X502型立式铣床数控化改造（电气部分设计）设计

在我国数控机床的发展过程中，系列单片机在数控技术领域中得到广泛应用，经济型数控系统大多采用系列单片机。

本文在分析了数控车床的特点和实验台应该具备的功能后，确定采用基于单片机控制的系统总体结构方案。

设计方案由系统硬件结构和系统软件结构两部分组成。

关键词数字控制，单片机系统，数控车床.本课题研究的背景数控车床实验台的性能要求.数控机床的组成及工作原理数控机床的组成数控机床的工作原理.数控车床的特点.数控车床实验台的方案设计普通车床数控化改造的条件普通车床数控化改造的般步骤主要机械部件改造主传动的数控改造进给传动的数控改造总体方案设计论证与确定运动方式的确定行机构传动方式的确定运动方式与伺服系统的选择机械传动方式的确定.数控车床实验台的性能要求实验台硬件系统的实现.数控车床实验台硬件系统设计遵循的原则.微机控制的数控车床实验台硬件系统的具体设计绘制系统电气控制的结构框图选择中央处理单元的类型存储器扩展电路设计口即输入输出接口电路设计系列单片机简介存储器扩展电路设计借口电路及辅助电路设计硬件环行分配器.经济型数控车床微机控制系统硬件电路原理图实验台功能原理及插补算法.车削数控原理实验台插补功能要求和插补算法的选择.数字积分插补法参考文献中英文翻译附录致谢引言数字控制简称数控，是种利用数字化信息对设备运动及加工过程进行控制的种自动化技术。

将数控技术实施到加工控制中去的机床，或者说装备了数控系统的机床被称为数控机床。

数控机床作为种使用广泛典型的机电体化产品，综合应用了微电子技术计算机技术自动控制精密测量和机床结构等方面的最新成就，是种高效自动化机床。

数控系统不仅能控制机床各种动作的先后顺序，还能控制机床运动部件的运动速度以及刀具的运动轨迹。

由于数控机床的高效率高精度和高柔性代表了机床的主要发展方向，所以它已经成为目前机加工自动化生产过程中最具代表性的核心设备，且成为计算机辅助设计与制造柔性制造系统计算机集成制造系统等柔性加工和柔性制造系统的基础。

.数控机床的产生与发展数控机床的产生随着科技的不断发展，对各种产品的质量和生产效率提出了高要求。

产品加工过程的自动化是实现高质量高效率的重要措施。

飞机汽车等生产企业大多采用自动机床组合机床和自动生产线，从而保证了产品质量，提高了生产效率和减轻了操作者的劳动强度。

但是，在产品加工中，单件小批量生产的零件约占机加工总量的以上。

对这些多品种小批量形状复杂精度要求高的零件的加工，采用专业化程度高的自动机床和自动生产线就很不合适。

在市场经济大潮中，产品竞争日趋激烈，为求得生存与发展，各企业纷纷在提高产品技术档次增加产品种类缩短试制与生产周期和提高产品质量上下功夫，即使批量较大的产品，也不大可能多年不变，必须经常开发新产品，频繁地更新换代。

传统的自动化生产线难以适应小批量多品种生产要求。

为了解决上述问题，种灵活高精度高效率的自动化设备数控机床应运而生。

年美国帕森斯公司和麻省理工学院在美空军的委托下，合作研制出世界上第台三坐标数控铣床，完成了直升飞机叶片轮廓检查用样板的加工。

这是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。

经过三年的试用改进与提高，数控机床于年进入实用化阶段，在复杂曲面的加工中发挥了重要作用。

尽管这种初期数控机床采用电子管和分立元件硬接线电路来进行运算和控制，体积庞大而功能单，但它采用了先进的数字控制技术，具有强大的生命力，它的出现开辟了工业生产技术的新纪元。

从此，数控机床在全世界得到了迅速发展。

数控机床的发展最早采用数字控制技术进行机械加工的想法，是在世纪年代初提出的。

当时，美国北密执安的个小型飞机工业承包商帕森斯公司在制造飞机框架及直升飞机叶片轮廓用样板时，利用计算机对叶片轮廓的加工路径进行了数据处理，并考虑了刀具半径对加工路径的影响，使得加工精度达到.。

