毕业设计（论文）基于单片机的数控实验教学绘图仪设计

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1、基于单片机的数控实验教学绘图仪论 文 摘 要以单片机为基础，从最简单的数控到最先进的计算机数控，对数控作一系统地演示，完成简易数控绘图功能。本系统单机运行实现基本的数控思想;系统与思想。让学生对数控技术和数控知识有一系统的认识，彻底理解、掌握数控思想。系统单机运行及与PC机联机运行。按照从PC机上接收到的信息完成任务。该系统配备了两套与PC机的通信接口，即并口和串口通信。以实验条件和方便为宜选择其一。在单机运行的情况下以十进制BCD拔盘作为输入设备，既符合人们的认知习惯又简捷直观。并配有七段数码管显示器，以便在执行的过程中显示运行状况。以软件实现插补，送出进给脉冲驱动步进电机运行，并经机械转换

2、装置转换为X, Y两轴构成的平面绘图系统。并探讨了一种均匀脉冲插补方法。关键字:数控 单片机 步进电机 通信 插补 显示Abstract Displaying the NC by the numbers based on SCM from the simplest NC tothe advantest CNC to realize the NC plotting function. The radical NC thought realized by this system itself running: CNC thought realized by its running liked wi

3、th PC. Let students have a systemic congnition to NC technician knowledge completely understand and mast the NC thought.The system runs singly also acts as the information getting from PC while linked with PC. This system was equipped two sets of communication interface with PC, the serial and paral

4、lel interface, select one of them according to the experiment condition and convenience. The system runs by itself, its inputting device is decimal BCD (Binary-Coded Decimal notation) code turn plate because the device not only according with people s cognitive habit but concise and intuitionist. Th

5、e system equipped with displayseven fragments LED( Low Emitting Diode)，displaying the working state while system running. The feeding pulse，send out from the software interpolation to drive step electric motor，and transformed through the machine transform device to make up of two coordinates (X and

6、Y) plane .plotting system. In addition，probing into a kind of the even pulse interpolation method.Key Words: number control(NC)，single chip microprocessor(SCM)，stepelectric motor，communication, interpolation，display目 录1 综述51. 1计算机数控系统的基本概念51. 1. 1概述51.2数控系统的组成91.2.1计算机数控系统的组成91.3计算机数控系统的硬件111.3.1 NC

7、装置的硬件构成111.3.2增强并行口EPP (Enhanced Parallel Port)122.步进电机142.1经济型数控机床特点142. 2经济型数控系统的种类152. 3步进电机的工作原理及特性162. 4步进电机的分类162. 5步进电机的主要技术指标与特性172.6步进电机的控制方法182.7 步进电机的控制系统192.8经济型数控技术中微机运用及其接口技术212.8.1. ATMEL.89C51单片计算机212.8.2微机数控中的接口技术223 绘图仪系统设计253. l 绘图仪数控系统控制流程图253. 3数据输入273. 3. 1输入工具273. 3. 2 BCD码拔盘接

8、口283. 4输入方法设计293. 4. 1工作系统分析293. 4. 2特征字设计303. 4. 3输入法示例说明313. 4. 4程序中数据处理323. 5系统演示333. 5. 1数据输入333. 5. 2直线插补343. 6显示部分设计393. 6. 1发光二极管393. 6. 2七段数码管LED403. 6. 3 LED静态显示方式413. 6. 4 LED动态显示方式413.6.5 LED显示器与8155接口424.串行通信设计434. 1异步通信和同步通信434.1.1异步通信434.1.2同步通信444.2波特率(Baud rate)444. 3通信过程及通信协议454. 3.

9、1串并转换与设备同步454. 3. 2串行通信协议454. 4 RS-232标准接口总线及串行通信硬件设计454.4.1 RS-232标准接口总线464.4.2. RS-232的信号特征464. 4. 3电气特征与电平转换464. 4. 4波特率设置475 脉冲均匀化插补方法485. 1 传统插补方法及其各轴脉冲波形485. 2 脉冲均匀化的插补方法50结 论52致 谢53参 考 文 献541 综述1. 1计算机数控系统的基本概念1. 1. 1概述(1)计算机数控的基本概念数字控制(Numerical Control)是近代发展起来的一种自动控制技术，是用数字化信息去控制运动及生产过程的一种方

10、法，简称数控(NC)。数控机床就是采用了数控技术的机床，或者说装备了数控系统的机床。国际信息处理联盟(IFIP)第五次技术委员会对数控机床作了如下定义：数据机床是一个装有程序控制系统 (数据系统)的机床。该系统能逻辑地处理具有使用号码或其它符号编码指令规定的程序。随着计算机技术的发展，人们将微机应用于机床控制系统，出现了计算机数字控制(Computer Numerical Control)机床，简称CNC机床。CNC机床是集计算机技术、自动化控制、精密测量和机械学等方面的最新成就而发展起来的典型的机电一体化产品。是计算机控制在机械中的具体应用，是机械自动化控制的飞跃。CNC机床与普通机床的主要

11、区别在于，CNC机床采用专用或通用的计算机控制，系统软件常驻内存，系统加工程序可以输入到内存中。只要改变计算机的控制软件就可以实现一种新的控制方式。即是将零件加工过程的中的各种操作，以及刀具与工件之间的相对位移，由预先编制的程序输入到数控装置，数控装置发出各种控制指令控制机床，由机床自动加工出所需要的工件。(2)数控技术的发展: 在市场竞争激烈的情况下，高质量，高效益和多品种小批量柔性生产方式已是现代企业生产与发展的必要条件。传统的加工设备和制造方法已难以适应市场竞争的要求。因此，自1952年第一台数控机床问世到如今的40多年中，以电子信息技术为基础，集传统的机械制造技术，计算机技术，成组技术

