經濟型數控系統研究與設計【5張CAD圖紙+畢業論文】

經濟型數控系統研究與設計【5張CAD圖紙+畢業論文】,5張CAD圖紙+畢業論文,經濟型,數控系統,研究,設計,CAD,圖紙,畢業論文 實習報告 ???  這次能有機會去工廠實習，我感到非常榮幸。雖然只有幾個月的時間，但是在這段時間里，對于一些平常理論的東西，有了感性的認識，感覺到受益匪淺。  以下是我在實習期間的一些總結以及心得體會。在以后開展自身的工作，以及在對客戶的溝通應對上，希望能有所借鑒。??  一、工廠的總體規模水平??  銳鍵科技位于東莞常平鎮，占地24600平米，員工600多人。近十多年的制造歷史已經發展成一家具有專業規模的木制品專家，在東莞制造業發達的地區也小有名氣。??  走進廠區，只見潔凈整齊的環境和次序井然的工作程序。雖然是國內的制造廠家，但是，到了車間，看過那些先進的流水線，那些熟練的技術水平，完全會感覺到現代化的管理。作為木質產品的制造廠，一些諸如木屑的飛揚，機器的喧囂以及混合著的膠水味油漆味等問題，都是難免存在的，但是工廠已經把這些都盡可能的減少到最低限度了。走在車間，這些大多的木制廠家所面臨的嚴重問題似乎在我們工廠并沒有太大的困擾，反而是那些管理和效率吸引了大多的參觀者。??  工廠有自己的作息時間，并且都會嚴格遵守。就連中午休息間隙，每個工人都會把自己得區域整理得井然有序，這樣的自覺整理也是工廠之所以能保持潔凈的原因之一。在用餐問題上，工廠也有自己的特色。那就是上至高層主管下至普通工人，吃的飯菜一律相同，沒有任何的特殊化。?? 二、學習過程  如下幾點是在工廠實習期間，就我的工作需要，主要學習到的一些知識以及由此得一心得。?? （一）木材的選用?? 工廠最常用的木材還是紅木（非洲花梨木），楓木（美國），胡桃木。大多都是從國外進口，這也就是為什么我司的報價要比國內同等廠家的價格要高的原因——正是“一分價錢一分貨”。 MDF板也是常用的材質之一。我司很多產品也都可以選用MDF貼木皮來達到仿實木的效果。對于一些想節省成本的客戶來說可以推薦一用。 ??這些常規木材在倉庫里都備有一定數量的庫存，其他的木材也有備量，但是一般都要盡量推薦選用常規木材（除非客戶定購的產品數量龐大值得工廠采購另外一些昂貴的木材），這對于工廠的加工技術、生產周期、生長成本等都會有所幫助。 （二）加工方面 工廠所采用的機器都比較先進，一般來說都是機器自動操作，比如CNC數控機，萬能圓鋸機,立軸機等。所以，只要操作得當，人員安排合理，一般都能產生較高的效率（一般來說，都需要熟練人工）。 雖然說工廠對于大多數的木制產品都能生產，但是以后在和客戶溝通過程中，在盡量滿足客戶要求的同時，還要盡量站在工廠的立場上考慮。比如，可以向客戶推薦一些外形相同，但是做法簡單，結構清晰的樣品。這對于工廠來說不但可以降低成本，而且還可以提高效率。 ??（三）噴漆加工 ??白身加工完成以后，應盡快轉入噴漆車間，否則木材會變形。噴漆的流程為：著色（給產品上底色）――底漆――面漆。噴底漆到噴面漆的過程中還要有磨砂的工藝。 ??底漆又NC漆和PU漆之分。工廠常采用的底漆是NC漆，因為PU漆的成本要比NC高，而且如果噴PU漆的話要求的環境也比較高，必須有無塵房才可以。一般都會推薦客戶用NC漆. ??噴漆加工的時間一般為兩天左右。但是雖然所花費的時間不長，但是一張訂單的完成，工廠都會把每道環節都會安排到位。因此，在和客戶確認訂單的時候，一定要把每個要求都確認完整。有些客戶在白身做完以后，油漆沒有確定，這樣擱在一邊的話，不但產品容易變形，而且也影響了訂單的進度，給工廠帶來了不必要的麻煩。 （四）鐳射和絲印  目前工廠的最大鐳射尺寸為：320×320mm，最小為：1.5×1.5mm  鐳射后可以上色，最常見的是上黑色，上完黑色，可以使鐳射圖案更清晰。但是一般不推薦客戶鐳射后上色，這樣的話會增加成本。鐳射的費用是視鐳射圖案的復雜程度而言的，一般來說都是每件產品1塊錢。 絲印也是常用的一種方法，但是它的要求是絲印的表面要光滑。  要求鐳射或者絲印的話都會要求客戶提供圖片，最好是電子文檔。 （五）包裝??  包裝是成品完工前的最后一道工序，也是一個產品比較重要的組成部分。包裝工序包含了產品的簡單組裝、包皮、包絨布、五金件的裝配、包裝物的制作、對產品的前道工序的品檢、產品的包裝。???  質量是品質的保證。因此，我們工廠對質量也有嚴格的把關。一般一道包裝的流水線上都有二到三個品檢人員進行嚴格的產品檢驗，從產品的去塵、五金和玻璃制品的質檢到最后的裝箱，每個細節都會有工人嚴格的操作標準。對于一些外銷客戶來說，對于產品都會比較挑剔，但工廠都會滿足這些的要求。這也就是為什么我們工廠的產品會有質量的保障，在產品上很少出現質量紕漏的原因。 ?? 而同樣是國內訂單的話，往往會有一些刁蠻的客戶，在產品沒有品質問題的時候卻還要挑一些小“瑕疵”。對于這些問題，我覺得除了要和客戶解釋清有些是因為木質品本身的問題之外，還要讓他們了解我們工廠對于質量方面的控制要求是達到了國內先進水平的，很多質量問題的產生很可能實在運輸過程中的碰撞和野蠻運輸。  當然，為了避免在運輸途中的損壞，在采用一般的安全包裝下，除了用一些常規包裝物（紙盒、紙箱、禮盒、海綿、保力龍、珍珠棉、拷貝紙、氣泡袋、膠帶等）外，還可以在紙箱六個面用保力龍 板保護。?? （六）其他配件  五金是常用到的配件。