X52K型立式铣床的数控改造设计（控制部分）毕业设计

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1、摘要X52K型立式铣床的数控改造设计（控制部分） 摘要X52k是立式升降台式铣床，本文在其基础上进行数控化改造（控制部分），把其改造成经济型数控铣床。改造的主要模块：控制部分的数控化改造。其主要改造的部分：数控系统的选择、伺服系统的选择、硬件系统元件的选择以及接线和软件编程的设计,并最终对整体改造的结果进行评估。数控化改造后的铣床除拥有原铣床的加工功能外，还拥有伺服进给控制、键盘显示、控制面板管理、行程控制管理等功能。本文数控改造是采用步进电机为驱动执行元件的开环控制系统，以MCS-51型单片机为控制处理芯片，并可以实现对平面两坐标数控联动,使改造后的铣床能加工除了铣削键槽、平面及孔等简单的零

2、件外，还能加工形状复杂（如加工圆弧面、斜面及凸轮等）的零件。改造后的数控铣床具有定位精度和重复定位精度较高、用途广泛、价格低廉、维修方便等优点。最后再对系统的误差及精度进行分析，并提出改进的方法、建议。关键词：X52K;数控化改造；控制部分；MCS-51; 电路设计；软件编程IAbstractX52K type vertical milling machine reconstruction design of CNC（control section）AbstractX52k is vertical lift desktop milling machine , in this paper, on

3、 the basis of the numerical control transformation(control section). Its transformation into economical nc milling machine . The main module transformation;control part of the numerical control transformation. The main part of the reform; NC system selection,servo system selection , hardware system

4、components selection and wiring and software programming design, and finally the overall reconstruction results of the assessment. Numerical control after the transformation of the milling except possesses milling machine processing function outside , also owns servo control,KD Keyboard displaycontr

5、ol panel management,travel control management,and other. functions. This paper adopts CNC transformation is stepping motor driven actuators open-loop control system,with MCS - 51 type microcontroller as control processing chip,and can realize two coordinates of planar nc linkage.Make the milling mac

6、hine can process after reforming keyway except milling, planar and hole and simple parts outside.Still can processing complex shape of parts(Such as processing arc surface, cant and CAM etc). After the transformation of CNC milling machine has the location accuracy and repositioning precision,extens

7、ive use,low prices,easy maintenance etc . Finally the error and the accuracy of system is analyzed.And proposed the improvement methods and Suggestions.Keywords: X52K; Numerical control transformation; Control section;MCS-51; Circuit design; Software programmingII目录目录第一章 X52k铣床数控化改造概述- 1 -1.1数控化改造的发

8、展概况- 1 -1.2 X52K数控化改造概要- 2 -1.3 X52K数控改造的主要过程- 2 -1.4 X52K数控化改造后的优点- 2 -第二章 改造的整体方案与分析- 3 -2.1 总体方案设计- 3 -2.2 数控化改造前后对比- 4 -第三章 控制系统的数控化改造- 5 -3.1控制系统的设计- 5 -3.2控制系统的主要功能- 5 -3.3 数控系统的硬件设计- 6 -3.4 数控系统硬件连线详解- 13 -第四章 软件编程设计- 15 -4.1概述- 15 -4.2控制软件的组成和功能- 15 -4.3插补程序设计- 17 -4.4键盘扫描程序设计- 20 -4.5加减速控制程

9、序编程- 23 -第五章 误差来源及精度分析- 26 -5.1数控部分误差来源- 26 -5.2数控系统误差补偿分析- 26 -第六章 总结- 27 -参考文献- 28 -致谢- 29 -附录- 30 -附录1 插补程序- 30 -附录2 键盘扫描程序- 32 -附录3电机的加减速控制程序- 33 - 35 -华东交通大学毕业设计（论文）第一章 X52k铣床数控化改造概述1.1数控化改造的发展概况数控机床是一种典型的机电一体化产品,它集精密,柔性和集成于一身。它的优点是可以较好地解决形状复杂、精密、小批多变的零件加工问题，能够稳定加工质量和提高生产效率，是一种高度自动化机床。近10年来，我国对

10、数控机床的需求与日俱增 。一些大型企业凭借自身的经济实力，根据生产需要不断购进数控机床来加工高、精产品和替换陈旧设备。而中小型企业受各方面因素的制约，数控机床数量极少这一现状的形成主要是由于数控机床价格昂贵，一次性投资巨大，对中小型企业常常是很难办到。要解决好资金问题，应走普通机床数控改造之路。从美国、日本等工业化国家的经验看，机床的数控改造也必不可少，数控改造机床占有较大比例。任何一个机械行业的企业，都可考虑把普通机床改造成数控机床。有以下几点可供参考:（1）由于数控改造费用低，可充分利用原有设备和闲置设备，把它们改造成数控机床，使它们的原有功能和改造后新增加的功能得到充分利用，提高了机床的

11、使用价值。 （2）易于对现有机床实现自动化。而且针对性强。即可针对所加工的零件类型及机床来进行改造，改造后的机床没有多余功能。 （3）改造后的机床加工精度得到提高，工人的劳动强度降低。 （4）减少了辅助加工时间，可提高机床的生产效率。 （5）数控改造可在本企业技术人员参加下开发，所以他们可熟悉、掌握改造后的机床性能、操作等，为以后的生产、维修打下基础。 总之，机床数控改造可以很好地解决现有设备老化，工艺落后，生产效率低等与引进设备技术要求高、价格高等等问题，是提高我国机床数控化率的一条有效的途径。目前我国正在大力开展、推广这方面的工作和经验，并取得了明显的效果。数控机床改造特别是经济型数控机床

