【正文】 , 有 4 個(gè)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。 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(jì)論文 第 18 頁(yè) 共 47 頁(yè) 外接 8155 芯片以擴(kuò)展 I/ O口。內(nèi)部編址為 00H～ 7FH,用作工作寄存器、堆棧、軟件標(biāo)志和數(shù)據(jù)緩沖器 ,CPU 對(duì)內(nèi)部 RAM 有豐富的操作指令。 在大多數(shù)相關(guān)的機(jī)床改造資料及論文中都采用了 8031，原因是： 8031 單片機(jī)是集 CPU 、 I/ O 端口及部分 RAM 等為一體的控制器 ,開(kāi)發(fā)手段齊全 ,指令系統(tǒng)功能強(qiáng) ,編程靈活性大 ,硬件資料也很豐富。 (5) 開(kāi)發(fā)手段 (包括支持開(kāi)發(fā)的軟件和硬件電路 ) 。 (3) 指令系統(tǒng)的功能是否強(qiáng) (即編程的靈活性 ) 。 單片機(jī)的選擇 CPU 的比較和選用 在選擇 CPU 時(shí)應(yīng)考慮的因素是 : (1) 時(shí)鐘頻率和字長(zhǎng) (即控制數(shù)據(jù)處理的速度 ) 。手動(dòng)操作時(shí)，顯示器可作為數(shù)字讀出裝置使用。數(shù)控系統(tǒng)為 CNC半閉環(huán)控制，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)直線插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ)。 X6132 的工作臺(tái)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)。系統(tǒng)軟件其作用主要是檢測(cè)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(jī)定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器初始化，鍵盤數(shù)據(jù)區(qū)、顯示緩沖區(qū)初始化，各種軟件標(biāo)志初始化，中斷處理等，系統(tǒng)軟件部分采用模塊化設(shè)計(jì)。 圖 15 數(shù)控改造設(shè)計(jì)總圖 系統(tǒng)主要由 89C51 單片機(jī)、速度檢測(cè)元件、直流伺服電機(jī)，及相應(yīng)的接口電路組成。 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 16 頁(yè) 共 47 頁(yè) 改造方案總體可以從硬件、軟件兩部分來(lái)著手設(shè)計(jì)。 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 。 大多數(shù)數(shù)控機(jī)床具有多種編程的功能，并且都具有程序自動(dòng)校驗(yàn)和模擬仿真功能。 目前大多數(shù)數(shù)控機(jī)床的操作采用了菜單結(jié)構(gòu)，用戶只需根據(jù)菜單的提示，進(jìn)行正確操作。由于通訊功能的增強(qiáng)，容易組成數(shù)控加工自動(dòng)生產(chǎn)線，如 FMC、FMS、 DNC 和 CIMS 等。 由于采用計(jì)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(lái)越高，使硬件的體積不斷縮小，同時(shí)控制柜的尺寸也相應(yīng)減少。許多功能由軟件實(shí)現(xiàn)，硬件結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)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(jìn)一步提高。 （ 4）可靠性高。 （ 3）數(shù)控功能豐富。 CNC 系統(tǒng)的軟件和硬件大多是采用模塊化的結(jié)構(gòu)。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(shù)控功能大多由軟件在通用性較強(qiáng)的硬件的支持下來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其功能的修改、擴(kuò)充和適應(yīng)性方面都具有較大的靈活性，如果要改變、擴(kuò)充其功能，只需通過(guò)對(duì)軟件的修改和擴(kuò)充便可實(shí)現(xiàn)。他之所以取代以前的 NC系統(tǒng)和當(dāng)前設(shè)計(jì)選用的原因，是因?yàn)?CNC系統(tǒng)具有 NC系統(tǒng)無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)： （ 1）活性大。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(wú)爬行。 在機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)中，需將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變成直線運(yùn)動(dòng)。二是在進(jìn)給移動(dòng)部件在粘接聚四氟乙烯軟帶，改造為粘塑導(dǎo)軌副。 （ 2）機(jī)械部分的數(shù)控化改造 進(jìn)給系統(tǒng)的改造主要是提高移動(dòng)部件的靈活性，減少或消除傳動(dòng)間隙，通常是改造導(dǎo)軌副、進(jìn)給箱和移動(dòng)元件。一般中小型機(jī)床的數(shù)控化改造多用微機(jī)控制的開(kāi)環(huán)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，這種方式簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、安裝調(diào)試方便，但是控制精度和速度較低。 