（机械制造及其自动化专业论文）基于at89s52的实验教学型数控系统研制.pdf

基于a t 8 9 s 5 2 的实验教学型数控系统研制 摘要 随着时代的发展，数控技术获得了广泛的应用，国内许多高校都在开展或计 划开展数控技术教学。鉴于此，本文结合数控技术实际教学实验的需要，根据数 控系统的工作原理，研究开发了一套实验教学型数控系统。 文中首先总结了国内外数控技术的发展现状和趋势，确定h f u t - i 实验教学 型数控系统的研制方案。讨论了经济型数控系统工作原理和功能，在此基础上， 系统地分析了所研制数控系统的硬件设计和软件功能设计。系统硬件设计时，选 用a t 8 9 s 5 2 芯片作为控制核心。系统的软件功能设计主要包括编辑、自动加工、 模拟和参数设定等功能设计。 另外，本文就研制数控系统过程中的几个关键问题展开了深入的研究，即： 插补原理与方法、液晶显示的实现、刀补原理与实现方法和半闭环控制研究。最 后，文章展望了实验教学型数控系统发展趋势。 关键词：数控系统；实验教学；软件功能设计；插补；液晶显示 t h ed e v e l o p m e n to fe x p e r i m e n t a lt e a c h i n gn cs y s t e m b a s e do n 姐8 9 s 5 2 a b s t r a c t w i t hd e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g i e s ，n ct e c h n o l o g yh a sb e e nu s e dw i d e l y , t h e t e a c h i n go fn ct e c h n o l o g yi sp l a n e do rp r o c e s s e di nm a n y u n i v e r s i t i e sa tp r e s e n t i n v i e wo ft h i s ，t h i sp a p e rp r o p o s e dd e v e l o p i n gas e to ft e a c h i n ge x p e r i m e n t a ln u m e r i c a l c o n t r o ls y s t e mf o rs a k eo ft h er e q u i r e m e n t so fn ct e a c h i n g & e x p e r i m e n t i n go nt h e b a s i so fn ct h e o r y a tf i r s t ，t h i sp a p e rs u m m a r i z e dt h ec u r r e n ts t a t u sa n dd e v e l o p m e n tt e n d e n c yo f t h ed o m e s t i ca n df o r e i g nn ct e c h n o l o g y , d r a w nu pd e s i g np r o p o s a lo fh f u t - 1 t e a c h i n ge x p e r i m e n t a ln cs y s t e m d i s c u s s e dt h ew o r ka n df u n c t i o no f t h ee c o n o m i c a l n cs y s t e mp r i n c i p l e ，i nt h ef o u n d a t i o n ，s y s t e m a t i c a l l ya n a l y z e dt h eh a r d w a r ea n d s o f t w a r ef u n c t i o n a ld e s i g no ft h en u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e mi sd e v e l o p e d w h e nt h e s y s t e mh a r d w a r ei sd e s i g n e d c h o s et h ea t 8 9 s 5 2c h i pa st h ec o n t r o lc o r e t h es y s t e m s o f t w a r ef u n c t i o n a ld e s i g nm a i n l yi n c l u d e se d i t i o n ，a u t o m a t i cp r o c e s s i n g ，s i m u l a t i o n a n dp a r a m e t e rh y p o t h e s i s m o r e o v e r , t h i sp a p e rd i s c u s s e dt h es o l u t i o no ft