普通车床的数控改造

湖南省高等教育 (本科)毕业设计

专业：学生姓名：考籍号：指导老师：

机电一体化工程 普通车床的数控改造 廖春成 010707100362 彭晓燕

2009年4月20日

设计题目： 摘 要

中国是一个传统的机械制造大国，但其装备水平落后，特别是一些老的机械制造厂大多还是比较旧的机床，远远不能满足加工的要求。针对目前制造业的技术装备现状，对传统机械制造业装备进行改造，解决机械制造业中的一些技术问题，用现代先进技术对旧的设备进行改造和提升，是我国制造业的发展方向。本课题是针对C6162普通废旧车床进行数控化改造，其现实意义在于如何寻找一种可行的、有推广价值的设备改造方法，对传统机械制造行业的技术装备进行技术提升，以解决目前设备老化所带来的问题。

本课题研究过程中，首先对目前工厂所使用的常规数控机床进行了全面的调查和分析。用户普遍反应，数控设备的限位保护功能有些欠缺，容易发生超程等故障现象;另一方面，数控车床大多承担多品种、单件小批量生产的加工任务，如果对每一个零件都去进行编程、输入、调试等工作，显得非常烦琐，用户提出能不能找到一种方法，简化这一手续，以提高其生产效率。

根据数控车床所承担加工任务的特点，其加工的零件类型大多分为轴类、套类、盘类等，依据成组工艺技术的原理，我们提出首先编写各类零件成组工艺，依据成组工艺，编写数控程序，将数控加工程序编号存入CP机中的方法，完成对零件的快速程序编制，提高生产效率。通过这种方法，可以变小批生产为“大”批生产，可以有效的提高生产效率，同时降低对操作人员的要求。

课题完成了对C6162普通废旧车床的数控化改造，运行状况良好，实际应用表明各项性能指标达到了设计改造要求。提高了生产效率。 关键词： 机床改造；数控技术；数控机床

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Abstract

China is traditionally a mechanical manufacturing big country，but Its equipment level falls behind，especially for that some old machinery manufactures still have out-dated tool machines which are beyond the Processing requirements. As for current situation of manufacturing industry’s technology，it is the trend to reform and promote the traditional manufacturing equipments with modern technology. The topic is to carry out numerical control reform towards C6162Lathes.Through which people can seek out a viable and valuable-to-expand technical equipments reform methods so that it can solve the Problems owing to the out-dated equipments and promote the traditional mechanical manufacturing equipments.

During the research，it is the first step to carry on the overall inquisition and analysis to the normal CNC lathes currently used in factories .It is common that NC equipments has such shortcoming in limited distance Protection and malfunctions easily happen .On the other hand，CNC lathes usually can Produce in multiple brands or sing-brand but in mass Production . Therefore it is very trivial to program and input and adjust for each part. Customers need to find out one way to simplify the Process to Promote Processing efficiency.

According to the characteristics of CNC lathes process mission，the types of Parts can be divided into stalk，set and dish .We put forward to compose craft in its accordance groups，on the base of craft technology theory in groups ，then compose numerical grogram then put them into PC so that it is fast to finish instant programming in order to Promote processing efficiency .Through this way，the small quantity Production can be turned into mass production .Owing to that，it can promote efficiency effectively and lower the requirements of operators.

The research has completed the numerical control reform of ordinary C6162 lath and the lath is very good.

Keywords：Machinery Tool Reform；CNC Technology；CNC Lathe；

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目 录

第一章 绪论 ????????????????????????7 1．1数控设备与技术现状???????????????????7 1.1.1数控设备????????????????????????9 1.1.2数控技术??????????????????????? 11 1．2设备数控化改造的现状??????????????????12 1.3 课题研究的背景和意义??????????????????12 1.3.1 背景?????????????????????????12 1.3.2 意义?????????????????????????12 1.4 课题研究的主要内容???????????????????13 第二章 系统总体方案设计??????????????????14 2.1 总体方案????????????????????????14 2.1.1 设计参数???????????????????????14 2.1.2 系统组成???????????????????????15 2.2 系统的功能分析?????????????????????15第三章 系统的硬件电路设计?????????????????17 3.1 CPU及存储器的扩展设计?????????????????17 3.1.1 CPU的选择??????????????????????17 3.1.2 程序存储器扩展????????????????????20 3.1.3 数据存储器扩展????????????????????20 3.2 键盘电路和LCD电路设计???????????????? 22

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3.2.1键盘电路设计????????????????????? 22 3.2.2 LCD电路设计?????????????????????23 3.3 I/O口扩展及其外围电路设计???????????????24 3.3.1可编程外围并行接口设计???????????????? 25 3.4 步进电机控制设计????????????????????26 3.4.1 方案设计???????????????????????26 3.4.2 步进电机的选择????????????????????26 3.5开关量输入、输出通道设计????????????????27 3.5.1 开关量输入通道????????????????????27 3.5.2 开关量输出通道????????????????????28 3.5.3 光电隔离电路设计???????????????????29 3.6系统抗干扰措施?????????????????????30 3.6.1 硬件抗干扰技术????????????????????30 3.6.2 软件抗干扰技术????????????????????30 第四章 系统软件设计????????????????????32 4.1软件系统总体框架简介??????????????????32 4.2文件编辑模块程序设计??????????????????34 4.2.1 零件程序的存放与结构?????????????????34 4.2.2 键盘的功能设置????????????????????35 4.2.3 零件程序的编辑????????????????????35 4.3加工程序模块设计????????????????????36 4.4参数设定程序设计????????????????????39

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4.5对刀程序模块设计????????????????????39 第五章 系统中关键技术的研究????????????????40 5.1插补??????????????????????????40 5.1.1 斜线插补???????????????????????40 5.1.2 圆弧插补???????????????????????42 5.2液晶显示程序设计????????????????????44 第六章 总结与展望?????????????????????47 参考文献 ?????????????????????????48 致谢 ???????????????????????????49 大学期间所取得的主要学术成果 ???????????????50 附录A 直线插补和电机控制 附录B 机械总体布局图 附录C 进给系统装配图 附录D 系统电路图

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第1章 绪论

1.1数控设备与技术现状 1.1.1数控设备

近年来我国企业的数控机床占有率逐年上升在大中企业己有较多的使用，在中小企业甚至个体企业中也普遍开始使用。在这些数控机床中，除少量机床以FMS模式集成使用外，大都处于单机运行状态，并且相当部分处于使用效率不高，管理方式落后的状态。2001年，我国机床工业产值已进入世界第5名，机床消费额在世界排名上升到第3位，达47.39亿美元，仅次于美国的53.67亿美元，消费额比上一年增长2k50。但由于国产数控机床不能满足市场的需求，使我国机床的进口额呈逐年上升态势，2001年进口机床跃升至世界第2位，达24.06亿美元，比上年增长27.3%。

1.1.1.1 国内数控机床的特点

1、新产品开发有了很大突破，技术含量高的产品占据主导地位

例如:全长33公里的上海磁悬浮快速列车线，是“十五”期间国家重点建设项目，其中组成列车线的2550根轨道梁是整个工程的最关键部分，对加工轨道梁的精度提出了相当高的要求。去年年初，沈阳机床集团机床股份有限公司中捷友谊厂以工期6个月、标的6200万元在磁悬浮轨道专用数控机床项目公开招标中折桂，并于8月底将一次性验收合格的8台数控铿铣床组成的轨道梁生产线一次试车成功，目前这套铣撞加工中心已加工出轨道梁1100根，确保了轨道梁的加工精度和速度，为实现今年年底试车打下了良好的基础。

2、数控机床产量大幅度增长，数控化率显著提高

2001年国内数控金切机床产量已达1.8万台，比上年增长28.%5。金切机床行业产值数控化率从2000年的17.%4提高到2001年的22.%7。 3、数控机床发展的关键配套产品有了突破

近年来通过政府的支持，数控机床配套生产得到了快速发展。如北京航天机床数控系统集团公司建立了具有自主知识产权的新一代开放式数控系统平台;烟台第二机床附件厂开发了为数控机床配套的多种动力卡盘和过滤排屑装置;济南第二机床集团公司的数控龙门幢铣床、数控落地铿铣床及数控锻压设备等30多个系列100多个品种的数控配套产品。

1.1.1.2 国外数控机床状况分析

1、国际机床市场的消费主流是数控机床

1998年世界机床进口额中大部分是数控机床，美国进口机床的数控化率达70%，我国为6%0。目前世界数控机床消费趋势已从初期以数控电加工机床、数控

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车床、数控铣床为主转向以加工中心、专用数控机床、成套设备为主。 2、国外数控机床的网络化

