（机械电子工程专业论文）铝塑型材锯切数控系统研究.pdf

r e s e a r cho nc n c s y s t e m f o ra l u m i n u m p r o f i l es a w i n gm a c h i n e w a n gt a o u n d e rt h es u p e r v i s i o no f p r o f a ic h a n g s h e n g at h e s i ss u b m i t t e dt ot h eu n i v e r s i t yo fj i n a n i np a r t i a lf u l f i l l m e n to f t h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g u n i v e r s i t yo f j i n a n j i n a n ，s h a n d o n g ，rr c h i n a m a y2 9 ，2 0 1 1 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导f ，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出毛要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 圣海 日期： 关于学位论文使用授权的声明 本人完令了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向因家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借鉴；本人授权济南大学叮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、缩印或其他复制f 段保 存论文和汇编本学位论文。 口公开口保密(年，解密后应遵气 此规定) 论文作者签名：啦导师签名：恤e 1 期：型夕 济南欠! 硕卜 了论文 目录 摘要一i l i a b s t r a c t v 第一章绪论一l 1 1 课题研究的背景及意义l 1 2 门窗锯切加工设备发展状况与发展趋势2 1 3 基于单片机铝塑犁材锯切数控系统的提出6 1 4 论文# 要 作7 1 5 本章小结8 第二章铝颦型材锯切数摔系统总体方案设计9 2 1 铝颦型材锯切机床工作原理9 2 2 铝翅新材锯切数控系统技术要求1 0 2 3 铝迥型材锯切数控系统方案设计1 l 2 4 本章小结1 3 第i 章铝翅型材锯切数控系统硬件设计1 5 3 1 核心处理器选璎l5 3 2 系统地址宅间分配1 6 3 3u 盘加 信息读取模块硬件设计18 3 3 1u 盘读取芯片选型一1 9 3 3 2u 盘读取模块电路设计2 0 3 4 显示模块硬件没计一2 1 3 4 1 串l j 通信电路设计2 2 3 4 2 显示模块电路设计2 3 3 5 运动控制模块硬件设计2 4 3 5 1 运动控制芯片选型勺概述2 5 3 5 2m c x 31 2 重要功能说明2 6 3 5 3m c x 31 2 内部寄存器地址分配2 9 3 5 4 运动控制模块硬件电路设计3 0 铝塑型材锯切数控系统研究 3 6 伺服驱动单元3 l 3 7i o 模块设计3 3 3 8 打印模块设计一3 5 3 9 电源模块设计3 5 3 i o 电路板设计3 6 3 1 l 本章小结3 7 第四章铝塑型材锯切数控系统软件设计与调试3 9 4 1 铝塑型材锯切数控系统的程序结构3 9 4 2 系统主程序设计4 0 4 3u 盘加f 信息程序设计4 2 4 4 显示模块程序设计与调试一4 7 4 5 打印模块程序设计4 9 4 6 运动控制模块程序设计与调试5 0 4 6 1m c x 3 1 2 寄存器与控制流程5 0 + 4 6 2 运动控制参数理论计算：5 2 4 6 3m c x 31 2 程序设计与调试5 6 4 7 本章小结6 5 第五誊结论与展亡星6 7 5 1 课题研究工作总结一6 7 5 2 创新点6 7 5 3 展望6 8 参考文献6 9 致 谢7 3 附录l 7 5 一、攻读硕士学位期间发表论文情况一7 5 二、在校期间参加项目情况7 5 附录2 锯切数控系统部分程序一7 7 i i 济南，e 学碜卜学位论文 摘要 随着困家“f 一五”节能减排的政策的推动f ，建筑门窗逐渐向以铝翅型材 为材料的门窗方向发展。这种新的发展趋势，也使门窗加一【设备也取得了长足的 进步，门窗加工设备种类逐渐细化、品种逐渐多样化。门窗型材锯切作为门窗生 产流程的重要环节，型材锯切加工精度直接影响门窗生产的质量与效率。 目前铝喧犁材锯切机床的加r 精度较低，锯切后的铝型材董要靠后续的安装 弥补锯切时的误差，塑料型材靠后续的焊接弥补锯切时的误差，加f 效率较低。 