（机械制造及其自动化专业论文）主从式数控砂轮修形系统从端控制器的设计.pdf

主从式数控砂轮修形系统从端控制器的设计 学科：机械制造及其自动化 研究生签字：王功厂 指导教师签字： 摘要 y 7 1 2 5 磨齿机已由传统的手动靠模修形发展到数控修形，现在采用得比较多的是s x 型数控砂轮修形系统，它有效的解决了修形过程中a n - r - _ 靠模板难度大，周期长的问题，提 高了生产效率，但仍有不少地方需要凭借经验，另外它采用的控制方式也限制了它的进一 步推广和应用。 为解决当前数控砂轮修形系统存在的问题，本文提出了一种主从式结构的控制方法， 并对主机端和从端控制器的功能进行了划分。作者在论文工作中对该控制器进行了完整的 电路设计，配备了人性化的人机接口，设计了相应的软件系统。 该控制器以s t c 8 9 c 5 2 单片机为核心，通过单片机的串行口连接u 盘读写模块及u 盘，用于读取加工程序，采用独立键盘作为输入设备，以1 6 0 2 液晶显示器作为显示器， 控制信号通过光电隔离输出。该控制器结构精简，经济实用，运行结果证明本控制器的有 效性。 关键词：磨齿机；控制器：单片机：u 盘读写模块 d e s i g no ft h es l a v ec o n t r o l l e rb a s e do nm a s t e r - s l a v em o d u l e o fc n c g r i d i n gw h e e ld r e s s e r d i s c i p l i n e ：m e c h a n i c a lm a n u f a c t u r ea n d a u t o m a t i o n s t u d e n ts i g n a t ur e ：v u 叫劬移几 u s u p e r v i s o r s i g n a t u r e ：呦了； a b s t r a c t y 712 5g r i d i n gm a c h i n eh a sb e e nd e v e l o p e df r o mm e c h a n i c a lt oc n c n o wc n c g r i d i n g w h e e ld r e s s e rs y s t e mo fs xm o d e li sw i d e l yu s e di nm a n u f a t u r e t h i sd e v i c es a v e st i m et o m a k et h em o u l d i n gb o a r da n dm a k e si tm o r ee f f i c i e n c t , b u ts o m e t i m e sa l s on e e de x p e r i e n c ea n d i t sc o n t r o ls y s t e ml i m i tw i d e s p r e a d t os o l o v et h ea f o r e m e n t i o n e dp r o b l e m so ft h es xc n c g r i d i n gw h i e e ld r e s s e r , a u t h o rh a s c a r r i e do u tac o n t r o ls y s t e mo ft h em a s t e r - s l a v em o d e l ，a n dd i v i d e dt h ef u n c t i o n t h i st h e s i s c o m p l e t ec i r c u i td e s i g nf o rt h i sc o n t r o l l e r , h a sa l l o c a t e da sf a ra sp o s s i b l eh u m a nn a t u r et h e m a n m a c h i n ei n t e r f a c e ，h a sd e s i g n e dc o r r e s p o n d i n gs o f t w a r es y s t e m t h i sp a p e rp r e s e n t st h es t c 8 9 c 5 2s e r i e sm i c r o c o m p u t e ru s e di nt h ec o n t r o l l e r t h ec o n t r o l l e rc o n n e c t w i t ht h eu s bm o d u l ea n dr e a dt h ep r o c e d u r e b yt h ec o mp o 吒u s e si n d e p e n d e n c ek e y b o a r da si n p u t e q u i p m e n ta n dd i s p l a yo f16 0 2l i q u i dc a y s t a l ，t h ec o n t r o ls i g n a li so u t p