时间：2023-12-18 10:04:55
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关键词：数控机床；改造技术；加工效率；安全水平
在我国，应用的数控机床大多是从国外引进的，我国在数控机床自主研发能力方面与国外发达国家之间仍存在一定的差距。引进国外数控机床不仅增加了企业的运营成本，同时也对数控机床的维修工作提出了更高的要求。在这样的情况下，工作人员要及时排除数控机床故障，提升生产效率，就必须从数控机床的改造工作入手，对其进行优化。本文从数控机床改造的必要性出发，对其改造技术要求进行了论述，现作如下总结。
1改造数控机床的必要性
1.1可有效提升加工效率
对数控机床进行改造主要是通过技术创新与技术改造的方法，在传统数控机床的基础上对其进行优化，突出其使用性能。改造数控机床后，由之前的工人一人控制1台变为一人控制2台。这有利于提高加工效率，节省人力资源。除此之外，还可以提升加工精度，降低废品率，对于缩短生产周期、提升企业经济效益具有重要的促进意义。
1.2可有效提高安全水平
基于当前我国机床数控化程度普遍不高，在安全水平方面也处于相对落后的状态，机床在未得到及时改造的情况下，极易在使用过程中发生安全事故。而对数控机床进行合理改造后，工作人员可充分遵循人机工程的相关要求，提升机床的自动化、智能化水平，由此提升数控机床的安全水平，大幅降低工作人员在操作时与危险部位接触的概率，进而降低事故发生率。
1.3可有效提高维修便捷性
如果工作人员对数控机床设备缺乏相应的了解，便难以判断其实际性能是否符合实际加工要求，维修的工序也因此变得较复杂。通过改造数控机床，工作人员可精确计算机床的实际加工能力，同时，在熟知机床特性的情况下，维修难度也随之明显降低，这有助于提升机床的加工效率。通常情况下，对经改造后的机床进行适当调试后，便可实现机床的全负荷运转。
1.4可有效降低机床成本
部分大型机床的价格相对较高，导致机床的购置成本难以得到有效降低。这一问题可通过对机床进行数控改造进行解决。研究表明，对机床进行数控改造后，所花的费用仅为原机床购置费用的1/3，且可在一定程度上缩短购置时间。除此之外，还可以有效降低机房更新过程中造成的污染排放量和能源消耗量。
2改造数控机床的相关技术要求
对机床进行数控改造的实质就是将普通机床与数控装置进行连接，使其充分满足现代化生产需求，从而实现生产效益的最大化。在数控机床改造过程中，除了要确保机床能达到标准的设计要求外，还要尽可能地发挥机床的使用性能。为从根本上提高数控机床的应用效能，笔者特对其改造技术要求作了如下总结。
2.1滑动导轨副
导轨是数控机床的重要组成部分，对机床的整体性能具有重要影响。通常情况下，工作人员在改造数控机床时，要确保其导轨性能与实际改造需求相符，具体要注意以下几点：
①在导向精度与工艺性方面，应与普通车床的基本要求相符；
②应具备一定的耐摩擦和耐磨损能力，由此尽可能地减少摩擦阻力，减少致死区；
③应具有一定的刚度，以保障导轨的防护性和度以及产品的加工精度。
2.2滑动丝杠与滚珠丝杠
丝杠会对传动链精度产生直接影响，加工件的精度要求与拖动扭矩要求可对其主要指标产生决定性的影响。在加工件要求较低且原丝杠基本未受磨损的情况下，可将滑动丝杠作为首选。通常情况下，滑动丝杠的等级应不小于6级。如果螺母存在间隙过大的现象，就应及时更换。滚珠钢丝具有传动效率较高、摩擦损失较小、使用寿命相对较长、传送精度相对较高的特点，可有效降低电机的启动力矩，满足对精度要求较高的零件加工需求。与滚珠丝杠相比，滑动丝杠的价格相对较低，但由于其精度也相对较低，因此，对于具有较高精度要求的零件加工，应将滚珠丝杠作为首选。
2.3齿轮副
机床的变速箱和主轴箱是齿轮的主要集中点，对传动精度有着至关重要的影响。在改造机床的过程中，为进一步提高传动精度，工作人员应在普通机床的基础上进一步提升齿轮精度，由此实现传动精度的提升。要保障机床的加工精度，就要确保传动结构无间隙，同时还要根据数控机床的实际要求，对机床的齿轮作出相应改造。
2.4安全防护
要从根本上提升数控机床的改造效果，就要对其安全防护性能进行有效改造。首先，应重视滚珠丝杠副的安全防护工作，采取相应的措施防止硬砂砾、切屑等尘粒进入滚道当中，对元件的精密度产生不良影响；其次，应将整体铁板防护罩加在纵向丝杠上，由此对其形成防护；最后，应确保大拖板与滑动导轨接触两端面的密封性，防止硬质异物进入，对导轨造成损伤。
3结束语
综上所述，对机床进行数控改造是实现机械机械自动化的必经环节，同时也是实现机床自动化、智能化的有效途径。在改造数控机床的过程中，工作人员需充分遵循机床运作的客观规律，并在此基础上通过创新技术不断革新、改造机床，由此实现机床应用效率的大幅提升。
参考文献
［1］韩冲.数控机床电气改造问题研究［J］.科技与企业，2014（08）：269.
