自动化专业磨床微机控制系统毕业设计.docx
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自动化专业磨床微机控制系统毕业设计
磨床微机控制系统
摘要
磨床是利用模具对工件进行加工磨削的机床。
本文介绍了磨床微机控制系统的基本概念和原理,设计了一个基于C8051F020单片机的磨床微机控制系统的硬件和软件的实现方法及实现过程,并经过调试完成其主要功能和主要技术指标。
磨床微机控制系统主要实现的功能:
实现人机交互,操作人员设置参数,磨床将自动按照参数完成对工件的磨削,加工效率比以往的提高了不少,并且磨削完的工件质量也比较高。
硬件部分包括:
主控电路、信号采集的接口电路、接近开关电路、按键及显示电路、串口通讯电路。
实现过程是以C8051F020为控制核心,ZLG7290芯片作为辅助,通过模数转换器,实时对输入信号进行采样,得到一串数据流,通过IIC总线将信号传输给ZLG7290芯片,信号通过控制器的处理实现数字化的存储和显示功能以及按键功能[1]。
同时,采集的信号也将控制驱动部分对砂轮进行控制,实现对工件的标准磨削。
软件部分包括:
主程序模块、显示模块、驱动控制模块以及按键模块。
主要实现了对采集数据的存储和分析,调控数码管的显示和指示灯的亮灭,按键的配置功能实现,以及对外部硬件设备的驱动。
关键词:
单片机,磨床,控制,显示,keiluVision
GRINDERCOMPUTERCONTROLSYSTEM
ABSTRACT
Grindingmachineisamachinetoolusedformachiningtheworkpiece.Thisarticlenotonlyintroducesthebasicconceptandprincipleofmicrocomputercontrolsystemofgrindingmachine,butalsodesignsacontrolsystemhardwareandsoftwareimplementationmethodandimplementationprocessbasedonC8051F020singlechipmachinecomputer.Finallywecompletethemainfunctionsandthemaintechnicalindicatorsafterdebugging.
Themainfunctionsweexceptthegrindingmachinecomputercontrolsystemtoachieveincludes:
human-computerinteraction,grindingmachinecancompletethegrindingontheworkpieceautomaticallyaccordingtotheparametergivenbytheoperator。
Theprocessingefficiencyimprovesalotthaninthepastandthequalityofthegrindingworkpieceisverygood.
Thehardwareincludes:
themaincontrolcircuit,interfacecircuitforcollectingsignals,theproximityswitchcircuit,buttonandinterfacecircuit.theserialportcommunicationcircuit.Asthewholerealizationprocess,wetakeC8051F020asthemaincontrolcore,thechipZLG7290asauxiliary,sampletheinputsinglefromtimetotimethroughtheanalog-to-digitalconverter,afterwhitchwegetabunchofdataflow,thenbussignaltransmissiontochipZLG7290throughIIC,signalthroughthecontrollerachievethedigitalstorageanddisplayfunctionandfunctionkeys.Atthesametime,thecollectedsignalwillcontrolthedriveparttocontrolthegrindingwheeltorealizethestandardgrindingoftheworkpiece.
Thesoftwarepartincludes:
mainprogrammodule,displaymodule,drivecontrolmoduleandkeymodule.Themainrealizationsofthesoftwarearethestorageandanalysisofthecollecteddata,controllingthedisplayofthedigitaltubeandthelightoftheindicatorlight,achievingkeyconfiguration,aswellasexternalhardwaredriver.