u tb yo p t i c a l c o u p l e r t h eh a r d w a r e a n ds o f t w a r et e c h n o l o g i e sa r ec o m p a c ta n de c o n o m i c a l ，a n dp r o v e dt h ev a l i d i t yo ft h ec o n t r o ls y s t e m k e yw o r d s ：g r i d i n gm a c h i n e ；c o n t r o l l e r ；m i c r o c o m p u t e r ；u s b 学位论文知识产权声明 学位论文知识产权声明 本人完全了解西安工业大学有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 学位论文工作的知识产权属于西安工业大学。本人保证毕业离校后，使用学位论文工作成 果或用学位论文工作成果发表论文时署名单位仍然为西安工业大学。学校有权保留送( 提) 交的学位论文，并对学位论文进行二次文献加工供其他读者查阅和借阅；学校可以在网络 上公布学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 伽夕夕。 _ ， 互 j - t 5 3 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师 指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的成果，不包含本人已申请学位或他人 已申请学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了致谢。 学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名：五；l 门 指导教师签名： 日期：歹，t 厂刁 1 绪论 1 1 y 7 12 5 磨齿机简介 1 绪论 1 1 1y 7 1 2 5 磨齿机渐开线形成原理 由于本论文主要研究y 7 1 2 5 磨齿机砂轮修整的数控化问题，所以有必要对y 7 1 2 5 磨 齿机作简要介绍。 y 7 1 2 5 磨齿机主要用于磨削剃齿刀，插齿刀等齿轮刀具和度量齿轮的渐开线齿形，磨 削规格如下：齿轮直径2 0 - 2 5 0 m m ，模数1 - 8 m m ，8 - - 1 2 0 牙，螺旋角0 - - 4 5 0 ，砂轮直 径4 0 0 m m 。u 1 y 7 1 2 5 是利用齿条和齿轮啮合原理工作的如图1 1 所示，砂轮的工作端面就相当于“假 想直齿条”的一个牙齿侧面。磨齿时，砂轮的位置固定不动，为形成磨削节圆与节线纯滚 动，齿轮则要作一面旋转，一面沿w 二w 方向移动的展成运动。这种展成运动关系是靠一 个渐开线凸轮和挡块来实现的。乜3 由于砂轮端面作为“假想齿条 与齿轮啮合时纯滚动节 线是倾斜的，故需要调整工作台，使其倾斜一个a a 角度。渐开线凸轮的基圆半径r j 凸决 定磨削的节圆半径。设被磨齿轮基圆半径为r j ，则有以下关系式： c o s a a = r j r j 凸 ( 1 1 ) 图1 1y 7 1 2 5 型磨齿机磨齿原理 两安工业大学硕士学位论文 1 1 2 机械靠模式砂轮修形器结构 如上文所述，为了磨削出各种的修形齿轮的齿形，y 7 1 2 5 型磨齿机具有一套机械靠模 式砂轮修形器，机械结构如图1 2 所示。 6 图1 2 机械靠模式砂轮修形器结构图 其工作原理为：通过用手扳动修整器壳体外的手柄( 未画出) ，拖板4 就在壳体5 中 左右移动，它又通过销轴9 带动摆杆3 及金钢笔1 左右移动，由于触针始终紧靠在样板6 上，这样就使摆杆随着样板曲线形状以销轴9 为支点摆动，从而使金刚笔修磨砂轮成所需 要的曲线形状。1 1 2 齿轮刀具修形的实现 1 2 1 齿轮刀具的齿形 为了改善齿轮的传动效果和降低噪音，需要对齿轮的齿形进行修形。下面将针对不同 的修形齿轮齿形，定性的给出相应的齿轮加工刀具齿形。 ( 1 ) 用准确渐开线齿形的剃齿刀会加工出带有“中凹”的齿轮，如图1 3 ( a ) ，要修j 下齿 轮的这种“中凹 误差，可采用中部也凹进去的剃齿刀( 如图1 3 ，b 所示) 进行剃齿加工。 【5 ( 2 ) 剃前插齿刀齿形。如前所述，由于剃前齿轮余量形式对剃齿刀的工作条件起着决 定性的影响，所以剃前齿轮应采用齿面中部有余量的形式。如果用插齿刀来加工这种齿轮， 则应采用齿顶凸出的插齿刀。这中插齿刀称为插齿刀。 ( 3 ) 倒角插齿刀。倒角插齿刀是采用齿顶凹进去的齿形来加工倒角齿轮的。 如前所述，在加工齿轮或齿轮刀具是都需要对齿轮齿形进行修形。 2 l 绪论 t i t ， 图1 3 “中凹”齿轮和修形剃齿刀齿形 1 2 2 齿轮刀具修形的实现方法 修形齿轮刀具的磨制方法较多，主要有两大类：采用机械方法磨削和采用数控方法磨 削。嘲 ( 1 ) 机械方法的实现 在机械方法实现中，主要有三种方法：( a ) 变性机构实现；( b ) 成形砂轮机械式修形实现； ( c ) 半展成法。 