精密仪器总体设计与仿真研究论文

超精密加工与超高速加工技术一、技术概述超高速加工技术是指采用超硬材料的刃具，通过极大地提高切削速度和进给速度来提高材料切除率、加工精度和加工质量的现代加工技术。超高速加工的切削速度范围因不同的工件材料、不同的切削方式而异。目前，一般认为，超高速切削各种材料的切速范围为：铝合金已超过1600m/min，铸铁为1500m/min，超耐热镍合金达300m/min，钛合金达150-1000m/min，纤维增强塑料为2000-9000m/min。各种切削工艺的切速范围为：车削700-7000m/min，铣削300-6000m/min，钻削200-1100m/min，磨削250m/s以上等等。超高速加工技术主要包括：超高速切削与磨削机理研究，超高速主轴单元制造技术，超高速进给单元制造技术，超高速加工用刀具与磨具制造技术，超高速加工在线自动检测与控制技术等。超精密加工当前是指被加工零件的尺寸精度高于0.1μ m，表面粗糙度Ra小于0.025μ m，以及所用机床定位精度的分辨率和重复性高于0.01μ m的加工技术，亦称之为亚微米级加工技术，且正在向纳米级加工技术发展。超精密加工技术主要包括：超精密加工的机理研究，超精密加工的设备制造技术研究，超精密加工工具及刃磨技术研究，超精密测量技术和误差补偿技术研究，超精密加工工作环境条件研究。二、现状及国内外发展趋势1．超高速加工工业发达国家对超高速加工的研究起步早，水平高。在此项技术中，处于领先地位的国家主要有德国、日本、美国、意大利等。在超高速加工技术中，超硬材料工具是实现超高速加工的前提和先决条件，超高速切削磨削技术是现代超高速加工的工艺方法，而高速数控机床和加工中心则是实现超高速加工的关键设备。目前，刀具材料已从碳素钢和合金工具钢，经高速钢、硬质合金钢、陶瓷材料，发展到人造金刚石及聚晶金刚石（PCD）、立方氮化硼及聚晶立方氮化硼（CBN）。切削速度亦随着刀具材料创新而从以前的12m/min提高到1200m/min以上。砂轮材料过去主要是采用刚玉系、碳化硅系等，美国G．E公司50年代首先在金刚石人工合成方面取得成功，60年代又首先研制成功CBN。90年代陶瓷或树脂结合剂CBN砂轮、金刚石砂轮线速度可达125m/s，有的可达150m/s，而单层电镀CBN砂轮可达250m/s。因此有人认为，随着新刀具（磨具）材料的不断发展，每隔十年切削速度要提高一倍，亚音速乃至超声速加工的出现不会太遥远了。在超高速切削技术方面，1976年美国的Vought公司研制了一台超高速铣床，最高转速达到了20000rpm。特别引人注目的是，联邦德国Darmstadt工业大学生产工程与机床研究所（PTW）从1978年开始系统地进行超高速切削机理研究，对各种金属和非金属材料进行高速切削试验，联邦德国组织了几十家企业并提供了2000多万马克支持该项研究工作，自八十年代中后期以来，商品化的超高速切削机床不断出现，超高速机床从单一的超高速铣床发展成为超高速车铣床、钻铣床乃至各种高速加工中心等。瑞士、英国、日本也相继推出自己的超高速机床。日本日立精机的HG400III型加工中心主轴最高转速达36000-40000r/min，工作台快速移动速度为36~40m/min。采用直线电机的美国Ingersoll公司的HVM800型高速加工中心进给移动速度为60m/min。在高速和超高速磨削技术方面，人们开发了高速、超高速磨削、深切缓进给磨削、深切快进给磨削（即HEDG）、多片砂轮和多砂轮架磨削等许多高速高效率磨削，这些高速高效率磨削技术在近20年来得到长足的发展及应用。德国Guehring Automation公司1983年制造出了当时世界第一台最具威力的60kw强力CBN砂轮磨床，Vs达到140-160m/s。德国阿享工业大学、Bremen大学在高效深磨的研究方面取得了世界公认的高水平成果，并积极在铝合金、钛合金、因康镍合金等难加工材料方面进行高效深磨的研究。德国Bosch公司应用CBN砂轮高速磨削加工齿轮齿形，采用电镀CBN砂轮超高速磨削代替原须经滚齿及剃齿加工的工艺，加工16MnCr5材料的齿轮齿形，Vs＝155m/s，其Q达到811mm3/mm.s，德国Kapp公司应用高速深磨加工泵类零件深槽，工件材料为100Cr6轴承钢，采用电镀CBN砂轮，Vs达到300m/s，其Q`＝140mm3/mm.s，磨削加工中，可将淬火后的叶片泵转子10个一次装夹，一次磨出转子槽，磨削时工件进给速度为1.2m/min，平均每个转子加工工时只需10秒钟，槽宽精度可保证在2μ m，一个砂轮可加工1300个工件。目前日本工业实用磨削速度已达200m/s，美国Conneticut大学磨削研究中心，1996年其无心外圆高速磨床上，最高砂轮磨削速度达250m/s。近年来，我国在高速超高速加工的各关键领域如大功率高速主轴单元、高加减速直线进给电机、陶瓷滚动轴承等方面也进行了较多的研究，但总体水平同国外尚有较大差距，必须急起直追。2．超精密加工超精密加工技术在国际上处于领先地位的国家有美国、英国和日本。这些国家的超精密加工技术不仅总体成套水平高，而且商品化的程度也非常高。美国是开展超精密加工技术研究最早的国家，也是迄今处于世界领先地位的国家。早在50年代末，由于航天等尖端技术发展的需要，美国首先发展了金刚石刀具的超精密切削技术，称为“SPDT技术”（Single Point Diamond Turning）或“微英寸技术”（1微英寸＝0.025μ m），并发展了相应的空气轴承主轴的超精密机床。