毕业论文-C6140卧式车床数控化改造设计控制部分的设计.doc

摘要 I C6140C6140 卧式车床数控化改造设计控制部分的设计卧式车床数控化改造设计控制部分的设计 摘 要 中国是一个传统的机械制造大国，但其装备水平落后，特别是一些老的机械制造厂 大多还是比较旧的机床，远远不能满足加工的要求。中国又是发展中国家，在经济紧 张的情况下，如何提高装备精度及自动化程度具有重要的现实意义。经济型数控机床 系统就是结合我国国情和生产实际，在满足系统基本功能的前提下所提出的。性价比 适中是经济型数控机床最主要的特点。 本设计采用单片机控制，实现了车床自动化，提高了加工精度，并且成本较低。 C6140 普通车床的数控化改造控制部分的设计主要包括主传动部分的改造设计和伺服 进给系统的改造设计。通过对控制系统硬件电路的设计和部分软件的设计，改造后的 机床主运动能够实现自动变速；纵向、横向进给系统能够实现数控控制，其中纵向精 度为 0.01mm/脉冲，横向精度为 0.005mm/脉冲，并且能够利用自动转位刀架，实现自 动换刀及自动切削螺纹等功能。 关键词： 卧式车床；数控化改造；控制系统； 单片机 Abstract II The numerical control transformation of the C6140 horizontal lathe ABSTRACT China is a traditional machinery manufacturing country, but its level of equipment is backward, especially some old mechanical manufacture factories are equipped with the older machines, can not meet the processing requirements. China is a developing country, in a tight economy circumstances, how to improve the accuracy of equipment and degree of automation has important practical significance. Economic type CNC machine tool system is combined with Chinas national conditions and the actual production, to meet the basic functions of the system under the premise of the proposed. Price moderate economic type CNC machine tools is the most important features. This design uses a single chip control, realizes the automatic lathe, the processing precision is improved, and the cost is relatively low. C6140general transformation of CNC lathe control section design mainly includes the main transmission part of the transformation design and servo system design. Through the control system hardware circuit design and software design, after the transformation of the main motor to realize the automatic transmission; longitudinal, transverse feeding system can realize the control, in which the longitudinal accuracy for 0.01mm / pulse, horizontal accuracy for 0.005mm / pulse, and can use the automatic knife rest, to realize the automatic tool change and automatic cutting thread function. Key Words：Horizontal lathes ；Numerical control transformation ；Control system；SCM （Single Chip Microcomputer ） 目 录 摘 要.I ABSTRACT.II 目录III 第一章 绪 论1 1.1 国内外发展现状1 1.2 设计任务.2 1.3 总体设计方案3 第二章 控制系统硬件电路设计5 2.1 确定控制系统方案.5 2.2 电路的系统设计6 2.3 四工位自动回转刀架18 