在这几种机械修形方法中，变性机构法与半展成法只适用于有限的几种修形，而成形 砂轮靠模法又存在靠模制作难度大，周期较长等缺点。所以它们应用的场合受到了限制。 ( 2 ) 数控方法实现 它主要有：( 1 ) 变性机构数控实现；( 2 ) c n c 成形砂轮修整器。 ( a ) 变性机构的数控实现。这种方法是通过数控系统控制齿轮的传动与移动，从而实 现对展成运动的控制。通过改变程序，就可方便地改变齿轮啮合的展成运动关系，实现对 齿轮修形的目的。 ( b ) c n c 成形砂轮修形器。这种方法是基于上述成形砂轮机械式靠模法。也就是用数控 的方式，来模拟成形砂轮修形的机械运动，并且可根据修形的不同要求，改动数控程序就 可以方便的变换修形形状。 1 3y 7 12 5 机床砂轮数控修形的必要性及其发展 1 3 1 磨齿数控化的必要性 随着各种机械的精度要求的不断提高，对渐开线圆柱齿轮的精度要求也越来越高。为 此，磨齿工艺也越来越广泛地得到应用，从而使生产率高，适应性强，精度高的数控磨齿 机相继问世。 在磨齿工艺过程中，砂轮的表面形状好坏直接决定齿轮齿形，所以砂轮的修形是关键。 早在8 0 年代，德国赫夫勒( h o f l e r ) 和卡普( k a p p ) 公司相继开发了数控锥面砂轮磨齿机和数 控成型砂轮磨齿机，开创了数控磨齿机的先河。之后，德国，瑞士，日本，美国，意大利 的数控磨齿机都取得了长足的发展。口刮 与普通磨齿机的砂轮的手动修整相比，带数控砂轮修形系统的磨齿机有以下优点：睁1 3 1 ( 1 ) 柔性好，适应性强。适合各种修形齿轮的磨削加工，较好的解决了形状复杂，小 批量零件的加工问题。 3 两安工业大学硕士学位论文 ( 2 ) 加工精度高，产品稳定性好。由于在砂轮修形过程中采用电机自动控制来完成， 而数控系统又具有较高的控制精度，使产品精度高，质量也稳定。 ( 3 ) 生产效率提高。采用数控砂轮修形系统过，通过改变几个参数就能轻松改变修形 曲线，而比再耗费大量的时间反复制作及验证靠模板，节约了生产时间。 正是基于上述优点，为了满足高精度，高效率的齿轮生产要求，必须使齿轮机床数控 化。目前，我国y 7 1 2 5 磨齿机已有上千台，而进口一台带数控砂轮修形器的齿轮磨床需 要几十万美元。因此，对现有y 7 1 2 5 磨齿机数控化不仅能够适合我国目前齿轮加工要求， 大幅提高磨齿质量和生产效率，而且节约成本，具有很好的使用价值和经济价值。n 钔 1 3 2 数控砂轮修形器的发展现状 现在该机床上使用比较多的是s x 型数控砂轮修形系统，结构示意图如图1 4 所示： 它采用工业控制机为主控单元，配以基于i s a 总线的u o 卡和驱动器来驱动两个( x 、 z 向) 步进电机，操作人员通过n c 代码编写程序，控制金刚笔运动，从而完成对砂轮表面的 图1 4s x 型数控砂轮修形系统结构示意图 修形。n 明根据不同的力n - r - 要求只需要改变程序里的几个参数就可以满足加工要求了，该修 形系统有效的解决了加工复杂靠模板工艺难度大、周期长的问题，提高了产品的质量和加 工效率。该系统已成功应用于多个齿轮生产厂家。 1 4 课题来源 进入二十一世纪，随着计算机技术和机械制造技术的迅猛发展，机械制造与计算机， 电子，自动化及精密测试技术日益紧密的结合。s x 型数控砂轮修形系统虽已成功应用于 生产，但在使用过程中，特别是在进行圆弧和其它特殊形状修形时，要根据产品的测量报告 反复修改程序，再进行试磨，其中的经验成分较大。该控制法属于”1 对l 控制”，也就是说 4 l 绪论 一台工控机控制一个修形器。由于采用工业控制机、c r t 显示器和控制柜，价格比较昂贵， 且占用了机床的可操作空间。该系统应用软件是在d o s 环境下开发，整个应用系统比较 封闭，对于在生产中遇到的新情况要进行修改或软件功能的扩展难度比较大。针对以上的 因素，本次数控砂轮修形系统的设计主要以下面几点为目标： ( 1 ) 功能丰富，简化操作。 ( 2 ) 降低成本，减小体积。 ( 3 ) 满足修形的精度要求，便于二次开发。 ( 4 ) 减少修形过程中的经验成分，进一步提高自动化程度，为实现闭环制造打下基础。 根据上述要求，查阅相关文献后，本次设计的方案决定采用主从式的控制方法，结构简 图如1 5 所示。整个系统包括上位机主机和从端的控制系统，它的基本原理是，根据加工 的要求可以在主机上编写不同的加工程序通过通讯设备传送到对应的执行端控制系统。在 工厂里只需采用一个主机再在每个y 7 1 2 5 机床上配置一个从端控制系统，实现了“一对 多的控制”，节约了总体成本。主从式的结构是二种开放式的结构，利用主机强大的工具 和操作系统开发出实用的应用软件，而且可以很方便进行后续软件的升级，功能的二次扩 图1 5 主从式控制系统结构简图 展。主机可以脱离工作现场，节省了操作空间。要完成此设计首先要对主机和从端控制系 统的功能进行划分及设计任务的分割。 1 5 论文的主要工作 ( 1 ) 根据设计要求，进行系统总体设计，提出了主从式数控砂轮修形系统的设计结构， 划分了主机与从端控制系统完成的功能。 ( 2 ) 完成了从端控制器的硬件设计。包括c p u 模块，显示模块，通讯模块，按键模块， 5 西安工业大学硕十学位论文 限位开关模块的设计及系统的抗干扰设计等。