毕业论文-c6140卧式车床数控化改造设计控制部分的设计

C6140卧式车床数控化改造设计控制部分的设计摘要中国是一个传统的机械制造大国，但其装备水平落后，特别是一些老的机械制造厂大多还是比较旧的机床，远远不能满足加工的要求。中国又是发展中国家，在经济紧张的情况下，如何提高装备精度及自动化程度具有重要的现实意义。经济型数控机床系统就是结合我国国情和生产实际，在满足系统基本功能的前提下所提出的。性价比适中是经济型数控机床最主要的特点。本设计采用单片机控制，实现了车床自动化，提高了加工精度，并且成本较低。C6140普通车床的数控化改造控制部分的设计主要包括主传动部分的改造设计和伺服进给系统的改造设计。通过对控制系统硬件电路的设计和部分软件的设计，改造后的机床主运动能够实现自动变速；纵向、横向进给系统能够实现数控控制，其中纵向精度为001MM/脉冲，横向精度为0005MM/脉冲，并且能够利用自动转位刀架，实现自动换刀及自动切削螺纹等功能。关键词卧式车床；数控化改造；控制系统；单片机THENUMERICALCONTROLTRANSFORMATIONOFTHEC6140HORIZONTALLATHEABSTRACTCHINAISATRADITIONALMACHINERYMANUFACTURINGCOUNTRY,BUTITSLEVELOFEQUIPMENTISBACKWARD,ESPECIALLYSOMEOLDMECHANICALMANUFACTUREFACTORIESAREEQUIPPEDWITHTHEOLDERMACHINES,CANNOTMEETTHEPROCESSINGREQUIREMENTSCHINAISADEVELOPINGCOUNTRY,INATIGHTECONOMYCIRCUMSTANCES,HOWTOIMPROVETHEACCURACYOFEQUIPMENTANDDEGREEOFAUTOMATIONHASIMPORTANTPRACTICALSIGNIFICANCEECONOMICTYPECNCMACHINETOOLSYSTEMISCOMBINEDWITHCHINASNATIONALCONDITIONSANDTHEACTUALPRODUCTION,TOMEETTHEBASICFUNCTIONSOFTHESYSTEMUNDERTHEPREMISEOFTHEPROPOSEDPRICEMODERATEECONOMICTYPECNCMACHINETOOLSISTHEMOSTIMPORTANTFEATURESTHISDESIGNUSESASINGLECHIPCONTROL,REALIZESTHEAUTOMATICLATHE,THEPROCESSINGPRECISIONISIMPROVED,ANDTHECOSTISRELATIVELYLOWC6140GENERALTRANSFORMATIONOFCNCLATHECONTROLSECTIONDESIGNMAINLYINCLUDESTHEMAINTRANSMISSIONPARTOFTHETRANSFORMATIONDESIGNANDSERVOSYSTEMDESIGNTHROUGHTHECONTROLSYSTEMHARDWARECIRCUITDESIGNANDSOFTWAREDESIGN,AFTERTHETRANSFORMATIONOFTHEMAINMOTORTOREALIZETHEAUTOMATICTRANSMISSIONLONGITUDINAL,TRANSVERSEFEEDINGSYSTEMCANREALIZETHECONTROL,INWHICHTHELONGITUDINALACCURACYFOR001MM/PULSE,HORIZONTALACCURACYFOR0005MM/PULSE,ANDCANUSETHEAUTOMATICKNIFEREST,TOREALIZETHEAUTOMATICTOOLCHANGEANDAUTOMATICCUTTINGTHREADFUNCTIONKEYWORDSHORIZONTALLATHES；NUMERICALCONTROLTRANSFORMATION；CONTROLSYSTEM；SCM（SINGLECHIPMICROCOMPUTER）目录摘要IABSTRACTII目录III第一章绪论111国内外发展现状112设计任务213总体设计方案3第二章控制系统硬件电路设计521确定控制系统方案522电路的系统设计623四工位自动回转刀架1824电源设计与选择1925本章小结20第三章软件的设计2131存储器与I/O芯片地址分配2132控制系统的监控管理程序21338255芯片初始化子程序22348279芯片初始化子程序22358279控制LED显示子程序23368279管理键盘子程序2537D/A电路输出模拟电压程序2538步进电动机的运动控制程序2639主轴、卡盘与冷却泵的控制程序26310插补程序设计27311本章小结28结论28参考文献29致谢30附录A外文翻译原文部分31附录B外文翻译译文部分44第一章绪论随着我国制造业的发展，对很多零部件的精度要求越来越高，许多零件用普通车床很难加工，要求用数控机床加工。这就需要大量经费，对老设备进行改造是一条投资少见效快的途径，有许多工厂有C6140车床，但无法完成精度高的工件加工，因此需对其进行数控化改造。