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單片機
單片機即單片微型計算機，是把中央處理器、存儲器、定時/計數(shù)器、輸入輸出接口都集成在一塊集成電路芯片上的微型計算機。與應(yīng)用在個人電腦中的通用型微處理器相比，它更強調(diào)自供應(yīng)（不用外接硬件）和節(jié)約成本。它的最大優(yōu)點是體積小，可放在儀表內(nèi)部，但存儲量小，輸入輸出接口簡單，功能較低。由于其發(fā)展非常迅速，舊的單片機的定義已不能滿足，所以在很多應(yīng)用場合被稱為范圍更廣的微控制器，但是目前在中國大陸仍多沿用“單片機”的稱呼。
絕大多數(shù)現(xiàn)在的單片機都是基于馮·諾伊曼結(jié)構(gòu)的，這種結(jié)構(gòu)清楚地定義了嵌入式系統(tǒng)所必需的四個基本部分：一個中央處理器核心，程序存儲器（只讀存儲器或者閃存）、數(shù)據(jù)存儲器（隨機存儲器），一個或者更多的定時/計時器，還有用來與外圍設(shè)備以及擴展資源進行通信的輸入/輸出端口——所有這些都被集成在單個集成電路芯片上。說單片機與通用型中央處理單元芯片不同是因為前者一般很容易配合最小型的外部支持芯片制成工作計算機。這樣就可以很容易的把單片機系統(tǒng)植入裝置內(nèi)部來控制裝置了。近年來為了在指令和數(shù)據(jù)上使用不同的字寬，并提高處理器流水線速度，哈佛結(jié)構(gòu)在微控制器和DSP也逐漸得到了廣泛的應(yīng)用。
傳統(tǒng)的微處理器是不允許這么做的。它要完成單片機的工作，就必須連接一些其他芯片。比如說，因為片上沒有數(shù)據(jù)存儲器，就必須要添加一些RAM的存儲芯片，雖然所添加存儲器的容量很靈活，但是至少還是要添加，另外還需要添加很多連線來傳遞芯片之間的數(shù)據(jù)。 比如，一個典型的微控制器只需要一個時鐘發(fā)生器和很少的RAM和ROM(或者EPROM, E2PROM)就可以在軟件和晶振下工作了。同時，微控制器具有豐富的輸入輸出設(shè)備，像是模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換(ADC)，定時器，串口或者其他串行通訊接口(比如I2C，串行外圍接口(SPI),控制器局域網(wǎng))。通常，這些繼承在內(nèi)部的設(shè)備可以通過特殊的指令來操作。
一些現(xiàn)代的微控制器支持一些內(nèi)建的高級編程語言，比如BASIC語言。
早期的單片機都是8位或4位的。其中最成功的是INTEL的8031，因為簡單可靠而性能不錯獲得了很大的好評。此后在8031上發(fā)展出了MCS51系列單片機系統(tǒng)?；谶@一系統(tǒng)的單片機系統(tǒng)直到現(xiàn)在還在廣泛使用。隨著工業(yè)控制領(lǐng)域要求的提高，開始出現(xiàn)了16位單片機，但因為性價比不理想并未得到很廣泛的應(yīng)用。90年代后隨著消費電子產(chǎn)品大發(fā)展，單片機技術(shù)得到了巨大的提高。隨著INTEL i960系列特別是后來的ARM系列的廣泛應(yīng)用，32位單片機迅速取代16位單片機的高端地位，并且進入主流市場。而傳統(tǒng)的8位單片機的性能也得到了飛速提高，處理能力比起80年代提高了數(shù)百倍。目前，高端的32位單片機主頻已經(jīng)超過300MHz，性能直追90年代中期的專用處理器，而普通的型
號出廠價格跌落至1美元，最高端的型號也只有10美元。當(dāng)代單片機系統(tǒng)已經(jīng)不再只在裸機環(huán)境下開發(fā)和使用，大量專用的嵌入式操作系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用在全系列的單片機上。而在作為掌上電腦和手機核心處理的高端單片機甚至可以直接使用專用的Windows和Linux操作系統(tǒng)。
單片機比專用處理器最適合應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)，因此它得到了最多的應(yīng)用。事實上單片機是世界上數(shù)量最多的計算機。現(xiàn)代人類生活中所用的幾乎每件電子和機械產(chǎn)品中都會集成有單片機。手機、電話、計算器、家用電器、電子玩具、掌上電腦以及鼠標(biāo)等電腦配件中都配有1-2部單片機。而個人電腦中也會有為數(shù)不少的單片機在工作。汽車上一般配備40多部單片機，復(fù)雜的工業(yè)控制系統(tǒng)上甚至可能有數(shù)百臺單片機在同時工作！單片機的數(shù)量不僅遠超過PC機和其他計算的綜合，甚至比人類的數(shù)量還要多。
單片機學(xué)習(xí)應(yīng)中的五大重要部分：
一、總線：我們知道，一個電路總是由元器件通過電線連接而成的，在模擬電路中，連線并不成為一個問題，因為各器件間一般是串行關(guān)系，各器件之間的連線并不很多，但計算機電路卻不一樣，它是以微處理器為核心，各器件都要與微處理器相連，各器件之間的工作必須相互協(xié)調(diào)，所以就需要的連線就很多了，如果仍如同模擬電路一樣，在各微處理器和各器件間單獨連線，則線的數(shù)量將多得驚人，所以在微處理機中引入了總線的概念，各個器件共同享用連線，所有器件的8根數(shù)據(jù)線全部接到8根公用的線上，即相當(dāng)于各個器件并聯(lián)起來，但僅這樣還不行，如果有兩個器件同時送出數(shù)據(jù)，一個為0，一個為1，那么，接收方接收到的究竟是什么呢？這種情況是不允許的，所以要通過控制線進行控制，使器件分時工作，任何時候只能有一個器件發(fā)送數(shù)據(jù)（可以有多個器件同時接收）。器件的數(shù)據(jù)線也就被稱為數(shù)據(jù)總線，器件所有的控制線被稱為控制總線。在單片機內(nèi)部或者外部存儲器及其它器件中有存儲單元，這些存儲單元要被分配地址，才能使用，分配地址當(dāng)然也是以電信號的形式給出的，由于存儲單元比較多，所以，用于地址分配的線也較多，這些線被稱為地址總線。
二、數(shù)據(jù)、地址、指令：之所以將這三者放在一起，是因為這三者的本質(zhì)都是一樣的——數(shù)字，或者說都是一串‘0’和‘1’組成的序列。換言之，地址、指令也都是數(shù)據(jù)。指令：由單片機芯片的設(shè)計者規(guī)定的一種數(shù)字，它與我們常用的指令助記符有著嚴格的一一對應(yīng)關(guān)系，不可以由單片機的開發(fā)者更改。地址：是尋找單片機內(nèi)部、外部的存儲單元、輸入輸出口的依據(jù)，內(nèi)部單元的地址值已由芯片設(shè)計者規(guī)定好，不可更改，外部的單元可以由單片機開發(fā)者自行決定，但有一些地址單元是一定要有的（詳見程序的執(zhí)行過程）。數(shù)據(jù)：這是由微處理機處理的對象，在各種不同的應(yīng)用電路中各不相同，一般而言，被處理的數(shù)據(jù)可能有這么
幾種情況：
1、地址（如MOV DPTR，#1000H），即地址1000H送入DPTR。
2、方式字或控制字（如MOV TMOD，#3），3即是控制字。
3、常數(shù)（如MOV TH0，#10H）10H即定時常數(shù)。
4、實際輸出值（如P1口接彩燈，要燈全亮，則執(zhí)行指令：MOV P1，#0FFH，要燈全暗，則執(zhí)行指令：MOV P1，#00H）這里0FFH和00H都是實際輸出值。又如用于LED的字形碼，也是實際輸出的值。
理解了地址、指令的本質(zhì)，就不難理解程序運行過程中為什么會跑飛，會把數(shù)據(jù)當(dāng)成指令來執(zhí)行了。
三、P0口、P2口和P3的第二功能用法：初學(xué)時往往對P0口、P2口和P3口的第二功能用法迷惑不解，認為第二功能和原功能之間要有一個切換的過程，或者說要有一條指令，事實上，各端口的第二功能完全是自動的，不需要用指令來轉(zhuǎn)換。如P3.6、P3.7分別是WR、RD信號，當(dāng)微片理機外接RAM或有外部I/O口時，它們被用作第二功能，不能作為通用I/O口使用，只要一微處理機一執(zhí)行到MOVX指令，就會有相應(yīng)的信號從P3.6或P3.7送出，不需要事先用指令說明。事實上‘不能作為通用I/O口使用’也并不是‘不能’而是（使用者）‘不會’將其作為通用I/O口使用。你完全可以在指令中按排一條SETB P3.7的指令，并且當(dāng)單片機執(zhí)行到這條指令時，也會使P3.7變?yōu)楦唠娖?，但使用者不會這么去做，因為這通常這會導(dǎo)致系統(tǒng)的崩潰。
四、程序的執(zhí)行過程： 單片機在通電復(fù)位后8051內(nèi)的程序計數(shù)器（PC）中的值為‘0000’，所以程序總是從‘0000’單元開始執(zhí)行，也就是說：在系統(tǒng)的ROM中一定要存在‘0000’這個單元，并且在‘0000’單元中存放的一定是一條指令。
五、堆棧：堆棧是一個區(qū)域，是用來存放數(shù)據(jù)的，這個區(qū)域本身沒有任何特殊之處，就是內(nèi)部RAM的一部份，特殊的是它存放和取用數(shù)據(jù)的方式，即所謂的‘先進后出，后進先出’，并且堆棧有特殊的數(shù)據(jù)傳輸指令，即‘PUSH’和‘POP’，有一個特殊的專為其服務(wù)的單元，即堆棧指針SP，每當(dāng)執(zhí)一次PUSH指令時，SP就（在原值的基礎(chǔ)上）自動加1，每當(dāng)執(zhí)行一次POP指令，SP就（在原值的基礎(chǔ)上）自動減1。由于SP中的值可以用指令加以改變，所以只要在程序開始階段更改了SP的值，就可以把堆棧設(shè)置在規(guī)定的內(nèi)存單元中，如在程序開始時，用一條MOV SP，#5FH指令，就時把堆棧設(shè)置在從內(nèi)存單元60H開始的單元中。一般程序的開頭總有這么一條設(shè)置堆棧指針的指令，因為開機時，SP的初始值為07H，這樣就使堆棧從08H單元開始往后，而08H到1FH這個區(qū)域正是8031的第二、三、四工作寄存器區(qū)，經(jīng)常要被使用，這會造成數(shù)據(jù)的混亂。不同作者編寫程序時，初始化堆棧指令也不完全相同，這是作者的習(xí)慣問題。當(dāng)設(shè)置好堆
棧區(qū)后，并不意味著該區(qū)域成為一種專用內(nèi)存，它還是可以象普通內(nèi)存區(qū)域一樣使用，只是一般情況下編程者不會把它當(dāng)成普通內(nèi)存用。