因此，對于一些常規的五金件，諸如一些合葉、銅扣、銅腳等，工廠都會采購一定的數量以備庫存。另外像一些在筆上五金件，工廠自己也有制造的能力，很多都可以獨立完成。??另外像EVA之類的，也都需要另外采購。?? ??三、心得體會  這次的實習，讓我了解到了工廠的規模水平、生產流程以及一些常規產品的制作，在以后的業務操作中相信會有較大的幫助。 另外我覺得一方面在工廠供貨給我們的同時，另一方面也要積極配合工廠，把雙方的工作都做好。同時，自己也還要不斷的學習產品的知識，服務好客戶。公司整體的業務水平提高了，才能開創出良好的業績 經濟型數控系統研究與設計 第1章 緒論 目 錄 目 錄--------------------------------------------------------------------1 摘 要 -------------------------------------------------------------------2 第一章 緒論-----------------------------------------------------------------2 第二章 CNC系統總體方案的確定-----------------------------------------------3 2.1 系統總體方案--------------------------------------------------------------3 2.2 系統功能模塊及其分析-------------------------------------------------------5 第三章 硬件系統設計---------------------------------------------------------7 3.1 控制系統硬件設計-----------------------------------------------------------7 3.2 主模塊設計----------------------------------------------------------------8 3.3 輸入/輸出模塊設計----------------------------------------------------------9 3.4 人機界面模塊設計----------------------------------------------------------11 3.4.1 顯示方式的確定--------------------------------------------------------11 3.4.2 數控操作面板外形圖設計-------------------------------------------------12 3.4.3 機床操作面板設計------------------------------------------------------12 3.5 系統安裝結構設計----------------------------------------------------------13 3.6 PLC在CNC系統中的應用----------------------------------------------------13 3.7 系統電氣原理圖設計--------------------------------------------------------15 第四章 系統軟件設計--------------------------------------------------------15 4.1 軟件功能設計-------------------------------------------------------------15 4.2 軟件結構分析、設計--------------------------------------------------------16 4.3 人機界面及其軟件實現技術---------------------------------------------------17 4.3.1 菜單驅動技術的應用---------------------------------------------------17 4.4 逐點比較插補法的軟件實現--------------------------------------------------17 4.4.1 直線插補原理---------------------------------------------------------17 4.4.2 直線插補—G01程序設計------------------------------------------------20 4.4.3 圓弧插補原理---------------------------------------------------------23 4.5 快速點定位—G00程序設計--------------------------------------------------26 4.6 暫停(延遲)指令—G04程序設計-----------------------------------------------28 4.7 步進電機正反轉及轉速控制程序設計-------------------------------------------29 鳴 謝------------------------------------------------------------------30 參考文獻------------------------------------------------------------------30 經濟型數控系統研究與設計 第1章 緒論 按數控系統的功能水平,可以把數控系統分為高、中、低三檔,低檔數控系統即可認為是經濟型數控系統。