论文：数控机床半闭环控制系统设计.doc

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1、引言 随着科学技术的发展，市场需求的产品日益逐渐复杂精密，精度要求也越来越高、更新换代的周期也变的越来越短，从而促进类暗袋制造业的发展，尤其是宇航、军工、造船、汽车和模具加工等行业，其中普通机床进行加工（精度低、效率低、劳动度大）已无法满足大生产量要求，于是一种新型的用数字程序控制的机床应运而生，这种机床运用了计算机技术、自动控制、精密测量和机械设计等新技术的机械一体化典型产品即数控机床。 一、 伺服系统的概述 数控伺服系统是指一机床运动部件的位置和速度作为控制量的自动控制系统，又称为随动系统。数控伺服系统的作用在于接受来自数控装置的进给脉冲信号，经过一定的信号变换及电压、功率放大，驱动机床运

2、动部件实现运动，并保证动作的快速性和准确性。作为数控装置和机床的联系环节它是数控机床的重要组成部分，研究和开发高性能伺服系统是现代数控机床的关键技术之一。机电一体化伺服系统要求具有精度高、响应速度快、稳定性好、负载能力强和工作频率范围大登记处要求，同时还要求体积小、重量轻、可靠性高和成本低等要求。 二、半闭环控制系统设计 数控机床又分很多种类，其中按控制方式分类就包括开环控制系统、半闭环控制系统和闭环控制系统三种。 半闭环伺服系统的工作原理和闭环伺服系统相似，只是位置检测器不是安装在工作台上，而是安装在伺服电动机的轴上。这种伺服系统所能达以的精度、速度和动太特性优于开环伺服系统，其复杂性和成本

3、低于闭环伺系统，主要用于大多数中小型数控机床，且能满足市场要求所以，目前应用最为广泛。如图所示：半闭环控制系统示意图半闭环系统控制结构图1. 控制方案的确定 闭环或半闭环控制方案的选择主要取决于机床精度要求。当系统精度要求很高时，应采取闭环控制方案。因为它可以将全部机械传动及执行机构都封闭在反馈控制环内，其误差可以通过控制系统得到补偿，因而可达到很高的精度。但是当精度要求没那么大的时候我们同样可以采用半闭环控制系统，虽然他只能补偿部分误差但是由于其对传感器要求较低，结构简单，调试方便等优点得到广泛的应用。2. 伺服驱动元件方案的选择 半闭环控制系统中一般采用直流伺服电动机、交流伺服电动机或液压

4、伺服马达作为驱动元件。在负载较大的大型伺服系统中常采用液压伺服马达，而在中小型伺服系统中，则多数采用直流或交流伺服电动机。随着微处理器技术和电力电子半导体技术的发展，交流伺服系统的性能有了很大提高，它不存在电刷磨损问题，维修也方便，因此随着价钱的逐年降低它在数控机床中的应用也越来越广泛。不过根据设计任务，由于脉冲当量和定位精度并不是很高，空载最快移动速度也不算高，所以可以选用混合式步进电动机。以降低成本，提高性价比。3. 检测反馈元件的选择 常用的位置检测传感器有旋转变压器、感应同步器、光电脉冲编码器、光栅尺等。如被测量为直线位移，则应选尺状的直线位移传感器，如光栅尺、磁尺、直线感应同步器等。

5、如被测为角位移，则应选取圆形的角位移传感器，如光电脉冲编码器、圆感应同步器、旋转变压器、码盘等。一般来说半闭环控制的伺服系统主要采用角位移传感器。传感器的精度与价格密切相关，应满足要求的前提下，尽量选用精度低的传感器，以降低成本。目前在半闭环伺服系统中，也常采用广电脉冲传感器，既测量电动机的角位移，又通过计时而获得速度。三、数控系统硬件电路设计设计控制系统的硬件电路时主要考虑以下功能：（1） 接收键盘数据，控制LED显示（2） 接受操作面板的开关与按钮信息；（3） 接受车床限位开关信号；（4） 接受电动卡盘夹紧信号与电动刀架刀位信号；（5） 控制X，Z向步进电动机的驱动器；（6） 控制主轴的正

6、转，反转与停止；（7） 控制多速电动机，实现主轴有级变速；（8） 控制交流变频器，实现主轴无级变速；（9） 控制切削液泵启动/停止；（10） 控制电动卡盘的夹紧与松开；（11） 控制电动刀架的自动选刀；（12） 与PC机的串行通信。CPU选用MCS-51系列的8位单片机AT89S52，采用8279，和W27C512，6264芯片做为I/O和存储器扩展芯片。W27C512用做程序存储器，存放监控程序；6264用来扩展AT89S52的RAM存储器存放调试和运行的加工程序；8279用做键盘和LED显示器借口，键盘主要是输入工作台方向，LED显示器显示当前工作台坐标值；系统具有超程报警功能，并有越位开

7、关和报警灯；其他辅助电路有复位电路，时钟电路，越位报警指示电路。控制系统原理框图如图所示。 控制系统原理框图 四、系统控制软件的设计1. 系统控制功能分析系统控制功能包括：（1） 系统初始化。如对I/O接口8155，8255A进行必要的初始化工作，预置接口工作方式控制字；（2） 工作台复位。开机后工作台应该自动复位，亦可手动复位；（3） 输入和显示加工程序；（4） 监视按键，键盘及开关：如监视紧急停机键及行程开关，键盘扫描等功能；（5） 工作台超程显示与处理。工作台位移超过规定值时应该立即停止工作台的运动，并显示相应的指示字符；（6） 工作台的自动控制；（7） 工作台的手动控制；（8） 工作台

8、的联动控制；2.系统管理程序控制 管理称许是系统的主程序，开机后即进入管理程序。其主要功能是接受和执行操作者的命令。在设计管理程序时，应确定接收命令的形式，系统的各种操作功能等。数控X-Y工作台的基本操作功能有：输入加工程序，自动加工，刀位控制，工作台位置控制，手动操作，紧急停机等。根据以上分析，设计管理程序流程图如下所示：开始系统初始化加工程序输入键按下？ 机床复位 N 自动加工 键按下？ Y Y YN Y 加工数据输入自动加工 Y N手动加工键按下？手动调整 Y N 管理程序流程3. 自动加工程序设计（1）机床在自动加工时的动作顺序：工作台移动到位刀具快速进给加工退刀工作台运动到下一位置；

9、（2）计算机在加工过程中的操作：读取刀具轨迹，控制机床完成加工；（3）由以上分析，设计自动加工程序框图如下所示：入口零件坐标地址指针读零件坐标调步进电机子程序工作台移动到位刀具快进加工快速退刀 零件坐标地址指针加1零件加工完成 N Y 返回 自动加工程序流程- 5 -参考资料1、 赵玉刚，宋现春，数控技术，机械工业出版社，2003.2、 张毅刚，单片机原理与应用，高等教育出版社,2003.3、 杨耕，罗应立，电机与运动控制系统，清华大学出版社，2006.4、张建民，唐水源，机电一体化系统设计，高等教育出版社，2005.5、唐介，电机与拖动，高等教育出版社，2005.6、侯秀珍，机械系统设计，哈尔滨工业大学出版社，2003.