12、改造受到越来越多的企业的重视和欢迎。1.2 X52K数控化改造概要X52k是立式升降台是机床，在它的基础上进行改造，配上MCS-51数控化系统，可以实现平面两坐标数控联动，可以加工直线，曲线。并且机床的定位精度，重复定位精度较高，有较好的经济效益。本文提供了一种X52k铣床的经济型数控化改造方案，改造的主要为控制部分。改造后的系统是以步进电机为驱动执行元件的开环控制系统，以MCS-51型单片机为控制处理芯片，实现X、Y两坐标联动改造,使得改造后的机床能加工除了铣削键槽、平面及孔等简单的零件外，还能加工形状复杂（如加工圆弧面、斜面及凸轮等）的零件。改造后的数控机床具有高精、高效及加工产品范围广等

13、特点。最后再对系统的误差及精度进行分析，并提出了改进的方法、建议。1.3 X52K数控改造的主要过程（1）收集：收集资料，查与X52K相关的技术参数。（2）设计：对X52K数控改造的总体思路。（3）实施：对X52k系统进行数控化改造（硬件/软件）（4）编程：编制控制程序 （5）绘图:数控部分的电路原理图。（6）分析：分析在数控改造中可能会出现的问题，以及解决问题的参考方法。1.4 X52K数控化改造后的优点（1）可实现机构的进给伺服控制（2）具有键盘显示功能，可实现人机对话（3）对其行程可进行有效的控制（4）具有保护电路，实用安全可靠 第二章 改造的整体方案与分析2.1 总体方案设计总体设计方

14、案应考虑机床数控系统的运动方式、伺服系统的类型、计算机(CNC装置)以及传动方式的选择。 2.1.1数控系统的选择 X52K数控化改造后应具有定位、快速进给、直线插补、圆弧插补、暂停、循环加工和螺纹加工等功能，因此，数控化改造应选用的数控系统应为连续控制系统，故采用MCS-51系列单片机，选其中的8031芯片为核心处理芯片。 2.1.2伺服系统的选择 数控化改造后为经济型数控机床，在保证具有一定的加工精度的前提下，从改造的成本上来看，应简化结构，减低成本。因此，进给伺服系统可采用以步进电动机为驱动装置的开环系统或半闭环系统。（1）开环伺服控制系统开环的伺服系统如图2-1所示，是采用步进电动机的

15、伺服系统 ，对于数控装置发来的每一个进级脉冲，经驱动电路放大并驱动步进电动机转动一个步距，再经减速齿轮带动丝杆转动，并通过丝杆螺母副传动工作台移动。可以看出工作台的移动与进给脉冲的数量成正比。这种开环系统的精度依赖步进电动机的步距精度及齿轮、丝杆的传动精度。开环系统结构简单，调试容易，造价低廉，适合经济型数控化改造。工作台丝杆螺母减速齿轮数控装置放大步进电动机图2-1 开环伺服系统框图（2）半闭环伺服控制系统半闭环伺服系统控制如图2-2所示，采用装在丝杆上或电动机上的角位移测量原件，测量丝杆和电动机轴的转动量，间接的测量工作台移动量，它的优点是不论工作台位移量的大小，角位移测量元件制成360o

16、可循环使用，半闭环的意思就是用丝杆的转动量与数控装置的命令相对比，而另一部分丝杆螺母工作台的移动量不受其控制，故为半闭环。显然，从理论上讲半闭环的控制系统的精度低于闭环系统，但半闭环控制系统调试方便，稳定性好，角位移的测量元件简单，低廉，所以配备传动精度较高的齿轮、丝杆的半闭环控制系统也得到了广泛的应用。工作台丝杆螺母比较装置数控装置减速齿轮伺服电动机放大测量装置 反馈 测量装置 反馈图2-2 半闭环伺服控制系统框图（3）方案的取舍 相对于经济型数控机床的改造，这一档次的数控机床通常只需满足一般的精度要求即可，能加工形状简单的直线，斜线，圆弧及带螺纹类的零件，采用的微机系统为单片机系统，并且这

17、类机床机构一般都比较简单，精度中等，价格比较低廉，一般不具有通信功能。 相对于此，本方案采取开环伺服系统控制即可达到要求，并且节约资本，满足精度要求。2.2 数控化改造前后对比X52k立式铣床是铣削键槽、平面及铣孔的通用机床，它没有准确可靠的定位装置，铣孔与铣键槽的位置精度一般靠模板的精度和人工划线的精度来保证，故其加工精度低于数控铣床。并且普通铣床的柔性差，不能满足市场对形状复杂、精度高、小批量、多品种零件需求。而数控化改造后系统采用步进电机为驱动执行元件的开环系统，并且采用CNC数控系统控制X、Y工作台，即采用以MCS-51单片机为控制系统，实现两坐标联动改造,使得改造后的机床能加工除了铣

18、削键槽、平面及孔等简单的零件外，还能加工形状复杂（如加工圆弧面、斜面及凸轮等）的零件，且加工精度高、效率高，满足市场的需求，且价格较廉，增加了市场的竞争力。第三章 控制系统的数控化改造3.1控制系统的设计本文数控改造系统以单片机为控制核心，扩展部件为外围器件，是比较经济的系统。既满足了机床的数控加工能力，又经济可靠。该系统是由数控单元和步进伺服单元组成。数控部分采用MCS-51系列的8031单片机，它和扩展系统以及电机驱动电源一起组成连续控制的数控系统。控制核心按照所输入的加工程序数据，经计算处理，发出所需要的脉冲信号，经驱动电路放大功率后，驱动步进电机，由步进电机带动滚珠丝杠副，从而使纵、横