而且现在经济性的锯切机床数控程度较低，操作控制较难，人机交互界面几乎没 有，只有少数的高档的数控锯切机床具有人机交巨界面弓高精度的伺服控制系 统，开发具有良好的人际交互界面，控制锯切加工精度高、多种程序传输途经的 经济性铝喧犁材数控锯切数拧系统迫在眉睫。 针对目前经济性铝埋型材数控锯切机床存在的问题与目前锯切机床采用的 技术实现手段，提出了采用c 8 0 5 i f 0 2 0 单片机+ 专用运动控制心i - 1 - - ，l lm c x 3 1 2 的方 法开发具有友好人机界面、锯切精度高、u s b 传输方式的铝蠼型材锯切数控系 统。 首先分析铝追型材锯切机床的i ：作原理与运动分析计算，然后利用的模块化 设计的思想，设计铝埋型材锯切数控系统，使数控系统具有部分开放性，便于后 续系统功能扩展与升级。对铝塑型材锯切数控系统进行了功能设计与各个模块的 硬件与软件设计。选用高性能的单片机c 8 0 5 1 f 0 2 0 作为数控系统的核心处理器， 并对各个模块进行了硬件地址分配；在程序传输模块中选择u 盘加工信息读写 控制芯片c h 3 7 6 s ，并围绕该芯片进行了硬件电路设计与软件程序的编写，加【 程序采用更加符合人类思维的格式书写，通过系统调试实现u 盘加r = 信息读写 操作；由于单片机在解决真彩液晶显示屏( t f t ) 的问题上比较复杂难处理，采用 m 6 0 0 人机显示模组实现显示底层的问题，简化人机显示程序开发，设计显示模 块的硬件电路与软件程序编写，实现系统人际交互功能。 在数控系统中运动控制是核心，采用运动控制芯片m c x 3 1 2 为运动控制模 块的核心，围绕它搭建运动控制模块电路，c 8 0 5 1 f 0 2 0 单片机与运动控制核心 m c x 31 2 采用并行非复用数据传输方式，程序都足在单片机控制下运行，编写了 i i i 铝颦犁材锯切数榨系统研究 m c x 3 1 2 运动控制的底层程序。通过多次的程序调试与运行，能够实现型材锯切 锯切尺寸精确控制与运动速度控制，实现型材锯切加工。 在锯切数控系统中还进行了基本的i o 模块、电源模块设计，以及抗f 扰设 计；加入了型材加工信息的打印功能，实现型材锯切加工中加工数量精确控制， 便于门窗的组装，同时也可以实现门窗，e 产企业“零库存”加：【生产。最后设计 了整个数控系统的p c b 电路板。 关键词：铝迥型材锯切机床；锯切数控系统；c 8 0 5 1 f 0 2 0 ；c f l 3 7 6 ；m c x 3 1 2 ； i v 济南大学硕t 学位论支 a b s t r a c t w i t ht h en a t i o n a l ”e l e v e n t hf i v e - y e a r ”t op r o m o t ee n e r g ys a v i n gp o l i c i e s ，t h e m a t e r i a l so fd o o r sa n dw i n d o w sf o rb u i l d i n gg r a d u a l l yt ot h ed i r e c t i o no fa l u m i n u m & p v cp r o f i l e s i nt h i sn e wt r e n d ，w i n d o w sa n dd o o r sp r o c e s s i n ge q u i p m e n th a sa l s o m a d eg r e a td e v e l o p m e n t ，d o o r sa n dw i n d o w sg r a d u a l l yr e f i n e dt y p e so fp r o c e s s i n g e q u i p m e n ta n dd i v e r s i f i c a t i o no fs p e c i e s s a wp r o c e s s e so fw i n d o wa n dd o o rp r o f i l e a sa ni m p o r t a n tp a r to fw i n d o w sa n dd o o r sm a n u f a c t u r e ，p r e c i s i o no fp r o f i l e ss a w i n g d i r e c t l ya f f e c t st h eq u a l i t ya n de f f i c i e n c yo f w i n d o w sa n dd o o r sp r o d u c t i o n n o ws a w i n gm a c h i n eo fa l u m i n u m p v cp r o f i l e sh a v el o wm a c h i n i n g a c c u r a c y , w h e nt h ea l u m i n u mp r o f i l e sw a sc u r i n go f f , m a i n l yb yt h ef o l l o w - u p i n s t a l l a t i o no fa l u m i n u md o o r so rw i n d o w st om a k eu pf o rt h ee r r o r , p v cp r o f i l e sa r e a l s ot h r o u g hw e l d i n go fp l a s t i cp r o f i l e st om a k ee r r o r s ，a l u m i n u m & p v cp r o f i l e s p r o c e s s i n ge f f i c i e n c yi sl o w 。a n dn o wt h ee c o n o m i c a ls a w i n gm a c h i n ew i t hc n c s y s t e mi sv e r yl e s s ，o p e r a t i o ni sd i f f i c u l t ，a l m o s tn oh u m a n - m a c h i n ei n t e r f a c e ，o n l ya s m a l ln u m b e ro fh i g h e n dc n c s a w i n gm a c h i n eh a sn i c eh u m a nm a c h i n ei n t e r f a c e a n dh i g h p r e c i s i o ns e r v oc o n t r o ls y s t e m ，d e v e l o pae c o n o m i c a lo fc n cs a w i n g s y s t e mw h i c hh a sf r i e n d l yh u m a n m a c h i n ei n t e r f a c e ，a n dh a v eh i g hp r e c i s i o no fs a w w o r k i n g ，h a v ev a r i e t yo fp r o g r a m st r a n s m i ti n t e r f a c ei sv e r yi m m i n e n t t h ec u r r e n te c o n o m i cs a w i n gm a c h i n ep r o b l e m sa n dc u r r e n ts a w i n gm a c h i n e u s e dt e c h n o l o g yi sa n a l y z e d t h i ss u b j e c tu s i n gc 8 0 51f 0 2 0a n ds p e c i a lm o t i o nc o n t r o l c h i po fm c x 3 12m e t h o dt od e v e l o pac n cs y s t e mf o rs a w i n gm a c h i n eo fa l u m i n u m & p v cp r o f i l e s ，w h i c hh a v eaf r i e n d l yh u m a n m a c h i n ei n t e r f a c e ，h i g hp r e c i s i o no f s a w i n gw o r k ，t r a n s m i tp r o g r a mv i au s b m o d es a w i n g f i r s t l y , t h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fs a w i n gm a c h i n eo fa l u m i n u m & p v cp r o f i l e s a n di tm o t i o no fw o r ki sa n a l y z e da n dc a l c u l a t ei tp a r a m e t e r , a n dt h e nu s et h ei d e a so f m o d u l a rd e s i g n ，s oi th a v eap a r to ft h eo p e n n e s s , i tc a ne a s yt of o l l o ws y s t e m e x t e n s i o n sa n du p g r a d e s w ed e s i g nt h ef u n c t i o no fe a