发达国家重视装备制造业的发展，不仅在于其在本国工业中出口、积累、就业、贡献均占前列，更在于装备制造业为新技术、新产品的开发和生产提供重要的物质技术，是经济高级化不可或缺的战略性产业。即使是迈进“信息化社会”的工业化国家，也无不高度重视机械制造业的发展。先进的装备制造业是高新技术的重要组成部分，是促进相关产业技术升级和发展的重要依托。进入90年代，随着信息装备技术、工业自动化技术、数控加工技术、机器人技术、先进的发电和输配电技术、电力电子技术、新型材料技术和新型生物、环保装备技术等当代高新技术成果的应用，使机械产品不断高技术化，其高新技术含量己成为市场竞争取胜的关键。为适应市场需求的不确定性和个性化的用户要求，先进的制造企业不断吸收各种高新技术和现代管理技术等信息，并将其综合应用于产品设计、生产、管理、销售、使用、服务乃至回收的全过程，以实现优质、高效、低耗、清洁、灵敏及柔性化生产。一方面规模化生产使得垄断性跨国公司的技术创新和市场主导作用日益增强，例如在汽车产业领域，目前年产超过400万辆的企业集团大概有6家，产量占世界汽车产量的80以上在电力设备领域，世界前三大公司控制了全球大型电力设备市场的70。另一方面各大跨国公司在不断联合重组，扩张竞争实力的同时，纷纷收缩战线，剥离非主营业务，以精干主业，提高系统成套能力和个性化、多样化市场适应能力。作为规模化生产的前提和条件，生产高水平零部件和配套产品的“中场产业”快速发展，社会化生产服务体系不断完善，产业的国际化步伐不断加快。11国内外发展现状早期的数控系统采用穿孔纸带传送加工程序，由专用数控装置读入加工代码、进行识别、储存和计算，输出相应的指令脉冲以驱动伺服系统。70年代中期小型计算机出现。由于其较低的价格，高超的数据处理和输入输出功能，使它迅速应用到数控机床的控制系统中，出现所谓计算机数控CNC和直接数控DNC系统。九十年代以来，计算机技术的发展日新月异，通用计算机从8位4机，已发展到奔腾时代。其速度和功能已比当年的8位机快了几百倍。使7得在通用微机上以软件方式可以实现各种数控功能，数控技术发生了深刻变化。PC机上的丰富软件资源、友好的人机界面，是其它数控系统所无法比拟的。基于微机的开放式数控系统已成为世界数控技术的发展潮流，以PC机为平台的数控技术的应用范围迅速扩大。继续向开放式、基于PC的第六代方向发展。基于PC所具有的开放性、低成本、高可靠性、软硬件资源丰富等特点，更多的数控系统生产厂家会走上这条道路。至少采用PC机作为它的前端机，来处理人机界面、编程、联网通信等问题，由原有的系统承担数控的任务。PC机所具有的友好的人机界面，将普及到所有的数控系统。远程通讯，远程诊断和维修将更加普遍。这是适应机床向高速和高精度方向发展的需要。随着人工智能在计算8机领域的不断渗透和发展，数控系统的智能化程度将不断提高。数控系统能检测过程中一些重要信息，并自动调整系统的有关参数，达到改进系统运行状态的目的。将熟练工人和专家的经验，加工的一般规律和特殊规律存入系统中，以工艺参数数据库为支撑，建立具有人工智能的专家系统。引入故障诊断专家系统。智能化数字伺服驱动装置。可以通过自动识别负载，而自动调整参数，使驱动系统获得最佳的运行。3随着科学技术的不断发展，数控技术的发展越来越快，数控机床朝着高性能、高精度、高速度、高柔性化和模块化方向发展。但最主要的发展趋势就是采用“PC运动控制器”的开放式数控系统，它不仅具有信息处理能力强、开放程度高、运动轨迹控制精确、通用性好等特点，而且还从很大程度上提高了现有加工制造的精度、柔性和应付市场需求的能力。美国将其称为新一代的工业控制器，日本称其将带来第三次工业革命。1012设计任务本次设计任务是研究设计数控机床的控制部分。采用单片机或微机对进给伺服步进电机及主轴电机进行开环控制，要求设计出硬件电路，包括光电隔离、环形分配器、驱动放大电路、PWN调速电路等，并设计相关的程序（软件），包括总体控制中断程序、输入输出程序（键盘输入、显示器输出）、插补程序、环形分配程序等。其主要技术指标如下1床身最大加工直径400MM，最大加工长度1000MM；2X方向（横向）的脉冲当量X0005MM/脉冲，Z方向（纵向）的脉冲当量Z0005MM/脉冲；3X方向最快移动速度XMAX3000MM/MIN，Z方向最快移动速度ZMAX6000MM/MIN；4X方向最快工进速度XMAXF400MM/MIN，Z方向最快移动速度ZMAXF800MM/MIN；5X方向定位精度001MM，Z方向定位精度002MM；6可以车削柱面、平面、锥面与球面等；7安装螺纹编码器，可以车削米/英制的直螺纹与锥螺纹，最大导程为24MM；8安装四工位立式电动刀架，系统控制自动选刀；9自动控制主轴的正转、反转与停止，并可输出主轴有极变速与无极变速信号；10自动控制冷却泵的起/停；11安装电动卡盘，系统控制工件的夹紧与松开；12纵、横向安装限位开关；13数控系统可与PC机串行通信；14显示界面采用LED数码管，编程采用ISO数控代码。13总体设计方案对卧式车床进行数控化改造，主要是将纵向和横向进给系统改成用微机控制的、能独立运动的进给伺服系统；将手动刀架换成能自动换刀的电动刀架。这样，利用数控装置，车床就可以按预先输入的加工指令进行切削加工。