毕业设计（论文）C616A普通车床的数控化改造.doc

综合毕业实践报告（论文）综合毕业实践题目：C616A普通车床的数控化改造系 部:电气工程系所学专业：电子设备运行与管理学生姓名：班级：470530学号：47053001起迄日期：实践地点：淮安信息职业技术学院指导教师：苏运蓉专业技术职务：工程师顾问教师：2007年12月摘 要针对普通C616A车床的不足之处，其刀架进给轴X轴（滑座进给）和Z轴（滑枕进给）只能互相切换，不能联动，无法加工具有复杂曲面的零件。在保留右刀架机械结构和操作功能不变的基础上对C616A车床的左刀架进给系统进行了数控化改造。左刀架采用滚珠丝杠、伺服电机和一级齿轮减速，并利用DSP TMS320F240数控系统的开闭环控制实现左刀架的X轴和Z轴联动控制，机床改造后,大大扩大了机床的加工范围，同时提高了生产效率和加工精度。关键词：数控 伺服系统 光电编码器 步进电动机目 录引言1第一章 车床数控改造的总体方案411车床数控改造的必要性412车床数控改造的总体方案413车床数控改造系统的典型配置514车床数控改造的分类515车床数控改造的意义5第二章 经济型车床的多功能化设计621进给轴的改造622主轴部分的改造923刀架部分的改造1024润滑部分的改造10第三章 数控系统的改造1131数控系统的分类1132 DSP TMS320F240数控系统特点及主要技术指标1233 DSP TMS320F控制系统的实现1234车床多功能加工的数控原理1435数控系统的I/O连接1536光电编码器16第四章 伺服系统的改造1841伺服系统的分类1842伺服系统的组成1943执行元件的改造1944驱动装置的改造20结论24致谢25参考文献26引言自本世纪中叶，随着计算机技术、信息技术、自动化技术在制造业中的广泛应用，所形成的先进制造技术日益引起各国的重视，它是提高企业国际竞争力和创新能力的根本途径，而先进制造技术又以数控技术为主要标志的。 由于数控技术的不断发展，作为机械制造的工作母机，数控车床的结构和性能与传统车床相比发生了巨大变化，系统功能不断完善，加工复杂零件的及不断发展的智能控制能力也不断提高，特别是采用了闭环控制，误差补偿系统，以系统，加工精度比通用车床有很大提高，且不断向更高精度方向发展。由于广泛地应用数控技术，使其它数控机械产品的品种数量也迅速增加并逐渐取代传统机械产品。具有了向着综合应用新技术的结构方向发展的工艺设备条件，以它为基础的相关产业是关系到国家战略地位和体现国家综合国力水平的重要基础性产业。其技术的高低、已成为质量一个国家工业现代化水平的重要标志。 数控技术已成为制造业的基础，该技术已被世界各国列为优先发展的关键技术，成为当代国际科技竞争的重点。如果把普通车床改造成高级数控车床，改动量大，价格贵，不实际，所以将之改成经济型数控车床，既可以节省大量资金，又可以大大提高了车床的精密度和稳定性，避免了人为因素对精密的影响，也降低了对工人技术的要求。目前车床数控化改造的市场在我国还有很大的发展空间，现在我国车床数控化率不到3。用普通车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，所以必须大力提高车床的数控化率。C616A普通车床主要用于普通端面和外圆的切削加工，随着产品的变化和发展，普通的功能已不能满足新市场、新产品的要求。主要表现在：1、无法完成或很难完成具有复杂曲面零件的加工。2、产品的适应性差，生产效率低。对不同零件的加工，需要先根据零件的实际要求设计工装设备，然后再进行实际加工。因而生产成本高，供货周期长，已跟不上市场的要求。随着数控技术在生产中的应用越来越广泛，数控立式车床的生产优势也越来越明显。由于数控立式车床的购置费用较高，一次性投入大，而利用原有普通立式车床进行数控化改造费用低、质量高，因此对普通立式车床进行数控化改造是机加工用户的一种理想选择。车床的数控化改造，主要是对原有车床的结构进行创造性的设计，最终使车床达到比较理想的状态。数控车床是机电一体化的典型代表，其机械结构同普通的车床有诸多相似之处。