【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 件結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化，采用大規(guī)模和超大規(guī)模通用和專用集成電路，使可靠性進(jìn)一步提高。（5）易于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化。 由于采用計(jì)算機(jī)，使硬件數(shù)量相應(yīng)減少，加之電子元件的集成度越來(lái)越高，使硬件的體積不斷縮小，同時(shí)控制柜的尺寸也相應(yīng)減少。數(shù)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)非常緊湊，使其與機(jī)床結(jié)合在一起成為可能，減少占地面積，方便操作。由于通訊功能的增強(qiáng)，容易組成數(shù)控加工自動(dòng)生產(chǎn)線，如FMC、FMS、DNC和CIMS等。 （6）使用維護(hù)方便，操作使用方便。 目前大多數(shù)數(shù)控機(jī)床的操作采用了菜單結(jié)構(gòu)，用戶只需根據(jù)菜單的提示，進(jìn)行正確操作。 （7）編程方便。 大多數(shù)數(shù)控機(jī)床具有多種編程的功能，并且都具有程序自動(dòng)校驗(yàn)和模擬仿真功能。 （8）維護(hù)維修方便。 數(shù)控機(jī)床的許多日常維護(hù)工作都由數(shù)控裝置承擔(dān)；而且，數(shù)控機(jī)床的自診斷功能，可迅速使故障定位，方便維修人員。正是由于以上的優(yōu)點(diǎn)和本著經(jīng)濟(jì)、成本低的原則，設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)型CNC數(shù)控系統(tǒng)是本設(shè)計(jì)的主要方案。改造方案總體可以從硬件、軟件兩部分來(lái)著手設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)總圖如圖15。 圖15 數(shù)控改造設(shè)計(jì)總圖系統(tǒng)主要由89C51單片機(jī)、速度檢測(cè)元件、直流伺服電機(jī)，及相應(yīng)的接口電路組成。總體數(shù)控系統(tǒng)電路原理框圖如圖16. 圖16 數(shù)控系統(tǒng)電路原理框圖軟件的設(shè)計(jì)包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)軟件其作用主要是檢測(cè)系統(tǒng)狀態(tài)并提供基本操作管理，其中包括I/O接口初始化，單片機(jī)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器初始化，鍵盤數(shù)據(jù)區(qū)、顯示緩沖區(qū)初始化，各種軟件標(biāo)志初始化，中斷處理等，系統(tǒng)軟件部分采用模塊化設(shè)計(jì)。應(yīng)用軟件則根據(jù)用戶編制的加工程序（如），控制機(jī)床的運(yùn)行。X6132的工作臺(tái)裝有進(jìn)給伺服系統(tǒng)，床身左側(cè)的電氣箱內(nèi)裝有主控器和強(qiáng)電系統(tǒng)。數(shù)控系統(tǒng)顯示器及按鍵，在右側(cè)便于觀察、調(diào)試和操作。數(shù)控系統(tǒng)為CNC半閉環(huán)控制，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)直線插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ)。顯示器可采用陰極發(fā)光二極管（LED），用以顯示輸入的程序，機(jī)床的實(shí)際位置和已存儲(chǔ)的各種信息。手動(dòng)操作時(shí)，顯示器可作為數(shù)字讀出裝置使用。2. 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)應(yīng)以實(shí)現(xiàn)數(shù)控的各種功能為標(biāo)準(zhǔn)，以經(jīng)濟(jì)性為基本原則。 CPU的比較和選用在選擇CPU 時(shí)應(yīng)考慮的因素是:　　(1) 時(shí)鐘頻率和字長(zhǎng)(即控制數(shù)據(jù)處理的速度) 。　　(2) 可擴(kuò)展存儲(chǔ)器(指ROM/ RAM) 的容量?！　?3) 指令系統(tǒng)的功能是否強(qiáng)(即編程的靈活性) ?！　?4) I/ O 口擴(kuò)展能力(即對(duì)外設(shè)控制的能力) ?！　?5) 開(kāi)發(fā)手段(包括支持開(kāi)發(fā)的軟件和硬件電路) 。除此之外,還應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)合、控制對(duì)象及對(duì)各種參數(shù)要求選擇CPU。