【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 本文采用全地址譯碼法，因?yàn)槠鋽U(kuò)展的外圍芯片較多，它將低電位地址作為片內(nèi)地址，而用譯碼器對(duì)高位 地址進(jìn)行譯碼，譯碼器輸出的地址選擇線用作片選線。 本文采用 38譯碼器（ 74LS138） ,輸入端占用 3 根最高地址線，剩余的 13根低位地址線可作為片內(nèi)地址線 ，其管腳圖如圖 36，譯碼關(guān)系如表 31所示： 劉青山 ： X52K 型立式銑床的數(shù)控改造設(shè)計(jì)（控制部分 ） 10 表 31 74LS138的譯碼關(guān)系 圖 36 74LS138管腳圖 擴(kuò)展 I/O 接口 8031 單片機(jī)只有 4個(gè) 8位并行 I/O 接口，但可供用戶使用的只用 P1口和部分P3口，因此在大部分應(yīng)用系統(tǒng)中都需要擴(kuò)展 I/O 口芯片 對(duì)于本文選擇 8155 和 8255 芯片對(duì)相應(yīng)接口進(jìn)行擴(kuò)展 ,具體連線圖詳見附錄 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 用步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件的數(shù)控系統(tǒng)，可采用較為簡(jiǎn)單的開環(huán)控制，因而成為經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床最為主要的一種驅(qū)動(dòng)元件 ，步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路一般由 4部分組成：計(jì)算機(jī)接口、脈沖分配器、光電隔離電路和功率放大電路。 脈沖分配器的作用是為步進(jìn)電機(jī)提供符合控制指令要求的脈沖序列，其實(shí)現(xiàn)方法有硬件和軟件 2 種。本設(shè)計(jì)采用硬件方法進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中，脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)放大后送給步進(jìn)電機(jī)勵(lì)磁繞組，為防止強(qiáng)電干擾，在功放電路之前接上光電耦合電路進(jìn)行隔離。 步進(jìn)電機(jī)所需電流較大，必須將光電耦合器輸出的信號(hào)放大后才能驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路由三部分構(gòu)成：環(huán)形分配器；光電耦合器；功率放大器 其 控制電路框圖 如圖所示： 華東交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文 ） 11 控制 指令 圖 步進(jìn)電機(jī)控制框圖 （ 1）脈沖 分配器 脈沖 分配器的主要作用是把來(lái)自于加減速電路的一系列進(jìn)給脈沖指令，轉(zhuǎn)換成控制步進(jìn)電機(jī)定子繞組通電、斷電的電平信號(hào)，電平信號(hào)狀態(tài)的改變次數(shù)及順序與進(jìn)給脈沖的數(shù)量及方向?qū)?yīng)。 有硬件脈沖分配器和軟件脈沖分配器兩種，本文采用硬件脈沖分配器。因?yàn)橛布}沖分配器需要的 I/O 接口接線少，且執(zhí)行速度較快。 硬件環(huán)型分配器是有觸發(fā)器和門電路構(gòu)成的硬件邏輯電路。 （ 2） 光電耦合器 在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中，脈沖分配器輸出的信號(hào)經(jīng)放大后，控制 步進(jìn)電機(jī)的勵(lì)磁繞組。由于步進(jìn)電機(jī)需要的驅(qū)動(dòng)電壓較高，電流與較大， 如果將 I/O 口輸出信號(hào)直接與功率放大器連接，將會(huì)引起強(qiáng)電干擾，輕則影響計(jì)算機(jī)程序的正常運(yùn)行，重則導(dǎo)致計(jì)算機(jī)接口電路損壞，所以要在接口電路與功率放大器之間都要加上隔離電路。 本文 選用 GO102 型光電耦合器，其電路圖如圖 ： ＋1 2 V＋5 V ?330 ?74LS06510 ?接功率放大器接 8255 圖 光電耦合電路圖 脈沖 分配器 電源 電路 光隔離 電路 功率 放大器 步進(jìn) 電動(dòng)機(jī) 劉青山 ： X52K 型立式銑床的數(shù)控改造設(shè)計(jì)（控制部分 ） 12 （ 3） 功率放大器 因?yàn)檩敵龅拿}沖功率很小，電流只有幾毫安，故需要進(jìn)行功率放大，使脈沖電流達(dá)到 1～ 10 A，才足以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)正 常工作。