单片机控制的数控车床实验台的设计

摘 要随着数控技术的飞速发展，机械制造业的生产方式、产品结构、发生了深刻的变化。在我国数控机床的发展过程中，MCS-51系列单片机在数控技术领域中得到广泛应用，经济型数控系统大多采用MCS-51系列单片机。本文在分析了数控车床的特点和实验台应该具备的功能后，确定采用基于单片机控制的系统总体结构方案。设计方案由系统硬件结构和系统软件结构两部分组成。关键词：数字控制，单片机系统，数控车床ABSTRACTWith the development of NC, there have been many changes in mechanical industry, such as producing method and struture of product. MCS-51 single microcomputers have been used widely in NC, especially in ecomical NC equipments in china. Based on MCS-51 single microcomputers, the NC lathe training equipment is designed with less money for the professional NC courses.After analyzing the feature of NC lathe and defining the functions of training equipment, a system general scheme is assumed by hardware architecture and software architecture, which uses MCS-51 single microcomputer.KEY WORDS: training equipment, numeric control, single microcomputer system目 录1 引言1.1 数控机床的产生与发展1.2 我国数控机床的发展概况1.3 本课题研究的背景2 数控车床实验台的性能要求2.1 数控机床的组成及工作原理 2.2 数控车床的特点2.3 数控车床实验台的方案设计2.4 数控车床实验台的性能要求3 实验台硬件系统的实现3.1 数控车床实验台硬件系统设计遵循的原则3.2 微机控制的数控车床实验台硬件系统的具体设计.4 实验台功能原理及插补算法4.1车削数控原理、实验台插补功能要求和插补算法的选择4.2数字积分插补法参考文献 中英文翻译附 录致 谢1 引言数字控制（numerical controlNC）简称数控，是一种利用数字化信息对设备运动及加工过程进行控制的一种自动化技术。将数控技术实施到加工控制中去的机床，或者说装备了数控系统的机床被称为数控（NC）机床。数控机床作为一种使用广泛、典型的机电一体化产品，综合应用了微电子技术、计算机技术、自动控制、精密测量和机床结构等方面的最新成就，是一种高效自动化机床。数控系统不仅能控制机床各种动作的先后顺序，还能控制机床运动部件的运动速度以及刀具的运动轨迹。由于数控机床的高效率、高精度和高柔性代表了机床的主要发展方向，所以它已经成为目前机加工自动化生产过程中最具代表性的核心设备，且成为计算机辅助设计与制造、柔性制造系统、计算机集成制造系统等柔性加工和柔性制造系统的基础。1.1 数控机床的产生与发展1.1.1 数控机床的产生随着科技的不断发展，对各种产品的质量和生产效率提出了高要求。产品加工过程的自动化是实现高质量、高效率的重要措施。飞机、汽车等生产企业大多采用自动机床、组合机床和自动生产线，从而保证了产品质量，提高了生产效率和减轻了操作者的劳动强度。但是，在产品加工中，单件、小批量生产的零件约占机加工总量的80以上。对这些多品种、小批量、形状复杂、精度要求高的零件的加工，采用专业化程度高的自动机床和自动生产线就很不合适。在市场经济大潮中，产品竞争日趋激烈，为求得生存与发展，各企业纷纷在提高产品技术档次、增加产品种类、缩短试制与生产周期和提高产品质量上下功夫，即使批量较大的产品，也不大可能多年不变，必须经常开发新产品，频繁地更新换代。传统的自动化生产线难以适应小批量、多品种生产要求。为了解决上述问题，一种灵活、高精度、高效率的自动化设备数控机床应运而生。1952年美国帕森斯公司和麻省理工学院在美空军的委托下，合作研制出世界上第一台三坐标数控铣床，完成了直升飞机叶片轮廓检查用样板的加工。这是一台采用专用计算机进行运算与控制的直线插补轮廓控制数控铣床。经过三年的试用、改进与提高，数控机床于1955年进入实用化阶段，在复杂曲面的加工中发挥了重要作用。尽管这种初期数控机床采用电子管和分立元件硬接线电路来进行运算和控制，体积庞大而功能单一，但它采用了先进的数字控制技术，具有强大的生命力，它的出现开辟了工业生产技术的新纪元。从此，数控机床在全世界得到了迅速发展。