12、与现代控制技术，传感检测技术,信息处理技术,网络通信技术，液压气动技术，光机电技术于一体的数控技术得到迅速发展和广泛应用，使得普通机械逐渐被高效率，高精度的数控机械所代替，从而形成了巨大的生产力，导致制造业发生了根本性的变化。特别是相继出现的加工中心(MC, Machining Center)，直接数字控(DNC, Direct Numerical Control)系统，柔性制造系统(FMS, Flexible Manufacturing System)，计算机集成制造系统(CIMS, Computer integrated Manufacturing System)，智能制造系统(IMS,

13、Intelligent Manufacturing System)等，进一步说明，数控技术已成为现代制造技术的基础，其水平高低和拥有量多少是衡量一个国家工业现代化的重要标志。 数控技术的发展经历了两个大的阶段。第一数控阶段(1952-1970年)由于早期计算机运算速度低，对于科学记数和数据处理的影响还不大，但不能适应车床实时控制的需要，人们不得不采用数字逻辑电路来搭一台数控专用计算机为形成数控系统，被称为硬件数控(HARD WARE NC)简称数控。随着元器件由晶体管发展到了小规模集成电路。计算机数控发展到了它的第二阶段(1970-现在)也就是计算机数控阶段。1970年以小型计算机批量生产为标

14、志，进入了计算机数控阶段。因为小型计算机的运算速度比以前有较大幅度的提高。使用小型计算机比专用计算机成本低、可靠性高，于是将它成为数控系统的核心部件.随着计算机技术的发展计算机数控也可以分为三个阶段:即1970年第四代-小型计算机;1974年第五代-微处理器;1990年第六代-基于PC。纵观现代数控技术的发展，经历了直接数字控制(DNC)到如今的计算机数字控制(CNC)其主要朝着开放式、智能化、高速度、高精度的方向发展。 开放式:基于PC所具有的开放式、低成本、高可靠性、软硬件资源丰富等特点，更多的数控厂家会走这条路。至少采用PC机作为前端机，来处理人机界面、编程、网络通讯等问题，而由原有的系

15、统承担数控任务。起初CNC在国外如 SIEMENS和FANUC，它们的产品大多都是基于专用的计算机而不是基于通用的PC或IPC。为了增加其产品的竞争能力，主要是增加其产品与其它厂家产品的兼容性，他们也逐渐向基于通用PC或IPC的方向靠拢。目前日本、美国和欧盟等针对开放式的CNC,在进行前后台标准的研究。因为有了开放式的基础，可供利用的软硬件资源极为丰富。使得数控功能相应的得到扩充。凡是在PC机上可以运行的软件如:CAD, CAM,CAPP、工厂级、车间级 生产调度管理软件等，在第六代数控系统中都可以运行。凡在PC机上可以插入的硬件模块如:网卡、软盘驱动器等和可以连上的外部设备如:打印机、扫描仪

16、等，在第六代数控系统中也都可以接入或接上。同时还使得维修和维护非常容易，所有的备件在市场上都轻易可以买到而且价格也比较便宜。开放式的体系结构使得CNC系统的升级换代比较容易。向高速化和高精度的方向发展。要求数控系统高速处理并计算出伺服电机的位移量，并要求伺服电机能够高速地做出反应。为使在极短的时间内达到高速度并能够在高速行程下保持高定位精度，必须具备高加、减速度高精度的位置检测系统和伺服品质。并行计算机的出现为数控系统向着高速化的方向发展提供了硬件支持。在并行计算机上可以通过对数控程序的预先处理，从而使得系统能够提前了解数控程序的未来走向，而能够提前调整当前的加工速度等参数，从而能够使得系统在

17、整个加工过程达到一个最优状态。为了提高机床的加工速度，必须提高测量元件和测量系统的精度，不同的机床对测量元件测量系统的精度不同，一般情况下，要求测量元件的分辨率在0.0001-0.0lmm之间，运动速度为24m/min。由于位置测量系统的特殊工作环境，数控机床对测量系统有如下要求:A:受温度、湿度影响小，工作可靠、能长期保持测量精度，抗干扰能力强;B:在机床部件移动范围内、能满足测量精度和速度的要求; C:便于维护和使用;D:成本低。向智能的方向发展。随着人工智能在计算机领域的不断渗透和发展，数控系统的智能化程度将不断提高。A:应用自适应控制技术。数控系统能够检测过程中一些重要的信息并自动调整

18、系统的有关参数，达到改进系统运行状态的目的。B:引入专家系统指导加工。将熟练工人和专家的经验，加工的一般和特殊规律存入系统，以工艺参数数据为职称，建立具有人工智能的专家系统。当前已经开发出模糊逻辑控制和带自学习功能的人工神经网络电火花加工数控系统。C:引入故障诊断专家系统。现代通讯技术特别是网络技术的发展为数控系统远程诊断提供了强大的技术支持。D:智能化数控伺服驱动装置。可以通过自动识别负载，而自动调整参数，使驱动系统获得最佳的运行状态。 E:编程自动化，现代的CNC系统中大多采用自动编程而非手工。所谓手工编程，意味着编程中的工艺处理、数学处理、程序单编写、纸带穿孔和程序校验都由人工完成。而在

19、现代的CNC系统中，自动编程在很大程度上将人工完成的工作交给计算机及其外部设备来完成。这是提高编程效率和质量的重要手段，甚至是编制某些程序的唯一的手段。目前，在编程的各项工作中除工艺处理仍由人工来完成外，其余的工作包括数学处理、编写程序单、纸带穿孔、程序校验等各项工作均已通过自动编程达到了较高的计算机处理程度。相信随着自动编程语言、数控工艺技术的成熟，计算机在工艺处理阶段必将越来越多的发挥作用。成功的工艺经验将大量的纳入自动编程系统，供用户选择甚至代替用户抉择，自动编程系统将越来越体现专家色彩。目前，由于计算机技术在各个领域的渗透和广泛应用。机械制造工业正经历着第三次历史性的技术改造。这次改造

