平面斜线轨迹控制系统设计

1、内蒙古工业大学本科毕业设计说明书学校代码: 10128学 号：201410107032 本科毕业设计说明书（题 目：平面斜线轨迹控制系统设计二 一 八 年 六 月摘 要国家对重工业进行把控的时候，明确地指出了数控技术在重工中所占的地位，它起到了决定性的作用，现在，国家是否进入现代化，工业是否能够自动化，柔性化，集成化，都是看数控技术是否能够应用在机械制造业，它已经成为了一个标准。现代制造业的产业结构和生产出产品的不同类型，都是由数控技术所引导的。现代的车间中，数控机床已经随处可见，大部分零件都已经依靠数控机床来进行加工，数控技术的实质是机械行业和计算机技术的融合，最终我们创造出了CAD，CAM

2、.FMS等一些软件来配合真正机械加工的时候做一些模拟仿真制图等，而这些软件也是依附于机械技术的，一旦失去了机械的技术这些软件也不会发挥自身的作用，所以我们机械专业的学生是离不开这些软件的。数控车床平面斜轨迹控制系统是本篇论文的主要研究内容，并通过详细的过程对进给传动系统设计、控制系统的设计以及了解滚珠丝杆螺母副进行预紧的原因和方法等，最后完成程序的编写。本篇论文会得到一些结论，这些结论是通过大量的计算得来的，在零件被加工之前是一个有效的保障。关键词：数控机床；平面；斜线轨迹AbstractCNC technology and CNC machine tools play an importan

3、t role in today's machinery manufacturing industry. NC technology plays a strategic role in the modernization of the country's basic industries. Now it has become a traditional machinery manufacturing industry to upgrade and transform, realize automation, flexibility, and integrated producti

4、on. Important means and signs. The wide application of numerical control technology and CNC machine tools has brought tremendous changes to the industrial structure, product types, and production methods of the machinery manufacturing industry. CNC machine tools are the most important equipment in m

5、odern machining shops today. Its development is the result of the comprehensive development of information technology and manufacturing technology. Modern CAD/CAM, FMS, CIMS, agile manufacturing and intelligent manufacturing technologies are all built on CNC technology. Therefore, modern CNC technol

6、ogy knowledge is indispensable for modern mechanical professional students.This design content designs the plane slanting trajectory control system of the CNC lathe, and through the detailed process, the design of the feed transmission system, the design of the control system, and the reasons and me

7、thods for understanding the ball screw nut pretightening, etc., and finally Completion of the preparation of the program. This article completes the design calculation and obtains the corresponding conclusion, provides the scientific basis for the engineering practical application.Keywords: CNC mach

8、ine tool; plane; slash path;目 录第一章 绪论11.1课题研究目的与意义11.2我国研究现状11.3本文主要研究内容2第二章 数控插补的控制方式32.1 逐点比较法32.1.1 插补原理32.1.2 直线插补32.1.3圆弧插补72.2数字积分插补法（DDA）112.2.1插补原理122.2.2 DDA直线插补12第三章 单片机开发环境下，编程实现插补163.1单片机的介绍16第四章 主要程序20第五章 结论21谢辞22参考文献23第一章引言1.1课题研究目的与意义整套机器的布局，选择不同类型的导轨，设计不同结构的支承件，选用不同的滚珠丝杆螺母副并根据不同的工件选取

9、相应的支承方式，设计选取不同的主要传动系统，加上每一个帮助数控系统完成最终工作的辅助装置的选取等等，这些合并能够设计出整机数控车床。为了使数控机床加工出的零件有很高的精度和效率，我们可以找到本篇设计中最主要的问题并在电脑仿真系统上加以训练。我们使用的仿真软件叫做CNC，在做仿真训练的同时，我们要深刻的感受软件所能设定的最小单位，要认识到每一个微小单位的变化最终都能带来整体的变化。所以在设计时候就要保证精确，也要体会到工件的设计在机床中究竟怎么应用以此来培养我们对设计的感觉和能力。现在我们在学校大多学习理论知识，并未真正的实践，而将来工作之后就需要我们上床操作，所以在平时的学习中，要抓紧机会培养

