單片機(jī)在內(nèi)圓磨床進(jìn)給系統(tǒng)中的應(yīng)用畢業(yè)論文

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本文介紹了一種內(nèi)圓磨床進(jìn)給系統(tǒng)自動(dòng)化技術(shù)改造的實(shí)用方案。采用了經(jīng)濟(jì)型數(shù)控的閉環(huán)位置控制系統(tǒng)，它具有開(kāi)環(huán)的穩(wěn)定性和接近閉環(huán)的伺服精度，是提高經(jīng)濟(jì)型CNC機(jī)床加工精度的有效方法，控制系統(tǒng)的核心采用8031單片機(jī)，高精度電感測(cè)微儀作為檢測(cè)與反饋元件，以步進(jìn)電機(jī)為控制對(duì)象，并克服了步進(jìn)電機(jī)丟步及滑步的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了磨床縱向進(jìn)給部件的

2、自動(dòng)控制。本系統(tǒng)集加工過(guò)程和加工精度控制于一體，具有性能穩(wěn)定、控制精度高、操作方便和便于維修等特點(diǎn)。目前，我們對(duì)軸承加工設(shè)備，尤其是高精度、高效率、高可靠性的軸承磨床需求量十分龐大。軸承，作為機(jī)械工業(yè)的基礎(chǔ)件，其加工設(shè)備的重要性非常突出。它包括了硬件及軟件的設(shè)計(jì)。對(duì)目前在工業(yè)生產(chǎn)中他不僅能多減少加工工序還能有效地減少加工的時(shí)間，于是能夠大大的減少加工的成本，所以在大量使用的此類設(shè)備中都具有很好的參考價(jià)值，而且磨床的研究一直是一個(gè)很重要的

3、任務(wù)，隨著磨床的日益普遍化，越來(lái)越多的難題將面臨在設(shè)計(jì)者和加工者的面前，我們必須不斷地改善加工設(shè)施趕上國(guó)際工業(yè)水平。因此，在我國(guó)研制性能穩(wěn)定、測(cè)試精度高的汽車發(fā)電機(jī)性能微機(jī)測(cè)試系統(tǒng)，是一件很有意義而又迫切的工作。</p><p>　　關(guān)鍵詞： 軸承內(nèi)圓磨床 MSC-51單片機(jī) 電感測(cè)微儀 步進(jìn)電機(jī) </p><p><b>　　Abstract</b>

4、</p><p>　　This paper introduces a kind of grinder in feeding system automation technology transformation of practical solutions. The economic numerical control, closedloop position control system, has the ri

5、ng opening stability and close to the closed loop servo precision, is to improve the economical CNC machining precision of the effective methods to control the core of the system with 8031 single-chip microcomputer, This

6、 system sets processing process and the processing accuracy control in a body, has </p><p>　　Key words : Bearing internal grinder Single-chipset computer</p><p>　　Inductor crometer Step motor

7、 </p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　第一章 概 述- 1 -</p><p>　　1.1單片機(jī)在內(nèi)圓磨床中的應(yīng)用選題背景及其研究意義- 1 -</p><p>　　1.2內(nèi)圓磨床在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀- 1 -</p><p>　　1.3本論文主要研究的內(nèi)容

8、- 2 -</p><p>　　第二章 系統(tǒng)方案的選擇和論證- 4 -</p><p>　　2.1微機(jī)系統(tǒng)選擇論證- 4 -</p><p>　　2.2 MCS-51系列單片機(jī)的功能比較- 4 -</p><p>　　2.3確定設(shè)計(jì)方案的可行性和正確性- 5 -</p><p>　　第三章 內(nèi)圓磨床控制系統(tǒng)分

9、析- 8 -</p><p>　　3.1磨削技術(shù)發(fā)展及加工工藝- 8 -</p><p>　　3.1.1磨床磨削技術(shù)發(fā)展歷史- 8 -</p><p>　　3.1.2磨床磨削工藝的關(guān)鍵技術(shù)- 10 -</p><p>　　3.2軸承內(nèi)圓磨床的特點(diǎn)和控制要求- 13 -</p><p>　　3.3步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作

10、原理及其驅(qū)動(dòng)控制方式- 13 -</p><p>　　3.3.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的種類結(jié)構(gòu)及其工作原理- 14 -</p><p>　　3.3.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制原理- 17 -</p><p>　　3.3.3步進(jìn)電機(jī)的串行和并行控制- 18 -</p><p>　　第四章 硬件電路設(shè)計(jì)- 20 -</p><p&g

11、t;　　4.1電感式傳感器及其硬件電路- 20 -</p><p>　　4.1.1電感式傳感器定義及特點(diǎn)- 20 -</p><p>　　4.1.2差動(dòng)變壓器式位移傳感器工作原理- 20 -</p><p>　　4.1.3正弦波振蕩電路與穩(wěn)幅環(huán)路- 22 -</p><p>　　4.2單片機(jī)數(shù)據(jù)采集部分設(shè)計(jì)- 23 -</p&

12、gt;<p>　　4.2.1芯片AD574A性能及引腳說(shuō)明- 23 -</p><p>　　4.2.2芯片AD574的接口電路- 26 -</p><p>　　4.3單片機(jī)8031的簡(jiǎn)介及I/O擴(kuò)展- 27 -</p><p>　　4.3.1單片機(jī)8031引腳及功能和控制總線- 27 -</p><p>　　4.3.2單

13、片機(jī)8031輸入輸出接口- 29 -</p><p>　　4.3.3本系統(tǒng)的拓展I/O接口芯片- 30 -</p><p>　　4.4單片機(jī)8031外部擴(kuò)展輸入口及程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展- 32 -</p><p>　　4.4.1地址鎖存器74LS373和引腳- 33 -</p><p>　　4.4.2 芯片74LS373的工作原理- 33

14、 -</p><p>　　4.4.3只讀存儲(chǔ)器EPROM的擴(kuò)展方法- 35 -</p><p>　　4.5步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)- 36 -</p><p>　　4.5.1步進(jìn)電機(jī)的技術(shù)參數(shù)- 36 -</p><p>　　4.5.2步進(jìn)電機(jī)專用控制芯片PMM8713- 36 -</p><p>　　4.6

15、鍵盤與顯示接口電路的設(shè)計(jì)- 38 -</p><p>　　4.6.1鍵盤操作的接口和電路設(shè)計(jì)- 38 -</p><p>　　4.6.2顯示部分操作的接口和電路設(shè)計(jì)- 40 -</p><p>　　第五章 系統(tǒng)抗干擾措施- 42 -</p><p>　　5.1外界環(huán)境的干擾危害和干擾源- 42 -</p><p&

16、gt;　　5.2抗干擾的硬件措施- 43 -</p><p>　　5.3抗干擾的軟件措施- 45 -</p><p>　　第六章 軟件部分設(shè)計(jì)- 49 -</p><p>　　結(jié) 束 語(yǔ)- 52 -</p><p>　　參考文獻(xiàn)- 53 -</p><p>　　附錄1：內(nèi)圓磨床單片機(jī)控制程序清單- 54 -

17、</p><p>　　附錄2：內(nèi)圓磨床系統(tǒng)硬件電路圖- 55 -</p><p><b>　　第一章 概 述</b></p><p>　　1.1單片機(jī)在內(nèi)圓磨床中的應(yīng)用選題背景及其研究意義</p><p>　　十八世紀(jì)30年代，為了適應(yīng)鐘表、自行車、縫紉機(jī)和機(jī)械等零件淬硬后的加工，英國(guó)、德國(guó)和美國(guó)分別研制出使用天然磨

18、料砂輪的磨床。這些磨床是在當(dāng)時(shí)現(xiàn)成的機(jī)床如車床、刨床等上面加裝磨頭改制而成的。它們結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，剛度低，磨削時(shí)易產(chǎn)生振動(dòng)，要求操作工人要有很高的技藝才能磨出精密的工件。1876年在巴黎博覽會(huì)展出的美國(guó)布朗-夏普公司制造的萬(wàn)能外圓磨床，是首次具有現(xiàn)代磨床基本特征的機(jī)械。</p><p>　　磨床是利用磨具對(duì)工件表面進(jìn)行磨削加工的機(jī)床。磨床能作高精度和表面粗糙度很小的磨削，也能進(jìn)行高效率的磨削。大多數(shù)的磨床是使用高速旋轉(zhuǎn)

