經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)研究與設(shè)計【5張CAD圖紙+畢業(yè)論文】
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經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)研究與設(shè)計 第1章 緒論
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-----------------------------------------------3
2.1 系統(tǒng)總體方案--------------------------------------------------------------3
2.2 系統(tǒng)功能模塊及其分析-------------------------------------------------------5
第三章 硬件系統(tǒng)設(shè)計---------------------------------------------------------7
3.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計-----------------------------------------------------------7
3.2 主模塊設(shè)計----------------------------------------------------------------8
3.3 輸入/輸出模塊設(shè)計----------------------------------------------------------9
3.4 人機界面模塊設(shè)計----------------------------------------------------------11
3.4.1 顯示方式的確定--------------------------------------------------------11
3.4.2 數(shù)控操作面板外形圖設(shè)計-------------------------------------------------12
3.4.3 機床操作面板設(shè)計------------------------------------------------------12
3.5 系統(tǒng)安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計----------------------------------------------------------13
3.6 PLC在CNC系統(tǒng)中的應(yīng)用----------------------------------------------------13
3.7 系統(tǒng)電氣原理圖設(shè)計--------------------------------------------------------15
第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計--------------------------------------------------------15
4.1 軟件功能設(shè)計-------------------------------------------------------------15
4.2 軟件結(jié)構(gòu)分析、設(shè)計--------------------------------------------------------16
4.3 人機界面及其軟件實現(xiàn)技術(shù)---------------------------------------------------17
4.3.1 菜單驅(qū)動技術(shù)的應(yīng)用---------------------------------------------------17
4.4 逐點比較插補法的軟件實現(xiàn)--------------------------------------------------17
4.4.1 直線插補原理---------------------------------------------------------17
4.4.2 直線插補—G01程序設(shè)計------------------------------------------------20
4.4.3 圓弧插補原理---------------------------------------------------------23
4.5 快速點定位—G00程序設(shè)計--------------------------------------------------26
4.6 暫停(延遲)指令—G04程序設(shè)計-----------------------------------------------28
4.7 步進電機正反轉(zhuǎn)及轉(zhuǎn)速控制程序設(shè)計-------------------------------------------29
鳴 謝------------------------------------------------------------------30
參考文獻------------------------------------------------------------------30
經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)研究與設(shè)計
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)即可認為是經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)。經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)是相對于標準型數(shù)控系統(tǒng)而言的，不同時期，不同國家和地區(qū)的含義是不一樣的。根據(jù)實際機床的使用要求，合理簡化系統(tǒng)，降低成本，即可稱為經(jīng)濟型。區(qū)別于經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)，將功能比較齊全的數(shù)控系統(tǒng)稱為全功能數(shù)控系統(tǒng)，或稱為標準型數(shù)控系統(tǒng)。
