【導讀】機床是裝備制造業(yè)的工作母機，是實現(xiàn)制造技術和裝備現(xiàn)代化的基石。自五十年代末世界上第一臺數(shù)控機床在美國研制成功的半個多世。放式實時動態(tài)全閉環(huán)控制模式發(fā)展。在美國、日本和德國等發(fā)達國家，他們的機。造是個永恒的課題。《國務院關于加快振興裝備制造業(yè)的若干意見》的發(fā)布和實施，是提高我。普通車床由于造價低廉在我國運用十分廣泛，但是因為其進給軸。不能聯(lián)動，切削次序需要人工控制，致其效率低下并且無法加工復雜的回轉(zhuǎn)零件。獨立運動的進給伺服系統(tǒng)；將手動刀架換成能自動換刀的電動刀架。加工，提高了相關加工精度，同時減少被加工零件在機床間的頻繁搬運。所以數(shù)控系統(tǒng)應設計成連續(xù)控制型。編碼器的直流電機與減速機構及滾珠絲杠螺母副組成。根據(jù)以上選定的普通機床數(shù)控化改造方案，擬訂它的數(shù)控系統(tǒng)及控制方法，旋轉(zhuǎn)，主軸的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止由數(shù)控系統(tǒng)來控制。

　　

【正文】 擇后者。 單極性驅(qū)動又分 T型和 H型，以 H型應用最多。一般對中大功率的直流電機驅(qū)動電路可以 用相應的MOS 管和續(xù)流二級管 （ 肖特基管 ） 搭建 H橋驅(qū)動電路。使用 MOS管，其 開關速度快，同 時又是電壓驅(qū)動型，驅(qū)動電路簡單 而且 導通后內(nèi)阻小，通過電流大 ， 這樣加在電機的電壓就接近電源電壓，使電機能正常工作 。 使用續(xù)流二級管， 用來保護元 器 件不被感應電壓擊穿或燒壞 ，以及提供電機制動回路。 （ 2） 相關設計與選用 根據(jù)第 5 章第 2節(jié)內(nèi)容可知， 選用的直流電動機參數(shù)為： 縱軸 電動機：額定電壓為 90V，超載峰值電流為 ； 橫軸電動機：額定電壓為 90V，超載峰值電流為 。 根據(jù)以上參數(shù)， 選用 MOS 管型號為： 縱軸： IRFP250 （ 200V 33A ） ； 橫軸： IRFP240 （ 200V 19A ） 。 選用續(xù)流二級管型號為 ： 10CTQ1501（ 150V 10A）， 與門電路選用二輸入端四與門 74LS08,非門電路選用 74LS06。 縱向驅(qū)動 電路如圖 51所示，橫向驅(qū)動電路如圖 52所示。 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 32 頁 共 49 頁 圖 51 縱向 直流電動機驅(qū)動電路 圖 52 橫向 直流電動機驅(qū)動電路 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 33 頁 共 49 頁 6 數(shù)控系統(tǒng)設計 數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機床的 “ 大腦 ”， 其設計 也是普通機床進行數(shù)控化改造的核心 工程 ， 對機床而言，數(shù)控系統(tǒng)通過對輸入的加工程序進行數(shù)據(jù)處理和運算后，輸出控制 信號，控制主軸、進給軸和其他輔助裝置正確、及時和可靠地執(zhí)行加工程序所規(guī)定的任務，同時接受從機床反饋來的各種信息，對機床控制進行調(diào)整 。任何一個數(shù)控系統(tǒng)都由硬件和軟件兩部分組成，在處理信息方面，軟件和硬件對要完成的任務是等價的，硬件處理速度快，線路復雜，軟件設計靈活，適應性強，但速度較慢。 隨著高性能微處理器的誕生，現(xiàn)代數(shù)控已越來越傾向于軟件控制。 數(shù)控系統(tǒng)最核心的控制是位置控制，最重要的運算是插補運算，最主要的數(shù)據(jù)處理是刀具補償。位置控制的實質(zhì)就是位置負反饋，即指令位置和實際位置進行比較，用位置偏差進行控制；插 補運算就是根據(jù)加工程序所確定的坐標點，通過一定的運算法則實時獲得位置指令；刀具補償 就是要解決編程軌跡和刀具中心不相符的矛盾。 6． 1 硬件電路設計 6． 1． 