并制作了电路板。 ( 3 ) 完成了从端控制器的软件设计，包括显示模块，加工程序读写模块，插补模块， 人机界面等。并在k e i lc 5 1 中对软件进行编写和调试。 ( 4 ) 搭建整个系统，并进行联机调试。 6 2 系统总体设计 2 系统总体设计 2 1 系统功能划分 在确定了主从式结构的控制方案后，在进行主机端设计和从端设计前首先应该对各自 完成的功能进行划分。功能划分的不同直接决定了各自设计方案的不同。划分的依据是以 系统设计目标为出发点。 具体功能划分是：主机部分主要是软件设计，由于主机功能强大，数据处理速度快， 这样可以在主机里w i n d o w s 操作平台下利用强大而成熟的开发工具如v c + + 等开发出 功能丰富的应用软件。在进行软件设计时尽可能多的把加工过程中的不确定因素和需要凭 借经验的地方都量化，把运行的预期结果可视化，让操作人员能够把实际的加工轨迹以及 所要达成的效果和理论值进行对比。所以把计算量较大的插补前的坐标计算、模拟加工的 图形显示、加工程序编写及译码等部分放在主机里来完成，用户可在应用软件中输入带加 工工件的参数及一些相关的位置参数，分析并生成符合实际加工要求的加工代码。此外主 机里开发的应用程序还可以和工件的齿轮测量报告结合起来，进行二次校核。 从端控制系统作为一个执行机构，操作要简单，体积小，价格便宜。主要负责加工程 序的读取及执行、修形器的基本操作，金刚笔的位置调节等。人机界面比较简单，能够显 示加工程序的名称和一些位置坐标信息。修形器在遇到突发状况时的急停和报警提示。主 从机之间通过一定的通讯设备进行加工程序数据的传输，主机中生成的加工程序的数据形 式和从端控制器所能识别的形式要一致。 本次设计的主从式结构的控制系统中，操作人员不必根据齿轮的设计要求利用啮合原 理进行复杂的理论计算，也不必因为砂轮、刀具和齿轮产品位置对应关系不准确而反复试 磨和修改程序了。主机里直观的可视化界面，能够让操作人员清晰的判断加工产品的状况， 加工程序不必编写自动生成，在进行执行过程中，操作也比较简单，大大简化了齿轮加工 的过程。整个系统的结构是开放式的，主机和从机互相脱离，只要生成的程序按照预定的 数据形式就能够被从端控制系统识别，所以可以根据使用过程中遇到的问题，逐步完善系 统的结构，在加工一些产品时，如果有新的要求也可以方便的进行功能的扩展。 本系统设计任务分为上位机的软件设计和从端控制系统设计两个大的部分，从端控制 系统作为完成砂轮修整的执行机构是整个主从式数控砂轮修形系统的重要组成部分，是整 个系统能否应用的关键。本课题的任务是完成从端控制系统的设计。 2 2 从端控制器的总体设计 根据设计要求本次设计的从端系统如图2 1 所示。该系统主要包括：硬件控制电路板、 驱动及电源、操作面板和机械本体四个部分，其中驱动及电源和机械本体部分设计已经成 7 西安工业人学硕士学位论文 熟，并在s x 型修形器中运行良好，所以这部分在本次设计中仍然沿用。从端控制系统的 总体要求： ( 1 ) 从通讯设备中下载加工程序： ( 2 ) 实时插补，控制金钢笔走出确定的轨迹； ( 3 ) 系统结构精简，稳定、可靠： ( 4 ) 较好的人机界面，操作简单。 图2 1 从端系统结构框图 实现的功能模块主要包括： ( 1 ) 运动控制功能 a 自动加工功能。控制器根据加工代码定义，控制金钢笔完成修整运动。 b 手动调整功能。修形系统在使用过程中，难免会遇到一些突发事件和意外情况， 使得实际的坐标值与显示的坐标值不一致，致使加工出现误差，这时就需要手动调整 进行纠正，重新找准加工起点。 ( 2 ) 显示功能 程序名称的显示，加工临界状态的提示。 ( 3 ) 保护功能 1 加工过程中，人工干预的紧急停机，可处理意外情况。 2 限位功能，正向进给时有限程保护，越程时，自动停止，并有指示灯报警。 ( 4 ) 控制系统与通讯通讯设备的数据传输功能 包括通讯媒介的选择，控制系统读取通讯设备的加工程序。 2 3 人机界面的设计 人机界面的设计是以系统功能为出发点，以操作工为使用对象来进行设计的。设计的 8 2 系统总体设计 原则是：操作简单，功能齐全，按键精简，占用面小。见图2 2 所示。 各键的功能说明如下： “上电按钮”，此按键是为给整个控制器供电。按下此按钮，控制盒硬件电路板上电， 再按以下此键，键弹起，则控制盒断电，此键不需占用控制芯片的u o 口； “程序选择按钮 ，在进行产品加工过程中，产品的不同加工程序也不同。此按键用 来对加工程序的选择。当有通讯设备与硬件控制板连接时，通过上、下 图2 2 操作面板简图 两个按钮，选择待加工的程序； “自动加工按钮 ，此按键是加工程序的执行键，对砂轮实施修形功能。按下此键， 控制芯片从存储设备中读取当前待加工程序的原始数据，对数据进行处理后，发出控制信 号，控制电机运转并带动金刚笔完成对砂轮修整运动； “直线加工按钮 ，是常用功能按键。在修磨标准渐开线的工件时，只需完成直线运 动，运动计算比较简单，只和直线的长度有关，可以把加工的程序直接寸放在控制芯片的 存储器里，当按下此键，控制芯片调用直线加工程序，完成加工，根据使用情况，直线加 工的长度定为2 4 r a m 就足以满足加工了： “暂停继续按钮 ，用于处理加工过程中的紧急情况，当按下此键，系统停止运动， 在处理完意外后，再按一下，键弹起继续完成加工； “手动调整按钮”共4 个按键分别控制x 、z 电机的四个方向的点动操作，可对系统 工作位置进行调整。