加工中心主轴组件监控系统的设计

优秀设计
目录
前言 (1)
第一章加工中心介绍 (5)
1.1加工中心 (5)
1.1.1加工中心简介 (5)
1.1.2 加工中心的特点和用途 (6)
1.1.3．加工中心的工作原理 (7)
1.1.4加工中心的主轴部件 (7)
1.1.4.1主轴部件精度 (7)
1.1.4.2 主轴部件结构 (8)
第二章传感器介绍与选择 (12)
2.1．传感器简介 (12)
2.2传感器的选取 (14)
2.2.1.1磁电式转速传感器的工作原理 (14)
2.2.1.2磁电式转速传感器的型号和技术参数： (15)
2.2.1.7 KMI15-1磁电阻式转速传感器技术参数 (20)
2.2.2加工中心主轴运行轨迹的监测： (20)
2.2.2.1.电涡流位移（振动）传感器的工作原理及特点 (20)
2.2.2.2 M307997电涡流位移传感器参数 (21)
2.2.3对加工中心主轴齿轮轴向移动的监测 (21)
2.2.3.1 KMZ10B传感器介绍 (21)
2.2.3.2 KMZ10B 传感器参数 (21)
第三章信息采集与处理 (22)
3.1 A/D转换器的分类与性能指标 (22)
3.1.1 A/D转换器分类 (22)
3.2 A/D转换器和单片机 (23)
3.2.1 ADC0804转换器： (23)
3.2.2 AT89C51单片机 (25)
3.2.3 AD转换器与AT89C51单片机接口电路图: (26)
3.3 与PC机通信接口 (26)
3.3.1 MAX487芯片介绍 (27)
第四章加工中心主轴组件的监测的实验分析 (28)
4.1 DRVI可重构虚拟仪器实验平台介绍： (28)
4.2加工中心-轴心轨迹测量： (28)
4.3加工中心主轴-磁电传感器转速测量： (30)
总结 (34)
致谢 (35)
参考文献 (36)
设计题目：加工中心主轴组件监控系统的设计
[摘要]：本设计采用了虚拟仪器技术、单片机技术和计算机技术，设计了一套加工中心主轴组件监控系统。

该系统采用磁电式转速传感器、电涡流位移传感器，实现对主轴运转状态的监控。

系统采用模块化思想，组建方式灵活。

利用传感器进行转速、位移等数据的采集，用A/D转换器对传感器所采集的电压电流等虚拟信号转换成能被计算机识别的数字信号，从而使计算机通过具体的波形图像实现对主轴的监控。

本论文主要介绍了KMI15-1转速传感器、CDA0804转换器、AT89C51单片机、监控系统原理、系统的总体设计，以及对数据进行实验分析。

该系统具有测量精度高，结构简单，操作方便等特点。

[关键词]：传感器；A/D转换器；AT89C51单片
Machining Center Spindle Monitoring System Design
Components
(Grade05, Class052,Mechanical design and manufacturing automation, School of mechanical engineering Dept ，Shanxi University of Technology，Hanzhong 723003，Shanxi)
tutor: Huang Cheng Li
Abstract: This design uses a virtual instrument technology, single-chip technology and computer technology, has designed a machining center spindle monitoring system components. The system uses a magnetic-electric speed sensors, eddy current displacement sensor to achieve operational status of the main axis of the monitor. Modular system of thought, the formation of a flexible manner. The use of speed sensors, displacement, such as data collection, using A / D converter collected on the sensor, such as voltage and current signals into a virtual computer can be identified by digital signal, so that the specific form of computer images, through the realization of the monitoring of the spindle . This paper introduced the KMI15-1 speed sensor, CDA0804 converter, AT89C51 single-chip microcomputer, control system theory, system design, and experimental analysis of the data. The system has high measurement accuracy, simple structure, easy to operate and so on.
Key words：sensor; A/ D converter; AT89C51 single-chip microcomputer
前言
工业技术的发展水平是衡量一个国家技术水平的重要标志之一，在一定程度上反映了该国的技术经济实力。

