普通车床的数控化改造【文献综述】

文献综述

机械设计制造及其自动化

普通车床的数控化改造

1前言

针对现有常规普遍车床的不足提出数控改装方案和单片机系统设计，提高加工精度和扩大机床使用范围，并提高生产率。本论文说明了普通车床的数控化改造的设计过程，较详尽地介绍了机械改造部分的设计及数控系统部分的设计。采用以8051为CPU的控制系统，由I/O接口输出步进脉冲，经一级齿轮传动减速后，带动滚动丝杠转动，从而实现纵向、横向的进给运动。

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。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。

机床与生产线的数控化改造主要内容有以下几点：

其一是恢复原功能，对机床、生产线存在的故障部分进行诊断并恢复；

其二是NC化，在普通机床上加数显装置，或加数控系统，改造成NC机床、CNC机床；

其三是翻新，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；

其四是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。

自改革开放以来，很多企业从国外引进技术、机床设备和生产线进行技术改造。据不完全统计，从1979-1988年，全国引进技术改造项目就有18446项，大约165.8亿美元。

这些项目中，大部分项目为我国的经济建设发挥了应有的作用。但是有的引进项目由于种种原因，不仅没有创造财富，反而消耗着财富，有的设备或生产线不能正常运转，使企业的效益受到影响，陷入困境这些不能使用的机床设备、生产线是一批很大的存量资产，修好了就是财富只要找出主要的技术难点，通过数控化改造提高技术性能和装备水平，就可以最

小的投资盘活最大的存量资产，争取到最大的经济效益和社会效益。所以机床的数控化改造是势在必行的，我国必须提高普通机床的数控化改造率。

数控未来发展的趋势

继续向开放式、基于PC的第六代方向发展

基于PC所具有的开放性、低成本、高可靠性、软硬件资源丰富等特点，更多的数控系统生产厂家会走上这条道路。至少采用PC机作为它的前端机，来处理人机界面、编程、联网通信等问题，由原有的系统承担数控的任务。PC机所具有的友好的人机界面，将普及到所有的数控系统。远程通讯，远程诊断和维修将更加普遍。

向高速化和高精度化发展

这是适应机床向高速和高精度方向发展的需要。

向智能化方向发展

随着人工智能在计算机领域的不断渗透和发展，数控系统的智能化程度将不断提高。

2 文献资料综述

【1】.机床数控化改造技术，罗永顺主编：机械工业出版社　，2007

本书主要介绍了数控机床的基本结构和工作原理，详细阐述了数控系统、伺服系统、机械结构、电气系统、液压系统改造设计中使用的技术、方法及出现的常见问题及解决方法，并简要介绍了数控机床的精度及可靠性的分析与实现。本书能准确、详细地指导学生和技术人员实施对机床的数控化改造。

1 数控系统发展简史

1946年诞生了世界上第一台电子计算机，这表明人类创造了可增强和部分代替脑力劳动的工具。它与人类在农业、工业社会中创造的那些只是增强体力劳动的工具相比，起了质的飞跃，为人类进入信息社会奠定了基础。6年后，即在1952年，计算机技术应用到了机床上，在美国诞生了第一台数控机床。从此，传统机床产生了质的变化。近半个世纪以来，数控系统经历了两个阶段和六代的发展。

2 机床数控化改造的必要性

2.1微观看改造的必要性

从微观上看，数控机床比传统机床有以下突出的优越性，而且这些优越性均来自数控系统所包含的计算机的威力。

2．1．1可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。

由于计算机有高超的运算能力，可以瞬时准确地计算出每个坐标轴瞬时应该运动的运动量，因此可以复合成复杂的曲线或曲面。

2．1．2可以实现加工的自动化，而且是柔性自动化，从而效率可比传统机床提高3～7倍。由于计算机有记忆和存储能力，可以将输入的程序记住和存储下来，然后按程序规定的顺序自动去执行，从而实现自动化。数控机床只要更换一个程序，就可实现另一工件加工的自动化，从而使单件和小批生产得以自动化，故被称为实现了"柔性自动化"。

