数控铣床模型的单片机控制与编程-毕业论文

目    录

中英文摘要………………………………………………………………1
文献综述…………………………………………………………………2
第一章   主体结构概述 ………………………………………………6
第二章   键盘及接口电路设计 ………………………………………7
第三章   步进电机驱动电路设计……………………………………10
第四章   MCS-51系列单片机原理及特点……………………………16
第五章   程序设计……………………………………………………19
第一节        检验程序设计…………………………………………19
第二节        控制程序设计…………………………………………24
第三节        键盘子程序设计………………………………………27
第四节        直线和圆弧插补子程序设计…………………………28
总结与致谢……………………………………………………………44
参考文献………………………………………………………………45
附录：程序清单………………………………………………………46
译文




【摘要】
基于现有的数控铣床模型，本设计采用了单片机控制技术来控制铣床模型的运动，使其能够实现X、Y、Z轴运动和X、Y轴联动。本文作者主要分析选用了铣床模型的控制电路，并设计了此模型的单片机控制程序。

【关键词】
数控铣床模型  步进电机  控制电路  单片机控制及编程

【Abstract】
Based on the Ready-made NC miller model, this design adopted the single-chip control technology to control the movement of the NC miller model to enable it to realize its axial movement of X.Y.Z axis and the linkage movement of X and Y axis. The author of the article mainly analyzed and selected the control circuit for the NC miller model , and has designed the control programs for the model.

【Keywords】
NC miller model  step motor the control circuit  single-chip control and programming







