【正文】 是 研究設(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床的控制部分。其主要技術(shù)指標(biāo)如下： 華東交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 1) 床身最大加工直徑 400mm，最大加工長(zhǎng)度 1000mm； 2) X 方向（橫向）的脈沖當(dāng)量 δ x=， Z 方向（縱向）的脈沖當(dāng)量δ z=； 3) X 方向最快移動(dòng)速度 ν xmax =3000mm/min， Z 方向最快移動(dòng)速度 ν zma x =6000mm/min； 4) X 方向最快工進(jìn)速度 ν xmaxf =400mm/min， Z 方向最快移動(dòng)速度 ν zma x f=800mm/min； 5) X 方向定位精度 177。 ； 6) 可以車削柱面、平面、錐面與球面等； 7) 安裝螺紋編碼器，可以車削米 /英制的直螺紋與錐螺紋，最大導(dǎo)程為 24mm； 8) 安裝四工位立式電動(dòng)刀架，系統(tǒng)控制自動(dòng)選刀； 9) 自動(dòng)控制主軸的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)與停止，并可輸出主軸有極變速與無(wú)極變速信號(hào)； 10) 自動(dòng)控制冷卻泵的起 /停； 11) 安裝電動(dòng)卡盤，系統(tǒng)控制工件的夾緊與松開； 12) 縱、橫向安裝限位開關(guān)； 13) 數(shù)控系統(tǒng)可與 PC 機(jī) 串行通信； 14) 顯示界面采用 LED 數(shù)碼管，編程采用 ISO 數(shù)控代碼。這樣，利用數(shù)控裝置，車床就可以按預(yù)先輸入的加工指令進(jìn)行切削加工。 總體方案應(yīng)考慮車床數(shù)控系 統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方式、進(jìn)給伺服系統(tǒng)的類型、數(shù)控系統(tǒng)CPU的選擇，以及進(jìn)給傳動(dòng)方式和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇等。因此，數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計(jì)成連續(xù)控制型。因此，進(jìn)給伺服系統(tǒng)常采用步進(jìn)電 動(dòng)機(jī)的開環(huán)控制系統(tǒng)。 MCS51系列8位機(jī)具有功能多、速度快、抗干擾能力強(qiáng)、性 /價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。 （ 5）為了達(dá)到技術(shù)指標(biāo)中的速度和精度要求，縱、橫向的進(jìn)給傳動(dòng)應(yīng)選用摩擦力小、傳動(dòng)效率高的滾珠絲杠螺母副；為了消除傳動(dòng)間隙提高傳動(dòng)剛度，滾珠絲杠的螺母應(yīng)有預(yù)緊機(jī)構(gòu)等。 （ 7）選擇四工位自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架與電動(dòng)卡盤，選擇螺紋編碼器等。因此選用 ATMEL 公司的 AT89S52單片機(jī)作 CPU。 根據(jù)任務(wù)書的要求，設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的硬件電路時(shí)主要考慮以下功能： （ 1）接收鍵盤數(shù)據(jù)，控制 LED 顯示； （ 2）接收操作面板的開關(guān)與按鈕信號(hào)； （ 3）接收車床限位開關(guān)信號(hào)： （ 4）接收螺紋編碼器信號(hào)； （ 5）接收電動(dòng)卡盤夾緊信號(hào)與電動(dòng)刀架刀位信號(hào)； （ 6）控制 X、 Z向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)器； （ 7）控制主軸的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)與停止； （ 8）控制多速電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)主軸有級(jí)變速； （ 9）控制交流變頻器，實(shí)現(xiàn)主軸無(wú)級(jí)變速； （ 10）控制冷卻泵啟動(dòng) /停止； （ 11）控制 電動(dòng)卡盤的夾緊與松開； （ 12）控制電動(dòng)刀架的自動(dòng)選刀； （ 13）與 PC機(jī)的串行通信。