基于運動控制器的數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床camcnc系統(tǒng)設(shè)計論文-學(xué)位論文

濟南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計PAGE7-1前言1.1數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床概況現(xiàn)代板材加工中使用的數(shù)控沖床屬于壓力加工機床，主要用于板材的加工，例如沖孔、拉伸及裁剪。不論多么復(fù)雜的平面鈑金工件都可以在數(shù)控沖床上面完成其所有孔和外形輪廓的沖裁等加工?；跀?shù)控沖床的無法比擬的優(yōu)點，所以在實際中應(yīng)用相當(dāng)廣泛。近年來，我國在數(shù)控沖床領(lǐng)域發(fā)展較快，數(shù)控沖床的保有量也在不斷提升，數(shù)控沖床的種類也在不斷完善。目前，我國使用的數(shù)控沖床大多數(shù)都是數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床，按照驅(qū)動沖頭工作的原理可以把數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床分為以下三大類：第一類是機械驅(qū)動的數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床，它是通過一個主電機帶動飛輪做旋轉(zhuǎn)運動，由離合器的離合運動，從而控制沖頭的沖壓，這類數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床有其自身的優(yōu)點，就是它的結(jié)構(gòu)簡單、價格較低、經(jīng)濟實惠、操作簡便，工人師傅比較容易上手。但是這類沖床也有很多缺點。由于是機械式數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床，所以必須等飛輪完成一圈的運動，才可以完成一次沖壓，這樣沖壓行程固定不變，沖頭來回的時間固定不變，沖壓速度也就固定不變，所以無法提高；在沖壓過程中無法控制沖頭的運動，所以不宜得到復(fù)雜的沖壓成形，只有通過調(diào)節(jié)模具才可以實現(xiàn)，但是這樣一來就造成了較大的勞動量，使效率降低。第二類是液壓驅(qū)動數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床，隨著科技的不斷進步，數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床也在不斷更新?lián)Q代，因此液壓式數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床應(yīng)運而生，它的結(jié)構(gòu)形式得到了很大的改進，所以在板材加工行業(yè)很快就得到了廣泛的應(yīng)用。它驅(qū)動沖頭的運動主要是通過液壓系統(tǒng)完成的，對沖壓控制是通過系統(tǒng)自帶的伺服閥來完成的，因此沖頭沖壓的速度比之前的第一類數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床有了很大的提高；其次，我們可以自由控制液壓缸在沖壓過程中的行程，這樣就使我們更加容易的控制沖頭，從而更方便有效的調(diào)節(jié)沖頭模具，同時它對工人師傅的要求不高，操作方便。不過這類機床也有一些不好的地方，首先，由于采用了液壓驅(qū)動的方式控制沖壓過程，所以對環(huán)境要求比較高，必須保持液壓油的干凈，同時還應(yīng)保證液壓油的溫度不能太高或是太低，否則影響沖床的性能；再者，耗能較高，比一般的沖床行能都要多；另外，液壓油需要經(jīng)常更換，并且不易放置，占地較多。第三類是伺服電機驅(qū)動數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床，經(jīng)過不斷的發(fā)展改進，前兩種沖床的性能都有了很大的提高，但是仍然存在不足之處，所以廣大廠家努力研發(fā)了更新一代的數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床，就是由伺服電機直接驅(qū)動的數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床。伺服電機可以自由控制沖壓過程，停止沖壓的時候電機也停止，這樣就節(jié)省了很多能耗，比液壓式的沖床節(jié)能很多；由于伺服電機的引入，所以工人可以更加容易的調(diào)節(jié)沖壓行程，因此我們可以更加方便的調(diào)節(jié)成型模具；伺服電機數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床沒有很高的環(huán)境要求，也很環(huán)保節(jié)能，符合現(xiàn)代社會發(fā)展的理念；另外，它的設(shè)計結(jié)構(gòu)緊湊，不會占用很大的空間。綜上，前兩種數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床雖然有著其自身不可比擬的優(yōu)點，但是其發(fā)展前景并不是很樂觀，它們的發(fā)展不符合當(dāng)今社會的環(huán)保節(jié)能的思想，由于伺服電機驅(qū)動式的諸多優(yōu)點，加上其可靠的節(jié)能效果，所以伺服電機驅(qū)動式數(shù)控沖床將會是板材加工行業(yè)的主流。