2．1．3 加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要"修配"。

2．1．4 可实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬运。

2．1．5拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，因而可实现长时间无人看管加工。

2．1．6由以上五条派生的好处。

如：降低了工人的劳动强度，节省了劳动力（一个人可以看管多台机床），减少了工装，缩短了新产品试制周期和生产周期，可对市场需求作出快速反应等。

2．2宏观看改造的必要性

从宏观上看，工业发达国家的军、民机械工业，在70年代末、80年代初已开始大规模应用数控机床。由于采用信息技术对国外军、民机械工业进行深入改造（称之为信息化），最终使得他们的产品在国际军品和民品的市场上竞争力大为增强。而我们在信息技术改造传统产业方面比发达国家约落后20年。如我国机床拥有量中，数控机床的比重（数控化率）到1995年只有1.9％，而日本在1994年已达20.8％，因此每年都有大量机电产品进口。这也就从宏观上说明了机床数控化改造的必要性

【2】机床切削机床概论贾亚洲主编.机械工业出版社.1996

普通卧式车床CA6140工艺范围和布局

CA6140型卧床的工艺范围很广，它适用于加工各种轴类、套筒类和盘类零件上的回转表面，如车削内外圆柱面、圆锥面、环槽及成形回转面；车削端面及各种常用螺纹；还可以进行钻孔、扩孔、铰孔、滚花、攻螺纹和套螺纹等。

普通卧式车床CA6140传动系统

分析机床的传动系统时，应根据被加工工件的形状确定机床需要哪些运动，实现各个运动的执行件和运动源是什么，进而分析机床需要有哪些传动链。方法是：首先找到传动链所联系的两个端件(运动源和某一执行件，或者一个执行件和另一执行件)，然后按照运动传递

顺序从一个端件向另一端件依次分析各传动轴之间的传动结构和运动传递关系，查明该传动链的传动路线以及变速、换向、接通和断开的工作原理。

机床运动计算按每一传动链分别进行，一般步骤为：

(1)确定传动链的两端件，如电动机—主轴，主轴—刀架等；

(2)根据传动链两端件的运动关系，确定它们的计算位移，即在指定的同一时间间隔内两端件的位移量。例如，车床螺纹进给传动链的计算位移为：主轴转一转，刀架移动工件螺纹一个导程L(单位为mm)；

(3)根据计算位移以及相应传动链中各个顺序排列的传动副的传动比，列写运动平衡式；

(4) 根据运动平衡式，计算出执行件的运动速度(转速、进给量

等)或位移量，或者整理出换置机构的换置公式，然后按加工条件确定挂轮变速机构所需采用的配换齿轮齿数，或确定对其他变速机构的调整要求。

普通卧式车床CA6140结构

三箱

主轴箱：内装有主轴实现主运动，主轴端部有三爪或四爪卡盘以夹持工件

进给箱：作用是变换进给量，并把运动传给溜板箱

溜板箱：带动刀架实现纵向、横向进给，快速移动或车螺纹

刀架：装四组刀具，按需要手动转位使用

尾座：支持工件或安装钻头等孔加工刀具

床身：部件都安装在床身上，以保持部件间相互位置精度。

基本参数

床身上最大回转直径mm：400

刀架上回转直径mm：210

二顶尖间距离mm

主轴通孔直径mm

主轴头形式：A6;C8;D8

床身导轨宽度mm:400

床身导轨硬度RC:52

主电机功率kW：705

技术参数

主轴转速范围（24）r/min：10-1400

进给量范围（标准）mm/r：0.08-1.59

进给量范围（细进给）mm/r：0.028-0.054

进给量范围（加大进给）mm/r：1.71-6.33

加工公制螺纹范围（44种）mm：1-192

加工英制螺纹范围（20种）tpi：24-2

加工模数螺纹范围（39种）mm：0.25-48

加工径节螺纹范围（37种）DP：1-96

外观参数

机床净kg：1990

机床轮廓尺寸（长×宽×高）mm：2418×1000×1267

机床包装尺寸（长×宽×高）mm：2550×1260×1760

性能描述

本机床适用于车削内外圆柱面，圆锥面及其它旋转面，车削各种公制、英制、模数和径节螺纹，并能进行钻孔，铰孔和拉油槽等工作。

【3】机械原理，高等教育出版社, 1995，孙桓等主编.