東華理工大學(xué)長江學(xué)院
文獻綜述
畢業(yè)設(shè)計題目 基于單片機控制X-Y工作臺機電系統(tǒng)設(shè)計
學(xué)生姓名： 歐陽昌馳
學(xué) 號： 08315114
專 業(yè)： 機械電子工程
系 別： 機電工程系
指導(dǎo)教師： 萬智輝
教學(xué)科研部
二○一一年 九月
前言：
數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用不但給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來了革命性的變化,使制造業(yè)成為工業(yè)化的象征,而且隨著數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的擴大,它對國計民生的一些重要行業(yè)IT、汽車、輕工、醫(yī)療等的發(fā)展起著越來越重要的作用。從目前世界上數(shù)控技術(shù)及其裝備發(fā)展的趨勢來看 ,其主要研究熱點有以下幾個方面:
(1)高速、高精加工技術(shù)及裝備的新趨勢
效率、質(zhì)量是先進制造技術(shù)的主體。高速、高精加工技術(shù)可極大地提高效率,提高產(chǎn)品的質(zhì)量和檔次 ,縮短生產(chǎn)周期和提高市場競爭能力。從 EMO2001 展會情況來看,高速加工中心進給速度可達 80m/min ,甚至更高,空運行速度可達100m/min左右。目前世界上許多汽車廠,包括我國的上海通用汽車公司,已經(jīng)采用以高速加工中心組成的生產(chǎn)線部分替代組合機床。在加工精度方面,近 10 年來,普通級數(shù)控機床的加工精度已由10提高到5,精密級加工中心則從3～5,提高到1～1.5并且超精密加工精度已開始進入納米級0.1。為了實現(xiàn)高速、高精加工,與這配套的功能部件如電主軸、直線電機得到了快速的發(fā)展 ,應(yīng)用領(lǐng)域進一步擴大。
(2) 智能化、開放式、網(wǎng)絡(luò)化成為當(dāng)代數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢
21世紀(jì)的數(shù)控裝備將是具有一定智能化的系統(tǒng),智能化的內(nèi)容包括在數(shù)控系統(tǒng)中的各個方面:為追求加工效率和加工質(zhì)量方面的智能化,如加工過程的自適應(yīng)控制,工藝參數(shù)自動生成;為提高驅(qū)動性能及使用連接方便的智能化,如前饋控制、電機參數(shù)的自適應(yīng)運算、自動識別負載自動選定模型、自整定等。數(shù)控系統(tǒng)開放化已經(jīng)成為數(shù)控系統(tǒng)的未來之路。所謂開放式數(shù)控系統(tǒng)就是數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)可以在統(tǒng)一的運行平臺上,面向機床廠家和最終用戶,通過改變、增加或剪裁結(jié)構(gòu)對象 數(shù)控功能 ,形成系列化,并可方便地將用戶的特殊應(yīng)用和技訣竅集成到控制系統(tǒng)中 ,快速實現(xiàn)不同品種、不同檔次的開放式數(shù)控系統(tǒng),形成具有鮮明個性的名牌產(chǎn)品。目前開放數(shù)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)規(guī)范、通信規(guī)范、配置規(guī)范、運行平臺、數(shù)控系統(tǒng)功能庫以及數(shù)控系統(tǒng)功能軟件開發(fā)工具等是當(dāng)前研究的核心。網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控裝備是近兩年國際著名機床博覽會的一個新亮點。數(shù)控裝備的網(wǎng)絡(luò)化將極大地滿足生產(chǎn)線、制造系統(tǒng)、制造企業(yè)對信息集成的需求,也是實現(xiàn)新的制造模式如敏捷制造、虛擬企業(yè)、全球制造的基礎(chǔ)單元 ,反映了數(shù)控機床加工向網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展的趨勢。
1. X-Y數(shù)控工作臺簡介
X-Y數(shù)控工作臺機電系統(tǒng)設(shè)計是一個開環(huán)控制系統(tǒng),其結(jié)構(gòu)簡單.實現(xiàn)方便而且能夠保證一定的精度.降低成本,是單片機控制技術(shù)的最簡單的應(yīng)用.它充分的利用了單片機的軟件硬件功能以實現(xiàn)對機床的控制;使機床的加工范圍擴大,精度和可靠性進一步得到提高。本課題研究涉及機械原理、機械設(shè)計、機械制圖、機電一體化、單片機工作原理、數(shù)控技術(shù)等方面的相關(guān)內(nèi)容。
2.單片機的基本概念
單片機又稱單片微控制器,它不是完成某一個邏輯功能的芯片,而是把一個計算機系統(tǒng)集成到一個完整的集成在電路芯片上。盡管他的大部分功能集成在一塊小芯片上，但是它具有一個完整計算機所需要的大部分部件。具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時器/計時器等功能。
3.單片機的基本結(jié)構(gòu)
單片機組成：中央處理器、存儲器、I/O設(shè)備。
（2）存儲器：物理實質(zhì)是一組或多組具備數(shù)據(jù)輸入/輸出和數(shù)據(jù)存儲功能的集成電路，用于充當(dāng)設(shè)備緩存或保存固定的程序及數(shù)據(jù)。
A、ROM（只讀存儲器）：一般用于存放固定的程序或數(shù)據(jù)表格等，數(shù)據(jù)在掉電后仍然會保留下來。
B、RAM（隨機存儲器）：用于暫存程序和數(shù)據(jù)、中間計算結(jié)果，或用作堆棧用等，數(shù)據(jù)在掉電后就會丟失。
（3）I/O端口：單片機與外界聯(lián)系的通道，它可以對各類外部信號（開關(guān)量、模擬量、頻率信號）進行檢測、判斷、處理，并可控制各類外部設(shè)備?，F(xiàn)在的單
（1） 片機I/O口已經(jīng)集成了更多的特性和功能，對I/O端口的功能進行了拓展和復(fù)用，例如外部中斷、ADC檢測以及PWM輸出等等。
4.單片機的工作原理
單片機自動完成賦予它的任務(wù)的過程，也就是單片機執(zhí)行程序的過程，即一條條執(zhí)行的指令的過程，所謂指令就是把要求單片機執(zhí)行的各種操作用的命令的形式寫下來，這是在設(shè)計人員賦予它的指令系統(tǒng)所決定的，一條指令對應(yīng)著一種基本操作；單片機所能執(zhí)行的全部指令，就是該單片機的指令系統(tǒng)，不同種類的單片機，其指令系統(tǒng)亦不同。為使單片機能自動完成某一特定任務(wù)，必須把要解決的問題編成一系列指令（這些指令必須是選定單片機能識別和執(zhí)行的指令），這一系列指令的集合就成為程序，程序需要預(yù)先存放在具有存儲功能的部件——存儲器中。存儲器由許多存儲單元（最小的存儲單位）組成，就像大樓房有許多房間組成一樣，指令就存放在這些單元里，單元里的指令取出并執(zhí)行就像大樓房的每個房間的被分配到了唯一一個房間號一樣，每一個存儲單元也必須被分配到唯一的地址號，該地址號稱為存儲單元的地址，這樣只要知道了存儲單元的地址，就可以找到這個存儲單元，其中存儲的指令就可以被取出，然后再被執(zhí)行。程序通常是順序執(zhí)行的，所以程序中的指令也是一條條順序存放的，單片機在執(zhí)行程序時要能把這些指令一條條取出并加以執(zhí)行，必須有一個部件能追蹤指令所在的地址，這一部件就是程序計數(shù)器PC（包含在CPU中），在開始執(zhí)行程序時，給PC賦以程序中第一條指令所在的地址，然后取得每一條要執(zhí)行的命令，PC在中的內(nèi)容就會自動增加，增加量由本條指令長度決定，可能是1、2或3，以指向下一條指令的起始地址，保證指令順序執(zhí)行。
5.數(shù)控銑床的主要功能
（1）點位控制功能： 數(shù)控銑床的點位控制主要用于工件的孔加工，如中心鉆定位、鉆孔、擴孔、锪孔、鉸孔和鏜孔等各種孔加工操作。
（2）連續(xù)控制功能 通過數(shù)控銑床的直線插補、圓弧插補或復(fù)雜的曲線插補運動，銑削加工工件的平面和曲面。
（3）刀具半徑補償功能： 如果直接按工件輪廓線編程，在加工工件內(nèi)輪廓時，實際輪廓線將大了一個刀具半徑值;在加工工件外輪廓時，實際輪廓線又小了一個刀具半徑值。使用刀具半徑補償?shù)姆椒?，?shù)控系統(tǒng)自動計算刀具中心軌跡，使刀具中心偏離工件輪廓一個刀具半徑值，從而加工出符合圖紙要求的輪廓。利用刀具半徑補償?shù)墓δ埽淖兊毒甙霃窖a償量，還可以補償?shù)毒吣p量和加工誤差，實現(xiàn)對工件的粗加工和精加工。
（4）刀具長度補償功能 改變刀具長度的補償量，可以補償?shù)毒邠Q刀后的長度偏差值，還可以改變切削加工的平面位置，控制刀具的軸向定位精度。
固定循環(huán)加工功能 應(yīng)用固定循環(huán)加工指令，可以簡化加工程序，減少編程的工作量。
（5）子程序功能 如果加工工件形狀相同或相似部分，把其編寫成子程序，由主程序調(diào)用，這樣簡化程序結(jié)構(gòu)。引用子程序的功能使加工程序模塊化，按加工過程的工序分成若干個模塊，分別編寫成子程序，由主程序調(diào)用，完成對工件的加工。這種模塊式的程序便于加工調(diào)試，優(yōu)化加工工藝。
（6） 特殊功能 在數(shù)控銑床上配置仿形軟件和仿形裝置，用傳感器對實物掃描及采集數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后自動生成NC程序，進而實現(xiàn)對工件的仿形加工，實現(xiàn)反向加工工程?？傊渲靡欢ǖ能浖陀布?，能夠擴大數(shù)控銑床的使用功能?！ ?
6. 數(shù)控銑床加工范圍
平面加工 數(shù)控機床銑削平面可以分為對工件的水平面(XY)加工，對工件的正平面(XZ)加工和對工件的側(cè)平面(YZ)加工。只要使用兩軸半控制的數(shù)控銑床就能完成這樣平面的銑削加工。
2)曲面加工 如果銑削復(fù)雜的曲面則需要使用三軸甚至更多軸聯(lián)動的數(shù)控銑床?！ ?