然而，现代的数控车床不是简单地将传统车床配备上数控系统即可，也不是在传统车床的基础上仅对局部加以改进而成。传统车床存在着一些弱点，如刚性不足、抗振性差、热变形大、滑动面的摩擦阻力大及传动元件之间存在间隙等，难以胜任数控车床对加工精度、表面质量、生产率以及使用寿命等要求。现代的数控技术，特别是加工中心，无论是其支承部件、主传动系统、进给传动系统、刀具系统、辅助功能等部件结构，还是整体布局、外部造型等都已经发生了很大变化，已经形成了数控车床的独特机械结构。因此，我们在对普通车床进行数控改造的过程中，应在考虑各种情况下，使普通车床的各项性能指标尽可能地与数控车床相接近。一、C616A车床的概述C616A车床由床身、床头箱、变速箱、进给箱、光杆、丝杆、溜板箱、刀架、床腿和尾架等部分组成。车床最大加工工件直径2500mm，最大加工工件高度1600mm，最大加工工件重量10吨，工作台直径2250mm，工作台转速16级，工作台转速范围263r/min，工作台的最大扭矩M=61740N.m，交流主电机功率为55kW，刀架水平行程1400mm, 刀架垂直行程1000mm。该车床可以车削圆柱、圆锥和平面，镗圆柱与圆锥孔，供铸铁、钢及有色金属零件的粗精加工之用。二、C616A车床的组成部分及其作用1、床身：是车床的基础零件，用来支承和安装车床的各部件，保证其相对位置，如床头箱、进给箱、溜板箱等。床身具有足够的刚度和强度，床身表面精度很高，以保证各部件之间有正确的相对位置。床身上有四条平行的导轨，供大拖板（刀架）和尾架相对于床头箱进行正确的移动，为了保持床身表面精度，在操作车床中应注意维护保养。2、床头箱（主轴箱）：用以支承主轴并使之旋转。主轴为空心结构。其前端外锥面安装三爪卡盘等附件来夹持工件，前端内锥面用来安装顶尖，细长孔可穿入长棒料。C616A车床主轴箱内只有一级变速，其主轴变速机构安放在远离主轴的单独变速箱中，以减小变速箱中的传动件产生的振动和热量对主轴的影响。    3、变速箱：由电动机带动变速箱内的齿轮轴转动，通过改变变速箱内的齿轮搭配（啮合）位置，得到不同的转速，然后通过皮带轮传动把运动传给主轴。    4、进给箱: 又称走刀箱，内装进给运动的变速齿轮，可调整进给量和螺距，并将运动传至光杆或丝杆。    5、光杆、丝杆：将进给箱的运动传给溜板箱。光杆用于一般车削的自动进给，不能用于车削螺纹。丝杆用于车削螺纹。    6、溜板箱：又称拖板箱，与刀架相联，是车床进给运动的操纵箱。它可将光杆传来的旋转运动变为车刀的纵向或横向的直线进给运动；可将丝杆传来的旋转运动，通过“对开螺母”直接变为车刀的纵向移动，用以车削螺纹。7、刀架：用来夹持车刀并使其作纵向、横向或斜向进给运动。它包括以下各部分。8、大拖板（大刀架、纵溜板）:与溜板箱连接，带动车刀沿床身导轨纵向移动，其上面有横向导轨。9、中溜板（横刀架、横溜板）:它可沿大拖板上的导轨横向移动，用于横向车削工件及控制切削深度。10、转盘:它与中溜板用螺钉紧固，松开螺钉，便可在水平面上旋转任意角度，其上有小刀架的导轨。11、小刀架（小拖板、小溜板）:它控制长度方向的微量切削，可沿转盘上面的导轨作短距离移动，将转盘偏转若干角度后，小刀架作斜向进给，可以车削圆锥体。12、方刀架:它固定在小刀架上，可同时安装四把车刀，松开手柄即可转动方刀架，把所需要的车刀转到工作位置上。13、尾架：安装在床身导轨上。在尾架的套筒内安装顶尖，支承工件；也可安装钻头、铰刀等刀具，在工件上进行孔加工；将尾架偏移，还可用来车削圆锥体，使用尾架时注意：14、用顶尖装夹工件时，必须将固定位置的长手柄扳紧，尾架套筒锁紧。15、尾架套筒伸出长，一般不超过100mm。16、一般情况下尾架的位置与床身端部平齐，在摇动拖板时严防尾架从床身上落下，造成事故。三、设计任务1、控制主轴正反转和实现其不同切削速度的主轴变速；2、刀架能实现纵向和横向的进给运动，并具备在换刀点自动改变四个刀位完成选择刀具；3、冷却泵、润滑泵的启停；加工螺纹时，应保证主轴转一转，刀架移动一个被加工螺纹的螺距或导程。