X6132铣床的数控化改造设计

张家界航空工业职业技术学院 毕业设计论文张家界航空工业职业技术学院毕业设计 题目：X6132铣床的数控化改造系 别： 数控工程系 专 业：机电设备维修与管理 姓 名： 李玮歆 学 号： 10353115 指导老师： 夏 罗 生 2013年4月16日X6132经济型数控化改造 内容摘要: 利用数控系统改造铣床是提高老设备利用率的一种重要手段。改造后的数控铣床，不仅适合加工椭圆弧面和凸轮曲面，而且大大地减轻了工人的劳动强度。本文介绍了一种用单片机控制伺服电机的X6132万能升降台铣床的工作台的数控改造的半闭环控制系统设计方案。改造后的机床能利用微型计算机来控制直流伺服电机，驱动工作台进行X、Y、Z三个方向的进给运动，从而实现二轴联动，该半闭环控制数控系统由测速发电机来反馈伺服电机的速度，同时由感应同步器来反馈滚珠丝杠的角位移量，具有机床自动进给的功能。该系统可实现直线插补和圆弧插补，数控加工按轮廓编程，能自动适应刀具尺寸的变化。 关键词： 数控改造 X6132 半闭环控制 X6132 Economic Transformation NC Abstract: It is implement the rebuilding of general machines to NC machines,it could increase work efficiency of old equipment. Rebuilt NC machines,not only process the oval of Arc-shaped face and the oval curved face,but also meanwhile alleviated the workers labor strength consumedly.This text introduced a kind of all-powerful working panel lifter in X6132 miller that use the half that the number of the work set of the single servo electrical engineering in control in a machine control reforms to shut the wreath control system design project. Rebuilt NC machines making use of the microcomputer controls servomotors, the three axes in the X、Y、Z plane enters to reforms to sport mutually control with the servo electrical engineering in direct current, realize the two stalks contacting move, this half closed-loop control system makes the tachogenerator to feed back the servomotors speed and the respond synchronous machine feed back the ball screw-bars angular displacement, and designed to realize the machine bed enters automatically to of the number controls the device, the numeral control system adopts the half closed-loop control .The servo electrical engineering drives, can realize the straight line put to repair and put to repair with the arc. The number controls to process to press outline plait distance procedure but can adapt to the variety that knife have size.Key Word: numerization rebuilding X6132 the half closed-loop control目 录前 言11正 文161.总体设计方案的设计161.1原来的X6132普通升降台铣床的用途161.2总体设计任务161.3总体设计方案161.4、主传动系统的改造191.4.1电气部分的改造191.4.2机械部分的数控化改造191.5给传动系统的改造191.5.1改造设计要求191.5.2进给传动系统的改造方案201.6.数控系统的硬件与软件设计211.7.改造后的布局及功能232.控制系统的硬件设计232.1单片机的选择242.1.1 CPU的比较和选用242.1.2存储芯片的选择262.1.3 I/O接口芯片262.1.4越界报警和急停电路272.2伺服电机的驱动272.2.1光电耦合电路282.2.2PWM功率放大器电路292.3检测装置332.3.1测速发电机332.3.2感应同步器342.4实现机床自动进给的数控装置352.4.1自动进给数控装置框图352.4.2总电路图352.4.3单元电路363.