1.1.2数控机床的发展最早采用数字控制技术进行机械加工的想法，是在20世纪40年代初提出的。当时，美国北密执安的一个小型飞机工业承包商帕森斯公司在制造飞机框架及直升飞机叶片轮廓用样板时，利用计算机对叶片轮廓的加工路径进行了数据处理，并考虑了刀具半径对加工路径的影响，使得加工精度达到0.0015in。1952年，美国麻省理工学院研制出的三坐标联动、利用脉冲乘法器原理的试验性数字控制系统是数控机床的第一代。1959年，电子行业研制出晶体管元器件，因而数控系统中广泛采用晶体管和印刷电路板技术，跨入了第二代。1959年3月，由美国克耐杜列克公司发明了带有自动换刀装置的数控机床，称为“加工中心” 。1960年，出现了小规模集成电路。由于其体积小、功耗低，使数控系统的可靠性进一步提高，数控系统发展到第三代。以上三代，都是采用专用控制的硬件逻辑数控系统（NC） 。1967年，英国首先把几台数控机床连接成具有柔性的加工系统，这就是最初的FMS（Flexible Manufacturing System）柔性制造系统。随着计算机技术的发展，小型计算机开始取代专用控制的硬件逻辑数控系统（NC） ，数控的许多功能由软件程序实现。由计算机作控制单元的数控系统（CNC） ，称为第四代。1970年前后，美国英特尔公司开发和使用了微处理器。1974年，美、日等国首先研制出以微处理器为核心的数控系统的数控机床。20多年来，微处理器数控系统的数控机床得到了飞速发展和广泛应用，这就是第五代数字控制（MNC） ，后来将MNC也统称为CNC。20世纪80年代初，国际上又出现了柔性制造单元FMC。FMC和FMS被认为是实现计算机集成制造系统CIMS的基础。 数字控制系统的许多优点使数控机床得到广泛发展，数控技术还被广泛应用于工业机器人、数控线切割机、数控火花切割机、坐标测量机、绘图仪等设备上。1.2我国数控机床的发展概况我国对数控系统的研究开发始于50年代，但真正得到发展是从80年代开始，经历了“六五”、 “七五”期间的消化吸收引进技术， “八五” 期间科技攻关开发自主产权数控系统两个阶段，已为数控机床的产业化奠定了良好的基础。 “九五” 期间数控机床发展已进入实现产业化阶段。数控机床新开发品种300多个，已有一定的覆盖面。新开发的国产数控机床产品大部分达到国际80年代中期水平，部分达到90年代水平，为国家重点建设提供了一批高水平数控机床。我国数控系统在技术上已趋于成熟，在重大关键技术上（包括核心技术） ，已达到国际先进水平。目前，已新开发数控系统80多种。自“七五” 以来，国家一直把数控系统的发展作为重中之重来支持，现已开发出具有中国版权的数控系统，掌握了国外一直对我国封锁的一些关键技术。特别重要的是，我国数控系统的可靠性已有很大提高，MTBF值可以在15000h以上。同时大部分数控机床配套产品已能国内生产，自我配套率超过60%。这些成功为中国数控系统的自行开发和生产奠定了基础。1.3本课题研究的背景单片微型计算机简称单片机，是将计算机的基本部件微型化，使之集成为一块芯片的微机。片内含有CPU、ROM、RAM、并行I/O接口、串行I/O接口、定时器计数器、中断系统、系统时钟及系统总线等。MCS-51 单片机在片内存储器容量、I/O的功能以及指令系统功能等方面都大大地得到加强，特别适用于实时控制、智能仪表、主从结构的多机系统领域，是控制领域中最理想的8位机。MCS-51系列单片机具有集成度高、系统结构简单、可靠性高、处理功能强、速度高、容易产品化等特性，因此在我国数控机床发展过程中，经济型数控系统大多采用MCS-51型系统单片微型计算机，它是超大规模集成电路发展的产物，在数控领域得到广泛应用。2 数控车床实验台的性能要求2.1数控机床的组成及工作原理2.1.1数控机床的组成数控机床的组成如图2-1所示。图2-1 数控机床的组成计算机数控装置是数控机床的核心。其根据输入的零件加工程序或操作命令进行相应的处理，输出控制命令到相应的执行部件，完成零件加工程序或操作所要求的工作。伺服单元和驱动装置包括主轴伺服驱动装置、主轴电动机、进给伺服驱动装置及进给电动机。测量装置是实现主轴控制、进给速度闭环控制和进给位置闭环控制的必要装置。主轴伺服系统实现零件加工的切削运动，进给伺服系统实现零件加工所需的成形运动。操作面板，是操作人员与数控机床（系统）进行信息交互的工具，主要由按钮站、状态灯、按键阵列和显示器等部分组成。操作人员通过它对数控机床进行操作、编程、调试或对机床参数进行设定和修改，也可以通过它了解或查询数控机床的运行状态。控制介质是人与机床建立联系的介质。程序输入输出设备是CNC系统与外设进行信息交互的装置，目前数控机床常用的控制介质和程序输入输出设备是磁盘和磁盘驱动器等。此外，现代数控系统一般可利用通信方式进行信息交换。这种方式是实现CADCAM的集成、FMS和CIMS的基本技术。PLC用于进行与逻辑运算、顺序动作有关的IO控制，它由硬件和软件组成。机床IO电路和装置是用于实现IO控制的执行部件，由继电器、行程开关、接触器等组成的逻辑电路。