另外，既然 要控制，就得有輸入和輸出設(shè)備才能對(duì)相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制。 所以擴(kuò)展了一片 EPROM 芯片 W27C512 用作程序存儲(chǔ)器，存放系統(tǒng)底層程序；擴(kuò)展了一片 SRAM 芯片 6264 用作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，存放用戶程序；鍵盤與 LED 顯示采用 8279 來(lái)管理；輸入 /輸出口的擴(kuò)展選用了并行接口 8255 芯片，一些進(jìn) /出的信號(hào)均做了隔離放大；模擬電壓的輸出借助于 DAC0832；與 PC機(jī)的串行通信經(jīng)過(guò) MAX233 芯片。 華東交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 圖 22 AT89S52 與存儲(chǔ)器電路 AT89S52 芯片的 P0 和 P2 用來(lái)傳送外部存儲(chǔ)器的地址和數(shù)據(jù)， P2 口傳送的高 8 位地址， P0 口傳送低 8 位地址和數(shù)據(jù)，故要采用 74LS373 地址鎖存器，鎖存低 8 位地址， ALE 作為其選通信號(hào)，當(dāng) ALE 為高電平，鎖存器的輸入和輸出透明，即輸入的低 8 位存儲(chǔ)器地址在輸出端出現(xiàn)，此時(shí)不需鎖存。 AT89S52 芯片的 P2口和 74LS373 送出的 P0 口共組成 16 位地址， 6264 是 8KB 的芯片，需要 13 根地址線； W27C512 是 64KB 的芯片，需要 16 根地址線 。 6264 芯片片信號(hào) EC———1用 CPU的高位地址線 A1 A1A13 經(jīng) 74LS138 的輸出 Y0 來(lái)選通，算得 6264 的地址范圍是 1000H~1FFFH。 W27C512 芯片片選信號(hào) C___E___接 低電平，芯片始終處于工作狀態(tài) ， 由于使用了單片機(jī)自帶的 4KB 的 EEPROM，所以 AT89S52 芯片的 E___A 接高電平，系統(tǒng)復(fù)位以后 片外擴(kuò)展的 EEPROM 地址 從 1000H 開始執(zhí)行。 掉電保護(hù)電路 6264 具有兩個(gè)片選引腳：其中 CE1 為低電平有效； CE2 為高電平有效。 CE2 由比較器 LM393的輸出經(jīng)兩次反相后提供。圖 23 為 6264 的掉電保護(hù)電路 ：華東交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 圖 23 6264的掉電保護(hù)電路 I/O 接口電路 由于 AT89S52 只有 P1和 P3口部分能提供用戶作為 I/O 口使用，不能滿足輸入口的需要，因而系統(tǒng)必須擴(kuò)展輸入輸出接口電路。 8255A 是 Intel 公司生產(chǎn)的可編程輸入 /輸出接口芯片，它具有 A、 B、 C 三個(gè) 8 位的并行 I/O 口，可選擇三種工作方式。 8255A 還能對(duì) C端口的任一位進(jìn)行置位 /復(fù)位操作。 8255 的片選信號(hào) C___S 接 74LS138 的 Y——1， 74LS138 譯碼器有三個(gè)輸入 端 A、B、 C 分別接到 AT89S52 的 、 、 ，輸出 Y——0~ Y——78 輸出，低電平有效。 74LS138 還有三個(gè)使能端，其中 2 個(gè)（ G—— 2 A—— 和 G—— 2 B—— ）為低電平使能，另一個(gè) G1為高電平使能。 所以把 G——2 A——和 G——2 B——接低電平，把G1接高電平（ +5V）。步進(jìn)電機(jī)是一種用電脈沖信號(hào)進(jìn)行控制，并將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的角位移的電動(dòng)機(jī)。 環(huán)形分配器是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分，通常分為硬件環(huán)分和軟件環(huán)分兩種。本設(shè)計(jì)中我們采用硬件環(huán)分 ，由于本設(shè)計(jì)中我們選用的 X 向和 Z 向的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)型號(hào)分別為110BYG5802 和 130BYG5501，這兩種電動(dòng)機(jī) 均為 5相混合式 ，所以我們選用控制該步進(jìn)電機(jī)的專用芯片 PMM8714。 為了使步進(jìn)電機(jī)正常運(yùn)行并輸出一定功率，需要有足夠的功率提供給電動(dòng)機(jī)，因此需要有功率放大環(huán)節(jié)。