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系 機械工程及自動化 系 主 任 批準日期 畢 業(yè) 設 計（論 文）任 務 書 機械工程及自動化 系 機械設計制造及其自動化 專業(yè) 機029 班 學生 張玉輝 一、畢業(yè)設計(論文)課題 數控銑床工作臺仿真實驗系統(tǒng)的開發(fā) 二、畢業(yè)設計(論文)工作 自 2006 年 3 月 13 日起至 2006 年 6 月 25 日止 三、畢業(yè)設計(論文)進行地點 本 校 四、畢業(yè)設計(論文)的內容要求 ㈠．設計參數 開發(fā)一套數控銑床工作臺仿真實驗系統(tǒng)。系統(tǒng)分辨率為0.05mm 工作臺工作范圍 x=175mm，y=175mm，最大移動速度為0.5m/min，傳動方式可采用普通絲杠螺母傳動，結構材料可選用鋁材。 ㈡．調研、查閱參考資料、撰寫開題報告和文獻綜述 ㈢．設計方案的論證及選擇。 1.控制計算機及點位、連續(xù)、開環(huán)、半閉環(huán)控制系統(tǒng)的選擇。 2.傳動方式選擇。 ㈣．工作臺的結構設計 1.脈沖當量的確定。 2.確定伺服電機。 3.傳動和導向元件的設計和選用。 4.計算機繪制一張A0工作臺結構設計裝配圖。 ㈤．工作臺控制系統(tǒng)硬件電路設計 1.確定硬件電路整體方案及主電路設計。 2.存儲器擴展電路的設計。 3.步進電機驅動電路設計。 4.其他輔助電路設計。 5.繪制一張A0控制系統(tǒng)硬件電路原理圖。 ㈥．插補程序設計 1.編制脈沖分配器、直線插補、圓弧插補三個程序并演示通過。 2.繪制一張A1脈沖分配器程序框圖。 ㈦．撰寫論文 ㈧．翻譯2000字外文資料 負責指導教師 指 導 教 師 接受設計論文任務開始執(zhí)行日期  學生簽名 畢業(yè)設計（論文） 題 目 數控銑床工作臺仿真 實驗系統(tǒng)的開發(fā) 專 業(yè) 機械設計制造及其 自動化 班 級 機 029 學 生 張玉輝 指導教師 嚴翔 2006 年 畢業(yè)設計（論文） 文獻綜述 題 目 數控銑床工作臺仿真 實驗系統(tǒng)的開發(fā) 專 業(yè) 機械設計制造及其 自動化 班 級 機029 學 生 張玉輝 指導教師 嚴 翔 2006 年 畢業(yè)設計（論文） 外文翻譯 題 目 數控銑床工作臺仿真 實驗系統(tǒng)的開發(fā) 專 業(yè) 機械設計制造及其 自動化 班 級 機029 學 生 張玉輝 指導教師 嚴 翔 2006 年 畢業(yè)設計（論文） 開題報告 題 目 數控銑床工作臺仿真 實驗系統(tǒng)的開發(fā) 專 業(yè) 機械設計制造及其 自動化 班 級 機029 學 生 張玉輝 指導教師 嚴 翔 2006 年 畢業(yè)設計（論文） 開 題 報 告 題 目 數控銑床工作臺仿真 實驗系統(tǒng)的開發(fā) 專 業(yè) 機械設計制造及自動化 班 級 機制023 學 生 張 玉 輝 指導教師 嚴 翔 2006 年 一、 畢業(yè)設計(論文)課題來源、類型 本次畢業(yè)設計的課題是“數控銑床工作臺仿真實驗系統(tǒng)的開發(fā)”，其來源為科學研究，類型為科研論文。 二、選題的目的及意義 隨著機械制造工業(yè)的迅速發(fā)展和科技水平的不斷進步，用于自動控制的數控機床代替?zhèn)鹘y(tǒng)的普通機床，得到迅速而廣泛地應用,機床的傳動系統(tǒng)由原來的齒輪有級變速傳動到現在的由計算機控制伺服電機的無級變速傳動。因此，我們對機床工作臺的設計就顯得非常重要；由于數控機床技術含量高、成本昂貴，若中小企業(yè)廣泛采用數控機床不僅費用高而且資源浪費。因此，對普通機床進行數控化改造也成了人們近年來研究的課題。本次畢業(yè)設計課題“數控銑床工作臺仿真實驗系統(tǒng)的開發(fā)”就是從以上幾點出發(fā)，綜合運用機械、電子和計算機知識而進行的一項機電結合的基本訓練，其主要目的是強化機械結構設計，同時進一步掌握數空機床控制系統(tǒng)的設計思路，通過對控制系統(tǒng)硬件和軟件的設計，掌握數控系統(tǒng)硬件及軟件設計的基本方法；通過對數控銑床工作臺結構的設計，培養(yǎng)我們分析問題和解決問題的能力，對自己而言這也是很大的進步和提高，從而達到選題的目的；通過開發(fā)這樣一套仿真系統(tǒng)也為數空機床控制系統(tǒng)的研究和普通機床的數控化改造，提供了必要的參考依據；開發(fā)的這套仿真系統(tǒng)也可以作為一套實驗室設備，對數控系統(tǒng)的研究也有一定的現實意義。 