基于单片机的开放性数控机床毕业设计.docx

1、基于单片机的开放性数控机床毕业设计摘要.ABSTRACT.第一章 概述.11.1 NC的优势.11.2 我国NC的发展现状.21.3 单片机技术的发展及特点.5第二章 开放式数控系统的介绍.32.1 开放式数控系统的概述.32.2 开放的标准和内涵.32.3 开放式数控系统的特点.4第三章 设计方案的选择.53.1 选择C语言的原因.53.2 选择模块化设计的原因.6第四章 硬件设计.84.1 CPU单元介绍.94.2 存储器单元介绍.124.3 I/O接口介绍.154.4 总线驱动介绍.164.5 中断扩展介绍.174.6 通信模块介绍.174.7 ISP介绍.19第五章 软件设计.205.

2、1 软件说明.205.2 插补原理及算法.26第六章 总结.356.1 问题及改进.356.2 致谢.36参考文献.37附录摘 要数控是近代发展起来的一种自动控制技术，它是一门用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术，具有高精度、高效率、柔性自动化等优点，对制造业实现柔性自动化、集成化、智能化起着举足轻重的作用。本文中介绍了数控和单片机技术的发展，讲述了选择模块化设计及所用C语言的原因和优势，着重介绍基于单片机的开放式控制系统板的硬件结构及其设计，本文所设计的系统结构是以单片机为核心向外部扩展的相关电路，硬件设计是围绕外部功能扩展而展开的，它主要涉及扩展部分的设计，例如：程序存储器的扩展、

3、数据存储器的扩展、总线驱动等，文中详细阐述了控制机床运动的一种算法，从而使本设计在正确的前提下而控制机床运动。最后，也写出了对本次设计的问题及改进。关键词：数控，硬件功能，软件功能，模块，算法ABSTRACTNC is a automatic control technology which was developed in modern，It is a technology which use a digital information control the mechanical movement and process ，It has high precision and high ef

4、ficiency and flexible automation etc advantages, It has play a role in manufacturing to achieve flexible automation and Integrated and intelligent. The paper introduced the development of NC and SCM technology, Described in the text why use modular design and C language and their are benefits ，the d

5、esign for the main is to introduction the Hardware structure of Open systems board and it is design on simple, In this paper, designed Related circuit as To SCM as the core to Outward expansion, It mainly involves the design of the Expansion, For example: The expansion of the program memory,the expa

6、nsion of the Data memory, Bus Driver etc, Details the Algorithm to Control Machine Movement，so this design in the right premise to control machine tools. Finally, also wrote on Problems and improve in this design.Keywords： NC，Hardware，Software，Module，Algorithm第一章 概 述数字控制（numerical control，NC）是近代发展起来

7、的一种自动控制技术，国家标准（GB8129-87）定义为“用数字化信号对机床运动及其加工过程进行控制的一种方法”，简称数控（NC）。其技术范围覆盖很多领域：(1)机械制造技术；(2)信息处理、加工、传输技术；(3)自动控制技术；(4)伺服驱动技术；(5)传感器技术；(6)软件技术等。1.1 NC的优势基于PC所具有的开放性、低成本、高可靠性、软硬件资源丰富等特点，并使数控功能扩展到很宽的领域，采用PC机作为它的前端机，来处理人机界面、编程、联网通信等问题，PC机所具有的友好的人机界面，将普及到所有的数控系统。远程通讯，远程诊断和维修将更加普遍。技术进步快，升级换代容易。高精度、高效率、柔性自动

8、化是它显著的优势。1.2 NC的发展1.2.1高速加工高效率、高速度是机械加工的主流发展方向之一。高速加工可以极大地提高生产率, 改善加工精度和表面质量, 实现整体结构薄壁零件和高强度、高硬度脆性材料的加工。1.2.2 高精加工从精密加工到超精密加工再到特高精度加工,是世界各国致力发展的方向。其精度从微米级到亚微米级, 乃至纳米级( 10nm) , 其应用范围日趋广泛。1.2.3 复杂曲面加工进入90 年代以来,复杂型面在生产中几乎全部以高速切削的方式进行加工。目的是为了提高生产效率,降低产品的成本,同时提高工件的形状精度和降低表面粗糙度。1.2.4 开放式为解决传统的数控系统结构封闭、功能固

