2975 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

2975 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì),經(jīng)濟(jì)型,數(shù)控系統(tǒng),研究,鉆研,設(shè)計(jì) 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì) 第 1 章 緒論 - 1 -目 錄目 錄-1摘 要 -2第一章 緒論-2第二章 CNC 系統(tǒng)總體方案的確定-32.1 系統(tǒng)總體方案-32.2 系統(tǒng)功能模塊及其分析-5第三章 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)-73.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)-73.2 主模塊設(shè)計(jì)-83.3 輸入/輸出模塊設(shè)計(jì)-93.4 人機(jī)界面模塊設(shè)計(jì)-113.4.1 顯示方式的確定-113.4.2 數(shù)控操作面板外形圖設(shè)計(jì)-123.4.3 機(jī)床操作面板設(shè)計(jì)-123.5 系統(tǒng)安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)-133.6 PLC 在 CNC 系統(tǒng)中的應(yīng)用-133.7 系統(tǒng)電氣原理圖設(shè)計(jì)-15第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)-154.1 軟件功能設(shè)計(jì)-154.2 軟件結(jié)構(gòu)分析、設(shè)計(jì)-164.3 人機(jī)界面及其軟件實(shí)現(xiàn)技術(shù)-174.3.1 菜單驅(qū)動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用-174.4 逐點(diǎn)比較插補(bǔ)法的軟件實(shí)現(xiàn)-174.4.1 直線(xiàn)插補(bǔ)原理-174.4.2 直線(xiàn)插補(bǔ)G01 程序設(shè)計(jì) -204.4.3 圓弧插補(bǔ)原理-234.5 快速點(diǎn)定位G00 程序設(shè)計(jì) -264.6 暫停(延遲)指令G04 程序設(shè)計(jì)-284.7 步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)及轉(zhuǎn)速控制程序設(shè)計(jì)-29鳴 謝-30參考文獻(xiàn)-30經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì) 第 1 章 緒論 - 2 -經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)第 1 章 緒論按數(shù)控系統(tǒng)的功能水平,可以把數(shù)控系統(tǒng)分為高、中、低三檔,低檔數(shù)控系統(tǒng)即可認(rèn)為是經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)是相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)型數(shù)控系統(tǒng)而言的，不同時(shí)期，不同國(guó)家和地區(qū)的含義是不一樣的。根據(jù)實(shí)際機(jī)床的使用要求，合理簡(jiǎn)化系統(tǒng)，降低成本，即可稱(chēng)為經(jīng)濟(jì)型。區(qū)別于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)，將功能比較齊全的數(shù)控系統(tǒng)稱(chēng)為全功能數(shù)控系統(tǒng)，或稱(chēng)為標(biāo)準(zhǔn)型數(shù)控系統(tǒng)。就其功能而言，經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)一般分辨率較低，連動(dòng)軸數(shù)較少，人機(jī)接口比較簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉，可以說(shuō)得上是最經(jīng)濟(jì)的數(shù)控系統(tǒng)。所以，經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)主要指開(kāi)環(huán)系統(tǒng)。開(kāi)環(huán)數(shù)控系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低、維修調(diào)試簡(jiǎn)單、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低等特點(diǎn)，但受步進(jìn)電動(dòng)機(jī)矩頻特性的限制，精度、進(jìn)給速度、力矩三者互相制約，性能的提高受到限制。所以，開(kāi)環(huán)數(shù)控系統(tǒng)一般用在精度或速度要求不高，或者力矩不大的場(chǎng)合。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)主要同微型計(jì)算機(jī)與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成，既具有一定的數(shù)控功能，又具有造價(jià)低、使用維修方便等特點(diǎn)。本設(shè)計(jì)就是圍繞經(jīng)濟(jì)、實(shí)用這個(gè)核心而進(jìn)行的。本系統(tǒng)硬件采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（STD）總線(xiàn)，大板結(jié)構(gòu)。不采用工業(yè)控制機(jī)，自行設(shè)計(jì)專(zhuān)用印刷主電路板。主電路板上有多個(gè)插槽，可插入 LCD 控制板、I/O 接口控制板、步進(jìn)電機(jī)控制板等，還設(shè)有一個(gè)擴(kuò)展槽以便用戶(hù)擴(kuò)展系統(tǒng)功能。一塊模板基本上具有一種或二種功能，實(shí)現(xiàn)了模板級(jí)的功能分散，可以根據(jù)用戶(hù)的需要對(duì)系統(tǒng)裁剪或擴(kuò)展，系統(tǒng)組成靈活。本系統(tǒng)確定單微處理器開(kāi)環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以根據(jù)專(zhuān)用設(shè)備的控制要求自行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，周期短、費(fèi)用低、見(jiàn)效快。選用 INTEL 公司推出的準(zhǔn) 16 位嵌入式微控制器 8098 單片機(jī)。系統(tǒng)采用獨(dú)立型 PLC，因其具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理、通信和診斷功能。本系統(tǒng)采用 LCD 顯示器，圖形點(diǎn)陣液晶顯示器是目前在單片機(jī)系統(tǒng)中比較流行的新型顯示器件，可以顯示所有字符及圖形，由于其可以顯示漢字的特性被廣泛用于國(guó)內(nèi)智能設(shè)備中，國(guó)內(nèi)的數(shù)控系統(tǒng)也開(kāi)始廣泛采用。作為一個(gè)簡(jiǎn)易型數(shù)控系統(tǒng)，本系統(tǒng)采用了 20*2 帶背光字符型液晶模塊作為主顯示界面，不有用數(shù)碼管顯示或 CRT 顯示。本系統(tǒng)采用 64 鍵（8*8）行列式鍵盤(pán)，鍵盤(pán)掃描由 Intel8279 鍵盤(pán)/顯示接口芯片完成。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中充分考慮功能的需要、操作方便的需要及系統(tǒng)復(fù)雜性的要求三個(gè)之間的關(guān)系，確定系統(tǒng)的大多數(shù)按鍵為雙功能鍵，使得整個(gè)系統(tǒng)界面簡(jiǎn)潔。