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普通車床改造成經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床的硬件闡述

文檔作者：黃忠琴文檔來源：常州輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年06月01日
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數(shù)控‘?dāng)?shù)顯— —普通車床改造成經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床的硬件闡述 機(jī)床電器2003
． 6
普通車床改造成經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床的硬件闡述
黃忠琴(常州輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，213017)
摘要：微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)硬件電路介紹，包括設(shè)計(jì)內(nèi)容，總體方案確定，微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容。
關(guān)鍵詞：普通車床；改造；經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床；硬件
中圖分類號(hào)：TG519．1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1004—0420{2003}06—0015—03
Hardware expounding of rebuilding comm on lathe to economical CNC lathe
HUANG Zhong——qin
(Changzhou Professional Technique College of Light Industry，213017)
Abstract：The hardware circuits of CNC system ，including the design contents and overall scheme decision and
the design contents of CNC system are introduced．
Key words：common lathe；rebuilding；economic CNC lathe；hardware
0 引言
在普通車床基礎(chǔ)上，對(duì)機(jī)械部分作必要的改
造，配上較為簡(jiǎn)單的數(shù)控系統(tǒng)，普通車床就成了經(jīng)
濟(jì)型數(shù)控車床。數(shù)控車床在加工工件時(shí)應(yīng)先根據(jù)
零件圖對(duì)零件進(jìn)行全面分析，弄清零件的結(jié)構(gòu)形
狀、尺寸和技術(shù)要求，在此基礎(chǔ)上確定零件加工的
工藝過程和工藝路線，然后進(jìn)行編程，再在計(jì)算機(jī)
系統(tǒng)控制下自動(dòng)完成加工工藝。因此，車床數(shù)控
系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)應(yīng)包括以下內(nèi)容：系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)
方式的確定；伺服系統(tǒng)的選擇；執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和
傳動(dòng)方式的確定；計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的選擇等。
1 普通車床改造成數(shù)控車床的設(shè)計(jì)方
案(以C616型普通車床為例)
1．1 設(shè)計(jì)內(nèi)容
將C616型普通車床改造成用MCS一51系列
單片機(jī)控制的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床。要求該車床有自
動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架，具有切削螺紋的功能，在縱向和橫向
具有直線和圓弧插補(bǔ)功能等。
1．2 總體方案確定
1．2．1 系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的確定
數(shù)控系統(tǒng)按運(yùn)動(dòng)方式可分為點(diǎn)位控制系統(tǒng)、
點(diǎn)位值線控制系統(tǒng)和連續(xù)控制系統(tǒng)，如果改造后
的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床要具有定位、直線插補(bǔ)、順、逆
圓插補(bǔ)、暫停、循環(huán)加工、公英制螺紋加工等功能，
就應(yīng)選擇連續(xù)控制系統(tǒng)。
1．2．2 伺服系統(tǒng)的選擇
伺服系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)、半閉環(huán)控制
系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。在開環(huán)控制系統(tǒng)中沒有反
饋電路，不帶檢測(cè)裝置，指令信號(hào)是單方向傳送
