502型立式銑床數(shù)控化改造(電氣部分設(shè)計)

1、 xx大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）課題題目：單片機控制的數(shù)控車床實驗臺系 科： 機械工程系 學(xué)生姓名： 學(xué) 號： 專 業(yè)： 機電一體化 指導(dǎo)教師： 完成時間： 2008.5.17 摘 要隨著數(shù)控技術(shù)的飛速發(fā)展，機械制造業(yè)的生產(chǎn)方式、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、發(fā)生了深刻的變化。在我國數(shù)控機床的發(fā)展過程中，MCS-51系列單片機在數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用，經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)大多采用MCS-51系列單片機。本文在分析了數(shù)控車床的特點和實驗臺應(yīng)該具備的功能后，確定采用基于單片機控制的系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)方案。設(shè)計方案由系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)兩部分組成。關(guān)鍵詞：數(shù)字控制，單片機系統(tǒng)，數(shù)控車床ABSTRACTWith the deve

2、lopment of NC, there have been many changes in mechanical industry, such as producing method and struture of product. MCS-51 single microcomputers have been used widely in NC, especially in ecomical NC equipments in china. Based on MCS-51 single microcomputers, the NC lathe training equipment is des

3、igned with less money for the professional NC courses. After analyzing the feature of NC lathe and defining the functions of training equipment, a system general scheme is assumed by hardware architecture and software architecture, which uses MCS-51 single microcomputer.KEY WORDS: training equipment

4、, numeric control, single microcomputer system目 錄1 引言1.1 數(shù)控機床的產(chǎn)生與發(fā)展1.2 我國數(shù)控機床的發(fā)展概況1.3 本課題研究的背景2 數(shù)控車床實驗臺的性能要求2.1 數(shù)控機床的組成及工作原理 2 .1.1 數(shù)控機床的組成2 .2.2 數(shù)控機床的工作原理2.2 數(shù)控車床的特點2.3 數(shù)控車床實驗臺的方案設(shè)計 2.3.1 普通車床數(shù)控化改造的條件2.3.2 普通車床數(shù)控化改造的一般步驟2.3.2（1） 主要機械部件改造2.3.2（2）主傳動的數(shù)控改造2.3.2（3） 進給傳動的數(shù)控改造2.3.3總體方案設(shè)計論證與確定 2.3.3（1） 運動

5、方式的確定2.3.3（2） 行機構(gòu)傳動方式的確定2.3.3（2） 運動方式與伺服系統(tǒng)的選擇2.3.3（3） 機械傳動方式的確定2.4 數(shù)控車床實驗臺的性能要求3 實驗臺硬件系統(tǒng)的實現(xiàn)3.1 數(shù)控車床實驗臺硬件系統(tǒng)設(shè)計遵循的原則3.2 微機控制的數(shù)控車床實驗臺硬件系統(tǒng)的具體設(shè)計.3.2.1繪制系統(tǒng)電氣控制的結(jié)構(gòu)框圖3.2.2選擇中央處理單元CPU的類型3.2.2（1 ）存儲器擴展電路設(shè)計3.2.2（2 ）I/O口即輸入/輸出接口電路設(shè)計3.2.2（3） MCS51系列單片機簡介3.2.2（4 ）存儲器擴展電路設(shè)計3.2.2（5） I/O借口電路及輔助電路設(shè)計3.2.2（6） 硬件環(huán)行分配器3.3

6、 經(jīng)濟型數(shù)控車床微機控制系統(tǒng)硬件電路原理圖 4 實驗臺功能原理及插補算法4.1車削數(shù)控原理、實驗臺插補功能要求和插補算法的選擇4.2數(shù)字積分插補法參考文獻 中英文翻譯附 錄致 謝1 引言數(shù)字控制（numerical controlNC）簡稱數(shù)控，是一種利用數(shù)字化信息對設(shè)備運動及加工過程進行控制的一種自動化技術(shù)。將數(shù)控技術(shù)實施到加工控制中去的機床，或者說裝備了數(shù)控系統(tǒng)的機床被稱為數(shù)控（NC）機床。數(shù)控機床作為一種使用廣泛、典型的機電一體化產(chǎn)品，綜合應(yīng)用了微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、自動控制、精密測量和機床結(jié)構(gòu)等方面的最新成就，是一種高效自動化機床。數(shù)控系統(tǒng)不僅能控制機床各種動作的先后順序，還能控制機

7、床運動部件的運動速度以及刀具的運動軌跡。由于數(shù)控機床的高效率、高精度和高柔性代表了機床的主要發(fā)展方向，所以它已經(jīng)成為目前機加工自動化生產(chǎn)過程中最具代表性的核心設(shè)備，且成為計算機輔助設(shè)計與制造、柔性制造系統(tǒng)、計算機集成制造系統(tǒng)等柔性加工和柔性制造系統(tǒng)的基礎(chǔ)。1.1 數(shù)控機床的產(chǎn)生與發(fā)展1.1.1 數(shù)控機床的產(chǎn)生隨著科技的不斷發(fā)展，對各種產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率提出了高要求。產(chǎn)品加工過程的自動化是實現(xiàn)高質(zhì)量、高效率的重要措施。飛機、汽車等生產(chǎn)企業(yè)大多采用自動機床、組合機床和自動生產(chǎn)線，從而保證了產(chǎn)品質(zhì)量，提高了生產(chǎn)效率和減輕了操作者的勞動強度。但是，在產(chǎn)品加工中，單件、小批量生產(chǎn)的零件約占機加工總量的

