【正文】 機(jī)床只要更換一個程序，就可實現(xiàn)另一工件加工的自動化，從而使單件和小批生產(chǎn)得以自動化，故被稱為實現(xiàn)了“柔性 自動化”；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”；可實現(xiàn)多工序的集中，減少零件 在機(jī)床間的頻繁搬運；擁有自動報警、監(jiān)控、補(bǔ)償?shù)榷喾N自律功能，因而可實現(xiàn)長時間無人看張家界航空工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計論文 第 8 頁 共 47 頁 管加工。而我們在信息技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)方面比發(fā)達(dá)國家約落后 20 年。 在競爭前數(shù)控技術(shù)方面，強(qiáng)調(diào)創(chuàng)新，強(qiáng)調(diào)研究開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)和產(chǎn)品，為我國數(shù)控產(chǎn)業(yè)、裝備制造業(yè)乃至整個制造業(yè)的可持續(xù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床，一般可提高工效 3— 7 倍。⑥減輕工人的勞動強(qiáng)度。外觀如圖 11。 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，造價也高。直流伺服電動機(jī)的基本性能是：轉(zhuǎn)速決定于輸入電壓，電流決定于負(fù)載力矩。Δ D 經(jīng)位置控制放大器 2放大后成為速度指令值 v0。加上速度反饋后轉(zhuǎn)速可以比較穩(wěn)定。直流電機(jī)拖動可以實現(xiàn)無級平滑調(diào)整，變速范圍寬，主軸箱體結(jié)構(gòu)簡單，振動和噪音較小，加工工件精度較高，不需要改造；如果自動化程度要求較高，經(jīng)常要求變速并且變速特征較好的場合，可用交流異步電動機(jī)的變頻系統(tǒng)，增加一個變頻器，實現(xiàn)主軸的自動無級變速。它主要要求伺服系統(tǒng)跟隨指令信號不僅跟隨誤差小，而且響應(yīng)要快，穩(wěn)定性要好。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，這種方式簡單、經(jīng)濟(jì)、安裝調(diào)試方便，但是控制精度和速度較低。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。 （ 3）數(shù)控功能豐富。由于通訊功能的增強(qiáng)，容易組成數(shù)控加工自動生產(chǎn)線，如 FMC、FMS、 DNC 和 CIMS 等。 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 16 頁 共 47 頁 改造方案總體可以從硬件、軟件兩部分來著手設(shè)計。數(shù)控系統(tǒng)為 CNC半閉環(huán)控制，伺服電機(jī)驅(qū)動，可實現(xiàn)直線插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ)。 (5) 開發(fā)手段 (包括支持開發(fā)的軟件和硬件電路 ) 。 8031 為 40 引腳的雙列直插式器件 , 有 4 個雙向 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。 8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 *低功耗的閑置和掉電模式 *片內(nèi)震蕩器和時鐘電路 經(jīng)過兩者比較，本設(shè)計決定選用 89C51單片機(jī)。插補(bǔ) CPU接收中央 CPU送張家界航空工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計論文 第 19 頁 共 47 頁 來的程序段信息和其他命令，并返回插補(bǔ)完成情況及出錯信號。 2片 2764占低地址區(qū)。 I/O的地址分配， I/O片不多，為簡化線路減少芯片數(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個芯片，其中 CTC和 8255每個口有 2個地址，而 DAC0830有 8個地址。 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)動器。 越界報警和急停電路 此控制系統(tǒng)中設(shè)有越界報警和急停電路。 Y、177。 5V以內(nèi)。從而實現(xiàn)了以“光”為媒介的電信號傳輸，而器件的輸入和輸出兩端在電氣上是絕緣的。 ●響應(yīng)速度快。在開關(guān)驅(qū)動系統(tǒng)中，目前廣泛采用的是脈沖寬度調(diào)制式（ PWM）驅(qū)動系統(tǒng)，這也是目前數(shù)控機(jī)床上廣泛采用的。各晶體管的驅(qū)動電壓波形圖如圖 25： 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 24 頁 共 47 頁 VD 1VDT ATT 圖 24： H型 PWM 驅(qū)動系統(tǒng)主電路原理圖 圖 25：雙級性 PWM 驅(qū)動電壓波形和 電樞電流波形 在 為負(fù)，為正，時， 324110 bbbb UUUUtt ???? 使 1T 和 4T 飽和導(dǎo)通 , 2T 和3T 截止，加在電樞端電壓， A 點為正， B 點為負(fù)，即 SAB UU ?? （忽略 1T 和 4T 的飽 和 壓 降 ） ， 電 樞 電 流 ai 沿回路 1 流通。當(dāng) 11 tTt ?? 時，電樞平均電壓大于零，電機(jī)正轉(zhuǎn)，平均值越大，轉(zhuǎn)速越高。晶體管開關(guān)脈沖頻率的選擇要從以下兩方面綜合考慮： ① 頻率響應(yīng)。 圖 26 微機(jī) PWM 驅(qū)動系統(tǒng)的原理 開關(guān)頻率及脈沖寬度都可采用軟件來調(diào)節(jié)。用三角波信號對給定信號 Ui 進(jìn)行調(diào)制，在比較器 CP 的輸出端便得到寬度和 UI 成正比，頻率等于三角波頻率的脈寬信號。 當(dāng)直流測速發(fā)電機(jī)有負(fù)載時，電樞的旋轉(zhuǎn)線圈便會產(chǎn)生電流，破壞了輸出電張家界航空工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計論文 第 27 頁 共 47 頁 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。它的結(jié)構(gòu)原理如圖 29。隨著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，感應(yīng)電勢下降，當(dāng)兩者剛好錯開四分之一節(jié)距時，到達(dá) b 點，此時感應(yīng)電勢為 0。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人力又缺乏精確性。直到下一個信號脈沖到來之前，執(zhí)行機(jī)構(gòu)停止動作 , 同時預(yù)置電路產(chǎn)生清零信號使計數(shù)器回到零狀態(tài) , 待下一次進(jìn)刀時再重新計數(shù)。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 。