［2］周霞瑜.数控机床维修改造中需要注意的要点探析［J］.科技创新与应用，2014（08）：95.
［3］王小军.论职业院校数控机床升级改造的必要性及改造方法［J］.电子制作，2014（24）：205.
1实施
我院在2010级数控技术专业毕业设计执行时采用上述模式，进行了数控技术专业毕业设计教学改革试点。试点选取30名数控技术专业毕业生进行，分为4组，根据学生综合能力高低每组题目各有差异。第一阶段，指导老师根据学生情况选题。在试点阶段，为了保质保量完成教改全过程，除风力推料机构为我院参加全省机械设计创新大赛机构难度较大外，其他的如装卸器，槽轮机构，大力神杯相对难度都较小。风力推料机构由15人分别完成叶轮加工，凸轮轴加工，齿轮加工，偏心轮加工，底板、推杆、料筒等部分加工，其余3项目共有15人完成。第二阶段，毕业设计学生根据设计任务进行造型、编程、加工、装配。本阶段，由指导老师指导学生完成料单上报，所需工装清单；院部进行材料的准备，并由数控实训中心提供相应的工装，机床；在不影响正常教学的前提下，毕业设计机构的加工我们主要安排在课余时间进行，如晚自习、周末。学生进行零件工艺设计、数据计算、造型、数控编程、数控加工；在整个加工过程中，老师指导学生选用合适的刀具、夹具、量具、切削用量保证零件的加工精度。最终各小组成员完成零部件加工后，进行装配。标准件：如轴承、螺钉、螺母、垫片由项目组统一购买；在装配过程中，出现问题，老师指导学生进行修正，直至完成机构装配达到预定目标。第三阶段，毕业设计资料整理完善。各小组成员根据自己完成的指定零件进行毕业设计资料整理，主要内容有零件图绘制，零件结构分析，工艺规程设计，各工序工装的选择，各工序切削用量的选择，数控加工程序的编制，毕业设计总结几个部分。本阶段不仅仅要对零件进行工艺设计，更重要的是提高工艺规程资料的填写、毕业设计文本资料的规范，通过本阶段的总结，真正实现毕业设计内涵的升华，使理论与实践相结合，为走上工作岗位做好铺垫。第四阶段，进行毕业设计答辩。在答辩过程中我们一改以往提问基础理论知识的模式，重点让学生陈述自己在机构加工过程中出现的问题，以及问题的解决方案，真正通过毕业设计让学生学会自己动脑、动手解决实际问题。图1为数控技术专业毕业设计教学改革实施流程图。
2毕业设计教改效果
通过2013届数控技术专业毕业生毕业设计教学改革试点后座谈，学生普遍反映收获颇丰，既巩固了原本所学的专业理论知识，同时又加强了数控编程、加工、装配等知识的学习，尤其对数控刀具、夹具、量具、切削用量这些知识理解更深刻，还教会了学生如何处理实际问题，如何独立解决问题，学生的积极性很高，效果很好。
3总结
关键词：伺服系统；闭环控制；PID
一、引言
数控系统中伺服控制系统的设计，均要考虑稳定性、动态特性、稳态特性、鲁棒性等方面的性能指标。
稳定性：这是伺服控制系统设计的最基本要求。控制系统的稳定性可分为系统内部稳定性和系统外部的稳定性。所谓系统内部的稳定性即在任意初始状态下伺服控制系统都能精准定位；系统外部的稳定性即为伺服控制系统有外部干扰时，也能自我调节，使得位移和速度达到控制目标。
动态特性：即系统运行过渡过程的形式和速度，其中包括响应速度和超调量。系统的响应速度可用系统过渡过程所经历的时间来表示；而超调量是指系统的最大振幅度。一般而言，不同的系统对动态特性会有不同的要求，对于数控伺服系统而言，响应速度越快，系统跟随误差越小，控制精度就越高。
稳态特性：当过渡过程结束后，系统达到稳定状态时，其被控量的稳态值与望值一致性程度。对于任何数控伺服系统，由于存在着系统结构、外部干扰、以及内摩擦等非线性因素的影响，被控量的稳态值与期期望值之间总会有误差存在，该误差称为稳态误差。稳态误差是衡量控制系统控制精度的重要标志，有好的稳态误差补偿，伺服系统将获得良好的位置控制精度和跟踪速度。
鲁棒性：当系统的约束条件发生变化时，系统的功能特性不会受到什么影响。系统的鲁棒性好，当参数发生变化时，系统依然能够保持其稳定性；在过渡过程中，系统的响应速度和超调量基本上不受参数变化的影响。机床在长期的使用过程中，有机械磨损及其他硬件的变化，伺服系统必须保持加工误差在一定范围内，因此，鲁棒性很重要。
二、PID算法在数控伺服闭环控制中应用
