数控机床状态监控系统设计.docx

1、 毕 业 设 计 (论文 ) 题 系 目 别 数控机床状态监控系统设计 机械工程系 专业班级 机械工程及其自动化 07K3 班 学生姓名 指导教师 二 一一年六月华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文） 数控机床状态监控系统设计 摘要 为了使数控机床加工过程安全、可靠、高效、高质量地进行，对加工设备进行状态监 测就变得非常重要。本文分析了数控机床状态监测的主要内容，介绍了应用 AT89C51 单片 机测量数控车床切削力和切削温度的方法，论述了设备状态监测系统的基本组成和状态监 测系统实现的关键技术，并针对数控机床的加工过程，给出了数控机床状态监测系统实现 的具体结构和系统的工作流程。重点阐述了

2、单片机实现连续自动采样、 A/D 转换的方法。 给出了单片机测控系统的原理、结构及进行数据采集的部分程序。 系统的结构主要包括单片机、传感器、滤波装置、放大电路、程序存储器、静态数据 存储器、 A/D 转换芯片、 I/O 接口的扩展以及键盘和 LED 显示器接口。 系统工作的流程图主要包括总体流 程图、 A/D 转换流程图以及 LED 显示器流程图。 关键词 ： AT89C51 单片机；数控机床；状态监控；传感器 I华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文） CNC MACHINE TOOL CONDITION MONITORING SYSTEM DESIGN Abstract CNC mach

3、ining process in order to make safe, reliable, efficient and quality manner, the processing equipment condition monitoring becomes very important. This article describes the application of CNC lathes AT89C51 microcontroller measuring cutting forces and cutting temperature method, analysis of CNC mac

4、hine tool condition monitoring of main content, discusses the basic equipment condition monitoring systems and condition monitoring system composed of key technologies, and for CNC machine tools process, gives CNC machine condition monitoring systems to achieve the specific structure and system work

5、flow. SCM focuses on the continuous automatic sampling, A / D conversion method. Shows the principle of single-chip control system, structure and data collection part of the program. Structure of the system including the microcontroller, sensors, filtering device, amplifier, program memory, static m

6、emory, A / D conversion chip, I / O interface expansion and keyboard and LED display interface. Work flow system include the overall flow, A / D converter and LED displays flow chart flow chart. Keywords: AT89C51 microcontroller ;CNC machine; condition monitoring ;sensors II华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文） 目 录

7、摘要 .I Abstract . II 1 绪论 . 1 1.1 数控机床状态监控系统研究背景 . 1 1.2 国内外数控机床状态监控系统的研究现状 . 2 1.3 本课题所做的主要工作 . 4 2总体设计 . 5 2.1 系统的工作原理 . 5 2.2 系统的主要结构 . 5 2.3 切削力的计算 . 6 3.硬件设计 . 10 3.1 系统硬件选型 . 10 3.1.1 单片机选型 . 10 3.1.2 单片机内存扩展选型 . 13 3.1.3A/D 转换器选型 . 16 3.1.4 显示器选型 . 18 3.1.5 传感器选型 . 19 3.1.6 通讯模块选型 . 20 3.2.7 放

8、大器电路设计 . 24 3.1.7 其他元器件的选型 . 25 4.软件设计 . 29 4.1 系统的主流程图设计 . 29 4.2 A/D 转换流程图设计 . 29 4.3 LED 显示器流程图设计 . 31 5.总结 . 33 参考文献 . 34 附录 A 数控机床状态监控系统总电路原理图 . 35 致谢 . 36华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文） 1.绪论 1.1 数控机床状态监控系统研究背景 机床产业为国民经济发展的基础，同时也是装备制造业的重要部分。国家中长期科学和技术发展规划纲要（ 2006-2020 年）将 “高档数控机床与基础制造装备 ”定为十六个科 技重大专项之一。由于

9、国家相关计划的一些支持，在数控机床关键技术研究方面，我国有了比较大的突破，创造了一批具有自主知识产权的研究成果以及相关的核心技术。主要为以下几个方面： 1）中高档数控机床的开发取得了较大进展，其中，五轴联动、数字化设计和复合加工以及高速加工等一大批关键技术上取得了突破，自主研发了精密及超精密数控机床，大型、五轴联动数控加工 机床等一大批高质量专业化机床，逐渐形成了一批批中档数控机床产业化基地。 2）机床产业中关键功能部件的技术水平以及其制造质量每年都稳步提高，逐步完善其功能，其中部分性能指标已经能够接近国际先进水平，形成了一批具有自主知识产权的功能部件。分别开发出了高速主轴单元、高速导轨防护装

