时间：2023-03-25 11:25:07
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一般机床是能完成车、铣、刨、磨、镗、钻、电火花、剪板、折弯、激光切割等等机械加工的方法的设备，它能把金属毛坯零件加工成所需要的形状，其中包括尺寸精度和几何精度两个方面。
数控机床则是从普通机床的基础上发展过来的，它是一种装备了数控系统的机床。数控系统则是采用了自动控制技术，能用数控指令来控制机床的运动（称之为数控控制技术）的自动控制系统。
二、机床的雏形、诞生及发展
机床是人类进行生产劳动的重要工具，也是社会生产力发展水平的重要标志。
1、数控车床的雏形
机床最早的雏形是于公元前2000多年出现的树木车床。当时，工作时脚踏绳索下端的套圈，利用树枝的弹性使工作由绳索带动旋转，中世纪的弹性棒车床运用的仍是这一原理。1500年左右，意大利人达芬奇曾绘制过车床、镗床、螺纹加工机床的构想革图。中国明朝出版的《天工开物》中载有磨床的结构，用脚踏的方法使铁盘旋转，加上沙子和水剖切玉石。18世纪的工业革命推动了机床的发展。
1774年，英国人威尔金发明较精密的炮筒镗床，他用这台炮镗床镗出的汽缸，满足了瓦特蒸汽机的发展。1770年威尔金森制造了一台水轮驱动的镗床。1797年英国人莫利兹创造的车床能实现机动进给和车削螺纹，这是机床结构的一大变革。19世纪以后，由于纺织、动力、交通运输机械和军火生产的推动，各种基本类型的机床相继出现。
2、机床的诞生及发展
普通机床经经历了近两百年的历史。随着电子技术、计算机技术及自动化，精密机械与测量等技术的发展与综合应用，生产了机电一体化的新型机床一一数控机床。
在20世纪40年代，飞机和导弹制造业发展迅速，原来的加工设备已无能力加工航工业需要的高精度的复杂型面零件。1948年，美国PARSONS公司在加工直升机叶片轮廓检验样板的机床时，首先提出了数控机床的设想，在麻省理工学院（MIT）伺服机构研究所的协助下，于1952年成功研制了世界上第一台三坐标铣床样机。后又经过三年时间的改造和自动程序编制的研究，数控机床进入了实用阶段。于1958年，美国的KEANEY&TRECKER公司在世界上首先研制成功了带有自动换刀装置的加工中心。
可以说，数控机床的诞生为人类带来了不同凡响的意义。于此同时，数控机床的优越性也着重的体现出来了，在国际的竞争日益剧烈、产品品种变化频繁的形势下，各国也开始研究各种不同类型的数控机床，新品种的机床也随之增长。在这样的条件下，数控机床也经历了几代变化：
1952-1959年采用的是电子管构成的专用数控（NC）系统的数控机床，这是第一代。
1959年由于在计算机行业中研制出晶体管元件，因而便出现了采用晶体管电路NC系统的数控机床，从而跨入了第二代。
1965年出现了开始采用小、中规模集成的NC系统数控机床的第三代。
1970年为数控机床发展的第四代，此时采用大规模集成电路的小型通用电子计算机控制系统的系统数控机床。
1974年开始采用微型电子计算机数控系统（MNC）数控机床，此时为第五代。
在经历不同的年代的发展，机床的数控化率不断提高，也使数控机床加工对象改型的适应性加强，加工精度提高，大大的提高了生产效率，为制造业提供了良好的经济效益，且数控机床由于自动化程度很高，很利用现在化的生产管理，使其成为国民经济和国防建设发展的重要装备。
三、数控机床的发展趋向
数控机床一经使用就了其独特的优越性和强大生命力，使原来大量不能解决的问题，找到了科学解决的途径。然而，随着制造业对数控机床的大量需求以及计算机技术和现代设计技术的飞速进步，数控机床必须不断发展以更适应生产加工的需要，以达更高更好的效果。
随着数控机床的不断发展，不断提高，同时随着当今世界的快速发展，数控机床也将会有不同的发展方向：
1、迎合制造业的个性需求。
2、不断提高加工精度、加工效率，减少加工辅助时间，强调柔性化来满足生产和组织及管理的需要。
3、强调功能复合化。
4、5轴（坐标）联动控制技术及5轴联动数控机床成为世界机床制造业中的一个技术制高点。CIMT2007上共展出了70多台五轴联动数控机床，其中有40多台是中国自主开发的。
5、注重环保，涉及避免油污污染，以及机床再生、回收等方面。
6、智能化发展，即数控机床的控制系统逐步具备自诊断、自适应控制、逻辑分析判断等功能。最近，日本的山崎马扎克公司陆续开发了主动振动控制、智能热屏障、智能防撞屏障、语言提示；日本大隈公司开发了Thinc智能数字控制系统等等。
7、在并联结构机床方面，哈尔滨量具刃具集团数控设备公司在CIMT2007上展出的并联结构机床LINKS-EXE700具有新的突破意义，不单结构进一步简化，而且加工范围增大、动作快速、刚性和精度提高；五轴联动数控编程与使用常规化，可以加工五面体，在工件特别装夹的情况下，还可作六面加工，这是目前任何机床结构都做不到的。
8、从零件加工方法上来说，称得上革命性发展是出现了实现快速成型技术原理的机床新品种，它采用电热、激光束、离子束、电子束作为能量源，以复合纸、高聚物、金属粉末、高温合金、复合陶瓷、铸造型砂等作为加工材料，一改现有金属切削机床和金属成型机床“材料去除”加工方法，而采用“材料累加”的方法或称“增材制造”方法进行机械零件原型制造。
9、水切割已经与激光切割并驾齐驱成为一门崭新的技术和新的机床门类，中国目前有三、四个单位从事这方面开发，产品已上市。
数控机床的发展方向是多元化的，也可以使其向信息化发展，产生其联网效应，在数控机床工作时，工人和技术师之间有着短距离的联系，以确保加工过程的顺利，在任何一个环节中如若出现问题，可以不须远距离就可以解决。
四、中国的数控
我国的数控机床从20世纪80年代开始起步，2003年我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。在“十五”期间，我国数控机床行业实现了超高速发展。其产量2001年为17521台，2002年24803台，2003年36813台，2004年51861台，是2001年的3.7倍，平均年增长39％；2005年国产数控机床产量59639万台，接近6万台大关，是“九五”末期的424倍。中国机床行业在“十五”期间发展迅猛的主要原因是市场需求旺盛。固定资产投资增速快、汽车和机械制造行业发展迅猛、外商投资企业增长速度加快所致。
