CA6140车床数控改造之控制系统设计内容摘要本文主要是将传统的CA6140车床的电气控制系统改造成为数字控制的开环控制系统。改造后的系统是以MCS-51单片机系统为控制模块，以步进电机为驱动执行元件。实现X轴和Z轴的两坐标联动以及对刀具的自动选取。同时能够进行直线和圆弧的插补；工件在一次安装后，完成多道工序的加工，通过编写不同的程序完成各种较为复杂零件的加工；改造后的CA6140车床提高了加工范围和加工精度。关键词：CA6140车床、控制系统、数控改造AbstractThis paper mainly is that the traditional CA6140 lathe electricity control system is Reformed the numerical control the open-loop control system. After the reform system is take the MCS-51 monolithic integrated circuit system as the control module, Take step-by-steps the electrical machinery as the actuation functional element. Realizes X axis and the Z axis two coordinates linkage as well as to the cutting tool automatic selection. At the same time can carry on the straight line and the circular arc inserts makes up; After installs the work piece Completes the multichannel working procedure the processing Completes each kind of more complex components through the compilation different procedure the processing; Enhanced the processing scope and the processing precision compared to the traditional CA6140 lathe.Keywords: CA6140 lathe Control system Numerical control Reform目 录前言5正文101.总体改造方案构思101.1 CA6140车床的用途101.2 CA6140数控改造后的功能101.3普通车床数控改造设计方案101.3.1改造机械部分101.3.2增加数控控制系统101.4 CA6140车床的电气控制系统101.4.1电路分析111.4.2控制电路分析121.5数控系统的基本概念13.数控装置的硬件结构15.数控装置的软件系统16.数控系统的I/O和通信接口171.5.4 CNC系统接口电路的主要任务182.CA6140车床数控化改造的具体实施方案182.1系统硬件设计202.1.1 8031单片机212.1.2程序存储器212.1.3数据存储器222.1.4地址锁存器222.1.5接口芯片232.1.6译码器232.2系统软件设计232.2.1进给伺服系统X轴与Z轴步进电机控制242.2.2 自动刀架换刀控制252.3 接口电路设计293.步进电机的设计303.1脉冲分配器PMM8713303.2电压-频率变换器LM331313.3驱动器系统电路324.系统抗干扰和误差分析334.1系统的干扰信号334.1系统误差335.总结34致谢34参考文献35附件36前 言当今世界，工业发达国家对机床工业高度重视，竞相发展机电一体化、高精、高效、高自动化先进机床，以加速工业和国民经济的发展。目前普通机床已不适应这种多品种、小批量生产和快速反映的市场要求，数控机床则综合了数控技术、自动检测技术和微电子技术等先进技术，最适宜加工小批量、高精度、形状复杂、生产周期要求短的零件。当变更加工对象时只需要更换零件相应的加工程序，不需要对机床作任何调整，因此既能很好地满足产品频繁变化的加工要求，又能降低机床升级改造成本、提高产品质量和生产效率，故而对普通机床进行数控化改造这一适合我国国情的技术正得到日益广泛的应用。长期以来，欧、美、亚在国际市场上相互展开激烈竞争，已形成一条无形战线，特别是随微电子、计算机技术的进步，数控机床在二十世纪八十年代以后加速发展，各方用户提出更多需求，早已成为四大国际机床展上各国机床制造商竞相展示先进技术、争夺用户、扩大市场的焦点。1948年美国空军部门为制造飞机杂零件，提供设备研经费，由G&L公司与MIT合作研究四年，于1952年试制出世界第一台数控铣床，立即生产100台交付军工使用。在成果上显示了它是社会需求、科技水平、人员素质三者的结晶；在技术上则显示出机电一体化机床在控制方面的巨大创新。 数控机床具有以下三大突出的特点：1利用二进制数学方式输入，加工过程可任意编程，主轴及进给速度可按加工工艺需要变化，且能实现多座标联动，易加工杂曲面。对于加工对象具有“易变、多变、善变”的特点，换批调整方便，可实现杂件多品种中小批柔性生产，适应社会对产品多样化的需求，但价格较昂贵。 