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江苏大学 硕士学位论文 数控车床实验台的研制 申请学位级别：硕士 专业：电力电子与电力传动 江苏大学硕士学位论文 摘要 随着数控技术的飞速发展，机械制造业的生产方式和产品结构发生了深刻的变化。在 我国数控机床的发展过程中，经济型数控系统大多采用m c s 一5 1 系列单片机。本研制的数 控车床实验台是为解决数控专业课教学实验设备价格昂贵问题而展开的。 论文在分析了数控车床特点和实验台应该具备的功能后，确定采用基于单片机控制系 统的总体设计方案。该设计方案由系统硬件结构和系统软件结构两部分组成。 在硬件结构上，使用a t m e l 公司生产的a t 8 9 c 5 2 芯片，其外部扩展一片d s l 2 3 5 y w l 芯 片，构成了一个高性价比的单微处理器结构。通过两片8 2 5 5 芯片构成实验台的输入输出 接口电路，实现工作方式选择等输入信号、插补进给信号等输出信号和微处理器之间的信 息交流；通过一片8 2 7 9 芯片、7 个七段数码管和一个1 6 段的米字数码管组成的键盘与显 示接口电路，实现输入或编辑数控加工程序、发送操作命令等功能，从而构成实验台的人 机接口，为操作人员提供必要的信息；采用芯片2 3 2 c p e 构成系统的通信接口，使编程 计算机与实验台相连，进行点对点通信，实现零件数控加工程序和相关参数的传送。为保 障实验台运行安全，在机床的四个直线轴+ x 、+ z 、一z 各设置一个限位开关，以防刀架 进给越出边界。 软件系统的设计严格遵循模块化程序设计的要求，在考虑了软件系统要解决编程、译 码、控制方式和通讯等问题后，确定实验台的软件系统由编辑功能块、编译功能块、控制 功能块和通讯功能块四大模块组成。本论文对各模块的程序流程进行了较为详细的说明， 开发出的软件得到了较好的应用效果。 在本论文最后，根据数控车床实验台的功能原理给出了直线和圆弧的数字积分法插补 算法设计，并从硬件和软件两方面对其进行了分析。为保障实验台能够可靠运行，本论文 还针对微机系统的主要干扰形式，从硬件和软件两方面提出了具体的抗干扰措旋。 关键词：实验台，数字控制，单片机系统 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fn c ，t h e r eh a v eb e e nm a n yc h a n g e si nm e c h a n i c a li n d u s u - y , s u c h a sp r o d u c i n gm e t h o da n ds t r u t u r eo fp r o d u c t m c s 一51s i n g l em i c r o c o m p u t e r sh a v eb e e nu s e d w i d e l yi nn c ，e s p e c i a l l yi ne c o m i c a ln ce q u i p m e n t si nc h i n a t h en c l a t h et r a i n i n ge q u i p m e n t i sd e s i g n e da n dm a d ew i t hl e s sm o n e yf o rt h ep r o f e s s i o n a ln cc o u r s e s ， a f t e ra n a l y z i n gt h ef e a t u r eo f n cl a t h ea n dd e f i n i n gt h ef u n c t i o n so f t r a i n i n ge q u i p m e n t ，a s y s t e mg e n e r a ls c h e m ei sa s s u m e db yh a r d w a r ea r c h i t e c t u r ea n ds o f t w a r ea r c h i t e c t u r e ，w h i c h u s e sm c s 一5 1s i n g l em i c r o c o m p u t e r i nh a r d w a r ea r c h i t e c t u r e ，a t 8 9 c 5 2m a d eb ya t m e li su s e d as i n g l em i c r o c o m p u t e rs y s t e m t h a tc o n s i s t so f a t 8 9 c 5 2a n dd s l 2 3 5 y w li sc h e a pa n dh a sm a n yf u n c t i o n s i oc i r c u i ti sm a d e o f t w o8 2 5 5c h i p s ，w h i c hc a ne x c h a n g ei n f o r m a t i o nb e t w e e nt h em i c r o c o m p u t e