【正文】 伺服電機，驅(qū)動工作臺進行 X、 Y、 Z 三個方向的進給運動，從而實現(xiàn)二軸聯(lián)動，該半閉 環(huán)控制數(shù)控系統(tǒng)由測速發(fā)電機來反饋伺服電機的速度，同時由感應(yīng)同步器來反饋滾珠絲杠的角位移量，具有機床自動進給的功能。張家界航空工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計論文 張家界航空工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計 題目 ： X6132 銑床的數(shù)控化改造 第 1 頁 共 47 頁 X6132 經(jīng)濟型數(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。該系統(tǒng)可實現(xiàn)直線插補和圓弧插補，數(shù)控加工按輪廓編程，能自動適應(yīng)刀具尺寸的變化。制造技術(shù)和裝備就是人類生產(chǎn)活動的最基本的生產(chǎn)資料，而數(shù)控技術(shù)又是當(dāng)今先進制造技術(shù)和裝備最核心的技術(shù)。 1. 數(shù)控技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展 數(shù)控技術(shù)是機械加工技術(shù)、微電子技術(shù)、監(jiān)控檢測技術(shù)、計算機技術(shù)、自動控制等多種學(xué)科的集成，是一門新興技術(shù)。按照電子器件的發(fā)展可分為 5 個發(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)裝備的機床大大提高了加工精度、速度和效率。 (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張家界航空工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計論文 第 6 頁 共 47 頁 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)。雖然從縱向看我國的發(fā)展速度很快，但橫向比（與國外對比）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)水平差距有擴大趨勢。 3. 數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢 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)域的擴大，他對國計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，因為這些行業(yè)所需裝備的數(shù)字化已是現(xiàn)代發(fā)展的大趨勢。 在加工精度方面，近 10 年來，普通級數(shù)控機床的加工精度已由 10μ m提高到 5μ m，精密級加工中心則從 3～ 5μ m，提高到 1～ m，并且超精密加工精度已開始進入納米級 ( m)。一般認為， 1臺 5軸聯(lián)動機床的效率可以等于 2臺 3軸聯(lián)動機床，特別是使用立方氮化硼等超硬材料銑刀進行高速銑削淬硬鋼零件時， 5軸聯(lián)動加工可比 3軸聯(lián)動加工發(fā)揮更高的效益。 (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 . 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)自動生成；為提高驅(qū)動性能及使用連接方便的智能化，如前饋控制、電機參數(shù)的自適應(yīng)運算、自動識別負載自動選定模型、自整定等；簡化編程、簡化操作方面的智能 化，如智能化的自動編程、智能化的人機界面等；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。 微觀上看，數(shù)控機床比傳統(tǒng)機床有以下突出的 優(yōu)越性，而且這些優(yōu)越性均來自數(shù)控系統(tǒng)所包含的計算機的威力。數(shù)控技術(shù)已經(jīng)成為制造業(yè)自動化的核心技術(shù)和基礎(chǔ)技術(shù)。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。這也就從宏觀上說明了機床數(shù)控化改造的必要性。 從我國基本國情的角度出發(fā)，以國家的戰(zhàn)略需求和國民經(jīng)濟的市場需求為導(dǎo)向，以提高我國制造裝備業(yè)綜合競爭能力和產(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)初期我國制造裝備業(yè)發(fā)展升級的關(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，實現(xiàn)制造裝備業(yè)的跨躍式發(fā)展。但是配置這種系統(tǒng)的數(shù)控機床價格昂貴。系統(tǒng)只需 12 萬（國外系統(tǒng)則需十幾萬到幾十萬），適合我國中小型企業(yè)的現(xiàn)有普通機床的數(shù)控改造。