随着计算机技术、网络技术日益普遍运用，数控机床走向网络化、集成化己成为必然的趋势和方向，互联网进入制造工厂的车间只是时间的问题。从另一角度来看，目前流行的E即即工厂信息化对于制造业来说，仅仅局限于通常的管理部门(人、财、物、产、供、销)或设计、开发等等上层部分的信息化是远远不够的，工厂、车间的最底层加工设备—数控机床不能够连成网络或信息化就必然成为制造业工厂信息化的制约瓶颈，所谓的REP就比较“虚”没有能够真正地解决制造工厂的最关键的问题。所以，对于面临日益全球化竞争的现代制造工厂来说，第一是要大大提高机床的数控化率，即数控机床必须达到起码的数量或比例;第二就是所拥有的数控机床必须具有双向、高速的联网通讯功能，以保证信息流在工厂、车间的底层之间及底层与上层之间通讯的畅通无阻。

1.1.1.3数控机床的发展预测

1、数控机床推广应用逐步由经济型为主向普及型为主转变

据预测分析，到2005年我国机床的数控化率为9.5%l0.3%6，到2010年将达到16.5%l9.27%。经济型所占比重继续减少，普及型所占比重继续增长，高级型的需求缓慢增长。

2、数控金切机床的构成比逐渐趋于合理

数控机床工序集中的加工特点，将使具有复合功能的高效数控机床的需求增长，这将导致数控机床拥有量和市场消费量中各类数控机床的构成比不同于传统的机床构成比。

3、数控机床的应用由单机向单元(系统)方向发展

目前欧、美、日等国应用DNC己很普遍，柔性制造单元己占数控机床销售量的3%0以上。而我国FMC、FMS和FML的拥有量不足50套，相当于日本80年代的水平，占数控机床消费额不到%5。 4、出口前景良好

1998年及前几年我国机床工具的出口额徘徊在5亿美元左右，2000年上升到7.85亿美元，随着东南亚经济复苏和我国出口多极化市场的形成和巩固，以及我国加入WTO，今后几年我国机床出口将实现平稳、持续增长。预计到2005年出口创汇可达到12亿美元。

1.1.1.4 入世对中国机械工业的结构性冲击

加入WTO后，外资对我国机械工业的结构性冲击主要表现在以下几点： 1、部分行业发展主导权有可能受到冲击

在以下行业将表现得更为突出:一是在国内处于市场成长期、外方掌握专有技

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术并处于垄断地位的技术密集型行业，如燃气轮机、直流输电关键设备、半喂入式水稻联合收割机、机电一体化的汽车发动机附配件等;二是单靠有限市场难以发挥企业生产能力、迫切需要全球市场支撑的行业，如高压开关、大型变压器、高档科学仪器、高档数控系统、智能化工业控制系统等;三是国内外制造成本相差较大、外方享有明显的品牌优势、在华设厂可以在世界市场获取丰厚利润的劳动密集型或易于流通的装配型产品行业，如照相机、复印机、部分工业和民用仪表、高品质低压电器等。

2、工程成套行业将面临更严峻的竞争

随着服务贸易领域对外开放，实力雄厚的国外公司可能更积极地到国内举办由其控制的、以工程承包为主要业务的工程公司，以其母公司产品为后盾，以熟悉国内情况的中方雇员为业务骨干，与我内资企业展开激烈的竞争。 3、我国机械工业自主技术创新的积极性有可能被抑制

由于外资在华机械企业主要承担制造车间的角色技术来源主要依靠其母公司而原本就实力有限的内资企业在完全开放的市场竞争中坚持自行研制开发将冒很大风险，为了节省投入，提高产品的形象，多数内资企业将尽可能与外方合作，采用国际同行的技术进行生产。

1.1.2 数控技术

装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程

度，数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业(如信息技术及其产业、生物技术及其产业、航空、航天等国防工业产业)的使能技术和最基本的装备。马克思曾经说过“各种经济时代的区别，不在于生产什么，而在于怎样生产，用什么劳动资料生产”。制造技术和装备就是人类生产活动的最基本的生产资料，而数控技术又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。当今世界各国制造业广泛采用数控技术，以提高制造能力和水平，提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力。此外世界上各工业发达国家还将数控技术及数控装备列为国家的战略物资，不仅采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业，而且在“高精尖”数控关键技术和装备方面对我国实行封锁和限制政策。总之，大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为世界各发达国家加速经济发展、提高综合国力和国家地位的重要途径。

数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术，数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品，即所谓的数字化装备，其技术范围覆盖很多领域:(1)机械制造技术;(2)信息处理、加工、传输技术；(3)自动控制技术；(4)伺服驱动技术；(5)传感器技术；(6)软件技术等。

1.1.2.1 数控技术的发展趋势

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数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，他对国计民生的一些重要行业(IT、汽车、轻工、医疗等)的发展起着越来越重要的作用，因为这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。从目前世界上数控技术及其装备发展的趋势来看，其主要研究热点有以下几个方面。 1、高速、高精加工技术是装备的新趋势

效率、质量是先进制造技术的主体。高速、高精加工技术可极大地提高效率，提高产品的质量和档次，缩短生产周期和提高市场竞争能力。为此日本先端技术研究会将其列为5大现代制造技术之一，国际生产工程学会(CIRP)将其确定为21世纪的中心研究方向之一。

在轿车工业领域，年产30万辆的生产节拍是40秒/辆，而且多品种加工是轿车装备必须解决的重点问题之一;在航空和宇航工业领域，其加工的零部件多为薄壁和薄筋，刚度很差，材料为铝或铝合金，只有在高切削速度和切削力很小的情况下，才能对这些筋、壁进行加工。近来采用大型整体铝合金坯料“掏空”的方法来制造机翼、机身等大型零件来替代多个零件通过众多的铆钉、螺钉和其他联结方式拼装，使构件的强度、刚度和可靠性得到提高。这些都对加工装备提出了高速、高精和高柔性的要求。

目前高速加工中心进给速度可达80m/min，甚至更高，空运行速度可达100m/min左右。目前世界上许多汽车厂，包括我国的上海通用汽车公司，己经采用以高速加工中心组成的生产线部分替代组合机床。美国CINCINNATI公司的HpyerMach机床进给速度最大达60m/min，快速100m/min，加速度达2g，主轴转速己达60000/rmin。加工一薄壁飞机零件，只用30min，而同样的零件在一般高速铣床加工需3h，在普通铣床加工需8h;德国DMG公司的双主轴车床的主轴速度及加速度分别12000r/mm和1g。

在加工精度方面，近10年来，普通级数控机床的加工精度已由10?m提高到5?m，精密级加工中心则从3~5?m，提高到1~l.5?m，并且超精密加工精度已开始进入纳米级(0.01?m)。

在可靠性方面，国外数控装置的MTBF值已达6000h以上，伺服系统的MTBF值达到30000h以上，表现出非常高的可靠性。为了实现高速、高精加工，与之配套的功能部件如电主轴、直线电机得到了快速的发展，应用领域进一步扩大。 2、轴联动加工和复合加工机床快速发展

采用5轴联动对三维曲面零件的加工，可用刀具最佳几何形状进行切削，不仅光洁度高，而且效率也大幅度提高。一般认为，1台5轴联动机床的效率可以等于2台3轴联动机床，特别是使用立方氮化硼等超硬材料铣刀进行高速铣削淬硬钢零件时，5轴联动加工可比3轴联动加工发挥更高的效益。但过去因5轴联动数控系统、主机结构复杂等原因，其价格要比3轴联动数控机床高出数倍，加之编程技术

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难度较大，制约了5轴联动机床的发展。

当前由于电主轴的出现，使得实现5轴联动加工的复合主轴头结构大为简化，其制造难度和成本大幅度降低，数控系统的价格差距缩小。因此促进了复合主轴头类型5轴联动机床和复合加工机床(含5面加工机床)的发展。

新日本工机的5面加工机床采用复合主轴头，可实现4个垂直平面的加工和任意角度的加工，使得5面加工和5轴加工可在同一台机床上实现，还可实现倾斜面和倒锥孔的加工。德国DMG公司展出DMUVoutino系列加工中心，可在一次装夹下5面加工和5轴联动加工，可由CNC系统控制或以CAD/CAM直接或间接控制。 3、智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势

21世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统，智能化的内容包括在数控系统中的各个方面:为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如加工过程的自适应控制，工艺参数自动生成;为提高驱动性能及使用连接方便的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等;简化编程、简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程、智能化的人机界面等:还有智能诊断、智能监控方面的内容、方便系统的诊断及维修等。

为解决传统的数控系统封闭性和数控应用软件的产业化生产存在的问题。目前许多国家对开放式数控系统进行研究。数控系统开放化已经成为数控系统的未来之路。所谓开放式数控系统就是数控系统的开发可以在统一的运行平台上，面向机床厂家和最终用户，通过改变、增加或剪裁结构对象(数控功能)，形成系列化，并可方便地将用户的特殊应用和技术诀窍集成到控制系统中，快速实现不同品种、不同档次的开放式数控系统，形成具有鲜明个性的名牌产品。目前开放式数控系统的体系结构规范、通信规范、配置规范、运行平台、数控系统功能库以及数控系统功能软件开发工具等是当前研究的核心。

