經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)【5張CAD圖紙+畢業(yè)論文】

經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)【5張CAD圖紙+畢業(yè)論文】,5張CAD圖紙+畢業(yè)論文,經(jīng)濟(jì)型,數(shù)控系統(tǒng),研究,設(shè)計(jì),CAD,圖紙,畢業(yè)論文 實(shí)習(xí)報(bào)告 ???  這次能有機(jī)會(huì)去工廠實(shí)習(xí)，我感到非常榮幸。雖然只有幾個(gè)月的時(shí)間，但是在這段時(shí)間里，對(duì)于一些平常理論的東西，有了感性的認(rèn)識(shí)，感覺(jué)到受益匪淺。  以下是我在實(shí)習(xí)期間的一些總結(jié)以及心得體會(huì)。在以后開(kāi)展自身的工作，以及在對(duì)客戶(hù)的溝通應(yīng)對(duì)上，希望能有所借鑒。??  一、工廠的總體規(guī)模水平??  銳鍵科技位于東莞常平鎮(zhèn)，占地24600平米，員工600多人。近十多年的制造歷史已經(jīng)發(fā)展成一家具有專(zhuān)業(yè)規(guī)模的木制品專(zhuān)家，在東莞制造業(yè)發(fā)達(dá)的地區(qū)也小有名氣。??  走進(jìn)廠區(qū)，只見(jiàn)潔凈整齊的環(huán)境和次序井然的工作程序。雖然是國(guó)內(nèi)的制造廠家，但是，到了車(chē)間，看過(guò)那些先進(jìn)的流水線，那些熟練的技術(shù)水平，完全會(huì)感覺(jué)到現(xiàn)代化的管理。作為木質(zhì)產(chǎn)品的制造廠，一些諸如木屑的飛揚(yáng)，機(jī)器的喧囂以及混合著的膠水味油漆味等問(wèn)題，都是難免存在的，但是工廠已經(jīng)把這些都盡可能的減少到最低限度了。走在車(chē)間，這些大多的木制廠家所面臨的嚴(yán)重問(wèn)題似乎在我們工廠并沒(méi)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(shí)間，并且都會(huì)嚴(yán)格遵守。就連中午休息間隙，每個(gè)工人都會(huì)把自己得區(qū)域整理得井然有序，這樣的自覺(jué)整理也是工廠之所以能保持潔凈的原因之一。在用餐問(wèn)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(méi)有任何的特殊化。?? 二、學(xué)習(xí)過(guò)程  如下幾點(diǎn)是在工廠實(shí)習(xí)期間，就我的工作需要，主要學(xué)習(xí)到的一些知識(shí)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(guó)），胡桃木。大多都是從國(guó)外進(jìn)口，這也就是為什么我司的報(bào)價(jià)要比國(guó)內(nèi)同等廠家的價(jià)格要高的原因——正是“一分價(jià)錢(qián)一分貨”。 MDF板也是常用的材質(zhì)之一。我司很多產(chǎn)品也都可以選用MDF貼木皮來(lái)達(dá)到仿實(shí)木的效果。對(duì)于一些想節(jié)省成本的客戶(hù)來(lái)說(shuō)可以推薦一用。 ??這些常規(guī)木材在倉(cāng)庫(kù)里都備有一定數(shù)量的庫(kù)存，其他的木材也有備量，但是一般都要盡量推薦選用常規(guī)木材（除非客戶(hù)定購(gòu)的產(chǎn)品數(shù)量龐大值得工廠采購(gòu)另外一些昂貴的木材），這對(duì)于工廠的加工技術(shù)、生產(chǎn)周期、生長(zhǎng)成本等都會(huì)有所幫助。 （二）加工方面 工廠所采用的機(jī)器都比較先進(jìn)，一般來(lái)說(shuō)都是機(jī)器自動(dòng)操作，比如CNC數(shù)控機(jī)，萬(wàn)能圓鋸機(jī),立軸機(jī)等。所以，只要操作得當(dāng)，人員安排合理，一般都能產(chǎn)生較高的效率（一般來(lái)說(shuō)，都需要熟練人工）。 雖然說(shuō)工廠對(duì)于大多數(shù)的木制產(chǎn)品都能生產(chǎn)，但是以后在和客戶(hù)溝通過(guò)程中，在盡量滿足客戶(hù)要求的同時(shí)，還要盡量站在工廠的立場(chǎng)上考慮。比如，可以向客戶(hù)推薦一些外形相同，但是做法簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)清晰的樣品。這對(duì)于工廠來(lái)說(shuō)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(yīng)盡快轉(zhuǎn)入噴漆車(chē)間，否則木材會(huì)變形。噴漆的流程為：著色（給產(chǎn)品上底色）――底漆――面漆。噴底漆到噴面漆的過(guò)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?yàn)镻U漆的成本要比NC高，而且如果噴PU漆的話要求的環(huán)境也比較高，必須有無(wú)塵房才可以。一般都會(huì)推薦客戶(hù)用NC漆. ??噴漆加工的時(shí)間一般為兩天左右。但是雖然所花費(fèi)的時(shí)間不長(zhǎng)，但是一張訂單的完成，工廠都會(huì)把每道環(huán)節(jié)都會(huì)安排到位。因此，在和客戶(hù)確認(rèn)訂單的時(shí)候，一定要把每個(gè)要求都確認(rèn)完整。有些客戶(hù)在白身做完以后，油漆沒(méi)有確定，這樣擱在一邊的話，不但產(chǎn)品容易變形，而且也影響了訂單的進(jìn)度，給工廠帶來(lái)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(jiàn)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(hù)鐳射后上色，這樣的話會(huì)增加成本。