數(shù)控機床狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計.doc

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. 畢 業(yè) 設(shè) 計(論文) 精選word范本！ 題 系  目 別  數(shù)控機床狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計 機械工程系 專業(yè)班級  機械工程及其自動化 07K3 班 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 二○一一年六月 華北電力大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 數(shù)控機床狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計 摘要 為了使數(shù)控機床加工過程安全、可靠、高效、高質(zhì)量地進行，對加工設(shè)備進行狀態(tài)監(jiān) 測就變得非常重要。本文分析了數(shù)控機床狀態(tài)監(jiān)測的主要內(nèi)容，介紹了應(yīng)用 AT89C51 單片 機測量數(shù)控車床切削力和切削溫度的方法，論述了設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的基本組成和狀態(tài)監(jiān) 測系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)，并針對數(shù)控機床的加工過程，給出了數(shù)控機床狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn) 的具體結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)的工作流程。重點闡述了單片機實現(xiàn)連續(xù)自動采樣、A/D 轉(zhuǎn)換的方法。 給出了單片機測控系統(tǒng)的原理、結(jié)構(gòu)及進行數(shù)據(jù)采集的部分程序。 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主要包括單片機、傳感器、濾波裝置、放大電路、程序存儲器、靜態(tài)數(shù)據(jù) 存儲器、A/D 轉(zhuǎn)換芯片、I/O 接口的擴展以及鍵盤和 LED 顯示器接口。 系統(tǒng)工作的流程圖主要包括總體流程圖、A/D 轉(zhuǎn)換流程圖以及 LED 顯示器流程圖。 關(guān)鍵詞：AT89C51 單片機；數(shù)控機床；狀態(tài)監(jiān)控；傳感器 I 華北電力大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） CNC MACHINE TOOL CONDITION MONITORING SYSTEM DESIGN Abstract CNC machining process in order to make safe, reliable, efficient and quality manner, the processing equipment condition monitoring becomes very important. This article describes the application of CNC lathes AT89C51 microcontroller measuring cutting forces and cutting temperature method, analysis of CNC machine tool condition monitoring of main content, discusses the basic equipment condition monitoring systems and condition monitoring system composed of key technologies, and for CNC machine tools process, gives CNC machine condition monitoring systems to achieve the specific structure and system workflow. SCM focuses on the continuous automatic sampling, A / D conversion method. Shows the principle of single-chip control system, structure and data collection part of the program. Structure of the system including the microcontroller, sensors, filtering device, amplifier, program memory, static memory, A / D conversion chip, I / O interface expansion and keyboard and LED display interface. Work flow system include the overall flow, A / D converter and LED displays flow chart flow chart. Keywords: AT89C51 microcontroller ;CNC machine; condition monitoring ;sensors II 華北電力大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 目  錄 摘要 ............................................................................................................................................I Abstract ..................................................................................................................................... II 1 緒論 ........................................................................................................................................ 1 1.1 數(shù)控機床狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)研究背景 ....................................................................................... 