dǎo)書》表3-17選為3級。
(4) 傳功效率計算：
=
式中：r—螺旋升角，WD6008 r=
—磨擦角取10’ 滾動磨擦系數(shù)0.003～0.004
(5) 剛度驗算
先畫出此縱向進給滾珠絲杠支承方式草圖如A圖所示，最大牽引力2175.94(N)。支承L=1500mm，絲桿螺母及軸承均進行預(yù)緊，預(yù)緊力為最大軸向負荷1/3。
① 絲杠的拉伸或壓縮變形量
圖3-5
查《綜合作業(yè)指導(dǎo)書》圖3-4，根據(jù)
=2175.94(N),
查出10-5 可算出
==(0.65×10-5×1500)mm=0.975×10-2 mm
由于兩端均采用向心推力球軸承，且絲桿進行了預(yù)拉伸，故其拉壓剛度可以提高4倍。其實際變形量(mm)為
=1/4=0.975×10-2/2=0.244×10-2mm
② 滾珠與螺紋滾道間接觸變形
查《綜合作業(yè)指導(dǎo)書》圖3-5，W系列1列2.5圈滾珠和螺紋滾道接觸變形量
=6.0μm
因進行預(yù)緊
=1/2=1/2×6.0=3.0μm
③ 支承滾珠絲桿軸承的軸向接觸變形
采用D8208型推力球軸承，=35mm,滾動體直徑=6.35mm,滾動體數(shù)量Z=18,
注意此公式中單位應(yīng)為N
因施加預(yù)緊力，故
=1/2×=1/2×0.009065=0.004528mm
根據(jù)以上計算
=＋＋=0.00244＋0.0030＋0.004528=0.009968<定位精度
因為查表達1-1《綜合作業(yè)指導(dǎo)書》定位精度為±0.01
(6) 穩(wěn)定性校核
滾珠絲桿兩端采用推力球軸承，不會產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象不需作穩(wěn)定性校核。
(7) 縱向滾珠絲桿副幾何參數(shù)
表3：WD6008滾珠絲桿副幾何參數(shù)
參數(shù)名稱
符號
關(guān)系式
WD6008
螺
紋
滾
道
公稱直徑
60
導(dǎo) 程
8
接觸角
2.183
鋼球直徑
3.969
滾道法面半徑
2.064
偏心距
0.0030
螺紋升角
=
螺
桿
外 徑
=-(0.2～0.25)
59.2
內(nèi) 徑
=＋2－2
55.878
接觸直徑
=－Cos
56.034
螺
母
螺紋直徑
=－2＋2
64.122
內(nèi) 徑
=＋(0.2～0.25)
60.7938
3.3.3 齒輪傳動比計算
已知縱向進給脈沖當量=0.01mm/step,滾珠絲桿導(dǎo)程=8mm，初選步進電動機步距角，可計算出傳動比：
=
－脈沖當量（mm/step）
－滾珠絲桿的基本導(dǎo)程（mm）
－步進電機的步距角
===3/8
因為可進定齒輪齒數(shù)為
=/=24/64
=24 ，=64
根據(jù)《機械設(shè)計》，又因進給給運動齒輪受力不大，模數(shù)m取2，
則有關(guān)參數(shù)如下表所示(見表4)：
表4：傳動齒輪幾何參數(shù)
齒 數(shù)
24
64
分度圓
=
48
128
齒頂圓
=＋2
52
132
齒根圓
=－21.25
46.5
126.5
齒 寬
(6～10)
20
20
中心距
=(＋)/2
88
3.3.4 進電機的計算和選型
(1)初選步進電機
① 計算步進電機負載轉(zhuǎn)矩
=
－脈沖當量（mm/step）取 =0.01mm/step
－進給牽引力（N）取 =2175.94N
－步距角，初選雙拍制為
－電機－絲桿的傳動效率，為齒輪、軸承、絲桿效率之積，分別為0.98、0.99、0.99和0.94。
=N.cm
② 算步進電機啟動轉(zhuǎn)矩
根據(jù)負載轉(zhuǎn)矩除以一定的安全系數(shù)來估算步進電機啟動轉(zhuǎn)矩
=/0.3～0.5
一般縱向進給伺服系統(tǒng)的安全系數(shù)取0.3～0.4
= /0.4=182.36/0.4=455.9N.mm
③ 計算最大靜扭矩
查《綜合作業(yè)指導(dǎo)書》表3-22，如取五相十拍，則==0.951
=/0.951=455.9/0.951=479.39N.mm
計算步進電機運行的頻率和最高起動頻率
=HZ
=HZ
式中：－最大切削進給速度m/min , =1m/min
