目录
摘要 ……………………………………………………………………………….2 前言 ………………………………………………………………………………2 一、 概述 ……………………………………………………………………….……3 1.1 课题研究的背景 …………………………………………………………3 1.2课题研究的意义、目的、必要性、可行性 ……………………3 1.3国内外机床的现状 …………………………………………………………4 二 、总体方案设计 …………………………………………………………………..4
2.1机床总的改造 ……………………………………………………………4
2.2原机床的控制 …………………………………………………………….4
2.3现在机床改造的方案………… ……………………………………….5
三 、控制系统设计……………………… …………………………………………..5
3.1硬件电路设计 ……………… …………………………………………..7
3.2软件设计…………………… ……………………………………………..21
四、典型零件加工实例………… …………………………………………………..29
五、结束语…………………… ………………………………………………….…….31
六、参考文献 …………… ……………………………………………………………32
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一、 概述
1.1课题研究的背景
目前，我国机械制造业拥有相当数量的普通车床，其突出的矛盾是生产效率低、劳动强度大、加工精度低、适应性差、不能加工复杂的零件。而我国机床的数控化率不到3%，无论从数控技术水平和数控化率都大大落后于先进的西方发达国家。从上个世纪后期，我国开始调整产业结构、产品结构和生产方式，作为自动化生产的基础设备———数控机床，还远远满足不了工厂里逐年增加的生产需求。对于机械制造企业，单纯靠购买新的数控机床，所需的投资大，为了节约资金，降低成本利用原来的部分普通机床进行数控化改造，提高普通机床数控化率，是一种有效的途径。
1.2课题研究的意义、目的、必要性、可行性分析
1.2.1 1）节省资金。 机床的数控改造同购置新机床相比一般可节省60%左右的费用，大型及特殊设备尤为明显。一般大型机床改造只需花新机床购置费的1/3。即使将原机床的结构进行彻底改造升级也只需花费购买新机床60%的费用，并可以利用现有地基。2）性能稳定可靠。因原机床各基础件经过长期时效，几乎不会产生应力变形而影响精度。3） 提高生产效率。 机床经数控改造后即可实现加工的自动化效率可比传统机床提高 3至5倍。对复杂零件而言难度越高功效提高得越多。且可以不用或少用工装，不仅节约了费用而且可以缩短生产准备周期。
1.2.2 用普通机床加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长，从而在国际、国内市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的产品、市场、效益，影响企业的生存和发展，所以必须大力提高机床的数控化率。将普通机床改造成数控机床，不但可提高加工效率，实现自动加工，还可以增加加工复杂型面等功能，提高工艺水平和产品质量，减轻操作者的劳动强度。
1.2.3 普通机械加工设备进行数控化改造的必要性---通常对一台能正常使用的旧机床设备来说，机械部分的剩余价值在60%，电器部分的剩余价值大于20%，经过改造后的使用性能和效率应能达到新设备的70%～80%，使用寿命在6～8年以上（一个大修周期以上），投入总费用在同等新设备的50%左右。
经过改造后的机床，其优势在以下几个方面是普通机床所不可比的：
竞争优势---先进良好的设备是提升企业竞争力的基础保证；精度------ 批量加工一致性好，复杂工件加工精度高；效率-------有一人操作五台数控铣床的先例
1.2.4 在CA6140的基础上采用数控化技术，技能充分利用设备资源，以极小的代价获得性能先进的数控机床，也能让学生在参与数控化改造的过程中进一步理论结合实践，提高基本技能操作水平。更重要的是，在技术应用性人才如此奇缺的外部环境下，可培养出一批实践能力和创新能力较强的技术人才
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1.3机床数控改造技术国内外研究现状
①我国数控机床现况 我国研究数控技术源于1958年，几十年来经过了发展、停滞、引进技术等几个阶段。1985年以后，我国的数控机床在引进、消化国外技术的基础上，进行了大量的开发工作。到1989年底，我国数控机床的可供品种已超过300种，一些较高档次的数控系统，如五轴联动的数控系统、分辨率为0.O2um的高精度车床用数控系统、数字仿真的数控系统、为柔性制造单元配套的数控系统，也陆续开发出来，并制造出了样机。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)，已达到国外先进水平。目前，已新开发出数控系统80种。自“七五”以来，国家一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，掌握了国外一直对我国封锁的一些关键技术。例如，曾长期困扰我国、并受到西方国家封锁的多坐标联动技术对我们已不再是难题，0.1 μm当量的超精密数控系统、数控仿形系统、非圆齿轮加工系统、高速进给数控系统、实时多任务作系统都已研制成功。尤其是基于PC机的开放式智能化数控系统，可实施多轴控制，具备联网进线等功能，既可作为独立产品，又是一代开放式的开发平台，为机床厂及软件开发商二次开发创造了条件。