1 1.2 國內(nèi)外數(shù)控機床狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀 ........................................................................ 2 1.3 本課題所做的主要工作....................................................................................................... 4 2．總體設(shè)計.............................................................................................................................. 5 2.1 系統(tǒng)的工作原理 .................................................................................................................. 5 2.2 系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu) .................................................................................................................. 5 2.3 切削力的計算 ...................................................................................................................... 6 3.硬件設(shè)計............................................................................................................................... 10 3.1 系統(tǒng)硬件選型 .................................................................................................................... 10 3.1.1 單片機選型 ..................................................................................................................... 10 3.1.2 單片機內(nèi)存擴展選型...................................................................................................... 13 3.1.3A/D 轉(zhuǎn)換器選型 .............................................................................................................. 16 3.1.4 顯示器選型 ..................................................................................................................... 18 3.1.5 傳感器選型 ..................................................................................................................... 19 3.1.6 通訊模塊選型 ................................................................................................................. 20 3.2.7 放大器電路設(shè)計 ............................................................................................................. 24 3.1.7 其他元器件的選型 ......................................................................................................... 25 4.軟件設(shè)計............................................................................................................................... 29 4.1 系統(tǒng)的主流程圖設(shè)計 ........................................................................................................ 29 4.2 A/D 轉(zhuǎn)換流程圖設(shè)計 ......................................................................................................... 29 4.3 LED 顯示器流程圖設(shè)計 .................................................................................................... 31 5.總結(jié) ...................................................................................................................................... 33 參考文獻 ................................................................................................................................. 34 附錄 A 數(shù)控機床狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)總電路原理圖 .................................................................. 35 致謝 ......................................................................................................................................... 