经济型数控系统研究与设计【5张CAD图纸+毕业论文】

经济型数控系统研究与设计【5张CAD图纸+毕业论文】,5张CAD图纸+毕业论文,经济型,数控系统,研究,设计,CAD,图纸,毕业论文 实习报告      这次能有机会去工厂实习，我感到非常荣幸。虽然只有几个月的时间，但是在这段时间里，对于一些平常理论的东西，有了感性的认识，感觉到受益匪浅。  以下是我在实习期间的一些总结以及心得体会。在以后开展自身的工作，以及在对客户的沟通应对上，希望能有所借鉴。    一、工厂的总体规模水平    锐键科技位于东莞常平镇，占地24600平米，员工600多人。近十多年的制造历史已经发展成一家具有专业规模的木制品专家，在东莞制造业发达的地区也小有名气。    走进厂区，只见洁净整齐的环境和次序井然的工作程序。虽然是国内的制造厂家，但是，到了车间，看过那些先进的流水线，那些熟练的技术水平，完全会感觉到现代化的管理。作为木质产品的制造厂，一些诸如木屑的飞扬，机器的喧嚣以及混合着的胶水味油漆味等问题，都是难免存在的，但是工厂已经把这些都尽可能的减少到最低限度了。走在车间，这些大多的木制厂家所面临的严重问题似乎在我们工厂并没有太大的困扰，反而是那些管理和效率吸引了大多的参观者。    工厂有自己的作息时间，并且都会严格遵守。就连中午休息间隙，每个工人都会把自己得区域整理得井然有序，这样的自觉整理也是工厂之所以能保持洁净的原因之一。在用餐问题上，工厂也有自己的特色。那就是上至高层主管下至普通工人，吃的饭菜一律相同，没有任何的特殊化。   二、学习过程  如下几点是在工厂实习期间，就我的工作需要，主要学习到的一些知识以及由此得一心得。   （一）木材的选用   工厂最常用的木材还是红木（非洲花梨木），枫木（美国），胡桃木。大多都是从国外进口，这也就是为什么我司的报价要比国内同等厂家的价格要高的原因——正是“一分价钱一分货”。 MDF板也是常用的材质之一。我司很多产品也都可以选用MDF贴木皮来达到仿实木的效果。对于一些想节省成本的客户来说可以推荐一用。   这些常规木材在仓库里都备有一定数量的库存，其他的木材也有备量，但是一般都要尽量推荐选用常规木材（除非客户定购的产品数量庞大值得工厂采购另外一些昂贵的木材），这对于工厂的加工技术、生产周期、生长成本等都会有所帮助。 （二）加工方面 工厂所采用的机器都比较先进，一般来说都是机器自动操作，比如CNC数控机，万能圆锯机,立轴机等。所以，只要操作得当，人员安排合理，一般都能产生较高的效率（一般来说，都需要熟练人工）。 虽然说工厂对于大多数的木制产品都能生产，但是以后在和客户沟通过程中，在尽量满足客户要求的同时，还要尽量站在工厂的立场上考虑。比如，可以向客户推荐一些外形相同，但是做法简单，结构清晰的样品。这对于工厂来说不但可以降低成本，而且还可以提高效率。   （三）喷漆加工   白身加工完成以后，应尽快转入喷漆车间，否则木材会变形。喷漆的流程为：着色（给产品上底色）――底漆――面漆。喷底漆到喷面漆的过程中还要有磨砂的工艺。   底漆又NC漆和PU漆之分。工厂常采用的底漆是NC漆，因为PU漆的成本要比NC高，而且如果喷PU漆的话要求的环境也比较高，必须有无尘房才可以。一般都会推荐客户用NC漆.   喷漆加工的时间一般为两天左右。但是虽然所花费的时间不长，但是一张订单的完成，工厂都会把每道环节都会安排到位。因此，在和客户确认订单的时候，一定要把每个要求都确认完整。有些客户在白身做完以后，油漆没有确定，这样搁在一边的话，不但产品容易变形，而且也影响了订单的进度，给工厂带来了不必要的麻烦。 （四）镭射和丝印  目前工厂的最大镭射尺寸为：320×320mm，最小为：1.5×1.5mm  镭射后可以上色，最常见的是上黑色，上完黑色，可以使镭射图案更清晰。但是一般不推荐客户镭射后上色，这样的话会增加成本。镭射的费用是视镭射图案的复杂程度而言的，一般来说都是每件产品1块钱。 丝印也是常用的一种方法，但是它的要求是丝印的表面要光滑。  要求镭射或者丝印的话都会要求客户提供图片，最好是电子文档。 （五）包装    包装是成品完工前的最后一道工序，也是一个产品比较重要的组成部分。包装工序包含了产品的简单组装、包皮、包绒布、五金件的装配、包装物的制作、对产品的前道工序的品检、产品的包装。     质量是品质的保证。因此，我们工厂对质量也有严格的把关。一般一道包装的流水线上都有二到三个品检人员进行严格的产品检验，从产品的去尘、五金和玻璃制品的质检到最后的装箱，每个细节都会有工人严格的操作标准。对于一些外销客户来说，对于产品都会比较挑剔，但工厂都会满足这些的要求。这也就是为什么我们工厂的产品会有质量的保障，在产品上很少出现质量纰漏的原因。    而同样是国内订单的话，往往会有一些刁蛮的客户，在产品没有品质问题的时候却还要挑一些小“瑕疵”。对于这些问题，我觉得除了要和客户解释清有些是因为木质品本身的问题之外，还要让他们了解我们工厂对于质量方面的控制要求是达到了国内先进水平的，很多质量问题的产生很可能实在运输过程中的碰撞和野蛮运输。  当然，为了避免在运输途中的损坏，在采用一般的安全包装下，除了用一些常规包装物（纸盒、纸箱、礼盒、海绵、保力龙、珍珠棉、拷贝纸、气泡袋、胶带等）外，还可以在纸箱六个面用保力龙 板保护。   （六）其他配件  五金是常用到的配件。因此，对于一些常规的五金件，诸如一些合叶、铜扣、铜脚等，工厂都会采购一定的数量以备库存。另外像一些在笔上五金件，工厂自己也有制造的能力，很多都可以独立完成。  另外像EVA之类的，也都需要另外采购。     三、心得体会  这次的实习，让我了解到了工厂的规模水平、生产流程以及一些常规产品的制作，在以后的业务操作中相信会有较大的帮助。 