它们共同完成以下任务：接受CNC的M、S、T指令，对其进行译码并转换成对应控制信号，控制辅助装置完成机床相应的开关动作；接受操作面板和机床传送来的IO信号，送给CNC装置，经其处理后，输出指令控制CNC系统的工作状态和机床的动作。机床本体是数控系统的控制对象，实现加工零件的执行部件，由主运动部件、进给运动部件、支承件以及特殊装置、自动工件交换系统、自动刀具交换系统和辅助装置组成。数控机床的组成相对普通机床有以下几个特点：由于大多数控机床采用高性能的主轴及伺服传动系统，因此它的机械传动结构得到简化，传动链较短；为适应数控机床连续自动化加工，它的机械结构具有较高的动态刚度、阻尼精度及耐磨性，热变形小；更多采用高效传动部件，如滚珠丝杠副等；不少还采用刀库和自动换刀装置以提高工作效率。2.1.2 数控机床的工作原理数控加工与普通机加工不同点主要表现在控制方式上。用普通机床加工零件时，工步的安排、机床运动的先后次序、走刀路线及有关切削参数的选择等，都由操作者自行确定，而且用手工方式来进行控制。操作者总是根据零件和工序卡要求，在加工过程中不断改变刀具与工件的相对运动轨迹和加工参数（位置、速度等） ，使刀具对工件进行切削，得到所需的合格零件。如采用自动车床、仿形车床和仿形铣床加工，也能达到对加工过程实现自动控制的目的，但控制方式是通过预先配置的凸轮、挡块及靠模来实现的。在CNC机床上，传统加工过程中的人工操作均被数控系统的自动控制所取代。其工作过程是：首先将刀具与工件的相对运动轨迹、加工过程中主轴速度和进给速度的变换、冷却液的开关、工件和刀具的交换等控制和操作，按规定的代码和格式编加工程序，然后将该程序送入数控系统。数控系统则按照程序要求，先进行相应的运算、处理，然后发出控制命令，使各坐标轴、主轴以及辅助动作相互协调，实现刀具与工件的相对运动，自动完成零件的加工。CNC系统的数据转换过程如图2-2所示。图2-2 CNC系统的数据转换过程译码程序的主要功能是将用文本格式（通常用 ASC II码）表达的零件加工程序，以程序段为单位转换成刀补处理程序所要求的数据结构（格式） ，该数据结构用来描述一个程序段解释后的数据信息。它主要包括： X、 Y、 Z等坐标值，进给速度，主轴转速，G代码，M代码，刀具号，子程序处理和循环调用处理等数据或标志的存放顺序和格式。为方便编程，零件加工程序通常是按零件轮廓或按工艺要求设计的进给路线编制的，而数控机床在加工过程中控制的是刀具中心（准确说是刀位点）轨迹，因此在加工前必须将编程轨迹变换成刀具中心的轨迹。刀补处理就是完成这种转换的处理程序。数控编程提供了刀具运动的起点、终点和运动轨迹，而刀具怎么从起点沿运动轨迹走向终点则由数控系统的插补装置或插补软件来控制。该程序以系统规定的插补周期 T定时运行，它将由各种线形（直线、圆弧等）组成的零件轮廓，按程序给定的进给速度 F，实时计算出各个进给轴在 T内的位移指令（ X1、Y1） ，并送给进给伺服系统，实现成形运动。插补计算的原理及插补与加工精度的关系将在后面进一步讨论。CNC系统对机床的控制分为对各坐标轴的速度和位置的“轨迹控制”和对机床动作的“顺序控制” 或称“逻辑控制” 。后者是指在数控机床运行过程中，以CNC内部和机床各行程开关、传感器、按钮、继电器等开关信号状态为条件，并按预先规定的逻辑关系对诸如主轴的起停、换向，刀具的更换，工件的夹紧、松开，液压、冷却、润滑系统的运行等进行的控制。PLC控制就是实现上述功能的功能模块。通过以上介绍可知：数控加工原理就是将预先编好的加工程序以数据的形式输人数控系统，数控系统通过译码、刀补处理、插补计算等数据处理和PLC协调控制，最终实现零件的自动化加工。2.2数控车床的特点通常数控车床由床身、主轴箱、刀架、进给系统和冷却系统等几部分组成,其结构特点主要体现在进给系统、刀架等方面。由于实现了CNC,进给装置用伺服电机驱动,以连续控制刀具的纵向(Z轴)和横向(X轴)的运动,完成对回转体零件的内外型面的加工。进给系统中没有走刀箱、溜板箱和挂轮架，直接用伺服电机通过滚珠丝杠副驱动溜板和刀架进给，大大简化了进给系统的结构，传动链路线短，刚性好,加工精度高。由于刀架移动采用滚珠丝杠副,因而运动轻巧。刀架是数控车床的重要部件，对车床的整体布局影响很大，两坐标连续控制的数控车床一般采用4、8、10工位的回转刀盘。在车床上加工零件时,工件装夹在三爪卡盘上,随主轴一起绕轴旋转。车刀固定在走刀架上,随刀架一起沿车床的纵轴(Z轴)和横轴 (X轴)移动。车刀刀尖的直线运动与工件的旋转运动形成切削表面。由于工件只随主轴旋转，所以在车床上加工零件的基本形状是一个绕主轴( Z轴)的回转体。车床加工的工件以柱面、锥面和球面为基本形状，其它形状都是由这些基本形状组合而成。上述三种基本形状的图形都要求车刀刀尖走出二种基本的轨迹，即直线和圆弧。以上分析的车床的运动为连续动作，即要求控制对象（车刀）在平面走出连续的轨迹。车床还有一些辅助运动，如：主轴的正反转与停止冷却泵的启动与停止等运动。这些辅助运动属于断续的开关动作。所以，车床的动作包括连续动作和开关动作。