19、向工作台按零件加工所需的进给速度及方向移动，实现机床的开环自动控制。最终使系统灵活性大 ，通用性强，数控功能丰富，可靠性高，且易于实现机电一体化，使用维护方便。3.2控制系统的主要功能 （1）手动暂停，手动快速返回坐标原点。（2）六个方向点动传给，手动快速进给。（3）补偿功能，刀具补偿功能。（4）指令掉电保护功能。（5）程序暂停、延时、局部循环、自动循环功能。（6）指令编辑、修改、删除、清零功能。（7）操作诊断、错误操作显示功能。（8）行进行直线、斜线、圆弧的加工。3.3 数控系统的硬件设计3.3.1硬件系统的基本组成 控机床控制系统由硬件系统和软件系统两大部分组成。控制系统在使用中控制的对象

20、各不相同，但硬件的基本组成是一致的。控制系统的硬件机组成为控制微机，驱动系统，辅助系统，控制对象，检测，键盘显示等。本文数控系统的硬件组成如下所示。主要有主控制器CPU、存储器、键盘显示器、I/O接口和驱动电路等。如图3-1所示 RAMROM步进电动机功率放大器光隔离I / 0接口CPU外设键盘、显示器及其他图3-1 数控系统硬件框图（开环系统）3.3.2硬件系统的主要功能 （1）X向，Y向的进给伺服控制（2）键盘显示（3）面板管理（4）形成控制（5）其它功能，例如光电隔离电路，功率放大电路，红绿灯显示电路等。3.3.3主控制器（CPU）在微机应用系统中，CPU的选择应考虑以下几个因素：（1）

21、 时钟频率和字长，这个指标将控制数控处理速度（2） 可扩展存储器的容量（3） 指令系统功能，影响变成灵活性（4） I/O口的扩展能力，及对外设的控制能力（5） 开发手段，包括支持的软件和硬件开发 此外还要考虑到系统的应用场合、控制对象对各种参数的要求，以及经济价格等的要求。综合上诉要求，选择MCS-51系列单片机。其集成度高，是集片内存器、片内输入/输出部件和CPU于一体的优秀单片机系统，在我国以广范的应用于经济型数控机床的改造中。故本文CPU选用功能强、价格便宜的8031单片机子系列。8031单片机有以下优点：（1）具有功能很强的8位中央处理单元（CPU）（2）片内有时钟发生电路、每执行一条

22、指令时间为2us或1us（3）片内有128字节的RAM（4）具有21个特殊寄存器（5）可扩展64K的外部数据存储器和64K的外部程序存储器（6）具有4个I/O口，32根I/O线（7）具有2个16位定时/计数器（8）具有5个中断源，配备2个中断优先级（9）具有一个全双功串型接口（10）具有位寻址能力，使用逻辑计算3.3.4存储器扩展电路设计对于以8031为单片机为核心的控制系统必须扩展程序存储器，用以存放程序。同时，单片机内部的数据存储器的容量较小，不能满足实际要求，还要扩展数据存储器。这种扩展就是配置外部存储器。另外，在单片机内部虽然设置了若干并行I/O接口电路，用来与外围设备连接，但当外围设

23、备较多时，仅有几个内部I/O接口是不够的，因此，单片机还需扩展I/O接口芯片。(1)存储器芯片的扩展8031单片机程序存储器和数据存储器的空间是相互独立的，程序存储器的寻址空间为64KB，由于单片机的P0口是分时复用的地址/数据总线，因此，在进行扩展程序存储器时，必须用地址锁存器锁存地址信号。本文选用2764芯片，其引脚图如图3-4所示，对于锁存器选择74LS373。当用74LS373时，锁存端G可直接与单片机的锁存控制信号端ALE相连，在ALE下降沿进行地址锁存，详见图3-2，图3-3所示：图3-2 74LS373的结构示意图 图3-3 74LS373用作地址锁存器对于8031片内只有128

24、B的RAM，CPU对内部的RAM有丰富的操作指令，但在用于实时数据采集和处理时，仅靠片内提供的128B数据存储器是远远不够的，在这种情况下，可利用扩展功能扩展外部数据存储器。数据存储器只使用WR、RD控制线而不用PSEN。正因为如此，数据存储器与程序存储器地址可完全重叠，均可为0000HFFFFH,但数据存储器与I/O口及外围设备是统一编址的，即任何扩展的I/ O口以外围设备均占用数据存储器地址。在8031单片机应用系统中，静态RAM是最常用的，由于这种存储器的设计无需考虑刷新问题。故本文采用6264系列，其引脚图详见图3-5所示，又因为6264是8KB的容量的RAM故用了13根地址线。 图3

25、-4 2764引脚图 图3-5 6264引脚图外接+5V的备用电池，使存放的加工数据能长时间的保存。（2）存储器地址分配及接线 8031芯片所支持的存储系统，其程序存储器与数据存储器独立编址，因此，EPROM和RAM的地址分配比较自由，不必考虑是否冲突。由于复位后8031从0000H单元开始执行程序故8K EPROM的空间0000H-1FFFH，8K RAM的地址空间也设为0000H-1FFFH。8031的地址锁存允许信号ALE与地址锁存器74LS373的输入端G相连，从而将口输出的地址信息锁存在74L373中，2764需要13根地址线，低8 位与口相连，高5位分别与相连。数据总线直接与口连，