7. 數(shù)控銑床的裝備
（1）夾具 數(shù)控銑床的通用夾具主要有平口鉗、磁性吸盤和壓板裝置。對于加工中、大批量或形狀復(fù)雜的工件則要設(shè)計組合夾具，如果使用氣動和液壓夾具，通過程序控制夾具，實現(xiàn)對工件的自動裝缷，則能進一步提高工作效率和降低勞動強度。
?。?）刀具 常用的銑削刀具有立銑刀、端面銑刀、成形銑刀和孔加工刀具。
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畢業(yè)實習(xí)報告
實習(xí)是每一個畢業(yè)生必經(jīng)的一段經(jīng)歷，它使我們在實踐中了解社會，鞏固知識，實習(xí)又是對每一位畢業(yè)生專業(yè)知識的一種檢驗，它讓我們學(xué)到了很多在課堂上根本學(xué)不到的知識，既開闊了視野，又增長了見識，為我們真正走向社會打下了堅實的基礎(chǔ)，也是我們走向工作崗位的第一步。
實習(xí)單位介紹：中航工業(yè)江西洪都航空工業(yè)集團有限責(zé)任公司（簡稱中航工業(yè)洪都）是新中國第一架飛機的誕生地，創(chuàng)建于1951年，原名為南昌飛機制造公司，前身為國營洪都機械廠，為我國“一五”時期156項重點建設(shè)項目之一。根據(jù)企業(yè)發(fā)展的需要，1998年改制組建了以洪都集團公司為核心，擁有24個成員企業(yè)和1個國家級企業(yè)技術(shù)中心，是集科研、生產(chǎn)和經(jīng)營為一體的大型企業(yè)集團。企業(yè)現(xiàn)隸屬于中國航空工業(yè)集團公司，擁有員工萬余人，是國家重點支持的520家大型企業(yè)和國家 “重合同守信用”企業(yè)之一。
實習(xí)過程介紹：
(1)了解過程
剛進入公司的時候，車間里的一切對我來說都是陌生的。車間里的工作環(huán)境也不怎么好，呈現(xiàn)在眼前的一幕幕讓人的心中不免有些茫然，即將在這較艱苦的環(huán)境中工作3個月。第一天進入車間開始工作時，所在小組的組長、技術(shù)員給我安排工作任務(wù)，分配給我的任務(wù)是先熟悉CAD和UG軟件的應(yīng)用，并了解機床的一些基本操作。然后按照技術(shù)員教我的方法，運用操作工具開始慢慢學(xué)著加工該產(chǎn)品，在加工的同時注意操作流程及有關(guān)注意事項等。畢業(yè)實習(xí)的第一天，我就在這初次的工作崗位上加工產(chǎn)品，體驗首次在社會上工作的感覺。在工作的同時慢慢熟悉車間的工作環(huán)境。
一開始我對車間里的各項規(guī)章制度，安全生產(chǎn)操作規(guī)程及工作中的相關(guān)注意事項等都不是很了解，于是我便閱讀實習(xí)單位下發(fā)給我們的員工手冊，向小組里的員工同事請教了解工作的相關(guān)事項，通過他們的幫助，我對車間的情況及開機生產(chǎn)產(chǎn)品、加工產(chǎn)品等有了一定的了解。車間的工作實行五天八小時制，車間的所有員工都必須遵守該上、下班制度。
(2)摸索過程
經(jīng)過幾天工作后，開始慢慢能適應(yīng)這個全新的工作環(huán)境，工作期間每天按時到廠上班，上班工作之前先到指定地點等待小組組長集合員工開會強調(diào)工作中的有關(guān)事項，同時給我們分配工作任務(wù)。明確工作任務(wù)后，則要做一下工作前的準(zhǔn)備工作，于是我便到我們小組的工具存放區(qū)找來一些工作中需要用到的相關(guān)用具。在機臺位置上根據(jù)員工作業(yè)指導(dǎo)書上的操作流程進行正常作業(yè)，另外在工作中，機器生產(chǎn)出的產(chǎn)品有時會出現(xiàn)異常。出現(xiàn)上述情況時，要及時告知小組組長、技術(shù)員，讓他們幫助解決出現(xiàn)的問題，小組長、技術(shù)員通過對機器的調(diào)節(jié)讓生產(chǎn)出的產(chǎn)品恢復(fù)正常，符合檢驗的要求。
在工作期間有些產(chǎn)品的加工難度較大。剛開始加工起來還真棘手的，加工效率不高，加工出來的產(chǎn)品質(zhì)量也不怎么的。讓人苦惱的，于是我便向小組里的員工同事交流，向他們請教簡單快速的加工方法與技巧。運用他們介紹的操作方法技巧慢慢學(xué)著加工這有難度的產(chǎn)品，從中體會加工產(chǎn)品的效果。同時在加工中選擇適合的加工工具，也有利于提高工作的效率。在平時工作過程中也要不斷摸索出生產(chǎn)、加工產(chǎn)品的有效方法和技巧。有時在開關(guān)機生產(chǎn)、加工產(chǎn)品時，對產(chǎn)品應(yīng)該怎樣包裝不明白，此時，我便向員工同事學(xué)習(xí)，向他們請教正確效率的生產(chǎn)加工方式，另外也可以詢問評管(質(zhì)檢員)，按評管提供的要求進行生產(chǎn)加工。
(3)實際操作
經(jīng)過一段時間開機生產(chǎn)、加工產(chǎn)品的學(xué)習(xí)，我對車間產(chǎn)品的零件制圖、生產(chǎn)加工的整個流程已有了一個較詳細的了解與熟悉。對有些常加工的產(chǎn)品也比較熟悉了，對不良產(chǎn)品的識別力也有所提高了，生產(chǎn)、加工產(chǎn)品的效率也在不斷提高。上班期間，聽從小組長的安排，接受小組長分配的工作任務(wù)，在自己的工作區(qū)認真地進行作業(yè)。當(dāng)出現(xiàn)一些小的問題和困難時，先自己嘗試著去解決，而當(dāng)問題較大自己獨自難以解決時，則向小組長、技術(shù)員反映情況，請求他們幫助解決。在他們的幫助下，出現(xiàn)的問題很快就被解決了，我有時也學(xué)著運用他們的方法與技巧去處理些稍簡單的問題，慢慢提高自己解決處理問題的能力。在解決處理問題的過程中也不斷摸索出解決機器小故障的方法途徑。這樣從而讓我在工作時的自信心不斷增強，對工作的積極性也有所提高。
在所開的機器不出現(xiàn)大的故障的情況下，在確保產(chǎn)品質(zhì)量的基礎(chǔ)上盡自己的努力提高工作的效率。盡量讓生產(chǎn)出的產(chǎn)品數(shù)量達到班產(chǎn)要求的數(shù)量，以便完成生產(chǎn)任務(wù)。每次下班之前，將自己工作區(qū)域內(nèi)的衛(wèi)生打掃干凈，垃圾放入垃圾袋中并放到相應(yīng)的位置，把工作桌面和地面上的物品用具收拾擺放好。
實習(xí)體會：
在實習(xí)過程中，我充分的了解到實踐的重要性。通過學(xué)習(xí)，對自己專業(yè)有了更為詳盡而深刻的了解，也是對學(xué)校所學(xué)知識的鞏固與運用。從這次實踐中，我體會到了實際的工作與書本上的知識是有一定距離的，并且需要進一步的學(xué)習(xí)。只有把學(xué)到的理論知識和具體的實踐工作相結(jié)合，我們才能更好的為公司乃至社會服務(wù)。
對學(xué)校開設(shè)課程的建議：
在校學(xué)生往往重視理論課的學(xué)習(xí)，而忽視實際動手操作能力的培養(yǎng)，學(xué)校應(yīng)加強各種實驗課，實踐課，增強學(xué)生的實際操作能力。
學(xué)校的教育，對理論知識的教育是很豐富和完善的，但在實踐操作方面，則缺乏深入，系統(tǒng)的教育，使得學(xué)生的動手能力不是很強，學(xué)校應(yīng)在這方面完善。
實習(xí)收獲：
實習(xí)期間，我對實習(xí)工廠的車間生產(chǎn)、加工產(chǎn)品的整個操作流程有一個較完整的了解和熟悉。實習(xí)中，我拓寬了自己的知識面，學(xué)習(xí)了很多學(xué)校以外的知識，甚至在學(xué)校難以學(xué)到的東西。我學(xué)會了運用所學(xué)的知識解決處理簡單問題的方法與技巧，學(xué)會了與員工同事相處溝通的有效方法途徑。積累了處理人際關(guān)系問題的經(jīng)驗方法，同時我體驗到了社會工作的艱苦性，通過實習(xí)，讓我在社會中磨練了自己，也鍛煉了意志力，訓(xùn)練了自己的動手操作能力，提升了自己的實踐技能，積累了社會工作的簡單經(jīng)驗，為以后工作也打下了一點基礎(chǔ)。
東華理工大學(xué)長江學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計開題報告
畢業(yè)設(shè)計題目 基于單片機控制X-Y工作臺機電系統(tǒng)設(shè)計
學(xué)生姓名： 歐陽昌馳
學(xué) 號： 08315114
專 業(yè)： 機械電子工程
系 別： 機電工程系
指導(dǎo)教師： 萬智輝
教學(xué)科研部
二○一一年 九月
1、課題研究的意義、國內(nèi)外有關(guān)本課題的研究動態(tài)和自己的見解
隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，極大地推動了不同學(xué)科的滲透，促進了工程領(lǐng)域的技術(shù)改革。由于計算機技術(shù)和微電子技術(shù)的迅速發(fā)展并被機械工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用從而形成了機電一體化，使得機械工業(yè)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、技術(shù)結(jié)構(gòu)、功能和生產(chǎn)管理體系發(fā)生了巨大的變化，也使得工業(yè)生產(chǎn)從“機械電氣化”邁進了“機電一體化”的發(fā)展階段。
X-Y數(shù)控工作臺是很多機電一體化設(shè)備的基本部件，比如數(shù)控銑床、數(shù)控鉆床的X-Y工作臺。X-Y數(shù)控工作臺通常是由導(dǎo)軌座、移動滑塊、滾珠絲桿螺母副及伺服電動機等部件構(gòu)成。伺服電動機主要是用于驅(qū)動滾珠絲桿，滾珠絲桿螺母驅(qū)動滑塊和工作臺在指定的導(dǎo)軌上運動，從而完成工作臺在XY兩個方向的直線運動。
現(xiàn)在大部分使用的數(shù)控銑床都是集機械制造、自動控制、電子技術(shù)、傳感技術(shù)、計算機技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)于一體的典型機電一體化產(chǎn)品。
2.國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r
數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用不但給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來了革命性的變化,使制造業(yè)成為工業(yè)化的象征,而且隨著數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的擴大,它對國計民生的一些重要行業(yè)IT、汽車、輕工、醫(yī)療等的發(fā)展起著越來越重要的作用。從目前世界上數(shù)控技術(shù)及其裝備發(fā)展的趨勢來看 ,其主要研究熱點有以下幾個方面:
(1)高速、高精加工技術(shù)及裝備的新趨勢
效率、質(zhì)量是先進制造技術(shù)的主體。高速、高精加工技術(shù)可極大地提高效率,提高產(chǎn)品的質(zhì)量和檔次 ,縮短生產(chǎn)周期和提高市場競爭能力。從 EMO2001 展會情況來看,高速加工中心進給速度可達 80m/min ,甚至更高,空運行速度可達100m/min左右。目前世界上許多汽車廠,包括我國的上海通用汽車公司,已經(jīng)采用以高速加工中心組成的生產(chǎn)線部分替代組合機床。在加工精度方面,近 10 年來,普通級數(shù)控機床的加工精度已由10提高到5,精密級加工中心則從3～5,提高到1～1.5并且超精密加工精度已開始進入納米級0.1。為了實現(xiàn)高速、高精加工,與這配套的功能部件如電主軸、直線電機得到了快速的發(fā)展 ,應(yīng)用領(lǐng)域進一步擴大。
