【正文】 宋老師淵博的知識、敏捷的思維、清晰的邏輯思路、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度將使我終身受益。致 謝值此論文完成之際，首先衷心感謝我的導(dǎo)師宋愛娟老師。然而該系統(tǒng)還不夠完善，今后應(yīng)進(jìn)行以下工作：本系統(tǒng)目前能夠?qū)崿F(xiàn)基本的數(shù)控功能指令，但實(shí)際應(yīng)用中還需要更加豐富的編程指令、系統(tǒng)自診斷功能、多種固定加工循環(huán)功能等，有待于進(jìn)一步補(bǔ)充和完善，進(jìn)一步提高數(shù)控系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性及機(jī)床加工精度。主要完成的任務(wù)如下：（1） 合理規(guī)劃系統(tǒng)的硬件資源，設(shè)計出一個小型操作系統(tǒng)對系統(tǒng)的FO口和各個內(nèi)部資源進(jìn)行管理，該操作系統(tǒng)主要包括編輯功能模塊、自動加工模塊、對刀功能模塊等部分。軟件實(shí)現(xiàn)與直線情況基本相似，逐點(diǎn)比較法第1象限逆圓插補(bǔ)也是按照四個工作節(jié)拍進(jìn)行的，只是在偏差函數(shù)計算完畢后，增加動點(diǎn)坐標(biāo)的修正。設(shè)加工點(diǎn)正處于N(X，Y)點(diǎn)，若＞0，對于第一象限的逆圓，為了逼近圓弧，應(yīng)沿X方向進(jìn)給一步，到i+1點(diǎn)，起坐標(biāo)值為。如圖54所示，設(shè)被加工零件的輪廓為第一象限圓弧SE，圓弧的圓心在坐標(biāo)原點(diǎn)，已知圓弧的起點(diǎn)為S(Xo、Yo)，終點(diǎn)為E(Xe、Ye)，圓弧半徑為R。（1）不同象限的斜線插補(bǔ)計算上面討論的為第一象限的斜線插補(bǔ)計算方法，其他三個象限的斜線插補(bǔ)計算方法，可以用相同的原理獲得，下面給出四個象限的斜線插補(bǔ)時的偏差計算公式和進(jìn)給脈沖方向，計算時，公式中Xe、Ye均用絕對值。（2）第二種方法。（1）偏差判別 根據(jù)偏差值確定刀具相對加工直線的位置；（2）坐標(biāo)進(jìn)給 根據(jù)偏差判別的結(jié)果，決定控制沿哪個坐標(biāo)(X或Y)移動一步；（3）偏差計算 對新的加工點(diǎn)計算出能反映偏離加工直線位置情況的新偏差，為下一步偏差判別提供依據(jù)；（4）終點(diǎn)判別 在計算偏差的同時，還要進(jìn)行終點(diǎn)判別，以確定是否到達(dá)終點(diǎn)。P(Xi、Yi)為加工點(diǎn)(動點(diǎn))，若P在OA直線上，則根據(jù)相似三角形的關(guān)系可得Yi/Xi=Ye/Xe ()即 F=Yi逐點(diǎn)比較法的基本思路是被控制對象在數(shù)控裝置的控制下，按要求的軌跡運(yùn)動時，每走一步都要和規(guī)定的軌跡比較，根據(jù)比較結(jié)果決定下一步移動的方向。對刀點(diǎn)是數(shù)控加工時刀具相對零件運(yùn)動的起點(diǎn)，也是程序的起點(diǎn)。譯碼的實(shí)時性要求不高，所以安排在后臺程序中完成. 對刀程序模塊設(shè)計零件程序是按工件原點(diǎn)編制的，當(dāng)工件安裝到機(jī)床上后工件原點(diǎn)就變成了浮動原點(diǎn)。 加工程序的譯碼零件加工程序是用一定規(guī)則的數(shù)控代碼編制的，因此在加工時則必須通過系統(tǒng)解釋譯碼程序進(jìn)行譯碼和解釋，通過刀補(bǔ)程序獲得刀具中心軌跡數(shù)據(jù)，再經(jīng)過插補(bǔ)才能使NC系統(tǒng)進(jìn)行執(zhí)行。插補(bǔ)、伺服輸出與譯碼、預(yù)處理分時占用CPU，以完成多任務(wù)并行處理。背景程序是通過設(shè)置標(biāo)志來達(dá)到對實(shí)時中斷程序的管理和控制的。完成交換后設(shè)置標(biāo)志(數(shù)據(jù)交換結(jié)束標(biāo)志、開始插補(bǔ)標(biāo)志)。