用于加工激光核聚变反射镜、战术导弹及载人飞船用球面非球面大型零件等等。如美国LLL实验室和Y－12工厂在美国能源部支持下，于1983年7月研制成功大型超精密金刚石车床DTM－3型，该机床可加工最大零件?2100mm、重量4500kg的激光核聚变用的各种金属反射镜、红外装置用零件、大型天体望远镜（包括X光天体望远镜）等。该机床的加工精度可达到形状误差为28nm（半径），圆度和平面度为12.5nm，加工表面粗糙度为Ra4.2nm。该机床与该实验室1984年研制的LODTM大型超精密车床一起仍是现在世界上公认的技术水平最高、精度最高的大型金刚石超精密车床。在超精密加工技术领域，英国克兰菲尔德技术学院所属的克兰菲尔德精密工程研究所（简称CUPE）享有较高声誉，它是当今世界上精密工程的研究中心之一，是英国超精密加工技术水平的独特代表。如CUPE生产的Nanocentre（纳米加工中心）既可进行超精密车削，又带有磨头，也可进行超精密磨削，加工工件的形状精度可达0.1μ m ，表面粗糙度Ra<10nm。日本对超精密加工技术的研究相对于美、英来说起步较晚，但是当今世界上超精密加工技术发展最快的国家。日本的研究重点不同于美国，前者是以民品应用为主要对象，后者则是以发展国防尖端技术为主要目标。所以日本在用于声、光、图象、办公设备中的小型、超小型电子和光学零件的超精密加工技术方面，是更加先进和具有优势的，甚至超过了美国。我国的超精密加工技术在70年代末期有了长足进步，80年代中期出现了具有世界水平的超精密机床和部件。北京机床研究所是国内进行超精密加工技术研究的主要单位之一，研制出了多种不同类型的超精密机床、部件和相关的高精度测试仪器等，如精度达0.025μ m的精密轴承、JCS－027超精密车床、JCS－031超精密铣床、JCS－035超精密车床、超精密车床数控系统、复印机感光鼓加工机床、红外大功率激光反射镜、超精密振动－位移测微仪等，达到了国内领先、国际先进水平。航空航天工业部三零三所在超精密主轴、花岗岩坐标测量机等方面进行了深入研究及产品生产。哈尔滨工业大学在金刚石超精密切削、金刚石刀具晶体定向和刃磨、金刚石微粉砂轮电解在线修整技术等方面进行了卓有成效的研究。清华大学在集成电路超精密加工设备、磁盘加工及检测设备、微位移工作台、超精密砂带磨削和研抛、金刚石微粉砂轮超精密磨削、非圆截面超精密切削等方面进行了深入研究，并有相应产品问世。此外中科院长春光学精密机械研究所、华中理工大学、沈阳第一机床厂、成都工具研究所、国防科技大学等都进行了这一领域的研究，成绩显著。但总的来说，我国在超精密加工的效率、精度可靠性，特别是规格（大尺寸）和技术配套性方面与国外比，与生产实际要求比，还有相当大的差距。超精密加工技术发展趋势是：向更高精度、更高效率方向发展；向大型化、微型化方向发展；向加工检测一体化方向发展；机床向多功能模块化方向发展；不断探讨适合于超精密加工的新原理、新方法、新材料。21世纪初十年将是超精密加工技术达到和完成纳米加工技术的关键十年。三、“十五”目标及主要研究内容1．目标超高速加工到2005年基本实现工业应用，主轴最高转速达15000r/min，进给速度达40-60m/min，砂轮磨削速度达100-150m/s；超精密加工基本实现亚微米级加工，加强纳米级加工技术应用研究，达到国际九十年代初期水平。2．主要研究内容（1）超高速切削、磨削机理研究。对超高速切削和磨削加工过程、各种切削磨削现象、各种被加工材料和各种刀具磨具材料的超高速切削磨削性能以及超高速切削磨削的工艺参数优化等进行系统研究。（2）超高速主轴单元制造技术研究。主轴材料、结构、轴承的研究与开发；主轴系统动态特性及热态性研究；柔性主轴及其轴承的弹性支承技术研究；主轴系统的润滑与冷却技术研究；主轴的多目标优化设计技术、虚拟设计技术研究；主轴换刀技术研究。（3）超高速进给单元制造技术研究。高速位置芯片环的研制；精密交流伺服系统及电机的研究；系统惯量与伺服电机参数匹配关系的研究；机械传动链静、动刚度研究；加减速控制技术研究；精密滚珠丝杠副及大导程丝杠副的研制等。（4）超高速加工用刀具磨具及材料研究。研究开发各种超高速加工（包括难加工材料）用刀具磨具材料及制备技术，使刀具的切削速度达到国外工业发达国家90年代末的水平，磨具的磨削速度达到150m/s以上。（5）超高速加工测试技术研究。对超高速加工机床主轴单元、进给单元系统和机床支承及辅助单元系统等功能部位和驱动控制系统的监控技术，对超高速加工用刀具磨具的磨损和破损、磨具的修整等状态以及超高速加工过程中工件加工精度、加工表面质量等在线监控技术进行研究。（6）超精密加工的加工机理研究。“进化加工”及“超越性加工”机理研究；微观表面完整性研究；在超精密范畴内的对各种材料（包括被加工材料和刀具磨具材料）的加工过程、现象、性能以及工艺参数进行提示性研究。（7）超精密加工设备制造技术研究。纳米级超精密车床工程化研究；超精密磨床研究；关键基础件，如轴系、导轨副、数控伺服系统、微位移装置等研究；超精密机床总成制造技术研究。（8）超精密加工刀具、磨具及刃磨技术研究。金刚石刀具及刃磨技术、金刚石微粉砂轮及其修整技术研究。（9）精密测量技术及误差补偿技术研究。纳米级基准与传递系统建立；纳米级测量仪器研究；空间误差补偿技术研究；测量集成技术研究。（10）超精密加工工作环境条件研究。超精密测量、控温系统、消振技术研究；超精密净化设备，新型特种排屑装置及相关技术的研究希望能帮到你．哈哈！本人就是从事精密机械生产，模具加工的，转载地址：来源:

