數控銑床工作臺仿真實驗系統(tǒng)的開發(fā)

數控銑床工作臺仿真實驗系統(tǒng)的開發(fā),數控,銑床,工作臺,仿真,實驗,試驗,系統(tǒng),開發(fā) 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： 投入巨資購買新的數控機床；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： 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；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：可實現兩軸控制；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）；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：價格低、功能全、體積小，具有良好的性能價格比；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；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00H7FH，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A0A12為13位地址線，D0D7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A0A12為13位地址線，D0D7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： 兩個可編程8位并行口A、B和6位并行口C； 256字節(jié)的靜態(tài)RAM； 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，P5P92 張建剛、胡大澤等，數控技術M，武漢：華中科技大學出版社，2000年1月，P1P103 黃家善，計算機數控技術M，北京：機械工業(yè)出版社，2004年1月，P10191254 張西良等，簡易數控系統(tǒng)J，機電工程，1995年第二季刊，P22P265 龍澤明等，基于單片機的機床數控系統(tǒng)的發(fā)展J，佳木斯大學學報，2005年10月第23卷第4期6 萬勝前，單片機在機床數控化改造中的應用J，鄂州大學學報，2001年10月第8卷第4 期，P80P837 孫悅等，單片機在數控銑床上的應用J，機械工人.冷加工，1999年第10期，P32P338 孫玉華，德國機床數控化改造的實踐與研究J，制造自動化，2000年10月第22卷第11期，P50P539 張震榮等，MCS51單片機原理及實用技術M，北京：人民郵電出版社，2000年10月，P115P13510 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