2.3 数控车床实验台的方案设计数控车床的连续动作由CNC系统的插补功能完成。对于经济型数控机床，考虑到成本，其进给运动采用步进电机驱动的开环系统。车刀刀尖的进给有纵轴和横轴两个方向，所以由两只步进电机驱动。指令G01实现直线插补；指令G02实现顺时针圆弧插补；指令G03实现逆时针圆弧插补。车削加工可以认为是切削的刀尖移动形成切削面。通常刀尖的半径很小，所以在本系统中舍弃刀具半径补偿功能。为提高机床工作效率，在机床处于非切削状态时，需要机床具有快速定位功能。快速定位不要求车刀走出曲线轨迹，只要车刀以最快速度到达指定点。指令G00实现快速定位。当车削加工采用绝对坐标时，还需要一开始就建立工件坐标系，这由指令G92实现。有时由于加工情况的实际需要, 在车削加工过程中,要实现一段时间的暂停，这由指令G04来完成。车床开关动作控制由CNC系统的辅助功能完成。本文所研制的实验台由PLC控制主轴正反转与停止以及冷却泵的启动和停止：由指令M03实现主轴顺时针旋转,指令M04实现主轴逆时针旋转,指令M05实现主轴停；指令M08实现开冷却液,指令M09 实现关冷却液。在车削加工过程中，有时需要机床暂停一段时间完成一些其它工作，工作完成后再重新从断点继续加工，这由指令M00程序暂停来实现。另外，还需要程序结束指令M02。 为了实现不同形状工件的加工。用户必须把工件的外形尺寸，走刀顺序等要求以数控加工程序的形式输入计算机内存。数控机床发展到现在，数控指令的形式在国际上已形成标准，即ISO标准。以下是在数控车床上加工某一零件的数控加工程序：%101N10 G92X20Z40N20 G00X18Z1N30 G01W-10F0.5N40 G00X20Z40N50 M02从上述程序可以看到，数控加工程序首先有一个程序号，以%打头；其次是程序内容，其中包含若干行，每一行称为一程序段，每一程序段最前面都有一个以N打头的段号；段号后面由若干字组成，这些字都由一个字母开头，后面跟着若干位数字。字主要有准备功能字G、辅助功能字M、尺寸字如X（U） 、Z（W） 、进给功能字F、刀具号字T等。为输入数控指令，并在输入存在错误时可修改，必须能对程序进行编辑，这就要一个键盘显示输入输出系统。经济型数控车床的显示器一般采用数码管。本实验台以一个米字数码管来显示字母，以七个八段共阴极的数码管来显示符号和数字。数控源程序可以通过键盘输入，也可以通过计算机通信口输入。本系统配备RS232C串行通信接口和个人微机通信,这样大量的后台计算和处理工作通过个人计算机来完成,最后将程序通过串行通信口送入数控系统去执行。系统加工时将数控加工程序一条条从内存中读出进行译码（对数控源程序代码进行翻译）以执行相应的动作。此外,系统的工作方式有程序编辑方式、手动操作方式、全程序运行、单段程序运行等运行方式,这些由工作方式选择开关确定。为了能对工作台的初始位置进行调整，系统还必须备有手动调整开关。机床运行过程中的一些状态如车刀是否越界等,都必须随时向操作者显示出来。这些都由操作面板来实现。根据以上分析，本数控系统确定采用如图2-3所示的总体方案，它是一个单微机系统。图 2-5 车 床 控 制 系 统 总 体 结 构 构 图键 盘与 数码 管显 示 X轴 驱 动 电 路Z轴 驱 动 电 路单片机与存储器 光电隔离接口电路 步 进 电 机步 进 电 机 机床通信接口 接口电路 光电隔离 PLC强电电路 操 作 面 板图2-3 车床数控系统总体结构2.4 数控车床实验台的性能要求 2.4.1 控制功能(1)运动控制轴控能力：应实现X、Z两直线移动轴的联动位置控制；主轴控制: 包括主轴的开停，正反向，旋转位置的反馈。进给速度控制:包括运动进给速度设置，速度倍率调整,自动加减速度控制等；手动控制:点动进给,手摇脉冲发生器控制,手动速度调整。(2)刀具控制自动换刀；刀具使用状态监测；刀具参数值设置。(3)保护控制正负行程的软、硬限位；进给高低速限制。(4)辅助功能控制:包括冷却、照明。2.4.2 操作功能(1)运动方式选择程序运行:自动运行、单步运行、暂停及暂停恢复，空运行，坐标参考值设置；手轮运行:对系统轴的正负向运动进行控制；MDI方式:手动程序数据输入。(2)程序操作程序的输入输出:手工键盘输入、网络通讯输入等；程序的编辑；程序管理。(3)显示操作系统状态显示:包括I/O信号监测、运行方式选择、正在使用的刀具信息等；位置显示:机床坐标系的位置报告,工件坐标系的绝对/相对位置报告等；故障报警。2.4.3 诊断功能(1)编程错误提示 (2)操作错误提示 (3)执行错误提示 3 实验台硬件系统的实现实验台性能目标的实现在相当程度上取决于硬件结构。本章将遵循硬件系统设计的原则，对数控车床实验台的硬件结构进行详细讨论。3.1 数控车床实验台硬件系统设计遵循的原则为使数控车床实验台硬件系统设计趋向合理化，在设计过程中着重考虑如下几个方面：(1) 尽量选用标准化、模块化的典型电路,从而提高设计的成功率。(2) 尽量选用功率强、集成度高的微机芯片,因为采用这种器件可能代替某一部分电路,使系统可靠性增加。(3) 注意选用通用性强、市场货源充足的元器件。