1 數(shù)控系統(tǒng) 的 硬件 結(jié)構 數(shù)控系統(tǒng) 根據(jù)其 使用微機結(jié)構 的 劃分，一般可分為單微處理器和多微處理器結(jié)構兩大類。單微處理器數(shù)控系統(tǒng)由于結(jié)構簡單，價格便宜，在一些標準型數(shù)控系統(tǒng)中應用廣泛。多微處理器數(shù)控系統(tǒng)可以滿足當今數(shù)控機床高速度、高精度和許多復雜功能的要求，代表當今數(shù)控發(fā)展的水平。根據(jù)設計任務要求，本設計將采用 較 經(jīng)濟的單微處理器數(shù)控結(jié)構，對于 一般切削加工而言，其速度和精度已 能滿足實際要求。 數(shù)控機床單微處理器硬件結(jié)構電路概括起來有 以下 幾個 部分組成： （ 1） 中央處理單元 CPU； （ 2） 總線， 包括數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線； （ 3） 存儲器， 包括只讀可編程存儲器和隨機讀寫存儲器 ； （ 4） 輸入輸出接口電路 ； （ 5） 外圍設備，如鍵盤、顯示器及光電編碼器等。 6． 1． 2 數(shù)控系統(tǒng)硬件電路的功能 根據(jù)設計要求，確定數(shù)控系統(tǒng)應具有以下功能： 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 34 頁 共 49 頁 (1) 讀取 鍵盤輸入數(shù)據(jù)； (2) 讀取 操作面板開關及按鈕信號； (3) 讀取 螺紋 /光電編碼器信號 ； (4) 讀取 電動刀架刀位信號； (5) 接受 車床行程開關信號； (6) 控制 LED 顯示； (7) 控制電動刀架自動選刀； (8) 控制縱向、橫向電動機驅(qū)動； (9) 控制主軸正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)與停止； (10) 控制交流變頻器； (11) 控制冷卻泵啟停； (12) 可與 PC 進行串行通信。 6． 1． 3 主控芯片 簡介 （ 1） MSP430 簡介 本 設計 采用的核心芯片為 TI 公司推出 16 位系列單片機 MSP430。 MSP430 具有集成度高，外圍設備豐富，超低功耗等優(yōu)點。 MSP430 系列種類繁多，針對不同的場合需要選用相應合適的芯片，本次設計選用 MSP430F149 型，該型號為 64引腳封裝，工作電壓為 。 單片 集成了多通道 12bit 的 A/D轉(zhuǎn)換、片內(nèi)精密比較器、多個具有 PWM 功能的定時器、片內(nèi) USART、看門狗定時器、片內(nèi)數(shù)控振蕩器（ DCO）、大量的 I/O 端口以及大容量的片內(nèi)存儲器，采用串行在線編程方法，單片可以滿足絕大多數(shù)的應用需要。 MSP430 的這種高集成度使應用人員不必在接口、外接 I/O 及存儲器上花太多的精力，而可以方便的設計真正意義上的單片系統(tǒng) ； 在運算性能上， MSP430 系列單片機采用目前流行的精簡指令集（ RISC）結(jié)構， 1 個時鐘周期可以執(zhí)行 1 條指令 (傳統(tǒng)的 MCS51 系列單片機要 12個時鐘周期才可以執(zhí)行一 條指令 )。 （ 2） MSP430 的擴展 MSP430F149 擁有 6 個 8 位并行接口 且 2個 8位端口 （ P P2） 有中斷能力 ，完全可以實現(xiàn)系統(tǒng)所有信號的輸入、輸出， 無需 硬件擴展。在存儲器方面，其內(nèi)置 FLASH（閃存，具有 ROM 的非易失性和 EPROM 的可擦除性）多達 60KB， ， RAM 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 35 頁 共 49 頁 多達 2KB 并支持 JTAG 仿真，真正實現(xiàn)了在線仿真調(diào)試 ，對于一般數(shù)控系統(tǒng)而言已經(jīng)足夠，所以也無需擴展外部存儲器。 （ 3） MSP430 的復位及晶振電路設計如圖 61所示。 圖 61 MSP430單片機的復位電路及晶振電路 6． 1． 