（计算机应用技术专业论文）六坐标数控钻孔机控制系统的研究与实现.pdf

湖北工业大学硕士学位论文 摘 要 本课题是我校与武汉齐盛机械柯j ；5 1 公司合作项目，山于目j f 市场上大多是二 坐标、三坐标等低端产品，在制刷工业，上广：t 1 受到诸多限制，本文六坐标数控钻 孔机j 下弥补了其不足，刈数控技术n 勺发展提供了新思路。 本文首先对数控技术的概念、特点、l ：作原理以及发眨状况作了回颁和总结， 并重点讲述了各种数控技术的， 作原理。 随后，通过分析六坐标数控锚孔机在 i ；i | 科领域的需求和数控钻孔机的发展现 状，比较六坐标数控钻孑l 机技术的优劣，捉出了六坐标数控钻孔机方案构想，并 对系统原理进行了详匀l j 的分析，丫l ：此丛础 ：完成了系统的软硬件的设计，并对软 硬件设计的实现进行了详细的讲述。本系统主要工作原理是以一主控单片机 w 7 8 e 5 8 控制六个从漕片机a t 8 9 c 5 1 从而控制六坐标轴的启动停止以及位置检测， 电机速度和工作台位科反馈信号j j 亘过三菱公司的伺服f u 机驱动面板完成，山伺服 电机驱动面板内嵌的d s p l u 蹄刈各 l f f i 号进行检测和处理。实际电路r ”包含m c s 一5 l 单片机接口技术也路、c i ) j a j 。：f 也路、c 儿1 ) i 币弼 也蹿、l 二扰检测与排除等也路和 c a d 软件设计部分，实验也证i p j 了j 几亍r 怫i 实川价位。本系统除了要求扎实的机 械设计知识，还涉及到单片机接【1 j 支术、应川i u 予技术和i b 力r 乜予技术等业知 识，经过一年多的努力j 得以实现，并推向市场。山于其价格低廉、操作简单、 精度高、效率高等优点，所以受到广大客户好评。 关键词：数控机床六坐标 单片机 湖北工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i sp r o j e c ti st h ec o l l a b o r a t i v ep r o j e c tb e t w e e no u rs c h o o la n dw u h a nq i s h e n g m e c h a n i c a lc o ，l t d o nt h ec u r r e n tm a r k e tm o s t l ys u c hp r o d u c t so fl o we n da st w o c o o r d i n a t e s ，t h r e ec o o r d i n a t e s ，e t c r e c e i v e dag r e a td e a lo fr e s t r i c t i o na m o n gt h em a k e - w o o l e nf i e l d t h ep a p e ra b o u tt h es i xc o o r d i n a t e sn u m e r i c a lc o n t r o ld r i l l i n gm a c h i n e s o l v e si ta n do f f e r st h en e wt h i n k i n gt ot h ed e v e l o p m e n to fn u m e r i c a lc o n t r o l t e c h n o l o g y t h ep a p e rr e v i e wa n ds u m m a r i z e st h ec o n c e p t ，s t r u c t u r ea n dh i s t o r yo nn u m e r i c a l c o n t r o lt e c h n o l o g y , a n de s p e c i a l l yg e n e r a l i z et h ec h a r a c t e r i s t i c so fd i f f e r e n tn u m e r i c a l c o n t r 0 1 l a t h e sa tf i r s t a f t e r w a r d s ，t h ep a p e ra n a l y z e dt h ed e m a n da n dt h ed e v e l o p m e n ts t a t u so ft h es i x c o o r d i n a t e sn u m e r i c a lc o n t r o ld r i l l i n gm a c h i n e ，a n dc o m p a r e dt ot h ea d v a n t a g eo r d i s a d v a n t a g eo fi t ，a n df o r w a r d e dan e wm e t h o d ，a n da n a l y z e dt h et h e o r e mo fs y s t e mi n d e t a i l ，c o m p l e t e dt h es o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g no ft h es y s t e m ，a n di np a r t i c u l a rt o l d t h es y s t e mt h e o r e m t h ew o r kp ii n c i p l eo ft h es y s t e mi sam i c r o p r o c e s s o rw 7 8 e 5 9 c o n t r o l ss i xa t 8 9 c 51 ，w h i c hc o n t l 。