從主程序進(jìn)入加工程序后，系統(tǒng)等待選擇程序。在主程序中選擇自動軟件功能，即可以進(jìn)入本模塊。采取查詢方式取得鍵碼后，由鍵碼判斷鍵的類型。包括數(shù)據(jù)鍵(O9)共十個和如下所列的字母鍵：X坐標(biāo)軸設(shè)定Y坐標(biāo)軸設(shè)定G準(zhǔn)備功能鍵N程序段序號I圓弧圓心相對圓弧起點(diǎn)的X坐標(biāo)分量K圓弧圓心相對圓弧起點(diǎn)的Y坐標(biāo)分量其他還有編輯、自動、手動、方向上、方向下、方向左、方向右、啟動鍵、停止鍵。初始化工作完成后，系統(tǒng)進(jìn)入背景程序的循環(huán)中，調(diào)度系統(tǒng)工作于編輯、手動、自動、模擬和對刀等工作方式中。后臺程序是本系統(tǒng)的主程序，主要功能是完成整個系統(tǒng)的管理和調(diào)度，并完成實(shí)時插補(bǔ)前的各項(xiàng)控制任務(wù)。分時并行處理技術(shù)主要需解決的問題是，充分利用計算機(jī)的高速數(shù)據(jù)計算和處理能力，保證每個任務(wù)的合理響應(yīng)時間。并行處理中的信息交換主要通過設(shè)置各種緩沖存儲區(qū)來實(shí)現(xiàn)。編輯輸入、預(yù)處理、顯示、插補(bǔ)、進(jìn)給控制等任務(wù)需并行及時處理。在各個調(diào)用程序中相應(yīng)的編入顯示的程序。程序流程圖的設(shè)計遵循自頂向下的原則，即從主體遂逐步細(xì)分到每一個模塊的流程。系統(tǒng)程序的設(shè)計直接關(guān)系到數(shù)控系統(tǒng)各項(xiàng)功能的實(shí)現(xiàn)及其將來的擴(kuò)展，所以它是整個數(shù)控系統(tǒng)研制工作中的關(guān)鍵，也是工作量最大的部分。若程序失控，定時器則計滿溢出中斷，在中斷服務(wù)程序中使主程序自動復(fù)位又進(jìn)行初始狀。同樣可以在某些對系統(tǒng)狀態(tài)起關(guān)鍵作用的指令前加上冗余指令。至于在什么地方采用冗余，是根據(jù)在軟件設(shè)計過程中的薄弱環(huán)節(jié)和在硬件上易于受到干擾部位而定。這種方法對于慣性較大的控制系統(tǒng)具有良好的抗干擾作用。對于按鈕和開關(guān)狀態(tài)讀入時，要配合軟件延時可消除抖動和誤操作。程序監(jiān)視器系統(tǒng)有的采用軟件解決，大部分都是采用軟硬件相結(jié)合的辦法。一個好的軟件設(shè)計，要充分考慮采取必要的抗干擾措施，利用軟、硬件相結(jié)合的措施實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)抗干擾，這也是單片機(jī)控制系統(tǒng)具有的優(yōu)點(diǎn)之一。在設(shè)計時要注意四個問題：①合理地設(shè)置接插件；②插座上要適當(dāng)增加接地針數(shù)；③信號針盡量分散配置，增大彼此之間的距離；④考慮到信號的翻轉(zhuǎn)時差，把不同時刻翻轉(zhuǎn)的插針放在一起，同時翻轉(zhuǎn)的插針盡量遠(yuǎn)離，因?yàn)橥瑫r翻轉(zhuǎn)會使干擾疊加。系統(tǒng)的抗干擾措施可以從硬件和軟件兩方面著手。在單片機(jī)控制系統(tǒng)出現(xiàn)干擾就會影響指令的正常執(zhí)行。 系統(tǒng)抗干擾措施控制系統(tǒng)都工作在一定的環(huán)境條件下。消除按鍵抖動通常有兩種方法：硬件消除抖動和軟件消抖。有觸點(diǎn)開關(guān)分為常開、常閉兩種方式，其顯著特點(diǎn)是無源，開、閉時均會產(chǎn)生抖動，所以在實(shí)際應(yīng)用中需要采取措施消除抖動。比如有觸點(diǎn)的機(jī)械開關(guān)或無觸點(diǎn)的接近開關(guān)等。由圖可知EnA為低電平時，輸入電平對電機(jī)控制起作用，當(dāng)EnA為高電平，輸入電平為一高一低，電機(jī)正或反轉(zhuǎn)。L298可驅(qū)動2個電動機(jī)，OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之間可分別接電動機(jī)，本實(shí)驗(yàn)裝置我們選用驅(qū)動一臺電動機(jī)。