2975 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)研究與設(shè)計

2975 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)研究與設(shè)計,經(jīng)濟(jì)型,數(shù)控系統(tǒng),研究,鉆研,設(shè)計 實(shí)習(xí)報告   這次能有機(jī)會去工廠實(shí)習(xí)，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(rèn)識，感覺到受益匪淺。  以下是我在實(shí)習(xí)期間的一些總結(jié)以及心得體會。在以后開展自身的工作，以及在對客戶的溝通應(yīng)對上，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)展成一家具有專業(yè)規(guī)模的木制品專家，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)，只見潔凈整齊的環(huán)境和次序井然的工作程序。雖然是國內(nèi)的制造廠家，但是，到了車間，看過那些先進(jìn)的流水線，那些熟練的技術(shù)水平，完全會感覺到現(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。走在車間，這些大多的木制廠家所面臨的嚴(yán)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(yán)格遵守。就連中午休息間隙，每個工人都會把自己得區(qū)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(xué)習(xí)過程  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(jìn)口，這也就是為什么我司的報價要比國內(nèi)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(zhì)之一。我司很多產(chǎn)品也都可以選用 MDF 貼木皮來達(dá)到仿實(shí)木的效果。對于一些想節(jié)省成本的客戶來說可以推薦一用。 這些常規(guī)木材在倉庫里都備有一定數(shù)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(guī)木材（除非客戶定購的產(chǎn)品數(shù)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(shù)、生產(chǎn)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(jī)器都比較先進(jìn)，一般來說都是機(jī)器自動操作，比如 CNC 數(shù)控機(jī)，萬能圓鋸機(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（一般來說，都需要熟練人工） 。  雖然說工廠對于大多數(shù)的木制產(chǎn)品都能生產(chǎn)，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(jié)構(gòu)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(yīng)盡快轉(zhuǎn)入噴漆車間，否則木材會變形。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)?PU 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(fèi)的時間不長，但是一張訂單的完成，工廠都會把每道環(huán)節(jié)都會安排到位。因此，在和客戶確認(rèn)訂單的時候，一定要把每個要求都確認(rèn)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(chǎn)品容易變形，而且也影響了訂單的進(jìn)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(fèi)用是視鐳射圖案的復(fù)雜程度而言的，一般來說都是每件產(chǎn)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(chǎn)品比較重要的組成部分。包裝工序包含了產(chǎn)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(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，每個細(xì)節(jié)都會有工人嚴(yán)格的操作標(biāo)準(zhǔn)。對于一些外銷客戶來說，對于產(chǎn)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(chǎn)品會有質(zhì)量的保障，在產(chǎn)品上很少出現(xiàn)質(zhì)量紕漏的原因。 而同樣是國內(nèi)訂單的話，往往會有一些刁蠻的客戶，在產(chǎn)品沒有品質(zhì)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?yàn)槟举|(zhì)品本身的問題之外，還要讓他們了解我們工廠對于質(zhì)量方面的控制要求是達(dá)到了國內(nèi)先進(jìn)水平的，很多質(zhì)量問題的產(chǎn)生很可能實(shí)在運(yùn)輸過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，工廠都會采購一定的數(shù)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(dú)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(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(xué)習(xí)產(chǎn)品的知識，服務(wù)好客戶。公司整體的業(yè)務(wù)水平提高了，才能開創(chuàng)出良好的業(yè)績經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)研究與設(shè)計 第 1 章 緒論 - 1 -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-----------------------------------------------32.1 系統(tǒng)總體方案--------------------------------------------------------------32.2 系統(tǒng)功能模塊及其分析-------------------------------------------------------5第三章 硬件系統(tǒng)設(shè)計---------------------------------------------------------73.