20、的特征是“工厂自动化”。本世纪七十年代中期，各先进工业国家开始广泛使用数控机床和可以自动换刀的加工中心。揭开了第三次技术改造的序幕，这次技术改造包括三个阶段。A:数控机床与加工中心的广泛应用，目前已经基本结束。B:柔性制造单元(FMC)和柔性制造系统(FMS)的应用。C:计算机集成制造系统(CIMS)的应用。不难发现无论在第三次技术改造的这个阶段，数控机床都发挥着举足轻重的作用，特别是在它的后两个时期，要求机床有较高的自动化程度以满足“长时间无人看管”的需要，而具有以上各个特点CNC系统恰恰满足了数控技术改造的需要，同时CNC也是数控技术改造的产物。可以预料随着第三次数控技术改造的不断深入和计

21、算机技术、电子信息技术、网络技术等的发展所提供的强大支持，数控系统的自动化程度也将不断的提高，而使机械制造业的面貌发生更为深刻的变化。(3)数控机床的优点: 数控机床在机械制造业中得到日益广泛的应用，是因为它有效的解决了复杂、精密、小批多变的零件加工问题，能适应各种机械产品迅速更新换代的要求，经济效益显著，具体表现在以下几个方面:生产效益一般比普通机床提高3-5倍，多的可达8-10倍。减少刀具和夹具的存储和花费，减少零件的库存和搬运次数。减少工装，减少人为误差，提高加工精度，零件重复精度高，互换性好。缩短新产品的试制和生产周期(当零件设计改变时，只需改变零件程序)，易于组织多品种生产，使企业能

22、对市场需要迅速做出响应。能加工传统方法不能加工的大型复杂零件。有利于产品质量的控制，生产便于管理。减轻了劳动强度，改善了劳动条件，节省人力，降低了劳动花费。(4)国外在开放性体系结构方面的研究进展美国的NGC和OAMC计划下一代工作站机床控制器NGC, The Next Generation Work-station/Machine Controller)计划来源于1987年美国总统里根签署的一项命令旨在推动美国制造业形成一个广泛的伙伴关系，以利于同国外竞争。该项目由美国国防制造科学中心(NCMS)与空军共同领导。由Martin Marietta公司为主承包公司，于1989年开始实施。 NGC

23、是一个实时加工控制器和工作站控制器，要求适用于各种机床的CNC控制和周边装置的过程控制，包括切削加工、非切削加工、测量装配、复合加工等。NGC于1994年完成了原型研究，并已转入工业开发应用。例如美国的Ford, GM和Chrysler等公司在NGC计划的指导下，联合提出了OMAC(Open Modular Architecture Controller)开发计划，定义了系统基石基础框架，信息库管理、任务调度、人机接口、运行控制、传感器接口等，构成完整体系结构。该计划的实现将使系统制造厂、机床厂和最终用户分别从缩短开发周期、降低开发费用、便于系统集成和二次开发、监护系统使用和维护等方面受益。又

24、如DELTA, TAU公司利用NGC和OMAC协议，采用PC机和PMAC控制卡构成的PMAC开放式CNC系统，获得了良好的应用效果。PMAC卡与PC卡之间有双端口、总线、串口等信息交换方法,PMAC卡还提供丰富的人机接口、电机控制口，能进行交、直流电机的闭环控制。欧共体的OSACA计划自动化系统中开放式体系结构OSACA(Open System Architecture for Control within Automation System)是1990年由德国、法国、西班牙、意大利、瑞士等欧共体国家系统制造厂、机床制造厂和科研单位联合发起的。该计划是针对欧盟的机床正从量大的通用机床向量小的专

25、用机床发展，而CNC通用系统的大部分功能对专用机床冗余、却不具备专用机床的特殊功能之一现实提出的。其目标是开发出开放性的CNC系统，允许机床厂对机床修改、补充、扩展、裁减以适应不同用户的需要。 OSACA计划提出由一系列逻辑上相互独立的控制模块组成开放式数控系统，这一模块之间以及它们与数控平台之间有良好的接口协议。OSACA一期工程已于1995年结束，并进入实用阶段，目前OSACA计划的第二期已经启动。 日本的OSEC计划 OSEC (Open System Environment for Controller)计划是日本国际机器人和工厂自动化研究中心建立的开放式数控委员会的倡导下，由3个机床

26、厂、1个系统厂和2个信息公司发起的。其目的是开发基于PC平台的、具有高性能价格比的开放式体系结构的新一代数控机床(5)发展前景:由于机床能和计算机相连，使加工机床具有了真正的柔性，只有操作人员编出相应的程序，计算机发出指令，机床便可加工出不同类型的零件，完成以前需要几台机床完成的工作。而且整个加工过程可通过软件在计算机上显示出来，可大大提高加工的正确性和精确度，所以CNC机床具有广泛的应用前景，随着计算机技术的日新月异，CNC机床将显示出无可比拟的优越性，成为机械加工的主流。(6)选题的意义: 针对当今计算机数控技术的发展，为了进一步缩小我国在数控方面与当今先进水平的差距，改善数控教学的现有实