经过不断的发展，市场上的需求，近几年我国机床工业正处在黄金发展时期：机床工具行业连续8年快速增长，连续6年成为世界第一机床消费国、进口国。虽然我国的机床发展水平和国际还有一定的差距，但是部分产品已经达到国际水平。
在2008年4月21~25日的中国第五届中国国际数控展览会就体现了我国数控机床的发展，是我国国产数控机床自主创新20年的成果的全面展示。此次国展会就展示出我国的高档数控机床可谓是遍地开花，其中多家企业也展出了大规模系列产品，柔性制造系统成套的靓丽登场，而数控机床的整体水平也进行了全面的提升，以往的加工中心也从立式脱颖成卧式，这次展会也展示出了许多前所声誉鹊起有的大型、重型数控机床等。
这次展会也体现我国数控机床的技术先进、质量可靠、性能优越；体现了数控机床在我国经济的持续快速发展和国家政策的大力支持下，机床工业连续六年取得快速增长；体现数控机床在我国的市场的广阔，我国的能力之强大。
五、数控机床的接触
在学校实习时，我也曾经接触过机床与数控机床，感觉好对机床的调整，例如：对一段圆柱进行车圆锥面的时候，根据要求进行计算，将小滑板法转到计算出的角度；而数控机床只要根据技术员所编程序进行车削，自动调整，无须人力。从而看出数控机床比一般机床的高技术性、高效率等，体现了数控机床的优越性、高性能。
数控机床根据所实现加工的情况不同，也有不同的型号。我们刚开始接触数控机床，使用的是模拟型，在厂里所接触的就属于实用型，在这两者之间，也有不同的区别：程序所须代码的意思不同、系统不同、机床按键不同等。同时，根据实际情况所需，数控机床上的功能也随之变动：有的适用于加工普通零件，有的适用于加工高精度的零件。模型弄数控机床，是根据你所编的程度进行操作，没有任何的变动，相当于执行你的指令，不会自我完善；实用型数控机床则相反，它会根据所出现的情况，辨别进行完善，例如：机床用麻花钻进行钻孔，如果你没有设置退刀程序，模拟机床会根据你的程序，一直到钻孔结束；而厂里的机床，可以根据你设置的程序，进行完善，在钻孔时，会自动退一点点，让孔内的铁屑随着退刀出来，再继续钻孔。
在这样的对比之下，可以看出数控机床在向着人类所期待完美状态前进，它的“成长”标志着社会生产水平的发展，是我们人类的重要标志之一。
关键词：改造；数控车床；质量控制
如果对所用的普通车床和长时间使用的车床不进行改造，仅购买新的数控车床，则会增加许多生产厂家设备方面的成本。所以生产厂家对普通车床及长时间使用的车床进行数控化改造是必经之路。
由于进行数控化改造对于改造厂家来说，较杂又乱，但如何对改造的数控机床进行质量控制则是我们一直以来需要探讨的问题，在此谈一下如何进行改造数控车床的质量控制。
普通车床数控改造分为新机改造和旧机改造，新机改造是用户购买普通车床或普通光机（指仅带床头箱和纵、横向导轨的车床），改造厂家根据其要求进行数控化改造。旧机改造是指用户将已经使用过的普通车床或数控车床进行翻新并进行数控化改造。其中旧机改造包括大修车床改造和用户旧机部件改造。在此浅谈改造数控车床在机械方面的质量控制方法、着重控制点和检验过程。
1新机改造和旧机大修车床改造都必须经过如下相同改造
(1)更换X轴、Z轴丝杆、轴承、电机。
(2)增加电动刀架和主轴编码器。
(3)增加轴向电机的驱动装置，限制运行超程的行程开关，加装变频器（客户需要）以及为了加工和安全所需的电气部分。
(4)X轴、Z轴的丝杆两端支承面的配刮、滚珠丝杆副托架与床鞍的配刮、床身与床鞍导轨副进行配刮。
(5)据需要增加防护设施，如各向丝杆的防护罩，安全防护门，行程开关的防护装置。
2新机改造和旧机大修车床改造的不同点
(1)新机改造的主轴和尾座部分未进行改动，主轴部分和尾座部分无须进行再改造。
(2)旧机大修车床由于经过长时间使用，导轨已磨损，为了保证大修后，能继续长时间使用而不变形，必须经过淬火工序，然后磨导轨，且磨导轨后必须保证导轨硬度≥HRC47。
(3)旧机大修车床应根据客户需要对主轴部分和尾座部分进行改造和调整。
3新机改造和大修机床改造的精度检验是检验的重要项目
精度检验执行JB/T8324.1-1996《简式数控卧式车床精度》。
4新车床改造的精度质量控制如下
(1)铲刮检验。新车床改造经过对X轴、Z轴的丝杆两端支承面的进行配刮、对滚珠丝杆副托架与床鞍进行配刮、床身与床鞍导轨副进行配刮等。车床的主轴、尾座部分未拆动。检验方法如下：用配合面进行涂色，相互配合面进行结合，并相对摩擦，然后对铲刮面进行铲刮点数检验，并对结合处用塞尺进行结合程度检验，其中刮研点不得低于6点/25*25mm，0.03mm的塞尺塞结合处，不入。
(2)丝杆与导轨平行度检验：装配丝杆时，丝杆与导轨的平行度必须≤0.02mm。
(3)精度检验的G1项中导轨在垂直平面内的直线度(只许凸)应由普通车床厂家进行保证，不作为重点检验项目。
(4)精度检验中的主轴部分精度G4、G5、G6项也应由普通车床厂家进行保证，不作为重点检验项目。
(5)G11项床头、尾座两顶尖的等高度由普通车床厂家进行保证，不作为改造厂家质量控制的重点项目。
5用户大修车床改造的精度检验
由于进行了磨导轨，基准面已变动，所以精度检验中的所有项目必须进行检验，且应严格进行控制，以保证改造后的使用性能。
6大修车床改造和新机改造的其它质量重要控制点
(1)锈蚀检查：各横、纵向导轨面，主轴、主轴法兰盘，尾座空心套和各
(2)外露非油漆表面都必须采取防锈措施，如清洗干净后，用脂等进行防锈检查：铲刮面、丝杆和轴承在进行装配前必须清洗干净，不得留有红丹粉、铁削和其它脏物质；电箱内侧、防护罩内侧无灰尘、脏物。
(3)渗漏检查：大修车床改造的主轴轴承和齿轮等必须保持，大修车床改造和新车床改造的轴向丝杆和轴承必须有，必须有冷却装置，且以上和冷却中接头处，油、水箱等处都不得有渗漏现象。
(4)机床噪声、温升、转速、空运转试验：
①主轴在各种转速下连续空运转4min，其中最高转速运转时间不小于2小时。整机空运行时间≥16h，对圆弧、螺纹、外圆、端面等循环车削进行模拟空运行试验。
②主轴轴承温度稳定后，测轴承温度及温升滚动轴承：温度≤70℃，温升≤40℃；滑动轴承：温度≤60℃，温升≤30℃。
③机床噪声声压级空运转条件下≤83dB(A)，且机床有无不正常尖叫、冲击声。各轴方向进给运动进行应平稳，无明显振动、颤动和爬行现象。
④机床连续空运转试验在规定连续空运转时间内，无故障，运行可靠，稳定。
(5)用户更换部件（包括机床部分的维修）的改造：由于车床更换部件的改造项目较多，主要是更换主轴轴承、轴向丝杆、轴向电机、轴向轴承和系统。