“x ，、“+ x 、“+ z ”、“z 为点动调整按钮，点动时的速度为2 , 0 n u r g s 。 9 西安工业大学硕士学位论文 点动位移量为0 2 m m ； 显示区主要指加工前程序序号的显示，点动操作过程成中两个电机坐标位置的绝对值 的显示，报警信号指示灯提示符的显示。 2 4 开发方案的选择 开发方案的选择主要是指从端控制器准备采用的控制芯片，是开展本次设计的第一 步，方法选择的不同决定了整个控制器的硬件电路设计及其软件开发的环境。一般来说， 不同的要求就会有不同的选择，各方案也有各自的优缺点。目前比较流行的有三种方案： 单片机方案，p c i 0 4 方案和嵌入式微处理器方案。有必要分析一下不同的开发方案并根据 实际需要作出选择。 单片机方案 采用5 1 系列的8 位单片机构成控制器，设计相对简单，成本低，缺点是受单片机功 能的局限性，功能不够丰富。其相对于其他两种方案的缺点主要表现在两方面：一是传输 速度较慢，不适用于大量的数据传输；二是与有操作系统的方案相比，界面没有那么漂亮。 【i b p c i 0 4 方案 p c i 0 4 的出现使得开发难度大大降低，用户利用p c i 0 4 提供的基本功能模块，只需 设计简单的外围电路，即可以实现控制要求，更多的时间和精力可用于可靠性方面的设计。 p c i 0 4 是一种体积紧凑，在软件和硬件上与标准p c 总线完全兼容的总线控制机，采 用独特的重叠结构，作为工业级产品，具有低功耗和高可靠性的特点，特别适合嵌入式等 应用场合。采用p c i 0 4 工业控制机作为硬件平台，嵌入式l i n u x 为软件平台，这种控制 器特点是功能强大，可靠性好，并可以提供以太网功能。相对于其他两种方案，成本高是 唯一缺点。目前市场上p c i 0 4 方案占据一定份额，但是不多，主要也就是成本的原因。n 7 3 嵌入式微处理器方案： 目前一种比较流行的方法，将嵌入式处理器分为4 类n 引： 嵌入式微处理器( e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o ru n i t ) ： 嵌入式微控制器( m i c r o c o n t r o l l e ru n i t ，m c u ) ： 嵌入式d s p 处理器( e m b e d d e dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) ； 嵌入式片上系统( s y s t e mo nc h i p ) ； 嵌入式微处理器即单片机，它将c p u ，存储器和其他外设封装在同一片集成电路中， 广泛应用于工业控制场合。嵌入式d s p 专门用于对离散时间信号进行极快的处理计算， 广泛应用于数字滤波，谱分析，图像处理的分析领域。嵌入式微处理器包括 a r m ，p o w e r p c ，m o t o r o l a 6 8 系列，广泛应用于工业控制，消费电子，无线通讯领域等，功 能强大。采用该类处理器一般学要在上面移植操作系统，在嵌入式操作系统平台上进行软 件开发，因此软件容易移植和升级。它的优点是功能强大，成本相对也比较低，且代码可 1 0 2 系统总体设计 移植性好还能够提供强大的网络功能，但对于本产品开发而言，致命的缺点就是开发周期 长。n 9 1 这几种方案的比较见2 1 所示 表2 1 开发方案的比较 经过调查和比较，由于本次设计采用的是主从结构，复杂运算图形显示等数据量处理 大的工作已由主机完成，从端控制系统只需完成一些基本操作功能。再则从系统的功能角 度出发考虑，决定选用单片机方案，它既能满足系统的控制功能，并且做成控制板后，体 积小，成本低，开发周期短。 2 5 通讯设备的选择 通讯媒介作为主机与单片机的桥梁，其设计的好坏在整个系统系统应用中具有及其重 要的作用。通讯媒介负责把上位机( 主机) 生成的加工程序的数据传送到下位机( 从端控制 器) 中，传输的方式可以采用有线和无线。有线是把主机与从端控制器通过信号电缆直接 连接，采用的接口可以是并行口或者串行口，由于本次设计中主机要脱离现场摆放，它们 之间距离比较远，所以只能采用无线连接方法。可供选择的方法有：红外遥控技术、蓝牙 技术、u s b 技术。劓2 1 ( 1 ) 采用红外遥控技术 目前红外传输技术主要应用与计算机与外设的信息交流。红外遥控是指利用红外线来 传输控制信号，实现对控制对象的控制。具体的讲，就是由发射器发出红外指令信号，由接 受机接受下来并对信号进行处理，最后实现对控制对象的各种功能的控制。红外线传输发 射出红外线光束的波长介于8 5 0 n m 一9 0 0 n m ，传输距离在l m 以内时，最快的传输速率 1 6 m b s ，传输距离到5 m 以上时，传输速率降到7 5 k b s 。利用红外线进行传输时，两个红外 线端口必须正对着，周围既不能有强电磁干扰，中间也不能有障碍物，否则会造成通信失 败。 ( 2 ) 采用蓝牙技术乜3 嗡1 蓝牙是一种实现多种设备之间无线连接的协议。