数控铣床工作台仿真实验系统的开发
本文主要是设计一套以MCS—51单片机为主控制器的数控铣床工作台仿真实验系统，首先对数控技术的发展作了分析和总结，探讨了数控机床的开放化、智能化、高精度、高速度和网络化的发展趋势；着重分析了单片机数控系统的控制原理，指出了设计数控系统的一般方法和步骤，并阐述了MCS—51系列单片机的功能以及在机床数控系统中所发挥的作用；设计开发了系统机械结构以及控制系统的I/O接口电路、步进电机驱动电路；通过编写汇编程序，从而实现系统设计要求。开发的这套系统可以作为一套实验室设备，对机床数控化改造、数控技术的教学和研究有深远意义。
1.1引言
随着计算机的高速发展，传统的制造业开始了根本性的变革，各个发达国家投入巨资，对现代制造技术进行研究开发，从而提出了全新的制造模式。目前数控系统正由专用开环控制模式向通用型开放式实时动态全闭环控制模式发展。在集成化基础上，数控系统实现了超薄型、超小型；在智能化基础上，综合运用了计算机、多媒体、模糊控制、神经网络等多学科技术，数控系统实现了高速、高精、高效控制，加工过程可以自动修正、调节与补偿各种参数，能实现在线诊断和智能化故障处理；在网络化基础上，CAD/CAM与数控系统集成为一体，实现了中央集中控制的群控加工。专家预测：二十一世纪机械制造业的竞争就是数控技术的竞争。
本次毕业设计的课题是设计开发一套数控铣床工作台仿真实验系统，来模拟数控铣床X、Y的两轴运动。从工程的角度来说，仿真就是通过对系统模型的实验去研究一个已有的或设计中的系统。分析复杂的动态对象，仿真是一种有效的方法，可以减少风险，缩短设计和制造周期，并节约资本。通过设计开发这样一套仿真实验系统也为数控机床控制系统的研究和
普通机床的数控化改造提供了必要的参考依据，同时这套系统也可以作为一套实验室设备，对数控技术的教学和研究有一定的现实意义。
1.2国内外数控技术发展及概述
当今世界工业国数控机床的拥有量反映了这个国家的经济能力和国防能力。近年来我国企业的数控机床占有率在逐年上升，在中小企业甚至个体企业中也普遍开始使用。在这些数控机床中，除少量机床以FMS模式集成使用外，大都处于单机运行状态，并且相当部分处于使用效率不高，管理方式落后状态。数控系统按功能可分为经济型和普及型。经济型属于抵挡数控，不同国家和不同时期的含义是不同的，在我国是指在满足基本功能的条件下，结构简单，操作灵活方便，价格低廉的数控系统。通常它都是由单片机作为系统的控制器，由步进电机进行驱动。我国经济型数控这些年有了进一步发展，产品性能和可靠性有了较大的提高，它们逐渐被用户认可，在市场上站住了脚。如上海开通数控有限公司的KT系列数控系统和步进驱动系统、北京凯恩帝数控技术有限公司的KND系列数控系统、广州数控设备厂的GSK系列数控系统等，这些产品的共同特点是数控功能较齐全、价格低、可靠性好。
专家预测：数控机床推广应用逐步由经济型向普及型转变。2005年我国数控机床的数控化率为9.5%～10.36%，到2010年将达到16.5%～19.27%，经济型所占比重将减少，普及型所占比重将增加，高级型的需求将有所增长。数控机床的应用由单机向单元（系统）方向发展。目前，欧、美、日等国应用DNC已很普遍，柔性制造单元占数控机床销售量的30%以上，而我国FMC、FMS、FML的拥有量还很少，相当于日本80年代水平，占数控机床消费额不到5%。[1～2～4]
一个国家数控机床的拥有量是衡量其工业水平的重要标志。就企业来说，面对日益激烈的国际竞争，在市场中占有一席之地，就必须采用先进的数控化设备，以提高技术水平。对于一个企业而言，提高数控化率有两个途径：
㈠投入巨资购买新的数控机床；
㈡对现有的普通化机床进行数控化改造。对拥有300多万台普通机床的我国来说，普通机床的数控化改造无疑是一条简单可行的途径。因此，对普通机床的数控化改造也成了人们近年来研究的课题。[1～2～3]
1.3单片机技术及发展趋势
