摘 要：隨著我國計算機技術(shù)的發(fā)展，以及CAD軟件的普及，機床加工中，對普通機床進行數(shù)控化改造，能夠提高生產(chǎn)效率，大大促進機床自動化進程，有效的擴展與完善機床的功能，簡化機械產(chǎn)品加工處理方法。本文從普通機床數(shù)控化優(yōu)勢為著眼點，詳細分析了普通機床數(shù)控改造的關(guān)鍵技術(shù)：開環(huán)控制技術(shù)、機床機械部分數(shù)控改造、步進電機改造技術(shù)、數(shù)控機床系統(tǒng)設(shè)計。通過對普通機床數(shù)控改造技術(shù)的分析及實踐發(fā)展，通過對普通機床進行數(shù)控改造，不但延長了普通機床的使用壽命，而且大大提高了加工產(chǎn)品的質(zhì)量，其前景十分可觀。

關(guān)鍵詞：機床 機床數(shù)控化 數(shù)控改造

中圖分類號：TG502 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）04（a）-0069-02

實現(xiàn)機床數(shù)控化，不僅可以提高機械加工自動化水平，也可以提高普通機床的工作性能，同時，數(shù)控化機床也能夠為企業(yè)機械加工節(jié)省資金，有效提高機床精度與效率，本文主要以某型號普通機床的數(shù)控化改造為例對基于普通機床的數(shù)控改造關(guān)鍵技術(shù)進行研究分析。

1 普通機床數(shù)控化優(yōu)勢

普通機床數(shù)控化，可以應(yīng)用軟件系統(tǒng)程序，使計算機進行自動編制，自動編程取代了傳統(tǒng)手工編程的方式，極大提高了當(dāng)前機床工作效率。同時也具有一定的靈活性，提高機床在執(zhí)行動作，提升普通機床控制智能化。而且數(shù)控機床中，很大程度上提高普通機床產(chǎn)品精度、效率，簡化數(shù)控操作。

2 普通機床數(shù)控改造關(guān)鍵技術(shù)

2.1 開環(huán)控制技術(shù)

數(shù)控機床有開環(huán)控制和閉環(huán)控制兩種，其中開環(huán)控制結(jié)構(gòu)簡單、方便改裝，成本相對更低，本次普通機床數(shù)控化改造中，根據(jù)改造后機床的要求，選擇步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)，以簡化結(jié)構(gòu)、降低成本。機床改造后，由數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出指令脈沖，對系統(tǒng)執(zhí)行部件進行控制，位移量、速度和運動方向的控制，通過對指令脈沖數(shù)量、頻率和通電順序的控制實現(xiàn)。8255PA口輸出控制字，通過光電耦合導(dǎo)通，TIP142導(dǎo)通電源驅(qū)動電機，電流檢測電路接上的采樣信號經(jīng)過放大、比較最后將信息送到TIP147基極驅(qū)動電路控制TIP147的飽和與截至從而控制27V電源電路的通斷。若繞阻電流不夠3A，則27V電源工作，使電流增加，電流達到電機允許的限度時反饋信號經(jīng)檢測電路控制TIP147截至，27V電源停止工作，電流由5V電源供給，TLP421-4用于將電路中+5V電壓與+27V電壓隔開，以防+27V高壓破壞器件。

2.2 機床機械部分數(shù)控改造

機床數(shù)控改造機械部分設(shè)計中，對于零件結(jié)構(gòu)、尺寸等方面，應(yīng)滿足傳動穩(wěn)定，不影響精度或者精度必須滿足在要求的范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)盡量簡單、傳動合理以及經(jīng)濟性好的優(yōu)點。對于絲杠傳動副改造中，確保被加工零件坐標精度，降低電機啟動力矩，拆除原進給傳動鏈，換上伺服電機直接驅(qū)動的滾珠絲杠傳動；在齒輪副改造中，確保有良好的耐摩擦與磨損特性，這樣可以減少摩擦阻力，在改造中，可以將螺釘以及粘劑固定在鑄鐵床身上；使用步進電機經(jīng)齒輪減速后再傳動絲桿，以達到機床改造中分辨率的要求；采用滾珠絲桿螺母副，以減少摩擦力，保證精度和平穩(wěn)性。預(yù)緊結(jié)構(gòu)采用雙螺母紋式，這種預(yù)緊方法結(jié)構(gòu)較緊湊，可隨時調(diào)整滾道磨損，通過對端部圓螺母的調(diào)整，實現(xiàn)螺母的軸向位移。為提高工作效率，提高改造后機床自動化水平，將原車床手動刀架改造為電動刀架。車床電動刀架可完成零件加工中不同工序的換刀工作，采用三相微型異步電動機驅(qū)動刀架，結(jié)構(gòu)采用預(yù)加負荷，以消除間隙，提高傳動剛度。在機床的自動換刀裝置改造中，需加入自動回轉(zhuǎn)刀架；對于機床安全防護改造中，應(yīng)該采取特殊保護，嚴防灰塵特、切屑、硬砂粒進入切削滾道。

2.3 步進電機改造技術(shù)

