【文章內(nèi)容簡介】 異步電動機開環(huán)驅(qū)動方式在電網(wǎng)電壓或切削力矩變化時，電動機轉(zhuǎn)速會隨之波動，影響零件加工表面的粗糙度。且由于變速仍采用復(fù)雜的變速箱換擋，體積龐大，高速運行時振動和噪聲都較大，對零件加工精度會產(chǎn)生不良影響。但是主軸改為閉環(huán)驅(qū)動方式的成本太高，因此，除有特殊要求，通常主軸傳動鏈保留不變，主軸箱內(nèi)的變速機構(gòu)也不改動，原電氣系統(tǒng)不動。對自動化程度要求較高的場合，可采用交流異步電動機開環(huán)變頻調(diào)速系統(tǒng)。采用開環(huán)變頻調(diào)速系統(tǒng)可實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)控制的自動無級變速。（3） 進給傳動的數(shù)控改造(1)導(dǎo)軌副通機床的導(dǎo)軌多采用鑄鐵—鑄鐵或鑄鐵—淬火鋼滑動導(dǎo)軌，其靜摩擦因大，動、靜摩擦因數(shù)相差較大，低速時易出現(xiàn)爬行，影響運動的平穩(wěn)性和定位的精度，力矩損失大。而將導(dǎo)軌改造為滾動導(dǎo)軌或靜壓導(dǎo)軌工藝復(fù)雜，費普用大，周期長。較為常見的是采用在原導(dǎo)軌上粘接聚四氟乙烯軟帶的方法。這種方法實現(xiàn)比較方便，費用低，動、靜摩擦因數(shù)相差小，耐磨性和抗咬傷力強，具有良好的自潤滑性和抗振性，進給運動無爬行，運動平穩(wěn)，因而得到了廣泛采用。當(dāng)然在有些要求不高的場合下，也可以不改動原機床導(dǎo)軌而增大所選的電動機。(2)進給箱普通機床的進給箱為齒輪箱。齒輪箱傳動鏈長，機構(gòu)復(fù)雜，反向間隙累計增大，大大降低了傳動精度。進給箱部分的改造就是要取消原齒輪箱，換為具有消隙裝置的一級減速機構(gòu)傳動副，以減小傳動間隙，提高精度。在機床改造中，步進電動機與絲杠傳動副之間裝有減速機構(gòu)，通過減速機構(gòu)可得到所需的脈沖當(dāng)量和增大驅(qū)動力矩。通常采用齒輪傳動或同步齒形帶傳動機構(gòu)。齒輪減速機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，傳動功率大，壽命長，成本低，所以在傳動功率要求較大的場合較多采用。同步齒形帶傳動是一種新型的帶傳動，其利用同步帶的齒形與帶輪的輪齒傳遞運動，無相對滑移，無噪聲，無需潤滑，傳動精度和效率高，因此在中、小傳動功率場合得到了廣泛的應(yīng)用。(3)移動元件普通機床通常采用滑動絲杠實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動到直線運動的轉(zhuǎn)換，其精度相對較低，摩擦因數(shù)大，傳動效率低，因此在要求較高的場合應(yīng)將其更換為滾珠絲杠。滾珠絲杠的傳動效率高，無爬行，預(yù)緊后可消除反向間隙，精度高，因而在改造中得到了廣泛的使用。但在機床改造時，有時考慮到一些因素仍采用原機床的普通絲杠。這些因素包括以下幾方面。①B級滾珠絲杠與7級精度普通絲杠的精度相差不大。②普通絲杠的摩擦力雖大，但與切削力和導(dǎo)軌副阻力相比則很小，而且可以通過選用較大電動機予以補償。③滾珠絲杠的徑向尺寸較大，如使用滾珠絲杠更換原機床的普通絲杠，相關(guān)部位還需進行改動，工作量增加。④滾珠絲杠價格較高，也必然要增加改造費用。當(dāng)然，如果原機床的絲杠與螺母間隙過大，應(yīng)將原單螺母副改為可調(diào)整間隙的雙螺母。 總體方案設(shè)計論證與確定機床數(shù)控系統(tǒng)總體方案的擬定應(yīng)包括以下內(nèi)容：系統(tǒng)運動方式的確定，伺服系統(tǒng)的選擇、執(zhí)行機構(gòu)的結(jié)構(gòu)及傳動方式的確定，計算機系統(tǒng)的選擇等內(nèi)容。 （1）系統(tǒng)運動方式的確定數(shù)控系統(tǒng)運動方式可分為點動控制系統(tǒng)，點動直線系統(tǒng)和連續(xù)控制系統(tǒng)。如果工件相對于刀具移動過程中不進行切削工件，這種系統(tǒng)叫點動/直線控制系統(tǒng)。這種系統(tǒng)除了高精度的定位功能外。在刀具沿坐標(biāo)軸移動時還能根據(jù)切削用量控制位移的速度，由于點位和點位/直線控制系統(tǒng)相岔無幾，保證定位精度。如果要求工作臺或刀具沿坐標(biāo)軸的運動有確定的函數(shù)關(guān)系，即連續(xù)控制系統(tǒng)應(yīng)具備控制刀具以給定速率沿加工路徑運動的功能。具備這種控制能力的數(shù)控機床可以加工各種外形輪廓復(fù)雜零件。所以連續(xù)控制系統(tǒng)又稱為輪廓控制系統(tǒng)。數(shù)控銑床屬于此種運動方式。