第一章 车床数控改造的总体方案11车床数控改造的必要性数控技术是先进制造技术的核心技术，它的整体水平标志着一个国家工业现代化的水平和综合国力的强弱，具有超越其经济价值的战略物资地位。目前我国企业机械制造整体水平与发达国家相比还有很大的差距。由于我国企业大部分数控车床和数控系统依赖进口，企业承受不了巨额购置费，且易受国外的控制，另外数控机械设备维修力量薄弱，进口的备件维修成本高，设备完好率低，大部分进口车床数控系统已经崩溃，有的甚至在进口后还没使用就已因为各方面原因不能使用等等。因此目前我国企业车床数控化比例极低，不到5%，各企业使用的绝大部分为传统老式车床，很难满足企业高技术产品的生产需求和生产效率。为节约成本，进一步发挥老式传统车床的功效和潜在价值，将大批传统老式车床改造为数控车床是一种必然性和趋势。12车床数控改造的总体方案C616A车床，其刀架进给轴X轴（滑座进给）和Z轴（滑枕进给）只能互相切换，不能联动，无法加工具有复杂曲面的零件。察看 C616A 车床及有关资料，对 C616A车床进行数控改造，总体方案如下：121刀架的改造保留右刀架机械结构和手动加工操作功能不变，将右刀架留作常规加工或备用；在保留左滑座体、左刀架体和左滑枕的基础上对左刀架作简易数控化改造，改造时拆除原车床的进给箱及T形丝杠，将伺服电机减速齿轮箱安装在原车床的尾端，采用一级齿轮减速。将原来的T形丝杠替换为滚珠丝杠，滚珠丝杠仍安装在原丝杠的位置。122系统运动方式与伺服系统的选择由于改造后的经济型数控车床具有定位、直线插补、顺、逆圆弧插补、暂停、循环加工、公英制螺纹加工等功能，故应选择连续控制系统。考虑属于经济型数控车床加工的精度要求不高，为了简化结构、降低成本，采用步进电机开环控制系统。123车床车床数控系统的选择根据车床要求采用8位微机。由于DSP TMS320F240系列单片机具有集成度高，可靠性好，功能强，速度快。抗干扰性强，具有很高的性能价格比等特点，决定采用DSP TMS320F240系列的数控系统13车床数控改造系统的典型配置目前车床数控改造技术已经日趋成熟，专用化的车床数控改造系统所具备的性能和功能一般均能满足车床的常规加工要求。因此，目前较典型的经济型车床数控改造系统具有下列基本配置和功能：  一、采用单片微机为主控CPU，具有直线和圆弧插补、代码编程、刀具补偿和间隙补偿功能、数码管二坐标同时显示、自动转位刀架控制、螺纹加工等控制功能。 二、配有步进电机驱动系统，脉冲当量或控制精度一般为：Z为0.01mm，X向为0.005mm（要与相应导程的丝杠相配套）。 三、加工程序大多靠面板按键输入，代码编制，掉电自动保护存储器存储；可以对程序进行现场编辑修改和试运行操作。 四、具有单步或连续执行程序、循环执行程序、机械极限位置自动限位、超程报警，以及进给速度程序自动终止等各类数控基本功能。14车床数控改造的分类一、恢复原功能，对车床存在的故障部分进行诊断并恢复    二、NC化，在普通车床上加数显装置，或加数控系统，改造成NC车床、CNC车床；    三、翻新，为提高精度、效率和自动化程度，对机械、电气部分进行翻新，对机械部分重新装配加工，恢复原精度；对其不满足生产要求的CNC系统以最新CNC进行更新；    四、技术更新或技术创新，为提高性能或档次，或为了使用新工艺、新技术，在原有基础上进行较大规模的技术更新或技术创新，较大幅度地提高水平和档次的更新改造。15车床数控改造的意义一、资金少：车床的数控改造同购置新车床相比一般可节省60%左右的费用，大型及特殊设备尤为明显。一般大型车床改造只需花新车床购置费的1/3。即使将原车床的结构进行彻底改造升级也只需花费购买新车床60%的费用，并可以利用现有地基。  二、可靠性高：因原车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。  三、生产效率高：车床经数控改造后即可实现加工的自动化效率可比传统车床提高 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。第二章 经济型车床的多功能化设计以改造经济型车床C616 A为例，车床结构参见图1所示。