X5032數(shù)控化銑床改造的設(shè)計(jì)【含3張CAD圖紙+PDF圖】
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3 科技譯文 Modular machine tool profession present situation and development ponder ABSTRACT Present state and development direction of modular machine tool technology and equipment at home and abroad are summarized. Some concepts of the author are set forth。 Keywords: Modular machine Development thinking Technological innovation Our country joins after WTO, the manufacturing industry faces opportunity and challenge coexisting. The Modular machine tool profession enterprise at the right moment adjusts the strategy, adopted positively should to the strategy, appeared has produced! Sells two prosperous good tendencies, up to September, 2002, an Modular machine tool profession enterprise only Modular machine tool product item, the output has reached 800 according to incomplete statistics, the output value reaches 3 above the hundreds million, in 2001 the same ratio grew above 10%, moreover Modular machine tool profession industry increase in value! Product sales rate! Whole staff total wages! The exportation delivery value and so on the economic indicator has the varying degree growth, new product! The new technology goes to the yearly average to have the large scale enhancement, the obvious profession enterprise operation condition is good” 1 Modular machine-tool technical equip present situation and trend of development The Modular machine tool and from the generation is the collection mechanical and electrical in a body synthesis automatic high technique of manufacture and the complete craft equipment, Its characteristic is highly effective! High-grade! The economy is practical, thus is widely applied in the project machinery! Transportation! Energy! War industry! Light industry! Professions and so on electrical appliances. Our country tradition Modular machine tool and the Modular machine tool mainly use from the generation machine! Electricity! Gas! The hydraulic control, its processing object mainly produces the Modular machine tool processing connecting rod which the batch quite big major and medium flask body class and the axis class components (the recent years developed! The board and so on also occupies certain share), completes the drill hole! Broaching! Reams, processes each kind of thread! Bore! Surfacing and lug boss, in hole boring each kind of shape trough, as well as milling plane and formed surface and so on. he Modular machine tool classification is many, has the large-scale Modular machine tool and the small Modular machine tool, has one-sided! Two-sided! Three! Horizontal type! Vertical! Inclined type! Compound expression, but also has the multi-location rotation table model Modular machine tool and so on; Along with the technical unceasing progress, one kind of new Modular machine tool, the flexibility Modular machine tool more and more receives peoples favor, it applies the multi-position headstock! May trade the headstock! The code retinue jig and the cutting tool automatic replacement, matches by programmable controller (PLC)!Numerical control (NC) and so on, Along with market competition aggravating and to product demand, high accuracy! High productivity! Flexibility! Multi-varieties! Short period! The numerical control engine bed and is attacking the traditional Modular machine tool profession from the generation, therefore the Modular machine tool equips the development mentality must be by increases the group bed processing precision! Modular machine tool flexibility! The Modular machine tool operational reliability gathers the engine bed technology the complete set for the main attack direction. At the same time, the enhancement technology application, enhances the Modular machine tool product numerical control rate; On the other hand further develops the new part, the multi-coordinates part, causes its modulation in particular! Flexibility, adaptation adjustable invariable! Multi-variety processing market demand. Super velocity and super elevation precision processing technical equip and compound! Multi-purpose! The multiple spindle control device and so on is welcome deeply. However more essential is the Modern Communication Technology in the engine bed equipment application, the information communication introduction causes the modern engine bed the automatic further to enhance, also has the quite big disparity in these aspect our country Modular machine tool equipment, therefore our country Modular machine tool technical equip high velocity! High accuracy! Flexibility! Modulation! Adjustable invariable! Random workable as well as the communication application will be the next development direction” 2 Modular machine tool profession development ponders in the recent two years although the Modular machine tool profession production and marketing presents the trend of escalation, but in the profession some enterprise similar existence debt management situation, the primary cause is the traditional Modular machine tool product can satisfy the user flexibility! High accuracy! The short period market demand, simultaneously Modular machine tool profession some enterprises have the modern management level to be low! The brain drain is serious! The achievements in scientific research cannot transform rapidly as flaws and so on productive forces. For this proposed suggested as follows: (1) enhancement modern management level, after China joins WTO, the urgent need enterprise raises the modern management level, further deepens the enterprise interior reform, establishes the perfect adaptation market economy the operational mechanism,/The establishment enterprises science management system, achieves the centralization to be correct! Decentralization order! The authorization has the chapter! With the power having responsibility right intrinsic unification organic synthesis, is enhances the enterprise controlling force to have “must completely change the backward system, must set up the globalization management idea, sharpens the international market competitive ability, establishes the market rapid reaction mechanism, adapts the market demand which develops day by day” (2) urgently awaited to sharpen the enterprise innovation ability “enterprises survival, the key lies in the product the vitality” to march into Electronic Age today, the traditional Modular machine tool already cannot meet the high speed development domestic and foreign market requirement, this request enterprise had to adapt the science and technology rapid development, established the technological innovation system, the advancement enterprises technology advancement, accelerated to the flexibility! Numerical control! High accuracy! The short period direction develops, enhances the Modular machine tool applicable scope and the market coverage; Simultaneously implements the name brand strategy, the struggle creates the world brand, accelerates our country Modular machine tool development advancement, causes Our country Modular machine tool Profession Enterprise to be in an impregnable position in the world manufacture domain. In summary, the Modular machine tool profession must develop the technical attack attacking and capturing current profession enterprise technological development difficult problem; Two must strengthen and the overseas joint capital cooperation, the use and the study overseas vanguard technology, enhances the enterprise the modern management level and the technical level; Three must through to introduce technical the digestion absorption to carry on innovates again, develops own product “through ours endeavor, causes our country truly by to make the great nation to turn makes the powerful nation” 組合機(jī)床行業(yè)現(xiàn)狀與發(fā)展思考
摘要： 我國(guó)組合機(jī)床技術(shù)裝備的現(xiàn)狀和行業(yè)的發(fā)展，并提出了本人的一些觀點(diǎn)
關(guān)鍵詞：組合機(jī)床 發(fā)展思路 技術(shù)創(chuàng)新
我國(guó)加入WTO以后，制造業(yè)所面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存。組合機(jī)床行業(yè)企業(yè)適時(shí)調(diào)整戰(zhàn)略，采取了積極的應(yīng)對(duì)策略，出現(xiàn)了產(chǎn)、銷(xiāo)兩旺的良好勢(shì)頭，截至2002年9月份，組合機(jī)床行業(yè)企業(yè)僅組合機(jī)床產(chǎn)品一項(xiàng)，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)產(chǎn)量已達(dá)800余臺(tái)，產(chǎn)值達(dá)3個(gè)億以上，較2001年同比增長(zhǎng)了10%以上，另外組合機(jī)床行業(yè)工業(yè)增加值、產(chǎn)品銷(xiāo)售率、全員工資總額、出口交貨值等經(jīng)濟(jì)指標(biāo)均有不同程度的增長(zhǎng)，新產(chǎn)品、新技術(shù)較去年均有大幅度提高，可見(jiàn)行業(yè)企業(yè)運(yùn)營(yíng)狀況良好”
1 組合機(jī)床技術(shù)裝備現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)
組合機(jī)床及其自動(dòng)線是集機(jī)電于一體的綜合自動(dòng)化程度較高的制造技術(shù)和成套工藝裝備,它的特征是高效、高質(zhì)、經(jīng)濟(jì)實(shí)用，因而被廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械、交通、能源、軍工、輕工、家電等行業(yè).我國(guó)傳統(tǒng)的組合機(jī)床及組合機(jī)床自動(dòng)線主要采用機(jī)、電、氣、液壓控制，它的加工對(duì)象主要是生產(chǎn)批量比較大的大中型箱體類(lèi)和軸類(lèi)零件(近年研制的組合機(jī)床加工連桿、板件等也占一定份額)，完成鉆孔、擴(kuò)孔、鉸孔，加工各種螺紋、鏜孔、車(chē)端面和凸臺(tái)，在孔內(nèi)鏜各種形狀槽，以及銑削平面和成形面等.組合機(jī)床的分類(lèi)繁多，有大型組合機(jī)床和小型組合機(jī)床，有單面、雙面、三面、臥式、立式、傾斜式、復(fù)合式，還有多工位回轉(zhuǎn)臺(tái)式組合機(jī)床等;隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，一種新型的組合機(jī)床，柔性組合機(jī)床越來(lái)越受到人們的青睞，它應(yīng)用多位主軸箱!可換主軸箱!編碼隨行夾具和刀具的自動(dòng)更換，配以可編程序控制器(PLC) 、數(shù)字控制(NC)等，隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的加劇和對(duì)產(chǎn)品需求的，高精度、高生產(chǎn)率、柔性化、多品種、短周期、數(shù)控機(jī)床及其自動(dòng)線正在沖擊著傳統(tǒng)的組合機(jī)床行業(yè)，因此組合機(jī)床裝備的發(fā)展思路必須是以提高組床加工精度、組合機(jī)床柔性、組合機(jī)床工作可靠性合機(jī)床技術(shù)的成套性為主攻方向。一方面，加強(qiáng)技術(shù)的應(yīng)用，提高組合機(jī)床產(chǎn)品數(shù)控化率;另一方面進(jìn)一步發(fā)展新型部件，尤其是多坐標(biāo)部件，使其模塊化、柔性化，適應(yīng)可調(diào)可變、多品種加工的市場(chǎng)需求。超高速和超高精度加工技術(shù)裝備與復(fù)合、多功能、多軸化控制設(shè)備等深受歡迎。然而更關(guān)鍵的是現(xiàn)代通信技術(shù)在機(jī)床裝備中的應(yīng)用，信息通信技術(shù)的引進(jìn)使得現(xiàn)代機(jī)床的自動(dòng)化程度進(jìn)一步提高，在這些方面我國(guó)組合機(jī)床裝備還有相當(dāng)大的差距，因此我國(guó)組合機(jī)床技術(shù)裝備高速度、高精度、柔性化、模塊化、可調(diào)可變、任意加工性以及通信技術(shù)的應(yīng)用將是今后的發(fā)展方向”
2 組合機(jī)床行業(yè)的發(fā)展思考
近兩年雖然組合機(jī)床行業(yè)產(chǎn)銷(xiāo)呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，但行業(yè)內(nèi)一些企業(yè)同樣存在負(fù)債經(jīng)營(yíng)的情況，主要原因是傳統(tǒng)的組合機(jī)床產(chǎn)品不能滿足用戶(hù)柔性化、高精度、短周期的市場(chǎng)需求，同時(shí)組合機(jī)床行業(yè)一些企業(yè)存在現(xiàn)代化管理水平低、人才流失嚴(yán)重、科研成果不能迅速轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力等缺陷。為此提出如下建議：
(1) 提高現(xiàn)代化管理水平，中國(guó)加入WTO后，迫切要求企業(yè)提高現(xiàn)代化管理水平，進(jìn)一步深化企業(yè)內(nèi)部改革，建立健全適應(yīng)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行機(jī)制，建立企業(yè)的科學(xué)的管理體制，做到集權(quán)有道、分權(quán)有序、授權(quán)有章、用權(quán)有度的責(zé)權(quán)利內(nèi)在統(tǒng)一的有機(jī)結(jié)合，是提高企業(yè)控制力所必須的“要徹底改變落后的體制，必須樹(shù)立全球化經(jīng)營(yíng)理念，提高國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力，建立市場(chǎng)快速反應(yīng)機(jī)制，以適應(yīng)日趨發(fā)展的市場(chǎng)需求”
(2) 亟待提高企業(yè)創(chuàng)新能力“企業(yè)的生存，關(guān)鍵在于產(chǎn)品的生命力”已步入電子時(shí)代的今天，傳統(tǒng)的組合機(jī)床已經(jīng)不能適應(yīng)高速發(fā)展的國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)需要，這就要求企業(yè)必須適應(yīng)科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，建立技術(shù)創(chuàng)新體系，推進(jìn)企業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，加速向柔性化、數(shù)控化、高精度、短周期方向發(fā)展，提高組合機(jī)床適用范圍和市場(chǎng)覆蓋面;同時(shí)實(shí)施名牌戰(zhàn)略，爭(zhēng)創(chuàng)世界品牌，加速我國(guó)組合機(jī)床的發(fā)展進(jìn)程，使我國(guó)組合機(jī)床行業(yè)企業(yè)在世界制造領(lǐng)域里立于不敗之地。
綜上所述，組合機(jī)床行業(yè)要開(kāi)展科技攻關(guān)攻克當(dāng)前行業(yè)企業(yè)技術(shù)發(fā)展上的難題;二要加強(qiáng)與國(guó)外的合資合作，利用和學(xué)習(xí)國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)，提高企業(yè)的現(xiàn)代化管理水平和技術(shù)水平;三要通過(guò)對(duì)引進(jìn)技術(shù)的消化吸收進(jìn)行再創(chuàng)新，發(fā)展自己的產(chǎn)品“通過(guò)我們的努力，使我國(guó)真
正由制造大國(guó)變成制造強(qiáng)國(guó)”。
摘 要
隨著數(shù)控技術(shù)的飛速發(fā)展，機(jī)械制造業(yè)的生產(chǎn)方式、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、發(fā)生了深刻的變化。在我國(guó)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展過(guò)程中，MCS-51系列單片機(jī)在數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用，經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)大多采用MCS-51系列單片機(jī)。
本文在分析了X5032數(shù)控銑床的特點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)臺(tái)應(yīng)該具備的功能后，確定采用基于單片機(jī)控制的系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)方案。設(shè)計(jì)方案由系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)兩部分組成。
關(guān)鍵詞：數(shù)字控制，單片機(jī)系統(tǒng)，數(shù)控銑床
ABSTRACT
With the development of NC, there have been many changes in mechanical industry, such as producing method and struture of product. MCS-51 single microcomputers have been used widely in NC, especially in ecomical NC equipments in china.
