普通機床數控改造關鍵技術的設計研究

摘 要：隨著我國計算機技術的發展，以及CAD軟件的普及，機床加工中，對普通機床進行數控化改造，能夠提高生產效率，大大促進機床自動化進程，有效的擴展與完善機床的功能，簡化機械產品加工處理方法。本文從普通機床數控化優勢為著眼點，詳細分析了普通機床數控改造的關鍵技術：開環控制技術、機床機械部分數控改造、步進電機改造技術、數控機床系統設計。通過對普通機床數控改造技術的分析及實踐發展，通過對普通機床進行數控改造，不但延長了普通機床的使用壽命，而且大大提高了加工產品的質量，其前景十分可觀。

關鍵詞：機床 機床數控化 數控改造

中圖分類號：TG502 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）04（a）-0069-02

實現機床數控化，不僅可以提高機械加工自動化水平，也可以提高普通機床的工作性能，同時，數控化機床也能夠為企業機械加工節省資金，有效提高機床精度與效率，本文主要以某型號普通機床的數控化改造為例對基于普通機床的數控改造關鍵技術進行研究分析。

1 普通機床數控化優勢

普通機床數控化，可以應用軟件系統程序，使計算機進行自動編制，自動編程取代了傳統手工編程的方式，極大提高了當前機床工作效率。同時也具有一定的靈活性，提高機床在執行動作，提升普通機床控制智能化。而且數控機床中，很大程度上提高普通機床產品精度、效率，簡化數控操作。

2 普通機床數控改造關鍵技術

2.1 開環控制技術

數控機床有開環控制和閉環控制兩種，其中開環控制結構簡單、方便改裝，成本相對更低，本次普通機床數控化改造中，根據改造后機床的要求，選擇步進電機開環控制系統，以簡化結構、降低成本。機床改造后，由數控系統發出指令脈沖，對系統執行部件進行控制，位移量、速度和運動方向的控制，通過對指令脈沖數量、頻率和通電順序的控制實現。8255PA口輸出控制字，通過光電耦合導通，TIP142導通電源驅動電機，電流檢測電路接上的采樣信號經過放大、比較最后將信息送到TIP147基極驅動電路控制TIP147的飽和與截至從而控制27V電源電路的通斷。若繞阻電流不夠3A，則27V電源工作，使電流增加，電流達到電機允許的限度時反饋信號經檢測電路控制TIP147截至，27V電源停止工作，電流由5V電源供給，TLP421-4用于將電路中+5V電壓與+27V電壓隔開，以防+27V高壓破壞器件。

2.2 機床機械部分數控改造

機床數控改造機械部分設計中，對于零件結構、尺寸等方面，應滿足傳動穩定，不影響精度或者精度必須滿足在要求的范圍內，結構盡量簡單、傳動合理以及經濟性好的優點。對于絲杠傳動副改造中，確保被加工零件坐標精度，降低電機啟動力矩，拆除原進給傳動鏈，換上伺服電機直接驅動的滾珠絲杠傳動；在齒輪副改造中，確保有良好的耐摩擦與磨損特性，這樣可以減少摩擦阻力，在改造中，可以將螺釘以及粘劑固定在鑄鐵床身上；使用步進電機經齒輪減速后再傳動絲桿，以達到機床改造中分辨率的要求；采用滾珠絲桿螺母副，以減少摩擦力，保證精度和平穩性。預緊結構采用雙螺母紋式，這種預緊方法結構較緊湊，可隨時調整滾道磨損，通過對端部圓螺母的調整，實現螺母的軸向位移。為提高工作效率，提高改造后機床自動化水平，將原車床手動刀架改造為電動刀架。車床電動刀架可完成零件加工中不同工序的換刀工作，采用三相微型異步電動機驅動刀架，結構采用預加負荷，以消除間隙，提高傳動剛度。在機床的自動換刀裝置改造中，需加入自動回轉刀架；對于機床安全防護改造中，應該采取特殊保護，嚴防灰塵特、切屑、硬砂粒進入切削滾道。