h ef o u rk e yp r o b l e m si nd e t a i l n a m e l y ：t h ep r i n c i p l ea n dm e t h o do fi n t e r p o l a t i o n ，t h e r e a l i z a t i o no fl i q u i dc r y s t a l d i s p l a y , t o o lc o m p e n s a t i o na n di t sr e a l i z a t i o nm e t h o d ，s e m i - c l o s e de o n t r o lr e s e a r c h f i n a l l y , t h ep a p e rh a sf o r e c a s tt h et e n d e n c yo ft e a c h i n ge x p e r i m e n t a ln c k e yw o r d s ：n u m e r i c a lc o n t r o l l e r ；e x p e r i m e n t a lt e a c h i n g ；d e s i g n o fs o f t w a r e f u n c t i o n a l ；i n t e r p o l a t i o n ；l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y 插图清单 图2 - 1系统结构框图6 图2 - 1系统坐标示意图7 图3 - 1系统总体设计框图1 0 图3 - 2a t 8 9 s 5 2 管脚功能图1 1 图3 - 32 7 5 1 2 管脚功能图1 2 图3 - 4c p u 模块电路1 3 图3 - 56 2 6 4 管脚功能图1 3 图3 - 68 2 7 9 的管脚功能图1 5 图3 - 7 键盘电路1 6 图3 - 8s e d l 3 3 5 电路设计图1 8 图3 - 98 2 5 5 a 芯片引脚1 9 图3 - 1 08 2 5 3 接口芯片引脚2 0 图3 1 ld a c 0 8 3 2 引脚2 l 图3 1 2d a c 0 8 3 2 接口电路图2 2 图3 一1 3k v 2 0 0 0 变频器接线图2 3 图3 - 1 4 步进电机半闭环控制图2 4 图3 - 1 5 开关量输入通道结构框图2 5 图3 1 6 按键抖动信号波形2 6 图3 1 7 软件消抖实例2 6 图3 1 8 外接电源方式2 7 图3 - 1 9 霍尔开关在自动回转刀架中的应用2 7 图3 - 2 0 数控系统刀架控制信号电气原理图2 8 图3 - 2 1 光电耦合器的常见结构形式。2 9 图4 - 1 任务并行处理图3 2 图4 - 2 开机界面3 3 图4 - 3 软件主流程图3 4 图4 - 4 系统键盘面板：3 6 图4 5 编辑界面3 6 图4 - 6 编辑程序流程图3 7 图4 - 7 加工程序界面3 8 图4 - 8 加工程序流程图3 8 图4 - 9 加工程序译码与诊断流程图4 0 图4 - 1 0 增量与绝对编程流程图一4 1 图4 - 1 1 模拟程序界面4 3 图4 1 2 参数设定程序界面4 3 图4 1 3 对刀程序界面4 4 图5 1直线偏差判别原理图4 5 图5 2 逐点比较法循环图4 6 图5 3 逐点比较法插补程序流程图4 7 图5 4 圆弧偏差原理图4 8 图5 5圆弧插补流程图5 0 图5 6四个象限圆弧插补进给方向图5 0 图5 7 刀具半径补偿示意图5 l 图5 8 转接角示意图5 2 图5 9 直线圆弧转接图5 3 图5 - 1 0 刀补程序流程图5 6 图5 1 1 绘点子程序流程图5 8 图5 - 1 2 反馈补偿程序流程图6 0 表格清单 表3 1 系统键盘的键值1 7 表3 28 2 5 5 的3 个并行扩展口分配2 0 表4 1 程序的存储结构3 5 表4 2 基本辅助功能表一4 1 表5 1 不同象限的进给方向4 7 表5 2 第一象限逆圆弧插补计算公式4 9 表5 3 四个象限圆弧插补偏差计算公式和进给方向5 1 表5 4 尖角处转接分类5 2 表5 5s e d l 3 3 5 指令表5 7 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 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过的 研究成果，也不包含为获得金胆王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同t 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谢 意。 