(2) 智能化、開放式、網(wǎng)絡(luò)化成為當(dāng)代數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢
21世紀(jì)的數(shù)控裝備將是具有一定智能化的系統(tǒng),智能化的內(nèi)容包括在數(shù)控系統(tǒng)中的各個方面:為追求加工效率和加工質(zhì)量方面的智能化,如加工過程的自適應(yīng)控制,工藝參數(shù)自動生成;為提高驅(qū)動性能及使用連接方便的智能化,如前饋控制、電機參數(shù)的自適應(yīng)運算、自動識別負載自動選定模型、自整定等。數(shù)控系統(tǒng)開放化已經(jīng)成為數(shù)控系統(tǒng)的未來之路。所謂開放式數(shù)控系統(tǒng)就是數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)可以在統(tǒng)一的運行平臺上,面向機床廠家和最終用戶,通過改變、增加或剪裁結(jié)構(gòu)對象 數(shù)控功能 ,形成系列化,并可方便地將用戶的特殊應(yīng)用和技訣竅集成到控制系統(tǒng)中 ,快速實現(xiàn)不同品種、不同檔次的開放式數(shù)控系統(tǒng),形成具有鮮明個性的名牌產(chǎn)品。目前開放數(shù)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)規(guī)范、通信規(guī)范、配置規(guī)范、運行平臺、數(shù)控系統(tǒng)功能庫以及數(shù)控系統(tǒng)功能軟件開發(fā)工具等是當(dāng)前研究的核心。網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控裝備是近兩年國際著名機床博覽會的一個新亮點。數(shù)控裝備的網(wǎng)絡(luò)化將極大地滿足生產(chǎn)線、制造系統(tǒng)、制造企業(yè)對信息集成的需求,也是實現(xiàn)新的制造模式如敏捷制造、虛擬企業(yè)、全球制造的基礎(chǔ)單元 ,反映了數(shù)控機床加工向網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展的趨勢。
3.本課題要研究的問題
X-Y數(shù)控工作臺機電系統(tǒng)設(shè)計是一個開環(huán)控制系統(tǒng),其結(jié)構(gòu)簡單.實現(xiàn)方便而且能夠保證一定的精度.降低成本,是單片機控制技術(shù)的最簡單的應(yīng)用.它充分的利用了單片機的軟件硬件功能以實現(xiàn)對機床的控制;使機床的加工范圍擴大,精度和可靠性進一步得到提高。本課題研究涉及機械原理、機械設(shè)計、機械制圖、機電一體化、單片機工作原理、數(shù)控技術(shù)等方面的相關(guān)內(nèi)容。
3、課題的設(shè)計方案
3.1設(shè)計方案比較
①數(shù)控機床導(dǎo)軌類型分為：滑動導(dǎo)軌、滾動導(dǎo)軌、靜壓導(dǎo)軌等類型。
在本設(shè)計中采用滾動導(dǎo)，其原因是：
a.靈敏度高，運動平穩(wěn)，低速移動時不易出現(xiàn)爬行現(xiàn)象；
b.定位精度高；
c.摩擦阻力小，移動輕便，磨損小，精度保持性好，壽命長。
②在傳動方面有齒輪傳動和滾珠絲桿傳動等類型。
在本設(shè)計中采用滾珠絲桿傳動，因為采用滾珠絲桿有一下優(yōu)點：
a.承載?。?
b.移動速度快；
c.噪音低；
d.定位精度高等。
③驅(qū)動系統(tǒng)有直線電動機、伺服電動機、步進電動機、開關(guān)磁阻電動機等，在經(jīng)濟數(shù)控機床上，考慮其成本和性能，通常采用開環(huán)步進電機，所以在本設(shè)計中選擇步進電機。
④在控制系統(tǒng)方面，可采用單片機和PLC進行控制，在本設(shè)計中采用的是MCS-51系列單片機，因為它價格低廉、性能優(yōu)越，完全能滿足本設(shè)計的要求。
3.2選型分析
①系統(tǒng)運動方式的確定
該系統(tǒng)要求工作臺沿各坐標(biāo)軸的運動有精確的運動關(guān)系因此采用連續(xù)控制方式。
②伺服系統(tǒng)的選擇
開環(huán)伺服系統(tǒng)在負載不大時多采用功率步進電機作為伺服電機.開環(huán)控制系統(tǒng)由于沒有檢測反饋部件，因而不能糾正系統(tǒng)的傳動誤差。但開環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)整維修容易，在速度和精度要求不太高的場合得到廣泛應(yīng)用。
閉環(huán)伺服系統(tǒng)具有裝在機床移動部件上的檢測反饋元件來檢測實際位移量，能補償系統(tǒng)的傳動誤差。因而伺服控制精度高。閉環(huán)系統(tǒng)多采用直流伺服電動機或交流伺服電動機驅(qū)動。閉環(huán)系統(tǒng)造價高，結(jié)構(gòu)和調(diào)試較復(fù)雜，多用于精度要求高的場合。
. 考慮到運動精度要求不高，為簡化結(jié)構(gòu)，降低成本，宜采用步進電機開環(huán)伺服系統(tǒng)驅(qū)動。
③計算機系統(tǒng)的選擇
采用MCS-51系列中的8051單片機擴展控制系統(tǒng)。MCS-51單片機的主要特點是集成度高，可靠性好，功能強，速度快，性價比高?？刂葡到y(tǒng)由微機部分、鍵盤及顯示器、I/O接口及光電隔離電路、步進功率放大電路等組成。系統(tǒng)的工作程序和控制命令通過鍵盤操作實現(xiàn)。
④X—Y工作臺的傳動方式
為保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性以及結(jié)構(gòu)的緊湊，采用滾珠絲杠螺母傳動副。為提高傳
動剛度和消除間隙，采用有預(yù)加載荷的結(jié)構(gòu)。
由于工作臺的運動部件重量和工作載荷不大，故選用滾動直線導(dǎo)軌副，從而減小工作臺
的摩擦系數(shù)，提高運動平穩(wěn)性。
考慮電機步距角和絲杠導(dǎo)程只能按標(biāo)準(zhǔn)選取，為達到分辨率0.01mm的要求，以及考慮步進電機負載匹配，采用齒輪減速傳動。
4、課題研究準(zhǔn)備情況（查閱參考文獻目錄、完成任務(wù)所具備的條件等）
學(xué)院擁有一支高素質(zhì)、高水平的教師隊伍?，F(xiàn)有專任教師366人，教師中有教授、副教授120人，外籍教師11人，中青年教師中具有博士學(xué)位13人、碩士學(xué)位132人。學(xué)院擁有各類實驗室51個，工程訓(xùn)練中心1個，校外實習(xí)基地22個, 并擁有眾多的高精尖儀器設(shè)備，如日本電子JXA8100電子探針，德國MAT253質(zhì)譜儀和多種型號的數(shù)控機床等。學(xué)院下設(shè)信息工程系、經(jīng)濟管理系、外語與文法系、機電工程系、資源與環(huán)境工程系，共21個本科專業(yè)，實現(xiàn)了以理工為主，文、管、經(jīng)、法、體、教多學(xué)科的協(xié)調(diào)發(fā)展。圖書館館舍面積達到19079平方米, 閱覽座位822個,周開館時間近100小時,館內(nèi)藏書328363冊(圖書為325850冊,光盤為2513張),年訂閱現(xiàn)刊412種,報紙66種;各種數(shù)據(jù)庫14個：萬方數(shù)據(jù)資源、重慶維普數(shù)據(jù)庫、人大光盤復(fù)印報刊資料、中國學(xué)術(shù)期刊、超星數(shù)字圖書館、世界科學(xué)、Springer、EBSCO、中圖鏈接、化學(xué)通報、資治法典、教育管理與執(zhí)法、多媒體教學(xué)、英語聽力和眾多免費數(shù)據(jù)庫。平均日接待讀者980人次,日圖書流通量達到1850本。
綜上所述，可以看到學(xué)校擁有雄厚的師資力量和教學(xué)資源，完全滿足我們課題設(shè)計研究的要求。
5、畢業(yè)設(shè)計（論文）總體安排和進度
進 度 安 排
序號
設(shè)計（論文）工作內(nèi)容
時間（起止周數(shù)）
1
調(diào)研，資料收集及整理；
2011.9.25---2011.10.1
2
分析文獻資料，準(zhǔn)備開題；
2011.10.2---2011.10.26
3
X-Y工作臺總體方案構(gòu)思；
2011.10.27---2011.11.5
4
確定X-Y工作臺的設(shè)計方案；
2011.11.6---2011.11.16
5
X-Y工作臺主要部件的選型和驗算；
2011.11.17---2011.11.23
6
X-Y工作臺控制系統(tǒng)的設(shè)計；
2011.11.24---2011.11.30
7
X-Y工作臺裝配圖及電氣原理圖的繪制；
2011.11.30---2011.12.30
8
資料、數(shù)據(jù)整理, 并修改畢業(yè)論文；
2011.12.31---2012.3.15
9
定稿, 準(zhǔn)備答辯。
2012.3.16---2012.6.4
學(xué)生簽名：歐陽昌馳
2011年 9月 24日
6、指導(dǎo)教師意見與建議
指導(dǎo)老師簽名：
年 月 日
東華理工大學(xué)長江學(xué)院
畢 業(yè) 設(shè) 計
題 目：基于單片機控制的X-Y工作臺機電系統(tǒng)設(shè)計
英文題目：Based on single chip microcomputer control of the X-Y workbench mechanical and electrical system design
學(xué)生姓名： 歐陽昌馳
學(xué) 號： 08315114
專 業(yè)： 機械電子工程
系 別： 機電工程系
指導(dǎo)教師： 萬智輝 職稱 講師
二零一二年六月
東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 摘要
摘 要
本設(shè)計主要是基于數(shù)控銑床工作原理，根據(jù)設(shè)計任務(wù)給定的工作尺寸設(shè)計一臺比較簡單的X-Y數(shù)控銑床工作臺。
首先，確定總體設(shè)計方案：其中主要對導(dǎo)軌副、絲杠螺母副、減速裝置的選用及控制系統(tǒng)的設(shè)計進行初步分析，再繪制總體方案圖。
其次，進行機械傳動部件的計算與選擇：主要進行導(dǎo)軌上移動部件的重量估算，銑削力的計算，直線滾動導(dǎo)軌副的計算與選型，滾珠絲杠螺母副的計算與選型，步進電機減速箱的選用，步進電動機的計算與選型。本部分作為此設(shè)計重點，進行了大量的分析、計算及驗算，最后得到滿足任務(wù)規(guī)定尺寸的工作要求。
接著，對X-Y工作臺的控制系統(tǒng)進行選擇。本設(shè)計主要選用8051單片機進行控制,并進行了簡單的匯編編程。
最后，控制系統(tǒng)的設(shè)計。此處主要通過進給傳動系統(tǒng)來對硬件電路進行設(shè)計,并繪制控制系統(tǒng)原理框圖；然后分析選用了步進電動機的驅(qū)動電源。
關(guān)鍵詞：數(shù)控銑床； 控制系統(tǒng)； 總體設(shè)計
4
東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 Abstract
Abstract
This design is based on the CNC milling machine works, according to the design task given the size of the work to design a relatively simple economic XY CNC milling machine table.