1.1.1數(shù)控沖床發(fā)展史1932年美國威德曼公司發(fā)明了R2型手動多工位沖床，并應(yīng)用于板材的加工，由于其在板材加工上的很多優(yōu)點，從此以后沖床在板材加工行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，同時由于科技的不斷進步，沖床的性能和結(jié)構(gòu)上也在不斷改進，越來越符合現(xiàn)代加工業(yè)的發(fā)展需求。但是人們還不僅僅滿足于手動操作，所以數(shù)控沖床也就應(yīng)運而生，數(shù)控沖床的開發(fā)始于上世紀(jì)五十年代，毫無疑問美國是當(dāng)時制造行業(yè)的老大，所以1955年美國研制成功了第一臺數(shù)控沖床，并成功應(yīng)用于板材加工，還可以對復(fù)雜的曲面進行操作。我國也不甘落后，努力發(fā)展以提高自己的制造業(yè)水平，因此在1958年我國與日本同年研制出首臺數(shù)控沖床，之后由于種種原因，我國的在數(shù)控沖床領(lǐng)域發(fā)展緩慢，但是我國數(shù)控沖床的發(fā)展大致上經(jīng)歷了一下三個階段，分別是：①1958-1960研制階段，②1962-1965生產(chǎn)階段，③攻關(guān)階段，直到1979年，我國數(shù)控沖床的發(fā)展還是沒有很大起色。相反，日本在此階段抓住時機，經(jīng)過周密合理的規(guī)劃，對科研大力投入，穩(wěn)步的前進，同時日本也在大力發(fā)展生產(chǎn)的自動化，兩者實現(xiàn)了完美的配合，從而使得數(shù)控沖床的開發(fā)更加迅速。近些年來，世界范圍內(nèi)的科學(xué)技術(shù)水平都在不斷提高，各國的科研投入都在不斷加大，各國對數(shù)控機床開發(fā)的投入也在不斷提高，所以數(shù)控沖床不斷更新?lián)Q代，許多技術(shù)難題不斷被攻克，更加方便、高效、經(jīng)濟、節(jié)能、環(huán)保的數(shù)控沖床相繼問世。我國在改革開放之后，大力引進國外先進數(shù)控技術(shù)，在吸收借鑒的基礎(chǔ)上，完成了數(shù)控沖床的自主研發(fā)。特別是最近幾年，我國的數(shù)控沖床領(lǐng)域不僅在保有量上占有領(lǐng)先優(yōu)勢，而且在技術(shù)含量上也在不斷提高。相信在不遠的將來，我國在數(shù)控沖床領(lǐng)域一定會有長足進步。1.1.2國內(nèi)外數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床發(fā)展現(xiàn)狀在鈑金加工領(lǐng)域，隨著科技的發(fā)展，數(shù)控沖床自問世以來得到了長足的發(fā)展，有其是數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床的出現(xiàn)，進一步為板材加工行業(yè)注入了新鮮的活力。由于國外企業(yè)大都起步較早，所以他們數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床的開發(fā)、設(shè)計、制造工藝等方面比較成熟。例如，日本AMADA公司開發(fā)的VIPROS-2510C、APIRS255M和EI、12510NT型是2004年研制的最新機型，它是通過雙伺服馬達直接驅(qū)動的高速數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床；芬蘭的Finnpower公司生產(chǎn)的E5-25型數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床具有“百米千次”的性能，并且具有運動精度高、剛度大、功率大、抗震性強、耐磨等特點；意大利ITEK公司生產(chǎn)的INVICTA2000型數(shù)控液壓沖床，其沖壓次數(shù)可以達到3000/min。從上述例子可以看出，國外數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床領(lǐng)域還占有很大的優(yōu)勢，技術(shù)比較先進，發(fā)展速度較快。我國的數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床的發(fā)展水平相對較低，還有很大缺口需要改進，為了解決這一僵局，自2000年起，我國加快發(fā)展速度，積極與國外先進制造業(yè)的國家開展合作，如日本、德國、美國等制造業(yè)強國，學(xué)習(xí)他們的先進產(chǎn)品配置方式，借鑒并吸收他們的先進技術(shù)經(jīng)驗，經(jīng)過努力的發(fā)展，我國的數(shù)控沖床產(chǎn)品在品種上有了較大的提高，取得了可喜的成績。據(jù)統(tǒng)計，目前為止，國內(nèi)有幾十家專業(yè)企業(yè)從事鈑金數(shù)控設(shè)備的開發(fā)生產(chǎn)，可以自主制造數(shù)控激光切割機、數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床、數(shù)控送料機等先進的數(shù)控設(shè)備?？