因此，工业发达国家和地区对机电一体化技术都十分重视，从政府到企业都制定了相应的发展战略。

我国对机电一体化的研究虽起步较晚，但发展速度较快，尤其是在我国加入WTO以后，面对国际市场激烈竞争的新形势，已充分认识到机电一体化对我国经济发展的重要战略意义。

任何事物的产生和发展，都离不开科技进步和社会需求这两大前提。

科技进步是新事物产生的基础，社会需求则是其产生的诱因和发展动力。

科学技术和社会生产的不断发展，对机械产品的质量和生产率提出了越来越高的要求。

机械加工工艺过程的自动化是实现上述要求的最重要措施之一。

随之，数控机床成为发展的趋势。

数控机床综合了当今世界上许多领域最新的技术成果，主要包括精密机械、计算机及信息处理、自动控制及伺服驱动、精密检测及传感、网络通信等技术。

数控机床即是采用了数控技术的机床，或者说装备了数控系统的机床。

从应用来说，数控机床就是将加工过程所需的各种操作（如主轴变速、松夹工件、进到与退刀、开车与停车、选择刀具、供给冷却液等）和步骤，以及刀具与工件之间的相对位移量都用数字化的代码来表示，通过控制介质将数字信息送入专用的或通用的计算机，计算机对输入的信息进行处理与运算，发出各种指令来控制机床的伺服系统或其他执行元件，使机床自动加工出所需要的零件。

数控机床与其他自动机床的显著区别在于当加工对象改变时，除了重新装夹工件和更换刀具之外，只需要更换新的控制介质，不需要对机床做任何调整。

数控机床制造业是关系到国家战略地位和体现国家综合国力的基础产业，其技术水平的高低和拥有量的多少是衡量一个国家工业化的重要标志。

数控机床作为新型的自动化加工设备具有广泛的通用性和很高自动化程度。

数控机床的优点如下：
1）生产率高。

数控机床能缩短由于换刀、转换速度等所消耗的辅助时间，增加了切削加工时间的比率。

采用最佳切削参数和最佳走刀路线，缩短了加工时间，从而提高了生产率。

2）零件的加工精度，产品质量稳定。

由于它是按照程序自动加工，不需要人工干预，其加工精度还可以利用软件进行校正与补偿，故可以获得比机床本身精度还要高的加工精度和重复精度。

3）有广泛的适用性和较大的灵活性。

只需要改变程序，就可以加工不同产品的零件，能够完成很多普通机床难以完成或者无法完成的复杂型面得加工。

4）可以实现一机多用。

有的数控机床如镗铣加工中心，可以替代镗床、铣床和转钻床，工件一次装夹后，几乎能完成箱体类零件的全部加工部位的加工。

5）不需要专用夹具。

采用通用夹具就能满足数控加工的要求，节省了专用夹具设计制造和存放的费用。

6）大大减轻了工人的劳动强度。

由于数控机床的优点是现代社会发展的需要，因此，近些年来，数控机床被广泛的应用于我国的制造业，在国内工业发达的地区已经得到普及，由此对社会生产力的提高起着巨大的推动作用。

数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，它对国计民生的一些重要行业（IT、汽车、轻工、医疗等）的发展起着越来越重要的作用，因为这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。

当前数控车床呈现以下发展趋势。

1. 高速、高精密化
高速、精密是机床发展永恒的目标。

随着科学技术突飞猛进的发展，机电产品更新换代速度加快，对零件加工的精度和表面质量的要求也愈来愈高。

为满足这个复杂多变市场的需求，当前机床正向高速切削、干切削和准干切削方向发展，加工精度也在不断地提高。

另一方面，电主轴和直线电机的成功应用，陶瓷滚珠轴承、高精度大导程空心内冷和滚珠螺母强冷的低温高速滚珠丝杠副及带滚珠保持器的直线导轨副等机床功能部件的面市，也为机床向高速、精密发展创造了条件。

数控车床采用电主轴，取消了皮带、带轮和齿轮等环节，大大减少了主传动的转动惯量，提高了主轴动态响应速度和工作精度，彻底解决了主轴高速运转时皮带和带轮等传动的振动和噪声问题。

采用电主轴结构可使主轴转速达到10000r/min 以上。

直线电机驱动速度高，加减速特性好，有优越的响应特性和跟随精度。

用直线电机作伺服驱动，省去了滚珠丝杠这一中间传动环节，消除了传动间隙（包括反向
间隙），运动惯量小，系统刚性好，在高速下能精密定位，从而极大地提高了伺服精度。

直线滚动导轨副，由于其具有各向间隙为零和非常小的滚动摩擦，磨损小，发热可忽略不计，有非常好的热稳定性，提高了全程的定位精度和重复定位精度。

通过直线电机和直线滚动导轨副的应用，可使机床的快速移动速度由目前的10～20m/mim提高到60～80m/min，甚至高达120m/min。

（2）高可靠性
数控机床的可靠性是数控机床产品质量的一项关键性指标。

数控机床能否发挥其高性能、高精度和高效率，并获得良好的效益，关键取决于其可靠性的高低。

（3）数控车床设计CAD化、结构设计模块化
随着计算机应用的普及及软件技术的发展，CAD技术得到了广泛发展。

CAD不仅可以替代人工完成繁琐的绘图工作，更重要的是可以进行设计方案选择和大件整机的静、动态特性分析、计算、预测及优化设计，可以对整机各工作部件进行动态模拟仿真。