8、80以上。對這些多品種、小批量、形狀復(fù)雜、精度要求高的零件的加工，采用專業(yè)化程度高的自動機床和自動生產(chǎn)線就很不合適。在市場經(jīng)濟大潮中，產(chǎn)品競爭日趨激烈，為求得生存與發(fā)展，各企業(yè)紛紛在提高產(chǎn)品技術(shù)檔次、增加產(chǎn)品種類、縮短試制與生產(chǎn)周期和提高產(chǎn)品質(zhì)量上下功夫，即使批量較大的產(chǎn)品，也不大可能多年不變，必須經(jīng)常開發(fā)新產(chǎn)品，頻繁地更新?lián)Q代。傳統(tǒng)的自動化生產(chǎn)線難以適應(yīng)小批量、多品種生產(chǎn)要求。為了解決上述問題，一種靈活、高精度、高效率的自動化設(shè)備數(shù)控機床應(yīng)運而生。1952年美國帕森斯公司和麻省理工學(xué)院在美空軍的委托下，合作研制出世界上第一臺三坐標(biāo)數(shù)控銑床，完成了直升飛機葉片輪廓檢查用樣板的加工。這是一臺采用

9、專用計算機進行運算與控制的直線插補輪廓控制數(shù)控銑床。經(jīng)過三年的試用、改進與提高，數(shù)控機床于1955年進入實用化階段，在復(fù)雜曲面的加工中發(fā)揮了重要作用。盡管這種初期數(shù)控機床采用電子管和分立元件硬接線電路來進行運算和控制，體積龐大而功能單一，但它采用了先進的數(shù)字控制技術(shù)，具有強大的生命力，它的出現(xiàn)開辟了工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的新紀(jì)元。從此，數(shù)控機床在全世界得到了迅速發(fā)展。1.1.2數(shù)控機床的發(fā)展最早采用數(shù)字控制技術(shù)進行機械加工的想法，是在20世紀(jì)40年代初提出的。當(dāng)時，美國北密執(zhí)安的一個小型飛機工業(yè)承包商帕森斯公司在制造飛機框架及直升飛機葉片輪廓用樣板時，利用計算機對葉片輪廓的加工路徑進行了數(shù)據(jù)處理，并考慮

10、了刀具半徑對加工路徑的影響，使得加工精度達到0.0015in。1952年，美國麻省理工學(xué)院研制出的三坐標(biāo)聯(lián)動、利用脈沖乘法器原理的試驗性數(shù)字控制系統(tǒng)是數(shù)控機床的第一代。1959年，電子行業(yè)研制出晶體管元器件，因而數(shù)控系統(tǒng)中廣泛采用晶體管和印刷電路板技術(shù)，跨入了第二代。1959年3月，由美國克耐·杜列克公司發(fā)明了帶有自動換刀裝置的數(shù)控機床，稱為“加工中心”。1960年，出現(xiàn)了小規(guī)模集成電路。由于其體積小、功耗低，使數(shù)控系統(tǒng)的可靠性進一步提高，數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展到第三代。以上三代，都是采用專用控制的硬件邏輯數(shù)控系統(tǒng)（NC）。1967年，英國首先把幾臺數(shù)控機床連接成具有柔性的加工系統(tǒng)，這就是最初

11、的FMS（Flexible Manufacturing System）柔性制造系統(tǒng)。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，小型計算機開始取代專用控制的硬件邏輯數(shù)控系統(tǒng)（NC），數(shù)控的許多功能由軟件程序?qū)崿F(xiàn)。由計算機作控制單元的數(shù)控系統(tǒng)（CNC），稱為第四代。1970年前后，美國英特爾公司開發(fā)和使用了微處理器。1974年，美、日等國首先研制出以微處理器為核心的數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)控機床。20多年來，微處理器數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)控機床得到了飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，這就是第五代數(shù)字控制（MNC），后來將MNC也統(tǒng)稱為CNC。20世紀(jì)80年代初，國際上又出現(xiàn)了柔性制造單元FMC。FMC和FMS被認為是實現(xiàn)計算機集成制造系統(tǒng)CIMS的基礎(chǔ)

12、。 數(shù)字控制系統(tǒng)的許多優(yōu)點使數(shù)控機床得到廣泛發(fā)展，數(shù)控技術(shù)還被廣泛應(yīng)用于工業(yè)機器人、數(shù)控線切割機、數(shù)控火花切割機、坐標(biāo)測量機、繪圖儀等設(shè)備上。1.2我國數(shù)控機床的發(fā)展概況我國對數(shù)控系統(tǒng)的研究開發(fā)始于50年代，但真正得到發(fā)展是從80年代開始，經(jīng)歷了“六五”、“七五”期間的消化吸收引進技術(shù)，“八五”期間科技攻關(guān)開發(fā)自主產(chǎn)權(quán)數(shù)控系統(tǒng)兩個階段，已為數(shù)控機床的產(chǎn)業(yè)化奠定了良好的基礎(chǔ)?！熬盼濉逼陂g數(shù)控機床發(fā)展已進入實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化階段。數(shù)控機床新開發(fā)品種300多個，已有一定的覆蓋面。新開發(fā)的國產(chǎn)數(shù)控機床產(chǎn)品大部分達到國際80年代中期水平，部分達到90年代水平，為國家重點建設(shè)提供了一批高水平數(shù)控機床。我國數(shù)控系統(tǒng)

13、在技術(shù)上已趨于成熟，在重大關(guān)鍵技術(shù)上（包括核心技術(shù)），已達到國際先進水平。目前，已新開發(fā)數(shù)控系統(tǒng)80多種。自“七五”以來，國家一直把數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展作為重中之重來支持，現(xiàn)已開發(fā)出具有中國版權(quán)的數(shù)控系統(tǒng)，掌握了國外一直對我國封鎖的一些關(guān)鍵技術(shù)。特別重要的是，我國數(shù)控系統(tǒng)的可靠性已有很大提高，MTBF值可以在15000h以上。同時大部分?jǐn)?shù)控機床配套產(chǎn)品已能國內(nèi)生產(chǎn)，自我配套率超過60%。這些成功為中國數(shù)控系統(tǒng)的自行開發(fā)和生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。1.3本課題研究的背景單片微型計算機簡稱單片機，是將計算機的基本部件微型化，使之集成為一塊芯片的微機。片內(nèi)含有CPU、ROM、RAM、并行I/O接口、串行I/O接口、