ra n di os i g n a l s ， s u c ha sw o k i n gm e t h o d 、i n t e r p o l a t i o na n ds oo n w i t ho n e8 2 7 9 a n ds e v e nl e d ，ak e y b o a r da n d s h o w i n gc i r c u i t a r ed e s i g n e dt oe d i tn cp r o g r a m sa n dd e l i v e ro p e r a t i n gi n f o r m a t i o n c o m m u n i c a t i o ns y s t e mi sc o n s t r u c t e db ym a x 2 3 2 c p e ，p ca n dt h et r a i n i n ge q u i p m e r i tc a nb e c o n n e c t e db yi tt ot r a n s f e rn c p r o g r a m sa n ds o m ec o r r e s p o n d i n gp a r a m e t e r s i no r d e rt ou s et h e t r a i n i n ge q u i p m e n ts a f e l y , f o u rc o n f i n i n gs t o p c o c k s 。a r es e ti ne a c h + 。x 、x 、+ z 、- za x i s r e s o l v i n gm a n yq u e s t i o n s ，f o re x a n l p l e ，p r o g r a m 、c o d e 、c o n l r o l la n dc o m m u n i c a t i o n ， s o f h v a r es y s t e mi sm a d eo fe d i tf u n c t i o nm o d u l e 、e x e c u t i v em o d u l e 、c o n t r o lm o d u l ea n d c o m m u n i c a t i o nm o d u l e t h e ya r ed i s c u s s e di nd e t a i l s s o f t w a r es y s t e md e s i g n e di nt h i sp a p e ri s p r o v e dp r a c t i c a l a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo ft h el a t h e ，d d ai n t e r p o l a t i o na l g o r i t h mo fl i n ea n da r ci s s t u d i e di nt h ee n do ft h i sp a p e r m e a s u r e si ns o f t w a r ea n dh a r d w a r et or e s i s td i s t u r b sa r ea l s o d i s c u s s e dt oe n s u r et h es a f e t yo f t h ee q u i p m e n t k e y w o r d s ：t r a i n i n ge q u i p m e n t ，n u m e r i cc o n t r o l ，s i n g l em i c r o c o m p u t e rs y s t e m i i 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名口乙叶薛 “ 羁审黾6 日 江苏大学硕士学位论文 第1 章引言 数字控制( n u m e r i c a lc o n t r o l n c ) 简称数控，是一种利用数字化的信息对设备 运动及加工过程进行控制的一种自动化技术。将数控技术实施到加工控制中去的机床，或 者说装备了数控系统的机床被称为数控机床。数控机床是机、电、液、气一体化的产品。 数控机床作为一种使用广泛、典型的机电一体化产品，综合应用了微电子技术、计算 机技术、自动控制、精密测量和机床结构等方面的最新成就，是一种高效自动化机床。数 控系统不仅能控制机床各种动作的先后顺序，还能控制机床运动部件的运动速度以及刀具 的运动轨迹。由于数控机床的高效率、高精度和高柔性代表了机床的主要发展方向，所以 它已经成为目前机加工自动化生产过程中最具代表性的核心设备，且成为计算机辅助设计 与制造、柔性制造系统、计算机集成制造系统等柔性加工和柔性制造系统的基础。 1 1 数控机床的产生与发展 1 1 1 数控机床的产生 随着科技的不断发展，对各种产品的质量和生产效率提出了高要求。产品加工过程的 自动化是实现高质量、高效率的重要措施。