c hm o d u l ea n dh a r d w a r ea n d s o f t w a r eo fc n cs y s t e mf o rs a w i n gm a c h i n eo fa l u m i n u m p v cp r o f i l e s w eu s e v 铝颦型材锯切数拧系统研究 h i 曲一p e r f o r m a n c ec 8 0 51f 0 2 0a sc x ) r ep r o c e s s o ro ft h i ss y s t e m ，a n da s s i g na d d r e s s s p a c ef o re a c hm o d u l eo ft h eh a r d w a r e ；w ec h o o s ec h 3 7 6 sw h i c h c a l lr e a da n dw r i t e ud i s kc o n t r o l l e rp r o c e s s i n gi n f o r m a t i o ni nt r a n s m i s s i o nm o d u l e ，b u i l dh a r d w a r e c i r c u i ti nt h ec o r eo fi t ，a n dm a k es o f t w a r ep r o g r a ma n dd e b u gi t ，w r i t ew o r kp r o g r a m w h i c hf o r m a ti sc l o s e dt oh u m a nm i n db e c o m ev e r ye a s i l ym o r e , r e a l i z ep r o g r a mo fu d i s ci n f o r m a t i o nc a nf r e er e a da n dw r i t et h r o u g ht h es y s t e md e b u g g i n g ；t h e m i c r o c o n t r o l l e rs o l v et h et r u ec o l o rl c ds c r e e n ( t f t ) s h o wq u e s t i o ni sd i f f i c u l ta n d c o m p l e xp r o c e s s i n g , w eu s em 6 0 0m a c h i n ed i s p l a ym o d u l et os o l v et h eu n d e r l y i n g p r o b l e m ，s i m p l i f yd e v e l o p m e n to fh u m a nm a c h i n ei n t e r f a c ed i s p l a yp r o g r a m ，d e s i g n h a r d w a r ea n ds o f t w a r ep r o g r a m m i n go ft h ed i s p l a ym o d u l e r e a l i z a t i o nf u n c t i o no f h u m a nm a c h i n ei n t e r f a c e m o t i o nc o n t r o li st h ec o r ei nt h ec n cs y s t e m ，u s et h ec o r eo fm c x 312w h i c h h a v em o t i o nc o n t r o lf u n c t i o nb u i l dm o t i o nc o n t r o lm o d u l e sc i r c u i t ，c 8 0 51f 0 2 0 c o n t r o lm c x 312u s i n gt h ep a r a l l e ln o n - m u l t i p l e x e dt r a n s m i td a t a a l lo fp r o g r a m sr u n i nt h ec 8 0 51f 0 2 0 ，w ew r i t em c x 312u n d e r l y i n gm o v e m e n tc o n t r o lp r o g r a m t h i s m o d u l e sa c h i e v ep r e c i s ec o n t r o lo fs i z ep r o f i l es a w i n ga n dr a t ec o n t r o lt h r o u g ht h e c o m m i s s i o n i n ga n dd e b u go