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計-----------------------------------------------------------73.2 主模塊設(shè)計----------------------------------------------------------------83.3 輸入/輸出模塊設(shè)計----------------------------------------------------------93.4 人機(jī)界面模塊設(shè)計----------------------------------------------------------113.4.1 顯示方式的確定--------------------------------------------------------113.4.2 數(shù)控操作面板外形圖設(shè)計-------------------------------------------------123.4.3 機(jī)床操作面板設(shè)計------------------------------------------------------123.5 系統(tǒng)安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計----------------------------------------------------------133.6 PLC 在 CNC 系統(tǒng)中的應(yīng)用----------------------------------------------------133.7 系統(tǒng)電氣原理圖設(shè)計--------------------------------------------------------15第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計--------------------------------------------------------154.1 軟件功能設(shè)計-------------------------------------------------------------154.2 軟件結(jié)構(gòu)分析、設(shè)計--------------------------------------------------------164.3 人機(jī)界面及其軟件實(shí)現(xiàn)技術(shù)---------------------------------------------------174.3.1 菜單驅(qū)動技術(shù)的應(yīng)用---------------------------------------------------174.4 逐點(diǎn)比較插補(bǔ)法的軟件實(shí)現(xiàn)--------------------------------------------------174.4.1 直線插補(bǔ)原理---------------------------------------------------------174.4.2 直線插補(bǔ)—G01 程序設(shè)計 ------------------------------------------------204.4.3 圓弧插補(bǔ)原理---------------------------------------------------------234.5 快速點(diǎn)定位—G00 程序設(shè)計 --------------------------------------------------264.6 暫停(延遲)指令—G04 程序設(shè)計-----------------------------------------------284.7 步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)及轉(zhuǎn)速控制程序設(shè)計-------------------------------------------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 第 1 章 緒論 - 2 -經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)研究與設(shè)計第 1 章 緒論按數(shù)控系統(tǒng)的功能水平,可以把數(shù)控系統(tǒng)分為高、中、低三檔,低檔數(shù)控系統(tǒng)即可認(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)是相對于標(biāo)準(zhǔn)型數(shù)控系統(tǒng)而言的，不同時期，不同國家和地區(qū)的含義是不一樣的。根據(jù)實(shí)際機(jī)床的使用要求，合理簡化系統(tǒng)，降低成本，即可稱為經(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)稱為全功能數(shù)控系統(tǒng)，或稱為標(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，連動軸數(shù)較少，人機(jī)接口比較簡單，造價低廉，可以說得上是最經(jīng)濟(jì)的數(shù)控系統(tǒng)。所以，經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)主要指開環(huán)系統(tǒng)。開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、造價低、維修調(diào)試簡單、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低等特點(diǎn)，但受步進(jìn)電動機(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，開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)一般用在精度或速度要求不高，或者力矩不大的場合。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)主要同微型計算機(jī)與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)組成，既具有一定的數(shù)控功能，又具有造價低、使用維修方便等特點(diǎn)。本設(shè)計就是圍繞經(jīng)濟(jì)、實(shí)用這個核心而進(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(jìn)電機(jī)控制板等，還設(shè)有一個擴(kuò)展槽以便用戶擴(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)了模板級的功能分散，可以根據(jù)用戶的需要對系統(tǒng)裁剪或擴(kuò)展，系統(tǒng)組成靈活。本系統(tǒng)確定單微處理器開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，因其結(jié)構(gòu)簡單，可以根據(jù)專用設(shè)備的控制要求自行設(shè)計開發(fā)，周期短、費(fèi)用低、見效快。