(4) 系统的扩展及各功能模块的设计在满足应用系统功能要求的基础上,留有适当的余地,以备将来进行修改、扩展。(5) 努力采用最新的一些技术,因为电子技术发展迅速,器件更新换代很快,市场上不断推出性能更优、功能更强的芯片。(6) 电路设计时,充分考虑应用系统各部分的驱动能力,因为不同的电路有不同的驱动能力,对后级系统的输入阻抗要求也不一样。实验表明:如果阻抗匹配不恰当,系统的驱动能力不够,可能导致系统的不可靠性甚至于使系统无法进行工作。值得一提的是,系统的不可靠性很难通过一般的测试手段来确定。因此,在电路的设计过程中,应该特别注意系统的驱动能力、尽量减少系统的损耗。(7) 电路设计过程中要注意电平的匹配,TTL和CMOS电平单片机扩展时,不应该超过其驱动能力,如CMOS电路不使用的输入端不允许浮空,否则会引起逻辑电平不正常,容易接受外界干扰产生错误动作。(8) 系统的抗干扰设计,这个问题在硬件设计中也有十分重要的意义。3.2硬件系统具体设计数控系统是在硬件的支持下，执行软件来进行工作的。其控制功能在相当程度上取决于硬件结构。最早的数控系统采用硬接线方式（NC）,其通用性和灵活性差,随着计算机技术的迅速发展，硬接线方式数控（NC）系统很快被计算机数控（CNC）系统所取代。现代微型计算机取代了小型计算机，随之出现了微机数控（MNC）系统。现代数控机床所配的控制系统都为MNC系统，但是习惯上仍然沿用计算机数控（CNC）一词。CNC系统在通用性灵活性使用范围诸方面具有更大的优越性。CNC系统的核心是CNC装置，CNC装置主要用于控制机床的运动，完成各种曲线轮廓的加工。不论进行哪种加工，CNC装置都执行同一基本控制流程，即首先读取零件程序（输入） ，再进行程序段的译码（对数控源程序代码进行翻译）和预处理（刀具补偿处理和进给速度处理） ，然后根据程序段指令，进行插补计算和位置伺服控制，如图3.1所示。车床数控系统是专为控制车床而设计的CNC系统,本章将对其各硬件部分进行讨论。图3-1 CNC装置的基本控制流程3.2.1微处理器当控制功能不十分复杂时，多采用单微处理器结构。单微处理器结构多采用以下两种结构形式：专用型和通用型。为了满足高速化复合化智能化系统化等要求，现代数控装置多采用多微处理器结构，其主要特点是：1）多微处理器结构多采用模块化结构，具有比较好的扩展性；2）多微处理器结构的数控装置可提供多种供选择的功能，可以配置多种控制软件，因而可适用于多种机床的控制；3）由于新元器件（如超大规模集成电路）和新技术的使用，提高了系统的集成度和可靠性；4）具有很强的通信功能，能很方面地进入FMSCIMS；5）采用多种语言显示。本论文所研制的车床控制系统，由于经济条件的限制，采用单微处理器结构。经济型数控装置常采用8位的微处理器芯片或采用单片机芯片（8位或16位）作为微处理器，一般数控装置通常采用16位或32位微处理器芯片。本论文所研制的数控系统属于经济型数控系统，为了得到较高的性能价格比，采用单片机作为微处理器。在我国，现阶段流行的单片机为MCS51和MCS96系列的单片机。MCS51系列在总体性能上不如MCS96系列，但是，MCS51系列由于有一个布尔处理机，所以，其在进行逻辑处理时，表现出独特的优越性，这为编制软件时处理各种各样的状态量带来很大的便利。本系统采用8031芯片。P1.0234567P3./T1RXDOIN0SVVSAL2W4ECC8P1.0 接比较器输出端。RESET：可实现上电复位，也可用于操作复位。VCC：接电源 +5V正端。VSS：接电源地。XTAL1、XTAL2：MCS-51单片机内含有一个高增盖的反相放大器，通过XTAL1，XTAL2外接作为反馈元件的晶体后，便成为自激振荡器。P0口：作低8 位地址总线和双向数据总线P2口：用P2.0P2.2作高8位地址中的低三位地址 ，P2口中只用了三根，其地址信号传送不必经地址锁存器。EA： 8031片内无程序存储器，EA保持低电平，使其只访问片外程序存储器。ALE：本设计中接 373的G，在ALE 脉冲下降沿这一瞬间P0口上低8位地址信号被锁入373，373的OE一直接地，使输入的地址信号将以有效输出。PSEN：该信号为低电平时，取反。WR（P3.6 ）：片外数据存储器写选同信号输出端。RD（P3.7）：片外数据存储器读选同信号输出端，RD为地电平时，8031读数据存储器。3.2 .2 74LS373芯片 74LS3OFOE：接地，使373输出控制端OE一直有效，锁入的地址信息将以有效输出。G：使能端G呈高电平时锁存器内容更新，在G返回低电平瞬间实现锁存。8031芯片P0口即为地址总线，又为数据总线，P0 口取指瞬间，可用作数据总线，为了使2764芯片的低8位地址信息在该瞬间仍能保持有效，必须添加地址锁存器3733.2.3存贮器（1）EEPROM存储器2764电擦除可编程只读存储器EPROM的主要优点是能在应用系统中进行在线改写，并可在断电情况下保存数据，而不需要保护电源，因此得到广泛应用，本设计中选用2764芯片。