模块化设计数控机床结构运动仿真系统的建模

1、【摘要】数控车床在工业自动化控制中有着广泛的应用数控车床的控制系统也随着计算机的不断推广而得到进一步优化本文就是一篇关于数控车床控制系统的设计论文它首先概述了数控车床在当今信息工业社会中所扮演的重要角色以及它的发展概况然后通过对数控车床工作原理的阐述引出了几种数控车床控制系统的方案论证其中包括了过去长用的数控车床系统，及现代常用的微计算机控制系统通过这几种方案的比较，确定了由单片机控制步进电机转速的系统设计方案并逐一介绍了系统的硬件电路及软件程序设计其中在硬件电路中对8031及其外部扩展电路，光电耦合器电路，功率放大电路等几部分的功能及特性进行了详细的描述及参数分析而软件部分则进行程序设计且每

2、个汇编程序都附有程序流程图，内容详尽本文还涉及到51系列单片机应用设计，计算机接口技术，模拟电路等几门课程的基础理论最后通过实验来验证该系统的正确性与可操作性 技术要求：主控采用单片机控制，刀台用两台步进电机实现XY平面的自动加工， 加工精度：误差0.01mm完成方案的设计、论证、包括：硬件设计、软件设计关键字：数控车床 单片机 控制linear cutting线切割 electrical sparkle电火花CNC lathe electrical designAbstractThe CNC lathe have got the extensive application in indust

3、ry automate control. A control system for CNC lathe also expands continuously along with the computer but get further excellent turn. This text is a design for concerning CNC lathe controling system thesis. It said an important role for CNC lathe in now information industry society playing at first.

4、 And it of development general situation. Then pass to a project for CNC lathe working principle expatiating derivation a few controling system argument. Among them included to pass by system of progressive concle, and modern in common use microcomputer control system. Comparison them and then make

5、sure the plan that use microcomputer to control it. And combined to introduce hardware circuit and software designs of the system one by one. In hardware circuit, to the 8031 and its peripheral expands circuit, the photo coupler circuit and power amplifier circuit etc. Several part of functionses an

6、d characteristics proceeded to describe detailedly and parameter analysis. But the software part example proceed the procedure design. And each one assembler collected flow chart, the contents is detailed. This text still involves the foundation of some subject which are 51 microcomputer application

7、 design in serieses, the computer interfacing and analogous circuit in etc.Pass the experiment finally to the accuracy that verify that system and maneuverability. Requirements of technology: the main control used by 8031 control , the cutter station used by two stepping engine to achieve X-Y flatne

8、ss auto-manufacture, the precision of manufacture: tolerance 0.01mmThe design and thesis of document including: hardware design and software design. KeyWord：CNC lathe microcomputer control目录第一章 数控车床概述 11.1 数控车床的分类 11.2 数控车床的基本结构 11.3 数控车床的现状与发展趋势 2第二章 单片机系统部分组成 42.1 概述 42.2 8031的内部结构 42.2.1 8031的引脚

9、52.2.2 8031的程序存储器 62.2.3 8031的数据存储器 72.3 工作方式 72.4.程序存储器的扩展设计 82.4.1 程序存储器的扩展 82.4.2 数据存储器的扩展 92.5 时钟电路 102.6 复位和看门狗 11第三章 控制电路的设计 123.1主电路设计 123.2 并行接口电路 123.3上位机接口 133.4键盘及显示电路 143.4.1 8279概述 143.4.2引脚说明与接口电路 143.4.3 时序 153.5 检测部分 光栅传感器的应用 16第四章 软件设计 18总结 25致谢 26参考文献 27附录 硬件原理图 28附录 流程图 29第一章 数控车床

10、概述1.1 数控车床的分类数控车床可分为卧式和立式两大类。卧式车床又有水平导轨和倾斜导轨两种。档次较高的数控卧车一般都采用倾斜导轨。按刀架数量分类，又可分为单刀架数控车床和双刀架数控车，前者是两坐标控制，后者是4坐标控制。双刀架卧车多数采用倾斜导轨。数控车床与普通车床一样，也是用来加工零件旋转表面的。一般能够自动完成外圆柱面、圆锥面、球面以及螺纹的加工，还能加工一些复杂的回转面，如双曲面等。车床和普通车床的工件安装方式基本相同，为了提高加工效率，数控车床多采用液压、气动和电动卡盘。数控车床的外形与普通车床相似，即由床身、主轴箱、刀架、进给系统压系统、冷却和润滑系统等部分组成。数控车床的进给系统

11、与普通车床有质的区别，传统普通车床有进给箱和交换齿轮架，而数控车床是直接用伺服电机通过滚珠丝杠驱动溜板和刀架实现进给运动，因而进给系统的结构大为简化。(1)立式数控车床 立式数控车床简称为数控立车，其车床主轴垂直于水平面，一个直径很大的圆形工作台，用来装夹工件。这类机床主要用于加工径向尺寸大、轴向尺寸相对较小的大型复杂零件。(2)卧式数控车床 卧式数控车床又分为数控水平导轨卧式车床和数控倾斜导轨卧式车床。其倾斜导轨结构可以使车床具有更大的刚性，并易于排除切屑。1.2 数控车床的基本结构 随着近代计算机技术和自动控制、精密测量等科学技术的发展，出现了适应生产发展要求的机电一体化的新型自动化机床数