14、定時器計數(shù)器、中斷系統(tǒng)、系統(tǒng)時鐘及系統(tǒng)總線等。MCS-51 單片機在片內(nèi)存儲器容量、I/O的功能以及指令系統(tǒng)功能等方面都大大地得到加強，特別適用于實時控制、智能儀表、主從結(jié)構(gòu)的多機系統(tǒng)領(lǐng)域，是控制領(lǐng)域中最理想的8位機。MCS-51系列單片機具有集成度高、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、處理功能強、速度高、容易產(chǎn)品化等特性，因此在我國數(shù)控機床發(fā)展過程中，經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)大多采用MCS-51型系統(tǒng)單片微型計算機，它是超大規(guī)模集成電路發(fā)展的產(chǎn)物，在數(shù)控領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。2 數(shù)控車床實驗臺的性能要求2.1數(shù)控機床的組成及工作原理2.1.1數(shù)控機床的組成數(shù)控機床的組成如圖2-1所示。圖2-1 數(shù)控機床的組成計算機

15、數(shù)控裝置是數(shù)控機床的核心。其根據(jù)輸入的零件加工程序或操作命令進行相應(yīng)的處理，輸出控制命令到相應(yīng)的執(zhí)行部件，完成零件加工程序或操作所要求的工作。伺服單元和驅(qū)動裝置包括主軸伺服驅(qū)動裝置、主軸電動機、進給伺服驅(qū)動裝置及進給電動機。測量裝置是實現(xiàn)主軸控制、進給速度閉環(huán)控制和進給位置閉環(huán)控制的必要裝置。主軸伺服系統(tǒng)實現(xiàn)零件加工的切削運動，進給伺服系統(tǒng)實現(xiàn)零件加工所需的成形運動。操作面板，是操作人員與數(shù)控機床（系統(tǒng)）進行信息交互的工具，主要由按鈕站、狀態(tài)燈、按鍵陣列和顯示器等部分組成。操作人員通過它對數(shù)控機床進行操作、編程、調(diào)試或?qū)C床參數(shù)進行設(shè)定和修改，也可以通過它了解或查詢數(shù)控機床的運行狀態(tài)?？刂平橘|(zhì)

16、是人與機床建立聯(lián)系的介質(zhì)。程序輸入輸出設(shè)備是CNC系統(tǒng)與外設(shè)進行信息交互的裝置，目前數(shù)控機床常用的控制介質(zhì)和程序輸入輸出設(shè)備是磁盤和磁盤驅(qū)動器等。此外，現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)一般可利用通信方式進行信息交換。這種方式是實現(xiàn)CADCAM的集成、FMS和CIMS的基本技術(shù)。PLC用于進行與邏輯運算、順序動作有關(guān)的IO控制，它由硬件和軟件組成。機床IO電路和裝置是用于實現(xiàn)IO控制的執(zhí)行部件，由繼電器、行程開關(guān)、接觸器等組成的邏輯電路。它們共同完成以下任務(wù)：接受CNC的M、S、T指令，對其進行譯碼并轉(zhuǎn)換成對應(yīng)控制信號，控制輔助裝置完成機床相應(yīng)的開關(guān)動作；接受操作面板和機床傳送來的IO信號，送給CNC裝置，經(jīng)其處理

17、后，輸出指令控制CNC系統(tǒng)的工作狀態(tài)和機床的動作。機床本體是數(shù)控系統(tǒng)的控制對象，實現(xiàn)加工零件的執(zhí)行部件，由主運動部件、進給運動部件、支承件以及特殊裝置、自動工件交換系統(tǒng)、自動刀具交換系統(tǒng)和輔助裝置組成。數(shù)控機床的組成相對普通機床有以下幾個特點：由于大多數(shù)控機床采用高性能的主軸及伺服傳動系統(tǒng)，因此它的機械傳動結(jié)構(gòu)得到簡化，傳動鏈較短；為適應(yīng)數(shù)控機床連續(xù)自動化加工，它的機械結(jié)構(gòu)具有較高的動態(tài)剛度、阻尼精度及耐磨性，熱變形小；更多采用高效傳動部件，如滾珠絲杠副等；不少還采用刀庫和自動換刀裝置以提高工作效率。2.1.2 數(shù)控機床的工作原理數(shù)控加工與普通機加工不同點主要表現(xiàn)在控制方式上。用普通機床加工零

18、件時，工步的安排、機床運動的先后次序、走刀路線及有關(guān)切削參數(shù)的選擇等，都由操作者自行確定，而且用手工方式來進行控制。操作者總是根據(jù)零件和工序卡要求，在加工過程中不斷改變刀具與工件的相對運動軌跡和加工參數(shù)（位置、速度等），使刀具對工件進行切削，得到所需的合格零件。如采用自動車床、仿形車床和仿形銑床加工，也能達到對加工過程實現(xiàn)自動控制的目的，但控制方式是通過預(yù)先配置的凸輪、擋塊及靠模來實現(xiàn)的。在CNC機床上，傳統(tǒng)加工過程中的人工操作均被數(shù)控系統(tǒng)的自動控制所取代。其工作過程是：首先將刀具與工件的相對運動軌跡、加工過程中主軸速度和進給速度的變換、冷卻液的開關(guān)、工件和刀具的交換等控制和操作，按規(guī)定的代碼

19、和格式編加工程序，然后將該程序送入數(shù)控系統(tǒng)。數(shù)控系統(tǒng)則按照程序要求，先進行相應(yīng)的運算、處理，然后發(fā)出控制命令，使各坐標(biāo)軸、主軸以及輔助動作相互協(xié)調(diào)，實現(xiàn)刀具與工件的相對運動，自動完成零件的加工。CNC系統(tǒng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程如圖2-2所示。圖2-2 CNC系統(tǒng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程譯碼程序的主要功能是將用文本格式（通常用 ASC II碼）表達的零件加工程序，以程序段為單位轉(zhuǎn)換成刀補處理程序所要求的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（格式），該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)用來描述一個程序段解釋后的數(shù)據(jù)信息。它主要包括：X、Y、Z等坐標(biāo)值，進給速度，主軸轉(zhuǎn)速，G代碼，M代碼，刀具號，子程序處理和循環(huán)調(diào)用處理等數(shù)據(jù)或標(biāo)志的存放順序和格式。為方便編程，零件加工