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內(nèi)智能設(shè)備中，國內(nèi)的數(shù)控系統(tǒng)也開始廣泛采用。作為一個簡易型數(shù)控系統(tǒng)，本系統(tǒng)采用了 20*2 帶背光字符型液晶模塊作為主顯示界面，不有用數(shù)碼管顯示或 CRT 顯示。本系統(tǒng)采用 64 鍵（8*8）行列式鍵盤，鍵盤掃描由 Intel8279 鍵盤/顯示接口芯片完成。系統(tǒng)設(shè)計中充分考慮功能的需要、操作方便的需要及系統(tǒng)復(fù)雜性的要求三個之間的關(guān)系，確定系統(tǒng)的大多數(shù)按鍵為雙功能鍵，使得整個系統(tǒng)界面簡潔。本系統(tǒng)功能精簡，實(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、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。第 2 章 CNC 系統(tǒng)總體方案的確定經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)研究與設(shè)計 第 2 章 CNC 系統(tǒng)總體方案的確定- 3 -2.1 系統(tǒng)總體方案計算機(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)動裝和進(jìn)給（伺服）驅(qū)動裝置組成，如圖 2-1 所示。系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)具有靈活性、通用性、可靠性，易于實(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。 位 置 檢 測 裝 置進(jìn) 給 電 動 機(jī)床機(jī)主 軸 電 動 機(jī)單 元速 度 控 制單 元主 軸 控 制（ PLC）可 編 程 控 制 器裝 置輸 出裝 置通 信裝 置輸 入 （ N裝 置 ）控 制 裝 置數(shù) 值計 算 機(jī)圖 2-1 CNC 系統(tǒng)組成CNC 數(shù)控系統(tǒng)由以下幾個部分組成：1) 微型計算機(jī)，包括中央處理器、存儲器、I/O 接口等。2) 進(jìn)給伺服系統(tǒng)，在開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)中為步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)。3) 開關(guān)量控制及主軸控制，這部分涉及到 M、T、S 代碼的執(zhí)行。4) 人機(jī)接口和通信功能。5) 控制軟件。系統(tǒng)設(shè)計的目的決定了系統(tǒng)只能采用開壞控制方式。在開壞型位置控制系統(tǒng)中，只能采用步進(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)容見其它資料。本系統(tǒng)確定為開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)簡單，可以根據(jù)專用設(shè)備的控制要求自行設(shè)計開發(fā)，周期短、費(fèi)用低、見效快。開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖 2-2 所示。在進(jìn)行開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的總體設(shè)計時，通常要考慮以下問題：1. 系統(tǒng)功能要求設(shè)計系統(tǒng)之前，應(yīng)該明確定義系統(tǒng)的功能。在定義開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)功能時，應(yīng)以必要為度，既然是經(jīng)濟(jì)型系統(tǒng)，應(yīng)不求最佳，但求滿意。定義系統(tǒng)時，應(yīng)綜合考慮經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性、開發(fā)周期和開發(fā)能力等因素，對系統(tǒng)的某些功能進(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)對話功能，如顯示、通信功能及輸入輸出設(shè)備；5) 硬件、軟件的設(shè)計均以經(jīng)濟(jì)型為平臺；經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)研究與設(shè)計 第 2 章 CNC 系統(tǒng)總體方案的確定- 4 -床機(jī)軟 件 主 軸 控 制主 軸 反 饋控 制 電 路開 關(guān) 量 電 動 機(jī)步 進(jìn)驅(qū) 動 電 路步 進(jìn) 伺 服I/O口 )RAMEP(CU微 機(jī)接 口通 信與接 口人 機(jī)圖 2-2 開環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2. 確定控制任務(wù)及軟件、硬件任務(wù)的劃分根據(jù)系統(tǒng)功能，可以進(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)。對一些控制任務(wù)要確定是用硬件來完成還是用軟件來完成，如開關(guān)量的邏輯控制可以用硬件來完成，也可以用軟件來完成。復(fù)雜的邏輯控制，用軟件來完成就要經(jīng)濟(jì)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(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。選擇微機(jī)型號時，要考慮經(jīng)濟(jì)性和先進(jìn)性，同時必須考慮開發(fā)手段、支持軟件及外圍芯片等因素。由于控制功能不十分復(fù)雜，故采用單微機(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)只有一個微處理器，對存儲、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處理。2) 微處理器通過總線與存儲、輸入輸出控制等各種接口相連，構(gòu)成 CNC 系統(tǒng)。3) 結(jié)構(gòu)簡單、容易實(shí)現(xiàn)。4) 單微處理器因?yàn)橹挥幸粋€微處理器集中控制， ，其功能將受到微處理器字長、數(shù)據(jù)寬度、尋址能力和運(yùn)算速度等因素限制。由于插補(bǔ)等功能由軟件來實(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)計成不同的結(jié)構(gòu)形式。不同的軟件結(jié)構(gòu)，對各任務(wù)的安排方式也不同，管理方式也不同。常見的 CNC 軟件結(jié)構(gòu)形式有前后臺型軟件結(jié)構(gòu)和中斷軟件結(jié)構(gòu)。前后臺型軟件結(jié)構(gòu)適合于采用集中控制的單微處理器 CNC 裝置。故本設(shè)計采用前后臺型軟件結(jié)構(gòu)。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)研究與設(shè)計 第 2 章 CNC 系統(tǒng)總體方案的確定- 5 -2.2 系統(tǒng)功能模塊及其分析1．