飞机、汽车等生产企业大多采用自动机床、组 合机床和自动生产线，从而保证了产品质量，提高了生产效率和减轻了操作者的劳动强度。 但是，在产品加工中，单件、小批量生产的零件约占机加工总量的8 0 以上。对这些多品 r 1 种、小批量、形状复杂、精度要求高的零件的加工“。，采用专业化程度高的自动机床和自 动生产线就很不合适。在市场经济大潮中，产品竞争日趋激烈，为求得生存与发展，各企 业纷纷在提高产品技术档次、增加产品种类、缩短试制与生产周期和提高产品质量上下功 夫，即使批量较大的产品，也不大可能多年不变，必须经常开发新产品，频繁地更新换代。 传统的自动化生产线难以适应小批量、多品种生产要求。 为了解决上述问题，一种灵活、高精度、高效率的自动化设备数控机床应运而生。 1 9 5 2 年美国帕森斯公司和麻省理工学院在美空军的委托下，合作研制出世界上第一台三坐 标数控铣床，完成了直升飞机叶片轮廓检查用样板的加工“。这是一台采用专用计算机进 行运算与控制的直线插补轮廓控制数控铣床。经过三年的试用、改进与提高，数控机床于 1 江苏大学硕士学位论文 1 9 5 5 年进入实用化阶段，在复杂曲面的加工中发挥了重要作用。 尽管这种初期数控机床采用电子管和分立元件硬接线电路来进行运算和控制，体积庞 大而功能单一，但它采用了先进的数字控制技术，具有强大的生命力，它的出现开辟了工 业生产技术的新纪元。从此，数控机床在全世界得到了迅速发展。 1 1 2 数控机床的发展 最早采用数字控制技术进行机械加工的想法，是在2 0 世纪4 0 年代初提出的。当时， 美国北密执安的一个小型飞机工业承包商帕森斯公司在制造飞机框架及直升飞机叶片轮 廓用样板时，利用计算机对叶片轮廓的加工路径进行了数据处理，并考虑了刀具半径对加 工路径的影响，使得加工精度达到0 0 0 1 5 i n 。 1 9 5 2 年，美国麻省理工学院研制出的三坐标联动、利用脉冲乘法器原理的试验性数字 控制系统是数控机床的第一代。1 9 5 9 年，电子行业研制出晶体管元器件，因而数控系统中 广泛采用晶体管和印刷电路板技术，跨入了第二代。1 9 5 9 年3 月，由美国克耐杜列克公 司发明了带有自动换刀装置的数控机床”1 ，称为“加工中心”。1 9 6 0 年，出现了小规模集 成电路。由于其体积小、功耗低，使数控系统的可靠性进一步提高，数控系统发展到第三 代。以上三代，都是采用专用控制的硬件逻辑数控系统( n c ) 。 1 9 6 7 年，英国首先把几台数控机床连接成具有柔性的加工系统，这就是最初的f m s ( f l e x i b l em a n u f a c t u r i n gs y s t e m ) 柔性制造系统。随着计算机技术的发展，小型计算 机开始取代专用控制的硬件逻辑数控系统( n c ) ，数控的许多功能由软件程序实现。由计 算机作控制单元的数控系统( c n c ) ，称为第四代。 1 9 7 0 年前后，美国英特尔公司开发和使用了微处理器。1 9 7 4 年，美、日等国首先研 制出以微处理器为核心的数控系统的数控机床。2 0 多年来，微处理器数控系统的数控机床 得到了飞速发展和广泛应用，这就是第五代数字控制( c ) ，后来将m n c 也统称为c n c 。 2 0 世纪8 0 年代初，国际上又出现了柔性制造单元f m c 。f m c 和f m s 被认为是实现计算 机集成制造系统c i m s 的基础。 数字控制系统的许多优点使数控机床得到广泛发展，数控技术还被广泛应用于工业机 器人、数控线切割机、数控火花切割机、坐标测量机、绘图仪等设备上。 1 2 我国数控机床的发展概况 我国对数控系统的研究开发始于5 0 年代，但真正得到发展是从8 0 年代开始，经历了 2 江苏大学硕士学位论文 “六五”、“七五”期间的消化吸收引进技术，“八五”期间科技攻关开发自主产权数控系 统两个阶段，已为数控机床的产业化奠定了良好的基础。“九五”期间数控机床发展己进 入实现产业化阶段。数控机床新开发品种3 0 0 多个，已有一定的覆盖面。新开发的国产数 控机床产品大部分达到国际8 0 年代中期水平，部分达到9 0 年代水平，为国家重点建设提 供了一批高水平数控机床。 我国数控系统在技术上已趋于成熟，在重大关键技术上( 包括核心技术) ，已达到国 际先进水平。目前，已新开发数控系统8 0 多种。自“七五”以来，国家一直把数控系统 的发展作为重中之重来支持，现已开发出具有中国版权的数控系统，掌握了国外一直对我 国封锁的一些关键技术。特别重要的是，我国数控系统的可靠性已有很大提高，m t b f 值可 以在1 5 0 0 0 h 以上。同时大部分数控机床配套产品已能国内生产，自我配套率超过6 0 。这 些成功为中国数控系统的自行开发和生产奠定了基础。 1 - 3 本课题研究的背景 单片微型计算机简称单片机，是将计算机的基本部件微型化，使之集成为一块芯片的 微机。片内含有c p u 、r o m 、r a m 、并行i o 接i ：1 、串行i o 接口、定时器计数器、中断系 统、系统时钟及系统总线等。m c s 一5 1 单片机在片内存储器容量、i o 的功能以及指令系统 功能等方面都大大地得到加强，特别适用于实时控制、智能仪表、主从结构的多机系统领 域，是控制领域中最理想的8 位机。 