X5032數(shù)控化銑床改造的設(shè)計【含3張CAD圖紙+PDF圖】

喜歡就充值下載吧。。資源目錄里展示的文件全都有，，請放心下載，，有疑問咨詢QQ:414951605或者1304139763 ======================== 喜歡就充值下載吧。。資源目錄里展示的文件全都有，，請放心下載，，有疑問咨詢QQ:414951605或者1304139763 ======================== 摘 要 隨著數(shù)控技術(shù)的飛速發(fā)展，機(jī)械制造業(yè)的生產(chǎn)方式、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、發(fā)生了深刻的變化。在我國數(shù)控機(jī)床的發(fā)展過程中，MCS-51系列單片機(jī)在數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用，經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)大多采用MCS-51系列單片機(jī)。 本文在分析了X5032數(shù)控銑床的特點和實驗臺應(yīng)該具備的功能后，確定采用基于單片機(jī)控制的系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)方案。設(shè)計方案由系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)兩部分組成。 關(guān)鍵詞：數(shù)字控制，單片機(jī)系統(tǒng)，數(shù)控銑床 ABSTRACT With the development of NC, there have been many changes in mechanical industry, such as producing method and struture of product. MCS-51 single microcomputers have been used widely in NC, especially in ecomical NC equipments in china. Based on MCS-51 single microcomputers, the NC lathe training equipment is designed with less money for the professional NC courses. After analyzing the feature of NC lathe and defining the functions of training equipment, a system general scheme is assumed by hardware architecture and software architecture, which uses MCS-51 single microcomputer. KEY WORDS: training equipment, numeric control, single microcomputer system 目 錄 摘 要 1 ABSTRACT 2 目 錄 3 1 引言 5 1.1 數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生與發(fā)展 5 1.1.1 數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生 5 1.1.2數(shù)控機(jī)床的發(fā)展 6 1.2我國數(shù)控機(jī)床的發(fā)展概況 7 1.3本課題研究的背景 8 2 數(shù)控銑床實驗臺的性能要求 9 2.1數(shù)控機(jī)床的組成及工作原理 9 2.1.1數(shù)控機(jī)床的組成 9 2.1.2 數(shù)控機(jī)床的工作原理 10 2.2數(shù)控銑床的特點 12 2.3數(shù)控銑床實驗臺的方案設(shè) 13 2.3.1 普通銑床數(shù)控化改造的條件 13 2.3.2 普通銑床數(shù)控化改造的一般步驟 13 2.3.3 總體方案設(shè)計論證與確定 16 2.4 數(shù)控銑床實驗臺的性能要求 18 2.4.1 控制功能 18 2.4.2 操作功能 19 2.4.3 診斷功能 20 3 實驗臺硬件系統(tǒng)的實現(xiàn) 21 3.1數(shù)控銑床實驗臺硬件系統(tǒng)設(shè)計遵循的原則 21 3.2微機(jī)控制的數(shù)控銑床實驗臺硬件系統(tǒng)的具體設(shè)計 22 3.2.1繪制系統(tǒng)電氣控制的結(jié)構(gòu)框圖 22 3.2.2選擇中央處理單元CPU的類型 23 3.3 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控銑床微機(jī)控制系統(tǒng)硬件電路原理圖 27 4 實驗臺功能原理及插補(bǔ)算法 29 4.1車削數(shù)控原理、實驗臺插補(bǔ)功能要求和插補(bǔ)算法的選擇 29 4.1.1車削數(shù)控原理 29 4.1.2 實驗臺插補(bǔ)功能要求 30 4.1.3 實驗臺插補(bǔ)算法的選擇 30 4.2數(shù)字積分插補(bǔ)法 31 4.2.1數(shù)字積分插補(bǔ)法的基本原理 31 4.2.2數(shù)字積分法的硬件插補(bǔ) 33 參 考 文 獻(xiàn) 40 致 謝 41 1 引言 數(shù)字控制（numerical control——NC）簡稱數(shù)控，是一種利用數(shù)字化信息對設(shè)備運動及加工過程進(jìn)行控制的一種自動化技術(shù)。將數(shù)控技術(shù)實施到加工控制中去的機(jī)床，或者說裝備了數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床被稱為數(shù)控（NC）機(jī)床。 數(shù)控機(jī)床作為一種使用廣泛、典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，綜合應(yīng)用了微電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、自動控制、精密測量和機(jī)床結(jié)構(gòu)等方面的最新成就，是一種高效自動化機(jī)床。數(shù)控系統(tǒng)不僅能控制機(jī)床各種動作的先后順序，還能控制機(jī)床運動部件的運動速度以及刀具的運動軌跡。由于數(shù)控機(jī)床的高效率、高精度和高柔性代表了機(jī)床的主要發(fā)展方向，所以它已經(jīng)成為目前機(jī)加工自動化生產(chǎn)過程中最具代表性的核心設(shè)備，且成為計算機(jī)輔助設(shè)計與制造、柔性制造系統(tǒng)、計算機(jī)集成制造系統(tǒng)等柔性加工和柔性制造系統(tǒng)的基礎(chǔ)。 1.1 數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生與發(fā)展 1.1.1 數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生 隨著科技的不斷發(fā)展，對各種產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率提出了高要求。產(chǎn)品加工過程的自動化是實現(xiàn)高質(zhì)量、高效率的重要措施。飛機(jī)、汽車等生產(chǎn)企業(yè)大多采用自動機(jī)床、組合機(jī)床和自動生產(chǎn)線，從而保證了產(chǎn)品質(zhì)量，提高了生產(chǎn)效率和減輕了操作者的勞動強(qiáng)度。 但是，在產(chǎn)品加工中，單件、小批量生產(chǎn)的零件約占機(jī)加工總量的80％以上。對這些多品種、小批量、形狀復(fù)雜、精度要求高的零件的加工，采用專業(yè)化程度高的自動機(jī)床和自動生產(chǎn)線就很不合適。在市場經(jīng)濟(jì)大潮中，產(chǎn)品競爭日趨激烈，為求得生存與發(fā)展，各企業(yè)紛紛在提高產(chǎn)品技術(shù)檔次、增加產(chǎn)品種類、縮短試制與生產(chǎn)周期和提高產(chǎn)品質(zhì)量上下功夫，即使批量較大的產(chǎn)品，也不大可能多年不變，必須經(jīng)常開發(fā)新產(chǎn)品，頻繁地更新?lián)Q代。