Based on MCS-51 single microcomputers, the NC lathe training equipment is designed with less money for the professional NC courses.
After analyzing the feature of NC lathe and defining the functions of training equipment, a system general scheme is assumed by hardware architecture and software architecture, which uses MCS-51 single microcomputer.
KEY WORDS: training equipment, numeric control, single microcomputer system
目 錄
摘 要 1
ABSTRACT 2
目 錄 3
1 引言 5
1.1 數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生與發(fā)展 5
1.1.1 數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生 5
1.1.2數(shù)控機(jī)床的發(fā)展 6
1.2我國(guó)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展概況 7
1.3本課題研究的背景 8
2 數(shù)控銑床實(shí)驗(yàn)臺(tái)的性能要求 9
2.1數(shù)控機(jī)床的組成及工作原理 9
2.1.1數(shù)控機(jī)床的組成 9
2.1.2 數(shù)控機(jī)床的工作原理 10
2.2數(shù)控銑床的特點(diǎn) 12
2.3數(shù)控銑床實(shí)驗(yàn)臺(tái)的方案設(shè) 13
2.3.1 普通銑床數(shù)控化改造的條件 13
2.3.2 普通銑床數(shù)控化改造的一般步驟 13
2.3.3 總體方案設(shè)計(jì)論證與確定 16
2.4 數(shù)控銑床實(shí)驗(yàn)臺(tái)的性能要求 18
2.4.1 控制功能 18
2.4.2 操作功能 19
2.4.3 診斷功能 20
3 實(shí)驗(yàn)臺(tái)硬件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn) 21
3.1數(shù)控銑床實(shí)驗(yàn)臺(tái)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)遵循的原則 21
3.2微機(jī)控制的數(shù)控銑床實(shí)驗(yàn)臺(tái)硬件系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì) 22
3.2.1繪制系統(tǒng)電氣控制的結(jié)構(gòu)框圖 22
3.2.2選擇中央處理單元CPU的類(lèi)型 23
3.3 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控銑床微機(jī)控制系統(tǒng)硬件電路原理圖 27
4 實(shí)驗(yàn)臺(tái)功能原理及插補(bǔ)算法 29
4.1車(chē)削數(shù)控原理、實(shí)驗(yàn)臺(tái)插補(bǔ)功能要求和插補(bǔ)算法的選擇 29
4.1.1車(chē)削數(shù)控原理 29
4.1.2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)插補(bǔ)功能要求 30
4.1.3 實(shí)驗(yàn)臺(tái)插補(bǔ)算法的選擇 30
4.2數(shù)字積分插補(bǔ)法 31
4.2.1數(shù)字積分插補(bǔ)法的基本原理 31
4.2.2數(shù)字積分法的硬件插補(bǔ) 33
參 考 文 獻(xiàn) 40
致 謝 41
1 引言
數(shù)字控制（numerical control——NC）簡(jiǎn)稱(chēng)數(shù)控，是一種利用數(shù)字化信息對(duì)設(shè)備運(yùn)動(dòng)及加工過(guò)程進(jìn)行控制的一種自動(dòng)化技術(shù)。將數(shù)控技術(shù)實(shí)施到加工控制中去的機(jī)床，或者說(shuō)裝備了數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床被稱(chēng)為數(shù)控（NC）機(jī)床。
數(shù)控機(jī)床作為一種使用廣泛、典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，綜合應(yīng)用了微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制、精密測(cè)量和機(jī)床結(jié)構(gòu)等方面的最新成就，是一種高效自動(dòng)化機(jī)床。數(shù)控系統(tǒng)不僅能控制機(jī)床各種動(dòng)作的先后順序，還能控制機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)速度以及刀具的運(yùn)動(dòng)軌跡。由于數(shù)控機(jī)床的高效率、高精度和高柔性代表了機(jī)床的主要發(fā)展方向，所以它已經(jīng)成為目前機(jī)加工自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中最具代表性的核心設(shè)備，且成為計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造、柔性制造系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)等柔性加工和柔性制造系統(tǒng)的基礎(chǔ)。
1.1 數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生與發(fā)展
1.1.1 數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生
隨著科技的不斷發(fā)展，對(duì)各種產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率提出了高要求。產(chǎn)品加工過(guò)程的自動(dòng)化是實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、高效率的重要措施。飛機(jī)、汽車(chē)等生產(chǎn)企業(yè)大多采用自動(dòng)機(jī)床、組合機(jī)床和自動(dòng)生產(chǎn)線，從而保證了產(chǎn)品質(zhì)量，提高了生產(chǎn)效率和減輕了操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度。
但是，在產(chǎn)品加工中，單件、小批量生產(chǎn)的零件約占機(jī)加工總量的80％以上。對(duì)這些多品種、小批量、形狀復(fù)雜、精度要求高的零件的加工，采用專(zhuān)業(yè)化程度高的自動(dòng)機(jī)床和自動(dòng)生產(chǎn)線就很不合適。在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)大潮中，產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，為求得生存與發(fā)展，各企業(yè)紛紛在提高產(chǎn)品技術(shù)檔次、增加產(chǎn)品種類(lèi)、縮短試制與生產(chǎn)周期和提高產(chǎn)品質(zhì)量上下功夫，即使批量較大的產(chǎn)品，也不大可能多年不變，必須經(jīng)常開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品，頻繁地更新?lián)Q代。傳統(tǒng)的自動(dòng)化生產(chǎn)線難以適應(yīng)小批量、多品種生產(chǎn)要求。
為了解決上述問(wèn)題，一種靈活、高精度、高效率的自動(dòng)化設(shè)備——數(shù)控機(jī)床應(yīng)運(yùn)而生。
1952年美國(guó)帕森斯公司和麻省理工學(xué)院在美空軍的委托下，合作研制出世界上第一臺(tái)三坐標(biāo)數(shù)控銑床，完成了直升飛機(jī)葉片輪廓檢查用樣板的加工。這是一臺(tái)采用專(zhuān)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行運(yùn)算與控制的直線插補(bǔ)輪廓控制數(shù)控銑床。經(jīng)過(guò)三年的試用、改進(jìn)與提高，數(shù)控機(jī)床于1955年進(jìn)入實(shí)用化階段，在復(fù)雜曲面的加工中發(fā)揮了重要作用。
盡管這種初期數(shù)控機(jī)床采用電子管和分立元件硬接線電路來(lái)進(jìn)行運(yùn)算和控制，體積龐大而功能單一，但它采用了先進(jìn)的數(shù)字控制技術(shù)，具有強(qiáng)大的生命力，它的出現(xiàn)開(kāi)辟了工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的新紀(jì)元。從此，數(shù)控機(jī)床在全世界得到了迅速發(fā)展。
1.1.2數(shù)控機(jī)床的發(fā)展
最早采用數(shù)字控制技術(shù)進(jìn)行機(jī)械加工的想法，是在20世紀(jì)40年代初提出的。當(dāng)時(shí)，美國(guó)北密執(zhí)安的一個(gè)小型飛機(jī)工業(yè)承包商帕森斯公司在制造飛機(jī)框架及直升飛機(jī)葉片輪廓用樣板時(shí)，利用計(jì)算機(jī)對(duì)葉片輪廓的加工路徑進(jìn)行了數(shù)據(jù)處理，并考慮了刀具半徑對(duì)加工路徑的影響，使得加工精度達(dá)到0.0015in。
1952年，美國(guó)麻省理工學(xué)院研制出的三坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)、利用脈沖乘法器原理的試驗(yàn)性數(shù)字控制系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的第一代。1959年，電子行業(yè)研制出晶體管元器件，因而數(shù)控系統(tǒng)中廣泛采用晶體管和印刷電路板技術(shù)，跨入了第二代。1959年3月，由美國(guó)克耐·杜列克公司發(fā)明了帶有自動(dòng)換刀裝置的數(shù)控機(jī)床，稱(chēng)為“加工中心”。1960年，出現(xiàn)了小規(guī)模集成電路。由于其體積小、功耗低，使數(shù)控系統(tǒng)的可靠性進(jìn)一步提高，數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展到第三代。以上三代，都是采用專(zhuān)用控制的硬件邏輯數(shù)控系統(tǒng)（NC）。
1967年，英國(guó)首先把幾臺(tái)數(shù)控機(jī)床連接成具有柔性的加工系統(tǒng)，這就是最初的FMS（Flexible Manufacturing System）柔性制造系統(tǒng)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，小型計(jì)算機(jī)開(kāi)始取代專(zhuān)用控制的硬件邏輯數(shù)控系統(tǒng)（NC），數(shù)控的許多功能由軟件程序?qū)崿F(xiàn)。由計(jì)算機(jī)作控制單元的數(shù)控系統(tǒng)（CNC），稱(chēng)為第四代。