另外我觉得一方面在工厂供货给我们的同时，另一方面也要积极配合工厂，把双方的工作都做好。同时，自己也还要不断的学习产品的知识，服务好客户。公司整体的业务水平提高了，才能开创出良好的业绩 经济型数控系统研究与设计 第1章 绪论 目 录 目 录--------------------------------------------------------------------1 摘 要 -------------------------------------------------------------------2 第一章 绪论-----------------------------------------------------------------2 第二章 CNC系统总体方案的确定-----------------------------------------------3 2.1 系统总体方案--------------------------------------------------------------3 2.2 系统功能模块及其分析-------------------------------------------------------5 第三章 硬件系统设计---------------------------------------------------------7 3.1 控制系统硬件设计-----------------------------------------------------------7 3.2 主模块设计----------------------------------------------------------------8 3.3 输入/输出模块设计----------------------------------------------------------9 3.4 人机界面模块设计----------------------------------------------------------11 3.4.1 显示方式的确定--------------------------------------------------------11 3.4.2 数控操作面板外形图设计-------------------------------------------------12 3.4.3 机床操作面板设计------------------------------------------------------12 3.5 系统安装结构设计----------------------------------------------------------13 3.6 PLC在CNC系统中的应用----------------------------------------------------13 3.7 系统电气原理图设计--------------------------------------------------------15 第四章 系统软件设计--------------------------------------------------------15 4.1 软件功能设计-------------------------------------------------------------15 4.2 软件结构分析、设计--------------------------------------------------------16 4.3 人机界面及其软件实现技术---------------------------------------------------17 4.3.1 菜单驱动技术的应用---------------------------------------------------17 4.4 逐点比较插补法的软件实现--------------------------------------------------17 4.4.1 直线插补原理---------------------------------------------------------17 4.4.2 直线插补—G01程序设计------------------------------------------------20 4.4.3 圆弧插补原理---------------------------------------------------------23 4.5 快速点定位—G00程序设计--------------------------------------------------26 4.6 暂停(延迟)指令—G04程序设计-----------------------------------------------28 4.7 步进电机正反转及转速控制程序设计-------------------------------------------29 鸣 谢------------------------------------------------------------------30 参考文献------------------------------------------------------------------30 经济型数控系统研究与设计 第1章 绪论 按数控系统的功能水平,可以把数控系统分为高、中、低三档,低档数控系统即可认为是经济型数控系统。经济型数控系统是相对于标准型数控系统而言的，不同时期，不同国家和地区的含义是不一样的。