基于CPAC的转塔冲床数控系统设计

济南大学毕业设计- 1 -目录目录 .11 前言 .31.1 国内外现状 .31.2 数控系统 .31.2.1 产生与发展 .31.2.2 结构与分类 .41.2.3 现状 .51.3 控制平台 .61.3.1 运动控制技术 .61.3.2 OTOSTUDIO .61.4 课题来源与现实意义 .71.5 研究内容 .82 数控转塔冲床硬件设计 .92.1 机械部分 .92.1.1 机械部分简要设计 .102.2 数控转塔冲床的组成原理 .102.3 数控转塔冲床系统控制方案 .112.3.1 数控机床操作流程 .112.3.2 数控系统控制总体方案 .112.3.3 运动控制卡 .122.3.4 伺服控制 .122.4 电气部分设计 .122.4.1 面板设计 .122.4.2 运动控制卡的连接 .132.4.3 其他技术研究 .142.5 本节小结 .163 数控系统软设计 .173.1 软件需求分析 .173.1.1 预期目标 .173.1.2 软件功能 .173.1.3 软件的完善及维护 .183.2 软件模块的划分 .183.3 软件编码与实现 .183.3.1 用户界面设计 .183.4 将数控系统与 CPAC 连接 .193.5 本节小结 .204 测试实验 .214.1 测试平台 .21济南大学毕业设计- 2 -4.1.1 主体框架的搭建 .214.1.2 轴的定义 .214.1.3 测试平台系统组成 .214.2 实例操作 .214.3 本节小结 .255 结 论 .265.1 总结 .265.2 展望未来 .26参 考 文 献 .27济南大学毕业设计- 3 -1 前言1.1 国内外现状在 1932 年国外就产出了常规控制的简单型冲模回转头冲压机床，一直到 1955年才出现第一台 NC（Numerical Control）数控转塔冲床，到 1970 的时候又出现了第一台 CNC（Computer Numerical Control）数控转塔冲床。渐渐的随着数控技术的进一步发展，数控转塔冲床也得到了较大发展，性能不断完善，功能不断提高。当前，日本、美国和德国等诸多发达国家数控转塔冲床的使用已日渐普及。随着当今装备制造业高效快速制造的进展，数控转塔冲床也在朝着功能更加强大，性能更加稳定，柔性更大，适应各种批量生产的方向前进。当前，世界上生产数控转塔冲床的厂家主要有十几家，比如：日本 AMADA，德国 TRUMPF，芬兰 INN-POWER 瑞士ASKIN 等公司。我国研究数控转塔冲床起步比较晚，近几年我国钣金也不断发展以及引进国外尖端技术，渐渐的越来越多的厂家已经逐渐掌握制造技术和数控冲床设计，并生产出大量产品进入市场。当前，内地有能力生产四轴及以上数控冲床的公司主要有金方圆、杨力、威压、捷迈等。虽然内地的数控转塔冲床得到了较大发展，然而仍然无法与发达国家相比拟，甚至说比较落后，很多关键技术仍依赖国外进口例如数控系统、大功率伺服电机。1.2 数控系统1.2.1 产生与发展数控系统是数控冲床的重要组成部分，数控技术和计算机的进步是数控冲床许多指标提高和功能实现的前提。数控系统绝大多数采用 32 位 CPU 使其运行处理速度大幅提高；内存容量加大；许多由外部机电结构提高了可靠性；人机界面更加友好。数控系统和计算机越来越接近，带硬盘、软驱，以 Windows 操作系统位平台更便于主机制造商个性化开发，使用更方便。近年来科学技术迅速发展，汽车电子行业飞速发展，机械产品的使用性能、各项精度和加工效率日渐提高，因此对加工产品零部件的生产设备也提出了更高的要求。