在模块化的基础上在设计阶段就可以看出产品的三维几何模型和逼真的色彩。

采用CAD，还可以大大提高工作效率，提高设计的一次成功率，从而缩短试制周期，降低设计成本，提高市场竞争能力。

通过对机床部件进行模块化设计，不仅能减少重复性劳动，而且可以快速响应市场，缩短产品开发设计周期。

（4）功能复合化
功能复合化的目的是进一步提高机床的生产效率，使用于非加工辅助时间减至最少。

通过功能的复合化，可以扩大机床的使用范围、提高效率，实现一机多用、一机多能，即一台数控车床既可以实现车削功能，也可以实现铣削加工；或在以铣为主的机床上也可以实现磨削加工。

宝鸡机床厂已经研制成功的CX25Y数控车铣复合中心，该机床同时具有X、Z轴以及C轴和Y轴。

通过C轴和Y轴，可以实现平面铣削和偏孔、槽的加工。

该机床还配置有强动力刀架和副主轴。

副主轴采用内藏式电主轴结构，通过数控系统可直接实现主、副主轴转速同步。

该机床工件一次装夹即可完成全部加工，极大地提高了效率。

（5）智能化、网络化、柔性化和集成化
21世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统。

智能化的内容包括在数控系统中的各个方面：为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如加工过程的自适应控制，工艺参数自动生成；为提高驱动性能及使用连接方面的智能化，如前馈控制、
电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等；简化编程、简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程、智能化的人机界面等；还有智能诊断、智能监控等方面的内容，以方便系统的诊断及维修等。

网络化数控装备是近年来机床发展的一个热点。

数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求，也是实现新的制造模式，如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元。

数控机床向柔性自动化系统发展的趋势是：从点（数控单机、加工中心和数控复合加工机床）、线（FMC、FMS、FTL、FML）向面（工段车间独立制造岛、FA）、体（CIMS、分布式网络集成制造系统）的方向发展，另一方面向注重应用性和经济性方向发展。

柔性自动化技术是制造业适应动态市场需求及产品迅速更新的主要手段，是各国制造业发展的主流趋势，是先进制造领域的基础技术。

其重点是以提高系统的可靠性、实用化为前提，以易于联网和集成为目标，注重加强单元技术的开拓和完善。

CNC单机向高精度、高速度和高柔性方向发展。

数控机床及其构成柔性制造系统能方便地与CAD、CAM、CAPP及MTS等联结，向信息集成方向发展。

网络系统向开放、集成和智能化方向发展
第一章加工中心介绍
1.1加工中心
1.1.1加工中心简介
加工中心(Machining Center)简称MC，是由机械设备与数控系统组成的使用于加工复杂形状工件的高效率自动化机床。

加工中心又叫电脑锣。

加工中心备有刀库，具有自动换刀功能，对工件一次装夹后进行多工序加工的数控机床。

加工中心是高度机电一体化的产品，工件装夹后，数控系统能控制机床按不同工序自动选择、更换刀具，自动对刀、自动改变主轴转速、进给量等，可连续完成钻、镗、铣、铰、攻丝等多种工序。

因而大大减少了工件装夹时间，测量和机床调整等辅助工序时间，对加工形状比较复杂，精度要求较高，品种更换频繁的零件具有良好的经济效果。

传统的机械加工都是用手工操作普通机床作业的，加工时用手摇动机械刀具切削金属，靠眼睛用卡尺等工具测量产品的精度的。

现代工业早已使用电脑数字化控制的机床进行作业了，数控机床可以按照技术人员事先编好的程序自动对任何产品和零部件直接进行加工了。

这就是我们说的“数控加工”。

数控加工广泛应用在所有机械加工的任何领域，更是模具加工的发展趋势和重要和必要的技术手段。

“CNC”是英文Computerized Numerical Control（计算机数字化控制）的缩写。

什么是数控技术？数控技术，简称数控（Numerical Control）。

它是利用数字化的信息对机床运动及加工过程进行控制的一种方法。

用数控技术实施加工控制的机床，或者说装备了数控系统的机床称为数控(NC)机床。

数控系统包括：数控装置、可编程控制器、主轴驱动器及进给装置等部分.数控机床是机、电、液、气、光高度一体化的产品。

要实现对机床的控制，需要用几何信息描述刀具和工件间的相对运动以及用工艺信息来描述机床加工必须具备的一些工艺参数。

例如：进给速度、主轴转速、主轴正反转、换刀、冷却液的开关等。

这些信息按一定的格式形成加工文件(即正常说的数控加工程序)存放在信息载体上(如磁盘、穿孔纸带、磁带等)，然后由机床上的数控系统读入(或直接通过数控系统的键盘输入，或通过通信方式输入)，通过对其译码，从而使机床动作和加工零件.现代数控机床是机电一体化的典型产品,是新一代生产技术、计算机集成制造系统等的技术基础。

