（机械制造及其自动化专业论文）基于双单片机冲床数控系统的研究与开发.pdf

佳木斯大学硕士学位论文 摘要 通过对国内外数控系统现状及发展趋势的研究与分析，根据冲床的功能要求及技术 指标，研发了一套基于双单片机的冲床数控系统。 本冲床数控系统采用双单片机主从式前后台控制结构，主单片机系统完成数控系统 的管理和数据处理等非实时性后台任务，从单片机系统完成插补计算和位置控制等实时 性较强的前台任务，主从单片机系统间通过共享存储器传送数据。 基于前后台控制结构的设计思想，根据主从单片机系统完成的不同功能，对主从单 片机系统进行了硬件接口设计。根据数控系统前后台式软件结构，采用模块化编程思 想，对主从单片机系统进行任务分工，分别编写了各功能模块软件。本系统软件在实验 室调试完成，运行效果良好。 基于中断判优解决主从单片机系统对共享存储器争用的思想，完成了对硬件接口电 路、软件及通信协议的设计。另外对用单片机控制交流伺服电机的控制方法进行了分 析，实现了交流伺服电机加减速控制。 针对数控系统中图文显示的技术问题，采用单片机与点阵式液晶显示器构建硬件接 口电路，开发了软件程序，提出了程序设计中动态图形显示问题的种解决方案，最终 使数控系统显示部分具有最佳实时性、灵活性。 本数控系统基本满足实际加工需求，可用于装配新机床及对低档数控机床进行升级 改造，具有一定的研究开发和应用价值。 关键词：双单片机系统、冲床数控系统、交流伺服系统、实时显示 佳木斯大学硕士学位论文 r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to f p u n c hn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e mb a s e do nd u a lm c u i nt h i sp a p e r , a c c o r d i i l gt oa n a l y s i so nt h ep r e s e n ta n dd e v e l o p m e n to f c o m p u t e rn u m e r i c a l c o n w a l ( c n c ) s y s t e m , t h ec n cs y s t e mo f p u n c hb a s e do nd u a lm c ui sr e s e a r c h e da n dd e s i g n e d i nt e r m so f f u n c t i o nr e q u i r e m e n t sa n dt e c h n i c a li n d e x e s o f p u n c h t h es y s t e ma d o p t sp r i n c i p a l - s u b o r d i n a t i o n , f l o n t - b a c kt a b l ec o n t r o lf r a m e w o r kb a s e do n t h ed u a lm c u t h ep r i n c i p a ls i n g l e c h i pc o m p u t e rs y s t e mp e r f o r m sn o n - r e a l - t i m eb a c kt a s k s i n c l u d i n gm a n a g e m e n ta n dd a mh a n d l i n g t h es u b o r d i n a t i o ns i n g l e c h i pc o m p u t e rs y s t e m p e r f o r m sr e a l - t i m ef r o n tt a s k si n c l u d i n gi n - o u t ( v o ) s u p e r v i s i t i o n m ci n t a r p o l a t i o nc a l c u l a t i o n a n dt h ep o s i t i o nc o n t r 0 1 t h ed a t a sa r et r a n s f e r e db ys h a r e ds t o r a g ew i t hp r i n c i p a ls y s t e ma n d s u b o r d i n a t i o ns y s t e m b a s e do nt h ed e s i g ni d e ao ff r o n t - b a c kt a b l ec o n t r o lc o n s m 】c t i o n , t h eh a r d w a r ei n t e r f a c e c i r c u i t so fp r i n c i p a la n ds u b o r d i n a t i o ns y s t e ma r cd e s i g n e da c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n tf