【JG012】普通手动工作台的数控改造设计[2A0]
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【JG012】普通手动工作台的数控改造设计[2A0],jg012,普通,手动,工作台,数控,改造,设计,a0
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第一章 前言 1 第一章 前 言 装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度 ,数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业的使能技术和最基本的装备 ,又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术 ,而数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品 ,其技术范围覆盖很多领域。数控车床在数控产品中充当了重要的角色，以下部分对数控车床及我国数控技术发展趋势做一详解。 控车床及其分类 数控车床又称为 床，即计算机数字控制车床，是目前国内使用量最大，覆盖面最广的一种数控机床，约占数控机床总数的 25%。数控机床是集机械、电气、液压、气动、微电子和信息等多项技术为一体的机电一体化产品。是机械制造设备中具有高精度、高效率、高自动化和高柔性化等优点的工作母机。数控机床的技术水平高低及其在金属切削加工机床产量和总拥有量的百分比是衡量一个国家国民经济发展和工业制造整体水平的重要标志之一。数控车床是数控机床的主要品种之一，它在数控机床中占有非常重要的位置，几十年来一直受到世界各国的普遍重视并得到了迅速的发展。 数控车床品种、规格繁多，按照不同的分类标准，有不同的分类方法。目前应用较多的是中等规格的两坐标连续控制的数控车床。 功能数控车床和车削中心。 控车床数控化改造的优点 机床作为机械制造业的重要基础装备，它的发展一直引起人们的关注，由于计算机技术的兴起，促使机床的控制信息出现了质的突破，导致了应用数字化技术进行柔性自动化控制第一章 前言 2 的新一代机床数控机床的诞生和发 展。计算机的出现和应用，为人类提供了实现机械 加工工艺过程自动化的理想手段。随着计算机的发展，数控机床也得到迅速的发展和广泛的应用，同时使人们对传统的机床传动及结构的概念发生了根本的转变。数控机床以其优异的性能和精度、灵捷而多样化的功能引起世人瞩目，并开创机械产品向机电一体化发展的先河。 数控机床与普通机床相比，其主要有以下的优点： (1) 适合加工单件或小批量的复杂工件； 在数控机床上改变加工工件时，只需重新编制新工件的加工程序，就能实现新工件加工。 自动化程度高 ,加工速度快。 (2) 加工精度高 ,具有稳定的加工质量； (3) 可进行多坐标的联动，能加工形状复杂的零件； (4) 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； (5) 机床本身的精度高、刚性大 ,可选择有利的加工用量，生产效率高（一般为普通 机床的 35 倍）； (6) 机床自动化程度高，可以减轻劳动强度改善劳动条件； (7) 对操 作人员的素质要求较高，对维修人员的技术要求更高。 (8) 数控装置， 是数 控机床的核心，包括硬件以及相应的软件，用于输入数字化零件程序，并完成 数据的变换、插补运算以及实现各种控制功能。 (9) 驱动装置， 是数控机床执行机构 的驱动部件，包括主轴驱动单元、进给单元、 主轴电机及进给电机等。 在数控装置的控制下通过电气或电液伺服系统实现主轴和进 给驱动。当几个进给联动时，可以完成定位、直线、平面曲线和空间曲线的加工。 (10) 辅助装置，指数控机床的一些必要的配套部件，用以保证数控机床的运行，如 冷却、排屑、润滑、照明、监测等。它包括液压和气动装置、排屑装置、 交换工作台、 数控转台和数控分度头，还包括刀具及监控检测装置等。 (11) 编程及其他附属设备，可用来在机外进行零件的程序编制、存储等。 控车床改造的必要性 科学技术和社会生产的不断发展，对机械产品的质量和生产率提出了越来越高的要求。