鐳射的費(fèi)用是視鐳射圖案的復(fù)雜程度而言的，一般來(lái)說(shuō)都是每件產(chǎn)品1塊錢(qián)。 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(huì)要求客戶(hù)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(gè)產(chǎn)品比較重要的組成部分。包裝工序包含了產(chǎn)品的簡(jiǎn)單組裝、包皮、包絨布、五金件的裝配、包裝物的制作、對(duì)產(chǎn)品的前道工序的品檢、產(chǎn)品的包裝。???  質(zhì)量是品質(zhì)的保證。因此，我們工廠對(duì)質(zhì)量也有嚴(yán)格的把關(guān)。一般一道包裝的流水線上都有二到三個(gè)品檢人員進(jìn)行嚴(yán)格的產(chǎn)品檢驗(yàn)，從產(chǎn)品的去塵、五金和玻璃制品的質(zhì)檢到最后的裝箱，每個(gè)細(xì)節(jié)都會(huì)有工人嚴(yán)格的操作標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于一些外銷(xiāo)客戶(hù)來(lái)說(shuō)，對(duì)于產(chǎn)品都會(huì)比較挑剔，但工廠都會(huì)滿足這些的要求。這也就是為什么我們工廠的產(chǎn)品會(huì)有質(zhì)量的保障，在產(chǎn)品上很少出現(xiàn)質(zhì)量紕漏的原因。 ?? 而同樣是國(guó)內(nèi)訂單的話，往往會(huì)有一些刁蠻的客戶(hù)，在產(chǎn)品沒(méi)有品質(zhì)問(wèn)題的時(shí)候卻還要挑一些小“瑕疵”。對(duì)于這些問(wèn)題，我覺(jué)得除了要和客戶(hù)解釋清有些是因?yàn)槟举|(zhì)品本身的問(wèn)題之外，還要讓他們了解我們工廠對(duì)于質(zhì)量方面的控制要求是達(dá)到了國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平的，很多質(zhì)量問(wèn)題的產(chǎn)生很可能實(shí)在運(yùn)輸過(guò)程中的碰撞和野蠻運(yùn)輸。  當(dāng)然，為了避免在運(yùn)輸途中的損壞，在采用一般的安全包裝下，除了用一些常規(guī)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(gè)面用保力龍 板保護(hù)。?? （六）其他配件  五金是常用到的配件。因此，對(duì)于一些常規(guī)的五金件，諸如一些合葉、銅扣、銅腳等，工廠都會(huì)采購(gòu)一定的數(shù)量以備庫(kù)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(dú)立完成。??另外像EVA之類(lèi)的，也都需要另外采購(gòu)。?? ??三、心得體會(huì)  這次的實(shí)習(xí)，讓我了解到了工廠的規(guī)模水平、生產(chǎn)流程以及一些常規(guī)產(chǎn)品的制作，在以后的業(yè)務(wù)操作中相信會(huì)有較大的幫助。 另外我覺(jué)得一方面在工廠供貨給我們的同時(shí)，另一方面也要積極配合工廠，把雙方的工作都做好。同時(shí)，自己也還要不斷的學(xué)習(xí)產(chǎn)品的知識(shí)，服務(wù)好客戶(hù)。公司整體的業(yè)務(wù)水平提高了，才能開(kāi)創(chuàng)出良好的業(yè)績(jī) 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì) 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(jì)---------------------------------------------------------7 3.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)-----------------------------------------------------------7 3.2 主模塊設(shè)計(jì)----------------------------------------------------------------8 3.3 輸入/輸出模塊設(shè)計(jì)----------------------------------------------------------9 3.4 人機(jī)界面模塊設(shè)計(jì)----------------------------------------------------------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(jì)-------------------------------------------------12 3.4.3 機(jī)床操作面板設(shè)計(jì)------------------------------------------------------12 3.5 系統(tǒng)安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)----------------------------------------------------------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(jì)--------------------------------------------------------15 第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)--------------------------------------------------------15 4.1 