文献综述
引言
现代数控技术是机械加工自动化的基础，是数控机床的核心技术，其水平高低关系到国家战略地位和体现国家综合实力的水平. 它随着信息技术、微电子技术、自动化技术和检测技术的发展而发展。现代数控机床的发展趋向是高速化、高精度化、高可靠性、多功能、复合化、智能化和开放式结构。主要发展动向是研制开发软、硬件都具有开放式结构的智能化全功能通用数控装置。本范文设计了一个由单片机控制的两坐标工作台数控系统。范文从四个方面对数控系统进行设计,首先确定了总体方案,接着对机械部分进行设计计算,绘制工作台部分的装备图,然后设计了数控系统的硬件电路,并且绘制了硬件电路的原理图,最后采用软件编程的方法进行了直线插补程序和圆弧插补程序设计。最终设计的数控系统具有加工精度高,传动效率高,结构简单,稳定性好等特点。直线插补程序和圆弧插补程序能够调试通过,实现插补过程控制。本范文对现实生产和普通机床的数控改造都有着实际意义。
整体方案的确定
本范文采用连续控制系统作为系统的运动方式,定位方式采用增量坐标控制。考虑到机床加工精度要求不高,为了简化结构,降低成本,采用步进电机开环伺服系统驱动X-Y工作台; 采用MCS-51系列中的8031单片机扩展控制系统.MCS-51单片机的主要特点是集成度高,可靠性好,功能强,速度快,具有很高的性价比。控制系统由微机部分、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。 X-Y工作台的传动考虑到精度和平稳性的要求选用了滚珠丝杠螺母副。由于工作台的运动部件重量和切削力不大,因此选用有欲加载荷的双V形滚珠导轨。考虑到电机步距角和丝杠导程只能按标准选取,为达到分辨率0.01m要求,需采用齿轮降速传动。系统的总体框图见图1。
图1 系统总体框图
机械部分的设计
机械部分首先对X-Y工作台的整体尺寸进行确定和重量进行估计,尺寸的确定要满足机床要求的加工范围,接着要对切削力和铣削力计算,用以设计导轨和选取合理的滚珠丝杠型号。数控系统对传动元件及导向元件的要求是：摩擦阻力小，高传动精度、刚度，消除传动间隙，具有小运动惯性，高谐振及适宜的阻尼比。由于本设计工作台的运动部件重量和切削力不大，可选择滚动导轨,其特点是：摩擦系数低，摩擦阻力变化小，定位精度高，精度保持性高。X-Y工作台的传动元件其精度,可靠性,以及它的传动效率直接影响整台数控机构的性能.滚珠丝杠比较好的满足了上述各要求。目前滚珠丝杠已经标准化,因此它的设计归结到了型号的选择。机械部分还要涉及到伺服电机的选择,根据脉冲当量,通过对启动力矩和最高工作频率的计算,选用步进电机作为系统的伺服电机。最后还要对系统的降速机构-齿轮进行设计和计算。机械部分的设计原则是:满足加工要求,结构简单,传动效率高,稳定性好,精度高。
系统硬件电路的设计
MCS-51单片机的特点是(一)性能价格比好;(二)支持芯片多;(三)能适应各种环境。因此本设计采用MCS-51单片机中的8031为控制系统的中央处理器,外接一片27128EPROM,作为监控程序的程序存储器,再选用6264RAM作为存储调试程序和运行程序的中间数据。考虑到系统拓展,为使编码统一,采用译码法对拓展芯片进行寻址,译码器选用74LS138。作为输出和输入口的拓展分别选择8155和8255作为输入和输出拓展。为了用弱电流控制强电流，还必须有功率放大器，同时为了消除强电对弱电的干扰，还需用光电隔离器。数控系统硬件框图如图2
图2 数控系统硬件框图
环形分配器的软件设计
X-Y工作的运动通过两个步进电机的转动来实现，对于步进电机的控制方式由环形分配器来实现。环行分配器的作用就是将数控装置送来的一系列指令脉冲，按一定的分配方式和顺序输送给步进电机的各相绕组，实现电动机的正转和反转。环行分配器可由硬件电路组成，也可通过软件编程的方法实现。本范文采用软件编程的方法,选用8031为环形分配器,选用8255输出口的B口来控制步进电机。环形分配器控制步进电机框图如图3
图3 环形分配器控制步进电机框图
范文采用通电代码循环输出的方法,通过实现电机的转向控制,电机转速的控制,以及控制字的设定,来完成其插补功能。
逐点比较法直线插补和圆弧插补程序设计
逐点比较法的原理是: 进给机构每进给一步，计算新的坐标点位置和它与理想直线（或曲线）的偏差，根据偏差的正、负号来确定下一步X或Y向电动机的走向，使进给机构向减少偏差的方向进给。通过偏差计算,进给脉冲的分配,以及终点的判别来完成插补程序的设计。
总结
最终设计的数控系统具有加工精度高,传动效率高,结构简单,稳定性好等特点。直线插补程序和圆弧插补程序能够调试通过,实现插补过程控制。本范文对现实生产和普通机床的数控改造都有着实际意义。