根据实际机床的使用要求，合理简化系统，降低成本，即可称为经济型。区别于经济型数控系统，将功能比较齐全的数控系统称为全功能数控系统，或称为标准型数控系统。 就其功能而言，经济型数控系统一般分辨率较低，连动轴数较少，人机接口比较简单，造价低廉，可以说得上是最经济的数控系统。所以，经济型数控系统主要指开环系统。 开环数控系统具有结构简单、造价低、维修调试简单、运行维护费用低等特点，但受步进电动机矩频特性的限制，精度、进给速度、力矩三者互相制约，性能的提高受到限制。所以，开环数控系统一般用在精度或速度要求不高，或者力矩不大的场合。 经济型数控系统主要同微型计算机与步进电机驱动系统组成，既具有一定的数控功能，又具有造价低、使用维修方便等特点。 本设计就是围绕经济、实用这个核心而进行的。 本系统硬件采用工业标准（STD）总线，大板结构。不采用工业控制机，自行设计专用印刷主电路板。主电路板上有多个插槽，可插入LCD控制板、I/O接口控制板、步进电机控制板等，还设有一个扩展槽以便用户扩展系统功能。一块模板基本上具有一种或二种功能，实现了模板级的功能分散，可以根据用户的需要对系统裁剪或扩展，系统组成灵活。 本系统确定单微处理器开环数控系统，因其结构简单，可以根据专用设备的控制要求自行设计开发，周期短、费用低、见效快。选用INTEL公司推出的准16位嵌入式微控制器8098单片机。系统采用独立型PLC，因其具有较强的数据处理、通信和诊断功能。 本系统采用LCD显示器，图形点阵液晶显示器是目前在单片机系统中比较流行的新型显示器件，可以显示所有字符及图形，由于其可以显示汉字的特性被广泛用于国内智能设备中，国内的数控系统也开始广泛采用。作为一个简易型数控系统，本系统采用了20*2带背光字符型液晶模块作为主显示界面，不有用数码管显示或CRT显示。 本系统采用64键（8*8）行列式键盘，键盘扫描由Intel8279 键盘/显示接口芯片完成。系统设计中充分考虑功能的需要、操作方便的需要及系统复杂性的要求三个之间的关系，确定系统的大多数按键为双功能键，使得整个系统界面简洁。 本系统功能精简，实用性强，系统功能由硬件和软件按照经济性的要求适当划分。软件设计具备经济型数控系统必要的基本功能：最多二轴联动、具备基本的准备功能及辅助功能、步进电机控制能力、直线、圆弧插补能力、串行通信能力等。 - 31 - 经济型数控系统研究与设计 第2章 CNC系统总体方案的确定 第2章 CNC系统总体方案的确定 2.1 系统总体方案 计算机数控（CNC）系统由程序、输入装置、输出装置、CNC装置、PLC、主轴驱动装和进给（伺服）驱动装置组成，如图2-1所示。系统设计应具有灵活性、通用性、可靠性，易于实现基本的数控功能，使用、维修也较为方便，并且与外界通信的功能。 图2-1 CNC系统组成 CNC数控系统由以下几个部分组成： 1) 微型计算机，包括中央处理器、存储器、I/O接口等。 2) 进给伺服系统，在开环数控系统中为步进电机伺服系统。 3) 开关量控制及主轴控制，这部分涉及到M、T、S代码的执行。 4) 人机接口和通信功能。 5) 控制软件。 系统设计的目的决定了系统只能采用开坏控制方式。在开坏型位置控制系统中，只能采用步进电机作为伺服单元。这是由步进电机本身的特性决定的。关于步进电机的特性等详细内容见其它资料。 本系统确定为开环数控系统，其结构简单，可以根据专用设备的控制要求自行设计开发，周期短、费用低、见效快。开环数控系统结构框图如图2-2所示。 在进行开环数控系统的总体设计时，通常要考虑以下问题： 1. 系统功能要求 设计系统之前，应该明确定义系统的功能。在定义开环数控系统功能时，应以必要为度，既然是经济型系统，应不求最佳，但求满意。定义系统时，应综合考虑经济性、实用性、开发周期和开发能力等因素，对系统的某些功能进行权衡，决定取舍。 1) 本系统具有以下主要功能和要求： 2) 具有两轴联动的轴控制功能； 3) 具有基本的准备功能、进给功能、辅助功能、PLC等； 4) 具有基本的人机对话功能，如显示、通信功能及输入输出设备； 5) 硬件、软件的设计均以经济型为平台； 图2-2 开环系统结构 2. 确定控制任务及软件、硬件任务的划分 根据系统功能，可以进一步确定系统的基本构成部分及各部分要完成的控制任务。对一些控制任务要确定是用硬件来完成还是用软件来完成，如开关量的逻辑控制可以用硬件来完成，也可以用软件来完成。复杂的逻辑控制，用软件来完成就要经济一些，而且故障率低。而用软件完成这些功能要时间，如果微处理器时间已饱和，则一些简单的逻辑控制就必须用硬件来实现。 3. 确定各部分的联系 确定系统各部分的联系，主要指信息方面的联系。系统各个组成部分之间要传送什么信息，以什么形式传送，需要定义清楚。 4. 确定微机系统 确定用单微机系统还是多微机系统，选择微机型号。选择微机型号时，要考虑经济性和先进性，同时必须考虑开发手段、支持软件及外围芯片等因素。由于控制功能不十分复杂，故采用单微机处理器结构。单微处理器结构的CNC系统具有如下一些特点： 1) CNC系统内只有一个微处理器，对存储、插补运算、输入输出控制、LED显示等功能都由它集中控制分时处理。 2) 微处理器通过总线与存储、输入输出控制等各种接口相连，构成CNC系统。 3) 结构简单、容易实现。 4) 单微处理器因为只有一个微处理器集中控制，，其功能将受到微处理器字长、数据宽度、寻址能力和运算速度等因素限制。由于插补等功能由软件来实现，因此数据功能的实现与与处理速度成为一对矛盾。 选用INTEL公司推出的准16位嵌入式微控制器8098单片机。8098单片机性能价格比很高，8位机接口但具有16位机的速度，非常适用于经济型数控系统。 5. 确定软件结构形式 CNC软件可以设计成不同的结构形式。