1970年前后，美國(guó)英特爾公司開(kāi)發(fā)和使用了微處理器。1974年，美、日等國(guó)首先研制出以微處理器為核心的數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床。20多年來(lái)，微處理器數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床得到了飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，這就是第五代數(shù)字控制（MNC），后來(lái)將MNC也統(tǒng)稱(chēng)為CNC。
20世紀(jì)80年代初，國(guó)際上又出現(xiàn)了柔性制造單元FMC。FMC和FMS被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)CIMS的基礎(chǔ)。
數(shù)字控制系統(tǒng)的許多優(yōu)點(diǎn)使數(shù)控機(jī)床得到廣泛發(fā)展，數(shù)控技術(shù)還被廣泛應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人、數(shù)控線切割機(jī)、數(shù)控火花切割機(jī)、坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、繪圖儀等設(shè)備上。
1.2我國(guó)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展概況
我國(guó)對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的研究開(kāi)發(fā)始于50年代，但真正得到發(fā)展是從80年代開(kāi)始，經(jīng)歷了“六五”、“七五”期間的消化吸收引進(jìn)技術(shù)，“八五”期間科技攻關(guān)開(kāi)發(fā)自主產(chǎn)權(quán)數(shù)控系統(tǒng)兩個(gè)階段，已為數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)業(yè)化奠定了良好的基礎(chǔ)?！熬盼濉逼陂g數(shù)控機(jī)床發(fā)展已進(jìn)入實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化階段。數(shù)控機(jī)床新開(kāi)發(fā)品種300多個(gè)，已有一定的覆蓋面。新開(kāi)發(fā)的國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品大部分達(dá)到國(guó)際80年代中期水平，部分達(dá)到90年代水平，為國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)提供了一批高水平數(shù)控機(jī)床。
我國(guó)數(shù)控系統(tǒng)在技術(shù)上已趨于成熟，在重大關(guān)鍵技術(shù)上（包括核心技術(shù)），已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。目前，已新開(kāi)發(fā)數(shù)控系統(tǒng)80多種。自“七五”以來(lái)，國(guó)家一直把數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展作為重中之重來(lái)支持，現(xiàn)已開(kāi)發(fā)出具有中國(guó)版權(quán)的數(shù)控系統(tǒng)，掌握了國(guó)外一直對(duì)我國(guó)封鎖的一些關(guān)鍵技術(shù)。特別重要的是，我國(guó)數(shù)控系統(tǒng)的可靠性已有很大提高，MTBF值可以在15000h以上。同時(shí)大部分?jǐn)?shù)控機(jī)床配套產(chǎn)品已能?chē)?guó)內(nèi)生產(chǎn)，自我配套率超過(guò)60%。這些成功為中國(guó)數(shù)控系統(tǒng)的自行開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。
1.3本課題研究的背景
單片微型計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)稱(chēng)單片機(jī)，是將計(jì)算機(jī)的基本部件微型化，使之集成為一塊芯片的微機(jī)。片內(nèi)含有CPU、ROM、RAM、并行I/O接口、串行I/O接口、定時(shí)器／計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)、系統(tǒng)時(shí)鐘及系統(tǒng)總線等。MCS-51 單片機(jī)在片內(nèi)存儲(chǔ)器容量、I/O的功能以及指令系統(tǒng)功能等方面都大大地得到加強(qiáng)，特別適用于實(shí)時(shí)控制、智能儀表、主從結(jié)構(gòu)的多機(jī)系統(tǒng)領(lǐng)域，是控制領(lǐng)域中最理想的8位機(jī)。
MCS-51系列單片機(jī)具有集成度高、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、處理功能強(qiáng)、速度高、容易產(chǎn)品化等特性，因此在我國(guó)數(shù)控機(jī)床發(fā)展過(guò)程中，經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)大多采用MCS-51型系統(tǒng)單片微型計(jì)算機(jī)，它是超大規(guī)模集成電路發(fā)展的產(chǎn)物，在數(shù)控領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
2 數(shù)控銑床實(shí)驗(yàn)臺(tái)的性能要求
2.1數(shù)控機(jī)床的組成及工作原理
2.1.1數(shù)控機(jī)床的組成
計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置是數(shù)控機(jī)床的核心。其根據(jù)輸入的零件加工程序或操作命令進(jìn)行相應(yīng)的處理，輸出控制命令到相應(yīng)的執(zhí)行部件，完成零件加工程序或操作所要求的工作。
伺服單元和驅(qū)動(dòng)裝置包括主軸伺服驅(qū)動(dòng)裝置、主軸電動(dòng)機(jī)、進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)裝置及進(jìn)給電動(dòng)機(jī)。測(cè)量裝置是實(shí)現(xiàn)主軸控制、進(jìn)給速度閉環(huán)控制和進(jìn)給位置閉環(huán)控制的必要裝置。主軸伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)零件加工的切削運(yùn)動(dòng)，進(jìn)給伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)零件加工所需的成形運(yùn)動(dòng)。
操作面板，是操作人員與數(shù)控機(jī)床（系統(tǒng)）進(jìn)行信息交互的工具，主要由按鈕站、狀態(tài)燈、按鍵陣列和顯示器等部分組成。操作人員通過(guò)它對(duì)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行操作、編程、調(diào)試或?qū)C(jī)床參數(shù)進(jìn)行設(shè)定和修改，也可以通過(guò)它了解或查詢(xún)數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行狀態(tài)。
控制介質(zhì)是人與機(jī)床建立聯(lián)系的介質(zhì)。程序輸入輸出設(shè)備是CNC系統(tǒng)與外設(shè)進(jìn)行信息交互的裝置，目前數(shù)控機(jī)床常用的控制介質(zhì)和程序輸入輸出設(shè)備是磁盤(pán)和磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器等。此外，現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)一般可利用通信方式進(jìn)行信息交換。這種方式是實(shí)現(xiàn)CAD／CAM的集成、FMS和CIMS的基本技術(shù)。
PLC用于進(jìn)行與邏輯運(yùn)算、順序動(dòng)作有關(guān)的I／O控制，它由硬件和軟件組成。機(jī)床I／O電路和裝置是用于實(shí)現(xiàn)I／O控制的執(zhí)行部件，由繼電器、行程開(kāi)關(guān)、接觸器等組成的邏輯電路。它們共同完成以下任務(wù)：接受CNC的M、S、T指令，對(duì)其進(jìn)行譯碼并轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)控制信號(hào)，控制輔助裝置完成機(jī)床相應(yīng)的開(kāi)關(guān)動(dòng)作；接受操作面板和機(jī)床傳送來(lái)的I／O信號(hào)，送給CNC裝置，經(jīng)其處理后，輸出指令控制CNC系統(tǒng)的工作狀態(tài)和機(jī)床的動(dòng)作。
機(jī)床本體是數(shù)控系統(tǒng)的控制對(duì)象，實(shí)現(xiàn)加工零件的執(zhí)行部件，由主運(yùn)動(dòng)部件、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)部件、支承件以及特殊裝置、自動(dòng)工件交換系統(tǒng)、自動(dòng)刀具交換系統(tǒng)和輔助裝置組成。
數(shù)控機(jī)床的組成相對(duì)普通機(jī)床有以下幾個(gè)特點(diǎn)：由于大多數(shù)控機(jī)床采用高性能的主軸及伺服傳動(dòng)系統(tǒng)，因此它的機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)得到簡(jiǎn)化，傳動(dòng)鏈較短；為適應(yīng)數(shù)控機(jī)床連續(xù)自動(dòng)化加工，它的機(jī)械結(jié)構(gòu)具有較高的動(dòng)態(tài)剛度、阻尼精度及耐磨性，熱變形??；更多采用高效傳動(dòng)部件，如滾珠絲杠副等；不少還采用刀庫(kù)和自動(dòng)換刀裝置以提高工作效率。
2.1.2 數(shù)控機(jī)床的工作原理
