-基于单片机的车床刀架控制系统(MCS-51) 的设计

1、成都工业学院成教院毕业论文（设计） （基于单片机的车床刀架控制系统(MCS-51) 的设计）成都工业学院成教院毕 业 设 计（论 文）论文题目： 基于单片机的车床刀架控制系统(MCS-51) 的设计教 学 点： 重庆 学院指导老师： 职 称： 讲师 学生姓名： # 学 号: 专 业： 机电一体化技术 成都工业学院成教院制二一四年三月二十一日成都工业学院成教院毕业设计（论文）任务书 题目： 基于单片机的车床刀架控制系统(MCS-51) 的设计 任务与要求：以MCS-51系列8031单片机为控制核心的总体改造设计方案模型； ,微机数控系统硬件组成与软件设计及工作流程；实现并增强其自动化加工、稳定质

2、量、提高工效和适用性。 时间： 2013年 11月 28 日 至 2014 年 4 月 17 日 共 20 周教 学 点： 重庆科创职业学院学生姓名： 学 号： 专 业: 机电一体化技术指导单位或教研室： 重庆 学院指导教师： 职 称： 讲师成都工业学院成教院制毕业设计(论文)进度计划表日 期工 作 内 容执 行 情 况指导教师签 字2013.11.28-2013.12.20查找资料，选题2013.12.22-2014.1.31完成论文的初稿2014.2.1-2014.3.15完成论文二稿的写作2014.3.16-2014.4.5完成论文的终稿及格式修改2014.4.6-2014.4.20定稿

3、，打印论文，做好评阅的准备2014.4.21-2014.4.25论文评阅教师对进度计划实施情况总评 签名 年 月 日 本表作评定学生平时成绩的依据之一。摘 要了解数控机床的概念，所谓数字控制是按照含有机床(刀具)运动信息程序所指定的顺序自动执行操作的过程。数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术 ,而数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品 ,其技术范围覆盖很多领域。而计算机数控机床就是数控机床在计算机监控下进行工作。它的优点很多,可以在同一机床上一次装夹可完成多个操作，生产率显著提高等优点，但它的价格昂贵。由于本文论述了选择PHIL

4、PS公司的89C58微控制器，采用I/O接口向系统 各部分发出各种命令，同时对车床的参数进行巡回监测、数据处理以及控制计算、逻辑判断，使机床的X、Z轴的动作精度得到控制、刀架实现自动切换。并利用包括显示器、键盘等人机交互设备使得程序设计功能得以实现。新一代的设计系统这类典型机电一体化产品正朝着高性能、智能化、系统化以及轻量、微型化方向发展。关键词：单片机、异步电机、普通车床 、单片机、控制系统ABSTRACT Understand the concept of numerical control machine tool, the so-called digital control is ac

5、cording to contain machine tool (cutter) movement information program automatically perform specified order operation process.Numerical control technology is to use digital information to mechanical motion and working process control technology, and numerical control equipment is new technology repr

6、esented by numerical control technology to the traditional manufacturing industry and emerging manufacturing the penetration of electromechanical integration products, its technological range covers many fields.And the computer numerical control machine tool is the numerical control machine tool in

7、computer work under surveillance.Its many advantages, can be in the same machine last clamping can complete multiple operations, significantly higher productivity advantages, but it's expensive.Because of the paper discusses the choice PHILPS company 89 c58 microcontroller, the I/O interface to

8、the system by using the part of the various commands, at the same time making a monitoring of the parameters of the lathe, data processing and control calculation, logic, make the X, Z axis motion precision of the machine tool control, tool carrier automatic switch.And use including display, keyboar

9、d and other interactive equipment makes programming function has been achieved.A new generation of this kind of typical electromechanical integration design system is moving toward the high performance products, intelligent, systematic and lightweight and miniaturization direction.Keywords:The MCS -

10、 51 single chipmicrocomputer、asynchronous motor、 ordinary lathe、single-chip microcomputer、the control system.目 录 第一章 绪论1第一节、对我国数控技术及其产业发展的基本估计1第二章 机械部分设计2第一节 确定系统脉冲当量2第二节 工作台外形尺寸及重量初步估算2第三节 滚动导轨副的计算、选择3第四节 滚珠丝杠计算、选择4第五节 齿轮计算、设计6第六节 步进电机惯性负载的计算7第七节 步进电机的选用8第三章 数控系统设计10第四章 系统控制软件的设计11第一节.系统控制软件的主要内容11

