2196 XA6132控制部分的數(shù)控化改造

2196 XA6132控制部分的數(shù)控化改造,xa6132,控制,節(jié)制,部分,部份,數(shù)控,改造 第 1 頁 共 48 頁XA6132 控制部分的數(shù)控化改造內(nèi)容摘要: 利用數(shù)控系統(tǒng)改造銑床是提高老設(shè)備利用率的一種重要手段。改造后的數(shù)控銑床，不僅適合加工橢圓弧面和凸輪曲面，而且大大地減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。本文介紹了一種用單片機(jī)控制伺服電機(jī)的 X6132 萬能升降臺(tái)銑床的工作臺(tái)的數(shù)控改造的半閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。改造后的機(jī)床能利用微型計(jì)算機(jī)來控制直流伺服電機(jī)，驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)進(jìn)行 X、Y、Z 三個(gè)方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)二軸聯(lián)動(dòng)，該半閉環(huán)控制數(shù)控系統(tǒng)由測(cè)速發(fā)電機(jī)來反饋伺服電機(jī)的速度，同時(shí)由感應(yīng)同步器來反饋滾珠絲杠的角位移量，具有機(jī)床自動(dòng)進(jìn)給的功能。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)直線插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ)，數(shù)控加工按輪廓編程，能自動(dòng)適應(yīng)刀具尺寸的變化。關(guān)鍵詞： 數(shù)控改造 X6132 半閉環(huán)控制第 2 頁 共 48 頁AbstractIt is implement the rebuilding of general machines to NC machines,it could increase work efficiency of old equipment. Rebuilt NC machines,not only process the oval of Arc-shaped face and the oval curved face,but also meanwhile alleviated the worker’s labor strength consumedly.This text introduced a kind of all-powerful working panel lifter in X6132 miller that use the half that the number of the work set of the single servo electrical engineering in control in a machine control reforms to shut the wreath control system design project. Rebuilt NC machines making use of the microcomputer controls servomotors, the three axes in the X、Y、Z plane enters to reforms to sport mutually control with the servo electrical engineering in direct current, realize the two stalks contacting move, this half closed-loop control system makes the tachogenerator to feed back the servomotors’ speed and the respond synchronous machine feed back the ball screw-bar’s angular displacement, and designed to realize the machine bed enters automatically to of the number controls the device, the numeral control system adopts the half closed-loop control .The servo electrical engineering drives, can realize the straight line put to repair and put to repair with the arc. The number controls to process to press outline plait distance procedure but can adapt to the variety that knife have size.Key Word: numerization rebuilding X6132 the half closed-loop control第 3 頁 共 48 頁目 錄前 言 ...................................................................1正 文 ...................................................................61.總體設(shè)計(jì)方案的設(shè)計(jì) ....................................................71.1 原來的 X6132 普通升降臺(tái)銑床的用途 .................................71.2 總體設(shè)計(jì)任務(wù) .....................................................71.3 總體設(shè)計(jì)方案 .....................................................71.4、主傳動(dòng)系統(tǒng)的改造 ...............................................101.4.1 電氣部分的改造 .............................................101.4.2 機(jī)械部分的數(shù)控化改造 .......................................111.5 給傳動(dòng)系統(tǒng)的改造 ................................................111.5.1 改造設(shè)計(jì)要求 ...............................................111.5.2 進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的改造方案 .....................................111.6.數(shù)控系統(tǒng)的硬件與軟件設(shè)計(jì) ........................................121.7.改造后的布局及功能 ..............................................142.控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) ...................................................152.1 單片機(jī)的選擇 ....................................................152.1.1 CPU 的比較和選用 ...........................................152.1.2 存儲(chǔ)芯片的選擇 .............................................172.1.3 I/O 接口芯片 ...............................................172.1.4 越界報(bào)警和急停電路 .........................................182.2 伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng) ..................................................192.2.1 光電耦合電路 ...............................................202.2.2PWM 功率放大器電路 ..........................................212.3 檢測(cè)裝置 ........................................................24第 4 頁 共 48 頁2.3.1 測(cè)速發(fā)電機(jī) .................................................242.3.2 感應(yīng)同步器 .................................................252.4 實(shí)現(xiàn)機(jī)床自動(dòng)進(jìn)給的數(shù)控裝置 ......................................262.4.1 自動(dòng)進(jìn)給數(shù)控裝置框圖 .......................................262.4.2 總電路圖 ...................................................272.4.3　 單元電路 .................................................283.