数控机床课程设计说明书.docx

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1、目录1、前言22、 控制系统硬件的基本组成22.1系统扩展22.1.1 8031芯片引脚32.1.2 数据存储器的扩展62.1.3 数据存储器的扩展73、控制系统软件的组成及结构93.1 监控程序103.1.1 系统初始化103.1.2 命令处理循环103.1.3 零件加工程序（或作业程序）的输入和编辑103.1.4 指令分析执行 10 3.1.5 系统自检113.2 数控机床控制系统软件的结构113.2.1 子程序结构123.2.2 主程序加中断程序结构123.2.3 中断程序结构124 、心会得体135 、参考文献141 、前言数控车床又称数字控制（Numbercal control，简称

2、NC）机床。它是基于数字控制的，采用了数控技术，是一个装有程序控制系统的机床。它是由主机，CNC，驱动装置，数控机床的辅助装置，编程机及其他一些附属设备所组成。数控机床控制系统的作用是使数控机床机械系统在程序的控制下自动完成预定的工作，是数控机床的主要组成部分。2、控制系统硬件的基本组成数控机床控制系统由硬件系统和软件系统两大部分组成。控制系统在使用中的控制对象各不相同，但其硬件的基本组成是一致的。控制系统的硬件基本组成框图如图1所示。键盘显示控制微机驱动系统辅助控制控制对象（设备）检测图1 控制系统硬件基本组成框图在图1中，如果控制系统是开环控制系统，则没有反馈回路，不带检测装置。以单片机为

3、核心的控制系统大多采用MCS-51系列单片机中的8031芯片单片机，经过扩展存储器、接口和面板操作开关等，组成功能较完善、抗干扰性能较强的控制系统。2.1系统扩展以8031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容量较小，不能满足实际需要，还要扩展数据存储器。这种扩展就是配置外部存储器（包括程序存储器和数据存储器）。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，单片机还需要扩展I/O接口芯片。图2为8031的引脚图。图 2 8031管脚图2.1.1 8031芯片引脚（

4、1）主电源引脚Vss和Vcc Vss接地； Vcc正常操作时为+5伏电源；（2）外接晶振引脚XTAL1和XTAL2 XTAL1内部振荡电路反相放大器的输入端，是外接晶体的一个引脚。当采用外部振荡器时，此引脚接地。 XTAL2内部振荡电路反相放大器的输出端。是外接晶体的另一端。当采用外部振荡器时，此引脚接外部振荡源。（3）控制或与其它电源复用引脚RST/VPD，ALE ， 和 Vpp RST/VPD 当振荡器运行时，在此引脚上出现两个机器周期的高电平（由低到高跳变），将使单片机复位，在Vcc掉电期间，此引脚可接上备用电源，由VPD向内部提供备用电源，以保持内部RAM中的数据。 ALE 正常操作时

5、为ALE功能（允许地址锁存）提供把地址的低字节锁存到外部锁存器，ALE 引脚以不变的频率（振荡器频率的 ）周期性地发出正脉冲信号。因此，它可用作对外输出的时钟，或用于定时目的。但要注意，每当访问外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲，ALE 端可以驱动（吸收或输出电流）八个LSTTL电路。 对于EPROM型单片机，在EPROM编程期间，此引脚接收编程脉冲（ 功能）； 外部程序存储器读选通信号输出端，在从外部程序存储取指令（或数据）期间， 在每个机器周期内两次有效。 同样可以驱动八LSTTL输入。 Vpp 、 Vpp为内部程序存储器和外部程序存储器选择端。当 Vpp为高电平时，访问内部程序存储器

6、，当 Vpp 为低电平时，则访问外部程序存储器。2.1.2 程序存储器的扩展 MCS-51系列单片机的程序存储器空间和数据存储器空间是相互重叠的，存储器寻址空间为64KB（0000H0FFFFH），其中8051、8071片内有ROM、EPROM，8031片内不带ROM。当片内ROM不够或采用8031芯片时，用做程序存储器的器件是EPROM和EEPROM（电擦除可编程存储器）。MCS-51单片机扩展外部程序存储器的硬件电路如图3所示。 P0MCS-51ALEP2PSEN指令 EPROM/EEPROM地址端OE锁存器低8位地址高8位地址图3 MCS-51 单片机程序存储器的扩展原理图由于MCS-5

