单片机控制的数控车床实验台毕业设计.doc

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1、摘 要随着数控技术的飞速发展，机械制造业的生产方式、产品结构、发生了深刻的变化。在我国数控机床的发展过程中，MCS-51系列单片机在数控技术领域中得到广泛应用，经济型数控系统大多采用MCS-51系列单片机。本文在分析了数控车床的特点和实验台应该具备的功能后，确定采用基于单片机控制的系统总体结构方案。设计方案由系统硬件结构和系统软件结构两部分组成。关键词：数字控制，单片机系统，数控车床ABSTRACTWith the development of NC, there have been many changes in mechanical industry, such as producing

2、method and struture of product. MCS-51 single microcomputers have been used widely in NC, especially in ecomical NC equipments in china. Based on MCS-51 single microcomputers, the NC lathe training equipment is designed with less money for the professional NC courses. After analyzing the feature of

3、NC lathe and defining the functions of training equipment, a system general scheme is assumed by hardware architecture and software architecture, which uses MCS-51 single microcomputer.KEY WORDS: training equipment, numeric control, single microcomputer system目 录1 引言1.1 数控机床的产生与发展1.2 我国数控机床的发展概况1.3

4、本课题研究的背景2 数控车床实验台的性能要求2.1 数控机床的组成及工作原理 2 .1.1 数控机床的组成2 .2.2 数控机床的工作原理2.2 数控车床的特点2.3 数控车床实验台的方案设计 2.3.1 普通车床数控化改造的条件2.3.2 普通车床数控化改造的一般步骤2.3.2（1） 主要机械部件改造2.3.2（2）主传动的数控改造2.3.2（3） 进给传动的数控改造2.3.3总体方案设计论证与确定 2.3.3（1） 运动方式的确定2.3.3（2） 行机构传动方式的确定2.3.3（2） 运动方式与伺服系统的选择2.3.3（3） 机械传动方式的确定2.4 数控车床实验台的性能要求3 实验台硬件

5、系统的实现3.1 数控车床实验台硬件系统设计遵循的原则3.2 微机控制的数控车床实验台硬件系统的具体设计.3.2.1绘制系统电气控制的结构框图3.2.2选择中央处理单元CPU的类型3.2.2（1 ）存储器扩展电路设计3.2.2（2 ）I/O口即输入/输出接口电路设计3.2.2（3） MCS51系列单片机简介3.2.2（4 ）存储器扩展电路设计3.2.2（5） I/O借口电路及辅助电路设计3.2.2（6） 硬件环行分配器3.3 经济型数控车床微机控制系统硬件电路原理图 4 实验台功能原理及插补算法4.1车削数控原理、实验台插补功能要求和插补算法的选择4.2数字积分插补法参考文献 中英文翻译附 录

6、致 谢1 引言数字控制（numerical controlNC）简称数控，是一种利用数字化信息对设备运动及加工过程进行控制的一种自动化技术。将数控技术实施到加工控制中去的机床，或者说装备了数控系统的机床被称为数控（NC）机床。数控机床作为一种使用广泛、典型的机电一体化产品，综合应用了微电子技术、计算机技术、自动控制、精密测量和机床结构等方面的最新成就，是一种高效自动化机床。数控系统不仅能控制机床各种动作的先后顺序，还能控制机床运动部件的运动速度以及刀具的运动轨迹。由于数控机床的高效率、高精度和高柔性代表了机床的主要发展方向，所以它已经成为目前机加工自动化生产过程中最具代表性的核心设备，且成为计

7、算机辅助设计与制造、柔性制造系统、计算机集成制造系统等柔性加工和柔性制造系统的基础。1.1 数控机床的产生与发展1.1.1 数控机床的产生随着科技的不断发展，对各种产品的质量和生产效率提出了高要求。产品加工过程的自动化是实现高质量、高效率的重要措施。飞机、汽车等生产企业大多采用自动机床、组合机床和自动生产线，从而保证了产品质量，提高了生产效率和减轻了操作者的劳动强度。但是，在产品加工中，单件、小批量生产的零件约占机加工总量的80以上。对这些多品种、小批量、形状复杂、精度要求高的零件的加工，采用专业化程度高的自动机床和自动生产线就很不合适。在市场经济大潮中，产品竞争日趋激烈，为求得生存与发展，各

8、企业纷纷在提高产品技术档次、增加产品种类、缩短试制与生产周期和提高产品质量上下功夫，即使批量较大的产品，也不大可能多年不变，必须经常开发新产品，频繁地更新换代。传统的自动化生产线难以适应小批量、多品种生产要求。为了解决上述问题，一种灵活、高精度、高效率的自动化设备数控机床应运而生。1952年美国帕森斯公司和麻省理工学院在美空军的委托下，合作研制出世界上第一台三坐标数控铣床，完成了直升飞机叶片轮廓检查用样板的加工。这是一台采用专用计算机进行运算与控制的直线插补轮廓控制数控铣床。经过三年的试用、改进与提高，数控机床于1955年进入实用化阶段，在复杂曲面的加工中发挥了重要作用。尽管这种初期数控机床采