系統(tǒng)操作界面按照本系統(tǒng)的設(shè)計思想，系統(tǒng)的界面設(shè)計確定圖 2-3 所示：.上 下 檔上 頁下 頁回 車插 入刪 除手 動換 刀運(yùn) 行暫 停復(fù) 位 限 位暫 停上 下 檔 切 換電 源圖 2-3 系統(tǒng)人機(jī)界面圖其中，30 個按鍵中的 12 個為雙功能鍵，按鍵的功能簡單說明如下：復(fù)位——系統(tǒng)在死機(jī)、工作出錯等情況下的總清鍵，使系統(tǒng)回復(fù)設(shè)計的原始狀態(tài)。運(yùn)行——自動運(yùn)行用戶的零件加工程序，包括程序的語法檢查、數(shù)據(jù)處理、編譯、插補(bǔ)運(yùn)算及步進(jìn)電機(jī)控制等。暫?！詣蛹庸さ臅和?，是一個乒乓鍵，按一次，加工暫停，再按一次，繼續(xù)加工。換刀——用于手工換刀，每按一次，電動刀架轉(zhuǎn)一個工位，本系統(tǒng)中為 。o90手動——與“←、↑、→、↓”配合，以實(shí)現(xiàn)動作臺的連動；在編輯程序時為光標(biāo)移動鍵。數(shù)字 1—9——均為雙功能鍵，用于程序輸入，用“上下檔”鍵進(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——程序上翻到上一程序段。相當(dāng) PC 機(jī)的 PageUp 鍵。下頁——程序下翻到下一程序段，與上頁鍵盤緩沖區(qū)一樣是一個屏幕編輯鍵。相當(dāng)于 PC 機(jī)的 PageDown 鍵?；剀嚒_認(rèn)鍵。Esc——相當(dāng)于 PC 機(jī)的 Esc 鍵。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)研究與設(shè)計 第 2 章 CNC 系統(tǒng)總體方案的確定- 6 -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： 模 塊模 塊 模 塊模 塊 步 進(jìn) 電 機(jī) 控 制串 行 通 信人 機(jī) 界 面 主 控 模 塊 LCD顯 示 控 制圖 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，這個經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，整個系統(tǒng)由 3 個相對獨(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/顯示子系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)以 8098 為核心，擴(kuò)展了 16KB 的用戶加工程序區(qū)，具有掉電保護(hù)功能；通過鍵盤管理接口芯片 8279 擴(kuò)展鍵盤，利用其上下檔功能實(shí)現(xiàn)了按鍵的雙功能，簡化了鍵盤；I/O 接口孖系統(tǒng)的核心是8255，通過它擴(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)計過程中，力圖體現(xiàn)“加強(qiáng)容錯性，方便使用的原則，采用模塊化設(shè)計，全程菜單驅(qū)動，共有 5 大模塊組成：通信模塊、自動模塊、參數(shù)設(shè)置、編輯模塊、手動模塊。系統(tǒng)軟件框圖見圖 2-5：經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)研究與設(shè)計 第 2 章 CNC 系統(tǒng)總體方案的確定- 7 -冷 啟 動系 統(tǒng) 自 檢系 統(tǒng) 初 化顯 示 主 菜 單等 待 按 健 并 判 鍵 處 理 通 信 模 塊編 輯 模 塊參 數(shù) 設(shè) 置自 動 模 塊手 動 模 塊圖 2-5 系統(tǒng)軟件原理框圖第三章 硬件系統(tǒng)設(shè)計3.1 數(shù)控裝置硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計數(shù)控裝置是整個數(shù)控系統(tǒng)的核心，其硬件結(jié)構(gòu)按 CNC 裝置中各印制電路板的插接方式可以分為大板式結(jié)構(gòu)和功能模塊式結(jié)構(gòu)。（1）大板式結(jié)構(gòu) CNC 裝置可由主電路板、位置控制板、PLC 板、圖形控制板和電源單元等組成。主電路板是大印制電路板，其它電路是小印制電路板，它們插在大印制電路板上的插槽內(nèi)而共同構(gòu)成CNC 裝置。（2）功能模塊式結(jié)構(gòu)將整個 CNC 裝置按功能劃分為模塊，硬件和軟件的設(shè)計都采用模塊化設(shè)計方法，即每一個功能模塊被做成尺寸相同的印制電路板（稱功能模板） ，相應(yīng)功能模塊的控制軟件也模塊化。從本系統(tǒng)設(shè)計目的和用戶使用角度出發(fā)，本設(shè)計選用大板式結(jié)構(gòu)。板式結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖示。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)研究與設(shè)計 第 3 章 硬件系統(tǒng)設(shè)計- 8 -連 接 單 元 (DI/O)板擴(kuò) 展 槽步 進(jìn) 電 機(jī) 控 制 板控 制 用 ROM板I/接 口LCD控 制 板機(jī) 床 強(qiáng) 電 柜位 置 控 制外部位置顯示手搖脈沖發(fā)生器T1端 子T1端 子 速 度控 制單 元X軸Y軸單 元控 制速 度 CNCN C15 RS23CCADXMDI&LCAXCNTMD10C607C8AWTROMCPU主 印 刷 板圖 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、存儲器、定時和中斷控制電路組成，存儲器包括 ROM 和 RAM，ROM（采用 EPROM）用于固化數(shù)控系統(tǒng)軟件，RAM 存放可變數(shù)據(jù)，如堆棧數(shù)據(jù)和控制軟件暫存數(shù)據(jù)，對數(shù)控加工程序和系統(tǒng)參數(shù)等可變數(shù)據(jù)存儲區(qū)域具有掉電保護(hù)功能。五個插槽內(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)動一些電路。3.2 主模塊設(shè)計1．主模塊中關(guān)鍵器件及其選型經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)研究與設(shè)計 第 3 章 硬件系統(tǒng)設(shè)計- 9 -（1）單片機(jī)CPU 是整個 CNC 系統(tǒng)的核心，CPU 性能的好壞直接影響著 CNC 系統(tǒng)的性能。當(dāng)前單片機(jī)價格較低、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)計的任務(wù)來看，開環(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，而價格也不太高。