单片机作为微型计算机的一个很重要的分支，以其高的性能价格比，发展相当迅速，它是自动控制、仪表仪器、通讯、家用电器等领域中应用最广、性能价格比最高的核心部件之一。由于PC机使用的是高级语言，必须有编译程序才能与计算机通信，而单片机使用的是汇编语言，它能直接与计算机通信，可以减少内存。因此，单片机在PC机日益发展的今天仍得到广泛应用。
随着半导体集成电路制造工艺的不断发展和电子技术应用领域的不断拓宽，新型单片机采取的宽系列、多品种，片内集成OTP型ROM或Flash存储器甚至EPROM、精简指令集、高速、低功耗的发展新思路，正是迎合现代众多产品的要求。目前新型通用单片机主要有PIC系列单片机、EM78系列单片机、ATMEL公司的FLSH单片机—89系列和90系列。
单片机在目前的发展形势下，表现出几大趋势：⑴可靠性及应用水平越来越高；⑵所集成的部件越来越多；⑶功耗越来越低；⑷与模拟电路结合越来越多。[5]
第2章 数控铣床工作台总体方案设计
2.1总体方案设计的内容
一个完整的数控系统其总体方案的设计内容包括：系统运动方式确定，伺服系统选择，执行机构传动方式的确定，控制计算机系统的选择等内容。与此同时根据设计任务和设计要求提出系统的总体方案，对设计方案进行分析、比较和论证，最终确定总体方案。
为了确定数控铣床工作台的总体方案，必须明确本次设计的设计任务和设计参数。本次设计的内容是开发一套数控铣床工作台仿真实验系统。其中系统的分辨率为0.02mm，工作台工作范围X=175mm，Y=175mm，最大移动速度为0.5m/min，工作台结构材料可选用铝材。通过开发这套仿真实验系统，其主要目的是在我们强化机械结构设计的同时，进一步掌握数控机床控制系统的设计思路，并且掌握数控系统硬件和软件的设计思想和设计方法，培养我们分析问题和解决问题的能力，对数控机床控制系统的研究和普通机床数控化改造提供了必要的参考依据，有一定的现实意义。
2.2控制系统的选择
控制系统是由微机部分、键盘及显示器、I/O接口及光电隔离电路、步进电机功率放大电路等组成，系统的加工程序和控制程序通过键盘操作实现；显示器采用数码管来显示系统的各种状态，方便用户操作。
本次设计将采用MCS—51系列单片机中的8031单片机作为主控制器。MCS—51单片机的性能为：[6]
⑴ 集成度高、功能强、速度快，有很好的性能价格比； ⑵ 支持的芯片种类多；
⑶ 性能好，适合于各种不同的场合。
2.3系统运动方式的选择
数控系统的运动方式可分为点位控制系统、点位直线系统和连续控制系统。如果工件相对于刀具移动过程中不进行切削，可选用点位控制方式。如数控铣床在工作台移动过程中铣刀并不进行铣削加工，因此数控装置可采用点位控制方式。对点位系统的要求是快速定位，保证定位精度。如果工作台或刀具沿各坐标轴的运动有精确的运动关系，应选用连续控制方式，连续控制系统应具有一个插补器进行各坐标轴进给脉冲的分配。这种控制系统要求伺服元件有很强的跟随能力。
本课题开发的仿真实验系统，要求能模拟数控铣床工作台X、Y的两轴运动，采用8031单片机控制步进电机，各坐标轴有精确的运动关系。因此，本次设计将采用连续控制系统。
2.4伺服系统的选择
数控机床控制系统有开环伺服系统、闭环伺服系统和半闭环伺服系统三种工作方式。开环控制系统没有检测反馈元件，不能纠正系统的传动误差，精度低；但开环系统结构简单，调整维修容易，在速度和精度要求不高的场合中得到广泛应用。开环伺服系统在负荷不太大时多采用步进电机作为伺服电机。如下图2.1所示为数控系统开环控制系统框图： 驱动器
步进电动机 铣床工作台 图2.1开环控制系统框图
闭环控制系统在机床移动部件上装有检测反馈元件来检测工作台的实际位移量，能补偿系统的传动误差，因而伺服控制精度高；但该系统造价高，结构和调试复杂，多采用精度要求高的场合。闭环系统多采用直流伺服电机或交流伺服电机作为驱动元件。如图2.2为闭环控制系统框图：
数控铣床工作台仿真实验系统的开发
