【導(dǎo)讀】數(shù)控銑床，不僅適合加工橢圓弧面和凸輪曲面，而且大大地減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。改造的半閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。改造后的機(jī)床能利用微型計(jì)算機(jī)來控制直流伺服電。位移量，具有機(jī)床自動(dòng)進(jìn)給的功能。該系統(tǒng)可實(shí)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(dòng)適應(yīng)刀具尺寸的變化。

　　

【正文】 院 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 第 25 頁 共 47 頁 時(shí)， 2T 和 3T 沒等導(dǎo)通，下 一個(gè)周期即到來，又使 1T 和 4T 導(dǎo)通，電流 ai 又開始上升，使電流維持在一個(gè)正值附近波。當(dāng)電樞電流 ai 較小時(shí)，在 Tt?1 時(shí)間內(nèi)，續(xù)流電流可能降到零，于是 2T 和 3T 在電源電壓和反電動(dòng)勢(shì)的共同作用下導(dǎo)通， ai 沿回路 3流通，方向反向，電動(dòng)機(jī)處于反接制動(dòng)狀態(tài)，直到下一周期， 1T 和 4T 導(dǎo)通，ai 才開始回升，如圖所示。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。若在一個(gè)周期內(nèi)，加在 1T 和 4T 的正脈沖寬度（ 1t ）和加在 2T 和3T 的正脈沖寬度（ 1tT? ） 相等（即 1t =T/2， T 為周期）， 1T 和 4T 的導(dǎo)通時(shí)間與使 1T 和 4T 飽和導(dǎo)通 , 2T 和 3T 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)。當(dāng) 11 tTt ?? 時(shí)，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。當(dāng) 11 tTt ?? 時(shí)，電樞平均電壓小于零，電機(jī)反轉(zhuǎn)。 由上述過程可知，雙極性 PWM 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，電機(jī)的靜止是動(dòng)態(tài)靜止，有利于消除正反轉(zhuǎn)死區(qū)。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題： 1）防止直通。由于功率晶體管為非理想開關(guān)器件，在兩組晶體管交替開關(guān)過程中可能出現(xiàn) 1T 和 2T 或 3T 和 4T 同時(shí)導(dǎo)通現(xiàn)象，即直通現(xiàn)象，造成電源短路。為防止直通現(xiàn)象，應(yīng)在驅(qū)動(dòng)電路上附加延時(shí)環(huán)節(jié)，使兩組晶體管的開關(guān)脈沖錯(cuò)開一段時(shí)間。在 CNC 中采用硬件邏輯延時(shí)或軟件延時(shí)。 2）開關(guān)脈沖頻率的選擇。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)。開關(guān)脈頻率高，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，頻帶寬。調(diào)整范圍寬，另外，高的開關(guān)頻率也會(huì)降低電機(jī) 的損耗。但開關(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，這限制了開關(guān)脈沖頻率的提高。 ② 防止諧振。開關(guān)脈沖頻率的選擇要避開系統(tǒng)各部分的諧振區(qū)，通常選擇高于諧振頻率。 在微機(jī)控制 PWM 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，脈沖寬度控制信號(hào)可由計(jì)算機(jī)通過軟件產(chǎn)生，所以硬件電路簡(jiǎn)單，控制靈活，微機(jī) PWM 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的原理框圖見圖 26。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張家界航空工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 第 26 頁 共 47 頁 主電路的功率晶體管開關(guān)。 圖 26 微機(jī) PWM 驅(qū)動(dòng)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)。計(jì)算機(jī) 同時(shí)采樣速度和位置反饋信號(hào)，并利用軟件對(duì)速度和位置進(jìn)行調(diào)節(jié)。 PWM 的控制脈沖也可以由脈寬調(diào)制器產(chǎn)生，這時(shí)微機(jī)需要通過 D/A 轉(zhuǎn)換器脈寬調(diào)制器輸入脈寬控制信號(hào)。替安置信號(hào)可以是三角波或鋸齒波。圖 27是三角波脈寬調(diào)制電路。 N1 為比例放大器， N2 為積分放大器。 N1 和 N2 構(gòu)成三角波發(fā)生器，輸出三角波調(diào)制信號(hào) U1。調(diào)節(jié)電位器 RP 可改變?nèi)遣ǖ念l率。用三角波信號(hào)對(duì)給定信號(hào) 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(hào)。 UI 可由微機(jī)經(jīng) D/A 轉(zhuǎn)化器給定。 圖 27 三角 波脈寬調(diào)制電路 檢測(cè)裝置 測(cè)速發(fā)電機(jī) 測(cè)速發(fā)電機(jī)（ TG）有直流和交流兩種，在此伺服系統(tǒng)中采用的是直流測(cè)速發(fā)電機(jī)。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。圖 28為直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的工作原理。