普通冲床的数控改造

1、毕业设计（论文）题 目普通冲床的数控改造 系 （院）自动化系专 业机械设计制造及其自动化班 级2008级2班学生姓名樊慧淑学 号2008090404指导教师 李宏伟 黄 超职 称 教 授 讲 师二一二年六月十日独 创 声 明本人郑重声明：所呈交的毕业设计(论文)，是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本设计（论文）不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。本声明的法律后果由本人承担。作者签名: 二一二年 月 日毕业设计（论文）使用授权声明本人完全

2、了解滨州学院关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定。本人愿意按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版，同意学校保存学位论文的印刷本和电子版，或采用影印、数字化或其它复制手段保存设计（论文）；同意学校在不以营利为目的的前提下，建立目录检索与阅览服务系统，公布设计（论文）的部分或全部内容，允许他人依法合理使用。（保密论文在解密后遵守此规定）作者签名: 二一二年 月 滨州学院本科毕业设计（论文）普通冲床的数控改造摘 要普通冲床的冲剪启停是通过机械机构由人工脚踏控制的，工件在工作台上的移动是由手动控制的，由于普通冲床加工精度较低、不能批量生产，自动化程度不高，随着当今工业设备对精密程度的要求越来越

3、高，普通冲床越来越不能满足生产要求。为了达到较高的加工精度，提高生产效率，可对普通冲床进行数控开环改造。主要从机械部分和控制部分两方面进行改造。首先是把普通冲床原有的工作台改造为含有纵横两个方向的工作台，控制系统利用微机对纵、横向系统开环控制，驱动元件采用步进电机，传动系统采用滚珠丝杆。控制部分采用MCS-51系列单片机运动控制系统，使整个冲床实现自动进给，自动冲压等功能。为了协调机械部分和控制部分之间的关系，在冲床冲头需要安装位置传感器，以检测冲头的位置情况，从而使控制部分发出相应的指令控制冲头作出相应的动作。机械部分主要进行了滚珠丝杠和步进电机的选型及相关计算。控制部分主要从硬件和软件两个

4、方面进行了设计，在硬件设计中包括硬件框图及模块电路的设计，软件设计主要是对冲床加工流程的设计。关键词：普通冲床，数控改造，步进电机The CNC Transformation of General PunchAbstractOrdinary punch punching start-stop is through the machine by the artificial foot pedal control, The workpiece on the worktable movement is by manual control.Because ordinary punch processi

5、ng precision is low, not mass production, the degree of automation is not high, with the increasing demands of today's industrial equipment sophistication, the general press is increasingly unable to meet the production requirements. In order to reach a high machining accuracy, improve productio

6、n efficiency, the general press numerical control open loop transformation.The transformation is mainly from the mechanical part and control part . The first is the original ordinary punch worktable engineered to contain two directions of the working table, the control system uses the computer to op

7、en-loop control on the vertical and horizontal system,the drive element adopts a step motor, drive system adopts a ball screw. The control part uses the MCS-51 series singlechip motor control system, so that the punch automatic feeding, automatic stamping and other functions. In order to coordinate

8、the relationship between the mechanical part and control part, Position sensor needs to be installed in the press punch, to detect punch location, so that the control section to issue appropriate instructions to control the punch to make the appropriate action. The mechanical part of the ball screw

9、and the selection of step motor and related calculation. The control part is mainly from two aspects of hardware and software designed, in the hardware design including the hardware block diagram and circuit design, the software design is mainly is designed for the punch processing process .Key word

10、s: Ordinary punch, NC transformation, stepping motorii滨州学院本科毕业设计（论文）I目 录第一章 绪论11.1普通冲床数控改造的意义11.2.1 国内数控机床的研究现状11.2.2 国外数控机床的研究现状21.3 数控机床的发展趋势3第二章 普通冲床数控改造的总体方案设计42.1 普通冲床数控改造总体方案的确定42.2 普通冲床数控改造方案的选择42.3普通冲床数控改造的方案设计要求5第三章 进给伺服系统机械部分的设计与计算73.1工作台重量的估算73.2电机转速的确定73.3滚珠丝杠的设计计算与选择83.3.1确定滚珠丝杠的导程83.3.

