机械机床毕业设计180数控铣床工作台仿真实验系统的开发.docx
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机械机床毕业设计180数控铣床工作台仿真实验系统的开发
第1章绪论…………………………………………………………………1
1.1引言…………………………………………………………………1
1.2国内外数控技术的现状及发展趋势………………………………1
1.3单片机技术及其发展趋势…………………………………………3
第2章数控铣床工作台总体方案设计……………………………………4
2.1总体方案设计的内容………………………………………………4
2.2控制系统的选择……………………………………………………4
2.3系统运动方式的选择………………………………………………5
2.4伺服系统的选择……………………………………………………5
2.5传动及导向元件选择………………………………………………6
第3章工作台机械结构设计………………………………………………7
3.1工作台结构设计的内容和任务……………………………………7
3.2确定系统的脉冲当量………………………………………………8
3.3伺服电机的确定及选择……………………………………………8
3.4传动及导向元件的设计、计算及选用……………………………10
3.4.1传动元件的设计………………………………………………10
3.4.2导向元件的设计………………………………………………10
3.5计算机绘制工作台结构装配图……………………………………12
第4章工作台控制系统硬件电路设计……………………………………13
4.1控制系统硬件电路设计的内容…………………………………13
4.2确定系统硬件电路设计的整体方案………………………………13
4.3主CPU的选择………………………………………………………15
4.48031单片机管脚功能及特点………………………………………16
4.5存储器扩展电路的设计……………………………………………20
4.5.1程序存储器扩展……………………………………………20
4.5.2地址锁存器74LS373………………………………………21
4.5.3数据存储器的扩展………………………………………22
4.5.4译码电路…………………………………………………22
4.6I/O扩展电路的设计………………………………………………23
4.6.18155扩展芯片……………………………………………23
4.6.2键盘及其接口电路………………………………………24
4.6.3显示器及其接口电路……………………………………25
4.7步进电机驱动电路设计…………………………………………27
4.7.1功率放大电路……………………………………………27
4.7.2隔离电路…………………………………………………28
4.7.3步进电机驱动电路………………………………………29
4.8其它辅助电路设计………………………………………………30
4.8.18031时钟电路设计………………………………………30
4.8.2复位电路…………………………………………………30
第5章控制系统软件设计…………………………………………………32
5.1控制系统软件设计的内容及方法…………………………………32
5.1.1程序设计的内容……………………………………………32
5.1.2程序设计的方法及要求……………………………………32
5.2环形分配器软件设计………………………………………………33
5.2.1步进电机转速控制…………………………………………33
5.2.2编制环形分配器程序及框图………………………………35
5.3逐点比较法直线插补程序设计…………………………………38
5.3.1逐点比较法直线插补（第一象限）………………………38
5.3.2编制第一象限直线插补主程序……………………………39
5.3.3逐点比较法圆弧插补程序设计……………………………41结论及展望………………………………………………………46
参考文献…………………………………………………………………47
致谢………………………………………………………………………49
数控铣床工作台仿真实验系统的开发
摘要
本文主要是设计一套以MCS—51单片机为主控制器的数控铣床工作台仿真实验系统，首先对数控技术的发展作了分析和总结，探讨了数控机床的开放化、智能化、高精度、高速度和网络化的发展趋势；着重分析了单片机数控系统的控制原理，指出了设计数控系统的一般方法和步骤，并阐述了MCS—51系列单片机的功能以及在机床数控系统中所发挥的作用；设计开发了系统机械结构以及控制系统的I/O接口电路、步进电机驱动电路；通过编写汇编程序，从而实现系统设计要求。
开发的这套系统可以作为一套实验室设备，对机床数控化改造、数控技术的教学和研究有深远意义。
关键字：
单片机铣床工作台步进电机接口电路汇编程序
TheSimulatingExperimentSystemforNumericalControlofMillingMachine’sWorktableExploitation
ABSTRACT
Inthisarticle,asetofnumericalcontrolofmillingmachineworktableexperimentsystemforteachingbasedonsinglechipmicroprocessorforMCS—51isdesigned.First,theCNCsystemmodelandcharacteristicsbasedonmicrocomputerandstatusofCNCinChinaarepresented.Thedevelopmenttrendsaboutopenarchitecture,intelligence,suppression,highspeedandnetworkofCNCareanalyzedandexplainthefunctionofsinglechipmicroprocessorandtheircallingintoplayintheCNC,andcontrollingprincipleofsinglechipmicroprocessorforMCS—51.Thisarticleintroducesthemethodsandstepsofthedigitalcontrolsystemdesign.EmphasisisgiventoI/Ocircuit,steppingmotordriveandauthorizedassemblerandcarryoutthesystemdesigningrequest.Thesystemofferasetofequipmentforteaching,andisdesignedforteachingasasetofexperimentorhasagreataffecttothedigitalcontrolreformofthemachinetool.