o ls i xa r r i v a lo fc o o r d i n a t ea x i ss t a r t ，o rs t o pa n d p o s i t i o nm e a s u r e t h em o t o rd r i v e rf i n i s ht h es i g n a lo fm o t o rs p e e da n dt h ef e e d b a c k s i g n a lo ft h ew o r kt e r r a c ew e r ec h e c k e da n dp e r f o r m e db yt h em o t o rd r i v e r , w h i c hw e r e m a d eb yt h ef i r mm i t s u b i s h ii nj a p a n e s e ，a n dt h ed s pc i r c u i te m b e d d e di ni t c h e c k e da n dc o n t r o l l e d t h es y s t e mc i r c n i tw a sm a d eu pt h ec i r c u i to ft h e m i c r o p r o c e s s o rm c s 51 i n t e r f a c et e c h n o l o g y , t h ec i r c u i to fl c d d i s p l a y , t h ec i r c u i to f j 湖北工业大学硕士学位论文 c p l dd e c i p h e r ，t h ec i r c u i to fd i s t u r b a n c ec h e c k e da n de l i m i n a t e d ，a n dt h es o f t w a r e d e s i g nc a d ，t h ee x p e r i m e n th a sp r o v e di t sf e a s i b i l i t ya n dp r a c t i c a lv a l u et o o t h i s s y s t e mi n v o l v e ss u c hp r o f e s s i o n , dk n o w l e d g ea si n t e r f a c et e c h n o l o g yo ft h eo n e c h i p m i c r o p r o c e s s o r , a p p l i c a t i o ne l e c t r i ct e c h n o l o g y , e l e c t r i ca n de l e c t r o n i ct e c h n o l o g y , e t c b e s i d e sr e q u i r i n gs t u r d ym e c h a n i c a ld e s i g nk n o w l e d g e ，c a nj u s tb er e a l i z e dt h r o u g ht h e e f f o r t so fm o r et h a no n ey e a li n t r o d u c et ot h em a r k e t b e c a u s ei t si sc h e a p ，t h es i m p l e o p e r a t i n g ，t h eh i g he f f i c i e n c y ，t h eh i g hp r e c i s i o n ，w e l lr e c e i v e db yt h em a s s e so f c u s t o m e r s k e y w o r d s ：n u m e r i c a lc o m m ld r i l l i n gm a c h i n e ，s i xc o o r d i n a t e s ，m i c r o p r o c e s s o r 湖北工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 数控技术的基础概念与特点 1 1 1 数控技术的基本概念 数控技术就是以数字量编程实现控制机械或其他设备自动工作的技术，如 果一种设备的控制过程是以数字形式来描述的，其工作过程是可编程序的并能 在程序控制下自动地进行，那么这种设备就称为数控设备。