10、置、直线电机、高速滚珠丝杠、重载直线导轨、数控转台、刀库与机械手、高速工具系统和数字化量仪等高性能功能部件样机，其中有一部分已经实现了小批量生产。 3）中高档数控系统开发研究与应用目前已取得一定成果。我们通过自主研发和与国外开展技术层次的 合作，在中档数控系统的开发和生产方面取得显著的进步。初步解决了远程数据传输、多坐标联动等技术困难；相继开发出交流伺服驱动系统和主轴交流伺服控制系统以适应数控系统的配套要求，从而形成了一系列规模化的产品。 随着现代工业加工生产系统的规模日益壮大，各生产环节之间的联系也越来越密切，随之而来的是形成了具有整体关联的一系列生产链，渐渐的走向高效率、高速率、系统化以及

11、自动化方向发展 。相对应的是数控机床故障问题的检测，状态监视和维护的费用有较大的上升。因此，若想大幅且高效的提高设备运行的安全性、可靠性，提高设备利用率，我们需要科学的设备状态监测系统。 现在数控机床正朝着高速化、规模化、精密化的方向发展。当机床在高速度、高加速度、 大位移、大载荷等非正常状况下工作的时候，振动、冲击、变形、高温、高压等因素将严重的影响到机床的进给系统，从而会引发丝杠、轴承、导轨、齿轮、涡轮蜗杆等相关的部件产生不同的故障，这将引起数控机床的运动误差、零部件的磨损，严重的还会引起意外停机的问题。所以对于机械设 备状态监控和故障的诊断中，正确分析数控机床当前工作运行状态，并准确的预

12、测出机床运行状态的相关发展趋势，为机床的整体维护以及工作目标提供指导依据是我们目前一个急需解决的问题。 现在数控机床已经发展到较高的水平，尤其体现在在高速、高效、复合加工等方面，在批量生产中得到的应用也越来越频繁。那么相对应的，数控机床的工作性、可靠性的标准和要求也日益增高。究其原因是如果机床发生了故障而停产，那么其造成的损失是非常巨大的。举个简单明显的例子，大众汽车厂的发动机生产线，其工作运转非常精密，如果发生故障，停一日，那么大众汽车 厂的损失将达到惊人的 1000 万元。可以看出，对数控机床的工作状态进行实时监控，是非常非常必要的。在这方面，很多的数控机床制造厂商在机床工作状态的监控方面

13、，有大型的研究和开发，同时也取得了一些不错的成果。 1华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文） 1.2 国内外数控机床状态监控系统的研究现状 目前，国内很多机床监控系统本质为专用系统，开放性非常低，已不能满足当今制造 业对发展的需求，是非常典型的属于工厂内部的 “自动化孤岛 ”。随着计算机软件技术的发展以及工业控制网络技术的普及，工厂自动化设备的互联这一目标得以逐渐实现。如今，很多科技工作者高度重视机床信息采集与监测技术研究等相关方面。 1997 年大连机车厂引进了当时美国 ENTEKIRD 公司的状态维修系统，并探索了数控机床等关键性生产设备的状态维修，该厂为其机动处配备了故障诊断方面的专职

14、工程师，同时建立了分为班组、车间、工厂的三级设备故障诊断网络，状态监控和故障诊断应用震动分析的方法，以进口数控机床为先导，因此设备维修完成了定期预防维修向状态维修这一转变。状态维修，其含义为 在对设备进行状态监控的基础上，同时进行故障扫描，分析设备具体的运行状态，从而经过处理采取适当措的施来进行维修。相比于传统的定期维护，状态维修集科学性、合理性于一体，能给企业带来良好的的经济效益。 与国外的差距： 1）高端数控机床目前国内供应能力弱。 近年来，我国机床行业取得了长足的发展，同时稳步提高数控化率，但目前凸显出的仍然是机床消费和生产的结构性矛盾。目前国内的情况是，中高档机床的需求量逐渐赶上甚至是