機床數(shù)控化改造中開環(huán)伺服系統(tǒng)執(zhí)行元件一般為反應(yīng)式功率步進電機，合理選擇步進電機對于防止機床數(shù)控化改造后發(fā)生反應(yīng)緩慢、失步或系統(tǒng)精度不夠等問題有著重要意義。步進電機的選擇需考慮機床精度、脈沖當(dāng)量、負載慣量、快速空載起動轉(zhuǎn)矩、工作狀態(tài)負載轉(zhuǎn)矩及負載起動頻率、運行最高頻率，首先對等效轉(zhuǎn)動慣量、電機力矩、空載起動頻率和切削時工作頻率等進行計算，根據(jù)計算結(jié)果，進行匹配，確定數(shù)控化改造中合適的電機型號，本次改造中根據(jù)計算結(jié)果，最終選擇90BF002型步進電機。由于普通機床刀架滑移由兩個驅(qū)動裝置的滑移組成，與導(dǎo)軌平行方向和導(dǎo)軌垂直的水平方向，由于在這兩個方向可任意滑移，所以，刀架（包括刀具）可停留在加工有效區(qū)的任意位置；伺服系統(tǒng)進給量、速度的控制，主要是利用PLC編程通過控制脈沖信號實現(xiàn)。采用軟件來產(chǎn)生控制步進電機的環(huán)型脈沖信號，采用軟件自動升降速控制，實現(xiàn)這樣的分配方案，只需PA口順序輸出二進制控制字001H、011H、010H、110H、100H、101H即可；電機反方向旋轉(zhuǎn)時，輸出順序相反。采用通用接口芯片8255的PA口作為步進電機的控制口，不需要用專門電路把單序列脈沖轉(zhuǎn)換為多序列脈沖，增加主回路電阻和放電回路電阻改善電波形，使上升沿與下降沿陡峭。驅(qū)動電路電源部分，由于驅(qū)動電路需要直恒流27V、15V、6V、5V穩(wěn)定電源，根據(jù)驅(qū)動電路中步進電機滿足電流在3A以上。

2.4 數(shù)控機床系統(tǒng)設(shè)計

改造后的數(shù)控機床數(shù)控系統(tǒng)由硬件電路、軟件程序組成，前者包括單片機、車床、輔助電路等，為數(shù)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)，其性能對系統(tǒng)的整體工作性能有著直接的影響；后者由監(jiān)控軟件和控制軟件兩部分組成，監(jiān)控軟件主要用于系統(tǒng)狀態(tài)的監(jiān)測，并提供基本操作管理，控制軟件根據(jù)編程對機床運行進行控制。

數(shù)控機床的硬件部分由CPU、總線、存貯器和I/O接口電路四個部分組成（見圖1）。CPU負責(zé)數(shù)據(jù)運算處理，通過對各部分電路的控制，使電路協(xié)調(diào)工作，是整個系統(tǒng)的核心；存貯器存放系統(tǒng)軟件及其運行過程中所需的各種數(shù)據(jù)；通過I/O接口實現(xiàn)系統(tǒng)和外界的信息交換；CUP、存貯器、I/O接口及其他轉(zhuǎn)換電路利用總線例連接在一起。

單片機的選擇根據(jù)機床改造要求、系統(tǒng)需求，考慮價格等因素進行確定，其中MCS-51系列8031芯片，屬于8位單片機，功能全、體積小，且易于編程、開發(fā)手段全、硬件資源豐富，同時價格相對較低，在國內(nèi)較為適用。由于8031片內(nèi)無程序存儲器，可使用6264（8K×8）片外接CPU部分，擴展8031的RAM存貯器的，程序存貯器的擴展通過外接2片2764（8K×8）片實現(xiàn)。8031為用戶提供的I/O口有P1、P3口，由于不能滿足系統(tǒng)需求，可使用8155片進行I/O口擴展。

使用8031片的數(shù)控系統(tǒng)如那件設(shè)計有中央處理單元、PA、PB和PC接口等初始化程序和直線插補計算、顯示、報警、急停等功能程序。系統(tǒng)啟動后，進行初始化，選擇手動或自動，若選擇手動，則讀取按鍵信息，若輸入正確，則可手動選刀，調(diào)用功能程序并顯示，若輸入不正確則報警；若選擇自動，則可實現(xiàn)自動選刀，根據(jù)外部程序命令，調(diào)動功能程序，系統(tǒng)運行過程中，若出現(xiàn)特殊情況，則急停，否則循環(huán)運行。

3 機床數(shù)控化改造的發(fā)展前景

機床數(shù)控化改造能在保有普通機床原有功能的基礎(chǔ)上，提高其精度，實現(xiàn)普通機床生產(chǎn)過程自動化，實現(xiàn)普通機床控制過程的數(shù)字化。大大提高普通機床生產(chǎn)效率， 為企業(yè)節(jié)省資金，降低成本。改造后的車床屬于開環(huán)控制，選擇步進電機作為雙向進給驅(qū)動電動機，采用單片機作為控制核心的控制系統(tǒng)，對原有機床機械機構(gòu)、性能、功能基礎(chǔ)上，用單片機系統(tǒng)實現(xiàn)弱電控制強電機，改造機床切削工藝，提高普通機床切削精度和效率。

普通機床數(shù)控改造的過程中，根據(jù)普通機床使用情況及工況要求， 可以選擇合理的數(shù)控系統(tǒng)及其電子設(shè)備， 提高數(shù)控加工的工作效率，極大的提高機械產(chǎn)品加工的速率，在機床加工中通過數(shù)控中的宏程序?qū)ψ兞繑?shù)據(jù)進行編程，提高機械產(chǎn)品加工的效率，不僅能加工常見的零件，還可用于形狀復(fù)雜零件加工中，滿足加工精度。普通機床數(shù)控改造技術(shù)，可以提升我國制造業(yè)裝備水平， 延長了普通機床的使用壽命，提高加工產(chǎn)品的質(zhì)量，增強市場競爭力，在未來極具發(fā)展前景。

4 結(jié)語

基于普通機床的數(shù)控加工技術(shù)，可以自動化加工機床零件，不僅可以提高機床產(chǎn)品綜合性能，還可以優(yōu)化機床零件加工工藝，提高機床全年的零件生產(chǎn)質(zhì)量，具有實際改造價值，值得在實際中推廣應(yīng)用。

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