KEYWORDS:
SingleChipMicroprocessor;WorktableofMillingMachine;SteppingMotor,InterfaceCircuit,Assembler
第1章绪论
1.1引言
随着计算机的高速发展，传统的制造业开始了根本性的变革，各个发达国家投入巨资，对现代制造技术进行研究开发，从而提出了全新的制造模式。
目前数控系统正由专用开环控制模式向通用型开放式实时动态全闭环控制模式发展。
在集成化基础上，数控系统实现了超薄型、超小型；在智能化基础上，综合运用了计算机、多媒体、模糊控制、神经网络等多学科技术，数控系统实现了高速、高精、高效控制，加工过程可以自动修正、调节与补偿各种参数，能实现在线诊断和智能化故障处理；在网络化基础上，CAD/CAM与数控系统集成为一体，实现了中央集中控制的群控加工。
专家预测：
二十一世纪机械制造业的竞争就是数控技术的竞争。
本次毕业设计的课题是设计开发一套数控铣床工作台仿真实验系统，来模拟数控铣床X、Y的两轴运动。
从工程的角度来说，仿真就是通过对系统模型的实验去研究一个已有的或设计中的系统。
分析复杂的动态对象，仿真是一种有效的方法，可以减少风险，缩短设计和制造周期，并节约资本。
通过设计开发这样一套仿真实验系统也为数控机床控制系统的研究和普通机床的数控化改造提供了必要的参考依据，同时这套系统也可以作为一套实验室设备，对数控技术的教学和研究有一定的现实意义。
1.2国内外数控技术发展及概述
当今世界工业国数控机床的拥有量反映了这个国家的经济能力和国防能力。
近年来我国企业的数控机床占有率在逐年上升，在中小企业甚至个体企业中也普遍开始使用。
在这些数控机床中，除少量机床以FMS模式集成使用外，大都处于单机运行状态，并且相当部分处于使用效率不高，管理方式落后状态。
数控系统按功能可分为经济型和普及型。
经济型属于抵挡数控，不同国家和不同时期的含义是不同的，在我国是指在满足基本功能的条件下，结构简单，操作灵活方便，价格低廉的数控系统。
通常它都是由单片机作为系统的控制器，由步进电机进行驱动。
我国经济型数控这些年有了进一步发展，产品性能和可靠性有了较大的提高，它们逐渐被用户认可，在市场上站住了脚。
如上海开通数控有限公司的KT系列数控系统和步进驱动系统、北京凯恩帝数控技术有限公司的KND系列数控系统、广州数控设备厂的GSK系列数控系统等，这些产品的共同特点是数控功能较齐全、价格低、可靠性好。
专家预测：
数控机床推广应用逐步由经济型向普及型转变。
2005年我国数控机床的数控化率为9.5%～10.36%，到2010年将达到16.5%～19.27%，经济型所占比重将减少，普及型所占比重将增加，高级型的需求将有所增长。
数控机床的应用由单机向单元（系统）方向发展。
目前，欧、美、日等国应用DNC已很普遍，柔性制造单元占数控机床销售量的30%以上，而我国FMC、FMS、FML的拥有量还很少，相当于日本80年代水平，占数控机床消费额不到5%。
一个国家数控机床的拥有量是衡量其工业水平的重要标志。
就企业来说，面对日益激烈的国际竞争，在市场中占有一席之地，就必须采用先进的数控化设备，以提高技术水平。
对于一个企业而言，提高数控化率有两个途径：
㈠投入巨资购买新的数控机床；
㈡对现有的普通化机床进行数控化改造。
对拥有300多万台普通机床的我国来说，普通机床的数控化改造无疑是一条简单可行的途径。
因此，对普通机床的数控化改造也成了人们近年来研究的课题。
1.3单片机技术及发展趋势
单片机作为微型计算机的一个很重要的分支，以其高的性能价格比，发展相当迅速，它是自动控制、仪表仪器、通讯、家用电器等领域中应用最广、性能价格比最高的核心部件之一。
由于PC机使用的是高级语言，必须有编译程序才能与计算机通信，而单片机使用的是汇编语言，它能直接与计算机通信，可以减少内存。
因此，单片机在PC机日益发展的今天仍得到广泛应用。
随着半导体集成电路制造工艺的不断发展和电子技术应用领域的不断拓宽，新型单片机采取的宽系列、多品种，片内集成OTP型ROM或Flash存储器甚至EPROM、精简指令集、高速、低功耗的发展新思路，正是迎合现代众多产品的要求。
目前新型通用单片机主要有PIC系列单片机、EM78系列单片机、ATMEL公司的FLSH单片机—89系列和90系列。
单片机在目前的发展形势下，表现出几大趋势：