从应用的角度看，m c s 一5 1 系列单片微型计算机具有集成度高、系统结构简单、可靠性 高、处理功能强、速度高、容易产品化等特性，因此在我国数控机床发展过程中，经济型 数控系统大多采用m c s 5 1 型系统单片微型计算机，它是超大规模集成电路发展的产物， 在数控领域中得到广泛的应用，发展非常迅速。 本论文研制的基于单片机控制的数控车床实验台是针对解决数控机床及应用这门 课的教学实验设备价格昂贵问题而设计的。 1 4 论文各部分的主要内容 本论文在分析了数控车床的结构和加工特点后，归纳了数控车床实验台的功能要求， 在此基础上提出了一个基于单片机控制的数控车床实验台的设计方案。论文阐述了数字控 制的概念、实验台硬件和软件系统的设计、数控插补算法和系统可靠性抗干扰设计：尤其 江苏大学硕士学位论文 对软件系统的四个功能块( 编辑功能块、编译功能块、控制功能块和通讯功能块) 和数控 插补算法的设计作了详细的说明。目前，数控车床实验台的基本功能已能实现。 论文主要内容如下： 第一章，介绍数字控制的概念、数控机床的产生与发展以及我国数控机床的发展概况。 第二章，在分析数控机床的组成及工作原理的基础上，根据数控车床自身的结构和加 工特点以及本实验台要实现的具体功能，归纳出它的性能目标，设计了一个操作面板，为 下一步进行实验台的硬件结构和软件系统的具体设计打下了坚实的基础。 第三章，在遵循硬件系统设计原则的基础上，设计了一个基于单片机控制的微机数控 系统( c n c ) 。从系统运行调试效果看，系统硬件结构的实现是成功的。 第四章，在考虑软件系统要解决编程、译码、控制方式和通讯等问题后，遵循模块化 的设计要求，确定实验台的软件系统由编辑功能块、编译功能块、控制功能块和通讯功能 块四模块组成，同时对各模块的程序流程进行了详细的说明。 第五章，针对数控车床实验台c n c 装置的实现对其进行具体的功能原理分析和算法设 计。 第六章，抗干扰是微机应用系统的关键问题。系统的抗干扰性能是系统可靠性的一个 重要指标。因此，在考虑系统运行时可能出现的各种干扰源产生的影响，以采取相应的措 施，尽量提高系统的抗干扰能力，保证系统的正常运行。 第七章，对该论文作了一个全文总结，并就数控车床实验台将来还需要做的工作提出 自己的看法。 4 江苏大学硕士学位论文 第2 章数控车床实验台的性能要求 为了能优化设计数控车床实验台，必须根据数控车床自身的特点和实验台要实现的具 体功能，归纳出实验台的性能要求。 1 数控机床的组成及工作原理 2 1 1 数控机床的组成 数控机床的组成如图2 - 1 所示4 | 。 计算机数控系绕 一 。出，。，曲翻壮皿l !厂一 l 斥i 0 电路和装置 幡外，* 趣圈每 机床本体 主进辅 运给助 动传控 机动制 ； 1 计算机构机机 1 数控 构构 1 输入输出装置 ( 固 l i 设 备 l j 图2 - l 数控机床的组成 计算机数控装置是数控机床的核心。其根据输入的零件数控加工程序或操作命令进行 相应的处理，输出控制命令到数控机床相应的执行部件，完成零件加工程序或操作所要求 的工作。 伺服单元和驱动装置包括主轴伺服驱动装置、主轴电动机、进给伺服驱动装置及进给 电动机。测量装置是实现主轴控制、进给速度闭环控制和进给位置闭环控制的必要装置。 主轴伺服系统实现零件数控加工的切削运动，进给伺服系统实现零件加工所需的成形运 动。 江苏大学硕士学位论文 操作面板，是操作人员与数控机床( 系统) 进行信息交互的工具，主要由按钮站、状 态灯、按键阵列和显示器等部分组成。操作人员通过它对数控机床进行操作、编程、调试 或对机床参数进行设定和修改，也可以通过它了解或查询数控机床的运行状态。 程序输入输出设备是c n c 系统与外设进行信息交互的装置，目前数控机床常用的控制 介质和程序输入输出设备是磁盘和磁盘驱动器等。此外，现代数控系统一般可利用通信方 式进行信息交换。这种方式是实现c a d c a m 的集成、f m s 和c i m s 的基本技术。 p l c 装置用于进行与逻辑运算、顺序动作有关的i 0 控制，它由硬件和软件两部分组 成。机床i 0 电路和装置是用于实现i 0 控制的执行部件，由继电器、行程开关、接触 器等组成的逻辑电路。它们共同完成以下任务：接受c n c 的m 、s 、t 指令，对其进行译码 并转换成对应控制信号，控制辅助装置完成机床相应的开关动作；接受操作面板和机床传 送来的i 0 信号，送给c n c 装置，经其处理后，输出指令控制c n c 系统的工作状态和机 床的动作。 机床本体是数控系统的控制对象，实现加工零件的执行部件，由主运动部件、进给运 动部件、支承件以及特殊装置、自动工件交换系统、自动刀具交换系统和辅助装置组成。 数控机床的组成相对普通机床有以下几个特点：由于大多数控机床采用高性能的主轴 及伺服传动系统，因此它的机械传动结构得到简化，传动链比较短：为了适应数控机床连 续自动化的加工，它的机械结构具有较高的动态刚度、阻尼精度及耐磨性，热变形小；更 多采用高效传动部件，如滚珠丝杠副等；不少还采用刀库和自动换刀装置以提高工作效率。 2 1 2 数控机床的工作原理 数控n i 与普通机加工不同点主要表现在控制方式上。1 。