数控机床、数控火焰 切割机、数控绘图机、数控冲剪机、数控肋骨冷弯机等都是属于这个范围的自 动化设备。图1 是数控设备“1 的一般工作原理图 赫，苏l 一数控程序l 一数控设备控制) 要求l 一数控程序l 一数控设备 图l数控设备的工作原理图 工作( 加 工、控 制) 结果 操作者根据数控工作要求编制数控程序，并将数控程序记录在控制介质上 ( 常用的控制介质有纸带、磁带和磁盘) 。数控程序经数控设备的输入接口输入 数控设备，控制系统按程序控制设备完成工作任务。数控机床是典型的数控设 备，它的产生和发展是数控技术产生和发展的重要标志。 湖北工业大学硕士学位论文 1 1 2 数控技术的特点 社会经济与科学技术的发展与竞争，使机械产品日趋精密、复杂而且产 品的生命期缩短，改型频繁。这不仅对机床设备提出精度与效率的要求，也提 出了通用性与灵活性的要求。特别是航空、造船、武器、模具生产等工业部门， 所加工的零件具有精度高，形状复杂，经常变动的特点。使用普通机床去加工 这类零件，不仅劳动强度大、生产效率低，而且还难以保证精度，有些零件甚 至无法加工。 仿型机床借助靠模能加工出比较复杂的零件有一定的灵活性，使小批量、 复杂零件的自动化加工得到了部分的解决。程序控制机床不使用靠模，用事先 调整好尺寸的挡板或凸轮柬控制刀具对工件的相对运动，由行程开关发出信号 以控制机床按预定顺序动作切割。在程序控制机床中使用的信号均属模拟量信 号，如电压、电流等。这种机床对形状不太复杂的零件进行加工，有一定通用 性；但精度较差，加工准备时间长，使用不方便。专用自动化单机、组合机床， 以及由它们组合的加工自动线，可以得到高的加工效率，适用于大批量的零件 加工。但是，对约占机械加工总量8 0 的单件及小批量零件的加工，不宜使用 这类不易变更的“刚性”自动化设备。 数控机床把加工的要求、步骤与零件尺寸用代码和数字表示为数控程序， 通过信息载体将数控程序输入数控装胃。经过数控装簧种的电脑处理与计算， 发出各种控制信号，控制机床的动作，按程序加工出图纸上要求的尺寸和形状 的零件。在数控机床中使用的是可编程的数字量信号，当被加工零件改变时， 只要编写“描写”改零件加工的程序即可。 数控机床较好地解决了复杂、精度、多变的零件加工问题，是一种灵活的、 高效的自动化机床。它是机床控制技术的一个重要发展方向。随着电子、自动 化、计算机、精密机械、测量及人工智能技术的发展，数控机床也在迅速发展 和演变，以适应社会生产的需要。 湖北工业大学硕士学位论文 数控机床以其精度高、效率高、能适应小批量复杂零件的加工等特点，在 机械加工中得到闩益广泛的应用。概括起来，采用数控机床有以下几个方面的 优点。 1 )高加工精度 数控机床有较高的加工精度，而且数控机床的加工精度不受零件形状复杂 程度的影响。这对于一些用普通机床难以保证精度甚至无法加工的复杂零件来 说是非常重要的。另外，用数控机床加工，消除了操作者的人为误差，提高了 同批零件加工的一致性，使产品质量稳定。 2 ) 提高生产效率 使用数控机床加工，因对央具的要求降低，又免去了划线工作，使加工准 备工作时间缩短了。因为有高的精度，可以简化检验工作，在加工过程中省去 了对工件多次测量，节省检验时自j 。在加工零件改变时用改换程序的方法可 节省准备与调整时间。这些都有效的提高了生产效率。如果使用能自动换刀的 数控加工中心机床，则可进行多道工序的连续加工，避免了多次定位误差缩 短了半成品的周转时间，生产效率的提高更为显著。 3 ) 减轻了劳动强度，改善了劳动条件 数控机床在输入程序并启动后，就自动地连续加工，直至工件加工完毕， 自动停车。这样简化了工人的操作，也使操作时的紧张程度大为减轻。 4 )有利于生产管理 用数控机床力n - y - ，能准确的计划零件的加工工时，简化了检验工作，减轻 了夹具、半成品的管理工作，减少了因误操作而出废品及损坏刀具的可能性。 这些都有利于管理水平的提高。当然，要相应地增加程序的准备与管理工作。 湖北工业大学硕士学位论文 5 ) 有利于向高级计算机控制与管理方面发展 数控机床使用数字量信号与标准代码输入，最宜于与数字计算机网连接。 所以它是将来计算机控制与管理系统的基础。 数控机床毕竟是一种高度自动化的机床，技术复杂、成本较高。从使用时 的经济效果出发，在我国目前阶段。仍然多用于精度高、形状复杂的中小批量 零件加工、发达国家目前拥有的数控机床占拥有机床台数的1 0 一2 0 。数控 机床在汽车制造业中已广泛使用。随着数控技术的普及和电子器件成本的降低， 特别时计算机数控系统与微型计算机的迅速发展，数控机床正在不断地扩展它 的适用范围。 1 2 数控机床的工作原理与数控系统的分类 1 2 1 数控机床的工作原理 加 工 图 纸 数控机床的工作原理“3 如图2 所示 编制 数控 程序 输 入 装 置 数 控 装 置 伺服驱动 位置检测 辅助控制 图2数控机床的工作原理图 机床 主运动 进给运动 辅助动作 数控机床加工零件时，首先，应根据零件图纸编制零件的数控加工程序， 将数控程序输入到数控装置，再由数控装置控制机床主运动的变速、启停，进 给运动的方向、速度和位移大小，以及其他诸如刀具的选择与交换、工件的加 加 工 零 件 湖北工业大学硕士学位论文 紧与松开和冷却与润滑的启停等辅助动作，使刀具与工件及其他辅助装置严格 地按照数控程序规定的顺序、路线和参数进行工作。