傮w來看，國產(chǎn)數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床在品種上已經(jīng)更加多樣化，在技術(shù)性能指標(biāo)及制造水平上也不斷改進，在借助國外先進配套部件的基礎(chǔ)上，國產(chǎn)數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床制造企業(yè)已經(jīng)開始走向商業(yè)化的道路，不僅能夠滿足絕大多數(shù)國內(nèi)用戶需要，而且還出口到亞非拉等國家。但是，我們知道，國內(nèi)數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床的發(fā)展起步較晚，技術(shù)水平相對落后，配套設(shè)備跟不上，同國際知名廠家相比，還有很大的差距。主要表現(xiàn)在自主創(chuàng)新能力不強、機床品種仍然較少、技術(shù)性能指標(biāo)較低、制造工藝水平不強。目前，我國的數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床結(jié)構(gòu)設(shè)計還不是很合理，如設(shè)計周期長、結(jié)構(gòu)組件冗余、材料用量大，并且設(shè)計方法不夠科學(xué)、過于保守，由于以上的發(fā)展弊端，致使國內(nèi)產(chǎn)品與國外相比，無論在質(zhì)量上、成本上和效益上都不占優(yōu)勢。隨著科學(xué)技術(shù)不斷進步，計算機和電子技術(shù)的有機結(jié)合使沖床的發(fā)展更有生命力，所以對我們的設(shè)計提出了更高的要求，數(shù)控沖床在向著完善化、最優(yōu)化、過程動態(tài)化、自動化、柔性化、加工高速化、效率最大化的方向不斷邁進。只有這樣，我國沖床產(chǎn)品的質(zhì)量才會增強，國際競爭力才會提高，我國的民族產(chǎn)業(yè)才會不斷向前發(fā)展。1.1.3數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床的工作原理數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床集機、電、液、氣一體化，是在板材上進行沖孔加工、淺拉伸成型的壓力加工設(shè)備。它是由電腦控制系統(tǒng)、機械或液壓動力系統(tǒng)、伺服送料機構(gòu)、模具庫、模具選擇系統(tǒng)、外圍編程系統(tǒng)組成。數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床通過相應(yīng)的編程軟件編制加工程序，并由伺服送料機構(gòu)將板料送到需要加工的位置，并夾鉗進行定位固定，同時模具選擇系統(tǒng)選擇模具庫中相對應(yīng)的模具，液壓或是機械動力系統(tǒng)按照已經(jīng)編制好的程序進行沖壓，從而自動完成工件的加工。數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床是由計算機來控制工件斷續(xù)推進，當(dāng)工件停止時，沖頭完成一次往復(fù)行程，然后停在上止點，再控制工件推進一步，按步驟連續(xù)循環(huán)加工，同時也可以按照需要調(diào)整級進速度等。通過自動編程，可以對板材進行X、Y方向定位和精確定位。通過自動選擇轉(zhuǎn)盤模具庫中的模具，按照加工要求，自動加工不同尺寸和孔距的孔，也可以用小的沖模以步?jīng)_方式來沖壓大的圓孔、方形孔、腰形孔及各種形狀的曲線輪廓，除此之外，還可以進行特殊的工藝加工，如百葉窗、淺拉伸、壓窩、翻邊孔、加強筋、步?jīng)_成形、步步?jīng)_彎邊、壓印及標(biāo)志空等。數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床中采用圓形沖頭和矩形沖頭的最多，它是一種純沖切模，只要是沖切，不論大孔、小孔及外形如何，它全以沖孔的方式加工，如果圖樣和刀口的沖頭一樣，它就直接沖出，如果超出設(shè)備沖頭，就分為多次沖出，圓形的近似逼近，異形的就分多次沖出，一點一點沖掉多余部分。數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床的運動軸（如圖1.1所示）圖1.1數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床主傳動1）X軸—將工件沿垂直于床身長度方向移動的伺服驅(qū)動軸2）Y軸—將工件沿垂直于床身長度方向移動的伺服驅(qū)動軸3）A軸—旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)塔型刀具庫旋轉(zhuǎn)模具的旋轉(zhuǎn)軸4）C軸—模具自動分度的旋轉(zhuǎn)軸，可以任意角度旋轉(zhuǎn)模具數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床的加工方式：1）單沖：單次完成沖孔，包括直線分布、圓周分布、柵格孔的沖壓；2）同方向連續(xù)沖裁：使用長方形模具部分重疊加工的方式，可以進行加工長型孔、切邊等；3）多方向連續(xù)沖裁：使用小模具加工大孔的加工方式；4）蠶食：使用小圓模具以較小的步距進行連續(xù)沖制弧形的加工方式；5）單次成形：按模具形狀一次淺拉伸成型的加工方式；6）連續(xù)成形：成型比模具尺寸大的成型加工方式，如大尺寸百葉窗、滾滾筋、滾臺階等加工方式；7）陣列成形：在大板上加工多件相同或不同工件的加工方式。