毕业论文：基于单片机的磨床控制系统设计终稿

毕业论文：基于单片机的磨床控制系统设计终稿内容摘要：

83。 22 II 第 6 章 系统 仿真 23 仿真软件 Proteus 23 程序的调试与仿真 23 第 7 章 结论与展望 24 参考文献 25 致谢 26 附录 27 附录 A 外文资料 27 附录 B 电气接线图 38 附录 C 系统原理图 39 附录 D 程序 40 石家庄铁道大学四方学院毕业论文 1 第 1 章 磨床的背景及发展 磨床的背景 十八世纪 30 年代，为了适应钟表、自行车、缝纫机和机械等零件淬硬后的加工，英国、德国和美国分别研制出使用天然磨料砂轮的磨床。 这些磨床是在当时现成的机床如车床、刨床等上面加装磨头改制而成的。 它们结构简单，刚度低，磨削时易产生振动，要求操作工人要有很高的技艺才能磨出精密的工件。 1876 年在巴黎博览会展出的美国布朗 夏普公司制造的万能外圆磨床，是首次具有现代磨床基本特征的机械。 磨床是利用磨具对工件表面进行磨削加工的机床。 磨床能作高精度和表面粗糙度很小的 磨削 ，也能进行高效率的磨削。 大多数的磨床是使用高速旋转的砂轮进行磨削加工，主要类型有外圆磨床、内圆磨床、坐标磨床、无心磨床、平面磨床、砂带磨床、导轨磨床、工具磨床、多用磨床、专用磨床等 [1]。 磨床的发展 作为现代制造技术之一， 磨床 在现代制造领域 中占有 重要 地位。 1900 年前后，人造磨料的发展和液压传动的应用，对磨床的发展有很大的推动作用。 随着近代工业特别是汽车工业的发 展，各种不同类型的磨床相继问世。 自动测量装置于 1908 年开始应用到磨床上。 到了 1920 年前后，无心磨床、双端面磨床、辊磨床、导轨磨床，研磨机和超精加工机床等相继制成使用； 50 年代又出现了可作镜面磨削的高精度外圆磨床； 60 年代末又出现了砂轮线速度达 60～ 80m/s 的高速磨床和大切深、缓进给磨削平面磨床； 70 年代，采用微处理机的数字控制和适应控制等技术在磨床上得到了广泛的应用。 微处理机的数字控制使磨床的磨削速度具有一致的信号，可以按照指令信号进刀，方便快捷，从程序上就可以控制整个操作流程，具有多功能，高性能，高 速度，低功耗的优点 [2]。 数控磨床可以实现多品种的中、小批量生产自动化，可以提高生产效率，减少成本，提高加工精度。 自动测量反馈和数字显示装置的应用提高了机床自动化程度，节省了辅助时间，减少劳动强度。 磨床是金 属 切 削 行业的一个重要分支，随着工业的发展，对机械零件的加工精度及表面粗糙度的要求日益提高，磨削加工显得更加重要。 尤其在汽车、电力、船舶、冶金、军工、航空航天等行业，数控磨床发挥着越来越大的作用。 石家庄铁道大学四方学院毕业论文 2 第 2 章 磨床系统的设计要求及方案 磨床系统设计要求 （ 1）用单片机控制磨刀电机、磨床小车电机和主轴电 机的速度和位置，实现管道磨削的自动控制，要能根据工艺要求实现对磨削厚度的设定。 电机采用三相笼型异步电动机，其中主轴电机由变频器控制正 /反转和旋转速度，旋转速度从 0 到额定转速之间可调，用电位器调节；磨刀电机只控制电机的起动和停止，只能单方向旋转，不用调速；磨刀进给电机由变频器控制，具有快进、快退、慢进、慢退四种速度。 （ 2）要求系统具有手动和自动两种工作方式：手动工作方式下，可单独控制每个电机的启动、停止和调速；自动方式下，自动加工时能自动实现各个电机启动、调速和停止。 （ 3）需要设置功能键和数字键来设置参数。 磨刀进给总行程，单位： mm；设定范围： 9～。 磨刀进给低速时每次进刀量，单位： mm；设定范围： ～。 磨刀进给低速时总进刀次数，单位：次；设定范围： 1～ 9 次。 用数码管显示设定的参数；用数码管显示加工过程中磨刀进给的实际行程、每次的实际进刀量、当前进刀次数；用 LED 指示灯指示各电机工作状态：运行时绿灯亮，否则绿灯灭。 （ 4）编写程序并调试仿真通过。 设计方案 主轴电机是通过单片机控制两个继电器，由继电器的常开触点分别控制变频器的正反转的外部输入端子，从而实现电机正反转的控制。 主轴旋转的速度由电位器进行调节，可以实现无级变速。 