21进给轴的改造普通车床的X轴和Z轴均由同一电机驱动，走刀运动经走刀箱传动丝杠及溜板箱，获得不同的工件螺距即Z轴运动；走刀运动经走刀箱传动光杆及溜板箱，获得不同的进刀量即X轴运动。普通车床数控化改造时一般都去掉走刀箱及溜板箱，改用进给伺服（或步进）传动链分别代替，具体体现为：Z轴：纵向电机减速箱（或联轴器）纵向滚珠丝杠大拖板，纵向按数控指令获得不同的走刀量和螺距。    X轴：横向电机减速箱（或联轴器）横向滚珠丝杠横滑板，横向按数控指令获得不同的走刀量。    改造后整个传动链的传动精度在保证车床刚性的前提下，与滚珠丝杠副的选择和布置结构形式、车床导轨的精度情况等有很大的关系。    211滚珠丝杠副的选择和布置结构形式    普通车床大多采用的是T型丝杠等滑动丝杠副，与滚珠丝杠副相比摩擦阻力大、传动效率低，不能适应于高速运动。另外由于磨损快，造成其精度保持性和寿命低等等，在进行普通车床数控化改造时往往都将其更换为滚珠丝杠副。滚珠丝杠副有以下一些特点：摩擦损失小，传动效率高，可达0.900.96；若使用的丝杠螺母预紧后，可以完全消除间隙，提高传动刚度；摩擦阻力小，几乎与运动速度无关，动静摩擦力之差极小，能保证运动平稳，不易产生低速爬行现象；磨损小、寿命长、精度保持性好。但应注意，由于滚珠丝杠副不能自锁，有可逆性，即能将旋转运动转换为直线运动，或将直线运动转换为旋转运动，因此丝杠立式和倾斜使用时，应增加制动装置或平衡装置。    一、滚珠丝杠副的分类1、根据其滚珠的回转方式可以分为外循环和内循环两种2、根据螺母的结构形式又可以分为双螺母和单螺母在进行改造时应根据具体情况和结构形式来定，由于外循环式丝杠副螺母回珠器在螺母外边，所以很容易损坏而出现卡死现象，而内循环式的回珠器在螺母副内部，不存在卡死和脱落现象。由于双螺母不仅装配、预紧调整等比单螺母方便，而且其传动刚性比单螺母也好，所以只要结构和车床空间满足要求，在普通车床数控化改造中多选内循环式双螺母结构。二、丝杠副轴承的布置形式改造时各轴滚珠丝杠的直径一般都是与原T型丝杠直径相近，对有特殊要求的车床还应根据杆系的稳定性计算其临界转速，最终确定滚珠丝杠的直径。丝杠导程在满足车床改造后性能的前提下越小，对车床的传动精度越有利。车床的传动精度在保证车床刚性的情况下，与丝杠副本身的精度和轴承布置形式有很大的关系，一般在普通车床改造中丝杠副选P4级即可满足要求，特殊精密车床选P3级甚至更高。丝杠副轴承常见的布置形式根据不同的需要可以分为以下几种，如图2。图2  丝杠副轴承的布置形式    1、图2a中为一端固定，一端悬空的布置方式。这种安装方式的承载能力小，轴向刚度低，仅适应于短丝杠，如数控车床的调整环节或升降台式数控铣床的垂直坐标中。    2、图2b中为一端固定，一端支承的布置方式。这种安装方式多在丝杠较长，转速较高的场合，在受力较大时还得增加角接触球轴承得数量，转速不高时多用更经济的推力球轴承代替角接触球轴承。    3、图2c和2d中为两端固定的布置方式。这种布置方式丝杠副得支承刚性最好，通过轴承的预紧力预拉伸丝杠，以减少丝杠热变形的影响。这种方式多用在丝杠长度不大得情况，但设计时要注意提高平面球轴承的承载能力、支承刚度以及丝杠装配时的预拉伸量，否则会影响轴承寿命，同时也会因为预加负载得不易控制而增加电机的附加扭矩。    212车床导轨    普通车床导轨大多采用的是滑动导轨，其动、静摩擦系数大，在使用一段时间后都会有不同程度的磨损，对车床传动精度和其保持性带来很大的影响。因此在对其进行数控化改造的同时必须针对车床导轨状况进行必要的检修处理，对于磨损较严重的更要进行大修，即进行磨削、淬火、贴塑、配刮等处理，同时采用合理的润滑，充分保证其精度。    213电机与丝杠的连接    在满足车床要求的前提下，为减少中间环节带来的传动误差，我们多将电机与丝杠副通过联轴器直接联接，这要根据改造中实际情况来定。一般对于小型车床如C616型，由于空间尺寸有限，特别是X轴，电机与丝杠副不能直联，多采用齿轮副或同步带论来传动；对于大型车床如C6150,床身长5米的车床，由于丝杠较长，直径较大，除了要考虑传动力的问题，还要考虑其低速性能及加减速惯量匹配的问题，往往电机都要通过几级减速来传动。