502型立式铣床数控化改造(电气部分设计)

1、 xx大学毕业设计（论文）课题题目：单片机控制的数控车床实验台系 科： 机械工程系 学生姓名： 学 号： 专 业： 机电一体化 指导教师： 完成时间： 2008.5.17 摘 要随着数控技术的飞速发展，机械制造业的生产方式、产品结构、发生了深刻的变化。在我国数控机床的发展过程中，MCS-51系列单片机在数控技术领域中得到广泛应用，经济型数控系统大多采用MCS-51系列单片机。本文在分析了数控车床的特点和实验台应该具备的功能后，确定采用基于单片机控制的系统总体结构方案。设计方案由系统硬件结构和系统软件结构两部分组成。关键词：数字控制，单片机系统，数控车床ABSTRACTWith the deve

2、lopment 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 des

3、igned 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

4、, numeric control, single microcomputer system目 录1 引言1.1 数控机床的产生与发展1.2 我国数控机床的发展概况1.3 本课题研究的背景2 数控车床实验台的性能要求2.1 数控机床的组成及工作原理 2 .1.1 数控机床的组成2 .2.2 数控机床的工作原理2.2 数控车床的特点2.3 数控车床实验台的方案设计 2.3.1 普通车床数控化改造的条件2.3.2 普通车床数控化改造的一般步骤2.3.2（1） 主要机械部件改造2.3.2（2）主传动的数控改造2.3.2（3） 进给传动的数控改造2.3.3总体方案设计论证与确定 2.3.3（1） 运动

5、方式的确定2.3.3（2） 行机构传动方式的确定2.3.3（2） 运动方式与伺服系统的选择2.3.3（3） 机械传动方式的确定2.4 数控车床实验台的性能要求3 实验台硬件系统的实现3.1 数控车床实验台硬件系统设计遵循的原则3.2 微机控制的数控车床实验台硬件系统的具体设计.3.2.1绘制系统电气控制的结构框图3.2.2选择中央处理单元CPU的类型3.2.2（1 ）存储器扩展电路设计3.2.2（2 ）I/O口即输入/输出接口电路设计3.2.2（3） MCS51系列单片机简介3.2.2（4 ）存储器扩展电路设计3.2.2（5） I/O借口电路及辅助电路设计3.2.2（6） 硬件环行分配器3.3

6、 经济型数控车床微机控制系统硬件电路原理图 4 实验台功能原理及插补算法4.1车削数控原理、实验台插补功能要求和插补算法的选择4.2数字积分插补法参考文献 中英文翻译附 录致 谢1 引言数字控制（numerical controlNC）简称数控，是一种利用数字化信息对设备运动及加工过程进行控制的一种自动化技术。将数控技术实施到加工控制中去的机床，或者说装备了数控系统的机床被称为数控（NC）机床。数控机床作为一种使用广泛、典型的机电一体化产品，综合应用了微电子技术、计算机技术、自动控制、精密测量和机床结构等方面的最新成就，是一种高效自动化机床。数控系统不仅能控制机床各种动作的先后顺序，还能控制机

7、床运动部件的运动速度以及刀具的运动轨迹。由于数控机床的高效率、高精度和高柔性代表了机床的主要发展方向，所以它已经成为目前机加工自动化生产过程中最具代表性的核心设备，且成为计算机辅助设计与制造、柔性制造系统、计算机集成制造系统等柔性加工和柔性制造系统的基础。1.1 数控机床的产生与发展1.1.1 数控机床的产生随着科技的不断发展，对各种产品的质量和生产效率提出了高要求。产品加工过程的自动化是实现高质量、高效率的重要措施。飞机、汽车等生产企业大多采用自动机床、组合机床和自动生产线，从而保证了产品质量，提高了生产效率和减轻了操作者的劳动强度。但是，在产品加工中，单件、小批量生产的零件约占机加工总量的

8、80以上。对这些多品种、小批量、形状复杂、精度要求高的零件的加工，采用专业化程度高的自动机床和自动生产线就很不合适。在市场经济大潮中，产品竞争日趋激烈，为求得生存与发展，各企业纷纷在提高产品技术档次、增加产品种类、缩短试制与生产周期和提高产品质量上下功夫，即使批量较大的产品，也不大可能多年不变，必须经常开发新产品，频繁地更新换代。传统的自动化生产线难以适应小批量、多品种生产要求。为了解决上述问题，一种灵活、高精度、高效率的自动化设备数控机床应运而生。1952年美国帕森斯公司和麻省理工学院在美空军的委托下，合作研制出世界上第一台三坐标数控铣床，完成了直升飞机叶片轮廓检查用样板的加工。这是一台采用