27、验环境，填补我院在CNC系统的空白，结合我系的实际情况提出了对我系的现有数控实验系统进行改造的想法，以最简洁的方式解释数控概念，以最直观的操作、演示实现数控思想。并通过单片机与微机的通信，实现计算机数控。让学生理解并掌握数控方法，为进一步学习数控知识和数控系统开发打下坚实的基础。(7)研究方法 本系统是一个由单片机组成的步进电机控制系统，能分别控制两个步进电机，实现平面绘图功能。开机检查功能;十进制键盘输入，十进制数码管显示;升降速及快速定位;限位保护;十种速度等级设定;本系统采用模块设计方法，扩展性和移植性好，操作很方便。可构成一个简易数控系统，适用于各类定长(步)及X,Y的定点(位)控制等

28、的控制。如数控钻，车床进给，X,Y机器人，定长器等。不需编写电脑程序，只须几个简单的输入步骤即可完成各种动作。控制器性能:1、可输入大约80段直线信息或50段圆弧信息;2:步数(65536步)，正/反转:3、速度达10级控制。4、绘制直线和圆弧:5限位保护。 硬件部分:系统单机运行以及与PC机通信。按照从PC机上接收到的信息完成任务。该系统配备了两套与PC机的通信接口，即并口和串口通信。以实验条件和方便为宜选择其一。在单机运行的情况下以十进制BCD拔盘作为输入设备，既符合人们的认知习惯又简捷直观。并配有七段数码管显示，以便在执行的过程中显示运行情况。利用计算机的打印机端口进行并行通信。这种方法

29、与传统的利用串行口和利用计算机扩展槽的方法有较大的优点:电路简单、数据传输速度高等优点，但传输距离短。软件部分:以软件实现插补，送出进给脉冲驱动步进电机运行，并经机械转换装置转换为X, Y两轴的平面直线、圆弧运动，绘出所要求的图形。探讨了一种脉冲均匀插补方法。另外还有系统检查部分，以检查电机是否正常。1.2数控系统的组成1.2.1计算机数控系统的组成(如图1-1)CNC机床一般由输入/输出设备，CNC装置(或称CNC单元)，伺服电机，驱动装置(或称执行机构)，可编程控制器PLC及电器装置，辅助装置，机床本体及测量装置组成。输入/输出设备:CNC机床在进行加工前，必须接收由操作人员输入的加工程序

30、，然后才能根据输入的加工程序进才加工控制，从而加工出所需的零件。CNC系统中必须具备必要的交互设备，即输入/输出设备，除键盘，磁盘，磁带和穿孔带外，还可以用串行通信的方式输入。CNC装置:CNC装置是CNC系统的核心，这一部分主要包括微处理器CPU、存储器、局部总线，外围逻辑电路以及与CNC系统其他组成部分联系的接口等。其本质是根据输入的数据段插补出连续的运动轨迹，然后输出到执行部件(伺服单元，驱动装置和机床)，加工出需要的零件。因此，输入、轨迹插补和位置控制是CNC装置的3个基本部分(即一般计算机的输入-决策-输出3个方面)。而所有这些工作是CNC装置内的系统程序(亦称控制程序)进行合理的组

31、织，使整个系统有条不紊的进行工作。伺服单元:伺服单元接收来自CNC装置的进给指令，经变换和放大后通过驱动装置转变成机床工作台的位移和速度。因此伺服单元是CNC和机床本体的联系环节，它把来自CNC装置的微弱指令信号放大成控制驱动装置的大功率信号。根据接收指令的不同伺服单元有脉冲式和模拟式之分，而模拟式伺服单元按电源种类又可分为直流伺服单元和交流伺服单元。驱动装置: 驱动装置把放大的指令信号变为机械运动，通过简单的机械连接部件驱动机床工作台，使工作台精确定位或规定轨迹作严格的相对运动，最后加工出符号图纸要求的零件。 和伺服单元相对应，伺服装置有步进电机，直流伺服电机和交流伺服电机等几种。伺服单元和

32、驱动装置可合称为伺服驱动系统，它是机床工作的动力装置，CNC装置的指令要靠伺服驱动系统付诸实施，所以，伺服驱动系统是数控机床的主要组成部分。从某种意义上说，如数控机床功能的强弱主要取决于CNC装置，而数控机床性能的好坏主要取决于伺服驱动系统。可编程控制器(PLC ):可编程控制器是一种以微处理器为基础的通用型自动控制装置，专为在工业环境下应用而设计的。它采用可编程的存储器，在其内部存储执行逻辑运算和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器都应易于构成一个工业系统，易于扩展其功能的原则设计。CNC和PLC谐调配合共同完成数控机床的控制，其中CNC主要完成与数字运算和管理等有关的功能，如零

33、件程序的编辑。插补运算，译码，位置伺服控制等，PLC主要完成与逻辑运算有关的一些动作，没有轨迹上的具体要求，它接受CNC的控制代码:M(辅助功能)，S(主轴转速)，T(选刀，换刀)等顺序动作信息，它还接受机床操作面板的拾令，一方面直接控制机床的动作，另一方面将一部分指令送往CNC用于加工过程的控制。机床本体:CNC机床中除了由于切削用量大，连续加工发热多等影响加工精度外，并且由于是自动控制，在加工中不像普通机床上那样能由人工进行补偿，所以其设计要求比普通机床更严格，制造要求更精密。测量装置:测量装置也称反馈元件，通常安装在机床的工作台或丝杠上，相当于普通机床的刻度盘和人的眼睛，它把机床工作台的

34、实际位移转变成电信号反馈给CNC装置，供CNC装置与指令值比较产生误差信号以控制机床向消除该误差的方向移动。1.3计算机数控系统的硬件1.3.1 NC装置的硬件构成CNC系统由程序输入与输出设备、通信设备、CNC装置、PLC、伺服驱动装置、测量装置、辅助装置等组成。其中CNC装置是数控系统的核心部分、它由硬件和软件两部分构成，软件在硬件的支持下工作，离开了硬件，软件便无法工作，因而硬件的构成在很大程度上决定了CNC系统的性能。反之，硬件构成数控对象所需的CNC功能决定，因而在设计CNC硬件时必须从CNC功能出发。下面结合本系统的功能要求给出其硬件结构，如图1-2所示:(1)计算机部分计算机是C