11、2确定脉冲当量83.3.3滚珠丝杠轴向载荷的计算83.3.4当量载荷的计算93.3.5预期额定动载荷的计算93.3.6允许的最小螺纹底径的确定103.3.7确定滚珠丝杠的尺寸规格113.3.8确定滚珠丝杠的预紧力113.3.9滚珠丝杠预拉伸力与行程补偿值的计算123.4滚珠丝杠副支承用的轴承尺寸规格的确定123.5步进电机的相关计算与选择133.5.1 作用在滚珠丝杠上转矩的计算133.5.2负载转动惯量的计算133.5.3加速转矩的计算143.5.4电机的最大启动转矩的计算143.5.5电机连续工作的最大转矩143.5.6电机型号的选择15第四章 数控系统硬件设计164.1数控系统的硬件组成

12、164.2键盘/显示器接口电路的设计174.4掉电保护电路的设计194.5复位电路的设计204.6控制面板的设计21第五章 数控系统软件设计225.1数控系统软件设计概述225.2控制系统的I/O口分配225.3冲床改造后加工流程235.4主程序模块设计245.5中断服务程序设计25第六章 结论27参考文献28致 谢29附 录30II第一章 绪论1.1普通冲床数控改造的意义 随着冲床的不断发展和改进，现在市面上常用的有两种冲床，一种是比较早期的普通版型的冲床，另一种就是通过计算机控制的数控型的冲床。在早期由于科技比较落后，采用的普通型的冲床各项功能不是特别的完善，只能完成一些比较简单的工件的加

13、工。同时其生产效率要非常的低，根本无法完成当时市面上某些工件的需求。而且，普通型的冲床需要纯粹的手动操作，离不开人的监护，这样一来，生产一批量的工件花费比较大。随着数控型的冲床进入制造行业，种种的生产效率低，精度不高的担忧被通通解决了。虽然数控冲床有很多的优点，但数控型冲床普遍也存在一些困难。首先，数控冲床要比普通型的冲床贵的多，其次，将普通型的冲床抛弃面临很多负面影响。所以为了解决这一些问题，许多研究人员开始研究对普通型冲床的改造。对普通型冲床改造的方面非常多，不同的改造方式会获得不同的优化效果。其中对普通型冲床的数控改造是比较有价值的改造。将普通型冲床更新为数控型的冲床能够消除将所有普通型

14、冲床换成数控型冲床带来的种种负面影响。1.2.1 国内数控机床的研究现状在40年前，我国在数控方面已将取得了重大的发展，在数控冲床方面的发展成就也是比较显著的。从过去到现在数控冲床的发展已达到比较好的成绩，在国内有很多企业在数控冲床的生产方面有很大成就，基本上能满足市场对数控冲床的需求。经过国家部分政策的支持，我国在数控产业方面得到了快速的发展，有很多智能的数控产品相继出现。高端数控冲床的出现攻克了在生产方面的很多困难，提高了在生产方面的效率。也为今后在数控技术方面的改进更新提供了相当一部分技术支持，为提高我国工业技术提高贡献力量。在我国市场中，数控冲床的发展是非常迅速的，从40年前到现在，数

15、控冲床历经了各方面的提高，由国产低档的数控冲床最后发展到比较高档的产品，不同档次的冲床在不同的方面得到了不同的应用。对生产力的提高做出很大的贡献，随着数控冲床的发展，制造业形成了一个统一的数控产业，在世界上，我国在数控技术方面也有了一席之地。在国内，很多企业已经生产出功能比较齐全的数控系统设备，针对不同的使用用户，很多企业生产不同功能的数控设备。对数控要求比较低的企业，数控冲床制造商会生产一些功能一般，比较简单实用且价格比较合理的经济型数控冲床，对于那些对制造精度比较高的用户，数控冲床制造商会生产一些功能比较齐全，适合加工高精度工件的冲床。随着数控技术的不断发展，在很多高精度要求的场合，我国能

16、生产自己的高精度数控冲床来解决问题，这一部分冲床的市场占有率也占到了相当高的比例。至今为止，像CNC这样高端的数控系统我国顺利的研发成功，对于这些数控系统研发，我国付出了很大的努力，同时我国对这一数控系统拥有自己的知识产权，打破了国外对中国数控技术发展的限制，为中国未来在数控技术方面的发展奠定了基础。与此同时我国生产的数控设备的数控系统的可靠性程度也达到了相当高的程度，因此今后我国在数控技术发面不在依靠国外先进的技术，可以依靠自己来发展，从而国内各企业生产的高标准要求基本得到解决，并且多坐标联动的高难度技术问题也得到解决:从此我们能在世界中真正的独立发展，生产我国自己的数控设备，不在受到发达国