现代数控机床的发展趋向是高速化、高精度化、高可靠性、多功能、复合化、智能化和开放式结构。

主要发展动向是研制开发软、硬件都具有开放式结构的智能化全功能通用数控装
置。

数控技术是机械加工自动化的基础，是数控机床的核心技术，其水平高低关系到国家战略地位和体现国家综合实力的水平. 它随着信息技术、微电子技术、自动化技术和检测技术的发展而发展。

数控加工中心是一种带有刀库并能自动更换刀具，对工件能够在一定的范围内进行多种加工操作的数控机床。

在加工中心上加工零件的特点是：被加工零件经过一次装夹后，数控系统能控制机床按不同的工序自动选择和更换刀具；自动改变机床主轴转速、进给量和刀具相对工件的运动轨迹及其它辅助功能，连续地对工件各加工面自动地进行钻孔、锪孔、铰孔、镗孔、攻螺纹、铣削等多工序加工。

由于加工中心能集中地、自动地完成多种工序，避免了人为的操作误差、减少了工件装夹、测量和机床的调整时间及工件周转、搬运和存放时间，大大提高了加工效率和加工精度，所以具有良好的经济效益。

加工中心按主轴在空间的位置可分为立式加工中心与卧式加工中心。

1.1.2 加工中心的特点和用途
加工中心（CNC MACHINING CENTER）又称多工序自动换刀数控机床，是当今世界上产量最大，在现代机械制造业最广泛使用的一种功能较全的金属切削加工设备。

加工中心综合了现代控制技术、计算机应用技术、精密测量技术以及机床设计与制造等方面的最新成就，具有较高的科技含量。

与普通机床相比，他简化了机械结构，加强了数字控制化功能，成为众多数控加工设备的典型。

加工中心集中了金属切削设备的优势，具备多种工艺手段，能实现工件一次装卡后的铣、镗、钻。

铰、攻螺纹等总和加工，对中等加工难度的批量工件，其生产率是普通设备的5-10倍。

加工中心对形状较复杂，精度要求高的单件加工或中小批量生产更为实用。

而且还节省工装，调换工艺时能体现出相对的柔性。

加工中心控制系统功能较多，机床运动至少用三个运动坐标轴，多的达十几个轴。

其控制功能最少要两轴联动控制，以实现刀具运动直线插补和圆弧插补，多的可进行五轴联动、六轴联动，完成更复杂曲面的加工。

加工中心还具有各种辅助机能，如：加工固定循环、刀具半径自动补偿、刀具长度自动补偿、刀具破损报警、刀具寿命管理、过载吵程自动保护、丝杠螺距误差补偿、丝杠间隙补偿、故障自动诊断、工件与加工过程图形显示、人机对话、工件在线监测、离线编程等，这些对提高设备的加工效率，保证产品得加工精度和质量等都起到保护作用。

加工中心的突出特征是设置有刀库，刀库中存放着各种刀具或检具，在加工过程中由程序自动选用和更换，这是他与数控铣床、数控镗床的主要区别。

加工中心在机械制造领域承担精密、复杂的多任务加工，按给定的工艺指令自动加工出所需几何形状的工件，完成大量人工直接操作普通设备所不能胜任的加工工作，现代化机械制造工厂已经离不开加工中心。

加工中心既可以单机使用，也能在计算机辅助控制下多台同时使用，构成柔性生产线，还可以与工业机器人、立体仓库等组合成无人化工厂。

随着21世纪现代化制造业的技术发展，机械加工的工艺与设备在数字化基础上正向智能化、信息化、网络化方向迈进，而作为前沿工艺装备的先进数控设备大量取代传统机加工设备将是必然趋势，加工中心当属是重要的成员。

加工中心的造价较高，使用成本业高。

在正常情况下加工中心能创造高产值，但无论设备自身原因造成的意外停机还是人为原因的事故停机，都会造成较大的浪费。

为使加工中心高效生产运行，培养一大批具有较高素质的操作人员尤为重要。

1.1.3．加工中心的工作原理
工件在加工中心上经一次装夹后，数字控制系统能控制机床按不同工序，自动选择和更换刀具，自动改变机床主轴转速、进给量和刀具相对工件的运动轨迹及其他辅助机能，依次完成工件几个面上多工序的加工。