数控机床的发展趋势为了满足市场和科学技术发展的需要，为了达到现代制造技术对数控技术提出的更高的要求，数控未来仍然继续向开放式、基于PC的第六代方向、高速化和高精度化、智能化等方向发展。 1、开放式 为适应数控进线、联网、普及型个性化、多品种、小批量、柔性化及数控迅速发展的要求，最重要的发展趋势是体系结构的开放性，设计生产开放式的数控系统，例如美国、欧共体及日本发展开放式数控的计划等。 2、基于PC的第六代方向 基于PC所具有的开放性、低成本、软硬件资源丰富等特点，更多的数控系统生产厂家会走上这条道路。至少采用PC机作为它的前端机，来处理人机界面、编程、联网通信等问题，由原有的系统承担数控的任务。PC机所具有的友好的人机界面，将普及到所有的数控系统。远程通讯，远程诊断和维修将更加普遍。 3、高速化、高效化 机床向高速化方向发展，可充分发挥现代刀具材料的性能，不但可大幅度提高加工效率、降低加工成本，而且还可提高零件的表面加工质量和精度。超高速加工技术对制造业实现高效、优质、低成本生产有广泛的适用性。90年代以来，随着超高速切削机理、超硬耐磨长寿命刀具材料和磨料磨具，大功率高速电主轴、高加/减速度直线电机驱动进给部件以及高性能控制系统（含监控系统）和防护装置等一系列技术领域中关键技术的解决，欧、美、日各国争相开发应用新一代高速数控机床，加快机床高速化发展步伐。高速主轴单元（电主轴，转速15000－100000r/min）、高速且高加/减速度的进给运动部件（快移速度60~120m/min，切削进给速度高达60m/min）、高性能数控和伺服系统以及数控工具系统都出现了新的突破，达到了新的技术水平。 根据高效率、大批量生产需求和电子驱动技术的飞速发展，高速直线电机的推广应用，开发出一批高速、高效的高速响应的数控机床以满足汽车、农机等行业的需求。还由于新产品更新换代周期加快，模具、航空、军事等工业的加工零件不但复杂而且品种增多。 4、高精度化 精密化是为了适应高新技术发展的需要，也是为了提高普通机电产品的性能、质量和可靠性，减少其装配时的工作量从而提高装配效率的需要。从精密加工发展到超精密加工（特高精度加工），是世界各工业强国致力发展的方向。其精度从微米级到亚微米级，乃至纳米级（<10nm），其应用范围日趋广泛。超精密加工主要包括超精密切削（车、铣）、超精密磨削、超精密研磨抛光以及超精密特种加工（三束加工及微细电火花加工、微细电解加工和各种复合加工等）。随着现代科学技术的发展，对超精密加工技术不断提出了新的要求。新材料及新零件的出现，更高精度要求的提出等都需要超精密加工工艺，发展新型超精密加工机床，完善现代超精密加工技术，以适应现代科技的发展。 随着高新技术的发展和对机电产品性能与质量要求的提高，机床用户对机床加工精度的要求也越来越高。为了满足用户的需要，近10多年来，普通级数控机床的加工精度已由±10μm提高到±5μm，精密级加工中心的加工精度则从±3~5μm，提高到±1~1.5μm。 5、高可靠性 数控系统的可靠性要高于被控设备的可靠性在一个数量级以上，但也不是可靠性越高越好，仍然是适度可靠，因为是商品，受性能价格比的约束。对于每天工作两班的无人工厂而言，如果要求在16小时内连续正常工作，无故障率P(t)＝99%以上的话，则数控机床的平均无故障运行时间MTBF就必须大于3000小时。MTBF大于3000小时，对于由不同数量的数控机床构成的无人化工厂差别就大多了，我们只对一台数控机床而言，如主机与数控系统的失效率之比为10：1的话（数控的可靠比主机高一个数量级）。此时数控系统的MTBF就要大于33333.3小时，而其中的数控装置、主轴及驱动等的MTBF就必须大于10万小时。 6、智能化 随着人工智能在计算机领域的不断渗透和发展，数控系统的智能化程度将不断提高，智能化的内容包括在数控系统中的各个方面。 （1）应用自适应控制技术 数控系统能检测过程中一些重要信息，并自动调整系统的有关参数，达到改进系统运行状态的目的。 （2）引入专家系统指导加工 将熟练工人和专家的经验，加工的一般规律和特殊规律存入系统中，以工艺参数数据库为支撑，建立具有人工智能的专家系统。 （3）引入故障诊断专家系统 （4）智能化数字伺服驱动装置 可以通过自动识别负载，而自动调整参数，使驱动系统获得最佳的运行。 可以通过自动识别负载，而自动调整参数，使驱动系统获得最佳的运行。 综上所述，由于数控机床不断采纳科学技术发展中的各种新技术，使得其功能日趋完善，数控技术在机械加工中的地位也显得越来越重要，数控机床的广泛应用是现代制造业发展的必然趋势。