【正文】 1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(kāi)發(fā)的內(nèi)容，實(shí)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(jī)床價(jià)格昂貴。系統(tǒng)只需12萬(wàn)（國(guó)外系統(tǒng)則需十幾萬(wàn)到幾十萬(wàn)），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。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)。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?；虺尚偷毒摺＝陙?lái)，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?？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(tái)銑床外觀圖將原來(lái)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)。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。若采用直流或交流伺服電機(jī)的半閉環(huán)控制,過(guò)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(kāi)環(huán)控制。這個(gè)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(gè)比較穩(wěn)定的速度模擬電壓。數(shù)控裝置來(lái)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。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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。這個(gè)電壓加在伺服電機(jī)6上，使它得到角速度θm。圖13 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。普通機(jī)床的主軸支承多為滾動(dòng)軸承或滑動(dòng)軸承?！?，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。這樣既能滿足高速加工要求，又能滿足底速加工要求。（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。（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。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)。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)镃NC系統(tǒng)具有NC系統(tǒng)無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)： （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(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(lái)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。 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。 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。 圖15 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。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)。手動(dòng)操作時(shí)，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(qiáng)(即編程的靈活性) 。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(kāi)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 的輸入、輸出( I/ O) 線不多, 所以外接8155 芯片以擴(kuò)展I/ O口。8 位數(shù)據(jù)總線由P0口提供。在實(shí)際應(yīng)用方面比較繁瑣，已被市場(chǎng)淘汰。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。此外，對(duì)輸入/輸出信號(hào)進(jìn)行控制，并完成RS232C通訊功能。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(guò)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)。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)。 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(lái)完成。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。其內(nèi)部還有一個(gè)控制寄存器，即控制口。鍵盤(pán)與顯示設(shè)計(jì)在一起，8255的PB口（PB0～PB7）提供鍵盤(pán)的列線及顯示器的掃描控制線（字位線）。系統(tǒng)各芯片采用全地址譯碼。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(lái)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(lái)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。X、177。X、177。 圖22 伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路其中：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。將測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出信號(hào)壓縮在177。光電耦合器于1966年問(wèn)世，把不同的發(fā)光器件和各種光接收器組合起來(lái)，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。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。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(guò)1kV，有的甚至可以達(dá)到10kV以上。●容易和邏輯電路配合。 本設(shè)計(jì)選用的是TLP光電耦合器BJB－34，電路圖如圖23。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(kāi)關(guān)狀態(tài)，則構(gòu)成開(kāi)關(guān)型功率晶體管驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。這里采用H型。四個(gè)功率晶體管的基極驅(qū)動(dòng)電壓分為兩組：。和能否導(dǎo)通，取決于續(xù)流電流。若在一個(gè)周期內(nèi)，加在和的正脈沖寬度（）和加在和的正脈沖寬度（） 相等（即=T/2，T為周期），和的導(dǎo)通時(shí)間與使和飽和導(dǎo)通, 和截的相等，電樞電壓的正負(fù)半波面積相等，其平均電壓為零，電動(dòng)機(jī)靜止不動(dòng)。在設(shè)計(jì)雙極性PWM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)時(shí)要注意解決以下的問(wèn)題：1）防止直通。2）開(kāi)關(guān)脈沖頻率的選擇。