一、平面四杆机构具有以下传动特点

1.1、连杆机构中的运动副一般均为低副（lower pair）。低副运动副元素为面接触，压强较小，故可承受较大的载荷；切有利于润滑，磨损较小；运动副元素几何形状简单（平面或圆柱面），便于加工制造，成本低。

1.2、在连杆机构中，当原动件的运动规律不变，可用改变各构件的相对长度来使从动件得到不同的运动规律。

1.3、在连杆机构中，连杆上各点的轨迹是各种不同形状的曲线（称为连杆曲线），其形状还随着各构件相对长度的改变而改变，从而可以得到形式众多的连杆曲线，我们可以利用这些曲线来满足不同轨迹的设计要求。

二、连杆机构的缺点

2.1、由于连杆几的运动必须经过中间构件进行传递，因而传递路线较长，易产生较大的误差积累，同时，也使机械效率降低。

2.2、在连杆机构运动过程中，连杆及滑块的质心都在作变速运动，所以产生的惯性力难于用一般平衡方法加以消除，因而会增加机构的动载荷(dynamic load)，所以连杆机构不宜用于高速运动。

三、机械中的力

3.1、驱动力驱使机械运动的力。

特点：驱动力与其作用点速度的方向相同或成锐角。其所作的功为正功，称为驱动功

或输入功。

3.2、阻抗力阻止机械运动的力。

　特点：阻抗力与其作用点速度的方向相反或成钝角。其所作的功为负，称为阻抗

功。

3.2.1、有效阻力机械在运动过程中为了改变工作物的外形、位置或形状等所受到的阻

力。如机床中工件作用于刀具上的切削阻力，起重机所起重物的重力。克服有效阻力

所作的功称为有效功或输入功。

3.2.2、有害阻力机械在运动过程中所受到的非生产阻力。如摩擦力、气液等介质阻

力。克服有害阻力所作的功称为损失功，它纯粹是一种浪费。

3.3、滑动导轨副

对数控车床来说，导轨除应具有普通车床导向精度和工艺性外，还要有良好的耐

摩擦、磨损特性，并减少因摩擦阻力而致死区。同时要有足够的刚度，以减少导轨变

形对加工精度的影响，要有合理的导轨防护和润滑。

【4】.金属切削手册[M]，上海金属切削技术协会编：上海科学技术出版社，1984

１　切削力计算的经验公式

通过试验的方法，测出各种影响因素变化时的切削力数据，加以处理得到的反映各因素与切削力关系的表达式，称为切削力计算的经验公式。在实际中使用切削力的经验公式有两种：一是指数公式，二是单位切削力。

1.1　指数公式

主切削力(2-4)

背向力(2-5)

进给力(2-6)

式中 F c ————主切削力（ N）；

　F p ———— 背向力（ N）；

　F f ———— 进给力（ N）；

　C fc、 C fp、 C ff ———— 系数，可查表 2-1；

　x fc、 y fc、 n fc、 x fp、 y fp、 n fp、 x ff、 y ff、 n ff ------ 指数，可查表 2-1。

　K Fc、 K Fp、 K Ff ---- 修正系数，可查表 2-5，表 2-6。

1.2 单位切削力

单位切削力是指单位切削面积上的主切削力，用 kc表示，见表 2-2。

　kc=Fc/A d=Fc/(a p·f)=F c/(b d·h d) (2-7)

式中 A D -------切削面积（ mm 2）；

a p ------- 背吃刀量（ mm）；

f - ------- 进给量（ mm/r）；

　h d -------- 切削厚度（ mm ）；

b d -------- 切削宽度（ mm）。

已知单位切削力 k c ,求主切削力 F c

F c=k c·a p·f=k c·h d·b d (2-8)