4 鍵盤與顯示接口電 路設計 （ 1） 鍵盤、顯示器接口電路芯片 8279 單片機系統(tǒng)中有兩種 LED 顯示方式，即靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示，靜態(tài)顯示的優(yōu)點是顯示效果好，編程簡單，但由于輸出的每一位都需要鎖存，使用的硬件較多；動態(tài)顯示方式中，每一時刻只有一位數(shù)碼管被點亮，各位依次輪流被點亮，硬件電路簡單，但由于需要不停地進行刷新顯示，降低了 CPU 的效率，而且編程的工作量很大。為了解決動態(tài)顯示中存在的問題， Intel 公司研制出了專用的鍵盤、顯示器接口電路芯片 8279， 該芯片 采用單 177。5V 電源供電， 40 腳封裝 ， 能自動完成對顯示的刷新，同時還可以對 鍵盤自動掃描，識別閉合鍵的鍵號， 能自動消除開關抖動并能對多鍵同時按下提供保護 。 顯示輸出時，它有一個 16179。8 位顯示 RAM，其內(nèi)容通過自動掃描，可由 8或 16位 LED 數(shù)碼管顯示。 （ 2）各 引腳 功能與 連接 由于本設計為兩軸聯(lián)動，需同時顯示 Z方向和 X方向的位置信息，所以 8279要能夠控制 16 個 LED數(shù)碼管 輸出。 鍵盤采用 5? 6鍵，在普通數(shù)控系統(tǒng)中已足用。8279 芯片的 8 位 數(shù)據(jù)口與 系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線 DB0DB7 連接，在 MSP430 和 8279 之間 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 36 頁 共 49 頁 傳遞命令或數(shù)據(jù)。 8259 的 A0 用來區(qū)分 信息 區(qū)分信息特征，當 A0 為 0 時， CPU從 8279 讀出的是狀態(tài)，寫入的是命令；當 A0=1 時讀出和寫入的都是數(shù)據(jù)。 8279內(nèi)部有兩個緩沖區(qū)，即一個 8 字節(jié)的 FIFO（ First In First Out）鍵盤 RAM 和一個 16 字節(jié)的顯示 RAM，顯示數(shù)據(jù)時只要將待顯示數(shù)據(jù)的段碼寫入顯示 RAM 即可；當有鍵閉合時， 8279 會自動執(zhí)行去抖、得到鍵值、等待按鍵釋放等操作，最后將鍵值存入 FIFO RAM 中，程序只需從 FIFO 中讀取鍵值即可 。 8279 芯片的掃描線 SL0SL2 與 74LS138（ 38 譯碼器）相連接用來掃描鍵盤 行線 ，鍵盤的列線與 5V 電源連接并接入 歐限流電阻 ，另一端與回復線 RL0RL7連接 ；同時SL0SL3 與 74HC154（ 416 譯碼器）相連接用來掃描 16 位 LED 數(shù)碼管 各 陰極。 8位輸出線與 集電極開路六正相高壓驅(qū)動器 74LS07 相連接， 需 上拉電阻 。 具體電路如圖 62所示。 圖 62 8279與單片機 MSP430的連接 (3)7407 驅(qū)動 電路 以及 上拉電阻的計算 由于 7407 為 OC門正相高壓驅(qū)動器，所以需要上拉電阻。 已知 七段 數(shù)碼管中 的 LED 正常工作時的電流 mAi 10? ，壓 降 0U =V2 ， 則上拉電阻 ?????? 255 0 AVVi UVR 具體電路如圖 63 所示。 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 37 頁 共 49 頁 圖 63 7407驅(qū)動電路 6． 1． 5 位置 半閉環(huán) 控制電路設計 數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)輸入的加工程序，經(jīng)插補運算獲得位置指令脈沖，由伺服電機驅(qū)動裝置和伺服電機通過減速機構以及滾珠絲杠使工作臺移動 ，安裝在伺服電機軸端的角位移檢測裝置即增量式光電編碼器對電機實際角位移進行檢測并進行反饋，與位置指令進行比較，用比較后的偏差進行后續(xù)控制，直到位置偏差 為零時才停止工作臺運動，這就是位置閉環(huán)控制系統(tǒng)。本設計將采用一款電機專用運動控制處理器 LM629 來進行橫向及縱向的位置控制。 （ 1） LM629 專用運動控制處理器 LM629 是美國國家半導體公司生產(chǎn)的產(chǎn)品，它是全數(shù)字式控制的運動處理器。