数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求，也是实现新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元。国内外一些著名数控机床和数控系统制造公司都在近两年推出了相关的新概念和样机，如在EMOZO01展中，日本山崎马扎克(Mazak )公司展出的“Cyber Production Center”(智能生产控制中心，简称CPC)；

日本大限(Okuma)机床公司展出“IT plaza”(信息技术广场，简称TI广场);德国西门子(siemens)公司展出的Open Manufacturing Environment(开放制造环境，简称OME)等，反映了数控机床加工向网络化方向发展的趋势。

1.2 设备数控化改造的现状

目前，关于设备改造方面的报道比较多，其方法多种多样，具体表现在，根据要求可以进行经济性数控化改造，也可以进行智能化数控设备改造。

不管哪种形式的数控改造，最基本的思路是要满足用户的基本使用需求。但

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目前对车床的数控化改造，主要是经济性数控化改造。在改造过程中，主要沿用系统供应商提供的外部接线要求进行控制电路设计，没有对系统进行深入的分析研究，不能结合实际应用解决当前同类设备存在的问题，针对目前同类数控设备使用中存在的问题，经过仔细的研究和分析系统特性。

我们知道车床加工的主要任务是承担轴类、套类、盘类等零件的加工。成本、质量、生产率和产量、交货期是衡量企业生产能力和市场竞争能力的4个要素，采用传统的非数控生产方式只有达到一定闭值的大批量的规模生产才能取得上述4个方面的统一。但在当前激烈的市场竞争环境下，以生产为中心，企业为主导的卖方市场已转向以市场需求为中心、用户为主导的买方市场，产品需求呈现多样化和个性化，且产品经济寿命大大缩短，这首先将形成以多品种变批量的生产方式为主流的生产环境;其次，衡量企业竞争力的首位因素也由成本转为交货期。

为此，发展柔性结构体系的数控制造装备及制造系统是实现在快速多变的市场环境中对用户驱动的市场需求作出灵活、快速响应的关键。所谓制造装备及制造系统的柔性化是指当产品的品种的需求发生变化时，它们仍能在满足经济性的前提下，实现及时转换生产的适应能力。同时，持续地提高经济加工精度也是适应市场竞争的另一个主要目标。

因而作为评定数控机床及系统效能的基本指标也将由传统的工作精度和切削能力改为用高效柔性和高精化的程度来衡量。

高效柔性化和高精化分别反映了制造业在竞争激烈的市场环境下的两个最主要的要求，即产品生产变换的灵捷性和产品质量的持续提高。

1.3 课题研究的背景及意义 1.3.1背景

由于数控技术的出现，机械加工技术得到迅猛发展，为了保证工件质量、提高生产效率、降低加工成本，对现有普通车床进行数控改造已势在必行。普通车床经过数控改造后，可以大大提高加工过程的自动化程度，节省人力、物力，同时更适用于加工形状复杂的单件及批量零件。

数控机床在机械制造业中发挥着巨大的作用,但数控机床一次性投资较大,对机床进行数控化改造不失为一良策。这样对普通车床数控改造后是一个既经济、又简单可行的方法。

1.3.2意义

数控机床是综合应用微电子、计算机、自动检测等先进技术的新型机床。他适宜加工小批量、高精度、形状复杂、生产周期要求短的零件。具有高柔性、高精度、高效益等特点。而目前我国机床的数控化率不足3%，大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大多数是传统的机床。加工的产品普遍存在质量差、品种少、成品

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高、供货期长等现象，从而在国际国内市场上缺乏竞争力。而我国的才力和工业发展状况,靠花大量资金购买全新的数控机床来提高数控化率显然是不可取的。而普遍机床的数控化改造既经济又快捷，是提高我国机床数控化率的一个主要途径。

1.4 课题研究的主要内容

本课题主要针对C6132为平台，研制了一个基于平台的数控系统，系统的控制部分以AT89S52单片机为核心。用汇编语言编写一个小型操作系统，来管理数控系统的各个功能模块，如手动、自动、编辑和液晶显示等功能。同时操作系统也开放相应的软件开发功能模块，让学生在切实掌握硬件电路的工作原理基础上，也能很好的锻炼软件编写能力。课题需要完成的主要内容如下：

(1)在选择AT89S52单片机芯片的基础上，深入了解芯片的功能和特点以及其外围接口电路，合理规划内存资源，编写小型操作系统，用来管理系统的液晶显示、手动操作、自动操作、文件编辑和执行程序的模拟仿真等功能模。 (2)实现ISO代码合理编译

(3)在平台的硬件基础上，使其转化成平台数控系统可执行的文件;实现基本圆弧插补功能和直线插补功能; (4)参数设计

本论文就是以数控系统的设计研发工作为背景而选题的，论文共分六章。第一章为绪论；第二章为数控系统总体方案设计；第三章为系统中硬件电路设计简介；第四章为数控系统软件系统设计；第五章为系统中若干关键技术的研究；第六章总结和展望及参考文献。

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第二章 系统总体方案设计

为了保持普通车床的生命力，设计时常把中、高档数控系统中的一些先进技术用到车床中。针对国内经济型数控机床生产的情况和数控技术这门课教学实际现状，结合我们自身技术优势和实际条件，确定本数控系统的功能特性如下:

(l)具有较高的性价比；

(2)系统结构硬件扩展性能好，为以后产品的升级提供方便； (3)软件结构设计合理，突出模块化设计，易于修改、扩充； (4)硬件功能模块划分得当，便于判断故障和维修； (5)可靠性高，保护功能好；

(6)可开环，也可以增加测量模块及器件(如感应编码器等)构成半闭环控制； (7)编程代码和坐标系定义等符合通用的国际标准； (8)具有自诊断功能；

(9)在不增加硬成本的前提下，可以利用网络做一些有意义的、意在提高设备利用率和使用质量的管理及统计工作。

2.1 总体方案 2.1.1设计参数

系统设计具体要求如下:

1、采用ISO标准编程，绝对/增量方式混合编程； 2、连续方程控制二轴；

3、脉冲当量 Y方向(纵向) δy=0.01mm ；X方向(横向) δx=0.005mm 4、最高移动速度 纵向6m/min ；横向3m/min 5、最大切削速度 纵向2m/min ；横向1m/min 6、螺纹加工 0.25~12mm 7、最大编程尺寸 9999.99mm

8、数控系统程序存储器 EPROM 8K ，数据存储器 RAM 8K 9、数据加工功能 G00，G01，G02，G03，G04，G32，G33，G26，G27，G29等

10、辅助功能 M00，M02，M03，M04，M05，M07，M09等 11、刀具功能 换刀数4把（T01~T04） 用Z轴来控制 12、急停及行程限位功能 13、暂停功能

14、工作方式选择功能 包括编辑、空运行、自动、手动? 、手动ΙΙ、手动Ш 等六种工作方式，用户可根据面板上的键盘选择

15、显示功能 LCD 有

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2.1.2系统组成

图2-1 系统结构框图

如图2-1所示，本系统主要由控制板、液晶显示、驱动模块和键盘输入等模块组成，上位机(PC机)和控制板之间通信通过USB接口来完成。

(l)控制板模块:以AT89S52单片机为核心，扩展6264和27512为数据和程序存储器，扩展可编程外围并行接口8255及可编程定时/计数器8253。

(2)键盘输入模块:选用8279芯片，扩展一定的辅助电路形成具有输入和显示功能控制面板。

(3)驱动模块：以L297为核心的双极性桥式电路，控制两相制步进电机。 (4)液晶显示模块:选用 SED1335液晶显示控制器，它在同类产品中是功能最强的；具有功能较强的1/0缓冲器;指令功能丰富；八位数据并行发送，最大驱动能力为640x256点阵。

2.2 系统的功能分析

系统的功能分析是指满足用户操作和机床控制要求的方法、手段。改进型数控系统的功能包括基本功能和选择功能。基本功能是指数控系统必备的功能，如实现两轴联动，加工出各种合格的轮廓。选择功能是指用户根据实际要求选择的功能，如联网功能，在单机加工时此功能并不需要。

主要功能有: （1）控制功能

控制功能是指数控系统能控制的轴数和能联动的轴数。工作台一般需要轴联动，用来加工圆弧和斜线轮廓。

(1) 准备功能

G代码准备功能代码也叫G代码，是用来指定数控装置在程序段内准备某种加 工方式而设定的代码，为数控系统的插补运算做好准备。目前ISO标准的G代码己 经定义了100个，从G00一G99，由字母G后跟2位数字组成。这些准备功能包