就其功能而言，經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)一般分辨率較低，連動軸數(shù)較少，人機接口比較簡單，造價低廉，可以說得上是最經(jīng)濟的數(shù)控系統(tǒng)。所以，經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)主要指開環(huán)系統(tǒng)。
開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、造價低、維修調(diào)試簡單、運行維護費用低等特點，但受步進電動機矩頻特性的限制，精度、進給速度、力矩三者互相制約，性能的提高受到限制。所以，開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)一般用在精度或速度要求不高，或者力矩不大的場合。
經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)主要同微型計算機與步進電機驅(qū)動系統(tǒng)組成，既具有一定的數(shù)控功能，又具有造價低、使用維修方便等特點。
本設(shè)計就是圍繞經(jīng)濟、實用這個核心而進行的。
本系統(tǒng)硬件采用工業(yè)標準（STD）總線，大板結(jié)構(gòu)。不采用工業(yè)控制機，自行設(shè)計專用印刷主電路板。主電路板上有多個插槽，可插入LCD控制板、I/O接口控制板、步進電機控制板等，還設(shè)有一個擴展槽以便用戶擴展系統(tǒng)功能。一塊模板基本上具有一種或二種功能，實現(xiàn)了模板級的功能分散，可以根據(jù)用戶的需要對系統(tǒng)裁剪或擴展，系統(tǒng)組成靈活。
本系統(tǒng)確定單微處理器開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，因其結(jié)構(gòu)簡單，可以根據(jù)專用設(shè)備的控制要求自行設(shè)計開發(fā)，周期短、費用低、見效快。選用INTEL公司推出的準16位嵌入式微控制器8098單片機。系統(tǒng)采用獨立型PLC，因其具有較強的數(shù)據(jù)處理、通信和診斷功能。
本系統(tǒng)采用LCD顯示器，圖形點陣液晶顯示器是目前在單片機系統(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內(nèi)智能設(shè)備中，國內(nèi)的數(shù)控系統(tǒng)也開始廣泛采用。作為一個簡易型數(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，鍵盤掃描由Intel8279?鍵盤/顯示接口芯片完成。系統(tǒng)設(shè)計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，使得整個系統(tǒng)界面簡潔。
本系統(tǒng)功能精簡，實用性強，系統(tǒng)功能由硬件和軟件按照經(jīng)濟性的要求適當劃分。軟件設(shè)計具備經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)必要的基本功能：最多二軸聯(lián)動、具備基本的準備功能及輔助功能、步進電機控制能力、直線、圓弧插補能力、串行通信能力等。
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經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)研究與設(shè)計 第2章 CNC系統(tǒng)總體方案的確定
第2章 CNC系統(tǒng)總體方案的確定
2.1 系統(tǒng)總體方案
計算機數(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)動裝和進給（伺服）驅(qū)動裝置組成，如圖2-1所示。系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)具有靈活性、通用性、可靠性，易于實現(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。
圖2-1 CNC系統(tǒng)組成
CNC數(shù)控系統(tǒng)由以下幾個部分組成：
1) 微型計算機，包括中央處理器、存儲器、I/O接口等。
2) 進給伺服系統(tǒng)，在開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)中為步進電機伺服系統(tǒng)。
3) 開關(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) 人機接口和通信功能。
5) 控制軟件。
系統(tǒng)設(shè)計的目的決定了系統(tǒng)只能采用開壞控制方式。在開壞型位置控制系統(tǒng)中，只能采用步進電機作為伺服單元。這是由步進電機本身的特性決定的。關(guān)于步進電機的特性等詳細內(nèi)容見其它資料。
本系統(tǒng)確定為開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)簡單，可以根據(jù)專用設(shè)備的控制要求自行設(shè)計開發(fā)，周期短、費用低、見效快。開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2-2所示。
在進行開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的總體設(shè)計時，通常要考慮以下問題：
1. 系統(tǒng)功能要求
設(shè)計系統(tǒng)之前，應(yīng)該明確定義系統(tǒng)的功能。在定義開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)功能時，應(yīng)以必要為度，既然是經(jīng)濟型系統(tǒng)，應(yīng)不求最佳，但求滿意。定義系統(tǒng)時，應(yīng)綜合考慮經(jīng)濟性、實用性、開發(fā)周期和開發(fā)能力等因素，對系統(tǒng)的某些功能進行權(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)動的軸控制功能；
3) 具有基本的準備功能、進給功能、輔助功能、PLC等；
4) 具有基本的人機對話功能，如顯示、通信功能及輸入輸出設(shè)備；
5) 硬件、軟件的設(shè)計均以經(jīng)濟型為平臺；
