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
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
随着计算机技术的高速发展，传统的制造业开始了根本性变革，各工业投入巨资，对现代制造技术进行研究开发，提出了全新的制造模式。在现代制造系统中，数控技术是关键技术，它集微电子、计算机、信息处理、自动检测、自动控制等高新技术于一体，具有高精度、高效率、柔性自动化等特点，对制造业实现柔性自动化、集成化、智能化起着举足轻重的作用。目前，数控技术正在发生根本性变革，由专用型封闭式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、超小型化；在智能化基础上，综合了计算机、多媒体、等多学科技术，数控系统实现了高速、高精、高效控制，加工过程中可以自动修正、调节与补偿各项参数，实现了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，机床联网，实现了中央集中控制的群控加工。
长期以来，我国的数控系统为传统的封闭式体系结构，CNC只能作为非智能的机床动控制。加工过程变量根据经验以固定参数形式事先设定，加工程序在实际加工前用手工方式或通过CAD/CAM及自动编程系统进行编制。CAD/CAM和CNC之间没有反馈控制环节，整个制造过程中CNC只是一个封闭式的开环执行机构。在复杂环境以及多变条件下，加工过程中的刀具组合、工件材料、主轴转速、进给速率、刀具轨迹、切削深度、步长、加工余量等加工参数，无法在现场环境下根据外部干扰和随机因素实时动态调整，更无法通过反馈控制环节随机修正CAD/CAM中的设定量，因而影响CNC的工作效率和产品加工质量。由此可见，传统CNC系统的这种固定程序控制模式和封闭式体系结构，限制了CNC向多变量智能化控制发展，已不适应日益复杂的制造过程，因此，对数控技术实行变革势在必行。
数控技术发展趋势
性能发展方向
(1)高速高精高效化 速度、精度和效率是机械制造技术的关键性能指标。由于采用了高速CPU芯片、RISC芯片、多CPU控制系统以及带高分辨率绝对式检测元件的交流数字伺服系统，同时采取了改善机床动态、静态特性等有效措施，机床的高速高精高效化已大大提高。
(2)柔性化 包含两方面：数控系统本身的柔性，数控系统采用模块化设计，功能覆盖面大，可裁剪性强，便于满足不同用户的需求；群控系统的柔性，同一群控系统能依据不同生产流程的要求，使物料流和信息流自动进行动态调整，从而最大限度地发挥群控系统的效能。
(3)工艺复合性和多轴化 以减少工序、辅助时间为主要目的的复合加工，正朝着多轴、多系列控制功能方向发展。数控机床的工艺复合化是指工件在一台机床上一次装夹后，通过自动换刀、旋转主轴头或转台等各种措施，完成多工序、多表面的复合加工。数控技术轴，西门子880系统控制轴数可达24轴。
(4)实时智能化 早期的实时系统通常针对相对简单的理想环境，其作用是如何调度任务，以确保任务在规定期限内完成。而人工智能则试图用计算模型实现人类的各种智能行为。科学技术发展到今天，实时系统和人工智能相互结合，人工智能正向着具有实时响应的、更现实的领域发展，而实时系统也朝着具有智能行为的、更加复杂的应用发展，由此产生了实时智能控制这一新的领域。在数控技术领域，实时智能控制的研究和应用正沿着几个主要分支发展：自适应控制、模糊控制、神经网络控制、专家控制、学习控制、前馈控制等。例如在数控系统中配备编程专家系统、故障诊断专家系统、参数自动设定和刀具自动管理及补偿等自适应调节系统，在高速加工时的综合运动控制中引入提前预测和预算功能、动态前馈功能，在压力、温度、位置、速度控制等方面采用模糊控制，使数控系统的控制性能大大提高，从而达到最佳控制的目的。
功能发展方向
(1)用户界面图形化 用户界面是数控系统与使用者之间的对话接口。由于不同用户对界面的要求不同，因而开发用户界面的工作量极大，用户界面成为计算机软件研制中最困难的部分之一。当前INTERNET、虚拟现实、科学计算可视化及多媒体等技术也对用户界面提出了更高要求。图形用户界面极大地方便了非专业用户的使用，人们可以通过窗口和菜单进行操作，便于蓝图编程和快速编程、三维彩色立体动态图形显示、图形模拟
(2)科学计算可视化 科学计算可视化可用于高效处理数据和解释数据，使信息交流不再局限于用文字和语言表达，而可以直接使用图形、图像、动画等可视信息。可视化技术与虚拟环境技术相结合，进一步拓宽了应用领域，如无图纸设计、虚拟样机技术等，这对缩短产品设计周期、提高产品质量、降低产品成本具有重要意义。在数控技术领域.可视化技术可用于CAD/CAM，如自动编程设计、参数自动设定、刀具补偿和刀具管理数据的动态处理和显示以及加工过程的可视化仿真演示等.