2.4 电源设计与选择19 2.5 本章小结20 第三章 软件的设计21 3.1 存储器与 I/O 芯片地址分配21 3.2 控制系统的监控管理程序.21 3.3 8255 芯片初始化子程序.22 3.4 8279 芯片初始化子程序.22 目录 3.5 8279 控制 LED 显示子程序23 3.6 8279 管理键盘子程序.25 3.7 D/A 电路输出模拟电压程序.25 3.8 步进电动机的运动控制程序.26 3.9 主轴、卡盘与冷却泵的控制程序26 3.10 插补程序设计27 311 本章小结.28 结 论28 参考文献.29 致谢30 附录 A 外文翻译原文部分.31 附录 B 外文翻译译文部分.44 华东交通大学毕业设计（论文） 1 第一章 绪 论 随着我国制造业的发展，对很多零部件的精度要求越来越高，许多零件用 普通车床很难加工，要求用数控机床加工。这就需要大量经费，对老设备进行 改造是一条投资少见效快的途径，有许多工厂有 C6140 车床，但无法完成精度 高的工件加工，因此需对其进行数控化改造。 发达国家重视装备制造业的发展，不仅在于其在本国工业中出口、积累、 就业、贡献均占前列，更在于装备制造业为新技术、新产品的开发和生产提供 重要的物质技术，是经济高级化不可或缺的战略性产业。即使是迈进“信息化 社会”的工业化国家，也无不高度重视机械制造业的发展。先进的装备制造业 是高新技术的重要组成部分，是促进相关产业技术升级和发展的重要依托。进 入 90 年代，随着信息装备技术、工业自动化技术、数控加工技术、机器人技术、 先进的发电和输配电技术、电力电子技术、新型材料技术和新型生物、环保装 备技术等当代高新技术成果的应用，使机械产品不断高技术化，其高新技术含 量己成为市场竞争取胜的关键。为适应市场需求的不确定性和个性化的用户要 求，先进的制造企业不断吸收各种高新技术和现代管理技术等信息，并将其综 合应用于产品设计、生产、管理、销售、使用、服务乃至回收的全过程，以实 现优质、高效、低耗、清洁、灵敏及柔性化生产。一方面规模化生产使得垄断 性跨国公司的技术创新和市场主导作用日益增强，例如在汽车产业领域，目前 年产超过 400 万辆的企业集团大概有 6 家，产量占世界汽车产量的 80%以上;在 电力设备领域，世界前三大公司控制了全球大型电力设备市场的 70%。另一方 面各大跨国公司在不断联合重组，扩张竞争实力的同时，纷纷收缩战线，剥离 非主营业务，以精干主业，提高系统成套能力和个性化、多样化市场适应能力。 作为规模化生产的前提和条件，生产高水平零部件和配套产品的“中场产业” 快速发展，社会化生产服务体系不断完善，产业的国际化步伐不断加快。 1.1 国内外发展现状 早期的数控系统采用穿孔纸带传送加工程序，由专用数控装置读入加工代 码、进行识别、储存和计算，输出相应的指令脉冲以驱动伺服系统。70 年代中 期小型计算机出现。由于其较低的价格，高超的数据处理和输入输出功能，使 它迅速应用到数控机床的控制系统中，出现所谓计算机数控(CNC)和直接数控 宫凤丽：C6140 卧式车床数控化改造设计控制部分的设计 2 (DNC)系统。九十年代以来，计算机技术的发展日新月异，通用计算机从 8 位 4 机，已发展到奔腾时代。其速度和功能已比当年的 8 位机快了几百倍。使 7 得在通用微机上以软件方式可以实现各种数控功能，数控技术发生了深刻变化。 PC 机上的丰富软件资源、友好的人机界面，是其它数控系统所无法比拟的。基 于微机的开放式数控系统已成为世界数控技术的发展潮流，以 PC 机为平台的数 控技术的应用范围迅速扩大。继续向开放式、基于 PC 的第六代方向发展。基于 PC 所具有的开放性、低成本、高可靠性、软硬件资源丰富等特点，更多的数控 系统生产厂家会走上这条道路。至少采用 PC 机作为它的前端机，来处理人机界 面、编程、联网通信等问题，由原有的系统承担数控的任务。PC 机所具有的友 好的人机界面，将普及到所有的数控系统。远程通讯，远程诊断和维修将更加 普遍。这是适应机床向高速和高精度方向发展的需要。 随着人工智能在计算 8 机领域的不断渗透和发展，数控系统的智能化程度将不断提高。数控系统能检 测过程中一些重要信息，并自动调整系统的有关参数，达到改进系统运行状态 的目的。将熟练工人和专家的经验，加工的一般规律和特殊规律存入系统中， 以工艺参数数据库为支撑，建立具有人工智能的专家系统。引入故障诊断专家 系统。智能化数字伺服驱动装置。可以通过自动识别负载，而自动调整参数， 使驱动系统获得最佳的运行。 3 随着科学技术的不断发展，数控技术的发展越来越快，数控机床朝着高性 能、高精度、高速度、高柔性化和模块化方向发展。但最主要的发展趋势就是 采用“PC运动控制器”的开放式数控系统，它不仅具有信息处理能力强、开 放程度高、运动轨迹控制精确、通用性好等特点，而且还从很大程度上提高了 现有加工制造的精度、柔性和应付市场需求的能力。美国将其称为新一代的工 业控制器，日本称其将带来第三次工业革命。 10 1.2 设计任务 本次设计任务是研究设计数控机床的控制部分。