2.3 步進電機改造技術

機床數控化改造中開環伺服系統執行元件一般為反應式功率步進電機，合理選擇步進電機對于防止機床數控化改造后發生反應緩慢、失步或系統精度不夠等問題有著重要意義。步進電機的選擇需考慮機床精度、脈沖當量、負載慣量、快速空載起動轉矩、工作狀態負載轉矩及負載起動頻率、運行最高頻率，首先對等效轉動慣量、電機力矩、空載起動頻率和切削時工作頻率等進行計算，根據計算結果，進行匹配，確定數控化改造中合適的電機型號，本次改造中根據計算結果，最終選擇90BF002型步進電機。由于普通機床刀架滑移由兩個驅動裝置的滑移組成，與導軌平行方向和導軌垂直的水平方向，由于在這兩個方向可任意滑移，所以，刀架（包括刀具）可停留在加工有效區的任意位置；伺服系統進給量、速度的控制，主要是利用PLC編程通過控制脈沖信號實現。采用軟件來產生控制步進電機的環型脈沖信號，采用軟件自動升降速控制，實現這樣的分配方案，只需PA口順序輸出二進制控制字001H、011H、010H、110H、100H、101H即可；電機反方向旋轉時，輸出順序相反。采用通用接口芯片8255的PA口作為步進電機的控制口，不需要用專門電路把單序列脈沖轉換為多序列脈沖，增加主回路電阻和放電回路電阻改善電波形，使上升沿與下降沿陡峭。驅動電路電源部分，由于驅動電路需要直恒流27V、15V、6V、5V穩定電源，根據驅動電路中步進電機滿足電流在3A以上。

2.4 數控機床系統設計

改造后的數控機床數控系統由硬件電路、軟件程序組成，前者包括單片機、車床、輔助電路等，為數控系統的基礎，其性能對系統的整體工作性能有著直接的影響；后者由監控軟件和控制軟件兩部分組成，監控軟件主要用于系統狀態的監測，并提供基本操作管理，控制軟件根據編程對機床運行進行控制。

數控機床的硬件部分由CPU、總線、存貯器和I/O接口電路四個部分組成（見圖1）。CPU負責數據運算處理，通過對各部分電路的控制，使電路協調工作，是整個系統的核心；存貯器存放系統軟件及其運行過程中所需的各種數據；通過I/O接口實現系統和外界的信息交換；CUP、存貯器、I/O接口及其他轉換電路利用總線例連接在一起。

單片機的選擇根據機床改造要求、系統需求，考慮價格等因素進行確定，其中MCS-51系列8031芯片，屬于8位單片機，功能全、體積小，且易于編程、開發手段全、硬件資源豐富，同時價格相對較低，在國內較為適用。由于8031片內無程序存儲器，可使用6264（8K×8）片外接CPU部分，擴展8031的RAM存貯器的，程序存貯器的擴展通過外接2片2764（8K×8）片實現。8031為用戶提供的I/O口有P1、P3口，由于不能滿足系統需求，可使用8155片進行I/O口擴展。

使用8031片的數控系統如那件設計有中央處理單元、PA、PB和PC接口等初始化程序和直線插補計算、顯示、報警、急停等功能程序。系統啟動后，進行初始化，選擇手動或自動，若選擇手動，則讀取按鍵信息，若輸入正確，則可手動選刀，調用功能程序并顯示，若輸入不正確則報警；若選擇自動，則可實現自動選刀，根據外部程序命令，調動功能程序，系統運行過程中，若出現特殊情況，則急停，否則循環運行。

3 機床數控化改造的發展前景

機床數控化改造能在保有普通機床原有功能的基礎上，提高其精度，實現普通機床生產過程自動化，實現普通機床控制過程的數字化。大大提高普通機床生產效率， 為企業節省資金，降低成本。改造后的車床屬于開環控制，選擇步進電機作為雙向進給驅動電動機，采用單片機作為控制核心的控制系統，對原有機床機械機構、性能、功能基礎上，用單片機系統實現弱電控制強電機，改造機床切削工藝，提高普通機床切削精度和效率。

普通機床數控改造的過程中，根據普通機床使用情況及工況要求， 可以選擇合理的數控系統及其電子設備， 提高數控加工的工作效率，極大的提高機械產品加工的速率，在機床加工中通過數控中的宏程序對變量數據進行編程，提高機械產品加工的效率，不僅能加工常見的零件，還可用于形狀復雜零件加工中，滿足加工精度。普通機床數控改造技術，可以提升我國制造業裝備水平， 延長了普通機床的使用壽命，提高加工產品的質量，增強市場競爭力，在未來極具發展前景。

4 結語

基于普通機床的數控加工技術，可以自動化加工機床零件，不僅可以提高機床產品綜合性能，還可以優化機床零件加工工藝，提高機床全年的零件生產質量，具有實際改造價值，值得在實際中推廣應用。

參考文獻

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