【正文】 到，我國高端數(shù)控技術(shù)的研究開發(fā)，尤其是在產(chǎn)業(yè)化方面的技術(shù)水平現(xiàn)狀與我國的現(xiàn)實(shí)需求還有較大的差距。從國際上來看，對我國數(shù)控技術(shù)水平和產(chǎn)業(yè)化水平估計(jì)大致如下： ，與國外先進(jìn)水平大約落后 10～ 15 年，在高精尖技術(shù)方面則更大。 ，對競爭前數(shù)控技術(shù)的研究開發(fā)、工程化能力較弱；數(shù)控技 術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域拓展力度不強(qiáng)；相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的研究、制定滯后。從目前世界上數(shù)控技術(shù)及其裝備發(fā)展的趨勢來看，其主要研究熱點(diǎn)有以下幾個(gè)方面。高速、高精加工技 術(shù)可極大地提高效率，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和檔次，縮短生產(chǎn)周期和提高市場競爭能力。 在可靠性方面，國外數(shù)控裝置的 mtbf 值已達(dá) 6 000h 以上，伺服系統(tǒng)的 mtbf值達(dá)到 30000h 以上，表現(xiàn)出非常高的可靠性。 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 7 頁 共 47 頁 (2) 5軸聯(lián)動(dòng)加工和復(fù)合加工機(jī)床快速發(fā)展 采用 5軸聯(lián)動(dòng)對三維曲面零件的加工，可用刀具最佳幾何形狀進(jìn)行切削，不僅光潔度高，而且效率也大幅度提高。但過去因 5軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)、主機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜等原因，其價(jià)格要比 3 軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床高出數(shù)倍，加之編程技術(shù)難度較大，制約了 5 軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床的發(fā)展。因此促進(jìn)了復(fù)合主軸頭類型 5軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床和復(fù)合加工機(jī)床（含 5面加工機(jī)床）的發(fā)展。目前開放式數(shù)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)規(guī)范、通信規(guī)范、配置規(guī)范、運(yùn)行平臺(tái)、數(shù)控系統(tǒng)功能庫以及數(shù)控系統(tǒng)功能軟件開發(fā)工具等是當(dāng)前研究的核心。數(shù)控裝備的網(wǎng)絡(luò)化將極大地滿足生產(chǎn)線、制造系統(tǒng)、制造企業(yè)對信息集成的需求，也是實(shí)現(xiàn)新的制造模式如敏捷制造、虛擬企業(yè)、全球制造的基礎(chǔ)單元。 可以加工出傳統(tǒng)機(jī)床加工不出來的曲線、曲面等復(fù)雜的零件；由于計(jì)算機(jī)有高超的運(yùn)算能力，可以瞬時(shí)準(zhǔn)確地計(jì)算出每個(gè)坐標(biāo)軸瞬時(shí)應(yīng)該運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)量，因此可以復(fù)合成復(fù)雜的曲線或曲面； 可以實(shí)現(xiàn)加工的柔性自動(dòng)化，從而效率可比傳統(tǒng)機(jī)床提高 3～ 7 倍；由于計(jì)算機(jī)有記憶和存儲(chǔ)能力，可以將輸入的程序記住和存儲(chǔ)下來，然后按程序規(guī)定的順序自動(dòng)去執(zhí)行，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。 此外，機(jī)床數(shù)控化還是推行 FMC（柔性制造單元）、 FMS（柔性制造系統(tǒng)）以及 CIMS（計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)）等企業(yè)信息化改造的基礎(chǔ)。 宏觀上看，工業(yè)發(fā)達(dá)國家的軍、民機(jī)械工業(yè)，在 70 年代末、 80 年代初已開始大規(guī)模應(yīng)用數(shù)控機(jī)床。除在制造過程中采用數(shù)控機(jī)床、 FMC、 FMS 外，還包括在產(chǎn)品開發(fā)中推行 CAD、 CAE、 CAM、虛擬制造以及在生產(chǎn)管理中推行 MIS（管理信息系統(tǒng)）、 CIMS 等等。由于采用信息技術(shù)對國外軍、民機(jī)械工業(yè)進(jìn)行深入改造（稱之為信息化），最終使得他們的產(chǎn)品在國際軍品和民品的市場上競爭力大為增強(qiáng)。