机械加工工艺过程的自动化是实现上述要求的最重要措施之一，它不仅能够提高生产效率，第一章 前言 3 降低生产成本，还能够大大改善工人的劳动条件。 目前各企业都有大量的普通机床，完全用数控机床替换根本不可能，而且替代下来的机床闲置起来又会造成浪费，要解决这些问题，应走普通机 床的数控改造之路。从美国、日本等国家工业化进程看，机床的 数控改造也必不可少，数控改造机床占有较大比例。如日本的大企业中 有 26%的机床经过数控改造，中小企业则是 74%， 在美国有许多数控专业化公司，为世界各地提供机床数控改造服务。因此，普通机床的数控改造不但有存在的必要，而且大有可为，尤其对一些中小企业更是如此。数控改造一般是对普通机床某些部位做一定的改造，配上数控装置，从而使机床具有数控加工能力，其改造的目的有以下几点： (1)从提高资本效率出发，改造闲置设备，发挥机床的原有功能和改造后的新增功能，提高机床的 使用价值。 (2)为了提高生产效率进行数控改造。 (3)为了适应多品种，小批量零件生产而进行数控改造。 (4)为了使技术等级较低的工人也能加工出高质量的产品零件和提高生产效率而进行数控改造。 (5)为了减少整个设备投资计划而进行数控改造。所有这些目的都围绕一点 ，即提高机床的性能价格比，用较少的价格得到较高的机床性能 。 数控改造具有以下优点： (1)易于对现有的机床实现自动化，而且专业性强，没有多余功能。 (2)减少辅助加工时间，提高机床的生产效率。 (3)降低对工人技术等级的要求。 (4)数控改造费用低，可充分利用原有机床设备。 (5)数控改造周期短，可满足生产急需。 国车床数控改造现状与发展趋势 随着我国市场经济的发展 ,国内、国际市场竞争日益激烈 ,产品更新更为迅速 ,中、小批量的生产越来越多。而普通机床已不适应多品种、小批量生产要求 ,数控机床则综合了数控技术、微电子技术、自动检测技术等先进技术 ,最适宜加工小批 量、高精度、形状复杂、生产周期要第一章 前言 4 求短的零件。当变更加工对象时只需更换零件加工程序 ,无需对机床作任何调整 ,因此能很好地满足产品频繁变化的加工要求。对于机械制造企业 ,单纯靠购买新的数控机床 ,所需投资大。为了节约资金 ,降低成本 ,利用原来的部分普通机床进行数控化改造 ,提高机械设备的数控化率 ,是一种有效的 途径。机械制造业在世界经济发展中，作为基础产业，具有重要的地位。 我国车床的改造现状如下： (1)我国现有的、数以万计的陈旧、落后的机床是机床大修与数控化改造行业产生的现实基础 。 我国是一个发展中国家，由于长期自身机 制的不适应性，经济实力过低、技术落后、设备陈旧，极大地制约着国民经济的发展。为尽快改变我国机械制造业的落后状态，近二十多年来，我们在艰难地发展民族机床制造业的同时，积极地引进了世界先进技术与设备。一方面与世界先进机床制造厂合作，不断生产出具有世界先进水平的各类机床；另一方面直接购进了大量的各类 机床。 但是，机床长期运转甚至超负荷使用，同时又缺少认真的维修与保养，造成机床严重磨损，丧失了精度；有些机床则由于企业人员及产品结构的改变，或由于技术力量不足而被长期闲置，需要使用时却发现早已锈迹斑斑，电控系 统不能起动； 由于新产品制造的需要，原有机床性能已不能满足使用要求，急需更新升级改造 ；由于世界计算机及网络技术的飞速发展，造成数控系统、驱动系统 产品 的 更新加快，原有产品过早停产，给备件更换与维修带来一定困难；况且数控系统的使用寿命一般在 5 10 年，而我国大多数机床都在超期服役。 这些诸多因素都需要对机床进行大修及数控化升级改造。 (2)新进的大批二手机床成为机床大修及数控化改造行业的催化剂 。 自改革开放以来，许多企业引进了一大批国外淘汰的旧机床，虽然有一部分尚能满足使用要求，但是多数由于缺少经验、技术 、资料及备件等因素，造成虽廉价购进但却不能继续发挥作用而闲置的尴尬局面。其中不乏有为改造后投入使用而引进的旧机床和生产线。这里多数的二手机床只要再有适当的资金投入，经过大修改造即可发挥作用。 (3)显著的经济效益是机床大修及数控化改造行业的发展动力 。 对于机床拥有者来说，只需花费购买相同新机床 30%以下的费用即可获得相同的使用效果。根据国际该行业的记载，即使将原机床的结构性能进行彻底改造升级，也只需花费购买新机床 60%左右的价格。 