圖2-2 開環(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)。對一些控制任務(wù)要確定是用硬件來完成還是用軟件來完成，如開關(guān)量的邏輯控制可以用硬件來完成，也可以用軟件來完成。復(fù)雜的邏輯控制，用軟件來完成就要經(jīng)濟一些，而且故障率低。而用軟件完成這些功能要時間，如果微處理器時間已飽和，則一些簡單的邏輯控制就必須用硬件來實現(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. 確定微機系統(tǒng)
確定用單微機系統(tǒng)還是多微機系統(tǒng)，選擇微機型號。選擇微機型號時，要考慮經(jīng)濟性和先進性，同時必須考慮開發(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：
1) CNC系統(tǒng)內(nèi)只有一個微處理器，對存儲、插補運算、輸入輸出控制、LED顯示等功能都由它集中控制分時處理。
2) 微處理器通過總線與存儲、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)簡單、容易實現(xiàn)。
4) 單微處理器因為只有一個微處理器集中控制，，其功能將受到微處理器字長、數(shù)據(jù)寬度、尋址能力和運算速度等因素限制。由于插補等功能由軟件來實現(xiàn)，因此數(shù)據(jù)功能的實現(xiàn)與與處理速度成為一對矛盾。
選用INTEL公司推出的準16位嵌入式微控制器8098單片機。8098單片機性能價格比很高，8位機接口但具有16位機的速度，非常適用于經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)。
5. 確定軟件結(jié)構(gòu)形式
CNC軟件可以設(shè)計成不同的結(jié)構(gòu)形式。不同的軟件結(jié)構(gòu)，對各任務(wù)的安排方式也不同，管理方式也不同。常見的CNC軟件結(jié)構(gòu)形式有前后臺型軟件結(jié)構(gòu)和中斷軟件結(jié)構(gòu)。前后臺型軟件結(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)計采用前后臺型軟件結(jié)構(gòu)。
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)計思想，系統(tǒng)的界面設(shè)計確定圖2-3所示：
圖2-3 系統(tǒng)人機界面圖
其中，30個按鍵中的12個為雙功能鍵，按鍵的功能簡單說明如下：
復(fù)位——系統(tǒng)在死機、工作出錯等情況下的總清鍵，使系統(tǒng)回復(fù)設(shè)計的原始狀態(tài)。
運行——自動運行用戶的零件加工程序，包括程序的語法檢查、數(shù)據(jù)處理、編譯、插補運算及步進電機控制等。
暫?！詣蛹庸さ臅和?，是一個乒乓鍵，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，電動刀架轉(zhuǎn)一個工位，本系統(tǒng)中為。
手動——與“←、↑、→、↓”配合，以實現(xiàn)動作臺的連動；在編輯程序時為光標移動鍵。
數(shù)字1—9——均為雙功能鍵，用于程序輸入，用“上下檔”鍵進行切換。
G——準備功能鍵，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——用于程序編輯過程中“插入/修改”方式的切換。也是乒乓鍵，用塊光標或下劃線光標指示。
刪除——在插入方式下，刪除當前光標位置前的字符；在修改方式下，刪除當前光標位置字符。
上頁——程序上翻到上一程序段。相當PC機的PageUp鍵。
下頁——程序下翻到下一程序段，與上頁鍵盤緩沖區(qū)一樣是一個屏幕編輯鍵。
相當于PC機的PageDown鍵。
回車——確認鍵。
Esc——相當于PC機的Esc鍵。
2．系統(tǒng)功能模塊與總體框架
系統(tǒng)從總體上分為人機界面模塊、步進電機控制模塊、LCD顯示控制模塊、串行通信模塊及基于8098單片機的主控模塊等5大模塊，如圖2-4：
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)今后的功能擴充，提高系統(tǒng)的可維護性，這個經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，整個系統(tǒng)由3個相對獨立的子系統(tǒng)構(gòu)成，即：CPU子系統(tǒng)及I/O子系統(tǒng)及鍵盤/顯示子系統(tǒng)。
硬件系統(tǒng)以8098為核心，擴展了16KB的用戶加工程序區(qū)，具有掉電保護功能；通過鍵盤管理接口芯片8279擴展鍵盤，利用其上下檔功能實現(xiàn)了按鍵的雙功能，簡化了鍵盤；I/O接口孖系統(tǒng)的核心是8255，通過它擴展了步進電機接口以及其它預(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)計過程中，力圖體現(xiàn)“加強容錯性，方便使用的原則，采用模塊化設(shè)計，全程菜單驅(qū)動，共有5大模塊組成：通信模塊、自動模塊、參數(shù)設(shè)置、編輯模塊、手動模塊。
系統(tǒng)軟件框圖見圖2-5：
圖2-5 系統(tǒng)軟件原理框圖
經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)研究與設(shè)計 第3章 硬件系統(tǒng)設(shè)計
第三章 硬件系統(tǒng)設(shè)計
3.1數(shù)控裝置硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計
數(shù)控裝置是整個數(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CNC裝置按功能劃分為模塊，硬件和軟件的設(shè)計都采用模塊化設(shè)計方法，即每一個功能模塊被做成尺寸相同的印制電路板（稱功能模板），相應(yīng)功能模塊的控制軟件也模塊化。
從本系統(tǒng)設(shè)計目的和用戶使用角度出發(fā)，本設(shè)計選用大板式結(jié)構(gòu)。板式結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖示。
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控制板接口和五個小印制電路板插槽?？刂坪诵碾娐窞槲C基本系統(tǒng)，由CPU、存儲器、定時和中斷控制電路組成，存儲器包括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)，對數(shù)控加工程序和系統(tǒng)參數(shù)等可變數(shù)據(jù)存儲區(qū)域具有掉電保護功能。五個插槽內(nèi)分別可插入用于保護數(shù)控加工程序和磁泡存儲器板，LCD顯示控制板、I/O接口板、步進電機控制板等。