19、的砂輪進(jìn)行磨削加工，主要類型有外圓磨床、內(nèi)圓磨床、坐標(biāo)磨床、無(wú)心磨床、平面磨床、砂帶磨床、導(dǎo)軌磨床、工具磨床、多用磨床、專用磨床等。</p><p>　　軸承內(nèi)圓磨床主要是用于軸承套圈內(nèi)徑的磨削加工，隨著汽車、宇航等工業(yè)的發(fā)展，對(duì)軸承的質(zhì)量特別是內(nèi)徑的精度提出了越來(lái)越高的要求。提高軸承質(zhì)量的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)內(nèi)圓磨床的高精度、高效率和數(shù)控化。國(guó)外已有專用的軸承磨床數(shù)控產(chǎn)品，不僅功能齊全,精度和效率高,而且實(shí)現(xiàn)了柔性化、自

20、適應(yīng)控制。我國(guó)目前還沒(méi)有軸承內(nèi)圓磨床專用的數(shù)控產(chǎn)品，普遍采用電感測(cè)量?jī)x、可編程控制器(PLC)、步進(jìn)電機(jī)控制儀和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器4個(gè)分立的產(chǎn)品組合來(lái)實(shí)現(xiàn)內(nèi)圓磨床的測(cè)控功能，不僅測(cè)控精度低，成本高，而且效率低，根本無(wú)法有效解決嚴(yán)重影響加工效率的快速趨進(jìn)問(wèn)題，滿足不了實(shí)際生產(chǎn)的需要。而引進(jìn)國(guó)外的數(shù)控系統(tǒng)又存在價(jià)格昂貴，功能得不到充分利用，造成資源浪費(fèi)的問(wèn)題。</p><p>　　作為現(xiàn)代制造技術(shù)之一，磨床在現(xiàn)代制造領(lǐng)域

21、中占有重要地位。1900年前后，人造磨料的發(fā)展和液壓傳動(dòng)的應(yīng)用，對(duì)磨床的發(fā)展有很大的推動(dòng)作用。隨著近代工業(yè)特別是汽車工業(yè)的發(fā)展，各種不同類型的磨床相繼問(wèn)世。自動(dòng)測(cè)量裝置于1908年開(kāi)始應(yīng)用到磨床上。到了1920年前后，無(wú)心磨床、雙端面磨床、輥磨床、導(dǎo)軌磨床，研磨機(jī)和超精加工機(jī)床等相繼制成使用；50年代又出現(xiàn)了可作鏡面磨削的高精度外圓磨床；60年代末又出現(xiàn)了砂輪線速度達(dá)60～80m/s的高速磨床和大切深、緩進(jìn)給磨削平面磨床；70年代，采用

22、微處理機(jī)的數(shù)字控制和適應(yīng)控制等技術(shù)在磨床上得到了廣泛的應(yīng)用。微處理機(jī)的數(shù)字控制使磨床的磨削速度具有一致的信號(hào)，可以按照指令信號(hào)進(jìn)刀，方便快捷，從程序上就可以控制整個(gè)操作流程，具有多功能，高性能，高速度，低功耗的優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　　數(shù)控磨床可以實(shí)現(xiàn)多品種的中、小批量生產(chǎn)自動(dòng)化，可以提高生產(chǎn)效率，減少成本，提高加工精度。自動(dòng)測(cè)量反饋和數(shù)字顯示裝置的應(yīng)用提高了機(jī)床自動(dòng)化程度，節(jié)省了輔助時(shí)間，減少勞動(dòng)強(qiáng)度。磨床是

23、金屬切削行業(yè)的一個(gè)重要分支，隨著工業(yè)的發(fā)展，對(duì)機(jī)械零件的加工精度及表面粗糙度的要求日益提高，磨削加工顯得更加重要。尤其在汽車、電力、船舶、冶金、軍工、航空航天等行業(yè)，數(shù)控磨床發(fā)揮著越來(lái)越大的作用。</p><p>　　1.2內(nèi)圓磨床在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　目前在機(jī)床在線檢測(cè)方面做的比較出色的是意大利的MARPOSS公司和日本東京精密。MARPOSS的產(chǎn)品包括了一系列標(biāo)準(zhǔn)裝置

24、，并且可以按照客戶要求專門設(shè)計(jì)。其中在磨床主動(dòng)測(cè)量裝置方面，它優(yōu)化了磨削過(guò)程，在磨削過(guò)程中對(duì)工件進(jìn)行連續(xù)測(cè)量，機(jī)床進(jìn)給可以根據(jù)磨削余量進(jìn)行調(diào)節(jié)，而且能最大程度地降低外部環(huán)境(溫度變化、冷啟動(dòng)等)對(duì)加工的影響，從而進(jìn)一步保證了磨削精度。一般的磨加工，重復(fù)誤差可小于0.2微米，尺寸分散性控制在3微米內(nèi)；高精度磨加工，重復(fù)誤差小于0.1微米，尺寸分散性控制在1微米以內(nèi)。日本的東京精密的磨加工主動(dòng)測(cè)量?jī)x的線性范圍為-200—+500μm，重復(fù)性

25、為0.8μm /30次，零位漂移為0.8μm /24小時(shí)，配備適當(dāng)?shù)碾娮訙y(cè)量控制儀，可以實(shí)現(xiàn)多通道同時(shí)并行處理，具備連續(xù)、斷續(xù)測(cè)量等功能。</p><p>　　目前國(guó)內(nèi)從事該領(lǐng)域研究的廠家不多，成本較高。同時(shí)，國(guó)內(nèi)的需求比較大，國(guó)內(nèi)的機(jī)床廠家，為了提高機(jī)床的加工精度，需要在機(jī)床上配備在線測(cè)量裝置；另外在對(duì)現(xiàn)有普通磨床進(jìn)行數(shù)控技術(shù)改造時(shí)，也需要添加在線檢測(cè)系統(tǒng)，所以進(jìn)行磨床在線檢測(cè)系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)具有相當(dāng)?shù)谋匾浴?/p>

26、</p><p>　　我國(guó)擁有大量的普通磨床，急需性能優(yōu)良、價(jià)格低廉的數(shù)控系統(tǒng)與之配套，為了滿足這些要求，因此設(shè)計(jì)了以MCS-51系列單片機(jī)為核心，以步進(jìn)電機(jī)為控制對(duì)象，利用接觸式高精度微位移測(cè)量?jī)x器—電感式測(cè)微儀作為數(shù)據(jù)采集傳感器的軸承內(nèi)圓磨床磨削過(guò)程的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)。</p><p>　　1.3本論文主要研究的內(nèi)容</p><p>　　磨床是以砂輪周邊或端面對(duì)工件

27、進(jìn)行磨削加工的精密機(jī)床。它不但能加工一般金屬材料，而且還能加工一般金屬刀具難以加工的硬材料。利用磨削加工可以獲得較高加工精度和光潔度，而且其加工裕量較其他加工方法小得多，所以磨床廣泛地應(yīng)用于零件的精加工。它也是以磨具（如砂輪、輪帶、油石、研磨劑等）作為工具進(jìn)行切削加工的機(jī)床，可加工各種表面（如內(nèi)圓柱面和圓錐面、平面、螺旋面），還可以進(jìn)行切斷等。</p><p>　　1．內(nèi)圓磨床的主要特點(diǎn)：</p>

28、<p>　?。?）、機(jī)床采用可編程序控制器控制自動(dòng)循環(huán)，穩(wěn)定可靠，并具有故障自診斷能力，操作方便、效率高。 </p><p>　?。?）、采用切入式磨削工藝，雙磁極電磁無(wú)心夾具及寬支點(diǎn)圓弧支承，工件定位穩(wěn)定可靠，可調(diào)性好。 </p><p>　?。?）、機(jī)床的工作臺(tái)導(dǎo)軌采用平-V型貼塑導(dǎo)軌，吸振性好，承載能力高，摩擦系數(shù)小。進(jìn)給導(dǎo)軌采用雙V型高精度滾動(dòng)導(dǎo)軌，直鑲條螺釘預(yù)緊具有摩擦

29、阻力小，承載能力強(qiáng)，運(yùn)動(dòng)精度高，剛性好的特點(diǎn)。 </p><p>　?。?）、機(jī)床進(jìn)給采用步進(jìn)電機(jī)通過(guò)諧波減速器帶動(dòng)滾珠絲杠螺母實(shí)現(xiàn)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，進(jìn)給和補(bǔ)償為同一運(yùn)動(dòng)鏈，結(jié)構(gòu)緊湊，整體化。 </p><p>　　（5）、機(jī)床采用大功率電機(jī)拖動(dòng)砂輪軸，砂輪線速度為50m/s,剛性好。 （6）、機(jī)床配用前叉式儀表雙點(diǎn)測(cè)量，儀表架由油缸驅(qū)動(dòng)，兩根導(dǎo)向桿導(dǎo)向，結(jié)構(gòu)緊湊，調(diào)整方便。 </