26、将2764的片选端接低电平，由于8031只能选通外部程序存储器，因而将8031的接地。RAM6264的数据线和地址线的连接方法与2764相同，其读写控制端与8031的对应端相连。由于6264的地址分配为0000H-1FFFH，故其片选端应与74LS138译码器Y1相连。3.3.5译码电路的设计8031单片机允许扩展64KB程序存储器和64KB数据存储器这样就需要扩展多个外围芯片，因为需要把外部地址空间分配给这些芯片，并且使程序存储器芯片之间、数据存储器芯片之间地址互相不重叠，以使单片机访问外部存储器芯片时，避免发生冲突。当8031数据总线分时的与各个外围芯片进行数据传送时，首先要进行片选，当片

27、内有多个地址单元时，还要进行片内地址的选则。对于本文采用全地址译码法，因为其扩展的外围芯片较多，它将低电位地址作为片内地址，而用译码器对高位地址进行译码，译码器输出的地址选择线用作片选线。本文采用3-8译码器（74LS138）,输入端占用3根最高地址线，剩余的13根低位地址线可作为片内地址线，其管脚图如图3-6，译码关系如表3-1所示： 表3-1 74LS138的译码关系 图3-6 74LS138管脚图 3.3.6扩展I/O接口8031单片机只有4个8位并行I/O接口，但可供用户使用的只用P1口和部分P3口，因此在大部分应用系统中都需要扩展I/O口芯片对于本文选择8155和8255芯片对相应接

28、口进行扩展,具体连线图详见附录3.3.7步进电机驱动电路用步进电机作为执行元件的数控系统，可采用较为简单的开环控制，因而成为经济型数控机床最为主要的一种驱动元件，步进电机的驱动电路一般由4部分组成：计算机接口、脉冲分配器、光电隔离电路和功率放大电路。脉冲分配器的作用是为步进电机提供符合控制指令要求的脉冲序列，其实现方法有硬件和软件2种。本设计采用硬件方法进行实现。步进电机驱动电路中，脉冲信号经过放大后送给步进电机励磁绕组，为防止强电干扰，在功放电路之前接上光电耦合电路进行隔离。步进电机所需电流较大，必须将光电耦合器输出的信号放大后才能驱动步进电机正常运转。步进电机的驱动电路由三部分构成：环形分

29、配器；光电耦合器；功率放大器其控制电路框图如图所示：步进电动机脉冲分配器光隔离电路功率放大器控制指令电源电路图3.4 步进电机控制框图（1）脉冲分配器 脉冲分配器的主要作用是把来自于加减速电路的一系列进给脉冲指令，转换成控制步进电机定子绕组通电、断电的电平信号，电平信号状态的改变次数及顺序与进给脉冲的数量及方向对应。有硬件脉冲分配器和软件脉冲分配器两种，本文采用硬件脉冲分配器。因为硬件脉冲分配器需要的I/O接口接线少，且执行速度较快。硬件环型分配器是有触发器和门电路构成的硬件逻辑电路。（2）光电耦合器在步进电动机驱动电路中，脉冲分配器输出的信号经放大后，控制步进电机的励磁绕组。由于步进电机需要

30、的驱动电压较高，电流与较大，如果将I/O口输出信号直接与功率放大器连接，将会引起强电干扰，轻则影响计算机程序的正常运行，重则导致计算机接口电路损坏，所以要在接口电路与功率放大器之间都要加上隔离电路。本文选用 GO102 型光电耦合器，其电路图如图3.5所示：图3.5 光电耦合电路图（3）功率放大器因为输出的脉冲功率很小，电流只有几毫安，故需要进行功率放大，使脉冲电流达到110 A，才足以驱动步进电机正常工作。本设计决定采用：高低压驱动电路。其电路图如图3.6所示： 图3.6 单电压供电功放电路3.3.8 8031时钟电路 单片机的时钟电路有两种方式产生;内部方式和外部方式。本文选用内部方式，并

31、利用芯片内部振荡电路，在XTAL1,XTAL2引脚上外接定时元件。3.3.9复位电路 单片机的复位电路是靠外部电路实现的，在时钟电路工作后，只要在RESET引脚上出现10ms以上的高电平，单片机即实现状态复位，以后单片机便从0000H单元开始执行程序。单片机通常采用上电自动复位和按钮复位两种，本文采用上电与按钮复位组合，详见附录3.3.10越界报警电路 为了防止工作台越界，可分别在极限位置安装极限开关。在坐标方向一旦某一方向越界，因立即停止工作台移动。采用中断方式，利用8031的外部中断INT0,只要有任一个行程开关闭合，即工作台在某一方想越界，均能产生中断信号。为了报警，设置红绿灯显示，正常

32、工作时绿灯亮，当越界报警时红灯亮。两灯均有一个I/O口输出。3.3.11掉电保护电路 半导体存储器最怕掉电，一掉电，里面的存储器信息就全部丢失。必须设计掉电保护电路，用以妥善保存一些重要的现场参数，如几何尺寸、工艺参数等。掉电保护电路图详见附录3.4 数控系统硬件连线详解本文采用8031系列单片机组成的控制系统，铣床纵向、横向和垂直方向均采用步进电机开环控制，三个坐标均采用硬件环形分配。3.4.1 CPU和存储器接线 CPU选择了8031芯片，由于8031片内无程序存储器，需要有外部存储器的支持，同时8031内部只有128B的数据存储器，也远不能满足要求。故扩展了16KB的程序存储器有两片27