采用蓝牙技术开发从端控制器可以 实现真正无线遥控。操作人员对机床的控制不必象红外遥控器或u s b 一样被束缚在机床的 周围，可以在1 0 m 的范围内实现对机床的遥控，当然若增大蓝牙设备的发射功率，传输距 离可达1 0 0 m 。 ( 3 ) 采用u s b 技术 u s b 技术是英特尔等公司开发的一种全新的高性能串行总线标准，它允许外设和计 算机连接时不必重新配置系统。计算机可以自动识别这些设备并安装适当的驱动程序。采 两安t 业大学硕士学位论文 用u s b 技术开发从端控制系统时的一项重要任务是从端控制系统读取u 盘中的数据，从 而实现对修整砂轮运动的控制。u s b 技术相对于其他技术具有：a u s b 设备可以进行热拔 插。b 传输速度快，最高可达4 8 0 m b s 。c 由于u s b 是有线传输，操作时不可能对邻近的设 备产生影响，并且适合批量生产啪1 。 根据以上列举的不同方案，它们各有特点。首先考虑到本控制器应用的现场环境是工 厂厂房，周围有机床上一般都有大功率的电机，会造成信号的干扰，而且主从机分开摆放， 它们之间是否有障碍物或距离没有可预见性，一般情况会大于5 m ，那么红外遥控的方案 除非在特定环境下很难有实用性。目前，蓝牙产品已经问世，并且应用范围正在扩大。在工 业现场中环境比较恶劣，布线不方便或者是禁用电缆的工业现场采用蓝牙无线通讯技术来 实现数据的通讯，具有性能稳定，信息传输可靠，移动性强等优势。瞄1 但是，由于蓝牙芯 片相对于蓝牙设备价格较高，而且如果应用于从端控制系统中，要实现“一对多的 控制其 实用性还有待探讨具有一定的难度。 u s b 技术最大优势是，可以作为单片机外围的海量存储器存储大量的加工程序，在控 制系统掉电后加工程序仍然保留在u 盘里，供下次开机后直接使用，程序存储稳定可靠， 不会受到现场环境的干扰。u 盘携带方便，它也没有距离的限制。经过调研和查找相关资 料，单片机读取u 盘数据的设备也比较便宜，而且操作比较方便，可以缩短开发周期。 所以从端控制系统中决定采用u s b 技术，作为与主机的程序传输的接口。 2 6 本章小结 本章主要介绍系统的总体设计，明确的划分了各自完成的功能，详细介绍了从端控制 系统的结构，控制器的总体设计，从系统功能角度出发设计人机交互界面，选择了单片机 为控制核心的开发方案和基于u s b 技术程序传输媒介。 1 2 3 控制器的硬件设计 3 1 硬件系统简介 3 控制器的硬件设计 硬件系统是软件运行的环境，硬件电路工作可靠与否直接影响到整个数控系统性能的 优劣。本论文的硬件电路设计中主要遵循以下几条设计原n - ( 1 ) 尽量典型的成熟电路，并符合单片机的常规用法，为硬件电路的标准化，模块化 打下良好基础。 ( 2 ) 硬件结构与软件系统一并考虑，统筹安排。一般情况下，软件能够实现的功能尽 可能不用硬件实现，以简化硬件结构。但有时对于响应时间要求较快的系统，由于软件实 现要占用c p u 时间，响应时间比硬件直接实现要长，这是采用硬件方法来实现。 ( 3 ) 整个系统中相关器件性能要尽量匹配。如选用较高频率晶振构成时钟电路时，也 要选择存取速度较高的控制芯片。 ( 4 ) 硬件电路设计中充分考虑电路的可靠性和抗干扰性，主要包括芯片，器件的选择， 去耦滤波，印刷板线路布置及通道隔离等。 ( 5 ) 单片机外围电路较多时，必须考虑其驱动能力。驱动能力不足时，系统工作不可 靠，可通过增设驱动器增强驱动能力或减少芯片功耗来降低总线负载。 ( 6 ) 尽量较少芯片数量。系统器件越多，器件之间相互干扰也越强，功耗也增大，也 不可避免地降低了系统的稳定性。 3 2 控制器的电路设计 3 2 1 微处理芯片的选择 为使从端控制系统符合小型化的特点，工业控制机和一般p c 机都不再适用了，供选择 的有a r m 、a v r 、5 1 单片机等，根据系统完成的功能和价格因素考虑，5 1 系列的单片机 符合设计要求，还具有扩展功能强、输入输出功能丰富、位处理功能强的特点，被誉为” 控制领域的最佳8 位微机”。泌剐国内5 l 单片机系列应用广泛，与其配套的软件和开发装 置丰富。控制系统采用模板级组合设计，组配灵活，硬件冗余小，硬件设计调试容易。跚1 本系统采用s t c 公司的8 9 c 5 2 型单片机为控制核心，它是一个低电压高性能的c m o s 单片机，相关技术参数： 集成8 位c p u 、8 k 字节r o m 、1 2 8 字节r a m 、4 个8 位双向i 0 1 2 1 以及支持位操作的i o 口、1 个全双工串口、2 个1 6 位定时记数器。5 个有两级中断的中断源，寻址范围6 4 k ，并具 有功能较强的布尔处理器。该控制芯片指令系统与标准8 0 5 2 完全兼容。并且支持计算机 串行口下载源程序。 1 3 两安工业大学硕十学位论文 由于系统的计算量不大，所以不需要扩展数据存储器和程序存储器，进一步简化了电 路。 3 2 2u 盘接口 u s b 技术常常应用于嵌入式的系统中，嵌入式系统作为一个特定的系统，在很多情 况下需要与外界进行信息交流与传递。本次设计的通讯设备选用的是u s b 总线。u s b 总 线是一种串行总线，支持主机与各种即插即用的外设之间进行数据传输的。