20、程序通常是按零件輪廓或按工藝要求設(shè)計的進給路線編制的，而數(shù)控機床在加工過程中控制的是刀具中心（準(zhǔn)確說是刀位點）軌跡，因此在加工前必須將編程軌跡變換成刀具中心的軌跡。刀補處理就是完成這種轉(zhuǎn)換的處理程序。數(shù)控編程提供了刀具運動的起點、終點和運動軌跡，而刀具怎么從起點沿運動軌跡走向終點則由數(shù)控系統(tǒng)的插補裝置或插補軟件來控制。該程序以系統(tǒng)規(guī)定的插補周期T定時運行，它將由各種線形（直線、圓弧等）組成的零件輪廓，按程序給定的進給速度F，實時計算出各個進給軸在T內(nèi)的位移指令（X1、Y1），并送給進給伺服系統(tǒng)，實現(xiàn)成形運動。插補計算的原理及插補與加工精度的關(guān)系將在后面進一步討論。CNC系統(tǒng)對機床的控制分為對各

21、坐標(biāo)軸的速度和位置的“軌跡控制”和對機床動作的“順序控制”或稱“邏輯控制”。后者是指在數(shù)控機床運行過程中，以CNC內(nèi)部和機床各行程開關(guān)、傳感器、按鈕、繼電器等開關(guān)信號狀態(tài)為條件，并按預(yù)先規(guī)定的邏輯關(guān)系對諸如主軸的起停、換向，刀具的更換，工件的夾緊、松開，液壓、冷卻、潤滑系統(tǒng)的運行等進行的控制。PLC控制就是實現(xiàn)上述功能的功能模塊。通過以上介紹可知：數(shù)控加工原理就是將預(yù)先編好的加工程序以數(shù)據(jù)的形式輸人數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)通過譯碼、刀補處理、插補計算等數(shù)據(jù)處理和PLC協(xié)調(diào)控制，最終實現(xiàn)零件的自動化加工。2.2數(shù)控車床的特點通常數(shù)控車床由床身、主軸箱、刀架、進給系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)等幾部分組成,其結(jié)構(gòu)特點主

22、要體現(xiàn)在進給系統(tǒng)、刀架等方面。由于實現(xiàn)了CNC,進給裝置用伺服電機驅(qū)動,以連續(xù)控制刀具的縱向(Z軸)和橫向(X軸)的運動,完成對回轉(zhuǎn)體零件的內(nèi)外型面的加工。進給系統(tǒng)中沒有走刀箱、溜板箱和掛輪架，直接用伺服電機通過滾珠絲杠副驅(qū)動溜板和刀架進給，大大簡化了進給系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，傳動鏈路線短，剛性好,加工精度高。由于刀架移動采用滾珠絲杠副,因而運動輕巧。刀架是數(shù)控車床的重要部件，對車床的整體布局影響很大，兩坐標(biāo)連續(xù)控制的數(shù)控車床一般采用4、8、10工位的回轉(zhuǎn)刀盤。在車床上加工零件時,工件裝夾在三爪卡盤上,隨主軸一起繞軸旋轉(zhuǎn)。車刀固定在走刀架上,隨刀架一起沿車床的縱軸(Z軸)和橫軸(X軸)移動。車刀刀尖的直

23、線運動與工件的旋轉(zhuǎn)運動形成切削表面。由于工件只隨主軸旋轉(zhuǎn)，所以在車床上加工零件的基本形狀是一個繞主軸( Z軸)的回轉(zhuǎn)體。車床加工的工件以柱面、錐面和球面為基本形狀，其它形狀都是由這些基本形狀組合而成。上述三種基本形狀的圖形都要求車刀刀尖走出二種基本的軌跡，即直線和圓弧。以上分析的車床的運動為連續(xù)動作，即要求控制對象（車刀）在平面走出連續(xù)的軌跡。車床還有一些輔助運動，如：主軸的正反轉(zhuǎn)與停止冷卻泵的啟動與停止等運動。這些輔助運動屬于斷續(xù)的開關(guān)動作。所以，車床的動作包括連續(xù)動作和開關(guān)動作。2.3數(shù)控車床實驗臺的方案設(shè)2.3.1 普通車床數(shù)控化改造的條件并不是所有的舊機床都適合于數(shù)控改造。改造的機床應(yīng)

24、具備如下幾個條件。(1)機床基礎(chǔ)件需說明書、圖紙等完整設(shè)計請加叩叩親，由于某些原因，沒有上傳完整的畢業(yè)設(shè)計（完整的應(yīng)包括畢業(yè)設(shè)計說明書、相關(guān)圖紙CAD/PROE、中英文文獻及翻譯等），此文檔也稍微刪除了一部分內(nèi)容（目錄及某些關(guān)鍵內(nèi)容）如需要的朋友，請聯(lián)系我的叩扣:，數(shù)萬篇現(xiàn)成設(shè)計及另有的高端團隊絕對可滿足您的需要. 此處刪除XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX約5000字,需完整說明書聯(lián)系Q。速度控制等；手動控制:點動進給,手搖脈沖發(fā)生器控制,手動速度調(diào)整。(2)刀具控制自動換刀；刀具使用狀態(tài)監(jiān)測；刀具參數(shù)值設(shè)置。(3)

25、保護控制正負行程的軟、硬限位；進給高低速限制。(4)輔助功能控制:包括冷卻、照明。2.4.2 操作功能(1)運動方式選擇程序運行:自動運行、單步運行、暫停及暫?；謴?fù)，空運行，坐標(biāo)參考值設(shè)置；手輪運行:對系統(tǒng)軸的正負向運動進行控制；MDI方式:手動程序數(shù)據(jù)輸入。(2)程序操作程序的輸入輸出:手工鍵盤輸入、網(wǎng)絡(luò)通訊輸入等；程序的編輯；程序管理。(3)顯示操作系統(tǒng)狀態(tài)顯示:包括I/O信號監(jiān)測、運行方式選擇、正在使用的刀具信息等；位置顯示:機床坐標(biāo)系的位置報告,工件坐標(biāo)系的絕對/相對位置報告等；故障報警。2.4.3 診斷功能(1)編程錯誤提示 (2)操作錯誤提示 (3)執(zhí)行錯誤提示 3 實驗臺硬件系統(tǒng)

