1、CA6140车床数控控制系统改造设计方案CA6140车床数控改造之控制系统设计内容摘要本文主要是将传统的CA6140车床的电气控制系统改造成为数字控制的开环控制系统。改造后的系统是以MCS-51单片机系统为控制模块，以步进电机为驱动执行元件。实现X轴和Z轴的两坐标联动以及对刀具的自动选取。同时能够进行直线和圆弧的插补；工件在一次安装后，完成多道工序的加工，通过编写不同的程序完成各种较为复杂零件的加工；改造后的CA6140车床提高了加工范围和加工精度。关键词：CA6140车床、控制系统、数控改造AbstractThis paper mainly is that the traditional C
2、A6140 lathe electricity control system is Reformed the numerical control the open-loop control system. After the reform system is take the MCS-51 monolithic integrated circuit system as the control module, Take step-by-steps the electrical machinery as the actuation functional element. Realizes X ax
3、is and the Z axis two coordinates linkage as well as to the cutting tool automatic selection. At the same time can carry on the straight line and the circular arc inserts makes up; After installs the work piece Completes the multichannel working procedure the processing Completes each kind of more c
4、omplex components through the compilation different procedure the processing; Enhanced the processing scope and the processing precision compared to the traditional CA6140 lathe.Keywords: CA6140 lathe Control system Numerical control Reform前言 5正文 101.总体改造方案构思 101.1 CA6140车床的用途 101.2 CA6140数控改造后的功能 1
5、01.3普通车床数控改造设计方案 101.3.1改造机械部分 101.3.2增加数控控制系统 101.4 CA6140车床的电气控制系统 101.4.1电路分析 111.4.2控制电路分析 121.5数控系统的基本概念 13.数控装置的硬件结构 15.数控装置的软件系统 16.数控系统的I/O和通信接口 171.5.4 CNC系统接口电路的主要任务 182.CA6140车床数控化改造的具体实施方案 182.1系统硬件设计 202.1.1 8031单片机 212.1.2程序存储器 212.1.3数据存储器 222.1.4地址锁存器 222.1.5接口芯片 232.1.6译码器 232.2系统软件