本設(shè)計(jì)決定采用：高低壓驅(qū)動(dòng)電路。其電路圖如圖 ： 圖 單電壓供電功放電路 8031 時(shí)鐘電路 單片機(jī)的時(shí)鐘電路有兩種方式產(chǎn)生 。內(nèi)部方式和外部方式。本文選用內(nèi)部方式，并利用芯片內(nèi)部振蕩電路，在 XTAL1,XTAL2 引腳上外接定時(shí)元件。 復(fù)位電路 單片機(jī)的復(fù)位電路是靠外部電路實(shí)現(xiàn)的， 在時(shí)鐘電路工作后，只要在 RESET引腳上出現(xiàn) 10ms 以上的高電平，單片機(jī)即實(shí)現(xiàn)狀態(tài)復(fù)位，以后單片機(jī) 便從 0000H單元開始執(zhí)行程序。單片機(jī)通常采用上電自動(dòng)復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種，本文采用上電與按鈕復(fù)位組合，詳見附錄 越界報(bào)警電路 為了防止工作臺(tái)越界，可分別在極限位置安裝極限開關(guān)。 在坐標(biāo)方向一旦某一方向越界，因立即停止工作臺(tái)移動(dòng)。采用中斷方式，利用 8031 的外部中斷 INT0,只要有任一個(gè)行程開關(guān)閉合，即工作臺(tái)在某一方想越界，均能產(chǎn)生中斷信號(hào)。為了報(bào)警，設(shè)置紅綠燈顯示，正常工作時(shí)綠燈亮，當(dāng)越界報(bào)警時(shí)紅燈亮。兩燈均有一個(gè) I/O 口輸出。 掉電保護(hù)電路 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器最怕掉電，一掉電，里面 的存儲(chǔ)器信息就全部丟失。必須設(shè)計(jì)掉電保護(hù)電路，用以妥善保存一些重要的現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)，如幾何尺寸、工藝參數(shù)等。掉電保護(hù)電路圖詳見附錄 華東交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文 ） 13 數(shù)控系統(tǒng)硬件連線詳解 本文采用 8031 系列單片機(jī)組成的控制系統(tǒng)，銑床縱向、橫向和垂直方向均采用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制，三個(gè)坐標(biāo)均采用硬件環(huán)形分配。 CPU 和存儲(chǔ)器接線 CPU 選擇了 8031 芯片，由于 8031 片內(nèi)無(wú)程序存儲(chǔ)器，需要有外部存儲(chǔ)器的支持，同時(shí) 8031 內(nèi)部只有 128B 的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，也遠(yuǎn)不能滿足要求。故擴(kuò)展了 16KB的程序存儲(chǔ)器有兩片 2764 組成，又?jǐn)U展了一 片 6264 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。 8031 芯片的P0和 P2用來(lái)傳送外部數(shù)據(jù)和地址， P2口傳送高 8為地址， P0口傳送高 8 位地址和數(shù)據(jù)，故采用 74LS373 鎖存器 ，鎖存低 8 位地址， ALE 作為其選通信號(hào)，當(dāng) ALE從高電平變低電平，出現(xiàn)下降沿時(shí)，低 8 位地址鎖存到地址鎖存器中， 74LS373的輸出不再隨輸入變化，這樣 P0 口就可用來(lái)傳送讀寫數(shù)據(jù)。具體連線圖詳見附錄 I/O 接口電路 由于 8031 只有 P1口和 P3部分能提供用戶作為 I/O 口使用，不能滿足輸入輸出口的需要，因而系統(tǒng)必須擴(kuò)展輸入輸出接口電路。系統(tǒng)擴(kuò)展了一片 8155 和一片8255 可編程 I/O 接口芯片。 I/O 接口芯片與外設(shè)的連接是這樣安排的： 8155 芯片 PA0— PA7 作為顯示器斷選信號(hào)輸出， PB0— PB7是顯示器的位選信號(hào)輸出， PC0— PC45根線是鍵盤掃描輸入。8155 芯片的 IO/M 引腳接 8031 芯片的 ，因?yàn)槭褂?8155 的 I/O 口故 平。 8255 芯片 PA0— PA6 接 X 向、 Y 向和 Z向步進(jìn)電機(jī)硬件環(huán)形分配器，位數(shù)出口，PB0— PB7 為三個(gè)方向的點(diǎn)動(dòng)及回零輸入， PC0— PC5 為面板上的選擇開關(guān)是輸入，設(shè)有編輯，單步運(yùn)行，單段運(yùn)行、自動(dòng)、手 動(dòng) I、手動(dòng) II等方式。 