ft h ep r o g r a ms e v e r a lt i m e s ，t h e na c h i e v i n gp r o f i l es a w i n g p r o c e s s i n g d e s i g nt h eb a s i ci om o d u l e ，p o w e rm o d u l ed e s i g n ，a n da n t i - j a m m i n gd e s i g ni n c n c s y s t e m ；a d df u n c t i o no fp r i n t i n gp r o f i l ei n f o r m a t i o n ，i tc a np r e c i s ec o n t r o lo ft h e n u m b e ro fs a w i n gp r o f i l ea n df a c i l i t a t et h ea s s e m b l yo fd o o r sa n dw i n d o w s ， e n t e r p r i s eo fw i n d o w sa n dd o o r sc a na l s o a c h i e v e ”z e r oi n v e n t o r y ”p r o d u c t i o n p r o c e s s f i n a l l y , w ed e s i g np c b c i r c u i tb o a r d so ft h i ss y s t e m k e yw o r d ：s a w i n gm a c h i n eo fa l u m i n u m & p v cp r o f i l e s ；c n cs y s t e mf o r s a w i n gm a c h i n eo fa l u m i n u m & p v cp r o f i l e s ；c 8 0 5 lf 0 2 0 ；c h 3 7 6 ；m c x 312 ； v i 济南大学碰! 卜学n 论一芝 1 1 课题研究的背景及意义 第一章绪论弟一早珀了匕 装备制造业是为国民经济各行业以及国防建设提供装备的战略性产业，足国 家综合实力的集中体现【m 1 。其中机床制造业在装备制造业占有重要地位，而数 控机床又足机床制造业中高附加值的核心产品，机床的自动化程度，对机床的加 工速度、加工效率、加工精度等性能影响比较大，也是机床划分档次的一个重要 参数。所以应该加快机床产品数控化发展步伐，数控系统作为数控机床的“心脏”， 起到了全关蕈要的作用。 随着经济快速发展，现在门窗种类很多，铝合金门窗与塑钢门窗是继木质门 窗、钢材门窗之后的第三代与第四代新型建筑门窗。与前荫代门窗相比，铝合金 门窗勺塑料门窗具有强度高、耐腐蚀性好、节约能源、变形量小、防火性强、材 质轻便、价格便宜、使用寿命长等优剁 6 1 。经过多年发展，我困铝耀门窗的发 展已具有定规模，在2 0 0 7 年国家发改委发布“十一五”节能减排的政策的背 景下，建筑门窗逐渐向以铝理型材为材料的门窗方向发展，在这种发展趋势的带 动下，门窗加工设备也取得r 长足的进步，门窗加r ：设备种类逐渐细化、品种逐 渐多样化。国内铝塑门窗设备卢e 产厂家主要集中在山东济南，最具代表性是天辰 铝机、光明集团、德佳机器等，他们处于巾场的领导者地位，技术水平也处于领 先地位，他们生产的铝颦型材加l 设备数控程度较高，价格也较高，但是住门窗 加工设备行业中还有很多的中小企业占有部分市场份额，他们生产的铝翅型材加 工设备数控程度较低，大部分产品还足普通设备或者少部分的数控设备。同时在 市场竞争的激烈程度不断加剧弓门窗加一 设备的同质化，中小门窗乍产设备厂家 进一步明确在激烈的市场竞争中要获得更大的生存空间，就必须首先取得成本优 势，主要是降低生产成本；其次就是保持技术创新优势，为了摆脱同质化影响， 始终走在市场变革的前列，技术上创新的领先优势，中小仓业希望能够开发出适 应市场的需要，更加智能化的型材加工设备，提高产品的市场竞争力。 铝惶型材锯切数拧系统研究 目前我国铝塑门窗行业年产量在3 6 亿平方米左右，产值大约在1 0 0 0 亿元， 中国建筑装饰装修材料协会秘丰弓长任长青表示，我国门窗市场的需求量每年为5 亿多平方米，相当于4 个欧洲市场门窗的使用量。今后仍将以每年1 1 的速度增 长，预计到2 0 1 1 年中困门窗产值将达到1 9 5 0 亿元。但是目前门窗加工设备生产 企业的产品中数控程度还是比较低，中小企业渴攀能够开发经济性好而又高性 能、高效率的门窗加工设备，而数控系统在这其中是核心部件，同时也是给产品 附加值的关键，所以本课题选择研发一种高效率的经济型的铝埋型材切割锯床数 控系统，结合最近几年我国的门窗的生产与需求的r h 场，成功开发以后会带来较 大的经济效益与社会效益。