9、定、人机界面不灵活和数控应用软件的产业化生产等问题,目前许多国家对开放式数控系统进行研究。数控系统技术正经历着从传统封闭式向开放式数控系统发展的过程。所谓开放式数控系统就是数控系统的开发可以在统一的运行平台上,面向机床厂家和最终用户,通过改变、增加或剪裁数控功能,形成系列化,并可方便地将用户的特殊应用和技术诀窍集成到控制系统中,快速实现不同品种、不同档次的开放式数控系统。1.3 单片机技术的发展及特点1.3.1 单片机技术的发展单片机诞生于20世纪70年代末，经历了SCM、MCU、SOC三大阶段。1）SCM即单片微型计算机（Single Chip Microcomputer）阶段，主要是寻求最

10、佳的单片形态嵌入式系统的最佳体系结构。2）MCU即微控制器（Micro Controller Unit）阶段，主要的技术发展方向是：不断扩展满足嵌入式应用时，对象系统要求的各种外围电路与接口电路，突显其对象的智能化控制能力。3）单片机是嵌入式系统的独立发展之路，向MCU阶段发展的重要因素，就是寻求应用系统在芯片上的最大化解决；因此，专用单片机的发展自然形成了SOC化趋势。对单片机的理解可以从单片微型计算机、单片微控制器延伸到单片应用系统。1.3.2 单片机技术的发展特点 自单片机出现至今，单片机技术已走过了近20年的发展路程。表现出较微处理器更具个性的发展趋势。1）单片机长寿命 这里所说的长寿

11、命，一方面指用单片机开发的产品可以稳定可靠地工作十年、二十年，另一方面是指与微处理器相比的长寿命。 2）单片机速度越来越快 MPU发展中表现出来的速度越来越快是以时钟频率越来越高为标志的。而单片机则有所不同，为提高单片机抗干扰能力，降低噪声，降低时钟频率而不牺牲运算速度是单片机技术发展之追求。3）低电压与低功耗 自80年代中期以来，NMOS工艺单片机逐渐被CMO工艺代替，功耗得以大幅度下降，几乎所有的单片机都有Wait、Stop等省电运行方式。允许使用的电源电压范围也越来越宽。一般单片机都能在3到6V范围内工作，对电池供电的单片机不再需要对电源采取稳压措施。低电压供电的单片机电源下限已由2.7

12、V降至2.2V、1.8V、0.9V供电的单片机已经问世。 4）低噪声与高可靠性技术 为提高单片机系统的抗电磁干扰能力，使产品能适应恶劣的工作环境，满足电磁兼容性方面更高标准的要求，各单片机商家在单片机内部电路中采取了一些新的技术措施。从而实现了低噪声和高可靠性技术有点。第二章 开放式数控系统的介绍2.1 开放式系统的概述数控系统是数控技术的核心，数控机床的“大脑”。开放式数控系统从20世纪90年代初就引起人们的注意。初期的开放式系统结构仍然是面向特定装置、硬件和软件的。对于现代数控机床的控制来说，需要一种完全以微机为基础的、和谐的、标准化的软件环境，从而能够根据用户需要实现复杂的控制功能，在缩

13、短加工时间的同时，提高加工质量和柔性，开放式数控系统的结构是面向软件配置的，可以由用户自行定义接口和软件平台，不断将功能集成到控制系统中，构成网络化的制造环境。将控制系统硬件和软件完全分开，可以根据需要和技术的发展对相应硬件或软件分别升级。这一点对于机床制造商和用户都是非常有利的。用户进入数控系统的内部接口，就可进一步按照加工过程的要求，修改、删除和添加控制系统的功能，提高机床（包括控制系统）的性能。通过外部接口，就可根据自己的特殊需要和经验，增加新的控制功能。毫无疑问，开放式控制系统是机床控制技术的发展方向，将给数控系统供应商、机床制造商和最终用户都带来效益。所谓开放式数控系统就是数控系统的