9、专用计算机进行运算与控制的直线插补轮廓控制数控铣床。经过三年的试用、改进与提高，数控机床于1955年进入实用化阶段，在复杂曲面的加工中发挥了重要作用。尽管这种初期数控机床采用电子管和分立元件硬接线电路来进行运算和控制，体积庞大而功能单一，但它采用了先进的数字控制技术，具有强大的生命力，它的出现开辟了工业生产技术的新纪元。从此，数控机床在全世界得到了迅速发展。1.1.2数控机床的发展最早采用数字控制技术进行机械加工的想法，是在20世纪40年代初提出的。当时，美国北密执安的一个小型飞机工业承包商帕森斯公司在制造飞机框架及直升飞机叶片轮廓用样板时，利用计算机对叶片轮廓的加工路径进行了数据处理，并考虑

10、了刀具半径对加工路径的影响，使得加工精度达到0.0015in。1952年，美国麻省理工学院研制出的三坐标联动、利用脉冲乘法器原理的试验性数字控制系统是数控机床的第一代。1959年，电子行业研制出晶体管元器件，因而数控系统中广泛采用晶体管和印刷电路板技术，跨入了第二代。1959年3月，由美国克耐·杜列克公司发明了带有自动换刀装置的数控机床，称为“加工中心”。1960年，出现了小规模集成电路。由于其体积小、功耗低，使数控系统的可靠性进一步提高，数控系统发展到第三代。以上三代，都是采用专用控制的硬件逻辑数控系统（NC）。1967年，英国首先把几台数控机床连接成具有柔性的加工系统，这就是最初

11、的FMS（Flexible Manufacturing System）柔性制造系统。随着计算机技术的发展，小型计算机开始取代专用控制的硬件逻辑数控系统（NC），数控的许多功能由软件程序实现。由计算机作控制单元的数控系统（CNC），称为第四代。1970年前后，美国英特尔公司开发和使用了微处理器。1974年，美、日等国首先研制出以微处理器为核心的数控系统的数控机床。20多年来，微处理器数控系统的数控机床得到了飞速发展和广泛应用，这就是第五代数字控制（MNC），后来将MNC也统称为CNC。20世纪80年代初，国际上又出现了柔性制造单元FMC。FMC和FMS被认为是实现计算机集成制造系统CIMS的基础

12、。 数字控制系统的许多优点使数控机床得到广泛发展，数控技术还被广泛应用于工业机器人、数控线切割机、数控火花切割机、坐标测量机、绘图仪等设备上。1.2我国数控机床的发展概况我国对数控系统的研究开发始于50年代，但真正得到发展是从80年代开始，经历了“六五”、“七五”期间的消化吸收引进技术，“八五”期间科技攻关开发自主产权数控系统两个阶段，已为数控机床的产业化奠定了良好的基础。“九五”期间数控机床发展已进入实现产业化阶段。数控机床新开发品种300多个，已有一定的覆盖面。新开发的国产数控机床产品大部分达到国际80年代中期水平，部分达到90年代水平，为国家重点建设提供了一批高水平数控机床。我国数控系统

13、在技术上已趋于成熟，在重大关键技术上（包括核心技术），已达到国际先进水平。目前，已新开发数控系统80多种。自“七五”以来，国家一直把数控系统的发展作为重中之重来支持，现已开发出具有中国版权的数控系统，掌握了国外一直对我国封锁的一些关键技术。特别重要的是，我国数控系统的可靠性已有很大提高，MTBF值可以在15000h以上。同时大部分数控机床配套产品已能国内生产，自我配套率超过60%。这些成功为中国数控系统的自行开发和生产奠定了基础。1.3本课题研究的背景单片微型计算机简称单片机，是将计算机的基本部件微型化，使之集成为一块芯片的微机。片内含有CPU、ROM、RAM、并行I/O接口、串行I/O接口、

14、定时器计数器、中断系统、系统时钟及系统总线等。MCS-51 单片机在片内存储器容量、I/O的功能以及指令系统功能等方面都大大地得到加强，特别适用于实时控制、智能仪表、主从结构的多机系统领域，是控制领域中最理想的8位机。MCS-51系列单片机具有集成度高、系统结构简单、可靠性高、处理功能强、速度高、容易产品化等特性，因此在我国数控机床发展过程中，经济型数控系统大多采用MCS-51型系统单片微型计算机，它是超大规模集成电路发展的产物，在数控领域得到广泛应用。2 数控车床实验台的性能要求2.1数控机床的组成及工作原理2.1.1数控机床的组成数控机床的组成如图2-1所示。图2-1 数控机床的组成计算机

