以数控机床为代表的数控设备的生产与应用水平反映了一个国家的机械与电子水平。
它的推广应用对于提高劳动生产率和产品质量，改变我国制造技术落后的状况起着极为重要的作用。
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本文主要是将传统的CW6163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。
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数控机床，在设计上要达到：
有高的静动态刚度；运动副之间的摩擦系数小，传动无间隙、功率大、便于操作和维修，机床数控改造时应尽量达到上述要求。
不能认为将数控装置与普通机床连接在一起就达到了数控机床的要求，还应对主要部件进行相应的改造使其达到一定的设计要求，才能获得预期的改造目的。
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第一章概述f|&,SI?
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1.1数控系统的简介Z1R{'@Y0Z
1.1.1数控系统发展简史及趋势vec4R）S
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。
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1.1.2数控（NC）阶段（1952～1970年）R）'[Tt`#R
早期计算机的运算速度低，对当时的科学计算和数据处理影响还不大，但不能适应机床实时控制的要求。
人们不得不采用数字逻辑电路"搭"成一台机床专用计算机作为数控系统，被称为硬件连接数控（Hard-wiredNC），简称为数控（NC）。
随着元器件的发展，这个阶段历经了三代，即1952年的第一代--电子管；1959年的第二代--晶体管；1965年的第三代--小规模集成电路。
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1.2.3计算机数控（CNC）阶段（1970年～现在）T!
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到1970年，通用小型计算机业已出现并成批生产。
于是将它移植过来作为数控系统的核心部件，从此进入了计算机数控（CNC）阶段（把计算机前面应有的"通用"两个字省略了）。
到1971年，美国INTEL公司在世界上第一次将计算机的两个最核心的部件--运算器和控制器，采用大规模集成电路技术集成在一块芯片上，称之为微处理器（Microprocessor），又可称为中央处理单元（简称CPU）。
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到1974年微处理器被应用于数控系统。
这是因为小型计算机功能太强，控制一台机床能力有富裕（故当时曾用于控制多台机床，称之为群控），不如采用微处理器经济合理。
而且当时的小型机可靠性也不理想。
早期的微处理器速度和功能虽还不够高，但可以通过多处理器结构来解决。
由于微处理器是通用计算机的核心部件，故仍称为计算机数控。
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到了1990年，PC机（个人计算机，国内习惯称微机）的性能已发展到很高的阶段，可以满足作为数控系统核心部件的要求。
数控系统从此进入了基于PC的阶段。
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总之，计算机数控阶段也经历了三代。
即1970年的第四代--小型计算机；1974年的第五代--微处理器和1990年的第六代--基于PC（国外称为PC-Based）。
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还要指出的是，虽然国外早已改称为计算机数控（即CNC）了，而我国仍习惯称数控（NC）。
所以我们日常讲的"数控"，实质上已是指"计算机数控"了。
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1.2PLC简介QA#7T3|
1.2.1PLC定义!
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可编程序控制器，英文称ProgrammableController，简称PC。
但由于PC容易和个人计算机（PersonalComputer）混淆，故人们仍习惯地用PLC作为可编程序控制器的缩写。
它是一个以微处理器为核心的数字运算操作的电子系统装置，专为在工业现场应用而设计，它采用可编程序的存储器，用以在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时/计数和算术运算等操作指令，并通过数字式或模拟式的输入、输出接口，控制各种类型的机械或生产过程。
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1.2.2PLC的结构与组成$QJ,V~
PLC的硬件主要由中央处理器（CPU）、存储器、输入单元、输出单元、通信接口、扩展接口电源等部分组成。
其中，CPU是PLC的核心，输入单元与输出单元是连接现场输入/输出设备与CPU之间的接口电路，通信接口用于与编程器、上位计算机等外设连接。
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1.2.3PLC的工作原理GFgh{'|
PLC采用“顺序扫描，不断循环”的工作方式2[5z6oG
（1）每次扫描过程。
集中对输入信号进行采样。
集中对输出信号进行刷新。
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（2）输入刷新过程。
当输入端口关闭时，程序在进行执行阶段时，输入端有新状态，新状态不能被读入。
只有程序进行下一次扫描时，新状态才被读入。
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（3）一个扫描周期分为输入采样，程序执行，输出刷新。
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（4）元件映象寄存器的内容是随着程序的执行变化而变化的。
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（5）扫描周期的长短由三条决定。
①CPU执行指令的速度②指令本身占有的时间③指令条数'cvc\=p
1.3PLC和NC的关系$jL+15^N0+
PLC用于通用设备的自动控制，称为可编程控制器。
PLC用于数控机床的外围辅助电气的控制，称为可编程序机床控制器。
因此，在很多数控系统中将其称之为PMC（programmablemachinetoolcontroller）。
数控系统有两大部分，一是NC、二是PLC，这两者在数控机床所起的作用范围是不相同的。
可以这样来划分NC和PLC的作用范围：
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（1）实现刀具相对于工件各坐标轴几何运动规律的数字控制。
这个任务是由NC来完成；5vjtF4}7!