无论是采用齿轮还是同步带论来传动，其传动间隙的消除是比较关键的。齿轮传动中常用的方法有错齿消隙法、偏心轴调整法等等，同步带论传动中多采用调整中心距或张紧轮消隙法。22主轴部分的改造    车床主轴带动工件以不同转速旋转是车削加工中的主运动，消耗车床大部分动力。普通车床由主电动机经皮带传动，经主轴变速箱带动主轴旋转，主轴箱经手动或自动变速获得（924）级转速，通过电磁或液压离合器操纵主轴的变速和正反转；而数控车床主轴箱由电主轴或传统机械主轴单元加变频电机和变频器组成。普通车床在数控化改造时大部分情况下保留原主轴箱，不做改动或少做改动。如需改动则要注意以下两点：    1、如原主轴含液压操纵主轴的变速、正反转和润滑功能，则需对其增装单独普通电机加以驱动，避免液压系统受到主电机正反转或转速变换而失灵。    2、如不需要原有机械变速换挡时，则需将主轴箱内齿轮组固定在一恒定的速度链上，摩擦片也应焊死以免因为误操作出现事故。    车床能否进行螺纹加工是主轴部分数控化改造的另一重要部分，传统车床加工螺纹时往往是通过挂轮组来完成，加工不同的螺纹则需不同的挂轮组，操作起来十分麻烦。改造图3 主轴编码器安装图时如图3，我们通常在主轴末端或挂轮架处增装一光电编码器，其转速与主轴转速一致，主轴转一周，光电码盘转一转，通过反馈给系统控制进给轴与主轴的同步性，从而加工出理想螺距的螺纹。根据其编码方式的不同，光电码盘可分为增量式光电码盘和绝对式光电码盘，目前国内常用的为增量式光电码盘。根据光电码盘上刻线条数可分为1024线、2048线等，我们常用的为1024线即可满足要求。23刀架部分的改造    拆除原刀架和小拖板，换上数控刀架。目前数控车床刀架基本为电动刀架，其特点是定位更准确、迅速。老式传统车床刀架多为手动、液压驱动或少部分的电动，改造时可以根据需要对其加以更换。由于本车床刀架改装以后，只能安装两把刀具，一把用于车削普通柱、锥面及端面，一把用于加工螺纹，故没有采用旋转式刀架，刀具是被安装在刀架的前后两端，采用X轴前后走刀以实现自动换刀。24润滑部分的改造    老式传统车床除主轴箱外，导轨、丝杠副、光杆等多用油枪定期注油润滑和油脂润滑，这对车床的导轨、丝杠副等的精度保持很不利，在同等驱动下车床运动的稳定性、灵活性也差一些。 图4车床的润滑    在对这些车床改造时一般都要对其润滑部分进行相应的改动，采用稀油集中定量、定时供油润滑的方式如图4，可分为手控润滑和编程自动润化两种，在车床导轨、丝杠副布置好油路后可根据需要任选一种。    丝杠支承轴承一般采用油脂润滑，如特殊需要和供油充分的条件下也可采用稀油润滑。第三章 数控系统的改造在我国，经济型车床因其价廉而得到广泛的应用。在数控化改造过程中，常使用的是单片机系统，如MCS-51系列单片机作为控制核心，控制系统的速度和精度因CPU的性能影响都不够高，改造后的功能也仅仅是单一数控车床而已。数控系统的核心在实践中采用了DSP TMS320F240微处理器作为数控系统的控制核心，提高了伺服系统控制的速度、稳定性、精度等性能，同时，实现了经济车床可进行车、铣、削等加工的多功能综合性数控改造。它具有高性能的DSP内核和丰富的微控制器外设功能，已成为MCS-51等传统的微控制系统和昂贵的多片设计的一种廉价的替代产品。与其他方案相比，它不但具有高速信号处理和数字控制功能，而且为步进电机和其他电机控制应用提供了解决方案所必需的外围设备。31数控系统的分类一、步进电机拖动的开环系统该系统的伺服驱动装置主要是步进电机、功率步进电机、电液脉冲马达等。由数控系统送出的进给指令脉冲，经驱动电路控制和功率放大后，使步进电机转动，通过齿轮副与滚珠丝杠副驱动执行部件。只要控制指令脉冲的数量、频率以及通电顺序，便可控制执行部件运动的位移量、速度和运动方向。这种系统不需要将所测得的实际位置和速度反馈到输入端，故称之为开环系统，该系统的位移精度主要决定于步进电机的角位移精度，齿轮丝杠等传动元件的节距精度，所以系统的位移精度较低。该系统结构简单，调试维修方便，工作可靠，成本低，易改装成功。