本发明涉及机床改造技术领域，更具体地说，它涉及一种机床改造系统。
背景技术
机床作为机械制造业的重要基础装备，它的发展一直引起人们的关注，由于计算机技术的兴起，促使机床的控制信息出现了质的突破，导致了应用数字化技术进行柔性自动化控制的新一代机床－数控机床的诞生和发展。计算机的出现和应用，为人类提供了实现机械加工工艺过程自动化的理想手段。随着计算机的发展，数控机床也得到迅速的发展和广泛的应用，同时使人们对传统的机床传动及结构的概念发生了根本的转变。数控机床以其优异的性能和精度、灵捷而多样化的功能引起世人瞩目，并开创机械产品向机电一体化发展的先河。数控机床是以数字化的信息实现机床控制的机电一体化产品，它把刀具和工件之间的相对位置，机床电机的启动和停止，主轴变速，工件松开和夹紧，刀具的选择，冷却泵的起停等各种操作和顺序动作等信息用代码化的数字记录在控制介质上，然后将数字信息送入数控装置微机或计算机，经过译码，运算，发出各种指令控制机床伺服系统或其它的执行元件，加工出所需的工件。数控机床与普通机床相比，其主要有以下的优点：1.适应性强，适合加工单件或小批量的复杂工件；在数控机床上改变加工工件时，只需重新编制新工件的加工程序，就能实现新工件加工。2.加工精度高；3.生产效率高；4.减轻劳动强度，改善劳动条件；5.良好的经济效益；6.有利于生产管理的现代化。数控机床已成为我国市场需求的主流产品，需求量逐年激增。我国数控机机床近几年在产业化和产品开发上取得了明显的进步，特别是在机床的高速化、多轴化、复合化、精密化方面进步很大。但是，国产数控机床与先进国家的同类产品相比，还存在差距，还不能满足国家建设的需要。我国是一个机床大国，有三百多万台普通机床。但机床的素质差，性能落后，单台机床的平均产值只有先进工业国家的1/10左右，差距太大，急待改造。旧机床的数控化改造，顾名思义就是在普通机床上增加微机控制装置，使其具有一定的自动化能力，以实现预定的加工工艺目标。随着数控机床越来越多的普及应用，数控机床的技术经济效益为大家所理解。在国内工厂的技术改造中，机床的微机数控化改造已成为重要方面。许多工厂一面购置数控机床一面利用数控、数显、pc技术改造普通机床，并取得了良好的经济效益。我国经济资源有限，国家大，机床需要量大，因此不可能拿出相当大的资金去购买新型的数控机床，而我国的旧机床很多，用经济型数控系统改造普通机床，在投资少的情况下，使其既能满足加工的需要，又能提高机床的自动化程度，比较符合我国的国情。1984年，我国开始生产经济型数控系统，并用于改造旧机床。到目前为止，已有很多厂家生产经济型数控系统。可以预料，今后，机床的经济型数控化改造将迅速发展和普及。所以说，本毕业设计实例具有典型性和实用性。
普通机床改造成数控机床是指对普通机床某些部位机械结构做一定的改造,加上数控装置微机,从而使机床具有数控加工能力。但是目前的没有合理有效的数控机床改造方案。
技术实现要素：
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种机床改造系统，旨在实现机床的改动少，降低机床改造成本。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种机床改造系统，所述系统包括：步进电机，用于驱动机床的纵向z轴和横向x轴进给运动；数控装置微机，由单片机组成、i/o接口、环形分配器与功率放大器控制驱动部件转动，经齿轮减速后带动滚珠丝杠转动，控制机床的纵向、横向进给运动；自动转位刀架，由数控装置微机控制、且由电机驱动所述自动转位刀架的运动；主轴脉冲发生器，用于保持切削螺纹，并采用主轴靠同步齿形带使脉冲发生器同步旋转，发出两路信号：每转发出的预设脉冲个数和一个同步信号，经隔离电路以及i/o接口送给数控装置微机；驱动部件，用于驱动机床的轴向运动，具体采用步进电机；传动部件，经齿轮与所述驱动部件相连，具体为滚珠丝杠副。