35、NC装置的核心，主要包括微处理器和总线、存储器、外围逻辑电路等。这部分硬件主要是对数据进行算数和逻辑运算、存储系统程序、零件程序和运算的中间变量以及管理定时和中断信号等。CPU主要完成信息处理，包括控制和运算两部分。控制任务根据系统要实现的功能而进行协调、组织和指挥工作，既获取信息，处理信息和发出命令。包括对零件加工程序输入输出的控制，对机床加工现场状态信息的记忆控制，保证CNC系统内部工作的协调。(2)通信电路在整个CNC系统中计算机与单片机的关系是上、下位机的关系。主要的数据处理包括数控代码的编译、插补处理、刀位计算,计算等功能都是由计算机完成的。单片机完成的主要功能是控制步进电机的运动和

36、各种开关量的控制。当计算机完成数据处理后，必须将处理后的数据传送给单片机。而单片机也要及时将当前的加工信息回传给计算机以便计算机更好协调整个系统的运行。使整个系统工作在一个最优状态。这样就必须为数据在两者之间的传送提供一个信息通道。CNC系统中的通信电路就是为完成这一功能而设计的，充当了数据传输的桥梁。 为了更好的利用PC机所具有的硬件资源，在这里我提出了基于EPP接口的数据并行传输模式。在现在的大多数PC机中提供了EPP并行接口，这种接口支持数据的双向传输。因为CPP接口只支持数据的单方向传输-计算机到外围设备。所以计算机发出数据可以直接通过打印机接口发出，但单片机回传的数据则不能直接从数据

37、线输入数据，而采用EPP并行接口则不存在这个问题。(3)机床控制系统这里所指的机床控制系统是指机床的刀具控制系统。包括CNC系统的插补电路、脉冲的功率放大电路等。(4)伺服系统主要是步进电机或伺服电机，在经济型数控系统中大多采用步进电机。主要功能是带动刀具或工作台运动。1.3.2增强并行口EPP (Enhanced Parallel Port)(1)并行口的发展和EPP的优势目前大多数PC机都提供了打印机适配器。打印机适配器是由中、小规模的IC芯片用硬线连接而成，为我们提供了一个了解用非可编程元件构成接口电路的典型实例。另外PC/XT,AT机所配置的打印适配器还可以作为其他并行的控制端口使用。

38、打印机适配器的作用是将PC机总线与打印机CENTRONICS标准总线的不同信号进行转换，建立对应的适配关系。因此它一侧与PC系列I/0总线连接，另一侧与打印机CENTRONICS标准的36或25针插座相连。由数据锁存器(74LS274)、命令锁存器(74LS174)、和状态信号缓冲器(74LS240)，分别构成适配器的数据口、命令口和状态口。总线收发器(74LS245)负责对数据、命令、状态口的输入、输出。可见这个接口电路的输出有锁存能力、输入有缓冲能力。译码器对74LS155对系统的地址线读写控制信号译码，产生选通信号，以实现对CPU对各锁存器和缓冲器的访问，进行读写操作。 利用微机的标准串

39、、并口进行数据采集、控制和通信等是微机应用者所关心的问题。过去通常采用传统的标准并行口或RS-232来完成数据采集、控制和通信，其速度和灵活性受到了很大的限制。这是因为RS-232通信速率较低而且RS-232采用负逻辑约定，给使用带来很大不便;而用标准并行口进行数据采集时，由于数据线是单向的，因而不得不用状态线来完成数据的输入(状态线可用端口只有5位)，最后还得进行字节或字的拼接，这样既增加了程序的复杂性又使得它不可能取得较高的数据传输率。在第一台PC机上，并行口已经是标准设备，它几乎成了“打印口”的代名词，因为并行口最初只是为打印输出而设计的，数据流向是单方向的，从PC机到打印机，只有少数的

40、并行口控制信号能双向传输，这种并行口(即现在的标准并行口SPP)的传输速率为50150Kbps/S。IBM公司在推出第一台PC机后重新考虑了原设计，引进了PS/2设计，开始支持双向操作，这种双向操作不改变信号的定义，也不改变引脚功能或其它方面，PS/2并行口与标准并行口兼容。 微机标准并行口SPP的局限性限制了并行口在高速通信、控制和数据采集等方面的进一步应用。为此，Intel、Xircom和Zenith等公司发起制定了EPP（Enhanced Parallel Port)增强并行口协议及以后的IEEE1284标准，极大改善了PC机并行口的数据传输能力，使得利用并行口的数据传输率接近标准PC内

41、部ISA总线的传输率。此外，还有功能更强的ECP (Extended Capability Port)协议，它除具有EPP的特点外，还具有DMA等功能。 EPP有两个标准:EPP1.7和EPPl.9，这两个标准在设备操作上有些差别，即如果执行EPPI.7标准，不论WAIT信号的状态如何，DATASTB和ADDRSTB均可被确认并开始一个周期;而EPP1.9只有当WAIT为低电平时才可开始一个周期。EPP的典型传输速率为500K2MBPS/S。应用时，仅需在PC机的BIOS setup中将并行口设置成EPP方式即可。本系统的控制和数据采集选用了增强并行口EPP方式。(2) EPP并行口: 最初的