⑴可靠性及应用水平越来越高；⑵所集成的部件越来越多；⑶功耗越来越低；⑷与模拟电路结合越来越多。
第2章数控铣床工作台总体方案设计
2.1总体方案设计的内容
一个完整的数控系统其总体方案的设计内容包括：
系统运动方式确定，伺服系统选择，执行机构传动方式的确定，控制计算机系统的选择等内容。
与此同时根据设计任务和设计要求提出系统的总体方案，对设计方案进行分析、比较和论证，最终确定总体方案。
为了确定数控铣床工作台的总体方案，必须明确本次设计的设计任务和设计参数。
本次设计的内容是开发一套数控铣床工作台仿真实验系统。
其中系统的分辨率为0.02mm，工作台工作范围X=175mm，Y=175mm，最大移动速度为0.5m/min，工作台结构材料可选用铝材。
通过开发这套仿真实验系统，其主要目的是在我们强化机械结构设计的同时，进一步掌握数控机床控制系统的设计思路，并且掌握数控系统硬件和软件的设计思想和设计方法，培养我们分析问题和解决问题的能力，对数控机床控制系统的研究和普通机床数控化改造提供了必要的参考依据，有一定的现实意义。
2.2控制系统的选择
控制系统是由微机部分、键盘及显示器、I/O接口及光电隔离电路、步进电机功率放大电路等组成，系统的加工程序和控制程序通过键盘操作实现；显示器采用数码管来显示系统的各种状态，方便用户操作。
本次设计将采用MCS—51系列单片机中的8031单片机作为主控制器。
MCS—51单片机的性能为：
⑴集成度高、功能强、速度快，有很好的性能价格比；
⑵支持的芯片种类多；
⑶性能好，适合于各种不同的场合。
2.3系统运动方式的选择
数控系统的运动方式可分为点位控制系统、点位直线系统和连续控制系统。
如果工件相对于刀具移动过程中不进行切削，可选用点位控制方式。
如数控铣床在工作台移动过程中铣刀并不进行铣削加工，因此数控装置可采用点位控制方式。
对点位系统的要求是快速定位，保证定位精度。
如果工作台或刀具沿各坐标轴的运动有精确的运动关系，应选用连续控制方式，连续控制系统应具有一个插补器进行各坐标轴进给脉冲的分配。
这种控制系统要求伺服元件有很强的跟随能力。
本课题开发的仿真实验系统，要求能模拟数控铣床工作台X、Y的两轴运动，采用8031单片机控制步进电机，各坐标轴有精确的运动关系。
因此，本次设计将采用连续控制系统。
2.4伺服系统的选择
数控机床控制系统有开环伺服系统、闭环伺服系统和半闭环伺服系统三种工作方式。
开环控制系统没有检测反馈元件，不能纠正系统的传动误差，精度低；但开环系统结构简单，调整维修容易，在速度和精度要求不高的场合中得到广泛应用。
开环伺服系统在负荷不太大时多采用步进电机作为伺服电机。
如下图2.1所示为数控系统开环控制系统框图：
驱动器
步进电动机
铣床工作台
图2.1开环控制系统框图
闭环控制系统在机床移动部件上装有检测反馈元件来检测工作台的实际位移量，能补偿系统的传动误差，因而伺服控制精度高；但该系统造价高，结构和调试复杂，多采用精度要求高的场合。
闭环系统多采用直流伺服电机或交流伺服电机作为驱动元件。
如图2.2为闭环控制系统框图：
图2.2闭环控制系统框图
本次设计中考虑到实验仿真系统精度要求不高，为了简化结构、降低成本，故采用步进电机开环伺服系统来直接驱动X—Y工作台的运动。
2.5传动及导向元件的选择
为了确保数控控制系统的传动精度和工作平稳性，在设计机械传动时，通常提出了低摩擦、低惯量、高刚度、无间隙、高谐振以及有适宜阻尼比的要求。
在设计中应考虑以下几点：
⑴尽量采用低摩擦的传动和导向元件；
⑵尽量消除传动间隙；
⑶缩短传动链，缩短传动链可以提高系统的传动刚度，减少传动误差。
在本次设计中，选用传动元件为普通丝杠螺母，导向元件采用燕尾形导轨，系统的总体框图如图2.3所示：
图2.3系统总体框图
第3章工作台机械结构设计
3.1工作台结构设计的内容
工作台结构设计的内容包括：
设计任务、确定系统的脉冲当量、确定伺服电机、传动及导向元件、计算机绘制工作台结构装配图等。
本次毕业设计的题目是“数控铣床工作台仿真实验系统的开发”，如图3.1为工作台机械结构示意图：
工作台范围为X=175mm、Y=175mm，最大
图3.1工作台机械结构示意图
移动速度为0.5m/min，系统分辨率为0.02mm，传动方式采用普通丝杠螺母传动，结构材料选用铝合金材料为ZAlCu4.