（2）机床辅助设备的控制是由PLC来完成。
它是在数控机床运行过程中，根据CNC内@4%x7%+[c
部标志以及机床的各控制开关、检测元件、运行部件的状态，按照程序设定的控制逻辑对诸如刀库运动、换刀机构、冷却液等的运行进行控制。
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在数控机床中这两种控制任务，是密不可分的，它们按照上面的原则进行了分工，同时也按照一定的方式进行连接。
NC和PLC的接口方式遵循国际标准“ISSO4336-1981（E）机床数字控制－数控装置和数控机床电气设备之间的接口规范”的规定，接口分为四种类型：
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（1）与驱动命令有关的连接电路；E>w|i
（2）数控装置与测量系统和测量传感器间的连接电路；_-bEnF+/0
（3）电源及保护电路；6sl2vHzA
（4）通断信号及代码信号连接电路；&Un^_M
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第二章CK6163数控机床的整体设计^+q4*X6VB
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2.1CK6163的总体结构介绍zwpgf
本机床包括床身、主轴箱、床鞍、Z向进给、尾座等几大部分；底座为分体式结构，刚性足工艺性好；机床纵向和横向导轨滑动副采用TSF贴塑对淬硬磨削导轨配合，摩擦系数小，动、静摩擦系数之差不大，使之具有良好的耐磨性及可靠的伺服性；滑动面及滚珠丝杠副采用集中自动润滑系统，确保了各重要部件都能工作在良好的润滑状态之下；自动刀架为立式四工位，免抬起，换刀快速方便；卡盘为手动也可选用电动卡盘或液压卡盘；尾座为液压尾座；采用半防护装置，装卸工件方便，操作面板可根据需要很方便地调整位置。
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2.2数控机床的整体设计pG9qD2Cf
a、采用单片微机为主控CPU，具有直线和圆弧插补、代码编程、刀具补偿和间隙补偿功能、数码管二坐标同时显示、自动转位刀架控制、螺纹加工等控制功能。
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b、配有步进电机驱动系统，脉冲当量或控制精度一般为：
Z为0.01mm，X向为0.005mm（要与相应导程的丝杠相配套）。
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c、加工程序从面板按键输入，代码编制，电自动保护存储器存储；可以对程序进行现场编辑修改和试运行操作。
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d、具有单步或连续执行程序、循环执行程序、机械极限位置自动限位、超程的报警，以及进给速度程序自动终止等各类数控基本功能）k'4]=d<
对于普通机床的经济型数控改造，在确定总体设计方案时，应考虑在满足设计要求的前提下，对机床的改动应尽可能少，以降低成本。
（1）数控系统运动方式的确定数控系统按运动方式可分为点位控制系统、点位直线控制系统、连续控制系统。
由于CW6163要求车床加工复杂轮廓零件，所以本微机数控系统采用两轴联动连续控制系统。
（2）伺服进给系统的改造设计数控机床的伺服进给系统有开环、半闭环和闭环之分。
因为开环控制具有结构简单、设计制造容易、控制精度较好、容易调试、价格便宜、使用维修方便等优点。
所以，本设计决定采用开环控制系统。
（3）数控系统的硬件电路设计任何一个数控系统都由硬件和软件两部分组成。
硬件是数控系统的基础，性能的好坏直接影响整体数控系统的工作性能,有了硬件，软件才能有效地运行。
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第三章数控系统选用&fuJ%
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市场上系统厂家很多，性能大同小异。
按控制环路分有开环、闭环和半闭环系统。
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3.1开环步进伺服系统：
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此类数控系统以其价格低廉、维修相对简单的优点在市场上得到广泛的应用。
由于其存在驱动力矩小、无位置反馈、精度低等原因而退出数控系统的主流地位。
在我国，经济型数控机床一般采用此类系统。
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系统结构如图3.1下：
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图3.1开环步进伺服系统V0!
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3.2闭环数控系统：
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此类数控系统装有位置反馈元件，插补指令值与反馈值进行比较，根据其差值进行误差修正。
闭环系统可以消除机械传动部分的误差给加工精度带来的影响，可以达到很高的精度。
但是由于机械误差的非线性很容易造成系统的不稳定，使系统的设计调整相对困难。
其主要应用于精度要求很高的超精机床。
控制结构示意图如图3.2下：
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图3.2闭环数控系统t:
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3.3半闭环数控系统：
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半闭环控制方式其闭环环路短，位置反馈元件安装在伺服电机轴端或丝杠端部，用于精确控制电机的角度和速度，然后通过精密滚珠丝杠等机械传动结构实现直线位移。
因此可获得稳定的控制特性，达到较高的位置增益而不产生振荡。
传动链上有规律的误差可以达到补偿，如螺距及间隙误差等。
因此半闭环控制得到广泛的应用。
系统分辨率0.001。
控制结构示意图如图3.3下：
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图3.3半闭环数控系统{hLS,Me
市场上数控系统的类型较多，主要有FANUC0i系列、西门子802系列、三菱50L系列等。
根据价格合理、技术先进、可靠性高的原则来选择数控系统。
经综合考虑选用高品质、高可靠、高性能价格比的FANUCPOWERMATE0i数控系统。
系统分辨率0.001，控制轴数2轴，可控制两台伺服电机（α6、α12）实现XZ向插补运动，可车削端面、外圆、锥度、圆弧面；主轴接口2轴，可控制变频器实现主轴调速；内置PLC简化了外部接线，提高整机的可靠性；图形功能，实现加工时刀具轨迹预览和模拟，显示运行时的故障、伺服波形使维修更方便；通过RS232与PC机相连，实现加工程序的上传与下载；配置主轴编码器能加工多种型式螺纹工件Gpauy=4f
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第四章数控机床强电控制d&'}~C`~k
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4.1主轴电机的控
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