15、超过低档机床。遗憾的是，国产数控机床大部分以低档为主，而高档数控机床绝大部分通过进口达到需要。 2）自主创新能力不足。 很长一段时间，我国机床制造业的基础技术研究工作大部分是在行业性的研究院内进行。 这带来了以下缺点：技术创新投入不足，能力薄弱，低水平生产能力过剩，低下的自主创新能 力，优秀人才的匮乏。国产数控机床制造商现阶段通过技术引进，国外采购等方式获得了一些先进数控技术，但从根本上说缺乏基础共性技术方面的研究，进而忽略了自主开发能力的培育，无法快速应对市场的响应。 3）产品品质、可靠性以及服务能力不强。 在质量、交货期和服务等方面，国产机床与国外著名品牌相比还有很大的差距。首先质量 方面

16、，数控系统 的可靠性指标 MTBF， 国产与国际先进数控系统相差较大。国产数控车床、 加工中心的 MTBF 与国际上先进水平也有较大差距。在交货期问题上，很大一部分企业由于任 务重，工期紧而拖期交货。服务体系不完善体现在市场开拓、成套技术服务、及时反应能力无法满足市场快节奏和人性化的要求。 4）功能部件发展滞后。 数控机床是由各个功能部件（滚珠丝杠副、主轴单元及主轴头和数控伺服系统等）在机身等基础机架上装配而成的，作为数控机床的重要组成部分，功能部件非常重要。数控机床功能部件的发展与数控机床整体技术是互相依靠、协同合作的，因此，功能零部件的创新对于数控机床的发展起到非常重要的影响作用。我国对于

17、数控机床的功能部件现已有一定规模， 2华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文） 电主轴、主轴单元和数控系统等也有各自专门的制造厂家，在这些中少数产品的制造水平已经离国际先进水平越来越接近。总体上看来我国机床功能部件品种少、发展延滞、产业化水平较低，精度指标和性能指标的综合情况还比较薄弱。现在，数控刀架、滚珠丝杠、电主轴等功能部件只能简单地满足中低档数控机床的相关配套的需求。可高速滚动功能部件、高档数控系统、高速精密电主轴等衡量数控机床水平的系统我国目前还依赖进口。 我国数控机床的发展前景： 以小型车制造业为代表的汽车及其零部件制造业、以航空航天为代表的高新技术产业的 加速发展，这给机床 制造业

18、带来了巨大的机遇。同时，如果在摆脱对国外高档数控机床的依赖及垄断的同时，想要满足我国在重大基础制造和国防工业领域对高档数控机床的巨大需求，高档数控机床，高性能功能部件的关键技术是我们必须突破的。我国数控机床的发展目前导向需要以市场所需求为主，主机为牵引，关键部件与主机、数控系统与功能部件需要统筹考虑，推行数字制造；加速振兴我国机床制造业，需要以功能部件为基础，同时还需要以共性技术为支撑。 1）提高数控机床产品的自主研发能力、制造能力。 我国是一个制造业大国，必须快速平稳的提高数控机床及其相关产品的自主 研发能力和制造能力。共性和关键技术攻关方面，我们则需要与数控机床和功能部件的基地建设来进行结

19、合，当前主要目标为高档数控机床发展，提高国产数控系统以及关键功能部件的配套能力，提高整机可靠性和产业化水平，特别是要提高在国产中高档数控机床中的配套能力；同时还需要加强数控机床基础开发理论方面的研究、基础工艺技术研究、应用软件开发，更重要的是搞好行业标准和专利工作，以此为数控机床产业发展夯实基础。 2）以功能部件为基础，以关键共性技术为支撑。 数控系统、功能部件、关键部件是发展高档数控机床的基础，当前我国在这方面发展 十分薄弱，已成为制约数控机床发展的瓶颈，必须加快发展，提高专业化、批量化生产技 术水平和能力。产品的发展和自主创新能力的提高必须依赖于核心技术的掌握，依赖于共 性技术的支撑。基础

20、技术研究作为机床整体水平提高前提和保障，是机床设计的关键环节和基础部分，尤其对于我国机床行业迈向新的阶段，解决机床开发中低水平重复问题以及附加值低等瓶颈问题具有非常重要意义。 3）加快技术引进与国际合作。 为了较快得到领先的技术，企业可直接与国外知名企业和国外科研院所合资、合作，通过市场换技术，利用我们有限的资金来换取无限的发展，从而我们可以实现主流产品生产的高起点、成批量、专业化这一目的。加强引进技术的消化吸收进一步再创新是在引进与合作过程中需要注意的问题。在某些方面，我国与外国差距较大，如果国外先进技术有引进的可能，那么我们应该通过引进技术，加强消化吸收，从而实现再创新这一目的，以满足用户