学位论文作者签名：声畴彳 签字日期：知0 7 年矽玛日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金日巴王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权盘 王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名段寿等 签字日期：丑) 0 1 年1 2 月互3 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 2 妇 汪步 支 m乏 轹 肌 签 刚 “r 7 一 师 字 导 签 致谢 似水流年，眨眼之间近两年半的硕士研究生学习生涯就要结束。在这即将离 别之际，想说一声，感谢学校，感谢大家。 首先感谢我的导师尹志强副教授对我莫大的帮助与教诲，尹老师严谨的治学 态度，以身作则的风范，献身科学的精神潜移默化地影响着我，使我深刻的认识 到科研工作的崇高与艰辛。 感谢王玉琳副教授在本次设计中的细心指导与讲解，使我遇到的许多困难都 得到了解决，使我在业务水平上、知识层次上均得到了提高。 感谢庞涛、单成伟、陈波、黄健、杨鹏宇、伍红梅、周丽娜、王希杰、崔洪 坤、余辉、王慧、赵海君等同学在平时学习生活中对我的帮助和支持。 感谢机电实验室6 0 6 的所有同学们，你们给了我很大帮助。 最后感谢妻子和家人对我默默的支持，使我能够顺利完成学业。 作者：殷春华 2 0 0 7 年1 2 月 第一章绪论 1 1 数控技术发展简史口儿埘 1 9 4 9 年，美国帕森公司在与美国空军合作研制一种用于满足同益复杂的 飞机叶片自动加工的计算装置时率先提出了机床数控的概念。1 9 5 2 年，美国 麻省理工学院( m i t ) 与帕森公司进行合作，制造出世界第一台三坐标数控铣 床。这台机床的研制成功标志着n c 技术的开创和机械制造新时代( 数控时代) 的开始。随着微电子技术和计算机技术的快速进步和发展，在短短几十年的时 间内，数控系统经历了五代发展历程。 ( 1 ) 第一代数控系统电子管数控系统。以麻省理工学院研制的基于电子管 和继电器的机床数控装置为标志。 ( 2 ) 第二代数控系统晶体管数控系统。诞生于2 0 世纪5 0 年代末，主要由 固定布线的晶体管元器件电路取代了昂贵的、易损坏及难以推广的电子 管控制电路。 ( 3 ) 第三代数控系统中、小集成电路数控系统。1 9 6 5 年以后，集成电路 开始广泛应用于数控系统中，大大缓解了分立式元器件数控系统布线复 杂、可靠性差、维修困难等问题。 ( 4 ) 第四代数控系统小型计算机数控系统。以1 9 7 0 年在美国芝加哥国际 机床展览会上首次展出的小型计算机数控系统为代表。 ( 5 ) 第五代数控系统微型计算机数控系统( m n c ) 。由于微型计算机性 价比不断提高，使其迅速渗透到各行各业，很快取代了小型计算机系统， 成为计算机数控系统的核心。目前，计算机数控系统( c n c ) 均指由一 个或多个微型计算机作为数控系统核心组件的数控系统。现代数控系统 也主要是基于微型计算机的数控系统。 1 2 数控技术在国民经济中的作用口 数控技术经过半个多世纪的发展已经成为现代制造技术的基础，它的发展 和应用标志着生产和控制领域一个崭新时代的到来，使世界制造业的格局发生 了巨大变化。数控技术的广泛应用使机械制造业的生产方式、产业结构和管理 方式发生了深刻的变化，它的关联效益、辐射能力更是难以估计。数控技术是 制造业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础，现代c a d c a m 、f m s 、c i m s 和f a ( 自动化工厂) 等都是建立在数控技术之上的。数控技术是国际商业贸易 的重要组成部分，发达国家都把数控设备视为具有高技术附加值、高利润的重 要出口产品，贸易额逐年增加。 数控技术是关系到国家战略地位和体现国家综合国力水平重要基础产业， 其水平高低是衡量一个国家制造业现代化程度的核心标志，实现加工机床及生 产过程数控化，是当今制造业的发展方向。专家们曾预言：机械制造业的竞争， 第1 页 其实质是数控技术的竞争。鉴于此，发达国家把提高数控技术水平作为提高制 造业水平的重要基础，竞相发展本国的数控产业。当前，以数控技术为主要标 志的现代制造业成了美国、日本、欧洲等工业国家竞争的焦点之一。 1 3 数控技术在国内的发展喳儿们 我国从1 9 5 8 年开始研究数控技术，一直到6 0 年代中期处于研制、开发阶 段。1 9 6 5 年，国内开始研制晶体管数控系统。6 0 年代末至7 0 年代初研制成功 x 5 3 k 1 g 数控铣床、c j k 1 8 数控系统和数控非圆齿轮插齿机。从7 0 年代开始， 数控技术在车、铣、钻、镗、磨、齿轮加工、电加工等领域全面展开，数控加 工中心在上海、北京研制成功。但由于电子元器件的质量和制造工艺水平低， 致使数控系统的可靠性、稳定性问题没有得到解决，因此未能广泛推广。7 0 年代至8 0 年代初，国内的数控技术的发展总体步入徘徊期。但在这一时期数 控线切割机床是个例外，由于其结构简单、使用方便、价格低廉，在模具加工 中得到了推广。