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總線緩沖/驅(qū)動一些電路。
3.2主模塊設(shè)計
1．主模塊中關(guān)鍵器件及其選型
（1）單片機
CPU是整個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。當前單片機價格較低、可靠性高，適用于控制。所以，選擇單片機做控制器比較合適，如INTEL公司的8031、8032、8096、8098等。其中8031、8032為8位機，8096為16位機，8098為準16位機。就本設(shè)計的任務(wù)來看，開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)選擇8098較為經(jīng)濟合理。據(jù)有關(guān)資料介紹，8098的實際運算速度可達8031的5--6倍，而價格也不太高。
（2）存儲器的選用
存儲器應(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、掉電及強電磁沖擊等數(shù)據(jù)保護功能
3) 讀/寫次數(shù)無限
4) 讀/寫速度快，讀/寫方式簡單
5) 工業(yè)化設(shè)計，適用于潮濕、震動、輻射、高低溫等惡劣環(huán)境
8098可尋址外部存貯空間為64KB?？紤]到數(shù)控系統(tǒng)的運行環(huán)境以及數(shù)控系統(tǒng)對加工程序數(shù)據(jù)掉電保護的要求，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0100—7FFFH，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8000H—0F800H，采用32KB SRAM芯片62256，用于存放CNC系統(tǒng)的零件程序、機床參數(shù)及系統(tǒng)運行數(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。為此對數(shù)據(jù)存貯器實行掉電保護。系統(tǒng)存貯空間分配見表3-1。
表3-1 系統(tǒng)存貯空間分配表
0FE00H~0FFFFH
空
0FC00H~0FDFFH
顯示存貯器
0FB00H~0FBFFH
空
0FA00H~0FAFFH
I/O外設(shè)
0F900H~0F9FFH
空
0F800H~0F8FFH
鍵盤/顯示控制器
8000H~0F7FFH
數(shù)據(jù)存貯器
2080H~7FFFH
程序存貯器
2012H~207FH
芯片配置字節(jié)及系統(tǒng)保留存貯單元
2000H~2011H
中斷向量
1FFEH~1FFFH
PORT3，4
0100H~1FFEH
程序存貯器
0000H~00FFH
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
主模塊電原理圖如圖。為了提高總線負載能力，對數(shù)據(jù)總線采用雙向總線驅(qū)動器74HC245進行驅(qū)動。2片GAL16V8實現(xiàn)地址譯碼，產(chǎn)生接口片選信號、液晶模塊等的邏輯控制要求。
3.3 輸入/輸出模塊設(shè)計
1.鍵盤的選用
鍵盤是輸入、修改、刪除零件程序、機床參數(shù)等數(shù)據(jù)的主要手段。本系統(tǒng)采用64鍵（8*8）行列式鍵盤，鍵盤掃描由Intel8279?鍵盤/顯示接口芯片完成，接口地址為0F800H。當組成無CRT顯示的CNC最簡系統(tǒng)時，采用LED顯示塊進行顯示，8279芯片可提供最多16位的LED顯示控制。
2. 開關(guān)量輸入/輸出
CNC裝置不僅能夠控制機床的進給系統(tǒng)，而且還應(yīng)具有一定的開關(guān)量輸入/輸出能力。開關(guān)量輸入/輸出板主要用來控制主軸的起動與停止、正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，冷卻液的開關(guān)以及接收機床限位信號。由可編程并行I/O擴展接口8255、地址譯碼電路、STD總線緩沖電路及光電耦合器組成。
圖3-3所示為開關(guān)量輸入/輸出板的邏輯框圖。8255接口地址為0FAB0H~0FAB3H。8255的A口和B口編程為輸入緩沖方式，可以輸入16位開關(guān)量信號；C口編程為輸出鎖存方式，可以輸出8位開關(guān)量信號，而且可以位控輸出。為了提高系統(tǒng)的搞干擾能力，微機與機床（強電線路）之間采用了光電耦合器。
開關(guān)量輸入/輸出信號見表3-2。表中，NC指未連接的位線，這些位線可以根據(jù)用戶要求進行連接，以擴展系統(tǒng)的功能。
3-2開關(guān)量輸入/輸出信號表
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）輸入信號
PORT C
0
1
2
3
4
5
6
7
主軸啟/停
主軸正/反
冷卻液開/關(guān)
NC
NC
NC
NC
NC
（二）輸出信號
3．步進電機控制接口
x,y兩軸采用3相6拍步進電機，因此各需要3條控制口線，即圖3-2中的8255的PA口低6位。經(jīng)74HC245單向驅(qū)動后，通過2片TLP521-4光電隔離，形成x,y所需的3相控制信號，送往步進電機驅(qū)動電源。
圖3-2 步進電機接口電路圖
3.4 人機界面模塊設(shè)計
3.4.1 顯示方式的確定
1．單片機應(yīng)用系統(tǒng)中常用顯示方式
在單片機應(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內(nèi)智能設(shè)備中，國內(nèi)的數(shù)控系統(tǒng)也開始廣泛采用。作為一個簡易型數(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：
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現(xiàn)加工曲線動態(tài)顯示的缺陷，可以通過上位機模擬住址加工來彌補。
B. 液晶顯示模塊自身具有控制器，可以減輕主CPU的負擔。
C. 使系統(tǒng)具有菜單驅(qū)動的基本素質(zhì)。采用菜單驅(qū)動方式實現(xiàn)編輯模塊的全屏幕編輯功能，達到友好的人機界面要求。
（2）液晶模塊與單片機的軟硬件接口
①與8098單片機的硬件接口
該液晶模塊與8098單片機的接口如圖3-3所示.