从而加工出形状、尺寸与 精度符合要求的零件。 1 2 2 编制数控程序 首先在对加工零件进行充分的工艺分析的基础上，确定零件的编程坐标 系，计算零件的几何元素的坐标参数，如：孔的中心坐标，直线的两端点坐标， 圆弧的中心坐标和两端点坐标。然后确定：零件加工的工艺路线或加工顺序： 主运动的启、停、方向、变速：进给运动的速度大小；选择刀具等工艺参数。 以及冷却液丌、关等辅助装霄的动作。得到零件的加工的所有运动、尺寸、工 艺参数等加工信息后，按标准格式用文字、数字和符号编制零件加工的数控程 序单。编程的工作，可由人工进行，或出自动编程计算机系统来完成。比较先 进的数控机床，可以在它的数控装置上直接编程。 编好的数控程序，存放在便于保存和输入到数控装置的一种存储载体上， 它可以是打印纸、穿孔纸带、磁带、磁盘等。采用哪一种存储载体，取决于数 控机床的输入装置类型和企业管理要求。 1 ) 输入装置 编制好的程序载体上的数控程序代码，经输入装黉传送并存入数控装置 内。输入装置可以是光电阅读机、磁带机、软盘驱动器或是数控装置上的键盘。 有些数控装置，可与计算机用通汛方式直接传送数控程序。 2 ) 数控装置 数控装置是数控机床的控制单元。它由专用或通用计算机作为核心，输入装 置接收的数控程序，经数控装置系统软件和逻辑电路进行编译、运算和处理后， 输出控制信号控制机床的各个部分，进行规定的、有序的动作、具体过程为： 湖北工业大学硕士学位论文 _ _ - - _ _ _ - _ - _ _ _ _ - _ - _ - _ _ - - - - _ _ _ - - - _ - _ _ _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ i _ _ - _ _ _ 一 数控装置根据程序的坐标代码，作插补运算并输出插补控制信号，插补控制信 号控制伺服驱动系统驱动执行部件作迸给运动，从而确定了机床的迸给运动的 方向、速度、位移量。数控装黄根据辅助机能代码输出辅助机能控制信号驱动 强电控制设备，控制主运动部件的变速、换向和启停，控制刀具的选择和交换， 控制冷却、润滑的启停，控制工件和机床部件的松丌和央紧，控制分度工作台 的转位等辅助机能。 3 ) 伺服驱动、位置检测、辅助机能控制设备 伺服驱动系统接收数控装置发来的速度和位移信号，控制伺服电机的运动速 度、方向。伺服驱动系统一般由伺服电路和伺服电机组成，并与机床上的机械 传动部件组成数控机床的进给系统。对机床的每个作伺服进给运动的轴，都配 有一套伺服驱动系统。伺服驱动系统有丌环和闭环之分。 位簧检测装黄与伺服系统配套组成闭环伺服驱动系统，它测量执行部件的实 际进给位置，并把这一信息送给伺服系统与指令位置进行比较，将其误差转换、 放大后控制执行部件的进给运动。 辅助机能控制装置是介于数控装置和机床的机械、液压部件之间的强电控制 装置，其主要作用是接收数控装置输出的主运动变速、刀具的选择与变换、辅 助装置的动作等信号，经必要的逻辑判断、功率放大后直接驱动相应的电器、 液压、气动和机械部件，完成指令所规定的动作。此外，还有机床的某些状态 经它送给数控装置进行处理。 4 ) 机床的机械部件 数控机床的机械部件“”包括：主运动部件( 如：主轴组件、变速箱等) 、进 给运动执行部件( 如：工作台、拖板、丝杠、导轨及其传动部件) 和支承部件 ( 如：床身、立柱等) ，此外，还有冷却、润滑、转位和兴紧等辅助装置。对于 能同时进行多道工序加工的加工中心类数控机床，还有存放刀具的刀库、交换 刀具的机械手等部件。数控机床机械部件的组成与普通机床相似，但其传动结 湖北工业大学硕士学位论文 构要求更为简单，在精度、刚度、抗振性及其动态特性等方面要求更高而且 对其传动和变速系统要求实现自动控制。 1 2 3 数控系统的分类 数控技术首先在机床行业获得广泛的应用。现在已有数控车床、数控铣床、 数控磨床、数控加工中心、数控钻孔机、数控线切割机床等。在其他行业也出 现了许多数控设备。例如，造船行业的火焰切割机、肋骨冷弯机；还有压力机、 冲压机、坐标测量机、绘图机、服装裁剪机、绣花缝纫机等都实现了数控化。 事实上，所有能计算确定运动要求的设备，都可能实现数控化。数控设备的数 据处理和控制电路以及伺服系统，统称为数控系统。在使用上，虽然各自的控 制对象不同，但在原理上却万变不离其宗。按照数控系统的基本原理，可以进 行下述分类。 1 ) 按运动轨迹分类“ ( 1 ) 点位控制系统( 又称p 系统) 这类控制系统只要求控制刀具从一点移到另一点的准确位置，而对于运 动轨迹原则上不加控制。例如，某些数控钻孔机、数控镗床、数控测量仪等， 就属于这种点位控制系统 ( 2 ) 连续控制系统( 又称c 系统) 连续控制系统又称为轮廓控制系统。这类控制系统能对两个或两个以上坐标 方向的位移进行严格的不间断的控制。轮廓控制系统较为复杂，因为它需要进 行复杂的插补运算。插补运算的作用是：根据给定的运动代码指令和迸给速度， 计算刀具相对于工件的运动轨迹，实现轮廓控制。 