在點位控制系統(tǒng)中具有的軌跡計算裝置，而連續(xù)控制系統(tǒng)中卻具有點位系統(tǒng)的功能。（2） 執(zhí)行機構(gòu)傳動方式的確定為確保數(shù)控系統(tǒng)中的傳動精度和工作平穩(wěn)性，在設(shè)計機械傳動裝置時，通常提出低摩擦，低慣量、高精度、無間隙、高諧振以及有適宜阻尼比的要求。在設(shè)計中應(yīng)考慮以下幾點。（1）盡量采用低摩擦的傳動和導(dǎo)向元件。如果采用滾珠絲桿螺母傳動導(dǎo) 軌，貼塑導(dǎo)軌等。（2）盡量消除傳動間隙，例如采用消除齒輪（3）提高系統(tǒng)剛度?？s短傳動鏈可以提高系統(tǒng)的傳動剛度，減少傳動鏈誤差?？刹捎妙A(yù)緊的方法提高系統(tǒng)剛度。例如采用預(yù)加負載的滾動導(dǎo)軌和滾珠絲桿副等。（3） 系統(tǒng)的運動方式與伺服系統(tǒng)的選擇由于改造的經(jīng)濟型數(shù)控銑床應(yīng)具有定位，直線控制順逆圓插補、暫停、循環(huán)加工、刀具補償?shù)裙δ埽蕬?yīng)選擇連續(xù)控制系統(tǒng)?？紤]到屬于經(jīng)濟型數(shù)控銑床，加工精度不高，為了簡化結(jié)構(gòu)，降低成本，采用步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)。微機數(shù)控系統(tǒng)由CPU、存儲器擴展電路I/O接口電路，伺服電極驅(qū)動電路、檢測電路等幾部分組成。微機是數(shù)控系統(tǒng)的核心，其它裝置均是在微機的指揮下進行工作的。系統(tǒng)的功能和系統(tǒng)中所用的微機直接相關(guān)。數(shù)控系統(tǒng)對微機的要求是多方面的，但主要指標(biāo)是字長和速度。字長不僅影響系統(tǒng)的最大加工尺寸，而且影響加工的精度和運算的精度。字長較長的計算機，價格顯著上升，而字長較短的計算機，要進行雙字長或三字長的運算，就會影響速度。根據(jù)機床要求采用8位微機，由MCS—51系列單片機具有集成度高，可靠性好，功能強，速度快，抗干擾能力強，具有很高的性能價格比等特性，決定采用MCS—51系列的8031單片機擴展系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)由微機等幾部分、鍵盤及顯示器、I/O接口及光電隔離器、步進電機功率放大電路等組成。系統(tǒng)的加工程序和控制命令通過鍵盤操作實現(xiàn)，顯示器采用數(shù)碼顯示加工數(shù)據(jù)及機床狀態(tài)等信息。伺服系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)，閉環(huán)控制系統(tǒng)和半閉環(huán)控制系統(tǒng)。開環(huán)控制系統(tǒng)中，沒有反饋電路，不帶檢測裝置，指令信號是單方向傳送的。指令發(fā)出后，不再反饋回來，故稱開環(huán)控制。開環(huán)控制系統(tǒng)主要由步進電動機驅(qū)動。開環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，容易掌握和維修都比較簡單，目前我國大力發(fā)展的經(jīng)濟型數(shù)控機床普遍采用開環(huán)伺服系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)具有裝有機床移動部件上的檢測反饋元件來檢測實際位移量。能補償系統(tǒng)的誤差，因而伺服控制精度高，閉環(huán)系統(tǒng)多采用直流伺服電動驅(qū)動。閉環(huán)系統(tǒng)價格高和調(diào)試較復(fù)雜，多用于精度要求高的場合。半閉環(huán)控制系統(tǒng)不同，不直接檢測工作臺的位移量。而是用檢測元件測出驅(qū)動軸的轉(zhuǎn)角，再間接算出工作臺實際的位移量，也有反饋回路，其性能介于開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)之間。本次改裝采用MCS51系統(tǒng)單片機組成的應(yīng)用系統(tǒng)，其典型代表有8038058751經(jīng)比較采用具有價格低，功能強，使用靈活等優(yōu)點的 8031擴展系統(tǒng)的單片機，而且8031外接2764（EPROM）6264（ROM）及8255（擴展I/O接口）8155芯片擴展成一個較簡單的微機控制系統(tǒng)。（4）機械傳動方式的確定為實現(xiàn)機床所要求的分辨率，采用步進電機給齒輪減速在經(jīng)過傳動絲桿為保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性，盡量減小摩擦力，選用滾珠絲桿螺母副。