21、的需求。在技术基础较好的领域，利用我们现形成一定优势的技术，与用户结合，开发满足用户需要的产品，从而形成技术创新的能力 ，在原始创新上取得发展突破。 3华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文） 现在数控机床正朝着高速化、规模化、精密化的方向发展。当机床在高速度、高加速度、 大位移、大载荷等非正常状况下工作的时候，振动、冲击、变形、高温、高压等因素将严重的影响到机床的进给系统，从而会引发丝杠、轴承、导轨、齿轮、涡轮蜗杆等相关的部件产生不同的故障，这将引起数控机床的运动误差、零部件的磨损，严重的还会引起意外停机的问题。所以对于机械设备状态监控和故障的诊断中，正确分析数控机床当前工作运行状态，并准确

22、的预测出机床运行状态的相关发展趋势，为机床的整体维护以及工作目标提供指导依据是我们目前一个急需解决的问题。 1.3 本课题所做的主要工作 本课题主要研究数控机床切削温度、切削力等状态监控系统的设计，论述了数控机床状态监测系统的基本组成以及状态监测系统实现所需的关键技术，同时重点针对数控机床的加工过程，列出数控机床状态监测系统的工作流程，文字和图片描述出系统实现的具体结构。 第一章主要论述了数控机床状态监控研究背景和意义，同时介绍国内外数控机床的发展 现状。 第二章主要论述了数控机床状态监控系统的总体设计，其中包括系统的工作原理、系统的主要结构以及零部件切削力的计算方法等。 第三章主要论述了数控

23、机床状态监控系统各主要部分硬件的选型以及核心电路设计。 第四章主要论述了数控机床状态监控系统流程图的设计。 第五章主要为数控机床状态监控系统设计的总结。 4华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文） 2.总体设计 2.1 系统的工作原理 数控机床状态监测的主要内容：对于数控机床来说，我们所进行状态监测就是对其加工 过程进行监测，其中主要项目主要包括机床状态监测、加工过程监测、刀具状态监测和加工工件质量监测这 4 个方面。具体见图 2-1 所示。 数控机床状态监控系统的组成：数控机床的加工作为一个复杂的物理化学过程，对整个 过程进行状态监测涉及很多相关技术。普通的状态监测与故障诊断系统主要包括以下

24、三个方 面：信息获取、特征提取和状态识别。 数控机床加工过程状态监测 机床状态监测 刀具状态监测 加工过程监测 工件质量监测 机 床 主 轴 系 统 监 测 机 床 导 轨 部 件 监 测 机 床 伺 服 系 统 监 测 机 床 动 态 特 性 监 机 床 磨 损 状 态 监 测 刀 具 补 偿 寿 命 管 理 刀 具 磨 损 破 损 监 测 刀 具 装 夹 状 态 监 测 刀 具 型 号 识 别 加 工 过 程 温 度 监 测 加 工 过 程 力 的 监 测 加 工 过 程 监 测 加 工 过 程 振 动 监 测 润 滑 系 统 监 测 加 工 工 序 和 冷 却 加 工 状 态 监 测 工

25、 件 装 夹 状 态 检 测 加 工 工 件 识 别 调 整 工 件 装 夹 状 态 监 测 图 2-1 数控机床状态监测的主要内容 2.2 系统的主要结构 计算机硬件体系结构由 5大部件组成，他们分别是运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备。计算机硬件系统的核心为运算器，存储器与输入、输出设备之间的数据传送的必经之路就是运算器。存储器、运算器以及输入、输出设备的操作都由控制器集中控制。以运算器为中心的计算机系统组成框图如图 2-2 所示。 数控机床状态监测是指在机床加工的过程中对一些工作状态进行数据采集和处理，通过比较实际特征参数与正常值，进而了解数控机床的实际工作状态，从而掌握设备工作是否正常合理，通过这样为故障诊断和预测提供依据。根本上讲，不管是状态监测或者故障诊断与预测亦或 是数据的采集传输和处理是基础。因此，状态监测系统的设计，最重要的是设计一个正常合理的机床数据采集、处理系统，以此来实现状态监测。 5