在这种环境下，出现了数控的概念， “数控”是计算机数字控制的简称，英文缩写为 CNC（Computer Numerical Control ） 。 “数控技术”起源于数控机床，是以计济南大学毕业设计- 4 -算机为基础的信息技术与机械技术相结合的产物，是机械自动化的基础。广泛用于各种“机电一体化产品”而数控系统（Numercial Control System）是数控机床的核心。数控系统正朝着以下的方向前进：（1）小型化与智能化数控系统。（2）高速化运算，高精度化控制。（3）软件化数控系统。（4）模块化与通用化数控系统。（5）高可靠性数控系统。1.2.2 结构与分类数控系统（CNC）装置由软件和硬件组成。硬件主要有微处理器、存储器、位置控制、输入输出接口、可编程控制器、图形控制、电源等模块组成。软件由管理软件和控制软件组成。管理软件系指零件加工程序的输入输出、系统的显示功能和诊断功能。控制软件则包括译码处理、刀具补偿、插补运算、位置控制和速度控制。数控机床是指采用数字形式信息控制的机床。详言之，凡是用数字化的代码将零件加工过程中所需要的各种操作和步骤以及道具与工件之间的相对位移量等记录在程序介质上，送入计算机或控制系统经过译码、运算及处理，控制机床的道具与工件的相对运动，加工出所需的工件的一类机床即数控机床。数控机床一般由输入输出设备、CNC 装置（或称 CNC 单元） 、伺服单元、驱动装置（或称执行机构） 、可编程控制器 PLC 及电气控制装置、辅助装置、机床本身及测量装置组成。其中除床身外的部分统称为计算机数控（CNC）系统。数控系统是实现机床自动化加工的核心。其基本组成包括：运算器、存储器、运动控制模块、端子板。运算器和存储器是数控系统的核心，负责程序的相关操作。运动控制模块是连接电机运动和程序执行的纽带，运动控制模块根据激振脉冲信号可以控制电机的启停和速度快慢，可以处理限位脉冲触发和电机异常运动等情况，可以按照程序代码的命令控制电机完成相应的动作，可以完成插补运动、开环或闭环控制。端子板主要是 I/O 单元，是控制传感器脉冲信号的输入或开关脉冲信号的输入输出。依照数控系统的硬件结构不同可将其分为两类：济南大学毕业设计- 5 -（1）专用型数控系统：在数控系统的早期发展中，各个厂家分别独立开发出自己的数控系统，这包括电路的设计、软件的设计、接口的定义以及辅助元件的设计。典型的生产公司包括日本的三菱、德国的西门子、西班牙的发格、意大利的裴迪亚等。这类数控系统的缺点是各个厂家之间的产品模块不通用。（2）开放式数控系统：传统意义上的数控系统是一种封闭式专用系统，存在着各个厂家的产品之间以及与通用 PC 机之间兼容性差，维修和升级困难，成本高等问题。进入 20 世纪 90 年代，各国争相研究开放式数控系统。开放式结构采用通用计算机 PC 以及配套模块共同建立开放式体系系统结构，进而使控制系统达到设计标准化、模块化，从而实现可兼容性、系列化、可扩充性和易更新换代，大大提高了通用性实现了资源资源共享，减少了系统研究和制造的花费，大大缩短了研发周期，提高了资源利用率和数控产品的竞争力。系统结构原理图如下：P CP L C 或运动控制卡机床电器键盘电机操作面板显示器图 1-2 开放式系统结构按系统组成结构主要可分为两种：第一种：PC+PLC,PC 是通用计算机，PLC 可以采用内嵌和外接两种方式。PLC 可以对电机控制模块进行选配，电机控制模块可以直接控制电机的速度、位置伺服控制以及插补控制。PLC 的输入输出接口分别连接操作面板和机床电器。