通过采用上述技术方案，通过数控装置微机、自动转位刀架驱动部件和传动部件的改进，能够实现数控装置微机的控制下步进电机驱动架驱动部件和传动部件，通过经齿轮减速后带动滚珠丝杠转动，控制机床的纵向、横向进给运动，实现器件的自动加工。本发明的机床改造系统采用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。因此，改造的机床不仅能满足技术性能的要求，还要获得最佳的经济效益，使技术的先进性与经济的合理性较好地统一。
进一步地，所述机床纵向z向脉冲当量为0.01mm/脉冲，所述机床横向x向脉冲当量为0.005mm/脉冲。
通过采用上述技术方案，可以实现机床的纵向方向的运动和横向方向的运动，进一步精确对机床的运动控制。且，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、使用维修方便的优点。
进一步地，所述数控装置微机外接一eprom，用于存储监控程序的和零件的加工程序；以及，一ram，用于存放需要随机修改的零件程序、工作参数；采用译码法对扩展芯片进行寻址，采用74ls138译码器完成此功能；输入输出口扩展模块，用于分别接键盘的输入、输出显示；可编程并行i/o口扩展模块，用于连接步进电机的环形分配器，分别并行控制x轴和z轴的步进电机。
通过采用上述技术方案，实现数控装置微机周边电路的扩展，通过扩展的ram及eprom能够存储机床加工的程序，以及通过扩展对外连接的io口，进一步提高数控装置微机的连接硬件电路整体完整性。
进一步地，所述可编程并行i/o口扩展模块与所述数控装置微机系统总线连接，具有三个8位并行i/o口，每个i/o口实现一种工作方式，用于实现传送、查询传送或中断传送方式完成所述数控装置微机与外围设备之间的信息交换。
通过采用上述技术方案，通过编程能够方便地采用无条件传送、查询传送或中断传送方式完成cpu与外围设备之间的信息交换。
进一步地，还包括数控系统显示界面包括显示编辑窗口、控制面板和状态面板；所述显示编辑窗口，包括坐标显示、程序编辑显示和图形模拟显示，且所述坐标显示、所述程序编辑显示和所述图形模拟显示可切换显示。
通过采用上述技术方案，在机床改造系统的软件界面划分成显示编辑窗口、控制面板和状态面板三大部分，显示编辑窗口又可以在坐标显示、程序编辑和图形模拟三种显示模式之间进行切换，而且各个窗口还可以由用户选择打开或者关闭，这样的界面设计可以在有限的屏幕空间内显示出运动坐标、机床工作状态以及数控加工程序等许多数据，方便用户进行操作。
进一步地，所述控制面板将包括按键图标、旋钮图标、倍率旋钮图标，用以实现所述按键图标、所述旋钮图标、所述倍率旋钮图标所对应的物理功能；在所述状态面板中集中显示出工件坐标、加工轨迹、加工参数和进给倍率常用加工数据，所述加工轨迹采用二维界面对工件切削过程进行仿真显示。
通过采用上述技术方案，充分利用数控装置微机中鼠标、键盘i/o设备，从而省略了控制面板硬件的设计，且在状态面板中可以集中显示出工件坐标、加工参数和进给倍率等常用加工数据，使用户能较全面的了解机床当前的运行状况。
进一步地，所述异步电机的转速公式为:
n＝(60f/p)×(1-s)
其中，p是电动机的极对数，s是转差率，f是供电电源的频率，n是电动机的转速。
通过采用上述技术方案，电机转速与频率近似成正比，改变频率即可以平滑地调节电机转速。