33、64组成，又扩展了一片6264数据存储器。8031芯片的P0和P2用来传送外部数据和地址，P2口传送高8为地址，P0口传送高8位地址和数据，故采用74LS373锁存器，锁存低8位地址，ALE作为其选通信号，当ALE从高电平变低电平，出现下降沿时，低8位地址锁存到地址锁存器中，74LS373的输出不再随输入变化，这样P0口就可用来传送读写数据。具体连线图详见附录3.4.2 I/O接口电路 由于8031只有P1口和P3部分能提供用户作为I/O口使用，不能满足输入输出口的需要，因而系统必须扩展输入输出接口电路。系统扩展了一片8155和一片8255可编程I/O接口芯片。I/O接口芯片与外设的连接是这样

34、安排的：8155芯片PA0PA7作为显示器断选信号输出，PB0PB7是显示器的位选信号输出，PC0PC45根线是键盘扫描输入。8155芯片的IO/M引脚接8031芯片的P2.0，因为使用8155的I/O口故P2.0为高电平。 8255芯片PA0PA6接X向、Y向和Z向步进电机硬件环形分配器，位数出口，PB0PB7为三个方向的点动及回零输入，PC0PC5为面板上的选择开关是输入，设有编辑，单步运行，单段运行、自动、手动I、手动II等方式。 系统各芯片采用全地址译码，各存储器及I/O接口芯片的地址编码如表31所示：表31 铣床控制系统芯片地址分配芯片接74LS138引脚地址选择器片内地址单元（B）

35、地址编码2764（1）Y0000XXXXXXXXXXXXX8K0000H1FFFH2764（2）Y1001XXXXXXXXXXXXX8K2000H3FFFH6264Y1001XXXXXXXXXXXXX8K2000H3FFFH8155芯片RAMY410011110XXXXXXXX2569E00H9EFFHI/OY41001111111111XXX69FF8H9FFDH8255芯片Y2010111111111111XX45FFCH5FFFHX向、Y向步进电机硬件环形分配器采用YB015，32相同电五向十拍方式工作，过A0、A1引脚均接+5V，Z向步进电机硬件环形分配器采用YB014,是以23相同电

36、四向八拍方式工作。A0、A1接高电平。三个芯片的选通输出控制E0分别接8255的PA2、PA4、PA6，清零R接8255的PA1，正反转控制端分别接8255的PA2、PA4、PA6 ,时钟输入端CP接8155芯片的TIMEOUT,用以决定脉冲分配器输出脉冲的频率。为实现插补时不同的进给速度，可给8155芯片定时/计数器设置不同的时间参数。3.4.3其他辅助电路接线 此控制系统设有越界和急停处理电路，还有上电和按钮组合复位电路，光隔离电路和功率放大电路等，电路图连接详见附录、第四章 软件编程设计4.1概述 机床数控系统由硬件和软件两大部分组成，只有软件和硬件相组合才能充分发挥改造铣床的性能。 对

37、于微机数控系统，软件是由一系列功能的子程序组成的一整套程序。设计这些程序的目的是为了更有效地发挥计算机硬件的功能，是软件和硬件相结合，形成一个具有特定功能的计算机数控系统，从而使该系统能够完成零件加工程序的输入，编辑，译码，数据计算，插补和伺服控制等工作。详见系统框图如图4-1所示：电动机速控位控插补插补准备插入纸袋测量图 4-1系统框图4.2控制软件的组成和功能 控制软件的功能可用简单的模型来说明，如图4-2所示：数控软件 零件加工程序操作命令驱动执行元件 机床状态信号 的命令图4-2 控制软件的功能模型控制软件接受输入的数据，如零件加工程序，从键盘或操作面板输入的各种操作指令，以及反映机床

38、状态的输入信号，对这些输入数据进行处理，加工最终产生输出，使驱动元件动作或使机床工作状态发生变化。控制软件的主要功能是完成输入到输出的转换。图4-3是计算机数控系统控制软件的组成形式，控制软件主要有以下几部分组成数控总程序零件加工程序管理零件加工程序编辑机床手动调整零件加工程序的解释执行系统自检插补运算伺服控制图4-3 计算机数控系统控制软件的组成（1）系统总控程序 这是计算机数控系统的主循环程序，系统上电后便进入这部分程序的运行，其主要完成的任务为系统的初始化，命令处理循环。（2）零件加工程序的管理 零件加工程序的输入方法有两种方式，一种是通过光电阅读机输入，另一种是从键盘输入，其处理方法基

39、本相同。（3）零件加工程序编辑 编辑程序也可以看作键盘命令处理程序，既可以用来从键盘输入新的零件加工程序，以可以用来对已经存储的程序存储器中的零件加工程序进行编辑和修改。常用的功能包括输入，删除，查找，移动等。（4）机床的手动调整控制机床的手动调整控制主要包括：三个坐标轴的运动，主轴转动等。（5）零件加工程序的解释执行 零件加工程序的解释执行主要包括插补运算和伺服控制。（6）系统自检 该程序检测计算机的数控系统各个硬件功能的正确性，提示可能存在的故障的位置及性质，这样可以提高系统的稳定性。4.3插补程序设计 CNC数控系统需通过实时控制软件来进行插补运算与相应的位置控制。插补运算要求实时性很强