數(shù)控加工與普通機(jī)加工不同點(diǎn)主要表現(xiàn)在控制方式上。用普通機(jī)床加工零件時(shí)，工步的安排、機(jī)床運(yùn)動(dòng)的先后次序、走刀路線及有關(guān)切削參數(shù)的選擇等，都由操作者自行確定，而且用手工方式來(lái)進(jìn)行控制。操作者總是根據(jù)零件和工序卡要求，在加工過(guò)程中不斷改變刀具與工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡和加工參數(shù)（位置、速度等），使刀具對(duì)工件進(jìn)行切削，得到所需的合格零件。如采用自動(dòng)銑床、仿形銑床和仿形銑床加工，也能達(dá)到對(duì)加工過(guò)程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的目的，但控制方式是通過(guò)預(yù)先配置的凸輪、擋塊及靠模來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在CNC機(jī)床上，傳統(tǒng)加工過(guò)程中的人工操作均被數(shù)控系統(tǒng)的自動(dòng)控制所取代。其工作過(guò)程是：首先將刀具與工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡、加工過(guò)程中主軸速度和進(jìn)給速度的變換、冷卻液的開(kāi)關(guān)、工件和刀具的交換等控制和操作，按規(guī)定的代碼和格式編加工程序，然后將該程序送入數(shù)控系統(tǒng)。數(shù)控系統(tǒng)則按照程序要求，先進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算、處理，然后發(fā)出控制命令，使各坐標(biāo)軸、主軸以及輔助動(dòng)作相互協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)刀具與工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，自動(dòng)完成零件的加工。
譯碼程序的主要功能是將用文本格式（通常用 ASC II碼）表達(dá)的零件加工程序，以程序段為單位轉(zhuǎn)換成刀補(bǔ)處理程序所要求的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（格式），該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)用來(lái)描述一個(gè)程序段解釋后的數(shù)據(jù)信息。它主要包括：X、Y、Z等坐標(biāo)值，進(jìn)給速度，主軸轉(zhuǎn)速，G代碼，M代碼，刀具號(hào)，子程序處理和循環(huán)調(diào)用處理等數(shù)據(jù)或標(biāo)志的存放順序和格式。
為方便編程，零件加工程序通常是按零件輪廓或按工藝要求設(shè)計(jì)的進(jìn)給路線編制的，而數(shù)控機(jī)床在加工過(guò)程中控制的是刀具中心（準(zhǔn)確說(shuō)是刀位點(diǎn)）軌跡，因此在加工前必須將編程軌跡變換成刀具中心的軌跡。刀補(bǔ)處理就是完成這種轉(zhuǎn)換的處理程序。
數(shù)控編程提供了刀具運(yùn)動(dòng)的起點(diǎn)、終點(diǎn)和運(yùn)動(dòng)軌跡，而刀具怎么從起點(diǎn)沿運(yùn)動(dòng)軌跡走向終點(diǎn)則由數(shù)控系統(tǒng)的插補(bǔ)裝置或插補(bǔ)軟件來(lái)控制。該程序以系統(tǒng)規(guī)定的插補(bǔ)周期ΔT定時(shí)運(yùn)行，它將由各種線形（直線、圓弧等）組成的零件輪廓，按程序給定的進(jìn)給速度F，實(shí)時(shí)計(jì)算出各個(gè)進(jìn)給軸在ΔT內(nèi)的位移指令（ΔX1、ΔY1…），并送給進(jìn)給伺服系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)成形運(yùn)動(dòng)。插補(bǔ)計(jì)算的原理及插補(bǔ)與加工精度的關(guān)系將在后面進(jìn)一步討論。
CNC系統(tǒng)對(duì)機(jī)床的控制分為對(duì)各坐標(biāo)軸的速度和位置的“軌跡控制”和對(duì)機(jī)床動(dòng)作的“順序控制”或稱(chēng)“邏輯控制”。后者是指在數(shù)控機(jī)床運(yùn)行過(guò)程中，以CNC內(nèi)部和機(jī)床各行程開(kāi)關(guān)、傳感器、按鈕、繼電器等開(kāi)關(guān)信號(hào)狀態(tài)為條件，并按預(yù)先規(guī)定的邏輯關(guān)系對(duì)諸如主軸的起停、換向，刀具的更換，工件的夾緊、松開(kāi)，液壓、冷卻、潤(rùn)滑系統(tǒng)的運(yùn)行等進(jìn)行的控制。PLC控制就是實(shí)現(xiàn)上述功能的功能模塊。
通過(guò)以上介紹可知：數(shù)控加工原理就是將預(yù)先編好的加工程序以數(shù)據(jù)的形式輸人數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)通過(guò)譯碼、刀補(bǔ)處理、插補(bǔ)計(jì)算等數(shù)據(jù)處理和PLC協(xié)調(diào)控制，最終實(shí)現(xiàn)零件的自動(dòng)化加工。
2.2數(shù)控銑床的特點(diǎn)
通常數(shù)控銑床由床身、主軸箱、刀架、進(jìn)給系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)等幾部分組成,其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)主要體現(xiàn)在進(jìn)給系統(tǒng)、刀架等方面。
由于實(shí)現(xiàn)了CNC,進(jìn)給裝置用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng),以連續(xù)控制刀具的縱向(Z軸)和橫向(X軸)的運(yùn)動(dòng),完成對(duì)回轉(zhuǎn)體零件的內(nèi)外型面的加工。進(jìn)給系統(tǒng)中沒(méi)有走刀箱、溜板箱和掛輪架，直接用伺服電機(jī)通過(guò)滾珠絲杠副驅(qū)動(dòng)溜板和刀架進(jìn)給，大大簡(jiǎn)化了進(jìn)給系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，傳動(dòng)鏈路線短，剛性好,加工精度高。由于刀架移動(dòng)采用滾珠絲杠副,因而運(yùn)動(dòng)輕巧。
刀架是數(shù)控銑床的重要部件，對(duì)銑床的整體布局影響很大，兩坐標(biāo)連續(xù)控制的數(shù)控銑床一般采用4、8、10工位的回轉(zhuǎn)刀盤(pán)。
在銑床上加工零件時(shí),工件裝夾在三爪卡盤(pán)上,隨主軸一起繞軸旋轉(zhuǎn)。車(chē)刀固定在走刀架上,隨刀架一起沿銑床的縱軸(Z軸)和橫軸(X軸)移動(dòng)。車(chē)刀刀尖的直線運(yùn)動(dòng)與工件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)形成切削表面。
由于工件只隨主軸旋轉(zhuǎn)，所以在銑床上加工零件的基本形狀是一個(gè)繞主軸( Z軸)的回轉(zhuǎn)體。銑床加工的工件以柱面、錐面和球面為基本形狀，其它形狀都是由這些基本形狀組合而成。上述三種基本形狀的圖形都要求車(chē)刀刀尖走出二種基本的軌跡，即直線和圓弧。
以上分析的銑床的運(yùn)動(dòng)為連續(xù)動(dòng)作，即要求控制對(duì)象（車(chē)刀）在平面走出連續(xù)的軌跡。銑床還有一些輔助運(yùn)動(dòng)，如：主軸的正反轉(zhuǎn)與停止﹑冷卻泵的啟動(dòng)與停止等運(yùn)動(dòng)。這些輔助運(yùn)動(dòng)屬于斷續(xù)的開(kāi)關(guān)動(dòng)作。
所以，銑床的動(dòng)作包括連續(xù)動(dòng)作和開(kāi)關(guān)動(dòng)作。
2.3數(shù)控銑床實(shí)驗(yàn)臺(tái)的方案設(shè)
2.3.1 普通銑床數(shù)控化改造的條件
并不是所有的舊機(jī)床都適合于數(shù)控改造。改造的機(jī)床應(yīng)具備如下幾個(gè)條件。
(1)機(jī)床基礎(chǔ)件必須有足夠的剛度數(shù)控機(jī)床屬于高精密機(jī)床，要求有很高的移動(dòng)精度。通常閉環(huán)系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量為0.001mm，開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量為0.005mm或0.01mm。高的定位精度和輪廓加工精度要求機(jī)床的基礎(chǔ)件具有很高的動(dòng)、靜剛度?；A(chǔ)件剛性不好則受力后容易變形，且這種變形具有很大的不確定性，無(wú)法用數(shù)控系統(tǒng)中的補(bǔ)償功能進(jìn)行補(bǔ)償。因此，基礎(chǔ)件剛性不好的機(jī)床不適宜改造為數(shù)控機(jī)床。
(2)改造費(fèi)用合適、經(jīng)濟(jì)性好
機(jī)床改造費(fèi)用分為機(jī)床和電氣兩部分。一方面是維修和改動(dòng)原機(jī)床部分，更換已磨損的部件；另一方面是更換原機(jī)床控制柜，用新的數(shù)控系統(tǒng)和強(qiáng)電裝置代替。改造費(fèi)用與原機(jī)床零件的利用多少有關(guān)，也與采用何種控制系統(tǒng)有關(guān)。由于經(jīng)濟(jì)上的考慮，目前通常采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)床改造。改造總費(fèi)用多少才算合適要因用戶(hù)而異。一般來(lái)說(shuō)；不超過(guò)同類(lèi)規(guī)格設(shè)備價(jià)格的一半，在經(jīng)濟(jì)上就算合適。
2.3.2 普通銑床數(shù)控化改造的一般步驟
(1)舊機(jī)床的設(shè)備選型
通常對(duì)一臺(tái)舊機(jī)床，是否需要進(jìn)行數(shù)控化改造，首先應(yīng)對(duì)該設(shè)備進(jìn)行基本估價(jià)，這也就是設(shè)備選型。以判斷該設(shè)備是否具有改造價(jià)值，改造后能不能滿足需求，改造成功的可能性等，這些都與設(shè)備的選擇密切相關(guān)，所以選型是設(shè)備改造的首要環(huán)節(jié)，應(yīng)重點(diǎn)考慮幾個(gè)主要參數(shù)：設(shè)備的型號(hào)規(guī)格、生產(chǎn)廠家及國(guó)別、投產(chǎn)時(shí)間、目前運(yùn)行狀況、剩余價(jià)值(機(jī)械、電氣)、改造后可能達(dá)到的預(yù)期效果。數(shù)控改造應(yīng)盡可能采用20世紀(jì)80年代后出廠的機(jī)床，因?yàn)檫@類(lèi)機(jī)床由于使用年限短，其幾何精度相對(duì)高一些，改造效果也要好一些。
(2)確定改造的技術(shù)方案
設(shè)備選擇確定后，就要制定、落實(shí)明確的技術(shù)改造方案。通常需要從以下兩
個(gè)方面論證：一是明確該設(shè)備改造后的加工對(duì)象及預(yù)期目標(biāo)；二是人力、物力、
財(cái)力投入的估算，也就是資金投入的評(píng)估。上述兩項(xiàng)的確定，最好綜合考慮，因
為投入的改造費(fèi)用主要與以下幾點(diǎn)有關(guān)。
①數(shù)控系統(tǒng)的選擇。
②機(jī)床本身固有幾何精度的修復(fù)及保養(yǎng)。
③機(jī)床電器及附件的更換。
④機(jī)床輔助系統(tǒng)(主軸系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等)的維修及保養(yǎng)。
⑤機(jī)床外觀質(zhì)量的修復(fù)。
⑥機(jī)床改造的技術(shù)勞務(wù)費(fèi)用。
⑦機(jī)床改造后的綜合調(diào)試、檢測(cè)、參數(shù)補(bǔ)償?shù)取?
