【導(dǎo)讀】數(shù)控機(jī)床是裝備制造業(yè)的工作母機(jī)，是實(shí)現(xiàn)制造技術(shù)和裝備現(xiàn)代化的基石，是保證高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展和國防軍工現(xiàn)代化的戰(zhàn)略裝備。在全球倡導(dǎo)綠色制造的。大環(huán)境下，機(jī)床數(shù)控化改造成為了熱點(diǎn)。本設(shè)計是對XA5032普通立式銑床進(jìn)行數(shù)控化改造。統(tǒng)進(jìn)行數(shù)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(jī)控制。頻器實(shí)現(xiàn)主軸傳動和進(jìn)給機(jī)構(gòu)的無級變速。通過單片機(jī)的設(shè)計，構(gòu)成控制系統(tǒng)。主軸的驅(qū)動元件的選擇...

　　

【正文】 為 6mm，滿足要求。 主軸的驅(qū)動元件的選擇 直流主軸伺服電機(jī)與交流主軸伺服電機(jī)的特性曲線類似。 在基本速度以下為恒轉(zhuǎn)矩區(qū)域，而在基本速度以上為恒功率區(qū)域。 但有些電機(jī)，當(dāng)電機(jī)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(jī)，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(zhuǎn)速為 1440r/min 電動機(jī)驅(qū)動，根據(jù)傳動要求，選擇 FANUC α 8 DC 主軸電動機(jī)，連續(xù)額定輸出 ，基本轉(zhuǎn)速 1500r/min，最高速度 5000r/min，輸出轉(zhuǎn)矩（在恒轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)連續(xù)額定輸出轉(zhuǎn)矩） ? ，滿足驅(qū)動要求。 直流私服電機(jī)為直流供電，為調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速與方向，需要對其直流電壓的大小和方向進(jìn)行控制。目前常用晶體管脈寬調(diào)制 驅(qū)動和晶閘管直流調(diào)速驅(qū)動兩種方式。 脈寬調(diào)制 （ PWM）直流調(diào)速驅(qū)動系統(tǒng)原理，當(dāng)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(jī)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(jī)平滑調(diào)速。為使電動機(jī)實(shí)現(xiàn)雙向調(diào)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(fù)脈沖，這時 VT1 和 VT3 導(dǎo)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(shè)此時的電動機(jī)的轉(zhuǎn)向?yàn)檎?。反之，如果在晶體管 VT1 和 VT3 的基極上加以負(fù)脈沖的同時，在 VT2 和 VT4 的基極上加以正脈沖，這時 VT2 和 VT4 導(dǎo)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(jī)反向旋轉(zhuǎn)。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(fù)和導(dǎo)通率，就可以改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。 第三章 銑床的電氣改造部分 計算機(jī)數(shù)控裝 置 EIA（美國電子工業(yè)協(xié)會）所屬的數(shù)控標(biāo)準(zhǔn)化委員會的定義：“ CNC 是用一個存儲程序的計算機(jī)，按照存儲在計算機(jī)內(nèi)的讀寫存儲器中的控制程序去執(zhí)行數(shù)控裝置的部分或全部功能，在計算機(jī)之外的唯一裝置是接口”。 ISO（國際標(biāo)準(zhǔn)化組織）的定義：“數(shù)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(shù)字，并將其譯碼，從而使機(jī)床移動和加工零件”。 數(shù)控系統(tǒng)分輪廓控制和點(diǎn)位控制系統(tǒng)。 數(shù)控系統(tǒng)的核心是完成數(shù)字信息運(yùn)算、處理和控制的計算機(jī)，即數(shù)字控制裝置。 數(shù)控裝置有兩種類型： 一是完全由硬件邏輯電路構(gòu)成的專用硬件數(shù)控裝置 ，即 NC 裝置， NC 裝置是數(shù)控技術(shù)發(fā)展早期普遍采用的數(shù)控裝置； 二是由計算機(jī)硬件和軟件組成的計算機(jī)數(shù)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(dú)實(shí)現(xiàn)全部數(shù)控功能。 CNC 裝置具有良好的柔性，它在軟件的作用下，可以實(shí)現(xiàn)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(fù)雜的軌跡控制、通信及網(wǎng)絡(luò)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(zhì)上是以多執(zhí)行部件 (各運(yùn)動軸 )的位移量、速度為控制對象并使其協(xié)調(diào)運(yùn)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(jī)控制系統(tǒng)。 硬件是基礎(chǔ)，軟件是靈魂。 現(xiàn)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(jù)用戶的要求進(jìn)行功能設(shè)計和開發(fā)。 工作原理：通過各種輸入方式，接受機(jī)床加工零件的各種數(shù)據(jù)信息，經(jīng)過CNC 裝置譯碼，再進(jìn)行計算機(jī)的處理、運(yùn)算，然后將各個坐標(biāo)軸的分量送到各控制軸的驅(qū)動電路，經(jīng)過轉(zhuǎn)換、放大去驅(qū)動伺服電動機(jī)，帶動各軸運(yùn)動。并進(jìn)行 實(shí)時位置反饋控制，使各個坐標(biāo)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(shù)和補(bǔ)償量等數(shù)據(jù)。輸入的形式有光電閱讀機(jī)輸入、鍵盤輸入、磁盤輸入、連接上級計算機(jī)的 DNC 接口輸入、網(wǎng)絡(luò)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(yàn)和代碼轉(zhuǎn)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(jìn)行代碼的整理、校驗(yàn)和轉(zhuǎn)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(jìn)行處理，把其中的各種零件輪廓信息（如起點(diǎn)、終點(diǎn)、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(jī)能夠識別的數(shù)據(jù)形式，并以一定的數(shù)據(jù)格式存放在指定的內(nèi)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(xiàn)語法錯誤便立即報警。 （ 3）刀具補(bǔ)償 刀具補(bǔ)償包括刀具長度補(bǔ)償和刀具半徑補(bǔ)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(bǔ)償?shù)淖饔镁褪前蚜慵喞壽E轉(zhuǎn)換成刀具中心軌跡。目前在比較好的 CNC 中，刀具補(bǔ)償?shù)墓ぷ鬟€包括程序段之間的自動轉(zhuǎn)接和過切削判別，這就是所謂的 C 刀具補(bǔ)償。我們的教材上是怎么樣概括的呢？“利用一定的數(shù)學(xué)算法將零件輪廓軌跡換成刀具中心軌跡”。 （ 4）對進(jìn)給速度進(jìn)行處理 編程所給的刀具移動速度，是在各坐標(biāo)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(jìn)給速度計算出各坐標(biāo)軸方向運(yùn)動的分速度。另外還要對機(jī)床允許的最低速度和最高速度的限制進(jìn)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(bǔ) 所謂的插補(bǔ)就是根據(jù)加工程序中給出的零 件基本幾何形狀和相關(guān)的設(shè)計工藝方面的信息，在已知的這些特征點(diǎn)之間插入一些中間點(diǎn)的過程。我們知道，一條曲線是由無數(shù)個點(diǎn)組成的，插補(bǔ)的任務(wù)呢就是在一條給定起點(diǎn)和終點(diǎn)的曲線上按要求密化構(gòu)成這條曲線的數(shù)據(jù)點(diǎn)，即所謂的進(jìn)行“數(shù)據(jù)點(diǎn)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(shí)現(xiàn)，也可以由硬件完成。它的主要任務(wù)就是在每個采樣周期內(nèi)，將插補(bǔ)計算的理論位置與實(shí)際反饋位置相比較，用其差值去控制伺服電動機(jī)。在位置控制中，通常還要完成位置回路的增益調(diào)整、各坐標(biāo)軸方向的螺距誤差補(bǔ)償和反向間隙 補(bǔ)償，以提高機(jī)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(guān)信號，機(jī)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(qiáng)電信號的輸入輸出和控制”。 單片機(jī)的設(shè)計 單片機(jī)的介紹 MCS51系列單片機(jī)的所有產(chǎn)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(shù)據(jù)存貯器、 I/O 口、定時 /計數(shù)器及一些其他特殊部件）。在控制系統(tǒng)設(shè)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(shù)據(jù)存貯器。內(nèi)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(nèi)部不帶 ROM，需外接 ERPOM 作為外部程序存儲器。又因?yàn)?8031 在外接程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時地址的低 8 位信息及數(shù)據(jù)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(jī)系統(tǒng)。 MCS51 的程序存儲器空間與數(shù)據(jù)存儲器空間是相互獨(dú)立的。用戶可最多擴(kuò)展到 64K 字節(jié)的程序存儲器 及 64K 字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器，編址均為 0000HFFFFH。片內(nèi) 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(fù)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(jié)構(gòu)如上圖所示。當(dāng) 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(xiàn)低電平，選通相應(yīng)的外部 EPROM 存儲器：相應(yīng)的指令字節(jié)出現(xiàn)在 EPROM 的數(shù)據(jù)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(kuò)展 在以 8031 單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)中必須擴(kuò)展程序存貯器，用以存放控制程序。同時，單片機(jī)內(nèi)部的存貯器容量較小，不能滿足實(shí)際需要，還要擴(kuò)展數(shù)據(jù)存 貯器。 （ 1） 程序存貯器的擴(kuò)展 根據(jù)程序存貯器擴(kuò)展的原理，以 EPROM2764A 和鎖存器 74LS373 為例對 8031單片機(jī)進(jìn)行程序存貯器的擴(kuò)展。因?yàn)?2764A 是 8KB 容量的 EPROM，故用到了 13根地址線， A0A12。如果只擴(kuò)展一片程序存貯器 EPROM，故可將片選端 CE 直接接地。下圖為擴(kuò)展兩片 EPROM 的連接方法。同時， 8031 運(yùn)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(yùn)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(shè)計 \ pr ot e l \ 芯片擴(kuò)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(kuò)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(shù)據(jù)存貯器的擴(kuò)展 8031 單片機(jī)內(nèi)部有 128 個字節(jié) RAM 存貯器。 CPU 對內(nèi)部的 RAM 具有豐富的 的 操作指令。但在用于數(shù)據(jù)采集和處理時，僅靠片內(nèi)提供的 128 個字節(jié)的數(shù)據(jù)存貯器是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。在這種情況下，可利用 MCS51 的擴(kuò)展功能，擴(kuò)展外部數(shù)據(jù)存貯器。 數(shù)據(jù)存貯器只使用 WR、 RD控制線而不用 PSEN。正因?yàn)槿绱?，?shù)據(jù)存貯器與程序存貯器可完全重疊，均為 0000HFFFFH，但數(shù)據(jù)存貯器與 I/O 口與外圍設(shè)備是統(tǒng)一遍址的，即任何擴(kuò)展的 I/O 口以及外圍設(shè)備均占用數(shù)據(jù)存貯器地址。 8031的 P0 口為 RAM 的復(fù)用地址 /數(shù)據(jù)線， P2 口用于對 RAM 進(jìn)行頁面尋址（根據(jù)其容量不同，