①更换主轴轴承：由于更换主轴轴承是为了保证加工外圆和端面的精度，必须在更换轴承后，先行检验主轴的噪声在无异常的情况下，整机噪声声压级不得超过83dB（A），然后进行加工精度检验，并检验加工工件的表面粗糙度。
②更换轴向丝杆检验：检验各向位置精度，确保在规定范围内，跑机运行达到轴向运行无不正常的冲击声和杂音。更换轴向电机：由于其它项目未进行改造，则检验仅对跑机运行的噪声进行检验，轴向运行无不正常的冲击声和杂音。检验其轴向反向间隙，以防在装配中由于装配引起反向差值不符合要求。
（一）项目教学法的定义
项目教学是一个将实践教学与理论教学完美结合的教学方法，简单来说项目教学就是指教育教学过程中，教师通过制定一个完整的项目方案，让学生按照方案内容自主的进行项目的操作，其中包括工作安排、探究学习、自主动手等等。就数控车床实训教学而言，在其中应用项目教学法，主要就是让学生进行一项具体而完整的工作。如，产品的生产等。项目教学需要学生对理论知识有一个基础性的把握，并且在实际操作的过程中可以将所学知识与实践内容相结合，最终提升学生对知识的应用能力，为学生今后的实际工作打好基础。
（二）项目教学法的特点
1.内容综合，利于探究
项目教学在应用的过程中主要将教学内容与实际工作内容相融合，每一个操作项目都具有一定的独立性以及明确的教学内容和教学目标。因此每一个项目教学内容都包含了理论知识、技术应用、设备操作等多项内容，使得项目教学趋于综合性，更加利于学生进行探究。
2.团队合作，共同进步
项目教学与一般的探究教学相比较，其教学内容更加具体，操作流程更加完整，并且在参与人数方面也更加侧重于团体合作。教师在进行项目教学的过程中，通常会对学生进行分组，让每一个学生都可以参与到项目之中，成为项目操作的主体，使得学生可以共同学习，相互促进。
3.注重过程，结果多样
传统的教育教学侧重于教学的结果而对教学过程则稍显忽视，而在项目教学进行的过程中，教师在进行成果验收方面并没有采取统一的标准，并且也不要求学生一定要得出正确的结果。相反，教师更注重的是学生在项目完成过程中，是否对所学知识进行了应用，是否发挥了自身作用，是否对个人能力有所提升等。
4.角色转变，生本为主
项目教学是现代教育发展的产物，因此在进行教育教学的过程中一直奉行的是生本思想。所以，数控车床实训教师在进行教学的过程中，将课堂的主导交给了学生，让学生围绕项目内容进行探究与学习，而教师在这一过程中仅起到辅助作用。
二、项目教学法在数控车床实训教学中的应用
（一）项目设计
项目设计是项目教学的基础，因此在进行项目教学之前相关教师一定要搞好项目设计工作。首先，项目设计应围绕教材内容展开，符合教材的要求。并且项目设计要有一定的针对性，教师在进行项目设计的过程中，需要先为项目设定明确而具体的项目目标，在围绕项目目标进行内容的设计和任务的安排。其次，项目设计要与实际工作相结合，必须保证设计的项目各个流程与数控车床的实际应用相符。无论是刀具的选择、数据的编辑还是最终的操作与总结，项目设计都要忠于现实，进而增加学生操作过程中的实践性。
(二)方案拟定
由于项目教学与实际工作之间有着密切的关系，因此在进行项目教学的过程中，教师必须根据实际工作的需要对学生进行分组，让学生以小组为单位对项目进行有效的探究与操作。为了保障每一组学生都可以顺利的对项目进行完成，学生在进行项目操作之前需要先进行方案的拟定。首先，教师需要对小组内部成员在分工上给予指导，选出小组的负责人。其次，小组成员要对设计图样、应用工艺、注意事项问题进行思考，并以书面的形式进行方案的拟定，以此为项目的实际操作打好基础。
（三）方案展示
数控车床的实际工作具有着一定的灵活性，一个零件的制作可以通过不同工艺的应用进行完成。因此学生拟定的方案经常是多种多样的。所以在正式执行之前，教师可以组织学生按照小组顺序，将自己拟定的方案进行展示，并和全体学生一起讨论，探究方案的合理性。这样，不仅保障了项目操作的质量，同时也让学生在表达方面有所提高。
（四）项目执行
项目执行是项目教学中的核心内容，这一部分工作主要由学生自主进行完成。首先，分组后的学生，需要在小组内部对成员的工作任务进行安排，小组成员在明确各自任务后应围绕任务内容展开工作。其次，小组成员需要注重彼此间的协作，按照拟定方案中的工艺和流程进行项目的操作。最后，小组成员需要借助计算机软件进行模拟操作，确保拟定方案准确无误后，开始具体的实践。
（五）综合评价
项目教学完成后，为了让项目教学的作用充分的发挥出来，教师需要组织学生进行综合的评价。综合评价应分为两个部分。第一部分是由学生自主评价，通常是由小组的负责人进行。负责人需要根据小组从方案设计到最终加工完成，整个过程的表现予以总结和评价，让学生对自己的学习情况和动手能力等有一个自我的感知。其次，教师也要对学生项目操作情况进行评价。这种评价应趋于综合性和全面性，包括团队合作情况、工艺应用水平、加工消耗时间、零件是否合格等。
三、结束语
关键词：数控车床霍尔开关继电器伺服驱动
一、换刀装置故障
数控车换刀一般的过程是：换刀电机接到换刀信号后，通过蜗轮蜗杆减速带动刀架旋转，由霍尔元件发出刀位信号，数控系统再利用这个信号与目标值进行比较以判断刀具是否到位。刀换到位后，电机反转缩紧刀架。在我维修数控车的过程中遇到了以下几个故障现象。
故障一：一台四刀位数控车床，发生一号刀位找不到，其它刀位能正常换刀的故障现象。
故障分析：由于只有一号刀找不到刀位，可以排除机械传动方面的问题，确定就是电气方面的故障。可能是该刀位的霍尔元件及其周围线路出现问题，导致该刀位信号不能输送给PLC。对照电路图利用万用表检查后发现：1号刀位霍尔元件的24V供电正常，GND线路为正常，T1信号线正常。因此可以断定是霍尔元件损坏导致该刀位信号不能发出。
解决办法：更换新的霍尔元件后故障排除，一号刀正常找到。
故障二：一台六刀位数控车床，换刀时所有刀位都找不到，刀架旋转数周后停止，并且数控系统显示换刀报警：换刀超时或没有信号输入。
故障分析查找：对于该故障，仍可以排除机械故障，归咎于电气故障所致。产生该故障的电气原因有以下几种：1.磁性元件脱落；2.六个霍尔元件同时全部损坏；3.霍尔元件的供电和信号线路开路导致无电压信号输出。其中以第三种原因可能性最大。因此找来电路图，利用万用表对霍尔元件的电气线路的供电线路进行检查。结果发现：刀架检测线路端子排上的24V供电电压为0V，其它线路均正常。以该线为线索沿线查找，发现从电气柜引出的24V线头脱落，接上后仍无反应。由此判断应该是该线断线造成故障。