三、 本課題在國內外的研究狀況及發(fā)展趨勢 隨著計算機技術的發(fā)展，機床工業(yè)的發(fā)展也日新月異。用于自動控制的數控機床在提高效率，節(jié)省人力，提高加工精度，降低加工費用等方面都具有很大的優(yōu)越性。目前，數控機床、加工中心、分布式數控（DNC）所配置的數控系統(tǒng)大多依據專用的計算機而設計，一般都采用非標準接口，而且使用不同的匯編語言及操作系統(tǒng)，不少機床產品已在PC控制的基礎上采用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，國際上又出現了柔性制造單元FMC，FMC和FMS是實現計算機集成制造系統(tǒng)CIMS的基礎，使數控機床向著高柔性、高集成度、智能化方向發(fā)展。相比之下，我國的機床工業(yè)水平雖然發(fā)展很快，但與國際先進水平還有一定的差距，尤其是高級型數控機床還處在一個低水平階段，主要表現在：可靠性差，質量不好，產品開發(fā)周期長，科技含量低，我國已經是世界上數控機床產量大國，但還不是制造強國，生產的數控機床大多是經濟型、普及型 。開發(fā)高檔次的數控機床要借鑒國外經驗，不斷創(chuàng)新，使我國的數控機床水平有一個質的飛躍。 隨著科學技術的不斷發(fā)展，數控機床的發(fā)展也越來越快，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，數控機床的加工速度越來越快，加工精度越來越高，可靠性越來越好，隨著數控系統(tǒng)集成度的增強，數控機床也將會實現多臺集中控制，甚至遠距離遙感。目前，國內外正在研究根據人的聲音來控制機床的技術，由機器自己識別圖樣并進行自動CNC加工的技術，使數控機床向著更高人工智能方向發(fā)展。面對日益激烈的國際競爭，我國必須振興傳統(tǒng)的制造業(yè)，采用先進的技術，大力發(fā)展機床工業(yè)，只有不斷創(chuàng)新，趕超國際先進水平，使我國的數控機床業(yè)向著多品種、高質量、高檔次方向發(fā)展，使我國在國際競爭中立于不敗之地。 四、 本課題主要研究內容 隨著機械制造水平的不斷發(fā)展，數控機床在各個領域得到迅速而廣泛的應用。數控系統(tǒng)是數控機床的核心，用戶可輸入零件程序，或用于存儲信息，變換數據，插補運算以及實現其他控制功能。針對這一現象，本次畢業(yè)設計選題研究的主要內容是開發(fā)一套數控銑床工作臺仿真實驗系統(tǒng)，通過對工作臺結構的設計研究來模擬仿真數控銑床工作臺X-Y的兩軸運動。在這過程中要求對設計方案論證、分析、比較，從而選擇設計合適的設計方案；選用MCS-51系列單片機設計開發(fā)一套與之相配套的控制系統(tǒng)，其中包括對硬件電路的研究和對插補程序的設計，編寫程序并在實驗設備上調試完成。通過開發(fā)這樣一套仿真實驗系統(tǒng)，達到選課研究的目的，對數控改造和數控技術研究具有一定的現實意義。 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，我們應當從雜志、教材及網絡上廣泛搜集資料，從本課題研究的內容出發(fā)，了解本課題在國內外的發(fā)展現狀及發(fā)展趨勢，搜集較多的外文資料，以豐富本課題的豐富性、完整性。根據數控銑床機械部分的設計，查手冊、教材以及與機械相關的資料，確定脈沖當量和伺服電機，設計、選用傳動和導向元件，繪制機械結構裝配圖。學習MCS-51系列單片機原理及應用，了解單片機電器元件如8031、6264、2764的原理、功能及應用，學習編程知識，編寫匯編程序并在實驗設備上調試通過，使本課題的研究內容真實有效。與此同時，虛心請教老師和同學，互相交流、認真對待 ，最終順利完成畢業(yè)設計論文。 