1347-基于單片機的數(shù)控車床XY工作臺與控制系統(tǒng)設(shè)計
1347-基于單片機的數(shù)控車床XY工作臺與控制系統(tǒng)設(shè)計,基于,單片機,數(shù)控車床,xy,工作臺,控制系統(tǒng),設(shè)計
湘潭大學(xué)興湘學(xué)院- 1 -基于單片機的數(shù)控車床 XY 工作臺與控制系統(tǒng)設(shè)計摘 要了解數(shù)控機床的概念，所謂數(shù)字控制是按照含有機床(刀具) 運動信息程序所指定的順序自動執(zhí)行操作的過程。而計算機數(shù)控機床就是數(shù)控機床在計算機監(jiān)控下進行工作。它的優(yōu)點很多,可以在同一機床上一次裝 夾可完成多個操作，生產(chǎn)率顯著提高等優(yōu)點，但它的價格昂貴。由于我國現(xiàn)在使用的機床大多數(shù)為普通車床，自動化程度低,要更新現(xiàn)有機床需要很多資金。為了解決這個問題,也為了適應(yīng)多品種中、小批量零件加工我們選擇機床經(jīng)濟型數(shù)控改造。縱向進給機構(gòu)的改造：拆去原機床的溜板箱、光 杠與絲杠以及安裝座,配上滾珠絲杠及相應(yīng)的安裝裝置，縱向驅(qū)動的步進電機及減速箱安裝在車床的床尾,不占據(jù)絲杠空間。橫向進給機構(gòu)的改造：拆除橫向絲杠換上滾珠絲杠,由步進電機帶動。 關(guān)鍵詞：運動信息，滾珠絲杠，步進電機Single Chip Microcomputer-based XY table CNC lathe and Control System DesignABSTRACTNumerical Control (NC) is any machining process in which the operations are executed automatically in sequences as specified by the program that contains the information for the tool movement .When Numerical Control is performed under computer supervision, it is called Computer Numerical Control (CNC).CNC machines have many advantages over conventional machines. For example, there is a possibility lf performing operations on the same machine in one setup and production is significantly increased. One of its disadvantages is that they are quite expensive. In our country conventional machine is used widely. So if the machines are replaced, there is going to need a large money. In order to agree with the development of our economy, we can reform the conventional machines. The reformation of the tool movement: we demolish the current smooth leading, leading screw and installing stand. Then replace the ball leaking to the relevant position. The reformation of the horizontal mechanism: we make the horizontal ball lead screw instead of the conventional screw. And Stepper motor drives the screw. KEY WORDS: tool movement，conventional machines ，Stepper motor湘潭大學(xué)興湘學(xué)院- 2 -第一章 緒論1.1 數(shù)控機床的生產(chǎn)與發(fā)展裝備工業(yè)的技術(shù)水平和現(xiàn)代化程度決定著整個國民經(jīng)濟的水平和現(xiàn)代化程度，數(shù)控技術(shù)及裝備是發(fā)展新興高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和尖端工業(yè)的使能技術(shù)和最基本的裝備，又是當(dāng)今先進制造技術(shù)和裝備最核心的技術(shù)。數(shù)控技術(shù)是用數(shù)字信息對機械運動和工作過程進行控制的技術(shù)，而數(shù)控裝備是以數(shù)控技術(shù)為代表的新技術(shù)對傳統(tǒng)制造產(chǎn)業(yè)和新興制造業(yè)的滲透形成的機電一體化產(chǎn)品，其技術(shù)范圍覆蓋很多領(lǐng)域?？茖W(xué)技術(shù)和社會生產(chǎn)的不斷發(fā)展，對機械產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)率提出了越來越高的要求。