解决办法：利用同规格导线替代断线后，故障排除。
故障三：一台配有FANUC-0imate系统大连机床厂的六刀位车床，选刀正常但是当所选刀位到位之后不能正常锁紧。系统报警：换刀超时。
故障分析查找：刀架选刀正常，正转正常，就是不能反向锁紧。说明蜗轮蜗杆传动正常，初步定为电气线路问题。在机床刀架控制电气原理图上，发现刀具反向锁紧到位信号是由一个位置开关来控制发出的，是不是该开关即周围线路存在问题呢?为了确认这个故障原因，打开刀架的顶盖和侧盖，利用万用表参照电路图检查线路，发现线路未有开路和短路，通过用手按动刀架反向锁紧位置开关，观察梯形图显示有信号输入，至此排除电气线路问题。推断可能是挡块运动不到位，位置微动开关未动作。于是重新换刀一次来观察一下，结果发现：果然挡块未运动到位。于是把挡块螺栓拧紧，试换刀一次正常。再换一次刀，原故障又出现了，同时发现蜗杆端的轴套打滑并且爬升现象。难道是它造成了电机反转锁紧时位置开关的挡块不能到位?于是把该轴套进行了轴向定位处理，将刀架顶盖装好。结果刀架锁紧正常了。
解决办法：对轴套进行轴向定位故障解决。
二、稳压电源故障
机床在运行时机床照明灯突然不亮，机床操作面板灯也不亮，系统电源正常，同时系统急停报警，和主轴无信号警。关机后重新上电故障依旧。
故障分析检查：经询问当时操作人员，没有违规操作，排除人为原因，也可以排除机械原因，应该是电气故障引起。该机床的电器原理图显示，这些失电区域都和24V有关，并且该机床拥有两个稳压电源，一个是I/O接口电源，另一个为系统电源。失电区域都与I/O接口有关，于是打开电气柜观察发现I/O接口稳压电源指示灯未能点亮，说明该电源未能正常工作或损坏。由稳压电源的工作原理知道，稳压电源有电流短路和过载保护的功能，当电源短路或过载时自动关断电源输出，以保护电源电路不被损坏。于是试着把电源的输出负载线路拆下来，结果发现重新上电后电源指示灯亮了。这说明电源本身没有损坏。通过分析得知该电源为I/O接口电源，负载不大，也不会出现过载现象，应该是输出回路中有短路故障。沿着输出线号进行检查发现有一根24V+输出线接头从绝缘胶布中露出并接触到机床床体。原因很明显：由于该线与机床发生对地短路，造成该稳压电源处于自我保护状态，使得操作面板和一些I/O接口继电器供电停止，导致发生以上故障。至于变频器报警可能24V信号不能到位发出报警。
解决办法：用绝缘胶布把接头处重新包好，重新上电开机所有故障解决，报警解除照明灯也亮了。
三、系统程序锁故障
一台数控车，配有FANUC-0i-mate系统，无法输入对刀值等参数，不能编辑程序，并伴有报警。
故障分析检查：对此现象首先想到了程序保护开关，通过对比正常的系统发现：与系统锁住时现象一样。所以怀疑系统锁开关坏了，但经过短接，仍不能解决问题。通过观察故障系统的梯形图发现X56输入点无信号输入，说明这条输入线路断路。沿着这条线号利用万用表检查，发现在操作面板后面选轴开关接头处线头脱落，导致线路无法输入信号，使PLC逻辑关系不正确，才出现以上故障。
解决办法：用烙铁焊锡把脱落的线头重新焊接好，报警解除，参数输入正常，故障消失。
四、结束语
以上维修案例，可作为类似故障的排除参考。一般地，对于任何故障，首先是根据现象，根据原理来判断故障点，分析每一个可能性，如一个开关，一个线接头，一个螺钉都会是都会是故障原因，参照之前的操作、维修历史进行分析，能有利于缩小查找范围，有利于提高维修的效率。
参考文献：
[1]FANUC-0i-mate使用说明书.
[2]大连机床集团数控车床电器说明书.
[3]广州数控GSK980T使用说明书.
本文主要研究了CA6140经济型中档精度数控车床的纵向进给及导轨机构的设计及其改造。本文对数控车床纵向进给系统的设计与改造方案进行了重点论述，对该机构的主要组成部件:滚珠丝杠副、交流伺服电机、联轴器等进行了设计计算与选型。其中对滚珠丝杠副、交流伺服电机的设计计算及选型作了详细论述。进行这一设计主要是为了进一步地提高数控车床纵向进给机构的定位精度，重复定位精度以及改造手动进给装置，以使其能够可靠地运行，且能满足各项性能指标的要求,达到预期的结果,即满足设计任务书的要求。最后,本文还对各个零部件进行了设计,并绘制了全部零件图以及该数控车床纵向进给机构的装配图。此结构简单可靠,可应用于相似的各类数控车床上。
关键词:数控车床进给系统机构
Abstract
Thisarticlemainlytoldtheresearch,thedesigningandtransformationonthelongitudinalmotionsystemandtracklubricationmechanismofCA6140economicmediumprecisionNCmachine.ThearticlemadeabrilliantexpositiononthedesigningandtransformationschemeofthelongitudinalmotionsystemandtracklubricationmechanismofNCmachine.Thearticlealsoexposedbrilliantlythemechanism’smailparts:theball-racebearing,theservo-electricmachine,thecouplingandsoon.Doingthedesignisforthesakeofimprovingthesiteprecision,duplicatesiteprecisionandtransformatingtheLongitudinalmotionsystem.Soitcanworkcredibility,meettherequestofeverypropertynorm,cometotheexpectedconsequence,andfulfilltherequireofdesignassignmentlist.Besides,theauthorhasdesignedanddrawedallofmechanism’parts,andalsodrawedtheassemblechart.Thismechanismissimpleandreliable,itcanapplytoeverysimilarNCmachine.
