普通车床数控研究与改造设计
一、概述
机床作为机械制造业的重要基础装备，它的发展一直引起人们的关注，由于计算机技术的兴起，促使机床的控制信息出现了质的突破，导致了应用数字化技术进行柔性自动化控制的新一代机床－数控机床的诞生和发展。计算机的出现和应用，为人类提供了实现机械加工工艺过程自动化的理想手段。随着计算机的发展，数控机床也得到迅速的发展和广泛的应用，同时使人们对传统的机床传动及结构的概念发生了根本的转变。数控机床以其优异的性能和精度、灵捷而多样化的功能引起世人瞩目，并开创机械产品向机电一体化发展的先河。数控机床是以数字化的信息实现机床控制的机电一体化产品，它把刀具和工件之间的相对位置，机床电机的启动和停止，主轴变速，工件松开和夹紧，刀具的选择，冷却泵的起停等各种操作和顺序动作等信息用代码化的数字记录在控制介质上，然后将数字信息送入数控装置或计算机，经过译码，运算，发出各种指令控制机床伺服系统或其它的执行元件，加工出所需的工件。
数控机床与普通机床相比，其主要有以下的优点：
1.适应性强，适合加工单件或小批量的复杂工件；在数控机床上改变加工工件时，只需重新编制新工件的加工程序，就能实现新工件加工。
2.加工精度高；
3.生产效率高；
4.减轻劳动强度，改善劳动条件；
5.良好的经济效益；
6.有利于生产管理的现代化。
数控机床已成为我国市场需求的主流产品，需求量逐年激增。我国数控机机床近几年在产业化和产品开发上取得了明显的进步，特别是在机床的高速化、多轴化、复合化、精密化方面进步很大。但是，国产数控机床与先进国家的同类产品相比，还存在差距，还不能满足国家建设的需要。我国是一个机床大国，有三百多万台普通机床。但机床的素质差，性能落后，单台机床的平均产值只有先进工业国家的1/10左右，差距太大，急待改造。旧机床的数控化改造，顾名思义就是在普通机床上增加微机控制装置，使其具有一定的自动化能力，以实现预定的加工工艺目标。随着数控机床越来越多的普及应用，数控机床的技术经济效益为大家所理解。在国工厂的技术改造中，机床的微机数控化改造已成为重要方面。许多工厂一面购置数控机床一面利用数控、数显、PC技术改造普通机床，并取得了良好的经济效益。
我国经济资源有限，国家大，机床需要量大，因此不可能拿出相当大的资金去购买新型的数控机床，而我国的旧机床很多，用经济型数控系统改造普通机床，在投资少的情况下，使其既能满足加工的需要，又能提高机床的自动化程度，比较符合我国的国情。1984年，我国
开始生产经济型数控系统，并用于改造旧机床。到目前为止，已有很多厂家生产经济型数控系统。可以预料，今后，机床的经济型数控化改造将迅速发展和普及。所以说，本毕业设计实例具有典型性和实用性。
二、总体方案的设计
2.1设计任务
本设计任务是对CA6140普通车床进行数控改造。利用微机对纵、横向进给系统进行开环控制，纵向（Z向）脉冲当量为0.01mm/脉冲，横向（X向）脉冲当量为0.005mm/脉冲，驱动元件采用步进电机，传动系统采用滚珠丝杠副，刀架采用自动转位刀架。
2.2总体方案的论证
对于普通机床的经济型数控改造，在确定总体设计方案时，应考虑在满足设计要求的前提下，对机床的改动应尽可能少，以降低成本。
1)数控系统运动方式的确定数控系统按运动方式可分为点位控制系统、点位直线控制系统、连续控制系统。由于要求CA6140车床加工复杂轮廓零件，所以本微机数控系统采用两轴联动连续控制系统。
2)伺服进给系统的改造设计数控机床的伺服进给系统有开环、半闭环和闭环之分。因为开环控制具有结构简单、设计制造容易、控制精度较好、容易调试、价格便宜、使用维修方便等优点。所以，本设计决定采用开环控制系统。
3)数控系统的硬件电路设计任何一个数控系统都由硬件和软件两部分组成。硬件是数控系统的基础，性能的好坏直接影响整体数控系统的工作性能。有了硬件，软件才能有效地运行。在设计的数控装置中，CPU的选择是关键，选择CPU应考虑以下要素：
（1）时钟频率和字长与被控对象的运动速度和精度密切相关；
（2）可扩展存储器的容量与数控功能的强弱相关；
（3）I/O口扩展的能力与对外设控制的能力相关。
除此之外，还应根据数控系统的应用场合、控制对象以及各种性能、参数要求等，综合起来考虑以确定CPU。在我国，普通机床数控改造方面应用较普遍的是MCS-51系列单片机，主要是因为它们的配套芯片便宜，普及性、通用性强，制造和维修方便，完全能满足经济型数
