三维伺服数控平台设计.docx

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三维伺服数控平台设计

三维伺服数控平台设计

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机电工程学院

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摘要

由数字信息导向的控制程序对机械运动和工作过程进行操控的技术，就是所谓的数控加工技术。

这门技术概括使用了计算机技术、微电子技术、伺服驱动、主动控制和精密测绘等学科的集成应用。

数控铣床的核心在于控制系统，控制系统实现了数字化的零件的输入程序，完成输入信息的存储、数据的变换和插补的运算等，从而实现各种控制功能。

铣床控制系统的设计必须考虑软硬件的匹配，其设计必须从经济、实用、可行等诸多方面考虑。

本次毕设以89C51单片机为主体实现的控制系统，在硬件设计上易于实现有效的控制功能，结构相对简单；在软件设计上，通过插补程序的编制，相对容易地实现对铣床的运行方向和运行速度等方面的控制。

起先用软件画出铣床，然后用单片机进行控制。

用进行仿真模拟。

电路仿真技术就是通过软件来实现并检验所设计电路功能的过程。

不仅是模拟电路、数字电路、模拟混合电路的设计平台，更是世界上最先进的单片机和嵌入式系统的设计与仿真平台。

关键词：

数控加工；单片机；；

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摘要I

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1、绪论1

1.1引言1

1.2数控技术的发展方向与本次毕设的主旨1

1.3数控技术的国内现状与发展趋势2

2、三维建模与二维工程图4

2.1软件介绍4

2.2三维实际建模过程4

2.3二维工程图6

3、单片机的介绍与程序说明7

3.1单片机的概述7

3.2单片机控制系统设计8

3.3程序说明8

4、中电子电路建立与仿真模拟10

4.1仿真软件的介绍10

4.2仿真电路实现过程10

4.3程序实现简述与其源程序15

参考文献1

1、绪论

1.1引言

近些年来，计算机技术不断发展，计算机图形处理能力不断增强，以计算机为依托的仿真技术也快速发展起来，并在短时间内应用于各工程领域。

在计算机平台上进行机械零件的设计、校核，电子电路的设计，软件的编程，最终进行系统运动仿真，己经逐渐成为机电一体化设计的发展趋势。

设计与制造的传统步骤，第一步是方案设计与论证，第二步进行产品设计。

在第二步完成后，为了验证第二步的设计有无问题，通常要制造一台母机进行试验，这些试验中常常出现破坏性的结果。

当试验显现发现缺点不足时，又要回头修改第二步设计并再用样机验证。

这是一个周而复始、不断循环的设计一试验一设计过程，只有通过这种严苛而复杂的过程，产品才能达到所要求的性能。

不过这一程序是冗长的，尤其对于结构繁复的系统，设计周期更是无法缩短，哪还用谈对市场的灵活反应了。

时下大多数的情况是，企业工程师们为了确保产品按时投向市场而不得已中断简化这一过程，使产品在上市后便出现这样那样的问题，这也是许多人认为国内企业先天不足的由来。

时下的大背景是激烈市场竞争，在实际样机平台上的设计验证程序严重地限制了其产品质量、其成本与其对市场的占有。

随着全球化经贸态势的日渐显现，要想夺竞争取趋激烈的市场，并扩大市场占有率。

便应运出现了开发周期短暂，产品质量足够保障，成本低廉以与对市场反应灵活运营方式。

哪个公司早推出产品，哪个公司就占有市场。

显然传统的设计与制造步骤根本无法满足以上要求。

1.2数控技术的发展方向与本次毕设的主旨

已经问世40多年的数控技术是基于诸多基础学科而发展起来的，这是一门不算新兴，但却举足轻重的跨越性科学，是自动化，机电一体化，简单化，居家化，小型化制造业的基石。

在未来，数控技术，仿真模拟技术的不断升级改良，普与大众，基础零件更容易获得，企业源代码的逐步放送，会使得有兴趣，有志于此的人可以在家中，用简单的机床加工出自己设计的手机，遥控器等数码产品。

