基于單片機(jī)的數(shù)控砂輪修整器的控制系統(tǒng)設(shè)計開題報告

畢業(yè)設(shè)計(論文)開題報告題目：基于單片機(jī)的數(shù)控砂輪修整器的控制系統(tǒng)設(shè)計\

1畢業(yè)設(shè)計綜述（題目背景、研究意義及國內(nèi)外相關(guān)研究情況）1.1題目背景和研究意義隨著計算機(jī)技術(shù)和機(jī)械制造技術(shù)的迅速發(fā)展，機(jī)械制造與計算機(jī)、電子、自動化以及精密測試技術(shù)日益緊密的結(jié)合，各種數(shù)控加工機(jī)床大量涌現(xiàn)，廣泛的應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域。本設(shè)計是基于單片機(jī)的數(shù)控砂輪修整器的控制系統(tǒng)設(shè)計，控制系統(tǒng)用于修形砂輪，要想制造高精度和高質(zhì)量表面的工件、剃齒刀、插齒刀等齒輪刀具，關(guān)鍵在于砂輪的修形系統(tǒng)。隨著機(jī)車工業(yè)的發(fā)展，對大批量加工機(jī)車齒輪的需求是許多工具廠或擁有多臺Y7125磨齒機(jī)的加工車間希望每臺磨床上都配備經(jīng)濟(jì)適用的數(shù)控砂輪的修正系統(tǒng)，以提高齒輪刀具加工效率，并且提出了更高的修形要求。為此，有必要對該機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行改造設(shè)計，用于降低成本來達(dá)到較高的修形精度和生產(chǎn)效率，這樣為企業(yè)提高利潤，同時可以利用原有的SX的數(shù)控修形系統(tǒng)的合理部分，保留其機(jī)械本體，以縮短改造周期。與以往的數(shù)控砂輪修形系統(tǒng)相比采用單片機(jī)為控制載體，具有價格低，體積小等特點(diǎn)，便于整個系統(tǒng)的推廣。1.2國內(nèi)外相關(guān)研究情況在世界上對砂輪修形的研究及應(yīng)用已有50多年的歷史，特別是在工業(yè)發(fā)達(dá)的西方國家，由于汽車工業(yè)和航天技術(shù)的高速發(fā)展，他們對高速重載低噪音齒輪箱的制造技術(shù)投入的科研費(fèi)用更高，對齒輪的修形更迫切。在國內(nèi)，砂輪修形雖然在二十世紀(jì)五十年代就已提出，并有應(yīng)用。但直到七十年代初才開始有比較深入的研究。目前我們雖然已有眾多的研究成果及理論，但還沒有一套完整的數(shù)控砂輪系統(tǒng)設(shè)計方法和強(qiáng)度計算方法。由于理論研究的不完善性，使得砂輪修形在制造工藝上停滯不前，計算機(jī)工業(yè)興起后整個機(jī)械產(chǎn)業(yè)進(jìn)入了新的時代。數(shù)控砂輪修形系統(tǒng)是隨計算機(jī)工業(yè)的發(fā)展而產(chǎn)生的。七十年代初期，國外一些學(xué)者就開始對微機(jī)控制砂輪修形系統(tǒng)進(jìn)行研究。1973年日本津田展宏在直齒輪磨削中使用了數(shù)控修整器圓弧。1979年原西德的M.Week教授介紹了他們與KlingenLnberg公司共同研制的CNC砂輪修形系統(tǒng)。1994年美國的NORMAC公司推出了性能卓越的FORMA-STER.CNC砂輪修形系統(tǒng)。我國絕大多數(shù)齒輪廠家在進(jìn)行剃齒刀修形、插齒刀修形時仍然采用國產(chǎn)的Y7125齒輪磨床。由于該機(jī)床的砂輪修形部分采用機(jī)械式靠模機(jī)構(gòu)和休整桿機(jī)械補(bǔ)償金剛筆尖形狀和安裝誤差的補(bǔ)償，因此修形的柔性較差，重復(fù)性低，調(diào)整時間長，生產(chǎn)效率低。鑒于此，國內(nèi)在CNC砂輪修形系統(tǒng)的研究起步要晚一些。2本課題研究的主要內(nèi)容和擬采用的研究方案、研究方法或措施2.1本課題研究的主要內(nèi)容本課題研究的主要內(nèi)容是基于單片機(jī)技術(shù)的數(shù)控砂輪修形器，為了克服機(jī)械式修形器存在的問題，我們利用數(shù)控技術(shù)對原機(jī)床的砂輪修整器進(jìn)行了改造，以適應(yīng)磨削各種修形剃齒刀的指定齒形。圖2.1數(shù)控砂輪修整器原理圖如圖2.1顯示砂輪修形器的刀具是金剛筆，金剛筆的刀架裝在杠桿的一端。