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文獻(xiàn)綜述
引言
數(shù)控機(jī)床作為一種高精度的自動(dòng)化機(jī)床，綜合運(yùn)用了電子、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制和機(jī)床制造等領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)，為適應(yīng)加工技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床在高速化、高精度化、復(fù)合加工、計(jì)算機(jī)的開放型和聯(lián)網(wǎng)管理等技術(shù)方面取得了很大的進(jìn)步，其中以單片機(jī)技術(shù)為核心的機(jī)床控制系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)工業(yè)生產(chǎn)中起著巨大的作用，它很好解決了現(xiàn)代制造中的各種問題。采用數(shù)控機(jī)床，提高機(jī)械工業(yè)的數(shù)控化率，是當(dāng)前機(jī)械制造業(yè)技術(shù)改造，技術(shù)更新的必由之路，現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床已成為柔性制造單元（FMC）、柔性制造系統(tǒng)（FMS）以及計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS）和無人化工廠（FA）中不可缺少的基礎(chǔ)設(shè)備。今后，計(jì)算機(jī)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(shù)都會(huì)與數(shù)控技術(shù)共同發(fā)展，這將成為21世紀(jì)制造業(yè)發(fā)展的一個(gè)主要潮流。
數(shù)控技術(shù)的發(fā)展及概述
隨著計(jì)算機(jī)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(gè)發(fā)達(dá)國(guó)家投入巨資，對(duì)現(xiàn)代制造技術(shù)進(jìn)行研究開發(fā)，提出了全新的制造模式。目前數(shù)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(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)全閉環(huán)控制模式發(fā)展。在集成化基礎(chǔ)上，數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了超薄型、超小型；在智能化基礎(chǔ)上，綜合運(yùn)用了計(jì)算機(jī)、多媒體、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等多學(xué)科技術(shù)，數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了高速、高精、高效控制，加工過程可以自動(dòng)修正、調(diào)節(jié)與補(bǔ)償各種參數(shù)，實(shí)現(xiàn)在線診斷和智能化故障處理；在網(wǎng)絡(luò)化基礎(chǔ)上，CAD/CAM與數(shù)控系統(tǒng)集成為一體，機(jī)床聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了中央集中控制的群控加工。
90年代以來，PC機(jī)技術(shù)發(fā)展迅速，性能價(jià)格比不斷提高，各個(gè)系統(tǒng)制造商紛紛研究基于PC的數(shù)控系統(tǒng)，并有大量產(chǎn)品推出?；赑C的數(shù)控系統(tǒng)開創(chuàng)了數(shù)控發(fā)展史上的嶄新篇章，并迅速成為數(shù)控市場(chǎng)上的主流產(chǎn)品。
目前世界數(shù)控機(jī)床消費(fèi)趨勢(shì)已從初期的數(shù)控電加工機(jī)床、數(shù)控車床、數(shù)控銑床為主轉(zhuǎn)向以加工中心、專用數(shù)控機(jī)床、成套設(shè)備為主。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的日益普遍運(yùn)用，數(shù)控機(jī)床走向網(wǎng)絡(luò)化、集成化，已成為必然趨勢(shì)和發(fā)展方向。
一個(gè)國(guó)家數(shù)控機(jī)床的擁有量是衡量其工業(yè)水平的重要標(biāo)志。面對(duì)日益激烈的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)，要想在市場(chǎng)中占有一席之地，就必須采用先進(jìn)的數(shù)控化設(shè)備，以提高技術(shù)水平。就企業(yè)而言，提高數(shù)控化率有兩個(gè)途徑：
㈠投入巨資購(gòu)買新的數(shù)控機(jī)床；
㈡對(duì)現(xiàn)有的普通化機(jī)床進(jìn)行數(shù)控化改造。對(duì)擁有300多萬臺(tái)普通機(jī)床的我國(guó)來說，普通機(jī)床的數(shù)控化改造無疑是一條簡(jiǎn)單可行的途徑。因此，對(duì)普通機(jī)床的數(shù)控化改造也成了人們近年來研究的課題。
一般來說，對(duì)現(xiàn)有普通機(jī)床進(jìn)行數(shù)控化改造的具體做法是：
㈠改造機(jī)械部分：主傳動(dòng)系統(tǒng)一般不作變動(dòng)，進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)中采用高精度的滾珠絲杠螺母副替換進(jìn)給軸原有的普通絲杠副；
㈡加裝數(shù)控系統(tǒng)：機(jī)械部分改造完成后，配上MCS-51單片機(jī)作為數(shù)控系統(tǒng)，用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件，直接或通過一級(jí)齒輪減速裝置驅(qū)動(dòng)X、Y、Z軸的運(yùn)動(dòng)。