11、第二节.软件设计11第三节编语言程序设计14结束语18谢 辞19参考文献20 第一章 绪 言第一节、对我国数控技术及其产业发展的基本估计我国数控技术起步于1958年,近50年的发展历程大致可分为三个阶段：第一阶段从1958年到1979年,即封闭式发展阶段。在此阶段,由于国外的技术封锁和我国的基础条件的制,数控技术的发展较为缓慢。第二阶段是在国家的“六五”、“七五”期间以及“八五”的前期,即引进技术,消化吸收,初步建立起国产化体系阶段。在此阶段,由于改革开放和国家的重视,以及研究开发环境和国际环境的改善,我国数控技术的研究、开发以及在产品的国产化方面都取得了长足的进步。第三阶段是在国家的“八五”

12、的后期和“九五”期间,即实施产业化的研究,进入市场竞争阶段。一、对我国数控技术和产业化发展的战略思考(1)、战略考虑。我国是制造大国,在世界产业转移中要尽量接受前端而不是后端的转移,所以,我们应站在国家安全战略的高度来重视数控技术和产业问题。首先从社会安全看,因为制造业是我国就业人口最多的行业,制造业发展不仅可提高人民的生活水平,而且还可缓解我国就业的压力 (2)、发展策略。从我国基本国情的角度出发,以国家的战略需求和国民经济的市场需求为导向,以提高我国制造装备业综合竞争能力和产业化水平为目标,用系统的方法,选择能够主导21世纪初期我国制造装备业发展升级的关键技术以及支持产业化发展的支撑技术、

13、配套技术作为研究开发的内容,实现制造装备业的跨跃式发展。强调市场需求为导向,即以数控终端产品为主,以整机如量大面广的数控车床、铣床、高速高精高性能数控机床、曲型数字化机械、重点行业关键设备等带动数控产业的发展。 二、数控技术的发展趋势。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,他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。从目前世界上数控技术及其装备发展的趋势来看,其主要有以下几个方面: 20第二章 机械部分设计机械部分设计内容包括：确定系统脉冲当量，运动部件惯性的计算，选择步进电机，

14、传动及导向元件的设计、计算与选择，绘制机械部分装配图等。第一节 确定系统脉冲当量已知条件：定位精度：±0.01mm，滚珠丝杠及导轨使用寿命：T=15000h，中等冲工作台的有效行程为：，；快速进给速度为：，；和工作载荷 。脉冲当量是一个进给指令时工作台的位移量，应小于等于工作台的位置精度，由于定位精度为±0.01mm因此选择脉冲当量为0.01mm。第二节 工作台外形尺寸及重量初步估算根据给定的有效行程，画出工作台简图，估算X向和Y向工作台承载重量WX和WY。取X向导轨支撑钢球的中心距为410mm,Y向导轨支撑钢球的中心距为400mm,设计工作台简图如下:图2-1 工作台简图

15、X向拖板(上拖板)尺寸为: 长*宽*高=420×410×50重量:按重量=体积*材料比重估算为: = Y向拖板(下拖板)尺寸为:重量：=上导轨(含电机)重量为:夹具及工件重量约:155N;X-Y工作台运动部分总重量为:第三节 滚动导轨副的计算、选择根据给定的工作载荷Fz和估算的Wx和Wy计算导轨的静安全系数fSL=C0/P，式中：C0为导轨的基本静额定载荷，kN；工作载荷P=0.5(Fz+W)；fSL=1.03.0(一般运行状况)，3.05.0（运动时受冲击、振动）。根据计算结果查有关资料初选导轨：因系统受中等冲击,因此取 根据计算额定静载荷初选导轨，选择汉机江机床厂HJG