年，美国麻省理工学院研制出的三坐标联动利用脉冲乘法器原理的试验性数字控制系统是数控机床的第代。

年，电子行业研制出晶体管元器件，因而数控系统中广泛采用晶体管和印刷电路板技术，跨入了第二代。

年月，由美国克耐•杜列克公司发明了带有自动换刀装置的数控机床，称为“加工中心”。

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进步提高，数控系统发展到第三代。

以上三代，都是采用专用控制的硬件逻辑数控系统。

年，英国首先把几台数控机床连接成具有柔性的加工系统，这就是最初的柔性制造系统。

随着计算机技术的发展，小型计算机开始取代专用控制的硬件逻辑数控系统，数控的许多功能由软件程序实现。

由计算机作控制单元的数控系统，称为第四代。

年前后，美国英特尔公司开发和使用了微处理器。

年，美日等国首先研制出以微处理器为核心的数控系统的数控机床。

多年来，微处理器数控系统的数控机床得到了飞速发展和广泛应用，这就是第五代数字控制，后来将也统称为。

世纪年代初，国际上又出现了柔性制造单元。

和被认为是实现计算机集成制造系统的基础。

数字控制系统的许多优点使数控机床得到广泛发展，数控技术还被广泛应用于工业机器人数控线切割机数控火花切割机坐标测量机绘图仪等设备上。

.我国数控机床的发展概况我国对数控系统的研究开发始于年代，但真正得到发展是从年代开始，经历了“六五”“七五”期间的消化吸收引进技术，“八五”期间科技攻关开发自主产权数控系统两个阶段，已为数控机床的产业化奠定了良好的基础。

“九五”期间数控机床发展已进入实现产业化阶段。

数控机床新开发品种多个，已有定的覆盖面。

新开发的国产数控机床产品大部分达到国际年代中期水平，部分达到年代水平，为国家重点建设提供了批高水平数控机床。

我国数控系统在技术上已趋于成熟，在重大关键技术上包括核心技术，已达到国际先进水平。

目前，已新开发数控系统多种。

自“七五”以来，国家直把数控系统的发展作为重中之重来支持，现已开发出具有中国版权的数控系统，掌握了国外直对我国封锁的些关键技术。

特别重要的是，我国数控系统的可靠性已有很大提高，值可以在以上。

同时大部分数控机床配套产品已能国内生产，自我配套率超过。

这些成功为中国数控系统的自行开发和生产奠定了基础。

.本课题研究的背景单片微型计算机简称单片机，是将计算机的基本部件微型化，使之集成为块芯片的微机。

片内含有并行接口串行接口定时器计数器中断系统系统时钟及系统总线等。

单片机在片内存储器容量的功能以及指令系统功能等方面都大大地得到加强，特别适用于实时控制智能仪表主从结构的多机系统领域，是控制领域中最理想的位机。

系列单片机具有集成度高系统结构简单可靠性高处理功能强速度高容易产品化等特性，因此在我国数控机床发展过程中，经济型数控系统大多采用型系统单片微型计算机，它是超大规模集成电路发展的产物，在数控领域得到广泛应用。

数控车床实验台的性能要求.数控机床的组成及工作原理数控机床的组成数控机床的组成如图所示。

图数控机床的组成计算机数控装置是数控机床的核心。

其根据输入的零件加工程序或操作命令进行相应的处理，输出控制命令到相应的执行部件，完成零件加工程序或操作所要求的工作。

伺服单元和驱动装置包括主轴伺服驱动装置主轴电动机进给伺服驱动装置及进给电动机。

测量装置是实现主轴控制进给速度闭环控制和进给位置闭环控制的必要装置。

主轴伺服系统实现零件加工的切削运动，进给伺服系统实现零件加工所需的成形运动。

操作面板，是操作人员与数控机床系统进行信息交互的工具，主要由按钮站状态灯按键阵列和显示器等部分组成。

操作人员通过它对数控机床进行操作编程调试或对机床参数进行设定和修改，也可以通过它了解或查询数控机床的运行状态。

控制介质是人与机床建立联系的介质。

程序输入输出设备是系统与外设进行信息交互的装置，目前数控机床常用的控制介质和程序输入输出设备是磁盘和磁盘驱动器等。

此外，现代数控系统般可利用通信方式进行信息交换。

这种方式是实现的集成和的基本技术。

用于进行与逻辑运算顺序动作有关的控制，它由硬件和软件组成。

机床电路和装置是用于实现控制的执行部件，由继电器行程开关接触器等组成的逻辑电路。

它们共同完成以下任务接受的指令，对其进行译码并转换成对应控制信号，控制辅助装置完成机床相应的开关动作接受操作面板和机床传送来的信号，送给装置，经其处理后，输出指令控制系统的工作状态和机床的动作。