機械加工工藝過程的自動化是實現(xiàn)上述要求的最重要措施之一。他不僅能夠提高產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本，還能夠大大改善工人的勞動條件。許多生產(chǎn)企業(yè)已經(jīng)采用了自動機床、組合機床和專用自動生產(chǎn)線。采用這種高度自動化和高效率的設(shè)備，盡管需要很大的初始投資以及較長的生產(chǎn)準備時間，但是在大批量的生產(chǎn)條件下，由于分攤在每一個工件上的費用很少，經(jīng)濟效益仍然是非常顯著的。但是，在機械制造工業(yè)中并不是所有的產(chǎn)品零件都具有很大的批量，單件和小批量生產(chǎn)的零件占機械加工總量的 80%以上。尤其是在造船、航空航天、機床、重型機械以及國防部門，其生產(chǎn)特點是加工批量小、改型頻繁、零件的形狀復(fù)雜而且精度要求很高，采用專用化程度很高的自動化機床加工這類零件就顯得很不合適，因為生產(chǎn)過程中需要經(jīng)常改裝與調(diào)整設(shè)備，對于專用生產(chǎn)線來說，這種改裝與調(diào)整甚至是不可能實現(xiàn)的。為了解決這些問題，滿足多品種、小批量的自動化生產(chǎn)，迫切需要一種靈活的、通用的能夠適應(yīng)產(chǎn)品頻繁變化的柔性自動化機床。數(shù)控機床就是在這樣的背景下產(chǎn)生與發(fā)展起來的。它極其有效地解決了上述一系列矛盾，為單件、小批量生產(chǎn)的精密復(fù)雜零件提供了自動化加工手段。1.2 數(shù)控機床的發(fā)展趨勢隨著計算機、微電子、信息、自動控制、精密檢測及機械制造技術(shù)的高速發(fā)展，機床數(shù)控技術(shù)有了長足的進步。近幾年一些相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，如刀具及新材料的發(fā)展，主軸伺服和進給伺服、超高速切削等技術(shù)的發(fā)展，以及對機械產(chǎn)品質(zhì)量的要求越來越高等，加速了數(shù)控機床的發(fā)展。目前數(shù)控機床正朝著高速度、高精度、高工序集中度、高復(fù)合化和高可靠性等方向發(fā)展。世界數(shù)控技術(shù)及其裝備發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面：湘潭大學(xué)興湘學(xué)院- 3 -（1） ．高速高效高精度（2） ．柔性化（3） ．工藝復(fù)合化和多軸化（4） ．實時智能化（5） ．結(jié)構(gòu)新型化（6） ．編程技術(shù)自動化（7） ．集成化（8） ．開放式閉環(huán)控制模式1.3 數(shù)控機床在先進制造技術(shù)中的作用自從 20 世紀中期，人們將計算機技術(shù)引用到控制機床加工飛機機翼樣板的復(fù)雜曲線中以來，數(shù)控技術(shù)在機床控制方面取得了廣泛、深入的發(fā)展，各種數(shù)控機床成為了現(xiàn)代制造業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備，是它們保證了現(xiàn)代制造業(yè)向高精度、高速度、高效率、高柔性化的方向發(fā)展。由于數(shù)控機床的出現(xiàn)，帶動了 CAD/CAM 技術(shù)向?qū)嵱没?、工程化發(fā)展，特別是計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，推動 CAD/CAM 技術(shù)向更高層次和更高水平發(fā)展，而且進一步發(fā)展了計算機輔助工藝設(shè)計(CAPP)數(shù)據(jù)庫、集成制造生產(chǎn)系統(tǒng)相關(guān)信息的自動生成、自動處理、自動傳輸?？梢哉f數(shù)控技術(shù)既是聯(lián)系 CAD/CAM的紐帶，也是進一步通向集成化 CAD/CAM 的橋梁。1.4 對我國數(shù)控技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基本估計我國數(shù)控技術(shù)起步于 1958 年 ,近 50 年的發(fā)展歷程大致可分為三個階段：第一階段從 1958 年到 1979 年 ,即封閉式發(fā)展階段。在此階段 ,由于國外的技術(shù)封鎖和我國的基礎(chǔ)條件的制 ,數(shù)控技術(shù)的發(fā)展較為緩慢。第二階段是在國家的“六五” 、 “七五”期間以及“八五”的前期 ,即引進技術(shù) ,消化吸收 ,初步建立起國產(chǎn)化體系階段。在此階段 ,由于改革開放和國家的重視 ,以及研究開發(fā)環(huán)境和國際環(huán)境的改善 ,我國數(shù)控技術(shù)的研究、開發(fā)以及在產(chǎn)品的國產(chǎn)化方面都取得了長足的進步。第三階段是在國家的“八五”的后期和“九五”期間 ,即實施產(chǎn)業(yè)化的研究 ,進入市場競爭階段。縱觀我國數(shù)控技術(shù)近 50 年的發(fā)展歷程 ,特別是經(jīng)過 4 個 5 年計劃的攻關(guān) ,總體來看取得的成績還是不小。