26、的實現(xiàn)3.1數(shù)控車床實驗臺硬件系統(tǒng)設(shè)計遵循的原則為使數(shù)控車床實驗臺硬件系統(tǒng)設(shè)計趨向合理化，在設(shè)計過程中著重考慮如下幾個方面：(1) 盡量選用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的典型電路,從而提高設(shè)計的成功率。(2) 盡量選用功率強、集成度高的微機芯片,因為采用這種器件可能代替某一部分電路,使系統(tǒng)可靠性增加。(3) 注意選用通用性強、市場貨源充足的元器件。(4) 系統(tǒng)的擴展及各功能模塊的設(shè)計在滿足應(yīng)用系統(tǒng)功能要求的基礎(chǔ)上,留有適當(dāng)?shù)挠嗟?以備將來進行修改、擴展。(5) 努力采用最新的一些技術(shù),因為電子技術(shù)發(fā)展迅速,器件更新?lián)Q代很快,市場上不斷推出性能更優(yōu)、功能更強的芯片。(6) 電路設(shè)計時,充分考慮應(yīng)用系統(tǒng)各部分的

27、驅(qū)動能力,因為不同的電路有不同的驅(qū)動能力,對后級系統(tǒng)的輸入阻抗要求也不一樣。實驗表明:如果阻抗匹配不恰當(dāng),系統(tǒng)的驅(qū)動能力不夠,可能導(dǎo)致系統(tǒng)的不可靠性甚至于使系統(tǒng)無法進行工作。值得一提的是,系統(tǒng)的不可靠性很難通過一般的測試手段來確定。因此,在電路的設(shè)計過程中,應(yīng)該特別注意系統(tǒng)的驅(qū)動能力、盡量減少系統(tǒng)的損耗。(7) 電路設(shè)計過程中要注意電平的匹配,TTL和CMOS電平單片機擴展時,不應(yīng)該超過其驅(qū)動能力,如CMOS電路不使用的輸入端不允許浮空,否則會引起邏輯電平不正常,容易接受外界干擾產(chǎn)生錯誤動作。(8) 系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計,這個問題在硬件設(shè)計中也有十分重要的意義。3.2微機控制的數(shù)控車床實驗臺硬件系

28、統(tǒng)的具體設(shè)計.3.2.1繪制系統(tǒng)電氣控制的結(jié)構(gòu)框圖 根據(jù)總體方案及機械結(jié)構(gòu)的控制要求，確定硬件電路的總統(tǒng)方案, 繪制系統(tǒng)電氣控制的結(jié)構(gòu)框圖。如圖4-1RAM ROM CPUI/O接口光電隔離步進電機外 設(shè)鍵盤、顯示器即其他 圖4-1 結(jié)構(gòu)框圖數(shù)控系統(tǒng)是由硬件和軟件兩部分組成。硬件是組成系統(tǒng)的基礎(chǔ)，有了硬件與軟件才能有效地運行。硬件電路的可靠性直接影響到數(shù)控 系統(tǒng)性能的指標(biāo)。機床硬件電路由以下五個部分組成：（1） 主控制器即中央處理單元CPU（2） 總線 包括數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線（3） 存儲器 包括程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器（4） 接口 即I/O輸入/輸出接口（5） 外圍設(shè)備 如鍵盤、顯示器

29、及光點輸入機等。3.2.2選擇中央處理單元CPU的類型 在微機應(yīng)用系統(tǒng)中CPU的選擇應(yīng)考慮以下因素： 1 )時鐘頻率和序號 這個指標(biāo)將控制數(shù)據(jù)處理的速度 2 )可擴展存儲器 （包括ROM和RAM）的質(zhì)量3 )指令系統(tǒng)功能影響編程靈活性 4 )I/O擴展的能力即對外設(shè)備的控制能力 5 )開發(fā)手段包括支持開發(fā)的軟件和硬件的電路 此外還要考慮到系統(tǒng)應(yīng)用場合，控制對象對各種參數(shù)的要求以及經(jīng)濟價格比等經(jīng)濟性的要求。目前在經(jīng)濟型數(shù)控機床上推薦采用MCS51系列單片機作為主 控制器。3.2.2（1） 存儲器擴展電路設(shè)計存儲器擴展電路設(shè)計應(yīng)該包括程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器的擴展。在選擇程序存儲器芯片時，要考慮CP

30、O與EPRM時序的匹配，還應(yīng)考慮最大讀出速度，工作溫度及存儲器的容量等問題。3.2.2（2） I/O口即輸入/輸出接口電路設(shè)計應(yīng)包括接口芯片的選用。步進電機控制電路鍵盤，顯示器的及其它輔助電路的設(shè)計。例如，復(fù)位電路越界報警電路，掉電保護電路等。此外，不同的數(shù)控系統(tǒng)還要求配備不同的外設(shè)，這些部分的電路設(shè)計也應(yīng)包括。3.2.2（3） MCS51系列單片機簡介MCS51系列單片機是美國Intel公司在MCS48系列單片微機基礎(chǔ)上推出的產(chǎn)品，于1980年問世，它的集成度很高是集片內(nèi)存儲器，片內(nèi)輸入/輸出部件和CPU于一體的優(yōu)良的單片機系統(tǒng)。在我國已廣泛地被應(yīng)用于經(jīng)濟型數(shù)控機床。MCS51系列單片機主要

