【正文】 可實現(xiàn)另一工件加工的自動化，從而使單件和小批生產(chǎn)得以自動化，故被稱為實現(xiàn)了“柔性自動化”；加工零件的精度高，尺寸分散度小，使裝配容易，不再需要“修配”；可實現(xiàn)多工序的集中，減少零件 在機床間的頻繁搬運；擁有自動報警、監(jiān)控、補償?shù)榷喾N自律功能，因而可實現(xiàn)長時間無人看管加工。數(shù)控技術已經(jīng)成為制造業(yè)自動化的核心技術和基礎技術。其本質(zhì)是，采用信息技術對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)（包括軍、民機械工業(yè)）進行技術改造。以及在其生產(chǎn)的產(chǎn)品中增加信息技術，包括人工智能等的含量。而我們在信息技術改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)方面比發(fā)達國家約落后20年。這也就從宏觀上說明了機床數(shù)控化改造的必要性。我們以資源、環(huán)境、市場為代價，交換得到的可能僅僅是世界新經(jīng)濟格局中的國際“加工中心”和“組裝中心”，而非掌握核心技術的制造中心的地位，這樣將會嚴重影響我國現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展進程。 從我國基本國情的角度出發(fā)，以國家的戰(zhàn)略需求和國民經(jīng)濟的市場需求為導向，以提高我國制造裝備業(yè)綜合競爭能力和產(chǎn)業(yè)化水平為目標，用系統(tǒng)的方法，選擇能夠主導21世紀初期我國制造裝備業(yè)發(fā)展升級的關鍵技術以及支持產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的支撐技術、配套技術作為研究開發(fā)的內(nèi)容，實現(xiàn)制造裝備業(yè)的跨躍式發(fā)展。在競爭前數(shù)控技術方面，強調(diào)創(chuàng)新，強調(diào)研究開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權的技術和產(chǎn)品，為我國數(shù)控產(chǎn)業(yè)、裝備制造業(yè)乃至整個制造業(yè)的可持續(xù)發(fā)展奠定基礎。但是配置這種系統(tǒng)的數(shù)控機床價格昂貴。而將經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)用于普通機床的改造和升級換代是符合我國目前國情的一條有效途徑。系統(tǒng)只需12萬（國外系統(tǒng)則需十幾萬到幾十萬），適合我國中小型企業(yè)的現(xiàn)有普通機床的數(shù)控改造。經(jīng)濟型數(shù)控機床，一般可提高工效3—7倍。③適合多品種、中小批量產(chǎn)品的自動化加工，對產(chǎn)品的適應性強。④提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低廢品率，尤其是加工的產(chǎn)品尺寸一致性好，合格率高。經(jīng)濟型數(shù)控機床可以不用或少用工裝，尤其對于復雜零件可不用靠?；虺尚偷毒?。⑥減輕工人的勞動強度。近年來，我國成功應用經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)配置車床、銑床、線切割機床、沖床以及普通機床的改造等，并在投入使用后確實成倍提高的生產(chǎn)率，減少了廢品率，取得了顯著的技術經(jīng)濟效益。正因為如此，本設計將對X6132進行經(jīng)濟型數(shù)控改造?？衫酶鞣N圓柱銑刀、圓片銑刀、成型銑刀和端面銑刀等，銑削各種平面、斜面、成型表面、溝槽及齒輪等。外觀如圖11。 圖11 X6132普通升降臺銑床外觀圖將原來的X6132要改造成加工精度高、定位準確、可靠，擴大其加工范圍，提高加工效率，各性能參數(shù)有所提高，使其可以銑削圓弧面與斜面等形狀復雜的高精度零件(如凸輪軸)。 