1.5 畢業(yè)設(shè)計的目的、意義《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》畢業(yè)設(shè)計是培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計能力的重要實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)之一，是綜合運用所學(xué)過的機械、電子、自動控制、計算機等知識進行的基本設(shè)計訓(xùn)練。其目的是：湘潭大學(xué)興湘學(xué)院- 4 -能夠正確運用《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》課程的基本理論和相關(guān)知識，掌握機電一體化系統(tǒng)（產(chǎn)品）的功能構(gòu)成、特點和設(shè)計思想、設(shè)計方法，了解設(shè)計方案的擬定、比較、分析和計算，培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力，使學(xué)生具有機電一體化系統(tǒng)設(shè)計的初步能力；通過機械部分設(shè)計，掌握機電一體化系統(tǒng)典型機械零部件和執(zhí)行元件的計算、選型和結(jié)構(gòu)設(shè)計方法和步驟；通過測試及控制系統(tǒng)方案設(shè)計，掌握機電一體化系統(tǒng)控制系統(tǒng)的硬件組成、工作原理，和軟件編程思想；通過畢業(yè)設(shè)計提高學(xué)生應(yīng)用手冊、標準及編寫技術(shù)說明書的能力，促進學(xué)生在科學(xué)態(tài)度、創(chuàng)新精神、專業(yè)技能等方面綜合素質(zhì)的提高。1.6 畢業(yè)設(shè)計的內(nèi)容畢業(yè)設(shè)計題目：基于單片機的數(shù)控車床 XY 工作臺與控制系統(tǒng)設(shè)計已知條件：定位精度：±0.01mm，滾珠絲杠及導(dǎo)軌使用壽命為 T=16000h，中等沖擊，工作臺的有效行程為 , ，快速進給速度mLx40?y40， ，和工作載荷 。min/20maxv?in/2avy NFz190?湘潭大學(xué)興湘學(xué)院- 5 -第二章 數(shù)控系統(tǒng)總體方案的確定數(shù)控系統(tǒng)總體方案設(shè)計的內(nèi)容包括：系統(tǒng)運動方式的確定，執(zhí)行機構(gòu)及傳動方案的確定，伺服電機類型及調(diào)速方案確定，計算機控制系統(tǒng)的選擇。進行方案的分析、比較和論證。1.1 系統(tǒng)運動方式的確定該系統(tǒng)要求工作臺沿各坐標軸的運動有精確的運動關(guān)系因此采用連續(xù)控制方式。1.2 伺服系統(tǒng)的選擇開環(huán)伺服系統(tǒng)在負載不大時多采用功率步進電機作為伺服電機。開環(huán)控制系統(tǒng)由于沒有檢測反饋部件，因而不能糾正系統(tǒng)的傳動誤差。但開環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)整維修容易，在速度和精度要求不太高的場合得到廣泛應(yīng)用?？紤]到運動精度要求不高，為簡化結(jié)構(gòu)，降低成本，宜采用步進電機作為開環(huán)伺服系統(tǒng)驅(qū)動。1.3 計算機系統(tǒng)的選擇采用 MCS-51 系列中的 8031 單片機擴展控制系統(tǒng)。MCS-51 單片機的主要特點是集成度高，可靠性好，功能強，速度快，性價比高。控制系統(tǒng)由微機部分、鍵盤及顯示器、I/O 接口及光電隔離電路、步進功率放大電路等組成。系統(tǒng)的工作程序和控制命令通過鍵盤操作實現(xiàn)。顯示器采用數(shù)碼管顯示加工數(shù)據(jù)和工作狀態(tài)等信息。1.4 X—Y 工作臺的傳動方式為保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性以及結(jié)構(gòu)的緊湊，采用滾珠絲杠螺母傳動副。為提高傳動剛度和消除間隙，采用有預(yù)加載荷的結(jié)構(gòu)。由于工作臺的運動部件重量和工作載荷不大，故選用滾動直線導(dǎo)軌副，從而減小工作臺的摩擦系數(shù)，提高運動平穩(wěn)性?？紤]電機步距角和絲杠導(dǎo)程只能按標準選取，為達到分辨率的要求，以及考慮步進電機負載匹配，采用齒輪減速傳動。系統(tǒng)總體框圖如下：湘潭大學(xué)興湘學(xué)院- 6 -圖 2-1計算機光電隔離 功率放大步進電機X 向工作臺光電隔離 功率放大步進電機 Y 向工作臺湘潭大學(xué)興湘學(xué)院- 7 -第三章 機械部分設(shè)計機械部分設(shè)計內(nèi)容包括：確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量，運動部件慣性的計算，選擇步進電機，傳動及導(dǎo)向元件的設(shè)計、計算與選擇，繪制機械部分裝配圖等。1.1 確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量脈沖當(dāng)量 δp 是一個進給指令時工作臺的位移量，應(yīng)小于等于工作臺的位置精度，由于定位精度為±0.01mm 因此選擇脈沖當(dāng)量為 0.01mm。1.2 工作臺外形尺寸及重量初步估算根據(jù)給定的有效行程，畫出工作臺簡圖，估算 X 向和 Y 向工作臺承載重量WX 和 WY。