軟件功能設(shè)計(jì)-------------------------------------------------------------15 4.2 軟件結(jié)構(gòu)分析、設(shè)計(jì)--------------------------------------------------------16 4.3 人機(jī)界面及其軟件實(shí)現(xiàn)技術(shù)---------------------------------------------------17 4.3.1 菜單驅(qū)動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用---------------------------------------------------17 4.4 逐點(diǎn)比較插補(bǔ)法的軟件實(shí)現(xiàn)--------------------------------------------------17 4.4.1 直線插補(bǔ)原理---------------------------------------------------------17 4.4.2 直線插補(bǔ)—G01程序設(shè)計(jì)------------------------------------------------20 4.4.3 圓弧插補(bǔ)原理---------------------------------------------------------23 4.5 快速點(diǎn)定位—G00程序設(shè)計(jì)--------------------------------------------------26 4.6 暫停(延遲)指令—G04程序設(shè)計(jì)-----------------------------------------------28 4.7 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 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，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、圓弧插補(bǔ)能力、串行通信能力等。 - 31 - 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 第2章 CNC系統(tǒng)總體方案的確定 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。 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)； 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)。 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： 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?！詣?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。 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1—9——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。 回車(chē)——確認(rèn)鍵。 Esc——相當(dāng)于PC機(jī)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(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： 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： 圖2-5 系統(tǒng)軟件原理框圖 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) 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。 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 （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(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 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(pán)/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(jì) 主模塊電原理圖如圖。為了提高總線負(fù)載能力，對(duì)數(shù)據(jù)總線采用雙向總線驅(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(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，這些位線可以根據(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 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(hào) PORT C 0 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，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。 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 ①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. 