③適合多品種、中小批量產(chǎn)品的自動化加工，對產(chǎn)品的適應(yīng)性強。經(jīng)濟型數(shù)控機床可以不用或少用工裝，尤其對于復(fù)雜零件可不用靠?；虺尚偷毒?。 近年來，我國成功應(yīng)用經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)配置車床、銑床、線切割機床、沖床以及普通機床的改造等，并在投入使用后確實成倍提高的生產(chǎn)率，減少了廢品率，取得了顯著的技術(shù)經(jīng)濟效益?？衫酶鞣N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。 圖 11 X6132 普通升降臺銑床 外觀圖 總體設(shè)計任務(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 )。另一方面由于步進電機在低速工 作時有明顯的沖動，易自激振蕩，而且激振張家界航空工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計論文 第 11 頁 共 47 頁 頻率很可能落入銑削加工所用的進給速度范圍內(nèi)，著對加工極為不利，造成工件超差。 若采用直流或交流伺服電機的半閉環(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 ,有采用反饋控制因此性能遠優(yōu)于步進電機的開環(huán)控制 。這個電壓是速度指令電壓。速度環(huán)的作用在于把位置誤差模擬電壓變成一個比較穩(wěn)定的速度模擬電壓。數(shù)控裝置來的位置指令D0 與位置反饋系統(tǒng)檢測出的實際位置檢測值 Da 在位置偏差監(jiān)測器 1中比較。 v0 經(jīng)數(shù) /模 (D/A)轉(zhuǎn)換器 3 成為模擬電壓 Uc。設(shè)置速度反饋的目的是穩(wěn)定電動機的轉(zhuǎn)速。這個電壓加在伺服電機 6上，使它得到角速度θ m。 圖 13 半閉環(huán)伺服系統(tǒng)原理 控制部分的設(shè)計要能控制三個坐標(biāo)軸的運動 ,根據(jù)加工要求 ,至少要控制兩軸聯(lián)動完成圓弧插補 ,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度的補償功能 ,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。普通機床的主軸支承多為滾動軸承或滑動軸承。一般要求定位精度為 ～ ，速度控制要求較高的調(diào) 節(jié)精度和較強的抗負載抗干擾能力，以保證動靜態(tài)精度都較高。這樣既能滿足高速加工要求，又能滿足底速加工要求。 進給傳動系統(tǒng)的改造方案 （ 1）電氣部分的改造 進給傳動是按數(shù)控系統(tǒng)的指令，經(jīng)放大后使刀具精確定位或按規(guī)定的軌跡運動（如直線、圓弧等），加工出符合要求的工件。 （ 2）機械部分的數(shù)控化改造 進給系統(tǒng)的改造主要是提高移動部件的靈活性，減少或消除傳動間隙，通常是改造導(dǎo)軌副、進給箱和移動元件。 在機床進給傳動中，需將旋轉(zhuǎn)運動變成直線運動。他之所以取代以前的 NC系統(tǒng)和當(dāng)前設(shè)計選用的原因，是因為 CNC系統(tǒng)具有 NC系統(tǒng)無法比擬的優(yōu)點： （ 1）活性大。 CNC 系統(tǒng)的軟件和硬件大多是采用模塊化的結(jié)構(gòu)。 （ 4）可靠性高。 由于采用計算機，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，同時控制柜的尺寸也相應(yīng)減少。 目前大多數(shù)數(shù)控機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，進行正確操作。 數(shù)控機床的許多日常維護工作都由數(shù)控裝置承擔(dān)；而且，數(shù)控機床的自診斷功能，可迅速使故障定位，方便維修人員 。 圖 15 數(shù)控改造設(shè)計總圖 系統(tǒng)主要由 89C51 單片機、速度檢測元件、直流伺服電機，及相應(yīng)的接口電路組成。 X6132 的工作臺裝有進給伺服系統(tǒng)，床身左側(cè)的電氣箱內(nèi)裝有主控器和強電系統(tǒng)。手動操作時，顯示器可作為數(shù)字讀出裝置使用。 (3) 指令系統(tǒng)的功能是否強 (即編程的靈活性 ) 。 在大多數(shù)相關(guān)的機床改造資料及論文中都采用了 8031，原因是： 8031 單片機是集 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 ,編程靈活性大 ,硬件資料也很豐富。 8031 的輸入、輸出 ( I/ O) 線不多 , 所以張家界航空工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計論文 第 18 頁 共 47 頁 外接 8155 芯片以擴展 I/ O口。8 位數(shù)據(jù)總線由 P0口提供。在實際應(yīng)用方面比較繁瑣，已被市場淘汰。數(shù)控系統(tǒng)采用的中央 CPU、顯示和鍵盤管理 CPU及插補和輸入 /輸出 CPU。