文 献 综 述
机械工业是重要的基础工业，是国民经济发展的先导部门。历史的实践已一再证明：先进的技术装备与先进的制造技术在国民经济发展中，起着何等重要的作用；而先进的装备与先进的制造技术则正是由先进的机械工业来提供的。马克思讲的何等的深刻：“大工业必须掌握它特有的生产资料，即机器的本身，必须用机器生产机器，这样，大工业才建立起与自己适应的技术基础，才得以自立。”过去是这样，现在是这样，将来也还是这样。
社会经与科学技术的发展与竞争，使机械产品日益精密、复杂，二千产品的生命期缩短，改型频繁。这不仅对机床设备提出精度与效率的要求，也提出了通用性与灵活性的要求。特别是航空、造船、武器、模具生产等工业部门，所加工的零件具有精度高、形状复杂、经常变动的特点。使用普通机床加工此类产品，不仅劳动强度大、生产效率低，而且难以保证精度，有些零件甚至无法加工。单片机以其独特的优势逐步占据了控制技术的主导地位。
本设计是基于现有的三轴铣床模型，运用单片机，逻辑电路，步进电机等设备将其设计成一台X、Y、Z轴单独轴向运动和X、Y轴联动加工直线和圆弧的数控铣床模型，以提高其灵活性，从而提高效率，并且在此基础上可进一步扩展，完善其功能，使之与生产实际紧密结合。
数控机床采用微机控制技术较好地解决了复杂、精密、多变的零件加工问题，是一种灵活的、高效的自动化机床。它是机床控制技术的一个重要发展方向。随着电子、自动化、计算机、精密机械、测量及人工智能技术的发展，数控机床也在迅速发展和变化，以适应社会生产的需要。
数控机床以其精度高、效率高、能适应小批量复杂零件的加工等特点，在机械加工中得到广泛应用。概括起来，数控机床有以下优点。
（1）提高加工精度
数控机床有较高的加工精度，而且数控机床的加工精度不受零件形状复杂程序的影响。这对于一些用普通机床难以保证精度甚至无法加工的复杂零件来说，是非常重要的。另外，用数控机床加工，消除了操作者的人为误差，提高了同批零件加工的一致性，使产品质量稳定。
（2）提高生产效率
使用数控机床加工，因对工件夹具的要求降低，又免去了划线工作，使加工准备工作时间缩短了。因为有较高的精度，可以简化检验工作，在加工过程中省去了对工作多次测量，节省检验时间。在加工零件改变时用改换程序的方法，可节省准备与调整的时间。这些都有效地提高了生产效率。如果使用能自动换刀的数控加工中心机床，则可进行多道工序的连续加工，避免了多次定位误差，缩短了半成品的周转时间，生产效率的提高更为显著。
（3）减轻了劳动强度，改善了劳动条件
数控机床在输入程序并启动后，就自动地连续加工，直到加工完毕，自动停机。这样简化了工人的操作，也使操作时的紧张程度大为减轻。
（4）有利于生产管理
用数控机床加工，能准确地计划零件的加工工时，简化了检验工作，减轻了工件夹具、半成品的管理工作，减少了因误差操作而出废品及损坏刀具的可能性。这些都有利于管理水平的提高。当然，相应地也增加程序的准备与管理工作。
（5）有利于向高级计算机控制与管理方面发展
数控机床使用数字量信号与标准代码输入，最适合于与计算机网络连接。所以它是将来计算机控制与管理系统的基础。
作为微型计算机的一个重要分支，单片机的发展迅速，应用领域日益扩大，特别是在工业测控、智能仪表、机电一体化产产品、家电等领域中得到广泛应用。
单片机，又称为单片微控制器（Microcontrolleer），它有别于通用微型计算机，是专门为控制和智能仪表设计的一种集成度很高的微型计算机。其基本结构是将微型计算机的基本功能部件：中央处理器（CPU）、存储器、输入接口、输出接口、定时器/计数器、中断系统等全部集成在一个半导体芯片。
单片机结构上的设计，在硬件、指令系统及输入输出能力等方面都有独到之处，具有较强而有效的控制功能。虽然单片机只是一个芯片，但无论从组成还是从逻辑功能上来看，都具有微机系统的含义。另一方面，单片机毕竟是一个芯片，只有外加所需的输入、输出设备，才可以构成实用的单片机应用系统。
1976年Intel公司推出MCS-48系列8位单片机，以体积小、功能全、价格低等自身的魅力，得到了广泛的应用，成为单片机发展的一个重要标志。
由于MCS-48系统的成功使用，单片机系列及单片机应用技术迅速发展，到目前为止，世界各地厂商已相继研制出大约50个系列300多个品种的单片机产品。代表产品有Intel公司的MCS-51系列机（8位机）、Motorala公司的MC6801系列机Zilog公司的Z-8系列机等。单片机应用领域不断的扩大，除了在工业控制、智能化仪表、通信、家电等领域应用外，在智能化、高档电子玩具产品中也大量采用单片机作为核心控制部件。
在8位单片机的基础上，又推出了超8位单片机，其功能进一步加强，同时16位单片机也相继产生，代表产品又Intel公司的MCS-96系列。
然而，由于应用领域大量需要的仍是8位单片机，因此，各大公司纷纷推出高性能、大容量、多功能的新型8位单片机。
单片机正在扮演着越来越重要的角色。
目前，单片机正朝着高性能和多品种发展，但由于MCS-51系列的8位单片机仍能满足绝大多数应用领域的需要，可以肯定，以MCS-51系列为主的8位单片机，现在以及以后的相当一段时间内仍然将占据单片机应用的主导地位。
一块单片机芯片就是具有一定规模的微型计算机，再加上必要的外围器件，就可以构成完整的计算机硬件系统。
由于单片机这种特殊的结构形式，使其具有很多显著的优点，单片机在各个领域内的应用都得到迅猛的发展。随着微控制技术的不断完善和发展以及自动化程度的日益提高，单片机的应用正在导致传统的控制技术发生巨大变化，单片机的应用是对传统控制技术的一场革命。
1．单片机的应用特点
（1）具有较高的性能价格比。高性能、低价格是单片机最显著的一个特点。其应用系统具有印制板小、接插件少、安装调试简单方便等特点，使单片机应用系统的性能价格比大大高于一般微机系统。
（2）体积小，可靠性高。由单片机组成的应用系统结构简单，其体积特别小，极易对系统进行电磁屏蔽等抗干扰措施。另一方面，单片机对信息传输及存储器和I/O接口的访问，一般情况下是在单片机内部进行的，因此，不易受外界的影响。所以单片机应用系统的可靠性比一般微机系统高的多。
（3）控制功能强。单片机采用面向控制的指令系统，实时控制功能特别强。CPU可以直接对        I/O口进行输入、输出操作及逻辑运算，并且具有很强的位处理功能，能有针对性解决由简单到复杂的各类控制任务。
（4）使用方便、容易产品化。由于单片机具有体积小、功能强、性能价格比较高、系统扩展方便、硬件设计简单等优点，而且单片机开发工具具有很强的软、硬件调试功能，使研制单片机应用系统极为方便，加之现场运行环境的可靠性，因此使单片机能够满足许多小型对象的嵌入式应用要求，可广泛应用在仪表、家用电器、智能玩具、控制系统等领域中，形成新的智能型产品。
2.单片机的应用领域
单片机以独具的特点（优点），而广泛应用在国民经济、人们日常生活等各个领域。
单片机在智能仪器、工业控制、各种工业控制系统（如数控机床、温度控制）、可编程顺序控制、家用电器、机电一体化。单片机除了以前面应用外，还广泛应用于办公自动化领域、汽车电路、通信系统、计算机外围设备等，成为计算机发展和应用的一个重要方向。
尤为突出的是，单片机的应用从根本上改变了传统控制系统的设计思想和设计方法。过去必须由模拟电路、数字电路及继电器控制电路实现的大部分功能，现在已能用单片机并通过软件方法实现。由于软件技术的飞速发展，各种软件系列产品的大量涌现，可以极大的简化硬件电路。“软件就是仪器”已成为单片机应用技术发展的主要特点，这种以软件取代硬件并能提高系统性能的控制技术，称之为微控制技术。微控制技术标志着一种全新概念的出现，是对传统控制技术的一次革命，随着单片机应用的推广普及，微控制技术必将不断发展、日益完善、更加充实。
单片机控制系统以其功能强、可靠性高、结构紧凑、功耗低、使用方便灵活及价格低廉等优点，广泛使用与各种经济型数控机床和中档数控机床。经济型数控机床是我国应用面最广的机床，因为其特别适合我国的国情。但是，在数控技术相对比较成熟的中国，我国还拥有很大部分普通机床。现有的普通机床的数控化改造，无疑是一项既简便可行又很实用的措施。
因此，我们进行此次毕业设计是对这一措施的施行与探讨。普通机床的数控化改造是具有十分广阔的发展前景的。