36 華北電力大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 1.緒論 1.1 數(shù)控機床狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)研究背景 機床產(chǎn)業(yè)為國民經(jīng)濟發(fā)展的基礎(chǔ)，同時也是裝備制造業(yè)的重要部分?！秶抑虚L期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020 年）》將“高檔數(shù)控機床與基礎(chǔ)制造裝備”定為十六個科 技重大專項之一。由于國家相關(guān)計劃的一些支持，在數(shù)控機床關(guān)鍵技術(shù)研究方面，我國有了比較大的突破，創(chuàng)造了一批具有自主知識產(chǎn)權(quán)的研究成果以及相關(guān)的核心技術(shù)。主要為以下幾個方面： 1）中高檔數(shù)控機床的開發(fā)取得了較大進展，其中，五軸聯(lián)動、數(shù)字化設(shè)計和復(fù)合加工以及高速加工等一大批關(guān)鍵技術(shù)上取得了突破，自主研發(fā)了精密及超精密數(shù)控機床，大型、五軸聯(lián)動數(shù)控加工機床等一大批高質(zhì)量專業(yè)化機床，逐漸形成了一批批中檔數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)化基地。 2）機床產(chǎn)業(yè)中關(guān)鍵功能部件的技術(shù)水平以及其制造質(zhì)量每年都穩(wěn)步提高，逐步完善其功能，其中部分性能指標已經(jīng)能夠接近國際先進水平，形成了一批具有自主知識產(chǎn)權(quán)的功能部件。分別開發(fā)出了高速主軸單元、高速導(dǎo)軌防護裝置、直線電機、高速滾珠絲杠、重載直線導(dǎo)軌、數(shù)控轉(zhuǎn)臺、刀庫與機械手、高速工具系統(tǒng)和數(shù)字化量儀等高性能功能部件樣機，其中有一部分已經(jīng)實現(xiàn)了小批量生產(chǎn)。 3）中高檔數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)研究與應(yīng)用目前已取得一定成果。我們通過自主研發(fā)和與國外開展技術(shù)層次的合作，在中檔數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)和生產(chǎn)方面取得顯著的進步。初步解決了遠程數(shù)據(jù)傳輸、多坐標聯(lián)動等技術(shù)困難；相繼開發(fā)出交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)和主軸交流伺服控制系統(tǒng)以適應(yīng)數(shù)控系統(tǒng)的配套要求，從而形成了一系列規(guī)?；漠a(chǎn)品。 隨著現(xiàn)代工業(yè)加工生產(chǎn)系統(tǒng)的規(guī)模日益壯大，各生產(chǎn)環(huán)節(jié)之間的聯(lián)系也越來越密切，隨之而來的是形成了具有整體關(guān)聯(lián)的一系列生產(chǎn)鏈，漸漸的走向高效率、高速率、系統(tǒng)化以及自動化方向發(fā)展 。相對應(yīng)的是數(shù)控機床故障問題的檢測，狀態(tài)監(jiān)視和維護的費用有較大的上升。因此，若想大幅且高效的提高設(shè)備運行的安全性、可靠性，提高設(shè)備利用率，我們需要科學(xué)的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。 現(xiàn)在數(shù)控機床正朝著高速化、規(guī)?；?、精密化的方向發(fā)展。當(dāng)機床在高速度、高加速度、 大位移、大載荷等非正常狀況下工作的時候，振動、沖擊、變形、高溫、高壓等因素將嚴重的影響到機床的進給系統(tǒng)，從而會引發(fā)絲杠、軸承、導(dǎo)軌、齒輪、渦輪蝸桿等相關(guān)的部件產(chǎn)生不同的故障，這將引起數(shù)控機床的運動誤差、零部件的磨損，嚴重的還會引起意外停機的問題。所以對于機械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控和故障的診斷中，正確分析數(shù)控機床當(dāng)前工作運行狀態(tài)，并準確的預(yù)測出機床運行狀態(tài)的相關(guān)發(fā)展趨勢，為機床的整體維護以及工作目標提供指導(dǎo)依據(jù)是我們目前一個急需解決的問題。 現(xiàn)在數(shù)控機床已經(jīng)發(fā)展到較高的水平，尤其體現(xiàn)在在高速、高效、復(fù)合加工等方面，在批量生產(chǎn)中得到的應(yīng)用也越來越頻繁。那么相對應(yīng)的，數(shù)控機床的工作性、可靠性的標準和要求也日益增高。究其原因是如果機床發(fā)生了故障而停產(chǎn)，那么其造成的損失是非常巨大的。舉個簡單明顯的例子，大眾汽車廠的發(fā)動機生產(chǎn)線，其工作運轉(zhuǎn)非常精密，如果發(fā)生故障，停一日，那么大眾汽車廠的損失將達到驚人的 1000 萬元。可以看出，對數(shù)控機床的工作狀態(tài)進行實時監(jiān)控，是非常非常必要的。在這方面，很多的數(shù)控機床制造廠商在機床工作狀態(tài)的監(jiān)控方面，有大型的研究和開發(fā)，同時也取得了一些不錯的成果。 1 華北電力大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 1.2 國內(nèi)外數(shù)控機床狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀 目前，國內(nèi)很多機床監(jiān)控系統(tǒng)本質(zhì)為專用系統(tǒng)，開放性非常低，已不能滿足當(dāng)今制造 業(yè)對發(fā)展的需求，是非常典型的屬于工廠內(nèi)部的 “自動化孤島”。隨著計算機軟件技術(shù)的發(fā)展以及工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的普及，工廠自動化設(shè)備的互聯(lián)這一目標得以逐漸實現(xiàn)。如今，很多科技工作者高度重視機床信息采集與監(jiān)測技術(shù)研究等相關(guān)方面。 1997 年大連機車廠引進了當(dāng)時美國 ENTEKIRD 公司的狀態(tài)維修系統(tǒng)，并探索了數(shù)控機床等關(guān)鍵性生產(chǎn)設(shè)備的狀態(tài)維修，該廠為其機動處配備了故障診斷方面的專職工程師，同時建立了分為班組、車間、工廠的三級設(shè)備故障診斷網(wǎng)絡(luò)，狀態(tài)監(jiān)控和故障診斷應(yīng)用震動分析的方法，以進口數(shù)控機床為先導(dǎo)，因此設(shè)備維修完成了定期預(yù)防維修向狀態(tài)維修這一轉(zhuǎn)變。狀態(tài)維修，其含義為在對設(shè)備進行狀態(tài)監(jiān)控的基礎(chǔ)上，同時進行故障掃描，分析設(shè)備具體的運行狀態(tài)，從而經(jīng)過處理采取適當(dāng)措的施來進行維修。