8 0 年代我国先后从日本、美国等国家引进了部分数控装置和 伺服系统技术，并于1 9 8 1 年在我国开始批量生产。在此期间，我国在引进、 消化吸收的基础上，跟踪国外先进技术的发展，开发出了一些高档的数控系统， 如多轴联动数控系统、分辨率为0 0 2 “m 的高精度数控系统、数字仿形系统、 为柔性单元配套的数控系统等，结束了国内数控技术徘徊不前的局面。到1 9 8 5 年，中国的数控机床新品种累计达8 0 多种，包括加工中心、数控车床、数控 铣床、数控磨床等，使得数控技术的发展总体进入实用阶段。9 0 年代以后， 中国在数控技术发展上制定并贯彻了“集中优势，突破关键，以我为主，发展 产业”的方针，逐步形成了航天数控集团、华中数控和蓝天数控等生产普及型 数控系统，建成了批量生产各种数控机床的若干产业化基地。同时，国内数控 系统在技术上也趋于成熟，在高速主轴、快速进给、快速换刀、柔性制造、快 速成型等技术上都取得了突破，一些重大关键技术( 包括核心技术) 已达到国 际先进水平。这个时期，国内的数控技术获得了飞速发展，奠定了中国数控机 床产业和现代数控技术的坚实基础。 1 4 课题研究的背景及意义州1 2 1 1 4 1 背景 随着社会经济的发展，人才培养越来越重要。作为教学的一个重要环节， 实验教学同益显示出其重要地位。理论教学与实验教学不再是主从关系，而是 相对独立、相互依存、相互促进的教学体系。数控技术类课程是实践性很强的 学科，而实践性环节在培养人的科学思维、创新意识、掌握科学方法、提高实 践能力方面是课堂理论教学所无法替代的。通过实验能使学生加深理解和验证 数控技术的相关理论；通过实际操作获得实验技能，培养学生动手能力；通过 实验结果的分析提高综合分析能力，同时启发学生初步掌握科学研究的基本思 第2 页 路和基本方法。但目前大部分学校在数控技术课程教学中，设计型、综合型、 开放型和研究型的实验少，实验设备少，而且多数是验证性实验，不能达到这 些目的。 另外，我国数控技术的推广应用进入了快速发展阶段，迫切需要大量从研 究开发到使用维护的各层次技术人才。然而作为数控技术人才培养摇篮的高等 学校以及中专技校，在提供数控技术教学培训方面基本上以理论教学为主，往 往缺少实践教学及实际操作培训这一环节。形成这种局面的主要原因是商业数 控机床昂贵，操作使用和维修费用高，难于放手让同学进行自主实验，难以达 到教学实验目的。可见实验手段的不足以及缺陷显然不能满足日益发展的数控 教学和实验的需要。而自我开发的简易型数控系统成本低、维护简单，可以有 效的满足这种需求。 1 4 2 意义 笔者所在的合肥工业大学所拥有的数控教学实习和实训设备主要是一些 外购设备，以法拉克系统为主。由于知识产权限制，厂家一般不提供所售设备 的详细技术资料，因此机械专业学生在实习和实训的时候，只能利用这些机床 做一些数控加工方面操作或工艺分析。这对于机电一体化专业的学生来说是远 远不够的。鉴于这种情况，我校机电教研室决定研制一套展开式的综合型机电 一体化实验教学平台，可提供给机电、机设和机制等相关专业学生做实验用。 研制这套设备目的是让学生深入了解数控系统的电路基本组成、软件架构、以 及机械机构与电的有机组合。通过亲自操作演示、选择硬件电路的模块、编写 编译底层的应用程序等实训操作，学生会增加感性认识，更加容易掌握课本 知识，以便理论联系实际、提高创新性，同时也提高了学校的教学质量。 本课题就是在这样一个背景下产生的，针对h f u t 1 型机电一体化实验教 学平台，研制一个基于教学平台的h f u t 1 实验教学型数控系统。该系统是采 用单片机构造的数控系统，属于简易型数控系统。这类数控系统的功能虽然没 有通用型数控系统强大，加工的精度和速度更达不到高档数控系统的水平，但 具有结构简单、经济实用、性价比高、针对性强、运行费用低等优点，在传统 机床设备改造中得到广泛应用。研制的简易型数控系统公开所有的底层编码， 有利于学生更加深入了解数控系统软件的开发及其实践过程。 1 5 课题研究的主要内容 本课题主要针对h f u t 1 型机电一体化实验教学平台，研制了一个基于平 台的h f u t 1 实验教学型数控系统，系统的控制部分以a t 8 9 s 5 2 单片机为核 心。用汇编语言编写一个小型操作系统，来管理数控系统的各个功能模块，如 手动、自动、编辑和液晶显示等功能。同时操作系统也开放相应的软件开发功 能模块，让学生在切实掌握硬件电路的工作原理基础上，也能很好的锻炼软件 第3 页 编写能力。课题需要完成的主要内容如下： ( 1 ) 在选择a t 8 9 s 5 2 单片机芯片的基础上，深入了解芯片的功能和特点 以及其外围接口电路，合理规划内存资源，编写小型操作系统，用来管理系统 的液晶显示、手动操作、自动操作、文件编辑和执行程序的模拟仿真等功能模 块； ( 2 ) 实现i s o 代码合理编译，使其转化成平台数控系统可执行的文件； ( 3 ) 在平台的硬件基础上，实现基本圆弧插补功能和直线插补功能； ( 4 ) 在s e d l 3 3 5 控制器的基础上，设计出平台数控系统友好的交互式操 作界面，并实现其部分基本功能； ( 5 ) 做好适用于教学平台硬件的刀补功能和半闭环控制功能的前期理论 准备工作。 