17、家数控技术的控制，生产真正属于中国的数控产品，不再依赖于国外。下面是关于国内数控机床发展的一些特点：1、数控产品生产商生产许多新产品，在这些产品中，高技术性能的产品较多；2、很多制造行业对数控冲床的应用增多，使用普遍化；3、数控产品的组装配置发展也有了很大提高。1.2.2 国外数控机床的研究现状如今世界上很多国家在数控冲床方面的研究发展已达到了相当高的程度，而且生产经验比较丰富。像世界的发达国家之一的日本，在数控冲床方面的发展比较先进，可靠程度比较高。比如日本FANUC公司生产很多种的数控系统，不同档次的数控系统适合不同的使用人群，其数控技术在世界上处于领先地位。美国作为世界上的超级大国，他在

18、数控技术方面是比较先进的，美国技术方面的提高离不开政府的大力支持，同时美国国防部投入大量的资金来研发数控技术，来改进数控技术方面的发展。美国将数控技术应用在多个行业，尤其是汽车生产和工业制造方面，使企业制造的生产率得到了很大的提高，由于美国一直非常重视技术的创新，所以在当今国际上美国的技术是最先进的，尤其是数控技术方面。数控技术在航空领域的应用也比较普遍，像Haas公司就为美国宇航事业制造数控设备。在当今世界中，德国的工业能力也是非常的强的，对重工业的重视程度也不亚于美国，冲床的发展在其工业发展中占到不可忽视的地位。在冲床发展方面的加强，在高精密机械方面的改进，所以德国很多公司在冲床技术方面处

19、于领先地位，如德国的西门子公司是非常出名的。随着科学技术的发展，集成技术进入了当今社会控制行业的市场，经过对数控系统的集成化，实现了控制系统的小型化趋势，为了实现数控系统的更好控制和人类能更方便的控制，现在数控系统正在朝着与网络技术相联合的方向发展。像现在市面上比较流行和比较实用的CAD/CAM技术，与数控系统相互配合后，在控制技术方面起到不容忽视的作用，现在有很多公司推出了这种联合的控制系统，在使用方面非常的好。像西门子公司和FANUC等公司开发过大量的这种配合系统，在这些控制系统中外接输出口形式多样，除了RS232这种传统的接口外，还有网口接口作为备用的接口。1.3 数控机床的发展趋势在如

20、今这个科技比较发达的世界中，现在技术的发展比较迅速，而在现在的制造系统中，很多技术是比较关键的，像数控技术就是其中的一个，它有很多适合生产制造的技术，具有非常高的精度，而且能够实现无人操作的全自动化系统。现在工业中很多行业都在使用数控技术，国家的综合实力考的是国防实力和工业实力的发展，而数控技术正是国防科技和工业技术的关键技术，数控技术产业还被某些国家作为支持国家发展的战略资源。所以为了提高我国的综合实力，加快我国的科技发展，我们必须重视对数控技术的发展和改进，大力支持数控产业企业在中国的发展，把数控技术作为一门核心的产业来对待，这为我国追赶发达国家奠定了良好的基础。根据现在市场的发展情况来看

21、，未来数控冲床的未来展望趋势有以下几点：1、 高速、高精度化；2、 与网络技术联合实现自动化；3、 能够实现像五轴联动这样的多轴加工生产；4、 产生新的技术规定和技术指标；5、 环保化。第二章 普通冲床数控改造的总体方案设计2.1 普通冲床数控改造总体方案的确定普通冲床冲压工件的开始和停止都是由人工脚踏控制的，这种控制是通过一定的机械机构，而且工件在工作台上的移动是由手动控制的，现将工件的移动改造成由控制系统控制完成。为了实现普通冲床的数控加工，需要对原有的普通冲床进行改造。在保留普通冲床床身的基础上，将原来的工作台改造为具有纵横两个方向的工作台。纵横两个方向的进给运动分别由两个步进电机来驱动

22、，采用滚珠丝杠副作为进给运动的传动元件，通过控制系统对数据进行计算处理，输出脉冲来控制步进电机的转动。步进电机与滚珠丝杠通过联轴器连接，带动滚珠丝杠转动，从而带动工作台在纵向和横向的移动。为保障冲床冲头与进给运动之间的联系需要在冲头上安装一个位置传感器，以实现冲头和进给运动之间的联系。该设计主要包括两部分，一部分是工作台机械部分的设计，另一部分是控制部分的设计。普通冲床经改造后如下图所示：图2-1 数控改造后的普通冲床2.2 普通冲床数控改造方案的选择1、选择数控系统运动方式由于冲床的数控装置只要求精确地一个坐标点到另一个坐标点的定位精度，而不限制从一点到另一点的运动轨迹，且在移动过程中不进行