圖3-3 液晶模塊與8098單片機接口
②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 ；讀寫態(tài)口
CMD_WR_LCD EQU 0D000H ；寫命令口
DATA_RD_LCD EQU 0D003H ；讀狀態(tài)口
DATA_WR_LCD EQU 0D002H ；寫數(shù)據(jù)口
RET
圖3-4 按鍵上下檔功能實現(xiàn)的電路原理圖
（２）數(shù)控系統(tǒng)中手動方式下連動功能的程序?qū)崿F(xiàn)
８２７９有３種基本工作方式：鍵盤掃描、傳感矩陣及選項卡通輸入。大多數(shù)應(yīng)用系統(tǒng)中，通常采用鍵盤掃描方式。這２種鍵盤掃描方式的特點是：按鍵時自動消彈，并且當鍵盤緩沖區(qū)中有鍵值時ＩＲＱ為高，否則為低。由于這個特點，單純的鍵盤掃描方式很難實現(xiàn)按鍵的連動功能。原因是：按鍵后，必須先讀取鍵值并判鍵，才能執(zhí)行相應(yīng)的動作；而此時鍵盤緩沖區(qū)的鍵值已空，因此就無法知道當前的按鍵狀態(tài)，因而無從判斷是否執(zhí)行連動操作。通過對傳感矩陣方式的分析可知，當傳感器的狀態(tài)有變化時過境遷最佳值引起ＩＲＱ信號變高；因此，如果將ＩＲＱ與ＣＰＵ的某一口線，例如８０３１的P1.6相連，就可以據(jù)此判斷按鍵的狀態(tài)變化，以實現(xiàn)連動功能。
3.4.2 數(shù)控操作面板外形圖設(shè)計
本數(shù)控系統(tǒng)的NC鍵盤與顯示器的構(gòu)成詳見設(shè)計1號圖紙.其中,顯示器為圖形點陣液晶顯示器, 可以顯示所有字符及圖形. 系統(tǒng)設(shè)計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，使得整個系統(tǒng)界面簡潔。
3.4.3 機床操作面板設(shè)計
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,單段, 步進, 點動, 回零, 手搖) 5. 手動運行(手動運行包括:手動回參考點,點動進給,步進進給以及手搖脈沖發(fā)生器進給) 6. 坐標軸選擇 7.點動(JOG)進給及進給速度選擇 8.增量(步進)進給及增量倍率 9.手搖進給及倍率 10.返回參考點 11.主軸起停與速度選擇 12.刀具夾緊/松開 13.冷卻液開/關(guān) 14.循環(huán)啟動 15.進給保持 16. 機床鎖定 17.Z軸鎖定 18.M.S.T鎖定.
圖3-6 機床操作面板
3.5 系統(tǒng)安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計
數(shù)控裝置、控制設(shè)備和機床間的接口符合“機床/數(shù)控接口”標準。如圖3-7所示，標明了數(shù)控裝置、控制設(shè)備和機床間的接口范圍。數(shù)控裝置與機床及機床電器設(shè)備之間的接口分為四種類型。
第A類：與驅(qū)動有關(guān)的連結(jié)電路，主要是與坐標軸進給驅(qū)動和主軸驅(qū)動的連結(jié)電路。
第B類：數(shù)控裝置與測量系統(tǒng)和測量傳感器之間的連結(jié)電路。
第C類：電源及保護電路。
第D類：開/關(guān)信號與代碼信號連結(jié)電路。
系統(tǒng)安裝結(jié)構(gòu)圖設(shè)計詳見設(shè)計圖紙2號圖紙。
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)部進行邏輯運算，并完成輸入∕輸出控制功能，PLC用在CNC系統(tǒng)中有內(nèi)裝型和獨立型之分。
1.內(nèi)裝型與獨立型的比較
(1) 內(nèi)裝型PLC
內(nèi)裝型PLC的CNC系統(tǒng)框圖如圖3-8所示。它與獨立型PLC相比具有如下特點：
圖3-8內(nèi)裝型PLC的CNC系統(tǒng)框圖
1) 內(nèi)裝型PLC的性能指標同所從屬的CNC系統(tǒng)的性能、規(guī)格來確定。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。具有結(jié)構(gòu)緊湊、適配能力強等優(yōu)點。
2) 內(nèi)裝型PLC有與CNC共用微處理器和具有專用微處理器兩種類型。前者利用CNC微處理器的余力來發(fā)揮PLC的功能，I∕O點數(shù)較少；后者由于有獨立的CPU，多用于順序程序復(fù)雜、動作速度要求快的場合。
3) 內(nèi)裝型PLC與CNC其它電路通常裝在一個機箱內(nèi)，共用一個電源和地線。
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，也可以單獨制成附加印制電路板，供用戶選擇。本系統(tǒng)采用附加印制電路板型式。
5) 內(nèi)裝型PLC，對外沒有單獨配置的輸入∕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控制功能，且造價低，提高了CNC的性能價格比。
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、易與計算機聯(lián)網(wǎng)等高品質(zhì)的功能。
(2) 獨立型PLC
獨立型PLC與CNC機床的關(guān)系如圖3-9所示。
獨立型PLC的特點如下：
1) 根據(jù)數(shù)控機床對控制功能的要求，可以靈活地選購或自行開發(fā)通用行PLC。一般來說，數(shù)控車床、銑加工中心等單機數(shù)控設(shè)備所需PLC的I/O點數(shù)多在128點以下，少數(shù)復(fù)雜設(shè)備在128點以上，選用微型或小型PLC即可。而大型數(shù)控機床、FMC或FMS、FA、CIMS，則需要選用中型和大型PLC。
2) 要進行PLC與CNC裝置的I/O連接，PLC與機床側(cè)的I/O連接。CNC和PLC裝置均有自己的I/O連接電路，需將對應(yīng)的I/O信號的接口電路連接起來。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點數(shù)可通過I/O模塊或者插板的增減靈活配置，使得PLC與CNC的I/O信號的連接變得簡單。