本论文就是以实验教学型数控系统的设计研发工作为背景而选题的，论文 共分六章。第一章为引言；第二章为数控系统总体方案设计；第三章为系统中 所涉及的硬件电路设计简介；第四章为数控系统软件系统设计；第五章为若干 个关键问题的解决；最后是总结和展望及参考文献。 第4 页 第二章系统总体方案设计 h f u t 一1 实验教学型数控系统的开发计划是顺应教学需求而被提出来的， 是简易型数控系统，或叫做经济型数控系统。经济型数控是相对标准型( 全功 能) 数控而言，在不同时期其含义不尽相同。其主要特点是价格便宜，精度中 等，功能针对性强。为了保持经济型数控系统的生命力，设计时常把中、高档 数控系统中的一些先进技术用到经济型数控系统中。针对国内经济型数控机床 生产的情况和数控技术这门课教学实际现状，结合我们自身技术优势和实际条 件，确定本数控系统的功能特性如下： ( 1 ) 具有较高的性价比； ( 2 ) 系统结构硬件扩展性能好，为以后产品的升级提供方便； ( 3 ) 软件结构设计合理，突出模块化设计，易于修改、扩充； ( 4 ) 硬件功能模块划分得当，便于判断故障和维修； ( 5 ) 尽量给学生提供操作上的方便性，例如设置机床硬原点等； ( 6 ) 可靠性高，保护功能好； ( 7 )可开环，也可以增加测量模块及器件( 如感应编码器等) 构成半闭 环控制； ( 8 ) 编程代码和坐标系定义等符合通用的国际标准； ( 9 ) 具有自诊断功能； ( 1 0 ) 在不增加硬成本的前提下，可以利用网络做一些有意义的、意在 提高设备利用率和使用质量的管理及统计工作。 2 1总体方案 2 1 1 设计参数 系统设计具体要求如下： 脉冲当量y 方向( 纵向) 0 0 0 5 m m 脉冲 x 方向( 横向) 0 0 0 5 m m 脉冲 快进速度纵向4000mmmin 横向4000mmmin 机床定位精度 士0 015 m m 插补方式直线、圆弧 半闭环控制 有 通信功能u s b 接口 预留 显示功能l c d有 第5 页 其他要求： ( 1 ) 系统显示界面尽可能以形象和直观的方式给予显示，以便于操作者观 察和使用。 ( 2 ) 由于实际条件的限制，系统的操作面板借用科林数控的车床操作面板， 也就是系统的执行结构x y y 作台的y 轴用z 表示，这只是名称上改换，实质上一 样的。 2 1 2 系统组成 u s b 键盘 主轴电机 z 向电机 x 向电机 图2 一l 系统结构框图 如图2 1 所示，本系统主要由控制板、液晶显示、驱动模块和键盘输入等模块 组成，上位机( p c 机) 和控制板之间通信通过u s b 接口来完成。 ( 1 ) 控制板模块：以a t 8 9 s 5 2 单片机为核心，扩展6 2 6 4 幂n 2 7 5 1 2 为数据和程 序存储器，扩展可编程外围并行接h 8 2 5 5 及可编程定时计数器 8 2 5 3 ； ( 2 ) 键盘输入模块：选用8 2 7 9 芯片，扩展一定的辅助电路形成具有输入和 显示功能控制面板； ( 3 ) 驱动模块：以l 2 9 7 为核心的双极性桥式电路，控制两相制步进电机； ( 4 ) 液晶显示模块：选用s e d l 3 3 5 液晶显示控制器，它在同类产品中是功 能最强的：具有功能较强的i o 缓冲器；指令功能丰富；四位数据并行 发送，最大驱动能力为6 4 0 x 2 5 6 点阵。 2 2 系统的坐标系 数控开机时，必须先确定机床参考点，亦就是确定刀具与机床零点的相对位 置。参考点确定以后，刀具移动就有根据。否则，不仅编程无基准，还会发生碰 撞等事故。h f u t l 实验教学型系统的坐标系由机床坐标系和编程坐标系组成。 第6 页 z o 图2 - 2 系统坐标示意图 数控系统机床坐标系符合i s o 国际标准，按右手定则，以主轴轴心为z 轴，以 增大工件与刀具之间的距离的运动方向为正方向；y 轴垂直于立柱，以增大与立 柱的距离的运动方向为正向。再根据右手定则，就可以确定x 轴的方向，如图2 2 所示，坐标系x o y o z o 为机床坐标系，仇是机床零点，它是机床出厂前由机床生 产厂家设定的，通过回零就可以建立机床坐标系。在本系统中，x y 零点是通过 两个方向上的霍尔元件确定的。 编程坐标系是编制零件加工程序时用来指定刀尖位置所用的坐标系。它是固 定在工件上的，由编程人员根据零件图纸和工艺要求选取，一般的选择原则是使 编程原点与零件的设计基准或定位基准重合。 当零件在机床上定位装夹好之后，编程坐标系在机床上的位置就被确定下 来，加工零件时，刀具( 实际是刀尖) 就按加工程序的规定在编程坐标系中运动。 如图2 2 所示，坐标系x 】，z - 为编程坐标系，d l 为工件零点。在系统仿真和实时 加工时液晶显示屏上显示的坐标值均是指在编程坐标中的值。编程坐标称为工件 坐标系，当在机床上对完刀后，编程坐标系便和工件坐标系统一了。编程坐标系 原点也称为工件零点。 2 3 系统的功能分析 系统的功能分析是指满足用户操作和机床控制要求的方法、手段。