（2）存儲器的選用存儲器應(yīng)符合以下要求：1) 系統(tǒng)掉電后可靠保存關(guān)鍵程序和數(shù)據(jù)2) 具有高可靠上電、掉電及強(qiáng)電磁沖擊等數(shù)據(jù)保護(hù)功能3) 讀/寫次數(shù)無限4) 讀/寫速度快，讀/寫方式簡單5) 工業(yè)化設(shè)計，適用于潮濕、震動、輻射、高低溫等惡劣環(huán)境8098 可尋址外部存貯空間為 64KB?？紤]到數(shù)控系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境以及數(shù)控系統(tǒng)對加工程序數(shù)據(jù)掉電保護(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)存貯空間分配見表 3-1。表 3-1 系統(tǒng)存貯空間分配表0FE00H~0FFFFH 空0FC00H~0FDFFH 顯示存貯器0FB00H~0FBFFH 空0FA00H~0FAFFH I/O 外設(shè)0F900H~0F9FFH 空0F800H~0F8FFH 鍵盤/顯示控制器8000H~0F7FFH 數(shù)據(jù)存貯器2080H~7FFFH 程序存貯器2012H~207FH 芯片配置字節(jié)及系統(tǒng)保留存貯單元2000H~2011H 中斷向量1FFEH~1FFFH PORT3，40100H~1FFEH 程序存貯器0000H~00FFH 內(nèi)部 RAM、堆棧指針及特殊功能寄存器2．主模塊電原理圖設(shè)計主模塊電原理圖如圖。為了提高總線負(fù)載能力，對數(shù)據(jù)總線采用雙向總線驅(qū)動器 74HC245 進(jìn)行驅(qū)動。2 片 GAL16V8 實(shí)現(xiàn)地址譯碼，產(chǎn)生接口片選信號、液晶模塊等的邏輯控制要求。3.3 輸入/輸出模塊設(shè)計1.鍵盤的選用鍵盤是輸入、修改、刪除零件程序、機(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）行列式鍵經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)研究與設(shè)計 第 3 章 硬件系統(tǒng)設(shè)計- 10 -盤，鍵盤掃描由 Intel8279 鍵盤/顯示接口芯片完成，接口地址為 0F800H。當(dāng)組成無 CRT 顯示的 CNC 最簡系統(tǒng)時，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)具有一定的開關(guān)量輸入/輸出能力。開關(guān)量輸入/輸出板主要用來控制主軸的起動與停止、正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，冷卻液的開關(guān)以及接收機(jī)床限位信號。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 所示為開關(guān)量輸入/輸出板的邏輯框圖。8255 接口地址為 0FAB0H~0FAB3H。8255 的 A 口和 B口編程為輸入緩沖方式，可以輸入 16 位開關(guān)量信號；C 口編程為輸出鎖存方式，可以輸出 8 位開關(guān)量信號，而且可以位控輸出。為了提高系統(tǒng)的搞干擾能力，微機(jī)與機(jī)床（強(qiáng)電線路）之間采用了光電耦合器。開關(guān)量輸入/輸出信號見表 3-2。表中，NC 指未連接的位線，這些位線可以根據(jù)用戶要求進(jìn)行連接，以擴(kuò)展系統(tǒng)的功能。3-2 開關(guān)量輸入/輸出信號表PORT A0 1 2 3 4 5 6 7正向限位 反向限位 NC NC NC NC NC NCPORT B0 1 2 3 4 5 6 7NC NC NC NC NC NC NC NC（一）輸入信號PORT C0 1 2 3 4 5 6 7主軸啟/停 主軸正/反 冷卻液開/關(guān) NC NC NC NC NC（二）輸出信號3．步進(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(jìn)電機(jī)驅(qū)動電源。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)研究與設(shè)計 第 3 章 硬件系統(tǒng)設(shè)計- 11 -28930147123765404321098576234567123456784516099018765432 8BAB01APPCBSRETAWD65 XGND2CVEDIRDIRE+V9 +4V+KAIHCHCJ1ZCBATLP2-H+VEDIRKA9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內(nèi)智能設(shè)備中，國內(nèi)的數(shù)控系統(tǒng)也開始廣泛采用。作為一個簡易型數(shù)控系統(tǒng)，本系統(tǒng)采用了 20*2 帶背光字符型液晶模塊作為主顯示界面，不有用數(shù)碼管顯示或 CRT 顯示。這樣做的目的有 3 個：A. 液晶顯示方式具有顯示容量大、可以顯示所有字符及自定義字符的能力。至于不能顯示圖形以實(shí)現(xiàn)加工曲線動態(tài)顯示的缺陷，可以通過上位機(jī)模擬住址加工來彌補(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)動的基本素質(zhì)。采用菜單驅(qū)動方式實(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.經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)研究與設(shè)計 第 3 章 硬件系統(tǒng)設(shè)計- 12 -譯 碼 輸 出（ 0－ ） 模 塊圖 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 ；讀寫態(tài)口CMD_WR_LCD EQU 0D000H ；寫命令口DATA_RD_LCD EQU 0D003H ；讀狀態(tài)口 DATA_WR_LCD EQU 0D002H ；寫數(shù)據(jù)口RET上 下 檔 指 示接 8279的 引 腳雙 穩(wěn) 態(tài)觸 發(fā) 電 路上 下 檔 鍵圖 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)中手動方式下連動功能的程序?qū)崿F(xiàn)８２７９有３種基本工作方式：鍵盤掃描、傳感矩陣及選項(xiàng)卡通輸入。大多數(shù)應(yīng)用系統(tǒng)中，通常采用鍵盤掃描方式。這２種鍵盤掃描方式的特點(diǎn)是：按鍵時自動消彈，并且當(dāng)鍵盤緩沖區(qū)中有鍵值時ＩＲＱ為高，否則為低。由于這個特點(diǎn)，單純的鍵盤掃描方式很難實(shí)現(xiàn)按鍵的連動功能。原因是：按鍵后，必須先讀取鍵值并判鍵，才能執(zhí)行相應(yīng)的動作；而此時鍵盤緩沖區(qū)的鍵值已空，因此就無法知道當(dāng)前的按鍵狀態(tài)，因而無從判斷是否執(zhí)行連動操作。通過對傳感矩陣方式的分析可知，當(dāng)傳感器的狀態(tài)有變化時過境遷最佳值引起ＩＲＱ信號變高；因此，如果將ＩＲＱ與ＣＰＵ的某一口線，例如８０３１的 P1.6 相連，就可以據(jù)此判斷按鍵的狀態(tài)變化，以實(shí)現(xiàn)連動功能。