軟件部分的系統(tǒng)設(shè)計(jì) ...................................................303.1 數(shù)控系統(tǒng)軟件功能的實(shí)現(xiàn) ..........................................303.2 數(shù)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) ..............................................333.2.1 系統(tǒng)初始化 .................................................333.2.2 工作方式選擇 ..............................................333.2.3 機(jī)床控制 ...................................................343.3 數(shù)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)舉例 ..........................................343.3.1 A/D 轉(zhuǎn)換電路的程序設(shè)計(jì) .....................................343.3.2 顯示器顯示程序 .............................................364.總 結(jié) ................................................................39第 1 頁 共 48 頁前言裝備工業(yè)的技術(shù)水平和現(xiàn)代化程度決定著整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的水平和現(xiàn)代化程度，數(shù)控技術(shù)及裝備是發(fā)展新興高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和尖端工業(yè)（如信息技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)、生物技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)、航空、航天等國(guó)防工業(yè)產(chǎn)業(yè)）的使能技術(shù)和最基本的裝備。馬克思曾經(jīng)說過“各種經(jīng)濟(jì)時(shí)代的區(qū)別，不在于生產(chǎn)什么，而在于怎樣生產(chǎn)，用什么勞動(dòng)資料生產(chǎn)” 。制造技術(shù)和裝備就是人類生產(chǎn)活動(dòng)的最基本的生產(chǎn)資料，而數(shù)控技術(shù)又是當(dāng)今先進(jìn)制造技術(shù)和裝備最核心的技術(shù)。當(dāng)今世界各國(guó)制造業(yè)廣泛采用數(shù)控技術(shù)，以提高制造能力和水平，提高對(duì)動(dòng)態(tài)多變市場(chǎng)的適應(yīng)能力和競(jìng)爭(zhēng)能力。此外世界上各工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家還將數(shù)控技術(shù)及數(shù)控裝備列為國(guó)家的戰(zhàn)略物資，不僅采取重大措施來發(fā)展自己的數(shù)控技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)，而且在“高精尖”數(shù)控關(guān)鍵技術(shù)和裝備方面對(duì)我國(guó)實(shí)行封鎖和限制政策?？傊?，大力發(fā)展以數(shù)控技術(shù)為核心的先進(jìn)制造技術(shù)已成為世界各發(fā)達(dá)國(guó)家加速經(jīng)濟(jì)發(fā)展、提高綜合國(guó)力和國(guó)家地位的重要途徑。1.數(shù)控技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展數(shù)控技術(shù)是機(jī)械加工技術(shù)、微電子技術(shù)、監(jiān)控檢測(cè)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制等多種學(xué)科的集成，是一門新興技術(shù)。數(shù)控技術(shù)是用數(shù)字信息對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)和工作過程進(jìn)行控制的技術(shù)，數(shù)控裝備是以數(shù)控技術(shù)為代表的新技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)制造產(chǎn)業(yè)和新興制造業(yè)的滲透形成的機(jī)電一體化產(chǎn)品，即所謂的數(shù)字化裝備，其技術(shù)范圍覆蓋很多領(lǐng)域：①機(jī)械制造技術(shù)；②信息處理、加工、傳輸技術(shù)；③自動(dòng)控制技術(shù)；④伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)；⑤傳感器技術(shù)；⑤軟件技術(shù)等。該新技術(shù)主要是研究更好的具有高效率、高精度、高自動(dòng)化、高可靠性的設(shè)備――數(shù)控機(jī)床，能滿足各種加工要求，提高生產(chǎn)率、改善產(chǎn)品質(zhì)量、增加經(jīng)濟(jì)效益。數(shù)控技術(shù)從發(fā)明到現(xiàn)在，已有近 50 年的歷史。按照電子器件的發(fā)展可分為 5 個(gè)發(fā)展階段：電子管數(shù)控，晶體管數(shù)控，中小規(guī)模 IC 數(shù)控，微處理器數(shù)控；數(shù)控系統(tǒng)裝備的機(jī)床大大提高了加工精度、速度和效率。機(jī)械制造商可以在該開放系統(tǒng)的平臺(tái)上增加一定的硬件和軟件構(gòu)成自己的系統(tǒng)。目前，PC 數(shù)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)主要有畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）第 2 頁 共 48 頁以下幾種形式：(1)專用數(shù)控加 PC 前端的復(fù)合式結(jié)構(gòu)　這類系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想是將通用 PC 專用 NC通過高速信息交換通道連接到一起組成一復(fù)合式數(shù)控系統(tǒng)?！　?2)通用 PC 加實(shí)時(shí)控制單元的遞階式結(jié)構(gòu)　其設(shè)計(jì)思想是利用 PC 機(jī)作為數(shù)控系統(tǒng)軟硬件平臺(tái)，在其標(biāo)準(zhǔn)總線上直接連接實(shí)時(shí)控制單元(將實(shí)時(shí)控制板卡插入總線插槽中)而組成完整的數(shù)控系統(tǒng)。(3)數(shù)字化分布式結(jié)構(gòu)　其方案是將由 DSP 等組成的數(shù)字式伺服通過以光纜等為介質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)與 PC 數(shù)控裝置連接起來，組成一完整的數(shù)控系統(tǒng)。2.國(guó)內(nèi)外數(shù)控技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r我國(guó)數(shù)控技術(shù)起步于 1958 年，經(jīng)過近 50 年的發(fā)展，我國(guó)國(guó)產(chǎn)數(shù)控裝備的產(chǎn)業(yè)化取得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)步。在“九五”末期，國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占有率達(dá) 50％，配國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)（普及型）也達(dá)到了 10％。雖然在數(shù)控技術(shù)的研究開發(fā)以及產(chǎn)業(yè)化方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但我們也要清醒地認(rèn)識(shí)到，我國(guó)高端數(shù)控技術(shù)的研究開發(fā)，尤其是在產(chǎn)業(yè)化方面的技術(shù)水平現(xiàn)狀與我國(guó)的現(xiàn)實(shí)需求還有較大的差距。雖然從縱向看我國(guó)的發(fā)展速度很快，但橫向比（與國(guó)外對(duì)比）不僅技術(shù)水平有差距，在某些方面發(fā)展速度也有差距，即一些高精尖的數(shù)控裝備的技術(shù)水平差距有擴(kuò)大趨勢(shì)。從國(guó)際上來看，對(duì)我國(guó)數(shù)控技術(shù)水平和產(chǎn)業(yè)化水平估計(jì)大致如下：a.技術(shù)水平上，與國(guó)外先進(jìn)水平大約落后 10～15 年，在高精尖技術(shù)方面則更大。b.產(chǎn)業(yè)化水平上，市場(chǎng)占有率低，品種覆蓋率小，還沒有形成規(guī)模生產(chǎn)；功能部件專業(yè)化生產(chǎn)水平及成套能力較低；外觀質(zhì)量相對(duì)差；可靠性不高，商品化程度不足；國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)尚未建立自己的品牌效應(yīng)，用戶信心不足。c.