傳統(tǒng)的自動化生產(chǎn)線難以適應(yīng)小批量、多品種生產(chǎn)要求。 為了解決上述問題，一種靈活、高精度、高效率的自動化設(shè)備——數(shù)控機(jī)床應(yīng)運而生。 1952年美國帕森斯公司和麻省理工學(xué)院在美空軍的委托下，合作研制出世界上第一臺三坐標(biāo)數(shù)控銑床，完成了直升飛機(jī)葉片輪廓檢查用樣板的加工。這是一臺采用專用計算機(jī)進(jìn)行運算與控制的直線插補(bǔ)輪廓控制數(shù)控銑床。經(jīng)過三年的試用、改進(jìn)與提高，數(shù)控機(jī)床于1955年進(jìn)入實用化階段，在復(fù)雜曲面的加工中發(fā)揮了重要作用。 盡管這種初期數(shù)控機(jī)床采用電子管和分立元件硬接線電路來進(jìn)行運算和控制，體積龐大而功能單一，但它采用了先進(jìn)的數(shù)字控制技術(shù)，具有強(qiáng)大的生命力，它的出現(xiàn)開辟了工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的新紀(jì)元。從此，數(shù)控機(jī)床在全世界得到了迅速發(fā)展。 1.1.2數(shù)控機(jī)床的發(fā)展 最早采用數(shù)字控制技術(shù)進(jìn)行機(jī)械加工的想法，是在20世紀(jì)40年代初提出的。當(dāng)時，美國北密執(zhí)安的一個小型飛機(jī)工業(yè)承包商帕森斯公司在制造飛機(jī)框架及直升飛機(jī)葉片輪廓用樣板時，利用計算機(jī)對葉片輪廓的加工路徑進(jìn)行了數(shù)據(jù)處理，并考慮了刀具半徑對加工路徑的影響，使得加工精度達(dá)到0.0015in。 1952年，美國麻省理工學(xué)院研制出的三坐標(biāo)聯(lián)動、利用脈沖乘法器原理的試驗性數(shù)字控制系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的第一代。1959年，電子行業(yè)研制出晶體管元器件，因而數(shù)控系統(tǒng)中廣泛采用晶體管和印刷電路板技術(shù)，跨入了第二代。1959年3月，由美國克耐·杜列克公司發(fā)明了帶有自動換刀裝置的數(shù)控機(jī)床，稱為“加工中心”。1960年，出現(xiàn)了小規(guī)模集成電路。由于其體積小、功耗低，使數(shù)控系統(tǒng)的可靠性進(jìn)一步提高，數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展到第三代。以上三代，都是采用專用控制的硬件邏輯數(shù)控系統(tǒng)（NC）。 1967年，英國首先把幾臺數(shù)控機(jī)床連接成具有柔性的加工系統(tǒng)，這就是最初的FMS（Flexible Manufacturing System）柔性制造系統(tǒng)。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，小型計算機(jī)開始取代專用控制的硬件邏輯數(shù)控系統(tǒng)（NC），數(shù)控的許多功能由軟件程序?qū)崿F(xiàn)。由計算機(jī)作控制單元的數(shù)控系統(tǒng)（CNC），稱為第四代。 1970年前后，美國英特爾公司開發(fā)和使用了微處理器。1974年，美、日等國首先研制出以微處理器為核心的數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床。20多年來，微處理器數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床得到了飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，這就是第五代數(shù)字控制（MNC），后來將MNC也統(tǒng)稱為CNC。 20世紀(jì)80年代初，國際上又出現(xiàn)了柔性制造單元FMC。FMC和FMS被認(rèn)為是實現(xiàn)計算機(jī)集成制造系統(tǒng)CIMS的基礎(chǔ)。 數(shù)字控制系統(tǒng)的許多優(yōu)點使數(shù)控機(jī)床得到廣泛發(fā)展，數(shù)控技術(shù)還被廣泛應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人、數(shù)控線切割機(jī)、數(shù)控火花切割機(jī)、坐標(biāo)測量機(jī)、繪圖儀等設(shè)備上。 1.2我國數(shù)控機(jī)床的發(fā)展概況 我國對數(shù)控系統(tǒng)的研究開發(fā)始于50年代，但真正得到發(fā)展是從80年代開始，經(jīng)歷了“六五”、“七五”期間的消化吸收引進(jìn)技術(shù)，“八五”期間科技攻關(guān)開發(fā)自主產(chǎn)權(quán)數(shù)控系統(tǒng)兩個階段，已為數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)業(yè)化奠定了良好的基礎(chǔ)?！熬盼濉逼陂g數(shù)控機(jī)床發(fā)展已進(jìn)入實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化階段。數(shù)控機(jī)床新開發(fā)品種300多個，已有一定的覆蓋面。新開發(fā)的國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品大部分達(dá)到國際80年代中期水平，部分達(dá)到90年代水平，為國家重點建設(shè)提供了一批高水平數(shù)控機(jī)床。 我國數(shù)控系統(tǒng)在技術(shù)上已趨于成熟，在重大關(guān)鍵技術(shù)上（包括核心技術(shù)），已達(dá)到國際先進(jìn)水平。目前，已新開發(fā)數(shù)控系統(tǒng)80多種。自“七五”以來，國家一直把數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展作為重中之重來支持，現(xiàn)已開發(fā)出具有中國版權(quán)的數(shù)控系統(tǒng)，掌握了國外一直對我國封鎖的一些關(guān)鍵技術(shù)。特別重要的是，我國數(shù)控系統(tǒng)的可靠性已有很大提高，MTBF值可以在15000h以上。同時大部分?jǐn)?shù)控機(jī)床配套產(chǎn)品已能國內(nèi)生產(chǎn)，自我配套率超過60%。這些成功為中國數(shù)控系統(tǒng)的自行開發(fā)和生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。 1.3本課題研究的背景 單片微型計算機(jī)簡稱單片機(jī)，是將計算機(jī)的基本部件微型化，使之集成為一塊芯片的微機(jī)。片內(nèi)含有CPU、ROM、RAM、并行I/O接口、串行I/O接口、定時器／計數(shù)器、中斷系統(tǒng)、系統(tǒng)時鐘及系統(tǒng)總線等。MCS-51 單片機(jī)在片內(nèi)存儲器容量、I/O的功能以及指令系統(tǒng)功能等方面都大大地得到加強(qiáng)，特別適用于實時控制、智能儀表、主從結(jié)構(gòu)的多機(jī)系統(tǒng)領(lǐng)域，是控制領(lǐng)域中最理想的8位機(jī)。 MCS-51系列單片機(jī)具有集成度高、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、處理功能強(qiáng)、速度高、容易產(chǎn)品化等特性，因此在我國數(shù)控機(jī)床發(fā)展過程中，經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)大多采用MCS-51型系統(tǒng)單片微型計算機(jī)，它是超大規(guī)模集成電路發(fā)展的產(chǎn)物，在數(shù)控領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。 2 數(shù)控銑床實驗臺的性能要求 2.1數(shù)控機(jī)床的組成及工作原理 2.1.1數(shù)控機(jī)床的組成 計算機(jī)數(shù)控裝置是數(shù)控機(jī)床的核心。