相比于傳統(tǒng)的定期維護，狀態(tài)維修集科學(xué)性、合理性于一體，能給企業(yè)帶來良好的的經(jīng)濟效益。 與國外的差距： 1）高端數(shù)控機床目前國內(nèi)供應(yīng)能力弱。 近年來，我國機床行業(yè)取得了長足的發(fā)展，同時穩(wěn)步提高數(shù)控化率，但目前凸顯出的仍然是機床消費和生產(chǎn)的結(jié)構(gòu)性矛盾。目前國內(nèi)的情況是，中高檔機床的需求量逐漸趕上甚至是超過低檔機床。遺憾的是，國產(chǎn)數(shù)控機床大部分以低檔為主，而高檔數(shù)控機床絕大部分通過進口達到需要。 2）自主創(chuàng)新能力不足。 很長一段時間，我國機床制造業(yè)的基礎(chǔ)技術(shù)研究工作大部分是在行業(yè)性的研究院內(nèi)進行。 這帶來了以下缺點：技術(shù)創(chuàng)新投入不足，能力薄弱，低水平生產(chǎn)能力過剩，低下的自主創(chuàng)新能 力，優(yōu)秀人才的匱乏。國產(chǎn)數(shù)控機床制造商現(xiàn)階段通過技術(shù)引進，國外采購等方式獲得了一些先進數(shù)控技術(shù)，但從根本上說缺乏基礎(chǔ)共性技術(shù)方面的研究，進而忽略了自主開發(fā)能力的培育，無法快速應(yīng)對市場的響應(yīng)。 3）產(chǎn)品品質(zhì)、可靠性以及服務(wù)能力不強。 在質(zhì)量、交貨期和服務(wù)等方面，國產(chǎn)機床與國外著名品牌相比還有很大的差距。首先質(zhì)量 方面，數(shù)控系統(tǒng)的可靠性指標 MTBF， 國產(chǎn)與國際先進數(shù)控系統(tǒng)相差較大。國產(chǎn)數(shù)控車床、 加工中心的 MTBF 與國際上先進水平也有較大差距。在交貨期問題上，很大一部分企業(yè)由于任 務(wù)重，工期緊而拖期交貨。服務(wù)體系不完善體現(xiàn)在市場開拓、成套技術(shù)服務(wù)、及時反應(yīng)能力無法滿足市場快節(jié)奏和人性化的要求。 4）功能部件發(fā)展滯后。 數(shù)控機床是由各個功能部件（滾珠絲杠副、主軸單元及主軸頭和數(shù)控伺服系統(tǒng)等）在機身等基礎(chǔ)機架上裝配而成的，作為數(shù)控機床的重要組成部分，功能部件非常重要。數(shù)控機床功能部件的發(fā)展與數(shù)控機床整體技術(shù)是互相依靠、協(xié)同合作的，因此，功能零部件的創(chuàng)新對于數(shù)控機床的發(fā)展起到非常重要的影響作用。我國對于數(shù)控機床的功能部件現(xiàn)已有一定規(guī)模， 2 華北電力大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 電主軸、主軸單元和數(shù)控系統(tǒng)等也有各自專門的制造廠家，在這些中少數(shù)產(chǎn)品的制造水平已經(jīng)離國際先進水平越來越接近?？傮w上看來我國機床功能部件品種少、發(fā)展延滯、產(chǎn)業(yè)化水平較低，精度指標和性能指標的綜合情況還比較薄弱。現(xiàn)在，數(shù)控刀架、滾珠絲杠、電主軸等功能部件只能簡單地滿足中低檔數(shù)控機床的相關(guān)配套的需求?？筛咚贊L動功能部件、高檔數(shù)控系統(tǒng)、高速精密電主軸等衡量數(shù)控機床水平的系統(tǒng)我國目前還依賴進口。 我國數(shù)控機床的發(fā)展前景： 以小型車制造業(yè)為代表的汽車及其零部件制造業(yè)、以航空航天為代表的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的 加速發(fā)展，這給機床制造業(yè)帶來了巨大的機遇。同時，如果在擺脫對國外高檔數(shù)控機床的依賴及壟斷的同時，想要滿足我國在重大基礎(chǔ)制造和國防工業(yè)領(lǐng)域?qū)Ω邫n數(shù)控機床的巨大需求，高檔數(shù)控機床，高性能功能部件的關(guān)鍵技術(shù)是我們必須突破的。我國數(shù)控機床的發(fā)展目前導(dǎo)向需要以市場所需求為主，主機為牽引，關(guān)鍵部件與主機、數(shù)控系統(tǒng)與功能部件需要統(tǒng)籌考慮，推行數(shù)字制造；加速振興我國機床制造業(yè)，需要以功能部件為基礎(chǔ)，同時還需要以共性技術(shù)為支撐。 1）提高數(shù)控機床產(chǎn)品的自主研發(fā)能力、制造能力。 我國是一個制造業(yè)大國，必須快速平穩(wěn)的提高數(shù)控機床及其相關(guān)產(chǎn)品的自主研發(fā)能力和制造能力。共性和關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)方面，我們則需要與數(shù)控機床和功能部件的基地建設(shè)來進行結(jié)合，當(dāng)前主要目標為高檔數(shù)控機床發(fā)展，提高國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)以及關(guān)鍵功能部件的配套能力，提高整機可靠性和產(chǎn)業(yè)化水平，特別是要提高在國產(chǎn)中高檔數(shù)控機床中的配套能力；同時還需要加強數(shù)控機床基礎(chǔ)開發(fā)理論方面的研究、基礎(chǔ)工藝技術(shù)研究、應(yīng)用軟件開發(fā)，更重要的是搞好行業(yè)標準和專利工作，以此為數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)發(fā)展夯實基礎(chǔ)。 2）以功能部件為基礎(chǔ)，以關(guān)鍵共性技術(shù)為支撐。 數(shù)控系統(tǒng)、功能部件、關(guān)鍵部件是發(fā)展高檔數(shù)控機床的基礎(chǔ)，當(dāng)前我國在這方面發(fā)展 十分薄弱，已成為制約數(shù)控機床發(fā)展的瓶頸，必須加快發(fā)展，提高專業(yè)化、批量化生產(chǎn)技 術(shù)水平和能力。產(chǎn)品的發(fā)展和自主創(chuàng)新能力的提高必須依賴于核心技術(shù)的掌握，依賴于共 性技術(shù)的支撐?；A(chǔ)技術(shù)研究作為機床整體水平提高前提和保障，是機床設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和基礎(chǔ)部分，尤其對于我國機床行業(yè)邁向新的階段，解決機床開發(fā)中低水平重復(fù)問題以及附加值低等瓶頸問題具有非常重要意義。 3）加快技術(shù)引進與國際合作。 為了較快得到領(lǐng)先的技術(shù)，企業(yè)可直接與國外知名企業(yè)和國外科研院所合資、合作，通過市場換技術(shù)，利用我們有限的資金來換取無限的發(fā)展，從而我們可以實現(xiàn)主流產(chǎn)品生產(chǎn)的高起點、成批量、專業(yè)化這一目的。加強引進技術(shù)的消化吸收進一步再創(chuàng)新是在引進與合作過程中需要注意的問題。在某些方面，我國與外國差距較大，如果國外先進技術(shù)有引進的可能，那么我們應(yīng)該通過引進技術(shù)，加強消化吸收，從而實現(xiàn)再創(chuàng)新這一目的，以滿足用戶的需求。