15、数控装置是数控机床的核心。其根据输入的零件加工程序或操作命令进行相应的处理，输出控制命令到相应的执行部件，完成零件加工程序或操作所要求的工作。伺服单元和驱动装置包括主轴伺服驱动装置、主轴电动机、进给伺服驱动装置及进给电动机。测量装置是实现主轴控制、进给速度闭环控制和进给位置闭环控制的必要装置。主轴伺服系统实现零件加工的切削运动，进给伺服系统实现零件加工所需的成形运动。操作面板，是操作人员与数控机床（系统）进行信息交互的工具，主要由按钮站、状态灯、按键阵列和显示器等部分组成。操作人员通过它对数控机床进行操作、编程、调试或对机床参数进行设定和修改，也可以通过它了解或查询数控机床的运行状态。控制介质

16、是人与机床建立联系的介质。程序输入输出设备是CNC系统与外设进行信息交互的装置，目前数控机床常用的控制介质和程序输入输出设备是磁盘和磁盘驱动器等。此外，现代数控系统一般可利用通信方式进行信息交换。这种方式是实现CADCAM的集成、FMS和CIMS的基本技术。PLC用于进行与逻辑运算、顺序动作有关的IO控制，它由硬件和软件组成。机床IO电路和装置是用于实现IO控制的执行部件，由继电器、行程开关、接触器等组成的逻辑电路。它们共同完成以下任务：接受CNC的M、S、T指令，对其进行译码并转换成对应控制信号，控制辅助装置完成机床相应的开关动作；接受操作面板和机床传送来的IO信号，送给CNC装置，经其处理

17、后，输出指令控制CNC系统的工作状态和机床的动作。机床本体是数控系统的控制对象，实现加工零件的执行部件，由主运动部件、进给运动部件、支承件以及特殊装置、自动工件交换系统、自动刀具交换系统和辅助装置组成。数控机床的组成相对普通机床有以下几个特点：由于大多数控机床采用高性能的主轴及伺服传动系统，因此它的机械传动结构得到简化，传动链较短；为适应数控机床连续自动化加工，它的机械结构具有较高的动态刚度、阻尼精度及耐磨性，热变形小；更多采用高效传动部件，如滚珠丝杠副等；不少还采用刀库和自动换刀装置以提高工作效率。2.1.2 数控机床的工作原理数控加工与普通机加工不同点主要表现在控制方式上。用普通机床加工零

18、件时，工步的安排、机床运动的先后次序、走刀路线及有关切削参数的选择等，都由操作者自行确定，而且用手工方式来进行控制。操作者总是根据零件和工序卡要求，在加工过程中不断改变刀具与工件的相对运动轨迹和加工参数（位置、速度等），使刀具对工件进行切削，得到所需的合格零件。如采用自动车床、仿形车床和仿形铣床加工，也能达到对加工过程实现自动控制的目的，但控制方式是通过预先配置的凸轮、挡块及靠模来实现的。在CNC机床上，传统加工过程中的人工操作均被数控系统的自动控制所取代。其工作过程是：首先将刀具与工件的相对运动轨迹、加工过程中主轴速度和进给速度的变换、冷却液的开关、工件和刀具的交换等控制和操作，按规定的代码

19、和格式编加工程序，然后将该程序送入数控系统。数控系统则按照程序要求，先进行相应的运算、处理，然后发出控制命令，使各坐标轴、主轴以及辅助动作相互协调，实现刀具与工件的相对运动，自动完成零件的加工。CNC系统的数据转换过程如图2-2所示。图2-2 CNC系统的数据转换过程译码程序的主要功能是将用文本格式（通常用 ASC II码）表达的零件加工程序，以程序段为单位转换成刀补处理程序所要求的数据结构（格式），该数据结构用来描述一个程序段解释后的数据信息。它主要包括：X、Y、Z等坐标值，进给速度，主轴转速，G代码，M代码，刀具号，子程序处理和循环调用处理等数据或标志的存放顺序和格式。为方便编程，零件加工

20、程序通常是按零件轮廓或按工艺要求设计的进给路线编制的，而数控机床在加工过程中控制的是刀具中心（准确说是刀位点）轨迹，因此在加工前必须将编程轨迹变换成刀具中心的轨迹。刀补处理就是完成这种转换的处理程序。数控编程提供了刀具运动的起点、终点和运动轨迹，而刀具怎么从起点沿运动轨迹走向终点则由数控系统的插补装置或插补软件来控制。该程序以系统规定的插补周期T定时运行，它将由各种线形（直线、圆弧等）组成的零件轮廓，按程序给定的进给速度F，实时计算出各个进给轴在T内的位移指令（X1、Y1），并送给进给伺服系统，实现成形运动。插补计算的原理及插补与加工精度的关系将在后面进一步讨论。CNC系统对机床的控制分为对各