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图3-5 6264的管脚功能图

本系统中AT89S52单片机与8K的SRAM芯片6264的连接方法如图3-4所示6264芯片有一个片选CS1，今用“3-8’’译码器输出引脚CS0来选通它；8根数据线1/07一1/00直接挂在CPU的P0口；13根地址线A12~AO分为高5位和低8位，其中高5位与CPU的P2.4-P2.0引脚相连，低8位与地址锁存器74LS373的输出端相连；数据读允许引脚OE与CPU的RD连接；数据写允许引脚WE与CPU的 WR连接。可以算出6264的地址范围是：0000H-1FFFH。

在很多应用场合，要求SRAM芯片内部的数据在掉电后不丢失，这时就需要增加掉电保护电路。SRAM属CMOS芯片，静态电流小，正常运行时由电源对其供电，而在掉电状态下，由小型蓄电池对其供电，连续掉电后，蓄电池可维持数据3~5个月不丢失。但是，控制系统在上电及断电的过程中，因为总线状态的不确定性，往往导致SRAM内部数据发生变化，也即数据受到冲击。因此，对于掉电保护数据用的SRAM芯片，除了配置供电切换电路外，还要采取数据防冲措施。6264芯片的掉电保护电路见图3一4。6264具有两个片选引脚，一个是CS1，要求低有效；另一个是CS2，要求高有效。CS1用CPU的高位地址线A15、A14、A13经74LS138的输出YO来选通，容易算得6264的地址范围是0000H-1FFFH。CS2由比较器LM393的输出经两次反相后提供。当系统处于上电或断电的过程中，系统的工作电压Vcc低于4.5V，LM393比较器输出低电平，经过两次反相后，送到6264的CS2也是低电平，于是禁止对6264进行读/写；当系统的工作电压VCC稳定后，LM393输出高电平，6264的第二片选CS2也变成高电平。如果此时第一片选CS1为低电平，那么CPU就能对6264进行读/写操作了。图3-4的右下角为6264的供电切换电路。正常工作时，系统的+5V工作电压经二极管IN4148降压后约4.4V，一方面为6264供电，另一方面为蓄电池充电;掉电后，3.6V的小型蓄电池开始放电，6264的数据得到保护。

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3.2 键盘电路和LCD电路设计

键盘一显示功能是数控系统中一个很关键的部分，它能实现向系统输入数

据、传送命令和显示工作状况等，是人工干预的主要依据和手段。

3.2.1 键盘电路

键盘主要有独立式和矩阵式。前者一个按键接一个输入线，输入口浪费很大，用于按键数量较少的场合;后者多用按键较多的场合，可以节省很多I/O口。矩阵式键盘又可分为两大类；无编码器键盘和带编码器键盘。带编码器键盘采用硬件方法，当按键按下时直接给出该键的键编码，而且还能消抖和解决重复键问题。键盘编码器有静态编码器，扫描式编码器和反相编码器等。无编码器键盘采用软件扫描法，逐行逐列地检查键盘状态，当发现有键按下时，用计算的方法来得到该键的编码。目前使用较多的是带编码器键盘。国内现在使用较为广泛的键盘编码器芯片有INTEL8279，ZLG7290，HD7279，SK5279A，CH451，MAX7519等等，在电路设计时可根据自身系统的要求选用，在满足功能要求的前提下，尽量使外围电路简单，价格便宜。这里选用INTEL公司的键盘一显示芯片8279，本节将介绍其接口电路设计。

3.2.1.1 8279简介

INTEL8279是一种通用可编程键盘一显示器接口芯片。它能完成键盘输入和显示控制两种功能。键盘部分提供一种扫描工作方式，可于64个按键的矩阵键盘连接，能对键盘不断扫描，自动消抖，自动识别出按下的键并给出编码，能对双键或n键同时按下实现保护。8279为40列引脚封装，如图3-6所示：

图3-6 8279引脚图

引脚功能简述如下。

1.数据总线：D0~D7是双向三态总线。用于和系统数据总线相连，在CPU和

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8279之间传送命令或数据。

2.地址线：当CS=0选中8279，当A0=l为命令字及状态字地址，A0=0为片内数据地址，故8279占用两个端口地址。

3.控制线：8279的控制线较多。这里介绍系统设计中几个用到的控制线。 IRQ:中断请求输出线，高电平有效。

SL0-SL3(扫描线)：输出线。这四条输出线用来扫描键盘和显示器。它们可以编 程设定为编码输出(16中取l)或译码输出(4中取l)。

RL0~RL7(回复线)：输入线。它们是键盘矩阵或传感器矩阵的列信号输入线。 SHIFT(移位信号)：输入线，高电平有效。该输入信号是8279键盘数据的次高位D6，通常用来补充键盘开关的功能，可以用作键盘上、下档功能键，在传感器方式和选通方式中，SHIFT无效。

CNTL/STB(控制/选通)：输入线，高电平有效。在键盘方式时，该输入信号是键盘数据的最高位D7，通常用来扩充键开关的控制功能，做控制功能键用。在传感器方式下，CNTL信号无效。在选通输入方式下，该信号的上升沿可将来自RL0~RL7的数据存放入FIFORAM中。

3.2.2 LCD电路图

液晶显示器是一种功耗极低的显示器件，显示汉字比较直观，用其做与用户交换信息的操作界面十分友好。随着液晶技术的发展，液晶显示器的现场使用可靠性也得到了很大提高。本系统液晶显示模块由320又240点阵液晶板和液晶控制器SED1335组成。SED1335控制器的电路图设计如图3-8所示。

图3-8 电路图设计图

SED1335的控制电路包括三个接口电路:SED1335与CPU的接口电路；SED1335与管理的显示存储器的连接电路；SED1335与液晶显示模块的接口电路。控制板上使用了一片62256(32K字节)作为显示存储器。SEDl335的CS74LS373与单片机相

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接，A0脚与单片机P0.0脚相接，可以算出SED1335的控制口地址是0FFFFH，数据口地址是0FFFEH。SED1335是日本SEIKOEPSON公司出品的液晶显示控制器，它在同类产品种是功能最强的。其特点是：1.有较强功能的1/0缓冲器；2.指令功能 丰富；3.四位数据并行发送，最大驱动功能为64Ox256点阵。

3.3 I/0口扩展及其外围电路设计

为了使系统按要求工作，就必须将必要的命令和数据输入到控制系统中，控制系统运算或处理的结果也要通过一定的方式输出，这就需要一定的输入设备与输出设备。在单片机的内部，虽然设置了若干并行I/O接口电路用来与外设连接，但当外围设备较多时，I/O接口可能就不够用，需要进行扩展。

常用的I/O接口芯片分为两大类：简单的I/O接口芯片和可编程型1/0接口芯片。本节着重介绍系统中可编程UO接口芯片的电路设计。

可编程1/0接口芯片种类很多，常用的有Intel公司的外围器件，如可编程外围并行接口8255A、可编程RAM/IO扩展接口8155、可编程键盘/显示接口8279、可编程定时/计数器8253、可编程串行通讯接口8251等。这些芯片都具有多种工作方式，可由CPU对其编程进行决定。下面对8255A、8253在本平台中的运用进行详细介绍。

3.3.1 可编程外围并行接口设计

本系统中所要控制的外部设备主要有两步进电机(根据自制的步进电机驱动器需要用8个输出口)、主轴运动，左右的4个键盘输入口，我选用8255A可编程外围并行接口芯片。可编程输入/输出接口芯片8255A的引脚如图3-9所示。Di是双向数据线；CS是片选线；RD是数据读出选通线，通常与CPU芯片的RD引脚相连；WR是数据写入选通线，一般与CPU的WR引脚连接；PA口是8位数据输出口，既有上拉又有下拉总线保持器；PB口是8位数据输入/输出口，只有上拉总线保持器；PC口是8位数据输入(无锁存)/输出(带缓冲器)口，在方式控制下可分作两个4位端口用，每个4位口都有一个4位锁存器，这两个4位端口可与A口及B口配合使用，输出控制信号，输入状态信息，PC口的保持结构与B口相同。

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图3-9 8255A的引脚图

向8255A控制口写入控制字可决定它的工作方式，并且只有先写入控制字，才能 通过三个数据口实现正确的I/O操作。它的3个FO并行口PA、PB、PC可选择三种工作方式；方式O为基本的输入输出；方式1为选通输入输出；方式2为双向传送。8255A还能对C端口的任一位进行置位/复位操作。

当单片机P1.1口发出高电平信号时，8255芯片被选中。PA口、PB口和PC口 地址由A0、Al决定。据此可得8255的控制口地址为2FFFH，PA口地址为2FFCH，PB口地址为2FFDH，PC地址为2FFEH。本系统定义8255A工作在方式0，PA、PB口作为输出，PC口作为输入。对8255A初始化程序如下： MOV DPTR，#2FFFH；指向8255A控制口