10、自己的实践水平将自己设想到进入真正的操作中，这样才能提高我们的操作技能。所以在本篇论文中，通过一些懵懂的经验，实际改造优化了一些步骤，相信这会对我自己日后的工作很有帮助。1.2我国研究现状机械制造及其自动化走在相关科技的前端，运用先进的计算机技术，推动制造技术，系统，模式进入了新的阶段。这个学科有着很强的目的性，它将计算机和机械完美的融合在一起，从而发展出更多的先进的技术，也优化了一些设备，使之生产出来的工件越来越高效精准。我国仍属于一个发展中国家，目前我国数控机械覆盖率不到百分之二十，而一些例如德国等发达国家数控机械覆盖率已经达到了百分之八十，就在这已经覆盖的百分之二十数控机械中间，还有多达

11、百分之九十的机器不是本土生产的，我国自己生产的数控机械设备和国外忌口的设备相比，达不到进口设备的精度和稳定，存在着十分大的距离。近几年来，机械行业发展迅猛，数控技术的推行给人们的生活带来了越来越多的便利。而数控行业并不仅仅应用于机械制造业，也会被一些汽车，轻工，医疗等行业引进，数控技术和其他领域的融合促进了双方的发展，在给其特领域带来便利的同时，也在促进者自身的优化，总体来看，数控技术的额普及已经是新的发展趋势。数控技术主要研究的是机械制造的整个过程，运用的方法是依靠于信息技术，制造的方式是引入数学中的坐标系进行进给运动。它能够高效率的生产一些件数并不多的产品，现在，越来越多的数控先进技术被引

12、入到我国，因为简单的数控技术已经不能满足我们国家的需要了。1.3本文主要研究内容本文的主要工作研究内容如下： （1） 搜集资料，了解并掌握国外先进的数控技术，深入研究数控机床现状及工作模式，深入研究平面斜线轨迹控制系统，了解他的运作模式，做好万全的准备写好论文。将相关的理论知识及应用特性做一个较为全面了解，为设计提供指导；（2） 根据要求，参与“平面斜线轨迹控制系统设计” 设计；（3） 了解并熟悉数控机床的组成（4） 需要完成控制系统的设计，包括：设计整个设备的中枢-控制系统的构成，设计控制软件的构成，以及设计计算机伺服系统，设计整个编译程序的过程。数控算法程序的设计以及完成其余各部分的设计和

13、选择等；最后完成程序的编写；（5） 根据设计的结果，对整个设计的过程以及平面斜线轨迹控制系统所具备的性能进行总结，为后期优化打下基础。第二章数控机床2.1二维工作台组成（1）机械系统部件（2）控制系统部件2.1.1二维工作台的机械组成（1） 导轨副（2） 丝杠螺母副（3） 减速装置（4） 伺服电动机（5） 检测装置因X轴和Y轴机械结构基本相同，X轴向结构简图，如下：纵观整个项目的设计，在尽量满足设计的要求同时，我们要采用简单的结构和较低的成本，这样才符合环保理念。2.2二维工作台的控制系统（1） CPU（2） 传动驱动（3） 传感器（4） 人机交互界面硬件系统设计应注意：（1） 尽量保证电机运

14、行的平稳（2） 应该使系统有灵活的反应能力（3） 价格不贵（4） 已于维修和保养（5） 人机交互页面操作简单方便2.2.1CPU板的选择电子技术的进步的同时带动了单片微型计算机的进步。单片机的种类多种多样，现在大部分厂商使用的是型号，因为它的制造恒本地，厂商能够负担的起，现在罪被人们接受认可的是，它价格低廉，而性能优良，功能强大。刚刚说的单片机的两个型号都用在简单的系统中，一旦系统繁琐我们就应该应用十六位单片机，现在十六位单片机最能被人们接受的是，人们使用她的次数最多的时候是伺服系统和必须有着灵活的反应能力的一些系统，如变频调速，因为这个型号的单片机能够灵活的计算和处理问题。站在系统的设计者的