不同的软件结构，对各任务的安排方式也不同，管理方式也不同。常见的CNC软件结构形式有前后台型软件结构和中断软件结构。前后台型软件结构适合于采用集中控制的单微处理器CNC装置。故本设计采用前后台型软件结构。 2.2 系统功能模块及其分析 1．系统操作界面 按照本系统的设计思想，系统的界面设计确定图2-3所示： 图2-3 系统人机界面图 其中，30个按键中的12个为双功能键，按键的功能简单说明如下： 复位——系统在死机、工作出错等情况下的总清键，使系统回复设计的原始状态。 运行——自动运行用户的零件加工程序，包括程序的语法检查、数据处理、编译、插补运算及步进电机控制等。 暂停——自动加工的暂停，是一个乒乓键，按一次，加工暂停，再按一次，继续加工。 换刀——用于手工换刀，每按一次，电动刀架转一个工位，本系统中为。 手动——与“←、↑、→、↓”配合，以实现动作台的连动；在编辑程序时为光标移动键。 数字1—9——均为双功能键，用于程序输入，用“上下档”键进行切换。 G——准备功能键，用于ISO加工程序输入。 M——辅助功能键，用于冷却泵的启/停、程序的结束等程序段的输入。 插入——用于程序编辑过程中“插入/修改”方式的切换。也是乒乓键，用块光标或下划线光标指示。 删除——在插入方式下，删除当前光标位置前的字符；在修改方式下，删除当前光标位置字符。 上页——程序上翻到上一程序段。相当PC机的PageUp键。 下页——程序下翻到下一程序段，与上页键盘缓冲区一样是一个屏幕编辑键。 相当于PC机的PageDown键。 回车——确认键。 Esc——相当于PC机的Esc键。 2．系统功能模块与总体框架 系统从总体上分为人机界面模块、步进电机控制模块、LCD显示控制模块、串行通信模块及基于8098单片机的主控模块等5大模块，如图2-4： 图2-4 系统模块与总体框图 3．模板式硬件系统框架 为了系统今后的功能扩充，提高系统的可维护性，这个经济型数控系统采用模块化设计，整个系统由3个相对独立的子系统构成，即：CPU子系统及I/O子系统及键盘/显示子系统。 硬件系统以8098为核心，扩展了16KB的用户加工程序区，具有掉电保护功能；通过键盘管理接口芯片8279扩展键盘，利用其上下档功能实现了按键的双功能，简化了键盘；I/O接口孖系统的核心是8255，通过它扩展了步进电机接口以及其它预留的螺纹加工用光电编码接口等。 4．系统软件框架 本系统在临近软件的设计过程中，力图体现“加强容错性，方便使用的原则，采用模块化设计，全程菜单驱动，共有5大模块组成：通信模块、自动模块、参数设置、编辑模块、手动模块。 系统软件框图见图2-5： 图2-5 系统软件原理框图 经济型数控系统研究与设计 第3章 硬件系统设计 第三章 硬件系统设计 3.1数控装置硬件结构设计 数控装置是整个数控系统的核心，其硬件结构按CNC装置中各印制电路板的插接方式可以分为大板式结构和功能模块式结构。 （1）大板式结构CNC装置可由主电路板、位置控制板、PLC板、图形控制板和电源单元等组成。主电路板是大印制电路板，其它电路是小印制电路板，它们插在大印制电路板上的插槽内而共同构成CNC装置。 （2）功能模块式结构将整个CNC装置按功能划分为模块，硬件和软件的设计都采用模块化设计方法，即每一个功能模块被做成尺寸相同的印制电路板（称功能模板），相应功能模块的控制软件也模块化。 从本系统设计目的和用户使用角度出发，本设计选用大板式结构。板式结构设计如图示。 图3-1 主电路板结构图 图中主电路板（大印制电路板）上有控制核心电路、位置控制电路、纸带阅读机接口、速度控制量输出接口、手摇脉冲发生器接口、I/O控制板接口和五个小印制电路板插槽。控制核心电路为微机基本系统，由CPU、存储器、定时和中断控制电路组成，存储器包括ROM和RAM，ROM（采用EPROM）用于固化数控系统软件，RAM存放可变数据，如堆栈数据和控制软件暂存数据，对数控加工程序和系统参数等可变数据存储区域具有掉电保护功能。五个插槽内分别可插入用于保护数控加工程序和磁泡存储器板，LCD显示控制板、I/O接口板、步进电机控制板等。 除了上面提到的主要电路外，在CPU板上还包括诸如复位、STD总线缓冲/驱动一些电路。 3.2主模块设计 1．主模块中关键器件及其选型 （1）单片机 CPU是整个CNC系统的核心，CPU性能的好坏直接影响着CNC系统的性能。当前单片机价格较低、可靠性高，适用于控制。所以，选择单片机做控制器比较合适，如INTEL公司的8031、8032、8096、8098等。其中8031、8032为8位机，8096为16位机，8098为准16位机。就本设计的任务来看，开环数控系统选择8098较为经济合理。据有关资料介绍，8098的实际运算速度可达8031的5--6倍，而价格也不太高。 （2）存储器的选用 存储器应符合以下要求： 1) 系统掉电后可靠保存关键程序和数据 2) 具有高可靠上电、掉电及强电磁冲击等数据保护功能 3) 读/写次数无限 4) 读/写速度快，读/写方式简单 5) 工业化设计，适用于潮湿、震动、辐射、高低温等恶劣环境 8098可寻址外部存贮空间为64KB。考虑到数控系统的运行环境以及数控系统对加工程序数据掉电保护的要求，本系统采用程序存贮器与数据存贮器合二为一的普林斯顿，使用了8098的大部分可寻址存贮空间，程序存贮器的存贮空间为32KB、地址0100—7FFFH，采用32KB EPROM芯片27256，用于存放CNC系统的管理控制程序及数据。数据存贮器的存贮空间为31KB，地址8000H—0F800H，采用32KB SRAM芯片62256，用于存放CNC系统的零件程序、机床参数及系统运行数据。数据存贮器所存数据在系统掉电后不应丢失。为此对数据存贮器实行掉电保护。