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普通車床改造成經濟型數控車床的硬件闡述

文檔作者：黃忠琴文檔來源：常州輕工職業(yè)技術學院		點擊數：	更新時間： 2021年06月01日
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數控‘數顯— —普通車床改造成經濟型數控車床的硬件闡述 機床電器2003
． 6
普通車床改造成經濟型數控車床的硬件闡述
黃忠琴(常州輕工職業(yè)技術學院，213017)
摘要：微機數控系統(tǒng)硬件電路介紹，包括設計內容，總體方案確定，微機數控系統(tǒng)設計內容。
關鍵詞：普通車床；改造；經濟型數控車床；硬件
中圖分類號：TG519．1 文獻標識碼：B 文章編號：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
在普通車床基礎上，對機械部分作必要的改
造，配上較為簡單的數控系統(tǒng)，普通車床就成了經
濟型數控車床。數控車床在加工工件時應先根據
零件圖對零件進行全面分析，弄清零件的結構形
狀、尺寸和技術要求，在此基礎上確定零件加工的
工藝過程和工藝路線，然后進行編程，再在計算機
系統(tǒng)控制下自動完成加工工藝。因此，車床數控
系統(tǒng)總體方案的設計應包括以下內容：系統(tǒng)運動
方式的確定；伺服系統(tǒng)的選擇；執(zhí)行機構的結構和
傳動方式的確定；計算機系統(tǒng)的選擇等。
1 普通車床改造成數控車床的設計方
案(以C616型普通車床為例)
1．1 設計內容
將C616型普通車床改造成用MCS一51系列
單片機控制的經濟型數控車床。要求該車床有自
動回轉刀架，具有切削螺紋的功能，在縱向和橫向
具有直線和圓弧插補功能等。
1．2 總體方案確定
1．2．1 系統(tǒng)運動方式的確定
數控系統(tǒng)按運動方式可分為點位控制系統(tǒng)、
點位值線控制系統(tǒng)和連續(xù)控制系統(tǒng)，如果改造后
的經濟型數控車床要具有定位、直線插補、順、逆
圓插補、暫停、循環(huán)加工、公英制螺紋加工等功能，
就應選擇連續(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，不帶檢測裝置，指令信號是單方向傳送
的。開環(huán)伺服系統(tǒng)主要由步進電機驅動。由于開
環(huán)伺服系統(tǒng)結構簡單、成本低廉、容易掌握、調試
和維修都比較簡單，所以經濟型數控車床普遍采
用開環(huán)伺服系統(tǒng)。
1．2．3 執(zhí)行機構的結構和傳動方式的確定
為確保數控系統(tǒng)的分辨率，采用步進電機經
齒輪減速再傳動絲杠；為保證一定的傳動精度和
工作平穩(wěn)性，盡量減小摩擦力，選用滾珠絲杠螺母
副；為提高傳動剛度和消除間隙，采用有預加負荷
的結構，齒輪傳動也要采用消除齒側間隙的結構。
1．2．4 計算機系統(tǒng)總體方案確定
控制系統(tǒng)由微機部分、鍵盤、顯示器、I／O 接
口、光電隔離電路、步進電機、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
現，顯示器采用數碼管顯示加工數據及機床狀態(tài)
等信息。
一1 一
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機床電器2003．6 數控·數顯—— 普通車床改造成經濟型數控車床的硬件闡述
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 微機數控系統(tǒng)設計內容
微機數控系統(tǒng)是由硬件和軟件兩部分組成。
硬件是組成系統(tǒng)的基礎，硬件電路的可靠性直接
影響到數控系統(tǒng)的性能指標。微機數控系統(tǒng)硬件
電路有主控制器CPU、總線、存儲器、接口、外圍設
備五部分組成，其數控系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示：
圖2 微機數控系統(tǒng)結構框圖
該經濟型微機數控系統(tǒng)采用步進電機作為驅
動元件。微機通過I／O接口發(fā)出驅動脈沖，經過
光電隔離進入步進電機的驅動控制線路，驅動控
制線路接受來自數控機床控制系統(tǒng)的進給脈沖信
號，并將該信號轉換為控制步進電機各定子繞組
依次通電、斷電的信號，使步進電機運轉。步進電
機的轉子帶動絲杠轉動，絲杠轉動使工作臺產生
移動。由于步進電機需要的驅動電壓較高，電流
也較大，如果將I／O 口輸出信號直接與功率放大
器相聯，將會引起強電干擾，輕則影響計算機程序
運行，重則導致計算機接口電路的損壞，所以在接
口電路與功率放大器之間都要加上隔離電路，實
現電氣隔離，通常使用的是光電耦合隔離電路。
1．3．1 微機數控系統(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 向進給伺服運動、鍵盤顯示、自動轉
刀架控制、螺紋加工、控制面板控制、行程控制、報警
一16 一
電路、急停電路、復位電路、隔離電路、功放電路等。
1．3．1．2 CPU 和存儲器
CPU 采用了8031芯片，由于8031無片內程
序存儲器，需要擴展外部程序存儲器，同時，8031
內部只有128字節(jié)的數據存儲器，也不能滿足控
制系統(tǒng)的要求，故擴展了兩片2764的程序存儲器
和一片6264數據存儲器。8031芯片的P0和P2
用來傳送外部存儲器的地址和數據，P2口傳送高
八位地址，P?？谛鑲魉偷桶宋坏刂泛蛿祿?，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。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CE分別接74LS138譯碼器的Y0和Y1，
系統(tǒng)復位后程序從0000H 開始執(zhí)行。6264 的片
選信號麗也接74LS138譯碼器的 (單片機擴展
系統(tǒng)允許程序存儲器和數據存儲器獨立編址)。
8031芯片控制信號PSEN接2764 的oE引腳，讀寫
控制信號WR和RD分別接6264芯片的WE和OE，
以實現外部數據存儲器的讀寫。由于8031芯片
內沒有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)擴展了兩片8155可編程輸入輸出接口電路。
8155的片選信號CE分別接74LS138的Y3和Y4，