40、，即计算速度要同时满足机床坐标轴对进给速度和分辨率的要求。4.3.1轨迹插补的基本概念插补运算和位置控制是一般都在控制机床运动的中断服务程序中进行。插补程序在每个插补周期运行一次，在每个插补周期中，根据指令进给速度计算出一个微小的直线数据段。通常经过若干个插补周期加工完一个程序段，即从数据段的起点走到终点。计算机数控系统是一边插补，一边加工。而在本次处理周期内，插补程序的作用是计算下一个处理周期的位置增量。位置控制可以由软件也可以由硬件来实现。它的主要任务是在每个采样周期内，将插补计算的理论位置与实际反馈位置相比较，用其差值去控制进给电机，进而控制机床工作台（或刀具）的位移。这样机床就自动地按

41、照零件加工程序的要求进行切削加工。当一个程序段开始插补加工时，管理程序即着手准备下一个程序段的读入、译码、数据处理。即由它调动各个功能子程序，并保证在下一个程序段的数据准备，一旦本程序段加工完毕即开始下一个程序段的插补加工。整个零件加工就是在这种周而复始的过程中完成。4.3.2插补方法种类与特点（1）基准脉冲插补： 它又称为行程标量插补或脉冲增量插补。这种插补算法的特点是每次插补结束，数控装置向每个运动坐标输出基准脉冲序列，每个脉冲代表了最小位移，脉冲序列的频率代表了坐标运动速度，而脉冲的数量表示移动量。（2）数据采样插补：它又称为时间标量插补或数字增量插补。这类插补算法的特点是数控装置产生的

42、不是单个脉冲，而是标准二进制字。4.3.3插补程序原理本文插补程序采用基准脉冲插补方法中的逐点比较插补法进行编程。逐点比较插补法也称步步逼近法，即走一步看一看，边找边走，具体说来是每走一步都要和给定轨迹上的坐标值进行一次比较，视该点在给定轨迹的上方或下方，或在给定轨迹的里面或外面，从而决定下一步的进给方向，使之趋近加工轨迹。（1）第一象限的插补及偏差判别 假定加工如图4-4所示第一象限的直线OA。取直线起点为坐标原点，直线终点坐标（Xe，Ye）是已知的。M(Xm，Ym)为加工点（动点），若m在OA直线上，则根据相似三角形的关系可得： Xm/Ym=Xe/Ye取Fm=YmXe-XmYe作为直线插补

43、的判别式。 若 Fm0，表明m点在OA直线上； 若 Fm0，表明m点在OA直线上方的m处； 若 Fm0，表明m点在OA直线下方m处。 图4-4第一象限直线查补原理（2）其它象限的插补原理及偏差判别 根据第一象限的插补原理及偏差判别式，可求出其它三个象限的进给方向及偏差判别式如表4-1 为了把其它象限的插补作为第一象限的直线来处理，图4-1中所示的插补公式及前进方向总是根据终点坐标的绝对值来进行插补运算，求得偏差，并根据偏差的大小决定进给方向。所不同的是某些进给方向与第一象限的直线插补的进给方向相反。表4-1 四象限直线插补进给方向判定和偏差计算公式（3）终点判别 当刀具到达终点时，必须自动停止

44、进给。因此，在插补过程中，每走一步便于终点坐标对比一次，如果尚未达到终点，就继续进行插补运算，若以达到终点，则自动停止进给。4.3.4插补程序编程根据上述分析，可知直线插补程序的步骤如下：（1）偏差判别，即判别上一次进给后的偏差值；（2）根据偏差判别的结果决定进给方向，并在该方向上前进一步；（3）计算进给后的新偏差值，作为下一步进给判别的依据；（4）进行终点判别。若以到达的终点，则停止进给；若未到达终点，则重复上诉过程。下面以插补第一象限直线为例，介绍硬件插补的程序流程及程序设计。（1）接线图详见附录（2）8155定时器时间常数的计算采用硬环分配的直线插补程序，进给速度是由设置8155定时器的

45、时间常数来确定的，时间常数是可以按下公式计算出：计算脉冲时间间隔T脉冲时间间隔T=脉冲当量/进给速度 计算定时器时间常数TCTC=Tx10-3/tcx10-6 时间常数计算出之后，即可对定时器进行编程，将时间常数及定时器方式送入定时器口。计数器的启动和停止由命令寄存器的最高两位控制。（3）硬环分配插补参考程序详见附录4.4键盘扫描程序设计键盘实际上是由排列成矩阵形式的一系列按键开关组成的，它是单片机系统中最常用的人机联系的一种输入设备。用户通过键盘可以向CPU输入数据、地址和命令。4.4.1键盘结构形式选择键盘按其结构形式可分为编码式键盘和非编码式键盘两大类。编码式键盘是由其内部硬件逻辑电路自

46、动产生被按键的编码。这种键盘使用方便，但价格较贵，本文不采用此种结构形式。单片机系统中普遍使用非编码式键盘。这类键盘应主要解决以下几个问题：（1）键的识别;（2）如何消除键的抖动;（3）键的保护。在以上几个问题中，最主要的是键的识别。4.4.2.非编码式键盘的工作原理非编码式键盘识别闭合键通常有两种方法：一种称为行扫描法,另一种称为线反转法。本文采用行扫描法对闭合键进行识别。（1）行扫描法所谓行扫描法,就是通过行线发出低电平信号,如果该行线所连接的键没有按下的话,则列线所连接的输出端口得到的是全“1”信号;如果有键按下的话,则得到的是非全“1”信号。其原理如图4-5所示：具体过程如下：首先,为