MOV A，#10001001B；PA输出，PB输出，PC输入，为方式O MOVX @DPTR，A；命令字被写入 MOVX @DPTR，A；重写一次 MOV DPTR，#2FFCH；PA地址 MOV A，#0FFH；预置初值 MOVX @DPTR，A；送到PA MOV DPTR，#2FFDH；PB地址 MOV A，#0FFH；预置初值 MOVX @DPTR，A；送到PB RET

3.3.2 可编程定时/计数器设计

平台的进给系统为步进电机半闭环控制系统，需要对两个步进电机在相应方向上转过的步数进行计数，一共需要四个计数器。由于AT89S52片内只有两个计数器，所以需要外扩计数器，这里选用可3个通道独立计数的8253芯片，加上AT89S52片内的T0计数器，可对步进电机反馈的四路计数脉冲进行计数。8253可编程定时/计数器内部具有3个独立的16位减法计数通道，每个计数通道又可分为两个8位

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的计数器。8253具有6种工作方式，可以按二进制或十进制格式进行计数。8253除了具备基本的定时/计数功能外，还可以用作可编程方波频率发生器、分频器、程控单脉冲发生器等。以38译码器的Y4口，即CS3作为8253的片选信号，其命令口地址为7FFDH，数据口地址分别为7FFCH、7FFDH、7FFEH。分别输入8253的CLK0、CLK1、CLK2进行计数，另一路Y一方向的脉冲信号输入CPU片内计数器T0进行计数。

3.4 步进电机控制设计

系统的伺服驱动采用步进电机半闭环控制设计。步进驱动没有直流和交流伺服精度高，但步进驱动拥有较低的价格优势，受到中、低用户欢迎，这也是本系统选用步进电机的原因之一。

3.4.1 方案设计

步进电机半闭环系统由单片机、步进电机、驱动器、光电编码器和反馈电路等部分组成，其控制框图如图3-10所示。选用的光电编码器是德国海德公司生产的，100个脉冲/转，步进电机为400个脉冲/转，因此光电编码器与步进电机脉冲数之比为100:400=1:4，即步进电机在4个脉冲中，光电编码器对应输出1个脉冲， 就要解决二者脉冲不匹配的问题。为了提高系统的位置检测精度，对光电编码器的脉冲输出采用了四倍频电路，即在一个光电编码器的脉冲周期内，电路输出了4个脉冲，此时编码器与步进电机的脉冲比为1:1。步进电机的驱动器主要由脉冲信号发生器、环形脉冲分配器和功率驱动电路三大部分。步进电机的驱动器的种类很多，产品己经系列化，可以根据步进电机型号选用，当然也可以自行开发。

图3-10 步进电机半闭环控制图

3.4.2 步进电机的选择

如何正确选用步进电动机是一项重要的工作，它需要与系统总体设计相协调， 一般从以下4个方面考虑如何选择步进电机。 1、步距角的选择

步距角是在一个电脉冲信号的作用下，步进电动机转过的机械角位移。常见 步距角有0.360、0.450、0.60、0.720、0.750、0.90、1.20、1.50、1.80等。步进电动机一旦选定以后，其步距角就固定不变，要想改变，只能通过驱动电源的细

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分功能来实现。 2、转矩的选择

步进电机转矩的选择包括四个方面:最大静转矩、启动转矩、矩频特性、定位转 矩。最大静转矩是指步进电动机在通电状态下，使转子离开平衡位置时的极限力矩值，它反映了步进电动机承受外加转矩的特性；启动转矩是指步进电动机单相绕组励磁时所能带动的极限负载转矩；矩频特性是指输出转矩与频率的关系，一般来一说，随着运行频率的提高，输出转矩逐渐下降；定位转矩是指步进电机在断电状态下定位时所需的转矩。当注意的是，步进电动机的输出

转矩不仅与电动机本身的最大静转矩和矩频特性有关，而且还与驱动电源有着很大的关系。

3、启动频率的选择

步进电动机不同于一般电动机，它的启动概念和不失步联系在一起。厂家提供的步进电动机启动频率，是指步进电动机空载时的极限启动频率。电动机带载后，启动频率要下降。启动频率主要取决于负载的转动惯量，二者之间的关系可以用启动惯频特性曲线来描述。用户可以根据厂家提供的启动惯频特性曲线来决定带载时的启动频率。

4、连续运行频率的选择

步进电动机启动后，不失步地连续升速，所能达到的最高频率，称作连续运行频率。产品样本所提供的极限运行频率，是指电动机在空载时的最高运行频率。带载时的极限运行频率要根据负载转矩的大小，从矩频特性曲线上查找。综合上述因素，进给系统选用110BYG4502型步进电机，其额定转矩为20Nm，相数为2，步距角0.9/1.8，可以对其进行两相两拍、两相四拍控制。

3.5 开关量输入、输出通道设计 3.5.1 开关量输入通道

开关量输入通道也称数字量输入通道，它是将用双值逻辑“1”和“0”，表示的电压或电流的开关量，转换为计算机能够识别的数字量，其结构形式如图3-11 所示。

图3-11 开关量输入通道结构框图

典型的开关量输入通道通常由以下几个部分组成：

(l)信号变换器将工业过程的非电量或电磁量转换为电压或电流的双值逻辑值。

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比如有触点的机械开关或无触点的接近开关等。

(2)整形变换电路将混有毛刺之类干扰的双值逻辑信号，或前后沿不合要求的输入信号，整形为接近理想状态的方波。

(3)电平变换电路将输入的双值逻辑电平转换成与CPU兼容的逻辑电平。 (4)总线缓冲器暂存数字量信息并实现与CPU数据总线的连接。

(5)接口电路协调通道的工作，向CPU传递状态信息并控制开关量到CPU的输入。

3.5.2 开关量输出通道

在机电控制系统中，对被控设备的驱动控制常采用模拟量输出和开关量(数字量)输出两种方式。模拟量输出的方法，由于受模拟器件的漂移影响，很难达到较高的控制精度，所以现在应用较少。随着电子技术的迅速发展，特别是计算机进入测控领域后，开关量(数字量)输出控制得到广泛应用。在许多场合，开关量输出的控制精度要比一般的模拟量控制高很多。而且开关量输出在改变控制算法时，无须改动硬件，只要改动程序即可满足控制要求。继电器方式的开关量输出是目前最常用的一种方式。一些小功率的负载可由继电器直接切换，对于一些大功率的负载，可把继电器当作中间环节(也称中间继电器)，利用中间继电器的触点来控制交流接触器线圈的得电与失电，从而控制大型负载。图3-12所示为刀架的电气原理图。其中继电器KA1和KA2分别是控制刀架异步电动机的正转和反转，并与对方的常闭触点串联形成互锁。从刀架霍尔元件发送出的刀架信号Tl一T4经光电隔离连接到8255的PC口。

图3-12 刀架的电气原理图

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3.5.3 光电隔离电路设计

电动机的启停、转速，冷却液泵开关，刀架的旋转，都是控制系统控制强电器件在高压大电流完成的，很容易对单片机系统形成干扰。而一些反馈信号也容易对控制系统产生干扰，所以必须把控制系统与外围设备在电气上隔离开来。常用的祸合方式主要有:变压器祸合和光电祸合。本系统采用光电祸合器件，如图3-13所示，刀架的霍尔元件发给单片机的信号和单片机发给刀架电机的信号均经过光电隔离。下面将进行简要介绍。

1、光电藕合器件简介

光电隔离是由光电藕合器件来完成的。光电祸合器是70年代发展起来的新型电子元件，是以光为媒介传输信号的器件。其输入端配置发光源，输出端配置受光器，因而输入和输出在电气上是完全隔离的。开关量输入电路接入光电祸合器之后，由于光电藕合器的隔离作用，使夹杂在输入量中的各种干扰脉冲被挡在输入回路的一侧。除此之外，光电祸合器还能起到很好的安全保障作用，因为在光电祸合器的输入回路和输出回路之间，具有很高的耐压值，可达500V一1000V，甚至更高。由于光电藕合器不是将输入侧和输出侧的电信号进行直接藕合，而是以光为媒介进行间接祸合，所以具有较高的电气隔离和抗干扰能力。

2、光电祸合器的主要形式

常用的光电藕合器如图3-13所示。图a为普通的信号隔离用光电祸合器，以发光二极管为输入端，光敏三极管为输出端，这种光祸一般用来隔离频率在100kHz以下的信号。对于普通型光祸，如果光敏三极管的基极有引出线，则可用于温度补偿与检测等，如图b所示。图C为高速型光电藕合器的结构形式，与普通型不同的是，其输出部分采用光敏二极管和高速开关管组成复合结构，具有较高的响应速度。图d为达林顿管输出型光祸，其输出部分以光敏三极管和放大晶体管构成达林顿管输出电路，可直接用于驱动较低频率的负载。图e为晶闸管(可控硅)输出型光祸，输出部分为光控晶闸管，光控晶闸管有单向、双向两种，图e所示是双向结构，这种光藕通常用在大功率的驱动场合。