21、坐标轴的速度和位置的“轨迹控制”和对机床动作的“顺序控制”或称“逻辑控制”。后者是指在数控机床运行过程中，以CNC内部和机床各行程开关、传感器、按钮、继电器等开关信号状态为条件，并按预先规定的逻辑关系对诸如主轴的起停、换向，刀具的更换，工件的夹紧、松开，液压、冷却、润滑系统的运行等进行的控制。PLC控制就是实现上述功能的功能模块。通过以上介绍可知：数控加工原理就是将预先编好的加工程序以数据的形式输人数控系统，数控系统通过译码、刀补处理、插补计算等数据处理和PLC协调控制，最终实现零件的自动化加工。2.2数控车床的特点通常数控车床由床身、主轴箱、刀架、进给系统和冷却系统等几部分组成,其结构特点主

22、要体现在进给系统、刀架等方面。由于实现了CNC,进给装置用伺服电机驱动,以连续控制刀具的纵向(Z轴)和横向(X轴)的运动,完成对回转体零件的内外型面的加工。进给系统中没有走刀箱、溜板箱和挂轮架，直接用伺服电机通过滚珠丝杠副驱动溜板和刀架进给，大大简化了进给系统的结构，传动链路线短，刚性好,加工精度高。由于刀架移动采用滚珠丝杠副,因而运动轻巧。刀架是数控车床的重要部件，对车床的整体布局影响很大，两坐标连续控制的数控车床一般采用4、8、10工位的回转刀盘。在车床上加工零件时,工件装夹在三爪卡盘上,随主轴一起绕轴旋转。车刀固定在走刀架上,随刀架一起沿车床的纵轴(Z轴)和横轴(X轴)移动。车刀刀尖的直

23、线运动与工件的旋转运动形成切削表面。由于工件只随主轴旋转，所以在车床上加工零件的基本形状是一个绕主轴( Z轴)的回转体。车床加工的工件以柱面、锥面和球面为基本形状，其它形状都是由这些基本形状组合而成。上述三种基本形状的图形都要求车刀刀尖走出二种基本的轨迹，即直线和圆弧。以上分析的车床的运动为连续动作，即要求控制对象（车刀）在平面走出连续的轨迹。车床还有一些辅助运动，如：主轴的正反转与停止冷却泵的启动与停止等运动。这些辅助运动属于断续的开关动作。所以，车床的动作包括连续动作和开关动作。2.3数控车床实验台的方案设2.3.1 普通车床数控化改造的条件并不是所有的旧机床都适合于数控改造。改造的机床应

24、具备如下几个条件。(1)机床基础件需说明书、图纸等完整设计请加叩叩亲，由于某些原因，没有上传完整的毕业设计（完整的应包括毕业设计说明书、相关图纸CAD/PROE、中英文文献及翻译等），此文档也稍微删除了一部分内容（目录及某些关键内容）如需要的朋友，请联系我的叩扣:，数万篇现成设计及另有的高端团队绝对可满足您的需要. 此处删除XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX约5000字,需完整说明书联系Q。速度控制等；手动控制:点动进给,手摇脉冲发生器控制,手动速度调整。(2)刀具控制自动换刀；刀具使用状态监测；刀具参数值设置。(3)

25、保护控制正负行程的软、硬限位；进给高低速限制。(4)辅助功能控制:包括冷却、照明。2.4.2 操作功能(1)运动方式选择程序运行:自动运行、单步运行、暂停及暂停恢复，空运行，坐标参考值设置；手轮运行:对系统轴的正负向运动进行控制；MDI方式:手动程序数据输入。(2)程序操作程序的输入输出:手工键盘输入、网络通讯输入等；程序的编辑；程序管理。(3)显示操作系统状态显示:包括I/O信号监测、运行方式选择、正在使用的刀具信息等；位置显示:机床坐标系的位置报告,工件坐标系的绝对/相对位置报告等；故障报警。2.4.3 诊断功能(1)编程错误提示 (2)操作错误提示 (3)执行错误提示 3 实验台硬件系统

26、的实现3.1数控车床实验台硬件系统设计遵循的原则为使数控车床实验台硬件系统设计趋向合理化，在设计过程中着重考虑如下几个方面：(1) 尽量选用标准化、模块化的典型电路,从而提高设计的成功率。(2) 尽量选用功率强、集成度高的微机芯片,因为采用这种器件可能代替某一部分电路,使系统可靠性增加。(3) 注意选用通用性强、市场货源充足的元器件。(4) 系统的扩展及各功能模块的设计在满足应用系统功能要求的基础上,留有适当的余地,以备将来进行修改、扩展。(5) 努力采用最新的一些技术,因为电子技术发展迅速,器件更新换代很快,市场上不断推出性能更优、功能更强的芯片。(6) 电路设计时,充分考虑应用系统各部分的