(3)改造前的準(zhǔn)備工作
技術(shù)改造方案確定以后，應(yīng)對(duì)機(jī)床進(jìn)行檢測(cè)，若機(jī)床精度低，就必須對(duì)機(jī)床本身的精度進(jìn)行恢復(fù)。主要有兩方面：一是機(jī)械精度的恢復(fù)；二是電氣部分的恢復(fù)。如主軸精度的恢復(fù)、機(jī)床導(dǎo)軌精度的恢復(fù)(平行度、垂直度等)，以提高傳動(dòng)精度和效率。對(duì)機(jī)電系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、機(jī)械接口進(jìn)行測(cè)繪、設(shè)計(jì)、制造、修復(fù)、保養(yǎng)。同時(shí)要做好對(duì)改造機(jī)床機(jī)械及電氣部分的準(zhǔn)備工作，如數(shù)控系統(tǒng)及相應(yīng)配置的準(zhǔn)備、機(jī)械改造件(傳動(dòng)箱連接件、滾珠絲桿等)的準(zhǔn)備。
(4)機(jī)床的改造包括對(duì)機(jī)床改造部分的現(xiàn)場(chǎng)施工、安裝和連接；機(jī)床聯(lián)調(diào)實(shí)驗(yàn)；機(jī)床及控制系統(tǒng)各部分功能聯(lián)動(dòng)實(shí)驗(yàn)；工作可靠性運(yùn)行；機(jī)床定位精度、重復(fù)定位精度、各種補(bǔ)償功能的調(diào)試；機(jī)床的加工切削實(shí)驗(yàn)。
(5)改造完成后的驗(yàn)收
一般驗(yàn)收要做以下工作：外觀檢查、機(jī)床及系統(tǒng)的各種功能檢測(cè)、機(jī)床精度檢測(cè)(定位精度、重復(fù)定位精度等)、機(jī)床的負(fù)荷實(shí)驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)試件的切削、典型零件的加工等。
(6)操作及維修人員的培訓(xùn)
數(shù)控機(jī)床使用的好壞，與機(jī)床的操作及維修人員的素質(zhì)密切相關(guān)，對(duì)操作及維修人員本身要有一定的要求，要對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)的、專(zhuān)業(yè)化的技術(shù)培訓(xùn)，使其全面地了解和掌握數(shù)控系統(tǒng)的基本原理、操作規(guī)程、維修常識(shí)，懂得一般故障的判斷和簡(jiǎn)單故障的處理。
2.3.2（1）主要機(jī)械部件改造
一臺(tái)新的數(shù)控機(jī)床，在設(shè)計(jì)上要達(dá)到有高的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)剛度；運(yùn)動(dòng)副之間的摩擦因數(shù)小，傳動(dòng)無(wú)間隙；功率大；便于操作和維修。機(jī)床數(shù)控改造時(shí)應(yīng)盡量達(dá)到上述要求，不能認(rèn)為將數(shù)控裝置與普通機(jī)床連接在一起就達(dá)到了數(shù)控機(jī)床的要求，還應(yīng)對(duì)主要部件進(jìn)行相應(yīng)的改造，使其達(dá)到一定的設(shè)計(jì)要求，才能獲得預(yù)期的改造自的。
2.3.2（2）主傳動(dòng)的數(shù)控改造
許多機(jī)床在數(shù)控改造時(shí)，主傳動(dòng)部分不作太大的變動(dòng)，這是因?yàn)闄C(jī)床改造的功能通常要求不高，盡管原機(jī)床的普通交流異步電動(dòng)機(jī)開(kāi)環(huán)驅(qū)動(dòng)方式在電網(wǎng)電壓或切削力矩變化時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)隨之波動(dòng)，影響零件加工表面的粗糙度。且由于變速仍采用復(fù)雜的變速箱換擋，體積龐大，高速運(yùn)行時(shí)振動(dòng)和噪聲都較大，對(duì)零件加工精度會(huì)產(chǎn)生不良影響。但是主軸改為閉環(huán)驅(qū)動(dòng)方式的成本太高，因此，除有特殊要求，通常主軸傳動(dòng)鏈保留不變，主軸箱內(nèi)的變速機(jī)構(gòu)也不改動(dòng)，原電氣系統(tǒng)不動(dòng)。
對(duì)自動(dòng)化程度要求較高的場(chǎng)合，可采用交流異步電動(dòng)機(jī)開(kāi)環(huán)變頻調(diào)速系統(tǒng)。采用開(kāi)環(huán)變頻調(diào)速系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)控制的自動(dòng)無(wú)級(jí)變速。
2.3.2（3） 進(jìn)給傳動(dòng)的數(shù)控改造
(1)導(dǎo)軌副
通機(jī)床的導(dǎo)軌多采用鑄鐵—鑄鐵或鑄鐵—淬火鋼滑動(dòng)導(dǎo)軌，其靜摩擦因大，動(dòng)、靜摩擦因數(shù)相差較大，低速時(shí)易出現(xiàn)爬行，影響運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性和定位的精度，力矩?fù)p失大。而將導(dǎo)軌改造為滾動(dòng)導(dǎo)軌或靜壓導(dǎo)軌工藝復(fù)雜，費(fèi)普用大，周期長(zhǎng)。較為常見(jiàn)的是采用在原導(dǎo)軌上粘接聚四氟乙烯軟帶的方法。這種方法實(shí)現(xiàn)比較方便，費(fèi)用低，動(dòng)、靜摩擦因數(shù)相差小，耐磨性和抗咬傷力強(qiáng)，具有良好的自潤(rùn)滑性和抗振性，進(jìn)給運(yùn)動(dòng)無(wú)爬行，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，因而得到了廣泛采用。當(dāng)然在有些要求不高的場(chǎng)合下，也可以不改動(dòng)原機(jī)床導(dǎo)軌而增大所選的電動(dòng)機(jī)。
(2)進(jìn)給箱
普通機(jī)床的進(jìn)給箱為齒輪箱。齒輪箱傳動(dòng)鏈長(zhǎng)，機(jī)構(gòu)復(fù)雜，反向間隙累計(jì)增大，大大降低了傳動(dòng)精度。進(jìn)給箱部分的改造就是要取消原齒輪箱，換為具有消隙裝置的一級(jí)減速機(jī)構(gòu)傳動(dòng)副，以減小傳動(dòng)間隙，提高精度。
在機(jī)床改造中，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與絲杠傳動(dòng)副之間裝有減速機(jī)構(gòu)，通過(guò)減速機(jī)構(gòu)可得到所需的脈沖當(dāng)量和增大驅(qū)動(dòng)力矩。通常采用齒輪傳動(dòng)或同步齒形帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。齒輪減速機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳動(dòng)功率大，壽命長(zhǎng)，成本低，所以在傳動(dòng)功率要求較大的場(chǎng)合較多采用。同步齒形帶傳動(dòng)是一種新型的帶傳動(dòng)，其利用同步帶的齒形與帶輪的輪齒傳遞運(yùn)動(dòng)，無(wú)相對(duì)滑移，無(wú)噪聲，無(wú)需潤(rùn)滑，傳動(dòng)精度和效率高，因此在中、小傳動(dòng)功率場(chǎng)合得到了廣泛的應(yīng)用。
(3)移動(dòng)元件
普通機(jī)床通常采用滑動(dòng)絲杠實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)到直線運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)換，其精度相對(duì)較低，摩擦因數(shù)大，傳動(dòng)效率低，因此在要求較高的場(chǎng)合應(yīng)將其更換為滾珠絲杠。滾珠絲杠的傳動(dòng)效率高，無(wú)爬行，預(yù)緊后可消除反向間隙，精度高，因而在改造中得到了廣泛的使用。但在機(jī)床改造時(shí)，有時(shí)考慮到一些因素仍采用原機(jī)床的普通絲杠。這些因素包括以下幾方面。
①B級(jí)滾珠絲杠與7級(jí)精度普通絲杠的精度相差不大。
②普通絲杠的摩擦力雖大，但與切削力和導(dǎo)軌副阻力相比則很小，而且可以通過(guò)選用較大電動(dòng)機(jī)予以補(bǔ)償。
③滾珠絲杠的徑向尺寸較大，如使用滾珠絲杠更換原機(jī)床的普通絲杠，相關(guān)部位還需進(jìn)行改動(dòng)，工作量增加。
④滾珠絲杠價(jià)格較高，也必然要增加改造費(fèi)用。
當(dāng)然，如果原機(jī)床的絲杠與螺母間隙過(guò)大，應(yīng)將原單螺母副改為可調(diào)整間隙的雙螺母。
2.3.3 總體方案設(shè)計(jì)論證與確定
機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)總體方案的擬定應(yīng)包括以下內(nèi)容：系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的確定，伺服系統(tǒng)的選擇、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及傳動(dòng)方式的確定，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的選擇等內(nèi)容。
2.3.3（1）系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的確定
數(shù)控系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式可分為點(diǎn)動(dòng)控制系統(tǒng)，點(diǎn)動(dòng)直線系統(tǒng)和連續(xù)控制系統(tǒng)。如果工件相對(duì)于刀具移動(dòng)過(guò)程中不進(jìn)行切削工件，這種系統(tǒng)叫點(diǎn)動(dòng)/直線控制系統(tǒng)。這種系統(tǒng)除了高精度的定位功能外。在刀具沿坐標(biāo)軸移動(dòng)時(shí)還能根據(jù)切削用量控制位移的速度，由于點(diǎn)位和點(diǎn)位/直線控制系統(tǒng)相岔無(wú)幾，保證定位精度。
如果要求工作臺(tái)或刀具沿坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)有確定的函數(shù)關(guān)系，即連續(xù)控制系統(tǒng)應(yīng)具備控制刀具以給定速率沿加工路徑運(yùn)動(dòng)的功能。具備這種控制能力的數(shù)控機(jī)床可以加工各種外形輪廓復(fù)雜零件。所以連續(xù)控制系統(tǒng)又稱(chēng)為輪廓控制系統(tǒng)。數(shù)控銑床屬于此種運(yùn)動(dòng)方式。在點(diǎn)位控制系統(tǒng)中具有的軌跡計(jì)算裝置，而連續(xù)控制系統(tǒng)中卻具有點(diǎn)位系統(tǒng)的功能。
2.3.3（2） 執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳動(dòng)方式的確定
為確保數(shù)控系統(tǒng)中的傳動(dòng)精度和工作平穩(wěn)性，在設(shè)計(jì)機(jī)械傳動(dòng)裝置時(shí)，通常提出低摩擦，低慣量、高精度、無(wú)間隙、高諧振以及有適宜阻尼比的要求。在設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)。
（1）盡量采用低摩擦的傳動(dòng)和導(dǎo)向元件。如果采用滾珠絲桿螺母?jìng)鲃?dòng)導(dǎo) 軌，貼塑導(dǎo)軌等。
（2）盡量消除傳動(dòng)間隙，例如采用消除齒輪
（3）提高系統(tǒng)剛度?？s短傳動(dòng)鏈可以提高系統(tǒng)的傳動(dòng)剛度，減少傳動(dòng)鏈誤差?？刹捎妙A(yù)緊的方法提高系統(tǒng)剛度。例如采用預(yù)加負(fù)載的滾動(dòng)導(dǎo)軌和滾珠絲桿副等。