42、计算机并行口只是为打印机设计的，数据只是单向传输。IBM公司引进了PS/2设计后，并行口才开始支持双向的数据传输，但是PS/2接口并没有成为一个业界广泛认可的双向并口模式。1992年，由Intel、 Xircom和Zenith公司共同制定了EPP1.7标准。以后IEEE又发展了IEEE1284的EPP标准。实际上EPP的标准共有三个，即EPP1.7、 EPP1.9和EPP1284，这些标准并不完全兼容，特别是EPPl.7和EPP1248之间，不过这对用户的使用并没有多大的影响。文献【1】即是IEEE1284标准，其中详细规定了并口各种模式的时序图，包括SPP、 PS/2、 ECP和EPP模式。

43、作者根据IEEE1284标准设计而计算机提供的EPP版本是EPPl.7或EPP1.9，实际的使用中它们并没有不匹配的地方。(3)用EPP接口扩展ISA接口的总体设计:当前大多数计算机主板上都提供了2-3个ISA插槽，可以扩充一些ISA插件。大多数基于ISA标准的微机数据采集控制系统都只用到了ISA接口的数据线、地址线、AEN, ALE, #IOR, #IOW等信号。只要了解这些信号的时序关系我们完全可以设计自己的ISA接口。ECP和EPP都能进行高速双向数据通信，但是ECP的实现要比EPP复杂的多，其性能和EPP相比差不多。在大多数应用系统中采用的是用专门的单片机或PLC来扩展ISA接口。而在

44、本系统中不采用这两种方法，而是采用Intel公司的专用并行接口8255来实现。连线如下所示:用EPP接口来扩展ISA总线的核心在这里就是用可编程并行接口和EPP接口所提供的信号相互配合来产生和单片机的操作时序想匹配的时序。就是在本系统中我们采用了专门的单片机的CPU来处理和计算机的数据通信。将单片机MPU8051的PA口经过缓冲器和可编程并行接口8255的A端口相连。通过中断的方式实现数据的输入。其中中断信号的产生是由可编程并行接口8255的C端口与A端口之间的逻辑关系实现的，8255的时序关系如下图所示，通过查询方式来实现数据的输出。因为单片机是一种单任务的串行控制器件。所以它可以达到较高的

45、数据传输速度。(4)计算机与单片机的通信 因为在整个CNC系统中计算机与单片机的关系是上、下为机的关系。主要的数据处理包括数控代码的编译、插补处理、刀位计算、速度计算等功能都是由计算机完成的。单片机完成的主要功能是控制步进电机的运动和各种开关量的控制。当计算机完成数据处理后，必须将处理后的数据传送给单片机。单片机也要及时将当前的加工信息回传给计算机以便计算机更好协调整个系统的运行。使整个系统工作在一个最优状态。这样就必须为数据在两者之间的传输提供一个信息通道。CNC系统中的通信电路就是为完成这一功能而设计的。充当了数据传输的桥梁。 从EPP接口的数据写时序和8255的输入时序可以看到EPP所发

46、出的数据选通信号的脉冲宽度为1500us而8255所要求的数据写入的选通信号的脉冲宽度为最小500us。从而可以将EPP发出的数据选通信号与8255的A端口的数据输入选通信号直接相连因为8255的A端口的特性具有数据输入锁存器和数据输出的锁存器/缓冲器并且它们的电平都与TTL电平兼容。所以可以将EPP的数据线和8255的A端口直接相连对于计算机输入数据也采取同样的办法。2.步进电机2.1经济型数控机床特点：价格低廉和功能简单，具体如下：(1)无带控制:经济型数控多采用键盘或磁带输入程序，一般不用穿孔纸带，因而称为无带数控。(2)价格低廉:经济型数控系统的价格是全功能数控的1/31/10。具体来

47、说，两坐标经济型数控系统的价格上涨(包括伺服系统和电机)，根据不同功能和种类，大致为12万元左右。(3)编程简单：一般采用面向操作人员的规格化软件编制加工程序，易学易懂，便于掌握。目前已使用符合数控标准的程序格式，用ISO代码编程，直接灵活便于检查。(4)功能简化：保留基本功能。针对性强，能满足一般加工精度的要求。如车床、钻床和铣床，可精加工及半加工直线、圆弧及螺纹类零件，可控坐标13个。(5)数控装置体积小:鉴于经济型数据的特点，它特别适合于形状简单的中小批量、多品种零件轮番生产。可以提高工效25倍，同时可降低工人劳动强度，且被加工零件尺寸一致良好，合格率也高。使用经济型数控机床投资少，见效

48、快，基本上可作到当年投资当年可收回成本。2. 2经济型数控系统的种类按拖动方式来分，现有的经济型数控系统有如下三类:(1)步进电机拖动的开环系统这类系统比较简单，价格上涨最便宜，可以用于小型车床、洗床和线切割机床，如图2-1是常见的两坐标经济型数控系统的组成框图。系统软件固化在单片机的存储器中加工程序可通过键盘或磁带机输入，经系统软件进行编辑处理后输出一个系列脉冲，再经光电隔离，功率放大后去驱动两台步进电机，分别控制机床两个方向的运动，完成位置、轨迹和速度的控制。根据需要，微机可通过继电器电路，实现对诸如主轴起停、变速、各种辅助电机起停、刀架转位、工件夹紧松开等动作的自动控制，使整个加工过程自

49、动进行。单片机控制步进电机拖动的开环系统具有价廉，技术成熟等优点，因而使用较多。但这种系统存在拖动力矩小，过载能力差、速度偏低，精度不够高及其价格随力矩增加成指数上升等缺点。为此，选用时要注意在适当的范围内的发挥其优势。一般主要适用于拖动力矩小于15NM的小型机床，如C616,C168,C620,C6140等普通车床。对于转矩要求大、功能要求多的机床(如铣床、镗床、钻床及镗铣床)和高精度机床(如坐标铣床)就难于使用，需要开发与其适应的其它经济型数控系统。(2)电磁离合器切换的控制系统 这类系统可用直流电机或交流异步电机拖动，电磁离合器切换，以光栅盘、旋转变压器或感应同步检测反馈。该系统的拖动功