采用单片机或微机对进给 伺服步进电机及主轴电机进行开环控制，要求设计出硬件电路，包括：光电隔 离、环形分配器、驱动放大电路、PWN 调速电路等，并设计相关的程序（软件） ，包括：总体控制中断程序、输入输出程序（键盘输入、显示器输出） 、插补程 序、环形分配程序等。其主要技术指标如下： 1)床身最大加工直径 400mm，最大加工长度 1000mm； 2)X 方向（横向）的脉冲当量 x=0.005mm/脉冲，Z 方向（纵向）的脉冲当 华东交通大学毕业设计（论文） 3 量 z=0.005mm/脉冲； 3)X 方向最快移动速度 xmax =3000mm/min，Z 方向最快移动速度 zmax =6000mm/min； 4)X 方向最快工进速度 xmaxf =400mm/min，Z 方向最快移动速度 zmax f=800mm/min； 5)X 方向定位精度0.01mm，Z 方向定位精度0.02mm； 6)可以车削柱面、平面、锥面与球面等； 7)安装螺纹编码器，可以车削米/英制的直螺纹与锥螺纹，最大导程为 24mm； 8)安装四工位立式电动刀架，系统控制自动选刀； 9)自动控制主轴的正转、反转与停止，并可输出主轴有极变速与无极变速信 号； 10) 自动控制冷却泵的起/停； 11) 安装电动卡盘，系统控制工件的夹紧与松开； 12) 纵、横向安装限位开关； 13) 数控系统可与 PC 机串行通信； 14) 显示界面采用 LED 数码管，编程采用 ISO 数控代码。 1.3 总体设计方案 对卧式车床进行数控化改造，主要是将纵向和横向进给系统改成用微机控 制的、能独立运动的进给伺服系统；将手动刀架换成能自动换刀的电动刀架。 这样，利用数控装置，车床就可以按预先输入的加工指令进行切削加工。由于 加工过程中的切削参数、切削次序和刀具都可按程序自动进行调节和更换，再 加上纵、横向的联动进给功能，所以，改造后的车床就可以加工出各种形状复 杂的回转零件，并能实现多工序集中车削，从而提高生产效率和加工精度。 总体方案应考虑车床数控系统的运动方式、进给伺服系统的类型、数控系 统 CPU 的选择，以及进给传动方式和执行机构的选择等。 （1）普通车床数控化改造后应具有单坐标定位，两坐标直线插补、圆弧插 补以及螺纹插补的功能。因此，数控系统应设计成连续控制型。 （2）普通车床经数控化改造后属于经济型数控机床，在保证一定加工精度 的前提下，应简化结构，降低成本。因此，进给伺服系统常采用步进电 动机的 开环控制系统。 宫凤丽：C6140 卧式车床数控化改造设计控制部分的设计 4 （3）根据技术指标中的最大加工尺寸、最高控制速度，以及数控系统的经 济性要求，决定选用 MCS-51 系列的 8 位单片机作为数控系统的 CPU。MCS-51 系 列 8 位机具有功能多、速度快、抗干扰能力强、性/价比高等优点。 （4）根据系统的功能要求，需要扩展程序存储器、数 据存储器、键盘与显示电路、I/O 接口电路、D/A 转换电路、串行接口电路等； 还要选择步进电动机的驱动电源以及主轴电动机的交流变频器等。 （5）为了达到技术指标中的速度和精度要求，纵、横向的进给传动应选用 摩擦力小、传动效率高的滚珠丝杠螺母副；为了消除传动间隙提高传动刚度， 滚珠丝杠的螺母应有预紧机构等。 （6）计算选择步进电动机，为了圆整脉冲当量，可能需 要减速轮副，且 应有消间隙机构。 （7）选择四工位自动回转刀架与电动卡盘，选择螺纹编码器等。 华东交通大学毕业设计（论文） 5 第二章 控制系统硬件电路设计 在经济型数控机床控制系统中广泛采用 Intel 公司的 MCS-51 系列单片机， ATMEL 是著名的半导体公司，它以 51 系列内核开发出许多具有特色的 MCS- 51 系列兼容微控制器，并改善了 51 系列许多特性，例如：提高了速度、降低 了时钟频率、加宽了电压范围、降低了产品价格。因此选用 ATMEL 公司的 AT89S52 单片机作 CPU。本章介绍用 MCS-51 系列单片机构成的控制系统的设 计内容、方法及电路控制。 根据任务书的要求，设计控制系统的硬件电路时主要考虑以下功能： （1）接收键盘数据，控制 LED 显示； （2）接收操作面板的开关与按钮信号； （3）接收车床限位开关信号： （4）接收螺纹编码器信号； （5）接收电动卡盘夹紧信号与电动刀架刀位信号； （6）控制 X、Z 向步进电动机的驱动器； （7）控制主轴的正转、反转与停止； （8）控制多速电动机，实现主轴有级变速； （9）控制交流变频器，实现主轴无级变速； （10）控制冷却泵启动/停止； （11）控制电动卡盘的夹紧与松开； （12）控制电动刀架的自动选刀； （13）与 PC 机的串行通信。 2.1 确定控制系统方案 控制系统有微机的、有 PLC 的、也有单片机的，这里采用的是开环控制系 统，可以选择经济型的单片机控制系统。另外，既然要控制，就得有输入和输 出设备才能对相应的运动进行控制。其控制系统框图如图 2-1 所示： 宫凤丽：C6140 卧式车床数控化改造设计控制部分的设计 6 图图 2-1 控制系统原理框图控制系统原理框图 2.2 电路的系统设计 2.2.1 CPU 和存储器连接电路 CPU 选用 ATMEL 公司的 8 位单片机 AT89S52；由于 AT89S52 本身资源有限，片 内仅含 4KB 的 EEPROM。