进一步地，所述数控装置微机与所述变频器相连，所述变频器输出电机正反转信号、速度信号，并向所述数控装置微机发送电机故障信号。
通过采用上述技术方案，当提高电机转速后，还应考虑到对其轴承及绕组的影响，防止电机过分磨损及过热，一般可以通过设定最高频率来进行限定，因此，通过变频器与数控装置微机的连接能够实现对电机故障的发送以及实现电机控制信号的接收。
进一步地，所述变频器频率的调节范围为0～400hz。
通过采用上述技术方案，而对于变频器而言，其频率的调节范围是很宽的，可在0～400h之间任意调节，因此主轴电机转速即可以在较宽的范围内调节。
进一步地，所述速度信号的传递是通过所述数控装置微机到变频器的模拟给定通道，且通过所述变频器内部关于输入信号与设定频率的输入输出特性曲线的设置，所述特性曲线涵盖电压/电流信号、正/反作用、单/双极性的不同配置，以满足数控机床快速正反转、自由调速、变速切削的信息。
通过采用上述技术方案，速度信号的传递是通过数控装置微机到变频器的模拟给定通道(电压或电流)，通过变频器内部关于输入信号与设定频率的输入输出特性曲线的设置，数控装置微机就可以方便而自由地控制主轴的速度。
附图说明
图1为本发明提供的一种实施方式的机床改造系统结构示意图；
图2为变频器与数控装置微机的连接示意图；
图3为图1中人机交互界面的显示示意图；
图4为本发明提供的一种实施方式的电动机等效电路示意图.
标号说明：
11、控装置微机；12、自动转位刀架；13、主轴脉冲发生器；14、驱动部件；15、传动部件。
具体实施方式
实施例：
以下结合附图1-4对本发明作进一步详细说明。
一种机床改造系统1，如图1所示，所述系统包括：步进电机，用于驱动机床的纵向z轴和横向x轴进给运动；数控装置微机11，由单片机组成、i/o接口、环形分配器与功率放大器控制驱动部件14转动，经齿轮减速后带动滚珠丝杠转动，控制机床的纵向、横向进给运动；自动转位刀架12，由数控装置微机11控制、且由电机驱动所述自动转位刀架12的运动；主轴脉冲发生器13，用于保持切削螺纹，并采用主轴靠同步齿形带使脉冲发生器同步旋转，发出两路信号：每转发出的预设脉冲个数和一个同步信号，经隔离电路以及i/o接口送给数控装置微机11；驱动部件14，用于驱动机床的轴向运动，具体采用步进电机；传动部件15，经齿轮与所述驱动部件14相连，具体为滚珠丝杠副。
通过采用上述技术方案，通过数控装置微机11、自动转位刀架12驱动部件14和传动部件15的改进，能够实现数控装置微机11的控制下步进电机驱动架驱动部件14和传动部件15，通过经齿轮减速后带动滚珠丝杠转动，控制机床的纵向、横向进给运动，实现器件的自动加工。本发明的机床改造系统采用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。因此，改造的机床不仅能满足技术性能的要求，还要获得最佳的经济效益，使技术的先进性与经济的合理性较好地统一。
需要说明的是，本发明实施例中的数控装置微机11可以由8031单片机组成微机作为数控装置微机的核心，由i/o接口、环形分配器与功率放大器一起控制步进电机转动，经齿轮减速后带动滚珠丝杠转动，从而实现机床的纵向、横向进给运动。
进一步地，所述机床纵向z向脉冲当量为0.01mm/脉冲，所述机床横向x向脉冲当量为0.005mm/脉冲。
通过采用上述技术方案，可以实现机床的纵向方向的运动和横向方向的运动，进一步精确对机床的运动控制。且，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、使用维修方便的优点。