国产数控机床现状及发展趋势分析时间：2008-05-04 17:07 来源： 一大把机械圈 文字选择：大 中 小20世纪80年代初，国内先后从日本、美国等国引进了一些CNC装置及主轴、伺服系统的生产技术，并陆续投入了批量生产，从而结束了数控机床发展徘徊不前的局面，推动了数控机床的发展。到20世纪90年代初，国内的数控机床及数控系统的生产具有了一定的规模，但前进中的数控机床产业正面临十分严峻的形势。进入WTO后，中国将进入日趋完善的国内外相统一的大市场，大量数控机床及数控系统进口，将对发展中的数控产业造成巨大的冲击。2003年开始，中国已成为全球最大的机床消费国，也是世界上最大的数控机床进口国。随着，“数字制造”这一新理念被引入中国制造业，有必要对国内数控机床产业的现状及趋势做些探讨。数控机床的概念 数控机床就是在数字控制下，能在尺寸精度和几何精度两方面完成金属毛坯零件加工成所需要形状的工作母机的总称。数控机床通常由控制系统、伺服系统、检测系统、机械传动系统及其他辅助系统组成。国产数控机床的发展现状 一、国产数控机床与国际先进水平差距逐渐缩小 数控机床是当代机械制造业的主流装备，国产数控机床的发展经历了30年跌宕起伏，已经由成长期进入了成熟期，可提供市场1,500种数控机床，覆盖超重型机床、高精度机床、特种加工机床、锻压设备、前沿高技术机床等领域，产品种类可与日、德、意、美等国并驾齐驱。特别是在五轴联动数控机床、数控超重型机床、立式卧式加工中心、数控车床、数控齿轮加工机床领域部分技术已经达到世界先进水平。其中，五轴(坐标)联动数控机床是数控机床技术的制高点标志之一。它集计算机控制、高性能伺服驱动和精密加工技术于一体，应用于复杂曲面的高效、精密、自动化加工，是发电、船舶、航天航空、模具、高精密仪器等民用工业和军工部门迫切需要的关键加工设备。五轴联动数控机床的应用，其加工效率相当于2台三轴机床，甚至可以完全省去某些大型自动化生产线的投资，大大节约了占地空间和工作在不同制造单元之间的周转运输时间及费用。国产五轴联动数控机床品种日趋增多，国际强手对中国限制的五轴联动加工中心、五轴铣床.html' onmouseover="javascript:showpos(event,this)" onmouseout="javascript:ClearTimer()" target="_blank" style="color:#00A2CA">数控铣床、五轴龙门铣床、五轴落地铣镗床等均在国内研制成功，改变了国际强手对数控机床产业的垄断局面。 二、国产数控机床存在的问题 由于中国技术水平和工业基础还比较落后，数控机床的性能、水平和可*性与工业发达国家相比，差距还是很大，尤其是数控系统的控制可*性还较差，数控产业尚未真正形成。因此加速进行数控系统的工程化、商品化攻关，尽快建成与完善数控机床和数控产业成为当前的主要任务。目前主要问题有： 三、核心技术严重缺乏 统计数据表明，数控机床的核心技术—数控系统，由显示器、控制器伺服、伺服电机和各种开关、传感器构成，中国90%需要国外进口。如在上海设厂的德国吉特迈集团和意大利利雅路机床集团，在烟台建厂的韩国大宇综合机械株式会社，所有的核心技术都被外方掌握。国内能做的中、高端数控机床，更多处于组装和制造环节，普遍未掌握核心技术。国产数控机床的关键零部件和关键技术主要依赖进口，国内真正大而强的企业并不多。目前世界最大的3 家厂商是：日本发那客、德国西门子、日本三菱；其余还有法国扭姆、西班牙凡高等。国内有华中数控、航天数控等。国内的数控系统刚刚开始产业化、水平质量一般。高档次的系统全都是进口。华中数控近几年发展迅速，软件水平相当不错，但在电器硬件方面还需进一步提高。目前国内一些大厂还没有采用华中数控的。数控功能部件是另外一个薄弱环节。某种意义上说，功能部件将构筑21世纪现代数控机床。功能部件的性能和价格决定了数控机床的性能和价格。功能部件不是机床附件，它是数控机床的核心代表。国产数控机床的主要故障大多出在功能部件上，它是影响国产数控机床使用的主要根源。从国产数控机床的开发和使用来看，功能部件急需技术攻关。特别在数控刀具滞后现象反映相当强烈。国产数控刀具在寿命、可*性等方面差距明显，无论在品种、性能和质量上都远远不能满足用户要求。由于国产刀具品种少、寿命低，严重影响数控机床效率的发挥。调研企业进口的数控机床，配用大量进口数控刀具，由于价格昂贵，用户不堪负担。数控立、卧回转工作台，数控分度盘和数控电动刀架等数控功能部件市场中海外商家也稍胜一筹。 