由于加工过程中的切削参数、切削次序和刀具都可按程序自动进行调节和更换，再加上纵、横向的联动进给功能，所以，改造后的车床就可以加工出各种形状复杂的回转零件，并能实现多工序集中车削，从而提高生产效率和加工精度。总体方案应考虑车床数控系统的运动方式、进给伺服系统的类型、数控系统CPU的选择，以及进给传动方式和执行机构的选择等。（1）普通车床数控化改造后应具有单坐标定位，两坐标直线插补、圆弧插补以及螺纹插补的功能。因此，数控系统应设计成连续控制型。（2）普通车床经数控化改造后属于经济型数控机床，在保证一定加工精度的前提下，应简化结构，降低成本。因此，进给伺服系统常采用步进电动机的开环控制系统。（3）根据技术指标中的最大加工尺寸、最高控制速度，以及数控系统的经济性要求，决定选用MCS51系列的8位单片机作为数控系统的CPU。MCS51系列8位机具有功能多、速度快、抗干扰能力强、性/价比高等优点。（4）根据系统的功能要求，需要扩展程序存储器、数据存储器、键盘与显示电路、I/O接口电路、D/A转换电路、串行接口电路等；还要选择步进电动机的驱动电源以及主轴电动机的交流变频器等。（5）为了达到技术指标中的速度和精度要求，纵、横向的进给传动应选用摩擦力小、传动效率高的滚珠丝杠螺母副；为了消除传动间隙提高传动刚度，滚珠丝杠的螺母应有预紧机构等。（6）计算选择步进电动机，为了圆整脉冲当量，可能需要减速轮副，且应有消间隙机构。（7）选择四工位自动回转刀架与电动卡盘，选择螺纹编码器等。第二章控制系统硬件电路设计在经济型数控机床控制系统中广泛采用INTEL公司的MCS51系列单片机，ATMEL是著名的半导体公司，它以51系列内核开发出许多具有特色的MCS51系列兼容微控制器，并改善了51系列许多特性，例如提高了速度、降低了时钟频率、加宽了电压范围、降低了产品价格。因此选用ATMEL公司的AT89S52单片机作CPU。本章介绍用MCS51系列单片机构成的控制系统的设计内容、方法及电路控制。根据任务书的要求，设计控制系统的硬件电路时主要考虑以下功能（1）接收键盘数据，控制LED显示；（2）接收操作面板的开关与按钮信号；（3）接收车床限位开关信号（4）接收螺纹编码器信号；（5）接收电动卡盘夹紧信号与电动刀架刀位信号；（6）控制X、Z向步进电动机的驱动器；（7）控制主轴的正转、反转与停止；（8）控制多速电动机，实现主轴有级变速；（9）控制交流变频器，实现主轴无级变速；（10）控制冷却泵启动/停止；（11）控制电动卡盘的夹紧与松开；（12）控制电动刀架的自动选刀；（13）与PC机的串行通信。21确定控制系统方案控制系统有微机的、有PLC的、也有单片机的，这里采用的是开环控制系统，可以选择经济型的单片机控制系统。另外，既然要控制，就得有输入和输出设备才能对相应的运动进行控制。其控制系统框图如图21所示图21控制系统原理框图22电路的系统设计221CPU和存储器连接电路CPU选用ATMEL公司的8位单片机AT89S52；由于AT89S52本身资源有限，片内仅含4KB的EEPROM。所以扩展了一片EPROM芯片W27C512用作程序存储器，存放系统底层程序；扩展了一片SRAM芯片6264用作数据存储器，存放用户程序；键盘与LED显示采用8279来管理；输入/输出口的扩展选用了并行接口8255芯片，一些进/出的信号均做了隔离放大；模拟电压的输出借助于DAC0832；与PC机的串行通信经过MAX233芯片。其芯片连接电路如图22。图22AT89S52与存储器电路AT89S52芯片的P0和P2用来传送外部存储器的地址和数据，P2口传送的高8位地址，P0口传送低8位地址和数据，故要采用74LS373地址锁存器，锁存低8位地址，ALE作为其选通信号，当ALE为高电平，锁存器的输入和输出透明，即输入的低8位存储器地址在输出端出现，此时不需锁存。当ALE从高电平变低电平，出现下降沿时，低8位地址锁存入地址锁存器中，74LS373的输出不再随输入变化，这样P0口就可用来传送读写的数据了。AT89S52芯片的P2口和74LS373送出的P0口共组成16位地址，6264是8KB的芯片，需要13根地址线；W27C512是64KB的芯片，需要16根地址线。系统采用完全译码的方法，扩展数据存数据6264时A0A7低8位接74LS373芯片的输出，A8A12接AT89S52芯片的P20P24。6264芯片片信号ERROR1用CPU的高位地址线A15、A14、A13经74LS138的输出Y0来选通，算得6264的地址范围是1000H1FFFH。扩展程序存储器时A0A7低8位接74LS373芯片的输出，A8A15接AT89S52芯片的P20P27。W27C512芯片片选信号ERRORERROR接低电平，芯片始终处于工作状态，由于使用了单片机自带的4KB的EEPROM，所以AT89S52芯片的ERRORA接高电平，系统复位以后片外扩展的EEPROM地址从1000H开始执行。单片机扩展系统允许程序存储器和数据存储器独立编址（即允许地址重叠），AT89S52芯片控制信号ERROR接W27C512的ERROR引脚，读写控制信号ERROR和ERROR分别接6264芯片的ERROR和ERROR，以实现外部数据存储器的读写。222掉电保护电路6264具有两个片选引脚其中CE1为低电平有效；CE2为高电平有效。CE1用CPU的高位地址线A15、A14、A13经74LS138的输出Y0来选通。