16、-D系列滚动直线导轨,其型号为:HJG-D25。表2-1 基本参数如下额定载荷/N静态力矩/N*M滑座重量导轨重量导轨长度动载荷静载荷L(mm)17500260001981982880.603.1760滑座个数单向行程长度每分钟往复次数M40.64导轨的额定动载荷:。依据使用速度v（m/min）和初选导轨的基本动额定载荷：(KN)验算导轨的工作寿命Ln：额定行程长度寿命:额定行程长度寿命:；, , , ； 导轨的额定工作时间寿命:；导轨的工作寿命为：；第四节 滚珠丝杠计算、选择初选丝杠材质：CrWMn钢，HRC5860，导程：l0=5mm；强度计算丝杠轴向力: (N)；其中：K=1.15，滚动

17、导轨摩擦系数f=0.0030005；在车床车削外圆时：Fx=(0.10.6)Fz，Fy=(0.150.7)Fz，可取Fx=0.5Fz，Fy=0.6Fz计算。取f=0.004,则:寿命值：，其中丝杠转速(r/min);最大动载荷：。式中：fW为载荷系数，中等冲击时为1.21.5；fH为硬度系数，HRC58时为1.0。查表得中等冲击时 ,则: 根据使用情况选择滚珠丝杠螺母的结构形式，其中额定动载荷为14205N>足够用滚珠循环方式为外循环螺旋槽式,预紧方式采用双螺母螺纹预紧形式。表2-2滚珠丝杠螺母副的几何参数的计算如下名称计算公式结果公称直径20mm螺距5mm接触角钢球直径3.175mm螺

18、纹滚道法向半径1.651mm偏心距0.04489mm螺纹升角螺杆外径19.365mm螺杆内径16.788mm螺杆接触直径17.755mm螺母螺纹外径23.212mm螺母内径（外循环）20.7mm（1）传动效率计算丝杠螺母副的传动效率为：式中：=10，为摩擦角；为丝杠螺旋升角。（2）稳定性验算丝杠两端采用止推轴承时不需要稳定性验算。（3）刚度验算滚珠丝杠受工作负载引起的导程变化量 ： (cm)；Y向所受牵引力大,故用Y向参数计算:丝杠受扭矩引起的导程变化量很小，可忽略不计。导程变形总误差为：E级精度丝杠允许的螺距误差=15um/m。第五节 齿轮计算、设计 因步进电机步距角:，滚珠丝杠螺距t=5m

19、m,要实现脉冲当,在传动系统中应加一对齿轮降速传动齿轮传动比：；初选步进电机步距角：=1.5/step。取小齿轮齿数；则大齿轮齿数因传递的扭距较小,取模数m=1mm；则:分度圆直径:；齿顶圆直径: 齿根圆直径: 齿宽: ,当 取, 中心距: 分度圆压力角: 大小齿轮均采用渐开线标准圆柱齿轮；小齿轮采用两片薄齿轮错齿排列以消除间隙。第六节 步进电机惯性负载的计算根据等效转动惯量的计算公式，有：（1）等效转动惯量的计算，折算到步进电机轴上的等效负载转动惯量为：式中：为折算到电机轴上的惯性负载；为步进电机轴的转动惯量；为齿轮的转动惯量；为齿轮的转动惯量；为滚珠丝杠的转动惯量；为移动部件的质量。对钢材

20、料的圆柱零件可以按照下式进行估算：；式中为圆柱零件直径，为圆柱零件的长度。所以有：电机轴的转动惯量很小，可以忽略，所以有：第七节 步进电机的选用 设步进电机的等效负载力矩为，负载力为，根据能量守恒原理，电机所做的功与负载力所做的功有如下的关系：;式中为电机转角，为移动部件的相应位移，为机械传动的效率。若取，则，且 。所以：式中： 为移动部件负载（N），G为移动部件质量（N）， 为与重力方向一致的作用在移动部件上的负载力（N），为导轨摩擦系数， 为步进电机的步距角（rad）,T为电机轴负载力矩（N.cm）。取 =0.3（淬火钢滚珠导轨的摩擦系数），0.8，= =279.23。考虑到重力影响，向电

