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经济型数控系统研究与设计第1章绪论-1-目录目录--------------------------------------------------------------------1摘要-------------------------------------------------------------------2第一章绪论-----------------------------------------------------------------2第二章CNC系统总体方案的确定-----------------------------------------------32.1系统总体方案--------------------------------------------------------------32.2系统功能模块及其分析-------------------------------------------------------5第三章硬件系统设计---------------------------------------------------------73.1控制系统硬件设计-----------------------------------------------------------73.2主模块设计----------------------------------------------------------------83.3输入/输出模块设计----------------------------------------------------------93.4人机界面模块设计----------------------------------------------------------113.4.1显示方式的确定--------------------------------------------------------113.4.2数控操作面板外形图设计-------------------------------------------------123.4.3机床操作面板设计------------------------------------------------------123.5系统安装结构设计----------------------------------------------------------133.6PLC在CNC系统中的应用----------------------------------------------------133.7系统电气原理图设计--------------------------------------------------------15第四章系统软件设计--------------------------------------------------------154.1软件功能设计-------------------------------------------------------------154.2软件结构分析、设计--------------------------------------------------------164.3人机界面及其软件实现技术---------------------------------------------------174.3.1菜单驱动技术的应用---------------------------------------------------174.4逐点比较插补法的软件实现--------------------------------------------------174.4.1直线插补原理---------------------------------------------------------174.4.2直线插补—G01程序设计------------------------------------------------204.4.3圆弧插补原理---------------------------------------------------------234.5快速点定位—G00程序设计--------------------------------------------------264.6暂停(延迟)指令—G04程序设计-----------------------------------------------284.7步进电机正反转及转速控制程序设计-------------------------------------------29鸣谢------------------------------------------------------------------30参考文献------------------------------------------------------------------30经济型数控系统研究与设计第1章绪论-2-经济型数控系统研究与设计第1章绪论按数控系统的功能水平,可以把数控系统分为高、中、低三档,低档数控系统即可认为是经济型数控系统。经济型数控系统是相对于标准型数控系统而言的，不同时期，不同国家和地区的含义是不一样的。根据实际机床的使用要求，合理简化系统，降低成本，即可称为经济型。区别于经济型数控系统，将功能比较齐全的数控系统称为全功能数控系统，或称为标准型数控系统。就其功能而言，经济型数控系统一般分辨率较低，连动轴数较少，人机接口比较简单，造价低廉，可以说得上是最经济的数控系统。所以，经济型数控系统主要指开环系统。