30、p><p>　?。?）、機(jī)床動(dòng)作采用多個(gè)電磁閥分別控制，在手動(dòng)調(diào)整工作狀態(tài)時(shí)，機(jī)床各動(dòng)作均可單動(dòng)，因此機(jī)床的調(diào)整的檢查排除故障相當(dāng)方便。 </p><p>　?。?）、機(jī)床液壓系統(tǒng)采用CB-B40齒輪泵，油箱與床身分離，液壓電磁閥都安裝在油箱上，便于調(diào)整維修。 （9）、機(jī)床冷卻系統(tǒng)配有大流量高壓冷卻泵，冷卻水量大，冷卻充分。 （10）、機(jī)床采用可卸式全封閉罩殼，裝拆方便，便于

31、維修機(jī)床。</p><p><b>　　2．主要應(yīng)用領(lǐng)域</b></p><p><b>　　開(kāi)關(guān)量邏輯控制，</b></p><p><b>　　單片機(jī)運(yùn)動(dòng)控制</b></p><p><b>　　閉環(huán)過(guò)程控制</b></p><p&

32、gt;<b>　　數(shù)據(jù)處理</b></p><p><b>　　通信聯(lián)網(wǎng)</b></p><p>　　3．單片機(jī)在內(nèi)圓磨床中的應(yīng)用</p><p>　　單片機(jī)是一種集成電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、只讀存儲(chǔ)器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)時(shí)器等功能（可

33、能還包括顯示驅(qū)動(dòng)電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個(gè)小而完善的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，在工業(yè)控制領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。</p><p>　　在內(nèi)圓磨床中要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制必須用上單片機(jī)的功能，系統(tǒng)在單片機(jī)設(shè)計(jì)好的程序下安全的運(yùn)行，從而提高效率，減少成本，真正實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化運(yùn)作系統(tǒng)。</p><p>　　用單片機(jī)控制磨刀電機(jī)、磨床小車電機(jī)和主軸電機(jī)的速度和位置，

34、實(shí)現(xiàn)管道磨削的自動(dòng)控制，要能根據(jù)工藝要求實(shí)現(xiàn)對(duì)磨削厚度的設(shè)定。電機(jī)采用三相籠型異步電動(dòng)機(jī)，其中主軸電機(jī)由變頻器控制正/反轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn)速度，旋轉(zhuǎn)速度從0到額定轉(zhuǎn)速之間可調(diào)，用電位器調(diào)節(jié)；磨刀電機(jī)只控制電機(jī)的起動(dòng)和停止，只能單方向旋轉(zhuǎn)，不用調(diào)速；磨刀進(jìn)給電機(jī)由變頻器控制，具有快進(jìn)、快退、慢進(jìn)、慢退四種速度。</p><p>　　第二章 系統(tǒng)方案的選擇和論證</p><p>　　2.1微機(jī)系統(tǒng)選擇論

35、證</p><p>　　單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)是一個(gè)工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)，從這一觀點(diǎn)出發(fā)，單片機(jī)應(yīng)用于系統(tǒng)工程應(yīng)滿足下列要求：</p><p>　　（1）控制接口。這只與測(cè)控接口及測(cè)控功能電路配置和要求與測(cè)控對(duì)象密切相關(guān)。</p><p>　?。?）必須適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境要求。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及接口電路設(shè)計(jì)、配置必須考慮到應(yīng)用系統(tǒng)安放環(huán)境要求。</p><p>　?。?

36、）數(shù)據(jù)的顯示。采用兩個(gè)四位一體的LED數(shù)碼管，前四位顯示磨刀進(jìn)給的實(shí)際行程，后四位顯示當(dāng)前的進(jìn)刀次數(shù)和每次的實(shí)際進(jìn)刀量。進(jìn)刀次數(shù)和進(jìn)刀量之間采用‘-’作為間隔符。為了減少驅(qū)動(dòng)電路，采用動(dòng)態(tài)掃描的方法顯示。</p><p>　　由于8031的I/O口數(shù)量有限，所以外擴(kuò)一片 8255 芯片來(lái)擴(kuò)展I/O接口。利用外擴(kuò)的8255 I/O口驅(qū)動(dòng)顯示電路。由于在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中按鍵比較多，因此采用行列矩陣式鍵盤，這樣就可以減少鍵盤

37、與單片機(jī)接口時(shí)所占用的I/O口線的數(shù)目。利用這種行列矩陣式需要N個(gè)行線和M個(gè)列線，即可組成M×N個(gè)按鍵的鍵盤。</p><p>　　采用單片機(jī)C51語(yǔ)言,在Keil μVision 4軟件環(huán)境下進(jìn)行程序的編寫和調(diào)試，采用Protel軟件進(jìn)行磨床系統(tǒng)的仿真，并觀察仿真結(jié)果。</p><p>　　2.2 MCS-51系列單片機(jī)的功能比較</p><p>　　I

38、NTEL公司推出的MCS—48系列單片機(jī)，被稱為第一代單片機(jī)。由于8048硬件結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，尋址能力也較弱，僅適用于一些簡(jiǎn)單實(shí)時(shí)控制場(chǎng)合。</p><p>　　MCS—51系列單片機(jī)，稱為第二代單片機(jī)與8048相比，51系列的硬件結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)均有很大改進(jìn)，支持更大存儲(chǔ)空間，很強(qiáng)的外部擴(kuò)展功能，速度提高了2-5倍，可完成布爾運(yùn)算等。目前8051已成為第二代工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)單片機(jī)。</p><p>

39、　　近年來(lái)，又出現(xiàn)了十六位單片機(jī)，即MCS—96系列。8096，8098是先進(jìn)的十六位“片上計(jì)算機(jī)”，芯片內(nèi)含有12000個(gè)發(fā)光晶體管，速度快，集成度高，適合于I/O端口密集場(chǎng)合的復(fù)雜實(shí)時(shí)控制，但設(shè)計(jì)過(guò)程較復(fù)雜，價(jià)格較高。下面就以上三種單片機(jī)的各部分進(jìn)行比較。</p><p>　?。?）三種系列CPU比較</p><p>　　MCS—48：8位CPU，累加器為算術(shù)邏輯運(yùn)算中心，2級(jí)工作寄存

40、器，累加器可</p><p>　　以尋址，定時(shí)，控制，條件分支測(cè)試邏輯，時(shí)鐘速1-11MHZ。MCS—51：8位CPU，累加器為算術(shù)邏輯運(yùn)算中心，4級(jí)工作寄存器，B寄存器，具有尋址64KB數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的位，DPTR寄存器定時(shí)，控制邏輯，時(shí)鐘速度1-12MHZ。</p><p>　　MCS—96：16位CPU相當(dāng)于一個(gè)“累加器”，內(nèi)部寄存器陣列可進(jìn)位操作，硬件實(shí)現(xiàn)乘除法，檢測(cè)軟硬件故障的定時(shí)器

41、，定時(shí)與控制邏輯，時(shí)鐘速率為1-12MHZ。</p><p>　　（2）三種系列I/O端口及中斷比較</p><p>　　MCS—48：2個(gè)8位并行口，1個(gè)位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，2路8位A/D轉(zhuǎn)換器。單級(jí)中斷，兩個(gè)中斷器。</p><p>　　MCS —51：4個(gè)8位并行口，1個(gè)全雙工串行口，2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。它是二級(jí)中斷，5個(gè)中斷源。</p>&

42、lt;p>　　MCS—96：5個(gè)8位并行口，1個(gè)全雙工串行口，2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，8路十位A/D轉(zhuǎn)換器。它是可編程級(jí)中斷邏輯，20個(gè)中斷源。</p><p>　　根據(jù)上述，MCS—51系列單片機(jī)在I/O端口功能、種類、數(shù)量及系統(tǒng)擴(kuò)展和CPU處理上都有較高的性能。MCS—51系列可行性好，易擴(kuò)展，控制功能強(qiáng)，可謂是性能價(jià)格比最佳的八位單片機(jī)，特別適合我國(guó)國(guó)情。</p><p>　