23、任何加工。为了使生产效率提高和定位能力的精确，采用点位数控系统。2、控制系统的选择根据冲床加工要求，数控系统一般采用八位微机。近年来国有一些主要的半导体制造厂家相继生产了各种八位单片微型机，主要有MCS48系列，CS-51系列，Mostek的3870，Motorolo公司的6801和6805。目前在国内用的较广，开发工具较齐的是MCS-51系列，这里选用MCS-51系列中的8051。硬件设计起来相对比较简单，系统结构比较紧凑是MCS-51系列单片机的特点之一。进行一些简单设计时，MCS-51系统的最小系统可以通过对8031的扩展就能实现功能的要求，进行复杂设计时，由于MCS-51的具有一定扩展

24、功能，可以充分利用这一功能，形成具有强大功能、较大规模的系统。3、驱动部分的选择伺服系统有开环、闭环和半闭环三种控制方式。由于开环系统中没有位置检测安装及反馈路线，因此，开环控制系统的精度较差，但由于该系统机构简单，易于调整，在精度不太高的场合中仍得到较为广泛的应用。虽然闭环、半闭环对控制系统能够实现较高精确的位置伺服。由于反馈环节必须的技术条件要控制闭环系统的良好的稳态和动态性能，因此它的难度也随之提高。由于本设计是在普通冲床的基础上进行的改造，故采用步进电动机实现开环驱动控制。其系统框图如下：MCS-518051步进电机驱动器X方向工作台步进电机驱动器步进电机Y方向工作台步进电机图2-1驱

25、动部分框图2.3普通冲床数控改造的方案设计要求将普通冲床改造成数控冲床机械部分的设计参数如下：表2-1冲床改造机械部分设计参数X、Y的直线移动速度20m/min定位精度±0.15mm最大冲孔板厚2mm最大冲切力300KN最大加工板材尺寸12501000mm36第三章 进给伺服系统机械部分的设计与计算本次设计将普通冲床改造成数控冲床，在原冲床床身的基础上，将原有工作台改造成含有X、Y方向的工作台。冲床数控化改造机械部分设计内容包括:滚珠丝杠副的选型与计算，步进电机的选择。改造后的机械图如下：1-步进电机 2-联轴套 3-角接触球轴承 4-滚珠丝杠副 5-密封毡图3-1工作台机械图3.1

26、工作台重量的估算取工件的材料为号钢，其密度为，取，根据冲床参数尺寸可得工件的重量为： (3-1)设夹具和工件的重量和为设工作台的重量3.2电机转速的确定根据冲床的加工要求，在本设计中选取1500为进给系统电机的转速。3.3滚珠丝杠的设计计算与选择3.3.1确定滚珠丝杠的导程根据公式 （3-2） 式中 滚珠丝杠副的导程，单位为；电机的最高转速, 单位为，根据所选电机转速为1500；工作台移动的最高速度，单位为，由参数可得，=20； 传动比 ，因电机与丝杠直接连接，故=1。将以上已知数据代入式3-2可得=3.3.2确定脉冲当量选取三相步进电机，三相步进电机的步距角一般为或者，选取步进电机的步距角为

27、，根据公式 (3-3)式中 脉冲当量，单位为/脉冲； 步距角，单位为度/脉冲；滚珠丝杠的螺距，单位为，设为单头螺纹，=13；传动比，=1。 将数据代入式3-3可得脉冲当量 3.3.3滚珠丝杠轴向载荷的计算根据滚珠丝杠轴向载荷公式 （3-4） 式中 轴向载荷，单位为；轴向切削力，单位为；摩擦因数，取=0.1；纵向切削力，单位为；移动件的重量，单位为；夹具的重量，单位为；工作台的重量，单位为。由于冲床在工作件移动的时候并不产生冲压，故轴向切削力和纵向切削力均为0，故的滚珠丝杠轴向载荷为 3.3.4当量载荷的计算由滚珠丝杠当量载荷计算公式 （3-5） 式中 当量速度，单位为当量载荷，单位为其中，当量