2764是8K*8位EEPROM存储器，作片外程序存储器取指。OE 2764OE： 输出允许端，按8031的PSEN在PSEN脉冲上升沿这一瞬间实现取指。A0A10：地址线CE：在EPROM只有一片时，CE接地，呈低电平，使自身被选中而投入应用。2764编址从0000H开始至1FFFH；2764 编址从2000H开始至3FFFH为止。（2） 6264芯片 624OEW在MCS-51单片机的产品中，片内数据存储器的容量一般为128256B，当数据量较大时，就需要在片外扩展RAM数据了，扩展的内容容量最大可达64KB。单片机与数据存储器的连接方式与程序存储器的连接方式相同。控制线的连接要用到下述控制信号。OE： 输出允许与8031RD连WE： 写允许与8031WR连A0A12：地址线CE： 6264只有一片，故接地。编址：片外存储器容量可大到与程序存储器一样，其编址都由0000H开始，最大可FFFFH（64K）访问片外程序存储器用MO*指令。所以其编址可与程序存储器重叠，与片内数据存储器可重叠，本片地址从4000H到5FFFH。3.2.4 A/D转换器 IN34567STAREOCDLK5GNVREF(+)D17VREF(-)432IN0ALEB2896在数据采集及转换系统中，经常需要从一个或几个信号源中采集模拟信号，并将这些信号转换为数字形式以便输入计算机，这就要用到A/D转换器，根据速度、精度的要求，同时考虑价格因素，本设计用逐次比较型A/D转换器，逐次比较型A/D转换器通常是以二进制码输出，数据的输出符合微处理器数据总线的要求，与微处理器接口兼容性好，ADC0809就是这类A/D转换器的典型芯片。ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式AD转换器，内部结构如图1322所示，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型DA转换器、逐次逼近。8个输入模拟量可以通过引线IN7IN0输入，本设计用IN2通道，多路开关状态由地址译码器控制，ALE是锁存信号。在ALE的上升沿，A，B，C被锁入地址锁存器，ABC地址码为010本设计中利用地址线A7，读，写控制线RD ，WR来控制模拟输入通道地址的锁存，A7为0时才能启动ADC0809。32.5机床输入/输出（I/O）接口电路机床I/O接口电路用来接收机床操作面板上的开关按钮信号以及机床的各种限位开关信号；还用来把各种机床工作状态指示灯信号送到操作面板，把控制机床动作的信号送到强电柜。机床I/O接口电路是在CNC装置与机床及操作面板之间进行信息传递所需的必不可少手段，其作用和要求为：1）进行必要的电隔离，以防止干扰信号的窜入，以及高压窜入对CNC装置的损坏；2）进行电平转换和功率放大。由于8155内部既有256B的静态RAM，又有三个I/O口和一个计数器，是单片机的理想扩展器件PC34TIMERNS5OU/CAD3WR21LE0D5VS746PB4PA0PA62345107123C15607VP28IO/M：接高电平CE：可接8031某一引脚式直接接参与地，而使8155 始终选中WR，RD，ALE ，RESET 等4根控制线与单片机的同名引脚互连。WR写信号输入端，该信号为低，有效。IO/M该信号高电平时选中I/O，低电平时选中RAM。由于LED显示器电流较大，故需接驱动器。3.2.6显示接口电路键盘和显示器是数控机床不可缺少的人机接口，操作人员可通过键盘及显示器输入程序，编辑修改程序和发送操作命令，数控系统通过显示器为操作人员提供必要的信息。根据系统所处的状态和操作命令的不同，显示的信息可以是正在编辑的程序，或者是机床的加工信息。简单的显示器只有若干个数码管，显示信息也很有限，较高级的系统一般配置CRT显示器或点阵式液晶显示器，显示信息交丰富，低档的CRT 显示器或液晶显示器只能显示字符，高档的显示系统 ，能显示图形。abcdefghCOM共 阳 级单片机通过一片8155扩展4位LED显示器的接口电路。电路中采用的是共阳极显示器。将4位LED 显示器的数据端同名相连，然后分别接8031的P1.0P1.7各位显示器的公共端由8155的PC3PC0 控制，图中7406 是OC门反相驱动器，其最大吸收电流为300MA。当显示器工作时，单片机通过8031的P1口送扫描数据，数据中只有一位高电平，经过7406后只有一位LED显示器的公共端为低电平，其余部分为高电平，同时显示位对应的段数据通过PC口送出，因此只有公共端为低的 LED显示器有显示，其余为“暗”，依次改变P1口的高电平位，并从PC口送出对应的数据，则4位LED显示器就顺序显示相应的字符，当扫描频率足够高时，由于人的视觉暂留效应，4位LED显示器便得到连续稳定的显示。32.7硬件电路抗干扰设计抗干扰是微机应用系统的关键问题。系统的抗干扰性能是系统可靠性的一个重要指标。因此，在系统设计时应充分考虑可能出现的各种干扰源产生的影响，以采取相应的措施，尽量提高系统的抗干扰能力。硬件电路抗干扰设计是整个系统抗干扰设计的主要部分。