取 X 向?qū)к壷武撉虻闹行木酁?410mm,Y 向?qū)к壷武撉虻闹行木酁?00mm,設(shè)計工作臺簡圖如下：X 向拖板(上拖板) 尺寸為: 50412?重量: NWx 8.6718.75041223?????Y 向拖板(下拖板) 尺寸為: 重量: x ..23上導(dǎo)軌(含電機) 重量: 97.4810.7)5082409 23???????夾具及工件重量:約 155NX-Y 工作臺運動部分總重量為:圖 3-1湘潭大學(xué)興湘學(xué)院- 8 -NW201597.482.65.71????1.3 滾動導(dǎo)軌副的計算、選擇根據(jù)給定的工作載荷 Fz 和估算的 Wx 和 Wy 計算導(dǎo)軌的靜安全系數(shù)fSL=C0/P，式中：C0 為導(dǎo)軌的基本靜額定載荷，kN ；工作載荷 P=0.5(Fz+W)； fSL=1.0~3.0(一般運行狀況)，3.0~5.0（運動時受沖擊、振動） 。根據(jù)計算結(jié)果查有關(guān)資料初選導(dǎo)軌：因系統(tǒng)受中等沖擊,因此取 0.4?SLfYXSLoPfC,?)(5.0,,ZYWF?N79.1285).6719(5.0?Y 6. ??PfXSLO.43.284?CY根據(jù)計算額定靜載荷初選導(dǎo)軌,其型號為：HJG-D25?；緟?shù)如下：表 3-1額定載荷/N 靜態(tài)力矩/N*M 滑座重量導(dǎo)軌重量導(dǎo)軌長度動載荷 aC靜載荷 oATBCTgK/gmL(mm)17500 26000 198 198 288 0.60 3.1 760滑座個數(shù) 單向行程長度 每分鐘往復(fù)次數(shù)M Sl n4 0.6 4導(dǎo)軌的額定動載荷 NCa1750?依據(jù)使用速度 v（m/min）和初選導(dǎo)軌的基本動額定載荷 驗算導(dǎo)軌的工)(KNCo作壽命 T：額定行程長度壽命: 3)(FfKaWCTHS?475190MFZ湘潭大學(xué)興湘學(xué)院- 9 -1?Tf2W8.0CfH5?OdRK kmFCfTaWTHS 53.1609)47528.01(5)( 33 ??導(dǎo)軌的額定工作時間壽命: nlSH2103?? hThlTS 16057634046.1933 ????導(dǎo)軌的工作壽命足夠。1.4 滾珠絲杠計算、選擇初選絲杠材質(zhì)：CrWMn 鋼，HRC58~60，導(dǎo)程： ml50?強度計算：絲杠軸向力： )((,,max NWFfKFyxzyx??其中：K=1.15，滾動導(dǎo)軌摩擦系數(shù) f=0.003~0005；在車床車削外圓時：Fx=(0.1~0.6)Fz，F(xiàn)y=(0.15~0.7)Fz，可取 Fx=0.5Fz，F(xiàn)y=0.6Fz 計算。取 f=0.004, 則:40zFZX951.5.???NY6N786.102).670(..max ???340壽命值： ，其中絲杠轉(zhuǎn)速61nTL?min)/(axrlvnohT0min/4052maxrlvno??38160?L湘潭大學(xué)興湘學(xué)院- 10 -最大動載荷： FfLQWH3?式中：fW 為載荷系數(shù)，中等沖擊時為 1.2~1.5；fH 為硬度系數(shù)，HRC≥58 時為1.0。查表得中等沖擊時 , 則：2.1f?HfNX 70.9680.384??QY 35.3根據(jù)使用情況選擇滾珠絲杠螺母的結(jié)構(gòu)形式，并根據(jù)最大動載荷的數(shù)值可選擇滾珠絲杠的型號為:：CM 系列滾珠絲桿副，其型號為：CM2005-5 。其基本參數(shù)如下：表 3-2公稱直徑 基本導(dǎo)程 絲杠外徑 絲杠底徑 循環(huán)圈數(shù)絲杠代號D0 Ph D1 D3 nCM2005-5 20 5 19.5 16.76 5額定載荷 剛度 螺母安裝尺寸動載荷 靜載荷 K D L B14205 38244 730 70 62 11螺母安裝尺寸 油杯孔D1 D4 1?2h M45 56 5.8 10 6 M6其額定動載荷為 14205N>Qy 足夠用。滾珠循環(huán)方式為外循環(huán)螺旋槽式,預(yù)緊方式采用雙螺母螺紋預(yù)緊形式。滾珠絲杠螺母副的幾何參數(shù)的計算如下表湘潭大學(xué)興湘學(xué)院- 11 -表 3-3名稱 計算公式 結(jié)果公稱直徑 0d―― 20mm螺距 t ―― 5mm接觸角 ?―― 045鋼球直徑 bd―― 3.175mm螺紋滾道法向半徑 R0.52bd?1.651mm偏心距 e()sine???0.04489mm螺紋升角 ?0tarcgd???0'43螺桿外徑 d(.2~5)b?19.365mm螺桿內(nèi)徑 110eR??16.788mm螺桿接觸直徑 2d2cosbd?17.755mm螺母螺紋外徑 D0e?23.212mm螺母內(nèi)徑（外循環(huán)） 1(.~25)bd??20.7mm傳動效率計算絲杠螺母副的傳動效率為： )(????gt式中： 為摩擦角； 為絲杠螺旋升角。'10o??'34o?96.0)34()('''??oggtt??穩(wěn)定性驗算絲杠兩端采用止推軸承時不需要穩(wěn)定性驗算。剛度驗算湘潭大學(xué)興湘學(xué)院- 12 -滾珠絲杠受工作負載引起的導(dǎo)程變化量為： ESFlL01???Y 向所受牽引力大,故用 Y 向參數(shù)計算NF21.3?cml50)/(6.2E?cmRS14.5.42??L661 09.0.3?????絲杠受扭矩引起的導(dǎo)程變化量很小，可忽略不計。