L298N可接受標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號VSS，VSS可接4．5～7 V電壓。主要特點(diǎn)是：工作電壓高，最高工作電壓可達(dá)46V；輸出電流大，瞬間峰值電流可達(dá)3A，持續(xù)工作電流為2A；額定功率25W。另一類是用硬件構(gòu)成的環(huán)形分配器,通常稱為硬環(huán)形分配器。由于步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成直線或角位移的執(zhí)行元件，它不能直接接到交直流電源上,而必須使用專用設(shè)備步進(jìn)電機(jī)控制驅(qū)動器。 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動與隔離選擇由于步進(jìn)電機(jī)的大功率、高電平會對單片機(jī)產(chǎn)生比較嚴(yán)重的干擾,不能直接把單片機(jī)產(chǎn)生的控制信號直接連在步進(jìn)電機(jī)上,需要進(jìn)行強(qiáng)弱電隔離。連續(xù)運(yùn)行頻率的選擇步進(jìn)電動機(jī)啟動后，不失步地連續(xù)升速，所能達(dá)到的最高頻率，稱作連續(xù)運(yùn)行頻率。廠家提供的步進(jìn)電動機(jī)啟動頻率，是指步進(jìn)電動機(jī)空載時的極限啟動頻率。轉(zhuǎn)矩的選擇步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的選擇包括四個方面:最大靜轉(zhuǎn)矩、啟動轉(zhuǎn)矩、矩頻特性、定位轉(zhuǎn)矩。／﹙Zrm﹚可知，轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過一個步距角o，就相當(dāng)于轉(zhuǎn)過了整個圓周的 l/(Zrm)圈，若控制脈沖頻率為f，則轉(zhuǎn)子每秒鐘就轉(zhuǎn)過f/(Zrm)圈，所以轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n為: n=60f／﹙Zrm﹚﹙r／min﹚ （） 步進(jìn)電機(jī)的選擇如何正確選用步進(jìn)電動機(jī)是一項(xiàng)重要的工作，它需要與系統(tǒng)總體設(shè)計相協(xié)調(diào)，一般從以下4個方面考慮如何選擇步進(jìn)電機(jī)。所以，轉(zhuǎn)子上不只4個齒(齒距角90176。因此步距角0可用下式計算： θ＝360176。如果按A→A、C→C→C、B→B→B、A→，則電機(jī)轉(zhuǎn)子逆時針方向轉(zhuǎn)動。接著A相斷電，B相繼續(xù)通電。這種通電方式稱為單三拍方式。不難理解，當(dāng)脈沖信號一個一個發(fā)來時，如果按A→C→B→A→單三拍通電方式的基本原理 設(shè)A相首先通電（B、C兩相不通電），產(chǎn)生AA’軸線方向的磁通，并通過轉(zhuǎn)子形成閉合回路。兩個相對的磁極組成一組。8255A還能對C端口的任一位進(jìn)行置位/復(fù)位操作。 8255A引腳可編程輸入/?？删幊?/0接口芯片種類很多，常用的有Intel公司的外圍器件，如可編程外圍并行接口8255A、可編程RAM/I0擴(kuò)展接口815可編程鍵盤/顯示接口827可編程定時/計數(shù)器825可編程串行通訊接口8251等。 I/O口擴(kuò)展及其外圍電路設(shè)計為了使系統(tǒng)按要求工作，就必須將必要的命令和數(shù)據(jù)輸入到控制系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)運(yùn)算或處理的結(jié)果也要通過一定的方式輸出，這就需要一定的輸入設(shè)備與輸出設(shè)備。第7~14腳：D0~D7為8位雙向數(shù)據(jù)線。 