First, determine the overall design: including a preliminary analysis of the Guide way,screwnut, deceleration device selection and control system design, and then draw ageneral scheme in Figure.
Secondly, the calculation and selection of mechanical drive components: the weight of moving parts in the rail estimates, the calculation of the milling force, linear rolling the Guide way the calculation and selection of, the calculation and selection of the ball screwnut, step into the motor to the gearbox selection, calculation and selection of the stepper motor. This section as the design focus a great deal of analysis, calculation and checking , and finally get to meet the mandate of the size of the job requirements.
Then, the control system of the XY table to choose. The design of the main selection of the 8051 microcontroller to control, and simple assembly programming.
Finally, the control system design. Here mainly through into the transmission system to the hardware circuit design, and draw the control system block diagram; then analyzed and chosen stepper motor drive power.
Key words：CNC milling machine； control system； overall design
東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 目錄
目 錄
緒 論 1
1. 設(shè)計任務(wù) 3
1.1 畢業(yè)設(shè)計題目 3
2.整體方案的確定 4
2.1 系統(tǒng)總體框圖 4
2.2 系統(tǒng)運動方式和伺服系統(tǒng) 4
2.3 機械部件的計算及選擇 4
2.4 計算機控制系統(tǒng)的選擇 4
3. 機械設(shè)計部分 5
3.1 工作臺重量初步估算 5
3.2 銑削力的計算 5
3.3 直線滾動導(dǎo)軌副的計算和選擇 6
3.4滾珠絲桿螺母副的計算和選擇 7
3.4.1 最大工作載荷Fmax 7
3.4.2 最大動載荷FQ 7
3.4.3 滾珠絲桿副的型號選擇及傳動效率 8
3.4.4 滾珠絲桿的剛度驗算 8
3.5步進電動機的計算及型號選擇 9
3.5.1 步進電動機的特點 9
3.5.2 步進電動機減速箱的選擇 9
3.5.4 步進電動機轉(zhuǎn)軸上的等效負載轉(zhuǎn)矩Tep1 10
3.5.5步進電動機的選擇 12
3.5.6 步進電動機的性能校核 12
3.5.7電動機特性分析及細分驅(qū)動控制 13
3.5.8步進電機驅(qū)動電源選用 14
4. 控制系統(tǒng)的硬件選擇 15
4.1數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路由以下幾部分組成 15
4.2主控制器CPU的選擇 16
4.3 存儲器擴展電路設(shè)計 17
4.3.1 程序存儲器的擴展 17
4.3.2 數(shù)據(jù)存儲器的擴展 17
4.3.3 I/O擴展電路設(shè)計 17
5. 數(shù)控系統(tǒng)電路設(shè)計 18
6. 系統(tǒng)控制軟件的設(shè)計 19
6.1系統(tǒng)控制功能分析 19
6.2系統(tǒng)管理程序控制 19
6.3自動加工程序設(shè)計 20
6.4步進電機子程序控制設(shè)計 21
6.5內(nèi)存地址分配 24
結(jié) 論 25
致 謝 26
參考文獻 27
東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 緒論
緒 論
1. 國內(nèi)外現(xiàn)狀
數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用不但給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來了革命性的變化,使制造業(yè)成為工業(yè)化的象征,而且隨著數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的擴大,它對國計民生的一些重要行業(yè)IT、汽車、輕工、醫(yī)療等的發(fā)展起著越來越重要的作用。從目前世界上數(shù)控技術(shù)及其裝備發(fā)展的趨勢來看 ,其主要研究熱點有以下幾個方面:
(1)高速、高精加工技術(shù)及裝備的新趨勢
效率、質(zhì)量是先進制造技術(shù)的主體。高速、高精加工技術(shù)可極大地提高效率,提高產(chǎn)品的質(zhì)量和檔次 ,縮短生產(chǎn)周期和提高市場競爭能力。從 EMO2001 展會情況來看,高速加工中心進給速度可達 80m/min ,甚至更高,空運行速度可達100m/min左右。目前世界上許多汽車廠,包括我國的上海通用汽車公司,已經(jīng)采用以高速加工中心組成的生產(chǎn)線部分替代組合機床。在加工精度方面,近 10 年來,普通級數(shù)控機床的加工精度已由10提高到5,精密級加工中心則從3～5,提高到1～1.5并且超精密加工精度已開始進入納米級0.1。為了實現(xiàn)高速、高精加工,與這配套的功能部件如電主軸、直線電機得到了快速的發(fā)展 ,應(yīng)用領(lǐng)域進一步擴大。
(2) 智能化、開放式、網(wǎng)絡(luò)化成為當(dāng)代數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢
21世紀(jì)的數(shù)控裝備將是具有一定智能化的系統(tǒng),智能化的內(nèi)容包括在數(shù)控系統(tǒng)中的各個方面:為追求加工效率和加工質(zhì)量方面的智能化,如加工過程的自適應(yīng)控制,工藝參數(shù)自動生成;為提高驅(qū)動性能及使用連接方便的智能化,如前饋控制、電機參數(shù)的自適應(yīng)運算、自動識別負載自動選定模型、自整定等。數(shù)控系統(tǒng)開放化已經(jīng)成為數(shù)控系統(tǒng)的未來之路。所謂開放式數(shù)控系統(tǒng)就是數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)可以在統(tǒng)一的運行平臺上,面向機床廠家和最終用戶,通過改變、增加或剪裁結(jié)構(gòu)對象 數(shù)控功能 ,形成系列化,并可方便地將用戶的特殊應(yīng)用和技訣竅集成到控制系統(tǒng)中 ,快速實現(xiàn)不同品種、不同檔次的開放式數(shù)控系統(tǒng),形成具有鮮明個性的名牌產(chǎn)品。目前開放數(shù)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)規(guī)范、通信規(guī)范、配置規(guī)范、運行平臺、數(shù)控系統(tǒng)功能庫以及數(shù)控系統(tǒng)功能軟件開發(fā)工具等是當(dāng)前研究的核心。網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控裝備是近兩年國際著名機床博覽會的一個新亮點。數(shù)控裝備的網(wǎng)絡(luò)化將極大地滿足生產(chǎn)線、制造系統(tǒng)、制造企業(yè)對信息集成的需求,也是實現(xiàn)新的制造模式如敏捷制造、虛擬企業(yè)、全球制造的基礎(chǔ)單元 ,反映了數(shù)控機床加工向網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展的趨勢。
2. 選題的意義
隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，極大地推動了不同學(xué)科的滲透，促進了工程領(lǐng)域的技術(shù)改革。由于計算機技術(shù)和微電子技術(shù)的迅速發(fā)展并被機械工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用從而形成了機電一體化，使得機械工業(yè)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、技術(shù)結(jié)構(gòu)、功能和生產(chǎn)管理體系發(fā)生了巨大的變化，也使得工業(yè)生產(chǎn)從“機械電氣化”邁進了“機電一體化”的發(fā)展階段。
X-Y數(shù)控工作臺是很多機電一體化設(shè)備的基本部件，比如數(shù)控銑床、數(shù)控鉆床的X-Y工作臺。X-Y數(shù)控工作臺通常是由導(dǎo)軌座、移動滑塊、滾珠絲桿螺母副及伺服電動機等部件構(gòu)成。伺服電動機主要是用于驅(qū)動滾珠絲桿，滾珠絲桿螺母驅(qū)動滑塊和工作臺在指定的導(dǎo)軌上運動，從而完成工作臺在XY兩個方向的直線運動。
現(xiàn)在大部分使用的數(shù)控銑床都是集機械制造、自動控制、電子技術(shù)、傳感技術(shù)、計算機技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)于一體的典型機電一體化產(chǎn)品。
3. 選題的目的
X-Y數(shù)控工作臺機電系統(tǒng)設(shè)計是一個開環(huán)控制系統(tǒng),其結(jié)構(gòu)簡單、實現(xiàn)方便而且能夠保證一定的精度、降低成本,是單片機控制技術(shù)的最簡單的應(yīng)用。它充分的利用了單片機的軟件硬件功能以實現(xiàn)對機床的控制，使機床的加工范圍擴大,精度和可靠性進一步得到提高。