四、民族品牌与国际品牌差距明显 2004年6月一份广东机床用户的抽查情况透露，在数控机床的各个品牌之中，用户对欧洲、日本、美国、韩国和中国台湾等数控机床品牌的关注度已占全部市场的60%以上。品牌知名度上的差距，导致用户在选择加工设备时把更多的机会给了海外数控机床行业的一些“实力派”。如哈尔滨某发动机(集团)有限公司的缸体生产线是一条全自动加工线，其粗加工选用韩国大宇重工的专机自动线，精加工则选用了英国CROSS HULLE公司的专机自动线，缸盖加工线是由德国Cross. Huller公司制造的高速加工中心和专机自动线、德国产的全自动在线测量机、日本产的全自动密封检测机和清洗机组成的。曲轴生产线为全自动柔性流水生产线，精加工线由日本的数控高速CBN 磨床、动平衡机、抛光机等组成。 机床数控系统的发展趋势从1952年第一台数控机床在美国问世，至今已有40多年的历史，计算机数控（CNC）从70年代中期出现，到现在也已有20多年了，数控技术日趋成熟。特别是近几年来微型计算机、微电子工业及电力电子工业的迅速发展，微型计算机与CNC技术的紧密结合，使得开发和生产CNC系统的技术被越来越多的自动化装备生产厂所掌握。因此，就当今全世界范围来说，CNC技术已经不再被少数几个国家的几个CNC系统生产厂所垄断。到80年代末，几乎每个工业发达的国家都有了自己的数控设备生产厂，生产满足各自国家数控机床及其他机械装备所需要的数控系统。甚至很多大型的数控机床生产厂都有自己的产品，并部分出售数控系统。因此，CNC系统生产厂之间的竞争为激烈，数控技术的发展进入了新的阶段。当代数控技术的发展具有下述特点：1．广泛地应用微机资源近年来被称为个人计算机（PC）的微型计算机发展很快，大规模集成电路制造技术的高速发速，使得PC的硬件结构做得很小。主CPU的运行速度越来越高。IPC386的主频是33MHz，IPC486、586的主频可达50～120MHz，新近Intel奔腾处理器（Pentium），主频已达450MHz。存储器容量也很大，体积很小，由于是大批量生产，使成本下降，可靠性提高。在软件方面，操作系统的发展，特别是Windows的应用，使得PC的操作更为简便直观。CAD/CAM的软件大量地由小型机、工作站向PC移植，三维图显示及工艺数据库在PC上建立。再加上PC的开放性，吸引大量技术人员投入了软件的开发，使得PC的软件资源极为丰富。因此，更好地利用PC的软、硬件资源，就成为各国数控设备生产厂发展CNC系统十分重要的一种方法。1992～1993年，首先是在美国及欧洲的一些小型的数控设备厂推出，例如美国的ANILAN公司推出的1100、1200、1400系列，意大利FIDIA公司的10/20/30系列，都采用了PC作为基板来开发自己的数控系统。现在连日本FANUC、三菱公司，德国的SIEMENS公司这些以生产专用CNC设备著称的公司，也都把采用PC资源，作为其发展的一个重要方向。他们都强调自己系统的“开放”。日本FANUC公司把采用PC的CNC系统称之为开放型CNC系统，有150、160、180及210等系列，并正发展一种将FANUC智能终端（一种与IBM PC兼容的平板式计算机）通过高速光缆与CNC装置连接的模式。我国中国珠峰数控公司“八五”攻关成果“中华Ⅰ型（CME988）”也采用PC作为主控板，使该系统能充分利用PC的资源，跟随PC的发展而升级。2．小型化以满足机电一体化的要求随着微电子技术的发展，大规模集成电路的集成度越来越高，体积越来越小。数控设备厂采用超大规模集成电路并采用表面安装工艺（SMT），实现了三维立体装配，将整个CNC装置做得很小，以适应机械制造业机电一体化的要求。日本三菱电机株式会社，最近推出的普及型CNC MELDAS 50系列及实用型CNC MELDAS 520A系列，这两个系列都采用了32位RISC微处理器，实现超小型化的CNC装置，较原来的M310及L3、L3A，体积大为减小（H168mm×W76mm×D135mm），安装面积减小了一半，功能还有所提高。采用了超薄型显示器（9.5in的EL及10.4in的彩色LCD）。这个系统的微小线段加工能力提升至64m/min，最大快速进给速度为240m/min，其同步攻螺纹精度较M310提高了3倍，主轴定位时间缩短了30%。德国SIEMENS公司最新推出的SINUMERIK 840D主控组件选用386DX或486DX，具有1～4个通道，可实现直线及圆弧插补、螺旋线插补、5轴螺旋线插补及样条插补、圆柱插补等，共可控制32个轴，并有多种校正及补偿功能，体积仅为50mm×316mm×207mm。3．