对于机床大修改造业内公司来说，这不仅为他们的服务企业产生巨大社会经济效 益，而且也是他们自身生存和发展的根本动力。 第一章 前言 5 (4)机床大修及数控化改造的优势是该行业生存与发展的有利条件 ， 旧机床的大修、翻新、升级改造与购买新机床相比，具有下列优势： 交货期短。尤其是大型机床和特殊专用机床优势更加明显。 性能更稳定。各基础件经长期时效，几乎不会产生应力变形而影响精度；各功能部件经长期磨合。功能稳定性可靠性好。 设计风险小。新机床设计中带来的技术、方案风险在大修改造中几乎不存在。 可以更充分地体现用户的意愿。用户与维修人员可以依照实际 需要和机床长期使用情况，在大修改造中提出对机床性能、操作与维修等方面的改进 (包括增、改 )意见，有权选择机械零部件、数控系统等电气设备的规格、型号、性能等。 更有利于使用与维护。由于用户、维修人员不仅可以直接参与改造方案的制定，而且可以参与改造的全过程，可以直接获取各种技术信息，更深入地掌握机床的结构及性能特点，从而增强使用与维修的主动能力。 可以更快地获取最新的更实用的备件。 节省大量投资。 降低投资风险。 (5)社会化、专业化趋势是机床大修及数控化 改造行业的必由之路 。 旧机床的数控化改造和翻新不仅仅是当前经济转轨时期必要和重要的行为，而且是一个企业长期发展的战略措施。 国外机床的改造与翻新是近期发展起来的一个新兴产业，在先进国家已经形成了一定的规模和市场。而在我国，这一产业才刚刚兴起，按照应具备的条件来衡量还相距甚远。但是业内有识之士正在努力塑造自己、完善自己，相信不久的将来，一批具备一定条件和一定规模的机床改造、翻新的专业化企业会成长起来。 从这些年数控机床改造的发展可以看出，它正向着高精度、多功能、高速化、高效率、智能化的方向迈 进，在系统硬件及操作软件上也向个人计算机靠拢。第一章 前言 6 参考文献 66 参考文献 1、 寥效果 ,朱启逑 M华中理工大学出版社 ,1992. 2、 李 华 片机实用接口技术 北京航空航天大学出版社 ,1993. 3、高钟毓机电控制工程北京：清华大学出版社， 2002 4、李圣怡等 境下软硬件接口设计 国防科技大学出版社 ,2001. 5、宋云夺 . 光机电一体化产业的未来 J. 光机电信息 , 2003. 6、 顾 京 北京 :高等教育出版社 ,2002. 7、 丁连红 J. 中 国科技信息 , 2007. 8、周伟平 武汉 :华中科技大学出版社 ,2002. 9、付家才 M化学工业出版社 ,2004. 10、 刘迎春 片机原理及应用教程 清华大学出版社 ,2005. 11、徐正惠，胡海影 M学出版社 ,2004. 12、汪道辉 M子工业出版社， 2006. 13、戴佳，戴卫恒 片机 C 语言应用程序设计实例精讲 M子工业出版社 ,2006. 14、彭为，黄科，雷道仲 M子工业出版社 ,2006. 15、 张建钢 ,胡大泽 武昌：华中科技大学出版社， 2000. 16、 王志平 北京：高等教育出版社， 2002. 17、张建民，唐水源 高等教育出版社， 2005. 18、 赵云龙 M北京：机械工业出版社， 2001. 第三章 数控系统总体方案设计确定 8 第三章 数控系统总体方案设计确定 数控系统总体方案设计的内容包括：系统运动方式的确定，执行机构及传 动方案的确定，伺服电机类型及调速方案确定，计算机控制系统的选择， 进行方案的分析、比较和论证。 1. 系统运动方式的确定 该系统要求工作台沿各坐标轴的运动有精确的运动关系 ， 因此采用连续控制方式。 2. 伺服系统的选择 开环伺服系统在负载不大时多采用功率步进电机作为伺服电机 。 开环控制系统由于没有检测反馈部件，因而不能纠正系统的传动误差。但开环系统结 构简单，调整维修容易，在速度和精度要求不太高的场合得到广泛应用。 考虑到运动精 度要求不高，为简化结构，降低成本，宜采用步进电机开环伺服系统驱动。 3. 计算机 控制 系统的选择 采用 031 单片机扩展控制系统。 靠性好，功能强，速度快，性价比高。控制系统由微机部分、键盘及显示器、 I/O 接口及光电隔离电路、步进功率放大电路等组成。系统的工作程序和控制命令通过键盘操作实现。显示器采用数码管显示加工数据和工作状态等信息。 4. X Y 工作台的传动方式 为保证一定的传动精度和平稳性以及结构的紧凑，采用滚珠丝杠螺母传动副。