27、驱动能力,因为不同的电路有不同的驱动能力,对后级系统的输入阻抗要求也不一样。实验表明:如果阻抗匹配不恰当,系统的驱动能力不够,可能导致系统的不可靠性甚至于使系统无法进行工作。值得一提的是,系统的不可靠性很难通过一般的测试手段来确定。因此,在电路的设计过程中,应该特别注意系统的驱动能力、尽量减少系统的损耗。(7) 电路设计过程中要注意电平的匹配,TTL和CMOS电平单片机扩展时,不应该超过其驱动能力,如CMOS电路不使用的输入端不允许浮空,否则会引起逻辑电平不正常,容易接受外界干扰产生错误动作。(8) 系统的抗干扰设计,这个问题在硬件设计中也有十分重要的意义。3.2微机控制的数控车床实验台硬件系

28、统的具体设计.3.2.1绘制系统电气控制的结构框图 根据总体方案及机械结构的控制要求，确定硬件电路的总统方案, 绘制系统电气控制的结构框图。如图4-1RAM ROM CPUI/O接口光电隔离步进电机外 设键盘、显示器即其他 图4-1 结构框图数控系统是由硬件和软件两部分组成。硬件是组成系统的基础，有了硬件与软件才能有效地运行。硬件电路的可靠性直接影响到数控 系统性能的指标。机床硬件电路由以下五个部分组成：（1） 主控制器即中央处理单元CPU（2） 总线 包括数据总线、地址总线和控制总线（3） 存储器 包括程序存储器和数据存储器（4） 接口 即I/O输入/输出接口（5） 外围设备 如键盘、显示器

29、及光点输入机等。3.2.2选择中央处理单元CPU的类型 在微机应用系统中CPU的选择应考虑以下因素： 1 )时钟频率和序号 这个指标将控制数据处理的速度 2 )可扩展存储器 （包括ROM和RAM）的质量3 )指令系统功能影响编程灵活性 4 )I/O扩展的能力即对外设备的控制能力 5 )开发手段包括支持开发的软件和硬件的电路 此外还要考虑到系统应用场合，控制对象对各种参数的要求以及经济价格比等经济性的要求。目前在经济型数控机床上推荐采用MCS51系列单片机作为主 控制器。3.2.2（1） 存储器扩展电路设计存储器扩展电路设计应该包括程序存储器和数据存储器的扩展。在选择程序存储器芯片时，要考虑CP

30、O与EPRM时序的匹配，还应考虑最大读出速度，工作温度及存储器的容量等问题。3.2.2（2） I/O口即输入/输出接口电路设计应包括接口芯片的选用。步进电机控制电路键盘，显示器的及其它辅助电路的设计。例如，复位电路越界报警电路，掉电保护电路等。此外，不同的数控系统还要求配备不同的外设，这些部分的电路设计也应包括。3.2.2（3） MCS51系列单片机简介MCS51系列单片机是美国Intel公司在MCS48系列单片微机基础上推出的产品，于1980年问世，它的集成度很高是集片内存储器，片内输入/输出部件和CPU于一体的优良的单片机系统。在我国已广泛地被应用于经济型数控机床。MCS51系列单片机主要

31、有三种型号的产品。8031、8051和8751本数控车床中使用的是8031芯片。因为8031片内设有ROM，适用于需扩展ROM。可在现场修改和更新程序存储器的应用场合，其价格底，使用灵活，非常适用。18031单片机的基本特征(1) 具有功能很强的8位中央处理单元（CPU）(2) 片内有时钟发生电路（6MHz或12MHz）、每执行一指令时间为2s或1s(3) 片内具有128字节RAM(4) 具有21个寄存器(5) 可扩展64K字节的外部数据存储器和64K字节的外部程序存储器(6) 具有4个I/O口，32根I/O线(7) 具有2个16位定位器/计数器(8) 具有5个中断源配备2个中断优先级(9)

32、具有1个全双功串行接口(10) 具有位寻址能力，适用逻辑运算由上述特性可知，一块8031的功能几乎相当于一块 280CPO，一块RAM，一块I80CTC，两块280CPO和一块280SIO所组成的微机系统。可以看出这种芯片集成度高、功能强，只需加少量外围器件就可以构成一个完整的微机系统。3.2.2（4） 存储器扩展电路设计(1) MCS51的程序存储器的寻址空间为64K字节，8031片内不带ROM用作程序存储器的器件是EPROM。常用的半导体ROM芯片是2716、2764、2732、27128、27256、27512。芯片均为28脚、双列直插式扁平封装芯片引脚向下兼容。Vpp是编程电压端，PG