PID（Proportional Integraland Differential）控制技术是最早发展起来的控制策之一，至今已有数十年历史。它以算法简单、鲁棒性好、可靠性高、调整方便等优点而被广泛应用于工业控制中。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。在实际工程应用中，根据需要也可用PI控制和PD控制。PID控制器就是根据系统的偏差，通过比例、积分和微分运算来对控制量进行调节的。
数控伺服闭环速度控制如图1所示，在数控加工中，加工轴虽然随着负载特性变化而变化，但由于采用了PID控制，可以修正到等于指令速度。
PID控制器作为一种线性控制器，它将速度指令r（t）和反馈的实际速度y（t）进行比较后构成控制偏差e（t），再将该偏差按比例（P）、积分（I）和微分（D）通过线性组合构成系统控制量u（t）来控制驱动器，输出功率控制伺服电机，对电机速度进行精确控制。上述PID控制器的输出函数可描述为：
u（t）=Kpe（t）+Ki■e（t）dt+Kd■
三、PID参数调试的具体方法
以FANUCOi机床为例，有菜单操作，显示伺服参数设置画面如图2所示。
当设置驱动器为速度模式控制时，在完成对伺服驱动器参数的优化后，引入控制器对速度环的作用。控制器可调的基本伺服参数即为比例常数KP、微分常数Kd以及积分器Ki。控制器滤波传递函数为：
D（z）=4 ×Kp+■+■
手动调整PID各项参数：
第一，确定速度比例增益Kp值。当伺服系统安装毕，必须调整各项PID参数，使得系统稳定运行。可首先调整速度比例增益Kp值，因为Kp值是PID参数中对超调影响最大，可再调整之前将积分增益Ki及微分增益Kd设置为零，接着逐渐加大Kp值，主要考量伺服电机停止时是否有振荡现象，以此手动方式调整Kp参数，观察电机旋转速度有无明显忽快忽慢现象。若Kp值加大到产生上述现象时，必须将Kp值降低，减少超调量，消除振荡，稳定旋转速度。以此初步确定Kp值。
第二，确定积分增益Ki值。逐渐加大积分增益Ki值，使积分效应逐渐产生。由PID控制原理可知，Kp值配合积分效应增加到临界值后会产生振动不稳定现象，此时回调Ki值，消除振荡现象，稳定旋转速度。此时的Ki值既可为初步确定的参数值。
第三，调整微分增益Kd值。微分增益主要目的就是平稳旋转速度，降低超调量，微分控制也是一种预先控制，在超调量发生之前做适当的校正。可逐渐加大Kd的值，改善速度稳定性。
最终，数控机床伺服闭环控制速度曲线如图3所示。
四、总结
数控机床伺服闭环控制系统的调整主要是针对闭环控制器的PID参数增益进行调整，使得机床工作误差最小，达到一个最优状态。其中速度环的调整是整个系统调整中最关键的，也是最难调整的。通常，在了解伺服增益的限制因素上，先调整比例增益参数，再调试积分参数，最好调整微分参数。对于每个增益参数的调整，都是从低慢慢地增加，以确保系统稳定。
参考文献：
1.包杰,李亮,何宁.基于PC的开放式数控系统微铣削伺服控制的研究[J].机械科学与技术,2009(9).
关键词：闭环控制；数控机床；PID；应用
1引言
在现代化的设备生产中，数控机床的应用变得越来越广泛，而且对数控机床加工精度和速度的要求也越来越高。为了更高精度、更高自动化水平的控制数控机床的加工，需要在加工过程中加入反馈调节，从而对机床加工过程中的误差因素进行实时调节，使误差不会随时间的延续进行累积，即在数控机床上实施闭环控制。目前，在数控机床上应用闭环控制系统的设备很多，并且这些机床在加工复杂精密零件时取得了很好的效果。本文根据自身实践经验和理论研究，对闭环控制在数控机床中的应用理论及具体案例进行了详细的论述，为闭环控制在数控机床中的应用和推广提供了有力的技术支撑。
2闭环控制在数控机床中的应用
2.1数控机床中的闭环控制特点