CE2由比较器LM393的输出经两次反相后提供。当系统处于上电或断电的过程中，系统的工作电压低于5V，LM393比较器输出低电平，经两次反相后，送到6264的CE2也是低电平，于是禁止对6264进行读/写；当系统的工作电压5V稳定后，LM393输出高电平，6264的第二片选CE2也变成高电平，如果此时第一片选CE1为低电平，那么CPU就能对6264进行读/写操作了。图23为6264的掉电保护电路图236264的掉电保护电路223I/O接口电路由于AT89S52只有P1和P3口部分能提供用户作为I/O口使用，不能满足输入口的需要，因而系统必须扩展输入输出接口电路。系统的扩展采用了一片8255可编程I/O接口芯片。8255A是INTEL公司生产的可编程输入/输出接口芯片，它具有A、B、C三个8位的并行I/O口，可选择三种工作方式。工作方式0为基本的输入输出；方式1为选通输入输出；方式2为双向传送。8255A还能对C端口的任一位进行置位/复位操作。其I/O接口连接电路如图24所示。8255的片选信号ERRORS接74LS138的ERROR1，74LS138译码器有三个输入端A、B、C分别接到AT89S52的P25、P26、P27，输出ERROR0ERROR78输出，低电平有效。ERROR0ERROR7对应输入A、B、C的000至111的8种组合，其中ERROR0对应A、B、C为000，ERROR7对应A、B、C为111。74LS138还有三个使能端，其中2个（ERROR2ERROR和ERROR2ERROR）为低电平使能，另一个G1为高电平使能。只有当使能端均处于有效电平时，输出才能产生，否侧输出处于高电平无效状态。所以把ERROR2ERROR和ERROR2ERROR接低电平，把G1接高电平（5V）。图24I/O接口电路224步进电机与驱动电路通常在经济型数据机床中，大多数采用步进电机开环控制。步进电机是一种用电脉冲信号进行控制，并将电脉冲信号转变成相应的角位移的电动机。其角位移量与电脉冲数成正比，其转速与电脉冲频率成正比，通过改变脉冲频率就可以调节电机的转速。环形分配器是步进电动机驱动系统中的一个重要组成部分，通常分为硬件环分和软件环分两种。硬件环分由数字逻辑电路构成，一般放在驱动器的内部，其优点是分配脉冲速度快，不占用CPU的时间。本设计中我们采用硬件环分，由于本设计中我们选用的X向和Z向的步进电动机型号分别为110BYG5802和130BYG5501，这两种电动机均为5相混合式，所以我们选用控制该步进电机的专用芯片PMM8714。采用硬件环分时，步进电动机的通电节拍由硬件电路来决定，控制器与硬件环分电路的连接只需两根信号线一根方向线，一根脉冲线。为了使步进电机正常运行并输出一定功率，需要有足够的功率提供给电动机，因此需要有功率放大环节。脉冲分配器及前面的微机及接口芯片，工作电压一般为5V，而作为电机电源要符合步进电机要求的额定电压值。为了避免强电对弱电的干扰，在它们之间应采用隔离电路。硬件环分的脉冲分配如图25。控制器功率驱动放大电路步进电动机硬件环分电路隔离放大电路图25硬件环分的脉冲分配1步进电动机驱动电源的选用本设计中X向步进电动机的型号为110BYG5802，Z向步进电动机的型号为130BYG5501，生产厂家为常州宝马集团公司。这两种电动机除了外形尺寸、步距角和输出转矩不同外，电气参数基本相同，均为5相混合式，5线输出，电机供电电压DC120310V，电流5A。这样，两台电动机的驱动电源可用同一型号。在此，根据【1】表414选择合肥科林数控科技有限责任公司生产的五相混合式调频调压型步进驱动器，型号为BD5A。它与控制系统的连接如图26所示。表414混合式步进电动机驱动电源技术参数型号相数输入电压相电流分配方式适用电动机BD28NB220100VAC24A二相八拍90BYG2502/90BYG2602等BD28NC2110220VAC4/6/8A二相八拍110BYG2502/110BYG2602/130BYG2502等BD28FB220100VAC24A90BYG2502/90BYG2602等BD28FC2110220VAC3/4/6/8A110BYG2502/110BYG2602/130BYG2502等BD3A3220VAC3/5/7A1/2/4/5/8/10/20/40细分110BYG3502/130BYG3502等BD5A5220V4/6/8A五相十拍/二十110BYG5802/130BYG5501等AC拍图26BD5A驱动器与控制系统的连接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。由于步进电机需要驱动的电压较高，电流较大，如果将I/O口输出信号直接与功率放大器相连，将会引起强电干扰，轻则会引起计算机的正常运行，重则导致计算机接口电路损坏。所以一般在接口电路与功率放大器之间都要加上隔离电路，实现电气隔离，通常使用最多的是光耦合器。光耦合器是以光为媒介传输信号的器件，其输入端配置发光源，输出端配置受光器，因而输入和输出在电气上是完全隔离的。其光电隔离输入电路如图27。图27光电隔离输入电路3功率放大电路脉冲分配器的输出的功率太小，远不能满足步进电机的要求，必须将它放大，以产生足够大的功率驱动步进电机正常运转。其功率放大电路如图28。