12、控机床。数控机床的组成见图1-1。主要用来切削回转类零件的数控机床称为数控车床。数控车床集中了普通卧式车床、转塔车床、多刀车床、自动和半自动车床等车削功能，是数控机床中应用最广的品种之一。 数控机床与普通机床相比，增加了功能，提高了效率，简化了机械结构。其性能对比如表1-1所示。表1-1 数控机床与普通机床的相比主要性能 数控机床 普通机床对异形复杂零件的加工性 适宜 不适宜对加工精度的保证性 易保证 较困难对精度补偿和优化控制 能实现 不能实现对加工质量的稳定性 稳定 不稳定对加工对象更改的方便性 方便 差些加工效率 高 低对机床操作管理 可多机看管 只能一人一机经费投资 大 较小对工人的文

13、化素质要求 高 较低1.3 数控车床的现状与发展趋势数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，它对国计民生的一些重要行业(IT、汽车、轻工、医疗等)的发展起着越来越重要的作用，因为这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。当前数控车床呈现以下发展趋势。 1.高速、高精密化高速、精密是机床发展永恒的目标。随着科学技术突飞猛进的发展，机电产品更新换代速度加快，对零件加工的精度和表面质量的要求也愈来愈高。为满足这个复杂多变市场的需求，当前机床正向高速切削、干切削和准干切削方向发展，加工精度也在不断地提高。另一方面，电主

14、轴和直线电机的成功应用，陶瓷滚珠轴承、高精度大导程空心内冷和滚珠螺母强冷的低温高速滚珠丝杠副及带滚珠保持器的直线导轨副等机床功能部件的面市，也为机床向高速、精密发展创造了条件。数控车床采用电主轴，取消了皮带、带轮和齿轮等环节，大大减少了主传动的转动惯量，提高了主轴动态响应速度和工作精度，彻底解决了主轴高速运转时皮带和带轮等传动的振动和噪声问题。采用电主轴结构可使主轴转速达到10000r/min以上。2.高可靠性数控机床的可靠性是数控机床产品质量的一项关键性指标。数控机床能否发挥其高性能、高精度和高效率，并获得良好的效益，关键取决于其可靠性的高低。3.数控车床设计CAD化、结构设计模块化随着计算

15、机应用的普及及软件技术的发展，CAD技术得到了广泛发展。CAD不仅可以替代人工完成繁琐的绘图工作，更重要的是可以进行设计方案选择和大件整机的静、动态特性分析、计算、预测及优化设计，可以对整机各工作部件进行动态模拟仿真。在模块化的基础上在设计阶段就可以看出产品的三维几何模型和逼真的色彩。采用CAD，还可以大大提高工作效率，提高设计的一次成功率，从而缩短试制周期，降低设计成本，提高市场竞争能力。4.功能复合化功能复合化的目的是进一步提高机床的生产效率，使用于非加工辅助时间减至最少。通过功能的复合化，可以扩大机床的使用范围、提高效率，实现一机多用、一机多能，即一台数控车床既可以实现车削功能，也可以实

16、现铣削加工；或在以铣为主的机床上也可以实现磨削加工。宝鸡机床厂已经研制成功的CX25Y数控车铣复合中心，该机床同时具有X、Z轴以及C轴和Y轴。通过C轴和Y轴，可以实现平面铣削和偏孔、槽的加工。该机床还配置有强动力刀架和副主轴。副主轴采用内藏式电主轴结构，通过数控系统可直接实现主、副主轴转速同步。该机床工件一次装夹即可完成全部加工，极大地提高了效率。5.智能化21世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统。智能化的内容包括在数控系统中的各个方面：为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如加工过程的自适应控制，工艺参数自动生成；为提高驱动性能及使用连接方面的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动

17、识别负载自动选定模型、自整定等；简化编程、简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程、智能化的人机界面等；还有智能诊断、智能监控等方面的内容，以方便系统的诊断及维修等。模块化设计数控机床结构运动仿真系统的建模1 前言 随着国内近年来汽车工业的发展，机械产品品种和规格的更新速度不断加快，要求交货及时，以传统的组合机床或专用机床进行大批量生产已无法满足发展的需要，现代设计思想便应运而生。模块化设计思想产生以来，国内外对其研究和应用均有许多进展。日本的Y.Ito,Y.Yoshida等提出分级模块的概念和用GT码来描述机床结构。德国P.Dietz研究了解决不同尺寸模块之间的组合问题。前苏联的D.Vrag

18、oo和Y.Saito研究了机床总体布局中的模块编码问题。国内陈敏贤等对机床模块化设计与计算机技术的结合进行了理论探讨。华中理工大学的胡维刚等开发了机床模块化设计智能知识系统。针对制造业面临的竞争激烈、动态多变的市场，以应标竞争为主要目的，模块化设计数控机床结构运动仿真系统(简称SDSS)将模块化设计思想用于机床的工程设计中，将模块化机床的工程设计、工业设计和运动仿真纳入一个完整的计算机辅助设计系统。其中集成是关键，而系统建模定义了系统在整个生命周期中的所有数据，保证了集成的顺利实现。 近年来，特征技术的研究非常活跃，无论是基于特征的CAD，基于特征的CAPP，还是基于特征的产品建模系统，都以特