在数控系统中，伺服控制系统必须具备较好的稳定性、动态特性、稳态特性、鲁棒性等。在所有的伺服系统中，稳定性是其最根本的要求，系统的稳定性有两种重要的作用，一是能自动排除外界对系统的干扰，能在有外部干扰的环境下，精确调节定位，二是自动恢复稳定状态，不管系统处于什么样的初始状态，都能够快速准确的进行定位；在闭环伺服控制系统中，动态特性是其最重要的衡量指标，它主要表现在系统的响应速度和振幅，在通常状态下，系统的最大振幅就表达这系统的控制精度，振幅越小，精度越高，而系统的响应速度是影响振幅的重要因素，系统的响应速度越快，系统的过渡时间就越小，系统的误差就越小，控制精度也就越高；稳态特性闭环控制系统的正常工作状态特性，主要是是指控制系统经过过渡阶段后，进入稳定状态的情况下，其最终输出的稳态指与预期的稳定指相符合的程度，通常情况下，伺服闭环控制系统会因为自身结构、内部摩擦力、外界干扰等非线性的因素导致系统的实际的稳态值与期望值存在一定的误差，这种误差就是稳态误差，稳态误差是衡量闭环控制精度的重要指标，而通过加入稳态误差补偿，可以有效的调整伺服控制系统的控制精度和跟踪速度；鲁棒性的主要作用是帮助闭环控制系统控制误差，其主要特点是在系统的约束条件发生变化时，保持系统自身的功能特性不变，即对于具有较好鲁棒性特征的闭环控制系统，即使参数发生了变化，控制自身仍有保持稳定性不变，系统的响应速度和振幅也不会随参数变化而变化，如鲁棒性好的数控机床长期使用造成的机械零件磨损不会导致机床自身误差的增大。
2.2闭环控制系统中的PID控制技术
PID控制技术是闭环控制中最早发展起来的一门技术，它以算法简单、可靠性高、调整方便、鲁棒性好等优点在工业控制领域广泛应用，尤其在一些被控对象的结构和参数有一定的不确定性，没法得到精确的数学模型的情况下，可以采用PID控制技术依据现场调试和经验确定系统控制器的结构和参数。在实际工程应用中，也有仅采用PI控制和PD控制的控制系统。PID控制技术是一种线性调节技术，它将系统的偏差分为比例、积分、微分三类运算对被控量进行具体的调节。它对速度的调节主要是根据速度指令（rt）与传感器反馈的回来的实际y（t）进行比较构成控制的偏差e（t），并将此偏差按比例（P）、积分（I）、微分（D）的方式进行线性组合，最终形成控制量u（t）对驱动器进行控制，从而达到对电机速度的精确控制的目的，具体列公式如下：
2.3闭环控制系统在数控机床中的应用
在数控机床的闭环控制系统中，PID控制技术的应用非常广泛。本文以FANCOi机床为例，其控制器的调试就主要分为比例增益、积分增益、微分增益三个部分，具体调试过程如下：首选将驱动器设置成速度控制模式控制，对便于对伺服驱动器参数进行优化调节。伺服驱动器的调节参数就是比例常数Kp、微分参数Kd和积分参数Ki，根据实践经验和现场控制需要，手动对PID的三项控制常数进行具体的调节。首先，确定速度比例增益常数Kp的值。当闭环控制系统安装完毕后，第一步是对比例增益常数Kp就进行调节，因为在三个增益参数中，比例增益对振幅起到最主要的作用，确定比例参数的值后，再对积分增益Ki和微分增益Kd进行调节，调节比例参数的方式是在对先将积分增益Ki和微分增益Kd设置为零，再从零逐渐增加比例参数Kp的值，观察伺服电机停止时的振荡情况以及电机转速的忽快忽慢现象，如果随着Kp值的增加，系统产生振荡现象，就降低Kp值，消除振荡，稳定转速，从而初步确定Kp的值。在确定Kp的值后，保持Kp不变，从零逐渐增加系统的积分增益常数Ki的值，观察积分增益的效应现象，当积分增益参数超过临界值后就会导致控制系统的振动不稳定，这时将Ki值进行回调，消除振荡，稳定转速，此时的Ki值就是初步确定的控制系统参数。最后，对控制系统的微分增益进行具体的调节。微分增益的调节可以有效的降低控制系统的振幅，它的主要工作原理是对系统进行预先控制，就是在系统的振荡发生之前对其进行校正，在实际调节时，从零开始逐步增加Kd的值，从而改善旋转速度的稳定性。
3结论
本文根据自身实践和理论研究，对伺服闭环控制系统的特点进行了论述，并对PID控制技术的原理以及实际生产中的参数调节方法进行了具体的阐述，不仅为闭环控制技术在数控机床中应用提供了有力的技术支撑，也为闭环控制系统在数控机床中的推广应用提供了有效的理论依据。
参考文献：
[1]包杰,李亮,何宁.基于PC的开放式数控系统微铣削伺服控制的研究[J].机械科学与技术,2009，28(9)：1230-1234
[2]关键,舒志兵.基于PCI总线的全闭环交流伺服控制系统[J].机床与液压,2008,36(7):283-285.