當(dāng)位于磁場(chǎng)中的線圈旋轉(zhuǎn)時(shí)，在線圈的兩端將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) E，根據(jù)法拉第定律可以得出： 圖 28 測(cè)速發(fā)電機(jī) E= Ki 179。ω 式中 Ki ——— 測(cè)速發(fā)電機(jī)的增益， V178。 s ω ——— 電樞的角速度， rad/s。 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，破壞了輸出電張家界航空工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)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。因此，為保證直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的測(cè)速精度，應(yīng)盡可能使測(cè)速發(fā)電機(jī)在低負(fù)載下工作，即工作在轉(zhuǎn)速變化范圍小而負(fù)載電阻較大的場(chǎng)合。 測(cè)速發(fā)電機(jī)有線性好、靈敏度高和輸出信號(hào)強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，故廣泛用于工業(yè)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。檢測(cè)范圍 20～ 400r/min，精度 ％～ ％。 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。 感應(yīng)同步器 感應(yīng)同步器是應(yīng)用電磁感應(yīng)原理來測(cè)量直線位移或角位移的傳感器。其中，直線式用來測(cè)量直線位移，圓盤式用來測(cè)量角位移。本設(shè)計(jì)采用的是圓盤式，其結(jié)構(gòu)相當(dāng)于一個(gè)多級(jí)旋轉(zhuǎn)變壓器。它的結(jié)構(gòu)原理如圖 29。它由定子和轉(zhuǎn)子組成，轉(zhuǎn)子上印刷有一個(gè)感應(yīng)繞組，定子上印刷有正弦和余弦兩個(gè)繞組且兩個(gè)繞組錯(cuò)開四分之一個(gè)節(jié)距。感應(yīng)同步器的絕對(duì)精度可達(dá) 1” ，重復(fù)精度可達(dá) ” 。本改造方案中將其安裝在絲杠上來測(cè)量角位移量。 圖 29 圓盤 式感應(yīng)同步器結(jié)構(gòu)原理 圓盤感應(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。當(dāng)定子六個(gè)繞組中任一繞組通以一定頻率的交流電壓時(shí)，就在感應(yīng)器內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)以同步速度移動(dòng)并切割定子上的繞組。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(shì)，其大小取決于定子和轉(zhuǎn)子的空間相位角。在 a 點(diǎn)，定、轉(zhuǎn)子繞組對(duì)準(zhǔn)（重張家界航空工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 第 28 頁 共 47 頁 合），感應(yīng)電勢(shì)最大。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)子繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，移動(dòng)到二分之一節(jié)距時(shí)的 c 位置，感應(yīng)電勢(shì)與 a位置重合，極性相反。當(dāng)?shù)?達(dá)四分之三節(jié)距的 d點(diǎn)，又回到 0。到達(dá) e 點(diǎn)，剛好移動(dòng)一個(gè)節(jié)距，情況與 a 相同。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)節(jié)距，感應(yīng)同步器變化一周。 圖 210 圓盤感應(yīng)同步器的工作原理 根據(jù)對(duì)轉(zhuǎn)子繞組供電方式的不同以及對(duì)輸出電壓的檢測(cè)方式不同，感應(yīng)同步器分鑒相測(cè)量和鑒幅測(cè)量。其中鑒相測(cè)量只要測(cè)出定子上的感應(yīng)電壓，就可以得到空間相位角θ；鑒幅測(cè)量則要已知電氣角α 1,只要測(cè)出 U0的幅值 KUmsin（α1α 2） ,便可間接地求出α 2。 實(shí)現(xiàn)機(jī)床自動(dòng)進(jìn)給的數(shù)控裝置 機(jī) 床的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是機(jī)床工作中最為基本的運(yùn)動(dòng) , 它直接控制零件輪廓的形成。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。機(jī)床自動(dòng)進(jìn)給電路的設(shè)計(jì)能夠以自動(dòng)控制取代人工控制 , 使機(jī)床的刀具及時(shí)接預(yù)先確定的進(jìn)給量自動(dòng)地工作 , 而且進(jìn)給量可以隨時(shí)根據(jù)加工要求改變。 自動(dòng)進(jìn)給數(shù)控裝置框圖 采用自動(dòng)進(jìn)給數(shù)控裝置 , 通過安裝在機(jī)床適當(dāng)位置上 (導(dǎo)軌的兩端 ) 的傳感器發(fā)出的信號(hào)控制進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。當(dāng)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)到機(jī)床一端時(shí) , 安裝在工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)軌跡兩側(cè)的傳感器便發(fā)出一個(gè)電信號(hào) , 此信號(hào)通過“控制脈沖 形成電路”產(chǎn)生高電平輸出 , 使“主控門”打開。這個(gè)信號(hào)源發(fā)出的脈沖信號(hào)可以通過主控門再經(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 )。執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)脈沖數(shù)目的多少?zèng)Q定進(jìn)給量。