本系統(tǒng)功能精簡(jiǎn)，實(shí)用性強(qiáng)，系統(tǒng)功能由硬件和軟件按照經(jīng)濟(jì)性的要求適當(dāng)劃分。軟件設(shè)計(jì)具備經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)必要的基本功能：最多二軸聯(lián)動(dòng)、具備基本的準(zhǔn)備功能及輔助功能、步進(jìn)電機(jī)控制能力、直線(xiàn)、圓弧插補(bǔ)能力、串行通信能力等。第 2 章 CNC 系統(tǒng)總體方案的確定經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì) 第 2 章 CNC 系統(tǒng)總體方案的確定- 3 -2.1 系統(tǒng)總體方案計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC）系統(tǒng)由程序、輸入裝置、輸出裝置、CNC 裝置、PLC、主軸驅(qū)動(dòng)裝和進(jìn)給（伺服）驅(qū)動(dòng)裝置組成，如圖 2-1 所示。系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)具有靈活性、通用性、可靠性，易于實(shí)現(xiàn)基本的數(shù)控功能，使用、維修也較為方便，并且與外界通信的功能。 位 置 檢 測(cè) 裝 置進(jìn) 給 電 動(dòng) 機(jī)床機(jī)主 軸 電 動(dòng) 機(jī)單 元速 度 控 制單 元主 軸 控 制（ PLC）可 編 程 控 制 器裝 置輸 出裝 置通 信裝 置輸 入 （ N裝 置 ）控 制 裝 置數(shù) 值計(jì) 算 機(jī)圖 2-1 CNC 系統(tǒng)組成CNC 數(shù)控系統(tǒng)由以下幾個(gè)部分組成：1) 微型計(jì)算機(jī)，包括中央處理器、存儲(chǔ)器、I/O 接口等。2) 進(jìn)給伺服系統(tǒng)，在開(kāi)環(huán)數(shù)控系統(tǒng)中為步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)。3) 開(kāi)關(guān)量控制及主軸控制，這部分涉及到 M、T、S 代碼的執(zhí)行。4) 人機(jī)接口和通信功能。5) 控制軟件。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的決定了系統(tǒng)只能采用開(kāi)壞控制方式。在開(kāi)壞型位置控制系統(tǒng)中，只能采用步進(jìn)電機(jī)作為伺服單元。這是由步進(jìn)電機(jī)本身的特性決定的。關(guān)于步進(jìn)電機(jī)的特性等詳細(xì)內(nèi)容見(jiàn)其它資料。本系統(tǒng)確定為開(kāi)環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以根據(jù)專(zhuān)用設(shè)備的控制要求自行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，周期短、費(fèi)用低、見(jiàn)效快。開(kāi)環(huán)數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖 2-2 所示。在進(jìn)行開(kāi)環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)時(shí)，通常要考慮以下問(wèn)題：1. 系統(tǒng)功能要求設(shè)計(jì)系統(tǒng)之前，應(yīng)該明確定義系統(tǒng)的功能。在定義開(kāi)環(huán)數(shù)控系統(tǒng)功能時(shí)，應(yīng)以必要為度，既然是經(jīng)濟(jì)型系統(tǒng)，應(yīng)不求最佳，但求滿(mǎn)意。定義系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)綜合考慮經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性、開(kāi)發(fā)周期和開(kāi)發(fā)能力等因素，對(duì)系統(tǒng)的某些功能進(jìn)行權(quán)衡，決定取舍。1) 本系統(tǒng)具有以下主要功能和要求：2) 具有兩軸聯(lián)動(dòng)的軸控制功能；3) 具有基本的準(zhǔn)備功能、進(jìn)給功能、輔助功能、PLC 等；4) 具有基本的人機(jī)對(duì)話(huà)功能，如顯示、通信功能及輸入輸出設(shè)備；5) 硬件、軟件的設(shè)計(jì)均以經(jīng)濟(jì)型為平臺(tái)；經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì) 第 2 章 CNC 系統(tǒng)總體方案的確定- 4 -床機(jī)軟 件 主 軸 控 制主 軸 反 饋控 制 電 路開(kāi) 關(guān) 量 電 動(dòng) 機(jī)步 進(jìn)驅(qū) 動(dòng) 電 路步 進(jìn) 伺 服I/O口 )RAMEP(CU微 機(jī)接 口通 信與接 口人 機(jī)圖 2-2 開(kāi)環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2. 確定控制任務(wù)及軟件、硬件任務(wù)的劃分根據(jù)系統(tǒng)功能，可以進(jìn)一步確定系統(tǒng)的基本構(gòu)成部分及各部分要完成的控制任務(wù)。對(duì)一些控制任務(wù)要確定是用硬件來(lái)完成還是用軟件來(lái)完成，如開(kāi)關(guān)量的邏輯控制可以用硬件來(lái)完成，也可以用軟件來(lái)完成。復(fù)雜的邏輯控制，用軟件來(lái)完成就要經(jīng)濟(jì)一些，而且故障率低。而用軟件完成這些功能要時(shí)間，如果微處理器時(shí)間已飽和，則一些簡(jiǎn)單的邏輯控制就必須用硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)。3. 確定各部分的聯(lián)系確定系統(tǒng)各部分的聯(lián)系，主要指信息方面的聯(lián)系。系統(tǒng)各個(gè)組成部分之間要傳送什么信息，以什么形式傳送，需要定義清楚。4. 確定微機(jī)系統(tǒng)確定用單微機(jī)系統(tǒng)還是多微機(jī)系統(tǒng)，選擇微機(jī)型號(hào)。選擇微機(jī)型號(hào)時(shí)，要考慮經(jīng)濟(jì)性和先進(jìn)性，同時(shí)必須考慮開(kāi)發(fā)手段、支持軟件及外圍芯片等因素。由于控制功能不十分復(fù)雜，故采用單微機(jī)處理器結(jié)構(gòu)。單微處理器結(jié)構(gòu)的 CNC 系統(tǒng)具有如下一些特點(diǎn)：1) CNC 系統(tǒng)內(nèi)只有一個(gè)微處理器，對(duì)存儲(chǔ)、插補(bǔ)運(yùn)算、輸入輸出控制、LED 顯示等功能都由它集中控制分時(shí)處理。2) 微處理器通過(guò)總線(xiàn)與存儲(chǔ)、輸入輸出控制等各種接口相連，構(gòu)成 CNC 系統(tǒng)。3) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)。4) 單微處理器因?yàn)橹挥幸粋€(gè)微處理器集中控制， ，其功能將受到微處理器字長(zhǎng)、數(shù)據(jù)寬度、尋址能力和運(yùn)算速度等因素限制。由于插補(bǔ)等功能由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此數(shù)據(jù)功能的實(shí)現(xiàn)與與處理速度成為一對(duì)矛盾。選用 INTEL 公司推出的準(zhǔn) 16 位嵌入式微控制器 8098 單片機(jī)。8098 單片機(jī)性能價(jià)格比很高，8 位機(jī)接口但具有 16 位機(jī)的速度，非常適用于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)。5. 確定軟件結(jié)構(gòu)形式CNC 軟件可以設(shè)計(jì)成不同的結(jié)構(gòu)形式。不同的軟件結(jié)構(gòu)，對(duì)各任務(wù)的安排方式也不同，管理方式也不同。