14、开发可以在统一的运行平台上,面向机床厂家和最终用户,通过改变、增加或剪裁数控功能,形成系列化,并可方便地将用户的特殊应用和技术诀窍集成到控制系统中,快速实现不同品种、不同档次的开放式数控系统。目前开放式数控系统的体系结构规范、通信规范、配置规范、运行平台、数控系统功能库以及数控系统功能软件开发工具等是当前研究的核心。2.2 开放的标准和内涵数控系统的开放程度可从以下今个方面来加以评价。1）可移植性 系统的应用模块无需经过任何改变就可以用于另一平台,仍然保持其原有性能。2）可扩展性 同应用模块可在同一平台上运行,相互不发生冲突。3）可协同性 不同应用模块能够协同工作,并以确定方式交换数据。4）规

15、模可变 应用模块的功能和性能以及硬件的规模可按照需要调整实践证明,控制系统的开放程度还涉及人机界面、控制核心和整个系统。a.开放的人机界面“开放”仅限于控制系统的非实时部分,可对面向用户的程序作修改。b.开放的控制核心（数控和可编程控制等）有限度开放。虽然控制核心的拓扑结构是固定的，但可以嵌入包括实时功能的用户专用过滤器。c.开放的控制系统。控制核心的拓扑结构取决于过程，内部可相互交换、规模可变、可移植和可协同工作。2.3 开放式数控系统的特点1) 软件化数控系统内核扩展了数控系统的柔性和开放性，降低了系统成本随着计算机性能的提高和实时操作系统的应用，软件化NC内核将被广泛接受。它使得数控系统

16、具有更大的柔性和开放性，方便系统的重构和扩展，降低系统的成本。2) 数控系统与驱动和数字I/O(PLC的I/O)连接的发展方向是现场总线传统数控系统驱动和PLC I/O与控制器是直接连接的，一个伺服电动机至少有11根线，当轴线和I/O点多时，布线相当多，出于可靠性考虑，线长有限，扩展不易，可靠性低，维护困难，而现场总线用一根通讯线或光纤将所有的驱动和I/O级连起来，传送各种信号，以实现对伺服驱动的智能化控制。这种方式连线少，可靠性高，扩展方便，易维护，易于实现重配置，是数控系统的发展方向。3) 网络化是基于网络技术的E-Manufacturing对数控系统的必然要求。传统数控系统缺乏统一、有效

17、和高速的通道与其他控制设备和网络设备进行互连，信息被锁在“黑匣子”中，每一台设备都成为自动化的“孤岛”，对企业的网络化和信息化发展是一个障碍。CNC机床作为制造自动化的底层基础设备，应该能够双向高速地传送信息，实现加工信息的共享、远程监控、远程诊断和网络制造，基于标准PC的开放式数控系统可利用以太网技术实现强大的网络功能，实现控制网络与数据网络的融合，实现网络化生产信息和管理信息的集成以及加工过程监控，远程制造、系统的远程诊断和升级。第三章 设计方案的选择3.1 选择C语言的原因3.1.1 C语言简介C语言是国际上广泛流行的计算机高级语言。它适合作为系统描述语言，既可以用来编写系统软件，也可以

18、用来编写应用软件。早期的操作系统软件主要是用汇编语言编写的（包括UNIX操作系统在内）。由于汇编语言依赖于计算机硬件，程序的可读性和可移植性都比较差，所以为了提高系统软件的可读性和可移植性，最好改用高级语言。但是，一般的高级语言难以实现汇编语言的某些功能（汇编语言可以直接对硬件进行操作，例如对内存地址的操作、位操作等）。人们希望找到一种兼具一般高级语言和低级语言优点的语言，于是，C语言就在这种情况下应运而生了。一种语言之所以能存在和发展，并具有较强的生命力，总是有其不同于（或优于）其他语言的特点。C语言的主要特点如下：语言简洁、紧凑，使用方便、灵活；运算符丰富；数据类型丰富；具有结构化的控制语