插補 CPU主要進行插補運算，發(fā)生伺服驅(qū)動所需的控制信號，接收測量元件的反饋信號，實現(xiàn)速度和位置的控制。以中央 CPU與插補 CPU之間數(shù)據(jù)交換為例，為了避免兩個 CPU同時存取公用存儲區(qū)而發(fā)生沖突，需要采用措施。 在地址分配上。 存儲芯片的選擇 由于 89C51本身帶有存儲器，故不用選擇存儲芯片。為了實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)控制，采用二級放大，可輸出 V10? 控制信號。該芯片有三個 I/O端口，即 A口、 B口和 C口，對應(yīng)的引腳分別是 PA0~PA PB0~PB7和 PC0~PC7。 用一片 8255來控制 LED與鍵盤輸入。其中， PA0~PA6接 X向、 Y向和 Z向直流電動機硬件環(huán)形分配器，為輸出， PB0~PB7為三個方向的 點動及回零輸入， PC0~PC5為面板上的選擇開關(guān)，設(shè)有編輯、單步運行、單段運行、自動、手動 手動 2等方式。為實現(xiàn)插補時不同的進給 速度，可給 8255芯片定時 /計數(shù)器中設(shè)置不同的時間常數(shù)。177。當(dāng)177。 張家界航空工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計論文 第 21 頁 共 47 頁 圖 21 越界報警和急停電路 伺服電機的驅(qū)動 伺服電機的驅(qū)動電路如圖 22。接口運算放大器有兩 個作用： ，張家界航空工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計論文 第 22 頁 共 47 頁 抑制測速發(fā)電機由于系統(tǒng)的震蕩而產(chǎn)生的高頻噪聲。主要由 YB01光電耦合電路、功率放大電路、光電隔離電路及伺服電機組成。當(dāng)在輸入端加電信號時，發(fā)光器件發(fā)光。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。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。 ●無觸點、壽命長、體積小、耐沖擊。這里，采用功率晶體管驅(qū)動系統(tǒng)。 PWM 驅(qū)動系統(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。這里采用雙級式 PWM 的驅(qū)動。這是因為在電樞電感的作用下，電樞電流 ai 經(jīng) 32 VDVD和 續(xù)流，沿回路2 流通， 32 VDVD和 的壓降使 2T 和 3T 承受反壓的緣故。電機的轉(zhuǎn)向取決于電樞電流的平均值，即取決于電樞端電壓的平均值。 由上述過程可知，雙極性 PWM 驅(qū)動系統(tǒng)中，電機的靜止是動態(tài)靜止，有利于消除正反轉(zhuǎn)死區(qū)。在 CNC 中采用硬件邏輯延時或軟件延時。調(diào)整范圍寬，另外，高的開關(guān)頻率也會降低電機 的損耗。 在微機控制 PWM 驅(qū)動系統(tǒng)中，脈沖寬度控制信號可由計算機通過軟件產(chǎn)生，所以硬件電路簡單，控制靈活，微機 PWM 驅(qū)動系統(tǒng)的原理框圖見圖 26。 PWM 的控制脈沖也可以由脈寬調(diào)制器產(chǎn)生，這時微機需要通過 D/A 轉(zhuǎn)換器脈寬調(diào)制器輸入脈寬控制信號。 N1 和 N2 構(gòu)成三角波發(fā)生器，輸出三角波調(diào)制信號 U1。 圖 27 三角 波脈寬調(diào)制電路 檢測裝置 測速發(fā)電機 測速發(fā)電機（ TG）有直流和交流兩種，在此伺服系統(tǒng)中采用的是直流測速發(fā)電機。ω 式中 Ki ——— 測速發(fā)電機的增益， V178。 測速發(fā)電機有線性好、靈敏度高和輸出信號強等優(yōu)點，故廣泛用于工業(yè)自動檢測和自動調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速。其中，直線式用來測量直線位移，圓盤式用來測量角位移。感應(yīng)同步器的絕對精度可達 1” ，重復(fù)精度可達 ” 。由于電磁感應(yīng)效應(yīng)，在定子繞組上產(chǎn)生相同頻率的感應(yīng)電勢，其大小取決于定子和轉(zhuǎn)子的空間相位角。當(dāng)?shù)?達四分之三節(jié)距的 d點，又回到 0。其中鑒相測量只要測出定子上的感應(yīng)電壓，就可以得到空間相位角θ；鑒幅測量則要已知電氣角α 1,只要測出 U0的幅值 KUmsin（α1α 2） ,便可間接地求出α 2。 自動進給數(shù)控裝置框圖 采用自動進給數(shù)控裝置 , 通過安裝在機床適當(dāng)位置上 (導(dǎo)軌的兩端 ) 的傳感器發(fā)出的信號控制進給運動。脈沖信號同時還送到計數(shù)器進行計數(shù)。 圖 211 自動進給數(shù)控裝置框圖 總電路圖 張家界航空工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計論文 第 29 頁 共 47 頁 實現(xiàn)圖 211 所示工作過程的電路見圖 212， 圖 212 自動進給數(shù)控裝置電路圖 設(shè)預(yù)置數(shù)為 5, 測得主要節(jié)點波形見圖 213: