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系 機(jī)械工程及自動(dòng)化
系 主 任
批準(zhǔn)日期
畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）任 務(wù) 書(shū)
機(jī)械工程及自動(dòng)化 系 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 專業(yè) 機(jī)029 班 學(xué)生 張玉輝
一、畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)課題 數(shù)控銑床工作臺(tái)仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)
二、畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)工作
自 2006 年 3 月 13 日起至 2006 年 6 月 25 日止
三、畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)進(jìn)行地點(diǎn) 本 校
四、畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)的內(nèi)容要求
㈠．設(shè)計(jì)參數(shù)
開(kāi)發(fā)一套數(shù)控銑床工作臺(tái)仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。系統(tǒng)分辨率為0.05mm
工作臺(tái)工作范圍 x=175mm，y=175mm，最大移動(dòng)速度為0.5m/min，傳動(dòng)方式可采用普通絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)，結(jié)構(gòu)材料可選用鋁材。
㈡．調(diào)研、查閱參考資料、撰寫(xiě)開(kāi)題報(bào)告和文獻(xiàn)綜述
㈢．設(shè)計(jì)方案的論證及選擇。
1.控制計(jì)算機(jī)及點(diǎn)位、連續(xù)、開(kāi)環(huán)、半閉環(huán)控制系統(tǒng)的選擇。
2.傳動(dòng)方式選擇。
㈣．工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1.脈沖當(dāng)量的確定。
2.確定伺服電機(jī)。
3.傳動(dòng)和導(dǎo)向元件的設(shè)計(jì)和選用。
4.計(jì)算機(jī)繪制一張A0工作臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)裝配圖。
㈤．工作臺(tái)控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)
1.確定硬件電路整體方案及主電路設(shè)計(jì)。
2.存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路的設(shè)計(jì)。
3.步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)。
4.其他輔助電路設(shè)計(jì)。
5.繪制一張A0控制系統(tǒng)硬件電路原理圖。
㈥．插補(bǔ)程序設(shè)計(jì)
1.編制脈沖分配器、直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)三個(gè)程序并演示通過(guò)。
2.繪制一張A1脈沖分配器程序框圖。
㈦．撰寫(xiě)論文
㈧．翻譯2000字外文資料
負(fù)責(zé)指導(dǎo)教師
指 導(dǎo) 教 師
接受設(shè)計(jì)論文任務(wù)開(kāi)始執(zhí)行日期
學(xué)生簽名
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
題 目 數(shù)控銑床工作臺(tái)仿真
實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)
專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其
自動(dòng)化
班 級(jí) 機(jī) 029
學(xué) 生 張玉輝
指導(dǎo)教師 嚴(yán)翔
2006 年
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
文獻(xiàn)綜述
題 目 數(shù)控銑床工作臺(tái)仿真
實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)
專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其
自動(dòng)化
班 級(jí) 機(jī)029
學(xué) 生 張玉輝
指導(dǎo)教師 嚴(yán) 翔
2006 年
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
外文翻譯
題 目 數(shù)控銑床工作臺(tái)仿真
實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)
專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其
自動(dòng)化
班 級(jí) 機(jī)029
學(xué) 生 張玉輝
指導(dǎo)教師 嚴(yán) 翔
2006 年
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
開(kāi)題報(bào)告
題 目 數(shù)控銑床工作臺(tái)仿真
實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)
專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其
自動(dòng)化
班 級(jí) 機(jī)029
學(xué) 生 張玉輝
指導(dǎo)教師 嚴(yán) 翔
2006 年
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
開(kāi) 題 報(bào) 告
題 目 數(shù)控銑床工作臺(tái)仿真
實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)
專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化
班 級(jí) 機(jī)制023
學(xué) 生 張 玉 輝
指導(dǎo)教師 嚴(yán) 翔
2006 年
一、 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)課題來(lái)源、類型
本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的課題是“數(shù)控銑床工作臺(tái)仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)”，其來(lái)源為科學(xué)研究，類型為科研論文。
二、選題的目的及意義
隨著機(jī)械制造工業(yè)的迅速發(fā)展和科技水平的不斷進(jìn)步，用于自動(dòng)控制的數(shù)控機(jī)床代替?zhèn)鹘y(tǒng)的普通機(jī)床，得到迅速而廣泛地應(yīng)用,機(jī)床的傳動(dòng)系統(tǒng)由原來(lái)的齒輪有級(jí)變速傳動(dòng)到現(xiàn)在的由計(jì)算機(jī)控制伺服電機(jī)的無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)。因此，我們對(duì)機(jī)床工作臺(tái)的設(shè)計(jì)就顯得非常重要；由于數(shù)控機(jī)床技術(shù)含量高、成本昂貴，若中小企業(yè)廣泛采用數(shù)控機(jī)床不僅費(fèi)用高而且資源浪費(fèi)。因此，對(duì)普通機(jī)床進(jìn)行數(shù)控化改造也成了人們近年來(lái)研究的課題。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)課題“數(shù)控銑床工作臺(tái)仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)”就是從以上幾點(diǎn)出發(fā)，綜合運(yùn)用機(jī)械、電子和計(jì)算機(jī)知識(shí)而進(jìn)行的一項(xiàng)機(jī)電結(jié)合的基本訓(xùn)練，其主要目的是強(qiáng)化機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，同時(shí)進(jìn)一步掌握數(shù)空機(jī)床控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，通過(guò)對(duì)控制系統(tǒng)硬件和軟件的設(shè)計(jì)，掌握數(shù)控系統(tǒng)硬件及軟件設(shè)計(jì)的基本方法；通過(guò)對(duì)數(shù)控銑床工作臺(tái)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，培養(yǎng)我們分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，對(duì)自己而言這也是很大的進(jìn)步和提高，從而達(dá)到選題的目的；通過(guò)開(kāi)發(fā)這樣一套仿真系統(tǒng)也為數(shù)空機(jī)床控制系統(tǒng)的研究和普通機(jī)床的數(shù)控化改造，提供了必要的參考依據(jù)；開(kāi)發(fā)的這套仿真系統(tǒng)也可以作為一套實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的研究也有一定的現(xiàn)實(shí)意義。
三、 本課題在國(guó)內(nèi)外的研究狀況及發(fā)展趨勢(shì)
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)床工業(yè)的發(fā)展也日新月異。用于自動(dòng)控制的數(shù)控機(jī)床在提高效率，節(jié)省人力，提高加工精度，降低加工費(fèi)用等方面都具有很大的優(yōu)越性。目前，數(shù)控機(jī)床、加工中心、分布式數(shù)控（DNC）所配置的數(shù)控系統(tǒng)大多依據(jù)專用的計(jì)算機(jī)而設(shè)計(jì)，一般都采用非標(biāo)準(zhǔn)接口，而且使用不同的匯編語(yǔ)言及操作系統(tǒng)，不少機(jī)床產(chǎn)品已在PC控制的基礎(chǔ)上采用Windows、Windows NT制作用戶界面，PC操作程序更便于用戶接受及操作。近年來(lái)，國(guó)際上又出現(xiàn)了柔性制造單元FMC，F(xiàn)MC和FMS是實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)CIMS的基礎(chǔ)，使數(shù)控機(jī)床向著高柔性、高集成度、智能化方向發(fā)展。相比之下，我國(guó)的機(jī)床工業(yè)水平雖然發(fā)展很快，但與國(guó)際先進(jìn)水平還有一定的差距，尤其是高級(jí)型數(shù)控機(jī)床還處在一個(gè)低水平階段，主要表現(xiàn)在：可靠性差，質(zhì)量不好，產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，科技含量低，我國(guó)已經(jīng)是世界上數(shù)控機(jī)床產(chǎn)量大國(guó)，但還不是制造強(qiáng)國(guó)，生產(chǎn)的數(shù)控機(jī)床大多是經(jīng)濟(jì)型、普及型 。開(kāi)發(fā)高檔次的數(shù)控機(jī)床要借鑒國(guó)外經(jīng)驗(yàn)，不斷創(chuàng)新，使我國(guó)的數(shù)控機(jī)床水平有一個(gè)質(zhì)的飛躍。
隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)控機(jī)床的發(fā)展也越來(lái)越快，正朝著高性能、高精度、高速度、高柔性化和模塊化方向發(fā)展，數(shù)控機(jī)床的加工速度越來(lái)越快，加工精度越來(lái)越高，可靠性越來(lái)越好，隨著數(shù)控系統(tǒng)集成度的增強(qiáng)，數(shù)控機(jī)床也將會(huì)實(shí)現(xiàn)多臺(tái)集中控制，甚至遠(yuǎn)距離遙感。目前，國(guó)內(nèi)外正在研究根據(jù)人的聲音來(lái)控制機(jī)床的技術(shù)，由機(jī)器自己識(shí)別圖樣并進(jìn)行自動(dòng)CNC加工的技術(shù)，使數(shù)控機(jī)床向著更高人工智能方向發(fā)展。面對(duì)日益激烈的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)，我國(guó)必須振興傳統(tǒng)的制造業(yè)，采用先進(jìn)的技術(shù)，大力發(fā)展機(jī)床工業(yè)，只有不斷創(chuàng)新，趕超國(guó)際先進(jìn)水平，使我國(guó)的數(shù)控機(jī)床業(yè)向著多品種、高質(zhì)量、高檔次方向發(fā)展，使我國(guó)在國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中立于不敗之地。
四、 本課題主要研究?jī)?nèi)容
隨著機(jī)械制造水平的不斷發(fā)展，數(shù)控機(jī)床在各個(gè)領(lǐng)域得到迅速而廣泛的應(yīng)用。數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的核心，用戶可輸入零件程序，或用于存儲(chǔ)信息，變換數(shù)據(jù)，插補(bǔ)運(yùn)算以及實(shí)現(xiàn)其他控制功能。針對(duì)這一現(xiàn)象，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)選題研究的主要內(nèi)容是開(kāi)發(fā)一套數(shù)控銑床工作臺(tái)仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)工作臺(tái)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)研究來(lái)模擬仿真數(shù)控銑床工作臺(tái)X-Y的兩軸運(yùn)動(dòng)。在這過(guò)程中要求對(duì)設(shè)計(jì)方案論證、分析、比較，從而選擇設(shè)計(jì)合適的設(shè)計(jì)方案；選用MCS-51系列單片機(jī)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一套與之相配套的控制系統(tǒng)，其中包括對(duì)硬件電路的研究和對(duì)插補(bǔ)程序的設(shè)計(jì)，編寫(xiě)程序并在實(shí)驗(yàn)設(shè)備上調(diào)試完成。通過(guò)開(kāi)發(fā)這樣一套仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，達(dá)到選課研究的目的，對(duì)數(shù)控改造和數(shù)控技術(shù)研究具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。
五、 完成論文的條件和擬采用的研究手段（途徑）
為了順利完成論文，我們應(yīng)當(dāng)從雜志、教材及網(wǎng)絡(luò)上廣泛搜集資料，從本課題研究的內(nèi)容出發(fā)，了解本課題在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)，搜集較多的外文資料，以豐富本課題的豐富性、完整性。根據(jù)數(shù)控銑床機(jī)械部分的設(shè)計(jì)，查手冊(cè)、教材以及與機(jī)械相關(guān)的資料，確定脈沖當(dāng)量和伺服電機(jī)，設(shè)計(jì)、選用傳動(dòng)和導(dǎo)向元件，繪制機(jī)械結(jié)構(gòu)裝配圖。學(xué)習(xí)MCS-51系列單片機(jī)原理及應(yīng)用，了解單片機(jī)電器元件如8031、6264、2764的原理、功能及應(yīng)用，學(xué)習(xí)編程知識(shí)，編寫(xiě)匯編程序并在實(shí)驗(yàn)設(shè)備上調(diào)試通過(guò)，使本課題的研究?jī)?nèi)容真實(shí)有效。與此同時(shí)，虛心請(qǐng)教老師和同學(xué)，互相交流、認(rèn)真對(duì)待 ，最終順利完成畢業(yè)設(shè)計(jì)論文。
六、本課題進(jìn)度安排、各階段預(yù)期達(dá)到的目標(biāo)：
1-3周 查閱資料填寫(xiě)任務(wù)書(shū)并撰寫(xiě)開(kāi)題報(bào)告。
4-7周 研究數(shù)控銑床工作臺(tái)仿真系統(tǒng)的工作原理，并完成工作
臺(tái)設(shè)計(jì)方案的論證、比較、選擇工作。
8-11周 繪制一張A0工作臺(tái)結(jié)構(gòu)裝配圖和一張A0控制系統(tǒng)硬件
電路原理圖，以及編制匯編程序并調(diào)試通過(guò)。
12-15周 繪制一張A1的脈沖分配器程序框圖，整理材料，編寫(xiě)
畢業(yè)設(shè)計(jì)論文及外文資料
七、指導(dǎo)教師意見(jiàn)
對(duì)本課題的深度、廣度及工作量的意見(jiàn)和對(duì)設(shè)計(jì)（論文）結(jié)果的預(yù)測(cè)：
指導(dǎo)教師：
八、所 在 專 業(yè) 審 查 意 見(jiàn)
負(fù)責(zé)人：
數(shù)控銑床工作臺(tái)仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)
摘要
本文主要是設(shè)計(jì)一套以MCS—51單片機(jī)為主控制器的數(shù)控銑床工作臺(tái)仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，首先對(duì)數(shù)控技術(shù)的發(fā)展作了分析和總結(jié)，探討了數(shù)控機(jī)床的開(kāi)放化、智能化、高精度、高速度和網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展趨勢(shì)；著重分析了單片機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的控制原理，指出了設(shè)計(jì)數(shù)控系統(tǒng)的一般方法和步驟，并闡述了MCS—51系列單片機(jī)的功能以及在機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)中所發(fā)揮的作用；設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)以及控制系統(tǒng)的I/O接口電路、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路；通過(guò)編寫(xiě)匯編程序，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。開(kāi)發(fā)的這套系統(tǒng)可以作為一套實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，對(duì)機(jī)床數(shù)控化改造、數(shù)控技術(shù)的教學(xué)和研究有深遠(yuǎn)意義。
關(guān)鍵字： 單片機(jī) 銑床工作臺(tái) 步進(jìn)電機(jī) 接口電路 匯編程序
The Simulating Experiment System for Numerical Control of Milling Machine’s Worktable Exploitation
ABSTRACT
In this article, a set of numerical control of milling machine worktable experiment system for teaching based on single chip microprocessor for MCS—51 is designed. First, the CNC system model and characteristics based on microcomputer and status of CNC in China are presented. The development trends about open architecture, intelligence, suppression, high speed and network of CNC are analyzed and explain the function of single chip microprocessor and their calling into play in the CNC, and controlling principle of single chip microprocessor for MCS—51. This article introduces the methods and steps of the digital control system design. Emphasis is given to I/O circuit, stepping motor drive and authorized assembler and carry out the system designing request. The system offer a set of equipment for teaching, and is designed for teaching as a set of experiment or has a great affect to the digital control reform of the machine tool.
KEY WORDS: Single Chip Microprocessor; Worktable of Milling Machine; Stepping Motor, Interface Circuit, Assembler
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
文獻(xiàn)綜述
題 目 數(shù)控銑床工作臺(tái)仿真
實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)
專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化
班 級(jí) 機(jī)029
學(xué) 生 張玉輝
指導(dǎo)教師 嚴(yán) 翔
2006 年
文獻(xiàn)綜述
引言
數(shù)控機(jī)床作為一種高精度的自動(dòng)化機(jī)床，綜合運(yùn)用了電子、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制和機(jī)床制造等領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)，為適應(yīng)加工技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床在高速化、高精度化、復(fù)合加工、計(jì)算機(jī)的開(kāi)放型和聯(lián)網(wǎng)管理等技術(shù)方面取得了很大的進(jìn)步，其中以單片機(jī)技術(shù)為核心的機(jī)床控制系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)工業(yè)生產(chǎn)中起著巨大的作用，它很好解決了現(xiàn)代制造中的各種問(wèn)題。采用數(shù)控機(jī)床，提高機(jī)械工業(yè)的數(shù)控化率，是當(dāng)前機(jī)械制造業(yè)技術(shù)改造，技術(shù)更新的必由之路，現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床已成為柔性制造單元（FMC）、柔性制造系統(tǒng)（FMS）以及計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS）和無(wú)人化工廠（FA）中不可缺少的基礎(chǔ)設(shè)備。今后，計(jì)算機(jī)集成制造、虛擬制造、綠色制造、敏捷制造、并行工程、異地診斷等各種新技術(shù)都會(huì)與數(shù)控技術(shù)共同發(fā)展，這將成為21世紀(jì)制造業(yè)發(fā)展的一個(gè)主要潮流。
數(shù)控技術(shù)的發(fā)展及概述
隨著計(jì)算機(jī)的高速發(fā)展，傳統(tǒng)的制造業(yè)開(kāi)始了根本性的變革，各個(gè)發(fā)達(dá)國(guó)家投入巨資，對(duì)現(xiàn)代制造技術(shù)進(jìn)行研究開(kāi)發(fā)，提出了全新的制造模式。目前數(shù)控系統(tǒng)正發(fā)生根本性變革，由專用開(kāi)環(huán)控制模式向通用型開(kāi)放式實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)全閉環(huán)控制模式發(fā)展。在集成化基礎(chǔ)上，數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了超薄型、超小型；在智能化基礎(chǔ)上，綜合運(yùn)用了計(jì)算機(jī)、多媒體、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等多學(xué)科技術(shù)，數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了高速、高精、高效控制，加工過(guò)程可以自動(dòng)修正、調(diào)節(jié)與補(bǔ)償各種參數(shù)，實(shí)現(xiàn)在線診斷和智能化故障處理；在網(wǎng)絡(luò)化基礎(chǔ)上，CAD/CAM與數(shù)控系統(tǒng)集成為一體，機(jī)床聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了中央集中控制的群控加工。
90年代以來(lái)，PC機(jī)技術(shù)發(fā)展迅速，性能價(jià)格比不斷提高，各個(gè)系統(tǒng)制造商紛紛研究基于PC的數(shù)控系統(tǒng)，并有大量產(chǎn)品推出?；赑C的數(shù)控系統(tǒng)開(kāi)創(chuàng)了數(shù)控發(fā)展史上的嶄新篇章，并迅速成為數(shù)控市場(chǎng)上的主流產(chǎn)品。
目前世界數(shù)控機(jī)床消費(fèi)趨勢(shì)已從初期的數(shù)控電加工機(jī)床、數(shù)控車床、數(shù)控銑床為主轉(zhuǎn)向以加工中心、專用數(shù)控機(jī)床、成套設(shè)備為主。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的日益普遍運(yùn)用，數(shù)控機(jī)床走向網(wǎng)絡(luò)化、集成化，已成為必然趨勢(shì)和發(fā)展方向。
一個(gè)國(guó)家數(shù)控機(jī)床的擁有量是衡量其工業(yè)水平的重要標(biāo)志。面對(duì)日益激烈的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)，要想在市場(chǎng)中占有一席之地，就必須采用先進(jìn)的數(shù)控化設(shè)備，以提高技術(shù)水平。就企業(yè)而言，提高數(shù)控化率有兩個(gè)途徑：
㈠投入巨資購(gòu)買新的數(shù)控機(jī)床；
㈡對(duì)現(xiàn)有的普通化機(jī)床進(jìn)行數(shù)控化改造。對(duì)擁有300多萬(wàn)臺(tái)普通機(jī)床的我國(guó)來(lái)說(shuō)，普通機(jī)床的數(shù)控化改造無(wú)疑是一條簡(jiǎn)單可行的途徑。因此，對(duì)普通機(jī)床的數(shù)控化改造也成了人們近年來(lái)研究的課題。
一般來(lái)說(shuō)，對(duì)現(xiàn)有普通機(jī)床進(jìn)行數(shù)控化改造的具體做法是：
㈠改造機(jī)械部分：主傳動(dòng)系統(tǒng)一般不作變動(dòng)，進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)中采用高精度的滾珠絲杠螺母副替換進(jìn)給軸原有的普通絲杠副；
㈡加裝數(shù)控系統(tǒng)：機(jī)械部分改造完成后，配上MCS-51單片機(jī)作為數(shù)控系統(tǒng)，用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件，直接或通過(guò)一級(jí)齒輪減速裝置驅(qū)動(dòng)X、Y、Z軸的運(yùn)動(dòng)。
研究?jī)?nèi)容及方案選擇
鑒于數(shù)控機(jī)床在機(jī)械制造業(yè)中起著舉足輕重的地位，根據(jù)畢業(yè)設(shè)計(jì)的要求和目的以及自己的個(gè)人興趣，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)選擇題目為“數(shù)控銑床工作臺(tái)仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)”，其中系統(tǒng)分辨率為0.02mm，工作臺(tái)范圍為X=175mm、Y=175mm，最大移動(dòng)速度為0.5m/min，傳動(dòng)元件選用普通絲杠螺母副傳動(dòng)，工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)材料選用鋁材（加工方便、價(jià)格便宜、系統(tǒng)空載運(yùn)行）。通過(guò)開(kāi)發(fā)這套模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，來(lái)模擬數(shù)控銑床工作臺(tái)X、Y軸的運(yùn)動(dòng)，對(duì)普通機(jī)床數(shù)控化改造和數(shù)控技術(shù)的研究有一定的現(xiàn)實(shí)意義。其系統(tǒng)總體框圖如圖1所示：
圖1 系統(tǒng)總體框圖
該系統(tǒng)具有一下功能：
⑴可實(shí)現(xiàn)兩軸控制；
⑵可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)坐標(biāo)方向的直線插補(bǔ)、斜線插補(bǔ)及二次曲線的插補(bǔ)（圓弧、拋物線等）；
⑶空載運(yùn)行，以及其他功能。
本著設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，開(kāi)發(fā)費(fèi)用低，功能齊全的原則，選擇與之相關(guān)的元器件并對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析、比較和論證。
1．單片機(jī)選擇
8031單片機(jī)是集CPU、I/O口及部分RAM為一體的控制器，其性能特點(diǎn)如下：
⑴價(jià)格低、功能全、體積小，具有良好的性能價(jià)格比；
⑵編程靈活性大、開(kāi)發(fā)手段齊全、硬件資源豐富、支持的應(yīng)用軟件多；
⑶在國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。
8031芯片內(nèi)部具有128字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM，內(nèi)部的地址為00H～7FH，CPU對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器有很豐富的操作指令，通過(guò)直接尋址和間接尋址的方式進(jìn)行訪問(wèn)。這128字節(jié)單元可作為數(shù)據(jù)緩沖器、堆棧和工作寄存器。但應(yīng)用片內(nèi)的RAM往往不夠，故外接6264芯片來(lái)擴(kuò)展8031的RAM存儲(chǔ)器。8031是一個(gè)無(wú)ROM / EPROM的單片機(jī)，必須擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器，存放控制程序，所以要外接一片2764芯片。8031本身提供給用戶使用的輸入、輸出口線不多，只有P1口和部分P3口用來(lái)與外部設(shè)備連接，但因外設(shè)較多，不能滿足需要，所以在應(yīng)用系統(tǒng)中還要在8031外接一片8155芯片來(lái)擴(kuò)展I/O口。
8031為40引腳的雙列直插式器件，有4個(gè)雙向8位I/O口P0口和P2口作為地址總線使用。16位地址總線由P0口經(jīng)地址鎖存器74LS373提供低八位，高八位直接由P2口直接提供，八位數(shù)據(jù)總線由P0口提供，這樣數(shù)據(jù)總線和地址總線共用，ALE為地址鎖存允許，當(dāng)送低八位地址時(shí)，使ALE有效并鎖存到74LS373中，當(dāng)送數(shù)據(jù)時(shí)ALE無(wú)效。
2.存儲(chǔ)器選擇
在選擇存儲(chǔ)器時(shí)，要考慮到CPU與存儲(chǔ)器的時(shí)序匹配，即8031所能讀取時(shí)間必須大于存儲(chǔ)器所要求的讀取時(shí)間，此外還需要考慮最大讀出速度、工作溫度及存儲(chǔ)器容量。在滿足要求的同時(shí)，應(yīng)盡量選擇大容量的芯片，以減少芯片數(shù)量，使系統(tǒng)簡(jiǎn)化。
2764芯片是一種高速，容量為8KB的EPROM存儲(chǔ)器電路，讀出時(shí)間為250ns，而8031選用的晶振頻率則為6MHz，讀取時(shí)間為480ns，滿足要求。2764為28引腳器件，其中A0～A12為13位地址線，D0～D7為8位數(shù)據(jù)線。6264芯片是容量為8KB的RAM存儲(chǔ)器，集成度很高，該芯片的讀取時(shí)間為200ns，也為28引腳器件，其中A0～A12為13位地址線，D0～D7為8位數(shù)據(jù)線。
3.I/O接口芯片
8155芯片是一個(gè)通用的接口電路，具有一片多功能的特點(diǎn)，片內(nèi)提供的功能：
⑴兩個(gè)可編程8位并行口A、B和6位并行口C；
⑵256字節(jié)的靜態(tài)RAM；
⑶一個(gè)14位減法定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。
+5V
圖2 8155與LED顯示器接口電路
如圖2為8155與LED顯示器接口電路，8031和8155連接擴(kuò)展的三個(gè)并行接口用于連接鍵盤(pán)、顯示器等外部設(shè)備，這樣的電路簡(jiǎn)單，能達(dá)到設(shè)計(jì)功能的要求。
4.步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路
步進(jìn)電機(jī)是一種用脈沖信號(hào)控制的電機(jī)。在負(fù)載能力和動(dòng)態(tài)性能范圍內(nèi)，步進(jìn)電機(jī)將來(lái)自數(shù)控裝置的進(jìn)給脈沖輸出，電動(dòng)機(jī)的角位移與脈沖控制數(shù)成正比，轉(zhuǎn)速與控制脈沖頻率成正比。因此，步進(jìn)電機(jī)已成為經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床中最主要的一種動(dòng)力元件。
數(shù)控裝置送來(lái)的一系列連續(xù)脈沖通過(guò)環(huán)形分配器，按一定的順序分配給步進(jìn)電機(jī)各相繞組，使各相繞組按照預(yù)先規(guī)定的控制方式通電或斷電，以控制步進(jìn)電機(jī)的正傳或反轉(zhuǎn)。所謂脈沖分配器，其作用是實(shí)現(xiàn)脈沖分配，通過(guò)硬件或軟件實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。經(jīng)脈沖分配器輸出的脈沖未經(jīng)放大時(shí)電流很小，而步進(jìn)電機(jī)繞組需要的電流很大，所以由脈沖分配器出來(lái)的脈沖還需要進(jìn)行功率放大才能驅(qū)動(dòng)電機(jī)。如圖3功率放大電路：
圖3功率放大電路
脈沖信號(hào)經(jīng)功率放大器放大后控制步進(jìn)電機(jī)各相繞組。由于步進(jìn)電機(jī)需要的驅(qū)動(dòng)電壓較高，電流引起強(qiáng)電干擾，輕則影響計(jì)算機(jī)程序正常運(yùn)行，重則導(dǎo)致計(jì)算機(jī)和接口電路損壞。所以，一般在接口電路和功率放大器之間需要接上隔離電路。
如圖4為隔離電路：
因此，根據(jù)以上論述，由脈沖分配器、功率放大電路、光電隔離電路構(gòu)成了步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路。如圖5為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路原理圖：
同時(shí)在機(jī)床數(shù)控化改造中，還應(yīng)考慮到時(shí)鐘電路、復(fù)位電路等。
總而言之，該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以由中央處理器8031單片機(jī)、一片只讀存儲(chǔ)器2764、一片靜態(tài)存儲(chǔ)器6264、一片可編程接口芯片8155、8279芯片以及地址鎖存器74LS373和譯碼器74LS138等組成；此外，還可以設(shè)計(jì)成為由8255芯片控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，由8155芯片控制鍵盤(pán)輸入和顯示器輸出；也可以由8031單片機(jī)直接控制步進(jìn)電機(jī)，由8155控制系統(tǒng)的輸入/輸出。通過(guò)分析、比較這三種方案都可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能要求，但以上前兩種芯片較多、連線復(fù)雜，故采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的由8031單片機(jī)作為主控制系統(tǒng)，2764芯片、6264芯片對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行擴(kuò)展，另外還有8155、74LS373、74LS138以及鍵盤(pán)、LED顯示部分組成了整套控制系統(tǒng)。次系統(tǒng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單且開(kāi)發(fā)費(fèi)用低，基本滿足實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)功能要求。
5.軟件設(shè)計(jì)
在微機(jī)控制系統(tǒng)中，除硬件設(shè)備外，還必須配備一定的軟件。軟件包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩部分。軟件是微機(jī)系統(tǒng)中樞，系統(tǒng)的各個(gè)部分都是在軟件指揮下進(jìn)行協(xié)調(diào)工作的。系統(tǒng)軟件是由制造廠提供的，是計(jì)算機(jī)進(jìn)行工作的基本組成部分；應(yīng)用軟件是根據(jù)使用的場(chǎng)合由用戶自行編制的，這些軟件包括：完成某種計(jì)算所編制的程序；面向生產(chǎn)過(guò)程所編制的程序；以及生產(chǎn)管理程序。這些控制軟件應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)功能的要求而設(shè)計(jì)，采用模塊化、自頂向下的設(shè)計(jì)原則，應(yīng)使軟件可靠的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各種功能，并同時(shí)編制脈沖分配器、直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)程序，插補(bǔ)程序是數(shù)控系統(tǒng)中一種脈沖分配計(jì)算，合理的分配計(jì)算能保證數(shù)控機(jī)床連續(xù)的軌跡運(yùn)動(dòng)。在直線或圓弧輪廓加工中，需要X向、Y向驅(qū)動(dòng)電機(jī)同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)，合成所需的運(yùn)動(dòng)軌跡，一個(gè)脈沖只能沿著坐標(biāo)軸進(jìn)給一步，這個(gè)距離成為脈沖當(dāng)量。本次對(duì)插補(bǔ)程序的設(shè)計(jì)采用逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)原理，即進(jìn)給機(jī)構(gòu)每進(jìn)給一步，計(jì)算坐標(biāo)位置和它與理想直線（曲線）的偏差，根據(jù)偏差的正負(fù)來(lái)確定下一步X向或Y向電機(jī)的走向，使進(jìn)給電機(jī)向減少偏差的方向進(jìn)給。與此同時(shí)編制脈沖分配器程序框圖，完成數(shù)控銑床工作臺(tái)仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的基本功能。
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