經濟型數控系統是相對于標準型數控系統而言的，不同時期，不同國家和地區的含義是不一樣的。根據實際機床的使用要求，合理簡化系統，降低成本，即可稱為經濟型。區別于經濟型數控系統，將功能比較齊全的數控系統稱為全功能數控系統，或稱為標準型數控系統。 就其功能而言，經濟型數控系統一般分辨率較低，連動軸數較少，人機接口比較簡單，造價低廉，可以說得上是最經濟的數控系統。所以，經濟型數控系統主要指開環系統。 開環數控系統具有結構簡單、造價低、維修調試簡單、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，開環數控系統一般用在精度或速度要求不高，或者力矩不大的場合。 經濟型數控系統主要同微型計算機與步進電機驅動系統組成，既具有一定的數控功能，又具有造價低、使用維修方便等特點。 本設計就是圍繞經濟、實用這個核心而進行的。 本系統硬件采用工業標準（STD）總線，大板結構。不采用工業控制機，自行設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，還設有一個擴展槽以便用戶擴展系統功能。一塊模板基本上具有一種或二種功能，實現了模板級的功能分散，可以根據用戶的需要對系統裁剪或擴展，系統組成靈活。 本系統確定單微處理器開環數控系統，因其結構簡單，可以根據專用設備的控制要求自行設計開發，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。系統采用獨立型PLC，因其具有較強的數據處理、通信和診斷功能。 本系統采用LCD顯示器，圖形點陣液晶顯示器是目前在單片機系統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智能設備中，國內的數控系統也開始廣泛采用。作為一個簡易型數控系統，本系統采用了20*2帶背光字符型液晶模塊作為主顯示界面，不有用數碼管顯示或CRT顯示。 本系統采用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。系統設計中充分考慮功能的需要、操作方便的需要及系統復雜性的要求三個之間的關系，確定系統的大多數按鍵為雙功能鍵，使得整個系統界面簡潔。 本系統功能精簡，實用性強，系統功能由硬件和軟件按照經濟性的要求適當劃分。軟件設計具備經濟型數控系統必要的基本功能：最多二軸聯動、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。 - 31 - 經濟型數控系統研究與設計 第2章 CNC系統總體方案的確定 第2章 CNC系統總體方案的確定 2.1 系統總體方案 計算機數控（CNC）系統由程序、輸入裝置、輸出裝置、CNC裝置、PLC、主軸驅動裝和進給（伺服）驅動裝置組成，如圖2-1所示。系統設計應具有靈活性、通用性、可靠性，易于實現基本的數控功能，使用、維修也較為方便，并且與外界通信的功能。 圖2-1 CNC系統組成 CNC數控系統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，在開環數控系統中為步進電機伺服系統。 3) 開關量控制及主軸控制，這部分涉及到M、T、S代碼的執行。 4) 人機接口和通信功能。 5) 控制軟件。 系統設計的目的決定了系統只能采用開壞控制方式。在開壞型位置控制系統中，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。關于步進電機的特性等詳細內容見其它資料。 本系統確定為開環數控系統，其結構簡單，可以根據專用設備的控制要求自行設計開發，周期短、費用低、見效快。開環數控系統結構框圖如圖2-2所示。 在進行開環數控系統的總體設計時，通常要考慮以下問題： 1. 系統功能要求 設計系統之前，應該明確定義系統的功能。在定義開環數控系統功能時，應以必要為度，既然是經濟型系統，應不求最佳，但求滿意。定義系統時，應綜合考慮經濟性、實用性、開發周期和開發能力等因素，對系統的某些功能進行權衡，決定取舍。 1) 本系統具有以下主要功能和要求： 2) 具有兩軸聯動的軸控制功能； 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備； 5) 硬件、軟件的設計均以經濟型為平臺； 圖2-2 開環系統結構 2. 確定控制任務及軟件、硬件任務的劃分 根據系統功能，可以進一步確定系統的基本構成部分及各部分要完成的控制任務。對一些控制任務要確定是用硬件來完成還是用軟件來完成，如開關量的邏輯控制可以用硬件來完成，也可以用軟件來完成。