其根據(jù)輸入的零件加工程序或操作命令進(jìn)行相應(yīng)的處理，輸出控制命令到相應(yīng)的執(zhí)行部件，完成零件加工程序或操作所要求的工作。 伺服單元和驅(qū)動裝置包括主軸伺服驅(qū)動裝置、主軸電動機(jī)、進(jìn)給伺服驅(qū)動裝置及進(jìn)給電動機(jī)。測量裝置是實現(xiàn)主軸控制、進(jìn)給速度閉環(huán)控制和進(jìn)給位置閉環(huán)控制的必要裝置。主軸伺服系統(tǒng)實現(xiàn)零件加工的切削運動，進(jìn)給伺服系統(tǒng)實現(xiàn)零件加工所需的成形運動。 操作面板，是操作人員與數(shù)控機(jī)床（系統(tǒng)）進(jìn)行信息交互的工具，主要由按鈕站、狀態(tài)燈、按鍵陣列和顯示器等部分組成。操作人員通過它對數(shù)控機(jī)床進(jìn)行操作、編程、調(diào)試或?qū)C(jī)床參數(shù)進(jìn)行設(shè)定和修改，也可以通過它了解或查詢數(shù)控機(jī)床的運行狀態(tài)。 控制介質(zhì)是人與機(jī)床建立聯(lián)系的介質(zhì)。程序輸入輸出設(shè)備是CNC系統(tǒng)與外設(shè)進(jìn)行信息交互的裝置，目前數(shù)控機(jī)床常用的控制介質(zhì)和程序輸入輸出設(shè)備是磁盤和磁盤驅(qū)動器等。此外，現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)一般可利用通信方式進(jìn)行信息交換。這種方式是實現(xiàn)CAD／CAM的集成、FMS和CIMS的基本技術(shù)。 PLC用于進(jìn)行與邏輯運算、順序動作有關(guān)的I／O控制，它由硬件和軟件組成。機(jī)床I／O電路和裝置是用于實現(xiàn)I／O控制的執(zhí)行部件，由繼電器、行程開關(guān)、接觸器等組成的邏輯電路。它們共同完成以下任務(wù)：接受CNC的M、S、T指令，對其進(jìn)行譯碼并轉(zhuǎn)換成對應(yīng)控制信號，控制輔助裝置完成機(jī)床相應(yīng)的開關(guān)動作；接受操作面板和機(jī)床傳送來的I／O信號，送給CNC裝置，經(jīng)其處理后，輸出指令控制CNC系統(tǒng)的工作狀態(tài)和機(jī)床的動作。 機(jī)床本體是數(shù)控系統(tǒng)的控制對象，實現(xiàn)加工零件的執(zhí)行部件，由主運動部件、進(jìn)給運動部件、支承件以及特殊裝置、自動工件交換系統(tǒng)、自動刀具交換系統(tǒng)和輔助裝置組成。 數(shù)控機(jī)床的組成相對普通機(jī)床有以下幾個特點：由于大多數(shù)控機(jī)床采用高性能的主軸及伺服傳動系統(tǒng)，因此它的機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)得到簡化，傳動鏈較短；為適應(yīng)數(shù)控機(jī)床連續(xù)自動化加工，它的機(jī)械結(jié)構(gòu)具有較高的動態(tài)剛度、阻尼精度及耐磨性，熱變形小；更多采用高效傳動部件，如滾珠絲杠副等；不少還采用刀庫和自動換刀裝置以提高工作效率。 2.1.2 數(shù)控機(jī)床的工作原理 數(shù)控加工與普通機(jī)加工不同點主要表現(xiàn)在控制方式上。用普通機(jī)床加工零件時，工步的安排、機(jī)床運動的先后次序、走刀路線及有關(guān)切削參數(shù)的選擇等，都由操作者自行確定，而且用手工方式來進(jìn)行控制。操作者總是根據(jù)零件和工序卡要求，在加工過程中不斷改變刀具與工件的相對運動軌跡和加工參數(shù)（位置、速度等），使刀具對工件進(jìn)行切削，得到所需的合格零件。如采用自動銑床、仿形銑床和仿形銑床加工，也能達(dá)到對加工過程實現(xiàn)自動控制的目的，但控制方式是通過預(yù)先配置的凸輪、擋塊及靠模來實現(xiàn)的。在CNC機(jī)床上，傳統(tǒng)加工過程中的人工操作均被數(shù)控系統(tǒng)的自動控制所取代。其工作過程是：首先將刀具與工件的相對運動軌跡、加工過程中主軸速度和進(jìn)給速度的變換、冷卻液的開關(guān)、工件和刀具的交換等控制和操作，按規(guī)定的代碼和格式編加工程序，然后將該程序送入數(shù)控系統(tǒng)。數(shù)控系統(tǒng)則按照程序要求，先進(jìn)行相應(yīng)的運算、處理，然后發(fā)出控制命令，使各坐標(biāo)軸、主軸以及輔助動作相互協(xié)調(diào)，實現(xiàn)刀具與工件的相對運動，自動完成零件的加工。 譯碼程序的主要功能是將用文本格式（通常用 ASC II碼）表達(dá)的零件加工程序，以程序段為單位轉(zhuǎn)換成刀補(bǔ)處理程序所要求的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（格式），該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)用來描述一個程序段解釋后的數(shù)據(jù)信息。它主要包括：X、Y、Z等坐標(biāo)值，進(jìn)給速度，主軸轉(zhuǎn)速，G代碼，M代碼，刀具號，子程序處理和循環(huán)調(diào)用處理等數(shù)據(jù)或標(biāo)志的存放順序和格式。 為方便編程，零件加工程序通常是按零件輪廓或按工藝要求設(shè)計的進(jìn)給路線編制的，而數(shù)控機(jī)床在加工過程中控制的是刀具中心（準(zhǔn)確說是刀位點）軌跡，因此在加工前必須將編程軌跡變換成刀具中心的軌跡。刀補(bǔ)處理就是完成這種轉(zhuǎn)換的處理程序。 數(shù)控編程提供了刀具運動的起點、終點和運動軌跡，而刀具怎么從起點沿運動軌跡走向終點則由數(shù)控系統(tǒng)的插補(bǔ)裝置或插補(bǔ)軟件來控制。該程序以系統(tǒng)規(guī)定的插補(bǔ)周期ΔT定時運行，它將由各種線形（直線、圓弧等）組成的零件輪廓，按程序給定的進(jìn)給速度F，實時計算出各個進(jìn)給軸在ΔT內(nèi)的位移指令（ΔX1、ΔY1…），并送給進(jìn)給伺服系統(tǒng)，實現(xiàn)成形運動。插補(bǔ)計算的原理及插補(bǔ)與加工精度的關(guān)系將在后面進(jìn)一步討論。 CNC系統(tǒng)對機(jī)床的控制分為對各坐標(biāo)軸的速度和位置的“軌跡控制”和對機(jī)床動作的“順序控制”或稱“邏輯控制”。后者是指在數(shù)控機(jī)床運行過程中，以CNC內(nèi)部和機(jī)床各行程開關(guān)、傳感器、按鈕、繼電器等開關(guān)信號狀態(tài)為條件，并按預(yù)先規(guī)定的邏輯關(guān)系對諸如主軸的起停、換向，刀具的更換，工件的夾緊、松開，液壓、冷卻、潤滑系統(tǒng)的運行等進(jìn)行的控制。PLC控制就是實現(xiàn)上述功能的功能模塊。 通過以上介紹可知：數(shù)控加工原理就是將預(yù)先編好的加工程序以數(shù)據(jù)的形式輸人數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)通過譯碼、刀補(bǔ)處理、插補(bǔ)計算等數(shù)據(jù)處理和PLC協(xié)調(diào)控制，最終實現(xiàn)零件的自動化加工。 2.2數(shù)控銑床的特點 通常數(shù)控銑床由床身、主軸箱、刀架、進(jìn)給系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)等幾部分組成,其結(jié)構(gòu)特點主要體現(xiàn)在進(jìn)給系統(tǒng)、刀架等方面。 由于實現(xiàn)了CNC,進(jìn)給裝置用伺服電機(jī)驅(qū)動,以連續(xù)控制刀具的縱向(Z軸)和橫向(X軸)的運動,完成對回轉(zhuǎn)體零件的內(nèi)外型面的加工。進(jìn)給系統(tǒng)中沒有走刀箱、溜板箱和掛輪架，直接用伺服電機(jī)通過滾珠絲杠副驅(qū)動溜板和刀架進(jìn)給，大大簡化了進(jìn)給系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，傳動鏈路線短，剛性好,加工精度高。由于刀架移動采用滾珠絲杠副,因而運動輕巧。 刀架是數(shù)控銑床的重要部件，對銑床的整體布局影響很大，兩坐標(biāo)連續(xù)控制的數(shù)控銑床一般采用4、8、10工位的回轉(zhuǎn)刀盤。 