74LS138譯碼器的三個輸入端A、B、C分別接到
8031的P2．5、P2．6、P2．7。
I／O接口與外設的聯接是這樣安排的：8155
(1)芯片的PAo～PA5為面板上的選擇開關；PBo
- PB，是各種運行的點動控制；PCo～PC3發(fā)出刀
位信號，控制刀架電機回轉，到達指定的刀位，刀
架夾緊之后，發(fā)出換刀回答信號，經8155(1)的
PB5輸入計算機，控制刀架開始進給。8155(2)芯
片的PAo～PAT為Z、X 向電機輸出驅動脈沖，
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，顯示器的段選信號由8031的P1．0～P1．7控
制。芯片地址編碼分配圖見表1。
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數控·數顯—— 普通車床改造成經濟型數控車床的硬件闡述
28
40
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P1．
P1．6
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P1．3
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圖3 C616車床數字化設計電路原理圖
表1 芯片地址編碼分配表
1．3．1．4 步進電機的控制
步進電機采用軟件環(huán)行分配器，雖然運行速
度沒有硬件環(huán)行分配器快，但可以省掉兩個硬件
分配專用芯片，且電路比較簡單。由于C616普通
車床最大加工直徑為qb320mm，規(guī)格比較小，故Z
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編輯
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機床電器2003．6
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報警顯示
向進給系統(tǒng)采用130BF001型，五相十拍方式工
作，X 向進給系統(tǒng)采用110BF003型，三相六拍方
式工作，由8155(2)的PA 口輸出，經光電隔離電
路、功率放大電路直接驅動電機。
1．3．1．5 螺紋加工的控制 (下轉19頁)
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光電隔離電路
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芯片 接74LS138引腳 地址選擇線 片內地址單元(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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數控·數顯—— 數控機床的故障分析 機床電器2003．6
見故障，一般都是由于檢測開關、液壓系統(tǒng)、氣動
系統(tǒng)、電器執(zhí)行元件、機械裝置等出現問題引起
的，有些故障可產生報警信息，可查找故障原因。
例一：一臺FANUC系統(tǒng)的數控銑床，在加工
工件時突然出現Z 軸上升無力現象，并且NC系
統(tǒng)顯示：SERVO ALARM ：32(ZAXIS)，經查維修
手冊，出現此故障報警號的原因多種多樣，打開機
床控制電器柜，Z軸伺服驅動線路板并無異常，再
打開強電柜，經測量，去Z軸的電路中一保險燒
壞，換上新保險后，故障消除。
例二：一臺FANUC系統(tǒng)加工中心，主軸在換
刀時，機械手滑座不能滑向主軸，并且屏幕顯示報
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，測量發(fā)
現是檢測滑座位置的傳感器壞，換傳感器后，換刀
正常。
還有些故障不產生報警信息，只是動作不能
完成，這就要根據維修經驗、機床的工作原理來進
行判斷。
例一：一臺俄羅斯加工中心，在換刀時刀庫不
能轉動，而屏幕上也沒有報警信息，拆下刀庫防護
罩發(fā)現是鏈輪液壓鎖緊油缸鎖緊，使刀庫不能回
轉，經查圖紙，液壓電磁閥yll控制刀庫鎖緊油缸，
用手動壓下y? 液壓鎖緊油缸松開，清洗液壓閥
yl1，故障解除。
例二：一臺經濟型小數控沖床，在沖壓板材時
出現X 軸丟步現象，拆下X 軸和Z軸驅動板用萬
用表對照測量兩板間各阻值，發(fā)現X 軸功放板上
一功放管被擊穿，換上新元件后，丟步現象消失。
還是此沖床，有一次在加工時發(fā)現沖制的網眼不
齊，再仔細觀察網板，每行開始時孑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，進行調整并安裝緊固，再加工
時，沖制出均勻的網板。
2 結束語
總之，雖然數控機床的故障現象千差萬別，但
總起來都可以歸結為以上幾類故障，只要沉著冷
靜，根據故障情況進行全面分析，查找到故障點
后，再解決起來就會比較輕松。
參考文獻：
[1] 裴炳文．數控系統(tǒng)[M]．北京：機械工業(yè)出版社．
[2] 李誠人．現代機電控制系統(tǒng)[M]．西安工業(yè)出版社
收稿日期：2003—02—26
作者簡介：張麗霞(1973一)，畢業(yè)于河北工業(yè)大學，現在秦皇
島煙機公司從事數控機床維修工作。
(上接17頁)
當加工螺紋時，由與主軸相連的光電脈沖發(fā)
生器發(fā)出螺紋信號和零位螺紋信號，分別送入
8031的T0和8155(1)的PB6。通過設置不同的時
間常數來加工不同螺距的螺紋，零位螺紋信號是
防止螺紋亂扣。
1．3．1．6 輔助電路
此控制系統(tǒng)中還設有越界報警和急停處理電
路、上電和按鈕相結合的復位電路等。
1．3．2 控制程序舉例
下面給出一個在數控車床上進行直線插補的
控制程序流程圖，意在通過軟件與硬件線路的結
合，加深對上述微機數控系統(tǒng)硬件電路的理解。
圖4(a)中畫出X、Z 向電機從原點開始進行直線
插補運動，終點為P(X 、Ze)點，其終點坐標值、判
斷值、偏差值F、X 向、Z 向電機初值分別放入
8031內部RAM 的各單元中。圖4(b)為第一象限
直線插補流程圖。
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圖4 直線插補及控制流程圖
一19 —

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