软件部分的系统设计383.1数控系统软件功能的实现383.2数控系统的软件设计413.2.1系统初始化413.2.2 工作方式选择413.2.3机床控制413.3数控系统的软件设计举例423.3.1 A/D转换电路的程序设计423.3.2显示器显示程序444.总 结45第 46 页 共 47 页前言装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度，数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业（如信息技术及其产业、生物技术及其产业、航空、航天等国防工业产业）的使能技术和最基本的装备。马克思曾经说过“各种经济时代的区别，不在于生产什么，而在于怎样生产，用什么劳动资料生产”。制造技术和装备就是人类生产活动的最基本的生产资料，而数控技术又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。当今世界各国制造业广泛采用数控技术，以提高制造能力和水平，提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力。此外世界上各工业发达国家还将数控技术及数控装备列为国家的战略物资，不仅采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业，而且在“高精尖”数控关键技术和装备方面对我国实行封锁和限制政策。总之，大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为世界各发达国家加速经济发展、提高综合国力和国家地位的重要途径。1. 数控技术的产生和发展数控技术是机械加工技术、微电子技术、监控检测技术、计算机技术、自动控制等多种学科的集成，是一门新兴技术。数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术，数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品，即所谓的数字化装备，其技术范围覆盖很多领域：机械制造技术；信息处理、加工、传输技术；自动控制技术；伺服驱动技术；传感器技术；软件技术等。该新技术主要是研究更好的具有高效率、高精度、高自动化、高可靠性的设备数控机床，能满足各种加工要求，提高生产率、改善产品质量、增加经济效益。数控技术从发明到现在，已有近50年的历史。按照电子器件的发展可分为5个发展阶段：电子管数控，晶体管数控，中小规模IC数控，微处理器数控；数控系统装备的机床大大提高了加工精度、速度和效率。机械制造商可以在该开放系统的平台上增加一定的硬件和软件构成自己的系统。目前，PC数控系统的体系结构主要有以下几种形式：(1)专用数控加PC前端的复合式结构这类系统的设计思想是将通用PC专用NC通过高速信息交换通道连接到一起组成一复合式数控系统。(2)通用PC加实时控制单元的递阶式结构其设计思想是利用PC机作为数控系统软硬件平台，在其标准总线上直接连接实时控制单元(将实时控制板卡插入总线插槽中)而组成完整的数控系统。(3)数字化分布式结构其方案是将由DSP等组成的数字式伺服通过以光缆等为介质的网络与PC数控装置连接起来，组成一完整的数控系统。 2.国内外数控技术的发展状况 我国数控技术起步于1958年，经过近50年的发展，我国国产数控装备的产业化取得了实质性进步。在“九五”末期，国产数控机床的国内市场占有率达50，配国产数控系统（普及型）也达到了10。 虽然在数控技术的研究开发以及产业化方面取得了长足的进步，但我们也要清醒地认识到，我国高端数控技术的研究开发，尤其是在产业化方面的技术水平现状与我国的现实需求还有较大的差距。虽然从纵向看我国的发展速度很快，但横向比（与国外对比）不仅技术水平有差距，在某些方面发展速度也有差距，即一些高精尖的数控装备的技术水平差距有扩大趋势。从国际上来看，对我国数控技术水平和产业化水平估计大致如下： a.技术水平上，与国外先进水平大约落后1015年，在高精尖技术方面则更大。 b.产业化水平上，市场占有率低，品种覆盖率小，还没有形成规模生产；功能部件专业化生产水平及成套能力较低；外观质量相对差；可靠性不高，商品化程度不足；国产数控系统尚未建立自己的品牌效应，用户信心不足。 c.可持续发展的能力上，对竞争前数控技术的研究开发、工程化能力较弱；数控技术应用领域拓展力度不强；相关标准规范的研究、制定滞后。 3. 数控技术的发展趋势 数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，他对国计民生的一些重要行业（IT、汽车、轻工、医疗等）的发展起着越来越重要的作用，因为这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。从目前世界上数控技术及其装备发展的趋势来看，其主要研究热点有以下几个方面。(1)高速、高精加工技术及装备的新趋势效率、质量是先进制造技术的主体。高速、高精加工技术可极大地提高效率，提高产品的质量和档次，缩短生产周期和提高市场竞争能力。 在加工精度方面，近10年来，普通级数控机床的加工精度已由10m提高到5m，精密级加工中心则从35m，提高到11.5m，并且超精密加工精度已开始进入纳米级(0.01m)。 在可靠性方面，国外数控装置的mtbf值已达6 000h以上，伺服系统的mtbf值达到30000h以上，表现出非常高的可靠性。为了实现高速、高精加工，与之配套的功能部件如电主轴、直线电机得到了快速的发展，应用领域进一步扩大。 (2) 5轴联动加工和复合加工机床快速发展 采用5轴联动对三维曲面零件的加工，可用刀具最佳几何形状进行切削，不仅光洁度高，而且效率也大幅度提高。