改善人机接口，方便用户使用为了使操作者能很容易地掌握数控机床的操作，数控设备生产厂努力地改善人机接口，简化编程，尽量采用对话方式，使用户使用方便，如西班牙FAGOR公司生产的FAGOR 8050系列，采用交互式编辑程序指导系统，简化程序的编辑，用简要的表格编辑程序，利用蓝图建立程序。其8050TC型数控系统，被称为高档傻瓜式数控系统（FAGOR800系列CNC系统），其操作面板使用了符号键，用户可以根据所需加工零件，选择加工程序，输入图形数据后，即可实现半自动或全自动加工。如果面板上的各种自动操作都没有被选上，则该CNC系统只显示坐标轴的位置值和主轴转速，操作者可以用摇柄或电子手轮对机床的各个轴进行手动操作，使用极为方便。4．提高数控系统产品的成套性数控系统包括CNC装置、主轴及进给伺服驱动装置，以及主轴电动机、进给电动机和与其相关的检测反馈元件。一个数控系统性能的好坏是与上述各个环节的性能密切相关的。为了满足机床用户厂的需要，数控设备生产厂都非常重视数控产品的成套性，使系统的各个环节都能很好地匹配，使用户获得最好的使用效果。例如，日本FANUC公司开发了经济型的O-TD、O-MD CNC装置，与之相适应也开发了经济型的αC系列的效流伺服电动机及控制系统。日本大隈（OKUMA）公司，是一个传统的机床厂，现在也开发、生产并销售数控系统，作为一个机床厂生产数控系统，所以更重视机电一体化及产品成套性。该公司生产数控系统在软件上更结合机械加工的工艺要求，硬件上还自行开发了绝对位置编码器、无刷伺服电动机、交流主轴电动机、光栅尺等元件，同时还提供机床控制面板及控制柜、自动编程装置，为用户提供交钥匙工程。5．研究开发智能型数控系统所谓智能型的数控系统，早在80年代初期已经开始研究。当时FANUC公司推出的FS15系列，就称之为AI（人工智能）CNC系统，主要是在故障诊断方面采用了专家系统。系统利用所谓的推理软件，根据存储在系统中的知识库的经验，分析及查找故障原因。最近FANUC公司又在开展被称为面向21世纪的课题—IMS（Intelligent Manufacturing Systems），将无缝地（Seamless）把世界范围熟练工人的技术窍门（Know how）组合进行生产系统中去。随着工业技术发展，要求制造过程更快、更容易，以适应生产需要，一种被称为智能闭环加工（Intelligent Closed-Loop Processes ICLP）技术被采用。这种技术是利用传感器获得适时的信息，以增强制造者取得最佳产品的能力。图1就是智能闭环加工模型。图1 智能闭环加工模型6．根据市场需要，开发适销对路的数控产品高新技术是数控系统发展的一个方向，另一方面开发适销对路的数控产品也是适应市场发展的需要。我国是发展中国家，经济型数控系统在我国有着广阔的市场。因此，开发性能优良、价钱便宜的数控系统，满足我国市场需要是很有意义的。目前，我国的经济型数控机床每年需要量约为8000～10000台。虽然有几十个厂家在生产，价格也很便宜，但是多年来技术发展不快，性能及可靠性方面还存在一些问题，不能满足市场的需求。德国SIEMENS公司在我国建立的合资企业—西门子数控（南京）有限公司，在1997年推出了SINUMERIK 802S。这种系统除采用G代码编程外，还有图形循环支持功能，通过软件键来进行转换。采用15.24cm（6in）彩色液晶显示，并采用两台步进电动机作为驱动单元，驱动力矩为3.5～12N.m，价格在3万元左右。这是西门子公司为占领中国市场所做的努力。7．开发新的数控产品随着机械加工技术的发展，对数控机床的性能要求越来越高，迫切地需要开发一些新的机电一体化数控产品来适应及满足这些要求。例如，铝合金材料的大量采用，要求进行高速切削，以实现高的精度及低的表面粗糙度的要求，数控车床及加工中心主轴转速要求提高到10000～20000r/min，这对采用传统的机械传动是很难实现的。因此，将电动机的电枢直接与机床的主轴做成一体的“电动主轴”，就成为生产中急需的产品。目前，日本的FANUC公司、NSK公司，瑞士的IBAG公司，意大利的GANFIOR公司都在开发生产这种新产品。同样，为了实现高速移动，要求开发“直线电动机”，用以直接带动工作台直线运动。日本FANUC公司生产的直线电动机，移动速度可以达到100m/min。日本的THK公司，德国的INDRAMAT公司、SIEMENS公司都在开发及生产这类产品。综上所述，数控技术的发展是与现代计算机技术、电子技术发展同步的，同时也是根据生产发展的需要而发展的。现在数控技术已经成熟，发展将更深更广更快。未来的CNC系统将会使机械更好用，更便宜