1602模塊的實(shí)物圖1602采用標(biāo)準(zhǔn)的16腳接口，其中：（模塊背面有標(biāo)注）第1腳：VSS為地電源第2腳：VDD接5V正電源第3腳：V0為液晶顯示器對比度調(diào)整端，接正電源時對比度最弱，接地電源時對比度最高，對比度過高時會產(chǎn)生“鬼影”，使用時可以通過一個10K的電位器調(diào)整對比度。根據(jù)顯示容量又可以分為單行16字，2行16字，兩行20字等等。圖中將8279的SLZSLO三根掃描線送給74LS138譯碼器，得到8根行掃描線，組成矩陣鍵盤時采用了5根；列回饋線不必擴(kuò)展，直接使用8279的RL7RLO中的6根，但要接上拉電阻。 鍵盤電路8279的鍵盤管理有兩種方式:SLOSL3采用譯碼掃描或編碼掃描。7．SHIFT(移位信號):輸入線，高電平有效。這四條輸出線用來掃描鍵盤和顯示器。3．控制線:8279的控制線較多。鍵盤部分提供一種掃描工作方式，可于64個按鍵的矩陣鍵盤連接，能對鍵盤不斷掃描，自動消抖，自動識別出按下的鍵并給出編碼，能對雙鍵或n鍵同時按下實(shí)現(xiàn)保護(hù)。無編碼器鍵盤采用軟件掃描法，逐行逐列地檢查鍵盤狀態(tài)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有鍵按下時，用計算的方法來得到該鍵的編碼。前者一個按鍵接一個輸入線，輸入口浪費(fèi)很大，用于按鍵數(shù)量較少的場合；后者多用按鍵較多的場合，可以節(jié)省很多I/O口。在很多應(yīng)用場合，要求SRAM芯片內(nèi)部的數(shù)據(jù)在掉電后不丟失，這時就需要增加掉電保護(hù)電路。本次設(shè)計中選用6264芯片，其中，Ai是地址線；I/Oi是雙向數(shù)據(jù)線；/CE或/CS是片選線；/OE是數(shù)據(jù)讀出選通線，通常與CPU芯片的/RD引腳相連；/WE是數(shù)據(jù)寫入選通線，一般與CPU的/WR引腳連接；VCC是工作電源。74LS138是一個廣泛應(yīng)用的地址譯碼器，3位輸入A、B、C對應(yīng)8位反向輸出YOY7，8選1，即YOY7有一個輸出為低電平有效，作片選。通過鎖存信號輸入端G和輸出允許控制信號輸入端/OE組合，可實(shí)現(xiàn)上述3個狀態(tài)。AT89552的PSEN接27512的輸出允許端/OE，用以傳遞片外程序存儲器的讀選通信號。為了匹配現(xiàn)有固化工具及系統(tǒng)程序容量，這里選用Win bond公司的EPROM，27512芯片，其管腳功中，Ai是地址線；Oi是數(shù)據(jù)線；/CE是片選線，低電平有效；/OE是數(shù)據(jù)輸出選通線，也是低電平有效；Vpp是編程電源；Vcc是工作電源。若為高，將執(zhí)行內(nèi)部程序除非程序計數(shù)器包含大于片內(nèi)FLASH的地址。對P3端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。:P2口是帶內(nèi)部上拉的雙向I/O口，向P2口寫入“1”時，P2口被內(nèi)部上拉為高電平，可用作輸入口。對Pl端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。在這種模式下，PO具有內(nèi)部上拉電阻。各管腳功能如下：GND、VCC:分別為地和電源引腳；:P0口是一個8位漏極開路的雙向I/O口。使用Atmel公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容，這大大方便了熟悉MC51用戶編程。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)確定之后，如何實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)硬件具體結(jié)構(gòu)，如何實(shí)現(xiàn)各種功能模塊電路，成為硬件設(shè)計的核心內(nèi)容。（4）人機(jī)對話功能 本系統(tǒng)使用LCD液晶顯示，采用鍵盤和按鈕進(jìn)行綜合操作，從而使操作變得直觀、方便。