一般认为，1台5轴联动机床的效率可以等于2台3轴联动机床，特别是使用立方氮化硼等超硬材料铣刀进行高速铣削淬硬钢零件时，5轴联动加工可比3轴联动加工发挥更高的效益。但过去因5轴联动数控系统、主机结构复杂等原因，其价格要比3轴联动数控机床高出数倍，加之编程技术难度较大，制约了5轴联动机床的发展。 当前由于电主轴的出现，使得实现5轴联动加工的复合主轴头结构大为简化，其制造难度和成本大幅度降低，数控系统的价格差距缩小。因此促进了复合主轴头类型5轴联动机床和复合加工机床（含5面加工机床）的发展。 (3)智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势. 21世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统，智能化的内容包括在数控系统中的各个方面：为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如加工过程的自适应控制，工艺参数自动生成；为提高驱动性能及使用连接方便的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等；简化编程、简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程、智能化的人机界面等；还有智能诊断、智能监控方面的内容、方便系统的诊断及维修等。目前开放式数控系统的体系结构规范、通信规范、配置规范、运行平台、数控系统功能库以及数控系统功能软件开发工具等是当前研究的核心。 网络化数控装备是近两年国际著名机床博览会的一个新亮点。数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求，也是实现新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元。 4.机床进行数控化改造的必要性 微观上看，数控机床比传统机床有以下突出的优越性，而且这些优越性均来自数控系统所包含的计算机的威力。 可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件；由于计算机有高超的运算能力，可以瞬时准确地计算出每个坐标轴瞬时应该运动的运动量，因此可以复合成复杂的曲线或曲面； 可以实现加工的柔性自动化，从而效率可比传统机床提高37倍；由于计算机有记忆和存储能力，可以将输入的程序记住和存储下来，然后按程序规定的顺序自动去执行，从而实现自动化。数控机床只要更换一个程序，就可实现另一工件加工的自动化，从而使单件和小批生产得以自动化，故被称为实现了“柔性自动化”；加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要“修配”；可实现多工序的集中，减少零件 在机床间的频繁搬运；拥有自动报警、监控、补偿等多种自律功能，因而可实现长时间无人看管加工。此外，机床数控化还是推行FMC（柔性制造单元）、FMS（柔性制造系统）以及CIMS（计算机集成制造系统）等企业信息化改造的基础。数控技术已经成为制造业自动化的核心技术和基础技术。 宏观上看，工业发达国家的军、民机械工业，在70年代末、80年代初已开始大规模应用数控机床。其本质是，采用信息技术对传统产业（包括军、民机械工业）进行技术改造。除在制造过程中采用数控机床、FMC、FMS外，还包括在产品开发中推行CAD、CAE、CAM、虚拟制造以及在生产管理中推行MIS（管理信息系统）、CIMS等等。以及在其生产的产品中增加信息技术，包括人工智能等的含量。由于采用信息技术对国外军、民机械工业进行深入改造（称之为信息化），最终使得他们的产品在国际军品和民品的市场上竞争力大为增强。而我们在信息技术改造传统产业方面比发达国家约落后20年。如我国机床拥有量中，数控机床的比重（数控化率）到1995年只有1.9，而日本在1994年已达20.8，因此每年都有大量机电产品进口。这也就从宏观上说明了机床数控化改造的必要性。 5.数控改造的目的和意义 我国是制造大国，在世界产业转移中要尽量接受前端而不是后端的转移，即要掌握先进制造核心技术，否则在新一轮国际产业结构调整中，我国制造业将进一步“空芯”。我们以资源、环境、市场为代价，交换得到的可能仅仅是世界新经济格局中的国际“加工中心”和“组装中心”，而非掌握核心技术的制造中心的地位，这样将会严重影响我国现代制造业的发展进程。 我们应站在国家安全战略的高度来重视数控技术和产业问题，首先从社会安全看，因为制造业是我国就业人口最多的行业，制造业发展不仅可提高人民的生活水平，而且还可缓解我国就业的压力，保障社会的稳定；其次从国防安全看，西方发达国家把高精尖数控产品都列为国家的战略物质，对我国实现禁运和限制，“东芝事件”和“考克斯报告”就是最好的例证。 从我国基本国情的角度出发，以国家的战略需求和国民经济的市场需求为导向，以提高我国制造装备业综合竞争能力和产业化水平为目标，用系统的方法，选择能够主导21世纪初期我国制造装备业发展升级的关键技术以及支持产业化发展的支撑技术、配套技术作为研究开发的内容，实现制造装备业的跨跃式发展。 在高精尖装备研发方面，要强调产、学、研以及最终用户的紧密结合，以“做得出、用得上、卖得掉”为目标，按国家意志实施攻关，以解决国家之急需。在竞争前数控技术方面，强调创新，强调研究开发具有自主知识产权的技术和产品，为我国数控产业、装备制造业乃至整个制造业的可持续发展奠定基础。6.