如我國機(jī)床擁有量中，數(shù)控機(jī)床的比重（數(shù)控化率）到 1995 年只有 ％，而日本在 1994 年 已達(dá) ％，因此每年都有大量機(jī)電產(chǎn)品進(jìn)口。 我國是制造大國，在世界產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移中要盡量接受前端而不是后端的轉(zhuǎn)移，即要掌握先進(jìn)制造核心技術(shù)，否則在新一輪國際產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整中，我國制造業(yè)將進(jìn)一步“空芯”。 我們應(yīng)站在國家安全戰(zhàn)略的高度來重視數(shù)控技術(shù)和產(chǎn) 業(yè)問題，首先從社會(huì)安全看，因?yàn)橹圃鞓I(yè)是我國就業(yè)人口最多的行業(yè)，制造業(yè)發(fā)展不僅可提高人民的生活水平，而且還可緩解我國就業(yè)的壓力，保障社會(huì)的穩(wěn)定；其次從國防安全看，西方發(fā)達(dá)國家把高精尖數(shù)控產(chǎn)品都列為國家的戰(zhàn)略物質(zhì)，對我國實(shí)現(xiàn)禁運(yùn)和限制，“東芝事件”和“考克斯報(bào)告”就是最好的例證。 在高精尖裝備研發(fā)方面，要強(qiáng)調(diào)產(chǎn)、學(xué)、研以及最終用戶的緊密結(jié)合，以“做得出、用得上、賣得掉”為目標(biāo)，按國家意志實(shí)施攻關(guān)，以解決國家之急需。 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 9 頁 共 47 頁 在當(dāng)前經(jīng)濟(jì)條件下，中、高檔全功能數(shù)控機(jī)床的功能齊全，功率較大，動(dòng)作較多，運(yùn)動(dòng)較復(fù)雜，定位精度較高。我國一般的 中小企業(yè)購置困難。因?yàn)榻?jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)有以下特點(diǎn)： ①價(jià)格便宜。②解決復(fù)雜零件的加工精度控制，并提高生產(chǎn)率。對復(fù)雜零件而言，難度越高，提高的工效則越多。對于不同零件的加工，可以通過變換加工程序和更換不同刀具來實(shí)現(xiàn)。⑤節(jié)約工裝費(fèi)用，降低成本。不僅節(jié)約費(fèi)用，還可縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備周期。⑦提高工人素質(zhì)，促進(jìn)科技成果的普及和應(yīng)用，為“體力型”向“智力型”轉(zhuǎn)變創(chuàng)造條件。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控在我國得到了日益廣泛的應(yīng)用，潛在的市場也很大。 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 10 頁 共 47 頁 正 文 1. 總體設(shè)計(jì)方案的設(shè)計(jì) 原來的 X6132 普通升降臺(tái)銑床的用途 原 X6132 臥式萬能升降臺(tái)銑床是屬于通用機(jī)床，主要適用于加工單件、小批量生產(chǎn)和工具修理部門，也可以用于成批生產(chǎn)部門。還可以利用分度頭，可以加工各種螺旋槽。對于它的數(shù)控化改造用于擴(kuò)大加工范圍，提高加工精度，提高工作效率，滿足生產(chǎn)急需是 非常必要的，從經(jīng)濟(jì)角度上也是可行的。 總體設(shè)計(jì)方案 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控銑床的改造，為了保證被改造后的性能不低于原銑床，選 X、 Z坐標(biāo)快進(jìn)速度不低于 ，水平拖動(dòng)力按 15KN 計(jì)算，則所需的功率為： P=FV=15? = 如果采用步進(jìn)電機(jī)作為伺服驅(qū)動(dòng)元件，步進(jìn)電機(jī)達(dá)不到此功率要求。若取最高工作頻率下的工作扭矩為靜扭矩的 1/4，則高速小的功率為： KWWP H ??????? ? 因此，如果選用步進(jìn)電機(jī)，必須相應(yīng)地降低機(jī)床的某些性能，主要是快速性。此外，由于步進(jìn)電機(jī)沒有過載能力，高速時(shí)扭矩下降很多，容易丟失，大功率步進(jìn)的驅(qū)動(dòng)較困難等，選用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)是不合適的。閉環(huán)控制可以達(dá)到很好的機(jī)床精度，能補(bǔ)償機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中各種誤差，消除間隙，干擾等對加工精度的影響，一般應(yīng)用于要求高的數(shù)控設(shè)備中，由于所改造數(shù)控銑床工件的加工精度不十分高，采用閉環(huán)系統(tǒng)的必要性 不大。反饋環(huán)節(jié)不包括大部分機(jī)械傳動(dòng)元件 ,調(diào)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(shí)現(xiàn) .