【正文】 控系統(tǒng) (Numer5calContr01System)，數(shù)控系統(tǒng)的核心是數(shù)控裝置 (NMmericalContr011er)。由于數(shù)控系統(tǒng)、數(shù)控裝置的英文縮寫亦采用 NC(或 CNC)，因此，在實際使用中，在不同場合 NC(或 CNC)具有三種不同含義：既可以在廣義上代表一種控制技術(shù)，又可以在狹義上代表一種控制系統(tǒng)的實體，還可以代表一種具體的控制裝置 —— 數(shù)控裝置。 采用數(shù)控技術(shù)進行控制的機床，稱為數(shù)控機床 (NC 機床 )。它是一種綜合應(yīng)用了計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)、精密測量技術(shù)和機床設(shè)計等先進技術(shù)的典型機電一體化產(chǎn)品，是現(xiàn)代制造技術(shù)的基礎(chǔ)。 1．控制介質(zhì) 數(shù)控設(shè)備工作時，不需要操作者直接進行手工加工，但設(shè)備必須按操作者的意圖進行工作，這就必須在操作 者與設(shè)備間建立某種聯(lián)系，對這種聯(lián)系的中間媒介物稱之為控制介質(zhì)。控制介質(zhì)也稱為信息載體，它可以是穿孔帶、穿孔卡、磁帶、軟磁盤等。 在控制介質(zhì)上存儲著加工零件所需要的全部操作信息，它是數(shù)控系統(tǒng)用來指揮和控制設(shè)備進行加工運動的唯一指令信息。 2．輸入裝置 輸入裝置的作用是將控制介質(zhì)上的程序代碼變成相應(yīng)的電脈沖信號，傳送并存入數(shù)控裝置中。根據(jù)不同的控制介質(zhì)，輸入裝置可以是光電讀帶機、錄音機或軟盤驅(qū)動器?，F(xiàn)在有很多數(shù)控設(shè)備不用任何控制介質(zhì)，而是將數(shù)控加工程序單上的內(nèi)容通過數(shù)控裝置上的鍵煙臺大學(xué) 畢業(yè)論文（設(shè)計 ） 2 盤直接輸入給數(shù) 控裝置，稱為 MDI 方式。有的還可格數(shù)控加工程序由編程計算機用通信方式傳送給數(shù)控裝置。 3．數(shù)徑裝置 數(shù)控裝置是數(shù)控設(shè)備的核心，它接受輸入裝置送來的脈沖信號，經(jīng)過數(shù)控裝置的控制軟件和邏輯電路進行編譯、運算和邏輯處理，然后將各種信息指令輸出給伺服系統(tǒng)，使設(shè)備各部分進行規(guī)范而有序的動作。這些指令主要是經(jīng)插補運算決定的各坐標軸的進給速度、進給方向和位移量；主運動部件的變速、換向和啟停信號；選擇和交換刀具的指令信號；切削液的開停信號；工件的松夾、分度工作臺的轉(zhuǎn)位等輔助指令信號。 介于數(shù)控裝置與被控設(shè)備之間的強 電控制裝置，主要作用是接收數(shù)控裝置輸出的主運動變速、刀具選擇交換、輔助裝置動作等指令信號，經(jīng)過必要的編譯、邏輯判斷和功率放大后，直接驅(qū)動相應(yīng)的電器、液壓、氣動和機械部件等，完成指令所規(guī)定的各種動作。 4．伺服系統(tǒng) 伺服系統(tǒng)包括伺服驅(qū)動電路和伺服驅(qū)動元件，它們與執(zhí)行部件上的機械部件組成數(shù)控設(shè)備的進給系統(tǒng)。其作用是把數(shù)控裝置發(fā)來的速度和位移指令 (脈沖信號 )轉(zhuǎn)換成執(zhí)行部件的進給速度、方向和位移。每個執(zhí)行進給運動的部件，都配有一套伺服驅(qū)動系統(tǒng)，而相對于每一個脈沖信號，執(zhí)行部件都有一個相應(yīng)的位移量，又稱為脈沖 當量，其值越小，加工精度就越高。數(shù)控裝置可以以很高的速度和精度進行計算并發(fā)出很小的脈沖信號，關(guān)鍵在于伺服系統(tǒng)能以多高的速度與精度去響應(yīng)執(zhí)行，所以整個系統(tǒng)的精度與速度主要取決于伺服系統(tǒng)。