常見(jiàn)的 CNC 軟件結(jié)構(gòu)形式有前后臺(tái)型軟件結(jié)構(gòu)和中斷軟件結(jié)構(gòu)。前后臺(tái)型軟件結(jié)構(gòu)適合于采用集中控制的單微處理器 CNC 裝置。故本設(shè)計(jì)采用前后臺(tái)型軟件結(jié)構(gòu)。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì) 第 2 章 CNC 系統(tǒng)總體方案的確定- 5 -2.2 系統(tǒng)功能模塊及其分析1系統(tǒng)操作界面按照本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想，系統(tǒng)的界面設(shè)計(jì)確定圖 2-3 所示：.上 下 檔上 頁(yè)下 頁(yè)回 車(chē)插 入刪 除手 動(dòng)換 刀運(yùn) 行暫 停復(fù) 位 限 位暫 停上 下 檔 切 換電 源圖 2-3 系統(tǒng)人機(jī)界面圖其中，30 個(gè)按鍵中的 12 個(gè)為雙功能鍵，按鍵的功能簡(jiǎn)單說(shuō)明如下：復(fù)位系統(tǒng)在死機(jī)、工作出錯(cuò)等情況下的總清鍵，使系統(tǒng)回復(fù)設(shè)計(jì)的原始狀態(tài)。運(yùn)行自動(dòng)運(yùn)行用戶(hù)的零件加工程序，包括程序的語(yǔ)法檢查、數(shù)據(jù)處理、編譯、插補(bǔ)運(yùn)算及步進(jìn)電機(jī)控制等。暫停自動(dòng)加工的暫停，是一個(gè)乒乓鍵，按一次，加工暫停，再按一次，繼續(xù)加工。換刀用于手工換刀，每按一次，電動(dòng)刀架轉(zhuǎn)一個(gè)工位，本系統(tǒng)中為 。o90手動(dòng)與“、”配合，以實(shí)現(xiàn)動(dòng)作臺(tái)的連動(dòng)；在編輯程序時(shí)為光標(biāo)移動(dòng)鍵。數(shù)字 19均為雙功能鍵，用于程序輸入，用“上下檔”鍵進(jìn)行切換。G準(zhǔn)備功能鍵，用于 ISO 加工程序輸入。M輔助功能鍵，用于冷卻泵的啟/停、程序的結(jié)束等程序段的輸入。插入用于程序編輯過(guò)程中“插入/修改”方式的切換。也是乒乓鍵，用塊光標(biāo)或下劃線(xiàn)光標(biāo)指示。刪除在插入方式下，刪除當(dāng)前光標(biāo)位置前的字符；在修改方式下，刪除當(dāng)前光標(biāo)位置字符。上頁(yè)程序上翻到上一程序段。相當(dāng) PC 機(jī)的 PageUp 鍵。下頁(yè)程序下翻到下一程序段，與上頁(yè)鍵盤(pán)緩沖區(qū)一樣是一個(gè)屏幕編輯鍵。相當(dāng)于 PC 機(jī)的 PageDown 鍵?；剀?chē)確認(rèn)鍵。Esc相當(dāng)于 PC 機(jī)的 Esc 鍵。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì) 第 2 章 CNC 系統(tǒng)總體方案的確定- 6 -2系統(tǒng)功能模塊與總體框架系統(tǒng)從總體上分為人機(jī)界面模塊、步進(jìn)電機(jī)控制模塊、LCD 顯示控制模塊、串行通信模塊及基于8098 單片機(jī)的主控模塊等 5 大模塊，如圖 2-4： 模 塊模 塊 模 塊模 塊 步 進(jìn) 電 機(jī) 控 制串 行 通 信人 機(jī) 界 面 主 控 模 塊 LCD顯 示 控 制圖 2-4 系統(tǒng)模塊與總體框圖3模板式硬件系統(tǒng)框架為了系統(tǒng)今后的功能擴(kuò)充，提高系統(tǒng)的可維護(hù)性，這個(gè)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，整個(gè)系統(tǒng)由 3 個(gè)相對(duì)獨(dú)立的子系統(tǒng)構(gòu)成，即：CPU 子系統(tǒng)及 I/O 子系統(tǒng)及鍵盤(pán)/顯示子系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)以 8098 為核心，擴(kuò)展了 16KB 的用戶(hù)加工程序區(qū)，具有掉電保護(hù)功能；通過(guò)鍵盤(pán)管理接口芯片 8279 擴(kuò)展鍵盤(pán)，利用其上下檔功能實(shí)現(xiàn)了按鍵的雙功能，簡(jiǎn)化了鍵盤(pán)；I/O 接口孖系統(tǒng)的核心是8255，通過(guò)它擴(kuò)展了步進(jìn)電機(jī)接口以及其它預(yù)留的螺紋加工用光電編碼接口等。4系統(tǒng)軟件框架本系統(tǒng)在臨近軟件的設(shè)計(jì)過(guò)程中，力圖體現(xiàn)“加強(qiáng)容錯(cuò)性，方便使用的原則，采用模塊化設(shè)計(jì)，全程菜單驅(qū)動(dòng)，共有 5 大模塊組成：通信模塊、自動(dòng)模塊、參數(shù)設(shè)置、編輯模塊、手動(dòng)模塊。系統(tǒng)軟件框圖見(jiàn)圖 2-5：經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì) 第 2 章 CNC 系統(tǒng)總體方案的確定- 7 -冷 啟 動(dòng)系 統(tǒng) 自 檢系 統(tǒng) 初 化顯 示 主 菜 單等 待 按 健 并 判 鍵 處 理 通 信 模 塊編 輯 模 塊參 數(shù) 設(shè) 置自 動(dòng) 模 塊手 動(dòng) 模 塊圖 2-5 系統(tǒng)軟件原理框圖第三章 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1 數(shù)控裝置硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)控裝置是整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)的核心，其硬件結(jié)構(gòu)按 CNC 裝置中各印制電路板的插接方式可以分為大板式結(jié)構(gòu)和功能模塊式結(jié)構(gòu)。（1）大板式結(jié)構(gòu) CNC 裝置可由主電路板、位置控制板、PLC 板、圖形控制板和電源單元等組成。主電路板是大印制電路板，其它電路是小印制電路板，它們插在大印制電路板上的插槽內(nèi)而共同構(gòu)成CNC 裝置。（2）功能模塊式結(jié)構(gòu)將整個(gè) CNC 裝置按功能劃分為模塊，硬件和軟件的設(shè)計(jì)都采用模塊化設(shè)計(jì)方法，即每一個(gè)功能模塊被做成尺寸相同的印制電路板（稱(chēng)功能模板） ，相應(yīng)功能模塊的控制軟件也模塊化。從本系統(tǒng)設(shè)計(jì)目的和用戶(hù)使用角度出發(fā)，本設(shè)計(jì)選用大板式結(jié)構(gòu)。板式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖示。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì) 第 3 章 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)- 8 -連 接 單 元 (DI/O)板擴(kuò) 展 槽步 進(jìn) 電 機(jī) 控 制 板控 制 用 ROM板I/接 口LCD控 制 板機(jī) 床 強(qiáng) 電 柜位 置 控 制外部位置顯示手搖脈沖發(fā)生器T1端 子T1端 子 速 度控 制單 元X軸Y軸單 元控 制速 度 CNCN C15 RS23CCADXMDI&LCAXCNTMD10C607C8AWTROMCPU主 印 刷 板圖 3-1 主電路板結(jié)構(gòu)圖圖中主電路板（大印制電路板）上有控制核心電路、位置控制電路、紙帶閱讀機(jī)接口、速度控制量輸出接口、手搖脈沖發(fā)生器接口、I/O 控制板接口和五個(gè)小印制電路板插槽?？刂坪诵碾娐窞槲C(jī)基本系統(tǒng)，由 CPU、存儲(chǔ)器、定時(shí)和中斷控制電路組成，存儲(chǔ)器包括 ROM 和 RAM，ROM（采用 EPROM）用于固化數(shù)控系統(tǒng)軟件，RAM 存放可變數(shù)據(jù)，如堆棧數(shù)據(jù)和控制軟件暫存數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)控加工程序和系統(tǒng)參數(shù)等可變數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)域具有掉電保護(hù)功能。