第一章        主体结构概述
本次设计是在现有数控铣床模型的条件下进行的。
本模型选用步进电机带动梯形丝杠螺母副直接传动，无齿轮传动。这样传动无间隙，简化了传动链，提高了传动刚度。
梯形丝杠螺母副采取螺母固定，丝杠转动并移动。该传动形式因螺母本身起着支撑作用，消除了丝杠可能产生的附加轴向串动，结构简单，可获得较高的传动精度，
导轨主要用来支承和引导运动部件沿一定的轨道运动。在导轨幅中，运动的一方称为运动导轨，不动的一方称为支承导轨。常见的导轨的截面形状，有三角形、矩形、燕尾槽形及圆形等四种，每种又分为凸形和凹形两类。根据它们的特点，本系统选用燕尾槽导轨。由于模型要求尽量轻、摩擦系数不是很大、比较耐磨即可。故选用硬铝（Y11）。X、Y、Z轴都选用55º的燕尾槽导轨，梯形丝杆螺母副传动。
X、Y轴的步进电机是现有的，其型号为45BF005-II,三相反应式步进电机，电动机的步距角为1.5º，电压为27V,相电流为2.5A,最大静转矩为0.196N•m,空载启动频率为3000步/秒，电感15.8mH，电阻0.94Ω,分配方式为三相六拍，外形尺寸Ф45×58（Ф4），转子转动惯量0.137×10-5kg.m2。Z轴电机是从打印机上拆下来的四相混合式步进电机，步距角7.5º，电压为12V,相电流为0.5A,最大静转矩为0.22N•m,空载启动频率为1000步/秒，电感15.8mH，电阻10Ω,分配方式为四相八拍，外形尺寸35×35mm，转子转动惯量0.27×10-5kg.m2。
主轴电机采用的DC2V直流电机，用来演示主轴旋转的。
鉴于已有的基本结构，本人将本次设计的重点放在单片机控制电路的设计与程序编制上。