系統(tǒng)各芯片采用全地址譯碼，各存儲(chǔ)器及 I/O 接口芯片的地址編碼如表 3— 1所示： 劉青山 ： X52K 型立式銑床的數(shù)控改造設(shè)計(jì)（控制部分 ） 14 表 3— 1 銑床控制系統(tǒng)芯片地址分配 芯片 接 74LS138引腳 地址選擇器 片內(nèi)地址單元（ B） 地址編碼 2764（ 1） Y0 000XXXXXXXXXXXXX 8K 0000H— 1FFFH 2764（ 2） Y1 001XXXXXXXXXXXXX 8K 2020H— 3FFFH 6264 Y1 001XXXXXXXXXXXXX 8K 2020H— 3FFFH 8155 芯片 RAM Y4 10011110XXXXXXXX 256 9E00H— 9EFFH I/O Y4 1001111111111XXX 6 9FF8H— 9FFDH 8255 芯片 Y2 010111111111111XX 4 5FFCH— 5FFFH X 向 、 Y 向步進(jìn)電機(jī)硬件環(huán)形分配器采用 YB015， 3— 2 相同電五向十拍方式工作，過(guò) A0、 A1 引腳均接 +5V， Z向步進(jìn)電機(jī)硬件環(huán)形分配器采用 YB014,是以 2— 3相同電四向八拍方式工作。 A0、 A1接高電平。三個(gè)芯片的選通輸出控制 E0分別接8255 的 PA PA PA6，清 零 R接 8255 的 PA1，正反轉(zhuǎn)控制端分別接 8255 的 PAPA PA6 ,時(shí)鐘輸入端 CP 接 8155 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 8155 芯片定時(shí) /計(jì)數(shù)器設(shè)置不同的時(shí)間參數(shù)。 此控制系統(tǒng)設(shè)有越界和急停處理電路，還有上電和按鈕組合復(fù)位電路，光隔離電路和功率放大電路等，電路圖連接詳見附錄、 華東交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文 ） 15 第 四 章 軟件編程設(shè)計(jì) 概述 機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)由硬件和軟件兩大部分組成，只有軟件和硬件相組合才能充分發(fā)揮改造銑床的性能。 對(duì)于微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)，軟件是由一系列功能的子程序組成的一整套程序。設(shè)計(jì)這些程序的目的是為了更有效地發(fā)揮計(jì)算機(jī)硬件的功能，是軟件和硬件相結(jié)合，形成一個(gè)具有特定功能的計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)，從而使該系統(tǒng)能夠完成零件加工程序的輸入，編輯，譯碼，數(shù)據(jù)計(jì)算，插補(bǔ)和伺服控制等工作。 詳見 系統(tǒng)框圖 如圖 41所示： 圖 41 系統(tǒng)框圖 控制軟件的組成和功能 控制軟件的功能可用簡(jiǎn)單的模型來(lái)說(shuō)明，如圖 42所示： 零件加工程序 操作命令 驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件 機(jī)床狀態(tài)信號(hào) 的命令 圖 42 控制軟件的功能模型 控制軟件接受輸入的數(shù)據(jù)， 如零件加工程序，從鍵盤或操作面板輸入的各種操作指令，以及反映機(jī)床狀態(tài)的輸入信號(hào)，對(duì)這些輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，加工最終 產(chǎn)生輸出，使 驅(qū)動(dòng)元件動(dòng)作或使機(jī)床工作狀態(tài)發(fā)生變化?？刂栖浖闹饕δ苁峭瓿奢斎氲捷敵龅霓D(zhuǎn)換。 數(shù)控 軟件 紙袋 插入 插補(bǔ) 位控 速控 電動(dòng)機(jī) 插補(bǔ)準(zhǔn)備 測(cè)量 劉青山 ： X52K 型立式銑床的數(shù)控改造設(shè)計(jì)（控制部分 ） 16 圖 43 是計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)控制軟件的組成形式，控制軟件主要有以下幾部分組成 圖 43 計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)控制軟件的組成 （ 1）系統(tǒng)總控程序 這是計(jì) 算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的主循環(huán)程序，系統(tǒng)上電后便進(jìn)入這部分程序的運(yùn)行，其主要完成的任務(wù)為系統(tǒng)的初始化，命令處理循環(huán)。 （ 2）零件加工程序的管理 零件加工程序的輸入方法有兩種方式，一種是通過(guò)光電閱讀機(jī)輸入，另一種是從鍵盤輸入，其處理方法基本相同。 （ 3） 零件加工程序編輯 編輯程序也可以看作鍵盤命令處理程序，既可以用來(lái)從鍵盤輸入新的零件加工程序，以可以用來(lái) 對(duì)已經(jīng)存儲(chǔ)的程序存儲(chǔ)器中的零件加工程序進(jìn)行編輯和修改。常用的功能包括輸入，刪除，查找，移動(dòng)等。 （ 4）機(jī)床的手動(dòng)調(diào)整控制 機(jī)床的手動(dòng)調(diào)整控制主要包括： 三 個(gè)坐標(biāo)軸 的運(yùn)動(dòng)，主軸轉(zhuǎn)動(dòng)等。 （ 5）零件加工程序的解釋執(zhí)行 零件加工程序的解釋執(zhí)行主要包括插補(bǔ)運(yùn)算和伺服控制 。 （ 6）系統(tǒng)自檢 該程序檢測(cè)計(jì)算機(jī)的數(shù)控系統(tǒng)各個(gè)硬件功能的正確性，提示可能存在的故障的位置及性質(zhì)，這樣可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 數(shù)控總程序 零件加工程序管理 零件加工程序編輯 機(jī)床手動(dòng)調(diào)整 零件加工程序 的解釋執(zhí)行 系統(tǒng) 自檢 插補(bǔ) 運(yùn)算 伺服 控制 華東交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文 ） 17 插補(bǔ)程序 設(shè)計(jì) CNC 數(shù)控系統(tǒng)需通過(guò)實(shí)時(shí)控制軟件來(lái)進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算與相應(yīng)的位置控制。插補(bǔ)運(yùn)算要求實(shí)時(shí)性很強(qiáng)，即計(jì)算速度要同時(shí)滿足機(jī)床坐標(biāo)軸對(duì)進(jìn)給速度和分辨率的要求。 軌跡插補(bǔ)的基本概念 插補(bǔ)運(yùn)算和位置控制是一般都在控制機(jī)床運(yùn)動(dòng)的中斷服務(wù)程序中進(jìn)行。插補(bǔ)程序在每 個(gè)插補(bǔ)周期運(yùn)行一次，在每個(gè)插補(bǔ)周期中，根據(jù)指令進(jìn)給速度計(jì)算出一個(gè)微小的直線數(shù)據(jù)段。通常經(jīng)過(guò)若干個(gè)插補(bǔ)周期加工完一個(gè)程序段，即從數(shù)據(jù)段的起點(diǎn)走到終點(diǎn)。計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)是一邊插 補(bǔ)， 一邊加工。而在本次處理周期內(nèi)，插補(bǔ)程序的作用是計(jì)算下一個(gè)處理周期的位置增量。位置控制可以由軟件也可以由硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)。它的主要任務(wù)是在每個(gè)采樣周期內(nèi)，將插補(bǔ)計(jì)算的理論位置與實(shí)際反饋位置相比較，用其差值去控制進(jìn)給電機(jī)，進(jìn)而控制機(jī)床工作臺(tái)（或刀具）的位移。這樣機(jī)床就自動(dòng)地按照零件加工程序的要求進(jìn)行切削加工。 當(dāng)一個(gè)程序段開始插補(bǔ)加工時(shí)，管理程序 即著手準(zhǔn)備下一個(gè)程序段的讀入、譯碼、數(shù)據(jù)處理。即由它調(diào)動(dòng)各個(gè)功能子程序，并保證在下一個(gè)程序段的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備，一旦本程序段加工完畢即開始下一個(gè)程序段的插補(bǔ)加工。整個(gè)零件加工就是在這種周而復(fù)始的過(guò)程中完成。 插補(bǔ)方法 種類與特點(diǎn) （ 1） 基準(zhǔn)脈沖插補(bǔ) ： 它又稱為行程標(biāo)量插補(bǔ)或脈沖增量插補(bǔ)。這種插補(bǔ)算法的特點(diǎn)是每次插補(bǔ)結(jié)束，數(shù)控裝置向每個(gè)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)輸出基準(zhǔn)脈沖序列，每個(gè)脈沖代表了最小位移，脈沖序列的頻率代表了坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度，而脈沖的數(shù)量表示移動(dòng)量。 （ 2） 數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ) ： 它又稱為時(shí)間標(biāo)量插補(bǔ)或數(shù)字增量插補(bǔ)。這類 插補(bǔ)算法的特點(diǎn)是數(shù)控裝置產(chǎn)生的不是單個(gè)脈沖，而是標(biāo)準(zhǔn)二進(jìn)制字。 插補(bǔ)