硬件电路抗干扰设计是软件抗干扰设计的基础，它必须为软件抗干扰设计提供良好的条件。本文所研制的数控系统在硬件电路设计时，考虑到系统可靠性问题，采取了各种措施来防止干扰。例如，在印刷电路板的各关键部分配置去耦电容系统与步进电机功放电路及机床侧强电之间的信号传输采用光电耦合器隔离等措施。另外，复位电路采用了MAX813L，该芯片在完成系统复位功能的同时，当系统由于干扰而陷入死循环时自行复位。4 实验台功能原理及插补算法本章主要是为数控车床实验台的CNC装置的实现而对其进行具体的功能原理分析和算法设计。数控车床对零件的加工，是通过对所加工的零件形状、尺寸进行量化数学描述而得到加工程序，再经过计算机译码、解释执行，控制机床各坐标轴运动，使刀具以加工程序所描述的形状和尺寸为轨迹做运动，最终加工出所需形状和尺寸的零件。数控车削加工在插补方面有自己的特点。4.1车削数控原理、实验台插补功能要求和插补算法的选择 图 5-1 数 控 车 床 的 运 动4.1.1车削数控原理车削加工是由工件的运动产生切削主运动，而刀具只进行加工进给运动。如图4-1所示：C轴旋转是主运动，X、Z轴方向是进给运动。 图4-1 数控车床的运动因为一般数控车床是对刀具的X、Z方向进给运动进行控制，对主轴则具有调速能力既可。数控车床对X、Z轴进给运动的控制是通过数字插补的方法进行的。4.1.2 实验台插补功能要求本课题设计的数控车床实验台只要求基本的X、Z轴直线和圆弧插补的控制能力。4.1.3 实验台插补算法的选择数控车床加工的各种工件轮廓，大部分由直线和圆弧这种简单、基本的曲线构成。插补的任务就是根据进给速度的要求，在轮廓起点和终点之间计算出若干个中间点的坐标值。由于每个中间点计算所需的时间直接影响系统的控制速度，而插补中间点坐标值的计算精度又影响到CNC系统的控制精度，所以插补算法是整个CNC系统控制的核心。目前应用的插补算法主要分脉冲增量插补和数字增量插补两类。脉冲增量插补算法的特点是每次插补结束只产生一个行程增量，以一个个脉冲的方式输出给步进电机。这类插补的实现方法比较简单，通常只用加法和移位即可完成插补，故其易用硬件实现，且运算速度很快；目前也有用软件来完成这类算法的，但仅适用于一些中等精度或中等速度要求的CNC系统。因这类算法通常需要大约20余条指令，如果CPU时钟为50Hz，那么计算一个脉冲当量的时间约为40s，当脉冲当量为1m时，可以达到的极限速度为1.5m/min；如果要控制两个或两个以上的坐标时，速度还将进一步降低。当然，可用损失精度的办法来提高速度。数字增量插补算法的特点是插补运算分两步完成。第一步是粗插补，即在给定起点和终点的曲线之间插入若干个点，用若干条微小直线段来逼近给定曲线，每一微小直线段的长度l相等，且与给定的进给速度有关。粗插补在每个插补运算周期中计算一次，因此每一微小直线段的长度l与进给速度F和插补周期T有关，即l=FT。粗插补的特点是把给定的一条曲线用一组直线段来逼近。第二步为精插补，它是在粗插补时算出的每一条微小直线段上再做“数据点的密化”工作，这一步相当于对直线的脉冲增量插补。根据插补采用计算方法的不同,有许多种插补方法,如逐点比较法, 数字积分法,最小偏差法,比较积分法,时间分割直线插补算法等。不同算法适用于不同的场合。在普通的CNC装置中，逐点比较法和数字积分法获得了广泛的应用。这些插补算法最初是用在硬件数控装置中，现在也可用软件来实现。本文所采用的插补算法为数字积分法，下面重点介绍该插补算法。4.2数字积分插补法数字积分法又称数字微分分析器（DDA） ，它不仅可方便地实现一次、二次曲线的插补，还可用于各种函数运算，而且易于实现多坐标联动，所以DDA插补的使用范围较广。4.2.1数字积分插补法的基本原理数字积分插补法的基本原理可用图4-2所示的函数积分来说明。从微分的几何概念来看，从时刻 t=0到 求函数 )(tfy曲线所包围的面积时，可用积分公式 tf()ds0（4-1）如果将0t的时间划分成时间间隔为t的有限区间，当t足够小，可得近似公式 ni t tyf()ds10（4-2）式中 iy为 tt i 时的 )(tf值。此公式说明，求积分的过程就是用数的累加来近似代替，其几何意义就是用一系列微小矩形面积之和来近似表示函数 )(tf以下的面积。在数字运算时，若t一般取最小的基本单位“1”，上式则称之为矩形公式，并简化为 niys1（4-3）图4-2 矩形公式的定义如果将t取得足够小，就可以满足我们所需要的精度。实现这种近似积分法的数字积分器称为矩形数字积分器。图4-3 数字积分器框图设置一个累加器，而且令累加器的容量为一个单位面积。用此累加器来实现这种累加运算，则累加过程中超过一个单位面积时必然产生溢出，那么，累加过程中所产生的溢出脉冲总数就是要求的面积近似值，或者说是要求的积分近似值。图4-3是实现这种累加运算的基本逻辑框图。它由函数值寄存器，与门，累加器及面积寄存器等部分组成。其工 作原理为每来一个t脉冲，与门打开一次，将函数值寄存器中的函数值送往累加器相加一次。