测控二三事找去

基于Proteus的智能交通灯设计与仿真实现论文

交通灯有两种，给机动车看的叫机动车灯，通常指由红、黄、绿（绿为蓝绿）三种颜色灯组成用来指挥交通通行的信号灯。给行人看的叫人行横道灯，通常指由红、绿（绿为蓝绿）二种颜色灯组成用来指挥交通通行的信号灯，红灯停，绿灯行。下面是我为你带来的 基于Proteus的智能交通灯设计与仿真实现论文，欢迎阅读。

摘要：针对现实中越来越严重的城市交通拥堵现象，文章介绍了一种十字路口交通信号灯智能控制系统。该系统实现了正常时段交通信号灯的轮换，解决了十字路口车辆的正常行驶；并可通过外部中断或手动设置解决一些紧急事件或由于某方向车道车流量不均衡所造成的十字路口交通资源浪费或堵塞问题。通过在Proteus V7.8仿真平台中运行，系统具有较强的可靠性。

关键词：Proteus；智能交通灯；仿真实验

随着现代化社会经济的快速发展，城市车辆大幅度增加，交通拥挤、道路阻塞、车辆通行缓慢等问题受到了人们极大的关注，特别是早晚交通高峰时的十字路口，因此智能交通控制就显得尤为重要。传统的交通灯控制，是根据一定时间段的各车道车流量的调查而分配出的相对合理的固定周期换灯的控制方式，不管是车流高峰还是低谷；也有一些交通灯能根据简单划分的时间段来调整时间，但控制起来不是很灵活，这使得城市车流的调节不能达到最优，经常出现通行时间与车流量不相适应的'情况，特别是特定时间的十字路口，会出现某一方向车辆早已通行完，而另一方向车辆排队等绿灯的情况[1]。本文介绍的是一种采用8086 CPU和8259中断控制器配以7段数码管设计实现的十字路口智能交通灯控制系统，其能根据实时车流量对路口的绿灯时间进行动态调节，大大加强了其灵活性和实时性，并通过Proteus仿真软件平台实现了仿真。

一、总体设计方案

本文以十字路口单行车辆通行为研究对象，东南西北四个方向对应路口都设绿、红、黄三色圆灯信号（东西为一向，南北为一向），正常工作状态见表1，具体控制思想如下：（1）车辆流量的采集；（2）分析计算停止车辆排队长度，计算车流量比值，以1为基值判断双方车流量大小；（3）车辆输出量确认，根据各个方向车辆排队长度给定每个路口的红、绿灯时间值；（4）根据比值，增减另一方向车辆红、绿灯时长；（5）以3秒钟为单位，最大变化不超过18秒；（6）检测采用每周期循环一次，从而实现对整个信号灯的智能控制。

按照此思想，系统主要包括6个模块，如图1所示。以8086 CPU为主控制器，控制其他模块协调工作。其中信号灯模块显示各车道的通行情况；数码管倒计时模块显示信号灯燃亮时间；闯红灯报警模块实时监测车辆违规行为；紧急通行模块用于处理非正常通行，以外部中断方式控制[2]；时间手动设置模块以通过键盘进行手动设置，增加人为的可控性，用于在紧急状态下，通过设置所有灯变为红灯以避免自动故障和意外发生。