1.3单片机技术及发展趋势
单片机,亦称单片微电脑或单片微型计算机。它是把中央处理器(CPU)、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、输入/输出端口(I/0)等主要计算机功能部件都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。现在可以说单片机是百花齐放的时期,世界上各大芯片制造公司都推出了自己的单片机,从8位、16位到32位,数不胜数,应有尽有,它们各具特色,互成互补,为单片机的应用提供广阔的天地。纵观单片机的发展过程,可以预示单片机的发展趋势 。
1、低功耗CMOS化
MCS-51系列的8031推出时的功耗达630mW,而现在的单片机普遍都在100mW左右,随着对单片机功耗要求越来越低,现在的各个单片机制造商基本都采用了CMOS(互补金属氧化物半导体工艺)。80C51就采用了HMOS(即高密度金属氧化物半导体工艺)和CHMOS(互补高密度金属氧化物半导体工艺)。CMOS虽然功耗较低,但由于其物理特征决定其工作速度不够高,而CHMOS则具备了高速和低功耗的特点,这些特征,更适合于在要求低功耗,电池供电的应用场合。所以这种工艺将是今后一段时期单片机发展的主要途径。
2、微型单片化
现在常规的单片机普遍都是将中央处理器(CPU)、随机存取数据存储(RAM)、只读程序存储器(ROM)、并行和串行通信接口,中断系统、定时电路、时钟电路集成在一块单一的芯片上,增强型的单片机集成了如A/D转换器、PMW(脉宽调制电路)、WDT(看门狗)、有些单片机将LCD(液晶)驱动电路都集成在单一的芯片上,这样单片机包含的单元电路就更多,功能就越强大。甚至单片机厂商还可以根据用户的要求量身定做,制造出具有自己特色的单片机芯片。 此外,现在的产品普遍要求体积小、重量轻,这就要求单片机除了功能强和功耗低外,还要求其体积要小。现在的许多单片机都具有多种封装形式,其中SMD(表面封装)越来越受欢迎,使得由单片机构成的系统正朝微型化方向发展。
3、主流与多品种共存
现在虽然单片机的品种繁多,各具特色,但仍以80C51为核心的单片机占主流,兼容其结构和指令系统的有PHILIPS公司的产品,ATMEL公司的产品和中国台湾的Winbond系列单片机。所以C8051为核心的单片机占据了半壁江山。而Microchip公司的PIC精简指令集(RISC)也有着强劲的发展势头,中国台湾的HOLTEK公司近年的单片机产量与日俱增,与其低价质优的优势,占据一定的市场分额。此外还有MOTOROLA公司的产品,日本几大公司的专用单片机。在一定的时期内,这种情形将得以延续,将不存在某个单片机一统天下的垄断局面,走的是依存互补,相辅相成、共同发展的道路。 4、大容量、高性能
以往单片机内的ROM为1KB～4KB,RAM 为64～128B。但在需要复杂控制的场合,该存储容量是不够的,必须进行外接扩充。为了适应这种领域的要求,须运用新的工艺,使片内存储器大容量化。目前,单片机内ROM 最大可达64KB,RAM 最大为2KB。另外单片机进一步改变CPU的性能,加快指令运算的速度和提高系统控制的可靠性。采用精简指令集(RISC)结构和流水线技术,可以大幅度提高运行速度。现指令速度最高者已达100MIPS(Million Instruction Per Seconds,即兆指令每秒),并加强了位处理、中断和定时控制功能。这类单片机的运算速度比标准的单片机高出10 倍以上。由于这类单片机有极高的指令速度,可以使用软件模拟其I/O 功能,由此引入了虚拟外设的新概念。
5、串行扩展技术
在很长一段时间里,通用型单片机通过三总线结构扩展外围器件成为单片机应用的主流结构。随着低价位OTP(One Time Programble)及各种特殊类型片内程序存储器的发展,加之处围接口不断进入片内,推动了单片机“单片”应用结构的发展。特别是I2C、SPI 等串行总线的引入,可以使单片机的引脚设计得更少,单片机系统结构更加简化及规范化。
6、结论