可持續(xù)發(fā)展的能力上，對(duì)競(jìng)爭(zhēng)前數(shù)控技術(shù)的研究開發(fā)、工程化能力較弱；數(shù)控技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域拓展力度不強(qiáng)；相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的研究、制定滯后。3. 數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）第 3 頁 共 48 頁數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用不但給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來了革命性的變化，使制造業(yè)成為工業(yè)化的象征，而且隨著數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，他對(duì)國(guó)計(jì)民生的一些重要行業(yè)（IT、汽車、輕工、醫(yī)療等）的發(fā)展起著越來越重要的作用，因?yàn)檫@些行業(yè)所需裝備的數(shù)字化已是現(xiàn)代發(fā)展的大趨勢(shì)。從目前世界上數(shù)控技術(shù)及其裝備發(fā)展的趨勢(shì)來看，其主要研究熱點(diǎn)有以下幾個(gè)方面。(1)高速、高精加工技術(shù)及裝備的新趨勢(shì)效率、質(zhì)量是先進(jìn)制造技術(shù)的主體。高速、高精加工技術(shù)可極大地提高效率，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和檔次，縮短生產(chǎn)周期和提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。在加工精度方面，近 10 年來，普通級(jí)數(shù)控機(jī)床的加工精度已由 10μm 提高到5μm，精密級(jí)加工中心則從 3～5μm，提高到 1～1.5μm，并且超精密加工精度已開始進(jìn)入納米級(jí)(0.01μm)。在可靠性方面，國(guó)外數(shù)控裝置的 mtbf 值已達(dá) 6 000h 以上，伺服系統(tǒng)的 mtbf 值達(dá)到 30000h 以上，表現(xiàn)出非常高的可靠性。為了實(shí)現(xiàn)高速、高精加工，與之配套的功能部件如電主軸、直線電機(jī)得到了快速的發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步擴(kuò)大。(2) 5 軸聯(lián)動(dòng)加工和復(fù)合加工機(jī)床快速發(fā)展采用 5 軸聯(lián)動(dòng)對(duì)三維曲面零件的加工，可用刀具最佳幾何形狀進(jìn)行切削，不僅光潔度高，而且效率也大幅度提高。一般認(rèn)為，1 臺(tái) 5 軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床的效率可以等于 2臺(tái) 3 軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床，特別是使用立方氮化硼等超硬材料銑刀進(jìn)行高速銑削淬硬鋼零件時(shí)，5 軸聯(lián)動(dòng)加工可比 3 軸聯(lián)動(dòng)加工發(fā)揮更高的效益。但過去因 5 軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)、主機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜等原因，其價(jià)格要比 3 軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床高出數(shù)倍，加之編程技術(shù)難度較大，制約了 5 軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床的發(fā)展。當(dāng)前由于電主軸的出現(xiàn)，使得實(shí)現(xiàn) 5 軸聯(lián)動(dòng)加工的復(fù)合主軸頭結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化，其制造難度和成本大幅度降低，數(shù)控系統(tǒng)的價(jià)格差距縮小。因此促進(jìn)了復(fù)合主軸頭類型 5 軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床和復(fù)合加工機(jī)床（含 5 面加工機(jī)床）的發(fā)展。(3)智能化、開放式、網(wǎng)絡(luò)化成為當(dāng)代數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢(shì).畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）第 4 頁 共 48 頁21 世紀(jì)的數(shù)控裝備將是具有一定智能化的系統(tǒng)，智能化的內(nèi)容包括在數(shù)控系統(tǒng)中的各個(gè)方面：為追求加工效率和加工質(zhì)量方面的智能化，如加工過程的自適應(yīng)控制，工藝參數(shù)自動(dòng)生成；為提高驅(qū)動(dòng)性能及使用連接方便的智能化，如前饋控制、電機(jī)參數(shù)的自適應(yīng)運(yùn)算、自動(dòng)識(shí)別負(fù)載自動(dòng)選定模型、自整定等；簡(jiǎn)化編程、簡(jiǎn)化操作方面的智能化，如智能化的自動(dòng)編程、智能化的人機(jī)界面等；還有智能診斷、智能監(jiān)控方面的內(nèi)容、方便系統(tǒng)的診斷及維修等。目前開放式數(shù)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)規(guī)范、通信規(guī)范、配置規(guī)范、運(yùn)行平臺(tái)、數(shù)控系統(tǒng)功能庫(kù)以及數(shù)控系統(tǒng)功能軟件開發(fā)工具等是當(dāng)前研究的核心。網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控裝備是近兩年國(guó)際著名機(jī)床博覽會(huì)的一個(gè)新亮點(diǎn)。數(shù)控裝備的網(wǎng)絡(luò)化將極大地滿足生產(chǎn)線、制造系統(tǒng)、制造企業(yè)對(duì)信息集成的需求，也是實(shí)現(xiàn)新的制造模式如敏捷制造、虛擬企業(yè)、全球制造的基礎(chǔ)單元。4.機(jī)床進(jìn)行數(shù)控化改造的必要性微觀上看，數(shù)控機(jī)床比傳統(tǒng)機(jī)床有以下突出的優(yōu)越性，而且這些優(yōu)越性均來自數(shù)控系統(tǒng)所包含的計(jì)算機(jī)的威力?？梢约庸こ鰝鹘y(tǒng)機(jī)床加工不出來的曲線、曲面等復(fù)雜的零件；由于計(jì)算機(jī)有高超的運(yùn)算能力，可以瞬時(shí)準(zhǔn)確地計(jì)算出每個(gè)坐標(biāo)軸瞬時(shí)應(yīng)該運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)量，因此可以復(fù)合成復(fù)雜的曲線或曲面； 可以實(shí)現(xiàn)加工的柔性自動(dòng)化，從而效率可比傳統(tǒng)機(jī)床提高 3～7 倍；由于計(jì)算機(jī)有記憶和存儲(chǔ)能力，可以將輸入的程序記住和存儲(chǔ)下來，然后按程序規(guī)定的順序自動(dòng)去執(zhí)行，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。數(shù)控機(jī)床只要更換一個(gè)程序，就可實(shí)現(xiàn)另一工件加工的自動(dòng)化，從而使單件和小批生產(chǎn)得以自動(dòng)化，故被稱為實(shí)現(xiàn)了“柔性自動(dòng)化” ；加工零件的精度高，尺寸分散度小，使裝配容易，不再需要“修配” ；可實(shí)現(xiàn)多工序的集中，減少零件 在機(jī)床間的頻繁搬運(yùn)；擁有自動(dòng)報(bào)警、監(jiān)控、補(bǔ)償?shù)榷喾N自律功能，因而可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間無人看管加工。此外，機(jī)床數(shù)控化還是推行 FMC（柔性制造單元） 、FMS（柔性制造系統(tǒng)）以及CIMS（計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)）等企業(yè)信息化改造的基礎(chǔ)。數(shù)控技術(shù)已經(jīng)成為制造業(yè)自動(dòng)化的核心技術(shù)和基礎(chǔ)技術(shù)。畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）第 5 頁 共 48 頁宏觀上看，工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的軍、民機(jī)械工業(yè)，在 70 年代末、80 年代初已開始大規(guī)模應(yīng)用數(shù)控機(jī)床。其本質(zhì)是，采用信息技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)（包括軍、民機(jī)械工業(yè)）進(jìn)行技術(shù)改造。除在制造過程中采用數(shù)控機(jī)床、FMC、FMS 外，還包括在產(chǎn)品開發(fā)中推行 CAD、CAE、CAM、虛擬制造以及在生產(chǎn)管理中推行 MIS（管理信息系統(tǒng)） 、CIMS等等。以及在其生產(chǎn)的產(chǎn)品中增加信息技術(shù)，包括人工智能等的含量。