導(dǎo)程變形總誤差 Δ 為][/.251 ????E 級精度絲杠允許的螺距誤差 。m/15??1.5 齒輪計算、設(shè)計因步進電機步距角 滾珠絲杠螺距 t=5mm,要實現(xiàn)脈沖當(dāng)量ob.?,在傳動系統(tǒng)中應(yīng)加一對齒輪降速傳動。stepmp/01.??齒輪傳動比： ，步進電機步距角：pbli?360stepob/5.1??8.21.5360???pbli??12Zi取小齒輪齒數(shù) ,則大齒輪齒數(shù)241?502?Z大小齒輪材料均為 45 鋼由于軟齒面齒輪工藝簡單、生產(chǎn)率高，故選擇軟齒面齒輪。因傳遞的扭距較小,取模數(shù) m=1mm 則:分度圓直徑: 124dmz?? 250?齒頂圓直徑: 1()()126a m?2 5z齒根圓直徑: 1.4..fd??2(5)(0)47??湘潭大學(xué)興湘學(xué)院- 13 -齒寬: 124dbm??? 取 125b?30 中心距: 0.5()0.5()7a??分度圓壓力角: ?大小齒輪均采用漸開線標準圓柱齒輪1.6 步進電機慣性負載的計算以及步進電機的選用根據(jù)等效轉(zhuǎn)動慣量的計算公式，有：(1)等效轉(zhuǎn)動慣量的計算折算到步進電機軸上的等效負載轉(zhuǎn)動慣量為： 23210 )180()()bpq MJZJ??????式中： q為折算到電機軸上的慣性負載； 0J為步進電機軸的轉(zhuǎn)動慣量； 1J為齒輪 1 的轉(zhuǎn)動慣量；2J為齒輪 2 的轉(zhuǎn)動慣量； 3J為滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量；M 為移動部件的質(zhì)量。對鋼材料的圓柱零件可以按照下式進行估算： LD???43078.式中 為圓柱零件直徑， 為圓柱零件的長度。所以有： 22431 /107.652.. cmkgJ ???2078???22433 /..電機軸的轉(zhuǎn)動慣量很小，可以忽略，所以有： 22222 /79.0)5.1843(01)4.375.16()017.6 cmkgJd ???????????(2)步進電機啟動力矩的計算設(shè)步進電機的等效負載力矩為 T，負載力為 P，根據(jù)能量守恒原理，電機所做的功與負載力所做的功有如下的關(guān)系： PST???式中 為電機轉(zhuǎn)角，S 為移動部件的相應(yīng)位移， 為機械傳動的效率。若取?，則 ，且 。所以：b?p?)(zsPG???bzsp???2)]([36??湘潭大學(xué)興湘學(xué)院- 14 -式中： 為移動部件負載（N） ，G 為移動部件質(zhì)量（N） ， 為與重力方向一sP zP致的作用在移動部件上的負載力（N） ， 為導(dǎo)軌摩擦系數(shù)， 為步進電機的步?b?距角（rad）,T 為電機軸負載力矩（ N.cm） 。取 （淬火鋼滾珠導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)） ， ， ?？?.0?? 8.0??NHs21.3?慮到重力影響，Y 向電機負載較大，所以有： cmNT ????56.8.0514.2)]12(3[1.6考慮到啟動時運動部件慣性的影響，則啟動轉(zhuǎn)矩： 5.0~3q?取系數(shù)為 0.4，則： cNTq??4.17.0568對于工作方式為三相 6 拍的步進電機： cmTqj ??92.178.0max(3)步進電機的最高工作頻率 1670.60maxa?pvf?空載啟動頻率要大于最高運行頻率 ,同時電機最大靜轉(zhuǎn)矩要足夠大,查表maxf選擇兩個 90BF001 型步進電機。電機有關(guān)參數(shù)如下：表 3-4主要技術(shù)參數(shù)型號相數(shù)步距角電壓(V)相電流(A)最大靜轉(zhuǎn)矩 maxjT(n.m)空載啟動頻率空載運行頻率分配方式90BF001 4 0.9 80 7 3.92 2000 8000 4 相 8 拍外形尺寸(mm)外直徑 長度 軸直徑重量kg轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量Kg.m90 145 9 4.5 1764湘潭大學(xué)興湘學(xué)院- 15 -第四章 數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計1.1 數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路由以下幾部分組成：1、主控制器。即中央處理單元 CPU2、總線。包括數(shù)據(jù)總線，地址總線，控制總線。3、存儲器。包括只讀可編程序存儲器和隨機讀寫數(shù)據(jù)存儲器。4、接口。即 I/O 輸入輸出接口。數(shù)控系統(tǒng)的硬件框圖如下所示：圖 4-11.2 主控制器 CPU 的選擇MCS-51 系列單片機是集中 CPU，它有如下特點：1、可靠性高。因為芯片是按工業(yè)測控環(huán)境要求設(shè)計的，故抗干擾的能力優(yōu)于 PC 機。系中央處理單元 CPU存儲器RAMROM輸入/輸出I/O 接口信號變換控制對象外設(shè)：鍵盤，顯示器，打印機，磁盤機，通訊接口等湘潭大學(xué)興湘學(xué)院- 16 -統(tǒng)軟件(如：程序指令，常數(shù)，表格)固化在 ROM 中，不易受病毒破壞。