所以扩展了一片 EPROM 芯片 W27C512 用作程序存储器， 存放系统底层程序；扩展了一片 SRAM 芯片 6264 用作数据存储器，存放用户程 序；键盘与 LED 显示采用 8279 来管理；输入/输出口的扩展选用了并行接口 8255 芯片，一些进/出的信号均做了隔离放大；模拟电压的输出借助于 DAC0832；与 PC 机的串行通信经过 MAX233 芯片。其芯片连接电路如图 2-2。 华东交通大学毕业设计（论文） 7 图图 2-2 AT89S52 与存储器电路与存储器电路 AT89S52 芯片的 P0 和 P2 用来传送外部存储器的地址和数据，P2 口传送的 高 8 位地址，P0 口传送低 8 位地址和数据，故要采用 74LS373 地址锁存器，锁 存低 8 位地址，ALE 作为其选通信号，当 ALE 为高电平，锁存器的输入和输 出透明，即输入的低 8 位存储器地址在输出端出现，此时不需锁存。当 ALE 从 高电平变低电平，出现下降沿时，低 8 位地址锁存入地址锁存器中，74LS373 的输出不再随输入变化，这样 P0 口就可用来传送读写的数据了。AT89S52 芯 片的 P2 口和 74LS373 送出的 P0 口共组成 16 位地址，6264 是 8KB 的芯片，需 要 13 根地址线；W27C512 是 64KB 的芯片，需要 16 根地址线。系统采用完全 译码的方法，扩展数据存数据 6264 时 A0A7 低 8 位接 74LS373 芯片的输出， 宫凤丽：C6140 卧式车床数控化改造设计控制部分的设计 8 A8A12 接 AT89S52 芯片的 P2.0P2.4。6264 芯片片信号 Error!1用 CPU 的高位地 址线 A15、A14、A13 经 74LS138 的输出 Y0 来选通，算得 6264 的地址范围是 1000H1FFFH。扩展程序存储器时 A0A7 低 8 位接 74LS373 芯片的输出， A8A15 接 AT89S52 芯片的 P2.0P2.7。W27C512 芯片片选信号Error!Error!接低 电平，芯片始终处于工作状态，由于使用了单片机自带的 4KB 的 EEPROM， 所以 AT89S52 芯片的 Error!A 接高电平，系统复位以后片外扩展的 EEPROM 地址从 1000H 开始执行。单片机扩展系统允许程序存储器和数据存储器独立编 址（即允许地址重叠） ，AT89S52 芯片控制信号Error!接 W27C512 的Error!引 脚，读写控制信号Error!和Error!分别接 6264 芯片的Error!和Error!，以实现 外部数据存储器的读写。 2.2.2 掉电保护电路 6264 具有两个片选引脚：其中 CE1 为低电平有效；CE2 为高电平有效。CE1 用 CPU 的高位地址线 A15、A14、A13 经 74LS138 的输出 Y0 来选通。CE2 由比较器 LM393 的输出经两次反相后提供。当系统处于上电或断电的过程中，系统的工 作电压低于+5V，LM393 比较器输出低电平，经两次反相后，送到 6264 的 CE2 也是低电平，于是禁止对 6264 进行读/写；当系统的工作电压+5V 稳定后， LM393 输出高电平，6264 的第二片选 CE2 也变成高电平，如果此时第一片选 CE1 为低电平，那么 CPU 就能对 6264 进行读/写操作了。图 2-3 为 6264 的掉电 保护电路： 华东交通大学毕业设计（论文） 9 图图 2-32-3 62646264 的掉电保护电路的掉电保护电路 2.2.3 I/O 接口电路 由于 AT89S52 只有 P1和 P3口部分能提供用户作为 I/O 口使用，不能满足输 入口的需要，因而系统必须扩展输入输出接口电路。系统的扩展采用了一片 8255 可编程 I/O 接口芯片。8255A 是 Intel 公司生产的可编程输入/输出接口芯 片，它具有 A、B、C 三个 8 位的并行 I/O 口，可选择三种工作方式。工作方式 0 为基本的输入输出；方式 1 为选通输入输出；方式 2 为双向传送。8255A 还 能对 C 端口的任一位进行置位/复位操作。其 I/O 接口连接电路如图 2-4 所示。 8255 的片选信号 Error!S 接 74LS138 的 Error!1， 74LS138 译码器有三个 输入端 A、B、C 分别接到 AT89S52 的 P2.5 、P2.6、 P2.7，输出 Error!0Error!78 输 出，低电平有效。Error!0Error!7对应输入 A、B、C 的 000 至 111 的 8 种组合， 其中 Error!0对应 A、B、C 为 000，Error!7对应 A、B、C 为 111。74LS138 还 有三个使能端，其中 2 个（Error!2Error!和 Error!2Error!）为低电平使能，另 一个 G1为高电平使能。 。只有当使能端均处于有效电平时，输出才能产生，否 侧输出处于高电平无效状态。所以把 Error!2Error!和 Error!2Error!接低电平， 把 G1接高电平（+5V） 。 宫凤丽：C6140 卧式车床数控化改造设计控制部分的设计 10 图图 2-4 I/O 接口电路接口电路 2.2.4 步进电机与驱动电路 通常在经济型数据机床中，大多数采用步进电机开环控制。