研究?jī)?nèi)容及方案選擇
鑒于數(shù)控機(jī)床在機(jī)械制造業(yè)中起著舉足輕重的地位，根據(jù)畢業(yè)設(shè)計(jì)的要求和目的以及自己的個(gè)人興趣，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)選擇題目為“數(shù)控銑床工作臺(tái)仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的開發(fā)”，其中系統(tǒng)分辨率為0.02mm，工作臺(tái)范圍為X=175mm、Y=175mm，最大移動(dòng)速度為0.5m/min，傳動(dòng)元件選用普通絲杠螺母副傳動(dòng)，工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)材料選用鋁材（加工方便、價(jià)格便宜、系統(tǒng)空載運(yùn)行）。通過開發(fā)這套模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，來模擬數(shù)控銑床工作臺(tái)X、Y軸的運(yùn)動(dòng)，對(duì)普通機(jī)床數(shù)控化改造和數(shù)控技術(shù)的研究有一定的現(xiàn)實(shí)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：
⑴可實(shí)現(xiàn)兩軸控制；
⑵可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)坐標(biāo)方向的直線插補(bǔ)、斜線插補(bǔ)及二次曲線的插補(bǔ)（圓弧、拋物線等）；
⑶空載運(yùn)行，以及其他功能。
本著設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，開發(fā)費(fèi)用低，功能齊全的原則，選擇與之相關(guān)的元器件并對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析、比較和論證。
1．單片機(jī)選擇
8031單片機(jī)是集CPU、I/O口及部分RAM為一體的控制器，其性能特點(diǎn)如下：
⑴價(jià)格低、功能全、體積小，具有良好的性能價(jià)格比；
⑵編程靈活性大、開發(fā)手段齊全、硬件資源豐富、支持的應(yīng)用軟件多；
⑶在國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。
8031芯片內(nèi)部具有128字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM，內(nèi)部的地址為00H～7FH，CPU對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(jìn)行訪問。這128字節(jié)單元可作為數(shù)據(jù)緩沖器、堆棧和工作寄存器。但應(yīng)用片內(nèi)的RAM往往不夠，故外接6264芯片來擴(kuò)展8031的RAM存儲(chǔ)器。8031是一個(gè)無ROM / EPROM的單片機(jī)，必須擴(kuò)展程序存儲(chǔ)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(shè)備連接，但因外設(shè)較多，不能滿足需要，所以在應(yīng)用系統(tǒng)中還要在8031外接一片8155芯片來擴(kuò)展I/O口。
8031為40引腳的雙列直插式器件，有4個(gè)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(jīng)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(shù)據(jù)總線由P0口提供，這樣數(shù)據(jù)總線和地址總線共用，ALE為地址鎖存允許，當(dāng)送低八位地址時(shí)，使ALE有效并鎖存到74LS373中，當(dāng)送數(shù)據(jù)時(shí)ALE無效。
2.存儲(chǔ)器選擇
在選擇存儲(chǔ)器時(shí)，要考慮到CPU與存儲(chǔ)器的時(shí)序匹配，即8031所能讀取時(shí)間必須大于存儲(chǔ)器所要求的讀取時(shí)間，此外還需要考慮最大讀出速度、工作溫度及存儲(chǔ)器容量。在滿足要求的同時(shí)，應(yīng)盡量選擇大容量的芯片，以減少芯片數(shù)量，使系統(tǒng)簡(jiǎn)化。
2764芯片是一種高速，容量為8KB的EPROM存儲(chǔ)器電路，讀出時(shí)間為250ns，而8031選用的晶振頻率則為6MHz，讀取時(shí)間為480ns，滿足要求。2764為28引腳器件，其中A0～A12為13位地址線，D0～D7為8位數(shù)據(jù)線。6264芯片是容量為8KB的RAM存儲(chǔ)器，集成度很高，該芯片的讀取時(shí)間為200ns，也為28引腳器件，其中A0～A12為13位地址線，D0～D7為8位數(shù)據(jù)線。
3.I/O接口芯片
8155芯片是一個(gè)通用的接口電路，具有一片多功能的特點(diǎn)，片內(nèi)提供的功能：
⑴兩個(gè)可編程8位并行口A、B和6位并行口C；
⑵256字節(jié)的靜態(tài)RAM；
⑶一個(gè)14位減法定時(shí)器/計(jì)數(shù)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(kuò)展的三個(gè)并行接口用于連接鍵盤、顯示器等外部設(shè)備，這樣的電路簡(jiǎn)單，能達(dá)到設(shè)計(jì)功能的要求。
4.步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路
步進(jìn)電機(jī)是一種用脈沖信號(hào)控制的電機(jī)。在負(fù)載能力和動(dòng)態(tài)性能范圍內(nèi)，步進(jìn)電機(jī)將來自數(shù)控裝置的進(jìn)給脈沖輸出，電動(dòng)機(jī)的角位移與脈沖控制數(shù)成正比，轉(zhuǎn)速與控制脈沖頻率成正比。因此，步進(jìn)電機(jī)已成為經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床中最主要的一種動(dòng)力元件。