圖3-3 液晶模塊與8098單片機(jī)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(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 圖3-4 按鍵上下檔功能實(shí)現(xiàn)的電路原理圖 （２）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) ８２７９有３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２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)ＩＲＱ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ＩＲＱ信號(hào)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(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. 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。 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)： 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，I∕O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。 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。 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) 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、數(shù)據(jù)總線和控制總線連系起來(lái)，具體電氣原理圖參見(jiàn)設(shè)計(jì)圖紙1號(hào)圖。 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、圓弧插補(bǔ) 3.準(zhǔn)備功能 G00—快速點(diǎn)定位 G01—直線插補(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。 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): 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 直線插補(bǔ)原理 ①偏差計(jì)算公式 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 取直線起點(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(bǔ)的偏差判別式為 =- (4-1) 若=0, m點(diǎn)在OA直線上; 若>0,點(diǎn)在直線OA上方; 若<0, 點(diǎn)在OA直線下方. 逐點(diǎn)比較法直線插補(bǔ)的有條理是:從第1象限直線的起點(diǎn)出發(fā),當(dāng)≥0時(shí),沿+x方向走一步;當(dāng)<0時(shí),沿+y方向走一步.當(dāng)2方向所走的走步數(shù)與終點(diǎn)坐標(biāo)(,)相等時(shí),發(fā)出終點(diǎn)到信號(hào),停止插補(bǔ). 如果直接按式(1-1)計(jì)算偏差,則要做2次乘法,1次減法,比較麻煩,因此有必要進(jìn)一步簡(jiǎn)化. 對(duì)于第一象限而言,高加工點(diǎn)正處于m點(diǎn).當(dāng)≥0時(shí),表明m點(diǎn)在OA上或在OA上方,應(yīng)沿+x方向進(jìn)給一步,走一步以后新的坐標(biāo)值為: =+1,= 該點(diǎn)的偏差: = -=-(+1) =--=- (4-2) 當(dāng)<0時(shí),表明m點(diǎn)在OA的下方,應(yīng)沿+y方向進(jìn)給一步,走一步后新的坐標(biāo)為: =,= 該點(diǎn)的偏差為: =-=(+1) -=--=+ (4-3) 式(1-2)和式(1-3)是簡(jiǎn)化后的偏差計(jì)算公式,在式中只有加減運(yùn)算.只要將前一點(diǎn)的偏差值與等于常數(shù)的終點(diǎn)坐標(biāo)值,相加或相減,即可得到新的坐標(biāo)點(diǎn)的偏差值.加工的起點(diǎn)是坐標(biāo)原點(diǎn),起點(diǎn)的偏差為=0,隨著加工點(diǎn)前進(jìn),新加工點(diǎn)的偏差都可以由前一點(diǎn)偏差和終點(diǎn)坐標(biāo)相加或相減得到. ②終點(diǎn)判別方法 逐點(diǎn)比較法的終點(diǎn)判斷有以下幾種方法: ● 設(shè)置x,y兩個(gè)減法計(jì)數(shù)器.加工開(kāi)始前, x,y計(jì)數(shù)器初值為終點(diǎn)坐標(biāo),,在x坐標(biāo)(或y坐標(biāo))進(jìn)給一步時(shí), x計(jì)數(shù)器(或y計(jì)數(shù)器)減1,當(dāng)2個(gè)計(jì)數(shù)器都減到0時(shí),到達(dá)終點(diǎn). ● 設(shè)置一個(gè)終點(diǎn)計(jì)數(shù)器,初值為x,y兩個(gè)坐標(biāo)給定的總步數(shù)Σ,每當(dāng)沿x或y坐標(biāo)方向進(jìn)給一步時(shí),終點(diǎn)計(jì)數(shù)器減除,當(dāng)減為0時(shí),到達(dá)終點(diǎn). ③插補(bǔ)計(jì)算過(guò)程 插補(bǔ)計(jì)算時(shí),每走一步,都要進(jìn)行以下4個(gè)步驟的算術(shù)邏輯運(yùn)算. ● 偏差判別判別偏差F≥0或F<0,這是邏輯運(yùn)算,根據(jù)邏輯運(yùn)算的結(jié)果確定下一步進(jìn)給方向和新的偏差計(jì)算; ● 坐標(biāo)進(jìn)給:進(jìn)給一步后,計(jì)算新的加工點(diǎn)對(duì)給定軌跡的偏差,作為下一次偏差判別的依據(jù); ● 終點(diǎn)判別:進(jìn)給一步后,終點(diǎn)計(jì)數(shù)減1.