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。在国内工厂的技术改造中，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。
第二章总体方案的设计
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Z80CPU和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如图所示。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。如图2－1所示：
第三章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本系统选用8031CPU作为数控系统的中央处理机。外接一片2764EPROM，作为监控程序的程序存储器和存放常用零件的加工程序。再选用一片6264RAM用于存放需要随机修改的零件程序、工作参数。采用译码法对扩展芯片进行寻址，采用74LS138译码器完成此功能。8279作为系统的输入输出口扩展，分别接键盘的输入、输出显示，8255接步进电机的环形分配器，分别并行控制X轴和Z轴的步进电机。另外，还要考虑机床与单片机之间的光电隔离，功率放大电路等。8031芯片内部结构图各引脚功能简要介绍如下：⒈源引脚VSS：电源接地端。VCC：＋5V电源端。⒉输入/输出（I/O）口线8031单片机有P0、P1、P2、P34个端口，每个端口8根I/O线。当系统扩展外部存储器时，P0口用来输出低8位并行数据，P2口用来输出高8位地址，P3口除可作为一个8位准双向并行口外，还具有第二功能，各引脚第二功能定义如下：P3.0RXD：串行数据输入端。P3.1TXD：串行数据输出端P3.2INT0：外部中断0请求信号输入端。P3.3INT1：外部中断1请求信号输入端。P3.4T0：定时器/计数器0外部输入端P3.5T1：定时器/计数器1外部输入端P3.6WR：外部数据存储器写选通。P3.7RD：外部数据存储器读选通。在进行第二功能操作前，对第二功能的输出锁存器必须由程序置1。⒊信号控制线RST/VPD：RST为复位信号线输入引脚，在时钟电路工作以后，该引脚上出现两个机器周期以上的高电平，完成一次复位操作。8031单片机采用两种复位方式：一种是加电自动复位，另一种为开关复位。ALE/PROG：ALE是地址锁存允许信号。它的作用是把CPU从P0口分时送出的低8位地址锁存在一个外加的锁存器中。外部程序存储器读选通信号。当其为低电平时有效。
VPP：当EA为高电平且PC值小于0FFFH时CPU执行内部程序存储器中的程序。当EA为低电平时，CPU仅执行外部程序存储器中的程序。XTAL1：震荡器的反相放大器输入，使用外部震荡器时必须接地；XTAL2：震荡器的反相放大器输出，使用外部震荡器时，接收震荡信号；（2）片外三总线结构单片机在实际应用中，常常要扩展外部存储器、I/O口等。单片机的引脚，除了电源、复位、时钟输入以及用户I/O口外，其余的引脚都是为了实现系统扩展而设置的，这些引脚构成了三总线形式：⒈地址总线AB地址总线宽度为16位。因此，外部存储器直接寻址范围为64KB。由P0口经地址锁存器提供16位地址总线的低8位地址（A7～A0），P2口直接提供高8位地址（A15～A8）。⒉数据总线DB数据总线宽度为8位，由P0口提供。⒊控制总线CB控制总线由第二功能状态下的P3口和4根独立的控制线RST、EA、ALE和PSEN组成。其引脚图如图3－3所示：3.1.28255A可编程并行I/O口扩展芯片8255A可编程并行I/O口扩展芯片可以直接与MCS系列单片机系统总线连接，它具有三个8位的并行I/O口，具有三种工作方式，通过编程能够方便地采用无条件传送、查询传送或中断传送方式完成CPU与设备之间的信息交换。8255A的结构及引脚功能：1、8255A的结构8255A的内部结构如图3－4所示。其中包括三个8位并行数据I/O端口，二个工作方式控制电路，一个读/写控制逻辑电路和一个8位数据总线缓冲器。各部分功能介绍如下：（1）三个8位并行I/O端口A、B、CA口：具有一个8位数据输出锁存/缓冲器和一个8位数据输入锁存器。可编程为8位输入、或8位输出、或8位双向寄存器。B口：具有一个8位数据输出锁存/缓冲器和一个8位输入或输出寄存器，但不能双向输入/输出。C口：具有一个8位数据输出锁存/缓冲器和一个8位数据输入缓冲器，C口可分作两个4位口，用于输入或输出，也可作为A口和B口选通方式工作时的状态控制信号。（2）工作方式控制电路A、B两组控制电路把三个端口分成A、B两组，A组控制A口各位和C口高四位，B组控制B口各位和C口低四位。两组控制电路各有一个控制命令寄存器，用来接收由CPU写入的控制字，以决定两组端口的工作方式。也可根据控制字的要求对C口按位清“0”或置“1”。（3）读/写控制逻辑电路它接收来自CPU的地址信号及一些控制信号，控制各个口的工作状态。（4）数据总线缓冲器它是一个三态双向缓冲器，用于和系统的数据总线直接相连，以实现CPU和8255A之间信息的传送。