单片机改变了我们生活,纵观我们现在生活的各个领域,从导弹的导航装置,到飞机上各种仪表的控制,从计算机的网络通讯与数据传输,到工业自动化过程的实时控制和数据处理,以及我们生活中广泛使用的各种智能IC卡、电子宠物等,这些都离不开单片机, 单片机有着广阔的应用前景。
参考文献
[1] 胡俊等，数控技术的现状和发展趋势[J]，机械工程师，2003年第3期，P5～P9
[2] 张建刚、胡大泽等，数控技术[M]，武汉：华中科技大学出版社，2000年1月，P1～P10
[3] 黄家善，计算机数控技术[M]，北京：机械工业出版社，2004年1月，P101～9125
[4] 张西良等，简易数控系统[J]，机电工程，1995年第二季刊，P22～P26
[5] 龙泽明等，基于单片机的机床数控系统的发展[J]，佳木斯大学学报，2005年10月第23卷第4期
[6] 万胜前，单片机在机床数控化改造中的应用[M]，鄂州大学学报，2001年10月第8卷第4期，P80～P83
[7] 孙悦等，单片机在数控铣床上的应用[J]，机械工人.冷加工，1999年第10期，P32～P33
[8] 李英平，机床数控化改造中步进电机的选择[J]，制造技术与机床，1996年第4期，P25～P28
[9] P. Melin, O. Castillo，Intelligent Control of a Stepping Motor drive Using a Hybrid Neuron-fuzzy Approach, Springer Berlin / Heidelberg, Volume 8, Number 8, P546～555
[9] 张震荣等，MCS—51单片机原理及实用技术[M]，北京：人民邮电出版社，2000年10月，P115～P135
[10] 胡辉等，单片机原理及实应用设计[M]，北京：中国水利水电出版社，2005年5月，P36～P40
[11] 余永权等，单片机在数控系统中的应用[M]，北京：电子工业出版社，2003年9月，P220～P260
[12] 高明等，单片微机接口与系统设计[M]，哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1995年8月，P10～P100
[13] 韩星等，8031单片机在普通机床数控化改造中的应用[J]，应用技术研究，2000年第12期，P10～P13
[14] 金捷等，普通机床数控化改造设计[J]，机械研究与应用，2005年4月第18卷第2期，P117～P119
[15] 王家忠等，基于单片机的经济型数控系统的研制[J]，河北农业大学学报，1999年8月第22卷第3期
[17] 丛红等，基于PC的教学型数控铣床实验系统设计[J]，机械与电子，2004年第2期，P21～P23
[18] 李正军等，计算机测控系统设计及应用[M]，北京：机械工业出版社，2004年1月，P84～P120
[19] 聂学俊等，MCS-51单片机在普通机床数控改造中的应用[J]，机床与液压，2000.NO.，P35～P40
[20] 张毅坤等，单片微型计算机原理及应用[M]，西安：西安电子科技大学出版社，1997年10月，P85～P86
[21] Joze Balic, Neural-network-based Numerical Control for Milling Machine, Springer Netherlands, Volume 40, Number 4 ,P343～358
[22] V. Yu. Teplov, A. V. Anisimov， Thermosetting System Using a Single-Chip Microcomputer and Thermoelectric Modules Based on the Peltier Effect, MAIK Nauka/Interperiodica distributed exclusively by Springer Science+Business Media LLC . Volume 45, Number 3, P408～411
定做机械 电子 汽车 数控专业毕业设计 请登录：http://www.bysj360.com/page.asp?id=37