数控改造的可行性分析 在当前经济条件下，中、高档全功能数控机床的功能齐全，功率较大，动作较多，运动较复杂，定位精度较高。但是配置这种系统的数控机床价格昂贵。我国一般的中小企业购置困难。而将经济型数控系统用于普通机床的改造和升级换代是符合我国目前国情的一条有效途径。因为经济型数控系统有以下特点： 价格便宜。系统只需1-2万（国外系统则需十几万到几十万），适合我国中小型企业的现有普通机床的数控改造。解决复杂零件的加工精度控制，并提高生产率。经济型数控机床，一般可提高工效37倍。对复杂零件而言，难度越高，提高的工效则越多。适合多品种、中小批量产品的自动化加工，对产品的适应性强。对于不同零件的加工，可以通过变换加工程序和更换不同刀具来实现。提高产品质量，降低废品率，尤其是加工的产品尺寸一致性好，合格率高。节约工装费用，降低成本。经济型数控机床可以不用或少用工装，尤其对于复杂零件可不用靠模或成型刀具。不仅节约费用，还可缩短生产准备周期。减轻工人的劳动强度。提高工人素质，促进科技成果的普及和应用，为“体力型”向“智力型”转变创造条件。近年来，我国成功应用经济型数控系统配置车床、铣床、线切割机床、冲床以及普通机床的改造等，并在投入使用后确实成倍提高的生产率，减少了废品率，取得了显著的技术经济效益。经济型数控在我国得到了日益广泛的应用，潜在的市场也很大。正因为如此，本设计将对X6132进行经济型数控改造。正 文1. 总体设计方案的设计 1.1原来的X6132普通升降台铣床的用途原X6132卧式万能升降台铣床是属于通用机床，主要适用于加工单件、小批量生产和工具修理部门，也可以用于成批生产部门。可利用各种圆柱铣刀、圆片铣刀、成型铣刀和端面铣刀等，铣削各种平面、斜面、成型表面、沟槽及齿轮等。还可以利用分度头，可以加工各种螺旋槽。外观如图1-1。对于它的数控化改造用于扩大加工范围，提高加工精度，提高工作效率，满足生产急需是非常必要的，从经济角度上也是可行的。 图1-1 X6132普通升降台铣床外观图1.2总体设计任务将原来的X6132要改造成加工精度高、定位准确、可靠，扩大其加工范围，提高加工效率，各性能参数有所提高，使其可以铣削圆弧面与斜面等形状复杂的高精度零件(如凸轮轴)。1.3总体设计方案 经济型数控铣床的改造，为了保证被改造后的性能不低于原铣床，选X、Z坐标快进速度不低于2.4m/min，水平拖动力按15KN计算，则所需的功率为： P=FV=15=0.6Kw如果采用步进电机作为伺服驱动元件，步进电机达不到此功率要求。 例如：200BF001反应式步进电机，最大静转矩为，最高运行频率为11000step/s，步距角为1/6，若取最高工作频率下的工作扭矩为静扭矩的1/4，则高速小的功率为：因此，如果选用步进电机，必须相应地降低机床的某些性能，主要是快速性。另一方面由于步进电机在低速工作时有明显的冲动，易自激振荡，而且激振频率很可能落入铣削加工所用的进给速度范围内，着对加工极为不利，造成工件超差。此外，由于步进电机没有过载能力，高速时扭矩下降很多，容易丢失，大功率步进的驱动较困难等，选用步进电机驱动是不合适的。若采用直流或交流伺服电机的闭环控制方案，结构复杂，技术难度大，调试和维修困难得多，造价也高。闭环控制可以达到很好的机床精度，能补偿机械传动系统中各种误差，消除间隙，干扰等对加工精度的影响，一般应用于要求高的数控设备中，由于所改造数控铣床工件的加工精度不十分高，采用闭环系统的必要性不大。若采用直流或交流伺服电机的半闭环控制,其性能介于开环和闭环之间.由于调速范围宽,过载能力强,有采用反馈控制因此性能远优于步进电机的开环控制;反馈环节不包括大部分机械传动元件,调试比闭环简单,系统的稳定性较易保证,所以比闭环容易实现.但是采用半闭环控制,调试比开环控制的步进电机要困难些,设计上也有自身的特点.在直流和交流伺服电机之间进行比较时,交流调试逐渐扩大了其使用范围,似乎有取代直流伺服的趋势.但是交流伺服的控制结构复杂,技术难度高,普及不广,而且价格高.直流伺服电机原理接近于直流电机,控制系统技术比较成熟,普及广。用直流伺服电动机的半闭环伺服系统的组成如图1-2。数控装置NC发出的位置指令在位置控制器内与位置反馈信号比较，然后转换成位置误差的模拟电压。这个电压是速度指令电压。速度指令电压与速度反馈电压在速度控制器内比较和放大后转换成速度控制电压并输给伺服电动机，使电机得到一定的转速。直流伺服电动机的基本性能是：转速决定于输入电压，电流决定于负载力矩。因此，输入直流伺服电动机的，必须是速度模拟电压。速度环的作用在于把位置误差模拟电压变成一个比较稳定的速度模拟电压。速度反馈的作用在于使转速稳定。位置控制则用以检查伺服电动机的转角是否符合位置指令的要求。图1-2 半闭环伺服系统的组成图1-3是直流伺服电动机的半闭环伺服系统原理。数控装置来的位置指令D0与位置反馈系统检测出的实际位置检测值Da在位置偏差监测器1中比较。其差值为位置偏差值D。D经位置控制放大器2放大后成为速度指令值v0。D0、Da、D、v0都是数字量。v0经数/模(D/A)转换器3成为模拟电压Uc。位置偏差越大，则要求伺服电动机的转速越高，这时的Uc也越大。因此，Uc是速度指令电压。Uc于速度反馈电压Ug在速度偏差监测器4内比较，其差值为速度偏差电压Ua。设置速度反馈的目的是稳定电动机的转速。由于伺服电动机的转速还受负载的影响，当负载发生变化（如切深发生变化）时，电动机转速将发生变化。加上速度反馈后转速可以比较稳定。速度偏差电压Ua经速度控制放大器5放大后，成为速度控制电压Um。这个电压加在伺服电机6上，使它得到角速度m。与伺服电动机相联系的有速度反馈装置7和位置反馈装置8。速度反馈装置发出与伺服电动机转速成正比的速度反馈电压Ug，与速度指令电压Uc相比较。