3.2确定系统的脉冲当量
脉冲当量是系统移动部件相对于每一个进给脉冲的位移量，其大小视系统的加工精度而定，脉冲当量越小系统的加工精度越高。
为了提高精度，希望脉冲当量越小，但脉冲当量越小，系统的运行速度越低。
因此，应兼顾精度与速度的要求来合理选择脉冲当量。
在步进电机开环控制系统中，系统的脉冲当量δ（mm）与步进电机步距角Φ、丝杠螺距t（mm）及系统的传动比i之间的关系为：
（3—1）
脉冲当量一般为0.01～0.0005mm。
本次设计的仿真系统精度要求不是太高，综合考虑系统的精度要求，取脉冲当量为0.01mm。
3.3伺服电机的确定及选择
数控系统对伺服电机的基本要求是：
⑴调速范围宽，伺服电机需满足调速要求；
⑵负载特性强，在调速范围内电机有足够的驱动力矩；
⑶动态响应快。
考虑到在本次设计中驱动电机的功率小，系统要求的精度不高，是在空载状态下，模拟数控铣床工作台X、Y的两轴运动。
因此选用步进电机作为驱动电机。
合理地选用步进电机是相当重要的。
通常希望步进电机的输出转矩大，启动频率和运行频率高、步距误差小、性能价格比高。
但增大转矩与快速运行存在一定矛盾，高性能与低成本存在一定矛盾。
因此，实际选用时，必须权衡利弊，全面考虑。
首先，应考虑系统的精度和速度要求。
为了提高精度，希望脉冲当量越小越好，但是脉冲当量越小，系统的运行速度越低。
在确定脉冲当量以后，就可以次为依据来选择步进电机的步距角和传动机构的传动比。
⑴步进电机步距角选择
步进电机的步距角应
小于或等于系统对步进电机最小转角的要求。
（3—2）
式中：
δ为系统的脉冲当量；
i，t为系统的传动比和丝杠螺距。
步进电机的步距角从理论上来说是固定的，但实际上还存在误差。
另外，负载转矩也将引起步进电机的定位误差。
因此，必须把步进电机的步距误差、负载引起的定位误差和传动机构的误差全面考虑在内，使总的误差小于数控系统允许的定位误差。
⑵启动转矩的选择
步进电机的启动转矩
应满足下列关系：
（3—3）
其中，T为负载转矩
步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。
静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。
单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。
直接起动时（一般由低速）两种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行只要考虑摩擦负载。
一般情况下，静力矩应为摩擦负载的2-3倍为好，静力矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来（几何尺寸）。
步进电机有两条重要的特性曲线，即反映启动矩频与负载转矩之间关系的启动矩频特性曲线和反映转矩与连续运行频率之间的关系的工作矩频特性曲线，这两条曲线是选用步进电机的重要依据。
已知负载转矩，可以在启动矩频特性曲线中查出启动频率，这是启动频率的极限值，实际使用时只要启动频率不高于这一极限值，步进电机就可以直接带动负载启动。
若已知步进电机的连续运行频率ｆ，就可以从工作矩频特性曲线中查出转矩M，这也是转矩的极限值，有时称其为失步转矩。
即步进电机以频率f运行，它所驱动的负载必须小于M，否则将导致失步。
⑶电流的选择
静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据矩频特性曲线图，判断电机的电流（参考驱动电源、及驱动电压）
综上所述步进电机的选择应遵循以下步骤，如图3.2所示：