图28功率放大电路225开关量输出通道电路在机电控制系统中，对被控设备的驱动控制常采用模拟量和开关量（数字量）输出两种方式。模拟量输出的方法，由于受模拟器件的漂移影响，很难达到较高的控制精度，开关量输出的控制精度要比一般的模拟量控制高很多，而且在改变控制算法时，无须改动硬件，只要改动程序即可满足要求。在开关量输出通道中，为了防止现场强电磁干扰或工频电压通过输出通道窜入测控系统，必须采用隔离技术。在输出通道的隔离中采用光电隔离技术。机电控制系统的开关量输出信号，通常是由I/O接口芯片给出的低压直流信号，这种信号一般不能直接驱动外设，需要经过接口电路的转换处理。开关量的输出控制采用专门的驱动芯片MC1413（ULN2003）。可编程接口芯片8255从PA引脚送出的低电平信号，经光电隔离后输出高电平，再由MC1413反相输出低电平送给直流继电器，而直流继电器的另一端的是12V电源，于是，继电器线圈得电，常开触点闭合，完成指定的控制动作。该直流继电器可当作中间继电器，利用中间继电器的触点来控制交流继电器线圈的得电与失电，如机床主电动机的起、停等，完成从低压直流到高压交流的过渡控制。接口电路如图29。继电器接触器控制电路。图29继电器接触器控制电路226D/A转换接口电路将数字量转换为模拟量的过程称为数模（D/A）转换，完成这一转换的器件称为数模转换器（DAC）。其转换框图如下微型计算机I/O接口DAC功放执行件控制对象图210D/A的实时控制系统本设计中的D/A转换器选择DAC0832。它是一种具有两个输入数据寄存器的8位DAC，它能直接与单片机相连，其主要特性如下分辨力为8位；电流稳定时间1US；可单缓冲、双缓冲或直接数字输入；只需在满量程下调整其线性度；单一电源供电（5V15V）；内部没有参考电压，需要外接；为电流输出型转换器，要获得模拟电压输出时，需要外加转换电路。DAC0832与CPU有三种基本的接口方法直通方式、单缓冲方式和双缓冲同步方式。本系统只有一路D/A转换，所以我们采用单缓冲的方式连接。芯片的供电电压为12V，参考电压取10V，模拟地与数字地相连。ILE引脚接高电平；WR1、WR2两脚并接CPU的WR端，当CPU对外部端口执行写指令时，WR（低电平有效）0，同时选中WR1、WR2；XFER、CS两脚并接某一译码器的输出（输出为低电平时，同时选中XFER和CS）。DAC0832的电流输出脚接至运算放大器741的两个输入端，741的工作电压需要两组，一组为12V，另一组为12V。DAC0832输出的电流经741放大后转变成电压VOUT，直接送往交流变频器F1000G，实现交流异步电动机的无级变速。其连接电路如图211。图211D/A转换接口电路227键盘与LED显示电路的设计键盘与显示器是机电一体化系统中典型的人机接口。通过键盘，操作者可向控制系统发出指令或输入数据，系统的各种信息又可通过显示设备反馈给操作者。键盘与显示器是实现人机交换的关键部件。键盘有独立式和矩阵式两种，显示器主要有LED、LCD和CRT等。本设计我们采用矩阵式键盘和LED显示器。本设计中我们要设计的车床数控布置如图212。212车床数控系统操作面板布置图1利用8279芯片实现键盘显示器的接口电路8279是一种通用的可编程键盘、显示器接口芯片，它能完成键盘输入和显示控制两种功能。键盘部分提供扫描工作方式，可与64个按键的矩阵键盘进行连接，能对键盘实行不间断的自动扫描，自动消除抖动，自动识别按键并给出键值。显示部分为发光二极管、荧光管等显示器件，提供了按扫描工作方式的接口电路，它为显示器提供多路复用信号，可显示多达16位的字符。图213为8279的引脚功能。图2138279的引脚功能28279的键盘管理SL3SL0有采用译码扫描和编码扫描两种，由于本设计需要的键较多，所以我们采用编码扫描。将8279的SL0SL2三根扫描线送给74LS138译码器的A、B、C，得到8根行扫描线，组成矩阵键盘时采用了7根；列回馈线不必扩展，直接使用8279的RL7RL0中的6根，但是要接上上拉电阻。组成的键盘为76矩阵，共有42个按键，键值的计算如下D7D6D5D4D3D2D1D0CNTLSHIFTNNNKKK其中CNTLSHIFT0（已接地）；NNN表示行的位置，它的值等于74LS138输出YI0时的标号I（写成二进制）；KKK表示列的位置，它的值等于RLJ0时的标号J，即KKKJ（写成二进制）。例如图213所示8279扫描线编码扫描管理键盘电路中的键S32，其键值由KY3与RL4组合而得（I011,J100）D7D6D5D4D3D2D1D000011100在车床数控系统主机板电原理图中，8279的IRQ经反相后送给8031单片机的中断脚，矩阵键盘一旦有键按下，便向CPU申请中断。图2148279扫描线编码扫描管理键盘电路38279的显示管理8279可用来管理16位8段的LED，它的内部有专门用于存储显示数据的RAM区，共有16个字节，地址从00H到0FH。由于本设计采用的是编码扫描工作方式，扫描输出线SL3SL0经过译码后，可以选择16个LED数码管，这16个数码管显示的字符，分别对应8279显示RAM区的00H0FH中的内容。本设计的显示器由一个16段的LED和7个8段的LED数码管组成。