五個(gè)插槽內(nèi)分別可插入用于保護(hù)數(shù)控加工程序和磁泡存儲(chǔ)器板，LCD 顯示控制板、I/O 接口板、步進(jìn)電機(jī)控制板等。除了上面提到的主要電路外，在 CPU 板上還包括諸如復(fù)位、STD 總線(xiàn)緩沖/驅(qū)動(dòng)一些電路。3.2 主模塊設(shè)計(jì)1主模塊中關(guān)鍵器件及其選型經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì) 第 3 章 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)- 9 -（1）單片機(jī)CPU 是整個(gè) CNC 系統(tǒng)的核心，CPU 性能的好壞直接影響著 CNC 系統(tǒng)的性能。當(dāng)前單片機(jī)價(jià)格較低、可靠性高，適用于控制。所以，選擇單片機(jī)做控制器比較合適，如 INTEL 公司的8031、8032、8096、8098 等。其中 8031、8032 為 8 位機(jī)，8096 為 16 位機(jī)，8098 為準(zhǔn) 16 位機(jī)。就本設(shè)計(jì)的任務(wù)來(lái)看，開(kāi)環(huán)數(shù)控系統(tǒng)選擇 8098 較為經(jīng)濟(jì)合理。據(jù)有關(guān)資料介紹，8098 的實(shí)際運(yùn)算速度可達(dá) 8031 的 5-6 倍，而價(jià)格也不太高。（2）存儲(chǔ)器的選用存儲(chǔ)器應(yīng)符合以下要求：1) 系統(tǒng)掉電后可靠保存關(guān)鍵程序和數(shù)據(jù)2) 具有高可靠上電、掉電及強(qiáng)電磁沖擊等數(shù)據(jù)保護(hù)功能3) 讀/寫(xiě)次數(shù)無(wú)限4) 讀/寫(xiě)速度快，讀/寫(xiě)方式簡(jiǎn)單5) 工業(yè)化設(shè)計(jì)，適用于潮濕、震動(dòng)、輻射、高低溫等惡劣環(huán)境8098 可尋址外部存貯空間為 64KB。考慮到數(shù)控系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境以及數(shù)控系統(tǒng)對(duì)加工程序數(shù)據(jù)掉電保護(hù)的要求，本系統(tǒng)采用程序存貯器與數(shù)據(jù)存貯器合二為一的普林斯頓，使用了 8098 的大部分可尋址存貯空間，程序存貯器的存貯空間為 32KB、地址 01007FFFH，采用 32KB EPROM 芯片 27256，用于存放 CNC 系統(tǒng)的管理控制程序及數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)存貯器的存貯空間為 31KB，地址 8000H0F800H，采用 32KB SRAM 芯片 62256，用于存放 CNC 系統(tǒng)的零件程序、機(jī)床參數(shù)及系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)存貯器所存數(shù)據(jù)在系統(tǒng)掉電后不應(yīng)丟失。為此對(duì)數(shù)據(jù)存貯器實(shí)行掉電保護(hù)。系統(tǒng)存貯空間分配見(jiàn)表 3-1。表 3-1 系統(tǒng)存貯空間分配表0FE00H0FFFFH 空0FC00H0FDFFH 顯示存貯器0FB00H0FBFFH 空0FA00H0FAFFH I/O 外設(shè)0F900H0F9FFH 空0F800H0F8FFH 鍵盤(pán)/顯示控制器8000H0F7FFH 數(shù)據(jù)存貯器2080H7FFFH 程序存貯器2012H207FH 芯片配置字節(jié)及系統(tǒng)保留存貯單元2000H2011H 中斷向量1FFEH1FFFH PORT3，40100H1FFEH 程序存貯器0000H00FFH 內(nèi)部 RAM、堆棧指針及特殊功能寄存器2主模塊電原理圖設(shè)計(jì)主模塊電原理圖如圖。為了提高總線(xiàn)負(fù)載能力，對(duì)數(shù)據(jù)總線(xiàn)采用雙向總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器 74HC245 進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。2 片 GAL16V8 實(shí)現(xiàn)地址譯碼，產(chǎn)生接口片選信號(hào)、液晶模塊等的邏輯控制要求。3.3 輸入/輸出模塊設(shè)計(jì)1.鍵盤(pán)的選用鍵盤(pán)是輸入、修改、刪除零件程序、機(jī)床參數(shù)等數(shù)據(jù)的主要手段。本系統(tǒng)采用 64 鍵（8*8）行列式鍵經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì) 第 3 章 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)- 10 -盤(pán)，鍵盤(pán)掃描由 Intel8279 鍵盤(pán)/顯示接口芯片完成，接口地址為 0F800H。當(dāng)組成無(wú) CRT 顯示的 CNC 最簡(jiǎn)系統(tǒng)時(shí)，采用 LED 顯示塊進(jìn)行顯示，8279 芯片可提供最多 16 位的 LED 顯示控制。2. 開(kāi)關(guān)量輸入/輸出CNC 裝置不僅能夠控制機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)，而且還應(yīng)具有一定的開(kāi)關(guān)量輸入/輸出能力。開(kāi)關(guān)量輸入/輸出板主要用來(lái)控制主軸的起動(dòng)與停止、正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，冷卻液的開(kāi)關(guān)以及接收機(jī)床限位信號(hào)。由可編程并行 I/O 擴(kuò)展接口 8255、地址譯碼電路、STD 總線(xiàn)緩沖電路及光電耦合器組成。圖 3-3 所示為開(kāi)關(guān)量輸入/輸出板的邏輯框圖。8255 接口地址為 0FAB0H0FAB3H。8255 的 A 口和 B口編程為輸入緩沖方式，可以輸入 16 位開(kāi)關(guān)量信號(hào)；C 口編程為輸出鎖存方式，可以輸出 8 位開(kāi)關(guān)量信號(hào)，而且可以位控輸出。為了提高系統(tǒng)的搞干擾能力，微機(jī)與機(jī)床（強(qiáng)電線(xiàn)路）之間采用了光電耦合器。開(kāi)關(guān)量輸入/輸出信號(hào)見(jiàn)表 3-2。表中，NC 指未連接的位線(xiàn)，這些位線(xiàn)可以根據(jù)用戶(hù)要求進(jìn)行連接，以擴(kuò)展系統(tǒng)的功能。3-2 開(kāi)關(guān)量輸入/輸出信號(hào)表PORT A0 1 2 3 4 5 6 7正向限位 反向限位 NC NC NC NC NC NCPORT B0 1 2 3 4 5 6 7NC NC NC NC NC NC NC NC（一）輸入信號(hào)PORT C0 1 2 3 4 5 6 7主軸啟/停 主軸正/反 冷卻液開(kāi)/關(guān) NC NC NC NC NC（二）輸出信號(hào)3步進(jìn)電機(jī)控制接口x,y 兩軸采用 3 相 6 拍步進(jìn)電機(jī)，因此各需要 3 條控制口線(xiàn)，即圖 3-2 中的 8255 的 PA 口低 6 位。