进一步地，所述数控装置微机11外接一eprom，用于存储监控程序的和零件的加工程序；以及，一ram，用于存放需要随机修改的零件程序、工作参数；采用译码法对扩展芯片进行寻址，采用74ls138译码器完成此功能；输入输出口扩展模块，用于分别接键盘的输入、输出显示；可编程并行i/o口扩展模块，用于连接步进电机的环形分配器，分别并行控制x轴和z轴的步进电机。
通过采用上述技术方案，实现数控装置微机11周边电路的扩展，通过扩展的ram及eprom能够存储机床加工的程序，以及通过可编程并行i/o口扩展模块扩展对外连接的io口，进一步提高数控装置微机11的连接硬件电路整体完整性。
进一步地，所述可编程并行i/o口扩展模块与所述数控装置微机11系统总线连接，具有三个8位并行i/o口，每个i/o口实现一种工作方式，用于实现传送、查询传送或中断传送方式完成所述数控装置微机11与外围设备之间的信息交换。
通过采用上述技术方案，通过编程能够方便地采用无条件传送、查询传送或中断传送方式完成cpu与外围设备之间的信息交换。
本发明的一种具体实现方式中，当数控装置微机为8031单片机组成时，输入/输出(i/o)口线8031单片机有p0、p1、p2、p3、p4个端口，每个端口8根i/o线。当系统扩展外部存储器时，p0口用来输出低8位并行数据，p2口用来输出高8位地址，p3口除可作为一个8位准双向并行口外，还具有第二功能，各引脚第二功能定义如下：p3.0rxd：串行数据输入端。p3.1txd：串行数据输出端p3.2int0：外部中断0请求信号输入端。p3.3int1：外部中断1请求信号输入端。p3.4t0：定时器/计数器0外部输入端p3.5t1：定时器/计数器1外部输入端p3.6wr：外部数据存储器写选通。p3.7rd：外部数据存储器读选通。在进行第二功能操作前，对第二功能的输出锁存器必须由程序置1。
信号控制线rst/vpd：rst为复位信号线输入引脚，在时钟电路工作以后，该引脚上出现两个机器周期以上的高电平，完成一次复位操作。8031单片机采用两种复位方式：一种是加电自动复位，另一种为开关复位。ale/prog：ale是地址锁存允许信号。它的作用是把cpu从p0口分时送出的低8位地址锁存在一个外加的锁存器中。外部程序存储器读选通信号。当其为低电平时有效。vpp：当ea为高电平且pc值小于0fffh时cpu执行内部程序存储器中的程序。当ea为低电平时，cpu仅执行外部程序存储器中的程序。xtal1：震荡器的反相放大器输入，使用外部震荡器时必须接地；xtal2：震荡器的反相放大器输出，使用外部震荡器时，接收外围震荡信号；片外三总线结构单片机在实际应用中，常常要扩展外部存储器、i/o口等。单片机的引脚，除了电源、复位、时钟输入以及用户i/o口外，其余的引脚都是为了实现系统扩展而设置的，这些引脚构成了三总线形式：
1)地址总线ab地址总线宽度为16位。因此，外部存储器直接寻址范围为64kb。由p0口经地址锁存器提供16位地址总线的低8位地址(a7～a0)，p2口直接提供高8位地址(a15～a8)。
2)数据总线db数据总线宽度为8位，由p0口提供。
3)控制总线cb控制总线由第二功能状态下的p3口和4根独立的控制线rst、ea、ale和psen组成。
一种实现方式中，可编程并行i/o口扩展模块为8255a可编程并行i/o口扩展芯片，8255a可编程并行i/o口扩展芯片8255a可编程并行i/o口扩展芯片可以直接与mcs系列单片机系统总线连接，它具有三个8位的并行i/o口，具有三种工作方式，通过编程能够方便地采用无条件传送、查询传送或中断传送方式完成cpu与外围设备之间的信息交换。8255a的结构及引脚功能：1、8255a的结构8255a的内部结构如图3－4所示。其中包括三个8位并行数据i/o端口，二个工作方式控制电路，一个读/写控制逻辑电路和一个8位数据总线缓冲器。各部分功能介绍如下：