式2-8中的k c是指f = 0.3mm/r 时的单位切削力，当实际进给量f大于或小于0.3mm

/r时，需乘以修正系数 K fkc，

【5】.机电一体化系统控制．张建明主编．北京：高等教育出版社，2001

1　伺服进给系统的选择

数控机床的伺服进给系统有开环控制、闭环控制和半闭环控制之分。

开环系统：结构简单、工作可靠、造价低廉，但影响定位精度的机械传动装置的摩擦、惯量、间隙的存在，故精度和快速性较差。开环控制的定位精度一般为±0.01～±0.02mm ，不能满足横向最小运动单位0.005/脉冲的要求。

mm

闭环系统：控制精度高、快速性好，但对机床的要求比较高，且造价较昂贵。

闭环控制的定位精度一般为±0.001～±0.003，本设计属经济型数控改造，无须达

mm

到此精度。

半闭环系统：结构简单、调整方便，在中小型性能要求较高的数控机床中应用较多，故

本设计采用半闭环控制。

2　伺服进给机构的改造

纵向进给机构的改造：

拆除原来机床的溜板箱、光杠与丝杠以及安装座，装上滚珠丝杠及其相应的安装装置，纵向驱动的步进电机及减速箱安装在丝杠的右端，采用滚珠丝杠可以提高系统的精度和纵向进给的整体刚度。

横向进给机构的改造：

拆除原来横向进给的丝杠，换上滚珠丝杠；保留原来的横向手柄机构，横向步进电机和减速箱安装在机床后侧。

3　步进电动机的选用

选用步进电动机，通常希望步进电动机的输出转矩大，启动频率和运行频率高，步距误差小。但是，增大转矩与快速运行存在一定的矛盾，高性能与低成本相矛盾。因此在实际选用步进电动机时，要考虑各方面因素。

首先要保证机床的定位精度，而脉冲当量直接影响机床的定位精度。脉冲当量越小，机床的定位精度越高，但机床的快速进给速度就越小。为兼顾精度与速度的要求，应在满足精度的条件下，选择尽可能大的脉冲当量。脉冲当量确定后，以此为依据选择步进电动机的步距角和传动机构的传动比。

【6】机电传动控制．邓星钟主编．武汉：华中科技大学出版社，2001

机电传动：机电传动就是指以电动机为原动机驱动生产机械的系统的总称，他的目的是把电能转化为机械能，实现生产机械的启动、停止以及速度调节，完成各种工艺过程的生产要求，保证生产过程的正常运行。

机电传动系统：机电传动系统是一个由电动机拖动、并带动传动机构带动生产机构运

转的机电运动的动力学整体。

反抗转矩也称摩擦转矩，是因摩擦、非弹性体的压缩、拉伸与扭转等作用所产生的负载转矩，机床加工过程中切削力所产生的负载转矩就是反抗转矩。

【7】机床数控技术, 魏斯亮张克义主编.北京:大连理工大学出版社,2006

一可编程序控制

1可编程序控制器简介

可编程控制器简称PC（Programmable Controller），它经历了可编程序矩阵控制器PMC、可编程序顺序控制器PSC、可编程序逻辑控制器PLC（Programmable Logic Controller）和可编程序控制器PC几个不同时期。为与个人计算机（PC）相区别，现在仍然沿用可编程逻辑控制器PLC这个老名字。它是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、定时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出控制各种类型的机械或生产过程。

1987年国际电工委员会（International Electrical Committee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：

“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC 及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。”

2可编程控制器的硬件系统

按钮

PLC硬件系统结构图

3可编程控制器的工作原理

可编程控制器有两种基本的工作状态，即运行(RUN)状态与停止(STOP)状态，其中运行状态是执行应用程序的状态，停止状态一般用于程序的编制与修改。在运行状态，可编程控制器通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能。为了使可编程控制器的输出及时地响应随时可能变化的输入信号，用户程序不是只执行一次，而是不断地重复执行，直至可编程控制器停机或切换到停止工作状态。

扫描过程阶段图

二计算机数控系统

计算机数控系统(ComputeNumericalContr01)简称CNC系统，是一种用计算机通过执行其存储器内的程序来实现数控功能，并配有接口电路和伺服驱动装置的专用计算机系统。数控