在技術(shù)基礎(chǔ)較好的領(lǐng)域，利用我們現(xiàn)形成一定優(yōu)勢的技術(shù)，與用戶結(jié)合，開發(fā)滿足用戶需要的產(chǎn)品，從而形成技術(shù)創(chuàng)新的能力，在原始創(chuàng)新上取得發(fā)展突破。 3 華北電力大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 現(xiàn)在數(shù)控機床正朝著高速化、規(guī)?；?、精密化的方向發(fā)展。當(dāng)機床在高速度、高加速度、 大位移、大載荷等非正常狀況下工作的時候，振動、沖擊、變形、高溫、高壓等因素將嚴重的影響到機床的進給系統(tǒng)，從而會引發(fā)絲杠、軸承、導(dǎo)軌、齒輪、渦輪蝸桿等相關(guān)的部件產(chǎn)生不同的故障，這將引起數(shù)控機床的運動誤差、零部件的磨損，嚴重的還會引起意外停機的問題。所以對于機械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控和故障的診斷中，正確分析數(shù)控機床當(dāng)前工作運行狀態(tài)，并準確的預(yù)測出機床運行狀態(tài)的相關(guān)發(fā)展趨勢，為機床的整體維護以及工作目標提供指導(dǎo)依據(jù)是我們目前一個急需解決的問題。 1.3 本課題所做的主要工作 本課題主要研究數(shù)控機床切削溫度、切削力等狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計，論述了數(shù)控機床狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的基本組成以及狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)所需的關(guān)鍵技術(shù)，同時重點針對數(shù)控機床的加工過程，列出數(shù)控機床狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的工作流程，文字和圖片描述出系統(tǒng)實現(xiàn)的具體結(jié)構(gòu)。 第一章主要論述了數(shù)控機床狀態(tài)監(jiān)控研究背景和意義，同時介紹國內(nèi)外數(shù)控機床的發(fā)展 現(xiàn)狀。 第二章主要論述了數(shù)控機床狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計，其中包括系統(tǒng)的工作原理、系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)以及零部件切削力的計算方法等。 第三章主要論述了數(shù)控機床狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)各主要部分硬件的選型以及核心電路設(shè)計。 第四章主要論述了數(shù)控機床狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)流程圖的設(shè)計。 第五章主要為數(shù)控機床狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計的總結(jié)。 4 華北電力大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 2.總體設(shè)計 2.1 系統(tǒng)的工作原理 數(shù)控機床狀態(tài)監(jiān)測的主要內(nèi)容：對于數(shù)控機床來說，我們所進行狀態(tài)監(jiān)測就是對其加工 過程進行監(jiān)測，其中主要項目主要包括機床狀態(tài)監(jiān)測、加工過程監(jiān)測、刀具狀態(tài)監(jiān)測和加工工件質(zhì)量監(jiān)測這4 個方面。具體見圖 2-1 所示。 數(shù)控機床狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的組成：數(shù)控機床的加工作為一個復(fù)雜的物理化學(xué)過程，對整個 過程進行狀態(tài)監(jiān)測涉及很多相關(guān)技術(shù)。普通的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)主要包括以下三個方 面：信息獲取、特征提取和狀態(tài)識別。 數(shù)控機床加工過程狀態(tài)監(jiān)測 機床狀態(tài)監(jiān)測  刀具狀態(tài)監(jiān)測  加工過程監(jiān)測  工件質(zhì)量監(jiān)測 機 床 主 軸 系 統(tǒng) 監(jiān) 測  機 床 導(dǎo) 軌 部 件 監(jiān) 測  機 床 伺 服 系 統(tǒng) 監(jiān) 測  機 床 動 態(tài) 特 性 監(jiān)  機 床 磨 損 狀 態(tài) 監(jiān) 測  刀 具 補 償 壽 命 管 理  刀 具 磨 損 破 損 監(jiān) 測  刀 具 裝 夾 狀 態(tài) 監(jiān) 測  刀 具 型 號 識 別  加 工 過 程 溫 度 監(jiān) 測  加 工 過 程 力 的 監(jiān) 測  加 工 過 程 監(jiān) 測  加 工 過 程 振 動 監(jiān) 測  潤 滑 系 統(tǒng) 監(jiān) 測  加 工 工 序 和 冷 卻  加 工 狀 態(tài) 監(jiān) 測  工 件 裝 夾 狀 態(tài) 檢 測  加 工 工 件 識 別 調(diào) 整  工 件 裝 夾 狀 態(tài) 監(jiān) 測 圖 2-1  數(shù)控機床狀態(tài)監(jiān)測的主要內(nèi)容 2.2 系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu) 計算機硬件體系結(jié)構(gòu)由5大部件組成，他們分別是運算器、存儲器、控制器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備。計算機硬件系統(tǒng)的核心為運算器，存儲器與輸入、輸出設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳送的必經(jīng)之路就是運算器。存儲器、運算器以及輸入、輸出設(shè)備的操作都由控制器集中控制。以運算器為中心的計算機系統(tǒng)組成框圖如圖 2-2 所示。 數(shù)控機床狀態(tài)監(jiān)測是指在機床加工的過程中對一些工作狀態(tài)進行數(shù)據(jù)采集和處理，通過比較實際特征參數(shù)與正常值，進而了解數(shù)控機床的實際工作狀態(tài)，從而掌握設(shè)備工作是否正常合理，通過這樣為故障診斷和預(yù)測提供依據(jù)。根本上講，不管是狀態(tài)監(jiān)測或者故障診斷與預(yù)測亦或是數(shù)據(jù)的采集傳輸和處理是基礎(chǔ)。因此，狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計，最重要的是設(shè)計一個正常合理的機床數(shù)據(jù)采集、處理系統(tǒng)，以此來實現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測。 