33、M是编程控制编OE是输出使能端，CS是片选端它们均为低电平有效，2764的等26引脚空。（CN）未用、当CS和OE均为低电平时，芯片被选中，其存储内容从数据端输出即处于Dout状态，在编程时，从数据端输入要存储信息，数据脚处于数据输入Dzn状态，编程时PGM必须为低，使数据写入芯片，由于单片机8031芯片的P0口是分时传送低8位地址线 和数据线，故8031扩展系统中一定要有地址锁存器。常用的地址锁存器芯片是74LS373。74LS373是带三太缓冲输出的8D触发器。其引脚及语8031芯片连接图见图4-2。图4-2 8031 引脚及语8031芯片连接图当G=“1”时，74LS373输出端1Q8Q

34、与输入端1Q8Q相同,当G为下降沿时，将输入数据锁存。（2）数据存储器的扩展由于8031芯片内部RAM只有28字节，远远不能满足系统的要求，须扩展片外的数据存储器RAM。常用静态RAM芯片游116（2K*8）、6246（8K*8）,62256（32K*8）等，6246、62256均采用CMOS工艺，由单一5V供电，典型存储时间为150200ns。它们均采用28脚双列直插式扁平封装，其引脚及逻辑符号见图4-3。 图4-3 RAM芯片引脚及逻辑符号见图（3）译码电路设计8031单片机允许扩展64K程序存储器核4K数据存储器（包括I/O芯片），这样就需要扩展多哥外围芯片，因而需要把外围地址 空间分配

35、给这些芯片，并且使程序存储其各芯片之间、数据存储器 (之间包括I/O芯片）地址互相不重叠，以使单片机访问外部存储器时，避免发生冲突。当8031数据总线分时地与各个外围芯片尽心数据传诵时，首先要进行片选（指选中某一个芯片），而当片内有多字节单元时，还要进行片内地址选择。3.2.2（5） I/O借口电路及辅助电路设计8155：可编程RAM/IO扩展借口（256个RAM单元、2阁位口、1 个8位口、1个4位的定时/计数器）8255：可编程的通用并行借口电路（3个8位口）, 8255是Intel公司生产的可编程 输入输出接口芯片，它具有3个8位的并行I/O口，分别PA、PB、PC口，PC口又分为高4（

36、PC7PC4）和低4位（PC3PC0），它们都可以通过软件编程来改变I/O口的工作,方式。3.2.2（6）硬件环行分配器目前市场上提供的国产TTL集成脉冲分配器有三相、四相、五相和六相，其型号分别为YBOB、YB014、YB015及YB016，均为18个引脚的直插式封装。其主要性能参数列表： 输出高电平（V）输出低电平（V）输入低电平输入高电平（V）吸收电流（mA）工作频率（kHz)电源电压（V）环境温度（）2.40.40.82.41.601605±0.50+70图4-4 8155与8255A的引脚图3.3 经济型数控车床微机控制系统硬件电路原理图（1）x向y向和z向的进给伺服运动（

37、2）键盘显示（3）面板管理（4）行程控制（5）其他功能 例光电偶合电路、功率放大电路、红绿灯显示等。CPU采用8031芯片，由于8031芯片内无程序存储器，需要有外部程序存储器的支持，同时8031内部只有128字节的数据存储器，也远不能满足控制系统的要求。故扩展了16KB程序存储器由两片2732组成，又扩展了一片6264数据存储器。8031芯片的P0和PW用来传递外部存储器的地址和数据，P2口传送高8位地址，P0口传送低8位地址和数据，故要采用74LS373地址锁存器锁存低8位地址，ALE作为其选通信号，当ALE为高电平，锁存器的输入和输出透明，即输入的低8位存储器地址在输出端出现，此时不需要

38、锁存。当ALE从高电平变低电平，出现下降沿时，低8位地址锁存入地址锁存器中，74LS373的输出不在随输入变化，这样P0口就可用来传送读写的数据了。8031芯片的P2口和74LS373的送出的P0口共组成16位地址，2764和6264芯片都是8KB，需13根地址线。A0A7低8位接74LS373芯片的输出，A8A12接8031芯片的P2.0P2.4。系统采用全地址译码，两片2764芯片选信号CE风别接74LS138译码器的Y0和Y1，系统复位以后程序从000H开始执行。由于8031芯片内部没有ROM故。I/O接口电路：由于8031只有P1口和P2口部分能提供用户作为I/O 口使用，不能满足输入