步进电机是一 种用电脉冲信号进行控制，并将电脉冲信号转变成相应的角位移的电动机。其 角位移量与电脉冲数成正比，其转速与电脉冲频率成正比，通过改变脉冲频率 就可以调节电机的转速。环形分配器是步进电动机驱动系统中的一个重要组成 部分，通常分为硬件环分和软件环分两种。硬件环分由数字逻辑电路构成，一 般放在驱动器的内部，其优点是分配脉冲速度快，不占用 CPU 的时间。本设计 中我们采用硬件环分，由于本设计中我们选用的 X 向和 Z 向的步进电动机型号 分别为 110BYG5802 和 130BYG5501，这两种电动机均为 5 相混合式，所以我 们选用控制该步进电机的专用芯片 PMM8714。采用硬件环分时，步进电动机的 通电节拍由硬件电路来决定，控制器与硬件环分电路的连接只需两根信号线： 一根方向线，一根脉冲线。为了使步进电机正常运行并输出一定功率，需要有 足够的功率提供给电动机，因此需要有功率放大环节。脉冲分配器及前面的微 机及接口芯片，工作电压一般为 5V，而作为电机电源要符合步进电机要求的额 定电压值。为了避免强电对弱电的干扰，在它们之间应采用隔离电路。硬件环 分的脉冲分配如图 2-5。 华东交通大学毕业设计（论文） 11 控制器功率驱动 放大电路 步进电 动机 硬件环分 电路 隔离放大 电路 图图 2-52-5 硬件环分的脉冲分配硬件环分的脉冲分配 1.步进电动机驱动电源的选用 本设计中 X 向步进电动机的型号为 110BYG5802，Z 向步进电动机的型号为 130BYG5501，生产厂家为常州宝马集团公司。这两种电动机除了外形尺寸、步 距角和输出转矩不同外，电气参数基本相同，均为 5 相混合式，5 线输出，电 机供电电压 DC120310V，电流 5A。这样，两台电动机的驱动电源可用同一型 号。在此，根据【1】表 4-14 选择合肥科林数控科技有限责任公司生产的五相 混合式调频调压型步进驱动器，型号为 BD5A。它与控制系统的连接如图 2-6 所 示。 表表 4-144-14 混合式步进电动机驱动电源技术参数混合式步进电动机驱动电源技术参数 型号相 数 输入电 压 相电 流 分配方式适用电动机 BD28 Nb 220- 100V AC 2-4A 二相八拍90BYG2502/90BYG2602 等 BD28 Nc 2110- 220V AC 4/6/8A 二相八拍 110BYG2502/110BYG2602/130B YG2502 等 BD28 Fb 220- 100V AC 2-4A 90BYG2502/90BYG2602 等 BD28 Fc 2110- 220V AC 3/4/6/ 8A 110BYG2502/110BYG2602/130B YG2502 等 BD3A3220V AC 3/5/7A 1/2/4/5/8/10/2 0/40 细分 110BYG3502/130BYG3502 等 BD5A5220V 4/6/8A 五相十拍/二十110BYG5802/130BYG5501 等 宫凤丽：C6140 卧式车床数控化改造设计控制部分的设计 12 AC 拍 图图 2-62-6 BD5ABD5A 驱动器与控制系统的连接驱动器与控制系统的连接 2光电隔离电路 在步进电机驱动电路中，脉冲分配器输出的信号经放大后，控制步进电机 的励磁绕组。由于步进电机需要驱动的电压较高，电流较大，如果将 I/O 口输 出信号直接与功率放大器相连，将会引起强电干扰，轻则会引起计算机的正常 运行，重则导致计算机接口电路损坏。所以一般在接口电路与功率放大器之间 都要加上隔离电路，实现电气隔离，通常使用最多的是光耦合器。光耦合器是 以光为媒介传输信号的器件，其输入端配置发光源，输出端配置受光器，因而 输入和输出在电气上是完全隔离的。其光电隔离输入电路如图 2-7。 华东交通大学毕业设计（论文） 13 图图 2-7 光电隔离输入电路光电隔离输入电路 3功率放大电路 脉冲分配器的输出的功率太小，远不能满足步进电机的要求，必须将它放 大，以产生足够大的功率驱动步进电机正常运转。其功率放大电路如图 2-8。 图图 2-8 功率放大电路功率放大电路 2.2.5 开关量输出通道电路 在机电控制系统中，对被控设备的驱动控制常采用模拟量和开关量（数字 量）输出两种方式。模拟量输出的方法，由于受模拟器件的漂移影响，很难达 到较高的控制精度，开关量输出的控制精度要比一般的模拟量控制高很多，而 且在改变控制算法时，无须改动硬件，只要改动程序即可满足要求。在开关量 输出通道中，为了防止现场强电磁干扰或工频电压通过输出通道窜入测控系统， 必须采用隔离技术。在输出通道的隔离中采用光电隔离技术。 机电控制系统的开关量输出信号，通常是由 I/O 接口芯片给出的低压直流 信号，这种信号一般不能直接驱动外设，需要经过接口电路的转换处理。开关 量的输出控制采用专门的驱动芯片 MC1413（ULN2003） 。可编程接口芯片 8255 宫凤丽：C6140 卧式车床数控化改造设计控制部分的设计 14 从 PA 引脚送出的低电平信号，经光电隔离后输出高电平，再由 MC1413 反相 输出低电平送给直流继电器，而直流继电器的另一端的是+12V 电源，于是，继 电器线圈得电，常开触点闭合，完成指定的控制动作。