为提高传动刚度和消除间隙，采用有预加载荷的结构。 滚珠循环方式为外循环螺旋槽式 ,预紧方式采用双螺母螺纹预紧形式 . 由于工作台的运动部件重量和工作载荷不大，故选用滚动直线导轨副，从而减小工作台的摩擦系数，提高运动平稳性。 考虑电机步距角和丝杠导程只能按标准选取，为达到分辨率的要求，以及考虑步进电机负载匹配，采用齿轮减速传动。 第三章 数控系统总体方案设计确定 9 如下图 3系统总体框图 计 算 机 光电隔离 功率放大 步进 电机 X 向工作台 光电隔离 功率放大 步进 电机 Y 向工作台 第二章 课题设计的相关内容 6 第二章 课题设计的相关内容 1. 课题 设计题目 ： 普通 手动 工作台的 数控 改造设计。 已知条件： 定位精度： 滚珠丝杠及导轨使用寿命： T=15000h，中等冲击 工作台的有效行程为 400L x m m ； 400YL m m快速进给速度： m a x 2 0 0 0 / m i m m和工作载荷 2000. 课题 设计的 主要 内容 (1) (2)较，论证 。 (1) (2) (3)算和选用； (4) (5) (6) (7) (1) (2)接口电路及伺服控制电路的设计和选用； (3)(4)(5)第二章 课题设计的相关内容 7 (6) 说明书是课程设计的总结性技术文件，应叙述整个设计的内容，包括总 系 统框图的分析，机械传动设计计算，电气部分的设计说明，选用元器件参数的说明，软件设计及其说明； (1) 张。要求视图基本完整，符合标准； (2)求图中要标明各器件 的型号，管脚号及参 数。 第五章 数控系统硬件电路设计 46 第五章 数控系统硬件电路 设计 单片机控制系统的设计内容主要包括硬件设计、应用软件设计和系统仿真调试三个部分。其设计步骤可按图 5示进行。 图 5片机控制系统设计步骤 件设计 单片机控制系统的硬件设计包括：单片机选型、基本系统扩展设计、 I/O 口扩展设计、人机通道设计、前向通道接口设计和后向通道接口设计等。在扩展和通道接口设计中应遵循如第五章 数控系统硬件电路设计 47 下原则： （ 1）尽可能选择典型电路，并且要符合常规用法。单片机控制系统的硬件结构具有三种模式：即专用模式、总线模式和单板机模式。设 计者可参照这三种模式的特点和规模进行系统设计。 （ 2）系统扩展、 I/O 口扩展要留有一定的裕量，以备样机调试时修改和二次开发。 （ 3）硬件结构应结合应用软件方案一并考虑。在设计中应坚持硬件软件化原则，即软件能实现的功能尽可能由软件来实现，以简化电路结构，提高可靠性和抗干扰能力。但必须注意，由软件来实现硬件的功能，是以占用 间为代价的，此时应考虑控制系统的实时性。 （ 4）单片机片外电路应与单片机的电气性能参数及工作时序匹配。例如选用的晶振频率较高时，应该选择有较高存取速度的存储芯片。当选择 片机构 成低功耗系统时，系统中所有芯片都应该选用低功耗器件。 （ 5）应十分重视可靠性及抗干扰设计。机电一体化系统是在单片机的控制下运行的，一旦发生软件“跑飞”或硬件故障，会造成整个系统瘫痪。因此，单片机系统本身不能发生故障、或者故障发生时，控制系统能及时报警，并能快速排除故障。提高可靠性的方法有多种，如选择可靠性高的元器件、合理分配可靠度、采用通道隔离、电路板合理布局及去耦滤波、设计自诊断功能等等。 （ 6）单片机外接电路较多时，必须考虑其负载驱动能力。在总线驱动能力不足时应增设线路驱动器或者选用低功耗芯片。 硬件电路的 设计内容 案以及机械结构的控制要求，确定硬件电路的方案，并绘制系统电气控制的结构框图； 接口电路，检测电路，转换电路以及驱动电路等； 第五章 数控系统硬件电路设计 48 中要标明各器件的型号，管脚号及参数； 硬件电路的 设计步骤 设计中主要考虑硬件与软件功能 的分配与协调、接口设计、通道设计、操作控制台设计、可靠性设计等问题。其中硬件与软件功能的分配与协调要根据经济性和可靠性标准进行权衡，可靠性问题主要是制定可靠性设计方案，采取可行的可靠性措施。 数控系统的硬件电路由以下几部分组成： 1 主控制器。即中央处理单元 总线。包括数据总线，地址总线，控制总线。 3 存储器。包括只读可编程序存储器和随机读写数据存储器。 4 接口。即 I/O 输入输出接口。 5 通道设计。包括输入、输出通道 6 操作工作台设计。 