6、设计 232.2.1进给伺服系统X轴与Z轴步进电机控制 242.2.2 自动刀架换刀控制 252.3 接口电路设计 293.步进电机的设计 303.1脉冲分配器PMM8713 303.2电压-频率变换器LM331 313.3驱动器系统电路 324.系统抗干扰和误差分析 334.1系统的干扰信号 334.1系统误差 335.总结 34致谢 34参考文献 35附件 36前 言当今世界，工业发达国家对机床工业高度重视，竞相发展机电一体化、高精、高效、高自动化先进机床，以加速工业和国民经济的发展。目前普通机床已不适应这种多品种、小批量生产和快速反映的市场要求，数控机床则综合了数控技术、自动检测技术和微
7、电子技术等先进技术，最适宜加工小批量、高精度、形状复杂、生产周期要求短的零件。当变更加工对象时只需要更换零件相应的加工程序，不需要对机床作任何调整，因此既能很好地满足产品频繁变化的加工要求，又能降低机床升级改造成本、提高产品质量和生产效率，故而对普通机床进行数控化改造这一适合我国国情的技术正得到日益广泛的应用。长期以来，欧、美、亚在国际市场上相互展开激烈竞争，已形成一条无形战线，特别是随微电子、计算机技术的进步，数控机床在二十世纪八十年代以后加速发展，各方用户提出更多需求，早已成为四大国际机床展上各国机床制造商竞相展示先进技术、争夺用户、扩大市场的焦点。1948年美国空军部门为制造飞机杂零件，
8、提供设备研经费，由G&L公司与MIT合作研究四年，于1952年试制出世界第一台数控铣床，立即生产100台交付军工使用。在成果上显示了它是社会需求、科技水平、人员素质三者的结晶；在技术上则显示出机电一体化机床在控制方面的巨大创新。 数控机床具有以下三大突出的特点：1利用二进制数学方式输入，加工过程可任意编程，主轴及进给速度可按加工工艺需要变化，且能实现多座标联动，易加工杂曲面。对于加工对象具有“易变、多变、善变”的特点，换批调整方便，可实现杂件多品种中小批柔性生产，适应社会对产品多样化的需求，但价格较昂贵。 2利用硬件和软件相组合，能实现信息反馈、补偿、自动加减速等功能，可进一步提高机床的加工精
9、度、效率、自动化程度； 3是以电子控制为主的机电一体化机床，充分发挥了微电子、计算机技术特有的优点，易于实现信息化、智能化、网络化，可较易地组成各种先进制造系统，如FMS、FTL、FA，甚至将来的CIMS，能最大限度地提高工业的生产率、劳动生产率。数控机床的发展条件主要包括：1它是机、电、液、气、光多学科各种高科技的综合性组合，特别是以电子、计算机等现代先进技术为基石，必须具有巩固的技术基础，互相配套，缺一不可。2数控机床是由主机、各种元部件（功能部件）和数控系统三大部分组成，还需先进的自动化刀具配合，才能实现加工，各个环节在技术上、质量上必须切实过关，确保工作可靠、稳定，才能保数控机床工作的
10、精度、效率和自动化，否则，难以在生产实际中使用； 3它是社会需求、科技水平和人员素质三者的结合，缺一不成。如果人员素质差、科技水平达不到，则难以满足社会需求。人是一切活动的主体，需要各种精通业务的专家、人才和熟练技术工人，互相配合，共同完成。数控机床出现至今的50年，随科技、特别是微电子、计算机技术的进步而不断发展。美、德、日三国是当今世上在数控机床科研、设计、制造和使用上，技术最先进、经验最多的国家。因其社会条件不同，各有特点。 美国的特点是，政府重视机床工业，特别讲究“效率”和“创新”，注重基础科研。因而在机床技术上不断创新，如1952年研制出世界第一台数控机床、1958年创制出加工中心、
11、70年代初研制成FMS、1987年首创开放式数控系统等。从90年代起，纠正过去偏向，数控机床技术上转向实用，产量又逐渐上升。 德国政府一贯重视机床工业的重要战略地位特别讲究“实际”与“实效”，坚持“以人为本”，师徒相传，不断提高人员素质。1956年研制出第一台数控机床，德国的数控机床质量及性能良好、先进实用、货真价实，出口遍及世界。尤其是大型、重型、精密数控机床。在质量、性能上居世界前列。如西门子公司之数控系统和Heidenhain公司之精密光栅，均为世界闻名，竞相采用。 日本政府对机床工业之发展异常重视，通过规划、法规（如“机振法”、“机电法”、“机信法”等）引导发展。1958年研制出第一台