口2 1 作为一种现 代总线，u s b 是一种相当复杂的总线体系，为了简化开发难度，提高总线的可靠性，u s b 系统采用了分层的概念来描述系统的软硬件及其相应的功能，u s b l 1 支持4 层的h u b ， u s b 2 0 贝f j 达至u 了6 层。口p 科1 单片机可以通过u s b 总线h o s t & d e v i c e 接口芯片c h 3 7 5 读写u 盘中的数据。硼 虽然直接调用c h 3 7 5 的u 盘文件级子程序库读写u 盘文件的效率更高，成本更低，但是 该子程序库需要占用单片机系统的资源，大约5 k b 程序空间和6 0 0 字节r a m 数据存储 器，而且需要编写固件程序和驱动程序，会加长开发周期，无法应用于本控制器选用的单 片机。本次控制器中采用的是u 盘读写模块，经过查找相关资料，该模块已经是成熟的 产品，价格大约1 0 0 元左右，比较便宜。该读写模块本身就有一个单片机，u s b 协议有 关的程序固化到该单片机中，利用提供的函数，按照相关的读写流程就能够方便读出u 盘中的数据，这种读写方法只占用很少的单片机资源，实用性很强。 本系统中的加工程序代码由上位机主机生成，并拷贝到u 盘里，从端控制器就要从u 盘中读出程序。本次设计采用的是u 盘读写模块对u 盘和控制芯片进行接口。接口方式有 串口版和并口版两种，生产的厂商有南京沁恒，济南有乐，西安达泰，上海思越等。经过 比较本文选用的是南京沁恒有限公司的串口版文件读写模块，示意图如图3 i 所示。功能 与特点： 用于嵌入式系统单片机读写u 盘、闪盘、闪存盘、u s b 移动硬盘、u s b 读卡器 睹 号子o 支持符合u s b 相关规范基于b u l k o n l y 传输协议的各种u 盘闪存盘外置硬盘。 支持文件系统f a t l 2 和f a t l 6 及f a t 3 2 ，如果需要支持f a t 3 2 请看本文后面的 说明。 提供工具程序，只要连接计算机u s b 端口，就可以随时升级模块，随时设置模块。 支持小端格式和大端格式的数据字节顺序，适用于绝大多数单片机系统。 文件操作功能：搜索、新建、删除、读写数据，查询和修改信息等。 读写模式：高速的扇区模式、方便的字节模式、简化的数据流模式。 提供3 种硬件以适应不同的i o 接口：标准版、串口版、低电压版。 提供多种软件供随时下载到模块硬件中，通过多种软硬件组合支持各种不同的i o 接口。 1 4 3 控制器的硬件设计 模块具有简单的自动演示功能，提供串口连接方式下的计算机端的演示工具。 图31 串口版u 盘读写模块 出 口 皈 该模块用于向嵌入式系统单片机系统提供读写u 盘中文件数据的接口，基本不需要 占用单片机系统的存储空间，最少只需要几个字节的r a m 和几百字节的代码。该模块基 于c h 3 7 5 的u 盘文件级子程序库设计，外围电路精简，性能价格比很高。汹1 它与单片机的 接口电路如图3 2 所示。串口版模块具有三个外部接口：p 1 是u s b 插座，可以直接插入u 盘或者通过u s b 延长线连接u 盘，当进行程序升级或者重新勇己置时应该通过u s b 对连线连 接计算机的u s b 端口。p 2 是d b 9 插针( 可以改为插孔，但是引脚号将发生变化) ，用于连 接单片机系统。p 3 是电源输入选择跳线或者电源输入端口。当p 3 的2 脚与3 脚短路时( 上 连) 模块的电源从串口p 2 的第9 脚输入正电源，串口p 2 的第5 脚同时作为信号地和电源 地。当p 3 的2 脚与3 脚断开时( 不连) ，模块的电源从端k i p 3 输入，2 脚正电源，1 脚电源 地。模块的实际工作电压为5 v ，如果外部输入的电源电压为5 v ，那么可以去掉稳压芯片 u 4 并短接原u 4 的1 脚( 输入) 和3 脚( 输出) 。如果外部输入的电源电压大于5 v ，那么必 须使用稳压芯片u 4 降压，可以接受的外部电源的输入电压为75 v 到2 0 v 之间。外部输入 的电源电流不宜小于1 0 0 m a ，并且应该接有电源退耦电容，容量不小于2 0 0 u f 。端口p 2 提 供异步串口，用于连接单片机系统，p 2 的引脚定义默认情况下是：第5 脚为信号地及电源 地，第9 脚为正电源( 当从p 3 输入电源时该引脚无定义) ，第2 脚为串行输入s i n ，第3 脚 为串行输出s o o t ，其余引脚无定义。在此默认情况下与计算机的串口相连接时，应该使 用两头都为d b 9 插孔的交叉串口线。跳线j 2 和j 3 用于设定端口p 2 的第2 脚与第3 脚是否交 换，默认情况下跳线的1 脚与2 脚短路( 下连) ；如果跳线是2 脚与3 脚短路( 上连) ，那么 端口p 2 的引脚重新定义为第2 脚为串口输出s o u t ，第3 脚为串行输入s i n 。端n p 2 的异步 串口默认情况下使用r s 2 3 2 电平，如果去掉r s 2 3 2 电平转换芯片u 2 并在p c b 上短接原u 2 的1 2 脚与1 3 脚、1 1 脚与1 4 脚，那么端r n p 2 使用t t l 电平。