7、1单片机的P0口是分时复用的地址/数据总线，因此，在进行程序存储器扩展时，必须用地址锁存器锁存地址信号。通常地址锁存器可使用带三态缓冲输出的8位锁存器74LS373或8282，也可以用带清除端的8位锁存器74LS273。当用74LS373作为地址锁存器时，锁存端G可直接与单片机的所存控制信号端ALE相连，在ALE下降沿进行地址锁存。根据应用系统对程序存储器容量的不同要求，常用的扩展芯片包括EPROM2716（2KB*8）、2732A(4KB*8)、2764A(8KB*8)、27128A(16KB*8)、27256（32KB*8）和27512（64KB*8）等。以上6种EPROM均为单一+5V电

8、源供电，维持电流为3540mA，工作电流为75100mA，读出时间最大为250ms，均有双列直插式封装形式。A0A15是地址线，不同的芯片可扩展的存储器容量的大小不同，因而提供高8位地址的P端口线的数量各不相同，故2716为A0A10,27512为A0A15；D0D7是数据线；CE是片选线，低电平有效；OE是数据输出选通线；Vpp是编程电源；Vcc是工作电源；PGM是编程脉冲输出端。根据图2所示程序存储器扩展的原理，以EPROM2764A和锁存器74LS373为例对8031单片机进行程序存储器扩展，其连接图如图4所示。图4 8031扩展EPROM2764A的连接图因为2764A是8KB容量的E

9、PROM，故用到了13根地址线（A0A12）。由于系统中只扩展一片程序存储器EPROM，故可将片选端CE直接接地。同时，8031运行所需的程序指令来自2764A，要把其EA端接地；否则，8031将不会运行。 2764芯片引脚的介绍如下：P0P7：数据线，输出。编程时代码输入； A0A7：地址线，输入；：片选信号，低电平有效，输入；：读信号，低电平有效，输入；：编程脉冲输入端，输入；Vpp：编程电压(典型值为12.5V)；Vcc：电源(+5V)；GND：接地(0V)；图5 2764引脚图EEPROM的主要特点是能在计算机系统中进行在线修改，并在断电的情况下保持修改结果。因此，自从EEPROM问世

10、以来，在智能化仪器仪表、控制装置、开发系统中得到了广泛的应用。常用的EEPROM有2817A(2KB)、2864A（8KB）,其与单片机的连接和程序编程请参考相关资料。2.1.3 数据存储器的扩展 8031单片机内部有128B的RAM存储器。CPU对内部的RAM具有丰富的操作指令。但在用于实时数据采集和处理时，仅靠片内提供的128B的数据存储器是远远不够的，在这种情况下，可利用MCS-51的扩展功能扩展外部数据存储器。图6所示为单片机扩展外部RAM的电路原理图。高8位地址P1 P0MCS-51ALERDWR P2数据端 RAM地址端WE OE 锁存器低8位地址I/O 图6 单片机扩展外部RAM

11、的电路原理图数据存储器只使用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，均为0000HFFFFH，但数据存储器与I/O口及外围设备是统一编制的，即任何扩展的I/O口及外围设备均占用数据存储器地址。图6中，P0口为RAM的复用地址/数据线，P2口用于对RAM进行页面寻址（根据其容量不同，所占用的P2端口不同），在对外部RAM读/写期间，CPU产生RD/WR信号。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，因而它与微处理器的接口很简单。最常用的静态RAM芯片有6116（2KB*8）和6264（8KB*8）。图7所示为

12、6264与8031的硬件连接图。从图中可知：6264的片选CS1接8031的P2.7,第二片选CS2接高电平，保持一直有效状态。因6264是8KB容量的RAM，故用到了13根地址线。对于图7所示的线路，6264的地址范围为6000H7FFFH，共8KB。图7 8031扩展6264的连接图数据存储器62641)6264为24脚双列直插式器件，其引脚图和逻辑符号图如图8所示。A0A12：地址输入线。D0D7：双向三态数据线。：片选信号输入线，低电平有效。CE2：片选信号输入线，高电平有效，可用于掉电保护。：读选通信号输入线，低电平有效。：写允许信号输入线，低电平有效。：工作电源电压(+5V)。GN