在大多數(shù)相關(guān)的機(jī)床改造資料及論文中都采用了8031，原因是：8031 單片機(jī)是集CPU 、I/ O 端口及部分RAM 等為一體的控制器,開(kāi)發(fā)手段齊全,指令系統(tǒng)功能強(qiáng),編程靈活性大,硬件資料也很豐富。8031 芯片內(nèi)部具有128 個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)RAM。內(nèi)部編址為00H～7FH,用作工作寄存器、堆棧、軟件標(biāo)志和數(shù)據(jù)緩沖器,CPU 對(duì)內(nèi)部RAM 有豐富的操作指令。但應(yīng)用片內(nèi)的RAM 往往不夠,現(xiàn)外接6264 芯片來(lái)擴(kuò)展8031 的RAM 存儲(chǔ)器。8031 的輸入、輸出( I/ O) 線不多, 所以外接8155 芯片以擴(kuò)展I/ O口。8031 是一個(gè)無(wú)ROM 的8051 , 必須外接E2PROM 或ROM 作為程序存儲(chǔ)器, 所以必須外接一片2764 。8031 為40 引腳的雙列直插式器件, 有4 個(gè)雙向8 位I/ O 口( P0～ P3) , P0 口和P2 口作為地址總線使用, P1 口用作行程控制, P3 口用作第二功能使用。16 位地址總線由P0 口經(jīng)地址鎖存器74LS373 提供低8 位( A 0～ A 7) ,高8 位( A 8～ A 15 ) 由P2 口直接提供。8 位數(shù)據(jù)總線由P0口提供。這樣數(shù)據(jù)總線與地址總線共用。AL E為地址鎖存允許,當(dāng)送低8 位地址時(shí)使AL E 有效。并鎖存到74LS373 中,當(dāng)送數(shù)據(jù)時(shí)使AL E 無(wú)效。在實(shí)際應(yīng)用方面比較繁瑣，已被市場(chǎng)淘汰。如果選用89C51，它的內(nèi)部不但有128位的存儲(chǔ)器，而且相對(duì)于8031還有以下優(yōu)點(diǎn)： *與MCS－51兼容 *4K字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器 *壽命：1000寫/擦循環(huán) *數(shù)據(jù)保留時(shí)間：10年 *全靜態(tài)工作：0~24Hz *三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定 *1288位內(nèi)部RAM *32可編程I/O線 *兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 *5個(gè)中斷源 *可編程串行通道 *低功耗的閑置和掉電模式 *片內(nèi)震蕩器和時(shí)鐘電路 經(jīng)過(guò)兩者比較，本設(shè)計(jì)決定選用89C51單片機(jī)。該數(shù)控系統(tǒng)采`用了多CPU結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)功能強(qiáng)、速度快、分辨率高的要求。數(shù)控系統(tǒng)采用的中央CPU、顯示和鍵盤管理CPU及插補(bǔ)和輸入/輸出CPU。中央CPU起主要控制作用，負(fù)責(zé)數(shù)控程序的編輯，數(shù)控程序段的譯碼預(yù)處理，刀具半徑補(bǔ)償?shù)挠?jì)算，刀具和機(jī)器參數(shù)編輯，診斷處理，鍵信號(hào)監(jiān)控處理以及協(xié)調(diào)另兩個(gè)CPU同步工作。顯示CPU主要功能是按照中央CPU送來(lái)的顯示命令和顯示內(nèi)容，組成相應(yīng)的顯示頁(yè)面，負(fù)責(zé)產(chǎn)生CRT顯示器所需要的視頻掃描信號(hào)，控制顯示器按規(guī)定的顯示方式顯示有關(guān)信息。此外，掃描鍵盤，將接受的鍵盤和開(kāi)關(guān)信號(hào)經(jīng)譯碼后送給中央CPU進(jìn)行相應(yīng)處理。插補(bǔ)CPU主要進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算，發(fā)生伺服驅(qū)動(dòng)所需的控制信號(hào)，接收測(cè)量元件的反饋信號(hào)，實(shí)現(xiàn)速度和位置的控制。此外，對(duì)輸入/輸出信號(hào)進(jìn)行控制，并完成RS232C通訊功能。插補(bǔ)CPU接收中央CPU送來(lái)的程序段信息和其他命令，并返回插補(bǔ)完成情況及出錯(cuò)信號(hào)。為了完成信息交換，中央CPU與顯示CPU之間，中央CPU與插補(bǔ)CPU之間分別設(shè)置了公用存儲(chǔ)區(qū)。以中央CPU與插補(bǔ)CPU之間數(shù)據(jù)交換為例，為了避免兩個(gè)CPU同時(shí)存取公用存儲(chǔ)區(qū)而發(fā)生沖突，需要采用措施。為了簡(jiǎn)化線路和控制，該設(shè)計(jì)方案采取借用Z80CPU所具備的總線請(qǐng)求和響應(yīng)的功能，以中央CPU為主控，當(dāng)中央CPU需要時(shí)，通過(guò)I/O口，由芯片8255的輸出向插補(bǔ)CPU的總線請(qǐng)求發(fā)出信號(hào)。