KEYWORDS:
SCM,grinder,control,display,keiluVision
目 录
前 言
利用磨料磨具(砂轮、砂带等)对工具进行加工切削的机床,统称为磨床。
传统的磨床久经岁月的洗礼,在机械器件加工过程中大放光芒。
作为现代制造技术之一,它们是因精加工和硬表面的需要而发展起来的,在现代造业中占有十分重要的位置。
磨床的应用范围非常广,它可以对工件进行荒加工、粗加工、精加工和超精加工,可以进行各种高硬、超硬材料的加工,而且还可以打磨刀具和进行切断等。
磨床的种类非常多,主要分为:
平面磨床、内外圆磨床以及工具磨床等等。
磨床加工有如下几个特点:
工件加工精度高,能够减轻操作者劳动强度,提高生产效率,有利于经济效益的提高和生产管理现代化的增强。
磨床的应用范围和特点让其成为了国防建设和国民经济发展的重要装备。
在十八世纪30年代前后,英、美、德三国分别研制出了使用天然磨料砂轮的磨床。
这些磨床是由当时的机床改制而成的。
它们的结构十分简单,刚度也较低,磨削产品的表面精度也很粗糙,想要做出超高精度的工件在当时的环境下是特别困难的。
在1876年万能型外圆磨床被研制成功,万能型外圆磨床的研制成功推动了世界工业生产的步伐。
1900年前后,现代化特性磨床诞生,可以通过液压传动来对磨床进行控制。
随着近代工业发展,各种不同类型的磨床相继问世。
在1908年,美国人研发了更加高级的磨床,将自动测量装置用在磨床上。
到了1923年前后,各式各样的磨床都得到了研发,如研磨机、超精加工机床等;50年代,出现了高精度外圆磨床,它是用来对镜面磨削加工的;60年代末,出现了高速磨床和平面磨床,其中高速磨床的砂轮线速度可达60-80m/s;70年代,数控磨床的产生使磨床市场得到了快速发展。
数控机床就是将微处理机的数字控制技术运用在磨床上,这使磨床的磨削度具有一致的信号,可以按指令信号进行磨削加工,方便快捷,从程序上就可以控制整个操作流程。
近年来我国磨床水平的提高,给机械制造业带来了翻天覆地的变化。
一些重型磨床达到了国际先进水平。
但是在研发先进技术上,我们仍然不如那些发达国家,只能在后面慢慢的跟随专研,我国的磨床在精度、速度方面还与强国存在一定的差距。
相同规格的磨床,国外的转速是国产转速的三倍,精度也不在一个等级上,这就导致我国工业发展受到了一定约束。
所以想要实现工业的全面发展,必须要攻克高端的磨床技术难题。
本课题所研究的是磨床微机控制系统,有助于我们对磨床微机控制系统的了解,也可应用到工厂进行原件的加工,同时这也是对在大学期间所学的知识进行运用和理解。
同时本次设计的磨床微机控制系统有如下特点:
高精度、高效率、低失误以及易操作等。
众所周知,磨床是用来磨削工件的,这些工件的硬度大多数都比较高,比如磨削钢铁、硬质合金等。
为了时刻能够采集到加工过程中这些工件的尺寸数据,本设计采用了差动电感式位移传感器对其进行数据采集,差动电感式位移传感器的测头用金刚石来做,金刚石的硬度很高,能够对高速旋转的高硬度工件实时采集数据,这为工件的高精度磨削创建了条件;在加工磨削工件的整个过程中,在粗磨之前砂轮都是快进前进,减少了整体加工磨削的时间,也就提高了效率;整个工件加工过程都是自动的,只需要设置一下参数按下启动按键,磨床就会自动对工件进行加工,直至标准,因此磨床的操作十分简单;不需要人们做更多的工作,都是自动加工磨削,因此降低了生产的失误率。
第1章
课题研究的目的及可行性分析
§1.1课题研究的目的
社会在发展,时代在进步。
在工业的发展中磨床起着十分重要的作用。
在社会发展的初期,工件加工都是使用人工来完成的,不但费力而且效率也不高,最为重要的是加工出来的产品质量粗糙,废品率居高不下。
随着社会的发展,磨床的应用范围日益扩大,在磨削机床中占有的逼比重也不断增加,高速磨削和强力磨削工艺诞生,进一步提升了磨床的磨削效率。
根据调查,磨床在工业发达的国家中占金属磨削机床的13%--17%[2]。
虽然如今的磨床已经研发到了一个高度,但是磨床加工控制依旧比较繁琐。
本设计是以单片机为控制核心来控制磨床运行,具有启动系统、停止加工、快速前进、快速后退、复位以及暂停/运行功能;同时加工磨削的过程分步实现,分别由快进、粗磨、精磨、光磨和后退五部分组成;在磨床对工件磨削过程中,传感器实时采集工件的尺寸,能够进行数字显示,并且利用指示灯显示运行状态,实现智能化监测,实现磨床的自动化运行。
单片机控制方法让机床简化,易于检查维修。
而且不需要那么多元器件,同时提高了
的生产效率以及磨削精度。
§1.2课题的可行性分析
当今的工业发展如日中天,对设备器件的要求也与日俱增。
特别是在交通、冶金、能源、军工、航天等行业中对工件更是高精度的要求。
伴随着市场经济体制的建成和不断完善,以及企业制度改革的不断深化,在激烈的竞争中提高市场的适应能力。
在“以中国的装备装备中国”政策的引领下,磨床的生产和市场的需求正在不断增加,磨床的产量和销售量也在逐年上升。
当今的社会是个开放的社会,中国的磨床市场是对外开放的,我国自主生产的磨床也将会出口到国外,同时国外的磨床产品也会被引导在中国,相比之下从国外进口来的磨床购买价格应该不便宜,对于厂家来说可能会产生一定的经济压力,可以说国内的磨床市场的前景一片大好。
本次设计的磨床微机控制系统相比较传统的磨床控制系统在性能上优于传统的;在产品上更是比传统磨削精度有一定的提高;在操作难度上简易于传统磨床。
并且本磨床微机控制系统的制作成本不但不比传统的高,反而有可能低于前者。
在这个现实的社会中,在成本差不多的情况下,厂家必定会选择性能更好、操作更简单的磨床微机控制系统。
在国内,也只有河北廊坊的一家轴承厂运用了类似的系统,可以说本次设计的磨床微机控制系统有很好的前景。
第2章磨床系统的设计内容及方案
§2.1磨床系统的设计内容
1.查阅相关资料并且想好控制过程,确定系统的解决方案。
根据解决方案来取元器件,以便设计的完成。
2.硬件设计
(1)用Altiumdesigner软件设计磨床微机控制系统的硬件电路,并且对其进行测试,同时掌握硬件电路设计的具体过程。
(2)学习protel软件,并用protel软件设计控制电路板.