h f u t 一1 实 验教学型数控系统的功能包括基本功能和选择功能。基本功能是指数控系统必备 的功能，如实现两轴联动，加工出各种合格的轮廓。选择功能是指用户根据实际 要求选择的功能，如联网功能，在单机加工时此功能并不需要。 主要功能有： ( 1 ) 控制功能 第7 页 控制功能是指数控系统能控制的轴数和能联动的轴数。x y i 作台一般需要 两轴联动，用来加工圆弧和斜线轮廓。 ( 2 ) 准备功能 g 代码准备功能代码也叫g 代码，是用来指定数控装置在程序段内准备某种加 工方式而设定的代码，为数控系统的插补运算做好准备。目前i s o 标准的g 代码己 经定义了1 0 0 个，从g 0 0 g 9 9 ，由字母g 后跟2 位数字组成。这些准备功能包括：插 补方式、平面选择、刀具补偿或刀具偏置、坐标偏移、主轴迸给、循环代码等。 这些代码按照它们在程序段内有效的范围又分为模态指令代码和非模态指令代 码。模态指令代码是指该代码功能不只在它出现的程序段中有效，只要后面程序 中不出现相同性质的代码或者该功能被取消，该代码一直有效。而非模态指令代 码只在本程序段内有效，下一程序段若要使该代码继续有效，那么就要重新在该 程序段内写出该代码。 ( 3 ) 插补功能 插补功能是指数控系统实现零件轮廓加工轨迹运算的功能。由于考虑经济型 数控系统的实际需要，h f u t 1 实验教学型数控系统只提供基本的直线和圆弧插补 功能。 ( 4 ) 进给速度控制功能 该功能主要完成对机床进给速度的控制。最大进给速度可以在系统参数中设 定，加工时的进给速度由f 功能给出。根据数控系统不同，f 功能的表示方法也不 同。这里用f 后跟三位数字( ) 表示。进给功能的单位一般为m m m i n ，当进给速 度和主轴有关时( 如车削螺纹) ，单位为m m r 。 ( 5 ) 主轴功能 数控系统的主轴功能主要有主轴正传、主轴反转、主轴点动。h f u t 1 实验 教学型数控系统通过变频器对机床主轴电机实现实时调整。 ( 6 ) 辅助功能 辅助功能也n q m 功能，它是用来控制机床开关量的代码，指令机床的辅助动 作及状态的功能。如，冷却液的通断、主轴正反转、工件的夹紧与松开，程序的 结束等。根据机床类型和设计的要求，在规定的m 代码中选择一部分本系统所需 的辅助功能代码，作为线路设计和程序编制的依据。该指令格式是由字母m 和其 后的两位数字组成，从m o o m 9 9 共1 0 0 种，来指定机床加工操作时的工艺性指令。 常用的m 指令有： 1 ) m 0 2 一程序全部结束、主轴停转、进给停止、冷却液停、机床复位。 2 ) m 0 3 ，m 0 4 ，m 0 5 一分别为主轴顺时针旋转、逆时针旋转和主轴停止。 3 ) m 0 8 、m 0 9 _ 分别为冷却液泵的开和关。 ( 7 ) 人机对话功能 本系统使用l c d 液晶显示，采用键盘、菜单、软件功能键和按钮进行综合 第8 页 操作，从而使操作变得直观、方便。系统菜单是按功能进行分类、组织的，菜单 分为若干层，每层菜单之中再列出子菜单。开机时，系统显示主菜单，包括“加工”、 “编辑”、“对刀”、“模拟”和“参数设置”等五大功能。 ( 8 ) 通讯功能 通讯功能指系统与外界进行信息和数据交换的功能。系统主要采用u s b 接口 和上位机实现通讯。 第9 页 第三章系统硬件电路设计 系统硬件电路设计的主要内容包括c p u 的选型、i 0 1 ：3 以及存储器的扩展电路、 键盘显示电路、a d 转换电路、开关量的输入输出电路、步进电机驱动电路、反 馈电路以及抗干扰电路等设计，本章就这些内容展开研究、讨论。图3 1 为数控系 统总体设计框图。 - _ j - n7 4 1 s 1 3 8 ：选择接口芯片 1 译码器 r _ - r _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一 x 轴 0 # d 接口电路i 一光栅信号f 步进电机2 7 c 5 1 2 卜，1 l 计8 2 毅5 器3 1 # 广叫 y 轴 2 掌 瞻口电路匕_ j 光栅信号f 步进电机 i l l - 一 c p u 刀架l k a t 8 9 s 5 2 卅皇垫垫l p b 1 哳丽】网 1一 8 2 5 5 光电 卅曳动也i 单片机 并行口 j r 可i 一 b m f 5 0 8 4 0hl c b 控制器y l p j 隔离 y i ：= = l 从 1 放大 叫急停与限位 r 叫 、一开关星输入 p c l 一 卜一位信号i ；、厂 p c 机 k d a c 0 8 3 2交流 ：揍蓼靳 广卅堡旦卜卅皇! 堕垫卜叫 】d a 转换 变频器 图3 1 系统总体设计框图 从图中可以看出，系统选用a t m e l 公司生产的8 位单片机a t 8 9 s 5 2 作 为控制核心。