但開(kāi)關(guān)頻率太高，會(huì)是晶體管的動(dòng)態(tài)損耗太大，直通現(xiàn)象也難以防止，這限制了開(kāi)關(guān)脈沖頻率的提高。微機(jī)輸出脈寬控制信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)器放大，驅(qū)動(dòng)PWM主電路的功率晶體管開(kāi)關(guān)。替安置信號(hào)可以是三角波或鋸齒波。調(diào)節(jié)電位器RP可改變?nèi)遣ǖ念l率。為了提高檢測(cè)的靈敏度，將測(cè)速發(fā)電機(jī)直接連接在電機(jī)軸上。當(dāng)直流測(cè)速發(fā)電機(jī)有負(fù)載時(shí)，電樞的旋轉(zhuǎn)線圈便會(huì)產(chǎn)生電流，破壞了輸出電壓與轉(zhuǎn)速的線性度，使發(fā)電機(jī)的輸出特性產(chǎn)生誤差。將測(cè)速發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子軸同直流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)子軸連在一起，則測(cè)速發(fā)電機(jī)就成為伺服電動(dòng)機(jī)的速度反饋傳感器。它的結(jié)構(gòu)原理如圖29。 圖29 圓盤(pán)式感應(yīng)同步器結(jié)構(gòu)原理圓盤(pán)感應(yīng)同步器的工作原理與直線感應(yīng)同步器工作原理類似，如圖210。隨著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，感應(yīng)電勢(shì)下降，當(dāng)兩者剛好錯(cuò)開(kāi)四分之一節(jié)距時(shí)，到達(dá)b點(diǎn)，此時(shí)感應(yīng)電勢(shì)為0。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)節(jié)距，感應(yīng)同步器變化一周。傳統(tǒng)的機(jī)床進(jìn)給是采用人工控制, 這樣含有人為因素的控制既費(fèi)人力又缺乏精確性。這個(gè)信號(hào)源發(fā)出的脈沖信號(hào)可以通過(guò)主控門再經(jīng)放大器放大后驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)(進(jìn)給機(jī)械裝置)。直到下一個(gè)信號(hào)脈沖到來(lái)之前，執(zhí)行機(jī)構(gòu)停止動(dòng)作, 同時(shí)預(yù)置電路產(chǎn)生清零信號(hào)使計(jì)數(shù)器回到零狀態(tài), 待下一次進(jìn)刀時(shí)再重新計(jì)數(shù)。適當(dāng)調(diào)節(jié)可變電阻R1 秒的時(shí)鐘脈沖, 詳見(jiàn)圖214。元器件參數(shù)值: 門門門門門11 選用T 035/T 065 二輸入四與非門電路, 門門10 選用T 033/T 063 4 輸入二與非門電路。圖215 控制脈沖形成電路（3）可變進(jìn)制計(jì)數(shù)模塊由于進(jìn)給速度不高, 信號(hào)源脈沖信號(hào)頻率很低, 可變進(jìn)制計(jì)數(shù)器采用速度較低, 帶負(fù)載能力較強(qiáng)的異步計(jì)數(shù)電路。由于滿足預(yù)置數(shù)時(shí)撥碼開(kāi)關(guān)輸出高電平, 經(jīng)門16 倒相后得低電平輸出, 而時(shí)鐘脈沖此時(shí)低電平經(jīng)門15 輸出高電平。如圖216。門18 起隔離整形作用, 同時(shí)可控制翻轉(zhuǎn)。數(shù)控系統(tǒng)的管理系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)CNC系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作的主體，它管理著數(shù)控加工程序從輸入、預(yù)處理，到插補(bǔ)運(yùn)算以及位置控制和輸入、輸出的全過(guò)程，并管理著系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置，刀具參數(shù)設(shè)置，數(shù)控加工程序的編輯，數(shù)據(jù)的輸入、輸出及在各種機(jī)床運(yùn)行方式下操作員的操作處理等各種人機(jī)交互過(guò)程。（1）系統(tǒng)總控程序 系統(tǒng)總控程序是系統(tǒng)軟件的主循環(huán)程序。3）命令分析 它的任務(wù)是把從鍵盤(pán)上接收的命令進(jìn)行分析，引導(dǎo)到執(zhí)行該命令的相應(yīng)處理程序。零件程序緩沖器接收來(lái)自閱讀機(jī)或零件程序儲(chǔ)存器的程序段。 （3）譯碼程序數(shù)據(jù)段送入零件程序儲(chǔ)存器后，由程序?qū)⑤斎氲牧慵绦驍?shù)據(jù)段翻譯成本系統(tǒng)能識(shí)別的語(yǔ)言。常用的編輯功能包括插入、刪除、查找、移動(dòng)等。機(jī)床手動(dòng)調(diào)整動(dòng)作包括：各坐標(biāo)軸地運(yùn)動(dòng)、主軸運(yùn)動(dòng)、刀架的轉(zhuǎn)位、冷卻泵的開(kāi)停等。 （7）伺服控制程序 伺服控制程序是插補(bǔ)程序每次運(yùn)行后的結(jié)構(gòu)，通過(guò)適當(dāng)?shù)倪\(yùn)算后直接輸出控制執(zhí)行元件的程序。 本軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，共分為：系統(tǒng)初始化模塊、工作方式選擇模塊、機(jī)床控制模塊、命令處理模塊、中斷處理模塊等。該模塊程序框圖為圖35。當(dāng)輸入的模擬量分別調(diào)至0V和5V，檢查40H單元內(nèi)容是否分別為0和FFH。顯示電路如圖39，程序框圖如圖310。改造銑床的目的是擴(kuò)大加工范圍、提高加工精度、提高加工效率、提高加工質(zhì)量。對(duì)于大型、重型機(jī)床這點(diǎn)尤其突出。而弊在于數(shù)控改造不是所有機(jī)床都能改造，必須滿足很多條件，而且改造受到機(jī)床原來(lái)機(jī)械結(jié)構(gòu)的限制，不可能進(jìn)行突破性的改造?，F(xiàn)在用可編程序控制器（PLC）改造機(jī)床也是一個(gè)不錯(cuò)的方案。致謝我能在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定的設(shè)計(jì)任務(wù)，除了自身的努力之外，另外是離不開(kāi)老師的指導(dǎo)和同學(xué)的幫助，在此特向我的導(dǎo)師夏老師表示誠(chéng)摯感謝！在我的畢業(yè)設(shè)計(jì)、論文的編寫(xiě)過(guò)程中，一直得到夏老師的悉心幫助和教導(dǎo)，并為我提供了大量的理論資料和實(shí)踐機(jī)會(huì)，不僅為本論文的完成打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，而且為我個(gè)人能力的培養(yǎng)得到了很好的鍛煉。參 考 文 獻(xiàn)【1】 于海生等,微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù),北京：清華大學(xué)出版社，1999【2】 劉 堅(jiān),機(jī)械加工設(shè)備,北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001【3】 戴 曙,金屬切削機(jī)床,北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999【4】 張建民,機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì),北京：高等教育出版社，2001【5】 鐘約先等,機(jī)械系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制,北京：清華大學(xué)出版社，2001【6】 王貴明,數(shù)控實(shí)用技術(shù),北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002【7】 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