12、数控机床，在战略上先仿后创，在上世纪80年代开始进一步加强科研，向高性能数控机床发展。日本FANUC公司战略正确，仿创结合，针对性地发展市场所需各种低中高档数控系统，在技术上领先，在产量上居世界第一。目前，中国机床工业厂多人众。2000年，金切机床制造厂约358家（20.6万人），成形机床制造厂191家（约6.5万人），共计549家（27.1万人）。其中生产数控金切机床的约150家，生产数控成形机床的约30家，共计约180家，占厂家总数的三分之一。中国于1958年研制出第一台数控机床，发展过程大致可分为两大阶段。在19581979年间为第一阶段，从1979年至今为第二阶段。通过合作生产先进数控
13、机床，使设计、制造、使用水平大大提高，缩小了与世界先进技术的差距；通过利用国外先进元部件、数控系统配套，开始能自行设计及制造高速、高性能、五面或五轴联动加工的数控机床，供应国内市场的需求，由于数控化技术基础薄弱，至今许多重要功能部件、自动化刀具、数控系统依靠国外技术支撑，基本上处于从仿制走向自行开发阶段，与日本数控机床的水平差距很大。总的来说：数控机床产量不断增长，进口量增长较快，达29倍，出口量有所增加，但数目较小，为4.8倍；数控机床消费量增加较快，达7.9倍。国内企业对数控机床档次上的要求存在着很大差异， 特别是那些中小型企业，如果购买成套的数控装置，不但经济上不能承担，而且对于只进行小
14、批量，简单零件生产企业来说无疑是大材小用，浪费成本。这就要求中国在数控机床方面要走出一条符合国情的道路。数控系统的出现,其发展经过以下几代：第一代数控系统:1952年由Parson公司和麻省理工学院联合开发研究的第一台电子管数控系统。第二代数控系统：1960年开始,采用晶体管元件。第三代数控系统：1965年开始,采用集成电路。第四代数控系统：1970年开始,采用大规模集成电路及小型通用计算机。第五代数控系统：1974年开始,采用微处理机和微型计算机。第六代数控系统：二十世纪九十年代后期，出现了PC+CNC的智能数控系统。随着微电子技术和计算机技术的发展，现在的数控系统性能日臻完善，数控系统应用
15、领域日益扩大。科学技术的发展推动了数控系统的发展。各生产部门加工要求的不断提高又从另一个方面促进了数控系统的发展。二十世纪九十年代，数控系统由16位机向32位机的转变，伺服驱动从直流向交流全数字式转变，系统体系结构从封闭向开放转变，控制系统由专用计算机向通用计算机转变，使数控系统可充分利用计算机技术丰富的资源，能根据控制对象的要求，迅速、灵活地更改软硬件，并能及时吸收新技术，使数控技术的发展步伐加快。数控技术的进步突出表现在高精度、高效率，具有联网通信功能等方面。数控技术主要朝着体系结构开放化、制策略的智能自适应化、网络环境下的数字化、柔性制造系统（FMS）方向发展。总之，当今数控系统正不断吸
16、收最新技术成就，朝着高速度化、高精度化 ，高功能、智能化、小型化、系统化、高可靠性以及开放性等方向发展。机床工业是制造业的基础产业，而数控机床是关系国家战略地位、工业现代化和综合国力水平的基础装备。现代国防、工业装备的制造，都离不开数控技术。日本的“东芝事件”美国的“考克斯报告”，均提出对我国禁运高档数控装备。因此，为了增强我国国防实力和综合国力，必须将发展数控技术和数控机床提高到战略高度来对待。目前，我国数控机床购置中60依赖进口，2004年的进口总额超过50亿美元。要提高我国机床数控化率，靠大量引进国外的数控机床是行不通的。引进一台数控机床，至少几十万，多则数百万，一般企业难以承受。从满足
17、企业加工需求来看，对那些精度等级要求高的零部件加工，可适当引进一些数控机床，而对于那些大量的半精加工和粗加工，普通机床数控化改造后，是完全可以胜任的。机床数控化改造后，可在一定程度上提高加工精度，保证加工精度的一致性，提高加工的自动化程度，缩短加工周期，提高加工效率。经过几十年来的发展，国产数控系统的可靠性已大为提高。机床数控化改造费用低，改造后的机床使用维护费低，操作使用方便，企业改得起，用得起。总之，对普通机床进行数控化改造，既解决了旧机床大量闲置的问题，做到了物尽其材，为企业节省了成本，带来了明显的经济效益。同时也能提高了企业的加工能力和信息化水平，提高产品的加工质量和精度，是一条符合我
18、国国情的技术改造的路子。本文主要是结合我国国情,源于生产实际的需要,利用大量闲置的旧CA6140车床，对其进行数控化改造,本改造主要对CA6140车床的控制系统进行数控改造，将用单片机，存储器等组成的数控控制系统取代传统的控制装置，改造成为可以实现平面两坐标联动的数控车床。使之成为一种新型的高效、多功能的经济型数控机床。该论文的主要内容是:(1)从总体上给出了一套数控改造车床C6140的思路和框架。(2)在细节上完成了对开环控制系统部分的改造设计。(3)数字控制部分给出了总体设计思路和设计后硬件的控制电路原理图。正文1.总体改造方案1.1 CA6140车床的用途CA6140车床主要用于加工中小
19、型轴类盘类和螺纹零件，各种零件的回转表面，刀架能实现纵向和横向进给运动，并能在换刀点自动改变工位选择刀具。1.2 CA6140数控改造后的功能该车床经过数控化改造后，能够实现两轴联动，自动换刀，直线和圆弧的插补；工件在一次安装后，完成多道工序的加工，通过编写不同的程序完成各种较为复杂零件的加工；提高了加工范围和加工精度。1.3普通车床数控改造设计方案一般来说对于现有普通机床进行数控化改造的做法应从两方面着手：机械部分和数控控制部分。1.3.1改造机械部分主传动的机械部分的改造主要是在主轴上加装编码器，实现反馈主轴转速，保证主轴转一转，刀架能移动一个被加工螺纹的导程。保留原调速系统，进给传动系统
20、中采用高精度的滚珠丝杠螺母副替换进给轴原有的普通丝杠副。1.3.2增加数控控制系统机械部分改造完成后，配上由单片机系统及应用程序构成的开环数字控制系统，用步进电机作为进给轴动力，直接或经过一级减速齿轮驱动X、Z轴的运动。1.4 CA6140车床的电气控制系统CA6140型传统车床是车床中使用最广泛的一种。该车床的主要组成部件有：主轴箱、进给箱、溜板箱、刀架部件、尾座、和床身等。车床一般由四个基本部分组成：主机部分、驱动部分、控制部分、检测和显示部分。其电气控制原理图, 如图1.1所示：图1.11.4.1电路分析电源由漏电保护断路器引入。主电路中共有三台电动机。M1为主轴电动机，用来带动主轴旋转
21、和刀架作进给运动，它的运转和停止接触器KM1的三个常开主触点的接通和断开来控制。电动机M1的容量不大，所以采用直接启动。热继电器FR1作过载保护。M2为冷却泵电动机。它的运转和停止由接触器KM2的三个常开主触点的接通和断开来控制，热继电器FR2作过载保护。M3为刀架快速移动电动机。它的运转和停止由接触器KM3的三个常开主触点来控制。因刀架快速移动电动机M3是短时工作，故不设过载保护。对线路图进行照明灯和信号灯的电路分析可知,控制变压器TC的二次侧分别输出24v和6v电压，作为机床照明灯和信号灯的电源。照明电路由开关QS2接灯泡EL，灯泡EL的另一端必须接地，以防止照明变压器原绕组和副绕组间发生