该直流继电器可当作中 间继电器，利用中间继电器的触点来控制交流继电器线圈的得电与失电，如机 床主电动机的起、停等，完成从低压直流到高压交流的过渡控制。接口电路如 图 2-9。继电器-接触器控制电路。 图图 2-9 继电器继电器-接触器控制电路接触器控制电路 2.2.6 D/A 转换接口电路 将数字量转换为模拟量的过程称为数模（D/A）转换，完成这一转换的器件 称为数模转换器（DAC） 。其转换框图如下： 微型计算 机 I/O 接口DAC功放执行 件 控制对 象 图图 2-102-10 D/AD/A 的实时控制系统的实时控制系统 本设计中的 D/A 转换器选择 DAC0832。它是一种具有两个输入数据寄存器的 8 位 DAC，它能直接与单片机相连，其主要特性如下:分辨力为 8 位；电流稳定 时间 1us；可单缓冲、双缓冲或直接数字输入；只需在满量程下调整其线性度； 单一电源供电（+5V+15V） ；内部没有参考电压，需要外接；为电流输出型转 换器，要获得模拟电压输出时，需要外加转换电路。DAC0832 与 CPU 有三种基 本的接口方法：直通方式、单缓冲方式和双缓冲同步方式。本系统只有一路 D/A 转换，所以我们采用单缓冲的方式连接。芯片的供电电压为+12V，参考电 压取-10V，模拟地与数字地相连。ILE 引脚接高电平；WR1、WR2 两脚并接 CPU 的 WR 端，当 CPU 对外部端口执行写指令时，WR（低电平有效）=0，同时选中 华东交通大学毕业设计（论文） 15 WR1、WR2；XFER、CS 两脚并接某一译码器的输出（输出为低电平时，同时选 中 XFER 和 CS） 。DAC0832 的电流输出脚接至运算放大器 741 的两个输入端， 741 的工作电压需要两组，一组为+12V，另一组为-12V。DAC0832 输出的电流 经 741 放大后转变成电压 Vout，直接送往交流变频器 F1000-G，实现交流异步 电动机的无级变速。其连接电路如图 2-11。 图图 2-11 D/AD/A 转换接口电路转换接口电路 2.2.7 键盘与 LED 显示电路的设计 键盘与显示器是机电一体化系统中典型的人-机接口。通过键盘，操作者可 向控制系统发出指令或输入数据，系统的各种信息又可通过显示设备反馈给操 作者。键盘与显示器是实现人机交换的关键部件。键盘有独立式和矩阵式两种， 显示器主要有 LED、LCD 和 CRT 等。本设计我们采用矩阵式键盘和 LED 显示 宫凤丽：C6140 卧式车床数控化改造设计控制部分的设计 16 器。本设计中我们要设计的车床数控布置如图 2-12。 2-12 车床数控系统操作面板布置图车床数控系统操作面板布置图 1.利用 8279 芯片实现键盘显示器的接口电路 8279 是一种通用的可编程键盘、显示器接口芯片，它能完成键盘输入和显 示控制两种功能。键盘部分提供扫描工作方式，可与 64 个按键的矩阵键盘进行 连接，能对键盘实行不间断的自动扫描，自动消除抖动，自动识别按键并给出 键值。显示部分为发光二极管、荧光管等显示器件，提供了按扫描工作方式的 接口电路，它为显示器提供多路复用信号，可显示多达 16 位的字符。图 2-13 为 8279 的引脚功能。 图图 2-13 8279 的引脚功能的引脚功能 2. 8279 的键盘管理 SL3SL0 有采用译码扫描和编码扫描两种，由于本设计需要的键较多，所 以我们采用编码扫描。将 8279 的 SL0SL2 三根扫描线送给 74LS138 译码器的 A、B、C，得到 8 根行扫描线，组成矩阵键盘时采用了 7 根；列回馈线不必扩 展，直接使用 8279 的 RL7RL0 中的 6 根，但是要接上上拉电阻。组成的键盘 为 76 矩阵，共有 42 个按键，键值的计算如下： D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 CNTLSHIFTNNNKKK 华东交通大学毕业设计（论文） 17 其中：CNTL= SHIFT=0（已接地） ；NNN 表示行的位置，它的值等于 74LS138 输出 Yi=0 时的标号 i（写成二进制） ；KKK 表示列的位置，它的值等于 RLj=0 时的标号 j，即 KKK=j（写成二进制） 。例如图 2-13 所示 8279 扫描线编码扫描 管理键盘电路中的键 S32，其键值由 KY3 与 RL4 组合而得（i=011,j=100）： D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 00011100 在车床数控系统主机板电原理图中，8279 的 IRQ 经反相后送给 8031 单片机的 中断脚，矩阵键盘一旦有键按下，便向 CPU 申请中断。 图图 2-14 8279 扫描线编码扫描管理键盘电路扫描线编码扫描管理键盘电路 3.8279 的显示管理 8279 可用来管理 16 位8 段的 LED，它的内部有专门用于存储显示数据的 RAM 区，共有 16 个字节，地址从 00H 到 0FH。由于本设计采用的是编码扫描工 作方式，扫描输出线 SL3SL0 经过译码后，可以选择 16 个 LED 数码管，这 16 个数码管显示的字符，分别对应 8279 显示 RAM 区的 00H0FH 中的内容。