31、有三種型號的產(chǎn)品。8031、8051和8751本數(shù)控車床中使用的是8031芯片。因為8031片內(nèi)設(shè)有ROM，適用于需擴展ROM?？稍诂F(xiàn)場修改和更新程序存儲器的應(yīng)用場合，其價格底，使用靈活，非常適用。18031單片機的基本特征(1) 具有功能很強的8位中央處理單元（CPU）(2) 片內(nèi)有時鐘發(fā)生電路（6MHz或12MHz）、每執(zhí)行一指令時間為2s或1s(3) 片內(nèi)具有128字節(jié)RAM(4) 具有21個寄存器(5) 可擴展64K字節(jié)的外部數(shù)據(jù)存儲器和64K字節(jié)的外部程序存儲器(6) 具有4個I/O口，32根I/O線(7) 具有2個16位定位器/計數(shù)器(8) 具有5個中斷源配備2個中斷優(yōu)先級(9)

32、具有1個全雙功串行接口(10) 具有位尋址能力，適用邏輯運算由上述特性可知，一塊8031的功能幾乎相當(dāng)于一塊 280CPO，一塊RAM，一塊I80CTC，兩塊280CPO和一塊280SIO所組成的微機系統(tǒng)?？梢钥闯鲞@種芯片集成度高、功能強，只需加少量外圍器件就可以構(gòu)成一個完整的微機系統(tǒng)。3.2.2（4） 存儲器擴展電路設(shè)計(1) MCS51的程序存儲器的尋址空間為64K字節(jié)，8031片內(nèi)不帶ROM用作程序存儲器的器件是EPROM。常用的半導(dǎo)體ROM芯片是2716、2764、2732、27128、27256、27512。芯片均為28腳、雙列直插式扁平封裝芯片引腳向下兼容。Vpp是編程電壓端，PG

33、M是編程控制編OE是輸出使能端，CS是片選端它們均為低電平有效，2764的等26引腳空。（CN）未用、當(dāng)CS和OE均為低電平時，芯片被選中，其存儲內(nèi)容從數(shù)據(jù)端輸出即處于Dout狀態(tài)，在編程時，從數(shù)據(jù)端輸入要存儲信息，數(shù)據(jù)腳處于數(shù)據(jù)輸入Dzn狀態(tài)，編程時PGM必須為低，使數(shù)據(jù)寫入芯片，由于單片機8031芯片的P0口是分時傳送低8位地址線 和數(shù)據(jù)線，故8031擴展系統(tǒng)中一定要有地址鎖存器。常用的地址鎖存器芯片是74LS373。74LS373是帶三太緩沖輸出的8D觸發(fā)器。其引腳及語8031芯片連接圖見圖4-2。圖4-2 8031 引腳及語8031芯片連接圖當(dāng)G=“1”時，74LS373輸出端1Q8Q

34、與輸入端1Q8Q相同,當(dāng)G為下降沿時，將輸入數(shù)據(jù)鎖存。（2）數(shù)據(jù)存儲器的擴展由于8031芯片內(nèi)部RAM只有28字節(jié)，遠遠不能滿足系統(tǒng)的要求，須擴展片外的數(shù)據(jù)存儲器RAM。常用靜態(tài)RAM芯片游116（2K*8）、6246（8K*8）,62256（32K*8）等，6246、62256均采用CMOS工藝，由單一5V供電，典型存儲時間為150200ns。它們均采用28腳雙列直插式扁平封裝，其引腳及邏輯符號見圖4-3。 圖4-3 RAM芯片引腳及邏輯符號見圖（3）譯碼電路設(shè)計8031單片機允許擴展64K程序存儲器核4K數(shù)據(jù)存儲器（包括I/O芯片），這樣就需要擴展多哥外圍芯片，因而需要把外圍地址 空間分配

35、給這些芯片，并且使程序存儲其各芯片之間、數(shù)據(jù)存儲器 (之間包括I/O芯片）地址互相不重疊，以使單片機訪問外部存儲器時，避免發(fā)生沖突。當(dāng)8031數(shù)據(jù)總線分時地與各個外圍芯片盡心數(shù)據(jù)傳誦時，首先要進行片選（指選中某一個芯片），而當(dāng)片內(nèi)有多字節(jié)單元時，還要進行片內(nèi)地址選擇。3.2.2（5） I/O借口電路及輔助電路設(shè)計8155：可編程RAM/IO擴展借口（256個RAM單元、2閣位口、1 個8位口、1個4位的定時/計數(shù)器）8255：可編程的通用并行借口電路（3個8位口）, 8255是Intel公司生產(chǎn)的可編程 輸入輸出接口芯片，它具有3個8位的并行I/O口，分別PA、PB、PC口，PC口又分為高4（

36、PC7PC4）和低4位（PC3PC0），它們都可以通過軟件編程來改變I/O口的工作,方式。3.2.2（6）硬件環(huán)行分配器目前市場上提供的國產(chǎn)TTL集成脈沖分配器有三相、四相、五相和六相，其型號分別為YBOB、YB014、YB015及YB016，均為18個引腳的直插式封裝。其主要性能參數(shù)列表： 輸出高電平（V）輸出低電平（V）輸入低電平輸入高電平（V）吸收電流（mA）工作頻率（kHz)電源電壓（V）環(huán)境溫度（）2.40.40.82.41.601605±0.50+70圖4-4 8155與8255A的引腳圖3.3 經(jīng)濟型數(shù)控車床微機控制系統(tǒng)硬件電路原理圖（1）x向y向和z向的進給伺服運動（

37、2）鍵盤顯示（3）面板管理（4）行程控制（5）其他功能 例光電偶合電路、功率放大電路、紅綠燈顯示等。CPU采用8031芯片，由于8031芯片內(nèi)無程序存儲器，需要有外部程序存儲器的支持，同時8031內(nèi)部只有128字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器，也遠不能滿足控制系統(tǒng)的要求。故擴展了16KB程序存儲器由兩片2732組成，又?jǐn)U展了一片6264數(shù)據(jù)存儲器。8031芯片的P0和PW用來傳遞外部存儲器的地址和數(shù)據(jù)，P2口傳送高8位地址，P0口傳送低8位地址和數(shù)據(jù)，故要采用74LS373地址鎖存器鎖存低8位地址，ALE作為其選通信號，當(dāng)ALE為高電平，鎖存器的輸入和輸出透明，即輸入的低8位存儲器地址在輸出端出現(xiàn)，此時不需要