43、　因此，本設(shè)計(jì)采用MCS—51系列單片機(jī)，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，選取 MCS—51系列的8031作為實(shí)際的單片機(jī)控制。</p><p>　　2.3確定設(shè)計(jì)方案的可行性和正確性</p><p>　　根據(jù)設(shè)計(jì)的具體內(nèi)容，本設(shè)計(jì)選MCS—51系列單片機(jī)，因?yàn)?1系列單片機(jī)有很強(qiáng)的外部擴(kuò)展功能，外圍擴(kuò)展電路和擴(kuò)展方法較典型規(guī)范，用戶很容易通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展電路來(lái)構(gòu)成較大規(guī)模的應(yīng)用系統(tǒng)。

44、 </p><p>　　本設(shè)計(jì)采用8031芯片，因?yàn)?031芯片內(nèi)無(wú)程序存儲(chǔ)器的供應(yīng)芯片，其應(yīng)用系統(tǒng)必須在片外擴(kuò)展EPROM。外接程序存儲(chǔ)器的地址線A8-A15由P2口提供，A0-A7由P0口通過(guò)地址鎖存器提供，根據(jù)需要 EPROM應(yīng)盡量選擇比較大的內(nèi)存。本設(shè)計(jì)采用27128芯片。如果選擇的型號(hào)不能滿足使用環(huán)境的要求，會(huì)造成工作不可靠甚</p>

45、<p>　　至不能工作。程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路芯片除必須有EPROM芯片外，還必須有鎖存器芯片。因?yàn)镻0口是數(shù)據(jù)總線口，通過(guò) P0口擴(kuò)展I/O口時(shí)，P0口只能分時(shí)使用，故輸出時(shí)接口電路應(yīng)有鎖存器。 </p><p>　　鎖存器種類很多，但只有74LS373和8282的鎖存器控制端G和STB可直接與單片機(jī)的鎖存控制信號(hào)端ALE相連，在ALE下降沿進(jìn)行

46、鎖存。通過(guò)I/O擴(kuò)展芯片主要有INTEL公司的8255，8155。由于MCS—51單片機(jī)屬于INTEL系列，故用INTEL I/O擴(kuò)展芯片及接口電路最為簡(jiǎn)捷可靠。8255在MCS—51單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用于連接外部設(shè)備。本系統(tǒng)采用8255芯片擴(kuò)展。系統(tǒng)的方框圖如圖2-1所示</p><p>　　圖 2-1 系統(tǒng)方框圖</p><p>　　又根據(jù)軸承套圈內(nèi)徑磨削工藝及其參數(shù)要求，綜合整

47、機(jī)控制信號(hào)以及控制系統(tǒng)內(nèi)部信號(hào)，判斷對(duì)步進(jìn)電機(jī)頻率和運(yùn)行步數(shù)，確定本系統(tǒng)采用下圖的順序?qū)Σ竭M(jìn)電機(jī)進(jìn)給順序進(jìn)行控制。</p><p>　　圖2-2 工步順序控制圖</p><p>　　第三章 內(nèi)圓磨床控制系統(tǒng)分析</p><p>　　3.1磨削技術(shù)發(fā)展及加工工藝</p><p>　　3.1.1磨床磨削技術(shù)發(fā)展歷史</p>&l

48、t;p>　　一般來(lái)講,按砂輪線速度Vs的高低將磨削分為普通磨削(Vs<45m/s)、高速磨削(45≤Vs<150m/s)、超高速磨削(Vs≥150m/s)。按磨削精度將磨削分為普通磨削、精密磨削(加工精度1μm～0.1μm、表面粗糙度Ra0.2μm～0.1μm)、超精密磨削(加工精度<0.1μm、表面粗糙度Ra≤0.025μm)。按磨削效率將磨削分為普通磨削、高效磨削。高效磨削包括高速磨削、超高速磨削、緩進(jìn)給磨削

49、、高效深切磨削(HEDG)、砂帶磨削、快速短行程磨削、高速重負(fù)荷磨削。高速高效磨削、超高速磨削在歐洲、美國(guó)和日本等一些工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家發(fā)展很快,如德國(guó)的Aachen大學(xué)、Bremm大學(xué)、美國(guó)的Connecticut大學(xué)等，有的在實(shí)驗(yàn)室完成了Vs為250m/s、350m/s、400m/s的實(shí)驗(yàn)。據(jù)報(bào)道，德國(guó)Aachen大學(xué)正在進(jìn)行目標(biāo)為500m/s的磨削實(shí)驗(yàn)研究。在實(shí)用磨削方面,日本已有Vs=200m/s的磨床在工業(yè)中應(yīng)用。</p>

50、;<p>　　我國(guó)對(duì)高速磨削及磨具的研究已有多年的歷史，如湖南大學(xué)在70年代末期便進(jìn)行了80m/s、120m/s的磨削工藝實(shí)驗(yàn)；前幾年，某大學(xué)也計(jì)劃開(kāi)展250m/s的磨削研究(但至今尚未見(jiàn)到這方面的報(bào)道，所以說(shuō)有些高速磨削技術(shù)還只是實(shí)驗(yàn)而已，尚未走出實(shí)驗(yàn)室，技術(shù)還遠(yuǎn)沒(méi)有成熟，特別是超高速磨削的研究還開(kāi)展得很少。在實(shí)際應(yīng)用中，砂輪線速度Vs一般還是45～60m/s。</p><p>　　國(guó)內(nèi)外都采用超

51、精密磨削、精密修整、微細(xì)磨料磨具進(jìn)行亞微米級(jí)以下切深磨削的研究，以獲得亞微米級(jí)的尺寸精度。微細(xì)磨料磨削，用于超精密鏡面磨削的樹(shù)脂結(jié)合劑砂輪的金剛石磨粒平均直徑可小至4μm。日本用激光在研磨過(guò)的人造單晶金剛石上切出大量等高性一致的微小切刃，對(duì)硬脆材料進(jìn)行精密磨削加工，效果</p><p>　　很好。超硬材料微粉砂輪超精密磨削主要用于磨削難加工材料，精度可達(dá)0.025μm。日本開(kāi)發(fā)了電解在線修整(ELID)超精密鏡面

52、磨削技術(shù)，使得用超細(xì)微(或超微粉)超硬磨料制造砂輪成為可能，可實(shí)現(xiàn)硬脆材料的高精度、高效率的超精密磨削。作平面研磨運(yùn)動(dòng)的雙端面精密磨削技術(shù)，其加工精度、切除率都比研磨高得多，且可獲得很高的平面度。電泳磨削技術(shù)也是一種新的超精密及納米磨削技術(shù)。</p><p>　　隨著磨削技術(shù)的發(fā)展，磨床在加工機(jī)床中也占有相當(dāng)大的比例。據(jù)1997年歐洲機(jī)床展覽會(huì)(EMO)的調(diào)查數(shù)據(jù)表明，25%的企業(yè)認(rèn)為磨削是他們應(yīng)用的最主要的加工

53、技術(shù)，車削只占23%，鉆削占22%，其它占8%；而磨床在企業(yè)中占機(jī)床的比例高達(dá)42%，車床占23%，銑床占22%，鉆床占14%。我國(guó)從1949～1998年，開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的通用磨床有1800多種，專用磨床有幾百種，磨床的擁有量占金屬切削機(jī)床總擁有量的13%左右?？梢?jiàn)，磨削技術(shù)及磨床在機(jī)械制造業(yè)中占有極其重要的位置。</p><p>　　為什么磨削技術(shù)會(huì)不斷地發(fā)展？主要原因如下：</p><p>

54、　　(1)加工精度高　由于磨削具有其它加工方法無(wú)法比擬的特點(diǎn)，如砂輪上參與切削的磨粒多，切削刃多且?guī)缀涡螤畈煌?；僅在較小的局部產(chǎn)生加工應(yīng)力；磨具對(duì)斷續(xù)切削、工件硬度的變化不很敏感；砂輪可實(shí)現(xiàn)在線修銳等，因而可使加工件獲得很高的加工精度。</p><p>　　(2)加工效率高　如緩進(jìn)給深磨，一次磨削深度可達(dá)到0～25mm；如將砂輪修整成所需形狀，一次便可磨出所需的工件形狀。而當(dāng)Vs進(jìn)一步提高后，其加工效率則更高。&

55、lt;/p><p>　　(3)工程材料不斷發(fā)展　許多材料(如陶瓷材料、玻璃材料等)在工業(yè)中的應(yīng)用不斷擴(kuò)大，有些材料只能采用磨削加工，需要有新的磨削技術(shù)及磨削工藝與之相適應(yīng)。</p><p>　　(4)新的磨料磨具　如人造金剛石砂輪、CBN砂輪的出現(xiàn)，擴(kuò)大了磨削加工的應(yīng)用范圍。</p><p>　　(5)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展　如砂輪制造技術(shù)、控制技術(shù)、運(yùn)動(dòng)部件的驅(qū)動(dòng)技術(shù)、支撐技