47、了提高效率,一般先快速检查整个键盘中是否有键按下；然后,再确定按下的是哪一个键。其次,再用逐行扫描的方法来确定闭合键的具体位置。方法是：先扫描第0行,即输出1110(第0行为“0”,其余3行为“1”),然后读入列信号,判断是否为全“1”。 图4-5 非编码式键盘行扫描法的工作原理(a)无键按下；(b)有键按下；(c)扫描第0行；(d)扫描第1行；(e)扫描第2行；(f)扫描第3行4.4.2键的保护键的保护问题指的是当有双键或多键同时按下时会出现什么问题以及如何加以解决。以图4-5所示为例,若在同一行上有两个键同时按下,从硬件上来说,不会出现什么问题;从软件上来说,由于这时读入的列代码中出现了两

48、个0,由此代码与行值组合成的键特征值就超出了原设定键的范围,因此也就查不出有效的键值来。一旦出现这样情况,一般作为废键处理。4.4.3键盘接口电路单片机本身的口线已被占用,则通过外扩I/O接口芯片来构成键盘接口电路，较常用的是8155、8255A等接口芯片。图4-5是本文采用的8155接口芯片构成84键盘的接口电路，其中A口为输出,作为行线;C口为输入,作为列线(只用了PC0PC3四根口线)。具体接线图详见附录4.4.4键盘扫描程序编程（1）采用行扫描法采用行扫描法识别闭合键的程序流程图见图4-6所示 图 图4-6 键分析程序流程图首先调用全扫描子程序,检查有无闭合键。若无键闭合,则对数码显示

49、器扫描显示1遍;若有键闭合,则先消抖。这里采用调用两次数码显示器扫描循环显示子程序的方法,每次6ms共12ms。然后再次检查有无键闭合,若无键闭合,则返回主程序;若有键闭合,则进行逐行扫描,以判别闭合键的具体位置。（2）键值的计算本文采用的计算公式：键值行号4列号 对于84的键盘来说,其具体键值由上式可计算出，见表4-2表4-2 84键盘键值计算法计算出闭合键的键值后,再判断键释放否：若键未释放，则等待;若键已释放,则再延时消抖,然后判断是命令键还是数字键。若是命令键,则转入命令键处理程序,完成命令键的功能;若是数字键,则转入数字键处理程序,进行数字的存储和显示等。（3）键盘扫描程序详见附录4

50、.5加减速控制程序编程 在机械结构中，可以用丝杆把角度位移变换成直线位移，以可以用它带动螺旋电位器，调节电压和电流，从而实行对执行机构的控制。在数字控制系统中，由于它可以直接接受微机送来的数字控制信号，而不需要进行数/模转换，所以给控制应用系统的设计带来方便。 4.5.1 脉冲信号的形成 用软件产生脉冲信号的方法是先输出一个高电平，然后延时，再输出一个低电平，再延时。延时时间的长短，即分别保持高、低电平的时间长短，由步进电机的工作频率决定。根据单片机的结构特点，可以采用程序延时或者定时器延时。(1) 程序延时根据延时时间的长短，可以采用单循环延时和双重计数循环延时程序。(2) 利用定时器进行延

51、时 利用定时器T0的方式1进行定时，通过给定不同的计数初值，就可改变延时时间的长短，本文即采用此方法。4.5.2 时序脉冲信号的形成 以常用的三相步进电动机为例，通常有三种通电方式：（1）三相单三拍方式 ABCA(2) 三相双三拍方式 ABBCCAAB(3) 三相六拍方式 AABBBCCCAA按以上顺序通电，步进电机正传；若按相反方向通电，则步进电机反转。 产生时序脉冲的方法是：(1) 用单片机的P1.0、P1.1和P1.2分别控制步进电机的A相、B相和C相绕组；(2) 根据控制方式，找出控制模型；(3) 用控制模型的顺序向步进电动机输入控制脉冲。4.5.3变速程序的设计在一些场合中，步进电机

52、走过的距离比较长，这是要求步进电机能低速启动，高速运转，在降低速度，最后停止。可解决快速而不失步的矛盾，所以实现变速控制的基本思想就是改变控制信号的频率。假设一个步进电机的变速控制过程如图4-7所示。L1L3分别代表各个不同运行阶段的步长，f代表步进电机当前运行的频率。从图中可以看出，L2段为恒速运行，L1段为加速运行，L3段为减速运行过程。加（减）速控制过程可以预先确定其加（减）速的方法和加（减）速的快慢，即控制信号的频率升（降）梯度。并利用定时器延时时，在加速段，定时器的初值由小变大，延时时间由长变短；在减速段，时器的初值由大变小，延时时间由短变长；在恒速段，定时器的初始值始终保持不变。

53、f L2 L1 L3 步长 图4-7 变速控制示意图在编写程序之前先做如下一些规定：(1) 定时器的T0初值写在EPROM存储区的同一页中，上半页为加速时的T0的初始值，下半页是减速时的T0初始值。(2) 8031单片机内部数据存储区的使用情况如表4-3，表4-4所示：表 4-3 正转模型分配表内存字节地址20H21H22H23H24H25H26H控制模型数据01H03H02H06H04H05H00H表4-4 反转模型分配表内存字节地址27H28H29H2AH2BH2CH2DH控制模型数据01H05H04H06H02H03H00H根据如上规定，编写程序详见附录第五章 误差来源及精度分析5.1数