因此通過此次設(shè)計，能使我更全面地、系統(tǒng)地了解和掌握數(shù)控機床的基本組成及其相關(guān)知識，學(xué)習(xí)總體的方案擬定、分析與比較的方法。同時通過對機械系統(tǒng)的設(shè)計，掌握幾種典型傳動元件與導(dǎo)向元件的工作原理，設(shè)計計算及選用的方式，常用伺服電機的工作原理、計算控制方法與控制驅(qū)動方式。
不僅能鞏固專業(yè)上的知識，還能使我的獨立分析問題和解決問題的能力得到鍛煉，學(xué)習(xí)并樹立“系統(tǒng)設(shè)計”的思想，提高我對查閱文獻資料及撰寫科技論文的能力。
27
東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 設(shè)計任務(wù)
1. 設(shè)計任務(wù)
1.1 畢業(yè)設(shè)計題目
設(shè)計一套供立式數(shù)控銑床使用的X-Y數(shù)控工作臺，主要參數(shù)如下：加工材料選擇碳素鋼；立銑刀最大的直徑為d=10mm，齒數(shù)為Z=3，最大銑削寬度=10mm，最大的背吃刀量=8mm；X、Y方向的定位精度為±0.01mm；工作臺面尺寸為200mm×180mm，加工范圍為230mm×210mm；工作臺空載時進給的最快移動速度為，最大負載時進給的最快移動速度，加減速時間為0.4s。
東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 整體方案的確定
2. 整體方案的確定
數(shù)控系統(tǒng)總體方案設(shè)計內(nèi)容包括：系統(tǒng)總體方案框圖、系統(tǒng)運動方式的確定、伺服系統(tǒng)的選擇、執(zhí)行機構(gòu)傳動方式的確定、計算機系統(tǒng)的選擇等內(nèi)容。應(yīng)根據(jù)設(shè)計任務(wù)和要求提出系統(tǒng)的總體方案并對方案進行分析、比較、論證。
2.1 系統(tǒng)總體框圖
圖2-1 系統(tǒng)總體框圖
2.2 系統(tǒng)運動方式和伺服系統(tǒng)
因為此次設(shè)計的X-Y工作臺是裝配到數(shù)控銑床上，它的控制系統(tǒng)應(yīng)該具有的功能有：單坐標(biāo)定位、兩坐標(biāo)直線查補和圓弧查補，所以控制系統(tǒng)應(yīng)該采用連續(xù)控制系統(tǒng)?？紤]到加工精度的要求不高，故采用步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)。
2.3 機械部件的計算及選擇
1.確定脈沖當(dāng)量；導(dǎo)軌上移動部件的重量估算；
2.傳動零件的計算和選擇，其中包括導(dǎo)軌副、絲杠螺母副等一些傳動零件；
3.伺服電機的計算和選擇；
4.減速裝置的計算和選擇。
2.4 計算機控制系統(tǒng)的選擇
X-Y數(shù)控工作臺機電系統(tǒng)設(shè)計是用8051單片機,及2764、6264存儲器及8155芯片等硬件組成,在控制系統(tǒng)的硬件上編寫一定程序就可以實現(xiàn)一定的加工功能。主要思想是:通過圓弧或者直線插補程序以實現(xiàn)對零件進行幾何加工,每進行一段加工都要產(chǎn)生一定的脈沖以驅(qū)動電機正反轉(zhuǎn),同時通過8155將相應(yīng)的加工進刀信息送至刀架庫中以實現(xiàn)以之相應(yīng)走刀,電機和刀具的相對運動所以實現(xiàn)了刀具對工件的加工。
東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 機械設(shè)計部分
3. 機械設(shè)計部分
機械設(shè)計部分：確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量、工作臺外形尺寸及重量估算、滾動導(dǎo)軌副和滾珠絲的計算及選擇、齒輪計算和設(shè)計、步進電機的相關(guān)計算和選擇。
3.1 工作臺重量初步估算
根據(jù)給定的有效行程，畫出工作臺簡圖
設(shè)計工作臺簡圖如圖3-1所示：
圖3-1 工作臺簡圖
工作臺導(dǎo)軌上面的移動部件包括：工件、工作平臺、夾具、上層電動機、減速箱、滾珠絲桿副、直線滾動導(dǎo)軌副、導(dǎo)軌座等等一些部件，估算重量約為619.5N。
3.2 銑削力的計算
因為立式數(shù)控銑床的加工方式是立式銑削，采用材料成分為碳鋼的硬質(zhì)合金立銑刀。經(jīng)查表可知計算銑削力的公式為：
考慮到有不對稱銑削：
最大銑削寬度=10mm；每齒進給量=0.1mm；銑刀直徑=10mm；背吃刀量為8mm；銑刀轉(zhuǎn)速=300r/min；齒數(shù)Z=3；
代入公式可得最大銑削力：
o
=≈1394N
銑削條件
比值
不對稱銑削
逆銑
順銑
圓柱銑削
1.0-1.20
0.8-0.90
0.2-0.3
0.75-0.80
0.35-0.40
0.35-0.40
表3-1 銑削力的比值
經(jīng)查表3-1可知：在逆銑的情況下，三個方向的銑削力分別為：
,，
在立銑的情況下，工作臺在垂直方向受到的銑削力為==530N,在水平方向收到的銑削力有兩個，分別是和。然后將水平方向那個大的銑削力分配到工作臺的絲桿軸線方向，那么可知：
縱向銑削力：
徑向銑削力：
3.3 直線滾動導(dǎo)軌副的計算和選擇
直線滾動導(dǎo)軌副的使用壽命主要是受工作載荷的影響。本次設(shè)計的X-Y工作臺采用的是雙導(dǎo)軌和四個滑塊進行支撐。這里只需考慮極限情況下，即垂直臺面的工作載荷全部作用在一個滑塊上，那么該滑塊所承受的最大垂直方向載荷力為：
根據(jù)查表后，我選擇KL系列的JSA-LG20型直線滾動導(dǎo)軌副，額定動載荷為，額定靜載荷。
已知工作臺面尺寸為200×180mm,加工范圍為230×210mm，按標(biāo)準(zhǔn)系列選取導(dǎo)軌的長度為580mm，因為這里需要考慮到部件運行的行程要有一定的余量。
通過查表得知KL系列的JSA-LG20型導(dǎo)軌副的滾道硬度為60HRC，工作溫度應(yīng)小于100℃，每根導(dǎo)軌上裝有兩塊滑塊，精度是4級。通過查表我選取硬度系數(shù)、溫度系數(shù)、接觸系數(shù)、精度系數(shù)、載荷系數(shù)。
通過距離額定壽命計算公式可得出：
遠遠大于期望的距離額定壽命，那么改導(dǎo)軌副的選擇合理。
3.4滾珠絲桿螺母副的計算和選擇
3.4.1 最大工作載荷Fmax
在銑床進行立銑的時候，工作臺所受絲杠軸線方向的載荷，所受縱向的載荷，所受垂直方向的載荷，已算出工件總重量為619.5N。
通過查表可知： 矩形導(dǎo)軌的顛覆力矩影響系數(shù)K=1.1；
滾動導(dǎo)軌的滑動摩擦因數(shù)=0.005。
因此通過最大工作載荷計算公式可算出：
3.4.2 最大動載荷FQ
當(dāng)工作臺在承受最大銑削力時的最高移動速度時，選取絲杠的導(dǎo)程，那么可以算出絲杠轉(zhuǎn)速。
因為一般數(shù)控機床的及一般機電設(shè)備的使用壽命約為15000h，所以這里我也取滾珠絲杠的使用壽命T=15000h，代入滾珠絲杠副的壽命計算公式得：
（）；
根據(jù)查表以及結(jié)合銑床在實際加工時的情況，這里我選取載荷系數(shù)，滾道的硬度為60HRC，硬度系數(shù)，
代入最大動載荷公式可得：
3.4.3 滾珠絲桿副的型號選擇及傳動效率
根據(jù)已初步選取的導(dǎo)程和計算出的最大動載荷，再經(jīng)過查表之后，我選擇濟寧博特精密絲杠制造有限公司生產(chǎn)制造的G系列3205—3型滾珠絲杠副，它的公稱直徑為=32mm，導(dǎo)程為=5mm，循環(huán)滾珠為3圈×2列，額定動載荷為10678N，大于計算的最大動載荷，所以該滾珠絲杠副能滿足要求。
再根據(jù)該滾珠絲桿副的參數(shù)代入傳動效率公式，可以算出：
又因為：摩擦角
所以傳動效率為：
3.4.4 滾珠絲桿的剛度驗算
本次設(shè)計的X-Y工作臺的工作方式有兩種，上層為Y向運動，下層為X向運動，都是使用滾珠絲桿副進行支承，絲杠兩端都使用兩個推力角接觸球軸承。左右支承的中心距離約，鋼的彈性模量是E=2.1×MPa。又通過查表可知，G系列3205-3系列的滾珠絲杠副的滾珠直徑為=3.175mm，絲杠底徑為=28.2mm，那么可求得：
（1）絲杠截面積：
（2）絲杠在工作載荷作用下的拉/壓變形量：
（3）單圈滾珠數(shù)：
因此可知該絲杠是單螺母的，又查表得知，循環(huán)滾珠是3圈×2列；
（4）代入滾珠總數(shù)量公式：=Z×圈數(shù)×列數(shù)=192
（5）絲杠預(yù)緊時的軸向預(yù)緊力：
（6）滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量：
因為絲杠有預(yù)緊力作用，所以實際變形量約為理論數(shù)據(jù)的一半，所以實際變形量；
（7）580mm跨度的絲杠總變形量：
經(jīng)查表可知：4級精度滾珠絲杠有效行程在580mm時的行程偏差允許值為15，遠大于所求的絲杠總變形量，滿足使用；
（8）因為X-Y工作臺上下兩層滾珠絲桿副采用的支承都是采用單推-單推的方式，所以查表可知支承系數(shù)，代入截面慣性矩公式：
絲杠臥式水平安裝的壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)K=3，同時滾動螺母至軸向固定出的最大距離=580mm，代入滾珠絲杠穩(wěn)定性驗算公式：
遠遠大于最大工作載荷=1695N，所以該絲桿穩(wěn)定，不會出現(xiàn)失穩(wěn)狀況。
因此本設(shè)計選用濟寧博特精密絲杠制造有限公司生產(chǎn)的G系列3205-3型滾珠絲桿副可行。
3.5步進電動機的計算及型號選擇
3.5.1 步進電動機的特點
步進電動機也叫脈沖電動機，，它是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成機械角位移的執(zhí)行元件。步進電動機輸出的角位移與輸入的脈沖個數(shù)成正比，在時間上與輸入脈沖同步。所以只要控制輸入脈沖的數(shù)量、頻率和電動機繞組的通電順序，就可以得到想要的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動方向。在無脈沖的輸入的情況下，在繞組電流的激勵下，步進電動機可以鎖相。
步進電動機結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、價格低廉。它的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量小、動態(tài)響應(yīng)塊、起停容易，正反轉(zhuǎn)和無級變速也容易實現(xiàn)。它的缺點主要有：低頻時有振蕩、速度不夠均勻、在高速時輸出轉(zhuǎn)矩減小。
3.5.2 步進電動機減速箱的選擇
在步進電動機的輸出軸上裝配一個齒輪減速箱，不僅可以有效的增大步進電動機的輸出轉(zhuǎn)矩，而且也能讓工作臺和滾珠絲桿的轉(zhuǎn)動慣量傳遞到電動機軸上盡量的小些。同時考慮到應(yīng)該有消除間隙機構(gòu)，所以應(yīng)該采用無間隙齒輪傳動減速箱。