－最大快移速度m/min, =2m/min
－脈沖當量, =0.01mm/step
根據(jù)估算出的最大的靜轉(zhuǎn)矩=479.39N.mm在表3-23中查出130BF001最大靜扭矩為931N>479.39N可以滿足要求，，但從表中看出130BF001步進電機最高空載起動頻率為3000HZ，不能滿足=3333HZ的要求，此項指標可暫不考慮，可以采用軟件開降速程序來解決。
(2) 校核步進電機轉(zhuǎn)矩
前面所初步電機的轉(zhuǎn)矩計算，均為估算，初迭之后，應(yīng)該進行校核計算。
①效轉(zhuǎn)動慣量計算
計算簡圖如前（a）所示，根據(jù)《綜合作業(yè)指導(dǎo)書》表3-24，傳動系統(tǒng)計算到電機軸上的總的轉(zhuǎn)動慣量 可由下式計算：
=＋＋[(＋)＋()]
—步進電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量（）
.—矢輪Z1Z2的轉(zhuǎn)動慣量（）
—滾珠絲桿轉(zhuǎn)動慣車（）
參考同類型機床，初步反應(yīng)式步進電機BF1，
作臺質(zhì)量折算到電機軸上的轉(zhuǎn)動慣量：
I4＝() 2w＝()2×80＝0.468kg·cm2＝4.68N·cm2
齒輪轉(zhuǎn)動慣量：
J1＝7.8×10-4×4.84×2=8.281kg·cm2=82.81 N·cm2
J2＝7.8×10-4×12.84×2=53.678kg·cm2
絲桿傳動慣量：
J3=7.8×10-4×64×140=141.52kg·cm2=1415.2 N·cm2
電機轉(zhuǎn)動慣量很小，可以忽略。
因此，總的轉(zhuǎn)動慣量：
Ｊ＝(J3+J2)+J1+J4
=(141.52+53.68)+0.468+8.281
= 130.52 kg·cm2=1305.2 N·cm2
(1) 所需轉(zhuǎn)動力矩計算。
快速空載啟動所需力矩：
最大切削力負載時所需力矩：
式中：－－空載啟動時折算到電機軸上的加速度力矩
――折算到電機軸上的摩擦力矩
――由于絲桿預(yù)緊所引起，折算到電機軸上的附加摩擦力矩
――切削時折算到電機軸上的加速度力矩
――折算到電機軸上的切削負載力矩
當時，
當時，
當，時，
N·cm
當時，預(yù)加載荷則
所以，快速空載啟動所需力矩：
快速進給時所需力矩：
切削時所需力矩：
由以上分析計算可知：
所需最大力矩發(fā)生快速啟動時： ，所以選擇型號WD6008
③ 校核步進電機起動矩頻特性和運行矩頻特性。
已計算出機床最大快移時需步進電機的最高起動頻率為3333Hz，切削進入時所需步進電機運行頻率為1333.3Hz。
從《綜合作業(yè)指導(dǎo)書》表3—23中查出型步進電機允許的最高空BF1-160載起動頻率為3000Hz，運行頻率為16000Hz，再從〈〈綜合作業(yè)指導(dǎo)書〉〉圖3—15，3—16查出BF1-160步進電機起動矩頻特性和運行矩頻特性曲線如（C）圖所示，當步進電機起動時，時，,不能滿足此機床所要求的空載起動力矩222.916N.cm。直接使用則會施行失步現(xiàn)象，所以必須采取開降進控制〈用軟件實現(xiàn)〉，將起動頻率到1000Hz起動轉(zhuǎn)矩可增高到588.4N.cm，然后電路上再采用高低壓驅(qū)動電路，可將電機輸出轉(zhuǎn)矩擴大一倍左右。
當快速運動和切削進給時，BF1-160型步進電機運行矩頻特性（D）圖完全可以滿足要求：
圖3-6
4 數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計
4.1數(shù)控系統(tǒng)基本硬件組成
任何一個數(shù)控系統(tǒng)都由硬件和軟件兩部分組成，硬件是數(shù)控機床的基礎(chǔ)，其性能的好壞，直接影響整個系統(tǒng)的工作性能，有了硬件，軟件就能發(fā)揮作用。
機床數(shù)控機床的硬件電路概括起來又以下四部分組成：
（1） 中央處理單元CPU。CPU是數(shù)控系統(tǒng)的核心。
（2） 總線。包括數(shù)據(jù)總線（DB） 地址總線（AB）和控制總線（CB）。
（3） 存儲器。包括只讀可編程存儲器和隨機讀寫存儲器。
（4） 輸入輸出接口電路。