2 ) 按伺服系统的控制分类 湖北工业大学硕士学位论文 - - _ _ - l - l _ l l _ i _ - - _ _ - l - _ _ _ _ i i _ _ _ _ _ 一i _ - - _ - i - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ - - _ _ - _ _ - ( 1 ) 开环控制系统 这种控制方式通常以步进电机或电液伺服马达为驱动元件。输入的数据经 过数控系统的运算分配指令脉冲，每一个脉冲送给环形分配器驱动步进电机或 电液伺服马达，使其转动一个角度带动传动机构，从而使被控制对象移动。 这种方式对实际传动机构的动作完成与否不进行检查，驱动控制指令发出 去后不再反馈回数控系统，所以称为开环控制”1 。 图3 开环控制系统 图3 是机床中常见晌歼环进给系统，步进电机通过齿轮传动，驱动丝杠和 工作台。开环控制方式容易掌握，调试方便，维修简单。但开环迸给系统的精 度完全依赖于步进电机的步矩精度及齿轮、丝杠的传动精度，因此精度控制受 到限制。在工作中，如果出现突然过载现象，控制系统出于得不到反馈信息， 依旧发出控制进给脉冲，从而造成“失步”误差。 ( 2 ) 闭环控制系统 如图4 所示，在数控设备的运动部件上装有测量元件，将运动部件的位置速 度信息及时反馈给伺服系统，伺服系统将指令、速度信息与实际信息进行比较 并及时发出补偿控制命令。如果测量元件装在机械传动链未端部件上，如装在 机床工作台上，则该系统为全闭环系统( 或简称为闭环系统) ，如图4 ( b ) 所示。 8 湖北工业大学硕士学位论文 ( a ) 半闭环控制系统 图4 ( a ) 半闭环控制系统 图4 ( b ) 全闭环系统 如果测量元件装在机械传动链中间部件上，如装在滚珠丝杠上则该系统为 半闭环系统，如图4 ( 8 ) 所示。闭环控制方式的优点是精度高、速度快，但调试 和维修比较困难。 闭环控制系统由于有位置测量装置和反馈元件的联系，因此，系统的精度取 决于测量装置的精度。目前采用的检测装置有感应同步器、磁尺、光栅等，精 度般为0 5 一l u m 。从图4 ( a ) 可以看出，在半闭环控制系统中由于末端工作台 没有完全包括在控制回路内，因而其控制精度比全闭环的要低。 湖北工业大学硕士学位论文 - - _ i ii l l i l i i l l i _ _ - _ l _ - _ _ i _ _ _ _ _ _ l _ l _ _ l _ _ _ _ 一 1 2 4 数控技术的发展状况 数控设备首先在机床行业产生并得到广泛应用。第二次世界大战结束以后， 美国由于生产复杂的飞机零件的需要，提出了数控机床的初始设想。1 9 4 9 年麻 省理工学院( m i t ) 和巴森兹公司共同研究，1 9 5 2 年发表了三坐标连续控制铣床 的系统研究结果。它是伺服系统与刚刚发展起来的数字计算机技术相结合而产 生的。1 9 5 3 年，麻省理工学院发射实验室展出了该种机床。此后，数控机床就 如雨后春笋一样，在各国发展起来。 4 0 多年来，随着电子工业与计算机技术的发展，数控系统更新换代十分迅 速。 第一代数控系统：1 9 5 2 年至1 9 5 9 年，采用电子管元件”1 。 第二代数控系统：1 9 5 9 年丌始，采用晶体管元件。 第三代数控系统：1 9 6 5 年丌始，采用集成电路。 第四代数控系统：1 9 7 0 年开始，采用大规模集成电路及小型通用计算机。 第五代数控系统：1 9 7 4 年开始，采用微处理器和微型计算机。 随着数控系统的发展，其功能不断增多，可靠性不断提高，使用灵活和方便 程度不断提高，价格不断下降。与此同时，伺服系统和测量元件的性能不断改 善，其精度也有所提高。 由于数控技术的发展极大地推动了数控机床的发展，在所有品种的机床实现 单机数控化的同时，出现了一次装兴可完成多道工序加工的数控加工中心。它 配有装载多把刀具的刀具库，并具有自动更换刀具的功能，在一次装央中可以 完成钻、镗、铣、铰等工序，特别适用于箱体类零件的多面、多工序加工。近 年来用于回转体的车削加工中心在迅速增多，它能完成车削加工的同时，兼有 铣、镗、钻、攻丝等功能。；o n 3 1 中心机床的出现，加之c a d 技术、信息技术、 网络控制技术以及系统工程学的发展，为单机数控自动化箱计算机控制的多机 制造系统自动化方向发展，创造了必要条件。6 0 年代木期出现的计算机群控系 湖北工业大学硕士学位论文 - _ - _ _ _ - _ _ _ i i i l l l l l e l l l l _ _ - - _ _ _ _ _ i _ - _ _ _ _ _ _ _ - _ _ i _ _ _ _ _ _ 统即直接数控系统，就是这一发展趋向的具体体现。d n c 系统使用一台较大的计 算机，控制与管理多台数控机床和数控加工中心，能进行多品种、多工序的加 工。 柔性制造技术的发展，已经形成了自动化程度和规模上不同的多种层次和级 别的柔性制造系统。带有自动换刀装置( a u t o m a t i ct o o lc h a n g e r a t c ) 的数 控加工中心，是柔性制造的硬件基础，是制造系统的基本级别。