u n c t i o n w h i c he a c hs y s t e mf u l f i l l s t h es y s t e mt a s k s 黜d i s t r i b u t e da n da l lp r o g r a m sm o d u l e s 眦 d e s i g n e d , r e s p e c t i v e l y , a c c o r d i n gt ot h es o f t w a r ec o n s t r l l g u mo ff i d n t - b a e kt a b l eo fc h i c s y s t e ma n dt h ei d e ao fm o d u l a r i z a t i o n t h ee m u l a t i o nd e b u g g i n gi sf i n i s h e di nt h el a b t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h es y s t e mi sa l lr i g h t b a s e do nt h ei d e at h a tc o n t e n t i o nf o rs h a r em e m o r i z ew i t he a c hs y s t e mi ss o l v e db y i n t e r r u p t i o n , h a r d w a r e ，s o f t w a r ea n dt h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o l sa d e s i g n e d t h ec o n t r o l m e t h o da b o u ta cs e r v o m o t o rc o n t r o l l e db ys i n g l e c h i pi sr e s e a r c h e d , w h i c hr e a l i z e dt h e a c c e l e r a t i o na n dd e c e l e r a t i o nc o n t r 0 1 a i m i n ga tt e c h n i c a lp r o b l e mo ft h e & s p l a yo fg r a p ha n dt e x ti nc n cs y s t e m , t h i sp a p e r i n t r o d u c e si n t e r f a c ec i r c u i tb e b v e e n s i n g l e c h i pa n dl a t t i c el c dm o d u l ea n de x p l o r e sp r o g r a mi n c n c s y s t e m t h i sp a p e ra l s og i v e sa s o l u t i o no f d y n a m i cd i s p l a y f i n a l l y ，t h eb e s tr e a l - t i m ea n d f l e x i b i l i t yo f t h ed i s p l a ys y s t e mi so b t a i n e d t h ec n cs y s t e mb a s i c a l l ys a t i s f i e st h em a c h i n i n gr e x l 蛐t , a n dc a nb ea s s e m b l e dn e w p u n c hm a c h i n et o o l0 1 u p g r a d e dl o wq u a l i t yp u n c hm a c h i n e s ot h es y s t e mh a sg r e a t l yr e s e a r c h a n da p p h c a f i o nv a l u e k e yw o r d s ：d u a lm c us y s t e m ，c n c ，p u n c h , a cs e r v os y s t e m , r e a l - t i m ed i s p l a y 2 - 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 佳木斯大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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做了明确的说明并表示 了谢意。 