許多信號的通道均在一個芯片內(nèi)，故運作時系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。2、便于擴展。片內(nèi)具有計算機正常運行所必需的部件，片外有很多供擴展用的(總線，并行和串行的輸入/輸出)管腳，很容易組成一定規(guī)模的計算機應(yīng)用系統(tǒng)。3、控制功能強。具有豐富的控制指令，如：條件分支轉(zhuǎn)移指令，I/O 口的邏輯操作指令，位處理指令。4、實用性好。體積小，功耗低，價格便宜，易于產(chǎn)品化。由于上述原因，選用 8031 作為主控芯片。1.3 存儲器擴展電路設(shè)計1、程序存儲器的擴展單片機應(yīng)用系統(tǒng)中擴展用的程序存儲器芯片大多采用 EPROM 芯片。其型號有：2716，2732，2764，27128，27258，其容量分別為2k，4k，8k，16k，32k。在選擇芯片時要考慮 CPU 與 EPROM 時序的匹配。8031 所能讀取的時間必須大于 EPROM 所要求的讀取時間。此外，還需要考慮最大讀出速度，工作溫度以及存儲器容量等因素。在滿足容量要求時，盡量選擇大容量芯片，以減少芯片數(shù)量以簡化系統(tǒng)。綜合以上因素，選擇 2764 芯片作為本次設(shè)計的程序存儲器擴展用芯片。于 8031 芯片的 P0 口是分時傳送低 8 位地址線和數(shù)據(jù)線的，故 8031 擴展系統(tǒng)中一定要有地址鎖存器，常用的地址鎖存器芯片是 74LS373。2、數(shù)據(jù)存儲器的擴展由于 8031 芯片內(nèi)部 RAM 只有 128 字節(jié)供用戶使用，遠不能滿足系統(tǒng)需要，因此需要擴展片外的數(shù)據(jù)存儲器（RAM） 。常用的數(shù)據(jù)存儲器有6116、6264、62128 等，這里選用 6264。3、I/O 擴展電路設(shè)計8031 單片機共有 4 個 8 位并行 I/O 接口，但供用戶使用的只有 P1 口及部分 P3 口線。因此要進行 I/O 口的擴展。8155 為多功能的可編程接口芯片，內(nèi)部包含有 256 字節(jié) RAM，兩個可編程 8 位并行口、一個 6 位并行口和一個 14位的計數(shù)器。8155 是 8051 單片機應(yīng)用系統(tǒng)中最適用的外圍器件。數(shù)據(jù)存貯器是 256x8 位靜態(tài) RAM。I/O 由三個通用口組成，其中的 6 位口可編程為狀態(tài)控制信號?？删幊痰?14 位計數(shù)器/定時器用于給單片機系統(tǒng)提供方波或計數(shù)脈沖。8155 與微機接口較簡單，是微機系統(tǒng)廣泛使用的接口芯片。湘潭大學(xué)興湘學(xué)院- 17 -第五章 系統(tǒng)控制軟件的設(shè)計1.1 系統(tǒng)控制功能分析數(shù)控 X-Y 工作臺的控制功能包括：1、系統(tǒng)初始化。如對 I/O 接口 8155，8255A 進行必要的初始化工作，預(yù)置接口工作方式控制字。2、工作臺復(fù)位。開機后工作臺應(yīng)該自動復(fù)位，亦可手動復(fù)位。3、輸入和顯示加工程序。4、監(jiān)視按鍵，鍵盤及開關(guān)。如監(jiān)視緊急停機鍵及行程開關(guān)，鍵盤掃描等功能。5、工作臺超程顯示與處理。工作臺位移超過規(guī)定值時應(yīng)該立即停止工作臺的運動，并顯示相應(yīng)的指示字符。6、工作臺的自動控制。7、工作臺的手動控制。8、工作臺的聯(lián)動控制。1.2 系統(tǒng)管理程序控制管理稱許是系統(tǒng)的主程序，開機后即進入管理程序。其主要功能是接受和執(zhí)行操作者的命令。在設(shè)計管理程序時，應(yīng)確定接收命令的形式，系統(tǒng)的各種操作功能等。數(shù)控 X-Y 工作臺的基本操作功能有：輸入加工程序，自動加工，刀位控制，工作臺位置控制，手動操作，緊急停機等。根據(jù)以上分析，設(shè)計管理程序流程圖如下所示：湘潭大學(xué)興湘學(xué)院- 18 -加工程序輸入鍵按下機床復(fù)位開始系統(tǒng)初始化自動加工鍵按下手動加工鍵按下加工數(shù)據(jù)輸入自動加工手動調(diào)整NNNYYY圖 5-11.3 自動加工程序設(shè)計（1）機床在自動加工時的動作順序：工作臺移動到位→刀具快速進給→加工→退刀→工作臺運動到下一位置；（2）計算機在加工過程中的操作：讀取刀具軌跡，控制機床完成加工；（3）由以上分析，設(shè)計自動加工程序框圖如下所示：湘潭大學(xué)興湘學(xué)院- 19 -入口零件坐標地址指針讀零件坐標調(diào)步進電機子程序工作臺移動到位刀具快進加工快速退刀零件坐標地址指針加一零件加工完成NY返回圖 5-21.4 匯編語言程序設(shè)計1、內(nèi)存地址分配加速脈沖數(shù)計數(shù)器 N0 地址設(shè)為 20H；恒速脈沖數(shù)計數(shù)器 N1 低 8 位字節(jié)地址為 21H，高 8 位字節(jié)地址位 22H；減速脈沖數(shù)計數(shù)器 N2 地址位 23H。加速，減速，恒速脈沖總數(shù)寄存器 N 低位字節(jié)地址位 24H，高位字節(jié)地址位 25H；步湘潭大學(xué)興湘學(xué)院- 20 -進電機進給控制子程序 FEED 首地址位 0E80H。每調(diào)用一次該程序，步進電機按規(guī)定方向進給一步。