插補(bǔ)CPU返回響應(yīng)后，也經(jīng)由8255，從輸入口傳給中央CPU。中央CPU接到響應(yīng)信號(hào)后把中央CPU的地址信號(hào)送達(dá)插補(bǔ)CPU的存儲(chǔ)區(qū)，數(shù)據(jù)得以傳送。在地址分配上。為了減少芯片數(shù)，插補(bǔ)CPU所用的ROM采用2片EPROM2764，由三根地址線譯碼后，每個(gè)輸出Y端控制8K存儲(chǔ)區(qū)。2片2764占低地址區(qū)。但RAM只需2K（包括公用存儲(chǔ)區(qū)），設(shè)計(jì)中把公用存儲(chǔ)區(qū)放在最高地址區(qū)，為了精確地選址，又加了74LS139，進(jìn)一步用、選定RAM的地址為0F800H—0FFFFH。由于89C51本身帶有存儲(chǔ)器，故不用選擇存儲(chǔ)芯片。 I/O接口芯片 數(shù)控系統(tǒng)要完成數(shù)據(jù)的輸入/輸出，由于89C51芯片的輸入/輸出接口有限，不能完成設(shè)計(jì)所需的所有輸入/輸出工作，因此我們使用兩8255芯片來(lái)完成。輸入/輸出采用8255，每片可以有24個(gè)端口作為輸入/輸出用。對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)單元的餓控制模擬量信號(hào)采用DAC0830數(shù)/模轉(zhuǎn)換。為了實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)控制，采用二級(jí)放大，可輸出控制信號(hào)。由于數(shù)控裝置在使用RS23C通訊功能時(shí)不做其它工作，為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，利用8255的一個(gè)輸入端口和一個(gè)輸出端口，用軟件實(shí)現(xiàn)串行數(shù)據(jù)通訊。I/O的地址分配，I/O片不多，為簡(jiǎn)化線路減少芯片數(shù)，地址譯碼輸入只用了5根地址線，輸出分別給CTC，2片8255和4片DAC0830共7個(gè)芯片，其中CTC和8255每個(gè)口有2個(gè)地址，而DAC0830有8個(gè)地址。 8255可編程并行輸入/輸出接口芯片是Intel公司生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)外圍接口電路，采用NMOS工藝制造，用單一的+5V電源供電，具有40條引腳，采用雙列直插式封裝。該芯片有三個(gè)I/O端口，即A口、B口和C口，對(duì)應(yīng)的引腳分別是PA0~PAPB0~PB7和PC0~PC7。其內(nèi)部還有一個(gè)控制寄存器，即控制口。通常A口、B口作為輸入/輸出的數(shù)據(jù)端口，而C口作為控制或狀態(tài)信息的端口，它在方式字的控制下，可以分為4位的端口，每個(gè)端口包含一個(gè)4位鎖存器。它們分別與端口A/B配合使用，可以用作控制信號(hào)輸出或作為狀態(tài)信號(hào)輸入。用一片8255來(lái)控制LED與鍵盤輸入。鍵盤與顯示設(shè)計(jì)在一起，8255的PB口（PB0～PB7）提供鍵盤的列線及顯示器的掃描控制線（字位線）。PC口的PC0~PC4為鍵盤的行線，PA口的PA0~PA7作為顯示器的字行輸出口，并經(jīng)過(guò)用于使得數(shù)碼管顯示亮度增強(qiáng)的7404驅(qū)動(dòng)器。另一片8255則通過(guò)YB015與伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路連接實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電機(jī)的控制。其中，PA0~PA6接X(jué)向、Y向和Z向直流電動(dòng)機(jī)硬件環(huán)形分配器，為輸出，PB0~PB7為三個(gè)方向的點(diǎn)動(dòng)及回零輸入，PC0~PC5為面板上的選擇開(kāi)關(guān)，設(shè)有編輯、單步運(yùn)行、單段運(yùn)行、自動(dòng)、手動(dòng)手動(dòng)2等方式。系統(tǒng)各芯片采用全地址譯碼。X向、Y向直流電動(dòng)機(jī)硬件環(huán)形分配器采用YB015，32相通電五相十拍方式工作，故A0、A1引腳均接+5V，Z向向直流電動(dòng)機(jī)硬件環(huán)形分配器采用YB014，是以23相通電四相八拍方式工作，A0、A1接高電平。三個(gè)芯片的選通輸出控制E0分別接8255的PAPAPA6，時(shí)鐘輸入端CP接8255芯片的TIMEOUT，用以決定脈沖分配器輸出脈沖的頻率。為實(shí)現(xiàn)插補(bǔ)時(shí)不同的進(jìn)給速度，可給8255芯片定時(shí)/計(jì)數(shù)器中設(shè)置不同的時(shí)間常數(shù)。