杠桿的支點(diǎn)固定在滑塊上，金剛筆沿砂輪徑向運(yùn)動由步進(jìn)電機(jī)帶動滑板移動，Z軸步進(jìn)電機(jī)也是固定在滑塊上，當(dāng)X電機(jī)運(yùn)動時，Z電機(jī)也跟著滑塊左右移動。杠桿的另一端由Z軸步進(jìn)電機(jī)控制，杠桿靠近X軸步進(jìn)電機(jī)一端上裝有一個與滑塊連在一起彈簧，通過該彈簧的壓力使得杠桿始終與Z軸支承套接觸，Z軸步進(jìn)電機(jī)通過滾珠絲杠帶動支承套上下移動，杠桿的另一端即金剛筆就形成了與Z軸絲杠運(yùn)動方向相反的軸向運(yùn)動。X、Y方向都裝有限位開關(guān)，在遠(yuǎn)離電機(jī)的方向上采用軟件限位，另一端則采用了機(jī)械限位的方法，步進(jìn)電機(jī)正常工作時，工作指示燈綠燈亮，當(dāng)滑塊運(yùn)行到限位開關(guān)上時，限位開關(guān)閉合，向控制器發(fā)出信號，控制系統(tǒng)接到信號后，中斷步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行，并且使紅燈亮同時報警器響，起到報警作用。保證Z軸步進(jìn)電機(jī)的控制作用。本次設(shè)計是在完成要求的功能基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)改進(jìn)的數(shù)控化改造，降低價格、減小空間。采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對簡單功能要求的砂輪修形過程的控制。將數(shù)控系統(tǒng)中所需的電源、驅(qū)動單元、按鍵、顯示等集成或放在一個體積較小的箱體中，并且將箱體安裝在不影響加工的正常進(jìn)行，不影響工人的快速、正常的操作的磨床的床身中合適位置。在車間中實(shí)際進(jìn)行加工時所需要的數(shù)控系統(tǒng)，為本次設(shè)計的重點(diǎn)。在加工總系統(tǒng)的設(shè)計規(guī)劃中，數(shù)控系統(tǒng)所完成的功能如圖2.2所示。圖2.2數(shù)控系統(tǒng)功能圖圖中表示了該數(shù)控系統(tǒng)所完成的各個功能。有軟件實(shí)現(xiàn)，有軟硬件結(jié)合實(shí)現(xiàn)的。圖中加工坐標(biāo)顯示、報警指示燈、保護(hù)功能、手動控制、程序讀取、電機(jī)控制為所需要的硬件電路，當(dāng)然該功能的實(shí)現(xiàn)也需要有一定的軟件對單片機(jī)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)。顯示功能實(shí)現(xiàn)加工坐標(biāo)的顯示和加工前選擇程序的編號顯示。報警指示燈為在加工過程中出現(xiàn)的錯誤的指示，還有蜂鳴器的使用。手動控制、保護(hù)等功能的功能。主要設(shè)計內(nèi)容：控制器的硬件電路的設(shè)計，包括顯示電路、復(fù)位電路、抗干擾電路等。用電路設(shè)計軟件ProtelDXP2004繪制電路原理圖。確定控制算法，編寫軟件。完成數(shù)控砂輪修形實(shí)驗臺的設(shè)計。2.2擬采用的研究方案、研究方法或措施開發(fā)方案的選擇主要是指運(yùn)動控制器準(zhǔn)備采用的控制芯片，是開展本次設(shè)計的第一步，方法選擇的不同決定了整個控制器的開發(fā)的環(huán)境。一般來說，不同的要求就會有不同的選擇，各方案也有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。目前比較流行的有三種方案：單片機(jī)方案，PC104方案和嵌入式微處理器方案。有必要分析一下不同的開發(fā)方案并根據(jù)實(shí)際需要作出選擇。單片機(jī)方案：采用51系列的8位單片機(jī)構(gòu)成控制器，設(shè)計相對簡單，成本低，缺點(diǎn)是受單片機(jī)功能的局限性，功能不夠豐富。其相對于其他兩種方案的缺點(diǎn)主要表現(xiàn)在兩方面：一是傳輸速度較慢，不適用于大量的數(shù)據(jù)傳輸；二是與有操作系統(tǒng)的方案相比，界面沒有那么漂亮。[16]PC104方案：PC104的出現(xiàn)使得開發(fā)難度大大降低，用戶利用PC104提供的基本功能模塊，只需設(shè)計簡單的外圍電路，即可以實(shí)現(xiàn)控制要求，更多的時間和精力可用于可靠性方面的設(shè)計。