3) 可以擴大CNC的控制功能。在閉環(huán)（或半閉環(huán)）數(shù)控機床中，采用D/A和A/D模塊，由CNC控制的坐標運動稱為插補坐標，而由PLC控制的坐標運動稱為輔助坐標，從而擴大了CNC的控制功能。
經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)研究與設(shè)計 第4章 軟件系統(tǒng)設(shè)計
圖3-9 獨立型PLC的CNC機床系統(tǒng)框圖
2. PLC形式的確定
獨立型PLC具有較強的數(shù)據(jù)處理、通信和診斷功能，成為CNC與上級計算機聯(lián)網(wǎng)的重要設(shè)備。獨立型PLC,具有完備的硬件與軟件,能夠獨立的完成規(guī)定的控制任務(wù).獨立型PLC無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)選用獨立型PLC。為提供用戶使用8個輸入，8個輸出點,及考慮系統(tǒng)本身占用輸入/輸出點數(shù)目,選用小型PLC,因其所需PLC的I/O接口點數(shù)在128點以下,選取EX40型號獨立型PLC.
3．獨立型PLC與機床的信息傳遞
1) PLC向機床傳遞的信息。主要是控制機床各執(zhí)行元件的執(zhí)行信號。如電磁閥、接觸器、電磁鐵以及確保機床各運動部件狀態(tài)的信號和故障顯示。
2) 機床向PLC傳遞的信息。主要是機床操作面板上操作元件信息。例如，各坐標軸的正反起停、刀架回轉(zhuǎn)方向選擇、數(shù)控系統(tǒng)啟動、進給停止等控制信息；各坐標軸運動限位及基準點越位、主軸機械變速選擇、刀架夾緊與放松等限位開關(guān)信息；系統(tǒng)故障保護、主軸調(diào)節(jié)器保護及狀態(tài)信息監(jiān)視信息；伺服系統(tǒng)運行準備信息等。
3.7 系統(tǒng)電氣原理圖設(shè)計
本系統(tǒng)確定單微處理器開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，選用INTEL公司推出的準16位嵌入式微控制器8098單片機。系統(tǒng)采用獨立型PLC，選用圖形點陣液晶顯示器。所有要用的芯片能過地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線連系起來，具體電氣原理圖參見設(shè)計圖紙1號圖。
第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計
4.1 軟件功能設(shè)計
1.控制軸數(shù)
本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)X、Z兩軸聯(lián)動。
2．插補方式
能夠完成直線、圓弧插補
3.準備功能
G00—快速點定位
G01—直線插補
G02—順時針圓弧插補
G03—逆時針圓弧插補
G04—延時(暫停)
4.進給功能
用F字母和后續(xù)的數(shù)值指定.由于主機的限制,本系統(tǒng)的快速進給速度為5M/S,用G00指令.
5.輔助功能
M00—程序中停
M02—程序結(jié)束
M03—主軸順時針旋轉(zhuǎn)
M04—主軸逆時針旋轉(zhuǎn)
M05—主軸停止
M08—冷卻液開
M09—冷卻液關(guān)
6.補償功能
包括刀具半徑和刀具長度補償及反向間隙補償
7.字符顯示功能
本系統(tǒng)采用LCD顯示器，圖形點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
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)度機制、任務(wù)間的信息交換機制以及系統(tǒng)集成方法等。CNC裝置結(jié)構(gòu)模式有前后臺型結(jié)構(gòu)模式與中斷型結(jié)構(gòu)模式。
A．前后臺型結(jié)構(gòu)模式將CNC裝置軟件劃分成兩部分：前臺程序和后臺程序。前臺和后臺程序內(nèi)部各子任務(wù)采用的是順序調(diào)度。這種結(jié)構(gòu)在前臺和后臺內(nèi)無優(yōu)先級等級，也無搶占機制，因而，實時性差。所以該結(jié)構(gòu)適用控制功能較簡單的系統(tǒng)。
B．中斷型結(jié)構(gòu)模式是將除了初始化程序之外，整個系統(tǒng)軟件的各個任務(wù)模塊分別安排在不同級別的中斷服務(wù)程序中，然后由中斷管理系統(tǒng)（由硬件與軟件組成）對各通級中斷服務(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。這類系統(tǒng)實時性好，但模塊的關(guān)系復(fù)雜，耦合度大，不得于對系統(tǒng)的維護和擴充。
2.軟件結(jié)構(gòu)確定
前后臺型軟件結(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)模式實時性好，但模塊的關(guān)系復(fù)雜，耦合度大，不得于對系統(tǒng)的維護和擴充。本系統(tǒng)控制功能較簡單，相比之下，經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)宜選用前后臺型軟件結(jié)構(gòu)。
4.3 人機界面及其軟件實現(xiàn)技術(shù)
經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)的用戶是廣大中小型企業(yè)或勞動密集型企業(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加裝備;因此,提高編輯模塊的容錯性,方便性,是十分必要的.本系統(tǒng)中主要采用了菜單驅(qū)動技術(shù)和全屏幕編輯技術(shù),實現(xiàn)了比較友好的系統(tǒng)人機界面.