(1)三个8位并行i/o端口a、b、ca口：具有一个8位数据输出锁存/缓冲器和一个8位数据输入锁存器。可编程为8位输入、或8位输出、或8位双向寄存器。b口：具有一个8位数据输出锁存/缓冲器和一个8位输入或输出寄存器，但不能双向输入/输出。c口：具有一个8位数据输出锁存/缓冲器和一个8位数据输入缓冲器，c口可分作两个4位口，用于输入或输出，也可作为a口和b口选通方式工作时的状态控制信号。
(2)工作方式控制电路a、b两组控制电路把三个端口分成a、b两组，a组控制a口各位和c口高四位，b组控制b口各位和c口低四位。两组控制电路各有一个控制命令寄存器，用来接收由cpu写入的控制字，以决定两组端口的工作方式。也可根据控制字的要求对c口按位清“0”或置“1”。
(3)读/写控制逻辑电路它接收来自cpu的地址信号及一些控制信号，控制各个口的工作状态。
(4)数据总线缓冲器它是一个三态双向缓冲器，用于和系统的数据总线直接相连，以实现cpu和8255a之间信息的传送。
进一步地，还包括数控系统显示界面包括显示编辑窗口、控制面板和状态面板；所述显示编辑窗口，包括坐标显示、程序编辑显示和图形模拟显示，且所述坐标显示、所述程序编辑显示和所述图形模拟显示可切换显示。
通过采用上述技术方案，在机床改造系统的软件界面划分成显示编辑窗口、控制面板和状态面板三大部分，显示编辑窗口又可以在坐标显示、程序编辑和图形模拟三种显示模式之间进行切换，而且各个窗口还可以由用户选择打开或者关闭，这样的界面设计可以在有限的屏幕空间内显示出运动坐标、机床工作状态以及数控加工程序等许多数据，方便用户进行操作。
通过参考国内外主流数控系统以及数控仿真软件的界面，结合微机数控系统的特点，设计出了简洁美观、操作方便的人机界面，如图3所示。整个软件界面划分成显示编辑窗口、控制面板和状态面板三大部分，显示编辑窗口又可以在坐标显示、程序编辑和图形模拟三种显示模式之间进行切换，而且各个窗口还可以由用户选择打开或者关闭，这样的界面设计可以在有限的屏幕空间内显示出运动坐标、机床工作状态以及数控加工程序等许多数据，方便用户进行操作。
控制面板将工业数控系统控制面板上的按键、旋钮等元件用图标进行模拟，只要点击鼠标就能完成各种操作。例如在进行进给倍率调整时，在进给倍率旋钮上单击鼠标左键，使旋钮逆时针旋转减小进给倍率，反之单击右键使旋钮顺时针旋转，增大进给倍率。这样就充分利用微机系统中鼠标、键盘等i/o设备，从而省略了控制面板硬件的设计。在状态面板中可以集中显示出工件坐标、加工参数(f、s、t)和进给倍率等常用加工数据，使用户能较全面的了解机床当前的运行状况。
加工轨迹模拟采用二维界面对工件切削过程进行仿真，如图3所示，图中蓝色方框表示工件毛胚，绿色网格表示卡盘，灰色四边形表示刀具。在对数控加工程序进行模拟运行时，刀具能根据程序的要求进行运动，当刀具与工件接触时，相交部分会被切除，运动效果与实际切削过程一致。为方便用户观察仿真过程，图形界面还可以进行平移和缩放，利用加工轨迹模拟功能可以检验数控程序的运效果，从而检查出程序中的错误。
进一步地，所述控制面板将包括按键图标、旋钮图标、倍率旋钮图标，用以实现所述按键图标、所述旋钮图标、所述倍率旋钮图标所对应的物理功能；在所述状态面板中集中显示出工件坐标、加工轨迹、加工参数和进给倍率常用加工数据，所述加工轨迹采用二维界面对工件切削过程进行仿真显示。
通过采用上述技术方案，充分利用数控装置微机11中鼠标、键盘i/o设备，从而省略了控制面板硬件的设计，且在状态面板中可以集中显示出工件坐标、加工参数和进给倍率等常用加工数据，使用户能较全面的了解机床当前的运行状况。