由于采用信息技術(shù)對(duì)國(guó)外軍、民機(jī)械工業(yè)進(jìn)行深入改造（稱之為信息化） ，最終使得他們的產(chǎn)品在國(guó)際軍品和民品的市場(chǎng)上競(jìng)爭(zhēng)力大為增強(qiáng)。而我們?cè)谛畔⒓夹g(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)方面比發(fā)達(dá)國(guó)家約落后 20 年。如我國(guó)機(jī)床擁有量中，數(shù)控機(jī)床的比重（數(shù)控化率）到1995 年只有 1.9％，而日本在 1994 年已達(dá) 20.8％，因此每年都有大量機(jī)電產(chǎn)品進(jìn)口。這也就從宏觀上說明了機(jī)床數(shù)控化改造的必要性。5.數(shù)控改造的目的和意義我國(guó)是制造大國(guó)，在世界產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移中要盡量接受前端而不是后端的轉(zhuǎn)移，即要掌握先進(jìn)制造核心技術(shù)，否則在新一輪國(guó)際產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整中，我國(guó)制造業(yè)將進(jìn)一步“空芯” 。我們以資源、環(huán)境、市場(chǎng)為代價(jià)，交換得到的可能僅僅是世界新經(jīng)濟(jì)格局中的國(guó)際“加工中心”和“組裝中心” ，而非掌握核心技術(shù)的制造中心的地位，這樣將會(huì)嚴(yán)重影響我國(guó)現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展進(jìn)程。我們應(yīng)站在國(guó)家安全戰(zhàn)略的高度來重視數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)問題，首先從社會(huì)安全看，因?yàn)橹圃鞓I(yè)是我國(guó)就業(yè)人口最多的行業(yè)，制造業(yè)發(fā)展不僅可提高人民的生活水平，而且還可緩解我國(guó)就業(yè)的壓力，保障社會(huì)的穩(wěn)定；其次從國(guó)防安全看，西方發(fā)達(dá)國(guó)家把高精尖數(shù)控產(chǎn)品都列為國(guó)家的戰(zhàn)略物質(zhì)，對(duì)我國(guó)實(shí)現(xiàn)禁運(yùn)和限制， “東芝事件”和“考克斯報(bào)告”就是最好的例證。從我國(guó)基本國(guó)情的角度出發(fā)，以國(guó)家的戰(zhàn)略需求和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的市場(chǎng)需求為導(dǎo)向，以提高我國(guó)制造裝備業(yè)綜合競(jìng)爭(zhēng)能力和產(chǎn)業(yè)化水平為目標(biāo)，用系統(tǒng)的方法，選擇能夠主導(dǎo) 21 世紀(jì)初期我國(guó)制造裝備業(yè)發(fā)展升級(jí)的關(guān)鍵技術(shù)以及支持產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的支撐技術(shù)、配套技術(shù)作為研究開發(fā)的內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)制造裝備業(yè)的跨躍式發(fā)展。在高精尖裝備研發(fā)方面，要強(qiáng)調(diào)產(chǎn)、學(xué)、研以及最終用戶的緊密結(jié)合，以“做畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）第 6 頁 共 48 頁得出、用得上、賣得掉”為目標(biāo)，按國(guó)家意志實(shí)施攻關(guān)，以解決國(guó)家之急需。在競(jìng)爭(zhēng)前數(shù)控技術(shù)方面，強(qiáng)調(diào)創(chuàng)新，強(qiáng)調(diào)研究開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)和產(chǎn)品，為我國(guó)數(shù)控產(chǎn)業(yè)、裝備制造業(yè)乃至整個(gè)制造業(yè)的可持續(xù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。6.數(shù)控改造的可行性分析在當(dāng)前經(jīng)濟(jì)條件下，中、高檔全功能數(shù)控機(jī)床的功能齊全，功率較大，動(dòng)作較多，運(yùn)動(dòng)較復(fù)雜，定位精度較高。但是配置這種系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床價(jià)格昂貴。我國(guó)一般的中小企業(yè)購(gòu)置困難。而將經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)用于普通機(jī)床的改造和升級(jí)換代是符合我國(guó)目前國(guó)情的一條有效途徑。因?yàn)榻?jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)有以下特點(diǎn)：①價(jià)格便宜。系統(tǒng)只需 1-2 萬（國(guó)外系統(tǒng)則需十幾萬到幾十萬） ，適合我國(guó)中小型企業(yè)的現(xiàn)有普通機(jī)床的數(shù)控改造。②解決復(fù)雜零件的加工精度控制，并提高生產(chǎn)率。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床，一般可提高工效 3—7 倍。對(duì)復(fù)雜零件而言，難度越高，提高的工效則越多。③適合多品種、中小批量產(chǎn)品的自動(dòng)化加工，對(duì)產(chǎn)品的適應(yīng)性強(qiáng)。對(duì)于不同零件的加工，可以通過變換加工程序和更換不同刀具來實(shí)現(xiàn)。④提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低廢品率，尤其是加工的產(chǎn)品尺寸一致性好，合格率高。⑤節(jié)約工裝費(fèi)用，降低成本。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床可以不用或少用工裝，尤其對(duì)于復(fù)雜零件可不用靠模或成型刀具。不僅節(jié)約費(fèi)用，還可縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備周期。⑥減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。⑦提高工人素質(zhì)，促進(jìn)科技成果的普及和應(yīng)用，為“體力型”向“智力型”轉(zhuǎn)變創(chuàng)造條件。近年來，我國(guó)成功應(yīng)用經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)配置車床、銑床、線切割機(jī)床、沖床以及普通機(jī)床的改造等，并在投入使用后確實(shí)成倍提高的生產(chǎn)率，減少了廢品率，取得了顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控在我國(guó)得到了日益廣泛的應(yīng)用，潛在的市場(chǎng)也很大。正因?yàn)槿绱?，本設(shè)計(jì)將對(duì) X6132 進(jìn)行經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造。畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）第 7 頁 共 48 頁正 文1.總體設(shè)計(jì)方案的設(shè)計(jì)1.1 原來的 X6132 普通升降臺(tái)銑床的用途原 X6132 臥式萬能升降臺(tái)銑床是屬于通用機(jī)床，主要適用于加工單件、小批量生產(chǎn)和工具修理部門，也可以用于成批生產(chǎn)部門。可利用各種圓柱銑刀、圓片銑刀、成型銑刀和端面銑刀等，銑削各種平面、斜面、成型表面、溝槽及齒輪等。還可以利用分度頭，可以加工各種螺旋槽。外觀如圖 1-1。對(duì)于它的數(shù)控化改造用于擴(kuò)大加工范圍，提高加工精度，提高工作效率，滿足生產(chǎn)急需是非常必要的，從經(jīng)濟(jì)角度上也是可行的。 圖 1-1 X6132 普通升降臺(tái)銑床外觀圖1.2 總體設(shè)計(jì)任務(wù)將原來的 X6132 要改造成加工精度高、定位準(zhǔn)確、可靠，擴(kuò)大其加工范圍，提高加工效率，各性能參數(shù)有所提高，使其可以銑削圓弧面與斜面等形狀復(fù)雜的高精度零件(如凸輪軸)。1.3 總體設(shè)計(jì)方案畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）第 8 頁 共 48 頁經(jīng)濟(jì)型數(shù)控銑床的改造，為了保證被改造后的性能不低于原銑床，選 X、Z 坐標(biāo)快進(jìn)速度不低于 2.4m/min，水平拖動(dòng)力按 15KN 計(jì)算，則所需的功率為：P=FV=15 =0.6Kw?604.2如果采用步進(jìn)電機(jī)作為伺服驅(qū)動(dòng)元件，步進(jìn)電機(jī)達(dá)不到此功率要求。例如：200BF001 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，最大靜轉(zhuǎn)矩為 ，最高運(yùn)行頻率為MN?8.1611000step/s，步距角為 1/6°，若取最高工作頻率下的工作扭矩為靜扭矩的 1/4，則高速小的功率為： KWPH 134.0.18068.164?????因此，如果選用步進(jìn)電機(jī)，必須相應(yīng)地降低機(jī)床的某些性能，主要是快速性。另一方面由于步進(jìn)電機(jī)在低速工作時(shí)有明顯的沖動(dòng)，易自激振蕩，而且激振頻率很可能落入銑削加工所用的進(jìn)給速度范圍內(nèi)，著對(duì)加工極為不利，造成工件超差。