2.3.3（3） 系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方式與伺服系統(tǒng)的選擇
由于改造的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控銑床應(yīng)具有定位，直線控制順逆圓插補(bǔ)、暫停、循環(huán)加工、刀具補(bǔ)償?shù)裙δ?，故?yīng)選擇連續(xù)控制系統(tǒng)?？紤]到屬于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控銑床，加工精度不高，為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，降低成本，采用步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。
微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)由CPU、存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路I/O接口電路，伺服電極驅(qū)動(dòng)電路、檢測(cè)電路等幾部分組成。微機(jī)是數(shù)控系統(tǒng)的核心，其它裝置均是在微機(jī)的指揮下進(jìn)行工作的。系統(tǒng)的功能和系統(tǒng)中所用的微機(jī)直接相關(guān)。數(shù)控系統(tǒng)對(duì)微機(jī)的要求是多方面的，但主要指標(biāo)是字長(zhǎng)和速度。字長(zhǎng)不僅影響系統(tǒng)的最大加工尺寸，而且影響加工的精度和運(yùn)算的精度。字長(zhǎng)較長(zhǎng)的計(jì)算機(jī)，價(jià)格顯著上升，而字長(zhǎng)較短的計(jì)算機(jī)，要進(jìn)行雙字長(zhǎng)或三字長(zhǎng)的運(yùn)算，就會(huì)影響速度。
根據(jù)機(jī)床要求采用8位微機(jī)，由MCS—51系列單片機(jī)具有集成度高，可靠性好，功能強(qiáng)，速度快，抗干擾能力強(qiáng)，具有很高的性能價(jià)格比等特性，決定采用MCS—51系列的8031單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng)。
控制系統(tǒng)由微機(jī)等幾部分、鍵盤(pán)及顯示器、I/O接口及光電隔離器、步進(jìn)電機(jī)功率放大電路等組成。系統(tǒng)的加工程序和控制命令通過(guò)鍵盤(pán)操作實(shí)現(xiàn)，顯示器采用數(shù)碼顯示加工數(shù)據(jù)及機(jī)床狀態(tài)等信息。
伺服系統(tǒng)可分為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)，閉環(huán)控制系統(tǒng)和半閉環(huán)控制系統(tǒng)。
開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)中，沒(méi)有反饋電路，不帶檢測(cè)裝置，指令信號(hào)是單方向傳送的。指令發(fā)出后，不再反饋回來(lái)，故稱(chēng)開(kāi)環(huán)控制。開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)主要由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，容易掌握和維修都比較簡(jiǎn)單，目前我國(guó)大力發(fā)展的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床普遍采用開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)。
閉環(huán)控制系統(tǒng)具有裝有機(jī)床移動(dòng)部件上的檢測(cè)反饋元件來(lái)檢測(cè)實(shí)際位移量。能補(bǔ)償系統(tǒng)的誤差，因而伺服控制精度高，閉環(huán)系統(tǒng)多采用直流伺服電動(dòng)驅(qū)動(dòng)。閉環(huán)系統(tǒng)價(jià)格高和調(diào)試較復(fù)雜，多用于精度要求高的場(chǎng)合。
半閉環(huán)控制系統(tǒng)不同，不直接檢測(cè)工作臺(tái)的位移量。而是用檢測(cè)元件測(cè)出驅(qū)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)角，再間接算出工作臺(tái)實(shí)際的位移量，也有反饋回路，其性能介于開(kāi)環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)之間。
本次改裝采用MCS-51系統(tǒng)單片機(jī)組成的應(yīng)用系統(tǒng)，其典型代表有8031、8051、8751經(jīng)比較采用具有價(jià)格低，功能強(qiáng)，使用靈活等優(yōu)點(diǎn)的 8031擴(kuò)展系統(tǒng)的單片機(jī)，而且8031外接2764（EPROM）6264（ROM）及8255（擴(kuò)展I/O接口）8155芯片擴(kuò)展成一個(gè)較簡(jiǎn)單的微機(jī)控制系統(tǒng)。
2.3.3（4）機(jī)械傳動(dòng)方式的確定
為實(shí)現(xiàn)機(jī)床所要求的分辨率，采用步進(jìn)電機(jī)給齒輪減速在經(jīng)過(guò)傳動(dòng)絲桿為保證一定的傳動(dòng)精度和平穩(wěn)性，盡量減小摩擦力，選用滾珠絲桿螺母副。
同時(shí)，為提高傳動(dòng)剛度和消除間隙，采用有預(yù)加負(fù)荷的結(jié)構(gòu)。齒輪傳動(dòng)也要采用消除齒輪側(cè)間隙的餓結(jié)構(gòu)。
2.4 數(shù)控銑床實(shí)驗(yàn)臺(tái)的性能要求
2.4.1 控制功能
(1)運(yùn)動(dòng)控制
軸控能力：應(yīng)實(shí)現(xiàn)X、Z兩直線移動(dòng)軸的聯(lián)動(dòng)位置控制；
主軸控制: 包括主軸的開(kāi)停，正反向，旋轉(zhuǎn)位置的反饋。
進(jìn)給速度控制:包括運(yùn)動(dòng)進(jìn)給速度設(shè)置，速度倍率調(diào)整,自動(dòng)加減速度控制等；
手動(dòng)控制:點(diǎn)動(dòng)進(jìn)給,手搖脈沖發(fā)生器控制,手動(dòng)速度調(diào)整。
(2)刀具控制
自動(dòng)換刀；
刀具使用狀態(tài)監(jiān)測(cè)；
刀具參數(shù)值設(shè)置。
(3)保護(hù)控制
正負(fù)行程的軟、硬限位；
進(jìn)給高低速限制。
(4)輔助功能控制:包括冷卻、照明。
2.4.2 操作功能
(1)運(yùn)動(dòng)方式選擇
程序運(yùn)行:自動(dòng)運(yùn)行、單步運(yùn)行、暫停及暫?；謴?fù)，空運(yùn)行，坐標(biāo)參考值設(shè)置；
手輪運(yùn)行:對(duì)系統(tǒng)軸的正負(fù)向運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制；
MDI方式:手動(dòng)程序數(shù)據(jù)輸入。
(2)程序操作
程序的輸入輸出:手工鍵盤(pán)輸入、網(wǎng)絡(luò)通訊輸入等；
程序的編輯；
程序管理。
(3)顯示操作
系統(tǒng)狀態(tài)顯示:包括I/O信號(hào)監(jiān)測(cè)、運(yùn)行方式選擇、正在使用的刀具信息等；
位置顯示:機(jī)床坐標(biāo)系的位置報(bào)告,工件坐標(biāo)系的絕對(duì)/相對(duì)位置報(bào)告等；
故障報(bào)警。
2.4.3 診斷功能
(1)編程錯(cuò)誤提示
(2)操作錯(cuò)誤提示
(3)執(zhí)行錯(cuò)誤提示
3 實(shí)驗(yàn)臺(tái)硬件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)
3.1數(shù)控銑床實(shí)驗(yàn)臺(tái)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)遵循的原則
為使數(shù)控銑床實(shí)驗(yàn)臺(tái)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)趨向合理化，在設(shè)計(jì)過(guò)程中著重考慮如下幾個(gè)方面：
(1) 盡量選用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的典型電路,從而提高設(shè)計(jì)的成功率。
(2) 盡量選用功率強(qiáng)、集成度高的微機(jī)芯片,因?yàn)椴捎眠@種器件可能代替某一部分電路,使系統(tǒng)可靠性增加。
(3) 注意選用通用性強(qiáng)、市場(chǎng)貨源充足的元器件。
(4) 系統(tǒng)的擴(kuò)展及各功能模塊的設(shè)計(jì)在滿足應(yīng)用系統(tǒng)功能要求的基礎(chǔ)上,留有適當(dāng)?shù)挠嗟?以備將來(lái)進(jìn)行修改、擴(kuò)展。
(5) 努力采用最新的一些技術(shù),因?yàn)殡娮蛹夹g(shù)發(fā)展迅速,器件更新?lián)Q代很快,市場(chǎng)上不斷推出性能更優(yōu)、功能更強(qiáng)的芯片。
(6) 電路設(shè)計(jì)時(shí),充分考慮應(yīng)用系統(tǒng)各部分的驅(qū)動(dòng)能力,因?yàn)椴煌碾娐酚胁煌尿?qū)動(dòng)能力,對(duì)后級(jí)系統(tǒng)的輸入阻抗要求也不一樣。實(shí)驗(yàn)表明:如果阻抗匹配不恰當(dāng),系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)能力不夠,可能導(dǎo)致系統(tǒng)的不可靠性甚至于使系統(tǒng)無(wú)法進(jìn)行工作。值得一提的是,系統(tǒng)的不可靠性很難通過(guò)一般的測(cè)試手段來(lái)確定。因此,在電路的設(shè)計(jì)過(guò)程中,應(yīng)該特別注意系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)能力、盡量減少系統(tǒng)的損耗。
(7) 電路設(shè)計(jì)過(guò)程中要注意電平的匹配,TTL和CMOS電平單片機(jī)擴(kuò)展時(shí),不應(yīng)該超過(guò)其驅(qū)動(dòng)能力,如CMOS電路不使用的輸入端不允許浮空,否則會(huì)引起邏輯電平不正常,容易接受外界干擾產(chǎn)生錯(cuò)誤動(dòng)作。
(8) 系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì),這個(gè)問(wèn)題在硬件設(shè)計(jì)中也有十分重要的意義。
3.2微機(jī)控制的數(shù)控銑床實(shí)驗(yàn)臺(tái)硬件系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)
3.2.1繪制系統(tǒng)電氣控制的結(jié)構(gòu)框圖
根據(jù)總體方案及機(jī)械結(jié)構(gòu)的控制要求，確定硬件電路的總統(tǒng)方案, 繪制系統(tǒng)電氣控制的結(jié)構(gòu)框圖。如圖4-1
RAM
ROM
CPU
I/O接口
光電隔離
步進(jìn)電機(jī)
外 設(shè)
鍵盤(pán)、顯示器即其他
圖4-1 結(jié)構(gòu)框圖
數(shù)控系統(tǒng)是由硬件和軟件兩部分組成。硬件是組成系統(tǒng)的基礎(chǔ)，有了硬件與軟件才能有效地運(yùn)行。硬件電路的可靠性直接影響到數(shù)控 系統(tǒng)性能的指標(biāo)。
機(jī)床硬件電路由以下五個(gè)部分組成：
（1） 主控制器即中央處理單元CPU
（2） 總線 包括數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線