13、D：电源地。A12 Vcc CE2A0 D0 GNDD7 图8 6264引脚图和逻辑符号图2)6264芯片操作方式选择如表1所示。表1方式功能001写D0D7上内容写入A0A10对应单元010读A0A10对应单元内容输出到D0D70XX非选D0D7呈高阻3控制系统软件的组成及结构控制系统软件是为完成数控机床的各项功能而编制的。由于各种数控机床所完成的功能和控制方法不同，其软件在结构和规模上也不尽相同。以单片机为核心的数控微机控制系统软件，一般包括监控程序、插补计算程序、伺服控制程序、误差补偿程序等。3.1 监控程序监控程序的作用是进行人机对话和检测系统运行状态，可以说所有的数控机床都有这个程序

14、，只是复杂程度不同而已。监控程序一般应具有系统初始化、命令处理循环、零件加工程序（或作业程序）的输入和编辑、指令分析执行、以及系统自检等功能。3.1.1 系统初始化系统上电或复位后，系统软件进行初始化处理，包括设置CPU的状态、可编程I/O芯片的工作状态、中断方式，系统变量赋初值，设置输出端口的初始值等。此外，还有系统软、硬件的自检。3.1.2 命令处理循环系统初始化后系统即进入命令处理程序，对于一般以单片机构成的系统，通常采用循环处理程序作为系统的主程序。在循环处理程序中，程序不断地扫描键盘及进行操作面板的操作，对此操作得来的数据进行分析后即根据相应的操作命令转入相应的程序模块。3.1.3

15、零件加工程序（或作业程序）的输入和编辑零件加工程序可从键盘输入，也可通过串行口通信输入。输入程序的功能就是读入源程序，并经数据处理（如将BCD码转换成二进制码等操作），按规定的格式将其存入规定的数据区内。而编辑零件程序可看做一个键盘命令处理程序，和键盘输入可合为一体，即用于从键盘输入新的零件加工源程序，又可在编辑状态下，对已输入的零件加工程序中的命令、数据进行编辑和修改。3.1.4 指令分析执行微机控制系统对输入的指令进行分析，并根据分析的结果执行相应的操作。如数控系统中的G功能、M功能、S功能、T功能和坐标的识别等。其中，G01为直线插补，G02为顺时针圆弧插补，G03为逆时针圆弧插补功能等

16、；M辅助功能主要涉及主轴启/停、切削液的开/关、工件夹紧/松开、加工启/停等；F功能规定进给速率，S功能规定主轴转速，T功能指定加工所用刀具等。3.1.5 系统自检诊断程序用于检测系统硬、软件功能的正确性，找出系统故障的位置，并指出故障类型。控制系统不同，其诊断功能差别很大，但其诊断的原理基本相同，即通过软件对系统的每一个环节或预置状态进行检测。如出现非正常情况，通过显示、指示信号灯或蜂鸣声给出故障信息。3.2 数控机床控制系统软件的结构一般数控机床控制系统中常用的软件结构有子程序结构、主程序加中断程序结构以及中断程序结构。3.2.1 子程序结构这种结构一般用于较简单的数控机床控制软件，如经济

17、型的数控系统，其程序框图如图7所示。这种结构严格按照顺序执行，运行时检查条件，如条件满足则转入相应的子程序。主程序条件2条件1条件3子程序1子程序2子程序3 图9 控制软件程序框图3.2.2 主程序加中断程序结构这种结构的主程序是一循环程序，在运行过程中，实时中断程序不断插入，共同完成数控机床的控制。其中，主程序也称为后台程序（背景程序），是系统的主控程序，由它完成系统的初始化等操作。中断程序也称为前台程序，由它实现系统对实时有要求的功能，如对系统的伺服输出、实时监测等。3.2.3 中断程序结构在此类程序结构中，主程序仅完成系统的初始化，初始化后系统即自动转入中断程序。系统的各种功能子程序均为

18、不同优先级别的中断程序。整个系统软件就是一个大的中断系统，各级中断的管理通过中断服务程序间相互通信来完成。4 心得体会起初拿到这个题目我一筹莫展，根本不知从哪儿下手，后来看了指导老师给的课程设计指导书，才一点一点的往下做。这为期一周的课程设计，让我把这四年来学的很多东西都用上了，比如微机原理及接口技术，电工电子技术，还有很多实验课上老师讲过的知识。回顾起此课程设计，从理论到实践，在这段日子里，可以说是苦多于甜，但是可以学到很多很多的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为自己所用，进而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，但可喜的是最终都得到了解决。5 参考文献1 王爱玲主编.机床数控技术.高等教育出版社. 北京.2006.92 冯博琴、吴宁主编. 微型计算机原理与接口技术（第二版）.清华大学出版社. 2007.8