签名：龟l 鱼叁日期：垄翌笸垒兰 关于论文使用授权的说明 本人完全了解佳木斯大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布 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论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：到鱼垒导师签名：幽魄盘丝主 ，pfl-、 佳木斯大学硕士学位论文 引言 数控机床作为一种高精度的自动化机床，综合应用了电子，计算机，自动控制和机 床制造领域的先进技术，在我国工业生产中起着极其重要的作用。它很好的解决了现代 机械生产中加工工件精度要求高、结构复杂、品种多批量小的问题，而且加工质量稳 定，生产效率大幅提高。综合我国国情，价格昂贵的中、高精度的全功能数控机床难以 被广大生产企业所接受，因此价格相对低廉的经济型数控系统得到了广泛的应用。但 是，随着加工要求的提高，经济型数控系统已不能很好的满足需要。因此开发具有部分 高档功能的具有自主知识产权的数控系统具有很大的意义。 目前国内中小企业多采用经济型数控冲床系统，其加工速度慢、编程复杂、人机界 面不友好，因此生产效率低、工人劳动强度大。因此研制和开发一套基于双单片机的冲 床数控系统，用于装配新冲床或对经济型数控冲床进行改造，能够有效的改善人机界 面、提高加工速度、方便操作人员编写用户加工程序，对提高企业生产效率、改善工人 的工作环境有很大的实际意义。 佳木斯大学硕士学位论文 i 绪论 数控机床具有的高效而可靠的生产效率、优异而稳定的精度、灵捷而多样的功能， 充分显示出它是改造传统产业、构建先进的数字化企业的重要基础制造设备，因此数控 技术已经成为先进制造技术中的一项核心技术。随着市场经济的不断发展，特别是随着 我国加入w t o ，提高产品质量和效率成为企业生存的关键，而我国存在大量普通机床和 低档数控机床，利用先进的数控技术对其进行改造或配套新的配件，可以有效地提高机 床的性能、生产效率以及旧设备的利用率，是推广机电一体化的可行性方案。 1 1 我国机床装备业的发展现状和趋势 机床工业是关系到国计民生的基础工业，它肩负着为国民经济各部门和国防军工提 供装备的重任。近年来，作为机床业主流产品和高新技术的重要载体，国产数控机床的 生产更是发展迅猛。这为生产关键配套产品的数控功能部件产业提供了巨大的市场需 求。日益激烈的市场竞争，使数控功能部件产业面临如何打造精品、提高配套水平、以 及更好的为主机发展服务的问题。这已成为人们广泛关注的焦点”1 。 从主要工艺上说，目前机床的功能部件的瓶颈主要集中在数控操作系统及其改造集 成、刀量具系统生产、数控测量精确度几个方面。如今，数控机床制造技术正在向高 速、复合、智能、环保的方向发展。主机水平的不断提高，要求配套的功能部件也必须 迅速提高自身的水平。功能部件技术水平的高低、性能的优劣。直接决定和影响着数控 机床整机的技术水平和性能。功能部件的成本高低、交货期的长短也影响着整机的价格 和交货期。很显然，功能部件产业的发展以及整体社会配套水平都极大的影响着国产数 控机床的发展。没有高质量的功能部件，发展数控机床也将成为一句空话酬。 目前国产功能部件虽已占有一定的市场份额，但主机采用境外品牌产品配套的，仍 占有相当大的比例，在高档数控机床中更为突出。江苏亚威机床有限公司制造的h i q 系 列高速智能化数控转塔冲床，已达国内领先水平。采用日本n i s s h i n b o 最新冲床技术， 日本n i s s h i n b o 和亚威机床合作，主要部件( 数控系统、液压系统、转盘部件等) 均由 日清纺公司提供”“。 数控机床功能部件的价格已占整机价格的主要部分( 据估算已占整机成本的7 0 0 , 6 左 右) 。由于国内功能部件产品档次不高，造价相对不低；采用进口功能部件的价格昂 贵，则使整机价格攀升，国产数控机床的价格优势也将丧失殆尽，同等水平的数控机 床，其价格与一些国家的产品趋于持平。目前，国产数控机床大量选购境外的功能部 件，一方面是由于国内还没有形成社会配套的能力，产品质量和水平上存在着一定的差 距；另一方面是机床生产商应用户要求，而选用指定公司的功能部件。发展我国数控机 2 佳木斯大学硕士学位论文 床功能部件，改变我国功能部件的落后面貌。为我国高档数控机床装上“中国芯”和 “中国手脚”，是我国机床装备业努力发展的方向“卅。 1 2 国内外数控冲床发展现状及趋势 数控冲床是高精度板金冲压设备，其发展的方向以提高生产率为首要目标，同时还 需要不断增加功能，扩大工艺范围，提高自动化程度，改善人机界面等。当今国外发达 国家冲床的生产和使用已非常普遍，相关配套技术也比较成熟和完善，著名的数控冲床 生产厂如日本的a m a d a ，意大利的r u r 叫a c ，德国的t r u m p f 等。国内相对国外起步较 晚，但近些年发展较快，目前国内生产数控冲床的著名厂家有江苏亚威和金方圆、济南 捷迈、天津埃佛因等，生产的高档数控冲床大多都是采用国外引进的数控系统和主传动 液压系统，如德国s i e m e n $ 8 4 0 d 的c n c 系统，b o s h 液压系统等。 对数控冲床高速，高效、高精度的追求，使数控系统技术性能得至0 不断提高。数控 系统绝大部分都采用工业p c 机，使其运行处理速度大幅度提高，内存容量加大，人机 界面更加友好，充分提高系统的可靠性、易操作性和通用性，便于向智能化数控系统发 展。