3.4.2 數(shù)控操作面板外形圖設(shè)計本數(shù)控系統(tǒng)的 NC 鍵盤與顯示器的構(gòu)成詳見設(shè)計 1 號圖紙.其中,顯示器為圖形點(diǎn)陣液晶顯示器, 可經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)研究與設(shè)計 第 3 章 硬件系統(tǒng)設(shè)計- 13 -以顯示所有字符及圖形. 系統(tǒng)設(shè)計中充分考慮功能的需要、操作方便的需要及系統(tǒng)復(fù)雜性的要求三都之間的關(guān)系，確定系統(tǒng)的大多數(shù)按鍵為雙功能鍵，使得整個系統(tǒng)界面簡潔。3.4.3 機(jī)床操作面板設(shè)計操作面板所具有的按鍵與旋鈕：1. 電源接通與關(guān)斷. 2. 緊急停止與復(fù)位 3. 超程解除 4. 方式選擇(自動,單段, 步進(jìn) , 點(diǎn)動, 回零, 手搖) 5. 手動運(yùn)行( 手動運(yùn)行包括:手動回參考點(diǎn),點(diǎn)動進(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(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 13.冷卻液開/ 關(guān) 14.循環(huán)啟動 15.進(jìn)給保持 16. 機(jī)床鎖定 17.Z 軸鎖定 18.M.S.T 鎖定.急 停 手 搖 脈 沖 發(fā) 生 器9012+-主 軸 反 轉(zhuǎn)主 軸 停主 軸 正 轉(zhuǎn)-JOG快 進(jìn)+任 選 程 序 段超 程 解 除 MST鎖 定Y軸 鎖 定機(jī) 床 鎖 定空 運(yùn) 行 刀 松 /刀 緊冷 卻 液 開 關(guān)進(jìn) 給 保 持循 環(huán) 程 序 增 量 倍 率坐 標(biāo) 選 擇 ZX主 軸超 程N(yùn)C機(jī) 床 報 警電 源 AY主 軸 修 調(diào)進(jìn) 給 修 調(diào)方 式 選 擇 1605432回 零手 搖點(diǎn) 動步 進(jìn)單 段自 動開關(guān)圖 3-6 機(jī)床操作面板3.5 系統(tǒng)安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計數(shù)控裝置、控制設(shè)備和機(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型。第 A 類：與驅(qū)動有關(guān)的連結(jié)電路，主要是與坐標(biāo)軸進(jìn)給驅(qū)動和主軸驅(qū)動的連結(jié)電路。第 B 類：數(shù)控裝置與測量系統(tǒng)和測量傳感器之間的連結(jié)電路。第 C 類：電源及保護(hù)電路。第 D 類：開/關(guān)信號與代碼信號連結(jié)電路。系統(tǒng)安裝結(jié)構(gòu)圖設(shè)計詳見設(shè)計圖紙 2 號圖紙。3.6 PLC 在 CNC 系統(tǒng)中的應(yīng)用PLC 在數(shù)控系統(tǒng)中是介于數(shù)控裝置與機(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。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)研究與設(shè)計 第 3 章 硬件系統(tǒng)設(shè)計- 14 -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)：DI/O電路 冷 卻 、 排 屑換 刀 動 作輔 助 動 作電 機(jī)伺 服電 機(jī)主 軸單 元伺 服 驅(qū) 動單 元主 軸 驅(qū) 動強(qiáng) 電 電 路面 板機(jī) 床 操 作面 板MCRTPLN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)格來確定。它的硬件和軟件部分被作為CNC 系統(tǒng)的基本功能統(tǒng)一設(shè)計。具有結(jié)構(gòu)緊湊、適配能力強(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用微處理器兩種類型。前者利用 CNC 微處理器的余力來發(fā)揮 PLC 的功能，I∕O 點(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、動作速度要求快的場合。3) 內(nèi)裝型 PLC 與 CNC 其它電路通常裝在一個機(jī)箱內(nèi)，共用一個電源和地線。4) 內(nèi)裝型 PLC 的硬件電路可與 CNC 其它電路制作在同一塊印制電路板上，也可以單獨(dú)制成附加印制電路板，供用戶選擇。本系統(tǒng)采用附加印制電路板型式。5) 內(nèi)裝型 PLC，對外沒有單獨(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控制功能，且造價低，提高了 CNC 的性能價格比。內(nèi)裝型 PLC 與 RLC（繼電器邏輯電路）相比，具有響應(yīng)速度快、控制精度高、可靠性高、柔性好、易與計算機(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)床對控制功能的要求，可以靈活地選購或自行開發(fā)通用行 PLC。一般來說，數(shù)控車床、銑加工中心等單機(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 連經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)研究與設(shè)計 第 3 章 硬件系統(tǒng)設(shè)計- 15 -接電路，需將對應(yīng)的 I/O 信號的接口電路連接起來。通用型 PLC，一般采用模塊化結(jié)構(gòu)，裝在插板式籠箱內(nèi)。I/O 點(diǎn)數(shù)可通過 I/O 模塊或者插板的增減靈活配置，使得 PLC 與 CNC 的 I/O 信號的連接變得簡單。3) 可以擴(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)動稱為插補(bǔ)坐標(biāo)，而由 PLC 控制的坐標(biāo)運(yùn)動稱為輔助坐標(biāo)，從而擴(kuò)大了 CNC 的控制功能。PLC裝 置DI/O電路 電路 電路 冷 卻 、 排 屑換 刀 動 作輔 助 動 作電 機(jī)伺 服電 機(jī)主 軸單 元伺 服 驅(qū) 動單 元主 軸 驅(qū) 動強(qiáng) 電 電 路面 板機(jī) 床 操 作面 板MDI/RTN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 與上級計算機(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。為提供用戶使用 8 個輸入，8 個輸出點(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。如電磁閥、接觸器、電磁鐵以及確保機(jī)床各運(yùn)動部件狀態(tài)的信號和故障顯示。