3.软件设计
(1)主程序设计模块。
查阅资料,设计系统总体流程。
(2)驱动模块。
通过差动电感式位移传感器采集的数据来配置单片机芯片端口,驱动交流电磁阀控制砂轮进退。
(3)显示模块。
选用四位一体的数码管差动电感式位移传感器采集的数据信号。
用指示灯来显示磨床对工件加工磨削的整个过程。
(4)按键模块。
根据总体方案,分配按键并设置按键功能。
4.程序调试
用keilc51设计磨床微机控制系统的单片机程序,完成对其进行调试运行。
§2.2系统器件的选择
§2.2.1单片机的选择
本次设计是围绕单片机来实现的,单片机系统中至关重要。
我在之前学习C51系列AT89C51、AT89C52两种单片机,两者在功能和应用上差别不大,二者只有32个I/O口,但本次设计需要多个按键、指示灯以及数码管,还需要其他的I/O口进行功能配置,因此AT89C51、AT89C52两种单片机的I/O口不够用,若要选着两者中的任何一个都需要进行并行口扩展,这样就很麻烦。
根据上述的问题,我的指导老师建议我使用C8051F020单片机。
C8051F020单片机的I/O口很多,足够本次设计的使用,而且在功能上比AT89C51、AT89C52单片机更多。
因此,我选用C8051F020单片机作为设计核心。
§2.2.2显示、按键连接方式的选择
上述也提到了本设计需要8个按键、数码管显示,它们的显示连接方案大概有两个。
方案一:
将4个指示灯以及数码管直接连到C8051F020单片机上;方案二:
通过周立功系列的芯片进行连接。
若选择方案一,8个按键、4个指示灯以及数码管都要一一与单片机相连,并且连接控制是非常复杂繁琐的;若选择方案二,周立功系列的芯片我们选用ZLG7290芯片,这个芯片可控制64个按键和8个数码管,这对于本次设计来说错错有余,并且控制过程特别简单。
终上所述,按键、数码管显示我选用ZLG7290芯片控制。
§2.2.3驱动工具的选择
驱动工具是用来驱动砂轮运动对工件进行磨削的,它在磨削过程中起到重要作用,可以主导工件加工成功与否。
驱动工具有两个选择方案,方案一:
通过单片机控制步进电机驱动;方案二:
通过单片机控制剪刘电磁阀驱动。
方案对比:
交流电磁阀可以比步进电机提供更多的前进位移,电路更容易设计且运行时稳定性更好,更重要的是控制过程要简单的多,因此选择用交流电磁阀驱动而不用步进电机驱动。
§2.2.4继电器的选择
继电器有两种选择:
交流固态继电器和电磁继电器。
与电磁继电器相比交流固态继电器具有工作稳定性更加可靠、无噪音几乎对外界没有干扰、能与逻辑电路兼容、功能控制多、抗干扰和适应能力强、开关速度快、结实耐用寿命长以及使用简单方便等一系列优点。
并且交流固态继电器有四个端子,其中的两个输出端子可以控制交流电磁阀的输油管道进而改变液压变化来控制砂轮,二者在工作上十分匹配,因此继电器选用交流固态继电器。
§2.3磨床系统的总体设计方案
本设计是以C8051F020单片机为控制核心对器件进行加工的。
磨床微机控制系统最终的目的是能够自动的对工件完成粗磨、精磨、光磨等动作,最后达到人们想要的标准工件。
首先我们选用差动电感式位移传感器来对工件在磨削加工过程中时时刻刻监视着工件的尺寸变化,将采集的数据通过接口电路传递给单片机,根据已设定好的参数(粗磨、精磨、光磨)发出控制信号经交流固态继电器传递给交流电磁阀,交流电磁阀通过液压装置带动砂轮完成相应的动作。
磨床的整个削磨过程分为三个误差带(粗磨、精磨、光磨)进行区分控制。
由粗磨到光磨,交流电磁阀的液压油的压力增加速度越来越慢,压力推动油缸的活塞带动活塞杆的速度也是越来越慢,即砂轮给进速度越来越慢,加工工艺和精度越来越高。
光磨速度为零,即交流电磁阀的液压油的压力不变化,靠砂轮的不均匀性实现无火花摩擦,磨几秒钟如果还不到位,就进入点动,即每秒给出几个脉冲,直至削磨成为标准件。