1.2運動控制器概況運動控制就是對機械運動部件的位置、速度、位移等進行實時的控制管理，使其按照預(yù)期的運動軌跡和規(guī)定的運動參數(shù)進行運動[9]。早期的運動控制技術(shù)并不是十分的成熟，隨著數(shù)控技術(shù)、機器人技術(shù)和工廠自動化技術(shù)的發(fā)展和對運動控制的要求，運動控制逐漸進入人們的視野。廣義上來說，運動控制可以幫助我們更加靈活方便的使用電動機而不需要太多的能耗，最大程度滿足我們的應(yīng)用需求。運動控制有它一些特有的高級功能，人們可以通過模塊搭建來高效的實現(xiàn)運動控制的應(yīng)用，已解決一些加工過程中必須解決的問題，例如，如何實現(xiàn)精確定位問題、如何實現(xiàn)多軸同步的問題，以及如何實現(xiàn)制定運動控制過程中的速度、加速度和減速度的問題等。因為大多數(shù)電動機的是工作在瞬時的環(huán)境中的，它的每一步都在不斷變化著的，所以就要求具有運動控制功能的設(shè)備必須適應(yīng)不同的負載情況和動態(tài)變化的條件，不僅如此，還應(yīng)具有一些復(fù)雜的控制算法和反饋信息的功能。由于要實現(xiàn)精確地運動控制，所以對運動控制的要求一般比較嚴格，操作過程中的安全性能是最重要的，所以，運動控制中還具備一些安全保護特性，如限位開關(guān)，可以有效的防止事故的發(fā)生。從結(jié)構(gòu)上看，一個典型的運動控制系統(tǒng)的硬件主要是由上位計算機、運動控制器、功率驅(qū)動電動機、傳感器反饋檢測裝置和被控對象等幾部分組成（如圖1.2所示），其中為被控對象提供動力的主要是電機和功率驅(qū)動設(shè)備，同時還將負載運行情況反饋給控制系統(tǒng)。圖1.2運動控制系統(tǒng)及其組成1.2.1運動控制器的分類自上世紀(jì)八十年代初期以來，通用運動控制器就已經(jīng)應(yīng)用在了國外的很多行業(yè)，并且獲得了不錯的效果，特別是在微電子行業(yè)的應(yīng)用更是廣泛，由于當(dāng)時國內(nèi)技術(shù)還比較落后，經(jīng)濟還不發(fā)達，沒有許多人力財力去研究這一領(lǐng)域，所以運動控制器在國內(nèi)的應(yīng)用規(guī)模和行業(yè)領(lǐng)域都很小，國內(nèi)也沒能開發(fā)出運動控制類的產(chǎn)品。1999年，固高科技有限公司開始大力從事開發(fā)、生產(chǎn)開放式通用運動控制器產(chǎn)品，并且價格便宜，從而打破了國外壟斷這一行業(yè)的狀況。隨著不斷的發(fā)展壯大，逐步完善研發(fā)體系，迅速的開發(fā)出了一些列中高端的運動控制產(chǎn)品。目前，國內(nèi)運動控制器生產(chǎn)廠家所能提供的產(chǎn)品大致分為以下三類：第一類是以單片機或微處理器為核心的運動控制器，它控制運動的精度雖然不高，不適用與精確運動控制的場合，但是成本較低，在一些低速點位的運動控制要求的場合還是比較實用的。第二類是以專用芯片作為核心處理器的運動控制器，這一類運動控制器只能輸出脈沖信號并工作于開環(huán)的控制方式下，它的結(jié)構(gòu)較為簡單，對單軸的點位控制場合基本滿足要求，但是目前大多數(shù)加工過程使用的機床都是多軸協(xié)調(diào)聯(lián)動，所以就無法實現(xiàn)這一多軸運動控制。在模具雕刻的場合，很多模具都需要具有連續(xù)插補的功能，但是這類控制器沒有精確的連續(xù)插補功能。第三類是基于PC總線的以DSP和EPGA為核心處理器的開放式運動控制器，它是以PC機作為數(shù)據(jù)信息的處理中心，運動控制器嵌入PC機中，這樣就實現(xiàn)了PC機的處理能力與控制器的控制能力相結(jié)合，從而增強了數(shù)據(jù)信息的處理能力，更加便于我們開發(fā)系統(tǒng)，并且對運動軌跡的控制非常精確，兼容性也很好。它內(nèi)部的芯片可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速處理，高效的完成運動控制任務(wù)。對于實時插補、誤差補償?shù)葟?fù)雜運算更加快捷，同時還可以實現(xiàn)多軸的協(xié)調(diào)聯(lián)動。1.2.2運動控制的形式根據(jù)運動控制器的特點和應(yīng)用領(lǐng)域的不同，我們將運動控制主要分為以下幾種形式：（1）點位運動控制：這種運動控制的特點是只對終點位置有要求，與運動的起點及運動軌跡沒有關(guān)系。所以就要求運動控制器具有敏捷的定位速度，保證運動部件及時準(zhǔn)確的停在指定位置，這種運動控制在運動的加速階段和減速階段分別采用不同的加減速控制方式。在加速運行時，往往需要提高系統(tǒng)增益并加大加速度，以使運動部件快速加速到設(shè)定速度，在減速末段采用S曲線減速的控制方式，以準(zhǔn)確停止運動。（2）連續(xù)軌跡運動控制：又被稱為輪廓控制，主要應(yīng)用于傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)、切割系統(tǒng)的運動輪廓控制。相應(yīng)的對運動控制器提出了高的要求，首先必須在高速運動的情況下，既要保證加工過程中的輪廓精度，還要保證刀具沿輪廓運動時切向速度的不變。（3）同步運動控制：是指多個軸的相互協(xié)調(diào)聯(lián)動的運動控制，這種形式的控制可以在加工的全過程中實現(xiàn)，也可以在運動過程中的局部階段有速度同步，這種運動控制主要應(yīng)用在需要有電子齒輪箱和電子凸輪功能的控制系統(tǒng)中。它采用自適應(yīng)前饋控制，從而抑制了干擾，有效的保證了多軸的同步運動。