系统存贮空间分配见表3-1。 表3-1 系统存贮空间分配表 0FE00H~0FFFFH 空 0FC00H~0FDFFH 显示存贮器 0FB00H~0FBFFH 空 0FA00H~0FAFFH I/O外设 0F900H~0F9FFH 空 0F800H~0F8FFH 键盘/显示控制器 8000H~0F7FFH 数据存贮器 2080H~7FFFH 程序存贮器 2012H~207FH 芯片配置字节及系统保留存贮单元 2000H~2011H 中断向量 1FFEH~1FFFH PORT3，4 0100H~1FFEH 程序存贮器 0000H~00FFH 内部RAM、堆栈指针及特殊功能寄存器 2．主模块电原理图设计 主模块电原理图如图。为了提高总线负载能力，对数据总线采用双向总线驱动器74HC245进行驱动。2片GAL16V8实现地址译码，产生接口片选信号、液晶模块等的逻辑控制要求。 3.3 输入/输出模块设计 1.键盘的选用 键盘是输入、修改、删除零件程序、机床参数等数据的主要手段。本系统采用64键（8*8）行列式键盘，键盘扫描由Intel8279 键盘/显示接口芯片完成，接口地址为0F800H。当组成无CRT显示的CNC最简系统时，采用LED显示块进行显示，8279芯片可提供最多16位的LED显示控制。 2. 开关量输入/输出 CNC装置不仅能够控制机床的进给系统，而且还应具有一定的开关量输入/输出能力。开关量输入/输出板主要用来控制主轴的起动与停止、正转与反转，冷却液的开关以及接收机床限位信号。由可编程并行I/O扩展接口8255、地址译码电路、STD总线缓冲电路及光电耦合器组成。 图3-3所示为开关量输入/输出板的逻辑框图。8255接口地址为0FAB0H~0FAB3H。8255的A口和B口编程为输入缓冲方式，可以输入16位开关量信号；C口编程为输出锁存方式，可以输出8位开关量信号，而且可以位控输出。为了提高系统的搞干扰能力，微机与机床（强电线路）之间采用了光电耦合器。 开关量输入/输出信号见表3-2。表中，NC指未连接的位线，这些位线可以根据用户要求进行连接，以扩展系统的功能。 3-2开关量输入/输出信号表 PORT A 0 1 2 3 4 5 6 7 正向限位 反向限位 NC NC NC NC NC NC PORT B 0 1 2 3 4 5 6 7 NC NC NC NC NC NC NC NC （一）输入信号 PORT C 0 1 2 3 4 5 6 7 主轴启/停 主轴正/反 冷却液开/关 NC NC NC NC NC （二）输出信号 3．步进电机控制接口 x,y两轴采用3相6拍步进电机，因此各需要3条控制口线，即图3-2中的8255的PA口低6位。经74HC245单向驱动后，通过2片TLP521-4光电隔离，形成x,y所需的3相控制信号，送往步进电机驱动电源。 图3-2 步进电机接口电路图 3.4 人机界面模块设计 3.4.1 显示方式的确定 1．单片机应用系统中常用显示方式 在单片机应用系统中，目前比较常用的显示介质有数码管（LED）、液晶显示（LCD）及CRT等，在家用电器中用兵比较多的是真空荧光屏（VFD）。 2．显示方式确定 （1）显示方式确定为字符型液晶显示 本系统采用LCD显示器，图形点阵液晶显示器可以显示所有字符及图形，由于其可以显示汉字的特性被广泛用于国内智能设备中，国内的数控系统也开始广泛采用。作为一个简易型数控系统，本系统采用了20*2带背光字符型液晶模块作为主显示界面，不有用数码管显示或CRT显示。这样做的目的有3个： A. 液晶显示方式具有显示容量大、可以显示所有字符及自定义字符的能力。至于不能显示图形以实现加工曲线动态显示的缺陷，可以通过上位机模拟住址加工来弥补。 B. 液晶显示模块自身具有控制器，可以减轻主CPU的负担。 C. 使系统具有菜单驱动的基本素质。采用菜单驱动方式实现编辑模块的全屏幕编辑功能，达到友好的人机界面要求。 （2）液晶模块与单片机的软硬件接口 ①与8098单片机的硬件接口 该液晶模块与8098单片机的接口如图3-3所示. 图3-3 液晶模块与8098单片机接口 ②液晶模块的软件接口程序 液晶模块LCD的口地址定义如下： CMD_RD_LCD EQU 0D001H ；读写态口 CMD_WR_LCD EQU 0D000H ；写命令口 DATA_RD_LCD EQU 0D003H ；读状态口 DATA_WR_LCD EQU 0D002H ；写数据口 RET 图3-4 按键上下档功能实现的电路原理图 （２）数控系统中手动方式下连动功能的程序实现 ８２７９有３种基本工作方式：键盘扫描、传感矩阵及选项卡通输入。大多数应用系统中，通常采用键盘扫描方式。这２种键盘扫描方式的特点是：按键时自动消弹，并且当键盘缓冲区中有键值时ＩＲＱ为高，否则为低。由于这个特点，单纯的键盘扫描方式很难实现按键的连动功能。原因是：按键后，必须先读取键值并判键，才能执行相应的动作；而此时键盘缓冲区的键值已空，因此就无法知道当前的按键状态，因而无从判断是否执行连动操作。通过对传感矩阵方式的分析可知，当传感器的状态有变化时过境迁最佳值引起ＩＲＱ信号变高；因此，如果将ＩＲＱ与ＣＰＵ的某一口线，例如８０３１的P1.6相连，就可以据此判断按键的状态变化，以实现连动功能。 3.4.2 数控操作面板外形图设计 本数控系统的NC键盘与显示器的构成详见设计1号图纸.其中,显示器为图形点阵液晶显示器, 可以显示所有字符及图形. 系统设计中充分考虑功能的需要、操作方便的需要及系统复杂性的要求三都之间的关系，确定系统的大多数按键为双功能键，使得整个系统界面简洁。 3.4.3 机床操作面板设计 操作面板所具有的按键与旋钮：1. 电源接通与关断. 2. 紧急停止与复位 3. 超程解除 4. 