图3-13 光电藕合器常见结构形式

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3.6 系统抗干扰措施

控制系统都工作在一定的环境条件下。环境中必然存在各种产生电磁场的因素，这些磁场能量会通过一定的途径传入单片机控制系统，产生系统正常工作所不需要的信号，影响了单片机的正常工作。同时，单片机内部也会产生影响正常工作的信号。一般把上述所说影响正常工作的信号称为噪声，也就是干扰。在单片机控制系统出现干扰就会影响指令的正常执行。环境对单片机控制系统的干扰一般都是以脉冲的的形式进入系统的，干扰窜入系统的渠道主要有3条，即空间干扰、供电系统干扰、过程通道干扰。一般情况下，空间干扰在强度上远小于其它两个渠道进入系统的干扰，而且空间干扰可用良好的屏蔽与正确的接地，或采用高频滤波器加以解决。因此，抗干扰的重点应放在供电系统和过程干扰通道的干扰。系统的抗干扰措施可以从硬件和软件两方面着手。

3.6.1 硬件抗干扰技术

硬件系统的抗干扰设计特别重要，必须要在硬件设计的初始阶段就要考虑各种干扰因素，否则在系统调试时将会非常困难，增加系统调试的时间和费用。单片机控制系统通常可由几块印刷电路板组成，各板之间以及各板与基准电源之间经常选用接插针相联系。在接插件的插针之间也易造成干扰，这些干扰与接插件插针之间的距离都有关系。在设计时要注意四个问题：①合理地设置接插件；②插座上要适当增加接地针数；③信号针尽量分散配置，增大彼此之间的距离；④考虑到信号的翻转时差，把不同时刻翻转的插针放在一起，同时翻转的插针尽量远离，因为同时翻转会使干扰叠加。印刷电路板是器件、信号线、电源线的高密度集合体，电路板的布线和布局好坏对可靠性影响很大。制作电路板时要注意以下几个事项：①电路板大小要适中，元件布局时相关尽量靠近；②电源线和地线与数据线传输方向要一致，这样有助于增强抗干扰能力；③地线尽量加宽，数据地线、模拟地线要分开，配置必要的去祸电容。

3.6.2 软件抗干扰技术

控制系统软件设计对提高系统的可靠性，提高抗干扰性能意义很大。一个好的软件设计，要充分考虑采取必要的抗干扰措施，利用软、硬件相结合的措施实现系统抗干扰，这也是单片机控制系统具有的优点之一。下面介绍本系统用到的软件抗干扰措施。

1、设置软件陷阱

由于系统干扰可能破坏程序指针PC，PC一旦失控，使程序“乱飞”，可能进入非程序区，造成系统运行的一系列错误。设置软件陷阱，可防止程序“乱飞”。软件设置陷阱的具体做法在ROM或RAM中，每隔一些指令(十几条即可)，这样就把连续几个单元设置成空操作(所谓陷阱)。当失控的程序掉入“陷阱”，也就是连续

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执行几个空操作后，程序自动恢复正常，继续执行后面的程序，也可以在没有被程序指令字节使用的芯片存储区全部置成空操作指令代码，在最后使用跳转指令，一般跳到程序开头。一旦程序飞出到非程序区，执行空操作之后，最后跳回到程序初始化区。

2、软件冗余技术

软件冗余技术就是多次使用同一功能的软件指令，以保证指令执行的可靠性，常从以下几个方面考虑。

(1) 采用多次读入法，确保开关量输入正确无误。重要的输入信息利用软件多次读入，比较几次结果一致再让其参与运算。对于按钮和开关状态读入时，要配合软件延时可消除抖动和误操作。

(2) 不断输出状态寄存器，及时纠正输出状态。设置输出状态寄存器，利用软件不断查询，当发现和输出的不一致时，及时纠正，防止由于干扰引起的输出变化导致设备误动作。

(3) 对于条件控制系统，把对控制条件的一次采样、处理控制输出改为循环地采样。这种方法对于惯性较大的控制系统具有良好的抗干扰作用。

软件冗余技术是提高软件设计可靠性，防止干扰造成误差，保证控制系统正常运行的有力措施。至于在什么地方采用冗余，是根据在软件设计过程中的薄弱环节和在硬件上易于受到干扰部位而定。采用软件冗余技术，可使程序运转的可靠性大大提高。

3、增加程序监视系统

利用设置软件陷阱的办法虽然在一定程度上解决了程序“飞出”失控问题，但在程序执行过程中若进入死循环，无法撞上陷阱，就会使程序运行不下去。因此设置陷阱的办法不能有效的解决死循环问题。设置程序监视器(Watchdog)可比较有效的解决死循环问题。程序监视器系统有的采用软件解决，大部分都是采用软硬件相结合的办法。

本系统采用单片机内部定时器进行监视，其方法是在程序一开始就启动定时器工作，在主程序中增设定时器赋值指令，使该定时器维持在非溢出工作状态。定时器要稍大于程序一次循环的执行时间。程序正常循环执行一次给定定时器送一次初值，使其不能溢出。若程序失控，定时器则计满溢出中断，在中断服务程序中使主程序自动复位又进行初始状态。

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第四章 系统软件设计

数控系统软件是为实现数控系统各项功能而编制的专用软件，即存放于内存储器中的系统程序。由于数控系统的功能设置与控制方案各不相同，在结构和规模上差别很大。一般来说，功能越多，所需要的系统程序越长，所占内存空间越大。系统程序的设计直接关系到数控系统各项功能的实现及其将来的扩展，所以它是整个数控系统研制工作中的关键，也是工作量最大的部分。一般数控系统软件设计的原则是，在条件允许的情况下，减少硬件电路，降低成本，尽可能地用软件来代替硬件。系统软件必须完成管理和控制两项任务，数控装置的管理任务一般包括编辑输入、I/O处理、显示、诊断等，控制任务包括译码、刀具补偿、速度处理、插补、位置控制等。

4.1 系统软件的总体框架简介

在许多情况下，数控装置中管理和控制的某些工作必须同时进行，即所谓的并行处理，这是由数控装置的工作特点所决定。如图4-1所示，图中示出本系统中各任务之间的并行处理关系，双箭头表示两个任务之间有并行处理关系。

图4-1 任务并行处理图

数控系统软件具有多任务性和实时性两大特点。编辑输入、预处理、显示、插补、进给控制等任务需并行及时处理。所以要采用并行处理技术确定软件各模块的结构。并行处理技术的方法很多，本系统由于是单CPU的数控装置，因而在软件设计中采用资源分时并行处理技术。一般地采用资源分时共享方法是:各个任务按其需要时间的长短被分割成一个个子任务，系统采用时循环调度和优先抢占调度相结合的方法完成各任务，所以资源分时共享的并行处理只具有宏观上的意义，从微观上看来，各个任务还是顺序执行的。并行处理中的信息交换主要通过设置各种缓冲存储区来实现。零件程序首先通过编辑输入程序的处理存入加工程序缓冲存储区，这是一个循环存储队列，然后插补准备程序(包括译码、刀具补偿和速度处理)从加工程序存储区将一个程序段的数据读入译码缓冲存储区，进行译码、刀具补偿和速度处理，并将结果放入插补缓冲存储区。插补程序在每次执行一个程序段的插补运算时，将插补缓冲存储区的内容读入插补工作存储区，用插补工作存储区的数据进

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行插补计算并将结果送到插补输出寄存器。各缓冲区数据交换和更新的同步依靠同步信号指针实现，从而保证了信息的正确传输。分时并行处理技术主要需解决的问题是，充分利用计算机的高速数据计算和处理能力，保证每个任务的合理响应时间。 本系统软件总体结构采用前后台型。这种模式将数控系统分成两部分：前台程序和后台程序。前台程序为实时中断程序，承担了几乎全部实时任务，实现插补、位置控制、开关控制等实时功能;后台程序是一个循环运行程序，实现加工程序的输入和预处理以及管理的各项任务。后台程序是本系统的主程序，主要功能是完成整个系统的管理和调度，并完成实时插补前的各项控制任务。

系统启动和复位重新启动后，先进入开机界面，如图4-2所示。稍后自动进入系统初始化子程序，为系统的正常工作做好各种准备。初始化子程序的主要工作有设置CPU及其有关接口工作状态，显示系统有关的局部标志和全局标志；设置系统参数;设置中断矢量，使系统能及时获得操作员的操作控制信号。