2總體設(shè)計2.1總體結(jié)構(gòu)設(shè)計根據(jù)設(shè)計任務(wù)要求，基于運動控制器的數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床總體結(jié)構(gòu)如圖2.1所示，主要包括以下幾個部分組成：圖2.1基于運動控制器的數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床總體結(jié)構(gòu)（1）操作部分，包括顯示屏、按鍵、操作面板，其中顯示屏可以直接從市場上購買，而且價格比較合理，按鍵與操作面板的設(shè)計將會在第三小節(jié)中做具體詳細的介紹；（2）控制部分，包括主機、運動控制器、端子板，其中主機可以使用普通的臺式電腦，對運動控制部分的設(shè)計，我們采用了深圳固高公司生產(chǎn)的運動控制器，具體的設(shè)計方法及使用將會在第二小節(jié)中做具體介紹；（3）執(zhí)行部分，包括驅(qū)動器、控制軸運動的電機。按照設(shè)計任務(wù)的要求，需要完成的任務(wù)主要有操作面板功能設(shè)計、按鍵與旋鈕的編碼電路設(shè)計、NC代碼解釋和運動仿真。首先，充分了解運動控制器的工作原理，內(nèi)部結(jié)構(gòu)及接線方法，根據(jù)我們的需求，選擇合適的運動控制器作為我們設(shè)計的運動控制系統(tǒng)主要組成；其次，根據(jù)沖床的工作原理、工作過程及沖頭的運動，并參考數(shù)控沖床的技術(shù)資料，設(shè)計出合理的操作面板，面板功能主要包括：加工功能、狀態(tài)功能、運動功能，確定各個功能鍵的數(shù)目，然后根據(jù)設(shè)計原則，選擇經(jīng)濟合理的方式完成對數(shù)控沖床操作部分的設(shè)計；最后，編寫一段NC代碼程序并對其進行解釋，把程序代碼變成驅(qū)動電機運動的加工代碼，從而完成設(shè)計任務(wù)。2.2運動控制器的選擇根據(jù)數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床控制部分設(shè)計要求，我們選擇深圳固高公司生產(chǎn)的GT-400-SP-PCI-G型運動控制器，其中GT為該運動控制器的系列號；400代表該運動控制器可以最多控制四個軸的運動，而數(shù)控沖床的主動軸為兩個，所以完全滿足我們的設(shè)計要求；SP表示信號的輸出類型為脈沖量輸出，符合數(shù)控沖床的點位控制要求；PCI表示總線類型是PCI型，可以和我們的PC機兼容；G代表接口板類型為標(biāo)準(zhǔn)型，由于我們不需要特別的要求，所以選擇一般的標(biāo)準(zhǔn)類型就可以滿足要求。我們所購買的運動控制器提供了C語言函數(shù)庫和窗口動態(tài)鏈接庫，當(dāng)我們編程時，可以調(diào)用這些庫函數(shù)，也可以和我們編寫的數(shù)控沖床加工程序集成在一起，很好的完成數(shù)據(jù)處理、用戶使用等要求。2.1.1電機控制系統(tǒng)設(shè)計電機控制系統(tǒng)的設(shè)計需要完成各部件的合理連接等任務(wù)，我們的電器控制系統(tǒng)主要包括：運動控制器、端子板、電機、驅(qū)動器、驅(qū)動器電源、限位開關(guān)等。我們選用交流伺服電機作為設(shè)計用電機，同時選擇合理的驅(qū)動器及配件；運動控制器根據(jù)我們選用的驅(qū)動模式，輸出脈沖控制信號，并通過開環(huán)的控制模式，輸出需要的正脈沖/負脈沖控制信號，以此來控制電機的運動。閱讀GT系列運動控制器的用戶手冊，我們知道典型的控制系統(tǒng)接線圖和端子板接線口功能，根據(jù)我們的設(shè)計需要，對我們選用的GT-400-SP-PCI-G型運動控制器進行了合理的接線，將運動控制卡插入主機中，連接端子板和電機，然后對運動控制器進行調(diào)試，經(jīng)過檢查改正，最后符合我們的設(shè)計要求，達到預(yù)想效果。2.2操作面板功能設(shè)計在數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床中，手動操作面板總是不可或缺的，其方便快捷，并有獨特的優(yōu)點是：1）有的輸入量是互斥的，不能有誤操作的，可以由機械的互鎖關(guān)系來保證要求；2）鍵的閉合或是斷開用電平觸發(fā)不同狀態(tài)，而不是用上升沿或是下降沿觸發(fā)不同狀態(tài)；3）可以進行多個狀態(tài)同時輸入的操作，并可以可靠的做出相應(yīng)的反應(yīng)；4）可以對設(shè)備當(dāng)前的狀態(tài)進行提示，如使用信號燈、發(fā)光二極管等。現(xiàn)在數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)大多將手動操作面板的輸入/輸出作為開關(guān)量I/O的一部分，統(tǒng)一有主機或是CPU進行控制。為此，根據(jù)數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床的工作原理和實現(xiàn)的功能進行設(shè)計，繪制出數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床操作面板按鍵功能圖，如圖2.2所示。