数控技术的发展及概述

文献综述
引言
数控机床作为一种高精度的自动化机床，综合运用了电子、计算机、自动控制和机床制造等领域的先进技术，为适应加工技术的发展，数控机床在高速化、高精度化、复合加工、计算机的开放型和联网管理等技术方面取得了很大的进步，其中以单片机技术为核心的机床控制系统在国内工业生产中起着巨大的作用，它很好解决了现代制造中的各种问题。

采用数控机床，提高机械工业的数控化率，是当前机械制造业技术改造，技术更新的必由之路，现代数控机床已成为柔性制造单元（FMC）、柔性制造系统（FMS）以及计算机集成制造系统（CIMS）和无人化工厂（FA）中不可缺少的基础设备。

今后，计算机集成制造、虚拟制造、绿色制造、敏捷制造、并行工程、异地诊断等各种新技术都会与数控技术共同发展，这将成为21
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世纪制造业发展的一个主要潮流。

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数控技术的发展及概述
随着计算机的高速发展，传统的制造业开始了根本性的变革，各个发达国家投入巨资，对现代制造技术进行研究开发，提出了全新的制造模式。

目前数控系统正发生根本性变革，由专用开环控制模式向通用型开放式实时动态全闭环控制模式发展。

在集成化基础上，数控系统实现了超薄型、超小型；在智能化基础上，综合运用了计算机、多媒体、模糊控制、神经网络等多学科技术，数控系统实现了高速、高精、高效控制，加工过程可以自动修正、调节与补偿各种参数，实现在线诊断和智能化故障处理；在网络化基础上，CAD/CAM与数控系统集成为一体，机床联网，实现了中央集中控制的群控加工。

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90年代以来，PC机技术发展迅速，性能价格比不断提高，各个系统制造商纷纷研究基于PC的数控系统]4[，并有大量产品推出。

基于PC的数控系统开创了数控发展史上的崭新篇章，并迅速成为数控市场上的主流产品。

目前世界数控机床消费趋势已从初期的数控电加工机床、数控车床、数控铣床为主转向以加工中心、专用数控机床、成套设备为主。

随着计算机技术、网络技术的日益普遍运用，数控机床走向网络化、集成化，已成为必然趋势和发展方向。

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一个国家数控机床的拥有量是衡量其工业水平的重要标志。

面对日益激烈的国际竞争，要想在市场中占有一席之地，就必须采用先进的数控化设备，以提高技术水平。

就企业而言，提高数控化率有两个途径：㈠投入巨资购买新的数控机床；
㈡对现有的普通化机床进行数控化改造。

对拥有300多万台普通机床的我国来说，普通机床的数控化改造无疑是一条简单可行的途径。

因此，对普通机床的数控化改造也成了人们近年来研究的课题。

一般来说，对现有普通机床进行数控化改造的具体做法是：
㈠改造机械部分：主传动系统一般不作变动，进给传动系统中采用高精度的滚珠丝杠螺母副替换进给轴原有的普通丝杠副；
㈡加装数控系统：机械部分改造完成后，配上MCS-51单片机作为数控系统，用步进电机作为驱动元件，直接或通过一级齿轮减速装置驱动X、Y、6[～
Z轴的运动。

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研究内容及方案选择
鉴于数控机床在机械制造业中起着举足轻重的地位，根据毕业设计的要求和目的以及自己的个人兴趣，本次毕业设计选择题目为“数控铣床工作台仿真实验系统的开发”，其中系统分辨率为0.02mm，工作台范围为X=175mm、Y=175mm，最大移动速度为0.5m/min，传动元件选用普通丝杠螺母副传动，工作台的结构材料选用铝材（加工方便、价格便宜、系统空
载运行）。

通过开发这套模拟实验系统，来模拟数控铣床工作台X、Y轴的运动，对普通机床数控化改造和数控技术的研究有一定的现实意义。

其系统总体框图如图1所示：
图1 系统总体框图
该系统具有一下功能]8[：
⑴可实现两轴控制；
⑵可实现两个坐标方向的直线插补、斜线插补及二次曲线的插补（圆弧、抛物线等）；
⑶空载运行，以及其他功能。

本着设计简单，开发费用低，功能齐全的原则，选择与之相关的元器件并对设计方案进行分析、比较和论证。

1．单片机选择
9[～是集CPU、I/O口及部分RAM为一体的控制器，其性8031单片机]10
能特点如下：
⑴价格低、功能全、体积小，具有良好的性能价格比；
⑵编程灵活性大、开发手段齐全、硬件资源丰富、支持的应用软件多；
⑶在国内经济型数控系统中应用广泛。

8031芯片内部具有128字节的数据存储器RAM，内部的地址为00H～7FH，CPU对数据存储器有很丰富的操作指令，通过直接寻址和间接寻址的方式进行访问。

这128字节单元可作为数据缓冲器、堆栈和工作寄存器。

但应用片内的RAM往往不够，故外接6264芯片来扩展8031的RAM存储器。

8031是一个无ROM / EPROM的单片机，必须扩展程序存储器，存放控制程序，所以要外接一片2764芯片。

8031本身提供给用户使用的输入、输出口线不多，只有P1口和部分P3口用来与外部设备连接，但因外设较多，不能满足需要，所以在应用系统中还要在8031外接一片8155芯片来扩展I/O口。