进一步地，所述异步电机的转速公式为:
n＝(60f/p)×(1-s)
其中，p是电动机的极对数，s是转差率，f是供电电源的频率，n是电动机的转速。
通过采用上述技术方案，电机转速与频率近似成正比，改变频率即可以平滑地调节电机转速。
进一步地，所述数控装置微机11与所述变频器相连，所述变频器输出电机正反转信号、速度信号，并向所述数控装置微机11发送电机故障信号。如图2所示，为变频器在数控机床的应用，其中变频器与数控装置微机的联系通常包括:(1)数控装置微机到变频器的正反转信号；(2)数控装置微机到变频器的速度或频率信号；(3)变频器到数控装置微机的故障等状态信号。因此所有关于对变频器的操作和反馈均可在数控面板进行编程和显示。
通过采用上述技术方案，当提高电机转速后，还应考虑到对其轴承及绕组的影响，防止电机过分磨损及过热，一般可以通过设定最高频率来进行限定，因此，通过变频器与数控装置微机11的连接能够实现对电机故障的发送以及实现电机控制信号的接收。
进一步地，所述变频器频率的调节范围为0～400hz。可以理解的是，不使用变频器进行变速传动的数控机床一般用时间控制器确认电机转速到达指令速度开始进刀，而使用变频器后，机床可按指令信号进刀，这样一来就提高了效率。
需要说明的是，速度信号的传递是通过数控装置到变频器的模拟给定通道(电压或电流)，通过变频器内部关于输入信号与设定频率的输入输出特性曲线的设置，数控装置就可以方便而自由地控制主轴的速度。该特性曲线必须涵盖电压/电流信号、正/反作用、单/双极性的不同配置，以满足数控机床快速正反转、自由调速、变速切削的要求。
通过采用上述技术方案，而对于变频器而言，其频率的调节范围是很宽的，可在0～400h之间任意调节，因此主轴电机转速即可以在较宽的范围内调节。
当然相对于标量控制而言，矢量控制的结构复杂、计算烦琐，而且必须存贮和频繁地使用电动机的参数。矢量控制分无速度传感器和有速度传感器两种方式，区别在于后者具有更高的速度控制精度(万分之五)，而前者为千分之五，但是在数控机床中无速度传感器的矢量变频器的控制性能已经符合控制要求，所以本发明实施例使用无速度传感器的矢量变频器。
通过采用上述技术方案，速度信号的传递是通过数控装置微机到变频器的模拟给定通道(电压或电流)，通过变频器内部关于输入信号与设定频率的输入输出特性曲线的设置，数控装置微机就可以方便而自由地控制主轴的速度。
由于矢量控制是着眼于转子磁通来控制电机的定子电流，因此在其内部的算法中大量涉及到电机参数。从图4的电动机的t型等效电路表示中可以看出，电机除了常规的参数如电机极数、额定功率、额定电流外，还有r1(定子电阻)、x11(定子漏感抗)、r2(转子电阻)、x21(转子漏感抗)、xm(互感抗)和i0(空载电流)。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
1、开放式数控系统是数控系统发展的必然趋势，而基于windows的微机开放式数控系统具有较强灵活性，可以充分利用pc机丰富的软硬件资源和强大的技术优势，有利于更完美地实现数控系统的用户界面、图形显示、动态仿真以及网络通讯等功能。模块化的程序设计使系统的通用性和可移植性大大增强，同时也有利于系统日后的功能扩展。
2、对于数控机床的主轴电机，使用了无速度传感器的变频调速器的矢量控制后，具有以下显著优点:大幅度降低维护费用，甚至是免维护的；可实现高效率的切割和较高的加工精度；实现低速和高速情况下强劲的力矩输出。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。