15、角度来看，我们可以使用很多的单片机。型号能够很好的存储设计者们需要的数据，但是他的价格并不符合设计者的要求，而对于综合素质很高的则更会提高成本。Intel、ATMEL、Simens这三家公司都在生产51内核单片机，其中，最为著名和先进的是ATMEL的CMOS器件。他们公司也生产了一种包含叫做的单片机，他的优点是可以再设计制作的过程中随时随地的被修改，修改的同时不会覆盖上一次修改内容，就算没有电也会自动的保存信息。并且它会在不工作的时候自己调节成省电模式，可以安插在的插座上。下表详细地向我们介绍了AT89C51的性能参数。组成个数Flash4kb16位定时器2个中断源6个RAM128BWDTI/

16、O口32个第三章 数控插补的控制方式3.1 逐点比较法这种方法的特点就是在判别的过程中并不影响前进，又叫做代数运算法3.1.1 插补原理逐点比较法顾名思义就是每一个点都要进行比较，具体的用来比较的点是每一步进给运动后到达地额坐标都要去跟我们预定的坐标进行比较，然后算出误差值，之后根据误差值调整接下来的运动方向。在我们画图的时候，逐点比较法因为每一个点的坐标不可能相同，所以定这些点坐标连接起来的时候会形成折线或者曲线，但是这些近似于直线。所以这些数据能让我们做出直线插补和圆弧插补。这个图标的好处是运算起来直接简单，而且误差特变小，脉冲的变化率一致，易于调节。3.1.2 直线插补将整个程序的起始点

17、坐标收集起来，然后经过数控设备自己的处理方式将两个坐标之间的缝隙变成数据，使得运动轨迹是直线的方法叫做直线插补(一).偏差计算公式在平面直角坐标系中，存在线段OA，它以原点为起始点，以点A为终止点。点A的坐标为( Xe、Ye)，那么，P点在第一象限内有3种存在方式。图3-1 第一象限直线插补当点P(Xi、Yi)在直线上，则下式成立：即：XeyixiYe=0取偏差函数：进给方向的选取：使误差减小的方向。 当P点在直线上方时；则：XeyixiYe>0 当P点在直线下方时；则：XeyixiYe<0因此：由F可以判断动点P与理想轨迹的相对位置，然后决定下一步移动方向。F>0，点P在直

18、线上方，应向+X 移动。F<0，点P在直线下方，应向+Y 移动。F=0，点P在直线上，为方便，将 F=0 归F>0。我们让F的计算变得更加简单，这是为了减少计算的步骤。设第I象限中动点P(xi, yi)的F值为Fi， FiXeyixiYe1.若沿+x向走一步，即于是有 Fi+1 = Fi-Ye2.若沿+y向走一步，即 于是有：Fi+1 = Fi+Xe(二)终点判别的方法有两种：1.计算过程中，没计算一个步骤都要验算一下坐标点和终点的数值一不一样。即Xi-Xe=0且 yi-Ye=0；若两个式子同时满足，则插补结束。2.在计算过程中，计算走过的一共的步数的公式是，计算方法是让n=n直到

19、n=0，计算完成。(三)节拍控制的插补计算过程：（用流程图表示 ）图3-2 第一象限直线插补运算程序图具体程序如下：void main() int xe,ye,f,j;xe=4; ye=3; /把常数4写入变量xe；把常数3写入变量ye；f=0; /把常数0写入f；j=xe+ye; /读出xe和ye的值，相加后结果写入j；do if (f>=0)if(ye>=xe) /判断直线是否大于45度；cout<<"同时走+x，+y"<<endl; /输出结果； f=f+xe-ye; /读出f、xe和ye的值，计算后结果写入f； j=j-2; /读

20、出j的值，减2后结果写入j； elsecout<<"向+x走一步"<<end; f=f-ye; j=j-1;else if (ye>xe)cout<<"向+y走一步"<<endl;f=f+xe; j=j-1;else cout<<"同时走+x，+y"<<endl;f=f+xe-ye; j=j-2;while (j!=0);（5） 其他象限的插补情况在第二象限时，x轴的坐标为负数，所以我们用| x |来进行运算，在输出时，步进电机在x轴旋转方向为逆时针，在y轴