為了避免強(qiáng)電對(duì)弱電的干擾，在它們之間應(yīng)采用隔離電路。 華東交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 圖 25 硬件環(huán)分的脈沖分配 本 設(shè)計(jì) 中 X 向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的型號(hào)為 110BYG5802， Z 向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的型號(hào)為130BYG5501，生產(chǎn)廠家為常州寶馬集團(tuán)公司。這樣，兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源可用 同一型號(hào)。 它與控制系統(tǒng)的連接如圖 26 所示。由于步進(jìn)電機(jī)需要驅(qū)動(dòng)的電壓較高，電流較大，如果將 I/O 口輸出信號(hào)直接與功率放大器相連，將會(huì)引起強(qiáng)電干擾，輕則會(huì)引起計(jì)算機(jī)的正常運(yùn)行，重則導(dǎo)致計(jì)算機(jī)接口電路損壞。 光耦合器是以光為媒介傳輸信號(hào)的器件，其輸入端配置發(fā)光源，輸出端配置受光器，因而輸入和輸出在電氣上是完全隔離的。 圖 27 光電隔離輸入電路 華東交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 3．功率放大電路 脈沖分配器的輸出的功率太小，遠(yuǎn)不能滿足步進(jìn)電機(jī)的要求，必須將它放大，以產(chǎn)生足夠大的功率驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。 圖 28 功率放大電路 開關(guān) 量輸出通道 電路 在機(jī)電控制系統(tǒng)中，對(duì)被控設(shè)備的驅(qū)動(dòng)控制常采用模擬量和開關(guān)量（數(shù)字量）輸出兩種方式。在開關(guān) 量輸出通道中，為了防止現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)電磁干擾或工頻電壓通過(guò)輸出通道竄入測(cè)控系統(tǒng)，必須采用隔離技術(shù)。 機(jī)電控制系統(tǒng)的開關(guān)量輸出信號(hào)，通常是由 I/O 接口芯片給出的低壓直流信號(hào)，這種信號(hào)一般不能直接驅(qū)動(dòng)外設(shè)，需要經(jīng)過(guò)接口電路的轉(zhuǎn)換處理。可編程接口芯片 8255 從 PA引腳送出的低電平信號(hào)，經(jīng)光電隔離后輸出高電平，再由 MC1413 反相輸出低電平送給直流繼電器，而直流繼電器的另一端的是 +12V 電源，于是，繼電器線圈得電，常開觸點(diǎn) 閉合，完成指定的控制動(dòng)作。 接口電路如圖 29。 宮鳳麗： C6140 臥式車床數(shù)控化改造設(shè)計(jì)控制部分的設(shè)計(jì) 14 圖 29 繼電器 接觸器控制電路 D/A 轉(zhuǎn)換接口電路 將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量的過(guò)程稱為數(shù)模（ D/A）轉(zhuǎn)換，完成這一轉(zhuǎn)換的器件稱為數(shù)模轉(zhuǎn)換器（ DAC）。它是一種具有兩個(gè)輸入數(shù)據(jù)寄存器的 8位 DAC， 它能直接與單片機(jī)相連，其主要特性如下 :分辨力為 8 位；電流穩(wěn)定時(shí)間 1us；可單緩沖、雙緩沖或直接數(shù)字輸入；只需在滿量程下調(diào)整其線性度 ；單一電源供電（ +5V— +15V）； 內(nèi)部沒(méi)有參考電壓，需要外接；為電流輸出型轉(zhuǎn)換器，要獲得模擬電壓輸出時(shí)，需要外加轉(zhuǎn)換電路。本系統(tǒng)只有一路 D/A轉(zhuǎn)換，所以我們采用單緩沖的方式連接。 ILE 引腳接高電平； WR WR2 兩腳并接 CPU 的 WR端，當(dāng) CPU 對(duì)外部端口執(zhí)行寫指令時(shí)， WR（低電平有效） =0，同時(shí)選中 WRWR2； XFER、 CS 兩腳并接某一譯碼器的輸出（輸出為 低電平時(shí)，同時(shí)選中 XFER和 CS）。 DAC0832 輸出的電流經(jīng) 741 放大后轉(zhuǎn)變成電壓 Vout，直接送往交流變頻器 F1000G，實(shí)現(xiàn)交流異步電動(dòng)機(jī)的無(wú)級(jí)變速。 