也可以对各种买来的家用电子元件进行个性化的魔改。

就好像美国电影中，一个乡下农场中，个人的爱好小作坊居然也能发展，制造出改变世界的发明一样。

这些都是数字化技术，数控技术，仿真模拟技术大统一的必然结果。

本次毕设就是对于数控铣床进行一次简单的二次开发，通过毕设中设计出的4乘4矩阵键盘，实现铣刀X轴，Y轴的控制走向。

这个二次开发可以连接已有的数控铣床，使工人们不必在使用铣床之前，背诵大量G17，G18，G90，G40等预存语言，可以通过简单的X轴，Y轴正传反转来控制。

也可以连接普通的非数字化铣床，将其升级为半自动化铣床，解放手工操作。

当然，本次毕设立意的确不凡，但笔者能力实在有限，所设计出的电子电路与操控软件并不符合实际生产生活需要，但通过本次毕设，让笔者对于电子电路与单片机开发应用大感兴趣，并亲手调试程序，理解铣床控制的基本原理。

1.3数控技术的国内现状与发展趋势

我国的数控技术起步较晚，虽然在学校精工实习时接触了一些数字化机床，但大多是一代，二代，三代的老式机床，命令语句复杂，且不知能。

精工实习过程中，在铣床实习时，笔者曾编译了一段程序，将蜡块铣成摩托诺拉的某款经典机型，当然，现在的手机大多为平板触屏手机，简单的程序就可以铣出超薄的平面机型，似乎根本不用迫切发展数控技术，当然，此为笑言。

笔者在假期实习时，曾进入一些工厂实习工作，这些工厂中还保留着大量非数控的铣床，车床等机床。

一些老工人手艺精湛，根本不需要背诵繁复的数控指令，看几眼零件，摸几下就能加工出精美利落的成品。

但未来的工业是大工业时代，大批量机加制成品依然占据着绝大部分市场。

我国也不再是当年那个发射东方红一号时，有几块钢板还是老师傅一锤子一锤子才敲打出弧形的国情了。

在笔者看来数字技术必然如上文所说一样，逐渐简单化，平民化，全民有兴趣之人都可以参与进来，都可以按照自己的个性加工出自己的零件，编写调试出带有个人特点的程序，组装自己心仪的产品，实现每个人不同的要求。

2、三维建模与二维工程图

2.1软件介绍

目前流行的主流高、中端三维软件很多，如、、、—E、、等，选择空间很大。

所有方才所述的软件中，都供应了过程装置以与运动干涉检验、仿真模拟等功能，以与最重要的系统二次开发接口。

这使得熟用上述软件之人可以自行开发出自己用着顺手的应用程序。

是一套基于的／／／桌面集成系统，是美国公司于1995年11月研制的。

该软件将二维制图和三维构型技术巧妙的杂糅为一体，操作便宜，上手极快，可以完成复杂的构型设计、大型装配、高级曲面设计造型和设计修改等。

集构型设计、应力分析、仿真加工和数据管理于一款软件，可以模拟动态装配过程，计算质量特征，可将三维实体构件转化为二维平面工程图。

2.2三维实际建模过程

实际建模复杂艰辛，笔者以前学过、等建模软件，这次经同学介绍学习使用这款软件，单前期学习准备便花了两周时间，画出了七八个小零件，总算初步学会使用这款软件。

根据实际测量所得铣床尺寸，将此次三维构件分解为三个零构件，分别为铣床底座，可移动固件平台，刀具装置件。

如下图2.1,2.2便是其中刀具装置件与可移动固件平台两个零件。

其中可移动平台的固定卡具很不好建模，孔多件难，还不好测量，特意接了一个卡尺反复测量，有照了很多照片对比建模，但最后还是反复跑了机械馆数次，才测得准确数字，勉强画出了几个零件。

图2.1刀具装置件图2.2可移动固件平台

下边分别罗列了构建的整体视觉图以与正视图，侧视图等。

图2.3整体视觉图

从上图的整体视觉图中不难看出，可移动固定平台有X轴移动行程，与Y轴移动行程。

其工作范围分别是120，160；采用滚珠丝杠杆作为传动装置，丝杠导程4。

设计中伺服电机最大进给速度2。

在软件装配时，X轴Y轴的导轨安装十分麻烦，因为无法将固定平台拆卸下来，自然不知道其中连接方式，上网查询了很多铣床装配图，也无法完整的复制出移动平台的安装方式，更无从在软件中制作约束。