28、速度 （3-6）滚珠丝杠副在各种转速，.的情况下，各转速所占用时间的百分比为%，%.%，受到的载荷为，.。因为冲床的冲头在工件运动时不会出现冲压力，不妨设工件运动在冲压工程中所占用的时间比列是20%。可得当量速度 则由式3-5可得当量载荷3.3.5预期额定动载荷的计算根据预期额定动载荷计算公式 （3-7）式中 预期额定动载荷，单位为当量速度，单位为机械预期工作时间，单位为小时负载性质系数，由于数控冲床冲击较大，取 fw=2可靠性系数，可靠性97%，取=0.44精度等级系数，精度等级为7级，取其中，机械预期工作时间为250（天）16（小时）10（年）0.5（开机率）=20000（小时） （3-8

29、）按预期工作时间估算，将已知数据代入式3-7可得预期额定动载荷拟采用预紧滚珠丝杠副，由以下公式，按最大负载Fmax计算 （3-9）式中 预加负载类型，按中预载，取=4.5；轴向负荷，单位为，取。将公式中的已知数据代入式3-8可得取以上两种结果的最大值，故得预期额定动载荷3.3.6允许的最小螺纹底径的确定根据丝杠允许的最大轴向变形量，满足（1/41/5）定位精度，由所设的定位精度0.15， 由于脉冲当量为，所以能达到要求。则可估算丝杠允许的最大轴向变形量=根据丝杠要求预拉伸，选取两端固定的支承形式，根据最小螺纹底径的计算公式 （3-10） 式中 最小螺纹底径，单位为 ；两个固定支撑之间的距离，单

30、位为；静摩擦力，单位为；杨式弹性模量，为。其中，静摩擦力为 （3-11）两个固定支撑之间的距离估算公式为行程+ （3-12）由工作台行程为1250（根据机床最大加工板材尺寸可知），则两个固定支撑之间的距离为将已知数据代入式3-9可得最小螺纹底径=3.3.7确定滚珠丝杠的尺寸规格根据上面的计算，选取的滚珠丝杠副型号为CDM 2512-2.5，以下为滚珠丝杠副的尺寸：导程：=12；取最小螺纹底径：=19.2；公称直径为：=25；两固定支承距离：L=1682；螺纹的长度：Ls=1400；丝杠的总长：=1800。 3.3.8确定滚珠丝杠的预紧力根据预紧力计算公式 （3-13）式中 轴向负荷，单位为，；

31、则3.3.9滚珠丝杠预拉伸力与行程补偿值的计算根据预拉伸力计算公式 （3-14）式中 滚珠丝杠的线膨胀系数，取11.810；温度变化值，取为2.5；面积，；弹性模量，E=；螺纹底径，根据上面可得=19.2。将已知数据代入式3-13得预拉伸力为根据行程补偿值 （3-15）式中 温度变化值，取为2.5；滚珠丝杠的线膨胀系数，取；丝杠两支撑轴承间的距离，单位为，由上面可得。将已知数据代入式3-14，则行程补偿值为=503.4滚珠丝杠副支承用的轴承尺寸规格的确定根据轴承所承受的最大轴向载荷计算公式 （3-16）由已知数据可得根据冲床加工要求，该选择轴承类型为两端固定的支承形式，选取背对背15°

32、;角接触球轴承。轴承内径  略小于，取=17。则 （3-17）根据样本选轴承型号规格，当=17mm   要求预加负荷为大于，所以选型号为7103C的轴承。3.5步进电机的相关计算与选择3.5.1 作用在滚珠丝杠上转矩的计算由外加载荷所产生的摩擦力矩为 （3-18）式中 滚珠丝杠上的外加轴向载荷，单位为，由于冲床只需克服摩擦力，故;滚珠丝杠副的效率，取=0.85;滚珠丝杠副的导程，单位为，。将以上数据代入式3-18得外加载荷所产生的摩擦力矩根据滚珠丝杠副预加载荷产生的力矩的计算公式 （3-19）由滚珠丝杠副预加载荷=4000N，则由已知数据可得 3.5.2

33、负载转动惯量的计算对于滚珠丝杠，计算转动惯量时，一般可以把滚珠丝杠看作圆柱体绕其中心轴线旋转进行计算。其惯量的计算公式为 （3-20）对材料为钢的圆柱零件转动惯量可以根据下面的公式估算 （3-21）式中 J惯量，单位为；M单位体积质量，单位为；L圆柱体长度，单位为mm, 由上面的计算可知，滚珠丝杠的全长为1800；D圆柱体直径，单位为mm，滚珠丝杠的公称直径，根据上面的计算可知D =25。将已知数据代入式3-21可得惯量为3.5.3加速转矩的计算根据加速转矩公式 （3-22）经变形为 （3-23）式中 启动（加速）时间，取=0.2；电机最高转速，根据所选电机，可得=1500。将以上数据代入式3