19、句；语法限制不太严格，程序设计自由度大；C语言允许直接访问物理地址，能进行位操作，能实现汇编语言的大部分功能，可以直接对硬件进行操作。生成目标代码质量高，程序执行效率高；用C语言编写的程序可移植性好（与汇编语言比）。基本不做修改就能用于各种型号的计算机和各种操作系统。C语言是结构化语言：结构化语言的显著特征是代码和数码的分离。这种语言能够执行某个特殊任务的指令和数据从程序的其余部分分离出去、隐藏起来。获得分离的一个方法是调用使用局部（临时）变量的子程序。通过使用局部变量，我们能够写出对程序其他部分没有副作用的子程序。这使得编写共享代码段的程序变得十分简单。如果开发了一些分离很好的函数，在引用时

20、我们仅需要知道函数做什么，不必知道他如何做。切记：过渡使用全局变量（可以被全部程序访问的变量）会由于意外的副作用而在程序中引入错误。结构化语言比非结构化语言更易于程序设计，用结构化语言编写的程序的清晰性使得他们更易于维护。这已是人们普遍接受的观点了。C语言的主要结构成分是函数C的独立子程序【4】。在C语言中，函数是一种程序块，是完成程序功能的基本构件。函数允许一个程序的诸任务被分别定义和编码，使程序模块化。可以确信，一个好的函数不仅能正确工作且不会对程序的其它部分产生副作用。但是，并非所有的计算机语言都是程序员使用的，C语言就能。其中的一个原因就是它可以代替汇编语言。汇编语言使用的汇编指令，是

21、能够在计算机直接执行的二进制器码的符号表示。汇编语言的每个操作都对应为计算机执行的单一指令。虽然汇编语言给予程序员达到最大灵活性和最高效率的潜力，但开发和调试汇编语言程序的困难是难以忍受的。非结构性使得汇编语言程序不能在使用不同CPU的机器间移植。3.1.2 汇编语言简介助记符指令和机器指令一一对应，所以用汇编语言编写的程序效率高，占用存储空间小，运行速度快，因此汇编语言能编写出最优化的程序；使用汇编语言编程比使用高级语言困难。因为汇编语言是面向计算机的，汇编语言的程序设计人员必须对计算机硬件有相当深入地了解；汇编语言能直接访问存储器及接口电路，也能处理中断；汇编语言缺乏通用性，程序不易移植。

22、故而，选C语言。3.2 选择模块化设计的原因3.2.1 模块的定义模块是构成产品的一部分，具有独立功能，具有一致的几何连接接口和一致的输入、输出接口的单元，相同种类的模块在产品族中可以重用和互换，相关模块的排列组合就可以形成最终的产品。模块化的产品设计可以达到以下几个目的：满足客户的定制需求；相似性的重用；减少产品工程复杂程度。3.2.2 模块的历史来源模块并不是一个新的概念，早在20世纪初期的建筑行业中，将建筑按照功能分成可以自由组合的建筑单元的概念就已经存在，这时的建筑模块强调在几何尺寸上可以实现连接和互换。然后，模块被引入机械制造业，人们进一步将模块与物理产品的功能联系到了一起，模块具有了明确的功能定义特征、几何连接接口，以及功能输入、输出接口特征。随着计算机软件技术的发展，模块的概念又被用到了非物理产品领域，在软件行业模块的概念被广泛的实践着，大型的软件系统的模块化趋势越来越明显。模块化思想发展到今天，知识管理和传统的模块化之间的界限已经变得有些模糊。模块的演变过程是从单纯的几何结构单元，发展到集成功能单元，又演变成为非物理实体的载体，如知识和软件等。3.2.3 使用模块的目的由于模块具有不同的组合可以配置生成多样化的满足用户需求的产品的特点，同时模块又具有标准的几何连接接口和一致的