二、Proteus仿真设计

1.Proteus仿真平台简介。Proteus是英国Labcenter electronics公司研发的多功能EDA软件，其由ISIS原理图编辑与仿真软件包和ARES布线编辑软件包组成，是目前世界上唯一将电路仿真、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台。Proteus V7.5 SP3以上的版本中增加了对8086 CPU及相关接口芯片的仿真功能。另外，Proteus还提供有示波器、逻辑分析仪、信号发生器、交直流电压/电流表、数字图案发生器、定时器/计数器、逻辑探头、虚拟终端等很多虚拟仪器，是一个全开放性的仿真实验平台，相当于一个设备齐全的综合性实验室。本文介绍所使用的为Proteus V7.8软件。Proteus本身未提供8086编译器，而是通过添加外部代码编译器，将编写好的源程序加入工程，编译并生成可执行程序。本文介绍的采用EMU8086提供的编译环境进行程序的编写和汇编。EMU8086是一可在Windows环境下运行的8086 CPU汇编真软件，其集成了文本编辑器、编译器、反编译器、真调试、虚拟设备和驱动器为一体。Proteus仅支持8086最小模式，8086模型可直接加载BIN、COM和EXE格式的文件到内部RAM中，不需要DOS，而且允许对Microsoft（Codeview）和Borland格式中包含了调试通过的程序可以进行源程序或反汇编后的调试，因此源码汇编和链接过程的参数相当重要[3]。

2.信号灯电路设计。信号灯组由红、黄、绿三色灯组成，4组共12盏灯，其亮灭及闪烁方式与十字路口的红、黄、绿灯同步，由8255A芯片的A口通过方式0控制6个开关量（12盏灯）；七段数码管采用共阴极接法，由8255A芯片的B口通过方式0输出控制，其中低四位控制个位显示，高四位控制十位显示。8259中断控制器的IR0接8253的OUT2，实现对于紧急情况的外部中断处理。譬如控制红绿信号灯，实现相应车道通行、另一车道禁行，同时熄灭所有的数码管；或者遇有某方向路段忙时，信号灯的燃亮时间可根据车流量情况设置时间。

3.软件设计。程序主要包括“jjsj”和“zcsj”两个子程序。系统正常运行都在执行“zcsj”子程序，初始化十字路口的交通信号灯状态及燃亮时间，启动8253定时器数码管开始倒计时。在倒计时期间，当遇有某方向车辆特别多或遇忙等其他紧急情况时，通过外部中断请求执行“jjsj”子程序模块。绿灯倒计时完毕后，转换黄色信号灯，持续到规定时间后，东西和南北方向路口信号灯互换，如此一直循环运行[4]。程序设计流程如图2所示。

三、Proteus仿真实现

1.8255A初始化。从图3所示的硬件原理图得知，8255A芯片的片选端连接在74HC154译码器的输出端，74HC154的4个引脚D、C、B、A分别与锁存器74LS273输出的A12、A11、A10、A9相连，当A12、A11、A10、A9=0001时8255A有效，所以8255A的4个端口地址分别为0200H、0202H、0204H、0206H；初始化方式选择控制字为89H（A、B口方式0输出，C口方式0输入）。

2.实际问题处理。①定时时间的动态调整。定时时间设计为倒计时，用两位七段数码管显示，倒计时小于等于5秒时黄灯每0.5秒亮和灭切换一次，倒计时显示0秒时两个方向的红色灯和绿色灯切换。定时时间可以通过软件设计实现动态调整。方法为：将8253A计数器0工作在方式2，CLK0接2MHZ的时钟频率，设一计数初值（假设为2000），OUT0接CLK1，8253计数器1工作在方式0，设一计数初值（假设为500），则OUT1的输出频率为：2MHZ/2000/500=2HZ脉冲，相应周期为0.5秒。根据实际路况，通过改变计数初值可调整倒计时间。②时间差异。Proteus中利用8253A表示的时间和真实时间有差异，设定的时间比实际时间要长很多。所以，在仿真实验中为了看到与实际相符的交通灯变化，本应是0.5秒的时间需在源程序中将延时时间设置为0.25秒，这样运行起来更贴近实际[5，6]。

3.仿真效果。如图4所示为东西路口绿灯燃亮，南北路口红灯燃亮倒计时运行在18秒时的仿真结果图。

本系统以8086 CPU为核心，程序调试阶段采用EMU86进行在线编程及修改，设计的交通灯可控制十字路口的车辆及行人的交通管理，采用3个7段数码管，可以直观地显示红绿灯的开放和关闭时间。实际交通中的每个路口不完全一样，所以交通灯显示也没有固定规则，通常会根据具体情况设置相应的程序。由于Proteus没有提供箭头标志，本系统按单行道设计，指示灯不是专门的箭头指向灯，只是红、黄、绿三色圆灯信号灯，所以系统只考虑并实现了简单的十字路口交通行驶，即红灯亮时不能直行也不能左转，但可以右转；绿灯亮时，直行、左转、右转都可以，当遇有某方向车辆多或其他紧急情况时，通过中断可加以灵活性控制[7]。另外，系统在实现了十字路口基本的交通灯控制基础上，还引用了外部中断技术和时间手动设置，这可避免因无序和抢行等无控制原因造成的不必要阻塞甚至瘫痪情况发生。Proteus从V8版本开始支持ARM/Cortex-M3，这样，将会给交通灯系统增添更多现代化功能。

参考文献：

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