2、程序清單N0 EQU 20H ；加速N1L EQU 21H ；恒速N1H EQU 22H N2 EQU 23H ；減速NL EQU 24H ；脈沖總數(shù)寄存器NH EQU 25HDS EQU 26H ；地址指針偏移量FEED EQU 0E80HORG 0E00H0E00 START： MOV P，#60H0E03 MOV TMOD，#01H ；設(shè)計數(shù)器工作方式為 1，16位定時器0E06 MOV N0，#01A4H ；設(shè) N0 為 3200E09 MOV N2， #1A4H0E0C MOV A ， N0 ；計算 2XN00E0E RL A0E0F MOV R0， A0E10 CLR C ；計算 N1=N-2N00E11 MOV A， NL0E13 SUBB A， R00E14 MOV N1L， A0E16 MOV A， NH0E18 SUBB A，#00H0E1A MOV N1H，A0E1C MOV DPTR， #1000H ；設(shè)時間常數(shù)指針初值為1000H0E1F MOV DS， #00H ；設(shè)地址偏移量初值為 00H0E22 MOVC A, @A+DPTR ；從 EPROM 中讀時間常數(shù)0E23 MOV TL0， A ；送時間常數(shù)至定時器 0 中0E25 INC DS0E27 MOV A，DS湘潭大學(xué)興湘學(xué)院- 21 -0E2 MOVC A，@A+DPTR 0E2A MOV TH0，A0E2C INC DS0E2E SETB EA ；開中斷允許0E30 SETB ET0 ；允許定時器 0 中斷0E32 SETB TR0 ；啟動定時器 0 開始計算0E34 WAIT：JB EA，WAIT ；中斷允許返回0E37 RET中斷服務(wù)程序： ORG 000BH000B LJMP 0F00H0F00 MOVC A，@A+DPTR0F03 MOV TL0， A0F05 INC DS0F07 MOV A，DS0F09 MOVC A，@A+DPTR0F0A MOV TH0， A0F0C INC DS ；修改地址偏移量指針0F0E ACALL FEED ；調(diào) FEED 子程序0F10 MOV A， N0 ；判斷 N0 是否為 00F12 CJNE A， #00H， LOOP10F15 MOV A， N1H ；判斷 N1 是否為 0 0F17 CJNE A，#00H， LOOP20F1A MOV A，N1H0F1C CJNE A，#00H ，LOOP20F1F MOV A，N2 ；判斷 N2 是否為 0 0F21 CJNE A，#00H，LOOP30F24 CLR EA ；N2 為 0 ，減速結(jié)束，關(guān)中斷0F26 RETI0F27 LOOP1：DEC N0 ；N0 不為 0，則 N0←N0-10F29 RETI0F2A LOOP2：MOV A，N1L ；N1 不為 0，則 N1←N1-10F2C CLR C0F2D SUBB A， #01H0F2F MOV N1L， A湘潭大學(xué)興湘學(xué)院- 22 -0F31 MOV A， N1H0F33 SUBB A，#00H0F35 MOV N1H，A0F37 RETI0F38 LOOP3：DEC N2 ；N2 不為 0，則 N2←N2-10F3A RETI逐點比較法插補程序：RP： MOV SP，#60HMOV 4AH，#00H ；F 單元清零MOV 49H，#00HMOV 48H，#01H ；X 電動機初始化MOV 47H，#02H ；Y 電動機初始化MOV DPTR， #0030HMOV A ，#03H ；XY 電動機上電MOVX @DPTR，ACLR C ；計算終判值MOV A，52H ；低位 X、Xe 相減，得 aSUBB A，4EHMOV 54H，A ；保存結(jié)果于終判值單元低位字節(jié)MOV A ，51H ；高位 X、Xe 相減，得 bSUBB A，4DHMOV 53H，A ；保存結(jié)果于終判值單元高位字節(jié)CLR C ；低位 Ye、Y 相減，得 cMOV A，4CHSUBB A，50HMOV 20H，C ；暫存 Ye、Y 低位相減產(chǎn)生的借位位ADD A，54H ；計算 d=a+c，d 為低位終判值MOV 54H，A ；保存 d 于終判值單元低位字節(jié)MOV 21H，C ；暫存 d=a+c 產(chǎn)生的進位位MOV A，4BH湘潭大學(xué)興湘學(xué)院- 23 -MOV C，20H ；恢復(fù) Ye、Y 低位相減產(chǎn)生的借位位SUBB A，4FH ；高位 Ye、Y 相減，得 eMOV C，21H ；恢復(fù) d=a+c 產(chǎn)生的進位位ADDC A，53H ；計算 f=b+e，f 為高位終判值MOV 53H，A ；保存 f 于終判值單元高位字節(jié)PR2：ACALL DL0 ；延時子程序MOV A，49H ；取 F 高位字節(jié)JB ACC.7，RP6 ；高位＝1，F(xiàn)＜0，去 RP6ACALL XMM ；高位＝0，F(xiàn)＞0，X 反轉(zhuǎn)一步CLR C ；計算新偏差 F＝F－2X ＋1MOV A，4AH ；計算 g＝F－X 低位SUBB A，52HXCH A，B ；g 存入 B 寄存器MOV A，49H ；計算 h＝F－X 高位SUBB A，51HXCH A，B ；低位存 A，高位存 B。