38、鎖存。當(dāng)ALE從高電平變低電平，出現(xiàn)下降沿時，低8位地址鎖存入地址鎖存器中，74LS373的輸出不在隨輸入變化，這樣P0口就可用來傳送讀寫的數(shù)據(jù)了。8031芯片的P2口和74LS373的送出的P0口共組成16位地址，2764和6264芯片都是8KB，需13根地址線。A0A7低8位接74LS373芯片的輸出，A8A12接8031芯片的P2.0P2.4。系統(tǒng)采用全地址譯碼，兩片2764芯片選信號CE風(fēng)別接74LS138譯碼器的Y0和Y1，系統(tǒng)復(fù)位以后程序從000H開始執(zhí)行。由于8031芯片內(nèi)部沒有ROM故。I/O接口電路：由于8031只有P1口和P2口部分能提供用戶作為I/O 口使用，不能滿足輸入

39、輸出口的需要，因而系統(tǒng)必須擴展輸入輸出接口電路。從圖可知，系統(tǒng)擴展了一片8155和一片8255可編程I/O接口芯片。可編程I/O芯片的片選CE接口74LS138I/O借口芯片外設(shè)的連接是這樣安排的；8155芯片PA0PA7作為顯示器的段選信號是輸出PB0PB1是顯示器的位選信號是輸出PL0PL4根線是鍵盤的掃描輸入，8155芯片的IO/M引腳接8031芯片的P2。因為使用8155的I/O口故P2.0為高電平。 8255芯片PA0PA6接x向、向和z向步進電機硬件環(huán)行分配器，為輸出，PB0PB7為三個方向的點動及回零輸入，PC0PC5為面板上的選擇開關(guān)，設(shè)有編輯，單步運行，單段運行、自動、手動、

40、手動等形式。其他輔助電路設(shè)有越界報警和急停處理電路。±X、±Y、±Z方向的越界和急停信號經(jīng)門引入89031的P3.2，中斷源INT0，同時又接到8031的P1口，采用硬件申請中斷和元件查詢的方法，這樣無論哪個方向越界都會引起中斷，在中斷服務(wù)程序中，通過軟件產(chǎn)尋的辦法，便可確定哪個方向越界。還有相應(yīng)的紅燈亮報警。另外，還有上點和按鈕相結(jié)合的復(fù)位電路、光電隔離電路和功率放大電路等。圖見附表   4 實驗臺功能原理及插補算法本章主要是為數(shù)控車床實驗臺的CNC裝置的實現(xiàn)而對其進行具體的功能原理分析和算法設(shè)計。數(shù)控車床對零件的加工，是通過對所加工的零件形

41、狀、尺寸進行量化數(shù)學(xué)描述而得到加工程序，再經(jīng)過計算機譯碼、解釋執(zhí)行，控制機床各坐標(biāo)軸運動，使刀具以加工程序所描述的形狀和尺寸為軌跡做運動，最終加工出所需形狀和尺寸的零件。數(shù)控車削加工在插補方面有自己的特點。4.1車削數(shù)控原理、實驗臺插補功能要求和插補算法的選擇4.1.1車削數(shù)控原理 車削加工是由工件的運動產(chǎn)生切削主運動，而刀具只進行加工進給運動。如圖4-1所示：C軸旋轉(zhuǎn)是主運動，X、Z軸方向是進給運動。 圖4-1 數(shù)控車床的運動因為一般數(shù)控車床是對刀具的X、Z方向進給運動進行控制，對主軸則具有調(diào)速能力既可。數(shù)控車床對X、Z軸進給運動的控制是通過數(shù)字插補的方法進行的。4.1.2 實驗臺插補功能要

42、求本課題設(shè)計的數(shù)控車床實驗臺只要求基本的X、Z軸直線和圓弧插補的控制能力。4.1.3 實驗臺插補算法的選擇數(shù)控車床加工的各種工件輪廓，大部分由直線和圓弧這種簡單、基本的曲線構(gòu)成。插補的任務(wù)就是根據(jù)進給速度的要求，在輪廓起點和終點之間計算出若干個中間點的坐標(biāo)值。由于每個中間點計算所需的時間直接影響系統(tǒng)的控制速度，而插補中間點坐標(biāo)值的計算精度又影響到CNC系統(tǒng)的控制精度，所以插補算法是整個CNC系統(tǒng)控制的核心。目前應(yīng)用的插補算法主要分脈沖增量插補和數(shù)字增量插補兩類。脈沖增量插補算法的特點是每次插補結(jié)束只產(chǎn)生一個行程增量，以一個個脈沖的方式輸出給步進電機。這類插補的實現(xiàn)方法比較簡單，通常只用加法和移

43、位即可完成插補，故其易用硬件實現(xiàn)，且運算速度很快；目前也有用軟件來完成這類算法的，但僅適用于一些中等精度或中等速度要求的CNC系統(tǒng)。因這類算法通常需要大約20余條指令，如果CPU時鐘為50Hz，那么計算一個脈沖當(dāng)量的時間約為40s，當(dāng)脈沖當(dāng)量為1m時，可以達到的極限速度為1.5m/min；如果要控制兩個或兩個以上的坐標(biāo)時，速度還將進一步降低。當(dāng)然，可用損失精度的辦法來提高速度。數(shù)字增量插補算法的特點是插補運算分兩步完成。第一步是粗插補，即在給定起點和終點的曲線之間插入若干個點，用若干條微小直線段來逼近給定曲線，每一微小直線段的長度l相等，且與給定的進給速度有關(guān)。粗插補在每個插補運算周期中計算一

44、次，因此每一微小直線段的長度l與進給速度F和插補周期T有關(guān)，即l=FT。粗插補的特點是把給定的一條曲線用一組直線段來逼近。第二步為精插補，它是在粗插補時算出的每一條微小直線段上再做“數(shù)據(jù)點的密化”工作，這一步相當(dāng)于對直線的脈沖增量插補。根據(jù)插補采用計算方法的不同,有許多種插補方法,如逐點比較法, 數(shù)字積分法,最小偏差法,比較積分法,時間分割直線插補算法等。不同算法適用于不同的場合。在普通的CNC裝置中，逐點比較法和數(shù)字積分法獲得了廣泛的應(yīng)用。這些插補算法最初是用在硬件數(shù)控裝置中，現(xiàn)在也可用軟件來實現(xiàn)。本文所采用的插補算法為數(shù)字積分法，下面重點介紹該插補算法。4.2數(shù)字積分插補法數(shù)字積分法又稱數(shù)