56、術(shù)等，促進(jìn)了磨削技術(shù)及磨削裝備的發(fā)展。</p><p>　　總之，磨削技術(shù)發(fā)展很快，在機(jī)械加工中起著非常重要的作用。目前，磨削技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是：發(fā)展超硬磨料磨具，研究精密及超精密磨削、高速高效磨削機(jī)理并開(kāi)發(fā)其新的磨削工藝技術(shù)，研制高精度、高剛性的自動(dòng)化磨床。</p><p>　　3.1.2磨床磨削工藝的關(guān)鍵技術(shù)</p><p>　　就磨削而言，特別就高速高效磨削、精

57、密及超精密磨削而言，其涉及的內(nèi)容廣泛，不僅包括磨削本身的技術(shù)，也集中了其它相關(guān)的技術(shù)。關(guān)鍵技術(shù)介紹如下：</p><p>　　(1)磨削機(jī)理及磨削工藝的研究</p><p>　　通過(guò)對(duì)磨削機(jī)理和磨削工藝的研究，揭示各種磨削過(guò)程、磨削現(xiàn)象的本質(zhì)，找出其變化規(guī)律。例如，磨削力、磨削功率、磨削熱及磨削溫度的分布、切屑的形成過(guò)程、磨削燒傷、磨削表面完整性等的影響因素和條件；不同工件材料(特別是難加

58、工材料和特殊功能材料)和磨削條件的最佳磨削參數(shù)；磨具的磨損，新型磨具材料的磨削性能等，只有通過(guò)磨削機(jī)理和磨削工藝的研究，才能確定最佳的磨削范圍，獲取最佳的磨削參數(shù)。</p><p>　　對(duì)普通磨削而言，在磨削機(jī)理和磨削工藝方面已開(kāi)展了廣泛而深入的研究。在精密及超精密磨削、高速高效磨削的磨削機(jī)理和磨削工藝方面，針對(duì)不同的工程材料(如陶瓷和玻璃)國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了一些研究，但還很不全面，尚未形成完整的理論體系，還需進(jìn)行廣泛

59、的研究，找出其內(nèi)在的規(guī)律。</p><p>　　(2)高速、高精度主軸單元制造技術(shù)</p><p>　　主軸單元包括主軸動(dòng)力源、主軸、軸承和機(jī)架幾個(gè)部分，它影響著加工系統(tǒng)的精度、穩(wěn)定性及應(yīng)用范圍，其動(dòng)力學(xué)性能及穩(wěn)定性對(duì)高速高效磨削、精密超精密磨削起著關(guān)鍵的作用。</p><p>　　提高砂輪線速度主要是提高砂輪主軸的轉(zhuǎn)速，特別是在砂輪直徑受到限制的場(chǎng)合(如內(nèi)圓磨削)

60、。因而，適應(yīng)于高精度、高速及超高速磨床的主軸單元是磨床的關(guān)鍵部件。而對(duì)于高速高精度主軸單元系統(tǒng)，應(yīng)該是剛性好，回轉(zhuǎn)精度高，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)溫</p><p>　　升小、穩(wěn)定性好、可靠，功耗低，壽命長(zhǎng)，同時(shí)成本也應(yīng)適中。要滿足這些要求，主軸的制造及動(dòng)平衡，主軸的支撐(軸承)，主軸系統(tǒng)的潤(rùn)滑和冷卻，系統(tǒng)的剛性等是很重要的。</p><p>　　國(guó)外主軸單元技術(shù)的發(fā)展很快，有些公司專門提供各種功能的主軸單

61、元部件，這種主軸單元部件可以方便地配置到加工中心、超高速切削機(jī)床上。近年來(lái)高速和超高速磨床越來(lái)越多地用電主軸作為其主軸單元部件，如美國(guó)福特公司和In-gersoll公司推出的加工中心，其主軸單元就是用的電主軸，其功率為65kW，</p><p>　　最高轉(zhuǎn)速達(dá)15000r/min，電機(jī)的響應(yīng)時(shí)間很短；在EMO97上，電主軸是機(jī)床制造技術(shù)中最熱門的功能部件，參展商達(dá)36家；美國(guó)Landis公司的超高速曲軸、凸輪軸磨

62、床的砂輪主軸，也都用電主軸。</p><p>　　目前，國(guó)內(nèi)主軸單元的速度大約在10000r/min以下，且其精度、剛性及穩(wěn)定性有待考驗(yàn)和提高，同時(shí)缺乏高速、高精度、大功率的主軸單元(電主軸)。需要進(jìn)一步研究的重點(diǎn)如下：1，大功率、高轉(zhuǎn)速和高精度的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)；2，高剛性、高精度、高轉(zhuǎn)速重負(fù)荷的軸承或支承件的研究與開(kāi)發(fā)；3，高速、高剛性、高精度的砂輪主軸和工件頭架主軸的制造技術(shù)。</p>&

63、lt;p>　　(3)精密、高速進(jìn)給單元制造技術(shù)</p><p>　　進(jìn)給單元包括伺服驅(qū)動(dòng)部件，滾動(dòng)單元，位置監(jiān)測(cè)單元等。進(jìn)給單元是使砂輪保持正常工作的必要條件,也是評(píng)價(jià)高速、高效及超高速磨床性能的重要指標(biāo)之一。因此，要求進(jìn)給單元運(yùn)轉(zhuǎn)靈活，分辨率高，定位精度高，沒(méi)有爬行，有較大的移動(dòng)范圍(既要適合空行程時(shí)的快進(jìn)給，又要適應(yīng)加工時(shí)的小進(jìn)給或者微進(jìn)給)，既要有較大的加速度，又要有足夠大的推力，剛性高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，

64、定位精度好。</p><p>　　(4)砂輪制造及其新技術(shù)</p><p>　　隨著工程材料的發(fā)展及其應(yīng)用，CBN砂輪和人造金剛石砂輪的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。而砂輪的許用線速度也要求較高，一般在80m/s以上，單層電鍍CBN砂輪的線速度可達(dá)250m/s，發(fā)展超高速磨削也需要150m/s以上的砂輪，但國(guó)內(nèi)80～120m/s的CBN砂輪仍在研制之中。</p><p>　　此外

65、，砂輪的設(shè)計(jì)，其截面形狀的優(yōu)化、粘結(jié)劑的結(jié)合強(qiáng)度及其適用性、砂輪基體的材料、砂輪的制造技術(shù)(特別是對(duì)微細(xì)磨料磨具的制造技術(shù))等都是非常重要</p><p>　　的，仍需對(duì)一些關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)：1，砂輪基體材料及制造技術(shù)的開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)及其優(yōu)化；2，砂輪新型粘結(jié)劑(特別是適用于制造微細(xì)磨料磨具的粘結(jié)劑)的研究；3，新型磨料的制備工藝，如可使磨料容易產(chǎn)生新的切削刃；4，新型砂輪的制造工藝，既要使砂輪具有足夠的容屑空間，也

66、要有更好的凸出性；5，適合于超精密磨削的超微粉砂輪的制備技術(shù)。</p><p>　　(5)機(jī)床支承技術(shù)及輔助單元技術(shù) </p><p>　　機(jī)床支承技術(shù)主要是指機(jī)床的支承構(gòu)件的設(shè)計(jì)及制造技術(shù)。輔助單元技術(shù)包括快速工件裝夾技術(shù)，高效冷卻潤(rùn)滑液過(guò)濾系統(tǒng)、機(jī)床安全裝置、切屑處理及工件清</p><p>　　潔技術(shù)、主軸及砂輪的動(dòng)平衡技術(shù)等。</p><

67、p>　　磨床支承構(gòu)件是砂輪架、頭架、尾架、工作臺(tái)等部件的支撐基礎(chǔ)件。要求它有良好的靜剛度、動(dòng)剛度及熱剛度。對(duì)于一些精密、超高速磨床，國(guó)內(nèi)外都有采用聚合物混凝土(人造花崗巖)來(lái)制造床身和立柱的，也有的將立柱和底座采用鑄鐵整體鑄造而成，還有采用鋼板焊接件，并將阻尼材料填充其內(nèi)腔以提高其抗震性，這些都收到了很好的效果。</p><p>　　(6)砂輪在線修整技術(shù)</p><p>　　在磨削