8279的显示数据输出线OUTA3OUTA0、OUTB3OUTB0上，并接了两路8位数据锁存器74LS373，因为74LS373的驱动能力不足，所以在LED数码管之前加上了两片74LS240进行驱动。8279的扫描线SL0控制了两片74LS373的触发端LE，扫描线SL1SL3接译码器74LS138的输出端，译码后的输出Y0Y4作为数码管COM端的选择线。如车床数控系统键盘与LED显示电原理图所示。第一个数码管（16段）由片选线Y0来选择，中间的六个数码管，每两个共用一根片选线（Y1Y3），最后一个数码管由Y4来选择。228急停电路为了防止工作台越界，分别在极限位置安装限位开关，如果是两坐标联动的数控系统，则有四个方向可能越界，即X、X、Z、Z。一旦某一方向越界，应立即停止工作台移动。这里采用中断方式，利用AT89S52的外部中断ERROR0，只有任何一个行程开关闭合，即工作台在某一个方向越界，均能产生中断信号ERROR0，为了防止这种情况，设置有急停按钮。其越界电路如214。图215急停电路23四工位自动回转刀架根据设计任务的要求，数控车床上安装四工位自动回转刀架，如图211，刀架的转位过程如下数控系统发出换刀信号刀架电动机正转上刀体上刀体上升并转位转到需要刀位时，霍尔开关发出信号刀架电动机反转检查刀架有没有锁紧刀架电动机停转换刀结束。其中，刀架的刀位信号，由刀架定轴上端发信盘上的4个霍尔开关和一块永久磁铁检测获得。4个霍尔开关安装在一个塑料盘的四周，代表4工位刀架的4个刀位。当上刀体旋转时，带动磁铁一同旋转，转到什么位置需要停止，可通过霍尔开关的输出信号来检测。如图216，发信盘上的4只霍尔开关型号为UGN3120U。它有3个引脚，第1引脚接12V电源，第2引脚接12V地，第3脚为输出。当磁铁对准某一个霍尔开关时，其输出端第3脚送出低电平；当磁铁离开时，送出高电平。4只霍尔开关输出的刀位信号T1T4分别送到光电隔离电路进行处理，光耦合器的输出再送给I/O接口芯片8255。图216刀架发信盘24电源设计与选择在机电一体化控制系统中，经常要用到小功率的集成稳压电源。如控制系统的CPU芯片需要提供电压稳定的直流电源；在进行D/A转换时，需给转换电路提供精密的基准电压；在采用光电隔离技术时，要给被隔离的电路提供独立的供电电源等。这些电源都是直流的，并且需要稳压，通常采用集成稳压器来获得。本设计中我们选用三端固定正电压稳压器MC7805、MC7812,三端固定负电压稳压器MC7912。车床数控系统的电源配置如图213所示。220V交流市电经过隔离变压后，输出四组交流电压9V、11V、11V、11V。分别对这四组低压交流进行桥式整流、电容滤波和稳压处理，最终输出5V电压供给CPU及其扩展芯片使用，12V电压供继电器及LED显示器使用，12V电压供数模转换电路使用。电源设计电路如图217。图217电源设计电路25本章小结本章主要内容是对控制部分的电路设计，分别介绍各芯片的作用、连接方法和整体电路的设计。同时，介绍CPU和存储器、I/O接口、步进电机接口与驱动、开关、键盘/显示器及越界急停等电路的连接。第三章软件的设计机床数控系统是有硬件和软件两大部分组成，只有软件和硬件相结合才能实现数控机床控制系统的功能。本章主要介绍软件的设计，而软件是有一系列功能子程序组成的一整套程序。设计这些程序的目的是为了完善和发挥计算机的硬件功能，是软件和硬件结合，形成一个具有特定功能的控制系统，从而使该系统能够完成零件加工程序的输入，编辑，译码，数据计算、插补和电机控制等工作。本章将介绍几个典型程序。31存储器与I/O芯片地址分配根据车床数控系统主机板电原理图中地址译码器U4（74LS138）的连接情况，可以算出主机板中存储器与I/O芯片的地址分配如表31所示。表31主机板中存储器与I/O芯片的地址分配表32控制系统的监控管理程序系统设有7档功能可以相互切换，分别是“编辑”、“空刀”、“自动”、“手动1”、“手动2”、“手动3”和“回零”。选中某一功能时，对应的指示灯点亮，进入相应的功能处理。控制系统的监控管理程序流程如图31所示。图31系统监控管理程序流程图338255芯片初始化子程序B255MOVDPTR，3FFFH；指向8255的控制口地址MOVA，10001001B；PA口输出，PB口输出，PC口输入均为方式0MOVXDPTR，A；控制字被写入MOVDPTR，3FFCH；指向PA口MOVA，0FFH；预置PA口全“1”MOVXDPTR，A；输出全“1”到PA口MOVDPTR，3FFDH；指向PB口MOVA，0FFH；预置PB口全“1”MOVXDPTR，A；输出全“1”到PB口RET348279芯片初始化子程序B279MOVDPTR，5FFFH；指向8279控制口地址MOVA，0CFH；清除FIFO与显示RAM命令MOVXDPTR，A；命令字被写入WAITMOVXA，DPTR；从8279的控制口读取8279的状态字JBACC7，WAIT；测试显示RAM有没有被清除完毕。只有状态的D70时，清除才结束MOVA，08H；编码扫描，左入口，16位字符显示，双键互锁MOVXDPTR，AMOVA，34H；分频系数取20MOVXDPTR，ARET358279控制LED显示子程序设显示缓冲区的首地址为6BH，系统在指定的工作状态下，需要显示的字符段码的编码，事先存储在CPU内部RAM的6BH73H这9个字节中。