脈沖信號(hào)同時(shí)還送到計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)。這個(gè)計(jì)數(shù)器是可預(yù)置數(shù)的“可變進(jìn)制計(jì)數(shù)器” , 當(dāng)計(jì)數(shù)脈沖數(shù)等于預(yù)置數(shù)對(duì) , 預(yù)置電路立即發(fā)出“停止信號(hào)” ,并送到“控制脈沖形成電路” , 產(chǎn)生一個(gè)低電平輸出信號(hào)封鎖主控門。直到下一個(gè)信號(hào)脈沖到來之前，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)。自動(dòng)進(jìn)給數(shù)控裝置框圖見圖 211。 圖 211 自動(dòng)進(jìn)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(jì)論文 第 29 頁 共 47 頁 實(shí)現(xiàn)圖 211 所示工作過程的電路見圖 212， 圖 212 自動(dòng)進(jìn)給數(shù)控裝置電路圖 設(shè)預(yù)置數(shù)為 5, 測(cè)得主要節(jié)點(diǎn)波形見圖 213: 圖 213 主要節(jié)點(diǎn)波形圖 單元電路 （ 1）信號(hào)源 信號(hào)源采用 RC 環(huán)形振蕩電路。參數(shù)值為 : R1為 1KΩ 可調(diào)電阻、 R2 為 100Ω、 C1 為 200μ F 電解電容 , 與非門采用 T 035/T 065 二輸入四與非門電路。適當(dāng)調(diào)節(jié)可變電阻 R1 值得到周期 秒的時(shí)鐘脈沖 , 詳見圖 214。 張家界航空工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 第 30 頁 共 47 頁 圖 214 信號(hào)源電路 （ 2）控制脈沖形成模塊 控制脈沖形成模塊由微分型單穩(wěn)態(tài)電路和 RS觸發(fā)器組成。當(dāng)傳感器發(fā)出信號(hào)時(shí) , 單穩(wěn)電路產(chǎn)生的脈沖信號(hào)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(hào)源產(chǎn)生的時(shí)鐘脈沖通過主控門。當(dāng)計(jì)數(shù)器的數(shù)值達(dá)到預(yù)置值時(shí) , 計(jì)數(shù)器發(fā)出停止信號(hào)加到 RS 觸發(fā)器的置 位端 , 并經(jīng)整形門輸出低電平 , 使主控門關(guān)閉 , 執(zhí)行機(jī)構(gòu)停止動(dòng)作 , 計(jì)數(shù)器停止計(jì)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 。 C C3為 1000P 電容 。 C4 為 100μ F 電容 。 R R4 為300Ω電阻 , R R R R8 為 1KΩ 電阻 , 詳見圖 215。 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。預(yù)置器使用撥碼開關(guān)電路。計(jì)數(shù)輸出等于預(yù)置數(shù)時(shí) , 便自動(dòng)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(jì)論文 第 31 頁 共 47 頁 成電路發(fā)出停止信號(hào) , 并將計(jì)數(shù) 圖 216 可變進(jìn)制計(jì)數(shù)電路 器置 0。電路采用 RS 觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)異步置 0。由于滿足預(yù)置數(shù)時(shí)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(shí)鐘脈沖此時(shí)低電平經(jīng)門 15 輸出高電平。這樣門 12 便輸出低電平使計(jì)數(shù)器清零。待下次主控門開啟 , CP 脈沖的上升沿到來時(shí) , 才終止清零信號(hào) , 重新開始計(jì)數(shù)。元件及參數(shù)值 : JK 為 T 049 雙JK 觸發(fā)器 , 門 1 1 1 16 為 T 035/T 065 二輸入與非門 , 門 14為 T 033/T 063 四輸入與非門 , R9 為 1KΩ , C5 為 100μ F 電解電容。如圖 216。 （ 4）主控門、放大器和執(zhí)行機(jī)構(gòu) 放大器采用晶體管放大電路 , 由它驅(qū)動(dòng)直流靈敏繼電器 , 當(dāng)電流變化時(shí) , 繼電器迅速產(chǎn)生動(dòng)作 , 從而帶動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。主控門由二級(jí)與非門構(gòu)成 , 門 17用于控制信號(hào)源輸出。當(dāng)?shù)碗娖娇刂泼}沖到來時(shí) ,門 17 輸出穩(wěn)定的高電平 , 使信號(hào)源關(guān)閉。門 18 起隔離整形作用 , 同時(shí)可控制翻轉(zhuǎn)。門 1門 18 選用 T 065 二輸入與非門。如圖 217。 圖 217 主控門及放大電路 3. 軟件部分的系統(tǒng)設(shè)計(jì) CNC 裝置是一個(gè)機(jī)床計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，其數(shù)控軟件必須完成管理和控制兩種不同性質(zhì)的任務(wù)。 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)交互過程。除此之外，先進(jìn)的數(shù)控系統(tǒng)的管理程序還能適時(shí)運(yùn)行診斷模塊 以便及時(shí)判斷和消除故障，并能進(jìn)行通信、聯(lián)網(wǎng)等功能的管理。 數(shù)控系統(tǒng)軟件功能的實(shí)現(xiàn) 數(shù)控系統(tǒng)的各功能分別由不同的軟件來實(shí)現(xiàn)。一般數(shù)控系統(tǒng)軟件主要由以張家界航空工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 第 32 頁 共 47 頁 下幾部分組成：系統(tǒng)總控程