5 華北電力大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 切 削 力 輸 入  多 路 開 關(guān)  放 大 器  轉(zhuǎn) 換  鎖 存 器  RAM ROM 切 削  鍵盤輸入 溫 度 輸 入 濾 波 器  圖 2-2  驅(qū) 動 器 監(jiān)控系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)框圖  數(shù)據(jù)顯示器 典型的數(shù)控機床狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的工作流程如圖2-3所示。這其中環(huán)節(jié)包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)傳輸、特征提取、數(shù)據(jù)融合和狀態(tài)監(jiān)測等。數(shù)據(jù)的采集與傳輸，El接口的發(fā)展體現(xiàn)在如下幾個方面：傳感器的高精度、小型化、集成化、嚴酷環(huán)境適應(yīng)性、可靠性(理論上比被監(jiān)測對象更可靠)、低能耗與高速率傳輸?shù)膫鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)等方面。 設(shè)計機床狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的時候，重要的是要考慮到系統(tǒng)的針對性、可靠性和可擴展性，也就是說在充分分析機床運行狀態(tài)以及常見故障的基礎(chǔ)上，有針對性地進行特征信號的分析與傳感器類型的選擇，采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，以使系統(tǒng)能夠可靠地運行。根據(jù)數(shù)控機床加工過程狀態(tài)監(jiān)測的任務(wù)，以保證其安全可靠運行為 El 標，按照任務(wù)側(cè)重點的不同，可將整個狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)分解成相互獨立、又彼此相連的子系統(tǒng)，同時每個子系統(tǒng)分解為一系列任務(wù)模塊，整個系統(tǒng)由軟硬件兩部分構(gòu)成。 不同的子系統(tǒng)在數(shù)控機床的狀態(tài)監(jiān)測中起著各自不同的作用，特征信號采集子系統(tǒng)以 特定的頻率采集機床運行過程中的特征信號，經(jīng)過信號處理和傳輸后，通過網(wǎng)絡(luò)智能學(xué)習(xí) 子系統(tǒng)學(xué)習(xí)機床的工作狀態(tài)，目的是監(jiān)測數(shù)控機床當(dāng)前的運行狀態(tài)，最后通過運行狀態(tài)分 析顯示模塊，給出特征信號的分析以及數(shù)控機床當(dāng)前運行狀態(tài)的評價。 2.3 切削力的計算 通常測力儀中最常用的傳感器是電阻絲應(yīng)變片和壓電晶體。我所設(shè)計的八角環(huán)測力儀 是一種電阻絲應(yīng)變片式的測力儀。其工作原理是測力儀的八角環(huán)是彈性元件，在環(huán)的內(nèi)外 壁上粘貼電阻應(yīng)變片，并連結(jié)成三個電橋以作為測定 X、Y、Z 三個方向切削力的傳感器， 在數(shù)控車床車削時。車削力經(jīng)工件轉(zhuǎn)動傳遞于車刀上，再由車刀刀桿傳遞到八角環(huán)，八角 6 AT89C51 A/D 8255 華北電力大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 環(huán)的變形使緊貼在其上的電阻應(yīng)變片也隨之變形，電阻值 R 發(fā)生了變化（ R DR）當(dāng)應(yīng)變 片受拉伸時，電阻絲直徑變細，電阻值增大（ R + DR），當(dāng)應(yīng)變片受壓縮變形時，電 數(shù)據(jù)融合  數(shù)據(jù)融合 數(shù) 控 機 床  傳 感 器 組  數(shù) 據(jù) 預(yù) 處 理  數(shù) 據(jù) 傳 輸  特 征 提 取  狀 態(tài) 檢 測 人工 / 自動 反饋環(huán)節(jié) 圖 2-3  典型的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的工作流程 阻絲直徑變粗，電阻值變?。?R - DR），從而輸出正比例電信號。實驗得知。由于電阻應(yīng) 變片的電阻變化很小，所以必須將信號放大到 0－5V 后才能輸入單片機控制系統(tǒng)進行相應(yīng) 的處理。 電阻應(yīng)變片組成的電橋如圖 2-4、2-5 所示。 圖 2-4 為等臂全橋電路，圖 2-5 為臥式半橋電路。 R3、R4 分別為四個電橋橋臂的電阻)。當(dāng) A、C 端加以一定的橋壓 U 時則 B、D 端的輸 出電壓 U 由下式求得： DU = U R1R3 - R2R4 (R1 + R2)( R3 + R4)  (2-1) 由式（1）可知，當(dāng) R1R3=R2R4 時，電橋輸出電壓 DU = 0 ，即電橋處于平衡，這就是 在進行切削力測量前必須進行的電橋平衡的調(diào)節(jié)工作。在切削力的作用下，應(yīng)變片的電阻 發(fā)生變化，破壞了電橋的平衡)。若 R1、R2、R3、R4 分別產(chǎn)生 DR1 、 DR2 、 DR3 DR4 的電阻變化，則由式（2-1）電橋的輸出電壓為： 7 、 華北電力大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 圖 2-4  等壁全橋電路 圖 2-5 臥式半橋電路 DU =  R1R2 (R1 + R2) 2  (DR1 R1 - DR2 R2 + DR3 R3 - DR4 R4  (2-2) 由式（2-2）可以看出電橋的一個重要性質(zhì)，當(dāng)電橋相鄰兩臂由符號相同的電阻變化 時，電橋輸出電壓為兩橋電阻變化相減的結(jié)果。因此，在側(cè)利益接橋時，為使電橋有較大 的輸出，則應(yīng)使電橋相鄰兩臂有符號相反的電阻變化，而相對兩臂有符號相同的變化)。 這就 是本測力儀布片于接橋的原則。測力儀常用的電橋有等臂全橋（電橋由四個臂組成， R1=R2=R3=R4）及半橋（電橋由兩個臂加上兩個固定電阻組成，R1=R2=R），如圖 2 所示。 由式（2）兩種電橋的輸出電壓為： 全橋： DU = U 4R(DR1 - DR2 + DR3 - DR4)  8 (2-3) 華北電力大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 半橋：DU = U 4R(DR1 - DR2)  (2-4) 比較（2-3）和（2-4）可知，當(dāng) DR1 = DR3 = +DR; DR2 = DR4 = -DR 時，全橋的輸出為 半橋的兩倍，也即全橋的靈敏度為半橋的兩倍)。因此，為提高測力儀的靈敏度，即電橋 有較大的輸出，我們在設(shè)計測力儀時采用了等臂全橋的測量電路。 量程放大器 把傳感器輸出的信號一般為 mv - mv 級，放大到模數(shù)轉(zhuǎn)換器所能接收的統(tǒng)一電平 0－5V。 多路開關(guān)把數(shù)控車床切削過程中由傳感器變換后的各路的電信號與 A/D 相連，以便進行 A/D 轉(zhuǎn)換，這樣既可節(jié)省設(shè)備，又不至于使各個被測參數(shù)之間互相競爭。