4.3.1菜單驅(qū)動技術(shù)的應(yīng)用
菜單驅(qū)動技術(shù)在單片機系統(tǒng)中的應(yīng)用已日益廣泛,這主要歸功于菜單化操作帶來的便捷和輕松.在本數(shù)控系統(tǒng)中,就應(yīng)用了全程菜單驅(qū)動技術(shù).現(xiàn)將這種技術(shù)在單片機系統(tǒng)上的實現(xiàn)做一簡單說明.
(1) 菜單驅(qū)動的物理條件
要實現(xiàn)菜單驅(qū)動,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,這對于完備的菜單是必須的.
(2) 菜單驅(qū)動的軟件實現(xiàn)
以系統(tǒng)編輯模塊為例,說明菜單驅(qū)動的有條理.先看圖4-1編輯模塊菜單結(jié)構(gòu):
圖4-1 編輯模塊菜單結(jié)構(gòu)
其程序設(shè)計思想是:選中主菜單中的EDIT菜單項后,顯示其下的孖菜單111;通過光條移動選中erase子項后,回車確認,則顯示其下的子菜單1112;按鍵“↑↓”控制光條移動,通過回車鍵執(zhí)行相應(yīng)的操作.
4.4 逐點比較插補法的軟件實現(xiàn)
4.4.1 直線插補原理
①偏差計算公式
按逐點比較法原理,必須把每一個插值點的實際位置與給定軌跡的理想位置間的誤差即偏差計算出來.根據(jù)偏差的正負決定下一步走向,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 取直線起點為坐標有缺點,終點坐標(,)是已知的.M(,)為加工點,若m在OA直線上,則根據(jù)相似三角形關(guān)系可得: /=/ ， 即-=0
由此要嘚直線插補的偏差判別式為
=- (4-1)
若=0, m點在OA直線上;
若>0,點在直線OA上方;
若<0, 點在OA直線下方.
逐點比較法直線插補的有條理是:從第1象限直線的起點出發(fā),當≥0時,沿+x方向走一步;當<0時,沿+y方向走一步.當2方向所走的走步數(shù)與終點坐標(,)相等時,發(fā)出終點到信號,停止插補.
如果直接按式(1-1)計算偏差,則要做2次乘法,1次減法,比較麻煩,因此有必要進一步簡化.
對于第一象限而言,高加工點正處于m點.當≥0時,表明m點在OA上或在OA上方,應(yīng)沿+x方向進給一步,走一步以后新的坐標值為:
=+1,=
該點的偏差:
= -=-(+1) =--=- (4-2)
當<0時,表明m點在OA的下方,應(yīng)沿+y方向進給一步,走一步后新的坐標為:
=,=
該點的偏差為:
=-=(+1) -=--=+ (4-3)
式(1-2)和式(1-3)是簡化后的偏差計算公式,在式中只有加減運算.只要將前一點的偏差值與等于常數(shù)的終點坐標值,相加或相減,即可得到新的坐標點的偏差值.加工的起點是坐標原點,起點的偏差為=0,隨著加工點前進,新加工點的偏差都可以由前一點偏差和終點坐標相加或相減得到.
②終點判別方法
逐點比較法的終點判斷有以下幾種方法:
● 設(shè)置x,y兩個減法計數(shù)器.加工開始前, x,y計數(shù)器初值為終點坐標,,在x坐標(或y坐標)進給一步時, x計數(shù)器(或y計數(shù)器)減1,當2個計數(shù)器都減到0時,到達終點.
● 設(shè)置一個終點計數(shù)器,初值為x,y兩個坐標給定的總步數(shù)Σ,每當沿x或y坐標方向進給一步時,終點計數(shù)器減除,當減為0時,到達終點.
③插補計算過程
插補計算時,每走一步,都要進行以下4個步驟的算術(shù)邏輯運算.