摘要：针对现有常规CA6140普遍车床的缺点提出数控改装方案和单片机系统设计，提高加工精度和扩大机床使用范围，并提高生产率。本论文说明了普通车床的数90控化改造的设计过程，较详尽地介绍了CA6140机械改造部分的设计及数控系统部分的设计。采用以8031为CPU的控制系统对信号进行处理，由I/O接口输出步进脉冲，经一级齿轮传动减速后，带动滚动丝杠转动，从而实现纵向、横向的进给运动。
关键词：数控机床，单片机数控系统，改装设计
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关键词：传统机床 数控化改造 必要性 特点 步骤
随着制造业现代化水平的不断提高，机床数控化率相应提高。利用电子技术和计算机技术对车床进行数控化改造，对提高生产效率、保证加工质量、进一步提高车床设备的先进性，不仅具有可行性，还具有经济性。本文就车床的数控化改造谈几点看法。
一、车床数控化改造的必要性
数控机床与传统机床相比有以下突出的优越性，而且这些优越性均与计算机有关。
一是数控机床可以加工出传统机床不能加工的曲线、曲面等复杂的零件。由于计算机有高超的运算能力，可以准确地计算出每个坐标轴瞬时应该运动的运动量，因此可以复合成复杂的曲线或曲面。
二是数控机床可以实现加工的自动化，而且是柔性自动化，相比传统机床效率提高了3～7倍。计算机有记忆和存储功能，可以将输入的程序记住和存储下来，然后按程序规定的顺序自动去执行，从而实现自动化。数控机床只要更改一个程序，就可以实现另一个工件加工的自动化，从而使单件和小批量生产得以自动化，故被称作实现了“柔性自动化”。
三是数控机床加工的零件精度高，尺寸分散度小，装配容易，不再需要修配。
四是数控机床可实现多工序的集中，减小零件在机床间的搬运频率。
五是数控机床拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，因而加工可实现长时间无人看管。
由于数控机床具有以上五大优越性，因此大大降低了工人的劳动强度，节省了劳动力，缩短了新产品试制周期和生产周期，可对市场需求作出快速反应。此外，机床数控化还是推行FMC（柔性制造单元）、FMS（柔性制造系统）以及CIMS（计算机集成制造系统）等企业信息化改造的基础。数控技术已经成为制造业自动化的核心技术和基础技术。
从宏观上看，大规模应用数控机床的本质是，采用信息技术对传统产业（包括军、民机械工业）进行技术改造。除在制造过程中采用数控机床、FMC、FMS外，还在产品中开发CAD、CAE、虚拟制造，在生产管理中推行MIS（管理系统）、CIMS等，在生产的产品中增加信息技术包括人工智能等，最终使得产品在国际军品和民品市场上的竞争力大为增强。我国机床拥有量中数控机床的比例（数控化率）还比较低，因此每年都需进口大量机电产品。这也就从宏观上再次说明了机床数控化改造的必要性。
二、车床数控化改造的特点
与发达国家相比，目前我国车床主要是卧式车床，型号陈旧，技术水平落后，严重制约了生产的发展。采用先进的数控车床，已经成为当今世界制造业的发展趋势。鉴于国内制造业中普通机床的占有率较高，提高车床数控化率有两个可行的途径，一是购置新的数控车床，二是把卧式车床改装成数控车床。
花大量的资金更换全新的数控车床，给企业造成的经济负担较大，同时报废大量的普通车床也是很大的浪费。因此，各个企业可根据自身的情况，酌情提高车床的数控化率，可以购置一批精度高、性能强的数控车床，或数控化改造一批尚有一定精度的卧式车床。
1.卧式车床数控化改造的特点
（1）车床改造针对性强，能满足生产的要求。因为车床的改造方案是根据原机床中存在的问题提出的，要改哪些地方、改到什么程度都要有的放矢，能与生产结合，可以直接将科学技术转化为生产力，企业有积极性。
（2）车床改造可以充分利用原车床的绝大部分零、部件，大大节约原材料和资金，见效快，改造周期短，可满足生产急需。因为旧车床数控化改造中，大部分床身、立柱等基础件和许多传动部分都不需更换，费用只有购买新车床费用的l/15～1/10，工期大大缩短，节约了成本。
（3）改造后的车床性能稳定可靠，车床应用范围得到扩大，能适应多品种、小批量零件的生产。因为车床的大型构件一般是铸铁制成的，而铸铁件年代越久时效越充分，精度比新铸件更加稳定。改造不需要改变支撑类大型构件，只需修复或更换中小型部件就可以获得与新车床类似的效果。改造后的车床功能有较大的提高，除了保有原有功能外，还可以满足各种复杂型面类零件的加工要求，扩大了车床的应用范围。
（4）经过数控化改造，可以有效提高工件加工精度和生产效率。改造依据了生产技术的发展要求，及时提高了生产设备的自动化水平和效率，提高了设备质量。
（5）可以充分发挥企业现有技术力量的作用，调动技术人员的积极性，同时对工人技术水平的要求也不会太高。