此外，由于步進(jìn)電機(jī)沒有過載能力，高速時(shí)扭矩下降很多，容易丟失，大功率步進(jìn)的驅(qū)動(dòng)較困難等，選用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)是不合適的。若采用直流或交流伺服電機(jī)的閉環(huán)控制方案，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，技術(shù)難度大，調(diào)試和維修困難得多，造價(jià)也高。閉環(huán)控制可以達(dá)到很好的機(jī)床精度，能補(bǔ)償機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中各種誤差，消除間隙，干擾等對(duì)加工精度的影響，一般應(yīng)用于要求高的數(shù)控設(shè)備中，由于所改造數(shù)控銑床工件的加工精度不十分高，采用閉環(huán)系統(tǒng)的必要性不大。若采用直流或交流伺服電機(jī)的半閉環(huán)控制,其性能介于開環(huán)和閉環(huán)之間.由于調(diào)速范圍寬,過載能力強(qiáng),有采用反饋控制因此性能遠(yuǎn)優(yōu)于步進(jìn)電機(jī)的開環(huán)控制;反饋環(huán)節(jié)不包括大部分機(jī)械傳動(dòng)元件,調(diào)試比閉環(huán)簡(jiǎn)單,系統(tǒng)的穩(wěn)定性較易保證,所以比閉環(huán)容易實(shí)現(xiàn).但是采用半閉環(huán)控制,調(diào)試比開環(huán)控制的步進(jìn)電機(jī)要困難些,設(shè)計(jì)上也有自身的特點(diǎn).在直流和交流伺服電機(jī)之間進(jìn)行比較時(shí),交流調(diào)試逐漸擴(kuò)大了其使用范圍,似乎有取代直流伺服的趨勢(shì).但是交流伺服的控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜,技術(shù)難度高,普及不廣,畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）第 9 頁 共 48 頁而且價(jià)格高.直流伺服電機(jī)原理接近于直流電機(jī),控制系統(tǒng)技術(shù)比較成熟,普及廣。用直流伺服電動(dòng)機(jī)的半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的組成如圖 1-2。數(shù)控裝置 NC 發(fā)出的位置指令在位置控制器內(nèi)與位置反饋信號(hào)比較，然后轉(zhuǎn)換成位置誤差的模擬電壓。這個(gè)電壓是速度指令電壓。速度指令電壓與速度反饋電壓在速度控制器內(nèi)比較和放大后轉(zhuǎn)換成速度控制電壓并輸給伺服電動(dòng)機(jī)，使電機(jī)得到一定的轉(zhuǎn)速。直流伺服電動(dòng)機(jī)的基本性能是：轉(zhuǎn)速?zèng)Q定于輸入電壓，電流決定于負(fù)載力矩。因此，輸入直流伺服電動(dòng)機(jī)的，必須是速度模擬電壓。速度環(huán)的作用在于把位置誤差模擬電壓變成一個(gè)比較穩(wěn)定的速度模擬電壓。速度反饋的作用在于使轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。位置控制則用以檢查伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)角是否符合位置指令的要求。圖 1-2 半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的組成圖 1-3 是直流伺服電動(dòng)機(jī)的半閉環(huán)伺服系統(tǒng)原理。數(shù)控裝置來的位置指令 D0 與位置反饋系統(tǒng)檢測(cè)出的實(shí)際位置檢測(cè)值 Da 在位置偏差監(jiān)測(cè)器 1 中比較。其差值為位置偏差值 ΔD。ΔD 經(jīng)位置控制放大器 2 放大后成為速度指令值v0。D0、Da、ΔD、v0 都是數(shù)字量。v0 經(jīng)數(shù)/模(D/A)轉(zhuǎn)換器 3 成為模擬電壓 Uc。位置偏差越大，則要求伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速越高，這時(shí)的 Uc 也越大。因此，Uc 是速度指令電壓。Uc 于速度反饋電壓 Ug 在速度偏差監(jiān)測(cè)器 4 內(nèi)比較，其差值為速度偏差電壓Ua。設(shè)置速度反饋的目的是穩(wěn)定電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。由于伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速還受負(fù)載的影響，當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化（如切深發(fā)生變化）時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速將發(fā)生變化。加上速度反饋后轉(zhuǎn)速可以比較穩(wěn)定。速度偏差電壓 Ua 經(jīng)速度控制放大器 5 放大后，成為速度控制電壓 Um。這個(gè)電壓加在伺服電機(jī) 6 上，使它得到角速度 θm。與伺服電動(dòng)機(jī)相聯(lián)系的有速度反饋裝置 7 和位置反饋裝置 8。速度反饋裝置發(fā)出與伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速成畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）第 10 頁 共 48 頁正比的速度反饋電壓 Ug，與速度指令電壓 Uc 相比較。位置反饋裝置 8 發(fā)出與伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)角成正比的實(shí)際位置檢測(cè)值 Da，與位置指令值 D0 相比較。圖 1-3 半閉環(huán)伺服系統(tǒng)原理控制部分的設(shè)計(jì)要能控制三個(gè)坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng),根據(jù)加工要求,至少要控制兩軸聯(lián)動(dòng)完成圓弧插補(bǔ),為了在加工中使用不同尺寸的刀具,數(shù)控裝置應(yīng)具有刀具的半徑和長(zhǎng)度的補(bǔ)償功能,以便數(shù)控加工按輪廓編程程序而能適應(yīng)刀具尺寸的變化。綜上所述，銑床數(shù)控改造方案確定為：直流伺服半閉環(huán)控制，采用三坐標(biāo) 2.5 軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控裝置，整個(gè)改造方案如圖 1-4 12089756431數(shù) 控裝 置圖 1-4 總體改造方案示意圖1、3、4---傘齒輪 2、7、10---直流伺服電機(jī) 5、8、11—滾珠絲杠 6、9、12---滾珠絲杠螺母1.4、主傳動(dòng)系統(tǒng)的改造畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）第 11 頁 共 48 頁1.4.1 電氣部分的改造一般中小型機(jī)床的主傳動(dòng)采用普通交流電機(jī)拖動(dòng)，大型機(jī)床多用直流電機(jī)拖動(dòng)。直流電機(jī)拖動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)無級(jí)平滑調(diào)整，變速范圍寬，主軸箱體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，振動(dòng)和噪音較小，加工工件精度較高，不需要改造；如果自動(dòng)化程度要求較高，經(jīng)常要求變速并且變速特征較好的場(chǎng)合，可用交流異步電動(dòng)機(jī)的變頻系統(tǒng)，增加一個(gè)變頻器，實(shí)現(xiàn)主軸的自動(dòng)無級(jí)變速。1.4.2 機(jī)械部分的數(shù)控化改造主傳動(dòng)的改造主要是主軸支承或工作臺(tái)導(dǎo)軌的改造。普通機(jī)床的主軸支承多為滾動(dòng)軸承或滑動(dòng)軸承。為了提高工作臺(tái)的承載能力和精度，消除低速爬行現(xiàn)象，可將傳統(tǒng)的動(dòng)壓導(dǎo)軌改為先進(jìn)的恒流靜壓導(dǎo)軌。1.5 給傳動(dòng)系統(tǒng)的改造1.5.1 改造設(shè)計(jì)要求進(jìn)給伺服系統(tǒng)的改造式這次改造設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，因此它改造后的性能的好壞將直接影響到整個(gè)系統(tǒng)性能的好壞。也因此對(duì)進(jìn)給伺服系統(tǒng)提出了改造設(shè)計(jì)要求：（1） 高精度由于伺服系統(tǒng)控制數(shù)控機(jī)床的速度和位移輸出，為保證加工質(zhì)量，要求它有足夠的定位精度和重復(fù)定位精度。一般要求定位精度為 0.001～0.01mm，速度控制要求較高的調(diào)節(jié)精度和較強(qiáng)的抗負(fù)載抗干擾能力，以保證動(dòng)靜態(tài)精度都較高。（2） 快速響應(yīng)，無超調(diào)快速響應(yīng)是伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)品質(zhì)的重要指標(biāo)，它反映了系統(tǒng)的跟蹤精度。它主要要求伺服系統(tǒng)跟隨指令信號(hào)不僅跟隨誤差小，而且響應(yīng)要快，穩(wěn)定性要好。（3） 調(diào)速范圍寬由于工件材料、刀具以及加工要求不同，要保證數(shù)控機(jī)床在任何情況下都能達(dá)到最佳切削條件，伺服系統(tǒng)就必須有足夠的調(diào)速范圍。