当累加和超过累加器的容量时，便向面积寄存器发出溢出脉冲。面积寄存器累计此溢出脉冲,累加结束后，面积寄存器的计数值就是面积积分近似值。4.2.2数字积分法的硬件插补(1)直线插补设在平面中有一直线OA，其起点为坐标原点0，终点为A(x e，y e)，则该直线的方程为 xye（4-4） 将上式化为对时间的参量方程 ,tKxetye （4-5）式中K比例系数。再对参量方程对t求微分得dxKx edt，dyKy edt （4-6）然后再积分可得：,dtxKxe ,dtyKye （4-7）上式积分如果用累加的形式表达，则近似为 tKxnie1niety1（4-8）式中t=1。写成近似微分形式为 ,tKxetye （4-9）动点从原点出发走向终点的过程，可以看作是各坐标轴每隔一个单位时间t，分别以增量Kx e。及Ky e同时对两个累加器累加的过程。当累加值超过一个坐标单位（脉冲当量）时产生溢出。溢出脉冲驱动伺服系统进给一个脉冲当量，从而走出给定直线。若经过m次累加后，x和y分别到达终点（x e，y e） ，即下式成立：emiexKx1emieyy1（4-10）由此可见，比例系数k和累加次数之间有如下关系：Km=1 即 m=1/K （4-11）K的数值与累加器的容量有关。累加器的容量应大于各坐标轴的最大坐标值。一般二者的位数相同，以保证每次累加最多只溢出一个脉冲。设累加器有n位，则nK21 （4-12）故累加次数 nKm2/1（4-13）上述关系表明，若累加器的位数为n，则整个插补过程中要进行 n2次累加才能到达直线的终点因为 nK2/1 ( n为寄存器的位数)，对于存放于寄存器中的二进制数来说Kxe（或Ky e）与x e（或y e）是相同的，可以看作前者小数点在最高位之前，而后者的小数点在最低位之后。所以，可以用x e直接对X轴累加器进行累加，用y e直接对Y轴的累加器进行累加。图4-4为平面直线的插补运算框图，它由两个数字积分器组成，每个坐标的积分器由累加器和被积函数寄存器组成。被积函数寄存器存放终点坐标值 。每隔一个时间间隔t，将被积函数的值向各自的累加器中累加。X轴的累加器溢出的脉冲驱动X走步，Y轴累加器溢出脉冲驱动y轴走步。 图4-4 平面直线插补运算框图不同象限平面直线DDA数字积分法采用与逐点比较法相同的处理方法，把符号与数据分开，取数据的绝对值作被积函数，而以符号作进给方向控制信号处理，便可对所有不同象限的直线进行插补。 (2)圆弧插补由上面的叙述可知：DDA插补的物理意义是使动点沿速度矢量的方向前进。 这同样适用于DDA圆弧插补。如图4-5所示，圆的方程为： 22Ryx （4-14）式中R常数；X、Y以时间t参数的变量。等式两边同时对t求导数，则有 02dtytx（4-15）图4-5 XY平面DDA圆弧插补yxdt（4-16）由此可导出第一象限逆圆加工时动点沿坐标轴方向的速度分量为 xdtyvx（4-17）上式表明：速度分量vx和vy是随动点的变化而变化的。坐标轴方向的位移增量为 txy（4-18a） 式（4-18a）为逆圆加工时情况，若为顺圆加工，上式变为txy （4-18b）据式（4-18a）可写出第一象限逆圆加工时的DDA插补表达式ni ti t txdyty)t(x10（4-19a） 同理，据式（4-18b）可写出第一象限顺圆加工的DDA插补表达式 ni ti t tx)dt(ytyx10（4-19b）式（4-18）和式（4-19）表明：在圆弧插补时，X向的被积函数和Y向的被积函数均为动点值；在圆弧插补时， （X）向进给，由Y方向的被积函数控制；（Y）向进给，由X方向的被积函数控制。圆弧插补的终点判别，由计算出的动点坐标轴位置x，y值和圆弧的终点坐标作比较，当某个坐标轴到终点时，该轴不再有进给脉冲发出，当两坐标轴都到达终点后，运算结束。图4-6 第一象限DDA逆圆插补逻辑图由第一象限逆圆加工的DDA插补表达式可得到其圆弧插补器框图，如图5-6所示。图中，Jvx为X方向的被积函数寄存器，Jvy为Y方向的被积函数寄存器，JRx是X向的积分累加器，存放X向积分结果的余数；JRy是Y向的积分累加器，存放Y向积分结果的余数；x：为Y向积分结果的溢出（进位）,y为X向积分结果的溢出（进位） 。其工作过程如下：运算开始时，X和Y被积函数寄存器中分别存放X,Y的初值X0, Y0； X轴被积函数寄存器累加得到的溢出脉冲发到Y方向，而Y轴被积函数寄存器累加得到的溢出脉冲则发到X方向；每发出一个进给脉冲后，必须将被积函数寄存器内的坐标值加以修正。其修正方法是：当X方向发出进给脉冲时，使X轴被积函数寄存器的内容减1，这是因为X进给一步时，X坐标减小；当Y方向发出进给脉冲时，使Y轴被积函数寄存器的内容加1，这是因为Y进给一步时，Y坐标增大，即使被积函数寄存器内随时存放着坐标的瞬时值。（3）数字积分法插补质量的提高由前面的讨论可知，数字积分器溢出脉冲的频率与被积函数寄存器中的存数成正比。如用DDA作直线插补时，每个程序段的时间间隔是固定不变的，因为不论加工行程长短，都必须完成m=2 n次的累加运算。就是说行程长，走刀快；行程