經(jīng) 74HC245 單向驅(qū)動(dòng)后，通過(guò) 2 片 TLP521-4 光電隔離，形成 x,y 所需的 3 相控制信號(hào)，送往步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì) 第 3 章 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)- 11 -28930147123765404321098576234567123456784516099018765432 8BAB01APPCBSRETAWD65 XGND2CVEDIRDIRE+V9 +4V+KAIHCHCJ1ZCBATLP2-H+VEDIRKA9圖 3-2 步進(jìn)電機(jī)接口電路圖3.4 人機(jī)界面模塊設(shè)計(jì)3.4.1 顯示方式的確定1單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中常用顯示方式在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，目前比較常用的顯示介質(zhì)有數(shù)碼管（LED） 、液晶顯示（LCD）及 CRT 等，在家用電器中用兵比較多的是真空熒光屏（VFD） 。2顯示方式確定（1）顯示方式確定為字符型液晶顯示本系統(tǒng)采用 LCD 顯示器，圖形點(diǎn)陣液晶顯示器可以顯示所有字符及圖形，由于其可以顯示漢字的特性被廣泛用于國(guó)內(nèi)智能設(shè)備中，國(guó)內(nèi)的數(shù)控系統(tǒng)也開(kāi)始廣泛采用。作為一個(gè)簡(jiǎn)易型數(shù)控系統(tǒng)，本系統(tǒng)采用了 20*2 帶背光字符型液晶模塊作為主顯示界面，不有用數(shù)碼管顯示或 CRT 顯示。這樣做的目的有 3 個(gè)：A. 液晶顯示方式具有顯示容量大、可以顯示所有字符及自定義字符的能力。至于不能顯示圖形以實(shí)現(xiàn)加工曲線(xiàn)動(dòng)態(tài)顯示的缺陷，可以通過(guò)上位機(jī)模擬住址加工來(lái)彌補(bǔ)。B. 液晶顯示模塊自身具有控制器，可以減輕主 CPU 的負(fù)擔(dān)。C. 使系統(tǒng)具有菜單驅(qū)動(dòng)的基本素質(zhì)。采用菜單驅(qū)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)編輯模塊的全屏幕編輯功能，達(dá)到友好的人機(jī)界面要求。（2）液晶模塊與單片機(jī)的軟硬件接口與 8098 單片機(jī)的硬件接口該液晶模塊與 8098 單片機(jī)的接口如圖 3-3 所示.經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì) 第 3 章 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)- 12 -譯 碼 輸 出（ 0 ） 模 塊圖 3-3 液晶模塊與 8098 單片機(jī)接口液晶模塊的軟件接口程序液晶模塊 LCD 的口地址定義如下：CMD_RD_LCD EQU 0D001H ；讀寫(xiě)態(tài)口CMD_WR_LCD EQU 0D000H ；寫(xiě)命令口DATA_RD_LCD EQU 0D003H ；讀狀態(tài)口 DATA_WR_LCD EQU 0D002H ；寫(xiě)數(shù)據(jù)口RET上 下 檔 指 示接 8279的 引 腳雙 穩(wěn) 態(tài)觸 發(fā) 電 路上 下 檔 鍵圖 3-4 按鍵上下檔功能實(shí)現(xiàn)的電路原理圖（）數(shù)控系統(tǒng)中手動(dòng)方式下連動(dòng)功能的程序?qū)崿F(xiàn)有種基本工作方式：鍵盤(pán)掃描、傳感矩陣及選項(xiàng)卡通輸入。大多數(shù)應(yīng)用系統(tǒng)中，通常采用鍵盤(pán)掃描方式。這種鍵盤(pán)掃描方式的特點(diǎn)是：按鍵時(shí)自動(dòng)消彈，并且當(dāng)鍵盤(pán)緩沖區(qū)中有鍵值時(shí)為高，否則為低。由于這個(gè)特點(diǎn)，單純的鍵盤(pán)掃描方式很難實(shí)現(xiàn)按鍵的連動(dòng)功能。原因是：按鍵后，必須先讀取鍵值并判鍵，才能執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作；而此時(shí)鍵盤(pán)緩沖區(qū)的鍵值已空，因此就無(wú)法知道當(dāng)前的按鍵狀態(tài)，因而無(wú)從判斷是否執(zhí)行連動(dòng)操作。通過(guò)對(duì)傳感矩陣方式的分析可知，當(dāng)傳感器的狀態(tài)有變化時(shí)過(guò)境遷最佳值引起信號(hào)變高；因此，如果將與的某一口線(xiàn)，例如的 P1.6 相連，就可以據(jù)此判斷按鍵的狀態(tài)變化，以實(shí)現(xiàn)連動(dòng)功能。3.4.2 數(shù)控操作面板外形圖設(shè)計(jì)本數(shù)控系統(tǒng)的 NC 鍵盤(pán)與顯示器的構(gòu)成詳見(jiàn)設(shè)計(jì) 1 號(hào)圖紙.其中,顯示器為圖形點(diǎn)陣液晶顯示器, 可經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì) 第 3 章 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)- 13 -以顯示所有字符及圖形. 系統(tǒng)設(shè)計(jì)中充分考慮功能的需要、操作方便的需要及系統(tǒng)復(fù)雜性的要求三都之間的關(guān)系，確定系統(tǒng)的大多數(shù)按鍵為雙功能鍵，使得整個(gè)系統(tǒng)界面簡(jiǎn)潔。3.4.3 機(jī)床操作面板設(shè)計(jì)操作面板所具有的按鍵與旋鈕：1. 電源接通與關(guān)斷. 2. 緊急停止與復(fù)位 3. 超程解除 4. 方式選擇(自動(dòng),單段, 步進(jìn) , 點(diǎn)動(dòng), 回零, 手搖) 5. 手動(dòng)運(yùn)行( 手動(dòng)運(yùn)行包括:手動(dòng)回參考點(diǎn),點(diǎn)動(dòng)進(jìn)給,步進(jìn)進(jìn)給以及手搖脈沖發(fā)生器進(jìn)給) 6. 坐標(biāo)軸選擇 7.點(diǎn)動(dòng)(JOG) 進(jìn)給及進(jìn)給速度選擇 8.增量(步進(jìn)) 進(jìn)給及增量倍率 9.手搖進(jìn)給及倍率 10.返回參考點(diǎn) 11.主軸起停與速度選擇 12.刀具夾緊/松開(kāi) 13.冷卻液開(kāi)/ 關(guān) 14.循環(huán)啟動(dòng) 15.進(jìn)給保持 16. 機(jī)床鎖定 17.Z 軸鎖定 18.M.S.T 鎖定.急 停 手 搖 脈 沖 發(fā) 生 器9012+-主 軸 反 轉(zhuǎn)主 軸 停主 軸 正 轉(zhuǎn)-JOG快 進(jìn)+任 選 程 序 段超 程 解 除 MST鎖 定Y軸 鎖 定機(jī) 床 鎖 定空 運(yùn) 行 刀 松 /刀 緊冷 卻 液 開(kāi) 關(guān)進(jìn) 給 保 持循 環(huán) 程 序 增 量 倍 率坐 標(biāo) 選 擇 ZX主 軸超 程N(yùn)C機(jī) 床 報(bào) 警電 源 AY主 軸 修 調(diào)進(jìn) 給 修 調(diào)方 式 選 擇 1605432回 零手 搖點(diǎn) 動(dòng)步 進(jìn)單 段自 動(dòng)開(kāi)關(guān)圖 3-6 機(jī)床操作面板3.5 系統(tǒng)安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)控裝置、控制設(shè)備和機(jī)床間的接口符合“機(jī)床/數(shù)控接口”標(biāo)準(zhǔn)。如圖 3-7 所示，標(biāo)明了數(shù)控裝置、控制設(shè)備和機(jī)床間的接口范圍。數(shù)控裝置與機(jī)床及機(jī)床電器設(shè)備之間的接口分為四種類(lèi)型。第 A 類(lèi)：與驅(qū)動(dòng)有關(guān)的連結(jié)電路，主要是與坐標(biāo)軸進(jìn)給驅(qū)動(dòng)和主軸驅(qū)動(dòng)的連結(jié)電路。第 B 類(lèi)：數(shù)控裝置與測(cè)量系統(tǒng)和測(cè)量傳感器之間的連結(jié)電路。第 C 類(lèi)：電源及保護(hù)電路。第 D 類(lèi)：開(kāi)/關(guān)信號(hào)與代碼信號(hào)連結(jié)電路。系統(tǒng)安裝結(jié)構(gòu)圖設(shè)計(jì)詳見(jiàn)設(shè)計(jì)圖紙 2 號(hào)圖紙。3.6 PLC 在 CNC 系統(tǒng)中的應(yīng)用PLC 在數(shù)控系統(tǒng)中是介于數(shù)控裝置與機(jī)床之間的中間環(huán)節(jié)，根據(jù)輸入的離散信息，在內(nèi)部進(jìn)行邏輯運(yùn)算，并完成輸入輸出控制功能，PLC 用在 CNC 系統(tǒng)中有內(nèi)裝型和獨(dú)立型之分。