用普通机床加工零件时，工 步的安排、机床运动的先后次序、走刀路线及有关切削参数的选择等，都出操作者自行确 定，而且用手工方式来进行控制。操作者总是根据零件和工序卡要求，在加工过程中不断 改变刀具与工件的相对运动轨迹和加工参数( 位置、速度等) ，使刀具对工件进行切削， 得到所需的合格零件。在c n c 机床上，传统加工过程中的人工操作均被数控系统的自动控 制所取代。其工作过程是：首先将刀具与工件的相对运动轨迹、加工过程中主轴速度和进 给速度的变换、冷却液的开关、工件和刀具的交换等控制和操作，按规定的代码和格式编 加工程序，然后将该程序送入数控系统。数控系统则按照程序要求，先进行相应的运算、 处理，然后发出控制命令，使各坐标轴、主轴以及辅助动作相互协调，实现刀具与工件的 相对运动，自动完成零件的加工。 c n c 系统的数据转换过程如图2 2 所示。 6 江苏大学硕士学位论文 译刀 插 l - 圣至至垂蔓h 成形运动 补 补 处处 码 理 理 可五 磊石h 切削运动、机床i ，0 装置 图2 - 2c n c 系统的数据转换过程 译码程序的主要功能是将用文本格式( 通常用a s ci i 码) 表达的零件加工程序，以 程序段为单位转换成刀补处理程序所要求的数据结构( 格式) ，该数据结构用来描述一个 程序段解释后的数据信息。它主要包括：置lz 等坐标值，进给速度，主轴转速，g 代 码，m 代码，刀具号，子程序处理和循环调用处理等数据或标志的存放顺序和格式。 为方便编程，零件加工程序通常是按零件轮廓或按工艺要求设计的进给路线编制的， 而数控机床在加工过程中控制的是刀具中心( 准确说是刀位点) 轨迹，因此在加工前必须 将编程轨迹变换成刀具中心的轨迹。刀补处理就是完成这种转换的处理程序。 数控编程提供了刀具运动的起点、终点和运动轨迹，而刀具怎么从起点沿运动轨迹走 向终点则由数控系统的插补装置或插补软件来控制。该程序以系统规定的插补周期，定 时运行，它将由各种线形( 直线、圆弧等) 组成的零件轮廓，按程序给定的进给速度 实时计算出各个进给轴在，内的位移指令( a x l 、a y l ) ，并送给进给伺服系统，实 现成形运动。插补计算的原理及插补与加工精度的关系将在后面进一步讨论。 c n c 系统对机床的控制分为对各坐标轴的速度和位置的“轨迹控制”和对机床动作的 “顺序控制”或称“逻辑控制”。后者是指在数控机床运行过程中，以c n c 内部和机床各 行程开关、传感器、按钮、继电器等开关信号状态为条件，并按预先规定的逻辑关系对诸 如主轴的起停、换向，刀具的更换，工件的夹紧、松开，液压、冷却、润滑系统的运行等 进行的控制。p l c 控制就是实现上述功能的功能模块。 通过以上介绍可知：数控加工原理就是将预先编好的加工程序以数据的形式输人数控 系统，数控系统通过译码、刀补处理、插补计算等数据处理和p l c 协调控制，最终实现零 件的自动化加工。 2 2 数控车床的特点 通常数控车床由床身、主轴箱、刀架、进给系统和冷却系统等几部分组成，其结构特 江苏大学硕士学位论文 点主要体现在进给系统、刀架等方面。 由于实现了c n c ，进给装置用伺服电机驱动，以连续控制刀具的纵向( z 轴) 和横向( x 轴) 的运动，完成对回转体零件的内外型面的加工。进给系统中设有走刀箱、溜板箱和挂轮架， 直接用伺服电机通过滚珠丝杠副驱动溜板和刀架进给，大大简化了进给系统的结构，传动 链路线短”1 ，刚性好，加工精度高。由于刀架移动采用滚珠丝杠副，因而运动轻巧。 刀架是数控车床的重要部件，对车床的整体布局影响很大，两坐标连续控制的数控车 床一般采用4 、8 、1 0 工位的回转刀盘。 在车床上加工零件时，工件装夹在三爪卡盘上，随主轴一起绕轴旋转。车刀固定在走刀 架上，随刀架一起沿车床的纵轴( z 轴) 和横轴( x 轴) 移动。车刀刀尖的直线运动与工件的旋转 运动形成切削表面。 由于工件只随主轴旋转，所以在车床上加工零件的基本形状是一个绕主轴( z 轴) 的回 转体。车床加工的工件以柱面、锥面和球面为基本形状，其它形状都是由这些基本形状组 合而成。上述三种基本形状的图形都要求车刀刀尖走出二种基本的轨迹，即直线和圆弧。 以上分析的车床的运动为连续动作，即要求控制对象( 车刀) 在平面走出连续的轨迹。 车床还有一些辅助运动，如：主轴的正反转与停止、冷却泵的启动与停止等运动。这些辅 助运动属于断续的开关动作。 所以，车床的动作包括连续动作和开关动作。 2 3 数控车床实验台的方案设计 数控车床的连续动作由c n c 系统的插补功能完成。对于经济型数控机床，考虑到成本， 其迸给运动采用步进电机驱动的开环系统。车刀刀尖的进给有纵轴和横轴两个方向，所以 由两只步进电机驱动。指令g 0 1 实现直线插补；指令g 0 2 实现顺时针圆弧插补；指令g 0 3 实现逆时针圆弧插补。 车削加工可以认为是切削的刀尖移动形成切削面。通常刀尖的半径很小，所以在本系 统中舍弃刀具半径补偿功能。 为提高机床工作效率，在机床处于非切削状态时，需要机床具有快速定位功能。快速 定位不要求车刀走出曲线轨迹，只要车刀以最快速度到达指定点。指令g 0 0 实现快速定位。 当车削加工采用绝对坐标时，还需要一开始就建立工件坐标系，这由指令g 9 2 实现。 