39、输出口的需要，因而系统必须扩展输入输出接口电路。从图可知，系统扩展了一片8155和一片8255可编程I/O接口芯片。可编程I/O芯片的片选CE接口74LS138I/O借口芯片外设的连接是这样安排的；8155芯片PA0PA7作为显示器的段选信号是输出PB0PB1是显示器的位选信号是输出PL0PL4根线是键盘的扫描输入，8155芯片的IO/M引脚接8031芯片的P2。因为使用8155的I/O口故P2.0为高电平。 8255芯片PA0PA6接x向、向和z向步进电机硬件环行分配器，为输出，PB0PB7为三个方向的点动及回零输入，PC0PC5为面板上的选择开关，设有编辑，单步运行，单段运行、自动、手动、

40、手动等形式。其他辅助电路设有越界报警和急停处理电路。±X、±Y、±Z方向的越界和急停信号经门引入89031的P3.2，中断源INT0，同时又接到8031的P1口，采用硬件申请中断和元件查询的方法，这样无论哪个方向越界都会引起中断，在中断服务程序中，通过软件产寻的办法，便可确定哪个方向越界。还有相应的红灯亮报警。另外，还有上点和按钮相结合的复位电路、光电隔离电路和功率放大电路等。图见附表   4 实验台功能原理及插补算法本章主要是为数控车床实验台的CNC装置的实现而对其进行具体的功能原理分析和算法设计。数控车床对零件的加工，是通过对所加工的零件形

41、状、尺寸进行量化数学描述而得到加工程序，再经过计算机译码、解释执行，控制机床各坐标轴运动，使刀具以加工程序所描述的形状和尺寸为轨迹做运动，最终加工出所需形状和尺寸的零件。数控车削加工在插补方面有自己的特点。4.1车削数控原理、实验台插补功能要求和插补算法的选择4.1.1车削数控原理 车削加工是由工件的运动产生切削主运动，而刀具只进行加工进给运动。如图4-1所示：C轴旋转是主运动，X、Z轴方向是进给运动。 图4-1 数控车床的运动因为一般数控车床是对刀具的X、Z方向进给运动进行控制，对主轴则具有调速能力既可。数控车床对X、Z轴进给运动的控制是通过数字插补的方法进行的。4.1.2 实验台插补功能要

42、求本课题设计的数控车床实验台只要求基本的X、Z轴直线和圆弧插补的控制能力。4.1.3 实验台插补算法的选择数控车床加工的各种工件轮廓，大部分由直线和圆弧这种简单、基本的曲线构成。插补的任务就是根据进给速度的要求，在轮廓起点和终点之间计算出若干个中间点的坐标值。由于每个中间点计算所需的时间直接影响系统的控制速度，而插补中间点坐标值的计算精度又影响到CNC系统的控制精度，所以插补算法是整个CNC系统控制的核心。目前应用的插补算法主要分脉冲增量插补和数字增量插补两类。脉冲增量插补算法的特点是每次插补结束只产生一个行程增量，以一个个脉冲的方式输出给步进电机。这类插补的实现方法比较简单，通常只用加法和移

43、位即可完成插补，故其易用硬件实现，且运算速度很快；目前也有用软件来完成这类算法的，但仅适用于一些中等精度或中等速度要求的CNC系统。因这类算法通常需要大约20余条指令，如果CPU时钟为50Hz，那么计算一个脉冲当量的时间约为40s，当脉冲当量为1m时，可以达到的极限速度为1.5m/min；如果要控制两个或两个以上的坐标时，速度还将进一步降低。当然，可用损失精度的办法来提高速度。数字增量插补算法的特点是插补运算分两步完成。第一步是粗插补，即在给定起点和终点的曲线之间插入若干个点，用若干条微小直线段来逼近给定曲线，每一微小直线段的长度l相等，且与给定的进给速度有关。粗插补在每个插补运算周期中计算一

44、次，因此每一微小直线段的长度l与进给速度F和插补周期T有关，即l=FT。粗插补的特点是把给定的一条曲线用一组直线段来逼近。第二步为精插补，它是在粗插补时算出的每一条微小直线段上再做“数据点的密化”工作，这一步相当于对直线的脉冲增量插补。根据插补采用计算方法的不同,有许多种插补方法,如逐点比较法, 数字积分法,最小偏差法,比较积分法,时间分割直线插补算法等。不同算法适用于不同的场合。在普通的CNC装置中，逐点比较法和数字积分法获得了广泛的应用。这些插补算法最初是用在硬件数控装置中，现在也可用软件来实现。本文所采用的插补算法为数字积分法，下面重点介绍该插补算法。4.2数字积分插补法数字积分法又称数