绝对式脉冲编码盘、三速式绝对编码盘（或称多圈式绝对编码盘）等是绝对式测装置

1光栅：计量光栅是用于数控机床的精密检测元件，是闭环系统中一种用得较多的测量

装置，用作位移或转角的测量，测量精度可达几微米。

2 旋转变压器又称分解器，是一种控制用的微电机，它将机械转角变换成与该转角呈某

一函数关系的电信号的一种间接测量装置。旋转变压器结构简单，动作灵敏，对环境

无特殊要求，维护方便，输出信号幅度大，抗干扰性强，工作可靠。因此，在数控机

床上广泛应用。

3 应同步器与旋转变压器一样，是利用电磁耦合原理，将位移或转角转化成电信号的位

置检测装置。实质上，感应同步器是多极旋转变压器的展开形式。感应同步器按其运

动形式和结构形式的不同，可分为旋转式（或称圆盘式）和直线式两种。前者用来检

测转角位移，用于精密转台，各种回转伺服系统；后者用来检测直线位移，用于大型

和精密机床的自动定位，位移数字显示和数控系统中，两者工作原理和工作方式相

同。

4 磁尺又称为磁栅，是一种计算磁波数目的位置检测元件。可用于直线和转角的测量，

其优点是精度高、复制简单及安装方便等，且具有较好的稳定性，常用在油污、粉尘

较多的场合。因此，在数控机床、精密机床和各种测量机上得到了广泛使用。

【8】现代数控机床结构与设计．王爱玲主编．北京：兵器工业出版社，1999

数控系统的插补与刀补计算原理

各种各样的零件轮廓都是由直线和圆弧构成的，数控机床必须满足加工直线和圆弧。对于连续切削的数控机床，除使工作台准确定位外，还必须控制刀具相对工件以给定速度沿着指定路径进行切削加工，并保证切削过程中每一点的精度和粗糙度，这就取决于CNC系统的插补功能。在数控机床中刀具的最小移动量称为一个当量，也称为位置控制分辨率。数控机床在加工曲线时，用折线轨迹逼近所要加工的曲线。机床数控系统依照一定的方法确定刀轨的过程称为插补(interpolation)，数控系统中完成插补工作的部分装置称为插补器，根据其结构不同可分为硬件插补器和软件插补器。硬件插补器由分立元件或集成电路组成，特点是运算速度快，但灵活性差，不易更改。软件插补器利用CPU通过软件编程实现，其特点是灵活易变，但插补速度受CPU速度和插补算法的影响。现代数控系统大多采用软件插补或软硬件插补相结合的方法。

直线和圆弧是构成工件轮廓的基本轨迹，大多数CNC装置都具有直线和圆弧的插补功能，而其他曲线轮廓可由直线和圆弧的折线来拟合、逼近，在某些档次较高的CNC装置中还具有抛物线，椭圆、双曲线、螺旋线等插补功能。程序员通过编程给定直线的起点和终点，圆弧的起点、终点、顺逆圆弧定义和圆心相对于起点的偏移量或圆弧半径，沿轮廓的进给速度和刀具参数等。插补的任务就是根据起点、终点、轨迹轮廓、进给速度，按数控系统的当量，对轮廓轨迹进行细化。插补精度和插补速度是插补的两项重要指标，它直接决定了数控系统的控制精度和控制速度，所以插补是整个数控系统控制软件的核心。

以直线插补为例，如果以L为待加工的曲线(见图2—1)，那么，在插补器没有刀

具偏移的情况下，首先必须作出刀具中心的轨迹L′，然后在允许的误差e以内，用

直线进行近似，将L′分割成一系列的线段：P0P1，P1P2……然后计算出各线段的坐

标增量(△x1，△y1)，(△x2，△y2)…根据规定的程序将加工信息输入数控装置，进行

插补计算，从而在X、y方向协调地发出脉冲，一步步把线段P0P1，P1P2……描画出

来，用直线拟合出任意曲线。

因此，对于轮廓控制系统<即控制刀具运动轨迹)来说，最重要的功能是插补。插

补的任务就是根据进给速度的要求，在轮廓起点和终点之间计算出若干个中间点的坐

标值。由于每个中间点计算所需的时间直接影响系统的控制速度，而插补中间点坐标

值的计算精度又影响到CNC系统的控制精度，所以插补算法是整个CNC系统控制的

核心。

目前应用的插补算法主要分脉冲增量插补和数字增量插补两类。

1、脉冲增量插补这类插补算法的特点是每次插补结束只产生一个行程增量，以一个个脉冲的方式输出给步进电机。这类插补的实现方法比较简单，通常只用加法和移位即可完成插补，故其易用硬件实现，且运算速度很快；目前也有用软件来完成这类算法的，但仅适用于一些中等精度(0．01mm)或中等速度(1～3min)要求的CNC系统。因这类算法通常需要大约20余条指令，如果CPU时钟为50Hz，那么计算一个脉冲当量的时间约为40um，当脉冲当量为1um时，可以达到的极限速度为1．5m／min；如果要控制两个或两个以上的坐标时，速度还将进一步降低。当然，可用损失精度的办法来提高速度。