圖2.2數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床操作面板按鍵功能主要按鍵功能介紹：“X+、X-”鍵：沖床工作臺上工件沿X軸做左右運動“Y+、Y-”鍵：沖床工作臺上工件沿Y軸做前后運動“T+、T-”鍵：沖床模具沿順時針或逆時針旋轉(zhuǎn)“~”鍵：按下此按鈕，各個運動軸快速進給“單沖”鍵：完成一次沖孔，包括柵格孔等“連沖”鍵：一次完成比模具尺寸大的沖壓過程，如大尺寸百葉窗等“循環(huán)沖”鍵：循環(huán)進行沖孔操作“蠶食”鍵：小圓模具以較小的步距進行連續(xù)沖制弧形“陣列”鍵：加工多件相同或不同工件“連沖停止”鍵：沖床停止加工“夾鉗夾緊、夾鉗松開”鍵：夾鉗夾緊或松開，以裝夾并固定工件“換刀夾緊、換刀松開”鍵：自動更換模具“手動選刀”鍵：手動選擇模具庫中的刀具“自動運行”鍵：自動運行沖床，按下此按鈕時，其他按鈕使用“自動定位”鍵：自動使裝夾好的工件進行定位“程序編輯”鍵：輸入或修改加工程序“機床回零”鍵：各個運動軸回到初始狀態(tài)“空運行”鍵：程序在機床不裝載被加工件的條件下運行“機床鎖住”鍵：機床的各個運動軸無軸向移動“機床狀態(tài)”旋鈕：包括自動、手動、回零、機床鎖住等功能“倍率”旋鈕：包括0%、25%、50%、75%、100%進給倍率2.3按鍵與旋鈕編碼電路設(shè)計數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床的操作面板功能設(shè)計完成后，由于實際需要的I/O口數(shù)超過了所購買的端子板上的I/O口數(shù)，所以需要找到一種合適的方法進行I/O口的擴展，以滿足數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床的功能需要，為解決這一問題，首先要明白操作面板的工作原理及運動控制器的工作過程，知道運動控制器是如何控制電機運動的，所以我們必須理解操作面板的電路原理圖、運動控制器的接線圖及其端子板的內(nèi)部連線圖，因此要進行按鍵與旋鈕的編碼電路設(shè)計，并按照設(shè)計任務(wù)要求，設(shè)計了兩種方案。2.3.1增加端子板擴展輸入口方案一，如圖2.3所示，這一方案的主要思路是用增加端子板的方式來擴展I/O口數(shù)，目前，我們所擁有的端子板輸入口數(shù)是16個，而根據(jù)設(shè)計的數(shù)控沖床面板功能，需要的輸入口數(shù)為40個，為了滿足要求，我們用增加端子板的方式來增加輸入口數(shù)，所以還需要兩個端子板才能滿足所需的輸入口數(shù)。圖2.3方案一：增加端子板以擴展I/O口這一方案的優(yōu)點是：簡單方便、省時省力，可以直接購買端子板進行接線，但是不足之處是價格較貴、不經(jīng)濟，目前市場上端子板的價格比較貴，從經(jīng)濟的角度考慮的話，采用這一方案不夠科學(xué)。為了使經(jīng)濟上和可靠性上都能滿足要求，我們必須找到其他的方法來解決這一問題。2.3.2單片機進行I/O擴展方案二，如圖2.4所示，以單片機來擴展輸入口，操作面板按鍵信號輸入單片機，經(jīng)過主機編碼將信號傳給運動控制器，從而控制電機的運動，這一方案簡單，可以節(jié)省很多成本，也可以滿足所需要求，所以選擇此方案作為本次按鍵與旋鈕編碼電路的設(shè)計。下面對單片機擴展電路設(shè)計做詳細的介紹。圖2.4方案二：以單片機擴展輸入口（1）單片機的選擇及其電路原理圖：根據(jù)設(shè)計任務(wù)要求，選擇方案二，用單片機進行擴展輸入口，由前面操作面板功能設(shè)計可以知道，要進行I/O口擴展，需要最少40個I/O口的單片機。目前市場上這種類型的單片機比價多，綜合考慮性能、經(jīng)濟等方面的因素，為滿足要求，這里選擇C8051F020型單片機。我們選擇的C8051F020型單片機是完全集成的混合信號系統(tǒng)級MCU芯片，它具有64個數(shù)字I/O引腳；片上的VDD監(jiān)視器、看門狗定時器和時鐘振蕩器可以獨立工作；所有模擬和數(shù)字外設(shè)均可由用戶固件使能/禁止和配置；FLASH存儲器還可以使系統(tǒng)重新編程，從而可以有效的防治易失性數(shù)據(jù)的丟失，而且還可以現(xiàn)場更新8051固件。其中CIP-51與MCS-51指令集完全兼容，所以可以使用標(biāo)準(zhǔn)的匯編器和編譯器進行軟件開發(fā)CIP-51內(nèi)核包括5個16位的計數(shù)器/定時器、兩個全雙工UART、256字節(jié)內(nèi)部RAM、128字節(jié)特殊功能寄存器及8個字節(jié)寬的I/O端口，輸入輸出口數(shù)完全滿足我們的使用要求。片內(nèi)編程調(diào)試電路可以使用安裝在最終應(yīng)用系統(tǒng)上的產(chǎn)品進行非侵入式（不占用片內(nèi)資源）、全速、在系統(tǒng)調(diào)試。此調(diào)試系統(tǒng)支持觀察并修改存儲器和寄存器，支持斷點，觀察點、單步、運行及停機命令。在進行編程調(diào)試時，所有模擬和數(shù)字外設(shè)都可以全功能運行。根據(jù)以上C8051F020的特點，可以完全滿足我們的設(shè)計要求。