本设计 的显示器由一个 16 段的 LED 和 7 个 8 段的 LED 数码管组成。8279 的显示数据 输出线 OUTA3OUTA0、OUTB3OUTB0 上，并接了两路 8 位数据锁存器 74LS373， 因为 74LS373 的驱动能力不足，所以在 LED 数码管之前加上了两片 74LS240 进 行驱动。8279 的扫描线 SL0 控制了两片 74LS373 的触发端 LE，扫描线 SL1SL3 接译码器 74LS138 的输出端，译码后的输出 Y0Y4 作为数码管 com 端的选择线。 如车床数控系统键盘与 LED 显示电原理图所示。 宫凤丽：C6140 卧式车床数控化改造设计控制部分的设计 18 第一个数码管（16 段）由片选线 Y0 来选择，中间的六个数码管，每两个共用 一根片选线（Y1Y3） ，最后一个数码管由 Y4 来选择。 2.2.8 急停电路 为了防止工作台越界，分别在极限位置安装限位开关，如果是两坐标联动 的数控系统，则有四个方向可能越界，即+X、X、+Z、Z。一旦某一方向 越界，应立即停止工作台移动。这里采用中断方式，利用 AT89S52 的外部中断 Error!0，只有任何一个行程开关闭合，即工作台在某一个方向越界，均能产生 中断信号 Error!0，为了防止这种情况，设置有急停按钮。其越界电路如 2-14。 图图 2-15 急停电路急停电路 2.3 四工位自动回转刀架 根据设计任务的要求，数控车床上安装四工位自动回转刀架，如图 2-11， 刀架的转位过程如下：数控系统发出换刀信号-刀架电动机正转-上刀体-上刀体 上升并转位-转到需要刀位时，霍尔开关发出信号-刀架电动机反转-检查刀架有 没有锁紧-刀架电动机停转-换刀结束。 其中，刀架的刀位信号，由刀架定轴上端发信盘上的 4 个霍尔开关和一块永 久磁铁检测获得。4 个霍尔开关安装在一个塑料盘的四周，代表 4 工位刀架的 4 个刀位。当上刀体旋转时，带动磁铁一同旋转，转到什么位置需要停止，可 通过霍尔开关的输出信号来检测。如图 2-16，发信盘上的 4 只霍尔开关型号为 UGN3120U。它有 3 个引脚，第 1 引脚接+12V 电源，第 2 引脚接+12V 地，第 3 脚 为输出。当磁铁对准某一个霍尔开关时，其输出端第 3 脚送出低电平；当磁铁 离开时，送出高电平。4 只霍尔开关输出的刀位信号 T1T4 分别送到光电隔离 华东交通大学毕业设计（论文） 19 电路进行处理，光耦合器的输出再送给 I/O 接口芯片 8255。 图图 2-16 刀架发信盘刀架发信盘 2.4 电源设计与选择 在机电一体化控制系统中，经常要用到小功率的集成稳压电源。如控制系统 的 CPU 芯片需要提供电压稳定的直流电源；在进行 D/A 转换时，需给转换电路 提供精密的基准电压；在采用光电隔离技术时，要给被隔离的电路提供独立的 供电电源等。这些电源都是直流的，并且需要稳压，通常采用集成稳压器来获 得。 本设计中我们选用三端固定正电压稳压器 MC7805、MC7812,三端固定负电压 稳压器 MC7912。车床数控系统的电源配置如图 2-13 所示。220V 交流市电经过 隔离变压后，输出四组交流电压：9V、11V、11V、11V。分别对这四组低压交流 进行桥式整流、电容滤波和稳压处理，最终输出+5V 电压供给 CPU 及其扩展芯 片使用，+12V 电压供继电器及 LED 显示器使用，12V 电压供数模转换电路使 用。电源设计电路如图 2-17。 宫凤丽：C6140 卧式车床数控化改造设计控制部分的设计 20 图图 2-17 电源设计电路电源设计电路 2.5 本章小结 本章主要内容是对控制部分的电路设计，分别介绍各芯片的作用、连接方 法和整体电路的设计。同时，介绍 CPU 和存储器、I/O 接口、步进电机接口与 驱动、开关、键盘/显示器及越界急停等电路的连接。 华东交通大学毕业设计（论文） 21 第三章 软件的设计 机床数控系统是有硬件和软件两大部分组成，只有软件和硬件相结合才能 实现数控机床控制系统的功能。 本章主要介绍软件的设计，而软件是有一系列功能子程序组成的一整套程 序。设计这些程序的目的是为了完善和发挥计算机的硬件功能，是软件和硬件 结合，形成一个具有特定功能的控制系统，从而使该系统能够完成零件加工程 序的输入，编辑，译码，数据计算、插补和电机控制等工作。本章将介绍几个 典型程序。 3.1 存储器与 I/O 芯片地址分配 根据车床数控系统主机板电原理图中地址译码器 U4（74LS138）的连接情 况，可以算出主机板中存储器与 I/O 芯片的地址分配如表 3-1 所示。 表表 3-13-1 主机板中存储器与主机板中存储器与 I/OI/O 芯片的地址分配表芯片的地址分配表 3.2 控制系统的监控管理程序 系统设有 7 档功能可以相互切换，分别是“编辑” 、 “空刀” 、 “自动” 、 “手 动 1” 、 “手动 2” 、 “手动 3”和“回零” 。选中某一功能时，对应的指示灯点亮， 进入相应的功能处理。控制系统的监控管理程序流程如图 3-1 所示。 