54、控部分误差来源数控系统误差是指编程误差：包括编程中轮廓逼近误差和编程时的脉冲圆整误差。数字控制系统的误差，主要是编程误差,由于数控机床加工精度不仅与加工过程有关,而且与编程、插补算法的精度有关，而编程误差是控制系统固有的5.2数控系统误差补偿分析数控系统误差主要包括两方面影响系统的加工精度：5.2.1编程逼近误差 因采用近似插补算法逼近零件轮廓形状而产生的误差。如加工非圆曲线，用直线廓形代替曲线廓形；加工倾斜直线时，通过刀具沿平面上两个坐标轴方向走折线（直线插补）而形成，造成锯齿状的插补误差。5.2.2编程圆整插补误差 由于步进电机是由脉冲当量决定直线位移量最小值，脉冲当量值决定了机床可能加工

55、的精度界限。而编程时要把零件图纸尺寸参数转换成控制脉冲个数，尺寸的最小单位是脉冲当量值。数学离散零件轮廓时只能圆整到一个脉冲当量值，而造成编程时的圆整误差，影响尺寸精度。5.2.3 误差补偿方法采用软件补偿法来补偿数控系统误差是可行的，预先根据系统误差的规律，通过在零件加工程序中增、减脉冲数来补偿圆整误差。第六章 总结对普通立式铣床X52K的数控化改造是为了扩大产品加工范围和提高加工精度、效率、质量，进而满足市场多变的要求：小批量、多品种、柔性化加工。改造后的X52K铣床不仅能够完成加工键槽、平面和孔等一般加工，还能加工复杂的零件，且精度高。本文采用了MCS-51单片机系统，以软硬件结合，降低

56、系统成本，提高加工精度。其主要设计为控制部分改造，使改造后的系统拥有的控制功能如下：（1）伺服进给控制（2）键盘显示（3）控制面板管理（4）行程控制并根据控制部分的要求编写了插补程序、键盘扫描程序、电机的加减速控制程序等。使X52K改造成X，Y两坐标能联动的经济型数控铣床，由程序控制实现柔性化加工。从总体方案设计开始，确定了改造的目标经济型数控铣床，全文进行了数控部分的改造设计，最后进行了系统的误差分析。本文对X52K的数控化改造中有如下优点：（1）数控系统采用MCS-51系列芯片，使数控化改造后的系统性能稳定可靠、通用性强、性价比高；（2）伺服系统采用开环控制，使成本降低，有很好的经济效益；

57、（3）使系统拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能；（4）在论文的最后进行系统的误差分析，并提出了相应的建议、方法。但是在这个设计过程中，还存在一些不足之处，如在对整个系统的改造中，由于缺乏相应的实践条件，对铣床控制部分的改造结构还欠合理。只有理论与实践相结合才能改造设计出较好的结构。参考文献1 陈汝全，林水生 实用微机与单片机控制技术M 成都：电子科技大学出版社，1993 . 50752 张毅坤，陈善久，裘雪红 单片微型计算机原理及应用M 西安：西安电子科技大学出版社，1997 . 1031573 范超毅，赵天婵，吴斌方 数控技术课程设计M 武汉：华中科技大学出版社，2006 . 1

58、031294 王爱玲，刘永姜 数控原理及数控系统M 北京：机械工业出版社，2006 561045 张白雯，Protel DXP 电路系统设计实训教程M 北京：学苑出版社，20089676 余英良，机床数控改造设计与实例M 北京：机械工业出版社，1996 . 45677 张德忠，X52K铣床数控化改造 J 机械设计与制造1995第01期48-498 王家忠，刘淑霞，马跃进 基于单片机的经济型数控系统的研制 J 河北农业大学学报，1999 83869 聂学俊，MCS-51单片机在普通机床数控系统改造中的应用 J 机床与液压，2000 767710 边春远，王志强 MCS51单片机应用开发实用子程序

59、M 北京：人民邮电出版社，2005 2530致谢行文至此，我的这篇论文已接近尾声；岁月如梭，我四年的大学时光也即将敲响结束的钟声。离别在即，站在人生的又一个转折点上，心中难免思绪万千，一种感恩之情油然而生在此感谢华东交通大学四年来对我的辛苦培育，让我在大学这四年来学到很东西，特别感谢机电工程学院为我提供了良好的学习环境、感谢领导、老师们四年来对我无微不至的关怀和指导，让我得以在这四年中学到很多有用的知识。在此，我还要感谢班里的同学和朋友，感谢你们在我遇到困难的时候给予我的帮助，给予我的支持和鼓励，感谢你们。特别感谢我的指导老师唐晓红，在毕业设计的编写过程中给予我悉心的指导，从毕业设计开始到结束

60、中过程遇到很多困难都是她给予我鼓励与指引，使我能够克服重重困难，将毕业设计顺利完成，在此谨向唐晓红老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意，谢谢您！还要谢谢我的父母，因为没有他们辛勤的付出也就没有我的今天，在这一刻，将最崇高的敬意献给你们！本文还参考了大量的文献资料，在此，向各学术界的前辈们致敬！附录附录1 插补程序硬环分配直线插补程序：LP:MOV SP,#60HMOVA,#1EHMOVDPTR,#A100HMOVXDPTR,AMOV5AH, #00HMOV59H, #00HMOVA, #1AHMOVDPTR,#A103HMOVXDPTR,AMOVA,5EHADDA,5CHMOV60H,AMOVA,5DHADDA, 5BHMOV5FH,ALP1:MO