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì) 第 3 章 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)- 14 -1.內(nèi)裝型與獨(dú)立型的比較(1) 內(nèi)裝型 PLC內(nèi)裝型 PLC 的 CNC 系統(tǒng)框圖如圖 3-8 所示。它與獨(dú)立型 PLC 相比具有如下特點(diǎn)：DI/O電路 冷 卻 、 排 屑換 刀 動(dòng) 作輔 助 動(dòng) 作電 機(jī)伺 服電 機(jī)主 軸單 元伺 服 驅(qū) 動(dòng)單 元主 軸 驅(qū) 動(dòng)強(qiáng) 電 電 路面 板機(jī) 床 操 作面 板MCRTPLN圖 3-8 內(nèi)裝型 PLC 的 CNC 系統(tǒng)框圖1) 內(nèi)裝型 PLC 的性能指標(biāo)同所從屬的 CNC 系統(tǒng)的性能、規(guī)格來(lái)確定。它的硬件和軟件部分被作為CNC 系統(tǒng)的基本功能統(tǒng)一設(shè)計(jì)。具有結(jié)構(gòu)緊湊、適配能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。2) 內(nèi)裝型 PLC 有與 CNC 共用微處理器和具有專(zhuān)用微處理器兩種類(lèi)型。前者利用 CNC 微處理器的余力來(lái)發(fā)揮 PLC 的功能，IO 點(diǎn)數(shù)較少；后者由于有獨(dú)立的 CPU，多用于順序程序復(fù)雜、動(dòng)作速度要求快的場(chǎng)合。3) 內(nèi)裝型 PLC 與 CNC 其它電路通常裝在一個(gè)機(jī)箱內(nèi)，共用一個(gè)電源和地線(xiàn)。4) 內(nèi)裝型 PLC 的硬件電路可與 CNC 其它電路制作在同一塊印制電路板上，也可以單獨(dú)制成附加印制電路板，供用戶(hù)選擇。本系統(tǒng)采用附加印制電路板型式。5) 內(nèi)裝型 PLC，對(duì)外沒(méi)有單獨(dú)配置的輸入輸出電路，而使用 CNC 系統(tǒng)本身的輸入輸出電路。6) 采用 PLC，擴(kuò)大了 CNC 內(nèi)部直接處理的窗口通信功能，可以使用梯形圖編輯和傳送高級(jí)控制功能，且造價(jià)低，提高了 CNC 的性能價(jià)格比。內(nèi)裝型 PLC 與 RLC（繼電器邏輯電路）相比，具有響應(yīng)速度快、控制精度高、可靠性高、柔性好、易與計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)等高品質(zhì)的功能。(2) 獨(dú)立型 PLC獨(dú)立型 PLC 與 CNC 機(jī)床的關(guān)系如圖 3-9 所示。獨(dú)立型 PLC 的特點(diǎn)如下：1) 根據(jù)數(shù)控機(jī)床對(duì)控制功能的要求，可以靈活地選購(gòu)或自行開(kāi)發(fā)通用行 PLC。一般來(lái)說(shuō)，數(shù)控車(chē)床、銑加工中心等單機(jī)數(shù)控設(shè)備所需 PLC 的 I/O 點(diǎn)數(shù)多在 128 點(diǎn)以下，少數(shù)復(fù)雜設(shè)備在 128 點(diǎn)以上，選用微型或小型 PLC 即可。而大型數(shù)控機(jī)床、FMC 或 FMS、FA、CIMS，則需要選用中型和大型PLC。2) 要進(jìn)行 PLC 與 CNC 裝置的 I/O 連接，PLC 與機(jī)床側(cè)的 I/O 連接。CNC 和 PLC 裝置均有自己的 I/O 連經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì) 第 3 章 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)- 15 -接電路，需將對(duì)應(yīng)的 I/O 信號(hào)的接口電路連接起來(lái)。通用型 PLC，一般采用模塊化結(jié)構(gòu)，裝在插板式籠箱內(nèi)。I/O 點(diǎn)數(shù)可通過(guò) I/O 模塊或者插板的增減靈活配置，使得 PLC 與 CNC 的 I/O 信號(hào)的連接變得簡(jiǎn)單。3) 可以擴(kuò)大 CNC 的控制功能。在閉環(huán)（或半閉環(huán)）數(shù)控機(jī)床中，采用 D/A 和 A/D 模塊，由 CNC 控制的坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為插補(bǔ)坐標(biāo)，而由 PLC 控制的坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為輔助坐標(biāo)，從而擴(kuò)大了 CNC 的控制功能。PLC裝 置DI/O電路 電路 電路 冷 卻 、 排 屑換 刀 動(dòng) 作輔 助 動(dòng) 作電 機(jī)伺 服電 機(jī)主 軸單 元伺 服 驅(qū) 動(dòng)單 元主 軸 驅(qū) 動(dòng)強(qiáng) 電 電 路面 板機(jī) 床 操 作面 板MDI/RTN圖 3-9 獨(dú)立型 PLC 的 CNC 機(jī)床系統(tǒng)框圖2. PLC 形式的確定獨(dú)立型 PLC 具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理、通信和診斷功能，成為 CNC 與上級(jí)計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)的重要設(shè)備。獨(dú)立型 PLC,具有完備的硬件與軟件,能夠獨(dú)立的完成規(guī)定的控制任務(wù).獨(dú)立型 PLC 無(wú)需由編程人員編制相應(yīng)的控制軟件，考慮到編程的工作量，本系統(tǒng)選用獨(dú)立型 PLC。為提供用戶(hù)使用 8 個(gè)輸入，8 個(gè)輸出點(diǎn),及考慮系統(tǒng)本身占用輸入/輸出點(diǎn)數(shù)目,選用小型 PLC,因其所需 PLC 的 I/O 接口點(diǎn)數(shù)在 128 點(diǎn)以下,選取 EX40 型號(hào)獨(dú)立型 PLC.3獨(dú)立型 PLC 與機(jī)床的信息傳遞1) PLC 向機(jī)床傳遞的信息。主要是控制機(jī)床各執(zhí)行元件的執(zhí)行信號(hào)。如電磁閥、接觸器、電磁鐵以及確保機(jī)床各運(yùn)動(dòng)部件狀態(tài)的信號(hào)和故障顯示。2) 機(jī)床向 PLC 傳遞的信息。主要是機(jī)床操作面板上操作元件信息。例如，各坐標(biāo)軸的正反起停、刀架回轉(zhuǎn)方向選擇、數(shù)控系統(tǒng)啟動(dòng)、進(jìn)給停止等控制信息；各坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)限位及基準(zhǔn)點(diǎn)越位、主軸機(jī)械變速選擇、刀架夾緊與放松等限位開(kāi)關(guān)信息；系統(tǒng)故障保護(hù)、主軸調(diào)節(jié)器保護(hù)及狀態(tài)信息監(jiān)視信息；伺服系統(tǒng)運(yùn)行準(zhǔn)備信息等。3.7 系統(tǒng)電氣原理圖設(shè)計(jì)本系統(tǒng)確定單微處理器開(kāi)環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，選用 INTEL 公司推出的準(zhǔn) 16 位嵌入式微控制器 8098 單片機(jī)。系統(tǒng)采用獨(dú)立型 PLC，選用圖形點(diǎn)陣液晶顯示器。所有要用的芯片能過(guò)地址總線(xiàn)、數(shù)據(jù)總線(xiàn)和控制總線(xiàn)連系起來(lái)，具體電氣原理圖參見(jiàn)設(shè)計(jì)圖紙 1 號(hào)圖。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì) 第 4 章 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)- 16 -第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1 軟件功能設(shè)計(jì)1.