主轴速度的检测采用霍尔元件，采用外部中断的方式，中断 N 次后主轴转过一圈，在自动的工作方式下，每次磨刀小车电机停止时启动进行主轴圈数的检测。 磨刀小车电机是通过单片机控制继电器，由继电器的常开触点控制变频器的外部输入端子，从而具有快进、快退、慢进、慢退四种速度。 磨刀小车的位移采用编码器进行检测，即单片机在固定的时间内对脉冲数进行读取、累加并转换成毫米单位后就可以得到磨刀小车的位移。 磨刀电机只需控制电机的启动和停止，单方向的旋转。 采用中间 继电器 和接触器石家庄铁道大学四方学院毕业论文 3 实现对 三相异步电动机的控制，从而实现电机的启动和停止。 功能键和数字键的设定，采用智能按键，即设定三个按键，一个作为设定键，一个作为数值的设置键，一个作为设定数值的移位键。 数值的移位键和数值的设定键采用外部中断的方式。 数据的显示采用两个四位一体的 LED 数码管，前四位显示磨刀进给的实际行程，后四位显示当前的进刀次数和每次的实际进刀量。 进刀次数和进刀量之间采用 ‘ ’作为间隔符。 为了减少驱动电路，采用动态扫描的方法显示。 由于 89C51 的 I/O 口数量有限，所以外扩一片 8155 芯片来扩展 I/O 接口。 利用外扩的 8155 I/O 口驱动显示电路。 由于在系统设计中按键比较多，因此采用行列矩阵式键盘，这样就可以减少键盘与单片机接口时所占用的 I/O 口线的数目。 利用这种行列矩阵式需要 N 个行线和 M 个列线，即可组成 M N 个按键的键盘。 采用单片机 C51 语言 ,在 Keil μVision 4 软件环境下进行程序的编写和调试，采用Proteus 软件进行磨床系统的仿真，并观察仿真结果。 石家庄铁道大学四方学院毕业论文 4 第 3 章 系统设计 系统主要组成 磨床控制系统主要由单片机、并行口扩展、磨刀电机、磨刀进给电机、主轴电机、变频器、键盘、显 示、霍尔元件、编码器几部分组成。 系统框图如图 31 所示。 图 31 系统框图 单片机芯片 单片机作为磨床系统的控制中心，根据磨床系统的控制特点和仿真软件的类型，选用 AT89C51 型号的单片机。 AT89C51 是一个 8 位的 CPU，具有 4K ROM 程序存储器， 128B RAM 数据存储器，可寻址 64KB 外部数据存储器和 64KB 外部程序存储器的控制电路，两个 16位的定时 /计数器，一个可编程全双工串行接口 ， 5 个中断源、 2 个优先级嵌套中断结构， 4 个 8 位的并行双向口， 32 条可编程的 I/O 线，各个双向口的每 一位均由锁存器、石家庄铁道大学四方学院毕业论文 5 输出驱动器和输入缓冲组成 [3]。 AT89C51 芯片引脚如图 32 所示。 图 32 AT89C51 引脚图 P0～ P3 输入 /输出引脚 P0 口具有双重功能：（ 1）可以作为输入 /输出口，外接输入 /输出设备。 由于 P0为开漏输出，在作为通用 I/O 使用时，需要在外部接上拉电阻；（ 2）在有外接存储器和 I/O 接口时常作为低八位地址 /数据总线，即低八位地址与数据分时使用 P0 口。 此时低八位地址由 ALE 信号的下跳沿使它锁存到外部地址锁存器中，传送数据信息 [4]。 P1 口具有单一的接口功能， P1 口的 每一位都可以作为可编程的输入或输出口线。 P2 口具有双重功能：（ 1）作为输入口或输出口使用，外接输入 /输出设备；（ 2）在有外接存储器和 I/O 接口时，作为系统地址总线，输出高八位地址，与 P0 口的低八位地址一起组成 16 位地址总线。 P3 口为双重功能口：（ 1）可以作为输入 /输出口，外接输入 /输出设备；（ 2）作为第二功能使用时，每一位的定义如表 33 所示。 表 33 P3口的第二功能 P3口各位 第二功能 RXD（串行输入） TXD（串行输出） INT0 （外部中断 0输入） INT1 （外部中断 1输入） T0（定时器 0外部计数器脉冲输入） T1（定时器 1外部计数器脉冲输入） RD （外部数据存储器读选通信号） WR （外部数据存储器写选通信号） 石家庄铁道大学四方学院毕业论文 6 控制信号引脚 ALE：地址锁存允许线，配合 P0 口引。