同時，為提高傳動剛度和消除間隙，采用有預(yù)加負荷的結(jié)構(gòu)。齒輪傳動也要采用消除齒輪側(cè)間隙的餓結(jié)構(gòu)。 數(shù)控車床實驗臺的性能要求 控制功能(1)運動控制軸控能力：應(yīng)實現(xiàn)X、Z兩直線移動軸的聯(lián)動位置控制；主軸控制: 包括主軸的開停，正反向，旋轉(zhuǎn)位置的反饋。進給速度控制:包括運動進給速度設(shè)置，速度倍率調(diào)整,自動加減速度控制等；手動控制:點動進給,手搖脈沖發(fā)生器控制,手動速度調(diào)整。(2)刀具控制自動換刀；刀具使用狀態(tài)監(jiān)測；刀具參數(shù)值設(shè)置。(3)保護控制正負行程的軟、硬限位；進給高低速限制。(4)輔助功能控制:包括冷卻、照明。 操作功能(1)運動方式選擇程序運行:自動運行、單步運行、暫停及暫停恢復(fù)，空運行，坐標(biāo)參考值設(shè)置；手輪運行:對系統(tǒng)軸的正負向運動進行控制；MDI方式:手動程序數(shù)據(jù)輸入。(2)程序操作程序的輸入輸出:手工鍵盤輸入、網(wǎng)絡(luò)通訊輸入等；程序的編輯；程序管理。(3)顯示操作系統(tǒng)狀態(tài)顯示:包括I/O信號監(jiān)測、運行方式選擇、正在使用的刀具信息等；位置顯示:機床坐標(biāo)系的位置報告,工件坐標(biāo)系的絕對/相對位置報告等；故障報警。 診斷功能(1)編程錯誤提示 (2)操作錯誤提示 (3)執(zhí)行錯誤提示 3 實驗臺硬件系統(tǒng)的實現(xiàn)…為使數(shù)控車床實驗臺硬件系統(tǒng)設(shè)計趨向合理化，在設(shè)計過程中著重考慮如下幾個方面：(1) 盡量選用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的典型電路,從而提高設(shè)計的成功率。(2) 盡量選用功率強、集成度高的微機芯片,因為采用這種器件可能代替某一部分電路,使系統(tǒng)可靠性增加。(3) 注意選用通用性強、市場貨源充足的元器件。(4) 系統(tǒng)的擴展及各功能模塊的設(shè)計在滿足應(yīng)用系統(tǒng)功能要求的基礎(chǔ)上,留有適當(dāng)?shù)挠嗟?以備將來進行修改、擴展。(5) 努力采用最新的一些技術(shù),因為電子技術(shù)發(fā)展迅速,器件更新?lián)Q代很快,市場上不斷推出性能更優(yōu)、功能更強的芯片。(6) 電路設(shè)計時,充分考慮應(yīng)用系統(tǒng)各部分的驅(qū)動能力,因為不同的電路有不同的驅(qū)動能力,對后級系統(tǒng)的輸入阻抗要求也不一樣。實驗表明:如果阻抗匹配不恰當(dāng),系統(tǒng)的驅(qū)動能力不夠,可能導(dǎo)致系統(tǒng)的不可靠性甚至于使系統(tǒng)無法進行工作。值得一提的是,系統(tǒng)的不可靠性很難通過一般的測試手段來確定。因此,在電路的設(shè)計過程中,應(yīng)該特別注意系統(tǒng)的驅(qū)動能力、盡量減少系統(tǒng)的損耗。(7) 電路設(shè)計過程中要注意電平的匹配,TTL和CMOS電平單片機擴展時,不應(yīng)該超過其驅(qū)動能力,如CMOS電路不使用的輸入端不允許浮空,否則會引起邏輯電平不正常,容易接受外界干擾產(chǎn)生錯誤動作。(8) 系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計,這個問題在硬件設(shè)計中也有十分重要的意義。. 根據(jù)總體方案及機械結(jié)構(gòu)的控制要求，確定硬件電路的總統(tǒng)方案, 繪制系統(tǒng)電氣控制的結(jié)構(gòu)框圖。如圖41RAM ROM CPUI/O接口光電隔離步進電機外 設(shè)鍵盤、顯示器即其他 圖41 結(jié)構(gòu)框圖數(shù)控系統(tǒng)是由硬件和軟件兩部分組成。硬件是組成系統(tǒng)的基礎(chǔ)，有了硬件與軟件才能有效地運行。硬件電路的可靠性直接影響到數(shù)控 系統(tǒng)性能的指標(biāo)。機床硬件電路由以下五個部分組成：（1） 主控制器即中央處理單元CPU（2） 總線 包括數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線（3） 存儲器 包括程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器（4） 接口 即I/O輸入/輸出接口（5） 外圍設(shè)備 如鍵盤、顯示器及光點輸入機等。 在微機應(yīng)用系統(tǒng)中CPU的選擇應(yīng)考慮以下因素： 1 )時鐘頻率和序號 這個指標(biāo)將控制數(shù)