但是采用半閉環(huán)控制 ,調(diào)試比開環(huán)控制的步進(jìn)電機(jī)要困難些 ,設(shè)計(jì)上也有自身的特點(diǎn) .在直流和交流伺服電機(jī)之間進(jìn)行比較時(shí) ,交流調(diào)試逐漸擴(kuò)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(jié)構(gòu)復(fù)雜 ,技術(shù)難度高 ,普及不廣 ,而且價(jià)格高 .直流伺服電機(jī)原理接近于直流電機(jī) ,控制系統(tǒng)技 術(shù)比較成熟 ,普及廣。數(shù)控裝置 NC發(fā)出的位置指令在位置控制器內(nèi)與位置反饋信號比較，然后轉(zhuǎn)換成位置誤差的模擬電壓。速度指令電壓與速度反饋電壓在速度控制器內(nèi)比較和放大后轉(zhuǎn)換成速度控制電壓并輸給伺服電動(dòng)機(jī)，使電機(jī)得到一定的轉(zhuǎn)速。因此，輸入直流伺服電動(dòng)機(jī)的，必須是速度模擬電壓。速度反饋的作用在于使轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。 圖 12 半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的組成 圖 13 是直流伺服電動(dòng)機(jī)的半閉環(huán)伺服系統(tǒng)原理。其差值為位置偏差值Δ D。 D0、Da、Δ D、 v0 都是數(shù)字量。位置偏張家界航空工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 第 12 頁 共 47 頁 差越大，則要求伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速越高，這時(shí)的 Uc 也越大。 Uc 于速度反饋電壓 Ug 在速度偏差監(jiān)測器 4內(nèi) 比較，其差值為速度偏差電壓 Ua。由于伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速還受負(fù)載的影響，當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化（如切深發(fā)生變化）時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速將發(fā)生變化。速度偏差電壓 Ua 經(jīng)速度控制放大器 5放大后，成為速度控制電壓 Um。與伺服電動(dòng)機(jī)相聯(lián)系的有速度反饋裝置 7和位置反饋裝置 8。位置反饋裝置 8 發(fā)出與伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)角成正比的實(shí)際位置檢測值 Da，與位 置指令值 D0 相比較。 綜上所述，銑床數(shù)控改造方案確定為： 直流伺服半閉環(huán)控制，采用三坐標(biāo) 軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控裝置，整個(gè)改造方案如圖 14 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 13 頁 共 47 頁 111210897564321數(shù)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(jī) 11— 滾珠絲杠 12滾珠絲杠螺母 、主傳動(dòng)系統(tǒng)的改造 電氣部分的改造 一般中小型機(jī)床的主傳動(dòng)采用普通交流電機(jī)拖動(dòng)，大型機(jī)床多用直流電機(jī)拖動(dòng)。 機(jī)械部分的數(shù)控化改造 主傳動(dòng)的改造主要是主軸支承 或工作臺(tái)導(dǎo)軌的改造。為了提高工作臺(tái)的承載能力和精度，消除低速爬行現(xiàn)象，可將傳統(tǒng)的動(dòng)壓導(dǎo)軌改為先進(jìn)的恒流靜壓導(dǎo)軌。也因此對進(jìn)給伺服系統(tǒng)提出了改造設(shè)計(jì)要求： （ 1） 高精度 由于伺服系統(tǒng)控制數(shù)控機(jī)床的速度和位移輸出，為保證加工質(zhì)量，要求它有張家界航空工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 第 14 頁 共 47 頁 足夠的定位精度和重復(fù)定位精度。 （ 2） 快速響應(yīng)，無超調(diào) 快速響應(yīng)是伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)品質(zhì)的重要指標(biāo)，它反映了系統(tǒng)的跟蹤精度。 （ 3） 調(diào)速范圍寬 由于工件材料、刀具以及加工要求不同，要保證數(shù)控機(jī)床在任何情況下都能達(dá)到最佳切削條件，伺服系統(tǒng)就必須有足夠的調(diào)速范圍。在低速切削時(shí)，還要伺服系統(tǒng)能輸出較大功率的轉(zhuǎn)矩。其平均無故障時(shí)間越長，系統(tǒng)性能越好。因此要求進(jìn)給傳動(dòng)具有較高的定位精度和垂直定位精度，響應(yīng)快、調(diào)整范圍寬、輸出功率大。