21、机负载较大，因此1200；所以有：考虑到启动时运动部件惯性的影响，则启动转矩：取系数为0.3，则：；对于工作方式为三相拍的步进电机：()步进电机的最高工作频率：为使电机不产生失步空载启动频率要大于最高运行频率,同时电机最大静转矩要足够大,查表选择两个90BF001型三相反应式步进电机。表2-3 电机有关参数如下型号主要技术参数 相数步距角电压（V） 电流(A)最大静转(n.m)空载启动频率空载运行频率分配方式 90BF001 4 0.98073.92200080004相8拍外形尺寸(mm)重量kg转子转动惯量K收g.m外直径长度轴直径9014594.51764第三章 数控系统设计一、机床数控系

22、统硬件电路设计该系统选用系列的作为主控制器。扩展存储电路为2732EPROM和一片6264RAM。程序存储器扩展为，数据存储器扩展为。的片选控制端直接接地，该电路始终处于选中状态。系统复位以后，CPU从0000H开始执行监控程序。6264的片选端由译码器（74LS138）的Y2输出提供。所以6264的空间地址为40000。 键盘与显示器设计在一起，8155的PC口担任键盘的列线及显示器的扫描控制；PB口的PB0PB3为键盘的行线。8031的P1口为显示器的字形输出口。该系统采用4X6共24个行列式键盘和6位8段共阴极LED显示器。为了增加数码管显示亮度，分别在字形口和字位口加74LS07进行驱

23、动。 PB口剩余的I/O线PB4PB7分别作为工作台+X，+Y，-X，-Y四个方向的行程限位控制信号。在软件设计上8155的PA口，PC口设置为输出，PB口设置为输入。计算机随时巡回检测PB4PB7的电平，当某I/O线为0时，应立即停止X，Y向电机的驱动，并发出报警信号。另外，光电隔离器的输出端必须采用隔离电源。隔离电源选用7805三端集成稳压器设计。第四章 系统控制软件的设计第一节.系统控制软件的主要内容系列单片机是集中，端口及部分等为一体的功能性很强的控制器。只需增加少量外围元件就可以构成一个完整的微机控制系统，并且开发手段齐全，指令系统功能强大，编程灵活，硬件资料丰富。本次设计选用芯片作

24、为主控芯片。数控系统是按照事先编好的控制程序来实现各种控制功能。按照功能可将数控系统的控制软件分为以下几个部分：1、系统管理程序：它是控制系统软件中实现系统协调工作的主体软件。其功能主要是司机受操作者的命令，执行命令，从命令处理程序到管理程序接收命令的环节，使系统处于新的等待操作状态。2、零件加工源程序的输入处理程序。该程序完成从外部I/O设备输入零件加工源程序的任务。3、插补程序。根据零件加工源程序进行插补，分配进给脉冲。4、伺服控制程序。根据插补运算的结果或操作者的命令控制伺服电机的速度，转角以及方向。5、诊断程序。包括移动不见移动超界处理，紧急停机处理，系统故障诊断，查错等功能。6、机床

25、的自动加工及手动加工控制程序。7、键盘操作和显示处理程序。包括监视键盘操作，显示加工程序、机床工作状态、操作命令等信息。 第二节.软件设计一.系统控制功能分析数控X-Y工作台的控制功能包括：（1）、系统初始化。如对I/O接口8155，8255A进行必要的初始化工作，预置接口工作方式控制字。（2）、工作台复位。开机后工作台应该自动复位，亦可手动复位。（3）、输入和显示加工程序。（4）、监视按键，键盘及开关。如监视紧急停机键及行程开关，键盘扫描等功能。（5）、工作台超程显示与处理。工作台位移超过规定值时应该立即停止工作台的运动，并显示相应的指示字符。（6）、工作台的自动控制。（7）、工作台的手动控

26、制。（8）、工作台的联动控制。二.系统管理程序控制管理称许是系统的主程序，开机后即进入管理程序。其主要功能是接受和执行操作者的命令。在设计管理程序时，应确定接收命令的形式，系统的各种操作功能等。数控X-Y工作台的基本操作功能有：输入加工程序，自动加工，刀位控制，工作台位置控制，手动操作，紧急停机等。根据以上分析，设计管理程序流程图如下所示：开 始系统初始化床复位 加工程输入按键下？加工数据输入自动加工键按下？自动加工 N N Y手动加工 键按下？ 手动调整 N Y Y 图4-1 管理程序流程图三.自动加工程序设计（1）机床在自动加工时的动作顺序：工作台移动到位刀具快速进给加工退刀工作台运动到下