第二种：PC+运动控制卡，运动控制卡控制电机的速度、位置伺服控制及插补控制，运动控制卡的输入输出接口连接操作面板和机床电器。与 PLC 相比较，运动控制卡的具有强大的电机控制模块功能、容易开发及编程、性价比高、通用性强等优点。1.2.3 现状当前，数控技术已经成为国外一种相对成熟的高端技术，其发展正在转变当中，由封闭型、专用型、开环控制模式逐步向开放型、通用型、实时动态、全闭环控制模式发展。以集成化为根基，国外的数控系统正在向小型化、超薄型发展；以智能化为平台，综合了多媒体、计算机、模糊控制、神经网络、人机学等学科，数控系统正向三高方向发展：在加工时，数控系统可以进行各项参数的自动修正和补偿。我国的数控系统均是以 PC 为平台的多通道、嵌入式和总线式的结构，利用 PC济南大学毕业设计- 6 -的软件和硬件技术进行数控系统的开发。当前，我国数控系统的研究有几个方向：基于软件芯片的开发；基于伺服控制总线技术的开发；基于 Windows 的开发；基于VC 的开发；基于 VB 的开发；基于 CPAC 的开发。1.3 控制平台1.3.1 运动控制技术固高科技运动控制器是在以高速数字信号处理器 DSP 为代表的高性能高速微处理器及大规模可编程逻辑器件 FPGA 的基础上发展而来的。基于 PC 的开放式运动控制器已成为当今自动化领域应用最广、功能最强的运动控制器，而且在全球范围内得到了广泛地应用。简单的说，运动控制器主要用于对机械传动装置的位置、速度进行实时的控制管理，使运动部件按照预期的轨迹和规定的运动参数完成相应的动作。根据运动控制的特点和应用可将运动控制器分为以下三种：点位控制运动控制器、连续轨迹控制运动控制器、同步控制运动控制器。运动控制系统的典型构成如下图所示：运动控制器反馈元件运动指令上位计算机 电机应用程序指令驱动器图 1-3 运动控制系统开放式结构的运动控制系统能充分利用 PC 机的资源，可以利用第三方软件完成用户应用程序开发，将生成的应用程序指令通过总线传输给运动控制器。运动控制器是整个控制系统的核心，它接受来自上位机 PC 机地应用程序命令，按照设定的运动模式，完成相应的实时运动规划（点位运动、多轴插补协调运动或多轴同步协调运动） ，向驱动器发出相应的命令。1.3.2 OtostudioOtostudio 是 CPAC 的应用软件开发环境。它是基于 IEC61131-3 工业控制语言标准的组态软件。Otostudio 不仅功能和结构先进而且易于掌握，因而使它成为自动化产品市场上首屈一指的编程工具。Otostudio 可以将自动化控制器变成一台实时的控制系统。济南大学毕业设计- 7 -Otostudio 提供符合 IE61131-3 标准的六种编程语言：即指令表语言（IL） 、功能块图（FBD） 、连续功能图（ CFC） 、梯形图（LD） 、结构化文本（ST） 、顺序功能图（SFC ） ，同时也支持 C 或 C+编程语言。项目管理、编辑、人机界面及调试功能的使用基于高级的编程语言。Otostudio 集成了 HMI 编程工具，用户可方便的进行人机界面的开发。应用HMI 功能所生成的画面可以直接显示在控制系统的人机界面上。Otostudio 集成了 Motion Control Function Block-运动控制功能模块。该运动控制模块包含了点位运动（PTP） 、速度运动（ JOG） 、位置时间运动（PT） 、连续轨迹运动、电子齿轮运动（GEAR）和电子凸轮运动（ Follow）等运动控制。此外，还包括“PLCopen”的标准功能。