22、短路时可能发生的触电事故。熔断器FU4是照明电路的短路保护。信号指示电路采用6V交流电压，指示灯泡HL接在控制变压器的6V线圈上，指示灯亮表示控制电路有电。熔断器FU3是信号指示电路的短路保护。1.4.2控制电路分析控制电路采用110交流电压供电，该电压由380电压经控制变压器TC降压而得。二次侧输出110v交流电压作为控制回路的电源。主轴电动机M1的控制：按下起动按钮开关SB2，接触器KM1的线圈通电，KM1的铁心吸合，主电路上接触器KM1的三个常开主触头闭合，主轴电动机M1起动运转。同时，KM1的一个常开辅助触点也闭合，进行自锁保证主轴电动机M1在松开起动按钮后能连续转动。按下蘑菇形停止按
23、钮开关SB1，接触器KM1因线圈断电而释放，电动机停转。热继电器FR1的常闭触点串联在KM1线圈的电路中，当主轴电动机M1过载时，FR1的常闭触点断开，KM1因线圈断电而释放，电动机M1便停止。该电路有零压保护功能，在电源断电后，接触器KM1释放，当电源电压再次恢复正常时，若不按下起动按钮SB2，则电动机不会自行起动，以免发生事故。该电路也有欠电压保护，当电源电压太低时，接触器KM1因电磁吸力不足而自动释放电动机M1自行停止，以避免欠电压时电动机M1回电流过大而烧坏。冷却泵电动机M2的控制：当主轴电动机运转时，KMI的常开辅助触点闭合，这时若需要冷却液，则可旋转转换开关SA1使其闭合，则接触器
24、KM2线圈通电，铁心吸合，主电路上KM2的三个常开主触点闭合，冷却泵电动机起动运转，给切削加工提供冷却液。当主轴电动机停车时，接触器KM1释放，其常开触点断开，冷却泵电动机M2也同时停止。可见，只有当主轴电动机MI起动后，冷却泵电动机M2才能起动，两者之间存在联锁。 热继电器FR2的常闭触点串联在KM2线圈的电路中，所以当冷却泵电动机过载时，FR2的常闭触点断开，接触器KM2因线圈断电而释放，电动机M2便停止，实现过载保护。接触器KM2对冷却泵电动机也有欠压保护。刀架快速移动电动机M3的控制：刀架快速移动电动机M3的起动是由安装在进给操纵手柄顶端的按钮开关SB3来控制，它与交流接触器KM3组成
25、点动控制环节。将装在溜板箱的十字形操纵手柄扳到所需的方向，压下按钮开关SB2，接触器KM3通电吸合，电动机M3获电起动刀架就向指定方向快速移动。联锁保护：钥匙式电源开关SA2的触点（WZI13）与行程开关SQ2的常闭触点并联后与检漏电阻R串联。检漏电阻不通电流的条件是用钥匙将钥匙式电源开关旋转到SA2断开位置，并且电气箱盖于已盖好，这时其盖子压下行程开关SQ2，常闭触点断开。只有在这种情况下，检漏电阻不通电漏电保护开关QF才能合得上，以保证安全。 SQ1为挂轮架安全行程开关。当装好挂轮架罩时，SQ1的常开触点闭合，控制电路才有电，电动机才可能起动。通过对CA6140车床的电气原理图的分析，我知
26、道了传统机床电气控制就是采用各种控制元件、自动装置对机床进行自动操纵、自动调节转速、按给定程序和自动适应多种条件的随机变化而选择最优的加工方案，以及工作循环自动化等。采用直流或交流无级调速电动机驱动机床，使结构复杂的变速箱变的十分简单，简化了机床结构提高了效率和刚度，也提高了精度。由此可见普通车床的动力控制系统一般是由三相异步电机来实现，三相异步电动机是由各种有触点的接触器、继电器、按钮、行程开关等电器组成的电器线路来进行控制的。电气控制线路一般应由电源电路，主电路、控制电路和辅助电路（保护、显示和报警电路）四大部分构成。1.5数控系统的基本概念 计算机数控系统（computer numeri
27、cal control）简称CNC系统，按照美国电子工业协会（EIA）数控标准化委员会的定义，CNC系统是：用计算机道过执行其存贮器内的程序来完成数控要求的部分或全部功能，并配有接口电路、伺服驱动的一种专用计算机系统。CNC系统根据输入的程序或指令，由计算机进行插补运算，形成理想的运动轨迹，插补计算出的位置数据输出到伺服单元，控制电机带动执行机构，加工出所需的零件。CNC系统具有灵活性强，易于变化和扩展，通用性高；易于实现许多复杂的功能；可靠性高，使用维修方便等优点。CNC系统是由程序、输入输出设备。计算机数控装置（CNC装置）、可编程控制器（PLC）、主轴驱动和伺服驱动等组成，其核心是CNC