7 总线驱动与总线负载。 数控系统的硬件框图如 5示 ： 中央处理单元 储器 入 /输出 I/O 接口 信号变换 控制对象 外设： 键盘，显示器，打印机，磁盘机，通讯接口等 第五章 数控系统硬件电路设计 49 1正确选择单片机芯片的重要性 单片机控制系统的核心器件是单片机芯片，它提供的功能和资源对整个应用系统所需要的支持电路、接口硬件设计以及软件程序设计起着关键性的作用。 单片机硬件资源极大地影响着整个应用系统的成本和复杂程度。资源丰富的单片机可以大大地减少硬件外围接口芯片与存储器扩展芯片的数量，使成本降低，结构简单，目前单片机的价格与外围接口芯片的价格已相差无几。比如，选择片内带 单片机可以减少外部扩展 芯片及电路面积。 不同的系统，要选用不同的单片机。有些场合，如控制系统中需要进行断电数据的保存智能仪表、野外设备等，就需要单片机具有最小的功耗。此时，应选用低功耗 片机，这种单片机具有保护和冻结两种特殊的运行方式，目的就是为了降低单片机的功耗。 2建议选择单片机芯片时考虑以下因素 （ 1）要尽可能选择设计者较为熟悉，曾经接触过的单片机系列。 （ 2）要选择有丰富的应用软件、开发工具及成熟辅助电路支持的单片机系列。 （ 3）根据系统性能要求选择合适的单片机。各种单片机性能差异很大，要根据系统对硬件资源 的需要确定是否需要片内 A/D、 D/A、串行口、 否要选用具有加密位的单片机。 3、 列单片机是集中 端口及部分等为一体的功能性很强的控制器。只需增加少量外围元件就可以构成一个完整的微机控制系统，并且开发手段齐全，指令系统功能强大，编程灵活，硬件资料丰富。本次设计选用 8031 芯片作为主控芯片。 ( ) 程序存储器的扩展 单片机应用系统中扩展用的程序存储器芯片大多采用 片。其型号有： 2716，2732， 2764， 27128， 27258， 其容量分别为 2k,4k,8k,16选择芯片时要考虑 序的匹配。 8031 所能读取的时间必须大于 要求的读取时间。此外，还需要考虑最大读出速度，工作温度以及存储器容量等因素。在满足容量要求时，尽量选择大容量芯片，以减少芯片数量以简化系统。综合以上因素，选择 2764 芯片作为本次设计的程序存储器扩展用芯片。 第五章 数控系统硬件电路设计 50 单片机规定 提供 8 位地址线，同时又作为数据线使用，所以为分时用作低位地址和数据的通道口，为了把地址信息分离出来保存，以便为外接存储器提高低 8 位的地址信息，一般采用 74片作为地址锁存器，并由 出允许锁存信号 下降沿，将地址信息锁存入地址锁存器中。 由以上分析，采用 2764片的程序存储器扩展电路框图如下所示： 图 5展 2764 电路框图 ( ) 数据存储器的扩展 由于 8031 内部 有 128 字节，远不能满足系统的要求。需要扩展片外的数据存储器。单片机应用系统数据存储器扩展电路一般采用 6116,6262 静态 据存储器。本次设计选用 6264 芯片作为数据存储器扩展用芯片。其扩展电路如下所示： 764 E 码电路 G 74五章 数控系统硬件电路设计 51 图 5展 6264 电路框图 ( ) 译码电路 在单片机应用系统中，所有外围芯片都通过总线与单片机相连。单片机数据总线分时的与各个外围芯片进行数据传送。故要进行片选控制。由于外围芯片与数据存储器采用统一编址，因此单片机的硬件设计中，数据存储器与外围芯片的地址译码较为复杂 。可采用线选法和全地址译码法。线选法是把单独的地址线接到外围芯片的片选端上，只要该地址线为低电平，就选中该芯片。线选法的硬件结构简单，但它所用片选线都是高位地址线，它们的权值较大，地址空间没有充分利用，芯片之间的地址不连续。对于 容量较大的应用系统，当芯片所需的片选信号多于可利用的地址线的时候，多采用全地址译码法。它将低位地址作为片内地址，而用译码器对高位地址线进行译码，译码器输出的地址选择线用作片选线。 （ 4）存储器扩展电路设计 8031 单片机所支持的存储系统起程序存储器和数据存储器为独立编址 。 该设计选用程序存储器 2764 和数据存储器 6264 组成 8031 单片机的外存储器扩展电路， 单片机外存储器扩展电路如下： A 1 7 6264 7 E 码电路 G 74五章 数控系统硬件电路设计 52 图 5031 同时扩展外 外 型连接电路 （ 5）扩展电路设计 司生产的 围接口电路芯片一般都可以作为 片机 I/O 口扩展芯片。