27、一位置；（2）计算机在加工过程中的操作：读取刀具轨迹，控制机床完成加工；（3）由以上分析，设计自动加工程序框图如下所示：入 口零件坐标地址指 读零件坐标调步进电机子程序工作台移动到位刀具快进 加 工 快速退刀 零件坐标地 址指针加1零件加工完成 N Y返回 图4-2 自动加工程序框图四. 步进电机控制子程序：在程序中，设置加速，恒速，减速脉冲计数器N0，N1，N2。以计数器的值是否为0作为相应过程是否结束的标志。步进电机控制程序框图如下所示： 开 始中断初始化设时间常数地址指针 首地址指向1000H加速 减速 脉冲计数器赋初值恒速送时间常数至计数器中开中断 启动定时器 N返 回关中断？Y 图4

28、-3 控制程序框图第三节编语言程序设计（1）内存地址分配加速脉冲数计数器N0地址设为20H；恒速脉冲数计数器N1低8位字节地址为21H，高8位字节地址位22H；减速脉冲数计数器N2地址位23H。加速，减速，恒速脉冲总数寄存器N低位字节地址位24H，高位字节地址位25H；步进电机进给控制子程序FEED首地址位0E80H。每调用一次该程序，步进电机按规定方向进给一步。（2）程序清单:N0 EQU 20H;加速;N1L EQU 21H;恒速;N1H EQU 22H ;N2 EQU 23H；减速;NL EQU 24H;脉冲总数寄存器;NH EQU 25H;DS EQU 26H；地址指针偏移量;FEED

29、 EQU 0E80H;ORG 0E00H;0E00 758160 START： MOV P，#60H;0E03 758901 MOV TMOD，#01H ；设计数器工作方式为1，16位定时器;0E06 75201B MOV N0，#01A4H；设N0为3200E09 75231B MOV N2，#1A4H;0E0C E520 MOV A ，N0；计算2XN0;0E0E 23 RL A;0E0F F8 MOV R0， A;0E10 C3 CLR C；计算N1=N-2N0;0E11 E524 MOV A， NL;0E13 98 SUBB A， R0;0E14 F521 MOV N1L， A;0E1

30、6 E525 MOV A， NH;0E18 9400 SUBB A，#00H;0E1A F522 MOV N1H，A; 0E2 93 MOVC A，A+DPTR;0E2A F58C MOV TH0，A;0E2C 0526 INC DS;0E2E D2AF SETB EA；开中断允许;0E30 D2A9 SETB ET0；允许定时器0中断;0E32 D28C SETB TR0；启动定时器0开始计算;0E34 20AFFD WAIT,JB EA，WAIT；中断允许返回;0E37 22 RET;中断服务程序： ORG 000BH;000B 02F00 LJMP 0F00H;0F00 93 MOVC

31、A，A+DPTR;0F03 F58A MOV TL0，A;0F05 0526 INC DS;0F07 E526 MOV A，DS;0F09 93 MOVC A，A+DPTR;0F0A F58C MOV TH0，A;0F0C 0526 INC DS；修改地址偏移量指针;0F0E D180 ACALL FEED；调FEED子程序;0F10 E520 MOV A， N0；判断N0是否为0;0F12 B400 CJNE A， #00H， LOOP1;0F15 E52 MOV A，N1H；判断N1是否为0;0F17 B40010 CJNE A，#00H， LOOP2;0F1A E522 MOV A，N1H;0F1C B4000B CJNE A，#00H，LOOP2;0F1F E523 MOVA，N2判断N2是否为0;0F21 B40014 CJNE A，#00H，LOOP3;0F24 C2AF CLR EA；N2为0，减速结束，关中断;0F26 32 RETI;0F27 1520 LOOP1：DEC N0；N0不为0，则N0N0-1;0F29 32 RETI;0F2A E521 LOOP2： MOVA，N1L；N1不为0，则N1N1-1;0F2C C3 CLRC;0F2D 9401 SUBBA，#01H;0F2F F521 MOV N1L， A;0F31 E