在銑床上加工零件時,工件裝夾在三爪卡盤上,隨主軸一起繞軸旋轉(zhuǎn)。車刀固定在走刀架上,隨刀架一起沿銑床的縱軸(Z軸)和橫軸(X軸)移動。車刀刀尖的直線運動與工件的旋轉(zhuǎn)運動形成切削表面。 由于工件只隨主軸旋轉(zhuǎn)，所以在銑床上加工零件的基本形狀是一個繞主軸( Z軸)的回轉(zhuǎn)體。銑床加工的工件以柱面、錐面和球面為基本形狀，其它形狀都是由這些基本形狀組合而成。上述三種基本形狀的圖形都要求車刀刀尖走出二種基本的軌跡，即直線和圓弧。 以上分析的銑床的運動為連續(xù)動作，即要求控制對象（車刀）在平面走出連續(xù)的軌跡。銑床還有一些輔助運動，如：主軸的正反轉(zhuǎn)與停止﹑冷卻泵的啟動與停止等運動。這些輔助運動屬于斷續(xù)的開關(guān)動作。 所以，銑床的動作包括連續(xù)動作和開關(guān)動作。 2.3數(shù)控銑床實驗臺的方案設(shè) 2.3.1 普通銑床數(shù)控化改造的條件 并不是所有的舊機(jī)床都適合于數(shù)控改造。改造的機(jī)床應(yīng)具備如下幾個條件。 (1)機(jī)床基礎(chǔ)件必須有足夠的剛度數(shù)控機(jī)床屬于高精密機(jī)床，要求有很高的移動精度。通常閉環(huán)系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量為0.001mm，開環(huán)系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量為0.005mm或0.01mm。高的定位精度和輪廓加工精度要求機(jī)床的基礎(chǔ)件具有很高的動、靜剛度?；A(chǔ)件剛性不好則受力后容易變形，且這種變形具有很大的不確定性，無法用數(shù)控系統(tǒng)中的補(bǔ)償功能進(jìn)行補(bǔ)償。因此，基礎(chǔ)件剛性不好的機(jī)床不適宜改造為數(shù)控機(jī)床。 (2)改造費用合適、經(jīng)濟(jì)性好 機(jī)床改造費用分為機(jī)床和電氣兩部分。一方面是維修和改動原機(jī)床部分，更換已磨損的部件；另一方面是更換原機(jī)床控制柜，用新的數(shù)控系統(tǒng)和強(qiáng)電裝置代替。改造費用與原機(jī)床零件的利用多少有關(guān)，也與采用何種控制系統(tǒng)有關(guān)。由于經(jīng)濟(jì)上的考慮，目前通常采用步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)床改造。改造總費用多少才算合適要因用戶而異。一般來說；不超過同類規(guī)格設(shè)備價格的一半，在經(jīng)濟(jì)上就算合適。 2.3.2 普通銑床數(shù)控化改造的一般步驟 (1)舊機(jī)床的設(shè)備選型 通常對一臺舊機(jī)床，是否需要進(jìn)行數(shù)控化改造，首先應(yīng)對該設(shè)備進(jìn)行基本估價，這也就是設(shè)備選型。以判斷該設(shè)備是否具有改造價值，改造后能不能滿足需求，改造成功的可能性等，這些都與設(shè)備的選擇密切相關(guān)，所以選型是設(shè)備改造的首要環(huán)節(jié)，應(yīng)重點考慮幾個主要參數(shù)：設(shè)備的型號規(guī)格、生產(chǎn)廠家及國別、投產(chǎn)時間、目前運行狀況、剩余價值(機(jī)械、電氣)、改造后可能達(dá)到的預(yù)期效果。數(shù)控改造應(yīng)盡可能采用20世紀(jì)80年代后出廠的機(jī)床，因為這類機(jī)床由于使用年限短，其幾何精度相對高一些，改造效果也要好一些。 (2)確定改造的技術(shù)方案 設(shè)備選擇確定后，就要制定、落實明確的技術(shù)改造方案。通常需要從以下兩 個方面論證：一是明確該設(shè)備改造后的加工對象及預(yù)期目標(biāo)；二是人力、物力、 財力投入的估算，也就是資金投入的評估。上述兩項的確定，最好綜合考慮，因 為投入的改造費用主要與以下幾點有關(guān)。 ①數(shù)控系統(tǒng)的選擇。 ②機(jī)床本身固有幾何精度的修復(fù)及保養(yǎng)。 ③機(jī)床電器及附件的更換。 ④機(jī)床輔助系統(tǒng)(主軸系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等)的維修及保養(yǎng)。 ⑤機(jī)床外觀質(zhì)量的修復(fù)。 ⑥機(jī)床改造的技術(shù)勞務(wù)費用。 ⑦機(jī)床改造后的綜合調(diào)試、檢測、參數(shù)補(bǔ)償?shù)取? (3)改造前的準(zhǔn)備工作 技術(shù)改造方案確定以后，應(yīng)對機(jī)床進(jìn)行檢測，若機(jī)床精度低，就必須對機(jī)床本身的精度進(jìn)行恢復(fù)。主要有兩方面：一是機(jī)械精度的恢復(fù)；二是電氣部分的恢復(fù)。如主軸精度的恢復(fù)、機(jī)床導(dǎo)軌精度的恢復(fù)(平行度、垂直度等)，以提高傳動精度和效率。對機(jī)電系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、機(jī)械接口進(jìn)行測繪、設(shè)計、制造、修復(fù)、保養(yǎng)。同時要做好對改造機(jī)床機(jī)械及電氣部分的準(zhǔn)備工作，如數(shù)控系統(tǒng)及相應(yīng)配置的準(zhǔn)備、機(jī)械改造件(傳動箱連接件、滾珠絲桿等)的準(zhǔn)備。 (4)機(jī)床的改造包括對機(jī)床改造部分的現(xiàn)場施工、安裝和連接；機(jī)床聯(lián)調(diào)實驗；機(jī)床及控制系統(tǒng)各部分功能聯(lián)動實驗；工作可靠性運行；機(jī)床定位精度、重復(fù)定位精度、各種補(bǔ)償功能的調(diào)試；機(jī)床的加工切削實驗。 (5)改造完成后的驗收 一般驗收要做以下工作：外觀檢查、機(jī)床及系統(tǒng)的各種功能檢測、機(jī)床精度檢測(定位精度、重復(fù)定位精度等)、機(jī)床的負(fù)荷實驗、標(biāo)準(zhǔn)試件的切削、典型零件的加工等。 (6)操作及維修人員的培訓(xùn) 數(shù)控機(jī)床使用的好壞，與機(jī)床的操作及維修人員的素質(zhì)密切相關(guān)，對操作及維修人員本身要有一定的要求，要對其進(jìn)行系統(tǒng)的、專業(yè)化的技術(shù)培訓(xùn)，使其全面地了解和掌握數(shù)控系統(tǒng)的基本原理、操作規(guī)程、維修常識，懂得一般故障的判斷和簡單故障的處理。 2.3.2（1）主要機(jī)械部件改造 一臺新的數(shù)控機(jī)床，在設(shè)計上要達(dá)到有高的靜態(tài)、動態(tài)剛度；運動副之間的摩擦因數(shù)小，傳動無間隙；功率大；便于操作和維修。機(jī)床數(shù)控改造時應(yīng)盡量達(dá)到上述要求，不能認(rèn)為將數(shù)控裝置與普通機(jī)床連接在一起就達(dá)到了數(shù)控機(jī)床的要求，還應(yīng)對主要部件進(jìn)行相應(yīng)的改造，使其達(dá)到一定的設(shè)計要求，才能獲得預(yù)期的改造自的。 2.3.2（2）主傳動的數(shù)控改造 許多機(jī)床在數(shù)控改造時，主傳動部分不作太大的變動，這是因為機(jī)床改造的功能通常要求不高，盡管原機(jī)床的普通交流異步電動機(jī)開環(huán)驅(qū)動方式在電網(wǎng)電壓或切削力矩變化時，電動機(jī)轉(zhuǎn)速會隨之波動，影響零件加工表面的粗糙度。且由于變速仍采用復(fù)雜的變速箱換擋，體積龐大，高速運行時振動和噪聲都較大，對零件加工精度會產(chǎn)生不良影響。但是主軸改為閉環(huán)驅(qū)動方式的成本太高，因此，除有特殊要求，通常主軸傳動鏈保留不變，主軸箱內(nèi)的變速機(jī)構(gòu)也不改動，原電氣系統(tǒng)不動。 對自動化程度要求較高的場合，可采用交流異步電動機(jī)開環(huán)變頻調(diào)速系統(tǒng)。采用開環(huán)變頻調(diào)速系統(tǒng)可實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)控制的自動無級變速。 2.3.2（3） 進(jìn)給傳動的數(shù)控改造 (1)導(dǎo)軌副 通機(jī)床的導(dǎo)軌多采用鑄鐵—鑄鐵或鑄鐵—淬火鋼滑動導(dǎo)軌，其靜摩擦因大，動、靜摩擦因數(shù)相差較大，低速時易出現(xiàn)爬行，影響運動的平穩(wěn)性和定位的精度，力矩?fù)p失大。