21、旋转方向为顺时针。在三、四象限时，我们运算过程中的直线和一二象限相同。插补运算时，用| x |和| y |代替x、y。输出驱动原则是：如果点和直线的位置关系是点在直线上面，那么我们使它沿着y的负半轴方向前进。这是针对于第三象限所说。如果点在直线下方，则向-X方向步进。同样的情况，我们使它沿着y的负半轴方向前进。这是针对于第四象限所说；如果点在直线下方，则向+X方向步进。下图详细的向我们阐述了坐标系做差不运动的不同方向。根据图我们可以得知，F0时，运动方向是沿着x轴的，不分正负，具体运动的坐标大小可以随时把控。其中，一四象限沿着x轴正方向运动，二三象限沿着负方向运动。当F<0时，运动方向是

22、沿着y轴的，不分正负，具体运动的坐标大小可以随时把控。其中，一二象限沿着y轴正方向运动，三四象限沿着负方向运动。图3-3 四个象限各轴插补运动方向3.1.3圆弧插补（一）偏差的计算公式我们以圆心为原点建立直角坐标系，起始点坐标为，那么为终点坐标， 设动点P(Xi、Yi)。若点P在圆弧上则：（Xi²+Yi²)-(X0²+ Y0²)=0取判别函数F=（Xi²+Yi²)-(X0²+ Y0²)1.动点在圆弧外,F>0,向-X走一步；2.动点在圆弧内,F<0,向+Y走一步；3.动点在圆弧上,F=0,向-X走一步。

23、如下图所示：(二)终点判别的方法有两种：1、进行坐标值比较，比较的点是动点和终点 若Xi=Xe， x 向已到终点 若Yi=Ye， y 向已到终点 结束一个插补看x，y是否都到达了最终地点。2、计算总步数 n=|Xe-X0|+|Ye-Y0| 每走一步，n-1n，直到n=0，插补结束(四)不同象限的直线插补计算1、第一象限逆圆插补 动点在-X方向走一步后xi+1=xi-1 yi+1=yi Fi+1=(xi-1)²+yi²-(x0²+y0²) =Fi-2xi+1动点在+Y方向走一步后 Fi+1=xi²+(yi+1)²-(x0²+y

24、0²)= Fi+2yi+1如下图所示：具体程序如下：void main()int x0, x0, j,f, x1, y1;x0=4; y0=0; /把常数0写入变量x0；把常数0写入变量y0；x1=0; y1=4; /把常数0写入变量x1；把常数4写入变量y1；j=x0+y1; /读出x0和y1的值，相加后结果写入j； f=0; /把常数0写入变量f； do if (f>=0)cout<<"向-x走一步"<<endl; /输出结果；f=f-2*x0+1; /读出f、2*X0和1，计算后结果写入f；x0=x0-1; /读出x0的值，减1

25、后结果写入x0；else cout<<"向+y走一步"<<endl;f=f+2*y0+1; y0=y0+1;j=j-1;while (j!=0);图3-4 第一象限逆圆插补的流程图如图所示2、第一象限顺圆插补F0动点在-Y方向走一步之后,Fi+1=Fi-2Yi+1; F<0动点在+X方向走一步后Fi+1=Fi+2Xi+13、圆弧插补有八种情况表示如下图由上图可以看出：第一象限、顺圆、F<0；第二象限、顺圆、F0;在第三象限的时候，F不小于0，为逆圆，第四象限的时候，F大于等于零，也为逆圆，以上这种规律经常在+X方向走一步后Xi+1=Xi+

26、1；Y+1=YiFi+1= =Fi+2Xi+1。第一象限、逆圆、F>=0；第二象限、逆圆、F<0;第三象限，F小于零为顺圆，第四象限F不小于零，为逆圆以上这种规律经常在-X方向走一步后Xi+1=Xi-1 ；Yi+1=YiFi+1= =Fi-2Xi+1。第一象限、逆圆、F<0；第二象限、顺圆、F<0;第三象限、顺圆、F不小于零，第四象限，、F不小于零，为逆圆以上这种规律经常在走一步后Yi+1=Yi+1 ；Xi+1=XiFi+1= =Fi+2Yi+1。第一象限、顺圆、F>=0；第二象限、逆圆、F>=0;第三象限，F小于零为顺圆，第四象限F不小于零，为逆圆以上这种