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、進(jìn)給停止等控制信息；各坐標(biāo)軸運(yùn)動限位及基準(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)計本系統(tǒng)確定單微處理器開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，選用 INTEL 公司推出的準(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地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線連系起來，具體電氣原理圖參見設(shè)計圖紙 1 號圖。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)研究與設(shè)計 第 4 章 軟件系統(tǒng)設(shè)計- 16 -第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1 軟件功能設(shè)計1.控制軸數(shù)本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn) X、Z 兩軸聯(lián)動。2．插補(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—順時針圓弧插補(bǔ)G03—逆時針圓弧插補(bǔ)G04—延時(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—主軸順時針旋轉(zhuǎn)M04—主軸逆時針旋轉(zhuǎn)M05—主軸停止M08—冷卻液開M09—冷卻液關(guān)6.補(bǔ)償功能包括刀具半徑和刀具長度補(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)模式有前后臺型結(jié)構(gòu)模式與中斷型結(jié)構(gòu)模式。A．前后臺型結(jié)構(gòu)模式將 CNC 裝置軟件劃分成兩部分：前臺程序和后臺程序。前臺和后臺程序內(nèi)部各子任務(wù)采用的是順序調(diào)度。這種結(jié)構(gòu)在前臺和后臺內(nèi)無優(yōu)先級等級，也無搶占機(jī)制，因而，實(shí)時性差。所以該結(jié)構(gòu)適用控制功能較簡單的系統(tǒng)。B．中斷型結(jié)構(gòu)模式是將除了初始化程序之外，整個系統(tǒng)軟件的各個任務(wù)模塊分別安排在不同級別的中斷服務(wù)程序中，然后由中斷管理系統(tǒng)（由硬件與軟件組成）對各通級中斷服務(wù)程序?qū)嵤┱{(diào)度管理。該結(jié)構(gòu)中任務(wù)的調(diào)度采用的是優(yōu)先搶占調(diào)度。這類系統(tǒng)實(shí)時性好，但模塊的關(guān)系復(fù)雜，耦合度大，不得于對系統(tǒng)的維護(hù)和擴(kuò)充。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)研究與設(shè)計 第 4 章 軟件系統(tǒng)設(shè)計- 17 -2.軟件結(jié)構(gòu)確定前后臺型軟件結(jié)構(gòu)適合于采用集中控制的單微處理器 CNC 裝置，與本系統(tǒng)的單微處理器形式相符。中斷型結(jié)構(gòu)模式實(shí)時性好，但模塊的關(guān)系復(fù)雜，耦合度大，不得于對系統(tǒng)的維護(hù)和擴(kuò)充。本系統(tǒng)控制功能較簡單，相比之下，經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)宜選用前后臺型軟件結(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)的用戶是廣大中小型企業(yè)或勞動密集型企業(yè).由于操作人員的技術(shù)水平和文化素質(zhì)普遍不是很高,數(shù)控系統(tǒng)又及是面向小批量零件的加工的一種機(jī)加裝備;因此,提高編輯模塊的容錯性,方便性,是十分必要的.本系統(tǒng)中主要采用了菜單驅(qū)動技術(shù)和全屏幕編輯技術(shù),實(shí)現(xiàn)了比較友好的系統(tǒng)人機(jī)界面.4.3.1 菜單驅(qū)動技術(shù)的應(yīng)用菜單驅(qū)動技術(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的便捷和輕松.在本數(shù)控系統(tǒng)中,就應(yīng)用了全程菜單驅(qū)動技術(shù).現(xiàn)將這種技術(shù)在單片機(jī)系統(tǒng)上的實(shí)現(xiàn)做一簡單說明.(1)菜單驅(qū)動的物理?xiàng)l件要實(shí)現(xiàn)菜單驅(qū)動,顯然,系統(tǒng)首先要有菜單顯示能力.由于本系統(tǒng)采用字符液晶模塊作為顯示界面,一屏可顯示 40 字符,因此具備菜單驅(qū)動的基本條件;而且液晶模塊的反像顯示特性,可使系統(tǒng)十分容易得到菜單的光條效果,這對于完備的菜單是必須的.(2)菜單驅(qū)動的軟件實(shí)現(xiàn)以系統(tǒng)編輯模塊為例,說明菜單驅(qū)動的有條理.先看圖 4-1 編輯模塊菜單結(jié)構(gòu):子 菜 單 12子 菜 單菜 單 項(xiàng)圖 4-1 編輯模塊菜單結(jié)構(gòu)其程序設(shè)計思想是:選中主菜單中的 EDIT 菜單項(xiàng)后,顯示其下的孖菜單 111;通過光條移動選中 erase子項(xiàng)后,回車確認(rèn),則顯示其下的子菜單 1112;按鍵“↑↓”控制光條移動,通過回車鍵執(zhí)行相應(yīng)的操作.4.4 逐點(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偏差計算公式經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)研究與設(shè)計 第 4 章 軟件系統(tǒng)設(shè)計- 18 -按逐點(diǎn)比較法原理,必須把每一個插值點(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算出來.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)exymxy相似三角形關(guān)系可得: / = / ， 即 - =0meexey由此要嘚直線插補(bǔ)的偏差判別式為= - (4-1)Fyexe若 =0, m 點(diǎn)在 OA 直線上;F若 >0, 點(diǎn)在直線 OA 上方;'若 0 + x F3=F2- =-2eyΣ=74 F0 + x F5=F4- =0eyΣ=56 F=0 + x F6=F5= =-4 Σ=47 F0 + x F8=F7- =-2yΣ=29 F0 + y F10=F9- =0yΣ=0(3)4 個象限直線挺補(bǔ)的偏差符號及進(jìn)給方向如圖 4-3 所示.