的。開環(huán)伺服系統(tǒng)主要由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。由于開
環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、容易掌握、調(diào)試
和維修都比較簡(jiǎn)單，所以經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床普遍采
用開環(huán)伺服系統(tǒng)。
1．2．3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和傳動(dòng)方式的確定
為確保數(shù)控系統(tǒng)的分辨率，采用步進(jìn)電機(jī)經(jīng)
齒輪減速再傳動(dòng)絲杠；為保證一定的傳動(dòng)精度和
工作平穩(wěn)性，盡量減小摩擦力，選用滾珠絲杠螺母
副；為提高傳動(dòng)剛度和消除間隙，采用有預(yù)加負(fù)荷
的結(jié)構(gòu)，齒輪傳動(dòng)也要采用消除齒側(cè)間隙的結(jié)構(gòu)。
1．2．4 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)總體方案確定
控制系統(tǒng)由微機(jī)部分、鍵盤、顯示器、I／O 接
口、光電隔離電路、步進(jìn)電機(jī)、功率放大電路等組
成。系統(tǒng)的加工程序和控制命令通過鍵盤操作實(shí)
現(xiàn)，顯示器采用數(shù)碼管顯示加工數(shù)據(jù)及機(jī)床狀態(tài)
等信息。
一1 一
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機(jī)床電器2003．6 數(shù)控·數(shù)顯—— 普通車床改造成經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床的硬件闡述
系統(tǒng)總體方案框圖如圖1所示：
圖1 系統(tǒng)總體方案框圖
1．3 微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容
微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)是由硬件和軟件兩部分組成。
硬件是組成系統(tǒng)的基礎(chǔ)，硬件電路的可靠性直接
影響到數(shù)控系統(tǒng)的性能指標(biāo)。微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)硬件
電路有主控制器CPU、總線、存儲(chǔ)器、接口、外圍設(shè)
備五部分組成，其數(shù)控系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示：
圖2 微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
該經(jīng)濟(jì)型微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)
動(dòng)元件。微機(jī)通過I／O接口發(fā)出驅(qū)動(dòng)脈沖，經(jīng)過
光電隔離進(jìn)入步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制線路，驅(qū)動(dòng)控
制線路接受來自數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)的進(jìn)給脈沖信
號(hào)，并將該信號(hào)轉(zhuǎn)換為控制步進(jìn)電機(jī)各定子繞組
依次通電、斷電的信號(hào)，使步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。步進(jìn)電
機(jī)的轉(zhuǎn)子帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)使工作臺(tái)產(chǎn)生
移動(dòng)。由于步進(jìn)電機(jī)需要的驅(qū)動(dòng)電壓較高，電流
也較大，如果將I／O 口輸出信號(hào)直接與功率放大
器相聯(lián)，將會(huì)引起強(qiáng)電干擾，輕則影響計(jì)算機(jī)程序
運(yùn)行，重則導(dǎo)致計(jì)算機(jī)接口電路的損壞，所以在接
口電路與功率放大器之間都要加上隔離電路，實(shí)
現(xiàn)電氣隔離，通常使用的是光電耦合隔離電路。
1．3．1 微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)硬件電路和原理(硬件電路原
理圖見圖3)
1．3．1．1 控制系統(tǒng)的總功能．
Z向和X 向進(jìn)給伺服運(yùn)動(dòng)、鍵盤顯示、自動(dòng)轉(zhuǎn)
刀架控制、螺紋加工、控制面板控制、行程控制、報(bào)警
一16 一
電路、急停電路、復(fù)位電路、隔離電路、功放電路等。
1．3．1．2 CPU 和存儲(chǔ)器
CPU 采用了8031芯片，由于8031無片內(nèi)程
序存儲(chǔ)器，需要擴(kuò)展外部程序存儲(chǔ)器，同時(shí)，8031
內(nèi)部只有128字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，也不能滿足控
制系統(tǒng)的要求，故擴(kuò)展了兩片2764的程序存儲(chǔ)器
和一片6264數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。8031芯片的P0和P2