位置反馈装置8发出与伺服电动机的转角成正比的实际位置检测值Da，与位置指令值D0相比较。图1-3 半闭环伺服系统原理控制部分的设计要能控制三个坐标轴的运动,根据加工要求,至少要控制两轴联动完成圆弧插补,为了在加工中使用不同尺寸的刀具,数控装置应具有刀具的半径和长度的补偿功能,以便数控加工按轮廓编程程序而能适应刀具尺寸的变化。综上所述，铣床数控改造方案确定为：直流伺服半闭环控制，采用三坐标2.5轴联动数控装置，整个改造方案如图1-4图1-4 总体改造方案示意图1、3、4-伞齿轮 2、7、10-直流伺服电机 5、8、11滚珠丝杠 6、9、12-滚珠丝杠螺母1.4、主传动系统的改造1.4.1电气部分的改造一般中小型机床的主传动采用普通交流电机拖动，大型机床多用直流电机拖动。直流电机拖动可以实现无级平滑调整，变速范围宽，主轴箱体结构简单，振动和噪音较小，加工工件精度较高，不需要改造；如果自动化程度要求较高，经常要求变速并且变速特征较好的场合，可用交流异步电动机的变频系统，增加一个变频器，实现主轴的自动无级变速。1.4.2机械部分的数控化改造主传动的改造主要是主轴支承或工作台导轨的改造。普通机床的主轴支承多为滚动轴承或滑动轴承。为了提高工作台的承载能力和精度，消除低速爬行现象，可将传统的动压导轨改为先进的恒流静压导轨。1.5给传动系统的改造1.5.1改造设计要求进给伺服系统的改造式这次改造设计的重点，因此它改造后的性能的好坏将直接影响到整个系统性能的好坏。也因此对进给伺服系统提出了改造设计要求：（1） 高精度由于伺服系统控制数控机床的速度和位移输出，为保证加工质量，要求它有足够的定位精度和重复定位精度。一般要求定位精度为0.0010.01mm，速度控制要求较高的调节精度和较强的抗负载抗干扰能力，以保证动静态精度都较高。（2） 快速响应，无超调快速响应是伺服系统动态品质的重要指标，它反映了系统的跟踪精度。它主要要求伺服系统跟随指令信号不仅跟随误差小，而且响应要快，稳定性要好。（3） 调速范围宽由于工件材料、刀具以及加工要求不同，要保证数控机床在任何情况下都能达到最佳切削条件，伺服系统就必须有足够的调速范围。这样既能满足高速加工要求，又能满足底速加工要求。在低速切削时，还要伺服系统能输出较大功率的转矩。（4） 系统可靠性好数控机床的使用率很高，常常是24小时连续加工不停机，因而要求系统稳定，其工作可靠。其平均无故障时间越长，系统性能越好。1.5.2进给传动系统的改造方案（1）电气部分的改造进给传动是按数控系统的指令，经放大后使刀具精确定位或按规定的轨迹运动（如直线、圆弧等），加工出符合要求的工件。因此要求进给传动具有较高的定位精度和垂直定位精度，响应快、调整范围宽、输出功率大。一般中小型机床的数控化改造多用微机控制的开环步进电机驱动，这种方式简单、经济、安装调试方便，但是控制精度和速度较低。大型机床多用直流电机半闭环控制方式，控制精度和速度比开环控制方式高，但是价格较高，维修较困难。（2）机械部分的数控化改造进给系统的改造主要是提高移动部件的灵活性，减少或消除传动间隙，通常是改造导轨副、进给箱和移动元件。导轨副的改造方法有两种：一是把滑动导轨改为滚动导轨或静压导轨，用以消除传动间歇、提高定位精度，但工艺复杂，改造费用大，实现起来比较困难。二是在进给移动部件在粘接聚四氟乙烯软带，改造为粘塑导轨副。进给箱的改造主要是减少进给箱内的齿轮对数（往往是取消进给箱或仅是一级减速进给箱），并增有消除或减少间隙的装置（如双片齿轮结构）。在机床进给传动中，需将旋转运动变成直线运动。普通机床采用普通丝杠副实现，其摩擦阻力大，传动效率低、动摩擦系数相差大、低速容易出现爬行。采用滚珠丝杠副可以满足数控机床的要求，其精度高、反应快、无爬行。1.6. 数控系统的硬件与软件设计计算机数控系统（CNC）是20世纪70年代发展起来的机床数控系统，它是用一台计算机代替原先的硬件数控系统（NC）所完成的功能。他之所以取代以前的NC系统和当前设计选用的原因，是因为CNC系统具有NC系统无法比拟的优点： （1）活性大。 NC系统是用硬件逻辑电路来实现对机床的控制功能。这种固定的接线的电路一旦制成后，就难以改变，而CNC系统的数控功能大多由软件在通用性较强的硬件的支持下来实现的，其功能的修改、扩充和适应性方面都具有较大的灵活性，如果要改变、扩充其功能，只需通过对软件的修改和扩充便可实现。 （2）通用性强。 CNC系统的软件和硬件大多是采用模块化的结构。按模块化方法组成的CNC系统基本配置部分是通用的，不同的数控机床（如车床、铣床、磨床、加工中心等），只要配置相应的功能模块，就可满足这些机床的特定控制功能，这对数控机床的培训和学习以及维护、维修也是十分方便的。 （3）数控功能丰富。 CNC系统利用计算机的高度计算能力，可实现许多复杂的数控功能，如高次曲线插补、动静态图形显示、多种补偿功能、数字伺服控制功能等。（4）可靠性高。 CNC装置的零件程序在加工前一次送入存储器，并经过检查后方可被调用，这就避免了在加工过程中由纸带输入机的故障产生的停机现象。许多功能由软件实现，硬件结构大大简化，采用大规模和超大规模通用和专用集成电路，使可靠性进一步提高。（5）易于实现机电一体化。 由于采用计算机，使硬件数量相应减少，加之电子元件的集成度越来越高，使硬件的体积不断缩小，同时控制柜的尺寸也相应减少。数控系统的结构非常紧凑，使其与机床结合在一起成为可能，减少占地面积，方便操作。由于通讯功能的增强，容易组成数控加工自动生产线，如FMC、FMS、DNC和CIMS等。 （6）使用维护方便，操作使用方便。 目前大多数数控机床的操作采用了菜单结构，用户只需根据菜单的提示，进行正确操作。 （7）编程方便。 大多数数控机床具有多种编程的功能，并且都具有程序自动校验和模拟仿真功能。 （8）维护维修方便。 数控机床的许多日常维护工作都由数控装置承担；而且，数控机床的自诊断功能，可迅速使故障定位，方便维修人员。正是由于以上的优点和本着经济、成本低的原则，设计经济型CNC数控系统是本设计的主要方案。改造方案总体可以从硬件、软件两部分来着手设计。设计总图如图1-5。 图1-5 数控改造设计总图系统主要由89C51单片机、速度检测元件、直流伺服电机，及相应的接口电路组成。总体数控系统电路原理框图如图1-6. 图1-6 数控系统电路原理框图软件的设计包括系统软件和应用软件的设计。系统软件其作用主要是检测系统状态并提供基本操作管理，其中包括I/O接口初始化，单片机定时器/计数器初始化，键盘数据区、显示缓冲区初始化，各种软件标志初始化，中断处理等，系统软件部分采用模块化设计。应用软件则根据用户编制的加工程序（如），控制机床的运行。1.7.改造后的布局及功能X6132的工作台装有进给伺服系统，床身左侧的电气箱内装有主控器和强电系统。数控系统显示器及按键，在右侧便于观察、调试和操作。数控系统为CNC半闭环控制，伺服电机驱动，可实现直线插补和圆弧插补。显示器可采用阴极发光二极管（LED），用以显示输入的程序，机床的实际位置和已存储的各种信息。手动操作时，显示器可作为数字读出装置使用。2. 控制系统的硬件设计系统的硬件设计应以实现数控的各种功能为标准，以经济性为基本原则。2.1单片机的选择2.1.1 CPU的比较和选用在选择CPU 时应考虑的因素是:(1) 时钟频率和字长(即控制数据处理的速度) ;(2) 可扩展存储器(指ROM/ RAM) 的容量;(3) 指令系统的功能是否强(即编程的灵活性) ;(4) I/ O 口扩展能力(即对外设控制的能力) ;(5) 开发手段(包括支持开发的软件和硬件电路) 。除此之外,还应根据系统应用场合、控制对象及对各种参数要求选择CPU。在大多数相关的机床改造资料及论文中都采用了8031，原因是：8031 单片机是集CPU 、I/ O 端口及部分RAM 等为一体的控制器,开发手段齐全,指令系统功能强,编程灵活性大,硬件资料也很丰富。8031 芯片内部具有128 个字节的数据存储RAM。内部编址为00H7FH,用作工作寄存器、堆栈、软件标志和数据缓冲器,CPU 对内部RAM 有丰富的操作指令。但应用片内的RAM 往往不够,现外接6264 芯片来扩展8031 的RAM 存储器。8031 的输入、输出( I/ O) 线不多, 所以外接8155 芯片以扩展I/ O口。8031 是一个无ROM 的8051 , 必须外接E2PROM 或ROM 作为程序存储器, 所以必须外接一片2764 。8031 为40 引脚的双列直插式器件, 有4 个双向8 位I/ O 口( P0 P3) , P0 口和P2 口作为地址总线使用, P1 口用作行程控制, P3 口用作第二功能使用。16 位地址总线由P0 口经地址锁存器74LS373 提供低8 位( A 0 A 7) ,高8 位( A 8 A 15 ) 由P2 口直接提供。8 位数据总线由P0口提供。这样数据总线与地址总线共用。AL E为地址锁存允许,当送低8 位地址时使AL E 有效。并锁存到74LS373 中,当送数据时使AL E 无效。在实际应用方面比较繁琐，已被市场淘汰。如果选用89C51，它的内部不但有128位的存储器，而且相对于8031还有以下优点： *与MCS51兼容 *4K字节可编程闪烁存储器 *寿命：1000写/擦循环 *数据保留时间：10年 *全静态工作：024Hz *三级程序存储器锁定 *1288位内部RAM *32可编程I/O线 *两个16位定时器/计数器 *5个中断源 *可编程串行通道 *低功耗的闲置和掉电模式 *片内震荡器和时钟电路 经过两者比较，本设计决定选用89C51单片机。该数控系统采用了多CPU结构，以适应功能强、速度快、分辨率高的要求。数控系统采用的中央CPU、显示和键盘管理CPU及插补和输入/输出CPU。中央CPU起主要控制作用，负责数控程序的编辑，数控程序段的译码预处理，刀具半径补偿的计算，刀具和机器参数编辑，诊断处理，键信号监控处理以及协调另两个CPU同步工作。显示CPU主要功能是按照中央CPU送来的显示命令和显示内容，组成相应的显示页面，负责产生CRT显示器所需要的视频扫描信号，控制显示器按规定的显示方式显示有关信息。此外，扫描键盘，将接受的键盘和开关信号经译码后送给中央CPU进行相应处理。插补CPU主要进行插补运算，发生伺服驱动所需的控制信号，接收测量元件的反馈信号，实现速度和位置的控制。此外，对输入/输出信号进行控制，并完成RS232C通讯功能。插补CPU接收中央CPU送来的程序段信息和其他命令，并返回插补完成情况及出错信号。为了完成信息交换，中央CPU与显示CPU之间，中央CPU与插补CPU之间分别设置了公用存储区。以中央CPU与插补CPU之间数据交换为例，为了避免两个CPU同时存取公用存储区而发生冲突，需要采用措施。为了简化线路和控制，该设计方案采取借用Z80CPU所具备的总线请求和响应的功能，以中央CPU为主控，当中央CPU需要时，通过I/O口，由芯片8255的输出向插补CPU的总线请求发出信号。插补CPU返回响应后，也经由8255，从输入口传给中央CPU。中央CPU接到响应信号后把中央CPU的地址信号送达插补CPU的存储区，数据得以传送。在地址分配上。为了减少芯片数，插补CPU所用的ROM采用2片EPROM2764，由三根地址线译码后，每个输出Y端控制8K存储区。