由于8031只有P1口和P3口部分能提供用戶作為I/O口使用，不能滿足輸入輸出口的需要，因而系統(tǒng)必須擴展輸入輸出接口電路。從附錄H圖H—2可以看出，系統(tǒng)擴展了一片8155和一片8255可編程I/O接口芯片。8155的片選信號CE接74LS138的Y0，8255芯片片選信號CS接到74LS138的Y2端。74LS138三—八譯碼器有三個輸入A、B、C分別接到8031的P2。5，P2。6、P2。7，輸出Y0~Y7 8個輸出，低電平有效。Y0~Y7對應(yīng)輸入A、B、C的000至111的8種組合，其中Y0對應(yīng)A、B、C為000，Y7對應(yīng)A、B、C為111。74LS138還有三個使能端，其中2個（GA和GB）為低電平使能，另一個G1為高電平使能。吸有當使能端均處于有效電平時，輸出才能產(chǎn)生，否則輸出處于高電平無效狀態(tài)。
I/O接口芯片與外設(shè)的連接是這樣安排的：8155芯片PA0~PA7作為顯示器段選信號輸出，PB0~PB7是顯示器的位選信號輸出，PC0~PC4 5根線是鍵盤掃描輸入。8155芯片的IO/M引腳接8031芯片的P2。0，因為使用8155的I/O口故P2。0高電平。
8255芯片PA0~PA6接X向、Y向和Z向步進電機硬件環(huán)形分配器，為輸出，PB0~PB7為三個方向的點動及回零輸入，PC0~PC5為面板上的選擇開頭是輸入，設(shè)有編輯、單步運行、單段運行、自動、手動I、手動II等方式。
系統(tǒng)各芯片采用全地址譯碼，各存儲器及I/O接口芯片的地址編碼如表4—19所示：
X向，Y向步進電機硬件環(huán)形分配器采用YB015，3—2相通電五相十拍方式工作，故A0，A1引腳均接+5V，Z向步進電機配件環(huán)形分配采用YB014，是以2—3相通電四相八拍方式工作。A0、A1接高電平。三個芯片的選通輸出控制E0分別接8255的PA0、PA3、PA5，清零R接8255的PA1，正、反轉(zhuǎn)控制端分別接8255的PA2、PA4、PA6，時鐘輸入端CP接8155芯片的TIMROUT，用以決定脈沖分配器輸出脈沖分配器輸出脈沖的頻率。為實現(xiàn)插補時不同的進給速度，可給8155芯片的定時/計數(shù)器中設(shè)置不同的時間常數(shù)。
表5
芯 片
接74LS138引腳
地址選擇線
片內(nèi)地址單元（B）
地址編碼
2764（1）
000xxxxxxxxxxxxx
8K
0000H～1FFFH
2764 (2 )
001xxxxxxxxxxxxx
8K
2000H～3FFFH
6264
010xxxxxxxxxxxxx
8K
4000H～5FFFH
8155
RAM
10011110xxxxxxxx
6
61009EFFH
I/O
1001111111111xxx
6
9FF8H～9FFDH
8255
01011111111111xx
4
5FFCH～5FFFH
作用是進行數(shù)據(jù)運算處理和控制各部分電路協(xié)調(diào)工作，存儲器用于存放系統(tǒng)軟件，應(yīng)用程序和運行中所需要的各種數(shù)據(jù)，輸入輸出接口是系統(tǒng)與外界進行交換的
橋梁?？偩€則是CPU與存儲器，接口以及其它轉(zhuǎn)換的紐帶，是CPU與部分電路進行交換和通訊的必由之路。
數(shù)控系統(tǒng)的硬件框圖為：
圖4-1
4.2 單片機控制系統(tǒng)的設(shè)計
1 向和X向進給伺服系統(tǒng)運動
2 鍵盤顯示
3 自動轉(zhuǎn)位刀架控制
4 螺紋加工控制
5 面板控制
6 行程控制
7其他功能 報警電路、急停電路、復(fù)位電路、光隔離電路、功能電路等。
4.2.1 硬件電路的組成
采用MCS-5系列單片機組成的控制系統(tǒng)硬件電路原理圖。電路的組成如下：
a) 采用8031作CPU
b) 擴展了兩片2764芯片、一片6264芯片
c) 兩片8155可編程并行I/O接口。
d) CPU、存儲器及I/O接口