用來傳送外部存儲(chǔ)器的地址和數(shù)據(jù)，P2口傳送高
八位地址，P?？谛鑲魉偷桶宋坏刂泛蛿?shù)據(jù)，所以要
采用74LS373地址鎖存器，鎖存低八位地址，ALE
作為選通信號(hào)。8031芯片的P2和74LS373送出
的P0口低八位地址共同組成16位地址，2764和
6264芯片都是8KB，需要13根地址線， ～A7低
八位接74LS373的輸出， ～Al2接8031芯片的
P2
．
0～ P2． 4，系統(tǒng)采用全地址譯碼，兩片2764芯片
片選信號(hào)CE分別接74LS138譯碼器的Y0和Y1，
系統(tǒng)復(fù)位后程序從0000H 開始執(zhí)行。6264 的片
選信號(hào)麗也接74LS138譯碼器的 (單片機(jī)擴(kuò)展
系統(tǒng)允許程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器獨(dú)立編址)。
8031芯片控制信號(hào)PSEN接2764 的oE引腳，讀寫
控制信號(hào)WR和RD分別接6264芯片的WE和OE，
以實(shí)現(xiàn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的讀寫。由于8031芯片
內(nèi)沒有RoM 故EA須接地。
1．3．1．3 I／0接口電路 ．
由于8031只有P1和P3口部分能提供用戶作
為I／0 口使用，不能滿足輸入輸出口的需求，因而
系統(tǒng)擴(kuò)展了兩片8155可編程輸入輸出接口電路。
8155的片選信號(hào)CE分別接74LS138的Y3和Y4，
74LS138譯碼器的三個(gè)輸入端A、B、C分別接到
8031的P2．5、P2．6、P2．7。
I／O接口與外設(shè)的聯(lián)接是這樣安排的：8155
(1)芯片的PAo～PA5為面板上的選擇開關(guān)；PBo
- PB，是各種運(yùn)行的點(diǎn)動(dòng)控制；PCo～PC3發(fā)出刀
位信號(hào)，控制刀架電機(jī)回轉(zhuǎn)，到達(dá)指定的刀位，刀
架夾緊之后，發(fā)出換刀回答信號(hào)，經(jīng)8155(1)的
PB5輸入計(jì)算機(jī)，控制刀架開始進(jìn)給。8155(2)芯
片的PAo～PAT為Z、X 向電機(jī)輸出驅(qū)動(dòng)脈沖，
PBo～PB3是鍵盤掃描輸入，PB．～PB7的輸出是
X、y 向的限位控制，PC0～PC5是顯示器的位選
信號(hào)，顯示器的段選信號(hào)由8031的P1．0～P1．7控
制。芯片地址編碼分配圖見表1。
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數(shù)控·數(shù)顯—— 普通車床改造成經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床的硬件闡述
28
40
4
P1．
P1．6
Plj
Pz．4
P1．3
Pl 2
P1．1
Pl o
Ul 8031
2
16
2
吲
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21) 2。
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14
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—1
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9
圖3 C616車床數(shù)字化設(shè)計(jì)電路原理圖
表1 芯片地址編碼分配表
1．3．1．4 步進(jìn)電機(jī)的控制
步進(jìn)電機(jī)采用軟件環(huán)行分配器，雖然運(yùn)行速
度沒有硬件環(huán)行分配器快，但可以省掉兩個(gè)硬件
分配專用芯片，且電路比較簡(jiǎn)單。由于C616普通
車床最大加工直徑為qb320mm，規(guī)格比較小，故Z
11)kfix6
編輯
動(dòng)
c d e
2
機(jī)床電器2003．6
-R
RD
^墟
o／i
Pc5
PBo— PB；
74Ls06
l0kfix4
接8o3l
h o^8
+5 V ~SZllS n
L七 ．_J
報(bào)警顯示
向進(jìn)給系統(tǒng)采用130BF001型，五相十拍方式工
作，X 向進(jìn)給系統(tǒng)采用110BF003型，三相六拍方
式工作，由8155(2)的PA 口輸出，經(jīng)光電隔離電
路、功率放大電路直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)。
1．3．1．5 螺紋加工的控制 (下轉(zhuǎn)19頁)
餉螄一(I}螄
功奉放大電路
光電隔離電路
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一毫 ．苦 ．獸．譬
肛
肌
引 三T
芯片 接74LS138引腳 地址選擇線 片內(nèi)地址單元(字節(jié)) 地址編碼
— —
2764(1) Y0 000X XXXX XXXX XXXX 8K 0000H一1FFFH
— —
2764(2) Y1 001X XXXX XXXX XXXX 8K 2000H一3FFFH
— —
6264 Y2 010X XXXX XXXX XXXX 8K 4000H 一5FFFH
8155 RAM Y3 0111 1110 XXXX XXXX 256 7E00H 一7EFFH
(1) I／0 Y3 0l11 l111 l111 1XXX 6 7FF8H一7FFDH