通過一片單片機、一片 LM62一個功率驅(qū)動裝置、一只直流電動機、一個光電編碼器 就可以構成一個半閉環(huán)伺服系統(tǒng)。 這樣使得設計一個運動控制系統(tǒng)變得更加簡便、輕松。 LM629 芯片 采用 28 引腳封裝，使用 5V 電源工作，它 有 如下功能： 1． 內(nèi)置 32位位置、速度和加速度寄存器； 2． 16 位可編程數(shù) 字 PID 控制器； 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 38 頁 共 49 頁 3． 可編程微分項采樣時間間隔； 4． 8 位分辨率的 PWM 輸出； 5． 內(nèi)部梯形速度發(fā)生圖； 6． 可以進行位置和速度控制； 7． 速度、位置和數(shù)字 PID控制器參數(shù)可以在控制過程中改變； 8． 實時可編程中斷； 9． 可對增量式光電編碼器的輸出進行 4倍頻處理和信號處理。 （ 2）各 引腳 功能與 連接 LM629 的 8 位數(shù)據(jù)口與系統(tǒng)總線連接，用單片機來傳送數(shù)據(jù)或控制指令。LM629 的 PS端口為 1時，單片機可以向其寫數(shù)據(jù)，為 0 時，單片機可以向 LM629寫指令或讀其狀態(tài)。單片機主要的工作就是向 LM629 傳送運動數(shù)據(jù)和 PID 數(shù)據(jù)，并通過 LM629 對電動機的運行進行監(jiān)控。 LM629 則根據(jù)單片機發(fā)來的數(shù)據(jù)生成速度梯形圖，進行位置跟蹤、 PID 控制和生成 PWM 信號輸出。 LM629 的 2個輸出 PWMS和 PWMM 經(jīng)光電隔離后與電機驅(qū)動橋相連，來使電機運轉(zhuǎn)，與此同時，安裝在電機軸端的增量光電編碼器進行角位移檢測，其輸出連接到 LM629 的 A、 B、 IN 輸入口，形成反饋環(huán)節(jié)。 具體電路如圖 64（縱向）、圖 65（橫向）所示。 圖 64 LM629與單片機的連接（縱向） 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 39 頁 共 49 頁 圖 65 LM629與單片機的連接（橫向） 6． 1． 6 變 頻調(diào)速電路設計 （ 1） 變頻器的控制方式 變頻器的控制方式主要有三種： ，即通過操作面板改變頻率的輸出和其他運行參數(shù) 。 0～ 10V或 4～ 20mA信號 ,通過改變輸入模擬量的大小控制變頻器的輸出頻率 ?？?(多為 RS485)進行控制。 使用單片機控制變頻器可以選擇后二種方式，采用通訊口方式控制，其優(yōu)點是控制功能全面，通過相應的電平轉(zhuǎn)換電路適合變頻器的通訊口形式 (RS484/RS232/CAN 等 )，就可與變頻器進行通訊，硬件簡單，二者間的連線數(shù)量少 連接方便。缺點是需要了解掌握變頻器的通訊協(xié)議才能進行控制編程，軟件設計復雜。由于不同品牌的變頻器通訊接口和通訊協(xié)議各不相同，目前尚沒有統(tǒng)一的標準，只能針對一種變頻器進行開發(fā)，縮小了變頻器品種的選擇范圍，適用性受到限制。而對于模擬量輸入控制方式，則幾乎在所有的變頻器中都能支持，雖然在功能上比較單一，但可實現(xiàn)調(diào)速的主要功能，能滿足多數(shù)場合的使用要求，具有普遍性。 （ 2）用 DAC0832 數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片來控制變頻器 本設計選用 DAC0832 數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片來進行模擬量的輸出，該芯片是美國國家半導體公司生產(chǎn)的 8 位集成電路芯 片，采用 20 引腳封裝， 515V 電源供電。該芯片有三種工作方式：雙緩沖工作方式、單緩沖工作方式和直通工作方式。雙緩 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 40 頁 共 49 頁 沖方式的優(yōu)點是數(shù)據(jù)接收和啟動轉(zhuǎn)換可以異步進行，單緩沖的優(yōu)點是可以減少一條輸出指令，由于本設計不要求多個模擬通道