【文章內容簡介】 步進電機的開環(huán)控制 。反饋環(huán)節(jié)不包括大部分機械傳動元件 ,調試比閉環(huán)簡單 ,系統(tǒng)的穩(wěn)定性較易保證 ,所以比閉環(huán)容易實現(xiàn) .但是采用半閉環(huán)控制 ,調試比開環(huán)控制的步進電機要困難些 ,設計上也有自身的特點 .在直流和交流伺服電機之間進行比較時 ,交流調試逐漸擴大了其使用范圍 ,似乎有取代直流伺服的趨勢 .但是交流伺服的控制結構復雜 ,技術難度高 ,普及不廣 ,而且價格高 .直流伺服電機原理接近于直流電機 ,控制系統(tǒng)技 術比較成熟 ,普及廣。 用直流伺服電動機的半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的組成如圖 12。數控裝置 NC發(fā)出的位置指令在位置控制器內與位置反饋信號比較，然后轉換成位置誤差的模擬電壓。這個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比較和放大后轉換成速度控制電壓并輸給伺服電動機，使電機得到一定的轉速。直流伺服電動機的基本性能是：轉速決定于輸入電壓，電流決定于負載力矩。因此，輸入直流伺服電動機的，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比較穩(wěn)定的速度模擬電壓。速度反饋的作用在于使轉速穩(wěn)定。位置 控制則用以檢查伺服電動機的轉角是否符合位置指令的要求。 圖 12 半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的組成 圖 13 是直流伺服電動機的半閉環(huán)伺服系統(tǒng)原理。數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。其差值為位置偏差值Δ D。Δ D 經位置控制放大器 2放大后成為速度指令值 v0。 D0、Da、Δ D、 v0 都是數字量。 v0 經數 /模 (D/A)轉換器 3 成為模擬電壓 Uc。位置偏張家界航空工業(yè)職業(yè)技術學院 畢業(yè)設計論文 第 12 頁 共 47 頁 差越大，則要求伺服電動機的轉速越高，這時的 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)測器 4內 比較，其差值為速度偏差電壓 Ua。設置速度反饋的目的是穩(wěn)定電動機的轉速。由于伺服電動機的轉速還受負載的影響，當負載發(fā)生變化（如切深發(fā)生變化）時，電動機轉速將發(fā)生變化。加上速度反饋后轉速可以比較穩(wěn)定。速度偏差電壓 Ua 經速度控制放大器 5放大后，成為速度控制電壓 Um。這個電壓加在伺服電機 6上，使它得到角速度θ m。與伺服電動機相聯(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)出與伺服電動機轉速成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)出與伺服電動機的轉角成正比的實際位置檢測值 Da，與位 置指令值 D0 相比較。 圖 13 半閉環(huán)伺服系統(tǒng)原理 控制部分的設計要能控制三個坐標軸的運動 ,根據加工要求 ,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 ,數控裝置應具有刀具的半徑和長度的補償功能 ,以便數控加工按輪廓編程程序而能適應刀具尺寸的變化。 綜上所述，銑床數控改造方案確定為： 直流伺服半閉環(huán)控制，采用三坐標 軸聯(lián)動數控裝置，整個改造方案如圖 14 張家界航空工業(yè)職業(yè)技術學院 畢業(yè)設計論文 第 13 頁 共 47 頁 111210897564321數控裝置 圖 14 總體改造方案示意圖 4傘齒輪 10直流伺服電機 11— 滾珠絲杠 12滾珠絲杠螺母 、主傳動系統(tǒng)的改造 電氣部分的改造 一般中小型機床的主傳動采用普通交流電機拖動，大型機床多用直流電機拖動。直流電機拖動可以實現(xiàn)無級平滑調整，變速范圍寬，主軸箱體結構簡單，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。 機械部分的數控化改造 主傳動的改造主要是主軸支承 或工作臺導軌的改造。普通機床的主軸支承多為滾動軸承或滑動軸承。