方式选择(自动,单段, 步进, 点动, 回零, 手摇) 5. 手动运行(手动运行包括:手动回参考点,点动进给,步进进给以及手摇脉冲发生器进给) 6. 坐标轴选择 7.点动(JOG)进给及进给速度选择 8.增量(步进)进给及增量倍率 9.手摇进给及倍率 10.返回参考点 11.主轴起停与速度选择 12.刀具夹紧/松开 13.冷却液开/关 14.循环启动 15.进给保持 16. 机床锁定 17.Z轴锁定 18.M.S.T锁定. 图3-6 机床操作面板 3.5 系统安装结构设计 数控装置、控制设备和机床间的接口符合“机床/数控接口”标准。如图3-7所示，标明了数控装置、控制设备和机床间的接口范围。数控装置与机床及机床电器设备之间的接口分为四种类型。 第A类：与驱动有关的连结电路，主要是与坐标轴进给驱动和主轴驱动的连结电路。 第B类：数控装置与测量系统和测量传感器之间的连结电路。 第C类：电源及保护电路。 第D类：开/关信号与代码信号连结电路。 系统安装结构图设计详见设计图纸2号图纸。 3.6 PLC在CNC系统中的应用 PLC在数控系统中是介于数控装置与机床之间的中间环节，根据输入的离散信息，在内部进行逻辑运算，并完成输入∕输出控制功能，PLC用在CNC系统中有内装型和独立型之分。 1.内装型与独立型的比较 (1) 内装型PLC 内装型PLC的CNC系统框图如图3-8所示。它与独立型PLC相比具有如下特点： 图3-8内装型PLC的CNC系统框图 1) 内装型PLC的性能指标同所从属的CNC系统的性能、规格来确定。它的硬件和软件部分被作为CNC系统的基本功能统一设计。具有结构紧凑、适配能力强等优点。 2) 内装型PLC有与CNC共用微处理器和具有专用微处理器两种类型。前者利用CNC微处理器的余力来发挥PLC的功能，I∕O点数较少；后者由于有独立的CPU，多用于顺序程序复杂、动作速度要求快的场合。 3) 内装型PLC与CNC其它电路通常装在一个机箱内，共用一个电源和地线。 4) 内装型PLC的硬件电路可与CNC其它电路制作在同一块印制电路板上，也可以单独制成附加印制电路板，供用户选择。本系统采用附加印制电路板型式。 5) 内装型PLC，对外没有单独配置的输入∕输出电路，而使用CNC系统本身的输入∕输出电路。 6) 采用PLC，扩大了CNC内部直接处理的窗口通信功能，可以使用梯形图编辑和传送高级控制功能，且造价低，提高了CNC的性能价格比。 内装型PLC与RLC（继电器逻辑电路）相比，具有响应速度快、控制精度高、可靠性高、柔性好、易与计算机联网等高品质的功能。 (2) 独立型PLC 独立型PLC与CNC机床的关系如图3-9所示。 独立型PLC的特点如下： 1) 根据数控机床对控制功能的要求，可以灵活地选购或自行开发通用行PLC。一般来说，数控车床、铣加工中心等单机数控设备所需PLC的I/O点数多在128点以下，少数复杂设备在128点以上，选用微型或小型PLC即可。而大型数控机床、FMC或FMS、FA、CIMS，则需要选用中型和大型PLC。 2) 要进行PLC与CNC装置的I/O连接，PLC与机床侧的I/O连接。CNC和PLC装置均有自己的I/O连接电路，需将对应的I/O信号的接口电路连接起来。通用型PLC，一般采用模块化结构，装在插板式笼箱内。I/O点数可通过I/O模块或者插板的增减灵活配置，使得PLC与CNC的I/O信号的连接变得简单。 3) 可以扩大CNC的控制功能。在闭环（或半闭环）数控机床中，采用D/A和A/D模块，由CNC控制的坐标运动称为插补坐标，而由PLC控制的坐标运动称为辅助坐标，从而扩大了CNC的控制功能。 经济型数控系统研究与设计 第4章 软件系统设计 图3-9 独立型PLC的CNC机床系统框图 2. PLC形式的确定 独立型PLC具有较强的数据处理、通信和诊断功能，成为CNC与上级计算机联网的重要设备。独立型PLC,具有完备的硬件与软件,能够独立的完成规定的控制任务.独立型PLC无需由编程人员编制相应的控制软件，考虑到编程的工作量，本系统选用独立型PLC。为提供用户使用8个输入，8个输出点,及考虑系统本身占用输入/输出点数目,选用小型PLC,因其所需PLC的I/O接口点数在128点以下,选取EX40型号独立型PLC. 3．独立型PLC与机床的信息传递 1) PLC向机床传递的信息。主要是控制机床各执行元件的执行信号。如电磁阀、接触器、电磁铁以及确保机床各运动部件状态的信号和故障显示。 2) 机床向PLC传递的信息。主要是机床操作面板上操作元件信息。例如，各坐标轴的正反起停、刀架回转方向选择、数控系统启动、进给停止等控制信息；各坐标轴运动限位及基准点越位、主轴机械变速选择、刀架夹紧与放松等限位开关信息；系统故障保护、主轴调节器保护及状态信息监视信息；伺服系统运行准备信息等。 3.7 系统电气原理图设计 本系统确定单微处理器开环数控系统，选用INTEL公司推出的准16位嵌入式微控制器8098单片机。系统采用独立型PLC，选用图形点阵液晶显示器。所有要用的芯片能过地址总线、数据总线和控制总线连系起来，具体电气原理图参见设计图纸1号图。 第四章 系统软件设计 4.1 软件功能设计 1.控制轴数 本系统能够实现X、Z两轴联动。 2．插补方式 能够完成直线、圆弧插补 3.准备功能 G00—快速点定位 G01—直线插补 G02—顺时针圆弧插补 G03—逆时针圆弧插补 G04—延时(暂停) 4.进给功能 用F字母和后续的数值指定.由于主机的限制,本系统的快速进给速度为5M/S,用G00指令. 5.辅助功能 M00—程序中停 M02—程序结束 M03—主轴顺时针旋转 M04—主轴逆时针旋转 M05—主轴停止 M08—冷却液开 M09—冷却液关 6.补偿功能 包括刀具半径和刀具长度补偿及反向间隙补偿 7.