PC104是一種體積緊湊，在軟件和硬件上與標(biāo)準(zhǔn)PC總線完全兼容的總線控制機(jī)，采用獨(dú)特的重疊結(jié)構(gòu)，作為工業(yè)級產(chǎn)品，具有低功耗和高可靠性的特點(diǎn)，特別適合嵌入式等應(yīng)用場合。采用PC104工業(yè)控制機(jī)作為硬件平臺，嵌入式Linux為軟件平臺，這種控制器特點(diǎn)是功能強(qiáng)大，可靠性好，并可以提供以太網(wǎng)功能。相對于其他兩種方案，成本高是唯一缺點(diǎn)。目前市場上PC104方案占據(jù)一定份額，但是不多，主要也就是成本的原因。嵌入式微處理器方案：目前一種比較流行的方法，將嵌入式處理器分為4類：嵌入式微處理器(EmbeddedMicroprocessorUnit);嵌入式微控制器(MicrocontrollerUnit,MCU);嵌入式DSP處理器(EmbeddedDigitalSignalProcessor);嵌入式片上系統(tǒng)(SystemOnChip)。嵌入式微處理器即單片機(jī)，它將CPU，存儲器和其他外設(shè)封裝在同一片集成電路中，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制場合。嵌入式DSP專門用于對離散時間信號進(jìn)行極快的處理計算，廣泛應(yīng)用于數(shù)字濾波，譜分析，圖像處理的分析領(lǐng)域。嵌入式微處理器包括ARM，PowerPC，Motorola68系列，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制，消費(fèi)電子，無線通訊領(lǐng)域等，功能強(qiáng)大。采用該類處理器一般學(xué)要在上面移植操作系統(tǒng)，在嵌入式操作系統(tǒng)平臺上進(jìn)行軟件開發(fā)，因此軟件容易移植和升級。它的優(yōu)點(diǎn)是功能強(qiáng)大，成本相對也比較低，且代碼可移植性好還能夠提供強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能，但對于本產(chǎn)品開發(fā)而言，致命的缺點(diǎn)就是開發(fā)周期長。這幾種方案的比較見表2.1所示：表2.1開發(fā)方案的比較方案功能網(wǎng)絡(luò)成本開發(fā)周期ARM核很強(qiáng)大強(qiáng)大較低較長PC104強(qiáng)大強(qiáng)大高短單片機(jī)基本功能一般低較短經(jīng)過調(diào)查和比較，由于本次設(shè)計采用的是簡單控制結(jié)構(gòu)，復(fù)雜運(yùn)算圖形顯示等數(shù)據(jù)量處理大的工作已由主機(jī)完成，運(yùn)動控制系統(tǒng)只需完成一些基本操作功能。再則從系統(tǒng)的功能角度出發(fā)考慮，決定選用單片機(jī)方案，它既能滿足系統(tǒng)控制功能，并且做成控制板后，體積小，成本低，開發(fā)周期短。3本課題研究的重點(diǎn)及難點(diǎn)，前期已開展工作3.1重點(diǎn)及難點(diǎn)重點(diǎn)是對砂輪修整器的系統(tǒng)，包括加工坐標(biāo)顯示、報警指示燈、保護(hù)功能、手動控制、程序讀取、電機(jī)控制為所需要的硬件電路及控制面板規(guī)劃設(shè)計。難點(diǎn)是系統(tǒng)的顯示電路、復(fù)位電路、抗干擾電路電路設(shè)計。3.2前期開展工作前期已開展的工作就是查閱相關(guān)方面資料，基本了解了本課題的相關(guān)國內(nèi)外研究情況，總結(jié)出基于單片機(jī)數(shù)控砂輪修整系統(tǒng)的主要功能，得出了現(xiàn)有控制系統(tǒng)組成。4完成本課題的工作方案及進(jìn)度計劃第1周查閱資料，熟悉課題。第2周了解數(shù)控砂輪修形系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。第3周了解剃齒刀、插齒刀及砂輪修形的原理。第4周規(guī)劃系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)。第5周完成操作面板設(shè)計。第6周進(jìn)行顯示模塊的硬件電路原理圖設(shè)計。第7周進(jìn)行按鍵模塊的硬件電路原理圖設(shè)計。第8周進(jìn)行保護(hù)模塊的硬件電路原理圖設(shè)計。第9周用ProtelDXP2004繪制原理圖。第10周完成機(jī)械設(shè)計任務(wù)。第11周繪制裝配圖。第12周確定控制算法。第13周編寫軟件。第14周書寫論文。第15周準(zhǔn)備答辯。