例如：200BF001反應式步進電機，最大靜轉(zhuǎn)矩為，最高運行頻率為11000step/s，步距角為1/6176。另一方面由于步進電機在低速工作時有明顯的沖動，易自激振蕩，而且激振頻率很可能落入銑削加工所用的進給速度范圍內(nèi)，著對加工極為不利，造成工件超差。若采用直流或交流伺服電機的閉環(huán)控制方案，結構復雜，技術難度大，調(diào)試和維修困難得多，造價也高。若采用直流或交流伺服電機的半閉環(huán)控制,過載能力強,有采用反饋控制因此性能遠優(yōu)于步進電機的開環(huán)控制。用直流伺服電動機的半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的組成如圖12。這個電壓是速度指令電壓。直流伺服電動機的基本性能是：轉(zhuǎn)速決定于輸入電壓，電流決定于負載力矩。速度環(huán)的作用在于把位置誤差模擬電壓變成一個比較穩(wěn)定的速度模擬電壓。位置控制則用以檢查伺服電動機的轉(zhuǎn)角是否符合位置指令的要求。數(shù)控裝置來的位置指令D0與位置反饋系統(tǒng)檢測出的實際位置檢測值Da在位置偏差監(jiān)測器1中比較。ΔD經(jīng)位置控制放大器2放大后成為速度指令值v0。v0經(jīng)數(shù)/模(D/A)轉(zhuǎn)換器3成為模擬電壓Uc。因此，Uc是速度指令電壓。設置速度反饋的目的是穩(wěn)定電動機的轉(zhuǎn)速。加上速度反饋后轉(zhuǎn)速可以比較穩(wěn)定。這個電壓加在伺服電機6上，使它得到角速度θm。速度反饋裝置發(fā)出與伺服電動機轉(zhuǎn)速成正比的速度反饋電壓Ug，與速度指令電壓Uc相比較。圖13 半閉環(huán)伺服系統(tǒng)原理控制部分的設計要能控制三個坐標軸的運動,根據(jù)加工要求,至少要控制兩軸聯(lián)動完成圓弧插補,為了在加工中使用不同尺寸的刀具,數(shù)控裝置應具有刀具的半徑和長度的補償功能,以便數(shù)控加工按輪廓編程程序而能適應刀具尺寸的變化。直流電機拖動可以實現(xiàn)無級平滑調(diào)整，變速范圍寬，主軸箱體結構簡單，振動和噪音較小，加工工件精度較高，不需要改造；如果自動化程度要求較高，經(jīng)常要求變速并且變速特征較好的場合，可用交流異步電動機的變頻系統(tǒng)，增加一個變頻器，實現(xiàn)主軸的自動無級變速。普通機床的主軸支承多為滾動軸承或滑動軸承。進給伺服系統(tǒng)的改造式這次改造設計的重點，因此它改造后的性能的好壞將直接影響到整個系統(tǒng)性能的好壞?！俣瓤刂埔筝^高的調(diào)節(jié)精度和較強的抗負載抗干擾能力，以保證動靜態(tài)精度都較高。它主要要求伺服系統(tǒng)跟隨指令信號不僅跟隨誤差小，而且響應要快，穩(wěn)定性要好。這樣既能滿足高速加工要求，又能滿足底速加工要求。（4） 系統(tǒng)可靠性好數(shù)控機床的使用率很高，常常是24小時連續(xù)加工不停機，因而要求系統(tǒng)穩(wěn)定，其工作可靠。（1）電氣部分的改造進給傳動是按數(shù)控系統(tǒng)的指令，經(jīng)放大后使刀具精確定位或按規(guī)定的軌跡運動（如直線、圓弧等），加工出符合要求的工件。一般中小型機床的數(shù)控化改造多用微機控制的開環(huán)步進電機驅(qū)動，這種方式簡單、經(jīng)濟、安裝調(diào)試方便，但是控制精度和速度較低。（2）機械部分的數(shù)控化改造進給系統(tǒng)的改造主要是提高移動部件的靈活性，減少或消除傳動間隙，通常是改造導軌副、進給箱和移動元件。二是在進給移動部件在粘接聚四氟乙烯軟帶，改造為粘塑導軌副。在機床進給傳動中，需將旋轉(zhuǎn)運動變成直線運動。采用滾珠絲杠副可以滿足數(shù)控機床的要求，其精度高、反應快、無爬行。他之所以取代以前的NC系統(tǒng)和當前設計選用的原因，是因為CNC系統(tǒng)具有NC系統(tǒng)無法比擬的優(yōu)點： （1）活性大。