在伺服系統(tǒng)中，伺服驅(qū)動電路要把數(shù)控裝置發(fā)出的微弱電信號 (5V 左右，毫安級 )放大成強電的驅(qū)動電信號 (幾十至上百伏，安培級 )去驅(qū)動執(zhí)行元件 —— 伺服電動機。 伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件主要有功率步進電動機、電液脈沖馬達、直流伺服電動機和交流伺服電動機等，其作用是將電控信號的變化轉(zhuǎn)換成電動機輸出鈾的角速度和角位移的變化，從而帶動執(zhí)行部 件作進給運動。 5．執(zhí)行部件 數(shù)控系統(tǒng)的執(zhí)行部件是加工運動的實際執(zhí)行部件，主要包括主運動部件、進給運動執(zhí)行部件、工作臺、拖板及其部件和床身立校等支承部件，此外還有冷卻、潤滑、轉(zhuǎn)位和夾緊等輔助裝置，存放刀具的刀架、刀庫及交換刀具的自動換刀機構(gòu)等。執(zhí)行部件應(yīng)有足夠的剛度和抗振性，還要有足夠的精度，傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)要簡單，便于實現(xiàn)自動控制。 6． 測量反饋裝置 測量反饋裝置是將運動部件的實際位移、速度及當前的環(huán)境 (如溫度、振動、摩擦和切削力等因素的變化 )參數(shù)加以檢測，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柡蠓答伣o數(shù)控裝置，通過比較， 得出實際運動與指令運動的誤差，并發(fā)出誤差指令，糾正所產(chǎn)生的誤差。測量反饋裝置的引入，有效地改善了系統(tǒng)的動態(tài)特性，大大提高了零件的加工精度 。 隨著微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、精密制造技術(shù)及檢測技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控機床性能日臻完善，數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域日益擴大。各生產(chǎn)部門工藝要求的不斷提高又從另一方面促進了數(shù)控機床的發(fā)展，當今數(shù)控機床正不斷采用最新技術(shù)成果，朝著高速度、高精度、高可煙臺大學(xué) 畢業(yè)論文（設(shè)計 ） 3 靠性、多功能、智能化、復(fù)合化等方向發(fā)展。 (1)高速度、高精度 速度和精度是數(shù)控系統(tǒng)的兩個重要技術(shù)指標， 它直接關(guān)系到加工效率和產(chǎn)品質(zhì)量。對于數(shù)控系統(tǒng)，高速度首先是要求計算機數(shù)控系統(tǒng)在讀入加工指令數(shù)據(jù)后，能高速度處理并計算出伺服電動機的位移量，并要求伺服電動機高速度地作出反應(yīng)。此外，要實現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)的高速度，還必須實現(xiàn)主軸、進給、刀具交換、托板交換等各種關(guān)鍵部分的高速度。現(xiàn)代數(shù)控機床主軸轉(zhuǎn)速在 12020 r／ min 以上的已較為普及，高速加工中心的主軸轉(zhuǎn)速高達 100 000 r／ min；快速進給速度一般機床都在 50 m／ min 以上，有的機床高達 120 m／ min。加工的高精度比加工速度更為重要，微米級精度的數(shù)控設(shè)備 正在普及，一些高精度機床的加工精度己達到 o． 1pm。 (2)高可靠性 新型的數(shù)控系統(tǒng)大量采用大規(guī)模或超大規(guī)模的集成電路，采用專用芯片及混合式集成電路，使線路的集成度提高，元器件數(shù)量減少，功耗降低，提高了可靠性。 現(xiàn)代數(shù)控機床都裝備了計算機數(shù)控系統(tǒng) (即 CNC 系統(tǒng) )，只要改變軟件控制程序，就可以適應(yīng)各類機床的不同要求，實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的模塊化、標準化和通用化。