為了提高工作臺的承載能力和精度，消除低速爬行現(xiàn)象，可將傳統(tǒng)的動壓導軌改為先進的恒流靜壓導軌。 給傳動系統(tǒng)的改造 改造設計要求 進給伺服系統(tǒng)的改造式這次改造設計的重點，因此它改造后的性能的好壞將直接影響到整個系統(tǒng)性能的好壞。也因此對進給伺服系統(tǒng)提出了改造設計要求： （ 1） 高精度 由于伺服系統(tǒng)控制數控機床的速度和位移輸出，為保證加工質量，要求它有張家界航空工業(yè)職業(yè)技術學院 畢業(yè)設計論文 第 14 頁 共 47 頁 足夠的定位精度和重復定位精度。一般要求定位精度為 ～ ，速度控制要求較高的調 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。 （ 2） 快速響應，無超調 快速響應是伺服系統(tǒng)動態(tài)品質的重要指標，它反映了系統(tǒng)的跟蹤精度。它主要要求伺服系統(tǒng)跟隨指令信號不僅跟隨誤差小，而且響應要快，穩(wěn)定性要好。 （ 3） 調速范圍寬 由于工件材料、刀具以及加工要求不同，要保證數控機床在任何情況下都能達到最佳切削條件，伺服系統(tǒng)就必須有足夠的調速范圍。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，還要伺服系統(tǒng)能輸出較大功率的轉矩。 （ 4） 系統(tǒng)可靠性好 數控機床的使用率很高，常常是 24 小時連續(xù)加工不停機，因而要求 系統(tǒng)穩(wěn)定，其工作可靠。其平均無故障時間越長，系統(tǒng)性能越好。 進給傳動系統(tǒng)的改造方案 （ 1）電氣部分的改造 進給傳動是按數控系統(tǒng)的指令，經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。因此要求進給傳動具有較高的定位精度和垂直定位精度，響應快、調整范圍寬、輸出功率大。一般中小型機床的數控化改造多用微機控制的開環(huán)步進電機驅動，這種方式簡單、經濟、安裝調試方便，但是控制精度和速度較低。大型機床多用直流電機半閉環(huán)控制方式，控制精度和速度比開環(huán)控制方式高，但是價格較高，維修較 困難。 （ 2）機械部分的數控化改造 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，通常是改造導軌副、進給箱和移動元件。 導軌副的改造方法有兩種：一是把滑動導軌改為滾動導軌或靜壓導軌，用以消除傳動間歇、提高定位精度，但工藝復雜，改造費用大，實現(xiàn)起來比較困難。二是在進給移動部件在粘接聚四氟乙烯軟帶，改造為粘塑導軌副。 進給箱的改造主要是減少進給箱內的齒輪對數（往往是取消進給箱或僅是一級減速進給箱），并增有消除或減少間隙的裝置（如雙片齒輪結構）。 在機床進給傳動中，需將旋轉運動變成直線運動。普通機 床采用普通絲杠副實現(xiàn)，其摩擦阻力大，傳動效率低、動摩擦系數相差大、低速容易出現(xiàn)爬行。采用滾珠絲杠副可以滿足數控機床的要求，其精度高、反應快、無爬行。 張家界航空工業(yè)職業(yè)技術學院 畢業(yè)設計論文 第 15 頁 共 47 頁 . 數控系統(tǒng)的硬件與軟件設計 計算機數控系統(tǒng)（ CNC）是 20世紀 70年代發(fā)展起來的機床數控系統(tǒng)，它是用一臺計算機代替原先的硬件數控系統(tǒng)（ NC）所完成的功能。他之所以取代以前的 NC系統(tǒng)和當前設計選用的原因，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。 NC 系統(tǒng)是用硬件邏輯電路來實現(xiàn)對機床的控制功能。這種固定的接線的電路一旦制成后，就難以改 變，而 CNC 系統(tǒng)的數控功能大多由軟件在通用性較強的硬件的支持下來實現(xiàn)的，其功能的修改、擴充和適應性方面都具有較大的靈活性，如果要改變、擴充其功能，只需通過對軟件的修改和擴充便可實現(xiàn)。 （ 2）通用性強。 CNC 系統(tǒng)的軟件和硬件大多是采用模塊化的結構。按模塊化方法組成的 CNC 系統(tǒng)基本配置部分是通用的，不同的數控機床（如車床、銑床、磨床、加工中心等），只要配置相應的功能模塊，就可滿足這些機床的特定控制功能，這對數控機床的培訓和學習以及維護、維修也是十分方便的。 （ 3）數控功能豐富。 CNC 系統(tǒng)利用 計算機的高度計算能力，可實現(xiàn)許多復雜的數控功能，如高次曲線插補、動靜態(tài)圖形顯示、多種補償功能、數字伺服控制功能等。 （ 4）可靠性高。 CNC 裝置的零件程序在加工前一次送入存儲器，并經過檢查后方可被調用，這就避免了在加工過程中由紙帶輸入機的故障產生的停機現(xiàn)象。許多功能由軟件實現(xiàn)，硬件結構大大簡化，采用大規(guī)模和超大規(guī)模通用和專用集成電路，使可靠性進一步提高。 （ 5）易于實現(xiàn)機電一體化。 由于采用計算機，使硬件數量相應減少，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減少。數控系統(tǒng)的 結構非常緊湊，使其與機床結合在一起成為可能，減少占地面積，方便操作。由于通訊功能的增強，容易組成數控加工自動生產線，如 FMC、FMS、 DNC 和 CIMS 等。 （ 6）使用維護方便，操作使用方便。 目前大多數數控機床的操作采用了菜單結構，用戶只需根據菜單的提示，進行正確操作。 （ 7）編程方便。 大多數數控機床具有多種編程的功能，并且都具有程序自動校驗和模擬仿真功能。 （ 8）維護維修方便。 數控機床的許多日常維護工作都由數控裝置承擔；而且，數控機床的自診斷功能，可迅速使故障定位，方便維修人員 。 正是由于以上的優(yōu)點和本著經濟、成本低的原則，設計經濟型 CNC 數控系統(tǒng)是本設計的主要方案。 張家界航空工業(yè)職業(yè)技術學院 畢業(yè)設計論文 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計。設計總圖如圖 15。 圖 15 數控改造設計總圖 系統(tǒng)主要由 89C51 單片機、速度檢測元件、直流伺服電機，及相應的接口電路組成。總體數控系統(tǒng)電路原理框圖如圖 16 . 張家界航空工業(yè)職業(yè)技術學院 畢業(yè)設計論文 第 17 頁 共 47 頁 圖 16 數控系統(tǒng)電路原理框圖 軟件的設計包括系統(tǒng)軟件和應用 軟件的設計。系統(tǒng)軟件其作用主要是檢測系統(tǒng)狀態(tài)并提供基本操作管理，其中包括 I/O 接口初始化，單片機定時器 /計數器初始化，鍵盤數據區(qū)、顯示緩沖區(qū)初始化，各種軟件標志初始化，中斷處理等，系統(tǒng)軟件部分采用模塊化設計。應用軟件則根據用戶編制的加工程序（如），控制機床的運行。 X6132 的工作臺裝有進給伺服系統(tǒng)，床身左側的電氣箱內裝有主控器和強電系統(tǒng)。數控系統(tǒng)顯示器及按鍵，在右側便于觀察、調試和操作。數控系統(tǒng)為 CNC半閉環(huán)控制，伺服電機驅動，可實現(xiàn)直線插補和圓弧插補。顯示器可采用陰極發(fā)光二極 管（ LED），用以顯示輸入的程序，機床的實際位置和已存儲的各種信息。手動操作時，顯示器可作為數字讀出裝置使用。 2. 控制系統(tǒng)的硬件設計 系統(tǒng)的硬件設計應以實現(xiàn)數控的各種功能為標準，以經濟性為基本原則。 單片機的選擇 CPU 的比較和選用 在選擇 CPU 時應考慮的因素是 : (1) 時鐘頻率和字長 (即控制數據處理的速度 ) 。 (2) 可擴展存儲器 (指 ROM/ RAM) 的容量 。 (3) 指令系統(tǒng)的功能是否強 (即編程的靈活性 ) 。 (4) I/ O 口擴展能力 (即對外設控制的能力 ) 。 (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 ,還應根據系統(tǒng)應用場合、控制對象及對各種參數要求選擇 CPU。 在大多數相關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 芯片內部具有 128 個字節(jié)的數據存儲 RAM。內部編址為 00H～ 7FH,用作工作寄存器、堆棧、軟件標志和數據緩沖器 ,CPU 對內部 RAM 有豐富的操作指令。但應用片內的 RAM 往往不夠 ,現(xiàn)外接6264 芯片來擴展 8031 的 RAM 存儲器。 8031 的輸入、輸出 ( I/ O) 線不多 , 所以張家界航空工業(yè)職業(yè)技術學院 畢業(yè)設計論文 第 18 頁 共 47 頁 外接 8155 芯片以擴展 I/ O口。 8031 是一個無 ROM 的 8051 , 必須外接 E2PROM 或 ROM 作為程序存儲器 , 所以必須外接一片 2764 。 8031 為 40 引腳的雙列直插式器件 , 有 4 個雙向 8 位 I/ O 口 ( P0～ P3)