并且有多种换刀或选刀功能，从而使生产效率大大提高。

加工中心由于工序的集中和自动换刀，减少了工件的装夹、测量和机床调整等时间，使机床的切削时间达到机床开动时间的80％左右(普通机床仅为15～20％)；同时也减少了工序之间的工件周转、搬运和存放时间，缩短了生产周期，具有明显的经济效果。

加工中心适用于零件形状比较复杂、精度要求较高、产品更换频繁的中小批量生产。

1.1.4加工中心的主轴部件
1.1.4.1主轴部件精度
加工中心主轴部件由主轴动力、传动及主轴组件组成，它是加工中心成型运动的重要执行部件之一，因此要求加工中心的主轴部件具有高的运转精度、长久的精度保持性以及长时 fdl 运行的精度稳定性。

加工中心通常作为精密机床使用，主轴部件的运转精度决定了机床加工精度的高低．考核机床的运转精度一般有动态检验和静态检验两种方法。

静态检验是指在低速或手动转动主轴情况下，检验主轴部件各个定位面及工作表面的跳动量．动态检验则需使用一定的仪器在机床主轴额定转速下．采用非接触的检测方法检验主轴的回转精度。

由
于加工中心通常具有自动换刀功能，刀具通过专用刀柄由安装在加工中心主轴内部的拉紧机构紧固．因此主轴的回转精度要考虑由于刀柄定位面的加工误差所引起的误差。

加工中心主轴轴承通常使用C级轴承，在二支承主轴部件中多采用4-1、2-2组合使用，即前支承和后支承分别用四个向心推力轴承和一个向心球轴承，或前、后支承都使用两个向心推力轴承组成主轴部件的支承体系．对于轻型高精度加工中心，也有前、后支承各使用一个向心推力轴承组成主轴部件的支承体系，该种结构适宜高精度、高速主轴部件的场合．简单的主轴轴承组合，可以大大降低主轴部件的装配误差和热传导引起的主轴隙丧失，但主轴的承载能力会有较大幅度的下降。

1.1.4.2 主轴部件结构
主轴部件主要由主轴、轴承、传动件、密封件和刀具自动卡紧机构等组成
1.1.4.
2.1 主轴
主轴前端有7：24的锥孔．用于装夹BT40刀柄或刀杆．主轴端面有一瑞面键．既可通过它传递刀具的扭矩，又可用于刀具的周向定位．主轴的主要尺寸参数包括：主轴的直径、内孔直径、悬伸长度和支承跨距。

评价和考虑主轴主要尺寸参数的依据是主轴的刚度、结构上艺性和主轴组件的工艺适用范围．主轴材料的选择主要根据刚度、载荷特点、耐磨性和热处理变形大小等因素确定。

主轴材料常采用的有 45 钢、 Gcr15 等，需经渗氮和感应加热悴火．
加工中心的主轴支承形式很多．其中立式加工中心的主轴前支承采用四个向心推力
球轴承，后支承采用一个向．心球轴承，这种支承结构使主轴的承载能力较高．且能适应高速的要求．主轴支承前端定位，主轴受热向后伸长，能较好地满足精度需要．只是支承结构较为复杂。

1.1.4.
2.2、刀具自动卡紧机构
加工中心可以白动换刀，所以，主轴系统应具备自动松开和夹紧刀具的功能。

刀具的自动夹紧机构安装在主轴的内部，图2一7所示为刀具的夹紧状态．刀柄1由主轴抓刀爪2 央持，碟形弹簧5通过拉杆4、抓刀爪 2 ，在内套 3的作用下将刀栖的拉钉拉紧，当换刀时，要求松开刀柄．此时将主轴上端气缸的上腔通压缩空气，活塞7带动压杆8及拉4向下移动．同时压缩碟形弹簧5，当拉杆4下移到使抓刀爪2的下端移出内套3时．卡爪张开．同时拉杆4将刀柄顶松，刀其即可由机械手或刀库拔出。

待新刀装入后，气缸6的下腔通压缩空气．在碟形弹簧的作用下．活塞带动抓刀爪上移．抓刀爪拉杆贯新进人内套3 ，将刀柄拉紧。

活塞7移动的两个极限位置分别设有行程开关10，作为刀具夹紧和松开的信号。

刀杆尾部的拉紧机构，除上述的卡爪式外，常见的还有钢球拉紧机构，其内部结构
如图2一8所示。

1.1.4.
2.3．卧式加工中心主轴的规格和传动系统。