這樣既能滿足高速加工要求，又能滿足底速加工要求。在低速切削時(shí)，還要伺服系統(tǒng)能輸出較大功率的轉(zhuǎn)矩。（4） 系統(tǒng)可靠性好畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）第 12 頁 共 48 頁數(shù)控機(jī)床的使用率很高，常常是 24 小時(shí)連續(xù)加工不停機(jī)，因而要求系統(tǒng)穩(wěn)定，其工作可靠。其平均無故障時(shí)間越長(zhǎng)，系統(tǒng)性能越好。1.5.2 進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的改造方案（1）電氣部分的改造進(jìn)給傳動(dòng)是按數(shù)控系統(tǒng)的指令，經(jīng)放大后使刀具精確定位或按規(guī)定的軌跡運(yùn)動(dòng)（如直線、圓弧等） ，加工出符合要求的工件。因此要求進(jìn)給傳動(dòng)具有較高的定位精度和垂直定位精度，響應(yīng)快、調(diào)整范圍寬、輸出功率大。一般中小型機(jī)床的數(shù)控化改造多用微機(jī)控制的開環(huán)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，這種方式簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、安裝調(diào)試方便，但是控制精度和速度較低。大型機(jī)床多用直流電機(jī)半閉環(huán)控制方式，控制精度和速度比開環(huán)控制方式高，但是價(jià)格較高，維修較困難。（2）機(jī)械部分的數(shù)控化改造進(jìn)給系統(tǒng)的改造主要是提高移動(dòng)部件的靈活性，減少或消除傳動(dòng)間隙，通常是改造導(dǎo)軌副、進(jìn)給箱和移動(dòng)元件。導(dǎo)軌副的改造方法有兩種：一是把滑動(dòng)導(dǎo)軌改為滾動(dòng)導(dǎo)軌或靜壓導(dǎo)軌，用以消除傳動(dòng)間歇、提高定位精度，但工藝復(fù)雜，改造費(fèi)用大，實(shí)現(xiàn)起來比較困難。二是在進(jìn)給移動(dòng)部件在粘接聚四氟乙烯軟帶，改造為粘塑導(dǎo)軌副。進(jìn)給箱的改造主要是減少進(jìn)給箱內(nèi)的齒輪對(duì)數(shù)（往往是取消進(jìn)給箱或僅是一級(jí)減速進(jìn)給箱） ，并增有消除或減少間隙的裝置（如雙片齒輪結(jié)構(gòu)） 。在機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)中，需將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變成直線運(yùn)動(dòng)。普通機(jī)床采用普通絲杠副實(shí)現(xiàn)，其摩擦阻力大，傳動(dòng)效率低、動(dòng)摩擦系數(shù)相差大、低速容易出現(xiàn)爬行。采用滾珠絲杠副可以滿足數(shù)控機(jī)床的要求，其精度高、反應(yīng)快、無爬行。1.6.數(shù)控系統(tǒng)的硬件與軟件設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)（CNC）是 20 世紀(jì) 70 年代發(fā)展起來的機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)，它是用一臺(tái)計(jì)算機(jī)代替原先的硬件數(shù)控系統(tǒng)（NC）所完成的功能。他之所以取代以前的 NC 系統(tǒng)和當(dāng)前設(shè)計(jì)選用的原因，是因?yàn)?CNC 系統(tǒng)具有 NC 系統(tǒng)無法比擬的優(yōu)點(diǎn)：（1）活性大。 NC 系統(tǒng)是用硬件邏輯電路來實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床的控制功能。這種固定畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）第 13 頁 共 48 頁的接線的電路一旦制成后，就難以改變，而 CNC 系統(tǒng)的數(shù)控功能大多由軟件在通用性較強(qiáng)的硬件的支持下來實(shí)現(xiàn)的，其功能的修改、擴(kuò)充和適應(yīng)性方面都具有較大的靈活性，如果要改變、擴(kuò)充其功能，只需通過對(duì)軟件的修改和擴(kuò)充便可實(shí)現(xiàn)。（2）通用性強(qiáng)。 CNC 系統(tǒng)的軟件和硬件大多是采用模塊化的結(jié)構(gòu)。按模塊化方法組成的 CNC 系統(tǒng)基本配置部分是通用的，不同的數(shù)控機(jī)床（如車床、銑床、磨床、加工中心等） ，只要配置相應(yīng)的功能模塊，就可滿足這些機(jī)床的特定控制功能，這對(duì)數(shù)控機(jī)床的培訓(xùn)和學(xué)習(xí)以及維護(hù)、維修也是十分方便的。（3）數(shù)控功能豐富。 CNC 系統(tǒng)利用計(jì)算機(jī)的高度計(jì)算能力，可實(shí)現(xiàn)許多復(fù)雜的數(shù)控功能，如高次曲線插補(bǔ)、動(dòng)靜態(tài)圖形顯示、多種補(bǔ)償功能、數(shù)字伺服控制功能等。（4）可靠性高。 CNC 裝置的零件程序在加工前一次送入存儲(chǔ)器，并經(jīng)過檢查后方可被調(diào)用，這就避免了在加工過程中由紙帶輸入機(jī)的故障產(chǎn)生的停機(jī)現(xiàn)象。許多功能由軟件實(shí)現(xiàn)，硬件結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化，采用大規(guī)模和超大規(guī)模通用和專用集成電路，使可靠性進(jìn)一步提高。（5）易于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化。 由于采用計(jì)算機(jī)，使硬件數(shù)量相應(yīng)減少，加之電子元件的集成度越來越高，使硬件的體積不斷縮小，同時(shí)控制柜的尺寸也相應(yīng)減少。數(shù)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)非常緊湊，使其與機(jī)床結(jié)合在一起成為可能，減少占地面積，方便操作。由于通訊功能的增強(qiáng)，容易組成數(shù)控加工自動(dòng)生產(chǎn)線，如 FMC、FMS、DNC 和CIMS 等。（6）使用維護(hù)方便，操作使用方便。 目前大多數(shù)數(shù)控機(jī)床的操作采用了菜單結(jié)構(gòu)，用戶只需根據(jù)菜單的提示，進(jìn)行正確操作。（7）編程方便。 大多數(shù)數(shù)控機(jī)床具有多種編程的功能，并且都具有程序自動(dòng)校驗(yàn)和模擬仿真功能。（8）維護(hù)維修方便。 數(shù)控機(jī)床的許多日常維護(hù)工作都由數(shù)控裝置承擔(dān)；而且，數(shù)控機(jī)床的自診斷功能，可迅速使故障定位，方便維修人員。正是由于以上的優(yōu)點(diǎn)和本著經(jīng)濟(jì)、成本低的原則，設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)型 CNC 數(shù)控系統(tǒng)是畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）第 14 頁 共 48 頁本設(shè)計(jì)的主要方案。改造方案總體可以從硬件、軟件兩部分來著手設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)總圖如圖 1-5。圖 1-5 數(shù)控改造設(shè)計(jì)總圖系統(tǒng)主要由 89C51 單片機(jī)、速度檢測(cè)元件、直流伺服電機(jī)，及相應(yīng)的接口電路組成?？傮w數(shù)控系統(tǒng)電路原理框圖如圖 1-6畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）第 15 頁 共 48 頁.圖 1-6 數(shù)控系統(tǒng)電路原理框圖軟件的設(shè)計(jì)包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)軟件其作用主要是檢測(cè)系統(tǒng)狀態(tài)并提供基本操作管理，其中包括 I/O 接口初始化，單片機(jī)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器初始化，鍵盤數(shù)據(jù)區(qū)、顯示緩沖區(qū)初始化，各種軟件標(biāo)志初始化，中斷處理等，系統(tǒng)軟件部分采用模塊化設(shè)計(jì)。應(yīng)用軟件則根據(jù)用戶編制的加工程序（如） ，控制機(jī)床的運(yùn)行。1.7.改造后的布局及功能X6132 的工作臺(tái)裝有進(jìn)給伺服系統(tǒng)，床身左側(cè)的電氣箱內(nèi)裝有主控器和強(qiáng)電系統(tǒng)。數(shù)控系統(tǒng)顯示器及按鍵，在右側(cè)便于觀察、調(diào)試和操作。數(shù)控系統(tǒng)為 CNC 半閉環(huán)控制，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)直線插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ)。顯示器可采用陰極發(fā)光二極管（LED） ，用以顯示輸入的程序，機(jī)床的實(shí)際位置和已存儲(chǔ)的各種信息。手動(dòng)操作時(shí)，顯示器可作為數(shù)字讀出裝置使用。畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）第 16 頁 共 48 頁2.