28、装置。图1.2为CNC系统的结构框图： 图1.2数控伺服驱动系统按有无反馈检测元件分为开环、半闭环和闭环三种类型。开环伺服系统由驱动控制单元、执行单元和机床组成（如图1.4所示）。通常,执行元件选用步进电动机,因系统不对输出进行检测,所以执行元件对系统的特性具有重要的影响。图1.3半闭环控制系统是在开环控制伺服电动机装有角位移检测装置，通过检测伺服电机的转角间接的检测出运动部件的位移（或角位移）反馈给数控装置的比较器，与输入指令进行比较，用差值控制运动部件。虽然半闭环控制将运动部件的机械传动链不包括在闭环内，但目前广泛采用的滚珠丝杠螺母机构精度和精度保持性，而且采取了可靠的消除反向运动间隙机构
29、，完全可以满足绝大部分机床用户的需要。图1.5所示为半闭环控制系统示意图。图1.4闭环伺服系统是在机床最终的运动部件的相应位置直接安装直线或回转式检测装置，将直接测量到的位移或角位移反馈到数控装置的比较器中与输入指令位移进行比较，用差值控制运动部件，使运动部件严格按照实际需要的位移量进行运动。从理论上来说闭环系统的控制精度相当高，但闭环系统除了价格昂贵外，对机床的结构及传动链提出了严格要求，同时会增加系统调试的难度，甚至使伺服系统产生振动，降低数控系统的稳定性。图1.6所示是闭环控制示意图。图1.5.数控装置的硬件结构现在生产研制的数控机床都是采用微型计算机数控装置。从价格，功能和使用性能指标
30、考虑，可分为经济型，标准型和高档型三类数控装置；按CNC装置中微处理器的数目可以分为单微处理机和多微处理机结构两大类；从硬件结构上可分为大板式结构和模块化结构；按CNC装置硬件的设计与制造方式可分为专用型和通用型，通用型又称为开放式体系结构数控系统，主要是基于通用个人计算机的数控系统。但总体来说它们基本上都是由微处理器、存储器、系统BUS、PLC、接口电路、控制模块等组成。图1.4是数控装置的硬件结构图：图1.6微处理器是数控装置的核心；存储器用于存储数据、参数和程序等；系统BUS进行硬件之间的调配通讯和数据传输；可编程控制器(PLC)是代替传统车床的继电器逻辑控制来实现各种开关量的控制；控制
31、模块控制插补后的坐标位置、数据输入、输出和显示等，该模块包括零件程序、参数和数据以及各种操作命令的输入、输出以及显示所需的各种接口电路和程序；接口电路用于连接外设。.数控装置的软件系统CNC装置作为一个独立的过程控制单元用于自动加工中，其系统软件必须完成管理和控制两项任务。 CNC装置的管理任务包括输入、I/O处理、显示、诊断等，控制任务包括译码、刀具补偿、速度处理、插补、位置控制等。图1.5为软件结构图：图1.7CNC装置的软件结构,无论其硬件是采用单微处理器还是多微处理器,都具有两个特点:多任务并行处理和多重实时中断处理。(1)CNC装置的多任务并行处理在许多情况下，CNC装置中的管理和控
32、制的某些工作必须同时进行，即所谓的并行处理，这是由CNC装置的工作特点所决定的。并行处理是指计算机在同一时刻或同一时间间隔内完成两种或两种以上性质相同或不相同的工作。并行处理的优点是提高了运行速度。(2) CNC装置的多重实时中断处理CNC装置的中断管理主要靠硬件完成,而系统的中断结构决定了系统软件结构。CNC装置的中断类型分为:外部中断、内部定时中断、硬件故障中断、程序性中断。 .数控系统的I/O和通信接口数控机床“接口”是指数控装置与机床及机床电气设备之间的电气连接部分。根据国际标准“ISO43661981（E）机床数字控制数控装置和数控机床电气设备之间的接口规范”的规定，接口分为四种类型。第类：与驱动命令有关的连接电路；第类：数控装置与测量系统和测量传感器间