已知8279的控制口地址为5FFFH，数据口地址为5FFEH，则显示程序如下DIRMOVDPTR，5FFFH；8279的控制口地址MOVA，90H；写8279显示RAM的命令，MOVXDPTR，A；从显示RAM的00H地址开始写，每写一次，显示RAM的地址自动加1MOVR0，6BH；显示缓冲区的首地址为6BHMOVR7，09H；显示缓冲区的长度为9个字节MOVDPTR，5FFEH；8279的数据口地址DIR0MOVA，R0；从CPU的RAM中读取显示段码的编码ADDA，05H；PC与DTAB表格之间的偏移量MOVCA，APC；查表，取出显示段码MOVXDPTR，A；送到8279显示RAM中指定的字节INCR0；写8279的下一个显示RAMDJNZR7，DIR0；循环9次，完成9位显示RET段码字符编码DTABDB6FH；F0001DB0DAHDB0BEH；X0203DB0E7HDB0A3H；Z0405DB0CBHDB0D1H；U0607DB0D3HDB0DCH；W0809DB0CEHDB0DFH；0ADB21H；00BDB7BH；10CDB91H；20DDB19H；30EDB4BH；40FDB0DH；510DB05H；611DB69H；712DB01H；813DB09H；914DB20H；015DB7AH；116DB90H；217DB18H；318DB4AH；419DB0CH；51ADB04H；61BDB68H；71CDB00H；81DDB08H；91E；根据系统需要编制字库当需要显示一组字符时，首先给显示缓冲区的6BH73H这9个字节赋值，然后调用DIR子程序即可。例如，要显示“X123456”，程序如下MOV6BH，02H；“X”的一半MOV6CH，03H；“X”的另一半MOV6DH，0AH；MOV6EH，0CH；1MOV6FH，0DH；2MOV70H，0EH；3MOV71H，19H；4MOV72H，10H；5MOV73H，11H；6CALLDIR；向8279的显示RAM写数显示缓冲区（内部RAM（6BH）（6CH）（6DH）（6EH）（6FH）（70H）（71H）（72H）（73H）|显示字符X123456|字符编码02H03H0AH0CH0DH0EH19H10H11H368279管理键盘子程序如车床数控系统主机板电原理图所示，当矩阵键盘有键按下时，8279即向CPU的INT1申请中断，CPU随即执行中断服务程序，从8279的FIFO中读取键值，程序如下CLREX1；关CPU的INT1中断MOVDPTR，5FFFH；指向8279控制口地址MOVA，01000000B；准备读8279FIFO的命令MOVXDPTR，A；写入8279控制口MOVDPTR，5FFEH；指向8279数据口地址MOVXA，DPTR；读出键值CJNEA，KEY0,NEXT0；依次进行判别JMP_KEY0；对应键进行处理NEXT0CJNEA，KEY1，NEXT1JMP_KEY1NEXT1CJNEA，KEY2，NEXT2JMP_KEY2NEXT237D/A电路输出模拟电压程序如车床数控系统主机板电原理图所示，当CPU执行写指令时，只要选中7FFFH这个地址，DAC0832与741组成的D/A转换电路即可输出直流电压。程序如下MOVDPTR，7FFFH；指向DAC0832口地址MOVA，DATA；准备输出的数字量00H0FFHMOVXDPTR，A；输出直流电压010V38步进电动机的运动控制程序步进电动机的运动控制采用的是硬环分，步进电动机的通电节拍由硬件电路决定，编制软件时可以不考虑。控制器与硬件环分电路的连接只需两根信号线方向线和脉冲线（或者一根正转脉冲线，一根反转脉冲线），假设P10输出方向信号，P11输出脉冲信号，则控制步进电动机走步的程序如下（1）电动机正转100步MOV0FH,100D准备走100步CONT1SETBP10正转时P101CLRP11发步进脉冲的下降沿（设驱动器对于脉冲的下降沿有效）NOP延时（让驱动电路的光耦合器充分导通）SETBP11发步进脉冲的上升沿MOV0EH,4EH两脉冲之间延时20000US（决定电动机的转速）MOV0DH,20H20000的HEX码为4E20CALLDELAY调用延时子程序DJNZ0FH,CONT1循环次数减1后，若不为0则继续，循环100次RET（2）电动机反转100步MOV0FH,100D准备走100步CONT2CLRP10反转时P100CLRP11发步进脉冲的下降沿（设驱动器对于脉冲的下降沿有效）NOP延时（让驱动电路的光耦合器充分导通）NOP延时（根据驱动器的需要，调整延时）SETBP11发步进电机的上升沿MOV0EH,4EH两脉冲之间延时20000US（决定电动机的转速）MOV0DH，20H20000的HEX码为4E20CALLDELAY调用延时子程序DJNZ0FH,CONT2循环次数减1后，若不为0则继续，循环100次RET39主轴、卡盘与冷却泵的控制程序车床主轴的控制，就是控制主电动机的正/反/停以及自动变速；电动卡盘需要控制其夹紧与松开；冷却泵需要控制它的启/停。这些程序都非常简单，对于某个动作的控制，只要从输出接口芯片的某个引脚输出一个电平信号即可。