這種固定的接線的電路一旦制成后，就難以改變，而CNC系統(tǒng)的數(shù)控功能大多由軟件在通用性較強的硬件的支持下來實現(xiàn)的，其功能的修改、擴充和適應性方面都具有較大的靈活性，如果要改變、擴充其功能，只需通過對軟件的修改和擴充便可實現(xiàn)。 CNC系統(tǒng)的軟件和硬件大多是采用模塊化的結構。 （3）數(shù)控功能豐富。（4）可靠性高。許多功能由軟件實現(xiàn)，硬件結構大大簡化，采用大規(guī)模和超大規(guī)模通用和專用集成電路，使可靠性進一步提高。 由于采用計算機，使硬件數(shù)量相應減少，加之電子元件的集成度越來越高，使硬件的體積不斷縮小，同時控制柜的尺寸也相應減少。由于通訊功能的增強，容易組成數(shù)控加工自動生產(chǎn)線，如FMC、FMS、DNC和CIMS等。 目前大多數(shù)數(shù)控機床的操作采用了菜單結構，用戶只需根據(jù)菜單的提示，進行正確操作。 大多數(shù)數(shù)控機床具有多種編程的功能，并且都具有程序自動校驗和模擬仿真功能。 數(shù)控機床的許多日常維護工作都由數(shù)控裝置承擔；而且，數(shù)控機床的自診斷功能，可迅速使故障定位，方便維修人員。改造方案總體可以從硬件、軟件兩部分來著手設計。 圖15 數(shù)控改造設計總圖系統(tǒng)主要由89C51單片機、速度檢測元件、直流伺服電機，及相應的接口電路組成。系統(tǒng)軟件其作用主要是檢測系統(tǒng)狀態(tài)并提供基本操作管理，其中包括I/O接口初始化，單片機定時器/計數(shù)器初始化，鍵盤數(shù)據(jù)區(qū)、顯示緩沖區(qū)初始化，各種軟件標志初始化，中斷處理等，系統(tǒng)軟件部分采用模塊化設計。X6132的工作臺裝有進給伺服系統(tǒng)，床身左側(cè)的電氣箱內(nèi)裝有主控器和強電系統(tǒng)。數(shù)控系統(tǒng)為CNC半閉環(huán)控制，伺服電機驅(qū)動，可實現(xiàn)直線插補和圓弧插補。手動操作時，顯示器可作為數(shù)字讀出裝置使用。 CPU的比較和選用在選擇CPU 時應考慮的因素是:　　(1) 時鐘頻率和字長(即控制數(shù)據(jù)處理的速度) ?！　?3) 指令系統(tǒng)的功能是否強(即編程的靈活性) ?！　?5) 開發(fā)手段(包括支持開發(fā)的軟件和硬件電路) 。在大多數(shù)相關的機床改造資料及論文中都采用了8031，原因是：8031 單片機是集CPU 、I/ O 端口及部分RAM 等為一體的控制器,開發(fā)手段齊全,指令系統(tǒng)功能強,編程靈活性大,硬件資料也很豐富。內(nèi)部編址為00H～7FH,用作工作寄存器、堆棧、軟件標志和數(shù)據(jù)緩沖器,CPU 對內(nèi)部RAM 有豐富的操作指令。8031 的輸入、輸出( I/ O) 線不多, 所以外接8155 芯片以擴展I/ O口。8031 為40 引腳的雙列直插式器件, 有4 個雙向8 位I/ O 口( P0～ P3) , P0 口和P2 口作為地址總線使用, P1 口用作行程控制, P3 口用作第二功能使用。8 位數(shù)據(jù)總線由P0口提供。AL E為地址鎖存允許,當送低8 位地址時使AL E 有效。在實際應用方面比較繁瑣，已被市場淘汰。該數(shù)控系統(tǒng)采`用了多CPU結構，以適應功能強、速度快、分辨率高的要求。中央CPU起主要控制作用，負責數(shù)控程序的編輯，數(shù)控程序段的譯碼預處理，刀具半徑補償?shù)挠嬎?，刀具和機器參數(shù)編輯，診斷處理，鍵信號監(jiān)控處理以及協(xié)調(diào)另兩個CPU同步工作。此外，掃描鍵盤，將接受的鍵盤和開關信號經(jīng)譯碼后送給中央CPU進行相應處理。此外，對輸入/輸出信號進行控制，并完成RS232C通訊功能。為了完成信息交換，中央CPU與顯示CPU之間，中央CPU與插補CPU之間分別設置了公用存儲區(qū)。