图2.4正视图图2.5侧视图

2.3二维工程图

3、单片机的介绍与程序说明

3.1单片机的概述

自1946年美国军方定制的第一台计算机现世以来，计算机的微型化便从未停止过其脚步，最开始的计算机机箱需要几间屋子盛放，后来变成火车头大小，再到八九十年代的台式机，笔记本，平板电脑。

如今，计算机已经变成了指甲大小，这便是单片机。

单片机全称单片微型计算机，又被称为微控制器、单片机，是微型计算机家族中的一个重要成员。

单片机是将微处理器（计算机的中央处理单元））、一定容量的和以与接口、定时等电路集成在一片芯片上。

而不单单是完成某一个逻辑功能的芯片。

概括的讲：

一块芯片就是一台计算机，它的体积小、质量轻、价格低、为学习应用和开发提供了便利条件。

图3.189C51单片机

单片机是一块集成芯片，除了具有集成芯片的特点外还有许多其他不同特点，本次毕设选用的是89C51这块单片机。

这是一种带闪存可编程只读存储器的单片机。

89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活价廉的方案。

上图3.1便是本次毕设选用的89C51单片机，在中的模型。

3.2单片机控制系统设计

单片机编程之前需要规划出整个系统的控制流程图，通过流程图指导程序编译，电子电路连接等。

下图是本次毕设大体流程控制，分别从指令输入，到单片机与电路互动，指导伺服系统，电机转动带动铣床。

下图3.2为大体控制流程图。

图3.2控制系统流程图

3.3程序说明

此次毕设的程序编译部分，图3.3的流程图进行编译，首先进行头文件调用<52>，定义需要使用的各种编码[]={0x3f,0x06..0x79,0x71}，随后各定义全局变量u11121等，定义变量输入13^4。

定义延迟函数（x），定义初始化函数（），定义共阴极数码管显示函数（），定义键盘扫描函数（），定义主函数（）。

在主函数中分别调用初始化函数，键盘扫描函数，在显示函数中显示。

最后编写中断函数，控制输出波形。

下图图3.3为指导本次编程的流程图：

图3.3编程流程图

在编程中，最为重要的便是键盘扫描函数，在键盘扫描函数中使用函数，分别对矩阵键盘的每一行进行询问，待相应之后分别对每一个回应，对应的每一个键位进行定义，以实现矩阵键盘的各种功能。

4、中电子电路建立与仿真模拟

4.1仿真软件的介绍

软件是由英国公司开发的工具软件。

它从1989年问世至今，经过了近20的使用、发展和完善，功能越来越强大，性能越来越好。

安装以后，主要由两个程序组成：

和。

前者主要用于自动或人工布线与其电路仿真，后者主要采用原理布图的方法绘制电路并进行相应的仿真。

除了上述基本应用之外，革命性的功能在于它的电路仿真是互动的，针对微处理器的应用，可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程，并实现软件源代码级的调试，还可以直接实时动态地模拟按键、键盘的输入，、液晶显示的输出，同时配合虚拟工具如示波器、逻辑分析仪等进行相应的测量和观测

4.2仿真电路实现过程

以前学习只是做了一些简单的如跑马灯，定时器，静态数字显示等模拟，虽然知道这款软件功能十分强大，但很少编写大程序。

这次毕设一开始虽然在心底构思了一些方案，有简单的流程设计，但一动手开始写程序，就给了笔者迎头一棒——将电路图设计出来之后（如图4.1），根本不知道从哪下手写程序，老师说这个毕设并不困难，只需要一两百行的程序就可以了。

可是笔者闭关三天，才苦苦写出了二三十行程序，更让笔者心凉的是，笔者的数码管根本不显示任何数字，连乱码都没有！

更别说控制伺服电机了，不好的时候电机根本不动，就算问了同学，调试了一下程序，电机居然很不给面子的直接转到了头。

这要是实际工程应用，笔者的程序恐怕会谋杀很大一批数控铣床。

痛定思痛之