【導讀】數控機床是裝備制造業(yè)的工作母機，是實現制造技術和裝備現代化的基石，是保證高新技術產業(yè)發(fā)展和國防軍工現代化的戰(zhàn)略裝備。在全球倡導綠色制造的。大環(huán)境下，機床數控化改造成為了熱點。本設計是對XA5032普通立式銑床進行數控化改造。統(tǒng)進行數控改造，并增加了CNC裝置和伺服系統(tǒng)。對主傳動系統(tǒng)，我選用FANUC. 絲杠，以提高精度和效率，并由原先的手動控制，改造成由電動機控制。頻器實現主軸傳動和進給機構的無級變速。通過單片機的設計，構成控制系統(tǒng)。

　　

【正文】 的選擇 直流主軸伺服電機與交流主軸伺服電機的特性曲線類似。 在基本速度以下為恒轉矩區(qū)域，而在基本速度以上為恒功率區(qū)域。 但有些電機，當電機速度超過某一定值之后，其功率 速度曲線又往下傾斜，不能保持恒功率。對于一般主軸電機，這個恒功率的速度范圍只 有 1： 3 的速比。 XA5032 型普通銑床，主軸系統(tǒng)是由 ，轉速為 1440r/min 電動機驅動，根據傳動要求，選擇 FANUC α 8 DC 主軸電動機，連續(xù)額定輸出 ，基本轉速 1500r/min，最高速度 5000r/min，輸出轉矩（在恒轉矩范圍內連續(xù)額定輸出轉矩） ? ，滿足驅動要求。 直流私服電機為直流供電，為調節(jié)電動機的轉速與方向，需要對其直流電壓的大小和方向進行控制。目前常用晶體管脈寬調制驅動和晶閘管直流調速驅動兩種方式。 脈寬調制 （ PWM）直流調速驅動系統(tǒng)原理，當輸入一個直流控制電壓 U時就可以得到一定寬度與 U 成比例的脈沖方波給伺服電機電樞回路供電，通過改變脈沖寬度來改變電樞回路的平均電壓，從而得到不同大小的電壓值，使直流電機平滑調速。為使電動機實現雙向調速，多采用下列圖所示橋式電路，其工作原理與線性放大橋式電路相似。電橋由四個大功率晶體管 VT1 至 VT4 組成。如果 VT1 和 VT3 的基極上加以正脈沖的同時，在 VT2 和 VT4 的基極上加以負脈沖，這時 VT1 和 VT3 導通， VT2 和 VT4 截止，電流沿 +80V 至 C 至 VT1 至 D至 M 至 B 至 VT3 至 A 至 0V 的道路流通，設此時的電動機的轉向為正向。反之，如果在晶體管 VT1 和 VT3 的基極上加以負脈沖的同時，在 VT2 和 VT4 的基極上加以正脈沖，這時 VT2 和 VT4 導通， VT1 和 VT3 截止，電流沿 +80V 至 C 至VT2 至 B 至 M 至 D 至 VT4 至 A 至 0V的道路流通，電流的方向與前一種相反，電動機反向旋轉。顯然，如果改變加到 VT1 和 VT3， VT2 和 VT4 這兩組管子基極上控制脈沖的正負和導通率，就可以改變電動機的轉向和轉速。 第三章 銑床的電氣改造部分 計算機數控裝置 EIA（美國電子工業(yè)協會）所屬的數控標準化 委員會的定義：“ CNC 是用一個存儲程序的計算機，按照存儲在計算機內的讀寫存儲器中的控制程序去執(zhí)行數控裝置的部分或全部功能，在計算機之外的唯一裝置是接口”。 ISO（國際標準化組織）的定義：“數控系統(tǒng)是一種控制系統(tǒng)，它自動閱讀輸入載體上事先給定的數字，并將其譯碼，從而使機床移動和加工零件”。 數控系統(tǒng)分輪廓控制和點位控制系統(tǒng)。 數控系統(tǒng)的核心是完成數字信息運算、處理和控制的計算機，即數字控制裝置。 數控裝置有兩種類型： 一是完全由硬件邏輯電路構成的專用硬件數控裝置，即 NC 裝置， NC 裝置是數控技術發(fā)展早期普遍采 用的數控裝置； 二是由計算機硬件和軟件組成的計算機數控裝置，即 CNC 裝置，它是由硬件和軟件共同完成或是在硬件的支持下由軟件單獨實現全部數控功能。 CNC 裝置具有良好的柔性，它在軟件的作用下，可以實現各種 NC 裝置所不能完成的功能，如圖形顯示、系統(tǒng)診斷、各種復雜的軌跡控制、通信及網絡功能等。 從自動控制的角度來看， CNC 系統(tǒng)是一種位置（軌跡）、速度（還包括電流）控制系統(tǒng)，其本質上是以多執(zhí)行部件 (各運動軸 )的位移量、速度為控制對象并使其協調運動的自動控制系統(tǒng)，是一種配有專用操作系統(tǒng)的計算機控制系統(tǒng)。 硬件是基礎， 軟件是靈魂。 現在 NC 裝置已基本上被 CNC 裝置所取代。 