综合卜述情况来看，开发铝坦型材锯切数控系统的意 义体现在： 提高门窗加工设备的自动化程度，提高锯切的加工效率与加工精度； 提供更好的人机交e 界面，减轻操作者的劳动强度； 便于数摔系统的实现开放性，便于功能扩展与系统二次开发。 1 2 门窗锯切力n - r - 设备发展状况与发展趋势 伴随着新技术的不断应用到门窗加f ：设备生产企业中，3 0 多年的发展，欧 荚门窗r f 场颦料门窗占有率一直稳定在4 0 以上【7 1 。近年来，受国家节能减排政 策影响，环保型门窗使用比例i f 在逐步提高。铝合金门窗、塑钢门窗、铝塑复合 门窗等产品不断推出。据有中国建筑装饰装修材料协会的掘统计，目前铝塑型材 门窗的市场占有率得到提高，市场占有率已达到5 0 左右。同时fj 窗加工设备也 得到了迅猛的发展，前景非常广泛。 随着令球都在积极推进节能减排的大背景下，欧美地区都在研究与使用隔热 型材的门窗王要有两这种形式：塑钢+ 中空玻璃；铝合金+ 中宅玻璃。欧美国家已 经研究相应的加f 设备。 1 9 5 7 年，k o m m e r l i n g 生产出了它的第一件窗用p v c 趔材。作为世界上 最早将p v c 这种材料应用于门窗材料乍产的企业之一，它在研发相应的犁材锯 切加工设备上有很大的优势【8 】。 德国e l u m a t e c 公司在1 9 6 7 年设计了单锯头t g s 7 1 型材手工加工锯床， 2 2 0 1 0 年推出的高效自动化型材锯切加工、焊接、清角为一体的生产线s v l 7 8 5 代表了现在门窗加工设备的世界领先地位。目前德国e l u m a t e c 公司生产的双 头铝型材切割机床d g l 4 2 璎，能够实现把趔材成切割9 0 度和4 5 度；町同时切 割两根型材，机床可选切割型材最大长度：分为3 0 0 0 m m ，4 5 0 0 m m ，6 0 0 0 m m 三种类璀，同时配有手动切割长度调节数显装置、定位控制装置或电脑数控装置； 锯片直径5 0 0i l l l n ，锯片转速2 8 0 0r p m 。d g l 4 2 双头切割锯床如图1 1 所示。 图1 1d g l 4 2 双头切割机床 意大利飞幕集团( f o mg r o u p ) 是一家号门研究制造各种铝型材及p v c 加t 设备的公司，是欧洲著名的设备制造专家，其设备凭借其高技术含最、高效 率、高稳定性、高安全性处于世界领先地位。它乍产的铝硝材切割锯床的种类很 多，有b l i t z 系列、m o x i e 系列、s t e e l 系列等。其中色幕的b l i t z a l v a 5 0 0 型号，切割角度从外2 2 5 0 到9 0 0 由气缸实现，机械挡块调整中间切割角度。控制 部分采用工控机加运动控制的方式。图1 2 是意大利飞幕的b l i t za l v a 5 0 0 型 号锯切机床。 图1 2意大利匕幕b l i t z a l v a 5 0 0 型号锯切机床 3 我国门窗j j hr 设备在市场发展中取得了较快的进步，尤其是最近几年，门窗 加j 【设备逐渐细化，呈现出颦窗设备、铝合金门窗设备以及塑钢门窗设备等群雄 逐鹿的市场局面。随着对国外技术的引进、消化和吸收，我国颦窗设备的发展正 由手动、半自动为卡向数控和多1 = 艺集成的设备过渡。国内最具有代表的就是天 辰铝机、光明、德佳机器等公司，其中天辰铝机生产的铝塑型材切割锯床代表国 内较高的水平，在国内占市场有的率较高。这些公司的产品很丰富如型材锯切机、 清角机、焊接机、锯铣加e 中心等产品，这些产品有高档、低档的适合中国现在 发展的需要。 高校中也有一一部分科研人员在这方面做了相当大的研究，有张辉【9 l 开发了基 于f a n u c o m d 数控锯铣加工中心的数控系统，王娜【i o l 利用气动控制系统完成铝 塑犁材锯铣加工中心锯切机锯切功能，锯铣加工中心的控制部分采用的是b & r 的可编程计算机控制器( p c c ) ，实现型材进给，插补控制，网络通信。在锯切 部分采用气动控制，根据型材央紧，锯切、释放动作，控制气缸的运动实现锯切。 铝翅型材锯铣加 中心锯切机的气动系统设计总体布局图如图1 3 所示。 图1 3 铝塑型材锯铣加r ：中心锯切机的气动系统设计总体布局图 冀玉梅【1 1 l 利用f a n u c 系统的基础上进行二次开发了翅钢犁材锯铣集成加工 数控系统，利用f a n u c 的总线标准，利用f a n u c 数控系统的自身的c p u 为控 制平台，以及f a n u c 的运动控制单元的实现插补与运动控制，采用伺服驱动模 块实现电机控制，控制各轴的进给运动。外围设备也是利用传统数控系统的手轮、 键盘等外围操作器件。根据型材加工工艺的要求开发了更加适合符合锯铣加工中 心操作的数控系统，操作界面与编程窗口更加适合型材加工需要，操作简单、方 4 济南人 硕l 学位沦支 便。 