Keywords:NCmachineLongitudinalmotionsystemTracklubricationmechanism
数控机床简介
数控机床是一种高科技的机电一体化产品,是综合应用计算机技术、精密测量及现在机械制造技术等各种先进技术相结合的产物。数控机床作为实现柔性制造系统、计算机集成制造系统和未来工厂自动化的基础已成为现在制造技术中不可缺少的生产手段,是机电一体化技术的重要组成部分。随着科学技术的迅速发展,数控技术的应用范围日益扩大。数控机床已成为现在机械制造业中的主要技术装备。
四．经济型数控车床的改造
纵横向进给系统原机床挂轮机构、进给箱、溜板箱、滑动丝杠,光杠等全部拆除,纵、横向以伺服电机作为驱动元件,经一级齿轮减速转矩增大后,由滚珠丝杠传动。纵向进给机构：纵向伺服电机为P20B200DxS，2.0的交流伺服电机,滚珠丝杠仍利用原丝杠位置,其螺母副通过托架安装在床鞍底部,滚珠丝杠两端加装接套、接杆及支承,与床身尾部步进电机相联接。伺服电机经减速后,减速器输出轴用套筒联轴器与丝杠直接联接,这种结构简单,径向尺寸小,可防止被联接轴的位移和偏斜所带来装配困难和附加应力。
改造后的数控机床应有以下发展方向：单一的数字控制应向数控中心发展，数控机床总体布局更加合理，机床控制系统的控制和运算功能更进一步加强，机床的伺服系统采用交流数字伺服系统代替直流伺服系统，编程更趋合理化，加工工艺更趋简单化90%机床的检测和监控系统要能实现自动化。
随着科学技术水平和人类生活水平的提高，对机械产品的质量要求越来越高，产品品种越来越多，中大批量的产品需求越来越少，而单件小批量生产模式迅速增加。作为实现单件小批量加工自动化的数控机床，由于其突出的优点而得到广泛应用。目前,国外数控机床的性能正朝着高精度、高效率、高柔性、高自动化方向迅速发展,这将对数控机床机械结构设计和制造的质量和可靠性提出更高的要求。“十五”期间,我国机械制造行业必须瞄准国际数控机床发展的科学前沿,开拓创新,消化吸收国外先进技术,开创我国数控机床设计和制造技术的新局面。
总体设计方案论证
数控车床的进给系统包括横向进给系统(X轴)和纵向进给系统(Z轴),它们是由伺服电机经同步齿形带传动,驱动滚珠丝杠螺母副机构,来实现刀架的运动。根据GB/T16462-1996《数控卧式车床精度检验》,机床的位置精度包括重复定位精度、反向偏差和定位精度。当机床的中心距DC=3000mm时,其重复定位精度X轴0.0075mm,Z轴0.010mm;反向偏差X轴为0.006mm,Z轴为0.012mm;定位精度X轴为0.035mm,Z轴为0.040mm。可以看出,进给轴设计与主轴设计相比,具有相同的重要性。因而,进给轴的设计应从动、静两方面充分考虑,位置精度才能达到该标准的要求。在数控车床进给系统的设计中,根据横向、纵向的不同精度要求,不同移动质量及转动惯量等特点,分别解决设计中的主要矛盾。以期望设计结果能满足各项性能指标的要求,达到预期的结果,即满足设计任务书的要求。
驱动元件：
各种数控机床加工的对象不同，工艺要求不同，所以对进给驱动的要求不尽相同，但基本要求是一样的，大致有四个方面。
（1）高精度使用数控机床主要是解决零件加工质量的稳定性，一致性，减少废品率；解决复杂空间曲面零件的加工；解决复杂零件的加工精度，缩短制造周期等。为了满足这些要求，必须保证数控机床的定位精度和加工精度。要求定位精度和轮廓切削精度能达到机床要求的指标。在位置控制中要求有高的定位精度，而在速度控制中，要求有高的调速精度，强的抗负载扰动的能力，即静态和动态速度降尽可能小。
（2）快速响应为了保证轮廓切削形状精度和低的加工表面粗糙度，除了要求有较高的定位精度外，还要求有良好的快速响应特性，即要求跟踪指令信号的响应要快。
（3）调速范围宽在各种数控机床中，由于加工用刀具，被加工零件的材质及加工要求的不同，为保证在任何情况下都能得到最佳切削条件，就要求进给驱动必须具有足够宽的调速范围。
（4）低速大转矩根据机床的加工特点，大都是在低速进行重切削，即在低速时进给驱动要有大的转矩输出。
附件清单
1.毕业设计任务书1份
2.毕业设计说明书1份
3.总装图CK000A31份
4.进给系统装配图CK001A01份
5.机构装配图CK002A11份
6.床鞍零件图CK124A11份
7.电机支座零件图CK117A11份
8.螺母支架零件图CK110A21份
9．连接轴零件图CK101A31份
10．面板零件图CK102A31份
11．端盖零件图CK106A31份
12．法兰零件图CK108A31份
13．滚珠丝杠副零件图CK112A31份
14．支座零件图CK114A31份
15．垫圈零件图CK103A41份
16．套筒零件图CK104A41份
17．连接法兰零件图CK105A41份
18．侧板零件图CK107A41份
19．法兰零件图CK109A41份
20．法兰零件图CK111A41份
21．法兰零件图CK113A41份
22．小端盖零件图CK115A41份
23．防护罩零件图CK116A41份
24．锥销零件图CK118A41份
25．连接管零件图CK119A41份
26．垫板零件图CK121A41份
双刀架数控车床采用多刀同时切削，能缩短工时，提高生产效率，在批量生产中得到应用。数控加工的几何数据和工艺数据，是NC机床工作的原始依据，由被加工零件的图纸确定。用自动编程系统进行数控编程，必须以某种CAPP的方式获取工艺路线、走刀轨迹、切削参数以及辅助功能(换刀、变速、冷却液开停等)。
对于毛坯尺寸偏差大的工件的数控加工，若按传统的编程方式，就必须按照最大毛坯尺寸编程。如果按最大尺寸编程，一则加工效率较低，再则会在某种情况下造成空切，而在另外某种情况可能会造成过切。过切的后果，轻则影响刀具耐用度，重则损坏刀具影响机床的精度。所以，毛坯偏差大的工件的数控加工最好是根据每个工件的具体情况，来确定加工该工件的切削参数(如切削余量、走刀次数等)。本编程系统借助数控系统的刀具监控功能，在线测量工件上的一些关键点(称作测量点)的加工余量分布情况，在加工过程规划中确定工步所通过的测量点(一个或多个)，由此得到本工步的切削参数。本文以我们为马钢公司车轮轮箍分公司开发的“双刀架数控车床图形自动编程系统”为例，研究双刀架数控编程系统的CAPP技术。该自动编程系统以Microstation为图形平台，实现了CAD/CAPP/NCP的系统集成。