68、過(guò)程中，砂輪由于磨鈍和磨損，需要進(jìn)行及時(shí)修整，特別是對(duì)超細(xì)磨料砂輪而言，更需頻繁修整。普通砂輪修整比較容易；人造金剛石砂輪和CBN砂輪的修整(特別是在線修整)是個(gè)難題。超硬磨料砂輪的修圓及磨料開(kāi)刃是兩個(gè)很重要的問(wèn)題。目前，國(guó)內(nèi)一些學(xué)者正在研究激光修整砂輪和電解修整砂輪，以期解決高效實(shí)用的修整問(wèn)題。重要的關(guān)鍵問(wèn)題有二：1，新的、高效實(shí)用的砂輪修整技術(shù)及其裝置；2，砂輪在線修整技術(shù)。</p><p>　　(7)磨削過(guò)

69、程的檢測(cè)控制技術(shù)</p><p>　　磨削過(guò)程的檢測(cè)與控制，主要是通過(guò)傳感器、分析及信號(hào)處理，對(duì)磨削過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，例如對(duì)砂輪的磨損及破損情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，對(duì)工件的尺寸、形狀與位置精度和加工表面質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)控。這需要研究新的實(shí)用的傳感器、檢測(cè)與監(jiān)控方法。</p><p>　　國(guó)內(nèi)也開(kāi)發(fā)了一些非接觸式測(cè)量傳感器及磨削過(guò)程的在線監(jiān)測(cè)、監(jiān)控技術(shù)等，但與國(guó)外差距很大。國(guó)內(nèi)應(yīng)以實(shí)用化為目標(biāo)，進(jìn)行相

70、關(guān)測(cè)試技術(shù)的研究，研究精度</p><p>　　高、可靠性好、實(shí)用性強(qiáng)的測(cè)試技術(shù)與設(shè)備。同時(shí)，加強(qiáng)對(duì)砂輪磨損及破損、砂輪修整狀態(tài)，工件的加工精度、加工表面質(zhì)量等在線監(jiān)控技術(shù)進(jìn)行研究,開(kāi)展自適應(yīng)控制及智能控制的研究。</p><p>　　(8)磨削過(guò)程的仿真與虛擬</p><p>　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及模擬技術(shù)的發(fā)展，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行磨削基本參數(shù)及磨削工藝的仿真是一個(gè)重要

71、的研究課題。利用計(jì)算機(jī)仿真，可以模擬磨削過(guò)程，并能分析和預(yù)測(cè)不同條件下磨削效果和磨床的性能，但仿真必須建立在有充分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)之上。目前能使用砂輪模型對(duì)砂輪進(jìn)行仿真，能對(duì)磨屑形成過(guò)程、能量轉(zhuǎn)換、磨削力變化、磨削區(qū)溫度、磨削精度和磨削表面質(zhì)量進(jìn)行仿真，還開(kāi)發(fā)了分析和仿真磨</p><p>　　削過(guò)程的軟件工具。虛擬磨床是虛擬制造技術(shù)中的一個(gè)新的研究領(lǐng)域，可以建立一個(gè)逼真的虛擬磨削環(huán)境。</p>&l

72、t;p>　　3.2軸承內(nèi)圓磨床的特點(diǎn)和控制要求</p><p>　　軸承內(nèi)圓磨床多是全自動(dòng)的專用機(jī)床，由于磨削加工的特殊情況，決定了它具有如下的特點(diǎn)和控制要求：</p><p>　　(1)加工過(guò)程復(fù)雜。這類機(jī)床加工一個(gè)工件，一般要經(jīng)過(guò)上料、上磁、測(cè)爪收縮、儀表引進(jìn)工件、測(cè)爪張開(kāi)、磨架引進(jìn)、床光跳進(jìn)、快進(jìn)給、粗磨、修整砂輪、精磨、頭磨和補(bǔ)償?shù)纫幌盗械墓ば?，要求采集十幾個(gè)開(kāi)關(guān)量的狀態(tài)，控

73、制十多個(gè)電磁閥，所以是一個(gè)復(fù)雜的程控過(guò)程。</p><p>　　(2)加工精度高。眾所周知，磨床是精加工設(shè)備，特別是對(duì)軸承內(nèi)徑的磨削，尺寸偏差一般要求控制在微米的量級(jí)，而磨削過(guò)程中砂輪損耗很大，目前還只能采用對(duì)工件直接測(cè)量的方法來(lái)控制。此外，加工過(guò)程中工件尺寸受溫度等諸多因素的影響，對(duì)尺寸的檢測(cè)和控制提出了更高的要求，所以是高精度的一維數(shù)控系統(tǒng)。</p><p>　　(3)工作條件惡劣。僅

74、就一臺(tái)軸承內(nèi)圓磨床而言，就有中頻砂輪電機(jī)、工件電機(jī)、油泵電機(jī)、冷卻水電機(jī)以及磁卡盤等強(qiáng)電設(shè)備，加上周圍大設(shè)備的啟停，形成很強(qiáng)的電磁干擾；另外，磨削要加大量冷卻液，使車間濕度很大，加之磨削過(guò)程產(chǎn)生的金屬粉塵，對(duì)計(jì)算機(jī)和電子線路都將造成很大的威脅，所以要求控制系統(tǒng)有很</p><p>　　高的可靠性和可維修性。</p><p>　　3.3步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作原理及其驅(qū)動(dòng)控制方式</p>

75、<p>　　開(kāi)環(huán)位置伺服系統(tǒng)亦叫步進(jìn)式伺服系統(tǒng)，其驅(qū)動(dòng)元件為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)盛行于20世紀(jì)70年代，且控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，控制最容易，維修最方便，控制為全數(shù)字化，這完全符合數(shù)字化控制技術(shù)的要求。數(shù)控系統(tǒng)與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制電路結(jié)為一體。</p><p>　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，除功率驅(qū)動(dòng)電路之外，從而簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低成本，提高了系統(tǒng)的可靠性。而步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的耗能太多，速度也不高。日前

76、的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在脈沖當(dāng)量為時(shí)，最高移動(dòng)速度僅有2mm／Min，且功率越大，移動(dòng)速度越低，主要用于速度與精度要求不高的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床及舊設(shè)備改造中。</p><p>　　3.3.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的種類結(jié)構(gòu)及其工作原理</p><p>　　步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種用電脈沖信號(hào)進(jìn)行控制，并將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移的執(zhí)行器。其角位移量與電脈沖數(shù)成正比，其轉(zhuǎn)速與電脈沖頻率成正比，通過(guò)改變脈沖頻率就可以調(diào)節(jié)電

77、動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)一周都有固定的步數(shù)，從理論上說(shuō)其步距誤差不會(huì)積累。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大缺點(diǎn)在于其容易失步。特別是在大負(fù)載和速度較高的情況下，失步更容易發(fā)生。</p><p>　　但是，近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的恒流斬波驅(qū)動(dòng)、PWM驅(qū)動(dòng)、微步驅(qū)動(dòng)、超微步驅(qū)動(dòng)及其它們的綜合運(yùn)用，使得步進(jìn)電機(jī)的高頻出力得到很大提高，低頻振蕩得到顯著改善，特別是在隨著智能超微步驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，必將把步進(jìn)電機(jī)性能提高到一個(gè)新的水平。它將以極佳

78、的性能價(jià)格比，獲得更為廣泛的應(yīng)用，在許多領(lǐng)域?qū)⑷〈绷魉欧姍C(jī)及其相應(yīng)伺服系統(tǒng)。</p><p>　　目前，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)主要用于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)，一般采用開(kāi)環(huán)的控制結(jié)構(gòu)。也有的采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床同時(shí)采用了位置檢測(cè)元件，構(gòu)成了反饋補(bǔ)償型的驅(qū)動(dòng)控制結(jié)構(gòu)。用于數(shù)控機(jī)床驅(qū)動(dòng)的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)主要有兩類：反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)也稱為磁阻式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。</p><p

79、>　　圖3-1 為三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的工作原理圖，其定子上有六個(gè)極，每個(gè)極上裝有控制繞組，每相對(duì)的兩極組成一相。轉(zhuǎn)子上有四個(gè)均勻分布的齒，其上沒(méi)有繞組，當(dāng) A 相控制繞組通電時(shí)，轉(zhuǎn)子在磁場(chǎng)力的作用下與定子齒對(duì)齊，即轉(zhuǎn)子齒 1、3 和定子齒 A、A'對(duì)齊，如圖 3-1（a）所示。若切斷 A相，同時(shí)接通 B 相，在磁場(chǎng)力作用下轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)，轉(zhuǎn)子齒 2、4 和定子齒 B、B'對(duì)齊，如圖 3-1（b）所示，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角。