意大利e u r i m c 公司生产的各种类型液压数控冲床，能够完成冲切、步冲、雕刻、 压花等功能；采用全新杰出的智能化液压系统，冲头只根据所需的冲切压力来决定其完 成冲压所需要的液压油的流量和压力；可以高精细地调整冲头冲压的速度以及冲压行程 的上下死点位置，步冲模式可达7 5 0 次分钟嘲。 伴随着数控技术及各种相关技术的支撵与发展，面向当今制造业柔性制造与敏捷制 造的发展趋势，数控冲床也向着具有多功能复合加工功能的方向发展( 除冲孔、起伏成 型外，在数控冲床上已实现任意滚剪、滚筋、大范围拉深等新工艺) ；加工速度和可靠 性不断提高：开发远程诊断技术和建立冲压过程的柔性制造系统陆”。 1 3 双c p u 主从式系统的应用 进入9 0 年代以来，计算机技术和信息技术的飞速发展，促使了数控技术发生重大 变革。当前市场中高档数控系统基本上都是以p c 机( 工控机) 为硬件平台，以 w i n d o w s 系统为软件平台，采用运动控制板或单片机来实现对伺服电机的驱动控制。使 用这种方式的数控系统充分利用p c 机丰富的软硬件资源，使其具有加工精度高、速度 快，人机界面非常友好、故障自诊断和自排出功能、自动编程和图形扫描编程等优点 【l i 】。 尽管这种高档数控系统的功能十分强大、性能非常优良。但是其价格相对昂贵，对 于实力不是很雄厚的中小企业来说很难承受。因此价格相对低廉的经济型数控机床受到 广大生产企业的青睐。但是低档的经济型数控系统往往存在控制精度低、速度慢、通用 3 佳木斯大学硕士学位论文 性差、实现的功能单一不利于用户进行功能扩展等缺点。然而此类机床仍在国内机床中 占有相当大的份额。所以对此类机床进行升级改造，进一步提高单片机系统的控制精度 与人机交互性，使之达到或部分达到中高档p c 机数控系统的性能这不仅符合我国国 情，而且能产生良好的经济效益和社会效益峨”。 由于单片机技术的发展，功能扩展已经基本能够满足我们的所需要的功能要求，而 且由于其性价比极高。这些都为研制和开发双c p u 主从式数控系统提供了有利条件。目 前已经取得了一些实质性的进展。秦皇岛市戴卡轮毂有限公司李金玲等以8 0 c 1 9 6 双单 片机为控制核心，对电加工机床进行改造，使机床具有参数成组自动选择、加工状态实 时监测处理等功能u ”。 由于我国机床业水平相对落后，伴随着单片机技术的不断发展，双单片机数控系统 在今后相当长的一段时期内仍将占有广阔的市场。 1 4 实时显示的现状和发展趋势 在实际生产加工过程中，机床的操作人员总是希望能够实时地了解机床的工作状态 以及工件的加工情况，以便及时的发现在加工中出现的问题，能够及时的修改加工指令 或停车，避免事故的发生。 坐标值显示方法只能显示刀具的位置，不能实时的显示工件的加工情况和刀具的运 行轨迹等。随着加工复杂性的增加，这种只对坐标的显示法越来越不能满足人们的需 要。由于计算机软硬件资源的日益丰富，人们对c n c 系统的人机界面的友好性也提出了 更高的要求，如：要求具有真实感的动态二维平面甚至三维立体图形显示。 由于p c 机拥有丰富的软硬件资源，近年来数控系统的开发人员都以w l l l d o w s 系统 为平台，利用v i s u a lc + + 编辑人机界面，运用a u t o c a d 、p r o e 、u g 、o p e n g l 等绘图软 件绘制3 0 动画图形。长安大学信息工程学院张卫钢和陈文斌通过数据更新算法，实现 了数据到曲线的数据结构转化；采用“间隔刷新”方法，使得在高速通信条件下曲线的 动态显示成为可能；采用“双重缓存”技术消除了屏幕闪烁，从而实现了在v c + + 下数 据曲线的动态显示并应用于实际工程中“2 廿1 。 另外由于单片机技术的发展，由高性能单片机对数据进行处理并实时显示成为可 能。合肥工业大学王玉琳基于d s 8 0 c 3 2 0 单片机，采用数据总线结构，扩展1 2 8 k b 数据 存储器，设置大屏幕l c d 中文显示屏。具有图形动态仿真功能，显示界面直观，操作方 便，并可实现与普通p c 机的通讯“。 目前的实时显示，甚至加工仿真中，多采用基于产品数据表达与交换的c a d 技术， 即对加工工件及刀具纯几何的描述，而且对于加工状态的显示与仿真多是在理想的加工 状态，根本没有将一些物理因素反映出来，如加工中由切削液的化学反应、摩擦热导致 4 - i 佳木斯大学硕士学位论文 的工件变形等，这与实际的切削加工仍有较大的差距。这将是今后数控系统实时显示和 加工仿真迫切需要解决的问题“”。 1 5 复合图形宏指令的应用 未来的数控系统将是具有一定智能化的系统，智能化的内容包括在系统的各个方 面：为追求加工效率和加工质量的智能化，如加工过程的自适应控制，工艺参数的自动 生成，简化编程、简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程，智能化的人机界面 等；还包括故障自诊断、远程诊断等队删。 由于数控系统智能化的技术水平逐步提高，数控系统的编程简单化和智能化越来越 明显，对数控机床的操作者所要求的素质水平也越来越低。在车削加工中，有时多次走 刀的轨迹都可用某一固定图形作适当的比例缩放得到。我们可以预先编写能够生成此轨 迹的数控子程序，存在系统当中，当需要刀具走出此轨迹时，只要调出子程序并修改某 些参数，便能方便快捷的编写完此段程序。