復雜的邏輯控制，用軟件來完成就要經濟一些，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。 3. 確定各部分的聯系 確定系統各部分的聯系，主要指信息方面的聯系。系統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 確定用單微機系統還是多微機系統，選擇微機型號。選擇微機型號時，要考慮經濟性和先進性，同時必須考慮開發手段、支持軟件及外圍芯片等因素。由于控制功能不十分復雜，故采用單微機處理器結構。單微處理器結構的CNC系統具有如下一些特點： 1) CNC系統內只有一個微處理器，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，構成CNC系統。 3) 結構簡單、容易實現。 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、數據寬度、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，因此數據功能的實現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，非常適用于經濟型數控系統。 5. 確定軟件結構形式 CNC軟件可以設計成不同的結構形式。不同的軟件結構，對各任務的安排方式也不同，管理方式也不同。常見的CNC軟件結構形式有前后臺型軟件結構和中斷軟件結構。前后臺型軟件結構適合于采用集中控制的單微處理器CNC裝置。故本設計采用前后臺型軟件結構。 2.2 系統功能模塊及其分析 1．系統操作界面 按照本系統的設計思想，系統的界面設計確定圖2-3所示： 圖2-3 系統人機界面圖 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： 復位——系統在死機、工作出錯等情況下的總清鍵，使系統回復設計的原始狀態。 運行——自動運行用戶的零件加工程序，包括程序的語法檢查、數據處理、編譯、插補運算及步進電機控制等。 暫停——自動加工的暫停，是一個乒乓鍵，按一次，加工暫停，再按一次，繼續加工。 換刀——用于手工換刀，每按一次，電動刀架轉一個工位，本系統中為。 手動——與“←、↑、→、↓”配合，以實現動作臺的連動；在編輯程序時為光標移動鍵。 數字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．系統功能模塊與總體框架 系統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 系統模塊與總體框圖 3．模板式硬件系統框架 為了系統今后的功能擴充，提高系統的可維護性，這個經濟型數控系統采用模塊化設計，整個系統由3個相對獨立的子系統構成，即：CPU子系統及I/O子系統及鍵盤/顯示子系統。 硬件系統以8098為核心，擴展了16KB的用戶加工程序區，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了按鍵的雙功能，簡化了鍵盤；I/O接口孖系統的核心是8255，通過它擴展了步進電機接口以及其它預留的螺紋加工用光電編碼接口等。 4．系統軟件框架 本系統在臨近軟件的設計過程中，力圖體現“加強容錯性，方便使用的原則，采用模塊化設計，全程菜單驅動，共有5大模塊組成：通信模塊、自動模塊、參數設置、編輯模塊、手動模塊。 系統軟件框圖見圖2-5： 圖2-5 系統軟件原理框圖 經濟型數控系統研究與設計 第3章 硬件系統設計 第三章 硬件系統設計 3.1數控裝置硬件結構設計 數控裝置是整個數控系統的核心，其硬件結構按CNC裝置中各印制電路板的插接方式可以分為大板式結構和功能模塊式結構。 （1）大板式結構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而共同構成CNC裝置。 （2）功能模塊式結構將整個CNC裝置按功能劃分為模塊，硬件和軟件的設計都采用模塊化設計方法，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），相應功能模塊的控制軟件也模塊化。 從本系統設計目的和用戶使用角度出發，本設計選用大板式結構。板式結構設計如圖示。 圖3-1 主電路板結構圖 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，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）用于固化數控系統軟件，RAM存放可變數據，如堆棧數據和控制軟件暫存數據，對數控加工程序和系統參數等可變數據存儲區域具有掉電保護功能。五個插槽內分別可插入用于保護數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板上還包括諸如復位、STD總線緩沖/驅動一些電路。 3.2主模塊設計 1．主模塊中關鍵器件及其選型 （1）單片機 CPU是整個CNC系統的核心，CPU性能的好壞直接影響著CNC系統的性能。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。