数控系统经过5 0 多年的发展，在现代化制造技术高速发展的今天数控技术 正在向着高速、高精度、智能化、网络化、开放式的方向发展。伴随着数控系统 的发展，在未来铝颦加工设备加工数控系统的发展趋势是： ( 1 ) 向高速化、加工高精度化方向发展 随着铝合金与p v c 材料在门窗制造的广泛应用，高速加工已成为门窗加工 设备的苇要发展趋势。高速加。 具有缩短加工时间、提高加工精度和表面质量等 优点，使得高速加 数控系统变得更加嚷要。在这种发展趋势下数控系统采用的 处理器有1 6 位、3 2 位处理器还有有止匕采用6 4 为处理器，有些系统采用多任务 实时操作系统，这使得数控系统处理程序与数据的速度大大提高【1 2 。1 4 1 。为了实现 数控系统的高速、高精，高档数控系统纷纷采用纳米插补、高响应矢量( h i g h r e s p o n sv e c t o r ) 控制技术。如f a n u c 公i 】的3 0 i 3l i 3 2 i 和0 i m d 数控系 统、王菱公司的m 7 0 0 v 数控系统、西门子公司的8 2 8 d 数控系统都具备纳米插 补功能，采用以纳米为单位精确计算位置指令，使机床平滑移动并且提高加工精 度。 ( 2 ) 向开放式方向发展 当今产品制造更加的多样性，个性化的需求越来越迫切，使得数控系统能够 适应多种加工、町重构性、功能模块化、个性化的需求也越来越强烈，同时开放 式数控系统有着可移植、可扩展、标准化、可靠性高、软件资源丰富、便于联网 等优点，使得数控系统向着开放式方向发展成为未来发展趋势【1 5 朋1 。 ( 3 ) 向网络化方向发展 由于进入2 l 世纪网络技术的发展与成熟，使得数控系统具有网络化的功能 就变得越来越强烈，所谓的数控系统的网络化就是使数控系统能够与外部其他的 控制系统或上位计算机进行网络连接与网络控制1 8 】。数控技术向网络化的发展不 仅是英特网( i n t e r n e t ) 与工业以太网的发展，也促使现场总线网络的相应发展，这 主要有利用c a n 总线技术实现数控系统的上位机与底层设备的通信技术，实现 数据的町靠性与实时性传输 1 0 1 ，以及利用u s b 传输协议进行开放式数控系统程 序传输以及可编程运动控制器指令的传输【1 9 l 等。 s 铝耀型材锯切数控系统研究 ( 4 ) 向智能化方向发展 数控系统向智能化发展，不仅有助于减轻操作者的劳动强度，更重要的足可 以提高数控加工的质量和功率。因而向智能化方向发展一直是数控技术的重要发 展方向2 0 之1 1 。数控智能化主要包括在线测量、监控、故障诊断、智能寻位和补偿。 数控系统的智能化 要表现在能够根据工作状况的变化，自动的调整数控系统的 参数相应的变化，实现最佳的加工状态；还能够实现智能化程序编程，目前图形 化的编程是未来的发展趋势，走在这方面世界前列的两门子的s i n u m e r i k 8 2 8 d 数控系统采用了图形化的编程以及动画操作与编程；故障自诊断智能化， 数控系统能够实现故障自诊断弓故障排除，适应于长时间的自动化无人操作，连 续作业的加工环境。 1 3 基于单片机铝塑型材锯切数控系统的提出 日前锯切在很多行业都有应用，采用的数控系统多种多用，采用的技术也是 多种多样。通过阅读锯切的文献得到目前采用的技术差要是采用p l c 作为核心 处理器、采用单片机作为核心处理器、采用d s p 作为核心处理器、采用p c 为核 心处理器等形式。张、f 【2 2 1 采用1 6 位单片机作为核心处理器，设计了基f 单片机 的定尺匕锯切割机控制系统，采用了增量式光电编码器来实现位置的检测， 8 0 c 1 9 6 k b 单片机采用增量式位置p i d 控制算法，通过计算钢管定尺点与锯片的 位置差来判断锯车的启动、加速。张辉【2 3 1 采用d s p 芯片为控制器设计了采用d s p 的定尺飞锯控制系统。他在比较指数加减速、直线加减速、s 曲线加减速等电机 加减速控制策略的基础上，提出了一种基于多项式逼近的i 角函数加减速速度控 制策略，采用矢量控制算法实现变频器控制。在基于1 l i 公司t m s 2 3 0 f 2 4 0 7 芯片 为核心处理器设计了飞锯控制器，采用液晶显示屏为上位机界面显示。易朗亮【2 4 】 采用p l c 与e 位机作为系统的核心，设计新型数控仿形锯切机的控制系统，首 先利用f 业计算机( i p c ) 对要加【：的数据进行处理，当e 位机处理完的运算结果 与控制信息发送到p l c 中，然后p l c 给执行元件发出控制指令，控制变频器、 伺服驱动器等执行元件工作，最后控制锯片进行锯切加工。检测传感器实时检测 状态，然后将信息反馈给上位机，上位机经过程序处理后，再发出相应指令，实 6 济南夫学硕卜学f 乏论文 时的控制执行机构运动。同时t 位机采用图形显示的形式显示状态，方便操作人 员实时监控设备。