80、如再使 B 相斷電，同時(shí) C 相控制繞組通電，轉(zhuǎn)子又轉(zhuǎn)過(guò) ，使轉(zhuǎn)子齒 1、3 和定子齒 C、C'對(duì)齊，如圖 3-1（c）所示。如此循環(huán)往復(fù)，并按 A→B→C→A 順序通電，步進(jìn)電機(jī)按一定方向轉(zhuǎn)動(dòng)。電機(jī)的轉(zhuǎn)速取決于控</p><p>　　制繞組接通和斷開(kāi)的變化頻率。</p><p>　　圖3-1 三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)單三拍工作時(shí)工作原理圖</p><p>　　

81、實(shí)際的步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子鐵心和定子磁極上均有小齒，齒距相等。定子和轉(zhuǎn)子的齒數(shù)要有一定比例的配合，即要求在某一相的一對(duì)極下，定子和轉(zhuǎn)子的齒一一對(duì)齊，而此時(shí)在其它兩相的磁極下，定子和轉(zhuǎn)子的齒要分別錯(cuò)開(kāi)一定的角度。這樣，如果步進(jìn)電機(jī)的三相繞組按一定的方式通電，那么它就以一定的步矩角進(jìn)行走步。步進(jìn)電機(jī)的步距角的大小是由轉(zhuǎn)子的齒數(shù)、控制繞組的相數(shù)和通電方式?jīng)Q定，它們之間</p><p><b>　　存在以下關(guān)系：&l

82、t;/b></p><p><b>　　(式3-1)</b></p><p>　　式中，為步距角；為通電狀態(tài)系數(shù)，當(dāng)采用單相或雙相通電方式時(shí)，=1；而采用單、雙相輪流通電方式時(shí)，=2；為步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)；為步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子齒數(shù)?？刂评@組通電狀態(tài)的改變，是由外加輸入脈沖驅(qū)動(dòng)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的。每當(dāng)外電路送入一個(gè)脈沖，控制繞組的通電狀態(tài)即改變一次，與此對(duì)應(yīng)步進(jìn)電機(jī)將轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)步距

83、角。因此步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)的步距角數(shù)等于外加脈沖數(shù)，則步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為：</p><p><b>　　(式3-2)</b></p><p>　　式中 為步進(jìn)電機(jī)通電的脈沖頻率，單位為 Hz； 為步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，單位為 r/min。</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速用步矩角表示為：</p><p><b>　　(式3

84、-3)</b></p><p>　　由式（3-1）和（3-2）可知，電機(jī)的相數(shù)和轉(zhuǎn)子的齒數(shù)越多，則步距角就越小，電機(jī)在脈沖頻率一定時(shí)的轉(zhuǎn)速也越低。當(dāng)電機(jī)的相數(shù)和轉(zhuǎn)子的齒數(shù)一定時(shí)，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和輸入的脈沖頻率成正比。因此，改變輸入的脈沖頻率就可以改變轉(zhuǎn)速，改變通電狀態(tài)順序就可以實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)。由于這些特性，步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)中，能夠按照控制命令實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)、停止、升速、降速、正反轉(zhuǎn)等操作。</p>&

85、lt;p>　　步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)特性：</p><p>　　機(jī)械負(fù)載位置的變化往往需要步進(jìn)電機(jī)的連續(xù)運(yùn)行，電機(jī)轉(zhuǎn)子必須產(chǎn)生足夠大的力矩，以克服摩擦和加速總慣量，電機(jī)無(wú)能力產(chǎn)生足夠大的力矩時(shí)可能引起電機(jī)的失速，造成轉(zhuǎn)子步進(jìn)與相勵(lì)磁之間失去同步，從而產(chǎn)生不正確的負(fù)載定位。因此步進(jìn)電機(jī)加速、減速、恒速運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩以及電機(jī)能夠驅(qū)動(dòng)負(fù)載的最高速度等特性至關(guān)重要。</p><p>　　矩-頻特性

86、一般用啟動(dòng)矩-頻特性和運(yùn)行矩-頻特性來(lái)表示。它們之間關(guān)系的典型曲線如圖 3-2 所示。啟動(dòng)矩-頻特性是牽入轉(zhuǎn)矩與頻率之間的關(guān)系曲線，運(yùn)行矩-頻特性曲線是失步轉(zhuǎn)矩與頻率之間的關(guān)系曲線。</p><p>　　圖 3-2 啟動(dòng)矩頻特性及運(yùn)行矩頻特性曲線關(guān)系圖</p><p>　　當(dāng)工作在Ⅰ區(qū)范圍內(nèi)，步進(jìn)電機(jī)可以停止和再啟動(dòng)，或者反向轉(zhuǎn)動(dòng)，而不會(huì)失步。步進(jìn)電機(jī)在Ⅰ區(qū)的工作速度上所產(chǎn)生的最大力矩坐

87、標(biāo)位于啟動(dòng)矩-頻特性曲線上，啟動(dòng)矩-頻特性曲線與縱坐標(biāo)的交點(diǎn)為最大運(yùn)行力矩，與橫坐標(biāo)的交點(diǎn)為最大啟動(dòng)頻率。Ⅱ區(qū)為單向工作區(qū)，在此區(qū)電機(jī)不能直接啟動(dòng)，若電機(jī)不停止、啟動(dòng)和換向，在此區(qū)域內(nèi)工作，電機(jī)不會(huì)失步。為了在Ⅱ區(qū)內(nèi)工作，電機(jī)必須首先在Ⅰ區(qū)內(nèi)工作，然后利用控制加速度斜坡，轉(zhuǎn)變到Ⅱ區(qū)。若達(dá)到不失步停止時(shí)，也要在限制加速度的條件下，由Ⅱ區(qū)轉(zhuǎn)移到Ⅰ區(qū)，在減速時(shí)慣性反作用力矩為負(fù)，對(duì)電機(jī)有利。Ⅲ區(qū)為失步區(qū)域，在任何情況下都是不允許的。</

88、p><p>　　3.3.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制原理</p><p>　　舊式的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)由步進(jìn)控制器、功率放大器和步進(jìn)電機(jī)組成，如圖3-3所示。步進(jìn)控制器包括緩沖寄存器、環(huán)形分配器、控制邏輯及正反轉(zhuǎn)控制門等，其作用是把輸入脈沖變?yōu)榄h(huán)形脈沖，以便實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)和正反向控制。功率放大器的作用是將步進(jìn)控制器輸出的環(huán)形脈沖加以放大，以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。</p><p>

89、　　在這種控制中，由于步進(jìn)控制器線路復(fù)雜，成本高，限制了它的應(yīng)用。</p><p>　　步 進(jìn) 功 率 步 進(jìn) 負(fù)</p><p>　　脈沖 控 制 放 大 </p><p>　　器 器

90、 電 機(jī)</p><p>　　方向 載</p><p><b>　　控制</b></p><p>　　圖 3-3 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的組成</p><p>　　隨著微型計(jì)

91、算機(jī)的廣泛應(yīng)用，采用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，只要控制輸入電脈沖的數(shù)量、頻率以及電機(jī)繞組通電相序即可獲得所需的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向。這不僅簡(jiǎn)化了線路，降低了成本，而且控制方便，提高了可靠性。圖 3-4 為微機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。</p><p>　　圖3-4 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的組成</p><p>　　3.3.3步進(jìn)電機(jī)的串行和并行控制</p><p>　　使用微機(jī)對(duì)步進(jìn)

92、電機(jī)進(jìn)行控制，有串行和并行兩種方式。</p><p><b>　　一、串行控制</b></p><p>　　具有串行控制功能的單片機(jī)與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源之間有較少的連線。將信號(hào)送入步</p><p>　　進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源的為環(huán)形分配器，所以在這種系統(tǒng)中，驅(qū)動(dòng)電源必須含有環(huán)形分配器。這種控制方式的示意圖見(jiàn)圖 3-5 。</p><

93、p>　　環(huán) 功 步</p><p>　　P 1.0 CP脈沖</p><p>　　形 率 進(jìn)</p><p>　　P 1.1 方向信號(hào)</p><p>　　分 放 電</p><p>　　P 1

94、.2 方式信號(hào)</p><p>　　配 大 動(dòng)</p><p>　　單片機(jī) 器 器 機(jī)</p><p>　　圖 3-5 串行控制示意圖</p><p><b>　　二、并行控制</b></p>