二、异步电动机或直流电机拖动，光栅测量反馈的闭环数控系统该系统与开环系统的区别是：由光栅、感应同步器等位置检测装置测得的实际位置反馈信号，随时与给定值进行比较，将两者的差值放大和变换，驱动执行机构，以给定的速度向着消除偏差的方向运动，直到给定位置与反馈的实际位置的差值等于零为止。闭环进给系统在结构上比开环进给系统复杂，成本也高，对环境室温要求严。设计和调试都比开环系统难。但是可以获得比开环进给系统更高的精度，更快的速度，驱动功率更大的特性指标。可根据产品技术要求，决定是否采用这种系统。三、交/直流伺服电机拖动，编码器反馈的半闭环数控系统半闭环系统检测元件安装在中间传动件上，间接测量执行部件的位置。它只能补偿系统环路内部部分元件的误差，因此，它的精度比闭环系统的精度低，但是它的结构与调试都较闭环系统简单。在将角位移检测元件与速度检测元件和伺服电机作成一个整体时则无需考虑位置检测装置的安装问题。32 DSP TMS320F240数控系统特点及主要技术指标一、是以单片机为核心的两坐标联动经济型数控系统二、图形跟踪CRT显示三、最小输出增量：X轴0.005mm，Z轴0.01mm四、具有直线、圆弧、螺纹插补和间隙、刀具补偿功能五、程序输入方式：键盘、RS-232C33 DSP TMS320F控制系统的实现331 DSP TMS320F的组成一、CPU（20MIPS的高速运算能力）二、544×16的片内RAM三、64K×16FLASHEEPROM四、事件管理器五、片内外围接口模块（EMIF）332 DSP TMS320F控制电机的独特资源一、通用定时器二、12路PWM脉宽调制输出，2路10位8通道A/D转换器三、SPI和SCI同步串行外设接口四、看门狗（WATCHDOG）五、实时中断定时器(RTI)由于数控系统高速度和高精度的要求，选用12bits串行D/A转换器TLV5616,该器件带有灵活的4线串行接口，可以无缝连接F240串行口，采用12bits并行A/D转换器，采集受控对象的输出并传送给F240,F240根据控制算法实时准确地修正控制输入。由于TMS320F240 的内部存储器不能满足需要，必须进行扩展，将程序存储器扩展为64K×16的SRAM存放零件加工程序,数据存储器扩展为64K×16的FLASH ROM存放系统程序。用DSP TMS320F240实现的C616A车床控制系统结构框图如图5所示，整个车床的DSP硬件结构原理图如图6所示计算机数字控制装置DSP TMS320F240PWM步进电机输出设备功放光电耦合输入设备存储器调节单元光栅接口电路减速齿轮车床拖板直线光栅滚珠丝扛反馈值指令值 图5 DSP控制系统结构框图数码管显示X向拖板光栅位移键盘设定上位机SPISCII/OROM定时器/计数器TMS320F240DSPPDP INTWATCHDOG/RTI监控电路Z向拖板光栅位移X与Z驱动电源中间继电器急停与滞位开关量输入4倍频接口电路4倍频接口电路光电耦合器组TLP250 图6  DSP车床控制系统硬件原理框图34车床多功能加工的数控原理经过上述的数控改造后，数控主系统可以控制Z向、X向运动的运行；也可以与数控子系统串联，同时实现控制与Y向运动的联动运行(数控子系统Y向由数控主系统的发信指令控制启动运行)。数控主系统与子系统的联动加工流程控制如图7所示。开始开始结束到达工件开始点位置延时指令：等待与数控子系统同时同步进入加工直线指令：Z向运行(加工平面)直线指令：Z向运行(加工螺旋槽)直线指令：Z向运行(加工径向槽)到达工件加工点位置发信指令，启动数控子系统垂直(圆弧)指令：X/Y运行(加工凸起部分)加工单头/多头丝扛时的指令车削(磨削、抛磨)的指令恢复原车床功能到达工件加工点位置暂停指令：主轴不动垂直指令：主轴转动垂直指令：主轴转动垂直指令：主轴转动子系统响应指令子系统响应指令垂直(圆弧)指令：X/Y运行(返回加工原点)数控主系统数控子系统图7 主、子数控系统联动加工流程图35数控系统的I/O连接CPU与外部设备、存储器的连接和数据交换都需要通过接口设备来实现，前者被称为I/O接口，而后者则被称为存储器接口。