1． CNC 裝置的組成和工作原理 該平臺有以下兩方面的含義： 提供 CNC 系統(tǒng)基本配置的必備功能； 在平臺上可以根據用戶的要求進行功能設計和開發(fā)。 工作原理：通過各種輸入方式，接受機床加工零件的各種數據信息，經過CNC 裝置譯碼，再進行計算機的處理、運算，然后將各個坐標軸的分量送到各控制軸的驅動電路，經過轉換、放大去驅動伺服電動機，帶動各軸運動。并進行 實時位置反饋控制，使各個坐標軸能精確地走到所要求的位置。 簡要工作過程： 工作過程就是指在硬件的支持下， 軟件完成控制功能的過程。 包括： （ 1）加工程序的輸入 輸入 CNC 裝置的有零件程序、控制參數和補償量等數據。輸入的形式有光電閱讀機輸入、鍵盤輸入、磁盤輸入、連接上級計算機的 DNC 接口輸入、網絡輸入。從 CNC 裝置工作方式看，有存儲工作方式輸入和手工直接輸入（ MDI）工作方式。 CNC 在輸入過程中通常還要完成無效碼刪除、代碼校驗和代碼轉換等工作。這就是書上所概括的“通過輸入接口將加工程序讀入系統(tǒng)，并在同時進行代碼的整理、校驗和轉換”。 （ 2）譯碼 不論系統(tǒng)工作在 MDI 方式還是存儲器方式，都是將零件程序以一個程序 段為單位進行處理，把其中的各種零件輪廓信息（如起點、終點、直線或圓弧等）、加工速度信息（ F 代碼）和其他輔助信息（ M、 S、 T 代碼等）按照一定的語法規(guī)則解釋成計算機能夠識別的數據形式，并以一定的數據格式存放在指定的內存專用單元。在譯碼過程中，還要完成對程序段的語法檢查，若發(fā)現語法錯誤便立即報警。 （ 3）刀具補償 刀具補償包括刀具長度補償和刀具半徑補償。通常 CNC 的零件程序是以零件的輪廓軌跡來編程的，刀具補償的作用就是把零件輪廓軌跡轉換成刀具中心軌跡。目前在比較好的 CNC 中，刀具補償的工作還包括程序段之間的自動 轉接和過切削判別，這就是所謂的 C 刀具補償。我們的教材上是怎么樣概括的呢？“利用一定的數學算法將零件輪廓軌跡換成刀具中心軌跡”。 （ 4）對進給速度進行處理 編程所給的刀具移動速度，是在各坐標的合成方向上的速度。所謂的速度處理，首先要做的工作就是按編程所給的合成進給速度計算出各坐標軸方向運動的分速度。另外還要對機床允許的最低速度和最高速度的限制進行判別并處理。在有些 CNC 裝置中，軟件自動加減速也是在這里處理的。 （ 5）插補 所謂的插補就是根據加工程序中給出的零件基本幾何形狀和相關的設計工藝方面的信息，在已 知的這些特征點之間插入一些中間點的過程。我們知道，一條曲線是由無數個點組成的，插補的任務呢就是在一條給定起點和終點的曲線上按要求密化構成這條曲線的數據點，即所謂的進行“數據點的密化”。 （ 6）位置處理 位置控制處在伺服回路的位置環(huán)上，這部分的工作可以由軟件實現，也可以由硬件完成。它的主要任務就是在每個采樣周期內，將插補計算的理論位置與實際反饋位置相比較，用其差值去控制伺服電動機。在位置控制中，通常還要完成位置回路的增益調整、各坐標軸方向的螺距誤差補償和反向間隙補償，以提高機床的定位精度。 （ 7）Ｉ /Ｏ處 理 Ｉ /Ｏ處理主要是處理 CNC 裝置面板開關信號，機床電氣信號的輸入、輸出和控制（如換刀、換擋、冷卻等），也就是書上所說的“強電信號的輸入輸出和控制”。 單片機的設計 單片機的介紹 MCS51系列單片機的所有產品都含有 8051 除程序存貯器外的基本硬件，都是在 8051 的基本上改變部分資源（程序存貯器、數據存貯器、 I/O 口、定時 /計數器及一些其他特殊部件）。在控制系統(tǒng)設計中，我們采用的是 8031， 8031 可尋址 64KB 字節(jié)程序存貯器和 64KB 字節(jié)數據存貯器。內部沒有程序存貯器，必須外接 EPROM 程序存貯器。 8031 采用 40條引腳的雙列直插式封裝（ DIP），引腳和功能分為三部分。 8031 內部不帶 ROM，需外接 ERPOM 作為外部程序存儲器。又因為 8031 在外接程序存儲器或數據存儲器時地址的低 8 位信息及數據信息分時送出，故還需要采用一片 74LS373來鎖存低 8位地址信息。這樣，一片， EPROM2764及一片 74LS373組成了一個最小的計算機系統(tǒng)。 MCS51 的程序存儲器空間與數據存儲器空間是相互獨立的。用戶 可最多擴展到 64K 字節(jié)的程序存儲器及 64K 字節(jié)的數據存儲器，編址均為 0000HFFFFH。