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综合数控实验系统的研究与开发

作　者: 孔逸敏
导　师: 徐寅林
学　校: 南京师范大学
专　业: 电路与系统
关键词: 单片机 FPGA 插补算法刀具补偿数控系统
分类号: TP273
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
下　载: 2次
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内容摘要

数控技术是现代制造技术的核心,是国民经济发展和国防尖端建设的实力标志和根基。因此我国迫切需要培养大量数控技术的使用型、应用型和研究型人才。现在国内工科类高校非常重视数控实验室的建设,部分工科高校相关实验室已经具有数控系统、机床动力滑台、多坐标数控机床等数控设备,并具有PLC、单片机等控制器,基本具备了数控技术课程教学实验环境。虽然国内现有的数控实验系统已经取得了一定的成效,但是大部分都是用于生产的大型数控装置,体积庞大、占地面积大且造价昂贵。这种数控系统一般不适宜于操作对象为初学者的教学和分组实验使用。因此设计一种造价低、体积小、适合分组实验的数控系统迫在眉睫。本论文以此为背景,设计了一套教学用综合数控实验系统。本系统采用通用的MCS-51单片机为控制核心,FPGA进行改进插补算法处理,控制编程简单。数控实验系统采用敞开式实验箱结构,所有元器件安装在实验板正面,增加了学生的感性认识；数控中用到的步进电机、主轴电机、油泵冷却、刀具转换等控制信号全部用LED显示,使得学生对于控制过程中信号的变化有非常直观的了解。本论文所设计的教学用综合数控实验系统具有操作方便、功能齐全、可靠性高、开放式结构等特点,非常符合各大高校的教学需求。本论文主要工作及有关创新点包括：(1)设计并制作了基于MCS-51单片机的硬件控制系统。所设计的软件,包含了液晶屏的全屏编辑功能、矩阵键盘的键值识别、NC代码的解释等一系列内容。(2)对逐点比较圆弧插补算法进行了研究,分析推导了基于符号运算的进给坐标、进给方向的快捷判别公式。(3)在原有DDA圆弧插补算法的基础上,研究了一种改进型的更高效的插补算法,速度更快,精度更高。(4)利用FPGA平台研究设计了改进插补算法的芯片,并进行了仿真测试。(5)对本系统的电路和工作性能做了测试,对数据进行了简要分析。实验结果表明,本文所设计的教学用数控实验系统具备了绝大部分工业控制所需功能,并且具有结构简单、占地面积小,适合多组学生分组实验的数控等特点；改进的基于FPGA平台的精确插补算法能够有效的改进单片机处理速度慢精度差的缺陷,对插补算法的研究和改进效果明显,所设计的软、硬件基本实现了预期功能,具有一定的可行性和实用性。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-6
目录  6-8
第1章绪论  8-11
  1.1 数控技术的发展综述  8
  1.2 国内外关于该课题的研究现状  8
  1.3 本课题的选题意义和研究得主要任务  8-11
    1.3.1 本课题的选题意义  8-9
    1.3.2 本课题的主要任务  9-11
第2章开放式综合数控实验系统的构建  11-25
  2.1 开放式数控系统简介  11-12
  2.2 数控系统硬件的总体设计和功能模块  12-18
    2.2.1 数控系统的总体硬件架构  12-16
    2.2.2 数控系统的并行接口和串行接口  16-17
    2.2.3 矩阵键盘的扩展电路  17
    2.2.4 液晶显示驱动电路  17-18
    2.2.5 SRAM存储扩展电路  18
  2.3 系统操作面板简介  18-24
    2.3.1 系统操作面板的主界面  19-20
    2.3.2 编辑零件程序  20-21
    2.3.3 自动运行方式  21-22
    2.3.4 手动运行方式  22
    2.3.5 参数的设定  22-23
    2.3.6 MDI方式  23
    2.3.7 回零方式  23-24
  2.4 本章小结  24-25
第3章插补算法的研究和改进  25-37
  3.1 传统插补算法的简介  25-31
  3.2 传统逐点比较法圆弧插补的进给控制和偏差函数计算  31-32
  3.3 符号判别法的插补算法  32-33
  3.4 基于符号判别法的逐点比较圆弧插补算法的改进  33-36
  3.5 本章小结  36-37
第4章数控系统的软件设计与开发  37-63
  4.1 开环数控系统的软件设计  37-39
  4.2 数控系统软件总体架构  39-40
  4.3 核心功能模块设计  40-63
    4.3.1 NC代码的解释模块  40-45
    4.3.2 按键控制模块  45-48
    4.3.3 全屏编辑模块  48-50
    4.3.4 数控插补模块  50-56
    4.3.5 刀具补偿模块  56-63
第5章插补算法的FPGA设计及仿真  63-76
  5.1 FPGA开发软件及设计方法简介  63
    5.1.1 FPGA概述  63
    5.1.2 QUARTUS Ⅱ软件的开发与设计流程  63
  5.2 新的插补算法的研究  63-70
    5.2.1 基于FPGA的新的插补算法的研究  63-70
  5.3 FPGA与单片机的接口设计  70-76
    5.3.1 FPGA与单片机的接口方式  70-71
    5.3.2 总线接口的逻辑设计  71-76
第6章系统的实验和测试  76-84
  6.1 系统实验结果验证  76-79
  6.2 实验结果的分析  79-83
  6.3 本章小结  83-84
第7章总结与展望  84-85
参考文献  85-88
攻读硕士学位期间发表的论文  88-89
致谢  89

综合数控实验系统的研究与开发

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