存储器通常在CPU的同步控制下工作，接口电路比较简单；而I/O设备品种繁多，其相应的接口电路也各不相同。简单的说I/O接口就是机器的设备与设备之间通信用的接口。351 I/O接口的分类 I/O接口的功能是负责实现CPU通过系统总线把I/O电路和外围设备联系在一起，按照电路和设备的复杂程度，I/O接口的硬件主要分为两大类： 一、I/O接口芯片这些芯片大都是集成电路，通过CPU输入不同的命令和参数，并控制相关的I/O电路和简单的外设作相应的操作，常见的接口芯片如定时计数器、中断控制器、DMA控制器、并行接口等。二、I/O接口控制卡有若干个集成电路按一定的逻辑组成为一个部件，或者直接与CPU同在主板上，或是一个插件插在系统总线插槽上。按照接口的连接对象来分，又可以将他们分为串行接口、并行接口、键盘接口和磁盘接口等。352接口的功能 DSP TMS320F数控系统I/0接口主要实现与光电编码器接口、步进电机控制接口、数控刀架接口和开关量输入输出接口。由于计算机的外围设备品种繁多，几乎都采用了机电传动设备，因此，CPU在与I/O设备进行数据交换时存在速度不匹配、时序不匹配、信息格式不匹配、信息类型不匹配等问题。基于以上原因，CPU与外设之间的数据交换必须通过接口来完成，通常接口有以下一些功能：一、设置数据的寄存、缓冲逻辑，适应CPU与外设之间的速度差异，接口通常由一些寄存器或RAM芯片组成。如果芯片足够大还可以实现批量数据的传输二、能够进行信息格式的转换，例如串行和并行的转换 三、能够协调CPU和外设两者在信息的类型和电平的差异，如电平转换驱动器、数/模或模/数转换器等四、协调时序差异五、地址译码和设备选择功能六、设置中断和DMA控制逻辑，以保证在中断和DMA允许的情况下产生中断和DMA请求信号，并在接受到中断和DMA应答之后完成中断处理和DMA传输。353 CPU通过接口对外设进行控制的方式一、程序查询方式 CPU通过I/O指令询问指定外设当前的状态。如果外设准备就绪则进行数据的输入或输出，否则CPU等待循环查询。优点是结构简单，只需要少量的硬件电路即可。缺点是由于CPU的速度远远高于外设，因此通常处于等待状态，工作效率很低。二、中断处理方式CPU不再被动等待，而是可以执行其他程序，一旦外设为数据交换准备就绪，可以向CPU提出服务请求，CPU如果响应请求，便暂时停止当前程序的执行，转去执行与该请求对应的服务程序，完成后再继续执行原来被中断的程序。优点是不但为CPU省去了查询外设状态和等待外设就绪所花费的时间，提高了CPU的工作效率，还满足了外设的实时要求。但需要为每个I/O设备分配一个中断请求号和相应的中断服务程序，此外还需要一个中断控制器（I/O接口芯片）、管理I/O设备提出的中断请求（中断屏蔽、中断请求优先级）。 不足之处是每传送一个字符都要进行中断，启动中断控制器，还要保留和恢复现场以便能继续原程序的执行，花费的工作量很大，这样如果需要大量数据交换，系统的性能会很低。 三、DMA（直接存储器存取）传送方式 DMA最明显的一个特点是它不是用软件而是采用一个专门的控制器来控制内存与外设之间的数据交流，无须CPU介入，大大提高CPU的工作效率。 在进行DMA数据传送之前，DMA控制器会向CPU申请总线控制 权，CPU如果允许，则将控制权交出，因此，在数据交换时，总线控制权由DMA控制器掌握，在传输结束后，DMA控制器将总线控制权交还给CPU。36光电编码器361光电编码器的概念光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。具有体积小，精度高，工作可靠,接口数字化等优点。它广泛应用于数控机床、回转台、伺服传动、机器人、雷达、军事目标测定等需要检测角度的装置和设备中。光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔（如图8）。由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。此外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差90度的两路脉冲信号。 