机电一体化文献综述定CA6150普通卧式车床机电一体化改造文献综述专业:机械设计制造及其自动化班级:08机械设计制造及其自动化班作者:程斌指导老师:朱海燕一、前言常规CA6150普遍车床的对于高速发展的制造业已经有很大的不足，因此提出机电一体化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机电一体化改造的设计过程，较详尽地介绍了CA6150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。

根据刘勇军《机电一体化技术》西北工业大学出版社2009我们了解了机电一体化系统中一般由结构组成要素、动力组成要素、运动组成要素、感知组成要素、智能组成要素五大组成要素有机结合而成。

是系统的所有功能要素的机械支持结构，一般包括机身、框架、支撑、联接等。

动力驱动部分(动力组成要素):依据系统控制要求，为系统提供能量和动力以使系统正常运行。

测试传感部分(感知组成要素):对系统的运行所需要的本身和外部环境的各种参数和状态进行检测，并变成可识别的信号，传输给信息处理单元，经过分析、处理后产生相应的控制信息。

控制及信息处理部分(职能组成要素):将来之测试传感部分的信息及外部直接输入的指令，控制整个系统有目的的运行。

执行机构(运动组成要素):根据控制及信息处理部分发出的指令，完成规定的动作和功能。

机电一体化技术发展机电一体化是机械、微电子、控制、计算机、信息处理等多学科的交叉融合，其发展和进步有赖于相关技术的进步与发展，机电一体化产品的软件具有高可靠性、易操作性、可维护性、自诊断能力。

二、文献资料综述CA6150基本参数:床身上最大回转直径Ф500mm;刀架上回转直径Ф300mm;二顶尖间距离750/1000/1500/2000mm;床身宽度400mm;刀杆截面25×25mm;最大允用切削力1380N;主轴最大输出扭矩14000N-M;主轴速度范围正转10-1400r.p.m反转14-1580r.p.m;主轴内孔Ф52mm前主轴孔锥度莫氏6号。

技术参数:进给数量64kinds;主轴每转纵向进给标准0.08-1.6mm/rev;主轴每转纵向小进给0.028-0.054mm/rev;主轴每转纵向放大进给1.76-6.4mm/rev;进给公制螺纹范围1-192mm;进给英制螺纹范围2-24t.p.i;进给1模数螺纹范围0.25-48;进给径节螺纹范围1-96D.P.;进给床鞍纵向速度4mm/min;进给横刀架行程320mm。

外观参数:机床净重2070k g;机床轮廓尺寸(长×宽×高)2418×1037×1312mm。

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

参照罗永顺《机床数控化改造技术》机械工业出版社2007给了我们CA6150机床的整体参数，所以我们根据其参数对机电一体化软件部分的设计主要从两个方面考虑:一个为执行软件的设计，另一个为监控软件的设计。

首先我们来分析执行软件的设计。

在CA6150中首要的执行者为刀具的进给，故我们先对进给系统进行了选择。

学习了张建明《机电一体化系统控制》高等教育出版社2001掌握了数控机床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,?0.02，不能满mm足横向最小运动单位0.005/脉冲的要求。

闭环系统:控制精度高、快速性好，但对mm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，mm本设计属经济型数控改造，无须达到此精度。

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，故我们采用半闭环控制。

刀具在进给时其动力来自于电机，陶晓杰《伺服电机用于车床进给系统》制造业自动化第22期2000解释了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。

在CA6150车床中执行元件除了刀具进给还有就是工作状态的控制。

接触器的滞后性对当今制造的精度带来了质的的伤害，可编程控制器主要用于顺序控制，虽然采用了计算机的设计思想，但是实际上职能进行逻辑运算。

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。

可编程控制器是专门在工业环境下应用而设计的一种数字运算操作的电子装置，是带有存储器、可以编制程序的控制器，2它能够存储和执行指令，进行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术等操作，并通过数字式和模拟式的输入/输出、控制各种类型的机械和生产过程。

可编程控制器及其有关的外围设备，都应按易于与工业控制系统形成一体、易于扩展其功能的原则设计。

从谢克明、夏路易主编《可编程控制器》电子工业出版2010可以得知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。

我们可以对可编程控制器编写程序，从而达到我们所要求的控制效果。

其次我们来分析监测软件的设计，监测主要包括位置的检测以及刀补。

在王文涛《机床数控技术及应用》科学出版社2008中我们学习了位置检测装置有脉冲编码器，旋转变压器，感应同步器，光栅，磁栅，激光干涉仪等。

光栅是用于数控机床的精密检测元件，是闭环系统中用的比较多得测量装置，用作位移或转角的测量，测量精度可达几微米。

旋转变压器是将机械转角转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。

感应同步器是利用电磁耦合原理，将位移或者转角转化成电信号的位置检测装置。

磁栅是一种用计算磁波的数目来测量直线和转角的位置检测元件。

编码器是直接装在旋转轴上，以测出轴的旋转角度位置和速度变化的一种光学式位置检测元件，其输出信号为电脉冲。

因为它是非接触式的，无摩擦和磨损，驱动力矩小，响应速度快，我们在执行软件的进给系统中选择了半闭环系统，所以我们选择编码器为位置检测元件。

由于各种各样的零件轮廓都是由直线和圆弧构成的，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。

3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。

以直线插补为例如图(2-1)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。

王爱玲《现代数控机床结构与设计》兵器工业出版社1999介绍了目前应用的插补算法主要分为脉冲增量插补和数字增量插补两类。

脉冲增量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。

如果要控制两个或两个以上的坐标时，速度会降低。

数字增量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?L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?L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。

但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，目前闭环或者半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。

所以我们选择较为先进的逐点比较法，在控制加工过程中，能逐点地4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。

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。

进给:控制某个坐标工作台进给一步，向固定的图形靠拢，缩小偏差。

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。

终点判别:半段是否到达终点，若到达则停止插补，如没有到达终点，再回到第一点。

运用逐点比较法我们可以更好的保证机床的精度。

执行软件以及监测软件的运用都离不开系统。

系统是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。