有时由于加工情况的实际需要，在车削加工过程中，要实现一段时问的暂停，这由指令 8 江苏大学硕士学位论文 g 0 4 来完成。 车床开关动作控制由c n c 系统的辅助功能完成。本文所研制的实验台由p l c 控制主轴 正反转与停止以及冷却泵的启动和停止：由指令m 0 3 实现主轴顺时针旋转，指令m 0 4 实现 主轴逆时针旋转，指令m 0 5 实现主轴停m ；指令m 0 8 实现开冷却液，指令m 0 9 实现关冷却液。 在车削加工过程中，有时需要机床暂停一段时间完成一些其它工作，工作完成后再重 新从断点继续加工，这由指令m o o 程序暂停来实现。 另外，还需要程序结束指令m 0 2 。 为了实现不同形状工件的加工。用户必须把工件的外形尺寸，走刀顺序等要求以数控 加工程序的形式输入计算机内存。数控机床发展到现在，数控指令的形式在国际上己形成 标准，即i s o 标准。以下是在数控车床上加工某一零件的数控加工程序： 1 0 1 n i og 9 2 x 2 0 2 4 0 n 2 0g o o x l 8 2 1 n 3 0g 0 1 w 一1 0 f o 5 n 4 0g 0 0 x 2 0 2 4 0 n 5 0m 0 2 从上述程序可以看到，数控加工程序首先有一个程序号，以嘲打头：其次是程序内容， 其中包含若干行，每一行称为一程序段，每一程序段最前面都有一个以n 打头的段号：段 号后面由若干字组成，这些字都由一个字母开头，后面跟着若干位数字。字主要有准备功 能字g 、辅助功能字m 、尺寸字如x ( u ) 、z ( w ) 、进给功能字f 、刀具号字t 等。 为输入数控指令，并在输入存在错误时可修改，必须能对程序进行编辑，这就要一个 键盘显示输入输出系统。经济型数控车床的显示器一般采用数码管。本实验台以一个米字 数码管来显示字母，以七个八段共阴极的数码管来显示符号和数字。 数控源程序可以通过键盘输入，也可以通过计算机通信口输入。本系统配备r s 2 3 2 c 串行通信接口和个人微机通信，这样大量的后台计算和处理工作通过个人计算机来完成， 最后将程序通过串行通信口送入数控系统去执行。系统加工时将数控加工程序一条条从内 存中读出进行译码( 对数控源程序代码进行翻译) 以执行相应的动作。 此外，系统的工作方式有程序编辑方式、手动操作方式、全程序运行、单段程序运行 等运行方式，这些由工作方式选择开关确定。为了能对工作台的初始位置进行调整，系统 还必须备有手动调整开关。机床运行过程中的一些状态如车刀是否越界等，都必须随时向 9 江苏大学硕士学位论文 操作者显示出来。这些都由操作面板来实现。 根据以上分析，本数控系统确定采用如图2 3 所示的总体方案，它是一个单微机系统。 键盘 与数 码菅 显示 通 信 接 口 盟 片 机 与 存 储 器 接 口 电 路 接 口 电 路 光 电 隔 离 光 电 隔 离 衅自驱动电路卜_ _ 叫步进电机 y 轴驱动电路 r 垂 ：h 蛊 步进电机 机 床 操作面椒 图2 - 3 车床数控系统总体结构 2 4 数控车床实验台的性能要求 根据以上总体方案，本次数控车床实验台要实现以下目标要求9 1 ： 2 4 1 控制功能 ( 1 ) 运动控制 轴控能力：应实现x 、z 两直线移动轴的联动位置控制： 主轴控制：包括主轴的开停，正反向，旋转位置的反馈。 进给速度控制：包括运动进给速度设置，速度倍率调整，自动加减速度控制等： 手动控制：点动进给，手摇脉冲发生器控制，手动速度调整。 ( 2 ) 刀具控制 自动换刀： 刀具使用状态监测； 刀具参数值设置。 江苏大学硕士学位论文 ( 3 ) 保护控制 正负行程的软、硬限位： 进给高低速限制。 ( 4 ) 辅助功能控制：包括冷却、照明。 2 4 2 操作功能 ( 1 ) 运动方式选择 程序运行：自动运行、单步运行、暂停及暂停恢复，空运行，坐标参考值设置 手轮运行：对系统轴的正负向运动进行控制： m d i 方式：手动程序数据输入。 ( 2 ) 程序操作 程序的输入输出：手工键盘输入、网络通讯输入等； 程序的编辑； 程序管理。 ( 3 ) 显示操作 系统状态显示：包括i o 信号监测、运行方式选择、正在使用的刀具信息等： 位置显示：机床坐标系的位置报告，工件坐标系的绝对相对位置报告等； 故障报警。 2 4 3 诊断功能 ( 1 ) 编程错误提示 ( 2 ) 操作错误提示 ( 3 ) 执行错误提示 2 5 操作面板的设计 操作面板的作用是便于操作者调整机床和选择机床的工作状态。 江苏大学硕士学位论文 从操作角度看，数控系统操作面板的设计应使操作者在使用时感到方便、舒适。为此， 在设计键盘的操作界面时，应仔细考虑键盘的布置。键盘的布置常常采用下面的一些方法： ( 1 ) 设置上下档键，由专门的换档键控制同一按键在两个状态下完成不同的功能。 ( 2 ) 状态区分多功能键：同一命令在不同状态下，作为不同的命令键使用。由于不同 状态下的显示有着明显的差别，因此不会引起混淆。这种方法不需要换档键。 ( 3 ) 数字键兼作扩展命令键：上述状态区分多功能键虽然可以扩展命令的数量，但要 在同一键盘上标明多个功能却很困难，另一种做法是将数字键扩展为命令键。 ( 4 ) 字符串命令：类似于计算机的磁盘操作系统，采用字符串加回车键的方式，可使 键盘命令的数量几乎不受限制。