六、本課題進度安排、各階段預期達到的目標： 1-3周 查閱資料填寫任務書并撰寫開題報告。 4-7周 研究數控銑床工作臺仿真系統(tǒng)的工作原理，并完成工作 臺設計方案的論證、比較、選擇工作。 8-11周 繪制一張A0工作臺結構裝配圖和一張A0控制系統(tǒng)硬件 電路原理圖，以及編制匯編程序并調試通過。 12-15周 繪制一張A1的脈沖分配器程序框圖，整理材料，編寫 畢業(yè)設計論文及外文資料 七、指導教師意見 對本課題的深度、廣度及工作量的意見和對設計（論文）結果的預測： 指導教師： 八、所 在 專 業(yè) 審 查 意 見 負責人： 數控銑床工作臺仿真實驗系統(tǒng)的開發(fā) 摘要 本文主要是設計一套以MCS—51單片機為主控制器的數控銑床工作臺仿真實驗系統(tǒng)，首先對數控技術的發(fā)展作了分析和總結，探討了數控機床的開放化、智能化、高精度、高速度和網絡化的發(fā)展趨勢；著重分析了單片機數控系統(tǒng)的控制原理，指出了設計數控系統(tǒng)的一般方法和步驟，并闡述了MCS—51系列單片機的功能以及在機床數控系統(tǒng)中所發(fā)揮的作用；設計開發(fā)了系統(tǒng)機械結構以及控制系統(tǒng)的I/O接口電路、步進電機驅動電路；通過編寫匯編程序，從而實現系統(tǒng)設計要求。開發(fā)的這套系統(tǒng)可以作為一套實驗室設備，對機床數控化改造、數控技術的教學和研究有深遠意義。 關鍵字： 單片機 銑床工作臺 步進電機 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)設計（論文） 文獻綜述 題 目 數控銑床工作臺仿真 實驗系統(tǒng)的開發(fā) 專 業(yè) 機械設計制造及自動化 班 級 機029 學 生 張玉輝 指導教師 嚴 翔 2006 年 文獻綜述 引言 數控機床作為一種高精度的自動化機床，綜合運用了電子、計算機、自動控制和機床制造等領域的先進技術，為適應加工技術的發(fā)展，數控機床在高速化、高精度化、復合加工、計算機的開放型和聯(lián)網管理等技術方面取得了很大的進步，其中以單片機技術為核心的機床控制系統(tǒng)在國內工業(yè)生產中起著巨大的作用，它很好解決了現代制造中的各種問題。采用數控機床，提高機械工業(yè)的數控化率，是當前機械制造業(yè)技術改造，技術更新的必由之路，現代數控機床已成為柔性制造單元（FMC）、柔性制造系統(tǒng)（FMS）以及計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）和無人化工廠（FA）中不可缺少的基礎設備。今后，計算機集成制造、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都會與數控技術共同發(fā)展，這將成為21世紀制造業(yè)發(fā)展的一個主要潮流。 數控技術的發(fā)展及概述 隨著計算機的高速發(fā)展，傳統(tǒng)的制造業(yè)開始了根本性的變革，各個發(fā)達國家投入巨資，對現代制造技術進行研究開發(fā)，提出了全新的制造模式。目前數控系統(tǒng)正發(fā)生根本性變革，由專用開環(huán)控制模式向通用型開放式實時動態(tài)全閉環(huán)控制模式發(fā)展。在集成化基礎上，數控系統(tǒng)實現了超薄型、超小型；在智能化基礎上，綜合運用了計算機、多媒體、模糊控制、神經網絡等多學科技術，數控系統(tǒng)實現了高速、高精、高效控制，加工過程可以自動修正、調節(jié)與補償各種參數，實現在線診斷和智能化故障處理；在網絡化基礎上，CAD/CAM與數控系統(tǒng)集成為一體，機床聯(lián)網，實現了中央集中控制的群控加工。 90年代以來，PC機技術發(fā)展迅速，性能價格比不斷提高，各個系統(tǒng)制造商紛紛研究基于PC的數控系統(tǒng)，并有大量產品推出?；赑C的數控系統(tǒng)開創(chuàng)了數控發(fā)展史上的嶄新篇章，并迅速成為數控市場上的主流產品。 目前世界數控機床消費趨勢已從初期的數控電加工機床、數控車床、數控銑床為主轉向以加工中心、專用數控機床、成套設備為主。