（6）在改造期间，通过拆解旧车床、装配新的零部件等改造过程，间接培养了数控人才，让其对机床的特性有更详细的了解，从而缩短了操作使用和维护方面的培训时间，见效快。
2.车床数控化改造的成效
通过车床数控化改造，可以使其具有如下优点：可以加工出卧式车床加工不了的曲线、曲面等复杂零件；可以实现加工柔性自动化，效率比靠凸轮或挡块等实现模拟自动化的机床高3.7倍；加工精度高，尺寸分散度小，易于装配；可实现多工序集中加工，提高了加工精度，同时减小了被加工零件在机床间的搬运频率；拥有自动补偿等多种功能，简化了传统机床加工工艺中的工序，机床利用率得以大幅提高；若购置一台新的数控机床，国产数控机床价格也要10万元，进口设备的价格更高，而对卧式车床进行数控化改造也能满足实际生产的需要，改造的成本只要2万～3万元；由于采用了自动化加工技术，可以大大降低操作者的劳动强度，减少废品率，提高工作效率。
三、车床数控化改造的基本步骤
1.设计总体改造方案
数控机床由机床、数控系统和设备三部分组成。卧式车床改造的目的是利用数控系统控制原有车床自动完成机械加工任务，提高车床的加工精度和生产率。
在考虑经济型数控机床改造的具体方案时，所遵循的原则是，在满足需要的前提下，对原有车床尽可能减少改动量，以降低改造成本。改造中需要解决的问题是：增加数控装置，设计微机控制装置或选用经济型的数控系统；将现有机械传动的进给控制装置改造成数控控制的无级自动变速的进给系统；将丝杠换成滚珠丝杠，提高传动精度；把手动控制的刀架转位装置改造成数控装置控制的自动转位刀架；加装脉冲编码器，实现螺纹的自动切削。若对改造后机床的要求较高，则要改造主轴，重新设计主轴箱，使用主轴伺服电动机或电主轴。
2.数控化改造项目
（1）控制系统的选定。目前市场上数控系统的类型比较多，选择前首先应对拟改造的卧式车床的功能有一个充分的了解，可按照价格合理、技术先进、服务方便的原则选择微机系统式数控系统。若选择微机系统，需要完成软、硬件的设计，即要完成X轴、Z轴的进给控制。分别完成X、Z向的插补运动，可实现车削端面、外圆、任意锥度圆弧面、球面等加工。为了能够加工螺纹，配用主轴同步脉冲传感器，可加工导程在6mm以下的螺纹工件。整个系统属于开环控制，结构简单，驱动力大，成本较低，抗干扰性能强，能很好地满足生产的需要，但是设计工作量大，系统稳定性不高。
另外，还可以根据实际情况选择经济型车床的数控系统，调制、安装简单，可靠性较高，价格较贵。
（2）机械部分的改造。
①滑动导轨副。对数控车床来说，导轨除了应该具有卧式车床导轨的精度和工艺性外，还要有良好的耐磨性，并减少因摩擦力而致死区。同时还要有足够的刚度，以减少导轨变形对加工精度的影响，要有合理的导轨防护和。一般卧式车床的导轨材料为HT200，机床改造时可在原床鞍下滑面经机械加工后贴一层聚四氟乙烯软带。聚四氟乙烯软带与铸铁配合时，具有良好的减磨性能，动摩擦因数约为铸铁的1/8～1/3，能有效地防止机床的爬行。此外，床鞍与床身、中滑板与小滑板应接触均匀，接触面积不应小于70%，接触点数不应小于10点/cm2，这是保证加工精度和尺寸一致性的关键之一。
②丝杠传动副。一般数控车床或数控系统要求采用滚珠丝杠副传动，目的是为了提高机床的进给精度，减小传动副的摩擦阻力。根据JB/T 2886—2008丝杠精度标准可知，滚珠丝杠分为九级。卧式车床使用的是7级精度的滑动丝杠。将3级精度的滚珠丝杠与7级精度的滑动丝杠比较，从精度来讲，二者的差异并不大，因此建议选用3级滚珠丝杠来替换原有丝杠。这样的好处是传动速度快，反向灵敏，精度较高，所需转矩小。
③拖板系统。拖板的运动是数控系统直接控制的对象，不论是点位控制还是连续控制。被加工零件的最后坐标精度将受拖板运动精度、灵敏度和稳定性的影响，尤其是用步进电动机作为拖动元件的开环系统更是如此。因为数控系统发出的指令仅使拖板运动，而没有位置检测和反馈，故实际移动值和系统指令值的差别造成加工误差。因此，除了床鞍、中滑板（小滑板已被取消）配合精度要求较高外，在传动装置的布局上还应采用减速齿轮箱来提高传动转矩和传动精度（分辨率为0.01mm）。
④主轴同步传感器。主轴同步传感器的作用就是传递信息给数控装置，保持主轴的速度和刀架进给量一致。安装时要求机床主轴转一圈，传感器也要转一圈，这样才能保证发给数控装置的信号准确，车削螺纹时不乱扣。
关键词：数控机床故障模式对比分析
故障模式分析是隶属于机械行业可靠性研究中的一项重要组成部分，它同时也为目标物体设计与改进的提供重要的措施与方法。现有模式下最常见的故障分析方法有两种：功能树结构分析、故障发生频率统计分析。这两种分析方法的运作原理都是根据整机分析，对子系统具体化研究。
一、国产数控机床的故障模式分析
当前在数控机床这一行业方面，其研究存在一些故障与误区。这些都会导致
国产数控机床的发展速度明显低于同类外国产品。因此，工作人员必须及时发现产生这些故障并加以处理分析。具体来说主要步骤有以下几个方面。