达到标准件,交流电磁阀带动砂轮快速回退,差动电感式位移传感器的测头打开,操作人员可也拿下磨削完的工件,放上待磨的工件毛坯[3]。
从工件毛坯,经过四个误差带的控制,逐步削磨成为一个标准工件。
如图2-1所示:
图2-1工件加工示意图
按键和显示的设定:
本设计需要4个指示灯,8个按键和1个四位一体的共阴极LED数码管。
指示灯:
当磨床加工工件处于粗磨、精磨、光磨、后退这四种工作状态时,对应的指示灯就会点亮。
这指示灯直接通过C8051F020进行控制。
为了设计的简单方便,按键和数码管的显示我们使用ZLG7290芯片对其进行控制,C8051F020芯片通过IIC总线的方式向ZLG7290芯片传递数据。
单片机应用系统中最常用的输入设备就是按键,操作人员通过按键向单片机系统输入指令完成相应的控制动作,实现简单的人机通讯。
本设计需要8个按键,分别是REST、ADDA、ADD、NEXT、RUN、DECD、DEC、STOP/START。
系统的显示模块采用1个四位一体的LED数码管来显示,差动电感式位移传感器采集的工件尺寸数据将通过它来显示[4]。
LED数码管采用共阴极接法,各段发光二极管的阴极连在一起,接高电平时发光二极管就导通点亮,反之发光二极管不亮的就是低电平的。
数码管的显示采用动态扫描的方法。
轮流选通数码管的公共端,使每个数码管轮流点亮。
在轮流点亮的过程中,每个数码管点亮的时间是极为短暂的,实际上二极管并没有同时点亮,但由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应,加之扫描速度很快,人们眼睛里所看到的就是稳定的显示数据。
选择这种方式是为了提高数码管的发光效率以及简化电路图。
系统的总体流程如2-2所示:
图2-2系统整体流程图
第3章系统的硬件设计
§3.1磨床微机控制系统的硬件组成
磨床微机控制系统主要是由单片机、差动电感式位移传感器、键盘、显示、接近开关、交流固态继电器、交流电磁阀、接口电路几部分组成。
§3.2系统元器件介绍
§3.2.1C8051F020芯片介绍
单片机作为磨床微机控制系统的核心,根据磨床微机控制系统的控制特性和仿真软件的类型,在整体控制上我选用C8051F020型号的单片机芯片。
C8051F020芯片相比较我们之前学的89C51/89C52芯片功能更强大,控制功能也越多。
它是完全集成的混合信号系统级MCU芯片,一个包含64个数字I/O端口[5]。
下面介绍C8051F020的一些主要特性:
1.模拟外设
(1)SARADC:
12位、
1LSBINL、8个外部输入、编程转换率最高可达100ksp、内部设有温度传感器、中断发生器[6]。
(2)8位ADC:
8个外部输入、编程转换率最高可达500ksp。
(3)2个12位DAC。
(4)2个模拟比较器。
(5)VDD监视器、欠压检测器。
2.数字外设
(1)64个I/O端口。
(2)SMB(
)、
、2个UART串口。
(3)5个16位定时器/计数器。
3.片内JTAG调试及边界扫描
(1)监视器、寄存器、存储器。
(2)片内调试电路。
(3)符合边界扫描标准。
4.微控制器内核
(1)历史性指令结构。
(2)有22个矢量中断源。
(3)速度可达25MIPS。
5.存储器
(1)FLASH存储器,可系统编程。
(2)64k字节数据存储器接口。
(3)4352字节内部RAM。
6.时钟源
(1)内部编程震荡器:
2-16MHz。
(2)外部振荡器。
下图3-1为C8051F020芯片示意图:
图3-1C8051F020芯片示意图
C8051F020引脚介绍:
C8051F020的每个I/O口引脚输出方式均需进行配置,输出方式有两种,分别为推挽方式和漏极方式。
芯片内部引入数字交叉开关,P0、P1、P2和P3端口引脚映射内部数字系统资源。