● 偏差判別判別偏差F≥0或F<0,這是邏輯運算,根據(jù)邏輯運算的結(jié)果確定下一步進給方向和新的偏差計算;
● 坐標進給:進給一步后,計算新的加工點對給定軌跡的偏差,作為下一次偏差判別的依據(jù);
● 終點判別:進給一步后,終點計數(shù)減1.判斷是否到達終點,未到達終點返回第一步.
(2)直線插補計算舉例
設(shè)加工第一象限直線OA,起點為坐標有原占,終點坐標=6, =4,則計算過程如表4-1所示:
表4-1 直線插補過程
步數(shù)
偏差判別
坐標進給
偏差計算
終點判別
起點
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個象限直線挺補的偏差符號及進給方向如圖4-3所示.
圖4-3 4象限直線的偏差符號與進給方向
由圖可知,第二象限的直線OA2,其終點坐標為(-,),在第一象限有一條對稱于y軸的直線OA1,其終點坐標為(,).當從O點出發(fā),按第一象限直線OA1進行插補時,若把沿x軸正向進給改為x軸負方向進給,這時實際插補所得的就是第二象限直線OA2.第二象限直線OA2插補時,偏差計算公式與第一象限直線OA1的偏差計算公式相同,判別在x軸的進給方向,同理,如果插補第三象限終點為(-,-)的直線,只要插補終點值為(,)的第一象限的直線,而將輸出的進給脈沖由+x變?yōu)?x,+y方向即可.以此類推,4個象限所有的偏差計算公式和進給方向死于下表4-2:
表4-2 直線插補公式及進給方向表
F≥0
F<0
直線坐標
進給方向
偏差計算
直線坐標
進給方向
偏差計算
,
+x
=-
,
+y
=+
,
+y
,
+x
4.4.2 直線插補—G01程序設(shè)計
在單片微機數(shù)字程序控制系統(tǒng)中,用插補計算程序完成插補計算,稱之為”軟件插補器”.下面以插補第1象限直線、第2象限直線為例，介紹直線插補計算子程序的設(shè)計。
直線插補子程序需3個入口參數(shù)，它們是終點坐標值，及總步數(shù)Σ。這些參數(shù)由調(diào)用程序查詢數(shù)據(jù)表得到，并存入入口單元，及BS；本子程序還用一個工作單元存放走步過程中加工點偏差值，初態(tài)為0。根據(jù)系統(tǒng)要求，上述4個單元均為3B。另外，在數(shù)控車削系統(tǒng)中，y軸表示為z軸，以與數(shù)控加工的ISO代碼一致。
第1象限直線插補子程序框圖下圖所示。圖中還指出了插補計算的4個節(jié)拍。坐標進給通常是使步進電機走一步，通過步進電機帶動機床工作臺或刀具移動。有關(guān)步進電機的走步（正走、反走）子程序MAN _MOVE，不做介紹。第2象限直線插補的程序框圖不做介紹，請參照第1象限子程序框圖和4象限插補計算與進給方向表。
圖4-4第一象限直線插補計算子程序框圖
；**************************************************************************************
；第一象限直線插補: DYXXL
；**************************************************************************************
DYXXL: CLR C
MOV Fz3, #00H
MOV Fz2, #00H
MOV Fz1, #00h ；偏差單元清零
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 ；計算終判值
DYXXL2: MOV DPTR, #FEED% ；速度標志字
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 ；調(diào)用延時1MS子程序
MOV A, Fz1 ；取偏差的高8位
JB ACC.7, DYXXL4 ；F<0,->Z向進給
MOV A, #02H ；走+X一步
MOV F_ORIENT, A
LCALL DISP_XZ ；顯示原坐標
LCALL MAN_MOVE ；走步
LCALL DISP_XZ ；顯示新坐標
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 ；計算F-Ze->F
DYXXL3: CLR C
MOV A, BS3
SUBB A, #01H
MOV BS3, A
MOV A, BS2
SUBB A, #00H ；終點判值減1
MOV BS2, A
MOV A, BS1
SUBB A, #00H
MOV BS1, A
ORL A, BS2
ORL A, BS3
JNZ DYXXL2 ；判0,未完繼續(xù)
RET ；插補結(jié)束返回
DYXXL4: MOV A, #04H ；走+Z一步
MOV F_ORIENT, A
LCALL DISP_XZ ；顯示原坐標
LCALL MAN_MOVE ；走步
LCALL DISP_XZ ；顯示新坐標
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 ；計算F+Xe->F
LJMP DYXXL3 ；轉(zhuǎn)判終點
4.4.3 圓弧插補原理
①偏差計算公式
以第一象限逆圓為例,討論偏差計算公式的推導(dǎo)方法.如圖4-5。
圖4-5 第1象限逆圓
設(shè)要加工圓弧AB
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