9、用电子管和分立元件硬接线电路来进行运算和控制，体积庞大而功能单一，但它采用了先进的数字控制技术，具有强大的生命力，它的出现开辟了工业生产技术的新纪元。从此，数控机床在全世界得到了迅速发展。1.1.2数控机床的发展最早采用数字控制技术进行机械加工的想法，是在20世纪40年代初提出的。当时，美国北密执安的一个小型飞机工业承包商帕森斯公司在制造飞机框架及直升飞机叶片轮廓用样板时，利用计算机对叶片轮廓的加工路径进行了数据处理，并考虑了刀具半径对加工路径的影响，使得加工精度达到0.0015in。1952年，美国麻省理工学院研制出的三坐标联动、利用脉冲乘法器原理的试验性数字控制系统是数控机床的第一代。19

10、59年，电子行业研制出晶体管元器件，因而数控系统中广泛采用晶体管和印刷电路板技术，跨入了第二代。1959年3月，由美国克耐杜列克公司发明了带有自动换刀装置的数控机床，称为“加工中心”。1960年，出现了小规模集成电路。由于其体积小、功耗低，使数控系统的可靠性进一步提高，数控系统发展到第三代。以上三代，都是采用专用控制的硬件逻辑数控系统（NC）。1967年，英国首先把几台数控机床连接成具有柔性的加工系统，这就是最初的FMS（Flexible Manufacturing System）柔性制造系统。随着计算机技术的发展，小型计算机开始取代专用控制的硬件逻辑数控系统（NC），数控的许多功能由软件程序

11、实现。由计算机作控制单元的数控系统（CNC），称为第四代。1970年前后，美国英特尔公司开发和使用了微处理器。1974年，美、日等国首先研制出以微处理器为核心的数控系统的数控机床。20多年来，微处理器数控系统的数控机床得到了飞速发展和广泛应用，这就是第五代数字控制（MNC），后来将MNC也统称为CNC。20世纪80年代初，国际上又出现了柔性制造单元FMC。FMC和FMS被认为是实现计算机集成制造系统CIMS的基础。 数字控制系统的许多优点使数控机床得到广泛发展，数控技术还被广泛应用于工业机器人、数控线切割机、数控火花切割机、坐标测量机、绘图仪等设备上。1.2我国数控机床的发展概况我国对数控系统

12、的研究开发始于50年代，但真正得到发展是从80年代开始，经历了“六五”、“七五”期间的消化吸收引进技术，“八五”期间科技攻关开发自主产权数控系统两个阶段，已为数控机床的产业化奠定了良好的基础。“九五”期间数控机床发展已进入实现产业化阶段。数控机床新开发品种300多个，已有一定的覆盖面。新开发的国产数控机床产品大部分达到国际80年代中期水平，部分达到90年代水平，为国家重点建设提供了一批高水平数控机床。我国数控系统在技术上已趋于成熟，在重大关键技术上（包括核心技术），已达到国际先进水平。目前，已新开发数控系统80多种。自“七五”以来，国家一直把数控系统的发展作为重中之重来支持，现已开发出具有中国

13、版权的数控系统，掌握了国外一直对我国封锁的一些关键技术。特别重要的是，我国数控系统的可靠性已有很大提高，MTBF值可以在15000h以上。同时大部分数控机床配套产品已能国内生产，自我配套率超过60%。这些成功为中国数控系统的自行开发和生产奠定了基础。1.3本课题研究的背景单片微型计算机简称单片机，是将计算机的基本部件微型化，使之集成为一块芯片的微机。片内含有CPU、ROM、RAM、并行I/O接口、串行I/O接口、定时器计数器、中断系统、系统时钟及系统总线等。MCS-51 单片机在片内存储器容量、I/O的功能以及指令系统功能等方面都大大地得到加强，特别适用于实时控制、智能仪表、主从结构的多机系统

14、领域，是控制领域中最理想的8位机。MCS-51系列单片机具有集成度高、系统结构简单、可靠性高、处理功能强、速度高、容易产品化等特性，因此在我国数控机床发展过程中，经济型数控系统大多采用MCS-51型系统单片微型计算机，它是超大规模集成电路发展的产物，在数控领域得到广泛应用。2 数控车床实验台的性能要求2.1数控机床的组成及工作原理2.1.1数控机床的组成数控机床的组成如图2-1所示。图2-1 数控机床的组成计算机数控装置是数控机床的核心。其根据输入的零件加工程序或操作命令进行相应的处理，输出控制命令到相应的执行部件，完成零件加工程序或操作所要求的工作。伺服单元和驱动装置包括主轴伺服驱动装置、主

15、轴电动机、进给伺服驱动装置及进给电动机。测量装置是实现主轴控制、进给速度闭环控制和进给位置闭环控制的必要装置。主轴伺服系统实现零件加工的切削运动，进给伺服系统实现零件加工所需的成形运动。操作面板，是操作人员与数控机床（系统）进行信息交互的工具，主要由按钮站、状态灯、按键阵列和显示器等部分组成。操作人员通过它对数控机床进行操作、编程、调试或对机床参数进行设定和修改，也可以通过它了解或查询数控机床的运行状态。控制介质是人与机床建立联系的介质。程序输入输出设备是CNC系统与外设进行信息交互的装置，目前数控机床常用的控制介质和程序输入输出设备是磁盘和磁盘驱动器等。此外，现代数控系统一般可利用通信方式进行信息交换。这种方式是实现CADCAM的集成、FMS和CIMS的基本技术。