其后出现的柔 性制造单元( f l e x i b l em a n u f a c t u r i n gc e l l f m c ) ，是较之高一级的柔性制造 、 系统，它般由加工中心机床与自动更换工件( a u t o m a t e dw o r k p i e c e c h a n g e r a w c ) 的随行托盘或工业机械人以及自动检测与监控技术装备所组成。 在多台加工中心机床或柔性制造单元的基础上，增加刀具和工件在加工设备与 仓储之间的流通传输和存储，以及必要的工件清沈和尺寸检查设备，并由高一 级的计算机对整个系统进行控制和管理。这样，就构成了柔性制造系统，它可 以实现多品种的全部机械加工。 随着科学技术和制造工业的飞速发展，迫切需要机器的智能化和脑力劳动的 自动化，以适应市场产品需求多交的要求。自动化制造技术不仅需要发展车间 制造的自动化，而且要实现从生产决策、产品设计、市场预测直到销售的整个 生产活动的自动化，特别是技术和管理科室工作的自动化，将这些要求综合成 一个完整的生产制造系统，即所谓的计算机集成制造系统，它将是一个制造工 厂的生产活动进行有机的集成，以实现更高效率、更高柔性的智能化生产。这 是当今自动化制造技术发展的最高阶段。 湖北工业大学硕士学位论文 第2 章数控钻孔机方案的确定 2 1 数控钻孔机系统分析 本数控钻孔机系统是我校跟武汉齐盛机械有限公司合作项日，此项目是应 当前制刷工业领域对五坐标六坐标高端数控钻孑l 机的需求而产生的，目前市场上 大多是二坐标、三坐标等低端产舳，在实际的制刷领域中受到诸多限制。本数控 钻孔机主要用在毛制领域，所加工的工件硬度不大，主要是木制或塑胶制品， 并且还可根据需要仅仅改变部分机械部分，改装成制毛机，实践也证明了其合 理性，本项目也对数控技术的发展提供了新思路 2 1 1 数控钻孔机工作特点分析 本文数控钻孔机能在六个坐标方向运动，所以加工时更灵活，更方便通 常情况下五个坐标轴x 、y 、h 、s 、z 就能满足实际的需要，第六坐标是辅助坐 标，在某些特区的场合下才能硎到。五坐标如下图5 所示： 图5 六坐标 为辅助坐标 湖北工业大学硕士学位论文 1 ) 坐标任意增加减少灵活。此数控钻孔机是一种六坐标多系统的设备。 由于其是点位控制，每轴运动独立，互不干涉，可以适应不同场合的需要， 可以适当增减坐标系，例如可以改为单坐标的贴片机。 2 ) 加工的精度高达0 o l m m 。 3 )效率高，每分钟可加工1 5 个孔。 4 ) 系统稳定可靠，抗干扰能力强。 5 )成本低、操作简单。 5 ) 市场前景好。 2 2 方案的确定 图6 数控钻孔机系统圈 主控单片机华邦的w 7 8 e 5 8 ”通过a l t r a 的e p m 7 1 2 8 s l c 8 4 译码电路，控 制六从单片机a t 8 9 c 5 1 、l c d 显示、p c 通讯、位置检测、干扰检测、教导器、手 按盒等；从单片机通过光电耦合隔离，控制马达驱动面板，从而来控制马达的 湖北工业大学硕士学位论文 启动、停止、正转、反转：马达的速度是变频器控制，在下面的内容，我会分 别介绍各个模块。 一个工序主要工作原理：一个工序的数据包括六个坐标轴的数据，主单片 机w 7 8 e 5 8 分别把每条坐标轴的数据送到从单片机a t 8 9 c 5 1 的p o 口，随后给从 单片机一个中断信号，从单片机a t 8 9 c 5 l 各自读四自己p o 口数据，从单片机 a t 8 9 c 5 1 根据所读入的数据( 0 表示不动、1 2 3 表示正转、一1 2 3 表示反转) 控制 马达，完成各自的动作；当每一个从单片机完成各自动作后，发回一个反馈信 号，当主单片机w 7 8 e 5 8 检测到六个单片机都完成了各自的动作。主单片机就再 发送下一个工序的数据。 要说明的是，本系统是数孔钻孔机系统，是一个点位控制系统( p 系统) ， 原则上对轨迹不加限制，不是连续控制系统。宏观上看，本系统对马达的控制 是一个开环系统，但在马达驱动器里面，又是一个闭环系统，马达驱动器 m r j 2 s 7 3 里面包含位置、速度、转矩等检测，保持了马达的稳定性、平稳性， 从而也简化了电路。 2 3 钻头的控制 钻头转动的快慢与其它机械电路没直接的联系，在系统中，通过变频器 v f d - m “”来实现钻头的控制的，具体实现如图7 所示： 图7 钻头的控制 湖北工业大学硕士学位论文 _ _ - _ _ - _ _ _ _ - _ _ _ _ - _ _ _ - _ _ - - - _ - _ - - - - _ _ _ _ _ - _ - - - i _ - _ - _ _ _ - _ - _ - - _ - - _ _ - _ _ _ _ _ - _ _ _ - _ _ 2 4 功畿分析 在实际加工过程中，一个工件的加工数掘包括文件、加工数据显示的颜色、 加工产品的产量、加工速度当前模式，当时模式又包括预备、编辑、测试、教 导、参数、通讯等六种模式。在各个模式下又分各个功能，本系统采用树形结 构表示。此系统主要结构如图8 所示：通过键盘上模式键可在各模式之间切换， 当选定模式后，可通过键盘上功能键在个功能之间切换。 