Otostudio 集成了本地 I/O 及远程 I/O 的配置、调试及诊断功能。可方便进行本地数字量输入输出模块，远程的数字量输入，输出模块，继电器输出模块，模拟量输入，输出模块的管理，满足了各个应用领域的 PLC 功能要求。Otostudio 集成了 OPC Server,可通过 OPC Server 方便地实现与其他程序的通讯。Otostudio 自动化软件自动完成轴及 I/O 模块的初始化，无需用户再进行初始化工作。此外，Otostudio 提供了 G 代码解析模块，机器人控制功能模块及其它工艺模块供用户选择，满足了多种不同行业的特殊功能要求。开发与应用层：应用程序的开发、人机界面的设计、运动规划、逻辑管理及网络数据交互等。实时调度层：绑定在控制器硬件上，用于实时运行程序及实时控制层上的操作指令的调度，管理本地 I/O，远程 I/O 及以太网数据，显示人机界面。1.4 课题来源与现实意义我国研究数控转塔冲床起步比较晚，近几年我国钣金也不断发展以及引进国外尖端技术，渐渐的越来越多的厂家已经逐渐掌握制造技术和数控冲床设计，并生产出大量产品进入市场。当前，内地有能力生产四轴及以上数控冲床的公司主要有金方圆、杨力、威压、捷迈等。虽然内地的数控转塔冲床得到了较大发展，然而仍然无法与发达国家相比拟，甚至说比较落后，很多关键技术仍依赖国外进口例如数控系统、大功率伺服电机。当今的装备控制技术迅速发展，正处于一个快速变革的时代。从半导体到消费类电子产品的加工设备领域，再到汽车和航空制造业、轻工业和物流行业等多种不同的工业装备领域都面临着日益激烈的全球竞争，装备制造业需要进一步降低价格、缩短产品开发周期，迅速完成产品的更新换代。采用计算机可编程自动化控制技术正是解决这一系列问题的有效手段。济南大学毕业设计- 8 -综上所述，对于提高我国装备行业的水平，对于基于 CPAC 的数控转塔冲床的控制系统的研究就显得很有必要。1.5 研究内容该课题的研究内容是依照开放式数控系统的理论，在 PC 和固高运动控制卡的基础上，进行数控转塔冲床的数控系统控制设计，对各个模块所需元件进行分析，绘制电路原理图，机械零件图，控制程序设计。转塔型数控冲床(冲模回转头压力机)是用来对板材进行冲孔和步冲的压力机，在其上滑块与工作台之间，有一对可以存放若干套模具的回转头(即转盘)。把待加工的板材夹持在夹钳上，使板材在上、下转盘之间相对于滑块中心沿 x、y 轴方向移动定位，按规定的程序选择所需要的模具，并由滑块冲击模具，从而冲出所需尺寸和形状的孔来。数控系统硬件采用集成运动控制器 GUC，软件平台采用 CPAC。济南大学毕业设计- 9 -2 数控转塔冲床硬件设计随着数控技术的不断发展，在冲压加工领域，数控转塔冲床不仅得到广泛的应用，而且在功能、结构和性能上也有很大发展。本节就数控转塔冲床的硬件部分，进行介绍、设计和说明。数控冲床的操作和监控全部在这个数控单元中完成，它是数控冲床的大脑。与普通冲床相比，数控冲床有如下特点： 加工精度高，具有稳定的加工质量； 可进行多坐标的联动，能加工形状复杂的零件； 加工零件改变时，一般只需要更改数控程序，可节省生产准备时间； 冲床本身的精度高、刚性大,可选择有利的加工用量，生产率高； 冲床自动化程度高，可以减轻劳动强度； 对操作人员的素质要求较高，对维修人员的技术要求更高。2.1 机械部分数控冲床的运动轴：X 轴：将工件沿垂直于床身方向移动的伺服控制轴Y 轴：将工件沿垂直于床身方向移动的伺服控制轴A 轴：旋转转塔型刀具库选择模具的旋转轴C 轴：模具自动分度的旋转轴，可以任意角度的旋转模具数控冲床的加工方式：1）单冲：单次完成冲孔，包括直线分布、圆弧分布、圆周分布、栅格孔的冲压。