50、率主要取决于电磁离合器额定转矩，一般在050NM左右。可用于中小型机床车削阶梯轴、铣削阶梯形零件、钻削坐标孔等加工。(3)直流伺服电机拖动的控制系统 这类系统有良好的调速性能，并有大转矩、高效率和高精度等特点。额定力矩为21NM的直流伺服电机及其控制系统的价格与相同力矩的步进电机驱动系统的价格相当。前者有优越的价格性能比，系统的性能范围较广，无噪音、精度高、过载能力强，是经济型数控中的高档产品。2. 3步进电机的工作原理及特性步进电机如同普通电机，有转子、定子和定子绕组分若干相，每相的磁极上有极齿，转子在轴上也有若干个齿。当某相定子绕组通以直流电激磁以后，便能吸引转子，使转子上的齿与定子的极齿

51、对齐，因此，它是按电磁铁的作用原理进行工作的，在外加电脉冲信号的作用下一步一步的运转，是一种将电脉冲信号转换成相应角位移的机电原件。 步进电机的定子可以作成三相或四、五、六相甚至于八相。相绕组可以按单拍或双拍方式通电。当步进电机的定子绕组为m，转子齿数为Z，通电方式系数为k时，每输入一个脉冲电信号，转子转过的角度称为步矩角，用a0表示则有 a0=3600 /mZk单拍通电时k=1,双拍通电时k=2。步进电机工作的基本特点可以归纳如下:A:步进电机受脉冲电流的控制，其转子的角位移量和角速度严格地与输入脉冲的数量和脉冲频率成正比，在时间上与输入脉冲同步，因此只要控制输入脉冲的数量、频率及电机绕组通

52、电顺序，便可获得所需要的转角，转速及转动方向。B:维持控制绕组的电流不变，电机便停在某一位置不动，即步进电机有自整角能力，不需要机械制动。C:有一定的步距精度，没有累积误差。D:步进电机的缺点是效率低，拖动负载的能力不大，脉冲当量(步距角)不能太小，调速范围不大，最高输入脉冲频率一般不超过1800Hz.无脉冲输入时，在绕组电源的激励下，气隙磁场使转子保持原有位置处于定位状态。步进电机具有独特的优点，作为伺服电动机应用于控制系统时，往往可以使系统简化、工作可靠，而且获得较高的控制精度。因而成为经济型数控系统一种主要的伺服元件。在工业上尤其是用作状态伺服元件、状态指示元件、位置控制和速度控制元件。

53、2. 4步进电机的分类(1)步进电机按工作原理不同可分为:激磁式 电机定子转子均有绕组，靠电磁力矩使转子转动。反应式 转子无绕组，定子绕组励激后产生反应力矩，使转子转动。反应式步进电机有力矩/惯性比高、频率响应决、结构简单和寿命长等优点。这是我国主要发展的类型，已于70年代末形成完整的系列，有较好的技术性能指标。混合式 (即永磁感应子式)它与反应式的主要区别是转子上置有磁钢。反应式电机 转子无磁钢，输入能量全靠定子励磁电流供给，静态电流比永磁式大许多。永磁感应式具有驱动电流小、效率高、步距角小，起动和运行效率高、不通电有定位转矩、过载能力强等优点，是一种很有发展前途的步进电机，近年来已得到日益

54、广泛的应用。(2)按输出转矩大小:快速步进电机:输出扭矩一般为0.074 NM，控制小型精密机床的工作台(如线切割机床)。功率步进电机:输出扭矩一般为540NM。可直接驱动机床移动部件。(3)按励磁相数可分为三相、四相、五相、六相等。相数越多步距角越小，但结构越复杂。(4)按定子排列方式可分为:多段(轴向式) 定子各相按轴向依次排列。单段(径向式) 定子各相在圆周依次排列。2. 5步进电机的主要技术指标与特性(1)步距角 a0=3600 /m Z k(参数意义同上)步距角的大小体现了系统能够达到的分辨能力。常用的反应式步进电机的步距角在363度，还与步进电机的启动频率和工作频率有关，步距角小，

55、工作频率高时，转速不一定高。(2)静态步距角误差是指步进电机空载时，每步实际转过的角度与理论步距角之差。以角度单位或理论步距角的百分数表示。(3)精度通常指的是最大步距误差和最大累积误差，步距误差是空载运行一步的实际转角的稳定值和理论值之间的最大值。累积误差是指，从任意位置开始，经过任意步后实际的角位移与理论角位移之差。从使用角度看，对多数的情况来说，用累积误差来衡量精度比较方便。由于步进电机转过一圈后，转子的运动有重复性，误差不累积，所以精度的定义可以认为是在一圈范围内，任一步之间转子角位移误差的最大值。(4)最大静转矩Mmax 所谓静态是指步进电机的通电状态不变，转子保持不动的定位状态。

56、静转矩即是步进电机处于定位状态下的电磁转矩，它是绕组内电流和失调角的函数。失调角就是在定位状态下，如果在转子轴上加一负载使转子转过一个角度并能稳定下来，这时转子上受到的电滋转矩与负载转矩相等，该电磁转矩即静转矩，角度称为失调角。对应于某失调角时，静转矩最大，称为最大静转矩Mmax一般来说，Mmax大的电机，负载转矩也大。(5)最大起动转矩Mst只有在外加的转矩小于Mst时能启动。该性能表示步进电机启动时的负载能力0电机相数越多，步距角越小，相邻两相的静态转矩曲线的交点越高，Mst也越大。(6)启动频率fq空载时，转子由静止状态不失步地起动的极限频率称为起动频率或突跳频率，用fq表示。fq的大小