2、数字增量插补这类插补计算法的特点是插补运算分两步完成。第一步是粗插补，即在给定起点和终点的曲线之间插入若干个点，用若干条微小直线段来逼近给定曲线，每一微小直线段的长度△／相等，且与给定的进给速度有关。粗插补在每个插补运算周期中计算一次，因此每一微小直线段的长度△／与进给速度F和插补周期T有关，即△l＝FT。粗插补的特点是把给定的一条曲线用一组直线段来逼近。第二步为精插补，它是在粗插补时算出的每一条微小直线段上再做数据点的密化工作，这一步相当于对直线的脉冲增量插补。

3、脉冲增量插补算法适用于以步进电机为驱动装置的开环数控系统，如图2—2所示。脉冲增量插补在计算过程中不断向各个坐标轴发出相互协调的进给脉冲，以驱动坐标轴步进电机运动。一个脉冲所产生的坐标轴移动量称为脉冲当量O，脉冲当量是脉冲分配的基本单位，按加工精度选定。普通机床取O＝0．01mm，较精密精度的机床取O＝1Pm或0．1um。目前闭环数控系统已成为数控机床发展的主流，采用步进电机的开环系统仅用于经济型数控机床系统。

在普通的CNC装置中，逐点比较法、数字积分法、数字脉冲乘法器法、数据采样插补法获得了广泛的应用。这些插补算法最初是用在硬件数控装置中，现在也可用软件来实现。本章重点介绍插补算法的原理，描绘出插补的完整过程，包括插补方法以及终点判别方法。除了直线和圆弧插补外，本章还将介绍椭圆插补和高次曲线的样条

插补原理。

4、逐点比较法

逐点比较法起初称区域判别法，又称代数运算法或醉步式近似法。这种方法的原理是：计算机在控制加工过程中，能逐点地计算和判别加工偏差，以控制坐标进给，按规定图形加工出所需要工件，用步进电机或电液脉冲马达拖动机床，其进给是步进式的，插补器控制机床(某个坐标)，每走一步都要完成四个工作节拍。

4.1、偏差判别。判别加工点对规定图形的偏离位置，决定拖板进给的走向。

4.2、进给。控制某个坐标工作台进给一步，向规定的图形靠拢，缩小偏差。

4.3、偏差计算。计算新的加工点对规定图形的偏差，作为下一步判别的依据。

4.4、终点判别。判断是否到达终点，若到达则停止插补，如没有到达终点，再回到第一点。

【9】智能仪表原理与设计.李昌禧编著.化学工业出版社2005

1、8279的主要性能

1.1、提供了硬件扫描键盘接口，可连接8行×8列的矩阵键盘。

1.2键盘接口可接开关式传感器矩阵或者其开关输入量

1.3、具有动态扫描显示器接口，可接16个8段数码显示器。显示数据采用右端

或左端送如。

1.4、键盘和显示器扫描信号及扫描间隔由内部定时控制逻辑和扫描计数器完成。扫描信号具有编码输出和译码输出两种方式等功能.

