x6132铣床的数控化改造设计毕业设计论文(编辑修改稿)

x6132铣床的数控化改造设计毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

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 12。 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 12 半闭环伺服系统的组成 图 13 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Δ D。 Δ D 经位置控制放大器 2放大后成为速度指令值 v0。 D0、Da、Δ D、 v0 都是数字量。 v0 经数 /模 (D/A)转换器 3 成为模拟电压 Uc。 位置偏张家界航空工业职业技术学院 毕业设计论文 第 12 页 共 47 页 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θ 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 13 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 轴联动数控装置，整个改造方案如图 14 张家界航空工业职业技术学院 毕业设计论文 第 13 页 共 47 页 111210897564321数控装置 图 14 总体改造方案示意图 4伞齿轮 10直流伺服电机 11— 滚珠丝杠 12滚珠丝杠螺母 、主传动系统的改造 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。 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。 给传动系统的改造 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，要求它有张家界航空工业职业技术学院 毕业设计论文 第 14 页 共 47 页 足够的定位精度和重复定位精度。 一般要求定位精度为 ～ ，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。 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。 张家界航空工业职业技术学院 毕业设计论文 第 15 页 共 47 页 . 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。 张家界航空工业职业技术学院 毕业设计论文 第 16 页 共 47 页 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 15。 图 15 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 16 . 张家界航空工业职业技术学院 毕业设计论文 第 17 页 共 47 页 图 16 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。 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。 单片机的选择 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 00H～ 7FH,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 , 所以张家界航空工业职业技术学院 毕业设计论文 第 18 页 共 47 页 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)。