19、征为基本信息单元和操作单元。特征已成为设计和制造过程的通讯媒介，也是CAD/CAM集成的重要元素。国内90年代造型技术的研究主要集中在三维实体造型和特征造型方面，如实体造型中的几何约束问题、基于特征的三维参数化造型等。SDSS系统采用特征建模。 为使读者具有一个整体概念，给出SDSS系统工作流程图，如图1所示。系统采用AutoCAD提供的开发工具ADS和Borland C，Turbo C以及3DS为底层支持软件。 图1 系统工作流程2 机床模块的划分 机床的模块化设计包含两个过程，一是如何根据设计要求进行功能抽象、合理创建模块的过程，二是如何根据设计要求合理选择一组模块、产生机床拼装

20、方案的过程。其中模块的创建问题是模块化设计的核心，而模块的划分则是首先需要解决的问题。 2.1 机床模块的划分原则 进行模块化设计，首先必须把产品划分成若干模块，再以模块为基本单元进行设计。模块必须具有可互换性、通用性和标准化的特点。因此，模块划分的合理性对模块化产品的性能、外观以及模块的通用化程度和成本均有很大影响。本文的模块划分是以功能分解为基础的，机床的功能分解细化到何种程度是模块划分的关键。若将零件级确定为最基层模块，通用性则高，却失去模块设计的意义；而功能综合程度过高，又会影响模块拼装时的柔性。本文借鉴同行的研究，参考组合机床的部件划分原则，并结合工厂实际，确定模块划分原则如下： (

21、1)独立性原则。包括相对于其它模块的功能独立和结构独立，有助于模块系列化发展，以实现纵系列机床设计。其中拼装结合面的连接方式和连接要素应实现标准化和系列化，以保证模块间拼装的可能性和互换性。 (2)部件原则。组合机床的拆分主要遵循部件原则，以保证结构的相对独立。 (3)组件原则。对功能综合程度过高的部件进一步进行功能分解，将组件模块化。 (4)基础件原则。基础件功能和结构比较独立，例如床身、立柱等，其材质大都为铸件或焊接件，生产加工周期长，影响产品迅速改型。采用同一类型的联接为基础，建立接口标准化、通用化的基础件模块，可以在较低成本的前提下最经济地配生出各式各样的产品。 2.2 基于功能分解的

22、数控机床的模块划分 产品充其量是功能的载体，顾客购买的实质上是一种或多种功能，因此，功能分析是工程设计的一种重要手段，也是模块化设计的基础。功能分析法是通过分析用户对产品的要求而确定总功能，然后对总功能进行分解，按分级方法直到最后分解出功能元。根据解法原理对功能元求解，得到功能元的原理解，即最基础模块。功能元的原理解通过选择、变异形成其上一级的分功能的原理解的备选方案，将其进行合理组合，寻求整体方案最优。其中形态学矩阵是表达以上工作的一种较为清晰的形式。 本文根据模块划分原则，并参考机床厂多年实践经验，利用功能分析方法，建立数控机床模块划分通用模型。对卧式加工中心进行了概念上的分解和综合后，得

23、到八种功能模块(第一级)和十八种分功能模块(第二级)，由此得到的模块具有功能独立、结构互换和结构分级的特点。此外，各个模块(或分模块)并不是隶属于某一类机床(或模块)的，可跨类使用。 3 系统模型的特征分析 为实现系统中各个子系统的集成，系统模型包括模块模型和机床拼装模型。 3.1 模块特征分析 在对大量模块进行特征分析的基础上，提出了基于特征的满足结构运动仿真要求的模块特征层次树的概念，如图2所示。模块是在功能分析的基础上划分的，模块模型的其它几方面均为实现该功能服务，机床拼装时对模块的选择也是根据模块功能特征进行的。从各个功能的几何实现角度提取功能形状特征。图2 模块特征层次树3.2 机床

24、的拼装特征分析 模块所具有的拼装特性，使选用大量标准模块和少量扩充模块拼装成满足用户要求的机床成为可能。图3为对机床的拼装特征的分析。其中联系特征指具有装配关系的模块的信息，如模块名称及其拓扑关系等。装配几何特征和方位面特征是拼装的核心，为保证拼装模型和模块模型的一致性，其具体内容从模块模型中部分提取。之所以不全部接受模块模型信息，是因为模块模型具有通用性，因而其设计中不可避免存在信息的冗余。图3 机床的拼装特征分析4 系统模型的创建与实现 4.1 模型结构 在特征层次树的基础上建立系统模型。 为实现模型的计算机支持，模型必须满足： (1)描述方法的可读性。可读性既要使人能准确理解其中内容，又具有能被计算机理解的形式化程序，有利于计算机应用程序的生成。使用形式化的数据和规范化语言来描述，消除二义性。 (2)描述方式的集成性。定义了产品在整个