指導(dǎo)教師意見（對課題的深度、廣度及工作量的意見）指導(dǎo)教師：年月日所在系審查意見系主管領(lǐng)導(dǎo)：年月日參考文獻(xiàn)[1]張英杰，韓慶瑤，賈桂紅.現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)的特點(diǎn)和發(fā)展趨勢[M].中國制造業(yè)信息化,2004,33(9):106～108.[2]柳蘭,何娜，黃智偉.基于USB技術(shù)的數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)設(shè)計[M].電子設(shè)計工程ElectronicDesignEngineering，2009,17(6):38～40.[3]張潤孝,趙仲生,林其駿等.高精度SX系列數(shù)控砂輪修形系統(tǒng)[M].西安：西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院(710049),1997,31(12).[4]熊清平.數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢[J].專家視點(diǎn)，91～94，2004.[5]宋惠軍.Y7125磨齒機(jī)CNC砂輪修形系統(tǒng)設(shè)計與研究碩士學(xué)位論文[D].西安交通大學(xué)機(jī)電工程系,1991，15～22.[6]劉紅燕，于復(fù)生.8051單片機(jī)與U盤的技術(shù)設(shè)計.電子元器件應(yīng)用[M].2006,88～91.[7]徐亞東,蔣建國,齊美彬等.基于單片機(jī)的USB安全鑰設(shè)計與實(shí)現(xiàn).應(yīng)用天地[M].2007,26(9):66～69.[8]MAXiong-bo,HANZhen-yu,WANGYong-zhang.DevelopmentofaPC-basedOpenArchitectureSoftware-CNCSystem[J].ChineseJournalofAeronautics，2007，272～281.[9]D.A.Axinte,S.AbdulShukor,A.T.Bozdana.Ananalysisofthefunctionalcapabilityofanin-housedevelopedminiature4-axismachinetool[M].InternationalJournalofMachineTools&Manufacture,2010,191~203.[10]J.JesusdeSantiago-Perez,RoqueAlfredoOsornio-Rios,Rene′deJesusRomero-Troncoso1.DSPalgorithmfortheextractionofdynamicsparametersinCNCmachinetoolservomechanismsfromanopticalincrementalencoder[M].InternationalJournalofMachineTools&Manufacture,2008:1318～1334.[11]侯麗玲.基于AT89S52單片機(jī)的LED點(diǎn)陣顯示屏控制系統(tǒng)的設(shè)計.漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報,2008,10(3):70～73.[12]唐前輝,丁明亮.Proteus1515和Keil在單片機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用[M].重慶電力高等?？茖W(xué)校學(xué)報,2006,11(4):46～49.[13]袁強(qiáng),陸啟生,李文煜.基于單片機(jī)89C51和89C2051點(diǎn)陣LED圖文顯示[M].工程地質(zhì)計算機(jī)應(yīng)用,2006,(44)：17～19.[14]徐凱,張明.C51開發(fā)串行總線程序的優(yōu)化[M].電測與儀表,2005,42(479):60～62.[1