北京机床研究所推出的b e i j i n g - f a n u c s e r i e so i 数控系统有多种加工固定循环，这些循环是为加工中心和车床设计的。复合 加工循环可用简单指令生成一系列的切削路径。如果定义了工件的最终轮廓，可以自动 生成多次粗车的刀具路径，简化了车床编程。 但是对于数控冲床来说，在加工大方孔、大圆槽、大圆孔、阵歹孔等形状时，不能 用刀具库的刀具一次加工出来，须用同一把刀按一定的轨迹加工出来，而且加工轨迹是 可以按照一定的方式计算出来的，在使用时调出数控子程序并根据实际情况适当的改变 参数即可。广西大学的廖小平、王烈等人正在开发具有复合图形加工功能的转塔式数控 冲床系统，此系统利用工控机强大的硬件资源，以w i n d 咖s 系统为软件平台，运用 v i s u a lc + + 语言制作人机界面，面向对象技术开发的。他们已经建立了复合图形的数控 加工库，可与a u t o c a d 、p r o t e l 、c a x a 等图形文件进行数据交换，而且能够实现经过加 工路线自动排序，干涉检验、加工模拟等功能“”。 1 6 选题的意义和目的 针对国内外数控机床现状及发展趋势，特别是对国内机床现状的研究与分析，采用 基于单片机控制的中档数控系统装配普通机床以及对低档数控机床进行升级改造，在今 后一段时期内仍将占有一定的优势，并为国内中小企业机床的完全数控化搭建了缓冲平 台。 在机械加工中，基于单片单片机的经济性数控系统往往具有功能单一、人机界面不 友好，加工速度慢等缺点。因此基于双单片机研制和开发一套具有交流伺服电机驱动、 复合加工指令、动态图形液晶显示等功能的冲床数控系统，相对于经济型数控系统，加 一5 佳木斯大学硕士学位论文 工性能得到改善，人机界面友好，既能满足国内中小企业对中档数控系统的需要，又可 实现低成本自动化。 1 7 本文主要研究的技术指标 通过对国内外数控冲床使用及产品现状的分析与研究，本文设计的冲床数控系统的 技术指标为： 1 ) 系统主要功能：自动加工、手动操作、用户加工程序编辑管理、参数设置 2 ) 控制轴数：x 、y 两轴联动 3 ) 全中文菜单、动态图形显示及标准键盘输入 4 ) 脉冲当量：0 o l m m 5 ) 最大用户程序行：5 0 行 6 ) 用户程序存储空间：8 k 7 ) 加工零件范围；x 轴2 0 0 0 m m ，y 轴1 0 0 0 m m 8 ) 快速进给速度：3 0 m m i n 9 ) 最高冲压次数：3 0 0 次分 1 8 本文主要研究的内容 1 ) 在全面了解国内外数控机床的发展现状和发展趋势的基础上，分析目前国内机 床数控装备业的特点、存在的问题以及发展趋势，确定冲床数控系统的功能、特点及各 种技术指标，研发出具有自主知识产权的数控冲床系统。 2 ) 分析国内数控系统特点和结合其它冲床数控系统开发技术，确定数控系统的总 体结构，并进行合理分配任务，然后分别进行数控系统的软、硬件设计。 3 ) 根据要达到的功能和技术指标，合理进行硬件的配置、扩展输入输出接口设 计；然后结合硬件电路，在确定软件结构基础上，完成程序设计和软件编程并通过系统 仿真调试。 6 佳木斯大学硕士学位论文 2 冲床数控系统总体设计 在进行冲床数控系统的研究设计时，吸取了国内外高档数控系功能低档化应用的成 功经验，适当地运用了中高档数控系统设计的思想，系统采用通用的单片机系列为c p u ， 以研制通用型数控系统为目标。 2 1 数控冲床系统的组成 数控冲床是利用计算机对压力机进行数字控制的机床，它主要由数控装置、伺服系 统和冲床本体组成，属于点位控制机床。工作过程是通过键盘把加工程序输入给数控装 置，经过数据处理后把控制信息送给伺服系统，然后完成冲头和工作台之间相互协调的 循环运动。数控冲床系统主要由数控装置、伺服系统和冲床本体组成，数控冲床系统结 构如图2 1 所示【19 2 0 l 。 臣习一 i 堕堡垫垒l 7 臣习冷 l 面板输入l 一 ” 图一 双 鱼 片 及 数 控 系 统 图2 1数控冲床组成框图 机床 本体 部分 机床 进给 台 冲头 部分 2 2 冲床数控系统的总体设计 数控系统是数控机床的核心，能够完成用户加工程序的输入存储处理功能、字符及 图形显示、自诊断、数据运算、插补计算以及位置控制等功能。其中数控机床对实时性 要求较高的功能有数据运算、插补计算、位置控制。 2 2 1 冲床数控系统硬件结构设计 现代数控机床都采用计算机数控装置，它包括微型计算机的电路、各种接口电路、 显示器、键盘等硬件以及相关软件。c n c 系统硬件结构一般分为单微处理器和多微处理 器两大类。单微处理器结构的。屺系统内只有一个微处理器，对存储插补运算、输出输 7 0 0 0 团 佳木斯大学硕士学位论文 入控制以及显示等功能都有它集中控制分时处理。微处理器通过总线与存储器、输入输 出控制等各种接口相连。 由于单微处理器只有一个微处理器集中控制，其功能受到微处理器字长、数据宽度、 寻址能力和运算速度等因素限制。而且插补等功能由软件来实现，所以数控功能的扩展 和提高与处理速度成为一对突出的矛盾，因此许多数控系统采用多微处理器结构。 多微处理器的数控装置多采用总线互连的方式，典型的结构有共享总线型、共享存 储器型以及它们的混合结构。