片內 8K 字節(jié)單元地址要求地址線 13 根 0 12()AA? 。它由 0P 和 。地址鎖存器的鎖存信號為 ALE，程序存儲器的取指令信號為 PSEN 。 8031 芯片本身的連接除 (31)EA 必須接地來表明選擇外部存儲器 處，還必須有復位及時鐘電路。在此系統(tǒng)中有 1P 、 3P 口可作為 /0I 口使用。 74LS373 為地址鎖存器，其結構如上圖所示。當 8031 在訪問外部程序存儲器時， 2P 口輸出高 8 位場地址， 0P 口分時傳送低 8 位地址和指令字節(jié)。在 ALE 為高電平時， 0P 口輸出的地址有效，并由 ALE 的下降沿鎖存到地址鎖存器中，此時外部程序存儲器選通信號線 PSEN 出現低電平，選通相應的外部 EPROM 存儲器：相應的指令字節(jié)出現在 EPROM 的數據線 0 12()AA? 上，輸入到 0P 口， CPU 將指令字節(jié)讀入指令寄存器。 系統(tǒng)的擴展 在以 8031 單片機為核心的控制系統(tǒng)中必須擴展程序存貯器，用以存放控制程序。同時，單片機內部的存貯器容量較小 ，不能滿足實際需要，還要擴展數據存貯器。 （ 1） 程序存貯器的擴展 根據程序存貯器擴展的原理，以 EPROM2764A 和鎖存器 74LS373 為例對 8031單片機進行程序存貯器的擴展。因為 2764A 是 8KB 容量的 EPROM，故用到了 13根地址線， A0A12。如果只擴展一片程序存貯器 EPROM，故可將片選端 CE 直接接地。下圖為擴展兩片 EPROM 的連接方法。同時， 8031 運行所需的程序指令來自 2764A，要把其 EA端接地，否則， 8031 將不會運行。 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN u m be r R e v i s i o nS i z eBD a t e : 1 J un 2 0 0 4 S he e t o f F i l e : G : \ 王丹的畢業(yè)設計 \ pr ot e l \ 芯片擴展 . dd b D r a w n B y:E A / V P31X119X218R E S E T9RD17WR16I N T 012I N T 113T014T115P 101P 112P 123P 134P 145P 156P 167P 178P 0039P 0138P 0237P 0336P 0435P 0534P 0633P 0732P 2021P 2122P 2223P 2324P 2425P 2526P 2627P 2728P S E N29A L E / P30T X D11R X D108 03 1 A HD03Q02D14Q15D27Q26D38Q39D413Q412D514Q515D617Q616D718Q719OE1LE117 4L S 3 73A010A19A28A37A46A55A64A73A825A924A 1 021A 1 123A 1 22CE20OE22P G M27V P P1D011D112D213D315D416D517D618D7192 76 4 ⑴8031 擴展 2764 的連接圖A010A19A28A37A46A55A64A73A825A924A 1 021A 1 123A 1 22CE20OE22P G M27V P P1D011D112D213D315D416D517D618D7192 76 4 ⑵V C C V C C (2)數據存貯器的擴展 8031 單片機內部有 128 個字節(jié) RAM 存貯 器。 CPU 對內部的 RAM 具有豐富的的 操作指令。但在用于數據采集和處理時，僅靠片內提供的 128 個字節(jié)的數據存貯器是遠遠不夠的。在這種情況下，可利用 MCS51 的擴展功能，擴展外部數據存貯器。 數據存貯器只使用 WR、 RD控制線而不用 PSEN。正因為如此，數據存貯器與程序存貯器可完全重疊，均為 0000HFFFFH，但數據存貯器與 I/O 口與外圍設備是統(tǒng)一遍址的，即任何擴展的 I/O 口以及外圍設備均占用數據存貯器地址。 8031的 P0 口為 RAM 的復用地址 /數據線， P2 口用于對 RAM 進行頁面尋址（根據其容量不同，所占的 P2端口不同，在對外部 RAM讀 /寫期間，