字符显示功能 本系统采用LCD显示器，图形点阵液晶显示器可以显示所有字符及图形. 4.2 软件结构分析、设计 1.CNC软件结构模式分析 所谓结构模式是指系统软件的组织管理方式,即系统任务的划分方式、任务调度机制、任务间的信息交换机制以及系统集成方法等。CNC装置结构模式有前后台型结构模式与中断型结构模式。 A．前后台型结构模式将CNC装置软件划分成两部分：前台程序和后台程序。前台和后台程序内部各子任务采用的是顺序调度。这种结构在前台和后台内无优先级等级，也无抢占机制，因而，实时性差。所以该结构适用控制功能较简单的系统。 B．中断型结构模式是将除了初始化程序之外，整个系统软件的各个任务模块分别安排在不同级别的中断服务程序中，然后由中断管理系统（由硬件与软件组成）对各通级中断服务程序实施调度管理。该结构中任务的调度采用的是优先抢占调度。这类系统实时性好，但模块的关系复杂，耦合度大，不得于对系统的维护和扩充。 2.软件结构确定 前后台型软件结构适合于采用集中控制的单微处理器CNC装置，与本系统的单微处理器形式相符。中断型结构模式实时性好，但模块的关系复杂，耦合度大，不得于对系统的维护和扩充。本系统控制功能较简单，相比之下，经济型数控系统宜选用前后台型软件结构。 4.3 人机界面及其软件实现技术 经济型数控系统的用户是广大中小型企业或劳动密集型企业.由于操作人员的技术水平和文化素质普遍不是很高,数控系统又及是面向小批量零件的加工的一种机加装备;因此,提高编辑模块的容错性,方便性,是十分必要的.本系统中主要采用了菜单驱动技术和全屏幕编辑技术,实现了比较友好的系统人机界面. 4.3.1菜单驱动技术的应用 菜单驱动技术在单片机系统中的应用已日益广泛,这主要归功于菜单化操作带来的便捷和轻松.在本数控系统中,就应用了全程菜单驱动技术.现将这种技术在单片机系统上的实现做一简单说明. (1) 菜单驱动的物理条件 要实现菜单驱动,显然,系统首先要有菜单显示能力.由于本系统采用字符液晶模块作为显示界面,一屏可显示40字符,因此具备菜单驱动的基本条件;而且液晶模块的反像显示特性,可使系统十分容易得到菜单的光条效果,这对于完备的菜单是必须的. (2) 菜单驱动的软件实现 以系统编辑模块为例,说明菜单驱动的有条理.先看图4-1编辑模块菜单结构: 图4-1 编辑模块菜单结构 其程序设计思想是:选中主菜单中的EDIT菜单项后,显示其下的孖菜单111;通过光条移动选中erase子项后,回车确认,则显示其下的子菜单1112;按键“↑↓”控制光条移动,通过回车键执行相应的操作. 4.4 逐点比较插补法的软件实现 4.4.1 直线插补原理 ①偏差计算公式 按逐点比较法原理,必须把每一个插值点的实际位置与给定轨迹的理想位置间的误差即偏差计算出来.根据偏差的正负决定下一步走向,逼近给定轨迹. 假定加工如图4-2所示: 图4-2 第一象限直线 取直线起点为坐标有缺点,终点坐标(,)是已知的.M(,)为加工点,若m在OA直线上,则根据相似三角形关系可得: /=/ ， 即-=0 由此要嘚直线插补的偏差判别式为 =- (4-1) 若=0, m点在OA直线上; 若>0,点在直线OA上方; 若<0, 点在OA直线下方. 逐点比较法直线插补的有条理是:从第1象限直线的起点出发,当≥0时,沿+x方向走一步;当<0时,沿+y方向走一步.当2方向所走的走步数与终点坐标(,)相等时,发出终点到信号,停止插补. 如果直接按式(1-1)计算偏差,则要做2次乘法,1次减法,比较麻烦,因此有必要进一步简化. 对于第一象限而言,高加工点正处于m点.当≥0时,表明m点在OA上或在OA上方,应沿+x方向进给一步,走一步以后新的坐标值为: =+1,= 该点的偏差: = -=-(+1) =--=- (4-2) 当<0时,表明m点在OA的下方,应沿+y方向进给一步,走一步后新的坐标为: =,= 该点的偏差为: =-=(+1) -=--=+ (4-3) 式(1-2)和式(1-3)是简化后的偏差计算公式,在式中只有加减运算.只要将前一点的偏差值与等于常数的终点坐标值,相加或相减,即可得到新的坐标点的偏差值.加工的起点是坐标原点,起点的偏差为=0,随着加工点前进,新加工点的偏差都可以由前一点偏差和终点坐标相加或相减得到. ②终点判别方法 逐点比较法的终点判断有以下几种方法: ● 设置x,y两个减法计数器.加工开始前, x,y计数器初值为终点坐标,,在x坐标(或y坐标)进给一步时, x计数器(或y计数器)减1,当2个计数器都减到0时,到达终点. ● 设置一个终点计数器,初值为x,y两个坐标给定的总步数Σ,每当沿x或y坐标方向进给一步时,终点计数器减除,当减为0时,到达终点. ③插补计算过程 插补计算时,每走一步,都要进行以下4个步骤的算术逻辑运算. ● 偏差判别判别偏差F≥0或F<0,这是逻辑运算,根据逻辑运算的结果确定下一步进给方向和新的偏差计算; ● 坐标进给:进给一步后,计算新的加工点对给定轨迹的偏差,作为下一次偏差判别的依据; ● 终点判别:进给一步后,终点计数减1.判断是否到达终点,未到达终点返回第一步. (2)直线插补计算举例 设加工第一象限直线OA,起点为坐标有原占,终点坐标=6, =4,则计算过程如表4-1所示: 表4-1 直线插补过程 步数 偏差判别 坐标进给 偏差计算 终点判别 起点 F0=0 Σ=10 1 F=0 +x F1= F0- =0-4=-4 Σ=10-1=9 2 F<0 +y F2=F1+ =-4+6=2 Σ=9-1=8 3 F>0 + x F3=F2- =-2 Σ=7 4 F<0 + y F4=F3+ =4 Σ=6 5 F>0 + x F5=F4- =0 Σ=5 6 F=0 + x F6=F5= =-4 Σ=4 7 F<0 + y F7=F6+ =2 Σ=3 8 F>0 + x F8=F7- =-2 Σ=2 9 F<0 + y F9=F8+ =4 Σ=1 10 F>0 + y F10=F9- =0 Σ=0 (3)4个象限直线挺补的偏差符号及进给方向如图4-3所示. 