89C51的P0口與ALE口連接了一片28引腳8位8通道逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器0809，在其后裝了測(cè)速發(fā)電機(jī)，來(lái)檢測(cè)直流電機(jī)的速度輸出，0809的作用是將28CY01測(cè)速發(fā)電機(jī)傳來(lái)的模擬信號(hào)變化轉(zhuǎn)變成數(shù)字量，傳入89C51，以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床的半閉環(huán)控制。 此控制系統(tǒng)中設(shè)有越界報(bào)警和急停電路。如圖21。177。X、177。Y、177。，中斷源INT0，同時(shí)又接到89C51的P1口，采用硬件申請(qǐng)中斷和軟件查詢的方法，便可確定時(shí)哪個(gè)方向越界。當(dāng)177。X、177。Y、177。Z等一方向越界，則相應(yīng)的紅燈亮報(bào)警。 圖21 越界報(bào)警和急停電路伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路如圖22。 圖22 伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路其中：輸入接口主要由A/D轉(zhuǎn)換器0809，接口運(yùn)算放大器N5和測(cè)速發(fā)電機(jī)組成。測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出的模擬信號(hào)經(jīng)0809轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸入單片機(jī)89C51。0809的尋址方式采用的是存儲(chǔ)器方式。接口運(yùn)算放大器有兩個(gè)作用：，抑制測(cè)速發(fā)電機(jī)由于系統(tǒng)的震蕩而產(chǎn)生的高頻噪聲。，將測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出信號(hào)壓縮在177。5V以內(nèi)。輸出接口就是單片機(jī)和伺服電機(jī)功率放大器的接口。主要由YB01光電耦合電路、功率放大電路、光電隔離電路及伺服電機(jī)組成。光電耦合器于1966年問(wèn)世，把不同的發(fā)光器件和各種光接收器組合起來(lái)，就可構(gòu)成幾百個(gè)品種系列的光電耦合器，因而，該器件已成為一類獨(dú)特的半導(dǎo)體器件。其中光敏二極管加放大器類的光電耦合器隨著近年來(lái)信息處理的數(shù)字化、高速化以及儀器的系統(tǒng)化和網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展，其需求量不斷增加。光電耦合器的主要結(jié)構(gòu)是把發(fā)光器件和光接收器件組裝在一個(gè)密閉的管殼內(nèi)，然后利用發(fā)光器件的管腳作輸入端，而把光接收器的管腳作為輸出端。當(dāng)在輸入端加電信號(hào)時(shí)，發(fā)光器件發(fā)光。這樣，光接收器件由于光敏效應(yīng)而在光照后產(chǎn)生光電流并由輸出端輸出。從而實(shí)現(xiàn)了以“光”為媒介的電信號(hào)傳輸，而器件的輸入和輸出兩端在電氣上是絕緣的。這樣就構(gòu)成了一種中間通過(guò)光傳輸信號(hào)的新型半導(dǎo)體電子器件。光電耦合器的封裝形式一般有管形、雙列直插式和光導(dǎo)纖維連接三種。光電耦合的主要特點(diǎn)如下：●輸入和輸出端之間絕緣，其絕緣電阻一般都大于10 10Ω，耐壓一般可超過(guò)1kV，有的甚至可以達(dá)到10kV以上。●由于“光”傳輸?shù)膯蜗蛐?，所以信?hào)從光源單向傳輸?shù)焦饨邮掌鲿r(shí)不會(huì)出現(xiàn)反饋現(xiàn)象，其輸出信號(hào)也不會(huì)影響輸入端?！裼捎诎l(fā)光器件（砷化鎵紅外二極管）是阻抗電流驅(qū)動(dòng)性器件，而噪音是一種高內(nèi)阻微電流電壓信號(hào)。因此光電耦合器件的共模抑制比很大，所以，光電耦合器件可以很好地抑制干擾并消除噪音?！袢菀缀瓦壿嬰娐放浜稀！耥憫?yīng)速度快。光電耦合器件的時(shí)間常數(shù)通常在微秒甚至毫微秒極?！駸o(wú)觸點(diǎn)、壽命長(zhǎng)、體積小、耐沖擊。 本設(shè)計(jì)選用的是TLP光電耦合器BJB－34，電路圖如圖23。其中：2口接+5V，8口接+12V，3口接YB015，6口、5口接功率放大器。 圖23光電耦合電路 直流伺服電機(jī)常采用的功率驅(qū)動(dòng)元件是晶閘管和功率晶體管，而速度的調(diào)節(jié)主要采用調(diào)節(jié)加在電樞上的電壓大小來(lái)實(shí)現(xiàn)，電機(jī)的換向則是通過(guò)改變電樞電流的方向或勵(lì)磁電流的方向來(lái)實(shí)現(xiàn)。這里，采用功率晶體管驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。功率晶體管驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)，可工作在放大區(qū)，構(gòu)成放大型功率晶體管驅(qū)動(dòng)系