數(shù)控控制軟件的功能更加豐富，具有自診斷及保護功能。為了防止超程，可以在系統(tǒng)內(nèi)預(yù)先設(shè)定工作范圍 (即軟極限 )。數(shù)控系統(tǒng)還具有自動返回功能 (即斷點保護功 能 )。 (3)多功能 大多數(shù)數(shù)控機床都具有 CRT 圖形顯示功能，可以進行二維圖形的加工軌跡動態(tài)模擬顯示，有的還可以顯示三維彩色動態(tài)圖形；具有豐富的人機對話功能，“友好”的人機界面；借助 CRT 與鍵盤的配合，可以實現(xiàn)程序的輸入、編輯、修改、刪除等功能。現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)，除了能與編程機、繪圖機、打印機等外設(shè)通信外，還應(yīng)能與其他 CNC系統(tǒng)、上級計算機系統(tǒng)通信，以實現(xiàn) FMS 的連接要求。 (4)智能化 數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)用高技術(shù)的重要目標是智能化。如引進自適應(yīng)控制技術(shù)、人機會話自動編程、自動診斷并排除故障等智能化功能 。 (5)復(fù)合化 復(fù)合化是近幾年數(shù)控機床發(fā)展的模式，它將多種動力頭集中在一臺數(shù)控機床上，在一次的裝夾中完成多種工序的加工。如立臥轉(zhuǎn)換加工中心、車銑萬能加工中心及四鈾聯(lián)動 (x、 Y、 Z、C)的車削中心等。煙臺大學(xué) 畢業(yè)論文（設(shè)計 ） 4 2 課題分析及整體方案的確定 課題設(shè)計內(nèi)容及要求 數(shù)控 系統(tǒng) 中步進電機的應(yīng)用 ,主要是利用步進電機驅(qū)動開環(huán)伺服系統(tǒng) ,用單片機擴展并行口來控制步進電機 ,用軟件的方法控制步進電機的方向及速度 ，實現(xiàn) 步進電機的選擇和控制方法 .本課題所討論的是二軸步進電機數(shù)控系統(tǒng)。此數(shù)控機床自身坐標 x、 y 方向上各采用一個步進電機，以實現(xiàn)該方向的運動。步進電機數(shù)控裝置的設(shè)計主要是單片機數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計 。 課題分析及系統(tǒng)特點分析 對課題所需設(shè)計系統(tǒng)具有的功能進行分析可知，系統(tǒng)應(yīng)實現(xiàn)的任務(wù)為通過鍵盤與單片機的控制來實現(xiàn)單片機（通過一系列 I/O 和存儲器的擴展）對步進電機的控制。在此主要設(shè)計用步進電機實現(xiàn)二坐標軸數(shù)控機床直線和圓弧插補，能夠適時顯示當前坐標值，并且可以通過鍵盤進行手動控制，另外，還有電源電路及顯示電路的設(shè)計 。 系統(tǒng)總體方案的確定 步進電機數(shù)控系統(tǒng)大體可以分為如下模塊： ① 電源模塊 ② 控制模塊 ③ 驅(qū)動模塊 系統(tǒng)組成框圖如圖 21 所示 ： 圖 21 煙臺大學(xué) 畢業(yè)論文（設(shè)計 ） 5 3 模塊電路分析與設(shè)計 電源模塊電路分析與設(shè)計 電源模塊電路的分析 在本設(shè)計中主要用到兩種電源： ① 用于控制模塊的 +5V 直流電源 ② 用于驅(qū)動電動機的+30v300w 的直流電源 在工 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)實驗中，主要采用交流電，但是在某些場合，例如電解、電鍍、蓄電池的充電、直流電動機等，都需要用直流電源供電。此外，在電子線路和自動控制裝置中，還需要用電壓非常穩(wěn)定的直流電源。為了得到直流電，除了采用直流發(fā)電機、干電池等直流電源外，目前廣泛采用各種半導(dǎo)體直流電源。 