34、-23得加速转矩为3.5.4电机的最大启动转矩的计算由最大启动转矩的计算公式 （3-24）代入已知数据可得电机的最大启动转矩为0.424+0.936+0.67=2.033.5.5电机连续工作的最大转矩根据电机连续工作的最大转矩计算公式 （3-25）代入数据可得 =0.936+0.67=1.6063.5.6电机型号的选择根据电机选择原则：1、转动惯量应满足；2、电机最大转矩大于；3、电机额定转矩大于。因此，选择两台Y90L-4型号的步进电机分别作为为X、Y方向的进给电机，其参数如下表所示：表3-1 步进电机参数与型号输出功率 Pe （ KW ）1.5额定转矩 Te （ ）2.3最大转矩 Tr （

35、 ）2.3最高转速 Ne ( )1500重量 G ( )27转动惯量 J (Kg . )0.01电机型号Y90L-4第四章 数控系统硬件设计4.1数控系统的硬件组成硬件部分和软件部分构成了一个数控系统。硬件主要由冲床、单片机以及辅助电路构成。硬件是数控系统的基础，它的控制性能的情况，对于整个系统的工作性能会产生很大的影响。在硬件的基础上，软件才能有效地运行。机床数控系统的硬件电路总结起来主要有四部分组成：中央处理单元（CPU）、总线、存贮器、I/O接口电路。其中CPU是数控系统的核心，它的作用是协调各部分的电路工作情况和进行运算处理相关数据。存贮器是用存放系统软件，运行中所需要的各种数据和工作

36、过程中用到的程序。数控系统与外界进行信息的交流要通过I/O接口。总线是CPU与存贮器、接口以及其它转换电路联接的通道，是CPU与部分电路进行信息交换和通讯的必须通过的路线。数控系统硬件框如下图所示：MCS-51Y轴驱动电源X轴驱动电源位置转换信号X轴电机Y轴电机冲头传感器81552764显示器键盘辅助电路光耦驱动电路牵引电磁铁极限位置的监测工件的定位监测图4-1 数控系统硬件框图 本数控系统采用MCS一51单片机作为控制系统，外接的程序存储器是8KB的2764芯片。数控系统通过输入检测冲头位置和运动状态的传感器信号，以便控制冲头和X轴、Y轴的运动情况。数控系统要实现对人机对话的管理，需要通过显

37、示器、键盘。控制面板上需要设置启动键、暂停键、X及Y点进、退键，参数设定键，还有十个数字键及各种状态指示灯等。数控系统都通过MCS-51单片机的接口来实现与外界输入、输出接口的连接，单片机与接口电路分别采用不同的开关电源供电。4.2键盘/显示器接口电路的设计键盘/显示器接口电路设计采用8155芯片扩展I/O口的方式。显示器使用由上海朗睿电子科技有限公司研制生产的型号为LR-104VRAM。LR-104VRAM的接口方式是总线方式。数据总线、地址总线和片选读写输入组成了外部引线，可以直接接到电脑或单片机的总线上，使用灵活方便。当控制系统的空间不足时不能对其分配空间也可以使用的。屏幕上显示的色点一

38、一相对应于内存的数据位，也就是说，当把一定的数据写入时，屏幕上就会呈现出与之对应的内容。显示器采用动态显示软件译码，用驱动器8718来驱动显示器。控制系统和键盘及其显示器进行信息交流，这样能够有利于对冲床对加工过程的控制，能够提高加工效率和加工精度，能够很好地实现人机对话。以下为键盘/显示器接口电路图：PBPBPBPBPBPBPBPB01234567PAPAPAPAPAPAPAPA01234567abcdefdp1AAAAAAAA26345781AAAAAAAA26345786134578YYYYYYYY26134578YYYYYYYY2g+5V+5VRESETCEIO/MWRRDALEPAL

39、ERDWRPPBIC87185.1K 4+5V+5V100 8+5VVCCVCCGGNDG815502.42.0020F1K80511BIC87188023PCPCPCPCDD7×012345678910111213141516171819202122232425262728293031×图4-2 键盘/显示器接口电路设计4.3步进电机驱动电路的设计步进电机的转速和转向是由用脉冲信号来控制的。由于在负载能力及动态特性范围内，步进电机将来自数控装置的进给脉冲输出，控制脉冲数决定电动机的角位移大小，控制脉冲频率决定了转速大小。所以，步进电机已成为经济型数控机床改造中优先选择的动