（3） 存儲(chǔ)器 包括程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器
（4） 接口 即I/O輸入/輸出接口
（5） 外圍設(shè)備 如鍵盤(pán)、顯示器及光點(diǎn)輸入機(jī)等。
3.2.2選擇中央處理單元CPU的類(lèi)型
在微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中CPU的選擇應(yīng)考慮以下因素：
1 )時(shí)鐘頻率和序號(hào) 這個(gè)指標(biāo)將控制數(shù)據(jù)處理的速度
2 )可擴(kuò)展存儲(chǔ)器 （包括ROM和RAM）的質(zhì)量
3 )指令系統(tǒng)功能影響編程靈活性
4 )I/O擴(kuò)展的能力即對(duì)外設(shè)備的控制能力
5 )開(kāi)發(fā)手段包括支持開(kāi)發(fā)的軟件和硬件的電路
此外還要考慮到系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)合，控制對(duì)象對(duì)各種參數(shù)的要求以及經(jīng)濟(jì)價(jià)格比等經(jīng)濟(jì)性的要求。
目前在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床上推薦采用MCS—51系列單片機(jī)作為主 控制器。
3.2.2（1） 存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)
存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)應(yīng)該包括程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展。在選擇程序存儲(chǔ)器芯片時(shí)，要考慮CPO與EPRM時(shí)序的匹配，還應(yīng)考慮最大讀出速度，工作溫度及存儲(chǔ)器的容量等問(wèn)題。
3.2.2（2） I/O口即輸入/輸出接口電路設(shè)計(jì)
應(yīng)包括接口芯片的選用。步進(jìn)電機(jī)控制電路鍵盤(pán)，顯示器的及其它輔助電路的設(shè)計(jì)。例如，復(fù)位電路越界報(bào)警電路，掉電保護(hù)電路等。
此外，不同的數(shù)控系統(tǒng)還要求配備不同的外設(shè)，這些部分的電路設(shè)計(jì)也應(yīng)包括。
3.2.2（3） MCS—51系列單片機(jī)簡(jiǎn)介
MCS—51系列單片機(jī)是美國(guó)Intel公司在MCS—48系列單片微機(jī)基礎(chǔ)上推出的產(chǎn)品，于1980年問(wèn)世，它的集成度很高是集片內(nèi)存儲(chǔ)器，片內(nèi)輸入/輸出部件和CPU于一體的優(yōu)良的單片機(jī)系統(tǒng)。在我國(guó)已廣泛地被應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床。MCS—51系列單片機(jī)主要有三種型號(hào)的產(chǎn)品。8031、8051和8751本數(shù)控銑床中使用的是8031芯片。因?yàn)?031片內(nèi)設(shè)有ROM，適用于需擴(kuò)展ROM。可在現(xiàn)場(chǎng)修改和更新程序存儲(chǔ)器的應(yīng)用場(chǎng)合，其價(jià)格底，使用靈活，非常適用。
1．8031單片機(jī)的基本特征
(1) 具有功能很強(qiáng)的8位中央處理單元（CPU）
(2) 片內(nèi)有時(shí)鐘發(fā)生電路（6MHz或12MHz）、每執(zhí)行一指令時(shí)間為2μs或1μs
(3) 片內(nèi)具有128字節(jié)RAM
(4) 具有21個(gè)寄存器
(5) 可擴(kuò)展64K字節(jié)的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和64K字節(jié)的外部程序存儲(chǔ)器
(6) 具有4個(gè)I/O口，32根I/O線
(7) 具有2個(gè)16位定位器/計(jì)數(shù)器
(8) 具有5個(gè)中斷源配備2個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)
(9) 具有1個(gè)全雙功串行接口
(10) 具有位尋址能力，適用邏輯運(yùn)算
由上述特性可知，一塊8031的功能幾乎相當(dāng)于一塊 280CPO，一塊RAM，一塊I80CTC，兩塊280CPO和一塊280SIO所組成的微機(jī)系統(tǒng)?？梢钥闯鲞@種芯片集成度高、功能強(qiáng)，只需加少量外圍器件就可以構(gòu)成一個(gè)完整的微機(jī)系統(tǒng)。
3.2.2（4） 存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)
(1) MCS—51的程序存儲(chǔ)器的尋址空間為64K字節(jié)，8031片內(nèi)不帶ROM用作程序存儲(chǔ)器的器件是EPROM。
常用的半導(dǎo)體ROM芯片是2716、2764、2732、27128、27256、27512。芯片均為28腳、雙列直插式扁平封裝芯片引腳向下兼容。Vpp是編程電壓端，PGM是編程控制編OE是輸出使能端，CS是片選端它們均為低電平有效，2764的等26引腳空。（CN）未用、當(dāng)CS和OE均為低電平時(shí)，芯片被選中，其存儲(chǔ)內(nèi)容從數(shù)據(jù)端輸出即處于Dout狀態(tài)，在編程時(shí)，從數(shù)據(jù)端輸入要存儲(chǔ)信息，數(shù)據(jù)腳處于數(shù)據(jù)輸入Dzn狀態(tài)，編程時(shí)PGM必須為低，使數(shù)據(jù)寫(xiě)入芯片，由于單片機(jī)8031芯片的P0口是分時(shí)傳送低8位地址線 和數(shù)據(jù)線，故8031擴(kuò)展系統(tǒng)中一定要有地址鎖存器。常用的地址鎖存器芯片是74LS373。74LS373是帶三太緩沖輸出的8D觸發(fā)器。其引腳及語(yǔ)8031芯片連接圖見(jiàn)圖4-2。
圖4-2 8031 引腳及語(yǔ)8031芯片連接圖
當(dāng)G=“1”時(shí)，74LS373輸出端1Q~8Q與輸入端1Q~8Q相同,當(dāng)G為下降沿時(shí)，將輸入數(shù)據(jù)鎖存。
（2）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展
由于8031芯片內(nèi)部RAM只有28字節(jié)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足系統(tǒng)的要求，須擴(kuò)展片外的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM。
常用靜態(tài)RAM芯片游116（2K*8）、6246（8K*8）,62256（32K*8）等，6246、62256均采用CMOS工藝，由單一5V供電，典型存儲(chǔ)時(shí)間為150~200ns。它們均采用28腳雙列直插式扁平封裝，其引腳及邏輯符號(hào)見(jiàn)圖4-3。
圖4-3 RAM芯片引腳及邏輯符號(hào)見(jiàn)圖
（3）譯碼電路設(shè)計(jì)
8031單片機(jī)允許擴(kuò)展64K程序存儲(chǔ)器核4K數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（包括I/O芯片），這樣就需要擴(kuò)展多哥外圍芯片，因而需要把外圍地址 空間分配給這些芯片，并且使程序存儲(chǔ)其各芯片之間、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 (之間包括I/O芯片）地址互相不重疊，以使單片機(jī)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，避免發(fā)生沖突。當(dāng)8031數(shù)據(jù)總線分時(shí)地與各個(gè)外圍芯片盡心數(shù)據(jù)傳誦時(shí)，首先要進(jìn)行片選（指選中某一個(gè)芯片），而當(dāng)片內(nèi)有多字節(jié)單元時(shí)，還要進(jìn)行片內(nèi)地址選擇。
3.2.2（5） I/O借口電路及輔助電路設(shè)計(jì)
8155：可編程RAM/IO擴(kuò)展借口（256個(gè)RAM單元、2閣位口、1 個(gè)8位口、1個(gè)4位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器）
8255：可編程的通用并行借口電路（3個(gè)8位口）, 8255是Intel公司生產(chǎn)的可編程 輸入輸出接口芯片，它具有3個(gè)8位的并行I/O口，分別PA、PB、PC口，PC口又分為高4（PC7~PC4）和低4位（PC3~PC0），它們都可以通過(guò)軟件編程來(lái)改變I/O口的工作,方式。
3.2.2（6）硬件環(huán)行分配器
目前市場(chǎng)上提供的國(guó)產(chǎn)TTL集成脈沖分配器有三相、四相、五相和六相，其型號(hào)分別為YBOB、YB014、YB015及YB016，均為18個(gè)引腳的直插式封裝。其主要性能參數(shù)列表：
輸出高電平（V）≥
輸出低電平（V）≤
輸入低電平≤
輸入高電平（V）≥
吸收電流（mA）
工作頻率（kHz)
電源電壓（V）
環(huán)境溫度（℃）
2.4
0.4
0.8
2.4
1.6
0~160
5±0.5
0~+70
圖4-4 8155與8255A的引腳圖
3.3 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控銑床微機(jī)控制系統(tǒng)硬件電路原理圖
（1）x向y向和z向的進(jìn)給伺服運(yùn)動(dòng)
（2）鍵盤(pán)顯示
（3）面板管理
（4）行程控制
（5）其他功能 例光電偶合電路、功率放大電路、紅綠燈顯示等。
CPU采用8031芯片，由于8031芯片內(nèi)無(wú)程序存儲(chǔ)器，需要有外部程序存儲(chǔ)器的支持，同時(shí)8031內(nèi)部只有128字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，也遠(yuǎn)不能滿足控制系統(tǒng)的要求。故擴(kuò)展了16KB程序存儲(chǔ)器由兩片2732組成，又?jǐn)U展了一片6264數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。8031芯片的P0和PW用來(lái)傳遞外部存儲(chǔ)器的地址和數(shù)據(jù)，P2口傳送高8位地址，P0口傳送低8位地址和數(shù)據(jù)，故要采用74LS373地址鎖存器鎖存低8位地址，ALE作為其選通信號(hào)，當(dāng)ALE為高電平，鎖存器的輸入和輸出透明，即輸入的低8位存儲(chǔ)器地址在輸出端出現(xiàn)，此時(shí)不需要鎖存。當(dāng)ALE從高電平變低電平，出現(xiàn)下降沿時(shí)，低8位地址鎖存入地址鎖存器中，74LS373的輸出不在隨輸入變化，這樣P0口就可用來(lái)傳送讀寫(xiě)的數(shù)據(jù)了。8031芯片的P2口和74LS373的送出的P0口共組成16位地址，2764和6264芯片都是8KB，需13根地址線。A0~A7低8位接74LS373芯片的輸出，A8~A12接8031芯片的P2.0~P2.4。系統(tǒng)采用全地址譯碼，兩片2764芯片選信號(hào)CE風(fēng)別接74LS138譯碼器的Y0和Y1，系統(tǒng)復(fù)位以后程序從000H開(kāi)始執(zhí)行。由于8031芯片內(nèi)部沒(méi)有ROM故。