图3.2步进电机选择步骤
根据设计要求和以上论述，在本次设计中电机是在空载条件下运行，所需驱动功率小，又考虑到在本次设计中本着结构简单、成本低、价格便宜的原则，选用45BF005—II型反应式步进电机，其参数如下：
步进电机的步距角为3°，三相六拍工作方式，工作电压为27V，电流为2.5A，尺寸规格为：
58mm×45mm，轴径为4mm。
3.4传动及导向元件的设计、计算及选用
数控系统对传动及导向元件的要求是：
摩擦阻力小，高传动精度及高刚度，能消除传动间隙，具有小运动惯量、高谐振及适宜的阻尼比。
3.4.1传动元件设计
根据本次设计要求，传动元件既要有一定的传动精度和平稳性，又要求结构紧凑，同时又从设计原则出发，本着结构简单、加工方便、成本低的原则，选用普通丝杠螺母副传动方式。
丝杠螺母的传动特点是：
a）用较小的扭矩转动丝杠，可使螺母获得较大的轴向牵引力；
b）能达到较高的传动精度；
c）传动平稳、噪声较小；
d）在一定条件下能自锁，即丝杠螺母不能进行逆传动。
综合以上要求，确定传动元件采用30°梯形牙丝杠，参数如下：
丝杠中径为d=10mm,丝杠螺距为t=1mm。
3.4.2导向元件设计
机床系统的导向元件一般都采用导轨。
导轨的作用是使运动部件沿一定轨迹运动（导向），并承受运动部件及工作台的重量和切削力（承载）。
选择一个合适的导轨应满足下列要求：
精度高；寿命长；刚度及承载能力大；摩擦阻力小，运动平稳；结构简单。
便于加工、装配、调整、维修；成本低。
根据以上论述以及设计任务的要求，系统的导向元件选用燕尾形导轨。
燕尾形导轨的特点如下：
1尺寸紧凑，适合于高度小层次多的部件；
2用一根镶条可以同时调整各面间隙，调整及夹紧方便；
3刚度不及矩形导轨，不适合承受大的颠覆力矩和向上的力；
4摩擦阻力大；
5加工、测量麻烦。
其结构如图3.3所示：
图3.3燕尾形导轨结构示意图
燕尾形导轨常用于固定部件高度尺寸受限制的场合，如铣床工作台。
镶条将采用平镶条，其制造简单，用于行程短或受力不大或不太重要的场合。
为了减小上下导轨的磨损，采用贴塑导轨。
镶塑材料有很多，可以选用酚醛塑料、聚酰胺等。
但酚醛塑料耐磨性非常好，常用于重型机床，在本次设计中导轨的贴塑材料选用聚酰胺（通称尼龙）。
尼龙1010具有良好的冲击性能、耐疲劳、强度高，在一般场合中得到广泛应用。
3.5计算机绘制工作台结构装配图
本着结构简单、加工制造方便、装配维修容易的原则，确定工作台机械结构部分的设计方案，查各种手册、资料，绘制草图，在草图基础上，经指导老师检查不断修正，最终得到一个比较合理的设计方案，最后用计算机绘制工作台结构装配图，在设计选用的零件时要做到零件的标准化、装配合理化、使用操作方便化。
第4章控制系统硬件电路设计
4.1控制系统设计的内容
控制系统的设计内容包括以下几个方面：
⑴确定硬件电路整体方案及主电路设计，如主CPU的选择；
⑵存储器扩展电路设计，如数据存储器的扩展和程序存储器的扩展；
⑶步进电机驱动电路设计，如隔离电路，功率放大电路以及步进驱动电路；
⑷其他辅助电路设计，如时钟电路、复位电路。
4.2确定硬件电路整体方案
任何一个数控系统都是有硬件与软件两部分组成的，其中硬件是组成控制系统的基础。
有了硬件，软件才能有效地执行。
因此，硬件电路的可靠性直接影响到数控系统的性能指标。
数控铣床工作台仿真实验系统的硬件电路概括起来由以下几部分组成：
⑴主控制器即中央处理单元CPU；
⑵总线包括数据总线DB、地址总线AB、控制总线CB；
⑶存储器包括只读可编
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