27、规律经常在-Y方向走一步后Yi+1=Yi-1 ；Xi+1=XiFi+1= =Fi-2Yi+13.2数字积分插补法（DDA）我们对数字进行积分运算，然后可以得到每个坐标轴的运动距离，并且得到刀具的轨迹，这种方法我们叫做数字积分插补法。我们一般用DDA来表示，他有很多优点，比如说计算能力强，脉冲平稳，冰痕能够轻易的多种联动，它可以很容易的计算出多次插补并且能进行复杂的额函数运算，收到了商家的喜爱。3.2.1插补原理它的原理表示为一个函数公式，积分公式：那么假设我们更加仔细的将时间划分成更小的单位，当单位时间变化量小到不能再小的时候，可以的得到公式：    &

28、#160;                              式中Yi-1为t=ti-1时f(t)的值，此公式说明：定积分的实质就是讲不同的数放在一起然后用长方形的面积和来表示整个函数假设我们在计算过程中，时间变化量的取值为一，那么公式可以简单的看做3.2.2 DDA直线插补（1）原理：积分

29、的过程可以用微小量的累加近似：我们以圆心为原点建立直角坐标系，起始点坐标为，那么为终点坐标，如果动点以每一时刻速度相同在线段OA上进行运动，那么和速度可以分解成一个水平速度一个竖直速度它们的关系式为：式中K为比例系数在t时间内，X和Y位移增量X和Y应为：动点在运动时，我们可以近似的把它看成每一个时间间隔加在一起的结果：经过m次累加后，X和Y分别都达终点(Xe, Ye)则：公式中，常数量为，如果我们把时间间隔看成一；若这两式成立，那么mK=1；m=1/K上面的公式说明了常数量K 和一共加上了m次之间的结果，也就是说只到了一个，另一个也就知道了。但m必须是整数，所以K一定是小数。我们在选取具体的K

30、值时，x的变化量和y的变化量都小于1，这样能让每一个脉冲小于等于1，换句话说，唯一的变化量可以看做单位步距故：一般取：如 ,满足 的条件，故累加次数为 因为 ，则 想让这个运算更加简单，我们需要使用二进制，也就是说数字是不加变化的，我们只需要移动小数点就可以了。得到的结论是n位寄存器存放KXe和Xe的结果是一样 的，只不过后面的那个默认成小数点存在的地方是第一个数字的后面，剩下没有任何区别。（2） DDA直线插补器假如一共做m次的加法，X、Y到达的时间不限，则X=mKXe=Xe (m*K=1)Kxe1 Kye1 (寄存器)Kxe1 Kye1 (累加器)（三）终点判别在做直线差不多额同时，n位寄

31、存器一定要经过2n次才能到达相应的位置，很函数积无关。所以我们用的计数器必须能够达到2n次，才可以进行计算。可以用加1计数器，也可以用减1计数器。使用加1计数器的步骤是要在开始计算之前把数值清空，没经过一个脉冲就把时间变化量加1，当计数器上出现2n次的时候，表示整个过程完事。使用减1计数器时，我们先把数值调成2n，之后每次运算减掉1，当n=0时计算完成。（四）第 I 象限DDA直线插补软件流程图具体程序如下：void main()int x,y,m,xe,ye,k; x=0; y=0; k=0; /把常数0写入变量x；把常数0写入变量y；把常数0写入变量k； m=16; xe=10; ye=5

32、; /把常数16写入变量m；把常数10写入变量Xe；把常数5写入变量ye；dox=x+xe; /读出x和Xe的值，相加后结果写入x；y=y+ye; /读出y和Ye的值，相加后结果写入y；if (x>=m) if (y>=m) cout<<"向+x,+y同时进给"<<endl; /输出结果； x=x-m; /读出x和m的值，相减后结果写入x； y=y-m; /读出y和m的值，相减后结果写入y； k=k+1; /读出k的值，加1后结果写入k； elsecout<<"向+x走一步"<<endl; x=