我国数控机床市场广阔,自2003年开始，中国就成了全球最大的机床消费国，也是世界上最大的数控机床进口国,虽然我们已经取得不可否认的成就, 但我国数控机床核心技术90%仍需进口, 我们只有紧跟先进技术进步的大方向，并不断创新，才能赶超世界先进水平。
②进口数控机床：80年代以来我国政府为满足军工生产需要，进口了大量的数控机床，尤其在航空、兵器等行业，这些机床基本都是精密高档设备，绝大部分是当时的所谓部管设备。这些机床已经到了电气升级换代的时候，前几年由于机械行业的不景气，改造工作欠债很多，大部分此类机床面临电气备件的匮乏，甚至已经处于停机状态，不改造是没有出路的。 进口二手数控机床：近年来，这类机床由于多为企业考虑生产实际需要，自筹资金进口，相对采购成本较低，进口量比较大，其中有些机床进口时就考虑了改造的要求，有些则是进口后，运行了一段时间候就面临着改造的需求。 国产数控机床：我国自90年以后生产的数控机床，大多为中低档数控机床，也同样面临电气系统老化，需要改造，普通机床：我国大量的普通机床应用于生产第一线，这几年，国家加大了对这类机床的改造力度，国防科工委更是推行了万台机床数控化计划，车床、铣床的数控化改造需求量很大。另外则是有些特殊类型或者大型普通机床，由于本身特点以及良好的机械基础，具有生机改造的价值。
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二、总体方案的设计 2．1机床总体的改造
危机数控系统采用8031单片机为控制核心，以步进电机作为伺服驱动装置，以工作台和刀架作为执行部件构成一个开环控制系统，可适用于CA6140、C620、C6132等普通车床或其他种类的中小型机床的数控化改造。
根据CA6140型普通车床的实际状况，经过方案比较，机械部分的改造如下
（1） 保留原车床主轴旋转的主运动；
（2） 纵向运动的改造是卸掉原车床大拖板上的手轮，利
用原开合螺母和大拖板螺杆，在其尾端联结由一个齿轮组成的减速装置，然后与相应的步进电机相连接；
（3） 横向运动的改造是卸掉原车床中拖板上的手柄，脱
开走刀箱与丝杆结合器，将手柄板到空挡上并固定死，在中拖板丝杆左端加由一对齿轮组成的减速装置然后与相应的步进电机相连
（4） 将原光杆拆开除并脱开全部走刀齿轮
（5） 专门设计一套自动电动刀架，它由一个三相异步电
机带动的可自动转换选择的四方刀架
（6） 选用8031单片机控制系统
（7） 在刀架的纵横向运动中，设置安全超程限位保护装
置
2．2 原机床的控制
CA6140是通过纵横向的进给来完成工件的加工，利用手柄集中操纵纵、横向机动进给运动的接通、断开和换向且手柄的方向与刀架运动的方向一致。在加工一些复杂的工件、精度要求高时，要求操纵的工人经验丰富，操作熟练才能保证质量。 2．3改装后机床的控制方案
改造后的数控车床，用户通过键盘将编制的零件的加工程序输入计算机。计算机在管理程序的驱动下，通过装用控制程序，把零件加工程序转化成一定数量和频率的脉冲信号。这些信号通过光电隔离耦合通过驱动器，从而驱动两台步进电机，带动中拖板和大拖板完成纵、横向两个方向的进给。刀架上可装四把刀具，当需要换刀时，由计算机根据数控指令发出驱动刀架旋转的信号，经过驱动电路使刀架电机旋转。刀架转位夹紧后，给计算机一个回答信号，计算机在接到回答信号后在执行一个加工程序。主轴脉冲编码器是用来车削 螺纹的，他将主轴旋转的角位移以电脉冲的形式输入给计算机，计算机通过控制程序控制车刀的进给运动与工件的旋转运动保持正确的运动关系，灵位脉冲来控制车刀切入工件的起始位置，以保证多次走刀时不乱牙。 三、控制系统设计
3.1硬件电路设计
（1）任何一个数控系统都由硬件和软件两部分组成。硬件是
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数控系统的基础，其性能的好坏，直接影响整个系统的工作性能，有了硬件，软件才能有效的运行。机床系统的硬件电路概括起来有以下几部分组成：
① 中央处理单元CPU
② 总线。包括数据总线（DB）、地址总线（AB）和控制总线（CB）
③ 存储器。包括只读可编程存储器和随机读写存储器 ④ I/O口即输入/输出接口电路 ⑤ 外围设备。如键盘、显示器等 其中CPU是数控系统的核心，作用是进行数据运算处理和控制个部分电路协调工作。存储器用于存放系统软件，应用程序和应用程序和运行中所需要的各种数据。I/O接口是系统与外界进行嘻嘻交换的通道。总线则是CPU与存储器、接口以及其他转换电路连接的纽带，是CPU与各部分电路进行信息交换和通讯的必由之路。数控系统硬件框图如下
系统的硬件框图
（2）选择中央处理单元CPU的类型
在危机系统中，CPU的选择应考虑以下几个因素
① 时钟频率和字长，这个指标将控制数据处理的速度 ② 可扩展存储器（包括ROM和RAM）容量 ③ 指令系统功能，影响编程灵活性
④ I/O口扩展能力，即对外设控制的能力
⑤ 开发手段，包括支持开发的软件和硬件电路
此外，还应该考虑到系统应用场合、控制对象和各参数的要求，以及经济价格比等经济性的要求。 （3）存储器扩展电路设计
存储器扩展电路设计应该包括程序存储器和数据存储器的扩展。选择程序存储器芯片时，要考虑CPU与EPROM时序的匹配，还应考虑最大输出速度、工作温度以及存储器的容量等问题。 （4）I/O口即输入/输出接口电路设计
应包括接口芯片的选用，步进电机哭哦告知电路，键盘显示电路以及其他辅助电路的设计
（5）CA6140车床的数控化改造设计
利用MCS~51系列单片机组成的控制系统，该系统扩展了2
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