45、字微分分析器（DDA），它不僅可方便地實現(xiàn)一次、二次曲線的插補，還可用于各種函數(shù)運算，而且易于實現(xiàn)多坐標(biāo)聯(lián)動，所以DDA插補的使用范圍較廣。4.2.1數(shù)字積分插補法的基本原理數(shù)字積分插補法的基本原理可用圖4-2所示的函數(shù)積分來說明。從微分的幾何概念來看，從時刻=0到求函數(shù)曲線所包圍的面積時，可用積分公式 （4-1）如果將0t的時間劃分成時間間隔為t的有限區(qū)間，當(dāng)t足夠小，可得近似公式 （4-2）式中為 tti 時的值。此公式說明，求積分的過程就是用數(shù)的累加來近似代替，其幾何意義就是用一系列微小矩形面積之和來近似表示函數(shù)以下的面積。在數(shù)字運算時，若t一般取最小的基本單位“1”，上式則稱之為矩形公

46、式，并簡化為 （4-3）圖4-2 矩形公式的定義如果將t取得足夠小，就可以滿足我們所需要的精度。實現(xiàn)這種近似積分法的數(shù)字積分器稱為矩形數(shù)字積分器。圖4-3 數(shù)字積分器框圖 設(shè)置一個累加器，而且令累加器的容量為一個單位面積。用此累加器來實現(xiàn)這種累加運算，則累加過程中超過一個單位面積時必然產(chǎn)生溢出，那么，累加過程中所產(chǎn)生的溢出脈沖總數(shù)就是要求的面積近似值，或者說是要求的積分近似值。圖4-3是實現(xiàn)這種累加運算的基本邏輯框圖。它由函數(shù)值寄存器，與門，累加器及面積寄存器等部分組成。其工 作原理為每來一個t脈沖，與門打開一次，將函數(shù)值寄存器中的函數(shù)值送往累加器相加一次。當(dāng)累加和超過累加器的容量時，便向面積

47、寄存器發(fā)出溢出脈沖。面積寄存器累計此溢出脈沖,累加結(jié)束后，面積寄存器的計數(shù)值就是面積積分近似值。4.2.2數(shù)字積分法的硬件插補(1)直線插補設(shè)在平面中有一直線OA，其起點為坐標(biāo)原點0，終點為A(xe，ye)，則該直線的方程為 （4-4） 將上式化為對時間的參量方程 （4-5）式中K比例系數(shù)。再對參量方程對t求微分得dxKxedt，dyKyedt （4-6）然后再積分可得： （4-7）上式積分如果用累加的形式表達，則近似為 （4-8）式中t=1。寫成近似微分形式為 （4-9）動點從原點出發(fā)走向終點的過程，可以看作是各坐標(biāo)軸每隔一個單位時間t，分別以增量Kxe。及Kye同時對兩個累加器累加的過程。

48、當(dāng)累加值超過一個坐標(biāo)單位（脈沖當(dāng)量）時產(chǎn)生溢出。溢出脈沖驅(qū)動伺服系統(tǒng)進給一個脈沖當(dāng)量，從而走出給定直線。若經(jīng)過m次累加后，x和y分別到達終點（xe，ye），即下式成立： （4-10）由此可見，比例系數(shù)k和累加次數(shù)之間有如下關(guān)系：Km=1 即 m=1/K （4-11）K的數(shù)值與累加器的容量有關(guān)。累加器的容量應(yīng)大于各坐標(biāo)軸的最大坐標(biāo)值。一般二者的位數(shù)相同，以保證每次累加最多只溢出一個脈沖。設(shè)累加器有n位，則 （4-12）故累加次數(shù) （4-13）上述關(guān)系表明，若累加器的位數(shù)為n，則整個插補過程中要進行次累加才能到達直線的終點因為 ( n為寄存器的位數(shù))，對于存放于寄存器中的二進制數(shù)來說Kxe（或Ky

49、e）與xe（或ye）是相同的，可以看作前者小數(shù)點在最高位之前，而后者的小數(shù)點在最低位之后。所以，可以用xe直接對X軸累加器進行累加，用ye直接對Y軸的累加器進行累加。圖4-4為平面直線的插補運算框圖，它由兩個數(shù)字積分器組成，每個坐標(biāo)的積分器由累加器和被積函數(shù)寄存器組成。被積函數(shù)寄存器存放終點坐標(biāo)值 。每隔一個時間間隔t，將被積函數(shù)的值向各自的累加器中累加。X軸的累加器溢出的脈沖驅(qū)動X走步，Y軸累加器溢出脈沖驅(qū)動y軸走步。 圖4-4 平面直線插補運算框圖不同象限平面直線DDA數(shù)字積分法采用與逐點比較法相同的處理方法，把符號與數(shù)據(jù)分開，取數(shù)據(jù)的絕對值作被積函數(shù)，而以符號作進給方向控制信號處理，便可對所有不同象限的直線進行插補。 (2)圓弧插補由上面的敘述可知：DDA插補的物理意義是使動點沿速度矢量的方向前進。 這同樣適用于DDA圓弧插補。如圖4-5所示，圓的方程為： （4-14）式中R常數(shù)；X、Y以時間t參數(shù)的變量。等式兩邊同時對t求導(dǎo)數(shù)，則有 （4-15）圖4-5 XY平面DDA圓弧插補 （4-16）由此可導(dǎo)出第一象限逆圓加工時動點沿坐標(biāo)軸方向的速度分量為 （4-17）上式表明：速度分量vx和vy是隨動點的變化而變化的。坐標(biāo)軸方向的位移增量為 （4-18a） 式