（一）现场试验与跟踪。由于现有的国产数控机床大多体形较大、制造成本较昂贵并且运作条件中的不确定因素多，因此许多故障缺陷只有在实际投入使用后才会显现出来。数控机床的可靠性强调的是实际运作中的功能维持性。因此，只有通过现场操作中显现出的故障才能够真实的反映数控机床的缺陷与不足。我国现有技术支持下多采用现场试验与跟踪法对故障信息采集归纳。
这种方式下要求工作人员要针对数控机床的每一轮班班次填写记录表，登记对应机床的运行时间、整体情况，涉及到发生故障的机床要详细说明故障时间、部位、原因等，为后续故障分析工作提供有力佐证。
（二）故障部位具体分析。在实验过程中需要将目标数控机床依照一定的规律划分为各类子系统，统计出其中发生故障现象的子系统与每个子系统的故障频率。将得到的所有数据制成表格进行整体与系统的分析工作。
（三）故障模式的分布。故障或缺陷是通过故障模式来表现的。这是相对于既定的功能、故障产品的一种状态。判定一种故障模式是否值得引起相关工作人员重视的关键在于这种故障会造成的后果与其出现的概率。对数控机床的故障模式分析，同样也是要依据它的故障表现形式与出现概率。对于有研究价值的那一部分故障要深层次的分析。
依据数控机床的结构、功能与表现形式的不同，故障模式可以分为松动型、失调型、堵塞（渗漏）型、功能型、状态型、损坏型、工艺型与其他型。实验过程中需要判定具体故障分属的类目并对其进行具体分析。
（四）故障原因的分析。大多数的故障原因多是按照物理性质来分类的，如元件松动、零配件断裂等。但这种物理原因并不能直观的反映数控机床在设计、制造、检修、装配以及使用过程中潜在的隐患。工作人员经过长期研究发现只有对这一部分国产数控机床按照生命周期来分类，才能够探求到真正潜在的故障隐患。
（五）故障危害度分析。对某一类故障模式所带来的后果与这种模式发生频率的整体性综合考量称为危害度。对故障模式的可靠性分析不仅能够如实的记录每种故障的出现次数与频率，还能够进一步反映出这些故障模式对国产数控机床的危害度。因此，现有技术条件下，工作人员主要将其应用于衡定每一项国产数控机床故障模式危害等级与元部件故障率的综合指标。
其中我们假设零部件x由于故障模式y的作用发生故障，引起这部分零部件发生的故障危害程度为CRxy，那么这三者间的关系可以表述为：CRxy=αxyβxyλxy。工作人员可以根据这一公式从理论上延伸，为整个数控机床故障危害程度研究工作带来便捷。
二、国外数控机床的故障模式分析
近些年以来，随着发达国家科学技术发展更新节奏不断加快，国外数控机床也在不断更新之中。因此也就更容易显现出机器本身存在的缺陷与故障。其中德国研制的数控机床则一直处于世界先进水平。
这两种数控机床常常在实际工作中被应用在同一生产线上，它们工作的连贯性、硬件条件、操作背景甚至使用人员都保持一致。这样可以有效的保证对比分析工作的公平、公正性。
与国产数控机床的故障模式分析一样，国外的数控机床也需要通过现场试验与跟踪、故障模式的分布、故障部位具体分析、故障原因的分析、故障危害度分析这五大方面来进行考量。
三、两大类数控机床的故障模式对比分析
随着科技不断的进步，工作人员对数控机床故障分析方面的工作重视程度也在不断提高，但始终只关注在可靠性方面的评估，有关于故障模式、机理的理论分析工作还不充分，尤其是关于国产数控机床与外国产数控机床的对比研究工作几乎没有记录。因此，工作人员现阶段工作的重心就是选择具有代表性的外国产数控机床与国产数控机床同时进行现场试验与跟踪，通过一定的方式与方法，找到造成国内外数控机床发展不均衡的故障原因，并加以借鉴改正，以促进国产数控机床的健康发展。具体而言，两大类机床的不同点主要体现在这几个方面。
（一）故障模式的不同。我们已经知道故障模式大多可以分为松动型、失调型、堵塞（渗漏）型、功能型、状态型、损坏型、工艺型与其他型这类。外国产的数控机床故障模式主要集中在损坏型、功能型、失调型这三种；而国产的数控机床在交付使用者使用之后，这类故障模式都会逐渐的显现出来，并且涵盖了数控机床的所有子系统。
（二）故障率的不同。经过长期的现场试验与跟踪，工作人员发现，在数控机床与相同环境中长时间使用时，国产数控机床发生故障的次数与频率都要明显高于外国产数控机床，特别值得注意的是国产数控机床的故障原因中还包含这相当大一部分的人为因素。
（三）造成故障的原因不同。通过对调查研究数据的统计与分析，工作人员发现在众多的故障缺陷中，国外产数控机床的故障原因均为偶发因素；而国产的数控机床则是由外购零配件质量原因、安装调配技术原因、制造设计理念原因造成的。并且这些因素会使早期故障带到用户中，甚至严重影响数控机床制造商的声誉。
总而言之，本文通过对国产数控机床与外国产数控机床在故障模式与危害度方面的影响状况进行了有力的对比与分析，正确揭示了国内外产的两大类数控机床在故障量、故障率、故障分布、故障模式影响以及故障带来的危害度这五大方面的差异，并且及时发现了国产数控机床常见的故障部位与表现形式，指出了国内外产两大类机床故障方面极大差异的产生原因，努力为国产数控机床及时研发相应的改进措施，促进其快速、稳定、健康的发展。
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