共享总线型结构在某一时刻只能有一个主模块占有总线， 所以需要预先安排好各模块的优先级顺序。共享总线结构方案的优点是系统配置灵活、 结构简单容易实现、造价低，但是由于“总线竞争”，信息传输效率低，总线一旦出现 故障，会影响整个系统工作，而共享存储器结构很好的解决了这个问题。使用共享存储 区通信，各c p u 之间每次可以以字节的方式并行交换一个数据块，对于每侧c p u 都有 独立的通道，可以实现真正的同时访问【4 7 啊。 考虑到数控系统功能分配的合理性和多微处理器工作的协调性，本系统选用两片单 片机组成主从分布数控系统，通过双口r a m 完成主从系统间的通讯。主c p u 系统由主 单片机、液晶显示器、键盘输入装置、数据存储器等构成；从c p u 系统由从单片机、输 入输出接口、数据存储器等构成。主c p u 系统完成非实时性工作，从系统完成实时性控 制工作，这可减轻主c p u 系统的工作负担，实现合理的工作结构，保证数控系统多任务 的完成。硬件设计如图2 2 所示。 主c p u 网网 幽臣幽 铺图 l a c p u i 图2 2 基于双单片机的冲床数控系统硬件结构图 镄 2 2 2 冲床数控系统软件结构设计 数控系统是一个专用的实时多任务的系统，通常作为一个独立的过程控制单元用于 工业自动化生产中。根据数控系统能够实现的功能，可将软件分为数控代码编辑模块、 8 佳木斯大学硕士学位论文 液晶显示模块、系统参数设置模块、自动运行模块、手动运行模块、机床回参考点模块。 数控系统软件结构框图如图2 3 所示。 用 l 数控代码 ， 户 r 编辑模块 编 液晶显示模块 辑 r 界 系统参数 面 r 设置模块 自动 用 运行 户 r 模块 操 手动 纵一 r 运行模块 界 面 机床回 r 参考点模块 - 机床参数设置 - 工件参数设置 - 软件插补 - 速度控制 ，冲头运动控制 卜辅助工能控制 - 点动控制 - 冲头运动控制 夹钳闭合控制 - x 轴回参考点 - y 轴回参考点 图2 3 冲床数控系统软件结构图 在单c p u 数控系统中，常采用前后台型的软件结构和中断型的软件结构，特别是在 经济型数控系统中，多采用前后台型的软件结构，即整个软件程序分为前台程序和后台 程序两部分。前台程序是一个中断服务程序，完成全部的实时功能：而后台程序是一个 不断循环的程序，完成管理任务和插补准备。在后台程序的运行中，实时中断程序不断 插入，与后台程序相配合，共同完成零件的加工任务。 在多c p u 数控系统中，可以将每个c p u 作为一个功能单元利用相同的思想构成相 应的软件结构类型，各c p u 分别承担一定的任务，彼此之间通过共享总线和共享存储器 进行协调和通讯，具有很高的并行处理功能【4 7 蛔。 基于以上的分析，在双单片机控制的冲床数控系统中，主c p u 完成系统的管理和数 据处理等非实时性任务，从c p u 完成插补和位置控制等实时性任务，这相当于在单c p u 系统中的后台程序所完成的任务由主c p u 来单独完成。双c p u 之间的数据通过共享存 储器的传送。其中主c p u 负责液晶显示器的刷新显示，用户加工程序编辑与数据处理； 从c p u 负责插补计算、位置控制、输入输出端口状态扫描等，这样主c p u 的显示刷新 速率、译码、传送数据都会明显提高，而从c p u 完成插补计算和位置输出控制的速度 也会提高，使整个数控系统的性能比单c p u 系统大大改善。双单片冲床数控系统软件结 构如图2 4 所示。 9 佳木斯大学硕士学位论文 图2 4 基于双单片机的冲床数控系统软件结构图 2 3 单片机开发系统简介 单片机的功能虽然很强，但它只是一个芯片，没有任何系统开发软件，如编辑、汇 编、调试程序等，所以必须借助仿真开发工具来编制、开发应用软件，以及对硬件电路 进行诊断、调试。 本设计采用伟福e 6 0 0 0 仿真开发系统，采用p o d h s x s x 仿针头。软件编程语言一般 有机器语言、汇编语言和高级语言三种编程方式，本系统的软件程序全部采用m c s 5 1 汇编语言编写。汇编语言是常用的编程语言，它执行速度快，可以对硬件直接控制，使 用灵活，程序容易优化，但编程过程比较复杂，效率低，代码的可移植性差。 2 a 本章小结 本章介绍了数控冲床系统的组成，并基于双单片机主从式前后台数控系统设计思想， 对主从单片机系统完成任务进行了分工，对数控系统的软硬件进行了总体设计。最后介 绍了单片机系统软件的开发系统环境。 1 0 佳木斯大学硕士学位论文 3 进给伺服系统设计 数控机床的伺服系统是连接数控系统( c n c ) 和数控机床主体的关键部分，其性能直 接关系到数控机床执行件的静态和动态特性、工作精度、负载能力、响应快慢及负载能 力。 3 1 传动系统总体分析 用于数控机床的伺服机构有开环、半闭环、闭环和混合伺服几种方式。开环系统是 由步进电机作为驱动部件，多用在经济型数控系统或老设备的数控改造；混合伺服方式 只有在大型机床中使用。采用全闭环的方式的数控系统，其设计和调整技术难度较大， 只有在大型、精密数控机床中采用。在半闭环方式中，机床定位精度很大程度取决于滚 珠丝杠的精度，通过选用高精度的滚珠丝杠，辅以螺距误差补偿等措施，半闭环完全可 以满足普通精度级机床的定位精度的要求。