X52K型立式铣床的数控改造设计（控制部分） 毕业设计Word格式文档下载.doc
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Numericalcontroltransformation;
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Circuitdesign;
Softwareprogramming
II
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第一章X52k铣床数控化改造概述 -1-
1.1数控化改造的发展概况 -1-
1.2X52K数控化改造概要 -2-
1.3X52K数控改造的主要过程 -2-
1.4X52K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-
-33-
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改造受到越来越多的企业的重视和欢迎。
1.2X52K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。
1.3X52K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。
1.4X52K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。
比较
伺服电动机
测量
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
RAM
ROM
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）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3-274LS373的结构示意图图3-374LS373用作地址锁存器
对于8031片内只有128B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0000H—FFFFH,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3-42764引脚图图3-56264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8KEPROM的空间0000H-1FFFH，8KRAM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，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3-174LS138的译码关系
图3-674LS138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：
环形分配器；
光电耦合器；
功率放大器
其控制电路框图如图所示：
脉冲
分配器
电路
控制
指令
电源
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1～10A，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
3.3.88031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
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