多路開關(guān)每次閉合的 通道號由程序控制。 9 華北電力大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 3.硬件設(shè)計 3.1 系統(tǒng)硬件選型 3.1.1 單片機選型 單片機是一種集成在電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的 中央處理器 CPU 隨機存儲器 RAM、只讀存儲器 ROM、多種 I/O 口和中斷系統(tǒng)、定時器/計時 器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D 轉(zhuǎn)換器等電 路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個小而完善的計算機系統(tǒng)。 單片微型計算機簡稱單片機，是典型的嵌入式微控制器（Microcontroller Unit）， 常用英文字母的縮寫 MCU 表示單片機，它最早是被用在工業(yè)控制領(lǐng)域。單片機由芯片內(nèi)僅 有 CPU 的專用處理器發(fā)展而來。最早的設(shè)計理念是通過將大量外圍設(shè)備和 CPU 集成在一個 芯片中，使計算機系統(tǒng)更小，更容易集成復(fù)雜的而對體積要求嚴格的控制設(shè)備當(dāng)中。 單片機又稱單片微控制器，它不是完成某一個邏輯功能的芯片,而是把一個計算機系 統(tǒng)集成到一個芯片上。相當(dāng)于一個微型的計算機，和計算機相比，單片機只缺少了 I/O 設(shè) 備。概括的講：一塊芯片就成了一臺計算機。它的體積小、質(zhì)量輕、價格便宜、為學(xué)習(xí)、 應(yīng)用和開發(fā)提供了便利條件。同時，學(xué)習(xí)使用單片機是了解計算機原理與結(jié)構(gòu)的最佳選擇。 AT89C51 是一種帶 4K 字節(jié) FLASH 存儲器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能 CMOS 8 位微處理器，俗稱單片機。AT89C2051 是一 種帶 2K 字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲器的單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反 復(fù)擦除 1000 次。該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標準的 MCS-51 指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能 8 位 CPU 和閃爍存儲器組合在單個芯片中， ATMEL 的 AT89C51 是一種高效微控制器，AT89C2051 是它的一種精簡版本。AT89C 單片機為 很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。 主要性能參數(shù)： 與 MCS-51 兼容。 4K 字節(jié)可編程 FLASH 存儲器。 壽命：1000 寫/擦循環(huán)。 數(shù)據(jù)保留時間：10 年。 全靜態(tài)工作：0Hz-24MHz。 三級程序存儲器鎖定。 1288 位內(nèi)部 RAM。 32 可編程 I/O 線。 兩個 16 位定時器/計數(shù)器。 5 個中斷源。 可編程串行通道。 10 華北電力大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 低功耗的閑置和掉電模式。 片內(nèi)振蕩器和時鐘電路。 AT89C51 引腳功能說明： Vcc：電源電壓。 GND：地線。 P0 口：P0 口是一組 8 為漏極開路型雙向 I/O 口，也即地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸 出口用時，每位能吸收電流的方式驅(qū)動 8 個 TTL 邏輯門電路，對端口寫“1”可作為高阻 抗輸入端用。 在 Flash 編程時，P0 口接收指令字節(jié)，而在程序校驗時，輸出指令字節(jié)，校驗時，要 求外接上拉電阻。 P2 口：P2 是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 為雙向 I/O 口，P2 的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸 收或輸出電流）4 個 TTL 邏輯門電路。對端口號寫“1”時，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉 到高電平，此時可作輸入口，作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部 信號拉低時會輸出一個電流。 P3 口：P3 口是組帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口。P3 口輸出緩沖級可驅(qū)動（吸 收或輸出電流）4 個 TTL 邏輯門電路。對端口號寫“1”時，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可 作為輸入端口。作為輸入端時，外部拉低的 P3 口將用上拉電阻輸出電流。 P3 口除了作為一般的 I/O 口線外，更重要的用途是它的第二功能，如表 3-1 所示。 RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時，RST 引腳出現(xiàn)兩個機器周期以上高電平將使單片機 復(fù)位。 ALE / PROG :當(dāng)訪問外部存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用 于鎖存地址低 8 位字節(jié)。即使不訪問外部存儲器，ALE 仍以時鐘振蕩頻率的 1/6 輸出的正 脈沖信號，因此它可以對外輸出時鐘或用于定時目的。要注意的是：每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存 儲器時將跳過一個 ALE 脈沖。 端口引腳 P3.0 P3.1 P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7 表 3-1 P3 口第二功能 第二功能 RXD（串行輸入口） TXD（串行輸出口） INT 0 （外中斷 0） INT 1（外中斷 1） T0（定時/計數(shù)器 0） T1（定時/計數(shù)器 1） WR （外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通） RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通） PSEN ：程序存儲允許（ PSEN ）輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當(dāng) AT89C51 11 華北電力大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 由外部程序存儲器取指令（或數(shù)據(jù)）時，每個機器周期兩次 PSEN 有效，即輸出兩個脈沖。 