而非模態(tài)指令代碼只在本程序段內(nèi)有效，下一程序段若要使該代碼繼續(xù)有效，那么就要重新在該程序段內(nèi)寫出該代碼。目前150標(biāo)準(zhǔn)的G代碼己經(jīng)定義了100個，從GOOG99，由字母G后跟2位數(shù)字組成。選擇功能是指用戶根據(jù)實(shí)際要求選擇的功能。編程坐標(biāo)系原點(diǎn)也稱為工件零點(diǎn)。當(dāng)零件在機(jī)床上定位裝夾好之后，編程坐標(biāo)系在機(jī)床上的位置就被確定下來，加工零件時，刀具(實(shí)際是刀尖)就按加工程序的規(guī)定在編程坐標(biāo)系中運(yùn)動。再根據(jù)右手定則，就可以確定X軸的方向，坐標(biāo)系X0 Y0 Z0，為機(jī)床坐標(biāo)系，O0是機(jī)床零點(diǎn)，它是機(jī)床出廠前由機(jī)床生產(chǎn)廠家設(shè)定的，通過回零就可以建立機(jī)床坐標(biāo)系。 系統(tǒng)的坐標(biāo)系數(shù)控開機(jī)時，必須先確定機(jī)床參考點(diǎn)，亦就是確定刀具與機(jī)床零點(diǎn)的相對位置。為了保持經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)的生命力，設(shè)計時常把中、高檔數(shù)控系統(tǒng)中的一些先進(jìn)技術(shù)用到經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)中。在切實(shí)掌握硬件電路的工作原理基礎(chǔ)上，也能很好的鍛煉軟件編寫能力。系統(tǒng)抗干擾和可靠性高；本論文就是采用這個思路進(jìn)行設(shè)計。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡單，成本低；還比如為了適應(yīng)一些領(lǐng)域中高精度定位和運(yùn)行平穩(wěn)性的要求，出現(xiàn)的步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動技術(shù)，就包括振蕩器、環(huán)行分配器控制的細(xì)分驅(qū)動、基于單片機(jī)斬波恒流驅(qū)動、基于單片機(jī)的直流電壓驅(qū)動三種常見驅(qū)動方式，除上述三種步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動方案之外，目前報道的驅(qū)動方案還有根據(jù)匯編語或C語一言進(jìn)行軟件開發(fā)，在windows平臺下利用Visua1 C++，最終實(shí)現(xiàn)由PC機(jī)直接控制步電機(jī)的方法；在windows平臺下和單片機(jī)配合控制步進(jìn)電機(jī)PLC控制的脈沖驅(qū)動方案等等。上世紀(jì)80年代以后，由于微型計算機(jī)以多功能的姿態(tài)出現(xiàn)，步進(jìn)電動機(jī)的控制方式變得更加靈活多樣。除了在數(shù)控系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用，近年來由于微型計算機(jī)方面的快速發(fā)展，使步進(jìn)電機(jī)的控制發(fā)生了革命性變革。比如在數(shù)控系統(tǒng)中就得到廣泛的應(yīng)用。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，同時步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無累積誤差，精度高。步進(jìn)電動機(jī)又稱脈沖電動機(jī)或階躍電動機(jī)，國外一般稱為Stepping motor、Pu1Semotor或 stepper Servo，其應(yīng)用發(fā)展己有約80年的歷史。同時，國內(nèi)數(shù)控系統(tǒng)在技術(shù)上也趨于成熟，在高速主軸、快速進(jìn)給、快速換刀、柔性制造、快速成型等技術(shù)上都取得了突破，一些重大關(guān)鍵技術(shù)已達(dá)到國際先