考虑到数控系统程序代码存储量比较大，扩展了一片e p r o m 芯 片2 7 5 1 2 用做程序存储器；a t 8 9 s 5 2 芯片内只有2 5 6 k b 的数据存储器( r a m ) ， 而一般数控系统需要存储的数据较多，必须外接数据存储器芯片进行适当扩 展，故扩展一片s r a m 芯片6 2 6 4 数据存储器，用来存放用户程序；键盘输入 电路采用一片8 2 7 9 芯片来管理；扩展一片8 2 5 5 可编程接口芯片作为并行i o 口，步进电机、切削液泵电机、和转位刀架电动机等控制信号都经8 2 5 5 输出， 一些进出的信号均做了隔离放大处理；使用k v 2 0 0 0 交流变频器可以使主轴 电机在一定范围内实现无级调速；系统采用l c d 显示，l c d 的控制器选用 s e d l 3 3 5 芯片；系统与外界的通信方式有两种，一种是u s b 接口方式，另一 种是r s 2 3 2 接口方式。 系统硬件结构确定之后，如何实现系统硬件具体结构，如何实现各种功能 模块电路，成为硬件设计的核心内容。实现同样的功能，采用不同的电路和模 式，其效果并不是完全相同。以下对本平台中的各个单元模块予以介绍。 第l o 页 3 1c p u 及存储器的扩展设计 3 1 1c p u 的选择 a t 8 9 s 5 2 是一种低功耗、高性能c m o s 的8 位微控制器，具有8 k 在系统可编 程f l a s h 存储器。使用a t m e l 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业8 0 c 5 1 产品指令和引脚完全兼容，这大大方便了熟悉 p n l p m c s 5 1 用户编程。片上f l a s h 允许程序存储器在厂叮 系统可编程，亦适于常规编程器。a t 8 9 s 5 2 具有 ( t 罢；：- 0 是c2 13 4 9 0b s l v p o c c o ( a d 0 ) 以下标准功能：8 k 字节f l a s h ，2 5 6 z j 布r a m ，3 2 ；篙誉：3 3 7 8b 3p p 0 0 2 1 ( ( a a d d 2 i ； 位i o 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个 ( m o s i ；毪昌：；5 6 b 3p o p 0 4 3 ( ( a a d d 4 3 ； 1 6 位定时器计数器，一个6 向量2 级中断结构，( m i s o ) p i 6 73 4 扫p 0 5 ( a d 5 ) 全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外， 5 c 目p 磁i t 7 窭詈3 3 3 2 b jp 0 p 0 6 7 ( ( a a d d 6 7 ) ) a t 8 9 s 5 2 可降至o h z 静态逻辑操作，支持2 种软 黑吕) ) p 3 p 3 0 l c l i f l ) 冕昌显像 件，可选择节电模式。岳磊鬻雪霉1 。2 3 ；8 9b 3 ；品。5 ) 图3 2 为a t 8 9 s 5 2 的管脚功能图。各管脚功能 f t 0 ) p 3 4 璺1 42 7 皂p 2 6 ( a 1 4 ) 如下：( 一w r ) p 3 6 连1 6 2 5 3 p 2 4 ( a 1 2 ( t 1 ) p 3 5 1 5 2 6p 2 5 ( a 1 3 ) ) 翻臼 g n d 、v c c ：分别为地和电源引脚； 黧：耋鬈1 1 8 7 2 2 3 4b 3 p 2 p 2 2 3 ( ( a a l i o i ； p o o - p o 7 ：p oe i 是一个8 位漏极开路的双向 x 1 揣誉：2 2 2 1 】3p 2 p 2 0 1 ( ( a a 8 9 ) ) i oe ! 。作为输出i s l ，每位能驱动8 个t t l 逻辑电l 一 平。对p 0 端口写“1 ”时，引脚用作高阻抗输入。 图3 2a t 8 9 s 5 2 管脚功能图 当访问外部程序和数据存储器时，p oi s l 也被作为低 8 位地址数据复用。在这种模式下，p 0 具有内部上拉电阻。在f l a s h 编程时，p 0 口 也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上 拉电阻。 p 1 0 p 1 7 ：p 1 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向i o 口，p l 口输出缓冲器 能驱动4 个t t l 逻辑电平。对p 1 端口写“1 ”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可 以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因， 将输出电流( i i l ) 。此外，p 1 0 和p 1 2 分别作定时器计数器2 的外部计数输入 ( p 1 0 t 2 ) 和定时器计数器2 的触发输入( p 1 1 t 2 e x ) 。在f l a s h 编程和校验时， p 1 口接收低8 位地址字节。 