而將導(dǎo)軌改造為滾動導(dǎo)軌或靜壓導(dǎo)軌工藝復(fù)雜，費普用大，周期長。較為常見的是采用在原導(dǎo)軌上粘接聚四氟乙烯軟帶的方法。這種方法實現(xiàn)比較方便，費用低，動、靜摩擦因數(shù)相差小，耐磨性和抗咬傷力強(qiáng)，具有良好的自潤滑性和抗振性，進(jìn)給運動無爬行，運動平穩(wěn)，因而得到了廣泛采用。當(dāng)然在有些要求不高的場合下，也可以不改動原機(jī)床導(dǎo)軌而增大所選的電動機(jī)。 (2)進(jìn)給箱 普通機(jī)床的進(jìn)給箱為齒輪箱。齒輪箱傳動鏈長，機(jī)構(gòu)復(fù)雜，反向間隙累計增大，大大降低了傳動精度。進(jìn)給箱部分的改造就是要取消原齒輪箱，換為具有消隙裝置的一級減速機(jī)構(gòu)傳動副，以減小傳動間隙，提高精度。 在機(jī)床改造中，步進(jìn)電動機(jī)與絲杠傳動副之間裝有減速機(jī)構(gòu)，通過減速機(jī)構(gòu)可得到所需的脈沖當(dāng)量和增大驅(qū)動力矩。通常采用齒輪傳動或同步齒形帶傳動機(jī)構(gòu)。齒輪減速機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，傳動功率大，壽命長，成本低，所以在傳動功率要求較大的場合較多采用。同步齒形帶傳動是一種新型的帶傳動，其利用同步帶的齒形與帶輪的輪齒傳遞運動，無相對滑移，無噪聲，無需潤滑，傳動精度和效率高，因此在中、小傳動功率場合得到了廣泛的應(yīng)用。 (3)移動元件 普通機(jī)床通常采用滑動絲杠實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動到直線運動的轉(zhuǎn)換，其精度相對較低，摩擦因數(shù)大，傳動效率低，因此在要求較高的場合應(yīng)將其更換為滾珠絲杠。滾珠絲杠的傳動效率高，無爬行，預(yù)緊后可消除反向間隙，精度高，因而在改造中得到了廣泛的使用。但在機(jī)床改造時，有時考慮到一些因素仍采用原機(jī)床的普通絲杠。這些因素包括以下幾方面。 ①B級滾珠絲杠與7級精度普通絲杠的精度相差不大。 ②普通絲杠的摩擦力雖大，但與切削力和導(dǎo)軌副阻力相比則很小，而且可以通過選用較大電動機(jī)予以補(bǔ)償。 ③滾珠絲杠的徑向尺寸較大，如使用滾珠絲杠更換原機(jī)床的普通絲杠，相關(guān)部位還需進(jìn)行改動，工作量增加。 ④滾珠絲杠價格較高，也必然要增加改造費用。 當(dāng)然，如果原機(jī)床的絲杠與螺母間隙過大，應(yīng)將原單螺母副改為可調(diào)整間隙的雙螺母。 2.3.3 總體方案設(shè)計論證與確定 機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)總體方案的擬定應(yīng)包括以下內(nèi)容：系統(tǒng)運動方式的確定，伺服系統(tǒng)的選擇、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及傳動方式的確定，計算機(jī)系統(tǒng)的選擇等內(nèi)容。 2.3.3（1）系統(tǒng)運動方式的確定 數(shù)控系統(tǒng)運動方式可分為點動控制系統(tǒng)，點動直線系統(tǒng)和連續(xù)控制系統(tǒng)。如果工件相對于刀具移動過程中不進(jìn)行切削工件，這種系統(tǒng)叫點動/直線控制系統(tǒng)。這種系統(tǒng)除了高精度的定位功能外。在刀具沿坐標(biāo)軸移動時還能根據(jù)切削用量控制位移的速度，由于點位和點位/直線控制系統(tǒng)相岔無幾，保證定位精度。 如果要求工作臺或刀具沿坐標(biāo)軸的運動有確定的函數(shù)關(guān)系，即連續(xù)控制系統(tǒng)應(yīng)具備控制刀具以給定速率沿加工路徑運動的功能。具備這種控制能力的數(shù)控機(jī)床可以加工各種外形輪廓復(fù)雜零件。所以連續(xù)控制系統(tǒng)又稱為輪廓控制系統(tǒng)。數(shù)控銑床屬于此種運動方式。在點位控制系統(tǒng)中具有的軌跡計算裝置，而連續(xù)控制系統(tǒng)中卻具有點位系統(tǒng)的功能。 2.3.3（2） 執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳動方式的確定 為確保數(shù)控系統(tǒng)中的傳動精度和工作平穩(wěn)性，在設(shè)計機(jī)械傳動裝置時，通常提出低摩擦，低慣量、高精度、無間隙、高諧振以及有適宜阻尼比的要求。在設(shè)計中應(yīng)考慮以下幾點。 （1）盡量采用低摩擦的傳動和導(dǎo)向元件。如果采用滾珠絲桿螺母傳動導(dǎo) 軌，貼塑導(dǎo)軌等。 （2）盡量消除傳動間隙，例如采用消除齒輪 （3）提高系統(tǒng)剛度?？s短傳動鏈可以提高系統(tǒng)的傳動剛度，減少傳動鏈誤差?？刹捎妙A(yù)緊的方法提高系統(tǒng)剛度。例如采用預(yù)加負(fù)載的滾動導(dǎo)軌和滾珠絲桿副等。 2.3.3（3） 系統(tǒng)的運動方式與伺服系統(tǒng)的選擇 由于改造的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控銑床應(yīng)具有定位，直線控制順逆圓插補(bǔ)、暫停、循環(huán)加工、刀具補(bǔ)償?shù)裙δ埽蕬?yīng)選擇連續(xù)控制系統(tǒng)。考慮到屬于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控銑床，加工精度不高，為了簡化結(jié)構(gòu)，降低成本，采用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)。 微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)由CPU、存儲器擴(kuò)展電路I/O接口電路，伺服電極驅(qū)動電路、檢測電路等幾部分組成。微機(jī)是數(shù)控系統(tǒng)的核心，其它裝置均是在微機(jī)的指揮下進(jìn)行工作的。系統(tǒng)的功能和系統(tǒng)中所用的微機(jī)直接相關(guān)。數(shù)控系統(tǒng)對微機(jī)的要求是多方面的，但主要指標(biāo)是字長和速度。字長不僅影響系統(tǒng)的最大加工尺寸，而且影響加工的精度和運算的精度。字長較長的計算機(jī)，價格顯著上升，而字長較短的計算機(jī)，要進(jìn)行雙字長或三字長的運算，就會影響速度。 根據(jù)機(jī)床要求采用8位微機(jī)，由MCS—51系列單片機(jī)具有集成度高，可靠性好，功能強(qiáng)，速度快，抗干擾能力強(qiáng)，具有很高的性能價格比等特性，決定采用MCS—51系列的8031單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng)。 控制系統(tǒng)由微機(jī)等幾部分、鍵盤及顯示器、I/O接口及光電隔離器、步進(jìn)電機(jī)功率放大電路等組成。系統(tǒng)的加工程序和控制命令通過鍵盤操作實現(xiàn)，顯示器采用數(shù)碼顯示加工數(shù)據(jù)及機(jī)床狀態(tài)等信息。 伺服系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)，閉環(huán)控制系統(tǒng)和半閉環(huán)控制系統(tǒng)。 開環(huán)控制系統(tǒng)中，沒有反饋電路，不帶檢測裝置，指令信號是單方向傳送的。指令發(fā)出后，不再反饋回來，故稱開環(huán)控制。開環(huán)控制系統(tǒng)主要由步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動。開環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，容易掌握和維修都比較簡單，目前我國大力發(fā)展的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床普遍采用開環(huán)伺服系統(tǒng)。 閉環(huán)控制系統(tǒng)具有裝有機(jī)床移動部件上的檢測反饋元件來檢測實際位移量。