由于滿足預(yù)置數(shù)時撥碼開關(guān)輸出高電平 , 經(jīng)門 16 倒相后得低電平輸出 , 而時鐘脈沖此時低電平經(jīng)門 15 輸出高電平。門 18 起隔離整形作用 , 同時可控制翻轉(zhuǎn)。 數(shù)控系統(tǒng)軟件功能的實現(xiàn) 數(shù)控系統(tǒng)的各功能分別由不同的軟件來實現(xiàn)。主控門由二級與非門構(gòu)成 , 門 17用于控制信號源輸出。計數(shù)輸出等于預(yù)置數(shù)時 , 便自動向控制脈沖形張家界航空工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計論文 第 31 頁 共 47 頁 成電路發(fā)出停止信號 , 并將計數(shù) 圖 216 可變進(jìn)制計數(shù)電路 器置 0。當(dāng)傳感器發(fā)出信號時 , 單穩(wěn)電路產(chǎn)生的脈沖信號加到 RS 觸發(fā)器的復(fù)位端 , 并經(jīng)整形門輸出高電平 , 開啟主控門 , 使信號源產(chǎn)生的時鐘脈沖通過主控門。脈沖信號同時還送到計數(shù)器進(jìn)行計數(shù)。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。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。其中，直線式用來測量直線位移，圓盤式用來測量角位移。ω 式中 Ki ——— 測速發(fā)電機(jī)的增益， V178。 N1 和 N2 構(gòu)成三角波發(fā)生器，輸出三角波調(diào)制信號 U1。 在微機(jī)控制 PWM 驅(qū)動系統(tǒng)中，脈沖寬度控制信號可由計算機(jī)通過軟件產(chǎn)生，所以硬件電路簡單，控制靈活，微機(jī) PWM 驅(qū)動系統(tǒng)的原理框圖見圖 26。在 CNC 中采用硬件邏輯延時或軟件延時。電機(jī)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。這里采用雙級式 PWM 的驅(qū)動。這里，采用功率晶體管驅(qū)動系統(tǒng)。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。當(dāng)在輸入端加電信號時，發(fā)光器件發(fā)光。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(jī)由于系統(tǒng)的震蕩而產(chǎn)生的高頻噪聲。當(dāng)177。為實現(xiàn)插補(bǔ)時不同的進(jìn)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)。 用一片 8255來控制 LED與鍵盤輸入。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。 在地址分配上。插補(bǔ) CPU主要進(jìn)行插補(bǔ)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。在實際應(yīng)用方面比較繁瑣，已被市場淘汰。 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(kuò)展 I/ O口。 (3) 指令系統(tǒng)的功能是否強(qiáng) (即編程的靈活性 ) 。 X6132 的工作臺裝有進(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 。 由于采用計算機(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，同時控制柜的尺寸也相應(yīng)減少。 CNC 系統(tǒng)的軟件和硬件大多是采用模塊化的結(jié)構(gòu)。 在機(jī)床進(jìn)給傳動中，需將旋轉(zhuǎn)運動變成直線運動。 進(jìn)給傳動系統(tǒng)的改造方案 （ 1）電氣部分的改造 進(jìn)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。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(qiáng)的抗負(fù)載抗干擾能力，以保證動靜態(tài)精度都較高。 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(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。設(shè)置速度反饋的目的是穩(wěn)定電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。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。這個電壓是速度指令電壓。另一方面由于步進(jìn)電機(jī)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(jìn)給速度范圍內(nèi)，著對加工極為不利，造成工件超差?？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。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)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?。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(jī)床的數(shù)控改造。 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(jì)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。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。 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)所包含的計算機(jī)的威力。一般認(rèn)為， 1臺 5軸聯(lián)動機(jī)床的效率可以等于 2臺 3軸聯(lián)動機(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， 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. 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(kuò)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。 (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)。 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)控檢測技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、自動控制等多種學(xué)科的集成，是一門新興技術(shù)。該系統(tǒng)可實現(xiàn)直線插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ)，數(shù)控加工按輪廓編程，能自動適應(yīng)刀具尺寸的變化。改造后的機(jī)床能利用微型計算機(jī)來控制直流伺服電機(jī)，驅(qū)動工作臺進(jìn)行 X、 Y、 Z 三個方向的進(jìn)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(jī)來反饋伺服