2利用硬件和软件相组合，能实现信息反馈、补偿、自动加减速等功能，可进一步提高机床的加工精度、效率、自动化程度； 3是以电子控制为主的机电一体化机床，充分发挥了微电子、计算机技术特有的优点，易于实现信息化、智能化、网络化，可较易地组成各种先进制造系统，如FMS、FTL、FA，甚至将来的CIMS，能最大限度地提高工业的生产率、劳动生产率。数控机床的发展条件主要包括：1它是机、电、液、气、光多学科各种高科技的综合性组合，特别是以电子、计算机等现代先进技术为基石，必须具有巩固的技术基础，互相配套，缺一不可。2数控机床是由主机、各种元部件（功能部件）和数控系统三大部分组成，还需先进的自动化刀具配合，才能实现加工，各个环节在技术上、质量上必须切实过关，确保工作可靠、稳定，才能保数控机床工作的精度、效率和自动化，否则，难以在生产实际中使用； 3它是社会需求、科技水平和人员素质三者的结合，缺一不成。如果人员素质差、科技水平达不到，则难以满足社会需求。人是一切活动的主体，需要各种精通业务的专家、人才和熟练技术工人，互相配合，共同完成。数控机床出现至今的50年，随科技、特别是微电子、计算机技术的进步而不断发展。美、德、日三国是当今世上在数控机床科研、设计、制造和使用上，技术最先进、经验最多的国家。因其社会条件不同，各有特点。 美国的特点是，政府重视机床工业，特别讲究“效率”和“创新”，注重基础科研。因而在机床技术上不断创新，如1952年研制出世界第一台数控机床、1958年创制出加工中心、70年代初研制成FMS、1987年首创开放式数控系统等。从90年代起，纠正过去偏向，数控机床技术上转向实用，产量又逐渐上升。 德国政府一贯重视机床工业的重要战略地位特别讲究“实际”与“实效”，坚持“以人为本”，师徒相传，不断提高人员素质。1956年研制出第一台数控机床，德国的数控机床质量及性能良好、先进实用、货真价实，出口遍及世界。尤其是大型、重型、精密数控机床。在质量、性能上居世界前列。如西门子公司之数控系统和Heidenhain公司之精密光栅，均为世界闻名，竞相采用。 日本政府对机床工业之发展异常重视，通过规划、法规（如“机振法”、“机电法”、“机信法”等）引导发展。1958年研制出第一台数控机床，在战略上先仿后创，在上世纪80年代开始进一步加强科研，向高性能数控机床发展。日本FANUC公司战略正确，仿创结合，针对性地发展市场所需各种低中高档数控系统，在技术上领先，在产量上居世界第一。目前，中国机床工业厂多人众。2000年，金切机床制造厂约358家（20.6万人），成形机床制造厂191家（约6.5万人），共计549家（27.1万人）。其中生产数控金切机床的约150家，生产数控成形机床的约30家，共计约180家，占厂家总数的三分之一。中国于1958年研制出第一台数控机床，发展过程大致可分为两大阶段。在19581979年间为第一阶段，从1979年至今为第二阶段。通过合作生产先进数控机床，使设计、制造、使用水平大大提高，缩小了与世界先进技术的差距；通过利用国外先进元部件、数控系统配套，开始能自行设计及制造高速、高性能、五面或五轴联动加工的数控机床，供应国内市场的需求，由于数控化技术基础薄弱，至今许多重要功能部件、自动化刀具、数控系统依靠国外技术支撑，基本上处于从仿制走向自行开发阶段，与日本数控机床的水平差距很大。总的来说：数控机床产量不断增长，进口量增长较快，达29倍，出口量有所增加，但数目较小，为4.8倍；数控机床消费量增加较快，达7.9倍。国内企业对数控机床档次上的要求存在着很大差异， 特别是那些中小型企业，如果购买成套的数控装置，不但经济上不能承担，而且对于只进行小批量，简单零件生产企业来说无疑是大材小用，浪费成本。这就要求中国在数控机床方面要走出一条符合国情的道路。数控系统的出现,其发展经过以下几代：第一代数控系统:1952年由Parson公司和麻省理工学院联合开发研究的第一台电子管数控系统。第二代数控系统：1960年开始,采用晶体管元件。第三代数控系统：1965年开始,采用集成电路。第四代数控系统：1970年开始,采用大规模集成电路及小型通用计算机。第五代数控系统：1974年开始,采用微处理机和微型计算机。第六代数控系统：二十世纪九十年代后期，出现了PC+CNC的智能数控系统。随着微电子技术和计算机技术的发展，现在的数控系统性能日臻完善，数控系统应用领域日益扩大。科学技术的发展推动了数控系统的发展。各生产部门加工要求的不断提高又从另一个方面促进了数控系统的发展。二十世纪九十年代，数控系统由16位机向32位机的转变，伺服驱动从直流向交流全数字式转变，系统体系结构从封闭向开放转变，控制系统由专用计算机向通用计算机转变，使数控系统可充分利用计算机技术丰富的资源，能根据控制对象的要求，迅速、灵活地更改软硬件，并能及时吸收新技术，使数控技术的发展步伐加快。数控技术的进步突出表现在高精度、高效率，具有联网通信功能等方面。数控技术主要朝着体系结构开放化、制策略的智能自适应化、网络环境下的数字化、柔性制造系统（FMS）方向发展。总之，当今数控系统正不断吸收最新技术成就，朝着高速度化、高精度化 ，高功能、智能化、小型化、系统化、高可靠性以及开放性等方向发展。机床工业是制造业的基础产业，而数控机床是关系国家战略地位、工业现代化和综合国力水平的基础装备。现代国防、工业装备的制造，都离不开数控技术。日本的“东芝事件”美国的“考克斯报告”，均提出对我国禁运高档数控装备。因此，为了增强我国国防实力和综合国力，必须将发展数控技术和数控机床提高到战略高度来对待。目前，我国数控机床购置中60依赖进口，2004年的进口总额超过50亿美元。要提高我国机床数控化率，靠大量引进国外的数控机床是行不通的。引进一台数控机床，至少几十万，多则数百万，一般企业难以承受。从满足企业加工需求来看，对那些精度