2）同方向的连续冲裁：使用长方形模具部分重叠加工的方式，可以进行加工长型孔、切边等。3）多方向的连续冲裁：使用小模具加工大孔的加工方式。4）蚕食：使用小圆模以较小的步距进行连续冲制弧形的加工方法。5）单次成形：按模具形状一次浅拉深成型的加工方式。6）连续成形：成型比模具尺寸大的成型加工方式，如大尺寸百叶窗、滚筋、滚台阶等加工方式。7）阵列成形：在大板上加工多件相同或不同的工件加工方式。数控冲床的工位：冲床的设计原理是将圆周运动转换为直线运动，由主电机出力，带动飞轮，经离合器带动齿轮、曲轴（或偏心齿轮） 、连杆等运转，来达成滑块的直线运动，从主电动机到连杆的运动为圆周运动。连杆和滑块之间需有圆周运动和直线运动的转接点，其设计上大致有两种机构，一种为球型，一种为销型（圆柱型） ，经由这个机构将圆周运动转换成滑块的直线运动。冲床对材料施以压力，使其塑性变形，而得到所要求的形状与精度，因此必须配合一组模具（分上模与下模） ，将材料置于其间，由机器施加压力，使其变形，加济南大学毕业设计- 10 -工时施加于材料之力所造成之反作用力，由冲床机械本体所吸收。2.1.1 机械部分简要设计数控转塔冲床的设计可以分为很多部分，其中主要包括：主传动系统设计、夹具控制部分设计、转塔控制部分设计，由于这些部分本课题组中已有人进行设计，而我的设计主要内容是数控转塔冲床的数控系统设计，所以本人为了进一步了解简单冲床，进行了简单手动冲床的简易设计，该手动冲床主要包括主轴部分、工作台部分，主轴部分是采用带轮、齿轮等进行传动的，工作台主要是通过丝杠进行手动进给的，机械部分主要进行了手动冲床的总装图设计，之所以没有将所有装配部分剖开画，是因为图幅受限以及这些部分我们都设计过，在此没必要赘述，画总装图的目的是为了让我们明白冲床具体包括哪些部分。零件设计其实无外乎齿轮带轮的设计而已，此处主要进行了齿轮的简单设计，齿轮设计主要包括齿数选择、按齿面接触强度进行设计、按齿根弯曲强度进行设计、几何尺寸计算及结构设计。2.2 数控转塔冲床的组成原理数控转塔冲床是高速冲压设备的一种，具有多个模位，换模方便快速，可实现快速制造。本课题研究的是数控转塔冲床为以 GUC 运动控制器为平台的伺服驱动式数控冲床，主轴采用伺服电机驱动正旋机构，使滑块往复上、下运动，冲击上转盘的上模从而实现对板材冲裁加工，正旋机构可以大大的扩大伺服电机驱动冲头的冲击力。两转盘由伺服电机经同步带轮同步带动，板料的移动可由滑动夹钳来实现。X、Y 轴运动方向是由伺服电机、滚珠丝杠副等传动来实现的，数控转塔冲床主要由以下几部分组成：（1）数控系统：数控系统是数控转塔冲床的核心，也是实现自动加工的核心，可以起到实时监测数控转塔冲床的加工环境和工作状态的作用，并可以接受操作人员进行的操作命令，使机床各部件实现其各自的功能并协调动作来完成加工任务。数控系统主要由以下几部分组成：主控机、显示器、键盘、操作面板和控制软件组成。（2）伺服系统：伺服系统是数控转塔冲床运动控制的最主要的部件之一，可以直接对各个轴进行驱动运动，它可以接收数控系统的运动命令，并对数控转塔冲床各轴速度、位置进行控制，伺服控制系统主要由：主轴电机伺服，X 轴电机伺服，Y轴电机伺服以及 T 轴即转塔轴电机伺服组成。（3）电气系统：电气系统由主电路、辅助功能控制电路和控制电路三部分组成。交流主电路为强电部分，两个控制电路为弱电部分，电气系统的总体为电气柜，所有的电气元件或者与数控系统连接，或者直接安装在电气柜中。