微型計(jì)算機(jī) I/O 接口 DAC 功放 執(zhí)行件 控 制對(duì)象 華東交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 圖 211 D/A轉(zhuǎn)換接口電路 鍵盤 與 LED顯示電路 的設(shè)計(jì) 鍵盤與顯示器是機(jī)電一體化系統(tǒng)中典型的人 機(jī)接口。鍵盤與顯示器是實(shí)現(xiàn)人機(jī)交換的關(guān)鍵部件。本設(shè)計(jì)我們采用矩陣式鍵盤和 LED 顯示器。 212 車床數(shù)控系統(tǒng)操作面板布置圖 1. 利用 8279 芯片實(shí)現(xiàn)鍵盤顯示器的接口電路 宮鳳麗： C6140 臥式車床數(shù)控化改造設(shè)計(jì)控制部分的設(shè)計(jì) 16 8279 是一種通用的可編程鍵盤、顯示器接口芯片，它能完成鍵盤輸入和顯示控制兩種功能。顯示部分為發(fā)光二極管、熒光管等顯示器件，提供了按掃描工作方式的接口電路，它為顯示器提供多路復(fù)用信號(hào)，可顯示多達(dá) 16 位的字符。 圖 213 8279 的引腳功能 2. 8279 的鍵盤管理 SL3~SL0 有采用譯碼掃描和編碼掃描兩種，由于本設(shè)計(jì)需要的鍵較多，所以我們采用編碼掃描。組成的鍵盤為 76 矩陣，共有 42 個(gè)按鍵，鍵值的計(jì)算如下： D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 CNTL SHIFT N N N K K K 其中： CNTL= SHIFT=0（已接地）； NNN 表示行的位置，它的值等于 74LS138輸出 Yi=0 時(shí)的標(biāo)號(hào) i（寫成二進(jìn)制）； KKK 表示列的位置，它的值等于 RLj=0時(shí)的標(biāo)號(hào) j，即 KKK=j（寫成二進(jìn)制）。 圖 214 8279 掃描線編碼掃描管理鍵盤電路 的顯示管理 8279 可用來(lái)管理 16 位 8 段的 LED，它的內(nèi)部有專門用于存儲(chǔ)顯示數(shù)據(jù)的RAM區(qū)，共有 16 個(gè)字節(jié)，地址從 00H 到 0FH。 本設(shè)計(jì)的顯示器由一個(gè) 16 段的 LED 和 7 個(gè) 8段的 LED數(shù)碼管組成。 8279的掃描線 SL0控制了兩片 74LS373的觸發(fā)端 LE，掃描線 SL1~SL3接譯碼器 74LS138的輸出端，譯碼后的輸出 Y0~Y4 作為數(shù)碼管 端的選擇線。 第一個(gè)數(shù)碼管（ 16段）由片選線 Y0 來(lái)選擇，中間的六個(gè)數(shù)碼管，每?jī)蓚€(gè)共用一根片選線（ Y1~Y3），最后一個(gè)數(shù)碼管由 Y4來(lái)選擇。一旦某一方向越界，應(yīng)立即停止工作臺(tái)移動(dòng)。 其越界電路如 214。 其中，刀架的刀位信號(hào)，由刀架定軸上端發(fā)信盤上的 4 個(gè)霍爾開關(guān)和一塊永久磁鐵檢測(cè)獲得。當(dāng)上刀體旋轉(zhuǎn)時(shí)，帶動(dòng)磁鐵一同旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)到什么位置需要停止，可通過(guò)霍爾開關(guān)的輸出信號(hào)來(lái)檢測(cè)。它有 3個(gè)引腳，第 1引腳接 +12V 電源 ，第 2引腳接 +12V 地，第 3 腳為輸出。 4只霍爾開關(guān)輸出的刀位信號(hào) T1~T4 分別送到光電隔離電路進(jìn)行處理，光耦合器的輸出再 送給 I/O 接口芯片 8255。如控制系統(tǒng)的 CPU 芯片需要提供電壓穩(wěn)定的直流電源；在進(jìn)行 D/A 轉(zhuǎn)換時(shí)，需給轉(zhuǎn)換電路提供精密的基準(zhǔn)電壓；在采用光電隔離技術(shù)時(shí)，要給被隔離的電路提供獨(dú)立的供電電源等。 本設(shè)計(jì)中我們選用 三端固定正電壓穩(wěn)壓器 MC780 MC7812,三端固定負(fù)電壓穩(wěn)壓器 MC7912。 220V 交流市電經(jīng)過(guò)隔離變壓后，輸出四組交流電壓： 9V、 11V、 11V、 11V。 12V 電壓供數(shù)模轉(zhuǎn)換電路使用。 圖 217 電源設(shè)計(jì)電路 宮鳳麗： C6140 臥式車床數(shù)控化改造設(shè)計(jì)控制部分的設(shè)計(jì) 20 本章小結(jié) 本章主要內(nèi)容是對(duì)控制部分的電路設(shè)計(jì)，分別介紹各芯片的作用、連接方法和整體電路的設(shè)計(jì)。 華東交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 第三章 軟件的設(shè)計(jì)