能補(bǔ)償系統(tǒng)的誤差，因而伺服控制精度高，閉環(huán)系統(tǒng)多采用直流伺服電動驅(qū)動。閉環(huán)系統(tǒng)價格高和調(diào)試較復(fù)雜，多用于精度要求高的場合。 半閉環(huán)控制系統(tǒng)不同，不直接檢測工作臺的位移量。而是用檢測元件測出驅(qū)動軸的轉(zhuǎn)角，再間接算出工作臺實際的位移量，也有反饋回路，其性能介于開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)之間。 本次改裝采用MCS-51系統(tǒng)單片機(jī)組成的應(yīng)用系統(tǒng)，其典型代表有8031、8051、8751經(jīng)比較采用具有價格低，功能強(qiáng)，使用靈活等優(yōu)點的 8031擴(kuò)展系統(tǒng)的單片機(jī)，而且8031外接2764（EPROM）6264（ROM）及8255（擴(kuò)展I/O接口）8155芯片擴(kuò)展成一個較簡單的微機(jī)控制系統(tǒng)。 2.3.3（4）機(jī)械傳動方式的確定 為實現(xiàn)機(jī)床所要求的分辨率，采用步進(jìn)電機(jī)給齒輪減速在經(jīng)過傳動絲桿為保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性，盡量減小摩擦力，選用滾珠絲桿螺母副。 同時，為提高傳動剛度和消除間隙，采用有預(yù)加負(fù)荷的結(jié)構(gòu)。齒輪傳動也要采用消除齒輪側(cè)間隙的餓結(jié)構(gòu)。 2.4 數(shù)控銑床實驗臺的性能要求 2.4.1 控制功能 (1)運動控制 軸控能力：應(yīng)實現(xiàn)X、Z兩直線移動軸的聯(lián)動位置控制； 主軸控制: 包括主軸的開停，正反向，旋轉(zhuǎn)位置的反饋。 進(jìn)給速度控制:包括運動進(jìn)給速度設(shè)置，速度倍率調(diào)整,自動加減速度控制等； 手動控制:點動進(jìn)給,手搖脈沖發(fā)生器控制,手動速度調(diào)整。 (2)刀具控制 自動換刀； 刀具使用狀態(tài)監(jiān)測； 刀具參數(shù)值設(shè)置。 (3)保護(hù)控制 正負(fù)行程的軟、硬限位； 進(jìn)給高低速限制。 (4)輔助功能控制:包括冷卻、照明。 2.4.2 操作功能 (1)運動方式選擇 程序運行:自動運行、單步運行、暫停及暫停恢復(fù)，空運行，坐標(biāo)參考值設(shè)置； 手輪運行:對系統(tǒng)軸的正負(fù)向運動進(jìn)行控制； MDI方式:手動程序數(shù)據(jù)輸入。 (2)程序操作 程序的輸入輸出:手工鍵盤輸入、網(wǎng)絡(luò)通訊輸入等； 程序的編輯； 程序管理。 (3)顯示操作 系統(tǒng)狀態(tài)顯示:包括I/O信號監(jiān)測、運行方式選擇、正在使用的刀具信息等； 位置顯示:機(jī)床坐標(biāo)系的位置報告,工件坐標(biāo)系的絕對/相對位置報告等； 故障報警。 2.4.3 診斷功能 (1)編程錯誤提示 (2)操作錯誤提示 (3)執(zhí)行錯誤提示 3 實驗臺硬件系統(tǒng)的實現(xiàn) 3.1數(shù)控銑床實驗臺硬件系統(tǒng)設(shè)計遵循的原則 為使數(shù)控銑床實驗臺硬件系統(tǒng)設(shè)計趨向合理化，在設(shè)計過程中著重考慮如下幾個方面： (1) 盡量選用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的典型電路,從而提高設(shè)計的成功率。 (2) 盡量選用功率強(qiáng)、集成度高的微機(jī)芯片,因為采用這種器件可能代替某一部分電路,使系統(tǒng)可靠性增加。 (3) 注意選用通用性強(qiáng)、市場貨源充足的元器件。 (4) 系統(tǒng)的擴(kuò)展及各功能模塊的設(shè)計在滿足應(yīng)用系統(tǒng)功能要求的基礎(chǔ)上,留有適當(dāng)?shù)挠嗟?以備將來進(jìn)行修改、擴(kuò)展。 (5) 努力采用最新的一些技術(shù),因為電子技術(shù)發(fā)展迅速,器件更新?lián)Q代很快,市場上不斷推出性能更優(yōu)、功能更強(qiáng)的芯片。 (6) 電路設(shè)計時,充分考慮應(yīng)用系統(tǒng)各部分的驅(qū)動能力,因為不同的電路有不同的驅(qū)動能力,對后級系統(tǒng)的輸入阻抗要求也不一樣。實驗表明:如果阻抗匹配不恰當(dāng),系統(tǒng)的驅(qū)動能力不夠,可能導(dǎo)致系統(tǒng)的不可靠性甚至于使系統(tǒng)無法進(jìn)行工作。值得一提的是,系統(tǒng)的不可靠性很難通過一般的測試手段來確定。因此,在電路的設(shè)計過程中,應(yīng)該特別注意系統(tǒng)的驅(qū)動能力、盡量減少系統(tǒng)的損耗。 (7) 電路設(shè)計過程中要注意電平的匹配,TTL和CMOS電平單片機(jī)擴(kuò)展時,不應(yīng)該超過其驅(qū)動能力,如CMOS電路不使用的輸入端不允許浮空,否則會引起邏輯電平不正常,容易接受外界干擾產(chǎn)生錯誤動作。 (8) 系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計,這個問題在硬件設(shè)計中也有十分重要的意義。 3.2微機(jī)控制的數(shù)控銑床實驗臺硬件系統(tǒng)的具體設(shè)計 3.2.1繪制系統(tǒng)電氣控制的結(jié)構(gòu)框圖 根據(jù)總體方案及機(jī)械結(jié)構(gòu)的控制要求，確定硬件電路的總統(tǒng)方案, 繪制系統(tǒng)電氣控制的結(jié)構(gòu)框圖。如圖4-1 RAM ROM CPU I/O接口 光電隔離 步進(jìn)電機(jī) 外 設(shè) 鍵盤、顯示器即其他 圖4-1 結(jié)構(gòu)框圖 數(shù)控系統(tǒng)是由硬件和軟件兩部分組成。硬件是組成系統(tǒng)的基礎(chǔ)，有了硬件與軟件才能有效地運行。硬件電路的可靠性直接影響到數(shù)控 系統(tǒng)性能的指標(biāo)。 機(jī)床硬件電路由以下五個部分組成： （1） 主控制器即中央處理單元CPU （2） 總線 包括數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線 （3） 存儲器 包括程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器 （4） 接口 即I/O輸入/輸出接口 （5） 外圍設(shè)備 如鍵盤、顯示器及光點輸入機(jī)等。 3.2.2選擇中央處理單元CPU的類型 在微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中CPU的選擇應(yīng)考慮以下因素： 1 )時鐘頻率和序號 這個指標(biāo)將控制數(shù)據(jù)處理的速度 2 )可擴(kuò)展存儲器 （包括ROM和RAM）的質(zhì)量 3 )指令系統(tǒng)功能影響編程靈活性 4 )I/O擴(kuò)展的能力即對外設(shè)備的控制能力 5 )開發(fā)手段包括支持開發(fā)的軟件和硬件的電路 此外還要考慮到系統(tǒng)應(yīng)用場合，控制對象對各種參數(shù)的要求以及經(jīng)濟(jì)價格比等經(jīng)濟(jì)性的要求。 目前在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床上推薦采用MCS—51系列單片機(jī)作為主 控制器。 3.2.2（1） 存儲器擴(kuò)展電路設(shè)計 存儲器擴(kuò)展電路設(shè)計應(yīng)該包括程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器的擴(kuò)展。在選擇程序存儲器芯片時，要考慮CPO與EPRM時序的匹配，還應(yīng)考慮最大讀出速度，工作溫度及存儲器的容量等問題。 3.2.2（2） I/O口即輸入/輸出接口電路設(shè)計 應(yīng)包括接口芯片的選用。步進(jìn)電機(jī)控制電路鍵盤，顯示器的及其它輔助電路的設(shè)計。例如，復(fù)位電路越界報警電路，掉電保護(hù)電路等。 此外，不同的數(shù)控系統(tǒng)還要求配備不同的外設(shè)，這些部分的電路設(shè)計也應(yīng)包括。 