數(shù)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(jìn)電機(jī)各相繞組，使各相繞組按照預(yù)先規(guī)定的控制方式通電或斷電，以控制步進(jìn)電機(jī)的正傳或反轉(zhuǎn)。所謂脈沖分配器，其作用是實(shí)現(xiàn)脈沖分配，通過硬件或軟件實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。經(jīng)脈沖分配器輸出的脈沖未經(jīng)放大時(shí)電流很小，而步進(jìn)電機(jī)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(jìn)行功率放大才能驅(qū)動(dòng)電機(jī)。如圖3功率放大電路：
圖3功率放大電路
脈沖信號(hào)經(jīng)功率放大器放大后控制步進(jìn)電機(jī)各相繞組。由于步進(jìn)電機(jī)需要的驅(qū)動(dòng)電壓較高，電流引起強(qiáng)電干擾，輕則影響計(jì)算機(jī)程序正常運(yùn)行，重則導(dǎo)致計(jì)算機(jī)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(jù)以上論述，由脈沖分配器、功率放大電路、光電隔離電路構(gòu)成了步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路。如圖5為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路原理圖：
同時(shí)在機(jī)床數(shù)控化改造中，還應(yīng)考慮到時(shí)鐘電路、復(fù)位電路等。
總而言之，該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以由中央處理器8031單片機(jī)、一片只讀存儲(chǔ)器2764、一片靜態(tài)存儲(chǔ)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(shè)計(jì)成為由8255芯片控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，由8155芯片控制鍵盤輸入和顯示器輸出；也可以由8031單片機(jī)直接控制步進(jìn)電機(jī)，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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能要求，但以上前兩種芯片較多、連線復(fù)雜，故采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的由8031單片機(jī)作為主控制系統(tǒng)，2764芯片、6264芯片對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行擴(kuò)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(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單且開發(fā)費(fèi)用低，基本滿足實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)功能要求。
5.軟件設(shè)計(jì)
在微機(jī)控制系統(tǒng)中，除硬件設(shè)備外，還必須配備一定的軟件。軟件包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩部分。軟件是微機(jī)系統(tǒng)中樞，系統(tǒng)的各個(gè)部分都是在軟件指揮下進(jìn)行協(xié)調(diào)工作的。系統(tǒng)軟件是由制造廠提供的，是計(jì)算機(jī)進(jìn)行工作的基本組成部分；應(yīng)用軟件是根據(jù)使用的場(chǎng)合由用戶自行編制的，這些軟件包括：完成某種計(jì)算所編制的程序；面向生產(chǎn)過程所編制的程序；以及生產(chǎn)管理程序。這些控制軟件應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)功能的要求而設(shè)計(jì)，采用模塊化、自頂向下的設(shè)計(jì)原則，應(yīng)使軟件可靠的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各種功能，并同時(shí)編制脈沖分配器、直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)程序，插補(bǔ)程序是數(shù)控系統(tǒng)中一種脈沖分配計(jì)算，合理的分配計(jì)算能保證數(shù)控機(jī)床連續(xù)的軌跡運(yùn)動(dòng)。在直線或圓弧輪廓加工中，需要X向、Y向驅(qū)動(dòng)電機(jī)同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)，合成所需的運(yùn)動(dòng)軌跡，一個(gè)脈沖只能沿著坐標(biāo)軸進(jìn)給一步，這個(gè)距離成為脈沖當(dāng)量。本次對(duì)插補(bǔ)程序的設(shè)計(jì)采用逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)原理，即進(jìn)給機(jī)構(gòu)每進(jìn)給一步，計(jì)算坐標(biāo)位置和它與理想直線（曲線）的偏差，根據(jù)偏差的正負(fù)來確定下一步X向或Y向電機(jī)的走向，使進(jìn)給電機(jī)向減少偏差的方向進(jìn)給。與此同時(shí)編制脈沖分配器程序框圖，完成數(shù)控銑床工作臺(tái)仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的基本功能。
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