8155 RAM Yd 1001 1110 XXXX XXXX 256 9E00H 一9EFFH
(2) I／O Yd 1001 1ll1 1111 1XXX 6 9FF8H一9FFDH
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數(shù)控·數(shù)顯—— 數(shù)控機(jī)床的故障分析 機(jī)床電器2003．6
見故障，一般都是由于檢測(cè)開關(guān)、液壓系統(tǒng)、氣動(dòng)
系統(tǒng)、電器執(zhí)行元件、機(jī)械裝置等出現(xiàn)問題引起
的，有些故障可產(chǎn)生報(bào)警信息，可查找故障原因。
例一：一臺(tái)FANUC系統(tǒng)的數(shù)控銑床，在加工
工件時(shí)突然出現(xiàn)Z 軸上升無力現(xiàn)象，并且NC系
統(tǒng)顯示：SERVO ALARM ：32(ZAXIS)，經(jīng)查維修
手冊(cè)，出現(xiàn)此故障報(bào)警號(hào)的原因多種多樣，打開機(jī)
床控制電器柜，Z軸伺服驅(qū)動(dòng)線路板并無異常，再
打開強(qiáng)電柜，經(jīng)測(cè)量，去Z軸的電路中一保險(xiǎn)燒
壞，換上新保險(xiǎn)后，故障消除。
例二：一臺(tái)FANUC系統(tǒng)加工中心，主軸在換
刀時(shí)，機(jī)械手滑座不能滑向主軸，并且屏幕顯示報(bào)
警信息：2023：CARRY TO SP．／MG．AL．；卸下滑
座的外部罩板，分析電路圖及換刀過程后，測(cè)量發(fā)
現(xiàn)是檢測(cè)滑座位置的傳感器壞，換傳感器后，換刀
正常。
還有些故障不產(chǎn)生報(bào)警信息，只是動(dòng)作不能
完成，這就要根據(jù)維修經(jīng)驗(yàn)、機(jī)床的工作原理來進(jìn)
行判斷。
例一：一臺(tái)俄羅斯加工中心，在換刀時(shí)刀庫不
能轉(zhuǎn)動(dòng)，而屏幕上也沒有報(bào)警信息，拆下刀庫防護(hù)
罩發(fā)現(xiàn)是鏈輪液壓鎖緊油缸鎖緊，使刀庫不能回
轉(zhuǎn)，經(jīng)查圖紙，液壓電磁閥yll控制刀庫鎖緊油缸，
用手動(dòng)壓下y? 液壓鎖緊油缸松開，清洗液壓閥
yl1，故障解除。
例二：一臺(tái)經(jīng)濟(jì)型小數(shù)控沖床，在沖壓板材時(shí)
出現(xiàn)X 軸丟步現(xiàn)象，拆下X 軸和Z軸驅(qū)動(dòng)板用萬
用表對(duì)照測(cè)量?jī)砂彘g各阻值，發(fā)現(xiàn)X 軸功放板上
一功放管被擊穿，換上新元件后，丟步現(xiàn)象消失。
還是此沖床，有一次在加工時(shí)發(fā)現(xiàn)沖制的網(wǎng)眼不
齊，再仔細(xì)觀察網(wǎng)板，每行開始時(shí)孑L距小，以后開
始均勻，便懷疑滾珠絲杠有間隙，拆下滾珠絲杠上
的滾珠絲杠螺母副，進(jìn)行調(diào)整并安裝緊固，再加工
時(shí)，沖制出均勻的網(wǎng)板。
2 結(jié)束語
總之，雖然數(shù)控機(jī)床的故障現(xiàn)象千差萬別，但
總起來都可以歸結(jié)為以上幾類故障，只要沉著冷
靜，根據(jù)故障情況進(jìn)行全面分析，查找到故障點(diǎn)
后，再解決起來就會(huì)比較輕松。
參考文獻(xiàn)：
[1] 裴炳文．?dāng)?shù)控系統(tǒng)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社．
[2] 李誠(chéng)人．現(xiàn)代機(jī)電控制系統(tǒng)[M]．西安工業(yè)出版社
收稿日期：2003—02—26
作者簡(jiǎn)介：張麗霞(1973一)，畢業(yè)于河北工業(yè)大學(xué)，現(xiàn)在秦皇
島煙機(jī)公司從事數(shù)控機(jī)床維修工作。
(上接17頁)
當(dāng)加工螺紋時(shí)，由與主軸相連的光電脈沖發(fā)
生器發(fā)出螺紋信號(hào)和零位螺紋信號(hào)，分別送入
8031的T0和8155(1)的PB6。通過設(shè)置不同的時(shí)
間常數(shù)來加工不同螺距的螺紋，零位螺紋信號(hào)是
防止螺紋亂扣。
1．3．1．6 輔助電路
此控制系統(tǒng)中還設(shè)有越界報(bào)警和急停處理電
路、上電和按鈕相結(jié)合的復(fù)位電路等。
1．3．2 控制程序舉例
下面給出一個(gè)在數(shù)控車床上進(jìn)行直線插補(bǔ)的
控制程序流程圖，意在通過軟件與硬件線路的結(jié)
合，加深對(duì)上述微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)硬件電路的理解。
圖4(a)中畫出X、Z 向電機(jī)從原點(diǎn)開始進(jìn)行直線
插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)，終點(diǎn)為P(X 、Ze)點(diǎn)，其終點(diǎn)坐標(biāo)值、判
斷值、偏差值F、X 向、Z 向電機(jī)初值分別放入
8031內(nèi)部RAM 的各單元中。圖4(b)為第一象限
直線插補(bǔ)流程圖。
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Z
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圖4 直線插補(bǔ)及控制流程圖
一19 —

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