經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)研究與設(shè)計 第 4 章 軟件系統(tǒng)設(shè)計- 20 -圖 4-3 4 象限直線的偏差符號與進(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稱于 y 軸的直線 OA1,exy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,若把沿 x 軸正向進(jìn)給改為 xexy軸負(fù)方向進(jìn)給,這時實(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,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(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,+yexyey方向即可.以此類推,4 個象限所有的偏差計算公式和進(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 FZ 向進(jìn)給MOV A, #02H ；走+X 一步MOV F_ORIENT, ALCALL DISP_XZ ；顯示原坐標(biāo)LCALL MAN_MOVE ；走步LCALL DISP_XZ ；顯示新坐標(biāo)CLR CMOV A, Fz3SUBB A, Ze3MOV Fz3, AMOV A, Fz2SUBB A, Ze2MOV Fz2, AMOV A, Fz1SUBB A, Ze1MOV Fz1, A ；計算 F-Ze->FDYXXL3: CLR CMOV A, BS3SUBB A, #01HMOV BS3, AMOV A, BS2SUBB A, #00H ；終點(diǎn)判值減 1MOV BS2, AMOV A, BS1SUBB A, #00HMOV BS1, AORL A, BS2ORL A, BS3JNZ 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, ALCALL DISP_XZ ；顯示原坐標(biāo)LCALL MAN_MOVE ；走步LCALL DISP_XZ ；顯示新坐標(biāo)CLR CMOV A, Fz3ADD A, Xe3MOV Fz3, A經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)研究與設(shè)計 第 4 章 軟件系統(tǒng)設(shè)計- 23 -MOV A, Fz2ADDC A, Xe2MOV Fz2, AMOV A, Fz1ADDC A, Xe1MOV Fz1, A ；計算 F+Xe->FLJMP DYXXL3 ；轉(zhuǎn)判終點(diǎn)4.4.3 圓弧插補(bǔ)原理①偏差計算公式以第一象限逆圓為例,討論偏差計算公式的推導(dǎo)方法.如圖 4-5。圖 4-5 第 1 象限逆圓設(shè)要加工圓弧 AB,圓弧的圓心在坐標(biāo)原點(diǎn),圓弧的起點(diǎn) A( , ),終點(diǎn) B( , ),圓弧的半徑為 R.令0xyexy瞬時加工點(diǎn)為 m( , ).它與圓心的距離為 .比較 和 R,可比較比較它們的平方值. mxymR= +2Rmx2y= +0因此可得圓弧偏差判別公式如下:= - = + - (4-4)F22m2若 =0,表明加工點(diǎn) m 在圓弧上;mF>0,表明加工點(diǎn) m 在圓弧外;04F-x = -2 +1=-15F4x=3, =35Σ=4-1=36 06F-x = -2 +1=17F6x=3, =47xyΣ=2-1=18 >07-x = -2 +1=087=0, =48Σ=0表 4-3 圓弧插補(bǔ)過程(3)4 個象限圓弧插補(bǔ)計算公式前面以第一個逆圓為例推導(dǎo)計算公式并指出了根據(jù)偏差符號確定進(jìn)給方向.其他 3 個象限的逆圓偏差計算公式可以通過與第一象限的逆圓,順圓相比較而得到.下面先推導(dǎo)第一象限順圓的偏差計算公式.高加工點(diǎn)現(xiàn)處于 m( , )點(diǎn),若偏差 ≥0,則沿-y 軸向mxymF進(jìn)給一步,到 m+1 點(diǎn),新加工點(diǎn)坐標(biāo)( , -1),求出新的偏差為:mxy= -2 +11?F若偏差 <0,則沿+x 軸進(jìn)給一步,到 m+1 點(diǎn),新加工點(diǎn)坐標(biāo)是( +1, ),新的偏差為:mF= +2 +1這樣便可以第一象限的逆圓,順圓為基準(zhǔn),推導(dǎo)其他 3 個象限的逆圓,順圓插補(bǔ)計算公式.下面分別是以符號 S , S , S , S 表示第 1-4 象限的順圓,以符號 N , N , N , N 表1R234R1R234R示第 1-4 象限的逆圓.所有 4 個象限 8 種圓弧的偏差計算公式和坐標(biāo)進(jìn)給方向列于下表 4-4。偏差符號 ≥0mF偏差符號 <0mF圓弧坐標(biāo)及方向進(jìn)給方向偏差計算 坐標(biāo)計算 圓弧坐標(biāo)及方向進(jìn)給方向偏差計算 坐標(biāo)計算S , N1R2-Y S , N1R4+XS , N34+Y= -21?m+1y=1?mx= -1yS , N32-X = +1?m2 +1x=1?mx=yN , S1R4-X N , S1R2+YN , S23+X= -21?mF+1x= -11?mx=yN , S 4-Y = +1?mF2 +1y=1?mx= +1y表 4-4 圓弧插補(bǔ)計算公式及進(jìn)給方向經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)研究與設(shè)計 第 4 章 軟件系統(tǒng)設(shè)計- 26 -4.5 快速點(diǎn)定位—G00 程序設(shè)計快速點(diǎn)定位指令 G00G00 命令刀具以點(diǎn)位控制方式從刀具所在點(diǎn)以最快速度移動到坐標(biāo)系的另一點(diǎn)。它只是快速到位，而其運(yùn)動軌跡根據(jù)具體控制系統(tǒng)設(shè)計而有所不同。如圖 4-6 所示。a圖 4-6 快速點(diǎn)定值從 A 到 B 有四種方式；路線 a 是以折線方式到達(dá) B 點(diǎn)，其初始角 α 是固定的，一般為 ；路線 b 為。45直線 AB；路線 d 和 c 則分別由 AD、DB 或 AC、CB 構(gòu)成。應(yīng)注意的是，進(jìn)給速度 F 對 G00 無效。本系統(tǒng)以折線方式到達(dá)指定點(diǎn)，具體編程如下：；***************************************************************************************；快速點(diǎn)定位子程序：QSDDW；***************************************************************************************QSDDW : CLR CMOV BX3, Xo3 ；X 坐標(biāo)起點(diǎn)輸入（3 個字節(jié)）MOV BX2, Xo2 ；Xo1—高 8 位，Xo2—中 8 位MOV BX1, Xo1 ；Xo3—低 8 位CLR CMOV A, Xe3SUBB A, BX3MOV BX3, AMOV A, Xe2SUBB A, BX2MOV BX2, AMOV A, Xe1SUBB A, BX1MOV BX1, A ；X 坐標(biāo)終點(diǎn)輸入并計算 X 方向終判值（3B）MOV BY3, Yo3 ；Y 坐標(biāo)起點(diǎn)輸入（3 個字節(jié)）MOV BY2, Yo2MOV BY1, Yo1CLR CMOV A, Ye3經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)研究與設(shè)計