CPU采用8031芯片，選用6MHz晶體振蕩器。它的作為數(shù)據(jù)總線和地址共用。16位地址線由經(jīng)地址鎖存器74LS373提供8位地址，高8位地址由8031的口直接提供。ALE為地址鎖存允許。為低電平時選通外部存儲器（EPROM），相應(yīng)的指令字節(jié)出現(xiàn)在EPROM的數(shù)據(jù)線（）上，輸入到口，8031將指令讀入。RESET為復(fù)位控制，當RESET輸入端出現(xiàn)高電平時，8031被初始化復(fù)位，在復(fù)位有效期向ALE、PSEN也輸出高電平。當RESET輸入端返回低電平后，CPU從O地址開始執(zhí)行程序。（故設(shè)計中一定有一片2764芯片連到74LS138的）設(shè)計中采用上電復(fù)位和開關(guān)復(fù)位。另外，兩片8155的RESET也與8031的RESET管腳相連，它們可同時復(fù)位。
8031的是片內(nèi)的定時器/計數(shù)器溢出中斷申請，由主軸后面的光電編碼器輸入。當車床車螺紋時，主軸光電編碼器向8031發(fā)出進給脈沖，用以控制不同導(dǎo)程的螺紋加工。光電編碼器還發(fā)出一個零位螺紋信號，輸入8155(1)的，用以防止車螺紋亂扣。
8155(1)主要用于功能鍵的控制，刀架轉(zhuǎn)位控制以及報警等。其中PA口為輸入口，作為功能鍵的控制管理，刀架控制編輯、空運行、自動、手動I，手動和回零。PB口也是輸入口，由面板上的按鍵分別控制起動、暫停、單段、連續(xù)、急停等功能。是換刀回答，當自動轉(zhuǎn)位刀架按指令轉(zhuǎn)位、夾緊，刀架電機停轉(zhuǎn)之后，發(fā)出此信號，開始執(zhí)行進給指令。接光電編碼器輸出的零位螺紋信號。PC口是輸出口，控制自動轉(zhuǎn)位刀架四個刀位的選刀。用于報警顯示，系統(tǒng)正常工作時，輸出低電平，綠色發(fā)光二極管亮，當系統(tǒng)出現(xiàn)異常情況時，輸出高電平，經(jīng)反向后，紅色發(fā)光二極管亮，實現(xiàn)報警功能。
8155(2)控制步進電機，行程控制，以及鍵盤，顯示電路。其中為輸出口，用于控制Z向、X向步進電機運轉(zhuǎn)，Z向步進電機為五相，X向為三相。此系統(tǒng)采用軟件分配。鍵盤顯示電路為46鍵和6位顯示器。作為鍵盤的6條列線，是鍵盤掃描線，是輸出口。接行線作為鍵盤輸入口。是6位數(shù)碼顯示器的位選信號，8031的口是數(shù)碼顯示器的段選信號。接越程限位控制電路，當床鞍或拖板在Z向或X向越程時，即向計算機輸入此信號，使進給系統(tǒng)停止。
表6 ：數(shù)控車床控制系統(tǒng)芯片地址分配
芯片
接74LS1
38引腳
地址選擇線
片內(nèi)地
址單元
地址編碼
2764(1)
000xxxxxxxxxxxxx
8K
0000H-1FFFH
2764(2)
001xxxxxxxxxxxxx
8K
2000H-3FFFH
6264
010xxxxxxxxxxxxx
8K
4000H-5FFFH
8155(1)I/O
0110000100000xxx
6
6100H-6105H
8155(2)I/O
1000000100000xxx
6
8100H-8105H
4.3 C6163經(jīng)濟型數(shù)控車床數(shù)控系統(tǒng)軟件的設(shè)計
直線圓弧插補程序設(shè)計
在電機設(shè)備中，執(zhí)行部件如果要實行平行斜線和圓弧曲線的路經(jīng)運動，必須通過兩個方向運動的合成來完成。在數(shù)控機床中，這是由X、Y兩個方向運動的工作臺，按照插補控制原理來實現(xiàn)的。
4.3.1 直線插補程序設(shè)計
(1) 逐點比較法
用逐點比較法進行直線插補計算，沒走一步，都需要以下四個步驟：
偏差判別：判別偏差Fm≧0或Fm≦0，從而啊決定哪個方向進給和采用哪個偏差計算公式。
坐標進給：根據(jù)直線所在象限及偏差符號，決定沿+X、+Y、-X、-Y的哪個方向進給。
偏差計算：進給每一步，計算新的加工偏差。
終點判別：進給每一步后，終點計數(shù)器減1，若為0，表示到達終點停止插補不為0，則返回到第一步繼續(xù)插補。終點計算判別可用兩個方向的坐標植來判別，也可以由一個方向的坐標植來判別。當Xe﹥Ye，可用X方向的總步數(shù)Xe作為終點判別的依據(jù)，如動點X等于終點Xe則停止。當Xe
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