進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的改造方案 （ 1）電氣部分的改造 進(jìn)給傳動(dòng)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(yùn)動(dòng)（如直線、圓弧等），加工出符合要求的工件。 （ 4） 系統(tǒng)可靠性好 數(shù)控機(jī)床的使用率很高，常常是 24 小時(shí)連續(xù)加工不停機(jī)，因而要求 系統(tǒng)穩(wěn)定，其工作可靠。這樣既能滿足高速加工要求，又能滿足底速加工要求。它主要要求伺服系統(tǒng)跟隨指令信號(hào)不僅跟隨誤差小，而且響應(yīng)要快，穩(wěn)定性要好。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(dòng)靜態(tài)精度都較高。 給傳動(dòng)系統(tǒng)的改造 改造設(shè)計(jì)要求 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的改造式這次改造設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，因此它改造后的性能的好壞將直接影響到整個(gè)系統(tǒng)性能的好壞。普通機(jī)床的主軸支承多為滾動(dòng)軸承或滑動(dòng)軸承。直流電機(jī)拖動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)平滑調(diào)整，變速范圍寬，主軸箱體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，振動(dòng)和噪音較小，加工工件精度較高，不需要改造；如果自動(dòng)化程度要求較高，經(jīng)常要求變速并且變速特征較好的場(chǎng)合，可用交流異步電動(dòng)機(jī)的變頻系統(tǒng)，增加一個(gè)變頻器，實(shí)現(xiàn)主軸的自動(dòng)無(wú)級(jí)變速。 圖 13 半閉環(huán)伺服系統(tǒng)原理 控制部分的設(shè)計(jì)要能控制三個(gè)坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng) ,根據(jù)加工要求 ,至少要控制兩軸聯(lián)動(dòng)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(zhǎng)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。速度反饋裝置發(fā)出與伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速成正比的速度反饋電壓 Ug，與速度指令電壓 Uc 相比較。這個(gè)電壓加在伺服電機(jī) 6上，使它得到角速度θ m。加上速度反饋后轉(zhuǎn)速可以比較穩(wěn)定。設(shè)置速度反饋的目的是穩(wěn)定電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。因此， Uc 是速度指令電壓。 v0 經(jīng)數(shù) /模 (D/A)轉(zhuǎn)換器 3 成為模擬電壓 Uc。Δ D 經(jīng)位置控制放大器 2放大后成為速度指令值 v0。數(shù)控裝置來(lái)的位置指令D0 與位置反饋系統(tǒng)檢測(cè)出的實(shí)際位置檢測(cè)值 Da 在位置偏差監(jiān)測(cè)器 1中比較。位置 控制則用以檢查伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)角是否符合位置指令的要求。速度環(huán)的作用在于把位置誤差模擬電壓變成一個(gè)比較穩(wěn)定的速度模擬電壓。直流伺服電動(dòng)機(jī)的基本性能是：轉(zhuǎn)速?zèng)Q定于輸入電壓，電流決定于負(fù)載力矩。這個(gè)電壓是速度指令電壓。 用直流伺服電動(dòng)機(jī)的半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的組成如圖 12。 若采用直流或交流伺服電機(jī)的半閉環(huán)控制 ,其性能介于開(kāi)環(huán)和閉環(huán)之間 .由于調(diào)速范圍寬 ,過(guò)載能力強(qiáng) ,有采用反饋控制因此性能遠(yuǎn)優(yōu)于步進(jìn)電機(jī)的開(kāi)環(huán)控制 。 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(jià)也高。另一方面由于步進(jìn)電機(jī)在低速工 作時(shí)有明顯的沖動(dòng)，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(jì)論文 第 11 頁(yè) 共 47 頁(yè) 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(duì)加工極為不利，造成工件超差。 例如： 200BF001 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，最大靜轉(zhuǎn)矩為 MN? ，最高運(yùn)行頻率為11000step/s，步距角為 1/6176。 圖 11 X6132 普通升降臺(tái)銑床 外觀圖 總體設(shè)計(jì)任務(wù) 將原來(lái)的 X6132 要改造成加工精度高、定位準(zhǔn)確、可靠，擴(kuò)大其加工范圍，提高加工效率，各性能參數(shù)有所提高，使其可以銑削圓弧面與斜面等形狀復(fù)雜的高精度零件 (如凸輪軸 )。外觀如圖 11?？