I/O接口電路：由于8031只有P1口和P2口部分能提供用戶(hù)作為I/O 口使用，不能滿足輸入輸出口的需要，因而系統(tǒng)必須擴(kuò)展輸入輸出接口電路。從圖可知，系統(tǒng)擴(kuò)展了一片8155和一片8255可編程I/O接口芯片?？删幊蘄/O芯片的片選CE接口74LS138I/O借口芯片外設(shè)的連接是這樣安排的；8155芯片PA0~PA7作為顯示器的段選信號(hào)是輸出PB0~PB1是顯示器的位選信號(hào)是輸出PL0~PL4根線是鍵盤(pán)的掃描輸入，8155芯片的IO/M引腳接8031芯片的P2。因?yàn)槭褂?155的I/O口故P2.0為高電平。 8255芯片PA0~PA6接x向、向和z向步進(jìn)電機(jī)硬件環(huán)行分配器，為輸出，PB0~PB7為三個(gè)方向的點(diǎn)動(dòng)及回零輸入，PC0~PC5為面板上的選擇開(kāi)關(guān)，設(shè)有編輯，單步運(yùn)行，單段運(yùn)行、自動(dòng)、手動(dòng)Ⅰ、手動(dòng)Ⅱ等形式。
其他輔助電路設(shè)有越界報(bào)警和急停處理電路?！繶、±Y、±Z方向的越界和急停信號(hào)經(jīng)門(mén)引入89031的P3.2，中斷源INT0，同時(shí)又接到8031的P1口，采用硬件申請(qǐng)中斷和元件查詢(xún)的方法，這樣無(wú)論哪個(gè)方向越界都會(huì)引起中斷，在中斷服務(wù)程序中，通過(guò)軟件產(chǎn)尋的辦法，便可確定哪個(gè)方向越界。還有相應(yīng)的紅燈亮報(bào)警。另外，還有上點(diǎn)和按鈕相結(jié)合的復(fù)位電路、光電隔離電路和功率放大電路等。
4 實(shí)驗(yàn)臺(tái)功能原理及插補(bǔ)算法
本章主要是為數(shù)控銑床實(shí)驗(yàn)臺(tái)的CNC裝置的實(shí)現(xiàn)而對(duì)其進(jìn)行具體的功能原理分析和算法設(shè)計(jì)。
數(shù)控銑床對(duì)零件的加工，是通過(guò)對(duì)所加工的零件形狀、尺寸進(jìn)行量化數(shù)學(xué)描述而得到加工程序，再經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)譯碼、解釋執(zhí)行，控制機(jī)床各坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)，使刀具以加工程序所描述的形狀和尺寸為軌跡做運(yùn)動(dòng)，最終加工出所需形狀和尺寸的零件。數(shù)控車(chē)削加工在插補(bǔ)方面有自己的特點(diǎn)。
4.1車(chē)削數(shù)控原理、實(shí)驗(yàn)臺(tái)插補(bǔ)功能要求和插補(bǔ)算法的選擇
4.1.1車(chē)削數(shù)控原理
車(chē)削加工是由工件的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生切削主運(yùn)動(dòng)，而刀具只進(jìn)行加工進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。C軸旋轉(zhuǎn)是主運(yùn)動(dòng)，X、Z軸方向是進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。
因?yàn)橐话銛?shù)控銑床是對(duì)刀具的X、Z方向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制，對(duì)主軸則具有調(diào)速能力既可。數(shù)控銑床對(duì)X、Z軸進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的控制是通過(guò)數(shù)字插補(bǔ)的方法進(jìn)行的。
4.1.2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)插補(bǔ)功能要求
本課題設(shè)計(jì)的數(shù)控銑床實(shí)驗(yàn)臺(tái)只要求基本的X、Z軸直線和圓弧插補(bǔ)的控制能力。
4.1.3 實(shí)驗(yàn)臺(tái)插補(bǔ)算法的選擇
數(shù)控銑床加工的各種工件輪廓，大部分由直線和圓弧這種簡(jiǎn)單、基本的曲線構(gòu)成。插補(bǔ)的任務(wù)就是根據(jù)進(jìn)給速度的要求，在輪廓起點(diǎn)和終點(diǎn)之間計(jì)算出若干個(gè)中間點(diǎn)的坐標(biāo)值。由于每個(gè)中間點(diǎn)計(jì)算所需的時(shí)間直接影響系統(tǒng)的控制速度，而插補(bǔ)中間點(diǎn)坐標(biāo)值的計(jì)算精度又影響到CNC系統(tǒng)的控制精度，所以插補(bǔ)算法是整個(gè)CNC系統(tǒng)控制的核心。
目前應(yīng)用的插補(bǔ)算法主要分脈沖增量插補(bǔ)和數(shù)字增量插補(bǔ)兩類(lèi)。
脈沖增量插補(bǔ)算法的特點(diǎn)是每次插補(bǔ)結(jié)束只產(chǎn)生一個(gè)行程增量，以一個(gè)個(gè)脈沖的方式輸出給步進(jìn)電機(jī)。這類(lèi)插補(bǔ)的實(shí)現(xiàn)方法比較簡(jiǎn)單，通常只用加法和移位即可完成插補(bǔ)，故其易用硬件實(shí)現(xiàn)，且運(yùn)算速度很快；目前也有用軟件來(lái)完成這類(lèi)算法的，但僅適用于一些中等精度或中等速度要求的CNC系統(tǒng)。因這類(lèi)算法通常需要大約20余條指令，如果CPU時(shí)鐘為50Hz，那么計(jì)算一個(gè)脈沖當(dāng)量的時(shí)間約為40μs，當(dāng)脈沖當(dāng)量為1μm時(shí)，可以達(dá)到的極限速度為1.5m/min；如果要控制兩個(gè)或兩個(gè)以上的坐標(biāo)時(shí)，速度還將進(jìn)一步降低。當(dāng)然，可用損失精度的辦法來(lái)提高速度。
數(shù)字增量插補(bǔ)算法的特點(diǎn)是插補(bǔ)運(yùn)算分兩步完成。第一步是粗插補(bǔ)，即在給定起點(diǎn)和終點(diǎn)的曲線之間插入若干個(gè)點(diǎn)，用若干條微小直線段來(lái)逼近給定曲線，每一微小直線段的長(zhǎng)度△l相等，且與給定的進(jìn)給速度有關(guān)。粗插補(bǔ)在每個(gè)插補(bǔ)運(yùn)算周期中計(jì)算一次，因此每一微小直線段的長(zhǎng)度△l與進(jìn)給速度F和插補(bǔ)周期T有關(guān)，即△l=FT。粗插補(bǔ)的特點(diǎn)是把給定的一條曲線用一組直線段來(lái)逼近。第二步為精插補(bǔ)，它是在粗插補(bǔ)時(shí)算出的每一條微小直線段上再做“數(shù)據(jù)點(diǎn)的密化”工作，這一步相當(dāng)于對(duì)直線的脈沖增量插補(bǔ)。
根據(jù)插補(bǔ)采用計(jì)算方法的不同,有許多種插補(bǔ)方法,如逐點(diǎn)比較法, 數(shù)字積分法,最小偏差法,比較積分法,時(shí)間分割直線插補(bǔ)算法等。不同算法適用于不同的場(chǎng)合。在普通的CNC裝置中，逐點(diǎn)比較法和數(shù)字積分法獲得了廣泛的應(yīng)用。這些插補(bǔ)算法最初是用在硬件數(shù)控裝置中，現(xiàn)在也可用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。
本文所采用的插補(bǔ)算法為數(shù)字積分法，下面重點(diǎn)介紹該插補(bǔ)算法。
4.2數(shù)字積分插補(bǔ)法
數(shù)字積分法又稱(chēng)數(shù)字微分分析器（DDA），它不僅可方便地實(shí)現(xiàn)一次、二次曲線的插補(bǔ)，還可用于各種函數(shù)運(yùn)算，而且易于實(shí)現(xiàn)多坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)，所以DDA插補(bǔ)的使用范圍較廣。
4.2.1數(shù)字積分插補(bǔ)法的基本原理
數(shù)字積分插補(bǔ)法的基本原理可用函數(shù)積分來(lái)說(shuō)明。從微分的幾何概念來(lái)看，從時(shí)刻=0到求函數(shù)曲線所包圍的面積時(shí)，可用積分公式
（4-1）
如果將0～t的時(shí)間劃分成時(shí)間間隔為△t的有限區(qū)間，當(dāng)△t足夠小，可得近似公式
（4-2）
式中為 t＝ti 時(shí)的值。此公式說(shuō)明，求積分的過(guò)程就是用數(shù)的累加來(lái)近似代替，其幾何意義就是用一系列微小矩形面積之和來(lái)近似表示函數(shù)以下的面積。在數(shù)字運(yùn)算時(shí)，若△t一般取最小的基本單位“1”，上式則稱(chēng)之為矩形公式，并簡(jiǎn)化為
（4-3）
如果將△t取得足夠小，就可以滿足我們所需要的精度。實(shí)現(xiàn)這種近似積分法的數(shù)字積分器稱(chēng)為矩形數(shù)字積分器。
設(shè)置一個(gè)累加器，而且令累加器的容量為一個(gè)單位面積。用此累加器來(lái)實(shí)現(xiàn)這種累加運(yùn)算，則累加過(guò)程中超過(guò)一個(gè)單位面積時(shí)必然產(chǎn)生溢出，那么，累加過(guò)程中所產(chǎn)生的溢出脈沖總數(shù)就是要求的面積近似值，或者說(shuō)是要求的積分近似值。
是實(shí)現(xiàn)這種累加運(yùn)算的基本邏輯框圖。它由函數(shù)值寄存器，與門(mén)，累加器及面積寄存器等部分組成。其工
作原理為每來(lái)一個(gè)△t脈沖，與門(mén)打開(kāi)一次，將函數(shù)值寄存器中的函數(shù)值送往累加器相加一次。當(dāng)累加和超過(guò)累加器的容量時(shí)，便向面積寄存器發(fā)出溢出脈沖。面積寄存器累計(jì)此溢出脈沖,累加結(jié)束后，面積寄存器的計(jì)數(shù)值就是面積積分近似值。
4.2.2數(shù)字積分法的硬件插補(bǔ)
(1)直線插補(bǔ)
設(shè)在平面中有一直線OA，其起點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)0，終點(diǎn)為A(xe，ye)，則該直線的方程為
（4-4）
將上式化為對(duì)時(shí)間的參量方程
（4-5）
式中K——比例系數(shù)。
再對(duì)參量方程對(duì)t求微分得
dx＝Kxedt，dy＝Kyedt （4-6）
然后再積分可得：
（4-7）
上式積分如果用累加的形式表達(dá)，則近似為
（4-8）
式中△t=1。寫(xiě)成近似微分形式為
（4-9）
動(dòng)點(diǎn)從原點(diǎn)出發(fā)走向終點(diǎn)的過(guò)程，可以看作是各坐標(biāo)軸每隔一個(gè)單位時(shí)間△t，分別以增量Kxe。及Kye同時(shí)對(duì)兩個(gè)累加器累加的過(guò)程。當(dāng)累加值超過(guò)一個(gè)坐標(biāo)單位（脈沖當(dāng)量）時(shí)產(chǎn)生溢出。溢出脈沖驅(qū)動(dòng)伺服系統(tǒng)進(jìn)給一個(gè)脈沖當(dāng)量，從而走出給定直線。
若經(jīng)過(guò)m次累加后，x和y分別到達(dá)終點(diǎn)（xe，ye），即下式成立：
（4-10）
由此可見(jiàn)，比例系數(shù)k和累加次數(shù)之間有如下關(guān)系：
Km=1 即 m=1/K （4-11）
K的數(shù)值與累加器的容量有關(guān)。累加器的容量應(yīng)大于各坐標(biāo)軸的最大坐標(biāo)值。一般二者的位數(shù)相同，以保證每次累加最多只溢出一個(gè)脈沖。設(shè)累加器有n位，則
（4-12）
故累加次數(shù)
（4-13）
上述關(guān)系表明，若累加器的位數(shù)為n，則整個(gè)插補(bǔ)過(guò)程中要進(jìn)行次累加才能到達(dá)直線的終點(diǎn)
因?yàn)?( n為寄存器的位數(shù))，對(duì)于存放于寄存器中的二進(jìn)制數(shù)來(lái)說(shuō)Kxe（或Kye）與xe（或ye）是相同的，可以看作前者小數(shù)點(diǎn)在最高位之前，而后者的小數(shù)點(diǎn)在最低位之后。所以，可以用xe直接對(duì)X軸累加器進(jìn)行累加，用ye直接對(duì)Y軸的累加器進(jìn)行累加。
平面直線的插補(bǔ)運(yùn)算框圖，
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