2双刀架数控车床自动编程CAPP的特点
双刀架数控车床是一种高效的数控机床，由于采用双刀同时切削，所以能够有效地缩短单件加工时间，显著地提高了生产率。而生产率提高的程度取决于左右刀架重叠加工时间的长短，也就是说双刀应尽可能地同时加工工件的不同表面。本文以德国Diedesheim机床公司生产的VF120—RW双刀架立式数控车床(该机床配有两套SINUMERIK—810T数控系统)加工火车车轮为例进行分析研究。该机床的数控系统采用主从控制方式，其左刀架数控系统为主系统(机床主轴速度等由左数控系统控制)，右刀架数控系统为从系统，左、右两个数控系统以M21指令来协调两个刀架的动作，以R参数传递数据。据统计其加工效率可以比单刀架数控车床提高30%以上。
双刀架数控车床自动编程的加工过程规划CAPP有别于普通的单刀架数控车床自动编程的CAPP过程。因为在进行CAPP时，加工的切削参数是未知的，实际使用的切削参数是在加工过程中通过测量得到的。在进行CAPP时，必须要指定工步加工轨迹所经过的测量点(一个测量点或多个测量点)的信息。双刀架数控车床加工过程规划CAPP的复杂性还体现在必须保证能对用户的规划过程实施足够的监控，确保不会造成加工时工艺系统的几何干涉和工艺干涉。加工过程规划CAPP以数控系统的M21指令(左右刀架动作协调指令)来对用户的规划进行可行性检验，以确保加工时左、右刀架在任何情况下都能正确工作，不会有干涉现象发生。系统设计为用户的CAPP提供了极大的方便，左、右刀架工步的规划既可以轮流进行，也可以一边完成后再规划另一边的工步。
3零件的几何信息和工艺信息的提取
加工过程规划CAPP是以人机交互方式规划零件加工的一个工序的各工步，工步是加工过程规划CAPP数据存取的基本单元，以工步ID来标识工步；以双向链表来组织规划数据，方便数据的存储和修改操作，从而确保加工过程规划CAPP有足够的灵活性(规划过程及工步工艺参数的可修改)。每个工步数据由刀具运动轨迹数据和切削工艺数据两个部分构成。由于记录工步数据量很大，故用结构来记录这些信息，以协调数据的内在联系，同时又方便了数据的操作。
系统充分利用Microstation系统的GUI技术，以对话框和符合Motif标准的控制进行人机交互。系统人机界面友好、操作方便。用户以鼠标和键盘进行人机交互，工步的几何数据用鼠标在CAPP图形文件中点取零件轮廓的方式获得；工步的工艺数据用鼠标和键盘结合的方式输入。
加工过程规划CAPP以测量过程规划的图形文件和测量点R参数文件为输入，以刀具清单为加工的装刀依据；输出加工规划图形文件，加工过程规划CAPP数据文件。
一般工步规划由五个部分组成，它们分别为：切削段、切入段、切出段、试刀段和工步ID放置。加工轮廓的切削段一般由若干个几何图素(直线或圆弧)组成，进行CAPP时按切削的顺序依次选取这些图素。工步规划的顺序为：切削段的规划，切入段的规划，切出段的规划，试刀段的规划(可选)和工步ID的放置。工步以工步ID进行标识。
在进行加工过程规划CAPP模块设计时(图1，图2)，为了适应不同类工件的加工，提高数控加工的柔性，设计了多种刀具切入模式以供选择，这主要有：
(1)法向到工件首先选择切入点所在图素，然后再选择切入段起点，加工时刀具从规划的切入段起点沿加工面的法向切入。这种方法主要用于已知切入段起点位置的场合。
(2)法向从工件先选择切入段的终点，然后再确定切入段起点的位置。这种方法主要用于已知切入段终点位置的场合。加工时沿加工面的法向切入。
(3)切向到工件首先选择切入点所在图素，然后再选择切入段起点，加工时刀具从规划的切入段起点沿加工面的切向切入。这种方法主要用于已知切入段起点位置的场合。加工时沿加工面的切向切入。
(4)切向从工件先选择切入段的终点，然后再确定切入段起点的位置。这种方法主要用于已知切入段终点位置的场合。加工时沿加工面的切向切入。
(5)斜向从工件先选择切入段的终点，然后再选择切入段起点的位置。这种方法主要用于已知切入段起点和终点位置的场合。加工时沿规划的切入段起点到终点切入。
为了满足毛坯制造精度低(例如：加工余量大，偏心大，曲率大或余量不均匀等)的工件的数控加工，若按常规的方法加工将会损坏刀具甚至无法加工。为了适应这种类型的毛坯的加工，因而定义了几种特殊类型的加工方法：
(1)变进给量切入当刀具进入切入段后，逐渐提高进给量。该方法主要用于毛坯偏心较大部分的加工。
(2)工步交叉切削当前工步走完某一刀后，转而跳到下一工步进行切削，完成下一工步的加工后，再继续完成当前工步未完成的走刀。该方法主要用于工件轮廓曲率较大而且加工余量不均匀处的加工。
(3)多刀切削差异允许多次走刀时，刀具切入点、切出点位置可变。该方法主要用于加工余量特别大处的加工，以防止刀具在切入点或切出点处包容量过大而发生过切现象损坏刀具。
(4)中断切入点允许加工过程中断后，刀具沿另外设定的进刀轨迹切入工件。该方法主要用于防止中断后继续进行切削时，可能发生的刀具和工件的干涉。
为了方便操作，一方面提供了完善的在线帮助和操作向导，使得用户可以在系统的提示下完成CAPP过程(图3)；另一方面为了方便规划，在切入、切出段规划时系统提供了刀具动态，用户可以直观地确定切入、切出段位置。
4加工过程规划CAPP数据的存储
加工过程规划CAPP数据以记录形式存储工步数据，一个记录存储一个工步的数据。由前述可知左、右刀架的工步由工步ID标识，左、右刀架的CAPP数据分两个文件存储。实际存储时，又将一个工步数据分为3个部分进行存储：其一为走刀轨迹几何数据，其二为工步工艺数据，此外还有测量点信息。
工艺数据又分为工步工艺数据和走刀工艺数据，前者决定整个工步的切削参数(如：主轴速度档，最大走刀次数，刀座号T，刀补地址D等)；而后者为工步中每个轮廓段(直线或圆弧)所独有(如：进给速度F，主轴转速S，刀具监控号递增值，精切余量，刀具半径补偿方式(G40，G41，G42)等)。工步走刀的几何数据一般由4个部分组成：切削段数据、切入段数据、切出段数据、试刀段数据。测量点信息由测量点ID标识。