根據(jù)給定的參數(shù)可知工作臺的脈沖當(dāng)量，滾珠絲桿的導(dǎo)程，再經(jīng)過查表先預(yù)選步進電動機的步矩角。
可求得減速比為：
經(jīng)查表之后我選JBF—3型齒輪減速箱。大小齒輪的模數(shù)都是1mm，齒數(shù)比是，材料選45調(diào)質(zhì)鋼，齒表面淬硬后能有55HRC。減速箱中心距為[（75+36）1/2]mm=55.5mm,小齒輪厚度為15mm，雙片大齒輪厚度均為15mm。
3.5.3 步進電動機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量Jep的計算
加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)55動慣量是伺服系統(tǒng)的主要參數(shù)之一，它對電動機的選擇有重要的意義。的主要參數(shù)包括：電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量、減速裝置和滾珠絲杠以及移動部件等這算到電動機轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)動慣性等。
根據(jù)前面給定和選取的參數(shù)有：滾珠絲桿的總長=580mm，公稱直徑=32mm，導(dǎo)程=5mm，材料密度，移動部件的總重力G=619.5N，小齒輪寬度取15mm，直徑36mm；大齒輪寬度也取15mm，直徑=75mm；傳動比是25/12。根據(jù)這些參數(shù)可算出：
滾珠絲桿的轉(zhuǎn)動慣量：
小齒輪的轉(zhuǎn)動慣量：
大齒輪的轉(zhuǎn)動慣量：
拖板這算到絲杠上的轉(zhuǎn)動慣量：
再選擇常州寶馬集團公司生產(chǎn)的型號為110BC380F的步進電動機，該步進電動機三相六拍驅(qū)動時步矩角為，電動機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量為。
因此可求的步進電動機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量是：
3.5.4 步進電動機轉(zhuǎn)軸上的等效負載轉(zhuǎn)矩Tep1
步進電動機轉(zhuǎn)軸所承受的負載轉(zhuǎn)矩在不同的工況下是不一樣的。一般情況下只考慮兩種情況：一種是快速空載啟動（負載為0），另一種是承受最大的工作負載。
（1）空載啟動時電動機轉(zhuǎn)軸承受的負載轉(zhuǎn)矩=
其中電動機轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩：
式中：為傳動鏈的總效率，因為在步進電動機空載啟動時需要考慮的存在，這里取0.7；為對應(yīng)空載最快移動素的的步進電動機的最高轉(zhuǎn)速，單位是r/min；為步進電動機從靜止到加速至轉(zhuǎn)速所需時間，單位是s；為步進電動機的步矩角，數(shù)值選取。
移動部件運動時這算到電動機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩：
式中：為導(dǎo)軌的摩擦因數(shù)，其中滾動導(dǎo)軌的摩擦因數(shù)為0.005；為垂直方向的銑削力，當(dāng)工作臺空載運行時為0。
因此步進電動機空載時轉(zhuǎn)軸所承受負載轉(zhuǎn)矩為：
（2）步進電動機轉(zhuǎn)軸在最大工作負載狀態(tài)時承受的負載轉(zhuǎn)矩
其中：；
；
相對于和來說很小，可以忽略不計。
則：
（3）確定步進電動機的最大等效負載轉(zhuǎn)矩
結(jié)合和可知加在步進電動機轉(zhuǎn)軸最大的等效負載轉(zhuǎn)矩應(yīng)該是：
3.5.5步進電動機的選擇
在選取步進電動機最大靜轉(zhuǎn)矩的時候，要考慮安全系數(shù)K的選擇，這里我選擇K=4，則步進電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩：，而通過查表3-1可知選取的110BC380F型步進電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩為，遠大于計算得出的最大靜轉(zhuǎn)矩，因此該步進電動機滿足工作要求。
型號
反應(yīng)式步進電機的技術(shù)參數(shù)
110BC380F
相數(shù)
步距角
電壓
電流
最大靜轉(zhuǎn)矩
空載起動頻率
空載運行頻率
轉(zhuǎn)動慣量
3
0.75/ 1.5
80~300V
6A
11.76N.m
1200Hz
12000Hz
9
表3-1 反應(yīng)式步進電機技術(shù)參數(shù)表
3.5.6 步進電動機的性能校核
（1)最快工進速度時電動機的輸出轉(zhuǎn)矩校核：
參數(shù)給定工作臺最快工進速度=500mm/min，脈沖當(dāng)量脈沖，可以得出電動機對應(yīng)的運行頻率。從110BC380F電動機的運行矩頻特性曲線圖可以看出在此頻率下，電動機的輸出轉(zhuǎn)矩6.6Nm，遠遠大于最大工作負載轉(zhuǎn)矩=0.840Nm，滿足要求。
（2）最快空載移動時電動機輸出轉(zhuǎn)矩校核：
參數(shù)給定工作臺最快空載移動速度=2500mm/min，求出其對應(yīng)運行頻率。在此頻率下，電動機的輸出轉(zhuǎn)矩=2.4Nm，大于快速空載起動時的負載轉(zhuǎn)矩=0.440Nm，滿足要求。
（3）最快空載移動時電動機運行頻率校核：
與快速空載移動速度=2500mm/min對應(yīng)的電動機運行頻率為。查表知110BC380F電動機的空載運行頻率可達10000，可見沒有超出上限。
（4）起動頻率的計算：
已知電動機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量，電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量，電動機轉(zhuǎn)軸不帶任何負載時的空載起動頻率。步進電動機克服慣性負載的起動頻率為：
說明：要想保證步進電動機起動時不失步，任何時候的起動頻率都必須小于。實際上，在采用軟件升降頻時，起動頻率選得更低，通常只有100。
綜上所述，本次設(shè)計中工作臺的進給傳動系統(tǒng)選用110BC380F步進電動機，完全滿足設(shè)計要求。
3.5.7電動機特性分析及細分驅(qū)動控制
步進電機的控制方式是通過脈沖分配器來實現(xiàn)，其主要作用是將數(shù)控裝置傳送的一系列指令脈沖按一定的分配方式和順序傳輸給步進電機的各相繞組，實現(xiàn)電機正反轉(zhuǎn)。數(shù)控系統(tǒng)中通常都使用軟件脈沖分配器和集成脈沖分配器。結(jié)合本設(shè)計的實際情況決定采用集成脈沖分配器YB013。
因為步進電機采用的工作方式是三相六拍（三個線圈A、B、C），其正轉(zhuǎn)的通電順序為：A-AB-B-BC-C-CA-A，其反轉(zhuǎn)的通電順序為：A-AC-C-CB-B-BA-A。
步進電動機驅(qū)動系統(tǒng)主要是由步進電動機驅(qū)動器和步進電動機構(gòu)成。步進電動機驅(qū)動系統(tǒng)的性能，不但要取決于步進電動機啟動器的好壞，也取決于步進電動機的自身性能。步進電動機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行元件。當(dāng)步進電動機驅(qū)動器接收到一個來自控制器的脈沖信號時，它就驅(qū)動步進電動機按照設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的步矩角，它的旋轉(zhuǎn)是通過固定的步矩角一步一步轉(zhuǎn)動來運行的。
步進電動機不能直接接通直流或交流電源工作，必須使用步進電動機驅(qū)動器。脈沖信號發(fā)生器可以通過控制脈沖的個數(shù)來控制角位移量，這樣可以進行準(zhǔn)確定位；同時步進電動機的速度和加速度可以通過控制脈沖頻率來控制可，從而達到調(diào)速的目的。
3.5.8步進電機驅(qū)動電源選用
本設(shè)計中X、Y向步進電動機均為110BC380F型，工作方式為三相六拍，與其相匹配的驅(qū)動電源為BD28Nb型，輸入電壓為220VAC，相電流為6A。
東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 控制系統(tǒng)的硬件選擇
4. 控制系統(tǒng)的硬件選擇
4.1數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路由以下幾部分組成
1、主控制器：即中央處理單元CPU。
2、總線：包括數(shù)據(jù)總線，地址總線，控制總線。
3、存儲器：包括只讀可編程序存儲器和隨機讀寫數(shù)據(jù)存儲器。
4、I/O輸入輸出接口。
數(shù)控系統(tǒng)的硬件框圖如圖4-1所示：
存儲器RAM
ROM
中央處理單元CPU
外設(shè)：
鍵盤，顯示器，打印機，磁盤機，通訊接口等
輸入/輸出
I/O接口
信號變換
控制對象
圖4-1 數(shù)控系統(tǒng)的硬件框圖
4.2主控制器CPU的選擇
MCS-51系列單片機是集中CPU，它有如下特點：
1.可靠性高
因為芯片是按工業(yè)測控環(huán)境要求設(shè)計的，故抗干擾的能力優(yōu)于PC機。系統(tǒng)軟件(如：程序指令，常數(shù)，表格)固化在ROM中，不易受病毒破壞。許多信號的通道均在一個芯片內(nèi)，故運作時系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。
2.控制功能強
具有豐富的控制指令，如：條件分支轉(zhuǎn)移指令，I/O口的邏輯操作指令，位處理指令。
3.便于擴展
片內(nèi)具有計算機正常運行所必需的部件，片外有很多供擴展用的(總線，并行和串行的輸入/輸出)管腳，很容易組成一定規(guī)模的計算機應(yīng)用系統(tǒng)。
4.實用性好
體積小，功耗低，價格便宜，易于產(chǎn)品化。
綜合考慮之后，我選用8051芯片作為主控芯片。
4.3 存儲器擴展電路設(shè)計
4.3.1 程序存儲器的擴展
單片機應(yīng)用系統(tǒng)中擴展用的程序存儲器芯片大多采用EPROM芯片。其型號有：2716，2732，2764，27128，27258，其容量分別為2k，4k，8k，16k，32k。在選擇芯片時要考慮CPU與EPROM時序的匹配。8051所能讀取的時間必須大于EPROM所要求的讀取時間。此外，還需要考慮最大讀出速度，工作溫度以及存儲器容量等因素。在滿足容量要求時，盡量選擇大容量芯片，以減少芯片數(shù)量以簡化系統(tǒng)。綜合以上因素，選擇2764芯片作為本次設(shè)計的程序存儲器擴展用芯片。