常用的器件有： 8255：可编程通用并行接口电路，可扩展 3 8 位并行 I/O 口。 8243：可编程通用并行接口电路，可扩展 4 4 位并行 I/O 口。 8155：可编程 O 扩展电路，可扩展 2 8 位并行口、 6 位并行 口、 256 8 位静态 14 位定时 /计数器。 8755：可编程 O 扩展电路，可扩展 2 8 位并行 I/O 口和 2K 8 位 8253：可编程定时 /计数器，可扩展 3 个 16 位定时 /计数器。 8251：可编程串行口电路。 8279：可编程键盘、显示器接口电路，可扩展 64 个键（或开关点）和 16 位七段数码显示器。 (a)155 8031 单片机共有 4 个 8 位并行接口，但供用户使用的只有 1 口及部分 3 口线。因此要进行口的扩展。 8155 与微机接口较简单，是微机系统广泛使用的接口芯片。 (b)示器接口电路 键盘，显示器是数控系统常用的人机交互的外部设备，可以完成数据的输入和计算机状态数据的 动态显示。通常，数控系统都采用行列式键盘，即用口线组成行、 列结构，按键设置在行列的交点上。 数控系统中使用的显示器主要有 有 5和 6 位 示器组成。为了简化秒电路，键盘的列线及 示器的字位控制共用一个口，即共用 8155 的 进行控制，键盘的行线由 8155C 口担任，显示器的字形控制由 8155 的 担任。 第五章 数控系统硬件电路设计 53 4步进电机驱动电路设计 （ 1）脉冲分配器 步进电机的控制方式由脉冲分配器实现，其作用是将数控装置送来的一系列指令脉冲按一定的分配方式和顺序输送给步进电机的各相绕组，实现电机正反转。数控系统中通常使用集成脉冲分配器和软件脉冲分配器。本设计采用集成脉冲分配器 专为三相反应式步进电动机设计的环形分配器。这种集成电路采用 艺，集成度高，可靠性好。 A、 B、 C 三个输出端，当输入端 上时钟脉冲后，输出波形将符合三相反应式步进电动机的要求。 若采用 冲输入端时，是上升沿触发，同时 使能端， 1 时工作， 0时禁止。反之，采用 时钟端，则下降沿触发，此时 使能端， 0 时工作， 1 时禁止。 R 和 R*分别为双三拍运行和六拍运行的复位端。当 R 加上正脉冲， 状态为 110，而 R*加上正脉冲后， 状态为 100，以避免 现 000 或 111 非法状态。 （ 2）光电隔离电路 在步进电机驱动电路中，脉冲分配器输出的信号经放大后控制步进电机的励磁绕 组。如果将输出信号直接与功率放大器相连，将会引起电气干扰。因此在接口电路与功率放大器间加上隔离电路实现电气隔离，通常使用光电耦合器。光电耦合器接线图如下图 5 图 5光电耦合器接线图 （ 3）功率放大器 脉冲分配器的输出功率很小，远不能满足步进电机的需要，必须将其输出信号放大产生足够大的功率，才能驱动步进电机正常运转。因此必须选用功率放大器，需根据步进电机容量选择功率放大器。本设计选用功率放大器图 5 第五章 数控系统硬件电路设计 54 图 5功率放大器图 （ 4）驱动电 路使用集成电路 5辅助电路设计 （） 8031 的时钟电路 单片机的时钟可以由两种方式产生：内部方式和外部方式。 内部方式利用芯片的内部振荡电路，在 脚上外接定时元件 。晶体可以在 12 之间任意选择，耦合电容在 5 30间，对时钟有微调作用。采用外部时钟方式时，可将 接接地， 外部时钟源。 （ 2）越界报警电路 为了防止工作台越界，可分别在极限位置安装限位开关。利用光电耦合电路，将行程开关接 至发光二极管的阴极，光敏三极管的输出 接至 8031 的 I/O 口 任何一个行程开关被压下的时候，发光二极管就发光，使光敏三极管导通，由低电平变成高电平。 8031 可利用软件设计成查询的方法随时检查有无越界信号。也可接成从光敏三极管的集电极输出接至8031 的外部中断引脚（ 采用中断方式检查越界信号。 6总线驱动与总线负载 当系统扩展所用的外围芯片较多时，就需要在单片机相应的总线上设计总线驱动器，使单片机的总线与外围扩展芯片通过驱动器连接起来，而不是直接相连，因为单片机总线的驱动能力总是有限的，如 8位地址总线的 个 74数控系统硬件电路设计 55 系列的门电路，而其它 I/O 口仅能驱动 4 个 74路。