33、x-m; k=k+1; elseif (y>=m) cout<<"向+y走一步"<<endl; y=y-m; k=k+1; else k=k+1;while (k!=m);第四章   单片机开发环境下，编程实现插补4.1单片机的介绍单片机的实质是一个集成电路芯片，它的组成是中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器，将这些部件经过大规模集成电路技术放在一起，就组成了单片机，实际上它是一个微笑的计算机处理系统。 上世纪80年代，Intel公司推出了一款全新的单片微型计算机，型号为MCS-

34、51，其中有两个系列，分别是51和52，8031，8051和8751这三种组成了51系列，相关参数如下：（1）8位CPU；（2）振荡频率1.212MHZ；（3）内存器，128个字节（4）21个专用寄存器；（5）4KB的片内程序存储器（8031无）；（6）8位并行I/O口P0，P1，P2，P3；（7）一个全双工串行I/O口；（8）2个16位定时器/计数器；（9）5个中断源，分为2个优先级；本篇论文使用的单片机是AT89C51，他的优点是可以将涉及变得灵活，随意整改，也适当的减少了设计的成本，它有着低工耗、高性能的优点，他的内部存在一块有4KB的存储器和八位CMOS微控制器，这样会让我们的变成容易

35、的多。AT89S51具有以下特点：（1）与MCS-51微控制器产品系列兼容。（2）内部有一个内存为4KB的快闪擦写存储器（3）32条可编程I/O线。（4）程序存储器具有三级加密保护。（5）可编程全全双工串行通道。（6）在不工作的时候自动调节成省电模式（7）而且与87C51系列的引脚也完全兼容。图3-1 89S51单片机结构框图51系列单片机的引脚功能：主电源引脚 Vss、Vcc     Vss：接地，Vcc：接+5V电源外接晶振引脚 XTAL1、XTAL2输入/输出引脚  P0、P1、P2、P3P0.0-P0.7：端口P0一

36、共有8个引脚，它是双向的漏极开路端口I/0，链接外部存储器或者I/0扩展接口，P0.0P0.7不同时使用，在低8位总线与双向8位数据总线进行计算。P1.0-P1.7：P1一共有8个引脚，它是双向的漏极开路端口I/0，链接外部存储器或者I/0扩展接口，特别的，针对型号52来说，我们可以引进输入端T2在P1.0上，也可以把它当成外部控制端T2EX。P2.0-P2.7：P2一共有8个引脚，它是双向的漏极开路端口I/0，链接外部存储器或者I/0扩展接口，用处是高8位地址。P3.0-P3.7：P3一共有8个引脚，它是双向的漏极开路端口I/0，具体功能参见表3-1表3-1 P3口第二功能表 单片

37、机的发展越来越快，近几年，单片机的功能变多，性能变高，速度变快，价格变低，存储容量变大。其发展趋势主要有以下几个方面：1. 多功能  单片机的功能越来越多，最显著的是把存储器，和拥有各种各样功能的I/O口集合在一起。2. 高性能我们优化了中央处理器的性能，使单片机的额速度更快，可靠性更高。我们应用了精简指令对RISC的结构和流水线技术，使得他们都有了相应的提高，大大的提升了计算时的时间和处理，中断和定时的功能。让单片机在同等地位的产品中更有优势。单片机技术的提升加快了科技的发展，已经有的单片机可以打破的限制为64 KB，更加高端的单片机已经寻址能力已达到1 MB和16 MB

38、。3. 低电压、低功耗单片机可以使用的电压越来越多，普通单片及的使用电压是 36V，有一些单片机已经能在低至1.2V或0.9V的电压下正常工作，这就使得单片机及其省点。而且，每一个单片机都自带省点模式，小号的额能源已经从毫安降到了微安几乎可以忽略不计，也就是说就算只有一颗钮扣电池，单片机也可以长期工作。单片机已经达到了不受外界干扰和消耗低等优点。第五章 结论根据数控机床的需求，基于高可靠性和良好的调节特性为目标，对其设计，取得阶段性成果： （1）收集有关热管的一切资料，以保证对本文的而研究内容有深入的了解，并且将热管的理论和实践相结合，并在后一部分详细的介绍了单片机。（2）根据需求对数控机床的相关资料与现状进行分析与调研，为后面优化方案提供依据； （3）重点是对单片机