机床本体是数控系统的控制对象，实现加工零件的执行部件，由主运动部件进给运动部件支承件以及特殊装置自动工件交换系统自动刀具交换系统和辅助装置组成。

数控机床的组成相对普通机床有以下几个特点由于大多数控机床采用高性能的主轴及伺服传动系统，因此它的机械传动结构得到简化，传动链较短为适应数控机床连续自动化加工，它的机械结构具有较高的动态刚度阻尼精度及耐磨性，热变形小更多采用高效传动部件，如滚珠丝杠副等不少还采用刀库和自动换刀装置以提高工作效率。

数控机床的工作原理数控加工与普通机加工不同点主要表现在控制方式上。

用普通机床加工零件时，工步的安排机床运动的先后次序走刀路线及有关切削参数的选择等，都由操作者自行确定，而且用手工方式来进行控制。

操作者总是根据零件和工序卡要求，在加工过程中不断改变刀具与工件的相对运动轨迹和加工参数位置速度等，使刀具对工件进行切削，得到所需的合格零件。

如采用自动车床仿形车床和仿形铣床加工，也能达到对加工过程实现自动控制的目的，但控制方式是通过预先配置的凸轮挡块及靠模来实现的。

在机床上，传统加工过程中的人工操作均被数控系统的自动控制所取代。

其工作过程是首先将刀具与工件的相对运动轨迹加工过程中主轴速度和进给速度的变换冷却液的开关工件和刀具的交换等控制和操作，按规定的代码和格式编加工程序，然后将该程序送入数控系统。

数控系统则按照程序要求，先进行相应的运算处理，然后发出控制命令，使各坐标轴主轴以及辅助动作相互协调，实现刀具与工件的相对运动，自动完成零件的加工。

系统的数据转换过程如图所示。

图系统的数据转换过程译码程序的主要功能是将用文本格式通常用码表达的零件加工程序，以程序段为单位转换成刀补处理程序所要求的数据结构格式，该数据结构用来描述个程序段解释后的数据信息。

它主要包括等坐标值，进给速度，主轴转速，代码，代码，刀具号，子程序处理和循环调用处理等数据或标志的存放顺序和格式。

为方便编程，零件加工程序通常是按零件轮廓或按工艺要求设计的进给路线编制的，而数控机床在加工过程中控制的是刀具中心准确说是刀位点轨迹，因此在加工前必须将编程轨迹变换成刀具中心的轨迹。

刀补处理就是完成这种转换的处理程序。

数控编程提供了刀具运动的起点终点和运动轨迹，而刀具怎么从起点沿运动轨迹走向终点则由数控系统的插补装置或插补软件来控制。

该程序以系统规定的插补周期定时运行，它将由各种线形直线圆弧等组成的零件轮廓，按程序给定的进给速度，实时计算出各个进给轴在内的位移指令，并送给进给伺服系统，实现成形运动。

插补计算的原理及插补与加工精度的关系将在后面进步讨论。

系统对机床的控制分为对各坐标轴的速度和位置的“轨迹控制”和对机床动作的“顺序控制”或称“逻辑控制”。

后者是指在数控机床运行过程中，以内部和机床各行程开关传感器按钮继电器等开关信号状态为条件，并按预先规定的逻辑关系对诸如主轴的起停换向，刀具的更换，工件的夹紧松开，液压冷却润滑系统的运行等进行的控制。

控制就是实现上述功能的功能模块。

通过以上介绍可知数控加工原理就是将预先编好的加工程序以数据的形式输人数控系统，数控系统通过译码刀补处理插补计算等数据处理和协调控制，最终实现零件的自动化加工。

.数控车床的特点通常数控车床由床身主轴箱刀架进给系统和冷却系统等几部分组成，其结构特点主要体现在进给系统刀架等方面。

由于实现了，进给装置用伺服电机驱动，以连续控制刀具的纵向轴和横向轴的运动，完成对回转体零件的内外型面的加工。

进给系统中没有