控制軸數(shù)本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn) X、Z 兩軸聯(lián)動(dòng)。2插補(bǔ)方式能夠完成直線(xiàn)、圓弧插補(bǔ)3.準(zhǔn)備功能G00快速點(diǎn)定位G01直線(xiàn)插補(bǔ)G02順時(shí)針圓弧插補(bǔ)G03逆時(shí)針圓弧插補(bǔ)G04延時(shí)(暫停)4.進(jìn)給功能用 F 字母和后續(xù)的數(shù)值指定.由于主機(jī)的限制,本系統(tǒng)的快速進(jìn)給速度為 5M/S,用 G00 指令.5.輔助功能M00程序中停M02程序結(jié)束M03主軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)M04主軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)M05主軸停止M08冷卻液開(kāi)M09冷卻液關(guān)6.補(bǔ)償功能包括刀具半徑和刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償及反向間隙補(bǔ)償7.字符顯示功能本系統(tǒng)采用 LCD 顯示器，圖形點(diǎn)陣液晶顯示器可以顯示所有字符及圖形.4.2 軟件結(jié)構(gòu)分析、設(shè)計(jì)1.CNC 軟件結(jié)構(gòu)模式分析所謂結(jié)構(gòu)模式是指系統(tǒng)軟件的組織管理方式,即系統(tǒng)任務(wù)的劃分方式、任務(wù)調(diào)度機(jī)制、任務(wù)間的信息交換機(jī)制以及系統(tǒng)集成方法等。CNC 裝置結(jié)構(gòu)模式有前后臺(tái)型結(jié)構(gòu)模式與中斷型結(jié)構(gòu)模式。A前后臺(tái)型結(jié)構(gòu)模式將 CNC 裝置軟件劃分成兩部分：前臺(tái)程序和后臺(tái)程序。前臺(tái)和后臺(tái)程序內(nèi)部各子任務(wù)采用的是順序調(diào)度。這種結(jié)構(gòu)在前臺(tái)和后臺(tái)內(nèi)無(wú)優(yōu)先級(jí)等級(jí)，也無(wú)搶占機(jī)制，因而，實(shí)時(shí)性差。所以該結(jié)構(gòu)適用控制功能較簡(jiǎn)單的系統(tǒng)。B中斷型結(jié)構(gòu)模式是將除了初始化程序之外，整個(gè)系統(tǒng)軟件的各個(gè)任務(wù)模塊分別安排在不同級(jí)別的中斷服務(wù)程序中，然后由中斷管理系統(tǒng)（由硬件與軟件組成）對(duì)各通級(jí)中斷服務(wù)程序?qū)嵤┱{(diào)度管理。該結(jié)構(gòu)中任務(wù)的調(diào)度采用的是優(yōu)先搶占調(diào)度。這類(lèi)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性好，但模塊的關(guān)系復(fù)雜，耦合度大，不得于對(duì)系統(tǒng)的維護(hù)和擴(kuò)充。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì) 第 4 章 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)- 17 -2.軟件結(jié)構(gòu)確定前后臺(tái)型軟件結(jié)構(gòu)適合于采用集中控制的單微處理器 CNC 裝置，與本系統(tǒng)的單微處理器形式相符。中斷型結(jié)構(gòu)模式實(shí)時(shí)性好，但模塊的關(guān)系復(fù)雜，耦合度大，不得于對(duì)系統(tǒng)的維護(hù)和擴(kuò)充。本系統(tǒng)控制功能較簡(jiǎn)單，相比之下，經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)宜選用前后臺(tái)型軟件結(jié)構(gòu)。4.3 人機(jī)界面及其軟件實(shí)現(xiàn)技術(shù)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)的用戶(hù)是廣大中小型企業(yè)或勞動(dòng)密集型企業(yè).由于操作人員的技術(shù)水平和文化素質(zhì)普遍不是很高,數(shù)控系統(tǒng)又及是面向小批量零件的加工的一種機(jī)加裝備;因此,提高編輯模塊的容錯(cuò)性,方便性,是十分必要的.本系統(tǒng)中主要采用了菜單驅(qū)動(dòng)技術(shù)和全屏幕編輯技術(shù),實(shí)現(xiàn)了比較友好的系統(tǒng)人機(jī)界面.4.3.1 菜單驅(qū)動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用菜單驅(qū)動(dòng)技術(shù)在單片機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用已日益廣泛,這主要?dú)w功于菜單化操作帶來(lái)的便捷和輕松.在本數(shù)控系統(tǒng)中,就應(yīng)用了全程菜單驅(qū)動(dòng)技術(shù).現(xiàn)將這種技術(shù)在單片機(jī)系統(tǒng)上的實(shí)現(xiàn)做一簡(jiǎn)單說(shuō)明.(1)菜單驅(qū)動(dòng)的物理?xiàng)l件要實(shí)現(xiàn)菜單驅(qū)動(dòng),顯然,系統(tǒng)首先要有菜單顯示能力.由于本系統(tǒng)采用字符液晶模塊作為顯示界面,一屏可顯示 40 字符,因此具備菜單驅(qū)動(dòng)的基本條件;而且液晶模塊的反像顯示特性,可使系統(tǒng)十分容易得到菜單的光條效果,這對(duì)于完備的菜單是必須的.(2)菜單驅(qū)動(dòng)的軟件實(shí)現(xiàn)以系統(tǒng)編輯模塊為例,說(shuō)明菜單驅(qū)動(dòng)的有條理.先看圖 4-1 編輯模塊菜單結(jié)構(gòu):子 菜 單 12子 菜 單菜 單 項(xiàng)圖 4-1 編輯模塊菜單結(jié)構(gòu)其程序設(shè)計(jì)思想是:選中主菜單中的 EDIT 菜單項(xiàng)后,顯示其下的孖菜單 111;通過(guò)光條移動(dòng)選中 erase子項(xiàng)后,回車(chē)確認(rèn),則顯示其下的子菜單 1112;按鍵“”控制光條移動(dòng),通過(guò)回車(chē)鍵執(zhí)行相應(yīng)的操作.4.4 逐點(diǎn)比較插補(bǔ)法的軟件實(shí)現(xiàn)4.4.1 直線(xiàn)插補(bǔ)原理偏差計(jì)算公式經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì) 第 4 章 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)- 18 -按逐點(diǎn)比較法原理,必須把每一個(gè)插值點(diǎn)的實(shí)際位置與給定軌跡的理想位置間的誤差即偏差計(jì)算出來(lái).根據(jù)偏差的正負(fù)決定下一步走向,逼近給定軌跡.假定加工如圖 4-2 所示:圖 4-2 第一象限直線(xiàn) 取直線(xiàn)起點(diǎn)為坐標(biāo)有缺點(diǎn),終點(diǎn)坐標(biāo)( , )是已知的.M( , )為加工點(diǎn),若 m 在 OA 直線(xiàn)上,則根據(jù)exymxy相似三角形關(guān)系可得: / = / ， 即 - =0meexey由此要嘚直線(xiàn)插補(bǔ)的偏差判別式為= - (4-1)Fyexe若 =0, m 點(diǎn)在 OA 直線(xiàn)上;F若 0, 點(diǎn)在直線(xiàn) OA 上方;若 0 + x F3=F2- =-2ey=74 F0 + x F5=F4- =0ey=56 F=0 + x F6=F5= =-4 =47 F0 + x F8=F7- =-2y=29 F0 + y F10=F9- =0y=0(3)4 個(gè)象限直線(xiàn)挺補(bǔ)的偏差符號(hào)及進(jìn)給方向如圖 4-3 所示.