该方法常用于系统功能命令较多的情况，且要求系统具有 字符串显示能力。 考虑到操作者大多数是在校学生，对计算机知识了解不多，本系统采用了增加键盘数、 从而简化操作的单功能键的方案。 数控系统不同时刻工作于不同的工作状态，其状态由工作方式选择开关来设定，根据 需要，本实验台分为以下几个工作状态：程序编辑方式、空运行方式、自动运行方式、手 动方式、回零方式。 根据上述要求操作面板如图2 4 所示。 2 6 本章小结 本章在分析数控机床的组成及工作原理的基础上，根据数控车床自身的结构和加工特 点以及本实验台要实现的具体功能，归纳出它的性能目标，设计了一个操作面板，为下一 步进行实验台的硬件结构和软件系统的具体设计打下了坚实的基础。 江苏大学硕士学位论文 图2 - 4 数控车床实验台操作面板 1 3 江苏大学硕士学位论文 第3 章实验台硬件结构的实现 实验台性能目标的实现在相当程度上取决于硬件结构。本章将遵循硬件系统设计的原 则，对数控车床实验台的硬件结构进行详细讨论。 3 1 数控车床实验台硬件系统设计遵循的原则n 1 3 为使数控车床实验台硬件系统设计合理化，在设计过程中要着重考虑如下几个问题： ( 1 ) 尽量选用标准化、模块化的典型电路，从而提高设计的成功率。 ( 2 ) 尽量选用功率强、集成度高的微机芯片，因为采用这种器件可能代替某一部分电 路，使系统可靠性增加。 ( 3 ) 注意选用通用性强、市场货源充足的元器件。 ( 4 ) 系统的扩展及各功能模块的设计在满足应用系统功能要求的基础上，留有适当的 余地，以备将来进行修改、扩展。 ( 5 ) 努力采用最新的一些技术，因为电子技术发展迅速，器件更新换代很快，市场上不 断推出性能更优、功能更强的芯片。 ( 6 ) 电路设计时，充分考虑应用系统各部分的驱动能力，因为不同的电路有不同的驱 动能力，对后级系统的输入阻抗要求也不一样。实验表明：如果阻抗匹配不恰当，系统的驱 动能力不够，可能导致系统的不可靠性甚至于使系统无法进行工作。值得一提的是，系统的 不可靠性很难通过一般的测试手段来确定。因此，在电路的设计过程中，应该特别注意系统 的驱动能力、尽量减少系统的损耗。 ( 7 ) 电路设计过程中要注意电平的匹配，t t l 和c m o s 电平单片机扩展时，不应该超过其 驱动能力，如c m o s 电路不使用的输入端不允许浮空，否则会引起逻辑电平不正常，容易接受 外界干扰产生错误动作。 ( 8 ) 系统的抗干扰设计，这个问题在硬件设计中也有十分重要的意义。 3 2 数控车床实验台硬件系统的具体设计n 2 1 8 3 按照美国电子工业协会( e i a ) 数控标准化委员会的定义，c n c 系统是借助于计算机通 1 4 江苏大学硕士学位论文 过执行其存贮器内的程序来完成数控要求的部分或全部功能。c n c 是在n c 的基础上发展起 来的，它在通用性、灵活性、使用范围诸方面具有更大的优越性。 3 2 1 微处理器 通常，数控装置的硬件结构按照c n c 装置中微处理器个数可分为单微处理器和多微处 理器结构。 在单微处理器结构中，只有一个微处理器，以集中控制、分时处理数控的各个任务。 而有的c n c 系统虽然有两个以上的微处理器，但其中只有一个微处理器能够控制系统总线， 占有总线资源；丽其它微处理器成为专用的智能部件，不能控制系统总线，不能访问主存 储器。它们组成主从型结构，也被归于单微处理器结构。 若在一个系统中有两个或两个以上的微处理器，则该系统称多微处理器型结构。随着 数控技术的日益发展，数控系统正向着高速化、复合化、智能化等方向发展。为了适应数 控系统的发展要求，现代数控装置多采用多微处理器结构。 当数控设备的控制功能不是特别复杂时，数控系统通常采用单微处理器结构。本论文 所研究的数控车床实验台控制系统，结构比较简单，并且由于经济条件的限制，所以采用 单微处理器结构。图3 - i 给出了单微处理器结构框图。 图3 1 数控系统结构框图 单微处理器结构的c n c 系统具有如下一些特点： c n c 系统内只有一个微处理器，对存储、插补运算、输入输出控制、c r t 显示等功能都 由它集中控制、分时处理；微处理器通过总线与存储、输入输出控制等各种接1 3 相连，构 江苏大学硕士学位论文 成c n c 系统；结构简单，容易实现；单微处理器因为只有一个微处理器集中控制，其功能 将受到微处理器字长、数据宽度、寻址能力和运算速度等因素限制。 经济型数控装置常采用8 位的微处理器芯片或采用单片机芯片( 8 位或1 6 位) 作为微 处理器。本论文所研制的经济型数控车床实验台，为了得到较高的性能价格比，采用单片 机作为微处理器。 在我国，现阶段流行的单片机为m c s 5 l 和m c 8 9 6 系列的单片机。m c s 5 1 系列在总体性 能上不如m c s 9 6 系列，但是，m c s 5 1 系列由于有一个布尔处理机“，所以，其在进行逻辑 处理时，表现出独特的优越性，这为编制软件时处理各种各样的状态量带来很大的便利。 本实验台系统采用a t m e l 公司生产的a t 8 9 c 5 2 芯片，它特别适用于高性能价格比的应 用场合，是一个低电压，高性能c m o s 的8 位单片机。