开环数控系统具有结构简单、造价低、维修调试简单、运行维护费用低等特点，但受步进电动机矩频特性的限制，精度、进给速度、力矩三者互相制约，性能的提高受到限制。所以，开环数控系统一般用在精度或速度要求不高，或者力矩不大的场合。经济型数控系统主要同微型计算机与步进电机驱动系统组成，既具有一定的数控功能，又具有造价低、使用维修方便等特点。本设计就是围绕经济、实用这个核心而进行的。本系统硬件采用工业标准（STD）总线，大板结构。不采用工业控制机，自行设计专用印刷主电路板。主电路板上有多个插槽，可插入LCD控制板、I/O接口控制板、步进电机控制板等，还设有一个扩展槽以便用户扩展系统功能。一块模板基本上具有一种或二种功能，实现了模板级的功能分散，可以根据用户的需要对系统裁剪或扩展，系统组成灵活。本系统确定单微处理器开环数控系统，因其结构简单，可以根据专用设备的控制要求自行设计开发，周期短、费用低、见效快。选用INTEL公司推出的准16位嵌入式微控制器8098单片机。系统采用独立型PLC，因其具有较强的数据处理、通信和诊断功能。本系统采用LCD显示器，图形点阵液晶显示器是目前在单片机系统中比较流行的新型显示器件，可以显示所有字符及图形，由于其可以显示汉字的特性被广泛用于国内智能设备中，国内的数控系统也开始广泛采用。作为一个简易型数控系统，本系统采用了20*2带背光字符型液晶模块作为主显示界面，不有用数码管显示或CRT显示。本系统采用64键（8*8）行列式键盘，键盘扫描由Intel8279键盘/显示接口芯片完成。系统设计中充分考虑功能的需要、操作方便的需要及系统复杂性的要求三个之间的关系，确定系统的大多数按键为双功能键，使得整个系统界面简洁。本系统功能精简，实用性强，系统功能由硬件和软件按照经济性的要求适当划分。软件设计具备经济型数控系统必要的基本功能：最多二轴联动、具备基本的准备功能及辅助功能、步进电机控制能力、直线、圆弧插补能力、串行通信能力等。第2章CNC系统总体方案的确定经济型数控系统研究与设计第2章CNC系统总体方案的确定-3-2.1系统总体方案计算机数控（CNC）系统由程序、输入装置、输出装置、CNC装置、PLC、主轴驱动装和进给（伺服）驱动装置组成，如图2-1所示。系统设计应具有灵活性、通用性、可靠性，易于实现基本的数控功能，使用、维修也较为方便，并且与外界通信的功能。位置检测装置进给电动机床机主轴电动机单元速度控制单元主轴控制（PLC）可编程控制器装置输出装置通信装置输入（CNC装置）控制装置数值计算机图2-1CNC系统组成CNC数控系统由以下几个部分组成：1)微型计算机，包括中央处理器、存储器、I/O接口等。2)进给伺服系统，在开环数控系统中为步进电机伺服系统。3)开关量控制及主轴控制，这部分涉及到M、T、S代码的执行。4)人机接口和通信功能。5)控制软件。系统设计的目的决定了系统只能采用开坏控制方式。在开坏型位置控制系统中，只能采用步进电机作为伺服单元。这是由步进电机本身的特性决定的。关于步进电机的特性等详细内容见其它资料。本系统确定为开环数控系统，其结构简单，可以根据专用设备的控制要求自行设计开发，周期短、费用低、见效快。开环数控系统结构框图如图2-2所示。在进行开环数控系统的总体设计时，通常要考虑以下问题：1.系统功能要求设计系统之前，应该明确定义系统的功能。在定义开环数控系统功能时，应以必要为度，既然是经济型系统，应不求最佳，但求满意。定义系统时，应综合考虑经济性、实用性、开发周期和开发能力等因素，对系统的某些功能进行权衡，决定取舍。1)本系统具有以下主要功能和要求：2)具有两轴联动的轴控制功能；3)具有基本的准备功能、进给功能、辅助功能、PLC等；4)具有基本的人机对话功能，如显示、通信功能及输入输出设备；5)硬件、软件的设计均以经济型为平台；经济型数控系统研究与设计第2章CNC系统总体方案的确定-4-床机软件主轴控制主轴反馈控制电路开关量电动机步进驱动电路步进伺服I/O口)RAMEPROM(CPU微机接口通信与接口人机图2-2开环系统结构2.确定控制任务及软件、硬件任务的划分根据系统功能，可以进一步确定系统的基本构成部分及各部分要完成的控制任务。对一些控制任务要确定是用硬件来完成还是用软件来完成，如开关量的逻辑控制可以用硬件来完成，也可以用软件来完成。复杂的逻辑控制，用软件来完成就要经济一些，而且故障率低。而用软件完成这些功能要时间，如果微处理器时间已饱和，则一些简单的逻辑控制就必须用硬件来实现。3.确定各部分的联系确定系统各部分的联系，主要指信息方面的联系。系统各个组成部分之间要传送什么信息，以什么形式传送，需要定义清楚。4.确定微机系统确定用单微机系统还是多微机系统，选择微机型号。选择微机型号时，要考虑经济性和先进性，同时必须考虑开发手段、支持软件及外围芯片等因素。由于控制功能不十分复杂，故采用单微机处理器结构。单微处理器结构的CNC系统具有如下一些特点：1)CNC系统内只有一个微处理器，对存储、插补运算、输入输出控制、LED显示等功能都由它集中控制分时处理。2)微处理器通过总线与存储、输入输出控制等各种接口相连，构成CNC系统。3)结构简单、容易实现。4)单微处理器因为只有一个微处理器集中控制，，其功能将受到微处理器字长、数据宽度、寻址能力和运算速度等因素限制。由于插补等功能由软件来实现，因此数据功能的实现与与处理速度成为一对矛盾。选用INTEL公司推出的准16位嵌入式微控制器8098单片机。8098单片机性能价格比很高，8位机接口但具有16位机的速度，非常适用于经济型数控系统。5.确定软件结构形式CNC软件可以设计成不同的结构形式。不同的软件结构，对各任务的安排方式也不同，管理方式也不同。常见的CNC软件结构形式有前后台型软件结构和中断软件结构。前后台型软件结构适合于采用集中控制的单微处理器CNC装置。故本设计采用前后台型软件结构。经济型数控系统研究与设计第2章CNC系统总体方案的确定-5-2.2系统功能模块及其分析1．系统操作界面按照本系统的设计思想，系统的界面设计确定图2-3所示：.上下档