判斷是否到達(dá)終點(diǎn),未到達(dá)終點(diǎn)返回第一步. (2)直線插補(bǔ)計(jì)算舉例 設(shè)加工第一象限直線OA,起點(diǎn)為坐標(biāo)有原占,終點(diǎn)坐標(biāo)=6, =4,則計(jì)算過(guò)程如表4-1所示: 表4-1 直線插補(bǔ)過(guò)程 步數(shù) 偏差判別 坐標(biāo)進(jìn)給 偏差計(jì)算 終點(diǎn)判別 起點(diǎn) 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(gè)象限直線挺補(bǔ)的偏差符號(hào)及進(jìn)給方向如圖4-3所示. 圖4-3 4象限直線的偏差符號(hào)與進(jìn)給方向 由圖可知,第二象限的直線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OA1,其終點(diǎn)坐標(biāo)為(,).當(dāng)從O點(diǎn)出發(fā),按第一象限直線OA1進(jìn)行插補(bǔ)時(shí),若把沿x軸正向進(jìn)給改為x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OA2.第二象限直線OA2插補(bǔ)時(shí),偏差計(jì)算公式與第一象限直線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,只要插補(bǔ)終點(diǎn)值為(,)的第一象限的直線,而將輸出的進(jìn)給脈沖由+x變?yōu)?x,+y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 直線插補(bǔ)公式及進(jìn)給方向表 F≥0 F<0 直線坐標(biāo) 進(jìn)給方向 偏差計(jì)算 直線坐標(biāo) 進(jìn)給方向 偏差計(jì)算 , +x =- , +y =+ , +y , +x 4.4.2 直線插補(bǔ)—G01程序設(shè)計(jì) 在單片微機(jī)數(shù)字程序控制系統(tǒng)中,用插補(bǔ)計(jì)算程序完成插補(bǔ)計(jì)算,稱(chēng)之為”軟件插補(bǔ)器”.下面以插補(bǔ)第1象限直線、第2象限直線為例，介紹直線插補(bǔ)計(jì)算子程序的設(shè)計(jì)。 直線插補(bǔ)子程序需3個(gè)入口參數(shù)，它們是終點(diǎn)坐標(biāo)值，及總步數(shù)Σ。這些參數(shù)由調(diào)用程序查詢(xún)數(shù)據(jù)表得到，并存入入口單元，及BS；本子程序還用一個(gè)工作單元存放走步過(guò)程中加工點(diǎn)偏差值，初態(tài)為0。根據(jù)系統(tǒng)要求，上述4個(gè)單元均為3B。另外，在數(shù)控車(chē)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(bǔ)子程序框圖下圖所示。圖中還指出了插補(bǔ)計(jì)算的4個(gè)節(jié)拍。坐標(biāo)進(jìn)給通常是使步進(jìn)電機(jī)走一步，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)機(jī)床工作臺(tái)或刀具移動(dòng)。有關(guān)步進(jìn)電機(jī)的走步（正走、反走）子程序MAN _MOVE，不做介紹。第2象限直線插補(bǔ)的程序框圖不做介紹，請(qǐng)參照第1象限子程序框圖和4象限插補(bǔ)計(jì)算與進(jìn)給方向表。 圖4-4第一象限直線插補(bǔ)計(jì)算子程序框圖 ；************************************************************************************** ；第一象限直線插補(bǔ): 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(jì)算終判值 DYXXL2: MOV DPTR, #FEED% ；速度標(biāo)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(shí)1MS子程序 　　 MOV A, Fz1 ；取偏差的高8位 　　 JB ACC.7, DYXXL4 ；F<0,->Z向進(jìn)給 　　 MOV A, #02H ；走+X一步 MOV F_ORIENT, A 　　 LCALL DISP_XZ ；顯示原坐標(biāo) 　　 LCALL MAN_MOVE ；走步 　　 LCALL DISP_XZ ；顯示新坐標(biāo) 　　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(jì)算F-Ze->F DYXXL3: CLR C 　　 MOV A, BS3 　　 SUBB A, #01H 　　 MOV BS3, A 　　MOV A, BS2 SUBB A, #00H ；終點(diǎn)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(bǔ)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(biāo) 　　 LCALL MAN_MOVE ；走步 　　LCALL DISP_XZ ；顯示新坐標(biāo) 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(jì)算F+Xe->F 　　 LJMP DYXXL3 ；轉(zhuǎn)判終點(diǎn) 4.4.3 圓弧插補(bǔ)原理 ①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