图4-2为正常加工状态下背景程序的软件调度管理主流程图。初始化工作完成后，系统进入背景程序的循环中，调度系统工作于编辑、手动、自动、模拟和对刀等工作方式中。编辑工作方式使背景程序进入键盘输入处理程序，用来进行程序的编制、修改和存储；手动工作方式使背景程序进入手动方式处理程序，按操作面板上的操作状态转入不同的处理分支，在实时时钟中断服务程序和点动处理程序的配合下，实现各种手动功能，如手动1、手动2和手动3；自动工作方式是对零件进行自动加工的一种方式，自动处理程序及时完成各程序段插补前的预处理并完成实时加工控制。

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图4-2 软件主流程图

4.2 文件编辑模块程序设计 4.2.1 零件程序的存放与结构

1、零件程序存储

零件程序以上、下两层存入RAM中的指定区域。上层为程序号层，用%XX表示，如
、 、0等，上层存储区还存储每个程序起始地址和终止地址。下层储存区为程序内容层，存放具体的零件程序。零件程序与程序号一一对应，即每个零件程序都有自己的程序号。编译时就编译该程序号对应的程序，加工时就按该程序号的程序加工。这样，在让RAM中可以存储多个零件程序，调用方便灵活。零件程序由若干个程序段组成，每个程序段以程序段号(也可以就以功能字开始)开始，以“换行”结束，中间包含若干个必要的功能字。 2、程序段结构

程序段中包含了加工所需要的全部信息。下面是一个程序段的例子：

N020 G01 X—32.00 Y12.00 F60“换行”

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其中：N—程序编号，是为了方便阅读程序，可以不输入。在一个程序段中，其基本元素是字。字由字母和数据串组成，数字的符号写在地址字母和数字之间， 正号可以省略。例如:X—32.00其中X是地址，“—”是符号，32.00是数字，单位为0.0lmm。

4.2.2 键盘的功能设置

键盘主要用于零件程序(及参数)的输入，并具有修改、编译等功能。为了简化操作，减少人为错误，提高零件程序(及参数)的输入功能，采用单功能键。包括数据键(0-9)共十个、符号键“*”和“%”和如下所列的字母键： X—坐标轴设定 Y—坐标轴设定 N—程序段序号 C—准备功能键 M—辅助功能键

I—圆弧圆心相对圆弧起点的X坐标分量 K—圆弧圆心相对圆弧起点的Y坐标分量 F—进给速度设定

其外还有20个功能键，它们是编辑、自动、手动1、手动2、手动3和模拟等。

4.2.3 零件程序的编辑

零件程序的编辑要能完成一般的文字编辑，要能够进行字符输入、光标移动、插入输入行、插入字符、删除等功能， “↑”和“↓”表示系统的上、下翻屏功能键;“←”和“→”表示系统的左、右移动光标键，当光标移动到边界时可自动转入下一行或上一行。

编辑功能主要由功能键完成。采取查询方式取得键码后，由键码判断键的类型。若是字符、数字，则转去作相应处理。否则，再根据功能键码，经过计算从编辑功能表中得到功能键对应的功能处理程序的首地址，并转而执行该处理程序，其流程图如图4-3所示。

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图4-3 编辑程序流程图

4.3 加工程序模块设计

加工程序模块是数控系统一个必备的功能模块，也是数控系统的核心任务。加工程序模块用于控制运行经过预处理的零件程序，进行零件加工，包括程序启动、暂停、复位及自动加工。在主程序中选择自动软件功能，即可以进入本模块。加工程序界面如图4-4所示。加工的时候，界面显示刀具当前的机床坐标系值、工件坐标系值、主轴当前转速和进给速度。通过单段自动开关可以选择程序的加工状态，即单段和自动。

图4-4 加工程序界面

自动加工运行模块程序框图如图4-5所示。

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图4-5 加工程序流程图

图4-5中的程序框图是一个简化程序框图。从主程序进入加工程序后，系统等待选择程序。选择所要加工的程序后，系统先清理加工程序的缓冲区和有关标志位，然后对第一个程序段译码、预处理，完成轨迹计算和速度计算，得到插补所需要的各种参数，如刀具中心轨迹的起点、终点坐标，刀具中心的位移量，圆弧插补时圆心的各坐标分量等。并将所得参数送给插补缓冲区保存，若有辅助功能码(M、S、T)，则将其送给系统工作寄存器保存。接下来，将插补缓冲器的内容送到插补工作存储区，系统工作寄存器中的辅助功能码送至系统标志单元，以供使用。完成交换后设置标志(数据交换结束标志、开始插补标志)。标志设置之前，尽管定时中断照常发生，但并不执行插补及辅助信息处理等，仅执行一些例行扫描、监控等功能。只有在标志设置之后，实时中断程序才能进行插补、伺服输出、辅助功能处理，同时开始对下一段程序进行译码、预处理。系统必须保证在当前程序插补过程中完成下段程序的译码和预处理，否则将会出现加工中停刀现象。背景程序是通过设置标志来达到对实时中断程序的管理和控制的。

自设立两个标志到插补完成这段时间里，数控系统装置工作最为繁忙。在这段时间里，中断程序在进行本程序段的插补及伺服输出，同时背景程序要完成下一程序段的译码和预处理。亦即在一个插补周期内，实时中断程序开销一部分时间，其余的时间留给背景程序。插补、伺服输出与译码、预处理分时占用CPU，以完成多

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任务并行处理。下一段程序的译码、预处理时间比程序段的插补运行时间要短，因此在背景程序中有一个等待插补完成循环，在等待过程中不断进行LCD显示。本程序段插补加工结束，但整个零件加工未结束，则系统开始新的循环，直到程序结束。下面具体论述各个子程序功能。 1、加工程序的译码和诊断

零件加工程序是用一定规则的数控代码编制的，因此在加工时则必须通过系统解释译码程序进行译码和解释，通过刀补程序获得刀具中心轨迹数据，再经过插补才能使NC系统进行执行。译码是将加工程序段按一定规则翻译成计算机能识别的数据形式，并按约定格式存放在指定的译码缓冲器中。译码工作包括代码识别和功能代码的解释两部分。代码识别就是通过软件将取出的字符与各个内码数字相比较，若相等则说明输入了该字符，设置相应标志并转到相应处理模块。译码的实时性要求不高，所以安排在后台程序中完成。

经过译码程序处理后，一个完整加工程序段中的所有功能代码连同它们后面的数字码都被依次对应地存入到相应的译码结果缓冲器中。在上述译码过程中要对加工程序的语法错误和逻辑错误等进行集中检查，只有合法的程序段允许进入后续处理过程。语法错误主要指某个功能代码的错误，逻辑错误主要指程序段或整个程序内功能代码之间互相矛盾的错误。对程序的诊断贯穿于译码过程，根据上述译码方法和诊断原则设计的程序流程图如图4-6所示。

图4-6 加工程序译码与诊断流程图

2、进给速度处理

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进给速度用F代码表示，经译码后存放在缓冲区指定单元中，供速度处理程序调用。本系统是以步进电机为执行部件的数控系统，所以速度处理方式采用脉冲增量插补方式。坐标轴运动速度的控制是通过控制向步进电机发出的脉冲频率来实现的，所以进给速度的处理就是根据编程时所给进给速度值来确定脉冲源频率的过程。设脉冲当量为δ(mm/脉冲)，则与进给速度对应的脉冲源频率公式为f=F/(60δ)，式中F为程编进给速度(mm/min)。 3.绝对编程与增量编程

绝对编程方式采用零件轮廓终点的绝对坐标值进行编程，增量编程方式采用零件轮廓终点坐标相对于起点坐标的增量值进行编程。尽管外部编程形式不一样，但事实上系统内部都是以绝对坐标方式进行处理，只是增量编程方式在内部必须进行一次转换处理。上述过程流程图如图4-7所示。

图4-7 增量与绝对编程流程图

4.4 参数设定程序设计

现代数控系统一般都有参数设定这个功能模块，通过参数设定，使驱动器特性、机床性能、功能等最大限度地发挥出来。参数设定功能的设计内容随机床不同而不同，本系统由于在XZ工作台上调试，因而只设计了简单的参数设定功能。

4.5 对刀程序模块设计

零件程序是按工件原点编制的，当工件安装到机床上后工件原点就变成了浮动原点。浮动原点与机床原点的几何尺寸是随工件的类型和安装的不同而变化，其关系由零点偏置定义。所谓零点偏置是确定浮动原点(工件原点)与机床固定原点之间的距离，即用来确定机床坐标系原点与工件坐标系原点之间的关系。

实际工件加工时，一般用对刀的办法来求得零点偏置。对刀点是数控加工时刀具相对零件运动的起点，也是程序的起点。因此对刀点确定后，便确定了机床坐标系和零件坐标系之间的相互位置关系。图4一13是对刀程序的操作界面。本系统留有两个对刀零点设置，即G54和G55。G54、G55是可设置零点偏置指令，可通过操作面板输入来实现。