3.2.2（3） MCS—51系列單片機(jī)簡介 MCS—51系列單片機(jī)是美國Intel公司在MCS—48系列單片微機(jī)基礎(chǔ)上推出的產(chǎn)品，于1980年問世，它的集成度很高是集片內(nèi)存儲器，片內(nèi)輸入/輸出部件和CPU于一體的優(yōu)良的單片機(jī)系統(tǒng)。在我國已廣泛地被應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床。MCS—51系列單片機(jī)主要有三種型號的產(chǎn)品。8031、8051和8751本數(shù)控銑床中使用的是8031芯片。因為8031片內(nèi)設(shè)有ROM，適用于需擴(kuò)展ROM。可在現(xiàn)場修改和更新程序存儲器的應(yīng)用場合，其價格底，使用靈活，非常適用。 1．8031單片機(jī)的基本特征 (1) 具有功能很強(qiáng)的8位中央處理單元（CPU） (2) 片內(nèi)有時鐘發(fā)生電路（6MHz或12MHz）、每執(zhí)行一指令時間為2μs或1μs (3) 片內(nèi)具有128字節(jié)RAM (4) 具有21個寄存器 (5) 可擴(kuò)展64K字節(jié)的外部數(shù)據(jù)存儲器和64K字節(jié)的外部程序存儲器 (6) 具有4個I/O口，32根I/O線 (7) 具有2個16位定位器/計數(shù)器 (8) 具有5個中斷源配備2個中斷優(yōu)先級 (9) 具有1個全雙功串行接口 (10) 具有位尋址能力，適用邏輯運算 由上述特性可知，一塊8031的功能幾乎相當(dāng)于一塊 280CPO，一塊RAM，一塊I80CTC，兩塊280CPO和一塊280SIO所組成的微機(jī)系統(tǒng)。可以看出這種芯片集成度高、功能強(qiáng)，只需加少量外圍器件就可以構(gòu)成一個完整的微機(jī)系統(tǒng)。 3.2.2（4） 存儲器擴(kuò)展電路設(shè)計 (1) MCS—51的程序存儲器的尋址空間為64K字節(jié)，8031片內(nèi)不帶ROM用作程序存儲器的器件是EPROM。 常用的半導(dǎo)體ROM芯片是2716、2764、2732、27128、27256、27512。芯片均為28腳、雙列直插式扁平封裝芯片引腳向下兼容。Vpp是編程電壓端，PGM是編程控制編OE是輸出使能端，CS是片選端它們均為低電平有效，2764的等26引腳空。（CN）未用、當(dāng)CS和OE均為低電平時，芯片被選中，其存儲內(nèi)容從數(shù)據(jù)端輸出即處于Dout狀態(tài)，在編程時，從數(shù)據(jù)端輸入要存儲信息，數(shù)據(jù)腳處于數(shù)據(jù)輸入Dzn狀態(tài)，編程時PGM必須為低，使數(shù)據(jù)寫入芯片，由于單片機(jī)8031芯片的P0口是分時傳送低8位地址線 和數(shù)據(jù)線，故8031擴(kuò)展系統(tǒng)中一定要有地址鎖存器。常用的地址鎖存器芯片是74LS373。74LS373是帶三太緩沖輸出的8D觸發(fā)器。其引腳及語8031芯片連接圖見圖4-2。 圖4-2 8031 引腳及語8031芯片連接圖 當(dāng)G=“1”時，74LS373輸出端1Q~8Q與輸入端1Q~8Q相同,當(dāng)G為下降沿時，將輸入數(shù)據(jù)鎖存。 （2）數(shù)據(jù)存儲器的擴(kuò)展 由于8031芯片內(nèi)部RAM只有28字節(jié)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足系統(tǒng)的要求，須擴(kuò)展片外的數(shù)據(jù)存儲器RAM。 常用靜態(tài)RAM芯片游116（2K*8）、6246（8K*8）,62256（32K*8）等，6246、62256均采用CMOS工藝，由單一5V供電，典型存儲時間為150~200ns。它們均采用28腳雙列直插式扁平封裝，其引腳及邏輯符號見圖4-3。 圖4-3 RAM芯片引腳及邏輯符號見圖 （3）譯碼電路設(shè)計 8031單片機(jī)允許擴(kuò)展64K程序存儲器核4K數(shù)據(jù)存儲器（包括I/O芯片），這樣就需要擴(kuò)展多哥外圍芯片，因而需要把外圍地址 空間分配給這些芯片，并且使程序存儲其各芯片之間、數(shù)據(jù)存儲器 (之間包括I/O芯片）地址互相不重疊，以使單片機(jī)訪問外部存儲器時，避免發(fā)生沖突。當(dāng)8031數(shù)據(jù)總線分時地與各個外圍芯片盡心數(shù)據(jù)傳誦時，首先要進(jìn)行片選（指選中某一個芯片），而當(dāng)片內(nèi)有多字節(jié)單元時，還要進(jìn)行片內(nèi)地址選擇。 3.2.2（5） I/O借口電路及輔助電路設(shè)計 8155：可編程RAM/IO擴(kuò)展借口（256個RAM單元、2閣位口、1 個8位口、1個4位的定時/計數(shù)器） 8255：可編程的通用并行借口電路（3個8位口）, 8255是Intel公司生產(chǎn)的可編程 輸入輸出接口芯片，它具有3個8位的并行I/O口，分別PA、PB、PC口，PC口又分為高4（PC7~PC4）和低4位（PC3~PC0），它們都可以通過軟件編程來改變I/O口的工作,方式。 3.2.2（6）硬件環(huán)行分配器 目前市場上提供的國產(chǎn)TTL集成脈沖分配器有三相、四相、五相和六相，其型號分別為YBOB、YB014、YB015及YB016，均為18個引腳的直插式封裝。其主要性能參數(shù)列表： 輸出高電平（V）≥ 輸出低電平（V）≤ 輸入低電平≤ 輸入高電平（V）≥ 吸收電流（mA） 工作頻率（kHz) 電源電壓（V） 環(huán)境溫度（℃）　　　 2.4 0.4 0.8 2.4 1.6 0~160 5±0.5 0~+70 圖4-4 8155與8255A的引腳圖 3.3 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控銑床微機(jī)控制系統(tǒng)硬件電路原理圖 （1）x向y向和z向的進(jìn)給伺服運動 （2）鍵盤顯示 （3）面板管理 （4）行程控制 （5）其他功能 例光電偶合電路、功率放大電路、紅綠燈顯示等。 CPU采用8031芯片，由于8031芯片內(nèi)無程序存儲器，需要有外部程序存儲器的支持，同時8031內(nèi)部只有128字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器，也遠(yuǎn)不能滿足控制系統(tǒng)的要求。故擴(kuò)展了16KB程序存儲器由兩片2732組成，又?jǐn)U展了一片6264數(shù)據(jù)存儲器。8031芯片的P0和PW用來傳遞外部存儲器的地址和數(shù)據(jù)，P2口傳送高8位地址，P0口傳送低8位地址和數(shù)據(jù)，故要采用74LS373地址鎖存器鎖存低8位地址，ALE作為其選通信號，當(dāng)ALE為高電平，鎖存器的輸入和輸出透明，即輸入的低8位存儲器地址在輸出端出現(xiàn)，此時不需要鎖存。當(dāng)ALE從高電平變低電平，出現(xiàn)下降沿時，低8位地址鎖存入地址鎖存器中，74LS373的輸出不在隨輸入變化，這樣P0口就可用來傳送讀寫的數(shù)據(jù)了。8031芯片的P2口和74LS373的送出的P0口共組成16位地址，2764和6264芯片都是8KB，需13根地址線。A0~A7低8位接74LS373芯片的輸出，A8~A12接8031芯片的P2.0~P2.4。系統(tǒng)采用全地址譯碼，兩片2764芯片選信號CE風(fēng)別接74LS138譯碼器的Y0和Y1，系統(tǒng)復(fù)位以后程序從000H開始執(zhí)行。由于8031芯片內(nèi)部沒有ROM故。 I/O接口電路：由于8031只有P1口和P2口部分能提供用戶作為I/O 口使用，不能滿足輸入輸出口的需要，因而系統(tǒng)必須擴(kuò)展輸入輸出接口電路。從圖可知，系統(tǒng)擴(kuò)展了一片8155和一片8255可編程I/O接口芯片?？删幊蘄/O芯片的片選CE接口74LS138I/O借口芯片外設(shè)的連接是這樣安排的；8155芯片PA0~PA7作為顯示器的段選信號是輸出PB0~PB1是顯示器的位選信號是輸出PL0~PL4根線是鍵盤的掃描輸入，8155芯片的IO/M引腳接8031芯片的P2。因為使用8155的I/O口故P2.0為高電平。 8255芯片PA0~PA6接x向、向和z向步進(jìn)電機(jī)硬件環(huán)行分配器，為輸出，PB0~PB7為三個方向的點動及回零輸入，PC0~PC5為面板上的選擇開關(guān)，設(shè)有編輯，單步運行，單段運行、自動、手動Ⅰ、手動Ⅱ等形式。 