于8051芯片的P0口是分時傳送低8位地址線和數(shù)據(jù)線的，故8051擴展系統(tǒng)中一定要有地址鎖存器，常用的地址鎖存器芯片是74LS373。
4.3.2 數(shù)據(jù)存儲器的擴展
由于8051芯片內(nèi)部RAM只有128字節(jié)供用戶使用，遠不能滿足系統(tǒng)需要，因此需要擴展片外的數(shù)據(jù)存儲器（RAM）。常用的數(shù)據(jù)存儲器有6116、6264、62128等，這里選用6264。
4.3.3 I/O擴展電路設(shè)計
8051單片機共有4個8位并行I/O接口，但供用戶使用的只有P1口及部分P3口線。因此要進行I/O口的擴展。8155為多功能的可編程接口芯片，內(nèi)部包含有256字節(jié)RAM，兩個可編程8位并行口、一個6位并行口和一個14位的計數(shù)器。8155是8051單片機應(yīng)用系統(tǒng)中最適用的外圍器件。數(shù)據(jù)存貯器是256x8位靜態(tài)RAM。I/O由三個通用口組成，其中的6位口可編程為狀態(tài)控制信號?？删幊痰?4位計數(shù)器/定時器用于給單片機系統(tǒng)提供方波或計數(shù)脈沖。8155與微機接口較簡單，是微機系統(tǒng)廣泛使用的接口芯片。
東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 數(shù)控系統(tǒng)電路設(shè)計
5. 數(shù)控系統(tǒng)電路設(shè)計
本系統(tǒng)使用的控制器是以MCS-51系列8051單片機為主。擴展存儲器電路選1片2732EPROM和1片6264RAM。程序存儲器擴展為4K，數(shù)據(jù)存儲器擴展為8K。
2732的片選控制直接接地，在系統(tǒng)復(fù)位后，CPU從0000H開始執(zhí)行監(jiān)控程序，6264的片選端將由74LS138譯碼器的Y2輸出提供，所以6264的空間地址為4000H~ 5FFFH，系統(tǒng)的擴展借口I/O電路選用通用的可編程并行輸入/輸出借口芯片8155。8155的片選端接到74LS138譯碼器的Y4輸出端。所以8155控制命令寄存器及PA口、PB口、PC口的地址信號分別是8000H、8001H、8003H。8155RAM區(qū)的地址為8000H~80FFH。
8155的A口為控制工作臺X、Y向電機的接口。本系統(tǒng)X、Y方向的步進電動機都用110BC380F型步進電動機，軟件環(huán)形分配器控制，高低壓驅(qū)動電路。為了防止功率放大器高電壓的干擾，步進電機借口與功率放大器之間采用光電隔離。
鍵盤與顯示控制電路設(shè)計在一起，8155的PC口（PC0~ 5）擔(dān)任鍵盤的列線及顯示器的掃描控制（字位線）；PB口的PB0~ PB3為鍵盤的行線；8051的P1口為顯示器的字形輸出口（數(shù)據(jù)緩沖）。本系統(tǒng)采用4×6共24個行列式鍵盤和六位八段共陰極LED顯示器。為了增加數(shù)碼管顯示亮度，分別在字形口與字位口加74LS07進行驅(qū)動。
PB口剩余的I/O線PB4~ PB7分別為工作臺+X、－X、+Y、－Y四個方向的行程限位控制信號。在軟件設(shè)計上8155的PA口、PC口設(shè)置為輸出，PB口設(shè)置為輸入。計算機限時巡回檢測PB4~PB7的電平，當(dāng)某I/O口線為“0”電平時，應(yīng)立即停止X、Y向步進電機的驅(qū)動，并發(fā)出報警信號。
此外，廣電隔離器的輸出端必須采用隔離電源。隔離電源選用的是7805三端集成穩(wěn)壓器設(shè)計。
東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 系統(tǒng)控制軟件的設(shè)計
6. 系統(tǒng)控制軟件的設(shè)計
6.1系統(tǒng)控制功能分析
數(shù)控X-Y工作臺的控制功能包括：
（1）系統(tǒng)初始化：對I/O接口8155，8255A進行必要的初始化工作，預(yù)先設(shè)置接口工作方式控制字。
（2）工作臺復(fù)位：開機后工作臺應(yīng)該自動復(fù)位，亦可手動復(fù)位。
（3）輸入和顯示加工程序。
（4）監(jiān)視按鍵，鍵盤及開關(guān)：例如監(jiān)視緊急停機鍵和行程開關(guān)，鍵盤掃描等功能。
（5）工作臺的超程顯示和處理：工作臺位移超過規(guī)定值時應(yīng)該馬上停止工作臺的運動，并立刻顯示相應(yīng)的指示字符。
6.2系統(tǒng)管理程序控制
管理程序是系統(tǒng)的主程序，開機后即進入管理程序。其主要功能是接受和執(zhí)行操作者的命令。在設(shè)計管理程序時，應(yīng)確定接收命令的形式，系統(tǒng)的各種操作功能等。數(shù)控X-Y工作臺的基本操作功能有：輸入加工程序，自動加工，刀位控制，工作臺位置控制，手動操作，緊急停機等。根據(jù)以上分析，設(shè)計管理程序流程圖如圖6-1所示：
加工程序輸入鍵按下
機床復(fù)位
開始
系統(tǒng)初始化
自動加工鍵按下
手動加工鍵按下
加工數(shù)據(jù)輸入
自動加工
手動調(diào)整
N
N
N
Y
Y
Y
圖6-1 管理程序流程圖
6.3自動加工程序設(shè)計
（1）機床在自動加工時的動作順序：工作臺移動到位→刀具快速進給→加工→退刀→工作臺運動到下一位置；
（2）計算機在加工過程中的操作：讀取刀具軌跡，控制機床完成加工；
（3）由以上分析，設(shè)計自動加工程序框圖如圖6-2所示：
入口
零件坐標(biāo)地址指針
讀零件坐標(biāo)
調(diào)步進電機子程序
工作臺移動到位
刀具快進
加工
快速退刀
零件坐標(biāo)地址指針加一
零件加工完成
N
Y
返回
圖6-2 自動程序加工框圖
6.4步進電機子程序控制設(shè)計
步進電機控制主要包括速度、轉(zhuǎn)角和方向的控制。步進電機在突然啟動或者停止的時候，因為負載及慣性會使得電機失步，所以在步進電機運動的時候應(yīng)該要有一個加減速的過程。
在通過確定步進電機進給脈沖數(shù)和脈沖時間間隔，就可以實現(xiàn)對步進電機速度和轉(zhuǎn)角的控制。以下是控制系統(tǒng)的時間常表6-1。
脈沖
時間間隔/ms
時間常數(shù)
脈沖
時間間隔/ms
時間常數(shù)
6.224
6.244
0C32H
24.184
0.820
019AH
8.832
2.587
050DH
24.977
0.793
018CH
10.816
1.985
03E0H
25.746
0.469
0180H
12.489
1.673
0344H
26.493
0.746
0175H
13.963
1.474
02E1H
27.219
0.726
016AH
15.296
1.333
029AH
27.926
0.707
0161H
16.521
1.226
0264H
28.615
0.690
0158H
17.662
1.414
023AH
29.289
0.673
0150H
17.773
1.071
0217H
29.947
0.658
0149H
19.746
1.013
01FAH
30.591
0.644
0142H
20.710
1.964
01E1H
31.222
0.931
013BH
21.631
0.921
01CCH
31.840
0.618
0135H
22.514
0.883
01B9H
32.447
0.607
012FH
23.364
0.850
01A3H
表6-1 控制系統(tǒng)的時間常數(shù)表
在EPROM中，時間常數(shù)依次存儲在首地址為1000H的存儲單元中。每個時間常熟占用兩個字節(jié)，地位存放的時間常數(shù)的低8位，高位存放的時間常數(shù)的高8位。
在程序中，設(shè)置加速、恒速和減速脈沖計數(shù)器。用計數(shù)器的值是否為0作為相應(yīng)過程的結(jié)束標(biāo)志。步進電機控制程序框圖見圖6-3：
開 始
送時間常數(shù)
步進電機走一步
時間常數(shù)地址指針+1
時間常數(shù)地址指針+1
關(guān)中斷
返回
圖6-3
6.5內(nèi)存地址分配
加速脈沖計數(shù)器的地址為20H。
恒速脈沖計數(shù)器低8位字節(jié)地址為21H，高8位字節(jié)地址為22H
減速脈沖計數(shù)器地址為23H，步進電機進給控制程序FEED的首地址為0E80H。
東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 結(jié)論
結(jié) 論
X-Y數(shù)控工作臺的機電系統(tǒng)設(shè)計結(jié)合了機械設(shè)計和電子設(shè)計，需要對大學(xué)里所學(xué)的專業(yè)知識進行一個綜合的應(yīng)用。通過這次畢業(yè)設(shè)計，讓我又重新鞏固了以前學(xué)習(xí)的知識，主要包括了機械設(shè)計、機械制圖、數(shù)控技術(shù)及裝備和機電一體化等課程，同時也鍛煉了理論在實際中的運用和解決實際問題的能力。
這次設(shè)計我的思路大概是這樣的：先確定總體設(shè)計方案，對工作臺的設(shè)計進行初步規(guī)劃，其中主要是對工作臺需要用的的一些主要零件進行選擇和分析，并繪制總體方案圖；然后就是對機械傳動需要用的零件進行初步選型和驗算，其中包括導(dǎo)軌副、絲杠螺母副、減速裝置等等一些零件，這是這次設(shè)計最為重要的一步，需要進行大量的驗算和分析，所以必須非常的嚴謹；最后是對控制系統(tǒng)的設(shè)計，對傳動系統(tǒng)進行硬件和軟件兩個方面的設(shè)計，并繪制電路原理圖。
在這次設(shè)計的過程中遇到了很多的問題，比如在對滾珠絲桿螺母副和電動機的計算和選擇時，一開始初選的滾珠絲桿螺母副和電動機的型號往往在驗算過程中被檢驗出達不到要求，使得自己不得不一次又一次的重新選擇型號，又再進行驗算，總算最后在老師的細心指導(dǎo)下得到了滿意的結(jié)果。
東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 致謝
致 謝
這次設(shè)計能夠順利完成首先要感謝萬老師的不斷指導(dǎo)，由于自己對控制系統(tǒng)這方面也不太熟悉，剛開始都不知何處下手，萬老師給了我們很多啟發(fā)。在做的過程中又遇到了許多困難，但萬老師總是不厭其煩的講給我們聽，給我們一步一步的分析，使我們了解到了一些考慮欠缺的地方，能夠不斷完善。萬老師還定期給我們察看，使我們可以順利跨入下個階段。在這里再次感謝萬老師的幫助，正是在萬老師的指導(dǎo)和改正，才使我們的畢業(yè)設(shè)計能夠順利的完成。
東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 參考文獻
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