C8051F020內(nèi)部的每個芯片都可以在工業(yè)溫度范圍內(nèi)使用，并且可以使用我們現(xiàn)有的3.3V電源電壓，能夠正常工作；端口I/O、復(fù)位引腳及編程引腳都允許使用5V的輸入信號電壓。根據(jù)C8051F020芯片的用戶說明書和我們的設(shè)計需求，其電路原理圖如圖2.5所示，其中圖的右上角所示的電路為晶振電路，右邊電路為復(fù)位電路。圖2.5C（2）串口模塊設(shè)計及其原理圖：根據(jù)設(shè)計任務(wù)要求，設(shè)計的單片機還需要與主機建立聯(lián)系，所以要進行串口模塊設(shè)計，以實現(xiàn)單片機與主機的信息交互，使用戶能夠方便快捷的對單片機進行操作，為了滿足要求，這里選擇MAX232串口芯片。MAX232芯片是由美信公司專門為電腦的RS-232標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計的單電源電平轉(zhuǎn)換芯片，可以使用+5V電源供電。MAX232串口芯片的性能優(yōu)越，首先，符合所有的RS-232C技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，并且只需要單一+5V電源供電；其次，片載電荷泵具有升壓、電壓極性反轉(zhuǎn)能力，能夠產(chǎn)生+10V和-10V電壓；再者，功耗低，典型供電電流5mA，內(nèi)部集成兩個RS-232C驅(qū)動器和RS-232C接收器。此外，該芯片的集成度很高，片外只需要4個電容即可工作。使用方便，壽命較長，可以長時間穩(wěn)定的運行。根據(jù)MAX232系列芯片的用戶手冊，所需要的電容都選擇0.1μF的電容，其他管腳按手冊進行接線，繪制出本次設(shè)計所需要的串口模塊，如圖2.6所示。圖2.6串口模塊電路原理圖（3）電源模塊設(shè)計及其原理圖：根據(jù)設(shè)計任務(wù)要求，為了使單片機正常工作，需要一個穩(wěn)定的供電電源，但是目前我們所使用的電源電壓或高或低，無法滿足我們需要3.3V的要求，所以我們必須設(shè)計一個電源模塊進行電壓的調(diào)整，綜合考慮性能、經(jīng)濟、可靠性及穩(wěn)定性等方面的因素，我們選用特瑞仕公司生產(chǎn)的多用途XC9220系列的降壓DC/DC轉(zhuǎn)換器，該芯片使用簡單、方便，芯片外圍需要配置一個開關(guān)管，一個電感，一個二極管和兩個電容，就可以獲得高效、穩(wěn)定的，輸出電流達到3A的電源，從而可以高效的為單片機供電。選擇該芯片，其輸入電壓范圍為：2.8V~16V，根據(jù)實驗條件，我們選擇+12V的輸入電源，輸出電壓為3.3V，滿足我們的C8051F020單片機的用電要求，工作頻率選擇較小的頻率300kHz，控制方式選擇固定PWM控制方式，其封裝號為SOT-25。根據(jù)應(yīng)用電路圖可以設(shè)計出單片機電源模塊，如圖2.7所示。圖2.7電源模塊電路原理圖（4）程序接口設(shè)計：編程模塊的設(shè)計采用了傳統(tǒng)的具有020JTAG接口芯片的方式設(shè)計，接線口有4個，分別為TMS020、TDI020、TDO020、GND，次芯片可以實現(xiàn)在線編程，大大的加快了工作進度，其電路原理圖如圖2.8所示。圖2.8編程模塊電路原理圖（5）按鍵與旋鈕電路設(shè)計及其原理圖：根據(jù)設(shè)計任務(wù)要求和前面設(shè)計的操作面板功能，包括數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床的主要功能和輔助功能一共需要32個按鍵，所以選擇32個開關(guān)按鈕作為操作機床的控制按鈕，電路原理圖如圖2.9所示。圖2.9按鍵電路原理圖旋鈕的電路設(shè)計和按鍵的電路設(shè)計基本上相同，不過旋鈕電路沒有按鍵，而多了個，其電路原理圖如圖2.10所示。圖2.10旋鈕電路原理圖2.4NC代碼解釋我們對NC代碼解釋，主要任務(wù)是將文本格式表示的工件加工程序，以程序段為單位轉(zhuǎn)換成后續(xù)程序所需要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或是格式。具體的說，就是將我們編寫的程序轉(zhuǎn)化為機器可以識別的加工代碼程序。我們NC代碼解釋部分的設(shè)計是數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床軟件部分的核心，為了使數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床有較高的工作性能，我們必須對其進行合理的設(shè)計。我們編寫的數(shù)控加工程序?qū)嵸|(zhì)上就是一種編程語言的編寫，我們用其他高級語言對其進行解釋，運用編譯原理的辦法，獲得機器可以識別的數(shù)據(jù)信息。最終完成加工過程。2.4.1NC代碼解釋原理NC代碼解釋是數(shù)控加工過程中的一個重要組成部分，它以詞法、語法規(guī)范和加工順序為基礎(chǔ)，一步一步的檢查并解釋NC代碼，最終把數(shù)控沖床的NC代碼程序所代表的加工過程轉(zhuǎn)化為實際運動過程，從而驅(qū)動模具的沖壓過程。其主要目的是對NC代碼程序做正確的解釋和語法錯誤的檢測，通過這一過程，從中獲得對加工過程有用的數(shù)據(jù)信息。例如，NC代碼指令G00、G01、G02等，輔助指令M可以忽略或是顯現(xiàn)出來，然后將這些代碼指令翻譯成需要的數(shù)據(jù)信息，以確定仿真模塊中模具變化的運動過程和運動的起止位置，從而作將這些信息讀入運動仿真模塊，并作為其仿真過程的重要信息。