双刀架数控机床加工时必须确保左右两个刀架不会发生几何干涉，而两个刀架的位置又由NC系统的左右刀架协调指令M21来协调，这就要求在加工过程规划CAPP时必须保证两个刀架的M21在数量上保持一致。所以当用户发出CAPP数据存盘命令后，系统首先将检查左右刀架的M21匹配情况，若不匹配，系统将在警告框中给出错误揭示，并拒绝存盘命令，在M21匹配情况对话框中给出左、右刀架M21匹配表。
5系统的修改功能和容错性设计
此外，系统给用户提供了强大的CAPP数据编辑修改工具。修改功能分为两个级别：其一是工步级的修改，它可以完成工步的插入、删除，左、右刀架工步的对调；其二为工步的工艺参数修改，用户可以在“工艺参数修改对话框”中对所有的工步工艺参数进行修改。当用户启动了修改命令并选定待修改的工步ID后，系统将在“工步工艺参数对话框”中显示该工步的工艺数据，用户修改完后即可将数据存入。
关键词：数控机床，单片机数控系统，改装设计
第一章概述
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。其硬件框图如图3－1所示：图3－28031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。
参考文献：
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关键词：电气控制；PLC技术；自动化；无人值守
1 引言
随着可编程逻辑控制器（PLC）技术的逐渐发展，很多工业生产要求实现自动化控制的功能，都采用PLC来构建自动化控制系统，尤其是对于一些电气控制较为复杂的电气设备和大型机电装备，PLC在电气化和自动化控制方面具有独到的优势，如顺序控制，可靠性高，稳定性好，易于构建网络化和远程化控制，以及实现无人值守等众多优点。基于此，PLC技术逐渐成为工业电气自动化控制的主要应用技术。
本论文主要结合数控机床的电气化功能的改造，详细探讨数控机床电气化改造过程中基于PLC技术的应用，以及PLC技术在实现数控机床自动化控制功能上的应用，以此和广大同行分享。
2 数控机床的电气化改造概述
2.1 数控机床的主要功能
数控机床是实现机械加工、制造和生产中应用的最为广泛的一类机电设备。数控机床依托数控化程序，实现对零部件的自动切削和加工。但是目前我国仍然有超过近1000万台的数控机床，主要依靠手动控制完成切削加工，无法实现基本的电气化和自动化控制。为此，本论文的主要的目的是基于PLC控制技术，实现数控机床的电气化改造，主要实现以下功能：
（1） 数控机床的所有电机、接触器等实现基于PLC的自动化控制；
（2）数控机床的进给运动由PLC控制自动完成，无需人工手动干预；
（3） 自动检测零部件切削过程中的相关参数，如加工参数、状态参数等等；
（4） 结合上位机能够实现对数控机床的远程控制，以达到无人值守的目的。
2.2 电气化改造的总体方案
结合上文对于数控车床的电气化、自动化改造的功能要求，确定了采用上位机与下位机结合的自动化改造方案。该方案总体结构分析如下：
（1） 上位机借助于工控机，利用工控机强大的图像处理能力，重点完成数控车床的生产组态画面显示，以及必要的生产数据的传输、保存、输出，同时还要能够实现相关控制指令的下达，确保数控车床能够自动完成所有切削加工生产任务。
（ 2）下位机采用基于PLC技术的电气控制模式，由传感器、数据采集板卡负责采集数控车床的生产数据、环境数据、状态数据等所有参数，由PLC实现对相关数据的计算，并传输给上位机进行相关数据的图形化显示和保存；另一方面，PLC控制系统还接收来自于上位机的控制指令，实现对数控车床的远程控制。
（3） 对于数控车床最为关键的控制――进给运动的控制，利用PLC+运动控制板卡的模式实现电气化和自动化的控制。具体实现方式为：选用合适的运动控制板卡，配合PLC的顺序控制，对进给轴电机实现伺服运动控制，从而实现对数控车床进给运动的自动化控制。
3 数控车床电气化自动控制改造的实现
3.1 系统改造结构设计
数控车床的电气化自动控制改造，其整体结构如下图1所示，其整体结构主要由以下几个部分构成：
3.1.1 底层设备
底层设备主要包括两个方面，首先是实现数控车床自动切削加工运转等基本功能的必要电气、机电设备，如电源模块、电机模块等，这些机电设备能够保证数控车床的基本功能的稳定可靠的实现；其次，底层设备还包括各类传感器，比如监测电机转速、温度的速度传感器和温度传感器，监测进给轴运动进给量的光栅尺等，这些传感类和数据采集类设备为实现数控车床自动化控制提供了基础数据源。
3.1.2 本地PLC站
本地PLC站主要负责接收底层传感设备传送过来的传感参数、状态参数及其他检测参数，通过内部程序的运算，判断整个数控车床的工作状态，并将其中的重点参数上传到远程控制终端进行数据的图形化显示、存储、输出打印等操作；另一方面，本地PLC站同时还接收来自于远程控制终端所下达的控制指令，比如停机、启动等控制指令，PLC站通过对相应执行器（比如电机）的控制，从而实现自动化控制的功能。
3.1.3 远程控制终端
远程控制终端主要是依赖于工控机实现的上位机数据管理和状态监控，需要专门开发一套面向数控车床加工、生产和自动控制的软件程序，以实现对数控车床的远程化、网络化、自动化控制，真正实现无人值守的功能。
基于PLC的数控车床电气自动化改造框图
3.2 PLC电气控制系统的设计实现
本研究论文以CK6140普通数量机床为具体研究对象，详细探讨其电气化、自动化控制的改造。通过上文对机床改造方案和结构功能的分析，可以确定整个机床电气化、自动化改造，一共需要实现14个系统输入，9个系统输出。结合控制要求，这里选用日本三菱公司的FX2N-48MR型PLC，输入回路采用24V直流电源供电方式。根据对数控机床的各模块控制功能的分析，选用合适的接触器、继电器、开关、辅助触点等电气控制元件，与PLC共同实现对电气设备的控制，比如PLC通过接触器控制电机模块，PLC通过继电器控制电磁阀等部件，从而完成基于PLC控制的数控车床电气化改造。
4 结语
随着电气设备的越来越复杂，工业生产对于电气控制的要求也越来越高，基于PLC的自动化控制技术得到了广泛的应用，逐渐成为了当前工业自动化生产控制中的主流技术之一。采用PLC技术最大的优势在于实现自动化控制同时具有较高的可靠性和抗干扰能力，极大的避免了由于采用单片机技术而造成的系统不稳定现象。本论文结合电气控制详细探讨了PLC自动化技术的应用，给出了具体的系统设计实例，对于进一步提高PLC自动化技术的工业化应用具有很好的指导和借鉴意义。