图8 功能结构图 湖北工业大学硕士学位论文 第3 章软硬件设计 本文主要讲数控钻孔机的电路控制部分1 ，电路的控制包括多个部分，如： 液晶显示部分、i o 输入输出部分、c p l d 译码电路等等。以下分别讲述各个模 块部分的软硬件设计。 3 i 液晶显示 根据实际情况，选择3 2 0 2 4 0 的点阵液晶显示器，其显示控制器是日本 s e i k o e p s o n 公司出品的s e d l 3 3 5 ，其比同类型产品有其自身的优越性，特点 如下： 1 ) 有较强功能的i o 缓冲器。 2 ) 指令功能丰富。 3 )四位数据并行发送晟大驱动能力为6 4 0 2 5 6 点阵。 3 1 。1 s e d l 3 3 5 接口说明 s e d l 3 3 5 接口部具有功能较强的i o 缓冲器功能较强表现在两个方面： 1 ) m p u 访问s e d l 3 3 5 不需判其忙、s e d l 3 3 5 随时准备接收m p u 的访问， 并在内部时序下及时地把m p u 发来的指令数据传输就位 2 ) s e d l 3 3 5 在接口部设置了适配8 0 8 0 系列和m 6 8 0 0 系列m p u 的两种操 作时序电路通过引脚的电平设置可选择二者之一。 s e d l 3 3 5 接口部由指令输入缓冲器数据、输入缓冲器、数据输出缓冲器和 标志寄存器组成，这些缓冲器通道的选择是由引脚a o 和读、写操作信号联合控 制。忙标志寄存器是一位只读寄存器，它仅有一位忙标志位b f ，当b f = i 时，表 湖北工业大学硕士学位论文 示s e d l 3 3 5 f 在向液晶显示模块传送有效显示数据。在传送完一行有效显示数 据到下一行传送_ 丌始之问的间歇时州内b f = o 。当大屏上大量显示数据修改时， 在b f ：o 传送不会影响屏的显示效果。 3 1 2s e d l 3 3 5 控制说明 s e d l 3 3 5 控制部是s e d l 3 3 5 的核心”，它由振荡器功能逻辑电路显示r a m ， 管理电路字符库及其管理电路以及产生驱动时序的时序发生器振荡器工作频率 可在i m - - i o mh z 范围内选择s e d l 3 3 5 ，能在很高的工作频率下迅速地解译m p u 发来的指令代码，将参数置入相应的寄存器内，并触发相应的逻辑功能电路运 行。控制部可以管理6 4 k 显示r a m ，管理内减的字符发生器及外扩的字符发生器 c g r a m 或e x c g r o m 。 s e d l 3 3 5 将6 4 k 显示r a m 可分成以下几种显示特区。 1 ) 文本显示特性 具有此特性的显示r a m 区专用于文本方式显示，在该显示r a m 区中每个字 节的数据都认为是字符代码s e d l 3 3 5 。将使用该字符代码确定字符库中字符首地 址，然后将相应的字模数据传送到液品显示模块上。在液晶屏上出现该字符的8 8 点阵块。也就是文本显示r a m 的一个字节对应显示屏上的8 x 8 点阵。 2 ) 图形显示特性 具有此特性的显示r a m 区专用于图形方式显示。在该显示r a m 区中每个字 节的数据直接被送到液晶显示模块上，每个位的电平状态决定显示屏上一个点 显示状态，l 为显示，o 为不显示，所以图形显示r a m 的一个字节对应显示屏上 的8x1 点阵。 湖北工业大学硕士学位论文 s e d 3 3 5t l 专有一组寄存器来管理这两种特性的垃示区，s e d l 3 3 5 可以单独 显示一个显示特性区，也可把两个特性的显示区通过某种逻辑关系合成显示， 这些显示方式及特征的设置都是通过软件指令设置实现的。 3 ) 字符发生器 s e d l 3 3 5 管理内藏字符发生器c g r o m ，在此字符发生器内固化了1 6 0 种5 7 点阵字符的字模，s e d l 3 3 5 还能外扩字符发生器这种外扩字符发生器有用r 棚 区丌辟的c g r a m ，也可用e p r o m 固化字库来取代s e d l 3 3 5 内部字符发生器。由 于s e d l 3 3 5 仅能处理8 位字符代码，所以一次最多只能显示及建立2 5 6 种字符，在 s e d l 3 3 5 的字符表中给出了内部字符发生器内的全部内容，同时也给出了外扩字 符发生器的字符代码范围8 0 h - 9 f h 和e o h f f h 共6 4 种。 3 1 3s e d l 3 3 5 指令表 功能指令操作码晚明参数量 s y s t e 、ls e t 4 0 hu 蛾化 ! ，。1 7娃j 18 oi 。 - - s l e e p i n ! j hj i * “ i 【 d i s po n i o f fj o h 一5 8 hl ”j ：t 啦靴i ! j 山一ll s ( 。r o l l4 4 hi ：! 一i i 1 h 城珏? 山1 0 c s r f o r 、f! d hn 。“，记1 1 犯状： ( 。g r a ma d r! o hi lj 1c g r a m 0 l 川二 l ?c s r d l r4 c h 4 瑚i 童w 圮i i 0 ，0 h d o ts c r5 a h吐f - 1 + 一1 ? t0 0 - l f i o i z o l 5 b hi j j 卜魄l i ，1 j l c + s r w4 6 hn 。