a t 8 9 c 5 2 芯片片内含8 k 字节的可反 复擦写的f l a s h 只读程序存储器和2 5 6 字节的随机存取数据存储器( r a m ) ，器件采用a t m e l 公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准m c s 一5 1 指令系统，片内置通用8 位中 央处理器和f l a s h 存储单元。 3 2 2 存贮器 数控装置的软件分系统程序和应用程序两部分。 系统程序通常存放在可擦除可编程的只读存贮器e p r o m 中。e p r o m 的重要特点是可以 根据用光或电的方法擦去原有的存储内容，然后用特定的编程器写进新的系统程序。擦除 和写入可以多次进行，写入的系统程序不会因掉电而丢失，可长期保存。写入的系统程序可 以用紫外线擦除。常用的e p r o m 有2 7 1 6 、2 7 3 2 、2 7 6 4 、2 7 1 2 8 、2 7 2 5 6 、2 7 5 1 2 “等。系统 程序也可存放在可电擦除可编程的只读存贮器e 2 p r o m 中，如2 8 3 2 、2 8 6 4 等。 应用程序，也就是零件的数控加工程序，通常存放在随机存储器r a m 中。数学运算的 中间结果、重要的数据和参数也存放在随机存储器r a m 中。可以随时根据控制信号对随机 存储器r a m 进行数据的写入或读出。随机存储器r a m 在刚刚加电时没有确定的存储内容， 只有写入数据后，它的存储内容才是确定的。只要没有再一次写入新内容的操作，上一次写 入的内容将一直保持到切断电源为止。由于断电后信息随即丢失，而零件的数控加工程序 和一些重要的机床参数必须长期保存，所以，数控装置的随机存储器r a m 常常带有后备电 池，或者将零件的数控加工程序、运算的中间结果、重要的数据和参数等存放在非易失性 数据存贮器中，如磁泡存储器、f l a s hm e m o r y 和n o v r a m 等。 本数控车床实验台系统采用的a t 8 9 c 5 2 单片机芯片，它的内部带有8 k 的可反复擦写 】6 江苏大学硕士学位论文 f l a s hr o m ，用于存放系统监控程序已经足够，故不需另外扩展程序存储器。 为了提高数控加工程序执行时的插补速度，本系统在程序执行前对数控源程序进行译 码和预处理以生成可执行程序和插补数据矩阵，为此，需要占用较大的数据存储空间；考 虑到为了能够尽可能多的存放用户的数控加工程序，微机系统也需要较大的数据存储器。 所以，本实验台系统有必要在a t 8 9 c 5 2 芯片外部扩展数据存储器。 本实验台扩展的数据存贮器为d s l 2 3 5 y w l ( 3 2 k 的n o v r a m ) 。n o v r a m 的扩展电路与r a m 的扩展电路完全相同，但由于其断电后，n o v r a m 中的信息仍能保存，这样可以省略掉r a m 常带有后备电池电路，进一步简化了硬件电路的结构。 3 2 3 机床输入输出( i o ) 接口电路 c n c 系统和机床之间的来往信号，不能直接连接，而要通过i o 接口电路连接起来， 输入输出接口电路是c n c 系统与外界交换信息的必要手段，在c n c 系统中占有重要的位置。 输入输出接口电路的主要任务是： 进行电平转化、功率放大以及防止噪声引起误动作。输入接口是接收机床操作面板的 各开关、按钮信号及机床的各种限位开关信号；输出接口是将各种机床工作状态灯的信息 送到机床操作面板，把控制机床动作的信号送到强电箱。 由于光电耦合器具有以下特点： 光电耦合器用光传递信号，因此可以使输入与输出在电气上完全隔离，抗干扰能力强， 特别是抗电磁干扰能力强；光电耦合器可进行电平转换；光电耦合器传递信号是单方向的， 寄生反馈小，传递信号的频带宽；光电耦合器响应速度快，易与逻辑电路配合；光电耦合 器无触点，耐冲击，寿命长，可靠性高。所以，光电耦合器是一种比较理想的、适用于数 控机床t o 接口电路的接口器件。 本文所研制的数控车床实验台，其操作面板上的选择开关、按钮信号以及机床的各种 限位开关信号等通过光电耦合器被系统接受；系统所发出的插补信号，以及向p l c 发出的 开关信号也通过光电耦合器发出。 不同的输入输出设备与c n c 系统相连接，采用与其相应的输入输出接口电路和i o 接口芯片。常用的接口芯片有8 1 5 5 、8 2 5 5 等可编程并行接口芯片，8 2 5 0 、8 2 5 1 等可编程 串行接口芯片，8 2 5 3 定时器计数器芯片，8 2 5 9 a 可编程中断控制器芯片，8 2 7 9 键盘显示 控制器芯片等。 本文所研制的数控实验台的输入信号有工作方式选择开关、单步连续选择开关、n c 和d n c 方式选择开关、手动方向按钮等，输出信号有插补进给信号和p l c 开关量信号等， 江苏大学硕士学位论文 通过两片8 2 5 5 可编程并行接口芯片工作于方式0 就可实现上述要求。 3 2 4 键盘与显示接口电路 键盘和显示器是数控机床不可缺少的人机接口。操作人员可通过键盘及显示器输入数 控加工程序、编辑修改数控加工程序和发送操作命令等。实验台数控装置通过显示器为操 作人员提供必要的信息。根据系统所处的状态和操作命令的不同，