现以主轴正转为例，从车床数控系统主机板电原理图可以看出，主轴的正转由8255的PA0来控制，当用低电平信号来控制主轴正转时，程序如下MOVDPTR，3FFCH；8255PA口地址MOVXA，DPTR；读出PA口锁存器内容CLRA；修改MOVXDPTR，A；置PA00，直流继电器K闭合，主轴正转控制系统的软件还包括两坐标直线和圆弧的插补程序、直螺纹和锥螺纹的插补程序，另外还有串行通信程序等。由于这些软件的设计工作量都比较大，设计时一般不要求编制详细的程序清单，但建议设计软件的流程图。310插补程序设计1插补原理数控系统中常用的插补算法有逐点比较法、数字积分法、时间分割法及最小偏差法等。由于逐点比较法就是刀具（或工件）每走一步，控制系统都要将加工点与给定的图形轨迹相比较，已决定下一步的方向，使之逼近加工轨迹。逐点比较插补是以阶梯折线来逼近直线或圆弧等曲线的，它的规定的加工直线或圆弧之间的最大误差为一个脉冲当量，因此只要把脉冲当量（每走一步的距离即步长）取得足够小，就可以达到加工精度的要求。因此逐点比较法加工精度高，所以在本次设计中选用的逐点比较法。由于直线插补和圆弧插补各象限原理相同，在这以第一象限的直线插补为例，其它象限的插补在这不在做详细介绍。第一象限直线插补流程图如32图所示。插补轨迹运算流程图如下初始化走一步X走一步Y到达终点FFIYEFFIXE延时结束F0NNYY图32直线插补流程图311本章小结本章的内容是在第二章的基础上，主要对键盘的输入程序、显示器的显示程序、直线插补等典型的程序设计。结论通过对C6140卧式车床数控化改造的设计，主要做的内容如下1、利用单片机（本设计采用了AT89S52为主控芯片），设计出了一套有硬件电路与步进电机及驱动相匹配的数控系统，由单片机控制步进电机和软件相结合来实现XZ方向的运动。2、在设计中对机床数控部分的I/O进行了扩展，并对键盘和显示器进行了相应的设计，对程序进行了初始化。3、一些典型的软件的设计，如键盘的扫描程序、显示器的显示程序、D/A电路输出模拟电压程序、直线插补等。本课题的控制系统设计部分的设计过程有理论依据，但因各种原因没有进行实际调试。所以如应用在实际生产上，肯定将会出现某些问题，这也需要在生产应用时加以调试和修改优化加工工艺和参数设置，由于设计的经验不足，在本设计中所选用的电器元件及电路的设计可能存在不合理现象。在本次设计只限于一个相对简单、功能单一开环的控制系统，今后可以向功能多样化、智能化、闭环的控制系统发展。这次毕业设计让我学到了很多新的知识，也把在大学几年里所学的基础和专业知识有机的结合在一起，并且把以前所学的，但是现在可能已经模糊的知识再一次得到巩固。通过这一次的锻炼，为即将走向工作岗位增加筹码。参考文献【1】尹志强等机电一体化系统设计课程设计指导书M北京机械工业出版社，2007【2】徐峰，苏本杰数控加工实用手册M合肥安徽科学技术出版社，2010【3】廖效果，刘又午数控技术M武汉湖北科学技术出版社，2000【4】罗永顺机床数控化改造实例M北京机械工业出版社，2009【5】王喜斌，王凤宇电子技术实验与课程设计及创新与竞赛M哈尔滨工业大学出版社，2010【6】席巍电子电路CAD技术M北京科学出版社，2008【7】张毅坤，陈善久，裘雪红单片微型计算机原理及应用M西安西安电子科技大学出版社，1998【8】刘南平，孙蕙芹，童一帆，苏梅单片机实训与开发教程M北京科学出版社，2008【9】秦曾煌电工学M北京高等教育出版社，2004【10】魏斯亮，张克义机床数控技术M大连大连理工大学出版社，2006【11】潘永雄，沙河电子线路CAD实用教程M西安西安电子科技大学出版社，2007【12】王正谋，朱力恒PROTEL99SE电路设计与仿真技术M福州福建科学技术出版社，2004【13】本社ENGLISHFORNUMERICALCONTROLTECHNOLOGYM北京高等教育出版社，2009【14】曾志新FUNDAMENTALSOFMACHINEMANUFACTURINGTECHNOLOGYM武汉武汉理工大学出版社，2009致谢本论文是在机电工程学院任继文老师的细心指导下完成的。从课题的选题到论文的完成，任老师倾注了大量的时间和精力，细心辅导，使我学到了很多的知识，获益良多。在此，谨向尊敬的任继文老师致以衷心的感谢，谢谢您同时，在学业上我还要感谢我的父母多年来对我的支持和关心。由于任老师耐心地为我答疑解惑、开拓思路，提供了许多建设性的方案。他既敢于放手，不包办代替，让我充分发挥自己的独创意识，培养了创新能力；同时，又做到积极引导，不放任自流，有节有度地引导我的设计思路朝正确的方向发展，恰到好处的纠正了我不完全正确的设计思路。任继文老师渊博的学识、严谨的作风、宽广的胸怀和淡泊明志的精神境界都给我以潜移默化的影响，将使我终生受益。在本文完成过程中，我还得到了华东交通大学机电工程学院其他老师的指导和几位同学的帮助，在此向他们表示最诚挚的谢意。附录A外文翻译原文部分THENUMERICALCONTROLENGINEBEDTRANSFORMSHARVEYBMACKEYFIRSTNUMERICALCONTROLSYSTEMDEVELOPMENTSUMMARYBRIEFHISTORYANDTENDENCYIN1946THEFIRSTELECTRONICACCOUNTINGMACHINEWASBORNINTHEWORLD,THISINDICATEDTHEHUMANITYCREATEDHASBEENPOSSIBLETOSTRENGT