圯i 】j 也 j ” c s r r4 ：hi ： 1 1 j ；u 目 m w r r r e4 ：hj “、1l 、珂：i t ：i ；，撇” m r e a d4 3 h、，- i 、坷，1 、 o ：；0 ： ；i 湖北工业大学硕士学位论文 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 竺= i i 竺竺! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 竺! 竺 3 1 4s e d l 3 3 5 接口表 1 o n d 避橱电游地 2 v c c 逻辑电涮4 , - 5 v 3 v a d j 对 t ，窭谢恬电，k v e t 液南i 舷砌电j k ， ，、腿输入 q 协号低有教 矗】柚d 饷 堙协写。低有敬 7 c s输入 ，1 进倩弩，怄有效 s a 0袖入 寄存嚣选! 撵僻碍t 商电平一写谛令字翮饿 教据：低电平一写散擗柏读状卷牛 叠 d b o 立淼擞据总线( 最低盘 】口d b l二惑 敏掘总线 1 1d b 2 i 岛 敬蛳胁i = 鸯 1 2 d b 3雠敷蝌总缱 t 兰d b 4 忐救播 总女鸷 hd b ，= 寤； 数撕总线 】s d b 6点：，靠 救搠总线 l 矗d b 7 1 拉 数蝌船缱c 般粥位， 3 1 5 与i t c u 接口如下 图9 与t d c u 接口电路 其中v e e 是由配套的电源产生一2 0 v 左右- 电压，v c c 是+ 5 v ，电位器r 1 是调 湖北工业大学硕士学位论文 节液晶显示的对比度。注意：当硬件电路接好后，调节r 1 的阻值，可以看到l c d 屏幕由黑变淡直至消失，这就说明硬件无误，否则，重新检查电路硬件。n b i 和 n b 2 是由配套的逆变器产生5 0 0 v h ! 右的交流电，另，由于逆变器对外围电路干扰 很大，应该远离外围电路。 湖北工业大学硕士学位论文 3 2 存储器 由于实际情况的需要选择n v r a m 作为外扩r a m ，这种存储器有这些特点： 这种存储器容量大、速度快、单电源、全密封、长寿命、高可靠、不怕掉电， 不用外加电池，彻底消除漏液腐蚀电路板的后顾之忧，也不用其他保护电路， 省事方便。 该产品为内景后备电池和同步高速抗于扰控制电路的静态随机存储器 ( n v - s r a m ) 。它在上电过程中提供系统复位信号，在发生掉电或电源关机时， 内部控制电路立刻切换到内部电池供电。同时保护数据。这时既读不出数据。 也写不进数据。断电后可保存数据长达七年之久。 在电源正常时，它和普通的s r a m 一样工作。既可高速地在连续地址空间进 行读写，也可以在它的地址空糊中点“兵”点“将”，任意字节操作。无需拼 凑页面，随机读写。不需等待，立写即可读。和普通的静态随机存储器一样使 用方便、简单，一样读写次数无限。其速度指标和读写寿命远远超过e e p r o m ， f l a s h 。 其硬件电路跟普通r a m 电路完全兼容。 1 2 8 k 的w m 8 1 2 8 b r h 地址范围”“是0 0 0 0 t i 一7 f f f h ；6 4 k 的w m 0 2 5 6 b r h 地址范 围是8 0 0 0 h 9 阡f h ：在此系统中选用了1 2 8 k 和6 4 k 的w m 8 1 2 8 b r h 和w m 0 2 5 6 b r h 并连，通过p 1 6 ，p 1 7 实现分段读写，每段4 8 k 。具体电路略。 湖北工业大学硕士学位论文 3 3 外部信号的检测 3 3 1 外部信号电路 图1 0 ( a )外部信号输入电路 d of c 3 0 图1 0 ( b ) 输出控制信号 湖北t - 业大学硕士学位论文 在本系统中有4 8 个输入输出i 0 口，主要用来作手按盒、教导器以及扩展 用。如上图所示，外部信号的检测用7 4 1 s 2 4 5 ”3 实现，控制外部设备用7 4 h c 5 7 3 实现，为了增加本系统抗干扰能力，用了光电耦合实现光隔离。7 4 h c 5 7 3 输入输 出电流最大可达2 0 a ，足够驱动光电耦合的发光二极管。下面是7 4 l s 2 4 5 真值 表： i n p u tf u n c t i o n o u t p u t eo i rab u sbb u sy llo u t p u t i n p u t a = b li | r n p u to u t p u t b = a hxzzz 湖北工业大学硕士学位论文 3 4 与p c 机通讯 图i i串口接口电路 通过串口，p c 向系统的主控单片机上传下传数据肚“。工作过程如下，上传： 主控单片机将存储器0 0 0 0 h - - 9 f f f i i 中的数据传绘p e 机；下传：p c 发送4 8 k 的数据 到4 8 k 存储器中。为了确保传输数据的准确性，单片机工作在工作方式1 8 位数 据位，一位起始位一位停止位，波特率为9 6 0 0 b p s