BA 內(nèi)容為 F－XCLR C ；計算 i＝g－X＝F －2X 低位SUBB A，52HXCH A，B ；B 內(nèi)容為 F－2X 低位，A 內(nèi)容為 F－X 高位SUBB A，51H ；A 內(nèi)容為 F－2X 高位XCH A，B ；BA 內(nèi)容為 F－2XADD A，#01H ；計算 F－2X＋1MOV 4AH，A ；4A 內(nèi)容為 F－2X＋1 低位XCH A，B ；B 內(nèi)容為 F－2X ＋1 低位，A內(nèi)容為 F－2X 高位ADDC A，#00H ；考慮 F－2X＋1 的進位MOV 49H，A ；49H 的內(nèi)容為 F－ 2X＋1 高位CLR C ；計算 X＝X－1MOV A，52H ；低位SUBB A，#01H湘潭大學(xué)興湘學(xué)院- 24 -MOV 52H，AMOV A，51H ；高位SUBB A，#00HMOV 51H，ARP4：CLR C ；終判值減１MOV A，54HSUBB A，#01HMOV 54H，AMOV A，53HSUBB A，#00HMOV 53H，AORL A，54HJNZ RP2 ；插補沒結(jié)束，轉(zhuǎn)至 RP2LJMP 0000HRP6：ACALL YMP ；Y 電動機正轉(zhuǎn)MOV R6，#02H ；此處“ 2”，為“F＋2Y＋1”的“2”RP7：MOV A，4AH ；F ＋2Y＋1ADD A，50HMOV 4AH，AMOV A，49HADDC A，4FHMOV 49H，ADJNZ R6，RP7MOV A，4AHADD A，#01HMOV 4AH，AMOV A，49HADDC A，#00HMOV A，50HADD A，#01HMOV 50H，AMOV A，4FHADDC A，#00H湘潭大學(xué)興湘學(xué)院- 25 -MOV 4FH， AAJMP RP4第六章 結(jié)束語與致謝通過過此次設(shè)計，讓我對于理論知識尤其是專業(yè)知識有了更深的了解和認識，并能將其進行一次比較全面系統(tǒng)的總結(jié)和應(yīng)用；使我學(xué)會了如何查閱現(xiàn)有的技術(shù)資料、如何舉一反三、如何通過改進并加入自己的想法與觀點，使之成為自己的東西。進一步加強了我綜合分析解決實際問題和獨立思考的能力。在這次設(shè)計中我們同組的同學(xué)共同的研究，討論問題，查閱資料，相互幫助，從實際應(yīng)用出發(fā)將設(shè)計完成的比較合理且具有實際的意義。同時，我們也發(fā)現(xiàn)了一些問題。比如對知識的運用的熟練程度還不夠，知識范圍比較的狹隘，導(dǎo)致在設(shè)計中的一些問題無法及時發(fā)現(xiàn)和解決。在此，我向我的指導(dǎo)老師劉習(xí)文老師表示由衷的感謝，感謝他的指導(dǎo)與監(jiān)督。其次我要感謝那些曾經(jīng)給予我?guī)椭耐瑢W(xué)們。最后我還要感謝大學(xué)里我所有的任課老師，感謝他們?yōu)槲覀鞯澜饣?。湘潭大學(xué)興湘學(xué)院- 26 -參 考 文 獻[1] 徐元昌．?dāng)?shù)控技術(shù)[M]．北京：中國輕工業(yè)出版社， 2004．[2] 文懷興，廈田．?dāng)?shù)控機床系統(tǒng)設(shè)計[M] ．北京：化學(xué)工業(yè)出版社， 2005．[3] 王潤孝，秦現(xiàn)生．機床數(shù)控原理與系統(tǒng)[M] ．西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社， 2004．[4] 徐元昌．機電系統(tǒng)設(shè)計[M] ．北京：化學(xué)工業(yè)出版社， 2005．[5] 鄭文緯，吳克堅．機械原理[M] ．北京：高等教育出版社， 1997．[6] 周開勤．機械零件手冊[M] ．北京：高等教育出版社， 2001．[7] 陳嬋娟．?dāng)?shù)控車床系統(tǒng)[M] ．北京：化學(xué)工業(yè)出版社， 2005．[8] 成大先．機械設(shè)計手冊[M] ．北京：化學(xué)工業(yè)出版社， 1992．[9] 濮良貴，紀名剛．機械設(shè)計[M] ．北京：高等教育出版社， 2005．[10] 李光斌．單片微型計算機原理與應(yīng)用[M]．武漢：華中科技大學(xué)出版社， 2006．[11] 杜國臣，王士軍．機床數(shù)控技術(shù)[M]．北京：北京大學(xué)出版社， 2006．[12] 張建民．機電一體化系統(tǒng)設(shè)計[M]．北京：高等教育出版社， 2007．[13] 鄭堤，唐可洪．機電一體化設(shè)計基礎(chǔ)[M]．北京：機械工業(yè)出版社， 1997．[14] 張訓(xùn)文．機電一體化系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用[M]．北京：北京理工大學(xué)出版社， 2006．[15] 唐介．電機與拖動[M]．北京：高等教育出版社， 2005．[16] 趙丁選．機電一體化使用手冊[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社社， 2003．[17] 汪道輝．單片機系統(tǒng)設(shè)計與實踐[M]．北京：電子工業(yè)出版社， 2006．[18] 張大明，彭旭昀．單片微機控制應(yīng)用技術(shù)[M]．北京:機械工業(yè)出版社，2006．
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