通过交叉开关寄存器的设置,片内计数器/定时器、串行总线、硬件中断、ADC转换启动输入、比较器输出以及微控制器内部的其他数字信号将被配置为出现在端口I/O端口[7]。
在访问这些外设的I/O端口之前必须配置和允许交叉开关。
下面的问题需注意:
a.低端口按位/字节寻址,高端口只能按字节寻址。
b.没有被分配到的引脚作为一般的数字通用I/O口。
c.P1口还可以用作ADC1的模拟输入。
d.P0MDOUT--P3MDOUT用于控制I/O端口每一位的输出状态。
e.为了能访问片外存储器空间,必须设置EMI0CN寄存器的内容为片外存储器的空间页地址。
f.外部存储器高端口配置方法:
PRTSEL位设置为1,同时选择地址的复用或非复用方式,在把XBR的外部寄存器的EMIFLE位设置为0。
g.在总线复用时,地址数据复用端口需要配置为漏极开路。
h.ALE脉宽占用1个时钟周期,地址建立/保持时间不占用时钟周期,/WR和/RD占用12个时钟周期,EMIF在复用方式下工作[8]。
配置EMIF:
首先设定EMIF所在端口;选择复用方式还是非复用方式;存储器的模式进行选择;然后对EMI0TC进行设置;通过寄存器选择所期望的相关端口的输出方式。
i.配置端口引脚的输出方式
每个端口引脚输出方式可以是推挽方式或漏极开路。
在推挽方式下,端口数据寄存器中写入0,表示端口引脚为GND;端口数据寄存器中写入1,表示端口引脚为VCC。
在漏极开路方式下,端口数据寄存器中写入0,表示端口引脚为GND;端口数据寄存器中写入1,表示端口引脚为高阻状态。
漏极开路方式可以阻止在系统中几个器件的端口引脚需要共享连接导致的器件之间的冲突。
漏级开路可于输入/输出,因为漏级开路相当于高阻状态,可独立完成低电平和高阻状态的输入/输出。
若系统需要产生高电平的信号,则需要用到外部上拉电阻或使用电平转换芯片。
在实际工作中可能会遇到这种情况:
将I/O口设置为漏级开路,并想要高电平输出,但向端口置1后并没有认出高电平,用万用表测量结果引脚确有电压,问题出在哪里了呢?
问题出现在测量电压对于高阻状态来说是没有意义的,加上一个上拉电阻就解决了[9]。
推挽方式设置为低阻状态能够产生高低电平,因为电阻很小,所以在电阻上分走的电压就很少,这样输出电压与电源电压相差无几。
这样就会产生一个问题,高电压低电阻,所以电流就会很大,这会造成器件的烧毁,所以推挽适用于输出而不适用于输入。
§3.2.2差动电感式位移传感器
在工件的削磨加工过程中时刻监测着工件尺寸的变化,并将误差带数据实时地在主机面板中显示,数据采集工作主要由差动电感式位移传感器传感器来完成。
如图所示,由差动电感式位移传感器卡在被测量工件表面,进行实时数据采集。
传感器的测头触点为金刚石测子,耐磨性极强[10]。
图3-2差动电感式位移传感器示意图
差动电感式位移传感器工作原理:
将工件卡在差动电感式位移传感器上,砂轮会对工件进行磨切,在工件磨削过程中工件尺寸会不断减小,与工件接触的测头带动衔铁在两个线圈内移动,开始的时候衔铁在两线圈中间,两个线圈的电感量相同,电桥平衡;如果衔铁上移,上线圈的电感量增加,穿过下线圈的电磁会减少,电感量必然会减少[11];反之,如果衔铁下移,上线圈的电感量减少,穿过下线圈的电感量增加,电感量必然会减少。
同时交流的阻抗也会伴随着变化,电桥会失去平衡,调制信号被输出。
输出的调制信号经接口电路传递给单片机,经数据处理进行显示。
§3.2.3交流电磁阀
交流电磁阀作为本设计的驱动部分,当单片机下达的指令传递给交流电磁阀后,它将按照接收到的指令来对砂轮进行控制,进而实现对工件的加工。
交流电磁阀的工作原理:
交流电磁阀里有密闭的腔,开孔分部在腔的不同位置,每个孔都对应着不同的油管,阀体在腔的中间位置,在阀体的两边放置两块电磁铁,当其中的磁铁线圈导通时,阀体由于受到电磁力的作用走向那一边(阀
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