控机床的改造需要。本设计中是以MCS-51系列单片机，51系列相对48系列指令更丰富，相对96系列价格更便宜，51系列中，是无ROM的8051，8751是用EPROM代替ROM的8051。目前，工控机中应用最多的是8031单片机。本设计以8031芯片为核心，增加存储器扩展电路、接口和面板操作开关组成的控制系统。
2.3总体方案的确定
经总体设计方案的论证后，确定的CA6140车床经济型数控改造示意图。CA6140车床的主轴转速部分保留原机床的功能，即手动变速。车床的纵向（Z轴）和横向（X轴）进给运动采用步进电机驱动。由8031单片机组成微机作为数控装置的核心，由I/O接口、环形分配器与功率放大器一起控制步进电机转动，经齿轮减速后带动滚珠丝杠转动，从而实现车床的纵向、横向进给运动。刀架改成由微机控制的经电机驱动的自动控制的自动转位刀架。为保持切削螺纹的功能，必须安装主轴脉冲发生器，为此采用主轴靠同步齿形带使脉冲发生器同步旋转，发出两路信号：每转发出的脉冲个数和一个同步信号，经隔离电路以及I/O接口送给微机。
三、微机数控系统硬件电路设计
3.1微机数控系统硬件电路总体方案设计
由于8031单片机部没有程序存储器,数控系统软件需要23KB,还考虑要增加一些程序,因此外接了一片27256(32K×8)的EPROM芯片。8031上有四个I/O口,由于有外接存储器,故P0口用来传送低8位地址和数据, P2口用来传送高8位地址。由于P0口地址和数据复用,故需外接地址锁存器(74LS373)。8031单片机部仅有128B的RAM存储器,为了存放用户加工数控程序和加工数据,外接了一片6264(8K×8)的静态RAM。8031本身提供给用户的I/O口不多,只有P1口8位I/O线和P3口的某些位可作为输入输出线用,则需对8031的I/O口进行扩展,采用了一片可编程8255并行I/O接口和一片8155 I/O扩展芯片。8255的PA口设定为输入口,PA0~PA7信号来自面板上的一个8位波段开关(空行是验证程序用的,自动运行用于加工,手动有手动Ⅰ、手动Ⅱ、手动Ⅲ等三档,回零是指刀具回零,PAT作为通讯用,还有一个空位); 8255的PB口设定为输出口,通过总线收发器74LS245,控制刀架转位。8155的PA口设定为
输出口, PC口的PC0~PC4设定为输入口,两者构成一个5×8矩阵的编辑键盘;PB口作为扩展口使用。为便于用户操作,配备了一个1×7矩阵的操作键;为方便输入、检查和加工过程的程序显示,需要扩展显示接口芯片。来自8031P0口的数据通过锁存器74LS273,进行位选和段选,至一个7位“8”字数码管和一个“米”字数码管,用来显示。
实例二、适用于现代制造方法的开放式数控系统架构
1、引言
现代制造方法以数字化、柔性化、敏捷化为基本特征。柔性化与敏捷化是快速响应客户化需求的前提，表现为结构上的快速重组、性能上的快速响应、过程中的并行性与分布式决策。这意味着系统必须具有动态易变性，能通过快速重组，快速响应市场需求的变化。由于制造资源与市场的全球分布性，因此，这种快速重组必须建立在全球性的分布式网络化基础上。因此要求数控机床作为制造的主要设备必须满足现代制造柔性化和敏捷化的要求当前通用的数控设备通常采用的是一种封闭式的系统结构，往往不具有通用性，而且由于没有一个开放的系统平台因此联网困难；不利于与CAD/CAM集成；也不利于利用现有计算机系统的资源。很难适应制造敏捷化的要求。因此应用开放式数控系统的制造设备已成为当前研究的重点。
2、开放式数控系统简介
已成为数控系统发展趋势的开放式数控系统是计算机硬件技术、信息技术、控制技术融人数控技术的产物，它具有强大的适应性和灵活配置能力，能适应各种数控设备，可灵活配置，随意集成。该系统遵循统一的标准体系结构规，模块之问具有兼容性，部件具有互换性和互操作性。目前的开放式数控系统主要有以下3种结构。
（1）PC嵌入NC型
在传统的专用NC中简单地嵌入PC技术，NC可以共享一些计算机的软硬件资源，而计
算机只参加辅助编程、分析、监控、生产管理和工艺编制等工作。由于这种数控系统的NC 部分仍是专用结构，用户无法进入数控系统的核心，所以属于初步开放的数控系统
（2）NC嵌入PC型