45、字微分分析器（DDA），它不仅可方便地实现一次、二次曲线的插补，还可用于各种函数运算，而且易于实现多坐标联动，所以DDA插补的使用范围较广。4.2.1数字积分插补法的基本原理数字积分插补法的基本原理可用图4-2所示的函数积分来说明。从微分的几何概念来看，从时刻=0到求函数曲线所包围的面积时，可用积分公式 （4-1）如果将0t的时间划分成时间间隔为t的有限区间，当t足够小，可得近似公式 （4-2）式中为 tti 时的值。此公式说明，求积分的过程就是用数的累加来近似代替，其几何意义就是用一系列微小矩形面积之和来近似表示函数以下的面积。在数字运算时，若t一般取最小的基本单位“1”，上式则称之为矩形公

46、式，并简化为 （4-3）图4-2 矩形公式的定义如果将t取得足够小，就可以满足我们所需要的精度。实现这种近似积分法的数字积分器称为矩形数字积分器。图4-3 数字积分器框图 设置一个累加器，而且令累加器的容量为一个单位面积。用此累加器来实现这种累加运算，则累加过程中超过一个单位面积时必然产生溢出，那么，累加过程中所产生的溢出脉冲总数就是要求的面积近似值，或者说是要求的积分近似值。图4-3是实现这种累加运算的基本逻辑框图。它由函数值寄存器，与门，累加器及面积寄存器等部分组成。其工 作原理为每来一个t脉冲，与门打开一次，将函数值寄存器中的函数值送往累加器相加一次。当累加和超过累加器的容量时，便向面积

47、寄存器发出溢出脉冲。面积寄存器累计此溢出脉冲,累加结束后，面积寄存器的计数值就是面积积分近似值。4.2.2数字积分法的硬件插补(1)直线插补设在平面中有一直线OA，其起点为坐标原点0，终点为A(xe，ye)，则该直线的方程为 （4-4） 将上式化为对时间的参量方程 （4-5）式中K比例系数。再对参量方程对t求微分得dxKxedt，dyKyedt （4-6）然后再积分可得： （4-7）上式积分如果用累加的形式表达，则近似为 （4-8）式中t=1。写成近似微分形式为 （4-9）动点从原点出发走向终点的过程，可以看作是各坐标轴每隔一个单位时间t，分别以增量Kxe。及Kye同时对两个累加器累加的过程。

48、当累加值超过一个坐标单位（脉冲当量）时产生溢出。溢出脉冲驱动伺服系统进给一个脉冲当量，从而走出给定直线。若经过m次累加后，x和y分别到达终点（xe，ye），即下式成立： （4-10）由此可见，比例系数k和累加次数之间有如下关系：Km=1 即 m=1/K （4-11）K的数值与累加器的容量有关。累加器的容量应大于各坐标轴的最大坐标值。一般二者的位数相同，以保证每次累加最多只溢出一个脉冲。设累加器有n位，则 （4-12）故累加次数 （4-13）上述关系表明，若累加器的位数为n，则整个插补过程中要进行次累加才能到达直线的终点因为 ( n为寄存器的位数)，对于存放于寄存器中的二进制数来说Kxe（或Ky

49、e）与xe（或ye）是相同的，可以看作前者小数点在最高位之前，而后者的小数点在最低位之后。所以，可以用xe直接对X轴累加器进行累加，用ye直接对Y轴的累加器进行累加。图4-4为平面直线的插补运算框图，它由两个数字积分器组成，每个坐标的积分器由累加器和被积函数寄存器组成。被积函数寄存器存放终点坐标值 。每隔一个时间间隔t，将被积函数的值向各自的累加器中累加。X轴的累加器溢出的脉冲驱动X走步，Y轴累加器溢出脉冲驱动y轴走步。 图4-4 平面直线插补运算框图不同象限平面直线DDA数字积分法采用与逐点比较法相同的处理方法，把符号与数据分开，取数据的绝对值作被积函数，而以符号作进给方向控制信号处理，便可对所有不同象限的直线进行插补。 (2)圆弧插补由上面的叙述可知：DDA插补的物理意义是使动点沿速度矢量的方向前进。 这同样适用于DDA圆弧插补。如图4-5所示，圆的方程为： （4-14）式中R常数；X、Y以时间t参数的变量。等式两边同时对t求导数，则有 （4-15）图4-5 XY平面DDA圆弧插补 （4-16）由此可导出第一象限逆圆加工时动点沿坐标轴方向的速度分量为 （4-17）上式表明：速度分量vx和vy是随动点的变化而变化的。坐标轴方向的位移增量为 （4-18a） 式