（4）机床床身：主要有底座和外罩，为数控转塔冲床其他部件提供一个安装平台，也可以提供良好的抗震性能以使机床正常工作。（5）传动系统：主要由主轴传动机构，X 轴传动机构，Y 轴传动机构和 T 轴传济南大学毕业设计- 11 -动机构组成。其主要功能是将伺服电机的输出转换成轴的运动，T 轴采用电机驱动的带传动方式，主轴采用正旋机构的方式。（6）辅助部件：主要由转塔定位销，主轴离合器，工件定位装置和夹钳组成。2.3 数控转塔冲床系统控制方案2.3.1 数控机床操作流程将编制的加工程序输入数控系统，具体的操作方法是： 1）启动数控机床： 先通过机械操作面板启动数控机床，接着由CRT/MDI面板输入加工程序，然后运行加工程序。 启动数控机床操作 ： 机床启动按钮ON 程序锁定按钮OFF 编辑操作： 选择MDI方式或EDIT方式 按（PRGRM）健 输入程序名 键入程序地址符、程序号字符后按（INSRT）键。 键入程序段 键入程序段号、操作指令代码后按（INPUT）键。 运行程序操作： 程序锁定按钮ON 选择自动循环方式 2） 调用程序操作： 调用已储存在数控系统中的加工程序，具体的操作方法先通过机械操作面板启动数控机床，接着调用系统内的加工程序，然后运行程序。 启动数控机床操作 ： 机床启动按钮ON 程序锁定按钮OFF 调用程序操作 ： 选择MDI方式或EDIT方式 按（PRGRM）键 调用程序 键入程序地址符、程序号字符后按（INPUT）键。 运行程序操作： 程序锁定按钮ON 选择自动循环方式 按自动循环按钮2.3.2 数控系统控制总体方案随着数控技术的不断发展，通用性数控系统即开放式数控系统的需求在不断加大，鉴于传统的数控系统大部分为封闭式系统，各个厂家产品兼容性差，维修和升级困难，已经不能满足市场对数控系统的要求和期望，从而，开放式数控系统已经逐步的成为主流。本课题采用的是 PC+运动控制卡组成的数控系统的方法，其中 GUC 包括 PC 和运动控制器，下位机 PC 通过网络端口与上位机连接，利用上位机来控制下位机，运动控制卡通过 VGA 与显示器连接，通过 PS/2 与键盘连接，通过插槽经单片机扩展与驱动器连接，然后驱动器和电机及编码器进行连接，在此，运动控制卡独立完成逻辑控制和运动控制，驱动器控制电机的位置和速度，编码器和感应器来进行精确控制与监测。PC 和运动控制卡通过 ISA 和 PCI 接口连接。其硬件组成如下图：济南大学毕业设计- 12 -主操作面板 C P A C 平台显示器 N C 代码伺服电机键盘A 4 驱动器P C + G T S 卡图 2-1 数控系统控制原理图2.3.3 运动控制卡由于运动控制卡需要控制机床4个轴电机的运动，包括主轴伺服电机、送料系统的X、Y轴伺服电机以及上下转塔伺服电机，同时运动控制卡还必须具备驱动继电器的功能。根据上而的需求，本课题选用固高公司基于PCI插槽的GT系列四轴运动控制卡GT-400SV-PCIR.2.3.4 伺服控制伺服控制中，profile 输出的规划位置进入axis 中，在axis 中进行当量变换的处理后，输出到伺服控制器中，伺服控制器将规划位置与encoder 的计数位置进行比较，获得跟随误差，并通过一定的伺服控制算法，得到实时的控制量，将控制量传递给dac，由dac 转换成控制电压来控制电机的运动。axis 需要驱动报警、正向限位信号、负向限位信号、平滑停止信号、紧急停止信号等一些数字量输入信号来对运动进行管理；同时，axis 需要输出伺服使能信息给数字量输出，来使电机使能。