图4-3 4象限直线的偏差符号与进给方向 由图可知,第二象限的直线OA2,其终点坐标为(-,),在第一象限有一条对称于y轴的直线OA1,其终点坐标为(,).当从O点出发,按第一象限直线OA1进行插补时,若把沿x轴正向进给改为x轴负方向进给,这时实际插补所得的就是第二象限直线OA2.第二象限直线OA2插补时,偏差计算公式与第一象限直线OA1的偏差计算公式相同,判别在x轴的进给方向,同理,如果插补第三象限终点为(-,-)的直线,只要插补终点值为(,)的第一象限的直线,而将输出的进给脉冲由+x变为-x,+y方向即可.以此类推,4个象限所有的偏差计算公式和进给方向死于下表4-2: 表4-2 直线插补公式及进给方向表 F≥0 F<0 直线坐标 进给方向 偏差计算 直线坐标 进给方向 偏差计算 , +x =- , +y =+ , +y , +x 4.4.2 直线插补—G01程序设计 在单片微机数字程序控制系统中,用插补计算程序完成插补计算,称之为”软件插补器”.下面以插补第1象限直线、第2象限直线为例，介绍直线插补计算子程序的设计。 直线插补子程序需3个入口参数，它们是终点坐标值，及总步数Σ。这些参数由调用程序查询数据表得到，并存入入口单元，及BS；本子程序还用一个工作单元存放走步过程中加工点偏差值，初态为0。根据系统要求，上述4个单元均为3B。另外，在数控车削系统中，y轴表示为z轴，以与数控加工的ISO代码一致。 第1象限直线插补子程序框图下图所示。图中还指出了插补计算的4个节拍。坐标进给通常是使步进电机走一步，通过步进电机带动机床工作台或刀具移动。有关步进电机的走步（正走、反走）子程序MAN _MOVE，不做介绍。第2象限直线插补的程序框图不做介绍，请参照第1象限子程序框图和4象限插补计算与进给方向表。 图4-4第一象限直线插补计算子程序框图 ；************************************************************************************** ；第一象限直线插补: DYXXL ；************************************************************************************** DYXXL: CLR C 　　 MOV Fz3, #00H 　　 MOV Fz2, #00H 　　 MOV Fz1, #00h ；偏差单元清零 　　MOV A, Xe3 ADD A, Ze3 　　 MOV BS3, A 　　 MOV A, Xe2 　　 ADDC A, Ze2 　　MOV BS2, A MOV A, Xe1 　　 ADDC A, Ze1 　　 MOV BS1, A ；计算终判值 DYXXL2: MOV DPTR, #FEED% ；速度标志字 　　 MOVX A, @DPTR 　　 CJNE A, #01H, DYX_1 　　 MOV R6, #02H SJMP DYX_5 DYX_1: CJNE A, #02H, DYX_2 　　 MOV R6, #04H 　　 SJMP DYX_5 DYX_2: CJNE A, #03H, DYX_3 　　 MOV R6, #08H 　　 SJMP DYX_5 DYX_3: MOV R6, #10H DYX_5: LCALL DEL1MS ；调用延时1MS子程序 　　 MOV A, Fz1 ；取偏差的高8位 　　 JB ACC.7, DYXXL4 ；F<0,->Z向进给 　　 MOV A, #02H ；走+X一步 MOV F_ORIENT, A 　　 LCALL DISP_XZ ；显示原坐标 　　 LCALL MAN_MOVE ；走步 　　 LCALL DISP_XZ ；显示新坐标 　　CLR C MOV A, Fz3 　　 SUBB A, Ze3 　　 MOV Fz3, A 　　 MOV A, Fz2 　　SUBB A, Ze2 MOV Fz2, A 　　 MOV A, Fz1 　　 SUBB A, Ze1 　　 MOV Fz1, A ；计算F-Ze->F DYXXL3: CLR C 　　 MOV A, BS3 　　 SUBB A, #01H 　　 MOV BS3, A 　　MOV A, BS2 SUBB A, #00H ；终点判值减1 　　 MOV BS2, A 　　 MOV A, BS1 　　 SUBB A, #00H 　　MOV BS1, A ORL A, BS2 　　 ORL A, BS3 　　 JNZ DYXXL2 ；判0,未完继续 　　 RET ；插补结束返回 DYXXL4: MOV A, #04H ；走+Z一步 　　 MOV F_ORIENT, A 　　 LCALL DISP_XZ ；显示原坐标 　　 LCALL MAN_MOVE ；走步 　　LCALL DISP_XZ ；显示新坐标 CLR C 　　 MOV A, Fz3 　　 ADD A, Xe3 　　 MOV Fz3, A MOV A, Fz2 　　 ADDC A, Xe2 　　 MOV Fz2, A 　　 MOV A, Fz1 　　ADDC A, Xe1 MOV Fz1, A ；计算F+Xe->F 　　 LJMP DYXXL3 ；转判终点 4.4.3 圆弧插补原理 ①偏差计算公式 以第一象限逆圆为例,讨论偏差计算公式的推导方法.如图4-5。 图4-5 第1象限逆圆 设要加工圆弧AB