就本設計的任務來看，開環數控系統選擇8098較為經濟合理。據有關資料介紹，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 存儲器應符合以下要求： 1) 系統掉電后可靠保存關鍵程序和數據 2) 具有高可靠上電、掉電及強電磁沖擊等數據保護功能 3) 讀/寫次數無限 4) 讀/寫速度快，讀/寫方式簡單 5) 工業化設計，適用于潮濕、震動、輻射、高低溫等惡劣環境 8098可尋址外部存貯空間為64KB?？紤]到數控系統的運行環境以及數控系統對加工程序數據掉電保護的要求，本系統采用程序存貯器與數據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系統的管理控制程序及數據。數據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系統的零件程序、機床參數及系統運行數據。數據存貯器所存數據在系統掉電后不應丟失。為此對數據存貯器實行掉電保護。系統存貯空間分配見表3-1。 表3-1 系統存貯空間分配表 0FE00H~0FFFFH 空 0FC00H~0FDFFH 顯示存貯器 0FB00H~0FBFFH 空 0FA00H~0FAFFH I/O外設 0F900H~0F9FFH 空 0F800H~0F8FFH 鍵盤/顯示控制器 8000H~0F7FFH 數據存貯器 2080H~7FFFH 程序存貯器 2012H~207FH 芯片配置字節及系統保留存貯單元 2000H~2011H 中斷向量 1FFEH~1FFFH PORT3，4 0100H~1FFEH 程序存貯器 0000H~00FFH 內部RAM、堆棧指針及特殊功能寄存器 2．主模塊電原理圖設計 主模塊電原理圖如圖。為了提高總線負載能力，對數據總線采用雙向總線驅動器74HC245進行驅動。2片GAL16V8實現地址譯碼，產生接口片選信號、液晶模塊等的邏輯控制要求。 3.3 輸入/輸出模塊設計 1.鍵盤的選用 鍵盤是輸入、修改、刪除零件程序、機床參數等數據的主要手段。本系統采用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. 開關量輸入/輸出 CNC裝置不僅能夠控制機床的進給系統，而且還應具有一定的開關量輸入/輸出能力。開關量輸入/輸出板主要用來控制主軸的起動與停止、正轉與反轉，冷卻液的開關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位開關量信號；C口編程為輸出鎖存方式，可以輸出8位開關量信號，而且可以位控輸出。為了提高系統的搞干擾能力，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，這些位線可以根據用戶要求進行連接，以擴展系統的功能。 3-2開關量輸入/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 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74HC245單向驅動后，通過2片TLP521-4光電隔離，形成x,y所需的3相控制信號，送往步進電機驅動電源。 圖3-2 步進電機接口電路圖 3.4 人機界面模塊設計 3.4.1 顯示方式的確定 1．單片機應用系統中常用顯示方式 在單片機應用系統中，目前比較常用的顯示介質有數碼管（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智能設備中，國內的數控系統也開始廣泛采用。作為一個簡易型數控系統，本系統采用了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加工曲線動態顯示的缺陷，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. 使系統具有菜單驅動的基本素質。采用菜單驅動方式實現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 ；讀寫態口 CMD_WR_LCD EQU 0D000H ；寫命令口 DATA_RD_LCD EQU 0D003H ；讀狀態口 DATA_WR_LCD EQU 0D002H ；寫數據口 RET 圖3-4 按鍵上下檔功能實現的電路原理圖 （２）數控系統中手動方式下連動功能的程序實現 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。大多數應用系統中，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，才能執行相應的動作；而此時鍵盤緩沖區的鍵值已空，因此就無法知道當前的按鍵狀態，因而無從判斷是否執行連動操作。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，就可以據此判斷按鍵的狀態變化，以實現連動功能。 3.4.2 數控操作面板外形圖設計 本數控系統的NC鍵盤與顯示器的構成詳見設計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. 