【10】机械专业毕业设计宝典. 孙波主编.西安电子科技大学出版社2008.3

数控车床刀架的基本要求

数控车床的刀架是机床的重要组成部分。刀架用于夹持切削用的刀具，在一定程度上，刀架的结构和性能体现了机床的设计和制造技术水平，所以有如下要求：

1、转位准确可靠，工作平稳安全；

2、按最短线路就近选择，转位时间短；

3、重复定位精度高；

4、防水、防屑，密封性能优良；

5、夹紧刚性高，适宜重负荷切削

【11】数控实用技术，王贵明主编北京：机械工业出版社 2001

数控系统：它是机床实现自动加工的核心。主要有操作系统、主控制系统、可编程控制器、各类输入输出接口等组成。其中操作系统由显示器和操作键盘组成。显示器有数码管、CRT、液晶等多种形式。主控制系统和计算机的主板有所类同。主要有CPU、存储器、控制器等部分组成。数控系统所控制的一般对象是位置、角度、速度等机械量，以及温度、压力、流量等物理量。其控制方式又可分为数据运算处理控制和时序逻辑控制两大类，其中主控制器内的插补运算模块就是根据所读入的零件程序，通过译码、编译等信息处理后，进行相应的刀具轨迹插补运算，并通过与各坐标伺服系统的位置、速度反馈信息比较，从而控制机床各个坐标轴的位移。而时序逻辑控制通常通常主要由可编程控制器PLC来完成，它根据机床加工过程中的各个动作要求进行协调，按各检测信号进行逻辑判别，从而控制机床各个部件有条不紊的按序工作。

【12】机床计算机数控及应用, 刘跃南主编.北京:机械工业出版社,1997

软件插补：刀具在加工过程中所移动的轨迹，必须符合图纸上的尺寸和规格。所谓插补就是在一段轨迹上进行“数据点的密化”工作，把起点和终点之间的空白补全。

软件插补有两种方法：

1、脉冲增量法

这种方法是模拟硬件插补原理，它把每次插补运算产生的指令脉冲输出到步进电机，以驱动机床拖动板运动。输出脉冲的最大速度取决于一次运算所需的时间。

2、数据采样法：

整个控制系统通过计算机形成闭环。它输出的不是脉冲，而是数据。计算机定时对反馈回路采样，在和插补程序所产生的指令数据进行比较后，作为误差信号输出。采样周期各个CNC 系统不一，一般为10ms左右。这是一个适中的采样周期。太长了则信息损失太多，影响伺服精度；但只适用于进给速率较低的场合。

【13】单片机原理与应用钱逸秋主编.电子工业出版社.2005

1、单片机及单片机系统

单片机是微型计算机发展的一个分支，是一种专门面向控制的微处理器件，故又称之为微控制器(Micro Controller Unit，MCU)。单片机通常以单一芯片的形式出现，但是它已具有了微型计算机所包含的基本组成结构和特有的控制应用功能，是一种芯片级的微型计算机。另外，由于单片机的体积、结构和功能特点，在实际应用中可以完全融入应用系统之中，故而也称为嵌入式微控制器(Embedded Micro-Controller)。

2、8051单片机接口的扩展

在使用单片机的实时控制系统中，往往需要通信的外部设备或者控制对象比较多，单片机本身的I/O口无法满足要求，因而需要扩展I/O口。拥护可以把MCS-51的64KB数据存储器地址空间的一部分（例如0DH~~FFH）作为外部I/O的地址空间，CPU向仿问外部RAM单元一样读写扩展的I/O 口。

3、单片机I/O扩展

　MCS-51系列单片机在引脚安排上考虑了对外总线扩展问题，在具有4个8位I/O口的封装中，以P0口的8位口线作为与外部接口的数据总线和地址总线的低8位，以P2口的8位口线作为地址总线的高8位，当外部扩展ROM、RAM或一些与数据、地址有关的芯片时这些I/O口将被占用。另外，由于P3口引脚大多兼有控制总线功能，完全用于I/O数据交换的引脚只剩下P1口。针对上述口线不足的情况，MCS-51系列单片机在使用中可能需要进行

I/O口线扩展，具体实施方法如下。

输入口线的扩展

在第6章有关单片机串行通信的内容中曾提到，在串行口方式0条件下，MCS-51单片机与移位寄存器配合可以扩展一个或多个并行I/O口。考虑到串行口可能被占用的情况，也可以利用P1的3根口线模拟串行口实现与外部扩展芯片接口。这里给出了由单片机

AT89S51与2片CMOS并入串出移位寄存器CD4014组成的并行输入口扩展电路，电路原理如图7-1所示。该电路还可以在数据传输速率允许的情况下进行级联扩展，用于扩展更多的并行数据输入口。