p 2 0 p 2 7 ：p 2 口是带内部上拉的双向i o n ，向p 2 口写入“1 ”时，p 2 口被内部 上拉为高电平，可用作输入e l 。当作为输入脚时被外部拉低的p 2 口会因为内部上 拉而输出电流。在访问外部存储器和数据存储器时分别作为地址高字节和1 6 位地 址，此时通过内部强上拉传送“1 ”。当使用8 位寻址方式访问外部数据存储器时， p 2 口发送p 2 特殊寄存器内容。 p 3 0 p 3 7 ：p 3 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向i o 口，p 3 输出缓冲器能 驱动4 个t t l 逻辑电平。对p 3 端口写“1 ”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以 第1 1 页 作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将 输出电流( i l l ) 。在f l a s h 编程和校验时，p 3 口也接收一些控制信号。 p 3 口亦作为a t 8 9 s 5 2 特殊功能( 第二功能) 使用，如下所述： r x d 、t x d 为串行输入数出口；i n t 0 、i n t l 为外部中断0 和外部中断1 ；t o 、 t 1 为定时器0 和定时器1 的外部输入；w r 、r d 为外部存储器的读、写信号； r s t 复位，该管脚出现2 个机器周期的高电平即可复位；a l e - 地址锁存使能； p s e n ：程序存储使能；e a p p ：外部寻址使能编程电压，在访问整个外部程 序存储器时e a 必须外部置低。若为高，将执行内部程序除非程序计数器包含大 于片内f l a s h 的地址。x t a l l 、x t a l 2 ：前者位反相振荡放大器输入和内部时 钟发生电路输入；后者位反相振荡放大器输出。 3 1 2 程序存储器扩展 在机电控制系统中，目前用来扩展程序存储 一一 器的主要是e p r o m 芯片。它有两种，一种是采 ：；目：、一一：2 ，8 目： 用紫外线擦除的e p r o m ，另一种是采用电擦除 i - - 1 3 2 6i - 1 t d t 3 的e e p r o m ，两种芯片的引脚相同。为了匹配现 ：目：目： 有固化工具及系统程序容量，这里选用w i n b o n d “r - - i6 2 3i - - - 1h j l 公司的e p r o m ，2 7 5 1 2 芯片，其管脚功能图如舶刍2 7 5 1 22 2 巳。唧 图3 3 所示。其中，a i 是地址线；o i 是数据线；nr - - 1 92 0b c e c e 是片选线，低电平有效；o e 是数据输出选通柚q ”p 们 线，也是低有效；v p p 是编程电源；v c c 是工作o ld 1 2l ，b 0 5 电源。 o z 叫- a- 一 o 2 7 5 1 2 共有6 4 k b ，1 6 条地址线，其中的a 8 啪 t = _ 二u a 1 i 分别接到a t 8 9 s ，5 2 。堂p 2 o p 2 。j j 而低8 图3 32 7 5 1 2 管脚功能图 位的a 0 一- - a 7 不能直接连到a t 8 9 s 5 2 的p 0 口， 必须经过地址锁存器7 4 l s 3 7 3 ，a t 8 9 s 5 2 的地址锁存允许信号a l e 接至 7 4 l s 3 7 3 的l e 端，用以传递锁存命令。a l e 信号的下降沿把p 0 口输出的低8 位a 7 - - 一a 0 锁入7 4 l s 3 7 3 中。2 7 5 1 2 的输出允许信号o e 是接地的，始终有效， 故锁存器与其输出q o , - 一q 7 是直通的，没有缓存。a t 8 9 s 5 2 的p s e n 接2 7 5 1 2 的输出允许端o e ，用以传递片外程序存储器的读选通信号。c p u 模块电路图 如图3 4 所示。 a t 8 9 s 5 2 的内部已有8 k b 的程序存储空间，如果不需要这一空间，可将 其e a 引脚接地；如果需要使用这部分空间，e a 引脚必须接高电平，且片外 扩展的e p r o m 地址应从2 0 0 0 h 开始。 第1 2 页 图3 4c p u 模块电路 藩建 州恼蔓j i i 盏琵i i 吲至| 要i 卷 图3 4 中7 4 l s 3 7 3 及7 4 l s l 3 8 是常用的数据锁存和地址译码芯片。7 4 l s 3 7 3 是一个带三态门的8 d 锁存器。当外设准备好数据后，发出一个控制信号加到 7 4 l s 3 7 3 的触发端，就能使输入数据在7 4 l s 3 7 3 中锁存。 7 4 l s l 3 8 是一个广泛应用的地址译码器，3 位输入a 、b 、c 对应8 位反向 输出y 0 y 7 ，8 选1 ，即y 0 - - y 7 有一个输出为低电平有效，作片选。 3 1 3 数据存储器扩展 在机电一体化设备的专用控制系统中，数据存储 器通常选用静态r a m ( s r a m ) 。因为在使用s r a m 时，无需