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。正因?yàn)槿?此，本設(shè)計(jì)將對(duì) X6132 進(jìn)行經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造。 近年來(lái)，我國(guó)成功應(yīng)用經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)配置車床、銑床、線切割機(jī)床、沖床以及普通機(jī)床的改造等，并在投入使用后確實(shí)成倍提高的生產(chǎn)率，減少了廢品率，取得了顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。⑥減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床可以不用或少用工裝，尤其對(duì)于復(fù)雜零件可不用靠模或成型刀具。④提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低廢 品率，尤其是加工的產(chǎn)品尺寸一致性好，合格率高。③適合多品種、中小批量產(chǎn)品的自動(dòng)化加工，對(duì)產(chǎn)品的適應(yīng)性強(qiáng)。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床，一般可提高工效 3— 7 倍。系統(tǒng)只需 12 萬(wàn)（國(guó)外系統(tǒng)則需十幾萬(wàn)到幾十萬(wàn)），適合我國(guó)中小型企業(yè)的現(xiàn)有普通機(jī)床的數(shù)控改造。而將經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)用于普通機(jī)床的改造和升級(jí)換代是符合我國(guó)目前國(guó)情的一條有效途徑。但是配置這種系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床價(jià)格昂貴。 在競(jìng)爭(zhēng)前數(shù)控技術(shù)方面，強(qiáng)調(diào)創(chuàng)新，強(qiáng)調(diào)研究開(kāi)發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)和產(chǎn)品，為我國(guó)數(shù)控產(chǎn)業(yè)、裝備制造業(yè)乃至整個(gè)制造業(yè)的可持續(xù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。 從我國(guó)基本國(guó)情的角度出發(fā)，以國(guó)家的戰(zhàn)略需求和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的市場(chǎng)需求為導(dǎo)向，以提高我國(guó)制造裝備業(yè)綜合競(jìng)爭(zhēng)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(guó)制造裝備業(yè)發(fā)展升級(jí)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(kāi)發(fā)的內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)制造裝備業(yè)的跨躍式發(fā)展。我們以資源、環(huán)境、市場(chǎng)為代價(jià)，交換得到的可能僅僅是世界新經(jīng)濟(jì)格局中的國(guó)際“加工中心”和“組裝中心”，而非掌握核心技術(shù)的制造中心的地位，這樣將會(huì)嚴(yán)重影響我國(guó)現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展進(jìn)程。這也就從宏觀上說(shuō)明了機(jī)床數(shù)控化改造的必要性。而我們?cè)谛畔⒓夹g(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)方面比發(fā)達(dá)國(guó)家約落后 20 年。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。其本質(zhì)是，采用信息技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)（包括軍 、民機(jī)械工業(yè)）進(jìn)行技術(shù)改造。數(shù)控技術(shù)已經(jīng)成為制造業(yè)自動(dòng)化的核心技術(shù)和基礎(chǔ)技術(shù)。數(shù)控機(jī)床只要更換一個(gè)程序，就可實(shí)現(xiàn)另一工件加工的自動(dòng)化，從而使單件和小批生產(chǎn)得以自動(dòng)化，故被稱為實(shí)現(xiàn)了“柔性 自動(dòng)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(shí)現(xiàn)多工序的集中，減少零件 在機(jī)床間的頻繁搬運(yùn)；擁有自動(dòng)報(bào)警、監(jiān)控、補(bǔ)償?shù)榷喾N自律功能，因而可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間無(wú)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(jì)論文 第 8 頁(yè) 共 47 頁(yè) 管加工。 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(lái)自數(shù)控系統(tǒng)所包含的計(jì)算機(jī)的威力。 網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控裝備是近兩年國(guó)際著名機(jī)床博覽會(huì)的一個(gè)新亮點(diǎn)。 (3)智能化、開(kāi)放式、網(wǎng)絡(luò)化成為當(dāng)代數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢(shì) . 21 世紀(jì)的數(shù)控裝備將是具有一定智能化的系統(tǒng)，智能化的內(nèi)容包括在數(shù)控系統(tǒng)中的各個(gè)方面：為追求加工效率和加工質(zhì)量方面的智能化，如加工過(guò)程的自適應(yīng)控制，工藝參數(shù)自動(dòng)生成；為提高驅(qū)動(dòng)性能及使用連接方便的智能化，如前饋控制、電機(jī)參數(shù)的自適應(yīng)運(yùn)算、自動(dòng)識(shí)別負(fù)載自動(dòng)選定模型、自整定等；簡(jiǎn)化編程、簡(jiǎn)化操作方面的智能 化，如智能化的自動(dòng)編程、智能化的人機(jī)界面等；還有智能診斷、智能監(jiān)控方面的內(nèi)容、方便系統(tǒng)的診斷及維修等。 當(dāng)前由于電主軸的出現(xiàn)，使得實(shí)現(xiàn) 5 軸聯(lián)動(dòng)加工的復(fù)合主軸頭結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化，其制造難度和成本大幅度降低，數(shù)控系統(tǒng)的價(jià)格差距縮小。一般認(rèn)為， 1臺(tái) 5軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床的效率可以等于 2臺(tái) 3軸聯(lián)動(dòng)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(shí)， 5軸聯(lián)動(dòng)加工可比 3軸聯(lián)動(dòng)加工發(fā)揮更高的效益。 為了實(shí)現(xiàn)高速、高精加工，與之配套的功能部件如電主軸、直線電機(jī)得到了快速的發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步擴(kuò)大。 在加工精度方面，近 10 年來(lái)，普通級(jí)數(shù)控機(jī)床的加工精度已由 10μ m提高到 5μ m，精密級(jí)加工中心則從 3～ 5μ m，提高到 1～ m，并且超精密加工精度已開(kāi)始進(jìn)入納米級(jí) ( m)。 (1)高速、高精加工技術(shù)及裝備的新趨勢(shì) 效率、質(zhì)量是先進(jìn)制造技術(shù)的主體。 3. 數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) 數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用不但給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來(lái)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(duì)國(guó)計(jì)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(lái)越重要的作用，因?yàn)檫@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(shì)。 ，市場(chǎng)占有率低，品種覆蓋率小，還沒(méi)有形成規(guī)模生產(chǎn)；功能部件專業(yè)化生產(chǎn)水平及成套能力較低；外觀質(zhì)量相對(duì)差；可靠性不高，商品化程度不足；國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)尚未建立自己的品牌效應(yīng)，用戶信心不足。雖然從縱向看我國(guó)的發(fā)展速度很快，但橫向比（與國(guó)外對(duì)比）不僅技術(shù)水平有差距， 在某些方面發(fā)展速度也有差距，即一些高精尖的數(shù)控裝備的技術(shù)水平差距有擴(kuò)大趨勢(shì)。在“九五”末期，國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占有率達(dá)50％，配國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)（普及型）也達(dá)到了 10％。 (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(guò)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(jì)論文 第 6 頁(yè) 共 47 頁(yè) 等為介質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)與 PC 數(shù)控裝置連接起 來(lái)，組成一完整的數(shù)控系統(tǒng)。目前， PC 數(shù)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)主要有以下幾種形式： (1)專用數(shù)控加 PC前端的復(fù)合式結(jié)構(gòu) 這類系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想是將通用 PC 專用 NC 通過(guò)高速信息交換通道連接到一起組成一復(fù)合式數(shù)控系統(tǒng)。按照電子器件的發(fā)展可分為 5 個(gè)發(fā)展階段：電子管數(shù)控，晶體管數(shù)控，中小規(guī)模 IC 數(shù)控，微處理器數(shù)控；數(shù)控系統(tǒng)裝備的機(jī)床大大提高了加工精度、速度和效率。 該新技術(shù)主要是研究更好的具有高效率、高精度、高自動(dòng)化、高可靠性的設(shè)備――數(shù)控