这是完全采用PC机为硬件平台的数控系统，运动控制(包括轴控制和机床逻辑控制)功能由配有专用控制芯片的独立的运动控制器完成，通常以PC插件(符合ISA或PCI总线标准)形式的硬件或通过网络连接的嵌入式系统实现。运动控制软件由控制芯片生产厂商设计，用户可以根据实际应用的需要进行配置和使用。只是NC的上层软件(数控语言解释器/人机界面等)以PC操作系统(例如Windows)为平台，这种技术在上位机上已实现了开放式结构。。（3）全软件型
这是完全采用PC机软件控制的一种数控系统，它把运动控制器以应用软件的形式实现，这是一种最新开放体系结构的数控系统，能够提供给用户最大的选择和灵活性，这种技术正在发展中。
当前采用较多的是第二种结构，这种结构无论是从经济性和实用性来说都是当前开放式系统的首选。
3．系统的软、硬件体系结构及设计
3．1系统的硬件体系结构的实现
在硬件平台方面，当前的工业PC机高标准的硬件结构、配置及优异的性能价格比，使得工业PC机理所当然地成为开放式数控系统的首选硬件平台。用运动控制器作为下位机来控制各轴的运动，当前运动控制器技术已比较成熟，功能很强大。典型的如美国Delta Tau 公司的PMAC2／PC104型控制卡，其具有以下功能
● 4轴到8轴高精度\同步运动控制；
● 总线：ISA，VME，PC104，PCI
● 电机类型：交流伺服电机、直流伺服电机（有刷、无刷、直线）/交流异步电机/步进电机；
● 控制码：PMAC/G代码（机床）/AutoCAD转换；
● 反馈：增量编码器（直线、旋转）绝对编码器旋转变压器等
● 可选择PC/104总线、RS-232进行通讯；
● 每轴都有限位、归零等功能；
● 先进的PID及前馈伺服运动算法；
● 直线和圆弧插补；
● S曲线加速和减速；
从此芯片所具有的功能来看，其功能十分强大，已可满足大部分机床所要求的控制。由于运动控制卡具有强大的数字运算能力来完成数控插补，PLC程序运行等实时任务，简化了实现数控系统实时性任务的开发工作，因此在PC机中只需根据要求开发人机界面等非实时任务。大大减小了系统开发的工作量。其硬件结构图如图1所示
图1 系统硬件结构
在此架构中由PC+运动控制器组成的核心控制层与机床的执行元件及其控制器具有无关性。即可以适应与各种不同的驱动方案和元件。这使得系统具有很好的可重构性，有利于
用户和开发者能更快、更好的适应新的技术和需求。在这种开放式数控平台中,类似于PMAC 的运动控制卡具有强大的伺服功能，能通过适当的参数设置和使用不同的接口卡与各种伺服系统的匹配，如与交流电机/直流电机伺服驱动器及步进电机驱动相连,构成数控系统的驱动部分。
3．2软件系统的实现方案
数控系统是一个复杂的实时控制系统，以往开发的数控程序多采用的封闭式设计方法，往往继承性、开放性不高，无法适应当今网络化、敏捷化制造的要求，采用“PC+运动控制器”的开放式体系结构，利用面向对象、多线程等技术可以比较方便的开发基于Windows 的开放式数控软件，图2是系统的软件体系和软件工作机理图。从图中可以看出软件系统由两个部分组成，分别是上位机应用程序和实时控制程序
3．2．1上位机应用程序及通讯模块
上位机应用程序主要完成系统管理工作。系统管理部分主要包括系统诊断、参数设置、程序编辑以及PC机与运动控制卡的通讯等模块的容。
其中PC机与控制卡的通讯是系统软件设计中最重要也是最核心的部分。其中涵盖了加工程序、上位机指令的传输和控制卡反馈信息的上传等功能。这部分软件可以通过相关的动态连接库和控件来完成,例如在用PMAC组成的数控系统中可以在控制卡自带的通讯驱动程序库PComm32Pro下进行开发。而系统中的人机接口界面（MMI）可以利用VC等PC机上常用的高级语言来编写。
图2 系统软件结构及软件工作机理图
3．2．2实时控制模块
此模块主要包括代码解释模块、PLC监控模块、伺服控制模块和插补模块等几部分组成。其中伺服控制模块和插补模块是系统实时控制中的关键问题。
对于伺服控制部分设计者可以根据机床控制目标和执行元件的不同自行定义控制参数和控制方法，以实现个性化的伺服控制。
当前常用的运动控制器往往提供了多种不同的插补方式和算法，设计者可以自由选用和组合。
4．结束语
PC加运动控制卡的开放式数控系统以一种开放式的体系架构，使得系统具有体系结构开放、适用围广的特点并且使得用户可以更高速、高效的适应生产中新的需要。也更加适应现代制造数字化、柔性化和敏捷化的需要。
实例3PLC在机械手控制系统中的应用