控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)應(yīng)以實(shí)現(xiàn)數(shù)控的各種功能為標(biāo)準(zhǔn)，以經(jīng)濟(jì)性為基本原則。2.1 單片機(jī)的選擇2.1.1 CPU 的比較和選用在選擇 CPU 時(shí)應(yīng)考慮的因素是:(1) 時(shí)鐘頻率和字長(zhǎng) (即控制數(shù)據(jù)處理的速度) ;(2) 可擴(kuò)展存儲(chǔ)器 (指ROM/ RAM) 的容量;(3) 指令系統(tǒng)的功能是否強(qiáng)(即編程的靈活性) ;(4) I/ O 口擴(kuò)展能力(即對(duì)外設(shè)控制的能力) ;(5) 開發(fā)手段 (包括支持開發(fā)的軟件和硬件電路) 。除此之外,還應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)合、控制對(duì)象及對(duì)各種參數(shù)要求選擇CPU。在大多數(shù)相關(guān)的機(jī)床改造資料及論文中都采用了8031，原因是：8031 單片機(jī)是集CPU 、I/ O 端口及部分RAM 等為一體的控制器,開發(fā)手段齊全,指令系統(tǒng)功能強(qiáng),編程靈活性大,硬件資料也很豐富。8031 芯片內(nèi)部具有128 個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)RAM。內(nèi)部編址為00H～7FH,用作工作寄存器、堆棧、軟件標(biāo)志和數(shù)據(jù)緩沖器,CPU 對(duì)內(nèi)部RAM 有豐富的操作指令。但應(yīng)用片內(nèi)的RAM 往往不夠,現(xiàn)外接6264 芯片來擴(kuò)展8031 的RAM 存儲(chǔ)器。8031 的輸入、輸出( I/ O) 線不多, 所以外接8155 芯片以擴(kuò)展I/ O口。 8031 是一個(gè)無ROM 的8051 , 必須外接E2PROM 或ROM 作為程序存儲(chǔ)器, 所以必須外接一片2764 。8031 為40 引腳的雙列直插式器件, 有4 個(gè)雙向8 位I/ O 口( P0～ P3) , P0 口和P2 口作為地址總線使用 , P1 口用作行程控制, P3 口用作第二功能使用。16 位地址總線由P0 口經(jīng)地址鎖存器74LS373 提供低8 位( A 0～ A 7) ,高 8 位( A 8～ A 15 ) 由P2 口直接提供。8 位數(shù)據(jù)總線由P0口提供。這樣數(shù)據(jù)總線與地址總線共用。AL E為地址鎖存允許,當(dāng)送低 8 位地址時(shí)使AL E 有效。并鎖存到74LS373 中,當(dāng)送數(shù)據(jù)時(shí)使AL E 無效。在實(shí)際應(yīng)用方面比較繁瑣，已被市場(chǎng)淘汰。如果選用89C51，它的內(nèi)部不但有128位的存儲(chǔ)器，而且相對(duì)于8031還有以下優(yōu)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）第 17 頁 共 48 頁點(diǎn)：*與MCS－51兼容*4K字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器*壽命：1000寫/擦循環(huán)*數(shù)據(jù)保留時(shí)間：10年*全靜態(tài)工作：0~24Hz*三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定*128×8位內(nèi)部RAM*32可編程I/O線*兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器*5個(gè)中斷源*可編程串行通道*低功耗的閑置和掉電模式*片內(nèi)震蕩器和時(shí)鐘電路經(jīng)過兩者比較，本設(shè)計(jì)決定選用89C51單片機(jī)。該數(shù)控系統(tǒng)采`用了多CPU結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)功能強(qiáng)、速度快、分辨率高的要求。數(shù)控系統(tǒng)采用的中央CPU、顯示和鍵盤管理CPU 及插補(bǔ)和輸入/輸出CPU。中央CPU起主要控制作用，負(fù)責(zé)數(shù)控程序的編輯，數(shù)控程序段的譯碼預(yù)處理，刀具半徑補(bǔ)償?shù)挠?jì)算，刀具和機(jī)器參數(shù)編輯，診斷處理，鍵信號(hào)監(jiān)控處理以及協(xié)調(diào)另兩個(gè)CPU同步工作。顯示CPU主要功能是按照中央CPU 送來的顯示命令和顯示內(nèi)容，組成相應(yīng)的顯示頁面，負(fù)責(zé)產(chǎn)生CRT顯示器所需要的視頻掃描信號(hào)，控制顯示器按規(guī)定的顯示方式顯示有關(guān)信息。此外，掃描鍵盤，將接受的鍵盤和開關(guān)信號(hào)經(jīng)譯碼后送給中央CPU進(jìn)行相應(yīng)處理。插補(bǔ) CPU主要進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算，發(fā)生伺服驅(qū)動(dòng)所需的控制信號(hào)，接收測(cè)量元件的反饋信號(hào)，實(shí)現(xiàn)速度和位置的控制。此外，對(duì)輸入/輸出信號(hào)進(jìn)行控制，并完成RS232C通訊功能。插補(bǔ)CPU接收中央CPU送來的程序段信息和其他命令，并返回插補(bǔ)完成情況及出錯(cuò)信號(hào)。為了完成信息交換，中央CPU與顯示CPU之間，畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）第 18 頁 共 48 頁中央CPU與插補(bǔ)CPU之間分別設(shè)置了公用存儲(chǔ)區(qū)。以中央CPU 與插補(bǔ)CPU之間數(shù)據(jù)交換為例，為了避免兩個(gè)CPU同時(shí)存取公用存儲(chǔ)區(qū)而發(fā)生沖突，需要采用措施。為了簡(jiǎn)化線路和控制，該設(shè)計(jì)方案采取借用Z80CPU所具備的總線請(qǐng)求和響應(yīng)的功能，以中央CPU為主控，當(dāng)中央CPU 需要時(shí)，通過I/O口，由芯片 8255的輸出向插補(bǔ)CPU 的總線請(qǐng)求發(fā)出信號(hào)。插補(bǔ)CPU返回響應(yīng)后，也經(jīng)由8255，從輸入口傳給中央CPU。中央CPU接到響應(yīng)信號(hào)后把中央CPU 的地址信號(hào)送達(dá)插補(bǔ)CPU 的存儲(chǔ)區(qū)，數(shù)據(jù)得以傳送。在地址分配上。為了減少芯片數(shù)，插補(bǔ)CPU所用的ROM采用2片EPROM2764 ，由 三根地址線譯碼后，每個(gè)輸出Y端控制 8K存儲(chǔ)區(qū)。2片2764占低地址區(qū)。153A?但RAM只需2K （包括公用存儲(chǔ)區(qū)） ，設(shè)計(jì)中把公用存儲(chǔ)區(qū)放在最高地址區(qū)，為了精確地選址，又加了74LS139，進(jìn)一步用 、 選定RAM的地址為0F800H—1A20FFFFH。2.1.2 存儲(chǔ)芯片的選擇由于89C51本身帶有存儲(chǔ)器，故不用選擇存儲(chǔ)芯片。2.1.3 I/O 接口芯片數(shù)控系統(tǒng)要完成數(shù)據(jù)的輸入/輸出，由于89C51芯片的輸入/輸出接口有限，不能完成設(shè)計(jì)所需的所有輸入/輸出工作，因此我們使用兩8255芯片來完成。輸入/輸出采用8255，每片可以有24個(gè)端口作為輸入/輸出用。對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)單元的餓控制模擬量信號(hào)采用DAC0830數(shù)/模轉(zhuǎn)換。為了實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)控制，采用二級(jí)放大，可輸出 控制信號(hào)。由于數(shù)控裝置在使用RS23C 通訊功能時(shí)不做其它工作，為了V10?簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，利用8255的一個(gè)輸入端口和一個(gè)輸出端口，用軟件實(shí)現(xiàn)串行數(shù)據(jù)通訊。I/O的地址分配，I/O片不多，為簡(jiǎn)化線路減少芯片數(shù)，地址譯碼輸入只用了5根地址線，輸出分別給CTC，2片8255和4片DAC0830共7個(gè)芯片，其中CTC和8255每個(gè)口有2個(gè)地址，而DAC0830有8個(gè)地址。8255可編程并行輸入/輸出接口芯片是Intel公司生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)外圍接口電路，采用NMOS工藝制造，用單一的+5V電源供電，具有40條引腳，采用雙列直插式封裝。該畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）第 19 頁 共 48 頁芯片有三個(gè)I/O端口，即A口、B口和C口，對(duì)應(yīng)的引腳分別是PA0~PA7、PB0~PB7和PC0~PC7。其內(nèi)部還有一個(gè)控制寄存器，即控制口。通常A口、B口作為輸入/輸出的數(shù)據(jù)端口，而C口作為控制或狀態(tài)信息的端口，它在方式字的控制下，可以分為4位的端口，每個(gè)端口包含一個(gè)4位鎖存器。它們分別與端口A/B配合使用，可以用作控制信號(hào)輸出或作為狀態(tài)信號(hào)輸入。用一片8255來控制LED與鍵盤輸入。鍵盤與顯示設(shè)計(jì)在一起，8255的PB口（PB0～PB7）提供鍵盤的列線及顯示器的掃描控制線（字位線） 。PC口的PC0~PC4為鍵盤的行線，PA口的PA0~PA7作為顯示器的字行輸出口，并經(jīng)過用于使得數(shù)碼管顯示亮度增強(qiáng)的7404驅(qū)動(dòng)器。