图8光电编码器362光电编码器的分类根据检测原理，编码器可分为光学式、磁式、感应式和电容式。根据其刻度方法及信号输出形式，可分为增量式、绝对式以及混合式三种。一、增量式编码器增量式编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲A、B和Z相，A、B两组脉冲相位差90&ordm,从而可方便地判断出旋转方向，而Z相为每转为一个脉冲，用于基准点定位。它的优点是原理构造简单，机械平均寿命可在几万小时以上，抗干扰能力强，可靠性高，适合于长距离传输。其缺点是无法输出轴转动的绝对位置信息。二、绝对式编码器绝对编码器是直接输出数字量的传感器，在它的圆形码盘上沿径向有若干同心码道，每条道上由透光和不透光的扇形区相间组成，相邻码道的扇区数目是双倍关系，码盘上的码道数就是它的二进制书数码的位数。在码盘的一侧是光源，另一侧对应每一码道有一光敏元件。当码盘处于不同位置时，各光敏元件根据受光照与否转换出相应的电平信号，形成二进制数。这种编码器的特点是不要计数器，在转轴的任意位置都可读出一个固定的与位置相对应的数字码。显然，码道越多，分辨率就越高，对于一个具有N位二进制分辨率的编码器，其码盘必须有N条码道。绝对式编码器是利用自然二进制或循环二进制（葛莱码）方式进行光电转换的。绝对式编码器与增量式编码器不同之处在于圆盘上透光、不透光的线条图形。绝对编码器可有若干编码，根据读出码盘上的编码，检测绝对位置。编码的设计可采用二进制码、循环码、二进制补码等。它的特点是：1、可以直接读出角度坐标的绝对值。 2、电源切除后位置信息不会丢失。但是分辨率是由二进制的位数来决定的，也就是说精度取决于位数，目前有10位、14位等多种。 三、混合式绝对值编码器 混合式绝对值编码器，它输出两组信息：一组信息用于检测磁极位置，带有绝对信息功能；另一组则完全同增量式编码器的输出信息。光电编码器是一种角度（角速度）检测装置，它将输入给轴的角度量，利用光电转换原理 转换成相应的电脉冲或数字量，具有体积小，精度高，工作可靠,接口数字化等优点。第四章 伺服系统的改造伺服系统是数控车床的重要组成部分，用于实现数控车床的进给伺服控制和主轴伺服控制。伺服系统的作用是把接受来自数控装置的指令信息，经功率放大、整形处理后，转换成车床执行部件的直线位移或角位移运动。由于伺服系统是数控车床的最后环节，其性能将直接影响数控车床的精度和速度等技术指标，因此，对数控车床的伺服驱动装置，要求具有良好的快速反应性能，准确而灵敏地跟踪数控装置发出的数字指令信号，并能忠实地执行来自数控装置的指令，提高系统的动态跟随特性和静态跟踪精度。41伺服系统的分类一、闭环控制伺服系统，有车床移动部件上的检测反馈装置，在加工时刻检测车床移动部件的位置，使之和数控装置所要求的位置想符合，以期达到很高的加工精度。闭环系统多采用直流伺服电机或交流电机驱动。这类车床的优点是精度高，速度快，但是调试和维修比较复杂，其关键是系统的稳定性，所以在设计是必须对稳定性给予足够的重视。二、半闭环控制伺服系统，对工作台的实际位置不进行检查测量，而是通过与伺服电机有联系的测量元件，如测速发电机或光电编码盘等间接测出伺服电机的转角，推算出工作台的实际位置量，用此值与指令植进行比较，用差值来实现控制。这种控制方式介于开环与闭环之间，精度没有闭环高，调试却比闭环方便。三、开环控制伺服系统，没有检测反馈装置，数控装置发出的信号的流程是单向的，也正是由于信号的单向流程，它对车床移动部件的实际位置不做检测，所以车床加工精度要求不太高，其精度主要取决于伺服系统的性能。开环伺服系统主要的执行元件是步进电动机。这类车床工作比较稳定，反映迅速，调试和维修比较简单。目前经济型数控车床普遍采用开环伺服系统。42伺服系统的组成伺服系统包括执行元件和驱动装置两大部分。步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机是伺服系统常用的执行元件。驱动装置由主轴驱动单元、进给驱动单元组成。下面对两大部分分别进行改造43执行元件的改造