隨著計算機技術、網絡技術的日益普遍運用，數控機床走向網絡化、集成化，已成為必然趨勢和發(fā)展方向。 一個國家數控機床的擁有量是衡量其工業(yè)水平的重要標志。面對日益激烈的國際競爭，要想在市場中占有一席之地，就必須采用先進的數控化設備，以提高技術水平。就企業(yè)而言，提高數控化率有兩個途徑： ㈠投入巨資購買新的數控機床； ㈡對現有的普通化機床進行數控化改造。對擁有300多萬臺普通機床的我國來說，普通機床的數控化改造無疑是一條簡單可行的途徑。因此，對普通機床的數控化改造也成了人們近年來研究的課題。 一般來說，對現有普通機床進行數控化改造的具體做法是： ㈠改造機械部分：主傳動系統(tǒng)一般不作變動，進給傳動系統(tǒng)中采用高精度的滾珠絲杠螺母副替換進給軸原有的普通絲杠副； ㈡加裝數控系統(tǒng)：機械部分改造完成后，配上MCS-51單片機作為數控系統(tǒng)，用步進電機作為驅動元件，直接或通過一級齒輪減速裝置驅動X、Y、Z軸的運動。 研究內容及方案選擇 鑒于數控機床在機械制造業(yè)中起著舉足輕重的地位，根據畢業(yè)設計的要求和目的以及自己的個人興趣，本次畢業(yè)設計選擇題目為“數控銑床工作臺仿真實驗系統(tǒng)的開發(fā)”，其中系統(tǒng)分辨率為0.02mm，工作臺范圍為X=175mm、Y=175mm，最大移動速度為0.5m/min，傳動元件選用普通絲杠螺母副傳動，工作臺的結構材料選用鋁材（加工方便、價格便宜、系統(tǒng)空載運行）。通過開發(fā)這套模擬實驗系統(tǒng)，來模擬數控銑床工作臺X、Y軸的運動，對普通機床數控化改造和數控技術的研究有一定的現實意義。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可實現兩軸控制； ⑵可實現兩個坐標方向的直線插補、斜線插補及二次曲線的插補（圓弧、拋物線等）； ⑶空載運行，以及其他功能。 本著設計簡單，開發(fā)費用低，功能齊全的原則，選擇與之相關的元器件并對設計方案進行分析、比較和論證。 1．單片機選擇 8031單片機是集CPU、I/O口及部分RAM為一體的控制器，其性能特點如下： ⑴價格低、功能全、體積小，具有良好的性能價格比； ⑵編程靈活性大、開發(fā)手段齊全、硬件資源豐富、支持的應用軟件多； ⑶在國內經濟型數控系統(tǒng)中應用廣泛。 8031芯片內部具有128字節(jié)的數據存儲器RAM，內部的地址為00H～7FH，CPU對數據存儲器有很豐富的操作指令，通過直接尋址和間接尋址的方式進行訪問。這128字節(jié)單元可作為數據緩沖器、堆棧和工作寄存器。但應用片內的RAM往往不夠，故外接6264芯片來擴展8031的RAM存儲器。8031是一個無ROM / EPROM的單片機，必須擴展程序存儲器，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口用來與外部設備連接，但因外設較多，不能滿足需要，所以在應用系統(tǒng)中還要在8031外接一片8155芯片來擴展I/O口。 8031為40引腳的雙列直插式器件，有4個雙向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，八位數據總線由P0口提供，這樣數據總線和地址總線共用，ALE為地址鎖存允許，當送低八位地址時，使ALE有效并鎖存到74LS373中，當送數據時ALE無效。 2.存儲器選擇 在選擇存儲器時，要考慮到CPU與存儲器的時序匹配，即8031所能讀取時間必須大于存儲器所要求的讀取時間，此外還需要考慮最大讀出速度、工作溫度及存儲器容量。在滿足要求的同時，應盡量選擇大容量的芯片，以減少芯片數量，使系統(tǒng)簡化。 2764芯片是一種高速，容量為8KB的EPROM存儲器電路，讀出時間為250ns，而8031選用的晶振頻率則為6MHz，讀取時間為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位數據線。6264芯片是容量為8KB的RAM存儲器，集成度很高，該芯片的讀取時間為200ns，也為28引腳器件，其中A0～A12為13位地址線，D0～D7為8位數據線。 