系統設計中充分考慮功能的需要、操作方便的需要及系統復雜性的要求三都之間的關系，確定系統的大多數按鍵為雙功能鍵，使得整個系統界面簡潔。 3.4.3 機床操作面板設計 操作面板所具有的按鍵與旋鈕：1. 電源接通與關斷. 2. 緊急停止與復位 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 14.循環啟動 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 系統安裝結構設計 數控裝置、控制設備和機床間的接口符合“機床/數控接口”標準。如圖3-7所示，標明了數控裝置、控制設備和機床間的接口范圍。數控裝置與機床及機床電器設備之間的接口分為四種類型。 第A類：與驅動有關的連結電路，主要是與坐標軸進給驅動和主軸驅動的連結電路。 第B類：數控裝置與測量系統和測量傳感器之間的連結電路。 第C類：電源及保護電路。 第D類：開/關信號與代碼信號連結電路。 系統安裝結構圖設計詳見設計圖紙2號圖紙。 3.6 PLC在CNC系統中的應用 PLC在數控系統中是介于數控裝置與機床之間的中間環節，根據輸入的離散信息，在內部進行邏輯運算，并完成輸入∕輸出控制功能，PLC用在CNC系統中有內裝型和獨立型之分。 1.內裝型與獨立型的比較 (1) 內裝型PLC 內裝型PLC的CNC系統框圖如圖3-8所示。它與獨立型PLC相比具有如下特點： 圖3-8內裝型PLC的CNC系統框圖 1) 內裝型PLC的性能指標同所從屬的CNC系統的性能、規格來確定。它的硬件和軟件部分被作為CNC系統的基本功能統一設計。具有結構緊湊、適配能力強等優點。 2) 內裝型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揮PLC的功能，I∕O點數較少；后者由于有獨立的CPU，多用于順序程序復雜、動作速度要求快的場合。 3) 內裝型PLC與CNC其它電路通常裝在一個機箱內，共用一個電源和地線。 4) 內裝型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。本系統采用附加印制電路板型式。 5) 內裝型PLC，對外沒有單獨配置的輸入∕輸出電路，而使用CNC系統本身的輸入∕輸出電路。 6) 采用PLC，擴大了CNC內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。 內裝型PLC與RLC（繼電器邏輯電路）相比，具有響應速度快、控制精度高、可靠性高、柔性好、易與計算機聯網等高品質的功能。 (2) 獨立型PLC 獨立型PLC與CNC機床的關系如圖3-9所示。 獨立型PLC的特點如下： 1) 根據數控機床對控制功能的要求，可以靈活地選購或自行開發通用行PLC。一般來說，數控車床、銑加工中心等單機數控設備所需PLC的I/O點數多在128點以下，少數復雜設備在128點以上，選用微型或小型PLC即可。而大型數控機床、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，一般采用模塊化結構，裝在插板式籠箱內。I/O點數可通過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（或半閉環）數控機床中，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。 經濟型數控系統研究與設計 第4章 軟件系統設計 圖3-9 獨立型PLC的CNC機床系統框圖 2. PLC形式的確定 獨立型PLC具有較強的數據處理、通信和診斷功能，成為CNC與上級計算機聯網的重要設備。獨立型PLC,具有完備的硬件與軟件,能夠獨立的完成規定的控制任務.獨立型PLC無需由編程人員編制相應的控制軟件，考慮到編程的工作量，本系統選用獨立型PLC。為提供用戶使用8個輸入，8個輸出點,及考慮系統本身占用輸入/輸出點數目,選用小型PLC,因其所需PLC的I/O接口點數在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行元件的執行信號。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、刀架回轉方向選擇、數控系統啟動、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信息；系統故障保護、主軸調節器保護及狀態信息監視信息；伺服系統運行準備信息等。 3.7 系統電氣原理圖設計 本系統確定單微處理器開環數控系統，選用INTEL公司推出的準16位嵌入式微控制器8098單片機。系統采用獨立型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、數據總線和控制總線連系起來，具體電氣原理圖參見設計圖紙1號圖。 第四章 系統軟件設計 4.1 軟件功能設計 1.控制軸數 本系統能夠實現X、Z兩軸聯動。 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字母和后續的數值指定.由于主機的限制,本系統的快速進給速度為5M/S,用G00指令. 5.