宫凤丽：C6140 卧式车床数控化改造设计控制部分的设计 22 图图 3-13-1 系统监控管理程序流程图系统监控管理程序流程图 3.3 8255 芯片初始化子程序 B255: MOV DPTR，#3FFFH；指向 8255 的控制口地址 MOV A，#10001001B ；PA 口输出，PB 口输出，PC 口输入均为方式 0 MOVX DPTR，A；控制字被写入 MOV DPTR，#3FFCH ；指向 PA 口 MOVA，#0FFH；预置 PA 口全“1” MOVX DPTR，A；输出全“1”到 PA 口 MOVDPTR，#3FFDH；指向 PB 口 MOVA，#0FFH；预置 PB 口全“1” MOVX DPTR，A；输出全“1”到 PB 口 RET 3.4 8279 芯片初始化子程序 B279: MOV DPTR，#5FFFH；指向 8279 控制口地址 MOV A，#0CFH；清除 FIFO 与显示 RAM 命令 MOVX DPTR，A；命令字被写入 WAIT: MOVX A，DPTR；从 8279 的控制口读取 8279 的状态字 JB ACC.7，WAIT ；测试显示 RAM 有没有被清除完毕。只有状态 的 D7=0 时，清除才结束 MOV A，#08H；编码扫描，左入口，16 位字符显示，双键互 锁 华东交通大学毕业设计（论文） 23 MOVX DPTR，A MOV A，#34H；分频系数取 20 MOVX DPTR，A RET 3.5 8279 控制 LED 显示子程序 设显示缓冲区的首地址为 6BH，系统在指定的工作状态下，需要显示的字 符段码的编码，事先存储在 CPU 内部 RAM 的 6BH73H 这 9 个字节中。已知 8279 的控制口地址为 5FFFH，数据口地址为 5FFEH，则显示程序如下： DIR：MOV DPTR，#5FFFH ；8279 的控制口地址 MOV A，#90H ；写 8279 显示 RAM 的命令， MOVXDPTR，A ；从显示 RAM 的 00H 地址开始写，每写一次， 显示 RAM 的地址自动加 1 MOV R0，#6BH ；显示缓冲区的首地址为 6BH MOV R7，#09H ；显示缓冲区的长度为 9 个字节 MOV DPTR，#5FFEH；8279 的数据口地址 DIR0:MOV A，R0 ；从 CPU 的 RAM 中读取显示段码的编码 ADD A，#05H ；PC 与 DTAB 表格之间的偏移量 MOVCA，A+PC ；查表，取出显示段码 MOVXDPTR，A ；送到 8279 显示 RAM 中指定的字节 INC R0 ；写 8279 的下一个显示 RAM DJNZR7，DIR0 ；循环 9 次，完成 9 位显示 RET 段码字符 编码 DTAB:DB 6FH ；F 00-01 DB 0DAH DB 0BEH ；X 02-03 DB 0E7H DB 0A3H ；Z 04-05 DB 0CBH DB 0D1H ；U 06-07 DB 0D3H DB 0DCH ；W 08-09 宫凤丽：C6140 卧式车床数控化改造设计控制部分的设计 24 DB 0CEH DB 0DFH ； - 0A DB 21H ； 0 0B DB 7BH ； 1 0C DB 91H ； 2 0D DB 19H ； 3 0E DB 4BH ； 4 0F DB 0DH ； 5 10 DB 05H ； 6 11 DB 69H ； 7 12 DB 01H ； 8 13 DB 09H ； 9 14 DB 20H ； 0. 15 DB 7AH ； 1. 16 DB 90H ； 2. 17 DB 18H ； 3. 18 DB 4AH ； 4. 19 DB 0CH ； 5. 1A DB 04H ； 6. 1B DB 68H ； 7. 1C DB 00H ； 8. 1D DB 08H ； 9. 1E . .； 根据系统需要编制字库 当需要显示一组字符时，首先给显示缓冲区的 6BH73H 这 9 个字节赋值，然后 调用 DIR 子程序即可。例如，要显示“X-1234.56” ，程序如下： MOV6BH，#02H ；“X”的一半 MOV6CH，#03H ；“X”的另一半 MOV 6DH，#0AH；- MOV 6EH，#0CH；1 MOV 6FH，#0DH；2 MOV 70H，#0EH；3 MOV 71H，#19H；4. MOV 72H，#10H；5 华东交通大学毕业设计（论文） 25 MOV 73H，#11H；6 CALLDIR；向 8279 的显示 RAM 写数 . . 显示缓冲区（内部 RAM（6BH） （6CH） （6DH） （6EH） （6FH） （70H） （71H） （72H） （73H） | | | | | | | | | 显示字符： X - 1 2 3 4 . 5 6 | | | | | | | | | 字符编码： 02H 03H 0AH 0CH 0DH 0EH 19H 10H 11H 3.6 8279 管理键盘子程序 如车床数控系统主机板电原理图所示，当矩阵键盘有键按下时，8279 即向 CPU 的 INT1 申请中断，CPU 随即执行中断服务程序，从 8279 的 FIFO 中读取键 值，程序如下： CLREX1；关 CPU 的 INT1 中断 MOV DPTR，#5FFFH；指向 8279 控制口地址 MOV A，#01000000B；准备读 82