另一片8255則通過YB015與伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路連接實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電機(jī)的控制。其中，PA0~PA6接X向、Y向和Z向直流電動(dòng)機(jī)硬件環(huán)形分配器，為輸出，PB0~PB7為三個(gè)方向的點(diǎn)動(dòng)及回零輸入，PC0~PC5為面板上的選擇開關(guān)，設(shè)有編輯、單步運(yùn)行、單段運(yùn)行、自動(dòng)、手動(dòng)1、手動(dòng)2等方式。系統(tǒng)各芯片采用全地址譯碼。X向、Y向直流電動(dòng)機(jī)硬件環(huán)形分配器采用YB015，3-2相通電五相十拍方式工作，故A0、A1引腳均接+5V，Z向向直流電動(dòng)機(jī)硬件環(huán)形分配器采用YB014，是以2-3相通電四相八拍方式工作，A0、A1接高電平。三個(gè)芯片的選通輸出控制E0分別接8255的PA2、PA4、PA6，時(shí)鐘輸入端CP接8255芯片的TIMEOUT，用以決定脈沖分配器輸出脈沖的頻率。為實(shí)現(xiàn)插補(bǔ)時(shí)不同的進(jìn)給速度，可給8255芯片定時(shí)/計(jì)數(shù)器中設(shè)置不同的時(shí)間常數(shù)。89C51的P0口與ALE口連接了一片28引腳8位8通道逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器0809，在其后裝了測(cè)速發(fā)電機(jī)，來檢測(cè)直流電機(jī)的速度輸出，0809的作用是將28CY01測(cè)速發(fā)電機(jī)傳來的模擬信號(hào)變化轉(zhuǎn)變成數(shù)字量，傳入89C51，以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床的半閉環(huán)控制。2.1.4 越界報(bào)警和急停電路此控制系統(tǒng)中設(shè)有越界報(bào)警和急停電路。如圖2-1?！繶、±Y、±Z方向的越界和急停信號(hào)經(jīng)與門引入89C51的P3.2，中斷源INT0，同時(shí)又接到89C51的P1口，采用硬件申請(qǐng)中斷和軟件查詢的方法，便可確定時(shí)哪個(gè)方向越界。當(dāng)±X、±Y、±Z等一畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）第 20 頁 共 48 頁方向越界，則相應(yīng)的紅燈亮報(bào)警。 圖 2-1 越界報(bào)警和急停電路2.2 伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路如圖2-2。圖2-2 伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路其中：畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）第 21 頁 共 48 頁輸入接口主要由A/D轉(zhuǎn)換器0809，接口運(yùn)算放大器N5和測(cè)速發(fā)電機(jī)組成。測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出的模擬信號(hào)經(jīng)0809轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸入單片機(jī)89C51。0809的尋址方式采用的是存儲(chǔ)器方式。接口運(yùn)算放大器有兩個(gè)作用：a.組成有源低通濾波器，抑制測(cè)速發(fā)電機(jī)由于系統(tǒng)的震蕩而產(chǎn)生的高頻噪聲。b.組成放大倍數(shù)小于1的放大器，將測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出信號(hào)壓縮在±5V以內(nèi)。輸出接口就是單片機(jī)和伺服電機(jī)功率放大器的接口。主要由YB015、光電耦合電路、功率放大電路、光電隔離電路及伺服電機(jī)組成。2.2.1 光電耦合電路光電耦合器于1966年問世，把不同的發(fā)光器件和各種光接收器組合起來，就可構(gòu)成幾百個(gè)品種系列的光電耦合器，因而，該器件已成為一類獨(dú)特的半導(dǎo)體器件。其中光敏二極管加放大器類的光電耦合器隨著近年來信息處理的數(shù)字化、高速化以及儀器的系統(tǒng)化和網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展，其需求量不斷增加。光電耦合器的主要結(jié)構(gòu)是把發(fā)光器件和光接收器件組裝在一個(gè)密閉的管殼內(nèi)，然后利用發(fā)光器件的管腳作輸入端，而把光接收器的管腳作為輸出端。當(dāng)在輸入端加電信號(hào)時(shí)，發(fā)光器件發(fā)光。這樣，光接收器件由于光敏效應(yīng)而在光照后產(chǎn)生光電流并由輸出端輸出。從而實(shí)現(xiàn)了以“光”為媒介的電信號(hào)傳輸，而器件的輸入和輸出兩端在電氣上是絕緣的。這樣就構(gòu)成了一種中間通過光傳輸信號(hào)的新型半導(dǎo)體電子器件。光電耦合器的封裝形式一般有管形、雙列直插式和光導(dǎo)纖維連接三種。光電耦合的主要特點(diǎn)如下：●輸入和輸出端之間絕緣，其絕緣電阻一般都大于 10 10Ω，耐壓一般可超過1kV，有的甚至可以達(dá)到 10kV 以上?！裼捎凇肮狻眰鬏?shù)膯蜗蛐?，所以信?hào)從光源單向傳輸?shù)焦饨邮掌鲿r(shí)不會(huì)出現(xiàn)反饋現(xiàn)象，其輸出信號(hào)也不會(huì)影響輸入端。畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）第 22 頁 共 48 頁●由于發(fā)光器件（砷化鎵紅外二極管）是阻抗電流驅(qū)動(dòng)性器件，而噪音是一種高內(nèi)阻微電流電壓信號(hào)。因此光電耦合器件的共模抑制比很大，所以，光電耦合器件可以很好地抑制干擾并消除噪音?！袢菀缀瓦壿嬰娐放浜?。●響應(yīng)速度快。光電耦合器件的時(shí)間常數(shù)通常在微秒甚至毫微秒極?！駸o觸點(diǎn)、壽命長(zhǎng)、體積小、耐沖擊。本設(shè)計(jì)選用的是 TLP 光電耦合器 BJB－34，電路圖如圖 2-3。其中：2 口接+5V，8 口接+12V，3 口接 YB015，6 口、5 口接功率放大器。 圖 2-3 光電耦合電路2.2.2PWM 功率放大器電路 直流伺服電機(jī)常采用的功率驅(qū)動(dòng)元件是晶閘管和功率晶體管，而速度的調(diào)節(jié)主要采用調(diào)節(jié)加在電樞上的電壓大小來實(shí)現(xiàn)，電機(jī)的換向則是通過改變電樞電流的方向或勵(lì)磁電流的方向來實(shí)現(xiàn)。這里，采用功率晶體管驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。功率晶體管驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)，可工作在放大區(qū)，構(gòu)成放大型功率晶體管驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，而工作在開關(guān)狀態(tài)，則構(gòu)成開關(guān)型功率晶體管驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。在開關(guān)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，目前廣泛采用的是脈沖寬度調(diào)制式（PWM）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，這也是目前數(shù)控機(jī)床上廣泛采用的。PWM 系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是：采用較高的開關(guān)頻率，使得電樞電流僅靠電樞電感或附加較小的電抗器便可連續(xù)，所以電機(jī)損耗、發(fā)熱和噪聲都小，穩(wěn)定精度高，調(diào)帶范圍寬；功率晶體管工作在開關(guān)狀態(tài)，其損耗小，電源利用率高，并且控制方便。PWM 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主電路有兩種結(jié)構(gòu)型式，一種是 H 型（也是橋式） ，另一種是 T 型。這里采用 H 型。原理見圖 2-4：圖中四個(gè)二極管 為續(xù)流二極管，用于保護(hù)功率晶體管免受遭高壓電41VD?畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）第 23 頁 共 48 頁流擊穿。H 型在控制方式分為雙橋式和單級(jí)式兩種。這里采用雙級(jí)式 PWM 的驅(qū)動(dòng)。四個(gè)功率晶體管的基極驅(qū)動(dòng)電壓分為兩組： 。各晶體13241,bbbUU???管的驅(qū)動(dòng)電壓波形圖如圖 2-5： VD1T AT圖 2-4：H 型 PWM 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主電路原理圖圖 2-5：雙級(jí)性 PWM 驅(qū)動(dòng)電壓波形和電樞電流波形在 使 和 飽和導(dǎo)通, 和 截為 負(fù) ，為 正 ，時(shí) ， 324110bbUUt ???? 1T42T3止，加在電樞端電壓，A 點(diǎn)為正，B 點(diǎn)為負(fù)，即 （忽略 和 的飽和壓降） ，SAB?14電樞電流 沿回路 1 流通。當(dāng) 使 和ai 為 正 ，為 負(fù) ，時(shí) ， 32411 bbUTt ??? 1截止, 但 和 并不能立即導(dǎo)通。這是因?yàn)樵陔姌须姼械淖饔孟拢姌须娏?經(jīng)4T23T ai