為了簡化線路和控制，該設計方案采取借用Z80CPU所具備的總線請求和響應的功能，以中央CPU為主控，當中央CPU需要時，通過I/O口，由芯片8255的輸出向插補CPU的總線請求發(fā)出信號。中央CPU接到響應信號后把中央CPU的地址信號送達插補CPU的存儲區(qū)，數(shù)據(jù)得以傳送。為了減少芯片數(shù)，插補CPU所用的ROM采用2片EPROM2764，由三根地址線譯碼后，每個輸出Y端控制8K存儲區(qū)。但RAM只需2K（包括公用存儲區(qū)），設計中把公用存儲區(qū)放在最高地址區(qū)，為了精確地選址，又加了74LS139，進一步用、選定RAM的地址為0F800H—0FFFFH。 I/O接口芯片 數(shù)控系統(tǒng)要完成數(shù)據(jù)的輸入/輸出，由于89C51芯片的輸入/輸出接口有限，不能完成設計所需的所有輸入/輸出工作，因此我們使用兩8255芯片來完成。對伺服驅(qū)動單元的餓控制模擬量信號采用DAC0830數(shù)/模轉(zhuǎn)換。由于數(shù)控裝置在使用RS23C通訊功能時不做其它工作，為了簡化結構，利用8255的一個輸入端口和一個輸出端口，用軟件實現(xiàn)串行數(shù)據(jù)通訊。 8255可編程并行輸入/輸出接口芯片是Intel公司生產(chǎn)的標準外圍接口電路，采用NMOS工藝制造，用單一的+5V電源供電，具有40條引腳，采用雙列直插式封裝。其內(nèi)部還有一個控制寄存器，即控制口。它們分別與端口A/B配合使用，可以用作控制信號輸出或作為狀態(tài)信號輸入。鍵盤與顯示設計在一起，8255的PB口（PB0～PB7）提供鍵盤的列線及顯示器的掃描控制線（字位線）。另一片8255則通過YB015與伺服電機驅(qū)動電路連接實現(xiàn)對伺服電機的控制。系統(tǒng)各芯片采用全地址譯碼。三個芯片的選通輸出控制E0分別接8255的PAPAPA6，時鐘輸入端CP接8255芯片的TIMEOUT，用以決定脈沖分配器輸出脈沖的頻率。89C51的P0口與ALE口連接了一片28引腳8位8通道逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器0809，在其后裝了測速發(fā)電機，來檢測直流電機的速度輸出，0809的作用是將28CY01測速發(fā)電機傳來的模擬信號變化轉(zhuǎn)變成數(shù)字量，傳入89C51，以實現(xiàn)對機床的半閉環(huán)控制。如圖21。X、177。中斷源INT0，同時又接到89C51的P1口，采用硬件申請中斷和軟件查詢的方法，便可確定時哪個方向越界。X、177。Z等一方向越界，則相應的紅燈亮報警。 圖22 伺服電機的驅(qū)動電路其中：輸入接口主要由A/D轉(zhuǎn)換器0809，接口運算放大器N5和測速發(fā)電機組成。0809的尋址方式采用的是存儲器方式。將測速發(fā)電機的輸出信號壓縮在177。輸出接口就是單片機和伺服電機功率放大器的接口。光電耦合器于1966年問世，把不同的發(fā)光器件和各種光接收器組合起來，就可構成幾百個品種系列的光電耦合器，因而，該器件已成為一類獨特的半導體器件。光電耦合器的主要結構是把發(fā)光器件和光接收器件組裝在一個密閉的管殼內(nèi)，然后利用發(fā)光器件的管腳作輸入端，而把光接收器的管腳作為輸出端。這樣，光接收器件由于光敏效應而在光照后產(chǎn)生光電流并由輸出端輸出。這樣就構成了一種中間通過光傳輸信號的新型半導體電子器件。光電耦合的主要特點如下：●輸入和輸出端之間絕緣，其絕緣電阻一般都大于10 10Ω，耐壓一般可超過1kV，有的甚至可以達到10kV以上。●由于發(fā)光器件（砷化鎵紅外二極管）是阻抗電流驅(qū)動性器件，而噪音是一種高內(nèi)阻微電流電壓信號?！袢菀缀瓦壿嬰娐放浜稀９怆婑詈掀骷臅r間常數(shù)通常在微秒甚至毫微秒極。 本設計選用的是TLP光電耦合器BJB－34，電路圖如圖23。 圖23光電耦合電路 直流伺服電機