輔助功能 M00—程序中停 M02—程序結束 M03—主軸順時針旋轉 M04—主軸逆時針旋轉 M05—主軸停止 M08—冷卻液開 M09—冷卻液關 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 軟件結構分析、設計 1.CNC軟件結構模式分析 所謂結構模式是指系統軟件的組織管理方式,即系統任務的劃分方式、任務調度機制、任務間的信息交換機制以及系統集成方法等。CNC裝置結構模式有前后臺型結構模式與中斷型結構模式。 A．前后臺型結構模式將CNC裝置軟件劃分成兩部分：前臺程序和后臺程序。前臺和后臺程序內部各子任務采用的是順序調度。這種結構在前臺和后臺內無優先級等級，也無搶占機制，因而，實時性差。所以該結構適用控制功能較簡單的系統。 B．中斷型結構模式是將除了初始化程序之外，整個系統軟件的各個任務模塊分別安排在不同級別的中斷服務程序中，然后由中斷管理系統（由硬件與軟件組成）對各通級中斷服務程序實施調度管理。該結構中任務的調度采用的是優先搶占調度。這類系統實時性好，但模塊的關系復雜，耦合度大，不得于對系統的維護和擴充。 2.軟件結構確定 前后臺型軟件結構適合于采用集中控制的單微處理器CNC裝置，與本系統的單微處理器形式相符。中斷型結構模式實時性好，但模塊的關系復雜，耦合度大，不得于對系統的維護和擴充。本系統控制功能較簡單，相比之下，經濟型數控系統宜選用前后臺型軟件結構。 4.3 人機界面及其軟件實現技術 經濟型數控系統的用戶是廣大中小型企業或勞動密集型企業.由于操作人員的技術水平和文化素質普遍不是很高,數控系統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.本系統中主要采用了菜單驅動技術和全屏幕編輯技術,實現了比較友好的系統人機界面. 4.3.1菜單驅動技術的應用 菜單驅動技術在單片機系統中的應用已日益廣泛,這主要歸功于菜單化操作帶來的便捷和輕松.在本數控系統中,就應用了全程菜單驅動技術.現將這種技術在單片機系統上的實現做一簡單說明. (1) 菜單驅動的物理條件 要實現菜單驅動,顯然,系統首先要有菜單顯示能力.由于本系統采用字符液晶模塊作為顯示界面,一屏可顯示40字符,因此具備菜單驅動的基本條件;而且液晶模塊的反像顯示特性,可使系統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) 菜單驅動的軟件實現 以系統編輯模塊為例,說明菜單驅動的有條理.先看圖4-1編輯模塊菜單結構: 圖4-1 編輯模塊菜單結構 其程序設計思想是: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,通過回車鍵執行相應的操作. 4.4 逐點比較插補法的軟件實現 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,則根據相似三角形關系可得: /=/ ， 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,當≥0時,沿+x方向走一步;當<0時,沿+y方向走一步.當2方向所走的走步數與終點坐標(,)相等時,發出終點到信號,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: ● 設置x,y兩個減法計數器.加工開始前, x,y計數器初值為終點坐標,,在x坐標(或y坐標)進給一步時, x計數器(或y計數器)減1,當2個計數器都減到0時,到達終點. ● 設置一個終點計數器,初值為x,y兩個坐標給定的總步數Σ,每當沿x或y坐標方向進給一步時,終點計數器減除,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,根據邏輯運算的結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; ● 終點判別:進給一步后,終點計數減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 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,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變為-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程序設計 在單片微機數字程序控制系統中,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計。 直線插補子程序需3個入口參數，它們是終點坐標值，及總步數Σ。這些參數由調用程序查詢數據表得到，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，初態為0。根據系統要求，上述4個單元均為3B。另外，在數控車削系統中，y軸表示為z軸，以與數控加工的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 　　 RET ；插補結束返回 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方法.如圖4-5。 圖4-5 第1象限逆圓 設要加工圓弧AB