关键词：数控车床，撞刀，解决方法
在数控车实训教学中，由于学生对机床的操作不熟练，在加工实训中有时不慎会使刀具或刀架撞到工件或卡盘上，轻者会撞坏刀具和被加工的零件，影响教学的正常进行，重者会造成人身事故。因此，在数控车实训教学过程中为了防止学生在实际操作时发生撞刀现象的发生，总结出以下几种常见的撞刀现象与解决方法。
一、常见数控车床加工的撞刀现象
（一）建立机床工件坐标系引起的撞刀现象
我校在数控车实训教学过程中，采用G54-G59指令结合试切法建立工件坐标系，一个学生在用试切法对刀时，采用MDI指令试切，采用指令G90 U-1.5 W-20.0 F0.06试切完成后，在建立工件坐标系坐标值X坐标忘记+输入-1.5，编好程序后试运行一切正常，就放心的加工，结果在加工中发生撞刀现象。
（二）、编程错误引起的撞刀现象
在实训加工中，由于学生对车床编程指令理解的不透彻，常常由于编程错误引起撞刀现象的出现。例如，有位学生在数控车床加工时，在加工锥面螺纹时，用G92指令编程，在第三次循环加工时，发生撞刀现象。螺纹刀尖崩坏，工件报废。论文写作，解决方法。停机检查程序，发现在G92指令第三刀X19.50写成19.05，背吃刀量过大，引起撞刀现象；
（三）工件装夹不当引起的撞刀现象
在一次实训中，在加工零件左侧部分时，由于零件可装夹长度只有15MM,装夹距离短，一位同学在装夹时，卡盘卡爪只有一个卡齿夹到工件表面，在用G92指令加工锥面螺纹时，由于径向力过大，发生撞刀现象。
（四）操作不当引起的撞刀现象
学生在数控车床操作时，在对刀过程中因为操作失误， 把Z向0.01误认为是0.1所以用手脉时控制走刀过快，导致撞刀刀尖碎裂。
二、防止数控车床加工中撞刀常见现象的三点解决方法
（一）、输入程序并校验
程序的输入与校验在数控车床加工操作中是一个重要的环节，它主要是把输入的加工程序用数字指令形式将加工过程中刀具的运行轨迹以最快的速度通过显示面板显示出来。然后观察零件加工图形是否正确是否有危险指令，因此在操作中应注意以下几个问题。
1、将刀架移动到安全位置，按下锁住机床和孔运行键进行空运行操作，主要观察运行轨迹是否正确，程序中的刀号与机床的刀号是否一致。
2、经校验后的程序如果没有出现危险指令和错误，也没有出现报警，校验出的图形也没有问题，线别急于加工，要再检查程序中的以下几个方面：
（1）、校验程序中是否有刀号；
程序中是否有刀号，这一问题往往被学生忽视。论文写作，解决方法。校验程序时没有刀号，程序照样加工运行，运行轨迹也正确。如果在实际加工中需要换刀加工而没有重新调用刀号时，此时加工时仍然使用前一把刀进行加工，就会出现撞刀。
（2）、换刀点是否安全；
换刀点一般选在机床参考点上，但为了节省加工时的辅助时间减少空程序可就近选取，要依照刀具探出的长度和加工零件的尺寸来定。换刀点确定之前，要首先确定上一刀尖所在位置，并合理利用G00指令移动刀架到达换刀点的过程中，防止撞刀。
（3）、G00指令、G01指令的使用是否正确；
G00指令：快速定位(G00或G0) 刀具以点位控制方式从当前所在位置快速移动到指令给出的目标位置。论文写作，解决方法。
G01指令：直线插补(G01或G1) 刀具以一定的进给速度从当前所在位置沿直线移动到指令给出的目标位置。
在程序校验过程中都是以最快的速度把加工轨迹表现出来，在校验中通过观察图形很难看出G00指令和G01指令的区别。如果在程序中刀具在工件表面上移动出现G00指令就必然会产生撞刀现象。论文写作，解决方法。
（4）、检查程序中是否存在移动指令与刀具指令同在一个程序中。
如G00 X42.0 Z3.0 T0101，因为在程序在执行时先执行移动指令后执行刀具指令或在移动中执行刀具指令。在这种情况下换刀，刀具与工件发生碰撞，正确的应该是分成两个程序段。
……
G00 X42.0 Z3.0 ;
T0101;
……
3、校验程序完毕后要回参考点，在校验程序时机床是锁住不动的，而刀具相对工件加工在模拟运行（绝对坐标和相对坐标在变化），这时的坐标与实际位置不符，需用返回参考点的方法，保证机械零点坐标与绝对和相对坐标一致。这一环节有时不注意在校验程序后没有发现问题就进行加工操作，会造成撞刀现象。
（二）试切法回工件坐标系原点校验
试切法对刀是实际中应用的最多的一种对刀方法。
工件和刀具装夹完毕，驱动主轴旋转，移动刀架至工件试切一段外圆。记下坐标系的X坐标再减直径（西门子系统减半径），以及刀尖在右端面的Z坐标，输入到坐标系的G54-G59当中。
例如：1#刀刀架在X为120.0车出的外圆直径为30.0，那么使用该把刀具切削时的程序原点X值为 120.0-30.0=90.0；刀架在Z为 100.0时接触工件右端面，分别将(90、100)存入到G54----G59里就可以成功建立出工件坐标系。论文写作，解决方法。
在对刀完成以后，校验工件坐标系是否正确，可以用MDI指令进行校验。
如：G54 G00 X100.0 Z100.0,使刀尖移动到距离当前工件坐标系的一个安全距离。论文写作，解决方法。在该指令执行完成后，可用手轮驱动刀架由快到慢移动到工件原点附近，观察坐标系值的变化情况，是否接近X0.0Z0.0。
（三）加工与运行
加工与运行是最后一个操作环节也是机床操作中的最后一道工序，虽然在前面采取了多项措施，但也不可以掉以轻心，因此在加工运行前要做好以下几个方面的工作：
1、光标必须要回到程序的开头，如果没有从程序开头加工容易出现撞刀现象；
2、当启动和程序结束的时候，要把倍率调低，在看清程序和刀具的位置后再给倍率，调试程序时快速进给要调到最慢档，最好手不离开进给保持，要养成先看后走的好习惯，这样会减少事故的发生；
3、在调试程序加工第一件工件时，一定要仔细检查程序，试加工时单段运行，随时控制进给率，随时看剩余行程，加工前应模拟运行一次，单段运行，再正式加工。看看有没有意外的刀具路径出现，一旦出错，迅速急停，特别是初学者，要注意急停按钮的应用。
参考文献：
【1】沈阳-机床：CAK3665使用说明书
【2】沈阳-机床：CAK3665操作编程说明书
【3】刘立群、陈文杰《数控编程与操作实训教程》清华大学出版社.2009