對于本次系統(tǒng)設(shè)計，翻譯和檢錯是加工過程中對NC代碼的解釋的要求，當(dāng)然數(shù)控沖床系統(tǒng)設(shè)計也是必不可少的。首先，NC代碼的翻譯就是獲得各個部件運動的相關(guān)命令和狀態(tài)信息，這些信息都需要從NC代碼中找到。我們可以把變化的數(shù)據(jù)分割成許許多多的時間段，這些時間段是以位移和速度的改變?yōu)榛A(chǔ)的，然后數(shù)控沖床每個時間段的位移量可以算出，從而數(shù)控沖床也就完成了加工過程，這樣，NC代碼解釋下的運動過程仿真就完成了。其次，NC代碼查錯就是按照加工規(guī)范檢查NC代碼是否有錯的過程，我們根據(jù)規(guī)定的數(shù)控系統(tǒng)編程原則和一般常識性的加工規(guī)范，整體分析NC代碼的語法、詞法和語義，系統(tǒng)的檢查NC代碼中是否含有這些錯誤，若是沒有，則進入翻譯階段。2.4.2NC代碼解釋的總體結(jié)構(gòu)我們目前所學(xué)的計算機高級語言，要想使其運行，都要將其翻譯成目標(biāo)程序方可運行，大多數(shù)的編程就是這個過程。編譯過程有很多步驟，我們從語法、詞法、語義三個方面進行分析，生成中間代碼及目標(biāo)代碼，優(yōu)化代碼。對NC代碼進行解釋也是一個編譯過程，我們所編寫程序命令分為的執(zhí)行階段和編譯階段，也就對應(yīng)了NC代碼解釋的翻譯和檢錯的過程。我們都知道，數(shù)控語言的編寫過程相對來說比較容易，我們直接使用高級語言開發(fā)程序，并做后續(xù)處理，很好的集成了控制系統(tǒng)，并且具有較高的使用價值。本設(shè)計系統(tǒng)在解釋NC代碼時，其對數(shù)控沖床的加工程序是逐行進行的，從而實現(xiàn)代碼驅(qū)動沖壓的過程。NC代碼解釋的流程圖如圖2.11所示。首先，對詞法的進行分析，檢查所編寫的數(shù)控沖床程序段是否有一些基本的錯誤。其主要檢查程序代碼中有無以數(shù)字或非法字符開頭的程序、非坐標(biāo)功能字是否出現(xiàn)在了負號前面、非數(shù)字是否在負號的后面、數(shù)字是否出現(xiàn)在小數(shù)點前面、字母后面的數(shù)據(jù)是否完整，有誤缺失等。其次，對語法進行分析，它是建立在詞法分析的基礎(chǔ)之上，我們編寫的程序按照數(shù)控沖床運動的規(guī)則，逐行檢查數(shù)控代碼的正確性，并且高級的語法錯誤是否出現(xiàn)在代碼段中。以檢查代碼段中是否有不合法的指令代碼，重用了功能相同或功能不同的指令代碼，不正確的圓弧數(shù)據(jù)，位置指令不在加工指令中等。最后，程序執(zhí)行編譯，我們設(shè)計的程序會是系統(tǒng)在模擬加工過程中數(shù)控程序運行時提取信息，并將其翻譯成必要的加工信息，如數(shù)控程序指令和參數(shù)設(shè)置等，這樣才能使我們的仿真系統(tǒng)正確運行。這個過程就是對經(jīng)過前兩部檢測的數(shù)控程序執(zhí)行翻譯，數(shù)控程序在這個過程中被翻譯成為正確的加工程序，這個程序可以控制沖床的各種形式的運動，從而為下一步的加工過程做準(zhǔn)備。編寫好的NC代碼被保存到文件中，然后將文件讀入系統(tǒng)中，這樣系統(tǒng)就可以從文件中獲得NC代碼程序，并對其進行處理。系統(tǒng)開始以字符的形式保存這些代碼程序，然后根據(jù)設(shè)定好的格式轉(zhuǎn)換成相對應(yīng)的數(shù)據(jù)信息，并對這些數(shù)據(jù)信息做數(shù)學(xué)處理，以提取出對加工有用的信息。例如，我們常見的G00X225.120514Y277.487167指令，其參數(shù)X和Y后的數(shù)值就是定位點的坐標(biāo)，定位點坐標(biāo)為（225.120514,277.487167）；又如直線插補G01X325.067044Y277.487167指令，其參數(shù)X和Y后的數(shù)值就是直線插補的終點坐標(biāo)，終點坐標(biāo)為（325.067044，277.487167）；還有G02、G03指令，圓心坐標(biāo)的確定需要有圓弧的走向、終點坐標(biāo)、圓弧的半徑。G代碼在數(shù)控程序中的地位相當(dāng)重要，機床的功能和設(shè)置幾乎都是由它來控制的，為了便于我們的設(shè)計，所以我們必須對這些NC代碼進行正確的解釋。下面給出一段程序段，做簡要解釋。%X800Y480T1D4.000000S2.000000G00X225.120514Y277.487167G01X325.067044Y277.487167G01X325.067044Y210.079152G01X225.120514Y210.079152G01X225.120514Y277.487167G00X648.750460Y260.012254G02I-79.682898J0.000000G00X565.791072Y84.490872M80G00X578.225468Y84.490872M80G00X578.225468Y76.284730M80G00X565.791072Y76.284730M80T4U6V8S4.000000G00X280.921117Y85.863283G01X401.458352Y85.863283圖2.11NC代碼解釋流程圖2.5數(shù)控加工過程仿真設(shè)計根據(jù)我們所了解的