2.4 电气部分设计2.4.1 面板设计操作面板主要用于根据自己的所需要的控制机床的各种功能及各种动作，它主要包括各种按钮、旋钮及一些系统各类信号的指示，根据所设计的数控转塔冲床所实现的基本功能要求设计的面板图如下所示：济南大学毕业设计- 13 -图 2-3 操作面板部分按钮功能介绍如下：循环启动：在自动方式下控制机床按照所编辑好的程序运行。进给保持：就是随时选停。编辑、NC：为两种程序输入方式。自动、手动、MID、回零：工作方式的切换。手动冲压：手动使冲头冲一次。手轮 X、手轮 Y、T 销入、T 销出：在手动方式下手动控制对应轴。跳步、单段、空行程：机床的运行状态。2.4.2 运动控制卡的连接端子板的 CN3 接由用户提供的外部电源。板上标有+12V+24V 的端子接+12V+24V，标有 OGND 的接外部电源地，至于使用的外部电源的具体的电压值，取决外部的传感器和执行机构的供电要求，使用时应根据实际要求选择电源。专用输入包括：驱动报警信号、原点信号和限位信号，通过 CN5（CN6 、CN7） 、CN12 与驱动器及外部开关相连。专用输出包括：驱动允许，驱动报警复位。专用输出通过端子板CN5、 CN6、 CN7 与驱动器连接。 CN5 对应 1 轴，CN6 对应 2 轴，CN7 对应 3 轴。编码器信号如果是差动输入，可以直接连接到 CN5 (CN6、CN7、CN8) 的 A+、A-、B+、B-、C+、C-和 VCC、GND；如果是单端输入信号，将编码器信号连接到 CN5 (CN6、CN7、CN8) 的 A+、B+、C+和 VCC、GND 上，同时将 A-、B-、C-悬空。济南大学毕业设计- 14 -我们熟悉了这些接口以后，对于我们的电气原理图的设计非常有帮助，我们通过 CN5(CN6、CN7)将控制卡与伺服控制器连接，伺服控制器再与伺服电机连接，编码器也有相应的接口连接，下面就是 X 轴控制电路原理图：图 2-4 X 轴控制原理图2.4.3 其他技术研究在数控系统设计过程中，基于选用的固高运动卡只能接收 16 位的输入信号，而实际用到的输入信号大大超出所能提供的，因此需要对 I/O 口进行扩展。I/O 扩展采用的是用 C8051 单片机进行扩展。I/O 接口扩展图见下图，由于图过大，所以一部分一部分的介绍，最后通过网络标号串接起来。图 2-6（1） 电源模块济南大学毕业设计- 15 -图 2-6（2） C8051F020 单片机模块图 2-6（3） 激振器、调试电路等外围模块图 2-6（4）输入模块的编码部分济南大学毕业设计- 16 -图 2-6（5） 输入模块的按键部分图 2-6（6） 输出部分以上这些部分是通过网络标号串接起来的。2.5 本节小结本章起初介绍了数控转塔冲床的原理和结构，并且阐释了各个部分的功能；然后了各个部分的功能；然后进行了数控系统的总体方案设计。济南大学毕业设计- 17 -3 数控系统软设计如果说硬件是数控系统的基石，也是整个数控系统的执行者，那么，软件就是整个数控系统的灵魂，硬件系统各部分之间需要软件系统来协调与连接，硬件是软件得以实现的平台，软件就是硬件发挥功效的途径，只有具有完善软件系统的硬件系统才能正常工作，且能实现硬件系统各部分的功能。软件工程是计算机软件开发与维护的学科，就是采用工程的理念来开发与维护软件。软件开发必要的步骤包括 23:（1）需求分析，分析软件的开发目标和需要的功能。（2）设计流程，根据需求来设计软件的流程和模块。（3）编码和实现，实现软件的具体编制。（4）测试和维护。