95、<p>　　用微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的數(shù)條端口線直接去控制步進(jìn)電機(jī)各相驅(qū)動(dòng)電路的方法稱為并行控制。在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源內(nèi)，不包括環(huán)形分配器，其功能由微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。并行控制方案示意圖見(jiàn)圖 3-6。</p><p>　　P 1.0 A 相 A 相</p><p>　　P 1.1 B 相

96、 B 相</p><p>　　P 1.2 C 相 C 相</p><p>　　P 1.3 D 相 D 相</p><p>　　單片機(jī) 驅(qū)動(dòng)器

97、 步進(jìn)電機(jī)</p><p>　　圖 3-6 并行控制示意圖</p><p>　　第四章 硬件電路設(shè)計(jì)</p><p>　　4.1電感式傳感器及其硬件電路</p><p>　　4.1.1電感式傳感器定義及特點(diǎn)</p><p>　　電感式傳感器是利用線圈自感式互感系數(shù)的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)非電量測(cè)量的一種裝置，可以

98、分為自感和互感兩大類?；ジ惺絺鞲衅饔捎谒米儔浩髟恚滞龀刹顒?dòng)式，故常常稱之為差動(dòng)變壓器式傳感器，本設(shè)計(jì)采用的測(cè)微儀就是利用這種傳感器而設(shè)計(jì)的。這種傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用靈活，壽命長(zhǎng)，線性度好，具有高分辨率和高靈敏度等特點(diǎn)。使用時(shí)只要把殼體夾固在參照物上，其測(cè)桿頂在被測(cè)點(diǎn)上，就可以直接測(cè)量物體間的相對(duì)變位，從而可以對(duì)位移、厚度、壓力、振動(dòng)、應(yīng)變、流量等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。本設(shè)計(jì)采用8031單片機(jī)作為控制核心, 組成了一種新型的智能化電感

99、測(cè)微儀, 簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu),提高了測(cè)量準(zhǔn)確度。</p><p>　　4.1.2差動(dòng)變壓器式位移傳感器工作原理</p><p>　　差動(dòng)變壓器式位移傳感器的原理如圖4-1所示，在框上繞有一組輸入線圈(一次側(cè)線圈)，在同一線框上另繞兩組完全對(duì)稱的線圈(二次側(cè)線圈)，它們反向串聯(lián)組成差動(dòng)輸出形式，當(dāng)一次側(cè)線圈加入正弦交流激勵(lì)電源后，其二次線圈、產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)、。由于和反向串聯(lián)，所以二次側(cè)線圈在空載

100、時(shí)的輸</p><p><b>　　出電壓為:</b></p><p>　　式中、為與、之間的互感系數(shù)。當(dāng)差動(dòng)變壓器的結(jié)構(gòu)和激勵(lì)電源一定時(shí)，互感系數(shù)和的大小與銜鐵的位置有關(guān)。</p><p>　　圖 4-1 差動(dòng)變壓器式位移傳感器原理圖</p><p>　　當(dāng)銜鐵在中間位置時(shí)，，此時(shí)二次側(cè)無(wú)電壓輸出。當(dāng)銜鐵，增大，變小

101、，此時(shí)。移動(dòng)時(shí)減小，增大，此時(shí)。的大小反映了銜鐵的位置，的相位反映了銜鐵是向上或是向下移動(dòng)。位移量的零點(diǎn)可以不是銜鐵處在正中位置，只要在量程范圍內(nèi)，該測(cè)微儀可以任意設(shè)定零點(diǎn)，這就是所謂的零點(diǎn)遷移。</p><p>　　4.1.3正弦波振蕩電路與穩(wěn)幅環(huán)路</p><p>　　電感式位移傳感器測(cè)量電路如圖4-2所示。傳感器所需的正弦激勵(lì)信號(hào)是由振蕩電路產(chǎn)生的，振蕩電路是由及相關(guān)元件構(gòu)成的文氏電

102、橋正弦波振蕩電路，其振蕩頻率為：</p><p><b>　　(式3-4)</b></p><p>　　振幅的大小是由結(jié)型FET3DJ7漏極—源極電阻與串聯(lián)的總電阻決定的。為振幅穩(wěn)定，漏—源電阻受柵極電壓的控制。振蕩器的輸出電壓經(jīng)四運(yùn)放變換后，在和輸出大小相等、相位相反的交流信號(hào)，這兩個(gè)信號(hào)以差動(dòng)方式輸出交流電壓作為差動(dòng)變壓器一次側(cè)激勵(lì)信號(hào)。</p>&

103、lt;p>　　這里的自動(dòng)穩(wěn)幅電路實(shí)際上是一個(gè)以PI(比例-積分)為調(diào)節(jié)器，以振幅為控制對(duì)象的控制系統(tǒng)，運(yùn)放對(duì)和的輸出電壓進(jìn)行減法運(yùn)算，得到一個(gè)與激勵(lì)信號(hào)完全成正比例的交流電壓。該電壓經(jīng)耦合，再經(jīng)線性檢波輸出一直流電壓。運(yùn)放、、等構(gòu)成了一個(gè)PI調(diào)節(jié)器。輸出直流電壓平均值與電位器所提供的參考電壓進(jìn)行比較，將其差值進(jìn)行PI運(yùn)算后在的輸出端得到一控制電壓，該電壓反饋到場(chǎng)效應(yīng)管的柵極，達(dá)到控制漏—源電阻的</p><p&

104、gt;　　目的，最終穩(wěn)定正弦波的幅值。幅值的大小可以通過(guò)調(diào)節(jié)電位器來(lái)實(shí)現(xiàn)?；鶞?zhǔn)電源LM366—2.5和運(yùn)放構(gòu)成了一個(gè)高精度的參考電源，圖4-2中。值得一提的是采用的是單一電源，若用正負(fù)電源，在電源接入時(shí)，有時(shí)輸出電壓可能總是處于負(fù)電壓最大值，電壓不能正向擺動(dòng)。另外把基準(zhǔn)電源LM366—2.5用的輸出置偏，這樣即使電源波動(dòng)時(shí)，也能使穩(wěn)定電壓恒定，達(dá)到參考電壓高精度的目的。</p><p>　　圖 4-2 電感式

105、位移傳感器測(cè)量電路圖</p><p>　　4.2單片機(jī)數(shù)據(jù)采集部分設(shè)計(jì)</p><p>　　4.2.1芯片AD574A性能及引腳說(shuō)明</p><p>　　AD574A是美國(guó)模擬數(shù)字公司（Analog）推出的單片高速12位逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置雙極性電路構(gòu)成的混合集成轉(zhuǎn)換顯片，具有外接元件少，功耗低，精度高等特點(diǎn)，并且具有自動(dòng)校零和自動(dòng)極性轉(zhuǎn)換功能，只需外接少量

106、的阻容件即可構(gòu)成一個(gè)完整的A/D轉(zhuǎn)換器，其主要功能特性如下：</p><p>　?。?）分辨率：12位</p><p>　　（2）非線性誤差：小于±1/2LBS或±1LBS</p><p>　?。?）轉(zhuǎn)換速率：25us</p><p>　?。?）模擬電壓輸入范圍：0—10V和0—20V，0—±5V和0—±

107、;10V兩檔四種</p><p>　　（5）電源電壓：±15V和5V</p><p>　?。?）數(shù)據(jù)輸出格式：12位/8位</p><p>　?。?）芯片工作模式：全速工作模式和單一工作模式</p><p>　　圖4-3 AD574A芯片引腳</p><p>　　AD574A 的引腳說(shuō)明：[1].

108、0;Pin1(+Vcc)——+5V電源輸入端。</p><p>　　[2]. Pin2()——數(shù)據(jù)模式選擇端，通過(guò)此引腳可選擇數(shù)據(jù)縱線是12位或8位輸出。</p><p>　　[3]. Pin3()——片選端。</p><p>　　[4]. Pin4(A0)——字節(jié)地址短周期控制端。與端用來(lái)控制啟動(dòng)轉(zhuǎn)換的方式和數(shù)據(jù)輸出格式。須注意的是，

109、端TTL電平不能直接+5V或0V連接。</p><p>　　[5]. Pin5()——讀轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)控制端。</p><p>　　[6]. Pin6(CE)——使能端。</p><p>　　現(xiàn)在我們來(lái)討論AD574的CE、、、和A0對(duì)其工作狀態(tài)的控制過(guò)程。在CE=1、=0同時(shí)滿足時(shí)，AD574才會(huì)正常工作，在AD574處于工作狀態(tài)時(shí)，當(dāng)=0時(shí)A/D轉(zhuǎn)