40、力元件。由数控装置送来的一系列连续脉冲按一定的顺序分配给步进电机各相绕组，这一分配过程要经过环形分配器，使各相绕组按照预先规定的控制方式通电或断电。环形分配器的作用就是实现脉冲分配，通过逻辑电路实现。由于经环形分配器输出的脉冲未经放大时电流很小，然而步进电机绕组需要的电流很大，所以由分配器出来的脉冲还需进行功率放大才可以驱动步进电机。本设计用ULN2003芯片来作为步进电机的驱动芯片。该芯片功能强大，运用的领域非常的广泛。8051单片通过ULN2003芯片驱动步进电机的电路图如下：图4-3步进电机驱动原理图4.4掉电保护电路的设计在冲床冲压过程中，突然掉电会使得控制系统处于某一状态。在系统重新

41、上电时，控制面板需要知道系统在上次掉电时是处于什么状态，才能对系统的动作做出下一步的命令，以保证控制系统的正常稳定的工作。因此控制系统要有相应的掉电保护功能，以保证系统稳定安全的运行。本系统正常工作时突然掉电需要保存冲床所处的工作的状态，需要的储存空间大约是几个字节。根据加工要求选用X5045来存取，X5045与单片机的通信方式是SPI形式。掉电保护电路如下图：图4-4掉电保护电路图4.5复位电路的设计单片机工作过程中需要回到初始状态，当复位引脚上上出现低电压时就会使外部复位。该复位电路的设计能够实现两两种复位方式，一种是系统上电复位，另一种是操作者手动复位。复位电路图如下：图4-5 复位电路

42、图4.6控制面板的设计控制面板是使用者向控制系统作出一定加工指令的媒介。当使用者按下相应的加工指令时控制面板将会接收并且传送给控制系统，控制系统做出相应的加工指令命令，而且控制系统能够将各个部分的运动情况反映到控制面板上，使用者可以从控制面板上得到与加工相关的信息。由于键盘的数量有限，故采用多功能键盘，利用SHIFT换档键进行选择。报警指示灯用的是LED。因为该冲床主要用于加工薄型材料，除了改变冲模的类型之外，主要是改变每一行或列的加工孔的数量和加工孔间的距离这两个加工参数，所以，在设计控制面板时，主要从方便操作者使用方面来考虑。如果要加工不同规格的薄型材料，只需通过键盘分别输人相关参数，即需

43、要加工孔的X轴和Y轴两个方向的进给步长，以及每个方向上所要加工步长数的总数，这些工作都需要控制系统开完成。控制面板的设计图如下：图4-6 控制面板设计图第五章 数控系统软件设计5.1数控系统软件设计概述数控系统软件是一系列程序的集合，这些程序能够完成各种规定的功能，对于经济型数控系统的软件可以分为两大类:一类是执行软件，实时性很强的，它能完成如误差补偿的计算、步进电机的控制等各种实质性很强的功能，;另一类是监控软件，也叫管理软件，它能完成使用者和电脑之间的通信，同时协调操作者和各运行程序之间的关系，能够控制控制系统根据预期的操作方式运转，它在软件中起着协调作用，如初始化系统、系统的自我检测、对

44、键盘命令和接口命令进行处理等。但在软件的设计中都有自己的特点，执行软件主要注重算法的效率情况，监控软件关注于全局，把重点放在协调上。 软件是对硬件的补充，根据系统功能要求设计软件，首先确定硬件电路。目前数控系统的软件的类型分为两种，一种是前后台型结构，另一种是中断型结构。该软件的设计优先选用前者，并且整个软件是由前台程序和后台程序组成的，其中几个中断服务程序构成了前台程序，实现一定实时功能如位置控制，而后台程序是背景程序，是一个循环运行程序，完成数据的输入编译、对数据的处理及管理等功能。根据冲床加工完成的功能要求，采用将系统分结构化模块的设计方法，也就是在设计中采用将设计内容分为不同模块的分层