3.I/O接口芯片 8155芯片是一個通用的接口電路，具有一片多功能的特點，片內提供的功能： ⑴兩個可編程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14位減法定時器/計數器。 +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連接擴展的三個并行接口用于連接鍵盤、顯示器等外部設備，這樣的電路簡單，能達到設計功能的要求。 4.步進電機驅動電路 步進電機是一種用脈沖信號控制的電機。在負載能力和動態(tài)性能范圍內，步進電機將來自數控裝置的進給脈沖輸出，電動機的角位移與脈沖控制數成正比，轉速與控制脈沖頻率成正比。因此，步進電機已成為經濟型數控機床中最主要的一種動力元件。 數控裝置送來的一系列連續(xù)脈沖通過環(huán)形分配器，按一定的順序分配給步進電機各相繞組，使各相繞組按照預先規(guī)定的控制方式通電或斷電，以控制步進電機的正傳或反轉。所謂脈沖分配器，其作用是實現脈沖分配，通過硬件或軟件實現步進電機的運轉。經脈沖分配器輸出的脈沖未經放大時電流很小，而步進電機繞組需要的電流很大，所以由脈沖分配器出來的脈沖還需要進行功率放大才能驅動電機。如圖3功率放大電路： 圖3功率放大電路 脈沖信號經功率放大器放大后控制步進電機各相繞組。由于步進電機需要的驅動電壓較高，電流引起強電干擾，輕則影響計算機程序正常運行，重則導致計算機和接口電路損壞。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，根據以上論述，由脈沖分配器、功率放大電路、光電隔離電路構成了步進電機的驅動電路。如圖5為步進電機驅動電路原理圖： 同時在機床數控化改造中，還應考慮到時鐘電路、復位電路等。 總而言之，該系統(tǒng)的設計可以由中央處理器8031單片機、一片只讀存儲器2764、一片靜態(tài)存儲器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，還可以設計成為由8255芯片控制電機運轉，由8155芯片控制鍵盤輸入和顯示器輸出；也可以由8031單片機直接控制步進電機，由8155控制系統(tǒng)的輸入/輸出。通過分析、比較這三種方案都可以實現系統(tǒng)的功能要求，但以上前兩種芯片較多、連線復雜，故采用結構簡單的由8031單片機作為主控制系統(tǒng)，2764芯片、6264芯片對存儲器進行擴展，另外還有8155、74LS373、74LS138以及鍵盤、LED顯示部分組成了整套控制系統(tǒng)。次系統(tǒng)機構簡單且開發(fā)費用低，基本滿足實驗系統(tǒng)功能要求。 5.軟件設計 在微機控制系統(tǒng)中，除硬件設備外，還必須配備一定的軟件。軟件包括系統(tǒng)軟件和應用軟件兩部分。軟件是微機系統(tǒng)中樞，系統(tǒng)的各個部分都是在軟件指揮下進行協(xié)調工作的。系統(tǒng)軟件是由制造廠提供的，是計算機進行工作的基本組成部分；應用軟件是根據使用的場合由用戶自行編制的，這些軟件包括：完成某種計算所編制的程序；面向生產過程所編制的程序；以及生產管理程序。這些控制軟件應根據系統(tǒng)功能的要求而設計，采用模塊化、自頂向下的設計原則，應使軟件可靠的實現系統(tǒng)的各種功能，并同時編制脈沖分配器、直線插補、圓弧插補程序，插補程序是數控系統(tǒng)中一種脈沖分配計算，合理的分配計算能保證數控機床連續(xù)的軌跡運動。在直線或圓弧輪廓加工中，需要X向、Y向驅動電機同時運轉，合成所需的運動軌跡，一個脈沖只能沿著坐標軸進給一步，這個距離成為脈沖當量。本次對插補程序的設計采用逐點比較法插補原理，即進給機構每進給一步，計算坐標位置和它與理想直線（曲線）的偏差，根據偏差的正負來確定下一步X向或Y向電機的走向，使進給電機向減少偏差的方向進給。與此同時編制脈沖分配器程序框圖，完成數控銑床工作臺仿真實驗系統(tǒng)的基本功能。 參考文獻 [1] 胡俊等，數控技術的現狀和發(fā)展趨勢[J]，機械工程師，2003年第3期，P5～P9 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