由于冲床对加工精度相对来说要求不高，所 以本系统选用半闭环的伺服结构酬。 3 2 滚珠丝杠副的选择 在数控机床的进给传动系统中，由于滚珠丝杠副具有摩擦阻力小、传动效率高 ( 9 2 9 6 9 8 9 6 ) 的传动定位准确等优点，经常采用滚珠丝杠作为传动元件，尤其是将旋 转运动变为直线运动的各种机构中。本系统在设计时，根据冲床的移动速度、连接方 式，以及工作台和工件的总重量，根据文献 2 1 中相关公式，初步选定南京工艺装备厂 生产的l r - c f 3 2 3 2 1 5 型滚珠丝杠，其导程为3 2 r a m ，公称直径为3 2 r a m ，精度等级为5 级。根据文献 2 1 中相关公式，经过丝杠的稳定性校核与临界转速校核，选用的丝杠满 足要求嘲。l r - c f 3 2 3 2 - 1 5 型滚珠丝杠参数如表3 1 。 表3 1l r - c f 3 2 3 2 - 1 5 型滚珠丝杠参数表 规格型号公称公称丝杠钢球 丝杠 循环动载荷静载荷 直径 导程外径直径底径圈数 c l l 斟c j 斟 l r - c f 3 2 3 2 - 1 53 23 23 0 84 7 6 32 7 11 51 0 42 4 1 数控机床的进给系统要求获得较高的传动刚度，除了加强滚珠丝杠螺母本身的刚度 外，滚珠丝杠的正确安装及其支承的结构刚度也是不可忽略的因素。滚珠丝杠安装不正 确以及支承刚度不足，会使丝杠的使用寿命大大下降，所以要采用合适的支承方式。根 据滚珠丝杠副的工作情况及轴向固定方式，丝杠支承常以止推轴承和向心轴承的组合， 支承方式有以下四种：双推一自由式、双推简支式、单推单推式和双推双推式。由 佳术斯大学硕士学位论文 于双推简支方式的双推端可以拉伸安装、预紧力小、轴承使用寿命较高，适用于中速 精度较高的传动系统，所以我们采用双推简支式滚珠丝杠支承【2 1 删。 3 3 进给伺服电动机的选择 进给伺服电机是否选择得当，直接关系到整个伺服系统机电参数与系统的性能是否 匹配。通常调速电机主要是步进电机、直流伺服电机和交流伺服电机。交流伺服电机以 其使用不受环境限制、经济可靠及动态响应性能好等优点越来越广泛的应用于数控机床 的进给系统中。本系统在设计时，根据文献 2 1 中相关公式，经过负载转矩计算，负载 惯量匹配计算选定三菱h c - _ s f s l 0 2 型交流伺服电机，配备m r _ j 2 s 一1 0 0 a 伺服放大 器 2 05 1 1 0 三菱h c - s f s l 0 2 型交流伺服电机性能参数如表所示。 表3 2三菱h c - - - - s f s l 0 2 型交流伺服电机性能参数 i 额定输出容量额定转距最大转矩额定转速最大转速惯性矩 l 10 k w 4 7 8 n m1 4 4 n m2 0 0 0 r m i n 3 0 0 0r r a i n 1 3 7 x 1 0 4 k g m 2 3 a 交流伺服电机的单片机控制 数控系统对进给伺服系统的控制包括对进给台的位置控制和速度控制，是c n c 系 统开发的关键技术之一。在数控系统中，交流伺服电机的作用是把控制电压信号或相位 信号变换成机械位移，也就是把接收到的电信号变换为电机的一定转速或角位移，因此 可以用单片机实现对电机的数字控制嘲。 3 4 1 单片机控制交流伺服电机的接口设计 本系统选用三菱h c _ 一s f s l 0 2 型交流伺服电机，通过对其配套的m r - _ j 2 s l 伽a 伺服放大器的控制实现对伺服电机的控制。对交流伺服电机的控制方式主要有三种： 位置控制方式、速度控制方式和转矩控制方式。位置控制方式是伺服电机驱动器接受脉 冲来控制伺服电机的转动，与控制系统的接线简单。另外冲床是点位控制系统，对位置 精度要求较高，因此本系统选用位置控制方式实现对交流伺服电机的控制。从c p u 系 统对伺服电机控制的核心部件是a t 8 9 c 5 2 单片机芯片，配备相应的外围电路来实现的 控制。从c p u 系统与x 轴伺服电机驱动器接口电路如图3 1 所示。由于单片机属于 r r l 电路，它的i o 输出的开关量信号电平无法直接驱动电机，因此必须要采用光电耦 合器隔离。 在位置控制方式下，从单片机通过o u t 8 2 5 5 的p a l 口输出的高低电平来控制x 轴伺服电机的正反转，o u t 8 2 5 5 的p a 0 口输出的高速脉冲数目控制x 轴伺服电机的转 - 1 2 佳木斯大学硕十学 寺论文 动位移，输出的脉冲频率控制电机的转速。进给台的位詈精度由交流伺服电机内置的 1 7 位绝对式光电编码器来控制。 豳3 1 从c p u 系统与x 轴伺服电机接口电路图 另外伺服驱动器有一系列的参数，通过对这些参数的设置和调整，可以改变伺服系 统的功能和性能。伺服驱动器的参数设胃完毕后，关闭电源，重新通电后伺服电机即可 按照设定的参数工作。 3 4 2 交流伺服电机控制方式分析 在数控系统中控制饲服电机的软件主要完成零点定位、伺服电机的匀速运行以及加 减速控制等功能，它包括中断服务程序和伺服电机不同运行速度的予程序。 由于采用位詈控制方式，伺服电机的转速由输入伺服驱动器的脉冲频率决定。数控 系统对伺服电机的速度控制方式有程序延时法和中断法。