另一方面，外围芯片工作时有一个输入电流，不工作时也有漏电流存在，因此，过多的外围芯片可能会加重总线负载，致使系统因驱动能力不足而不能可靠地工作。 采用总线驱动器后，不管驱动器后面接多少个集成电路芯片，对单片机来讲，相当于每条线只带动一个 电路的负载，而驱动器在高电平时能驱动 100 多个 74电路，这就提高了单片机总线的驱动能力。 数控系统硬件 电路的完善设计 该系统选用 列的 8031 作为主控制器。扩展存储电路为两 片 2764一片6264序存储器扩展为 16K,存 储器扩展为 8K。 2764 的片选控制端 地，该电路始终处于选中状态。系统复位以后， 0000H 开始执行监控程序。 6264 的片选端 译码器（ 74 提供。所以 6264 的空间地址为 4000 5 系统的扩展 I/O 接口电路选用通用可编程并行输入 /输出接口芯片 8155。 8155 的片选端至译码器（ 74 出端，故 8155 控制命令寄存器及 的地址号分别为 8000H 及 8001H， 8002H， 8003H。 8155的地址为 8000H 80 8255A 口为控制工作 台 X， Y 向电机的接口。为防止功率放大器高电压的干扰， 步进电机接口与功率放大器之间采用光电隔离。 键盘与显示器设计在一起， 8155 的 担任键盘的列线及显示器的扫描控制； 的键盘的行线。 8031 的 为 显示器的字形输出口。该系统采用 5 40 个行列式键盘和 6 位 8 段共阳 极 示器。为了增加数码管显示亮度，分别在字形口和字位口加 7407 进行驱动。 剩余的 I/O 线 别作为工作台 +X， +Y， 个方向的行程限位控制信号。在软件设计上 8155 的 ， 设置为输出 ， 设置为输入 。计算机随时巡回检测 电平，当某 I/O 线为 0 时，应立即停止 X， Y 向电机的驱动，并发出报警信号。 另外，光电隔离器的输出端必须采用隔离电源。隔离电源选用 7805 三端集成稳压器设计。 第六章 数控系统控制软件设计 56 第六章 数控系统控制软件设计 控系统控制软件的特点 在软件设计上，程序流程、变量选用及控制算法等都存在最佳设计的问题，一个优良的控制软件应具备以下特点： （ 1）软件结构清晰、简捷、流程合理。 （ 2）各功能程序应采用模块化编程，这样既便于调试、链接，又便于移植。 （ 3）程序存储区、数据存储区规划合理，尽可能减少存储器空间的占用。 （ 4）运行状态实现标志化管理。各功能程序模块调用时的运行状态、运行结果以及运行要求都应设置状态标志（位或字节），以便主程序查询，程序的转移、运行或控制都可通过状态标志条 件来进行。 （ 5）软件抗干扰设计。软件抗干扰是微机系统提高可靠性的有力措施。 （ 6）为了提高系统的可靠性，在控制软件中应设计自诊断程序。系统在工作运行前先运行自诊断程序，检查各硬件的待征状态参数是否正常。 统控制软件的主要内容 数控系统是按照事先编好的控制程序来实现各种控制功能。按照功能可将数控系统的控制软件分为以下几个部分： 1、系统管理程序：它是控制系统软件中实现系统协调工作的主体软件。其功能主要是接受操作者的命令，执行命令，从命令处理程序到管理程序接收命令的环节，使系统处于新的等待操作 状态。 2、零件加工源程序的输入处理程序。该程序完成从外部 I/O 设备输入零件加工源程序的任务。 3、插补程序。根据零件加工源程序进行插补，分配进给脉冲。 4、伺服控制程序。根据插补运算的结果或操作者的命令控制伺服电机的速度，转角 5、诊断程序。包括移动不见移动超界处理，紧急停机处理，系统故障诊断，查错等功能。 6、机床的自动加工及手动加工控制程序。 7、键盘操作和显示处理程序。包括监视键盘操作，显示加工程序、机床工作状态、操作命令等信息。 统软件设计 数控 作台的控制功能包括： （ 1）、系统初始化。如对 I/O 接口 8155， 8255 进行必要的初始化工作，预置接口工作方式控第六章 数控系统控制软件设计 57 制字。 （ 2）、工作台复位。开机后工作台应该自动复位，亦可手动复位。 （ 3）、输入和显示加工程序。 （ 4）、监视按键，键盘及开关。如监视紧急停机键及行程开关，键盘扫描等功能。 （ 5）、工作台超程显示与处理。工作台位移超过规定值时应该立即停止工作台的运动，并显示相应的指示字符。 （ 6）、工作台的自动控制。 （ 7）、工作台的手动控制。 （ 8）、工作台的联动控制。 管理 程序 是系统的主程序，开机后即进入管理程序。其主要功能是接受和执行操作者的命令。在设计管理程序时，应确定接收命令的形式，系统的各种操作功能等。数控 作台的基本操作功能有：输入加工程序，自动加工，刀位控制，工作台位置控制，手动操作，紧急停机等。根据以上分析，设计管理程序流程图 6下所示： 开 始 N N Y N Y Y N 图 6理程序流程 加工程序输入键按下？ 机床复位 自动加工键按下？ 手动加工键按下？ 加工数据输入 自动加工 手动调整 系统初始化 第六章 数控系统控制软件设计 58 （ 1）机床在自动加工时的动作顺序：工作台移动到位刀具快速进给加工退刀工作台运动到下一位置； （ 2）计算机在加工过程中的操作：读取刀具轨迹，控制机床完成加工； （ 3）由以上分析，设计自动加工程序框图 6下所示 ： 入口 N Y 返回 图 6设计自动加工程序框 步进电机的控制包括速度，转角及方向的控制。步进电机在突然启动 或停止时，由于负载和惯性，会使电机失步，所以电机运行时有一个加、 减速过程。 零件坐标地址指针 读零件坐标 调步进电机子程序 工作台移动到位 刀具快进 加工 快速退刀 零件坐标地址指针加 1 零 件 加工完成 第六章 数控系统控制软件设计 59 通过确定进给脉冲数和脉冲时间间隔，即可实 现步进电机转角与速度的控制。 （ 1）时间常数的确定 在步进电机控制程序中，利用单片机的定时器中断，延时产生进给脉冲的时间间隔。此间隔由送入定时器的时间常数决定。时间常数由下式计算： 361010e 式中： T 为脉冲时间间隔（ e s），在时钟为 6， s。 （ 2）步进电机加、 减速进给脉冲及脉冲时间间隔的确定 设步进电机加、减速方式为直线加、 减速。 要使步进电机不失步，应满足： m g T式中： 由步进电机m，取步进电机 的加速启动力矩 m a x 0 . 8 6 6 0 . 3 3 9 2 0 . 8 6 6 0 . 3 1 0 1 . 8 4 则使步进电机不失不的惯性力矩 1 0 1 . 8 4 9 6 . 5 7 5 . 2 7 .I m T N c m 步进电机角加速度 2245 . 2 7 1 0 6 7 6 . 2 5 ( / )0 . 7 7 9 3 1 0r a d 又 m a d fd t d t t 式中：以有： m a 5 1 6 6 7360 6 4 . 5 ( )6 7 6 . 2 5m s 第六章 数控系统控制软件设计 60 加速脉冲个数： 3m a 6 6 7 6 4 . 5 1 0 5 3 . 7 622mn f t 确定加减脉冲个数都为 54 个 又因为： m a 5 0 . 5 ( )n n f t t 所以脉冲时刻m 合 361010e 可以算出对应各脉冲时刻的计数器时间常数。 储器中，时间常数依次安排在首地址为 1000H 的存储单元中，每个时间常数占据两个字节，低位地址存放时间常数低 8 位，高位地址存放时间常数高 8 位。 在程序中，设置加速，恒速，减速脉冲计数器 计数器的值是否为 0 作为相 应过程是否结束的标志。步进电机控制程序框图 6下所示： N Y 图 6进电机控制子程序 开始 中断初始化 设时间常数地址指针 首地址指向 1000H 加速 减速 脉冲计数器赋初值 恒速 送时间常数至计数器中 开中断 启动定时器 关中断？ 返回 第六章 数控系统控制软件设计 61 中断服务程序入口 中断返回 图 6进电机控制中断服务程序 （ 1）程序设计语言 程序设计语言是编写计算机程序所使用的语言，是人机对话的工具。 目前使用的程序设计语言大致有三大类，即“机器语言”（ “汇编语言”（ “高级语言”（ 机器语言是设计计算机时所定义的、能够直接解释与执行的指令体系，其指令用“ 0”、“ 1”符号所组成的代码表示。 般的微型计算机有数十种到数百种指令，这些指令是程序员向计算机发指示、并让计算机产生动作的最小单位。机器语言与计算机硬件密切相关，随硬件的不同而不同，不同机种之间一般没有互换件。又因为它是用“ 0”、“
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