3.1 软件需求分析软件需求分析就是分析软件所实现的功能，主要包括预期的目标、软件功能和软件维护等。3.1.1 预期目标软件的预期目标是整个软件开发的向导，它指导我们确定软件的具体功能，指导我们确定软件的验收基准，该课题软件的预期目标有：（1）协调硬件系统正常工作。（2）为操作人员提供良好的可视化操作环境。（3）可以实现数控系统基本的参数要求。3.1.2 软件功能软件的功能是根据具体的需求以及预期目标来确定的，程序编码和实现是以软件的功能为重要依据的，该课题的软件功能主要有：（1）友好的界面：界面操作通用化，便于操作人员学习和掌握。（2）直观化的加工显示：可以在屏幕上直接看到加工效果和加工进度。（3）友好的参数界设置面：每个参数都有注解，利于操作人员进行参数设置。（4）多种操作方式：手动、自动、编辑、MDI 和回零。（5）自动诊断功能：当发生异常时给出提示，以便操作人员排除故障。该控制系统的研发是采用 GUC 控制平台的方式，其中上位机实现代码处理，显示，仿真，刀具库管理，参数以及对下位机传达指令等功能，所以需要绘制系统软济南大学毕业设计- 18 -件流程图。3.1.3 软件的完善及维护软件开发是一个不断反馈的过程，经过初期开发，软件可以正常投入使用并不代表软件就已经很完善，此时软件仍然会存在一些细节上的问题，这便需要软件的后续开发人员进行持续开发和维护。软件的完善及维护需要一个相对较长的时间，故在编写代码的时候要进行代码的详细注解，提供编程文档。软件的完善及维护的主要工作便是针对使用过程中的问题对软件进行小范围的修改。 193.2 软件模块的划分根据功能要求可将软件分为以下几个模块：（1）界面设计模块：操作的各个层次结构及布局；（2）参数设置模块：刀具参数，伺服参数等参数的设置；（3）定时检测输入输出模块：检测输入输出情况；（4）运动控制模块：向各个轴传递信号；（5）报警诊断模块：再出现异常时报警并停止动作。3.3 软件编码与实现数控系统界面外在表现为用户界面，其基本功能是将各种功能信息以直观化的方式展现给用户，并把用户的选择传输到工控机执行层，它还决定了数控系统的交互模式，即决定了数控系统的事件响应机制：优秀的用户界面应当界面友好，亲和力强，能够最大限度的反馈系统运行的状态，让出版方便掌握系统的运行 24。3.3.1 用户界面设计人机界面有机部分组成：（1）图形显示区：用于显示图形加工情况或各轴运动轨迹。（2）代码显示区：用于显示手动输入的代码或传输的 NC 代码。（3）功能按钮栏：从 F1-F10 对应十个功能，F1(打开)、F2 （保存） 、F3（图像）、F4（代码） 、F5 （提示） 、 、 、 、F10(菜单)。（4）用户键盘：主要用于手动编程。（5）提示框区：显示加工过程的错误。（6）基本信息提示：显示系统工作状态。该系统的简易面板图如下：济南大学毕业设计- 19 -图 3-1 人机界面设计3.4 将数控系统与 CPAC 连接通过 CPAC 进行编程以实现对数控系统乃至对整个机械系统的控制，CPAC 可以实现 8 轴的控制，在此我们仅需要控制 3 轴，这样就是工作更加简单，在 CPAC济南大学毕业设计- 20 -软件平台上对每一个轴编写程序，首先选择控制模式，然后就可以编程，编译，运行了。3.5 本节小结本节首先从软件工程的角度出发介绍了数控转塔冲床数控系统软件大体框架，利用结构化设计方法，进行了软件功能模块划分，根据功能要求，进行软件的人机界面设计，简要说明了数控系统与 CPAC 的链接。济南大学毕业设计- 21 -4 测试实验4.1 测试平台在进行了数控系统的硬件设计