程序延时法是通过改变延时子 程序的循环次数柬改变进给速度，其缺点是要根据不同的运行速度计算延时次数，延时 的时间难以控制。中断法是每隔规定的时日j 向c p u 发中断，在非中断时间内不占用 c p u 的运行时间，c p u 系统可以处理其他事件。唯有到了中断时日j ，驱动伺服电机转 动一步。因此定时器计数器装入的时间常数的确定是变成的关键。下面重点讨论时间 常数的计算幽制。 伺服进给系统的脉冲当量6 = o o l m m ，滚珠丝杠的螺距p h = 3 2 m m ，伺服电机转一 1 ， 周所需的脉冲数为吾蠢2 3 2 0 0 。 假定工作台的迸给速度为v m m i n ，则伺服电机的转速n = “ 工作台进给速度为v l n m i i l 时，单片机发脉冲的周期r = 夏：美面= 丽6 0 p h 1 3 佳木斯大学硕士学位论文 本系统由a t 8 9 c 5 2 单片机的定时中断t 0 和定时中断t 1 分别控制发脉冲的频率， 这样就控制了x 、y 轴的位置和速度。定时器t o 和定时中断t 1 采用方式l 工作，设 装入定时器的初始值为x ，单片机的晶振频率为2 4 m h ，每个机器周期包括1 2 个振荡 周期，所以机器周期乃2 云妄裔5 0 5 。1 0 6 = o 5 拶 定时时间t7 = ( 2 1 6 一幻l o - 6 定时器的时间与单片机发脉冲的周期相等，即t = t ( 2 1 6 一工1 0 5 l o 一：旦生 3 2 0 0 v 则装入定时器的初值 x-216一黑x106=216-1232000r ( 1 )矿5矿、叫 系统的控制软件用汇编语言编写程序，单片机接收到式( 1 ) 中的速度输入值v 之 后，调用十进值转换二进值的子程序，将式中的v 转换成2 进制数，在通过除法子程 序和减法子程序得到式中的时间常数x 。本文设计了1 0 种档位的进给速度，通过操纵 面板的速度修调键选择相应的进给速度，与其对应的定时器装载值如表3 3 。 表3 3进给速度与定时器装载值对应表 l 速度( m ，m m ) 3691 21 51 82 l2 42 73 0 l 电机转速( r m i n ) 9 3 7 51 8 7 52 8 1 2 53 7 54 6 8 7 55 6 2 56 2 6 2 57 5 08 4 3 7 59 3 7 5 定时器初值 f 1 1 7 ff f 3 8n af f 9 bf l ? a ff f b 3f f c 6f f c d皿3 册8 3 4 3 交流伺服电机加减速控制 加减速控制是数控系统插补器的重要组成部分，是数控系统开发的关键技术之 一。数控加工的目标是实现高精度高效率的加工，因此一方面要求数控机床反应快，各 坐标运动部件能在极短的时间内达到给定的速度，又能在高速运行中快速准确地停止在 预定位置，缩短准备时间；另一方面要求加工过程运动平稳，冲击小。因此，如何保证 在机床运动平稳的前提下，实现以过渡过程时间最短为目标的最优加减速控制规律，使 机床具有满足高速加工要求的加减速特性，是研究中的一个关键问题。 3 4 3 1 伺服电机加减速控制方式分析 在数控装置中，为了保证机床在启动或停止时不产生冲击、失步、超程或振荡，必 须对电机的脉冲频率或电压进行加减速控制，即在机床加速启动时，保证加在伺服电机 - 1 4 佳木斯大学硕士学位论文 上的脉冲频率或电压逐渐增加；而当机床减速停止时，保证加在伺服电机上的脉冲频率 或电压逐渐减小。根据加减速控制在控制系统中的位置，加减速有前加减速和后加减速 之分。 前加减速的控制对象是指令进给速度，它是在插补前计算出进给速度，根据进给 速度进行插补，得到各坐标轴的进给量，然后转换为进给脉冲或电压驱动电机。这种方 法能够得到准确的加工轮廓曲线，但需要预测减速点，运算量较大。能够处理连续小直 线加工、小曲率半径圆弧加工等复杂问题。需要速度过渡平稳，运动精度高。 后加减速的控制算法放在插补器之后，它的控制量是各动轴的速度分量。它不需要 预测减速点，而是在插补输出为零时开始减速，并通过一定的时间延迟逐渐靠近程序段 的终点。这种方法的缺点是：由于它是对各运动轴分别进行控制，所以在加减速控制 后，实际的各坐标轴的合成位移不准确，引起轮廓误差，并且当轮廓中存在急剧变化 时，后加减速无法预见，从而会产生过冲。实现的功能简单，运动精度低。 3 4 3 2 伺服电机加减速控制算法分析 、 在数控系统中，为了保证机床在起动或停止时不产生冲击、失步、超程或振荡，必 须设计专门的加、减速控制规律，使加给电动机的输入脉冲频率或电压按照这个规律变 化，从而使机床在各种加工作业的情况下都能快速准确地停留在给定的位置上，这种控 制称为加减速控制。加减速控制是数控系统插补器的重要组成部分，是开放式数控系统 开发的关键技术之一。 常用的加减速控制算法有直线型加减速控制算法、指数型加减速控制算法、s 型曲 线加减速算法、三角函数加减速、直线加抛物线加减速算法等。 l 、 直线型加减速控制算法 f f o a b cd 图3 2 直线加减速曲线运动描述图 直线型加减速运动如图3 2 所示 1 5 佳木斯大学硕士学位论文 加速阶段：冬l - - f , , - k a t 运速阶段：冬l = 减速阶段：冬i 气- a t 这种算法的优点是算法简