2片2764占低地址区。但RAM只需2K（包括公用存储区），设计中把公用存储区放在最高地址区，为了精确地选址，又加了74LS139，进一步用、选定RAM的地址为0F800H0FFFFH。2.1.2存储芯片的选择由于89C51本身带有存储器，故不用选择存储芯片。2.1.3 I/O接口芯片 数控系统要完成数据的输入/输出，由于89C51芯片的输入/输出接口有限，不能完成设计所需的所有输入/输出工作，因此我们使用两8255芯片来完成。输入/输出采用8255，每片可以有24个端口作为输入/输出用。对伺服驱动单元的饿控制模拟量信号采用DAC0830数/模转换。为了实现正反转控制，采用二级放大，可输出控制信号。由于数控装置在使用RS23C通讯功能时不做其它工作，为了简化结构，利用8255的一个输入端口和一个输出端口，用软件实现串行数据通讯。I/O的地址分配，I/O片不多，为简化线路减少芯片数，地址译码输入只用了5根地址线，输出分别给CTC，2片8255和4片DAC0830共7个芯片，其中CTC和8255每个口有2个地址，而DAC0830有8个地址。 8255可编程并行输入/输出接口芯片是Intel公司生产的标准外围接口电路，采用NMOS工艺制造，用单一的+5V电源供电，具有40条引脚，采用双列直插式封装。该芯片有三个I/O端口，即A口、B口和C口，对应的引脚分别是PA0PA7、PB0PB7和PC0PC7。其内部还有一个控制寄存器，即控制口。通常A口、B口作为输入/输出的数据端口，而C口作为控制或状态信息的端口，它在方式字的控制下，可以分为4位的端口，每个端口包含一个4位锁存器。它们分别与端口A/B配合使用，可以用作控制信号输出或作为状态信号输入。用一片8255来控制LED与键盘输入。键盘与显示设计在一起，8255的PB口（PB0PB7）提供键盘的列线及显示器的扫描控制线（字位线）。PC口的PC0PC4为键盘的行线，PA口的PA0PA7作为显示器的字行输出口，并经过用于使得数码管显示亮度增强的7404驱动器。另一片8255则通过YB015与伺服电机驱动电路连接实现对伺服电机的控制。其中，PA0PA6接X向、Y向和Z向直流电动机硬件环形分配器，为输出，PB0PB7为三个方向的点动及回零输入，PC0PC5为面板上的选择开关，设有编辑、单步运行、单段运行、自动、手动1、手动2等方式。系统各芯片采用全地址译码。X向、Y向直流电动机硬件环形分配器采用YB015，3-2相通电五相十拍方式工作，故A0、A1引脚均接+5V，Z向向直流电动机硬件环形分配器采用YB014，是以2-3相通电四相八拍方式工作，A0、A1接高电平。三个芯片的选通输出控制E0分别接8255的PA2、PA4、PA6，时钟输入端CP接8255芯片的TIMEOUT，用以决定脉冲分配器输出脉冲的频率。为实现插补时不同的进给速度，可给8255芯片定时/计数器中设置不同的时间常数。89C51的P0口与ALE口连接了一片28引脚8位8通道逐次逼近式A/D转换器0809，在其后装了测速发电机，来检测直流电机的速度输出，0809的作用是将28CY01测速发电机传来的模拟信号变化转变成数字量，传入89C51，以实现对机床的半闭环控制。2.1.4越界报警和急停电路 此控制系统中设有越界报警和急停电路。如图2-1。X、Y、Z方向的越界和急停信号经与门引入89C51的P3.2，中断源INT0，同时又接到89C51的P1口，采用硬件申请中断和软件查询的方法，便可确定时哪个方向越界。当X、Y、Z等一方向越界，则相应的红灯亮报警。 图2-1 越界报警和急停电路2.2伺服电机的驱动伺服电机的驱动电路如图2-2。 图2-2 伺服电机的驱动电路其中：输入接口主要由A/D转换器0809，接口运算放大器N5和测速发电机组成。测速发电机输出的模拟信号经0809转换成数字信号输入单片机89C51。0809的寻址方式采用的是存储器方式。接口运算放大器有两个作用：a.组成有源低通滤波器，抑制测速发电机由于系统的震荡而产生的高频噪声。b.组成放大倍数小于1的放大器，将测速发电机的输出信号压缩在5V以内。输出接口就是单片机和伺服电机功率放大器的接口。主要由YB015、光电耦合电路、功率放大电路、光电隔离电路及伺服电机组成。2.2.1光电耦合电路光电耦合器于1966年问世，把不同的发光器件和各种光接收器组合起来，就可构成几百个品种系列的光电耦合器，因而，该器件已成为一类独特的半导体器件。其中光敏二极管加放大器类的光电耦合器随着近年来信息处理的数字化、高速化以及仪器的系统化和网络化的发展，其需求量不断增加。光电耦合器的主要结构是把发光器件和光接收器件组装在一个密闭的管壳内，然后利用发光器件的管脚作输入端，而把光接收器的管脚作为输出端。当在输入端加电信号时，发光器件发光。这样，光接收器件由于光敏效应而在光照后产生光电流并由输出端输出。从而实现了以“光”为媒介的电信号传输，而器件的输入和输出两端在电气上是绝缘的。这样就构成了一种中间通过光传输信号的新型半导体电子器件。光电耦合器的封装形式一般有管形、双列直插式和光导纤维连接三种。光电耦合的主要特点如下：输入和输出端之间绝缘，其绝缘电阻一般都大于10 10，耐压一般可超过1kV，有的甚至可以达到10kV以上。由于“光”传输的单向性，所以信号从光源单向传输到光接收器时不会出现反馈现象，其输出信号也不会影响输入端。由于发光器件（砷化镓红外二极管）是阻抗电流驱动性器件，而噪音是一种高内阻微电流电压信号。因此光电耦合器件的共模抑制比很大，所以，光电耦合器件可以很好地抑制干扰并消除噪音。容易和逻辑电路配合。响应速度快。光电耦合器件的时间常数通常在微秒甚至毫微秒极。无触点、寿命长、体积小、耐冲击。 