8031为40引脚的双列直插式器件，有4个双向8位I/O口P0口和P2口作为地址总线使用。

16位地址总线由P0口经地址锁存器74LS373提供低八位，高八位直接由P2口直接提供，八位数据总线由P0口提供，这样数据总线和地址总线共用，ALE为地址锁存允许，当送低八位地址时，使ALE有效并锁存到74LS373中，当送数据时ALE无效。

2.存储器选择
在选择存储器时，要考虑到CPU与存储器的时序匹配，即8031所能读取时间必须大于存储器所要求的读取时间，此外还需要考虑最大读出速度、工作温度及存储器容量。

在满足要求的同时，应尽量选择大容量的芯片，以减少芯片数量，使系统简化。

2764芯片是一种高速，容量为8KB的EPROM存储器电路，读出时间为250ns，而8031选用的晶振频率则为6MHz，读取时间为480ns，满足要求。

2764为28引脚器件，其中A0～A12为13位地址线，D0～D7为8位数据线。

6264芯片是容量为8KB的RAM存储器，集成度很高，该芯片的读取时间为200ns，也为28引脚器件，其中A0～A12为13位地址线，D0～D7为8位数据线。

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3.I/O接口芯片
8155芯片是一个通用的接口电路，具有一片多功能的特点，片内提供的功能：
⑴两个可编程8位并行口A、B和6位并行口C；
⑵256字节的静态RAM；
⑶一个14位减法定时器/计数器。

+5V
图2 8155与LED显示器接口电路
如图2为8155与LED显示器接口电路]12[，8031和8155连接扩展的三个并行接口用于连接键盘、显示器等外部设备，这样的电路简单，能达到设计功能的要求。

4.步进电机驱动电路
步进电机是一种用脉冲信号控制的电机。

在负载能力和动态性能范围
内，步进电机将来自数控装置的进给脉冲输出，电动机的角位移与脉冲控制数成正比，转速与控制脉冲频率成正比。

因此，步进电机已成为经济型数控机床中最主要的一种动力元件。

数控装置送来的一系列连续脉冲通过环形分配器，按一定的顺序分配给步进电机各相绕组，使各相绕组按照预先规定的控制方式通电或断电，以控制步进电机的正传或反转。

所谓脉冲分配器，其作用是实现脉冲分配，通过硬件或软件实现步进电机的运转。

经脉冲分配器输出的脉冲未经放大时电流很小，而步进电机绕组需要的电流很大，所以由脉冲分配器出来的脉冲还需要进行功率放大才能驱动电机。

如图3功率放大电路：]13[
图3功率放大电路
脉冲信号经功率放大器放大后控制步进电机各相绕组。

由于步进电机需要的驱动电压较高，电流引起强电干扰，轻则影响计算机程序正常运行，重则导致计算机和接口电路损坏。

所以，一般在接口电路和功率放大器之间需要接上隔离电路。

如图4为隔离电路：
因此，根据以上论述，由脉冲分配器、功率放大电路、光电隔离电路构成了步进电机的驱动电路。

如图5为步进电机驱动电路原理图：
同时在机床数控化改造中，还应考虑到时钟电路、复位电路等。

总而言之，该系统的设计可以由中央处理器8031单片机、一片只读存储器2764、一片静态存储器6264、一片可编程接口芯片8155、8279芯片以及地址锁存器74LS373和译码器74LS138等组成；此外，还可以设计成为由8255芯片控制电机运转，由8155芯片控制键盘输入和显示器输出；也可以由8031单片机直接控制步进电机，由8155控制系统的输入/输出。

通过分析、比较这三种方案都可以实现系统的功能要求，但以上前两种芯片较多、连线复杂，故采用结构简单的由8031单片机作为主控制系统，2764芯片、6264芯片对存储器进行扩展，另外还有8155、74LS373、74LS138以及键盘、LED 显示部分组成了整套控制系统。

次系统机构简单且开发费用低，基本满足实验系统功能要求。

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5.软件设计
在微机控制系统中，除硬件设备外，还必须配备一定的软件。

软件包括系统软件和应用软件两部分。

软件是微机系统中枢，系统的各个部分都是在软件指挥下进行协调工作的。

系统软件是由制造厂提供的，是计算机进行工作的基本组成部分；应用软件是根据使用的场合由用户自行编制的，这些软件包括：完成某种计算所编制的程序；面向生产过程所编制的程序；以及生产管理程序。

这些控制软件应根据系统功能的要求而设计，采用模块化、自顶向下的设计原则，应使软件可靠的实现系统的各种功能，并同时编制脉冲分配器、直线插补、圆弧插补程序，插补程序是数控系统中一种脉冲分配计算，合理的分配计算能保证数控机床连续的轨迹运动。

在直线或圆弧轮廓加工中，需要X向、Y向驱动电机同时运转，合成所需的运动轨迹，一个脉冲只能沿着坐标轴进给一步，这个距离成为脉冲当量。

本次对插补程序的设计采用逐点比较法插补原理，即进给机构每进给一步，计算坐标位置和它与理想直线（曲线）的偏差，根据偏差的正负来确定下一步X向或Y向电机的走向，使进给电机向减少偏差的方向进给。

与此同时编制脉冲分配器程序框图，完成数控铣床工作台仿真实验系统的基本功能。

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