經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì) 第 4 章 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)- 20 -圖 4-3 4 象限直線(xiàn)的偏差符號(hào)與進(jìn)給方向由圖可知,第二象限的直線(xiàn) OA2,其終點(diǎn)坐標(biāo)為(- , ),在第一象限有一條對(duì)稱(chēng)于 y 軸的直線(xiàn) OA1,exy其終點(diǎn)坐標(biāo)為( , ).當(dāng)從 O 點(diǎn)出發(fā),按第一象限直線(xiàn) OA1 進(jìn)行插補(bǔ)時(shí),若把沿 x 軸正向進(jìn)給改為 xexy軸負(fù)方向進(jìn)給,這時(shí)實(shí)際插補(bǔ)所得的就是第二象限直線(xiàn) OA2.第二象限直線(xiàn) OA2 插補(bǔ)時(shí),偏差計(jì)算公式與第一象限直線(xiàn) OA1 的偏差計(jì)算公式相同,判別在 x 軸的進(jìn)給方向,同理,如果插補(bǔ)第三象限終點(diǎn)為(-,- )的直線(xiàn) ,只要插補(bǔ)終點(diǎn)值為( , )的第一象限的直線(xiàn),而將輸出的進(jìn)給脈沖由+x 變?yōu)?x,+yexyey方向即可.以此類(lèi)推,4 個(gè)象限所有的偏差計(jì)算公式和進(jìn)給方向死于下表 4-2:表 4-2 直線(xiàn)插補(bǔ)公式及進(jìn)給方向表F0 FZ 向進(jìn)給MOV A, #02H ；走+X 一步MOV F_ORIENT, ALCALL DISP_XZ ；顯示原坐標(biāo)LCALL MAN_MOVE ；走步LCALL DISP_XZ ；顯示新坐標(biāo)CLR CMOV A, Fz3SUBB A, Ze3MOV Fz3, AMOV A, Fz2SUBB A, Ze2MOV Fz2, AMOV A, Fz1SUBB A, Ze1MOV Fz1, A ；計(jì)算 F-Ze-FDYXXL3: CLR CMOV A, BS3SUBB A, #01HMOV BS3, AMOV A, BS2SUBB A, #00H ；終點(diǎn)判值減 1MOV BS2, AMOV A, BS1SUBB A, #00HMOV BS1, AORL A, BS2ORL A, BS3JNZ DYXXL2 ；判 0,未完繼續(xù)RET ；插補(bǔ)結(jié)束返回DYXXL4: MOV A, #04H ；走+Z 一步MOV F_ORIENT, ALCALL DISP_XZ ；顯示原坐標(biāo)LCALL MAN_MOVE ；走步LCALL DISP_XZ ；顯示新坐標(biāo)CLR CMOV A, Fz3ADD A, Xe3MOV Fz3, A經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì) 第 4 章 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)- 23 -MOV A, Fz2ADDC A, Xe2MOV Fz2, AMOV A, Fz1ADDC A, Xe1MOV Fz1, A ；計(jì)算 F+Xe-FLJMP DYXXL3 ；轉(zhuǎn)判終點(diǎn)4.4.3 圓弧插補(bǔ)原理偏差計(jì)算公式以第一象限逆圓為例,討論偏差計(jì)算公式的推導(dǎo)方法.如圖 4-5。圖 4-5 第 1 象限逆圓設(shè)要加工圓弧 AB,圓弧的圓心在坐標(biāo)原點(diǎn),圓弧的起點(diǎn) A( , ),終點(diǎn) B( , ),圓弧的半徑為 R.令0xyexy瞬時(shí)加工點(diǎn)為 m( , ).它與圓心的距離為 .比較 和 R,可比較比較它們的平方值. mxymR= +2Rmx2y= +0因此可得圓弧偏差判別公式如下:= - = + - (4-4)F22m2若 =0,表明加工點(diǎn) m 在圓弧上;mF0,表明加工點(diǎn) m 在圓弧外;04F-x = -2 +1=-15F4x=3, =35=4-1=36 06F-x = -2 +1=17F6x=3, =47xy=2-1=18 07-x = -2 +1=087=0, =48=0表 4-3 圓弧插補(bǔ)過(guò)程(3)4 個(gè)象限圓弧插補(bǔ)計(jì)算公式前面以第一個(gè)逆圓為例推導(dǎo)計(jì)算公式并指出了根據(jù)偏差符號(hào)確定進(jìn)給方向.其他 3 個(gè)象限的逆圓偏差計(jì)算公式可以通過(guò)與第一象限的逆圓,順圓相比較而得到.下面先推導(dǎo)第一象限順圓的偏差計(jì)算公式.高加工點(diǎn)現(xiàn)處于 m( , )點(diǎn),若偏差 0,則沿-y 軸向mxymF進(jìn)給一步,到 m+1 點(diǎn),新加工點(diǎn)坐標(biāo)( , -1),求出新的偏差為:mxy= -2 +11F若偏差 0,則沿+x 軸進(jìn)給一步,到 m+1 點(diǎn),新加工點(diǎn)坐標(biāo)是( +1, ),新的偏差為:mF= +2 +1這樣便可以第一象限的逆圓,順圓為基準(zhǔn),推導(dǎo)其他 3 個(gè)象限的逆圓,順圓插補(bǔ)計(jì)算公式.下面分別是以符號(hào) S , S , S , S 表示第 1-4 象限的順圓,以符號(hào) N , N , N , N 表1R234R1R234R示第 1-4 象限的逆圓.所有 4 個(gè)象限 8 種圓弧的偏差計(jì)算公式和坐標(biāo)進(jìn)給方向列于下表 4-4。偏差符號(hào) 0mF偏差符號(hào) 0mF圓弧坐標(biāo)及方向進(jìn)給方向偏差計(jì)算 坐標(biāo)計(jì)算 圓弧坐標(biāo)及方向進(jìn)給方向偏差計(jì)算 坐標(biāo)計(jì)算S , N1R2-Y S , N1R4+XS , N34+Y= -21m+1y=1mx= -1yS , N32-X = +1m2 +1x=1mx=yN , S1R4-X N , S1R2+YN , S23+X= -21mF+1x= -11mx=yN , S 4-Y = +1mF2 +1y=1mx= +1y表 4-4 圓弧插補(bǔ)計(jì)算公式及進(jìn)給方向經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì) 第 4 章 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)- 26 -4.5 快速點(diǎn)定位G00 程序設(shè)計(jì)快速點(diǎn)定位指令 G00G00 命令刀具以點(diǎn)位控制方式從刀具所在點(diǎn)以最快速度移動(dòng)到坐標(biāo)系的另一點(diǎn)。它只是快速到位，而其運(yùn)動(dòng)軌跡根據(jù)具體控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)而有所不同。如圖 4-6 所示。a圖 4-6 快速點(diǎn)定值從 A 到 B 有四種方式；路線(xiàn) a 是以折線(xiàn)方式到達(dá) B 點(diǎn)，其初始角 是固定的，一般為 ；路線(xiàn) b 為。45直線(xiàn) AB；路線(xiàn) d 和 c 則分別由 AD、DB 或 AC、CB 構(gòu)成。應(yīng)注意的是，進(jìn)給速度 F 對(duì) G00 無(wú)效。本系統(tǒng)以折線(xiàn)方式到達(dá)指定點(diǎn)，具體編程如下：；*；快速點(diǎn)定位子程序：QSDDW；*QSDDW : CLR CMOV BX3, Xo3 ；X 坐標(biāo)起點(diǎn)輸入（3 個(gè)字節(jié)）MOV BX2, Xo2 ；Xo1高 8 位，Xo2中 8 位MOV BX1, Xo1 ；Xo3低 8 位CLR CMOV A, Xe3SUBB A, BX3MOV BX3, AMOV A, Xe2SUBB A, BX2MOV BX2, AMOV A, Xe1SUBB A, BX1MOV BX1, A ；X 坐標(biāo)終點(diǎn)輸入并計(jì)算 X 方向終判值（3B）MOV BY3, Yo3 ；Y 坐標(biāo)起點(diǎn)輸入（3 個(gè)字節(jié)）MOV BY2, Yo2MOV BY1, Yo1CLR CMOV A, Ye3經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)