数控铣床工作台仿真实验系统的开发[毕业论文+CAD图纸]

机电毕业设计课题:数控铣床工作台仿真实验系统的开发含毕业论文、CAD图纸、任务书、文献综述

数控铣床工作台仿真实验系统的开发[毕业论文+CAD图纸]

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

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

目录

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
4.4 8031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
4.6 I/O扩展电路的设计……………………………………………… 23
4.6.1 8155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
4.8.1 8031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

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。