田和强【2 5 1 在分析往复锯切机的进给运动与传动运动的规律机床 上，设计了以工控机、运动控制专、步进电机为硬件基础的数控曲线往复锯机的 专用数控系统，p c 机根据锯切加 要求发出相应控制指令，然后根据锯切命令 向各进给电机发出控制信号，控制驱动器控制电机运动与定位，同时上位机p c 检测运动控制夤的各种状态信号，进行诊断和处理。 在分析锯切加工设备的市场与目前门窗加：f 设备数控系统采用的技术，本文 开发一种基f 高性能单片机的经济性数控系统，既能解决目前加工设备的数控程 度低的问题，又能提高犁材加f 速度、加工精度等性能指标。通过市场调研与分 析开发这样的号用行业数控系统，具有较好的学术意义与社会意义。 本数控系统在解决型材加工速度与型材加工精度的问题上采用专用的运动 控制芯片为核心辅助外围的电路，设计了号用的运动控制模块，实现数控系统的 高速高精度运动控制。通过前面调研与分析无论是国内的还足国外的锯切机床人 机交瓦都比较差，针对这个问题设计了人机交。瓯的显示界面，减轻f 人的劳动强 度，增加系统操作方便性。本文在解决人机交互的问题上采用专用的人机交互模 组作为技术手段实现人际交一吒功能。同时系统还具已有一定的开放性，便于后续 的功能扩展与系统二次开发。 1 4 论文主要工作 本文足在相关文献的杏阅j 深入到企业考察与调研的基础上，针对目前犁材 锯切机床的现状，综合比较相关技术后采用高性能单片机与专用的运动控制芯片 开发铝塑型材锯切数控系统。数控系统采用模块化的思想，把各个功能分成模块 化设计开发，辛要研究。i = 作分为以f 几部分： ( 1 ) 数控锯切机床运动分析与运动理论计算。通过对锯切机床的一r 作所原理 分析与电机运动的理论计算，计算出运动控制的各个参数设置的理论计算，然后 方便后续程序的编写与调用； ( 2 ) u 盘信息读取模块。这足该系统加入的创新部分，也是一个卜分重要的 环节，设计采用c h 3 7 6 为核心读取芯片的电路，编写相应的软件程序，可以实 7 铝准型材锯切数摔系统研究 现程序自动读取加i ：信息，实现自动加工，提高生产效率。该模块同时管理数控 系统的程序文件与记录加工信息； ( 3 ) 显示功能模块。实现机床与操作人员人机交互界面，方便人机信息的交 巨，采用北京迪文m 6 0 0 人机湿示模组驱动7 寸液晶显示屏，完成乍产加工过程 信息的实时显示与报警信息的显示； ( 4 ) 打印功能模块。该部分是数控系统创新功能一部分，实现产品加工的量 化追踪，能够实现精益化生产。该功能模块是在犁材加工完成后，核心处理器控 制打印机实现型材加工的长度、数星以及安装位置信息的打印，方便后续门窗施 工安装与装配； ( 5 ) 运动控制模块。运动控制模块足该数控系统的关键与核心，运动控制模 块足保障加工精度与加e 效率蘑要环符，运动控制模主要是把单片机发送的指令 信息转换成伺服系统的驱动信息，同时又把反馈信息传给e 位机。运动控制模块 采用m c x 3 1 2 争业运动控制芯片为核心搭建外围相关电路，伺服单元采用伺服 放大器与伺服电机组成，采用伺服电机带动丝杠运动，丝杠再带动l 作台运动， 由f 锯头安装在r = 作台上，这样就可以实现电机的传动间接带动锯央的运动，通 过控制伺服电动机运动，然后通过丝杠的传动带动切割锯头运动，实现尺寸的控 制； ( 6 ) 程序编写与调试。程序的编写与调试e 要是在c 8 0 5 1 f 系列单片机的硬 件平台基础上采用k e i l 软件调试环境编写运动控制、显示界面、u 盘信息读取 等相关的程序r 作。 1 5 本章小结 本章主要介绍了课题的背景意义，对国内外门窗加工设备的发展状况进行了 概述，分析了未来铝塑型材锯切加工设备的发展趋势，同时也根据相关研究综述 了目前锯切数控系统采用的技术与方法，在分析目前我们的铝塑门窗加工设备的 市场前景以及现在存在的问题，提出了一种利用高性能单片机与专用运动控制芯 片相结合的方法开发一种适合门窗型材锯切的经济性铝耀型材锯切数拧系统。 济南大学硕卜学位论文 第二章铝塑型材锯切数控系统总体方案设计 铝塑型材锯切机床作为门窗制造装备中的重要的部分，在型材锯切加工中最 重要的是保证加工精度。本章首先分析了铝蝮型材锯切机床的工作原理，然后根 据目i i 锯切机床存在的问题以及市场的需求提出开发铝塑型材锯切数控系统的 技术要求，设计了两种铝颦型材锯切数控系统方案，在分析比较两种方案的优缺 点以及町实施性，最后确定了铝蝗型材锯切数控系统采用c 8 0 5 1 f 0 2 0 单片机 + m c x 3 1 2 运动控制芯片的方案。 2 1 铝塑型材锯切机床工作原理 铝追型材锯切机床 三要是由机械本体与数控系统构成，其中机械部分结构示 意图如图2 1 所示。机械部分t 要足由机床右切割锯头、左切割锯头、机床床身、 丝杠导轨副等组成。 5 l 2 43 1 一右切劁锯受 2 一丝杠粤轨副3 一藏身 4 一机廉控制郝分5 一左切割锯头 图2 1铝塑型材锯切机床机械结构示意图 铝塑型材锯切机床的运动e 要是分为主运动与进给运动，主运动足电机带动 锯片转动，实现切割功能。锯切机床的左切割机头固定不