本设计选用的是TLP光电耦合器BJB34，电路图如图2-3。其中：2口接+5V，8口接+12V，3口接YB015，6口、5口接功率放大器。 图2-3光电耦合电路2.2.2PWM功率放大器电路 直流伺服电机常采用的功率驱动元件是晶闸管和功率晶体管，而速度的调节主要采用调节加在电枢上的电压大小来实现，电机的换向则是通过改变电枢电流的方向或励磁电流的方向来实现。这里，采用功率晶体管驱动系统。功率晶体管驱动伺服电机，可工作在放大区，构成放大型功率晶体管驱动系统，而工作在开关状态，则构成开关型功率晶体管驱动系统。在开关驱动系统中，目前广泛采用的是脉冲宽度调制式（PWM）驱动系统，这也是目前数控机床上广泛采用的。PWM系统的主要特点是：采用较高的开关频率，使得电枢电流仅靠电枢电感或附加较小的电抗器便可连续，所以电机损耗、发热和噪声都小，稳定精度高，调带范围宽；功率晶体管工作在开关状态，其损耗小，电源利用率高，并且控制方便。PWM驱动系统主电路有两种结构型式，一种是H型（也是桥式），另一种是T型。这里采用H型。原理见图2-4：图中四个二极管为续流二极管，用于保护功率晶体管免受遭高压电流击穿。H型在控制方式分为双桥式和单级式两种。这里采用双级式PWM的驱动。四个功率晶体管的基极驱动电压分为两组：。各晶体管的驱动电压波形图如图2-5：图2-4：H型PWM驱动系统主电路原理图图2-5：双级性PWM驱动电压波形和电枢电流波形在使和饱和导通, 和截止，加在电枢端电压，A点为正，B点为负，即（忽略和的饱和压降），电枢电流沿回路1流通。当使和截止, 但和并不能立即导通。这是因为在电枢电感的作用下，电枢电流经续流，沿回路2流通，的压降使和承受反压的缘故。和能否导通，取决于续流电流。当电枢电流较大时，在时间内，一直为正，如图b所示， 此时，和没等导通，下一个周期即到来，又使和导通，电流又开始上升，使电流维持在一个正值附近波。当电枢电流较小时，在时间内，续流电流可能降到零，于是和在电源电压和反电动势的共同作用下导通，沿回路3流通，方向反向，电动机处于反接制动状态，直到下一周期，和导通，才开始回升，如图所示。电机的转向取决于电枢电流的平均值，即取决于电枢端电压的平均值。若在一个周期内，加在和的正脉冲宽度（）和加在和的正脉冲宽度（） 相等（即=T/2，T为周期），和的导通时间与使和饱和导通, 和截的相等，电枢电压的正负半波面积相等，其平均电压为零，电动机静止不动。当时，电枢平均电压大于零，电机正转，平均值越大，转速越高。当时，电枢平均电压小于零，电机反转。由上述过程可知，双极性PWM驱动系统中，电机的静止是动态静止，有利于消除正反转死区。在设计双极性PWM驱动系统时要注意解决以下的问题：1）防止直通。由于功率晶体管为非理想开关器件，在两组晶体管交替开关过程中可能出现和 或和同时导通现象，即直通现象，造成电源短路。为防止直通现象，应在驱动电路上附加延时环节，使两组晶体管的开关脉冲错开一段时间。在CNC中采用硬件逻辑延时或软件延时。2）开关脉冲频率的选择。晶体管开关脉冲频率的选择要从以下两方面综合考虑：频率响应。开关脉频率高，系统的动态响应好，频带宽。调整范围宽，另外，高的开关频率也会降低电机的损耗。但开关频率太高，会是晶体管的动态损耗太大，直通现象也难以防止，这限制了开关脉冲频率的提高。防止谐振。开关脉冲频率的选择要避开系统各部分的谐振区，通常选择高于谐振频率。在微机控制PWM驱动系统中，脉冲宽度控制信号可由计算机通过软件产生，所以硬件电路简单，控制灵活，微机PWM驱动系统的原理框图见图2-6。微机输出脉宽控制信号经驱动器放大，驱动PWM主电路的功率晶体管开关。 图2-6微机PWM驱动系统的原理开关频率及脉冲宽度都可采用软件来调节。计算机同时采样速度和位置反馈信号，并利用软件对速度和位置进行调节。PWM的控制脉冲也可以由脉宽调制器产生，这时微机需要通过D/A转换器脉宽调制器输入脉宽控制信号。替安置信号可以是三角波或锯齿波。图2-7是三角波脉宽调制电路。N1为比例放大器，N2为积分放大器。N1和N2构成三角波发生器，输出三角波调制信号U1。调节电位器RP可改变三角波的频率。用三角波信号对给定信号Ui进行调制，在比较器CP的输出端便得到宽度和UI成正比，频率等于三角波频率的脉宽信号。UI可由微机经D/A转化器给定。图2-7 三角波脉宽调制电路2.3检测装置2.3.1测速发电机测速发电机（TG）有直流和交流两种，在此伺服系统中采用的是直流测速发电机。为了提高检测的灵敏度，将测速发电机直接连接在电机轴上。图2-8为直流测速发电机的工作原理。当位于磁场中的线圈旋转时，在线圈的两端将产生感应电动势E，根据法拉第定律可以得出： 图2-8 测速发电机 E= Ki 式中 Ki 测速发电机的增益，Vs 电枢的角速度，rad/s。当直流测速发电机有负载时，电枢的旋转线圈便会产生电流，破坏了输出电压与转速的线性度，使发电机的输出特性产生误差。因此，为保证直流测速发电机的测速精度，应尽可能使测速发电机在低负载下工作，即工作在转速变化范围小而负载电阻较大的场合。测速发电机有线性好、灵敏度高和输出信号强等优点，故广泛用于工业自动检测和自动调节电机转速。检测范围20400r/min，精度0.20.5。将测速发电机的转子轴同直流伺服电机的转子轴连在一起，则测速发电机就成为伺服电动机的速度反馈传感器。2.3.2感应同步器 感应同步器是应用电磁感应原理来测量直线位移或角位移的传感器。其中，直线式用来测量直线位移，圆盘式用来测量角位移。本设计采用的是圆盘式，其结构相当于一个多级旋转变压器。它的结构原理如图2-9。它由定子和转子组成，转子上印刷有一个感应绕组，定子上印刷有正弦和余弦两个绕组