圖 3— 1 所示是半導(dǎo)體直流穩(wěn)壓電源的原理方框圖，它表示把交流電變換為直流電 的過程。 圖 3－ 1 半導(dǎo)體直流穩(wěn)壓電源的原理框圖 1．電源變壓器 電網(wǎng)上單相交流電壓的有效值為 220V，而通常需要的直流電壓要比此值低。因此，先利用變壓器進行 降壓，將 220V的交流電變成合適的交流電以后再進行交、直流轉(zhuǎn)換。當然，有的電源不是利用變壓器而是利用其他方法降壓的。 2．整流電路 整流電路的主要任務(wù)是利用二極管的單向?qū)щ娞匦裕瑢⒔?jīng)變壓器降壓后的交流電變成單向脈動的直流電。經(jīng)整流電路輸出的單向脈動的直流電幅度變化較大，這種直流電一般不能直接供給電子電路使用。 3．濾波電路 濾波電路的主要任務(wù)是濾除脈動直流電中的交流成分電壓，使輸出電壓成為比較平滑的直流電。常采用的元件有電容和電感等。 4．穩(wěn)壓電路 交流電經(jīng)降壓、整流、濾波后輸出的直流電具有較好的平滑程度， 一般說來可以充當電路的電源。需要指出的是，此時的電壓值還要受到電網(wǎng)電壓波動以及負載變化的影響，即經(jīng)濾波后輸出的電壓由于各種因素的影響往往是不穩(wěn)定的。為使輸出電壓穩(wěn)定，還需要煙臺大學(xué) 畢業(yè)論文（設(shè)計 ） 6 增加穩(wěn)壓電路部分。穩(wěn)壓電路的作用 就是自動穩(wěn)定輸出電壓，使輸出電壓不受電網(wǎng)電壓波動和負載大小的影響。 電源模塊電路的設(shè)計 1. 整流電路 整流電路是利用二極管的單向?qū)щ娦裕瑢⒄摻惶娴恼医涣麟妷鹤儞Q成單方向的脈動電壓，因此二極管是構(gòu)成整流電路的核心元件。在小功率的直流電源中，整流電路的主要形式有單相半波、單相全波和單相橋式整流電路。單 相橋式整流電路用得最為普遍。 為了簡單起見，分析計算整流電路時把二極管當作理想元件來處理，即認為二極管的正向?qū)娮铻榱?，而反向電阻為無窮大 一 . 單相橋式整流電路的組成 及工作原理 單相橋式整流電路是由四個整流二極管接成電橋的形式構(gòu)成的，如圖 3— 2(a)所示。圖 3— 2(b)所示為單相橋式整流電路的一種簡便畫法。 圖 3－ 2 單相橋式整流電路 （ a）單相橋式整流電路； (b)單相橋式整流電路的簡化畫法 單相橋式整流電路的工作情況如下 設(shè)整流變壓器副邊 電壓為： )sin(2 22 tUu ?? 當 2u 為正半周時，其極性為上正下負，即 a 點電位高于 b 點電位，二極管 D D3因承愛正向電壓而導(dǎo)通， D D4 因承受反向電壓而截止。此時電流的路徑為： a→ D1→ LR→ D3→ b，如圖 3— 3（ a）所示。 當 2u 為負半周時，其極性為上負下正，即 a 點電位低于 b 點電位，二極管 D D4因承受正向電壓而導(dǎo)通， D D3 因承受反向電壓而截止。此時電流 的路徑為： a→ D2→ LR→ D4→ b，如圖 3— 3（ b）所示。 煙臺大學(xué) 畢業(yè)論文（設(shè)計 ） 7 圖 3－ 3 單相橋式整流電路 (a)正半周時電流的通路 (b)負半周時電流的通路 可見電壓無論在正半周還是在負半周，負載電阻 LR 上都有相同方向的電流流過。因此在負載電阻 LR 得到的是單向脈動電壓和電流，忽略二極管導(dǎo)通時的正向壓降，則單相橋式整流電路的波形如圖 3— 4 所示。 二．參數(shù)計算 (1)負載上電壓平均值和電流平均值。其中： 單相全波整流電壓的平均值為： 圖 3－ 4 單相橋式整流電路的波形 煙臺大學(xué) 畢業(yè)論文（設(shè)計 ） 8 流過負載電阻 LR 的電流平均值為： LLOO RURUI ?? 2220 )()s in (21 UUtdtUU O ??? ? ???? ? (2)整流二極管的電流平均值和承受的最高反向電壓。因為橋式整流電路中，每兩個二極管串聯(lián)導(dǎo)通半個周期，所以流經(jīng)每個二極管的電流平均值為負載電流的一半，即： LOD RUII ?? 每個二極管在截止時承受的最高反向電壓為 2u 的最大值，即： 22 2UUU MD R M ?? （ 3）