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第五章 若干关键技术的研究

本章详细讨论改进型型数控系统开发中的几个关键技术。首先阐述直线插补和圆弧插补的基本原理，以及插补程序实现方法;论述系统中用到的刀补功能理论与实践;分析液晶显示中的图形显示方法;最后论述经济型数控系统半闭环反馈系统的简单实现方法。

5.1 插补

逐点比较法的基本思路是被控制对象在数控装置的控制下，按要求的轨迹运动时，每走一步都要和规定的轨迹比较，根据比较结果决定下一步移动的方向。这种算法的特点是运算直观、输出脉冲均匀，输出脉冲的速度变化小，调节方便，因此在两坐标数控系统中应用比较普遍。

5.1.1 直线插补

1、偏差计算公式

如图5-1所示，假定加工如图所示的第一象限的直线OA。取直线起点为坐标原点，直线终点坐标(Xe、Ye)是己知的。P(Xi、Yi)为加工点(动点)，若P在OA直线上，则根据相似三角形的关系可得Ye/Xe =Yi/Xi 即F= Yi *Xe-Ye *Xi

作为直线插补的偏差判别式。 若P点在OA直线上，则F=0； 若P点在OA直线上方，则F>0； 若P点在OA直线下方，则F<0；

设在某加工点处，有Fi≥时，为了逼近给定轨迹，应沿+x方向进给一步，走一步后新的坐标值为：

X(i+l)=Xi+1，Y(i+l)=Yi

新的偏差为：F（i+l）= Y(i+l) *Xe- Ye*X(i+l)

若Fi<0时，为了逼近给定轨迹，应向+Y方向进给一步，走一步后新的坐标值为 X(i+l)=Xi，Y(i+l)=Yi+1 新的偏差为： Fi+l=Fi+Xe

综上所述，逐点比较法的直线插补过程，每走一步要进行以下四个步骤，其工作循环如图5-2所示。

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l)偏差判别根据偏差值确定刀具相对加工直线的位置；

2)坐标进给根据偏差判别的结果，决定控制沿哪个坐标(X或Y)移动一步； 3)偏差计算对新的加工点计算出能反映偏离加工直线位置情况的新偏差，为下一步偏差判别提供依据；

4)终点判别在计算偏差的同时，还要进行终点判别，以确定是否到达终点。如果已经到达终点，就不再进行运算，并发出停机或转换程序段的信号；如果未到达终点，则返回继续插补。

图5-2 逐点比较法循环图

2、第二种方法。

用一终点计数器，寄存X和Y两个坐标，从起点到终点的总步数艺;工Y坐标每进给一步，艺减去1，直到艺为零时，就到了终点。斜线插补时应注意:终点判别，用第一种方法在步进电机走步的时候，经常发生理论上到终点时，而还有一个电机接着还需要走几个到十几个脉冲的误差，可采用先判一个电机是否到终点，到终点时，该电机不走，走另一个电机，如果没到，则此电机接着走;两个电机都到终点，则两个电机都停下来的方法可消除误差。用第二种方法不会出现上述问题。 3、不同象限的直线插补计算

上面讨论的为第一象限的斜线插补计算方法，其他三个象限的斜线插补计算方法，可以用相同的原理获得，下面给出四个象限的斜线插补时的偏差计算公式和进给脉冲方向，计算时，公式中Xe、Ye均用绝对值。如表5-l所示。

表5-l

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图5-3 插补算法流程图

根据前面的总结，可以设计出逐点比较法四个象限的直线插补软件流程，如图5-3所示。逐点比较法的软件实现是根据逐点比较法插补算法流程图编制专门的运算控制程序。软件实现灵活并且成本低，但其插补精度和速度受数控系统中CPU字长和运算速度等方面的限制。

5.1.2圆弧插补

1、基本原理

加工圆弧过程中，容易联想到使用动点到圆心的距离与该圆弧的名义半径进行比较来反映加工偏差。如图5-4所示，设被加工零件的轮廓为第一象限圆弧SE，圆弧的圆心在坐标原点，已知圆弧的起点为S(Xo、Yo)，终点为E(Xe、Ye)，圆弧半径为R。令瞬时加工点为N(Xi、Yi)，它与圆心的距离为Ri。比较Ri和R反映加工偏差。

(Ri)2=Xi2+Yi2 ，(R)2=X2+Y2

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因此，可得圆弧偏差判别式如下:

Fi= (Ri)2- (R)2= Xi2+Yi2-(R)2

若： Fi=0，表明加工点M在圆弧上;

Fi>0，表明加工点M在圆弧外; Fi<0，表明加工点M在圆弧内。

设加工点正处于N(Xi，Yi)点，若Fi>0，对于第一象限的逆圆，为了逼近圆弧，应沿-X方向进给一步，到i+1点，起坐标值为Xi+1=Xi-1，Y(i+1)=Yi。新加工点的偏差为：

F（i+l）=X(i+1)2+ Y(i+1)2- (R)2=Fi-2Xi+l

若 Fi<0，为了逼近圆弧，应沿+Y方向进给一步到i+1点，其坐标值为X(i+1) =Xi，Yi+1=Yi，新加工点的偏差为：

F（i+l）=X(i+1)2+ Y(i+1)2- (R)2=Fi-2Yi+l

通过比较，可以看出两点不同:第一，递推形式的偏差计算公式中仅有加/减法以及乘2可等效成该二进制数左移一位，这显然比平方来得简单。第二，进给后新的偏差函数值与前一点的偏差值以及动点坐标N(尤，均均有关系。由于动点坐标值随着插补过程的进行而不断变化，因此，每插补一次，动点坐标就必须修改一次，以便为下一步的偏差计算作好准备。和直线插补一样，圆弧插补过程也有终点判别问题。当圆弧轮廓仅在一个象限区域内，其终点判别仍可借用直线终点判别的三种方法进行，只是计算公式略有不同。 2、软件实现

与直线情况基本相似，逐点比较法第1象限逆圆插补也是按照四个工作节拍进行的，只是在偏差函数计算完毕后，增加动点坐标的修正。其软件流程如图5-5所示。

3、插补象限和圆弧走向处理

前面所讨论的逐点比较插补圆弧，是针对第1象限直线和逆圆插补这种特定情况进行的。然而，任何数控机床都应具备处理不同象限、不同走向圆弧的能力。圆弧所在象限不同，顺逆不同，则插补计算公式和进给方向也不同。归纳起来共有8种情况，这8种情况的进给脉冲方向和偏差计算公式见表5-3.四个象限圆弧的插补进给方向如图5-6所示。

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图5-5 圆弧插补流程图

图5-6 四个象限圆弧插补进给方向图

5.2 液晶显示程序设计

1、SED1335指令特点

SED1335是日本SEIKOEPSON公司出品的液晶显示控制器，它在同类产品种是功能最强的。其特点是：

1）、有较强功能的FO缓冲器； 2）、指令功能丰富；

3）、四位数据并行发送，最大驱动功能为640x256点阵。

SED1335有13条指令，多数指令带有参数，参数值由用户根据所控制的液晶显

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示模块的特征和显示的需要来设置。指令表见下表5-5所示。 2 、绘点程序

绘点子程序是编制LCD液晶显示器复杂图形的显示程序的基础。SED1335控制器有两种显示模式:一种为文本方式，适合于显示英文字母和阿拉伯字母以及一些常用的字符(存在SED1335的内置字符表中)。它虽然也可以显示汉字，但由于显示汉字的数目很有限，因此一般不用它显示汉字字符。文本方式不能绘制图形。

表5-5 SED1335指令表

另一种方式为图形显示方式。这种方式通过点亮或者熄灭某些特定的点，从而组成特定的图形。因此，理论上运用这种方式可以显示任何一种图形和字符，且不受数量限制。在实际运用中，除了显示SED1335内置字符表中的特定字符外，其它的显示内容全部使用图形方式显示。因此在任意一个地方点亮和熄灭一个点就显得格外重要了。可以说，没有绘点子程序，就没有液晶显示屏上丰富多彩的画面。 绘点子程序包括几大步：首先要计算点的位置，通过给出的X坐标和Z坐标值来确定要绘制点的具体位置，将光标指向目标地址。必须注意的是，光标地址计算时X坐标的计算单位是字节，而Z坐标的计算单位是位。这就带来了新的问题:如何确定那些X坐标不是8的倍数的点。在实际运用中，我们分两步来完成:首先确定光标首地址(按字节计算)，然后在确定要绘制的点在下一个字节中是第几位(00H~08H)，从而就可以确定点的位置了。

确定点的位置之后，要确定要写入的数据。我们根据绘制点在要写入数据的位置来确定数据(按照点亮为“1”，熄灭为‘，0’，来计算)。为了不破坏其它的显示内容，要读入当前显示屏光标地址上正在显示的数据，然后与原始数据做逻辑运算，就可以确定要写入的数据了(要特别注意D7标志位，绘点和消点的运算方式是不一样的)。

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