输出口线的扩展

利用P1口的3根口线模拟串行口也可以达到扩展并行输出口线的目的。以下是单片机AT89S51与2片CMOS串入并出移位寄存器芯片CD4094组成的并行输出口扩展电路，电路原理如图7-2所示。该电路还可以在输出数据传输速率允许的情况下进行多级CD4094级联扩展，用于满足输出数据口线数量的需求。

数控改造几个实例来源：物资采购网采编时间：2006年5月29日8时56分

1、用SIEMENS 810M改造X53铣床

我们为某公司用德国西门子810M数控系统、611A交流伺服驱动系统对公司的一

台型号为X53的铣床进行X、Y、Z三轴数控改造；保留了原有的主轴系统和冷却系

统；改造的三轴在机械上采用了滚轴丝杆及齿轮传动机构。整个改造工作包括机械设

计、电气设计、PLC程序的编制与调试、机床大修，最后是整机的安装和调试。2、用

GSK980T和步进驱动系统改造车床

2、我们为某公司采用广州数控设备厂生产的GSK980T数控系统、DY3混合式步进驱动单元对公司的一台加长车床的X、Z两轴进行改造；保留了原有的主轴系统和冷却系统；改造的两轴在机械上采用了滚轴丝杆及同步带传动机构。整个改造工作包括机械设计、电气设计、机床大修及整机的安装和调试。车床改造后，加工有效行程

X/Z轴分别为390/1400 mm；最大速度X/Z轴分别为1200/3000 mm/min；手动速度为400mm/min；手动快速为X/Z轴分别为1200/3000 mm/min；机床最小移动单位为0.001mm。

3、用GSK980T和交流伺服驱动系统改造车床

我们用广州数控设备厂生产的GSK980T数控系统、DA98交流伺服单元及4工位自动刀架对某电机股份公司电机分厂的一台车床X、Z两轴进行数控改造；保留了原有的主轴系统和冷却系统；改造的两轴在机械上采用了滚轴丝杆及同步带传动机构。整个改造工作包括机械设计、电气设计、机床大修及整机的安装和调试。车床改造后，加工有效行程X/Z轴分别为390/730 mm；最大速度X/Z轴分别为1200/3000 mm/min；手动速度为400mm/min；手动快速为X/Z轴分别为1200/3000 mm/min；机床最小移动单位为0.001mm。

4、用SIEMENS 802S改造X53铣床

我们用德国西门子802S数控系统、步进驱动系统对某公司的另一台型号为X53的铣床进行X、Y、Z三轴数控改造；保留了原有的主轴系统和冷却系统；改造的三轴在机械上采用了滚轴丝杆及齿轮传动机构。整个改造工作包括机械设计、电气设计、机床大修，最后是整机的安装和调试。铣床改造后，加工有效行程X/Y/Z轴分别为

630/240/280 mm；最大速度X/Y/Z轴分别为3000/1000/600 mm/min；手动进给速度X/Y/Z轴分别为2000/800/500 mm/min；最小移动单位为0.001mm。

3 小结

对普通车床进行数控化改造，实现微机对车床的数控化控制是符合我国的国情。

数控化改造普通机床不仅利用了大部分即将淘汰的普通机床，也节省了大量资金。提了科技生产率、加工精度。使机械生产自动化功能提高。具有一定的可行性和使用性。

数控机床作为机电一体化的典型产品，在机械制造业中发挥着巨大的作用，很好地解决了现代机械制造中结构复杂、精密、批量小、多变零件的加工问题，且能稳定产品的加工质量，大幅度地提高生产效率。但从目前企业面临的情况看，因数控机床

价格较贵，一次性投资较大使企业心有余而力不足。我国作为机床大国，对普通机床数控化改造不失为一种较好的良策。

普通车床数控化改造可以减少投资额并且交货期短，所利用的床身、立柱等基础件是重而坚固的铸造构件，而不是那种焊接构件，改造后的机床性能高、质量好，可以作为新设备继续使用多年。但是受到原来机械结构的限制，不宜做突破性的改造。

总之，在数控化改造中可以充分利用现有地基，不必像购入新设备时那样需重新构筑地基。根据技术革新的发展速度，及时地提高生产设备的自动化水平和效率，提高设备质量和档次，跟住时代的步伐，将旧机床改成符合当代最新水平的机床。

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