45、结构，各种控制功能作为一个整体，编写相应的程序作为独立的模块，各执行模块的实现多以中断服务程序的形式，将其安排在具有优先级别不同的中断服务程序中，这是根据实际各执行模块的实时性要求不同，然而以背景程序的形式出现的是监控程序。5.2控制系统的I/O口分配普通冲床的数控改造输出控制点较多，且都是开关量。一个动作就是对应一个开关量控制点，单片机控制系统的I/O的分配如表如下所示：表5-1 控制系统输出驱动I/O分配表I/O口号控制驱动对应点I/O口号控制驱动对应点P20X正向运动P27Y方向急停P21X负向运动P04冲头急停P22Y正向运动P05;冲头返回P23Y负向运动P06;定位工件 1：定位

46、0：返回P24冲头向下运动P36;冲头冲压P25冲头向上运动P37X、Y方向回零P26X方向急停在每个执行元器件的驱动下，有直线移动、绕轴旋转、圆弧等形式的运动。将这些运动进行有机的组合就可完成预定的逻辑动作。为了使得运动的位移衔接性，必须控制每个动作的移动量。再本系统中是采用的位置传感器进行位置控制，位置反馈对应与单片机的I/O口对应如表下表所示表5-2控制系统反馈信息I/O分配表I/O口号位置反馈对应输入点I/O口号位置反馈对应输入点P11X正方向限位P14冲头上限位P12X负方向限位P15冲头下限位P32Y正方向限位P17Y负方向限位5.3冲床改造后加工流程 在常温状态下，根据加工要求分

47、别用参数设定键设定一下X、Y两个方向的步数和步距。然后将工件装夹在工作台的原始位置上，按下起动键，单片机控制器就会起动主电机，显示器上显示预先设定的X轴方向的步距数。延时5秒后，单片机控制器向牵引继电器收到由单片机控制器发出的动作指令，接着冲头冲压一次。当冲头已离开工件的信号传送到单片机控制器时，单片机控制器立刻向X轴步进电机驱动器发送一个X步距的脉冲串信号;当冲头上升信号再次传送到单片机控制器时，将会再次向X轴步进电机驱动器发送脉冲串信号。当X轴走完预设的步距数后，牵引继电器失电，冲头回到初始位置，Y轴步进电机驱动器收到由单片机控制器发送的一个Y方向的步距的脉冲串信号。牵引继电器得电，单片机

48、控制器又一次完成X轴方向的回程进给。随着Y轴方向步距数减为“0"时，牵引继电器将会失电，接着冲头回到初始位值，工作台自动回到原始位置，准备下一次工作过程的循环。开始系统初始化有键按下功能键键值进缓冲区清除中断标志保护现场存入键值值位中断标志恢复现场返回保护现场步进电机脉冲输出牵引电磁铁控制输出步距数显示刷新恢复现场返回功能启动循环停处理NYYN键盘中断定时中断图5-1数控程序流程框图5.4主程序模块设计主程序框图为：开始系统初始化方式选择编辑手动自动循环体处理图5-2 主程序框图 在数控系统通电之后，数控系统的每个部分将会处于随机的状态，因此有必要用初始化程序来自动完成对存储单元、有

49、关寄存器设置初值，以及自动地完成对中央处理器及其有关接口设置工作状态等工作，系统在初始化之后才能开始工作。需要初始化的内容主要有:键盘数据区、显示缓冲区初始化，键盘与显示器接开口芯片初始化，单片机定时器/计数器初始化，各种软件标志初始化，系统诊断等。当数控系统需要初始化的部分初始化之后，就要进入背景程序，背景程序也称作监控模块，它是CNC的主程序。监控模块首先要读入相关方式开关的状态，然后根据方式开关所要求的工作方式，接着进入相应的模块进行相关处理，也就是根据控制面板上的开关命令按钮来指定工作方式，并进行相关任务的调度。它主要由三个程序环组成，以便服务于编辑、手动、自动三种工作方式，而且这三种

50、工作方式之间不受彼此的影响。5.5中断服务程序设计数控系统的每个功能的实现过程是由中断的方式来实现的。主要的中断方式为有定时中断和键盘中断。定时中断是定时发生的，而且当定时中断程序扫描到控制面板上的方式开关状态发生变化时，监控模块就会进入新的方式服务环境中。开始关中断保护现场回位NX步进NY步进Y向运动模块Y定时器赋值恢复现场开中断返回Y回位YX回位子程序NYY回位子程序N X向运动模块YNX回位图5-3 定时中断程序框图第六章 结论随着电子技术快速发展，我国的机床数控化在近十年来有了很大的发展，然而数控设备的普及却受到一定条件的限制，一方面是数控设备价格非常贵，特别是小企业如果想用数控设备替代原有的旧机床，资金方面