其他輔助電路設(shè)有越界報警和急停處理電路。±X、±Y、±Z方向的越界和急停信號經(jīng)門引入89031的P3.2，中斷源INT0，同時又接到8031的P1口，采用硬件申請中斷和元件查詢的方法，這樣無論哪個方向越界都會引起中斷，在中斷服務(wù)程序中，通過軟件產(chǎn)尋的辦法，便可確定哪個方向越界。還有相應(yīng)的紅燈亮報警。另外，還有上點和按鈕相結(jié)合的復(fù)位電路、光電隔離電路和功率放大電路等。 4 實驗臺功能原理及插補(bǔ)算法 本章主要是為數(shù)控銑床實驗臺的CNC裝置的實現(xiàn)而對其進(jìn)行具體的功能原理分析和算法設(shè)計。 數(shù)控銑床對零件的加工，是通過對所加工的零件形狀、尺寸進(jìn)行量化數(shù)學(xué)描述而得到加工程序，再經(jīng)過計算機(jī)譯碼、解釋執(zhí)行，控制機(jī)床各坐標(biāo)軸運動，使刀具以加工程序所描述的形狀和尺寸為軌跡做運動，最終加工出所需形狀和尺寸的零件。數(shù)控車削加工在插補(bǔ)方面有自己的特點。 4.1車削數(shù)控原理、實驗臺插補(bǔ)功能要求和插補(bǔ)算法的選擇 4.1.1車削數(shù)控原理 車削加工是由工件的運動產(chǎn)生切削主運動，而刀具只進(jìn)行加工進(jìn)給運動。C軸旋轉(zhuǎn)是主運動，X、Z軸方向是進(jìn)給運動。 因為一般數(shù)控銑床是對刀具的X、Z方向進(jìn)給運動進(jìn)行控制，對主軸則具有調(diào)速能力既可。數(shù)控銑床對X、Z軸進(jìn)給運動的控制是通過數(shù)字插補(bǔ)的方法進(jìn)行的。 4.1.2 實驗臺插補(bǔ)功能要求 本課題設(shè)計的數(shù)控銑床實驗臺只要求基本的X、Z軸直線和圓弧插補(bǔ)的控制能力。 4.1.3 實驗臺插補(bǔ)算法的選擇 數(shù)控銑床加工的各種工件輪廓，大部分由直線和圓弧這種簡單、基本的曲線構(gòu)成。插補(bǔ)的任務(wù)就是根據(jù)進(jìn)給速度的要求，在輪廓起點和終點之間計算出若干個中間點的坐標(biāo)值。由于每個中間點計算所需的時間直接影響系統(tǒng)的控制速度，而插補(bǔ)中間點坐標(biāo)值的計算精度又影響到CNC系統(tǒng)的控制精度，所以插補(bǔ)算法是整個CNC系統(tǒng)控制的核心。 目前應(yīng)用的插補(bǔ)算法主要分脈沖增量插補(bǔ)和數(shù)字增量插補(bǔ)兩類。 脈沖增量插補(bǔ)算法的特點是每次插補(bǔ)結(jié)束只產(chǎn)生一個行程增量，以一個個脈沖的方式輸出給步進(jìn)電機(jī)。這類插補(bǔ)的實現(xiàn)方法比較簡單，通常只用加法和移位即可完成插補(bǔ)，故其易用硬件實現(xiàn)，且運算速度很快；目前也有用軟件來完成這類算法的，但僅適用于一些中等精度或中等速度要求的CNC系統(tǒng)。因這類算法通常需要大約20余條指令，如果CPU時鐘為50Hz，那么計算一個脈沖當(dāng)量的時間約為40μs，當(dāng)脈沖當(dāng)量為1μm時，可以達(dá)到的極限速度為1.5m/min；如果要控制兩個或兩個以上的坐標(biāo)時，速度還將進(jìn)一步降低。當(dāng)然，可用損失精度的辦法來提高速度。 數(shù)字增量插補(bǔ)算法的特點是插補(bǔ)運算分兩步完成。第一步是粗插補(bǔ)，即在給定起點和終點的曲線之間插入若干個點，用若干條微小直線段來逼近給定曲線，每一微小直線段的長度△l相等，且與給定的進(jìn)給速度有關(guān)。粗插補(bǔ)在每個插補(bǔ)運算周期中計算一次，因此每一微小直線段的長度△l與進(jìn)給速度F和插補(bǔ)周期T有關(guān)，即△l=FT。粗插補(bǔ)的特點是把給定的一條曲線用一組直線段來逼近。第二步為精插補(bǔ)，它是在粗插補(bǔ)時算出的每一條微小直線段上再做“數(shù)據(jù)點的密化”工作，這一步相當(dāng)于對直線的脈沖增量插補(bǔ)。 根據(jù)插補(bǔ)采用計算方法的不同,有許多種插補(bǔ)方法,如逐點比較法, 數(shù)字積分法,最小偏差法,比較積分法,時間分割直線插補(bǔ)算法等。不同算法適用于不同的場合。在普通的CNC裝置中，逐點比較法和數(shù)字積分法獲得了廣泛的應(yīng)用。這些插補(bǔ)算法最初是用在硬件數(shù)控裝置中，現(xiàn)在也可用軟件來實現(xiàn)。 本文所采用的插補(bǔ)算法為數(shù)字積分法，下面重點介紹該插補(bǔ)算法。 4.2數(shù)字積分插補(bǔ)法 數(shù)字積分法又稱數(shù)字微分分析器（DDA），它不僅可方便地實現(xiàn)一次、二次曲線的插補(bǔ)，還可用于各種函數(shù)運算，而且易于實現(xiàn)多坐標(biāo)聯(lián)動，所以DDA插補(bǔ)的使用范圍較廣。 4.2.1數(shù)字積分插補(bǔ)法的基本原理 數(shù)字積分插補(bǔ)法的基本原理可用函數(shù)積分來說明。從微分的幾何概念來看，從時刻=0到求函數(shù)曲線所包圍的面積時，可用積分公式 （4-1） 如果將0～t的時間劃分成時間間隔為△t的有限區(qū)間，當(dāng)△t足夠小，可得近似公式 （4-2） 式中為 t＝ti 時的值。此公式說明，求積分的過程就是用數(shù)的累加來近似代替，其幾何意義就是用一系列微小矩形面積之和來近似表示函數(shù)以下的面積。在數(shù)字運算時，若△t一般取最小的基本單位“1”，上式則稱之為矩形公式，并簡化為 （4-3） 如果將△t取得足夠小，就可以滿足我們所需要的精度。實現(xiàn)這種近似積分法的數(shù)字積分器稱為矩形數(shù)字積分器。 設(shè)置一個累加器，而且令累加器的容量為一個單位面積。用此累加器來實現(xiàn)這種累加運算，則累加過程中超過一個單位面積時必然產(chǎn)生溢出，那么，累加過程中所產(chǎn)生的溢出脈沖總數(shù)就是要求的面積近似值，或者說是要求的積分近似值。 是實現(xiàn)這種累加運算的基本邏輯框圖。它由函數(shù)值寄存器，與門，累加器及面積寄存器等部分組成。其工 作原理為每來一個△t脈沖，與門打開一次，將函數(shù)值寄存器中的函數(shù)值送往累加器相加一次。當(dāng)累加和超過累加器的容量時，便向面積寄存器發(fā)出溢出脈沖。面積寄存器累計此溢出脈沖,累加結(jié)束后，面積寄存器的計數(shù)值就是面積積分近似值。 4.2.2數(shù)字積分法的硬件插補(bǔ) (1)直線插補(bǔ) 設(shè)在平面中有一直線OA，其起點為坐標(biāo)原點0，終點為A(xe，ye)，則該直線的方程為 （4-4） 將上式化為對時間的參量方程 （4-5） 式中K——比例系數(shù)。 再對參量方程對t求微分得 dx＝Kxedt，dy＝Kyedt （4-6） 然后再積分可得： （4-7） 上式積分如果用累加的形式表達(dá)，則近似為 （4-8） 式中△t=1。寫成近似微分形式為 （4-9） 動點從原點出發(fā)走向終點的過程，可以看作是各坐標(biāo)軸每隔一個單位時間△t，分別以增量Kxe。及Kye同時對兩個累加器累加的過程。當(dāng)累加值超過一個坐標(biāo)單位（脈沖當(dāng)量）時產(chǎn)生溢出。溢出脈沖驅(qū)動伺服系統(tǒng)進(jìn)給一個脈沖當(dāng)量，從而走出給定直線。 若經(jīng)過m次累加后，x和y分別到達(dá)終點（xe，ye），即下式成立： （4-10） 由此可見，比例系數(shù)k和累加次數(shù)之間有如下關(guān)系： Km=1 即 m=1/K （4-11） K的數(shù)值與累加器的容量有關(guān)。累加器的容量應(yīng)大于各坐標(biāo)軸的最大坐標(biāo)值。一般二者的位數(shù)相同，以保證每次累加最多只溢出一個脈沖。設(shè)累加器有n位，則 （4-12） 故累加次數(shù) （4-13） 上述關(guān)系表明，若累加器的位數(shù)為n，則整個插補(bǔ)過程中要進(jìn)行次累加才能到達(dá)直線的終點 因為 ( n為寄存器的位數(shù))，對于存放于寄存器中的二進(jìn)制數(shù)來說Kxe（或Kye）與xe（或ye）是相同的，可以看作前者小數(shù)點在最高位之前，而后者的小數(shù)點在最低位之后。所以，可以用xe直接對X軸累加器進(jìn)行累加，用ye直接對Y軸的累加器進(jìn)行累加。 平面直線的插補(bǔ)運算框圖，