一般情况下，r s 2 3 2 电平比t t l 电平更适宜较远距离的传输，但是在r s 2 3 2 电平的情况下，串口通讯波特率不宜大于 l1 5 2 0 0 b p s ，而在使用t t l 电平并且连线较短的情况下， 两安工业大学硕十学位论文 鼍r 图3 2u 盘读写模块电路 串口通讯波特率可以高于l1 5 2 0 0 b p s 。使用t t l 电平时，串行输入s i n 具有弱上拉电阻，串 行输出s o u t 为带弱上拉电阻的开漏输出，长距离通讯时建议额外加上拉电阻。 图3 2 中的t x d 、r x d 分别连接单片机的串口，并通过一个9 芯的d 形插头与单片机进 行接口。供电方式采用外部5 v 开关电源直接进行供电。 3 2 3 液晶显示 显示部分是人机交互的一个重要部分。操作人员可以通过显示的信息，及时了解修形 器所处的状态和执行的方式。 液晶显示器的种类很多，根据大小和显示任务的不同来对液晶显示器进行选择。本次 设计的控制器只需要显示程序号和坐标数字点，所以设计中采用长沙太阳人电子有限公司 的s m c l 6 0 2l c m 液晶显示模块。主要技术参数如图3 3 ，该模块共有1 6 个引脚，引脚 图如图3 4 所示口刀。根据引脚图的说明，控制板上采用1 6 针直插式插座与液晶显示模块 连接，1 6 脚插针与单片机的连接电路图原理图如图3 5 所示，其中l 、2 脚分别连接电源 地和电源端，3 脚连接一个2 k 的电位器用来调节显示字符的亮度，4 脚是数据命令选择 控制端，接单片机的p 3 4 口，在本控制器中对显示模块只写不读，所以5 脚接地，6 脚 使能控制端接单片机p 3 5 口，7 - - - 1 4 脚是数据信号分别对应接接单片机的p 0 口8 位数据 端。 1 6 3 控制器的硬件设计 显示容量：1 6 x 2 个字符 心厅上1 f 吃腿： 4 5 5 。5 v 工作电流： 2 o m a ( 5 o v 模块最佳工作电压： 5 0 、， 字符尺寸： 2 9 5 x 4 3 5 ( w x 吣i n l t i 图3 3s m c l 0 6 2 显示模块相关参数 编号符号引脚说明编号符号弓i 掰说明 lv 筠电源地9 0 2 d a t ai o 2v d d电源正极t o 0 3 t al o 3v l 液晶显示偏压位号 l l i ) 4 d a c ei 巾 4r s 数据奇令选择端( l ) 1 2i ) 5d a t ai o 5僧 浚写选撵端( h l ) 1 3d a t el o 6 使能信号 1 4 d 7 d a t al o 7d od a t al o1 5 8 l 鹜光源芷极 8 d i d a t al o1 8 8 u 背光源负极 m d 舶l 如工 舶3 舶4 即j 那石 即， 图3 4s m c l 6 0 2 显示模块引脚图 图3 51 6 脚插针与单片机连接电路原理图 3 2 4 外围接口电路设计 ( 1 ) 控制器接口电路 本次设计的控制器是通过两个驱动器来控制两个步进电机运行，带动金刚笔运动，从 而完成对砂轮的修整。单片机的输出控制信号为x 向电机的脉冲和方向信号，z 向电机 1 7 西安t 业大学硕十学位论文 的脉冲和方向信号共四个，它们分别连接单片机的p 1 o - p 1 4 口，反馈的输入信号是x 和z 向拖板的位置限位信号共两个，为了防止干扰，所有的输入输出信号采用光电隔离 的方式。本次设计中采用的是t l p 5 2 1 - 2 光耦，外形如图3 6 ，结构如图3 7 ，工作时电路 如图3 8 ，特性如表3 1 。 m 5 2 1 - 2 1 1 ，s 2 嚏 图3 6t l p 5 2 1 2 外形 v c c v c e 】，37a n o d e 2 。4 ：c a t h o d e 5 ，7 ：e m i t t e r 6 。8 ：c o l l e c t o r 图3 7t l p 5 2 1 2 结构 i f li 屯8 。 、7 v c s 少 4 5 、 0 5 t o n i t o 珊 图3 8 工作时电路图 表3 1t l p 5 2 1 - 2 特性表 在连接线路时，在光耦输入端要各串联一个阻值为：r = 需笔= 3 l 。q 电阻， 输出端串联一个4 7 kq 电阻和并联一个5 v 的稳压管。两个电源通过外部的开关电源直接 供给。其电路原理图如图3 9 所示。另外，本控制器通过一个2 5 芯的d 形插头与外部进 行接口，定义如图3 1 0 所示。 1 8 3 控制器的硬件设计 孚：( 叠 ；j j l 芗 矧 】一 图3 9 输入输出电路 奎 节 图3 1 02 5 芯接口定义 ( 2 ) 驱动器与控制器，步进电机的接口 步进电机驱动器作为三大硬件组成之一，起着联系数控系统和驱动执行部件的作用， 它主要是接收控制系统的控制信号包括方向信号和脉冲信号，然后通过内部的驱动芯片， 让步进电机转动。现在市场上已有成熟的驱动板，即稳定可靠，价格也便宜。这样可以在 一定程度上降低系统成本，又缩短产品的开发周期，并有利于系统的可靠运行及维护，所 以本次设计中采用的是s h 3 f 0 7 5 型驱动器，选用了标准驱动模块后，仅需对控制器与驱 动模块间的接口和驱动模块与执行部件间的接口进行设计。其接口定义如图3 1 1 。驱动器 在使用过程中，根据所要驱动的电机的额定电流在驱动器上电流