57、与驱动电路和负载大小有关，负载包含负载转矩和负载转动惯量两个方面的含义。随着负载惯量的增加，起动频率会下降。若除了惯性负载外，还有转矩负载，则起动频率将进一步下降。(7)连续运行频率fc和矩频特性 图2-2矩频特性曲线图 运行频率连续上升时，电机不失步运行的最高频率称为连续运行频率fc，它的值也与负载有关。很显然在同样负载下，运行频率f c远大于起动频率fq在连续运行状态下，步进电机的电磁力矩将随频率的升高而急剧下降，这两者之间的关系称为矩频特性，是步进电机十分重要的特性指标。增加步进电机通电方式的节拍，适当加大功率开关电路的集电极电阻及提高电源电压是改善矩频特性的有效途径。(8)额定电压 指

58、加在步进电机各相绕组回路的直流电压.GB11381 反应式步进电机规定步进电机的额定电压应为单电压驱动:6, 12, 27, 48, 60, 80V;双电压驱动:60/12, 80/12。(9)额定电流在额定电压作用下，电机静止不动，按规定的运行方式通电时，各通电相的稳定电流值。(10)转动惯量 指在空载时使电机产生单位角加速度所需要的转距。转动惯量影响到步进电机的动态响应。2.6步进电机的控制方法数控机床中采用的功率步进电机有三相、四相、五相等。工作方式有单m拍，双m拍、三m拍及2*m拍等m是电机的相数。所谓单拍是指每拍只有一相通电，循环拍数为m;双拍是指每拍同时有两相通电，循环拍数m为;三

59、m拍是每拍有三相通电，循环拍数m拍，2*m拍是各拍既有单相通电，如表21所示。也有两相或三相通电，通常为12相通电或23相通电，循环拍数为2*m 一般电机的相数越多，工作方式越多。若按表中相反的顺序通电，则电机反转。通电循环拍数和每拍通电相数对步进电机的矩频特性、稳定性等有很大的影响，如图23所示。步进电机相数也对电机的运行性能有很大影响力。为提高工作效率步进电机输出转矩、工作频率和稳定性，可选用多相步进电机，并采用2*m拍工作方式。但双m拍和2*m拍工作方式功耗比单m拍的大。2.7 步进电机的控制系统由于步进电机采用脉冲方式工作，且各相需按一定规律分配脉冲，因此，在步进电机控制系统中需要脉冲

60、分配逻辑和脉冲产生逻辑。脉冲的多少由控制对象运行轨迹计算而得，因此还需要插补运算器。数控机床所用的功率步进电机要求控制驱动系统必须有足够的驱动功率，所以还要求有功率驱动部分。为了保证步进电机不失步地起停，要求控制系统具有升降速控制环节。除了上述各环节之外，还有和键盘、纸带阅读机、显示器等输入、输出设备的接口电路及其它附属环节。在闭环控制系统中，还有检测元件的接口电路。在早期的数控系统工程中，上述各环节都要由硬件完成。但目前的机床数控系统，由于采用了小型和微型计算机控制，上述许多环节如升降速控制、脉冲分配、脉冲产生、插补运算等都可以由计算机完成，使步进电机控制系统的硬件电路大为简化。下图2-4所

61、示为微型计算机控制步进电机的控制系统框图。系统中的键盘用于向计算机输入和编辑控制代码程序，输入的代码由计算机解释。显示器用来显示控制对象的运动坐标值、故障报警、工作状态及编程代码等各种信息。存储器用于存放监控、解释、插补运算、故障诊断、脉冲分配、键盘扫描、显示驱动等程序及用户控制代码程序等。功率放大器用以以计算机送来的脉冲进行功率放大，以驱动步进电机带动负载运行。CNC系统由于硬件电路大大简化，使其可靠性大大提高，而且使用灵活方便。但由于种种原因，很多功能由软件来完成，所以对计算机字长和运算速度有一定的要求。目前，由于微型计算机运算速度的提高(如MCS-51系列单片机主频可达12MHz，执行一

62、条单字节指令只需1us)，因此在机床简易数控中，采用8位于单片机已能满足于要求。但在多坐标(如4个坐标、5坐标等)控制系统及连续轮廓控制系统中8位于MPU的速度仍不够，这时可采用如下方法：(1)工业选用高速16位(如Intel 8080/8088,MCS-51系列单片机)和32位微处理机。(2)适当配置一些脉冲分配器和细插补运算器等硬件电路，以减轻工业MPU的负担。(3)采用多微处理器结构。各种任务可分别由不同的微处理器来完成。2.8经济型数控技术中微机运用及其接口技术世界上第一台微处理器是在1971年由美国INTEL公司生产的4位微处理器INTEL4004，自那以后，微处理器无论在品种上还是

63、在数量上都要有了相当迅速的发展.从4位、8位、16位、32位，直到现在的64位，经过几代的发展，其应用领域也不断扩大，性能价格比大幅度提高。除了用于科学计算外，微处理器(简称MPU)在自动控制、仪器仪表、CAD/CAM、办公自动化、家用电器等领域都得到了普遍的应用。在机床数控系统工程中，微处理器的使用越来越多。目前，我国经济型CNC多数是以8位或16位MPU或者以8位或16位单片机为主构成的系统。进给驱动采用步进电机，控制轴数为2轴。经济型CNC是根据国内需要自行开发的，主要用于功能简单的车床、冲床等的控制，并大量用于旧机床的改造。在中、低性能CNC系统中，我国自行设计生产比较多的是面向总线的多处理器结构性，主CPU一般是16位的8086, 80186或80286，控制轴数可多达6轴，适用机床覆盖范围从各种中、小型机床到大中型机床，进给驱动采用宽调速永磁或交流伺服电机。近几年，我国