在此期間，當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，這兩次有效的 PSEN 信號不出現(xiàn)。 EA / VPP ：外部訪問允許。欲使 CPU 僅訪問外部程序存儲器（地址為 0000H-FFFFFH）， EA端必須保持低電平（接地）。 XATL1：振蕩器反相放大器的內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。 XATL2：振蕩器反相放大器的輸出端。 本數(shù)控機床狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)選用 AT89C51 單片機，引腳如圖 3-1 所示。 圖3-1  AT89C51引腳圖 單片機的復(fù)位電路 單片機復(fù)位電路的基本功能是：系統(tǒng)上電時提供復(fù)位信號，直至系統(tǒng)電源穩(wěn)定后，撤 銷復(fù)位信號。為可靠起見，電源穩(wěn)定后還要經(jīng)過一定的延時才能撤銷復(fù)位信號，以防電源 開關(guān)或電源插頭分－合過程中引起的抖動而影響復(fù)位。RC 電路基本可以實現(xiàn)上訴功能，電 路圖如圖 3-2 所示。 單片機的時鐘振蕩器電路設(shè)計 AT89C51 中有一個用于構(gòu)成內(nèi)部振蕩器的高增益反相放大器，引腳 XATL1 和 XTAL2 分 別是該放大器的輸入端和輸出端。這個放大器與作為反饋元件的片外石英晶體或陶瓷諧振 器一起構(gòu)成自激振蕩器。本數(shù)控機床狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計的時鐘振蕩器電路圖如 3-2 所示。 外接石英晶體（或陶瓷諧振器）及電容 C1、C2 接在放大器的反饋回路中構(gòu)成并聯(lián)振 蕩電路。對外接 C1、C2 雖然沒有十分嚴格的要求，但電容容量的大小會輕微影響振蕩頻 率的高低、振蕩器工作電路的穩(wěn)定性、起振的難以程序及溫度穩(wěn)定性，如果使用石英晶體。 12 華北電力大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 圖 3-2 圖 3-3  單片機復(fù)位電路 時鐘振蕩電路圖 3.1.2 單片機內(nèi)存擴展選型 外擴展是構(gòu)建單片機系統(tǒng)的重要內(nèi)容，由于單片機芯片本身的硬件資源有限，往往不 能滿足系統(tǒng)需要，因此，必須以芯片外擴展的辦法來解決，即通常所說的系統(tǒng)擴展。由兩 類外擴展：存儲器擴展和 I/O 擴展；有兩種外擴展方法：并行擴展和串行擴展。 單片機系統(tǒng)擴展時以單片機芯片為核心進行的，存儲器擴展中包含程序存儲器和數(shù)據(jù) 存儲器，其余所有擴展內(nèi)容統(tǒng)稱為 I/O 擴展。單片機并行擴展系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 3-4 所示。 由擴展系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖可知，擴展時通過系統(tǒng)總線進行的。所謂總線就是連接單片機各擴 展部件的一組公共信號線是系統(tǒng)共享的通路，通過總線把各擴展不見連接起來，以進行數(shù) 據(jù)、地址和控制信號的傳送?？刹脸删幊讨蛔x存儲器（EPROM）芯片的內(nèi)容由用戶寫入， 但允許反復(fù)擦除重新寫入。 EPROM 是用紫外線擦除。在芯片外殼上方的中央有一個圓形窗口，通過這個窗口照射 13 華北電力大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 紫外線就可以擦除原有信息。由于陽光中有紫外線成分，所以程序?qū)懞煤笠貌煌该鳂撕? 貼封窗口，以避免陽光照射而破壞程序。 地址總線 AB 單 片 機 數(shù)據(jù)總線 DB 控制總線 CB 數(shù)據(jù)存儲器  程序存儲器  I/O 接口  I/O 接口 圖 3-4  單片機并行擴展系統(tǒng)結(jié)構(gòu) EPROM 的典型芯片是 Intel 公司的 27 系列產(chǎn)品，按存儲容量不同有多種型號，例如， 2716（2K*8）、2732(4K*8)、2764(8K*8)、27128(16K*8)、27256(32K*8)、27512(64K*8) 等，型號名后面的數(shù)字表示位存儲容量。 在單片機系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)存儲器用于存放可隨時修改的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)存儲器擴展使用隨即 存儲器芯片，隨機存儲器(Random Access Memory)簡稱 RAM。對 RAM 可以進行讀/寫兩種操 作，但 RAM 是易失性存儲器，斷電后所存信息消失。 MCS-51 單片機的內(nèi)部有 128 個字節(jié) RAM。在實際的應(yīng)用中，僅靠片內(nèi) RAM 往往是不夠 用的，必須擴展外部數(shù)據(jù)存儲器。常用的數(shù)據(jù)存儲器有靜態(tài)存儲器（SRAM）和動態(tài)存儲器 （DRAM），在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中，外擴展的數(shù)據(jù)存儲器都采用靜態(tài)存儲器。 所擴展的數(shù)據(jù)存儲器空間地址，有 P2 口提供高 8 位地址，P0 分別提供低 8 位地址和 用作 8 位的雙向數(shù)據(jù)總線。片外數(shù)據(jù)存儲器 RAM 的讀寫由單片機的 RD 和 WR 信號控制，而 片外程序存儲器 EPROM 的輸出允許端由讀選通信號控制。盡管與 EPROM 共處同一地址空間， 但是由于控制信號的不同，所以不會發(fā)生總線沖突。 單片機系統(tǒng)中常用的 SRAM 芯片的典型型號有：6116、6264、62128、62256 等。它們 都用單一+5V 電源供電，雙列直插封裝。在本文中選用 62256 SRSM。 62256 是 32K 的低功耗靜態(tài) RAM 存儲器，用 P0 和 P2 來擴展外部 RAM（就是用 P0 和 P2 與 62256 對應(yīng)的管腳相連接），假設(shè) P2.7 接 WR，P2.6 接 RD，P2.5 接 CS，那么就可以確定 一個外部 RAM 的一個地址，想往外部 RAM 的一個地址寫一個字節(jié)時，地址可以定義 XBYTE[0x4000]，其中 WR、CS 為低，RD 為高，那就是到位的 4（0100 也就是 P2.7 和 P2.5 輸出了低電平，而 P2.6 輸出了高電平，目的當(dāng)然是要選通 62256 并且向 62256 寫入數(shù)據(jù)）， 其它位的可以根據(jù)情況自己定。 14 華北電力大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 本數(shù)控機床狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)選用 27512、62256 芯片，引腳如圖 3-5、3-6 所示。