大型機(jī)床多用直流電機(jī)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(jià)格較高，維修較 困難。 導(dǎo)軌副的改造方法有兩種：一是把滑動(dòng)導(dǎo)軌改為滾動(dòng)導(dǎo)軌或靜壓導(dǎo)軌，用以消除傳動(dòng)間歇、提高定位精度，但工藝復(fù)雜，改造費(fèi)用大，實(shí)現(xiàn)起來比較困難。 進(jìn)給箱的改造主要是減少進(jìn)給箱內(nèi)的齒輪對數(shù)（往往是取消進(jìn)給箱或僅是一級減速進(jìn)給箱），并增有消除或減少間隙的裝置（如雙片齒輪結(jié)構(gòu)）。普通機(jī) 床采用普通絲杠副實(shí)現(xiàn)，其摩擦阻力大，傳動(dòng)效率低、動(dòng)摩擦系數(shù)相差大、低速容易出現(xiàn)爬行。 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 15 頁 共 47 頁 . 數(shù)控系統(tǒng)的硬件與軟件設(shè)計(jì) 計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)（ CNC）是 20世紀(jì) 70年代發(fā)展起來的機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)，它是用一臺(tái)計(jì)算機(jī)代替原先的硬件數(shù)控系統(tǒng)（ NC）所完成的功能。 NC 系統(tǒng)是用硬件邏輯電路來實(shí)現(xiàn)對機(jī)床的控制功能。 （ 2）通用性強(qiáng)。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(shù)控機(jī)床（如車床、銑床、磨床、加工中心等），只要配置相應(yīng)的功能模塊，就可滿足這些機(jī)床的特定控制功能，這對數(shù)控機(jī)床的培訓(xùn)和學(xué)習(xí)以及維護(hù)、維修也是十分方便的。 CNC 系統(tǒng)利用 計(jì)算機(jī)的高度計(jì)算能力，可實(shí)現(xiàn)許多復(fù)雜的數(shù)控功能，如高次曲線插補(bǔ)、動(dòng)靜態(tài)圖形顯示、多種補(bǔ)償功能、數(shù)字伺服控制功能等。 CNC 裝置的零件程序在加工前一次送入存儲(chǔ)器，并經(jīng)過檢查后方可被調(diào)用，這就避免了在加工過程中由紙帶輸入機(jī)的故障產(chǎn)生的停機(jī)現(xiàn)象。 （ 5）易于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化。數(shù)控系統(tǒng)的 結(jié)構(gòu)非常緊湊，使其與機(jī)床結(jié)合在一起成為可能，減少占地面積，方便操作。 （ 6）使用維護(hù)方便，操作使用方便。 （ 7）編程方便。 （ 8）維護(hù)維修方便。 正是由于以上的優(yōu)點(diǎn)和本著經(jīng)濟(jì)、成本低的原則，設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)型 CNC 數(shù)控系統(tǒng)是本設(shè)計(jì)的主要方案。設(shè)計(jì)總圖如圖 15?？傮w數(shù)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(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 第 17 頁 共 47 頁 圖 16 數(shù)控系統(tǒng)電路原理框圖 軟件的設(shè)計(jì)包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用 軟件的設(shè)計(jì)。應(yīng)用軟件則根據(jù)用戶編制的加工程序（如），控制機(jī)床的運(yùn)行。數(shù)控系統(tǒng)顯示器及按鍵，在右側(cè)便于觀察、調(diào)試和操作。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(jī)床的實(shí)際位置和已存儲(chǔ)的各種信息。 2. 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)應(yīng)以實(shí)現(xiàn)數(shù)控的各種功能為標(biāo)準(zhǔn)，以經(jīng)濟(jì)性為基本原則。 (2) 可擴(kuò)展存儲(chǔ)器 (指 ROM/ RAM) 的容量 。 (4) I/ O 口擴(kuò)展能力 (即對外設(shè)控制的能力 ) 。 除此之外 ,還應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)應(yīng)用場合、控制對象及對各種參數(shù)要求選擇 CPU。 8031 芯片內(nèi)部具有 128 個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ) RAM。但應(yīng)用片內(nèi)的 RAM 往往不夠 ,現(xiàn)外接6264 芯片來擴(kuò)展 8031 的 RAM 存儲(chǔ)器。 8031 是一個(gè)無 ROM 的 8051 ,