全自动仪表车床控制器设计

摘要

鉴于目前经济形势走向及国内人力成本不断上升等因素,中国国内制造行业的产业整合速度将进一步加快。原手工制造行业及半手工制造行业将不得不面对产业升级甚至淘汰的难题。但在数控领域,国内长期以来一直偏向于大型数控系统的研发,而在小型、经济型应用场合则缺少大量低成本的自动化生产设备。因此,开发应用于小型、经济型应用场合的低成本全自动车床控制器将具有较大的理论研究意义和实际经济效益。本文提出以W78E516单片机与TMS320F2812数字处理芯片作为系统控制及信号处理核心模块的方法,设计了应用于传统仪表车床的全自动数字控制器,实现了对以步进电机为执行机构的仪表车床的精密控制。该控制器不仅包含了传统大型数控系统的主要功能,同时具有运行可靠,精度高,易于操作且成本低等优点。考虑到低成本的工业要求,本课题中采用单片机与DSP构成控制器的核心硬件平台。针对传统小型数控系统界面操作不直观,编程效率低等问题,设计了U盘读入加工代码,液晶汉字提示加工流程,误操作液晶提示及语音蜂鸣等功能,有效帮助操作员工快速熟悉控制器所有的操作方式。文中提出了一种高效的运动插补算法,解决了应用传统算法时插补速度缓慢的问题,并保证了在插补过程中移动部件的运动路径与插补轮廓之间的误差始终保持在一个脉冲当量之内。本文将主要从系统硬件设计和软件设计两部分详细介绍控制器各个功能模块的实现过程。目前该仪表车床控制器已完成实物原型,正在生产厂家进行性能测试。已完成的测试结果表明,该控制系统方案可行,运行稳定,精度高,操作界面人性化,系统的功能已能满足工业生产的实际需求。

目录

摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 课题背景

1.2 国内外研究现状和发展趋势

1.2.1 国内外研究现状

1.2.2 数控发展趋势

1.3 论文研究目标

1.3.1 数控车床介绍

1.3.2 数控车床的工作过程

1.3.3 课题研究目标

1.4 论文研究内容

1.4.1 全自动仪表车床控制器设计

1.4.2 仪表车床数字控制方法

第二章 系统方案设计

2.1 系统设计要求

2.2 系统的性能和功能指标

2.3 系统方案设计

2.3.1 控制器方案设计

2.3.2 步进电机选择

2.3.3 步进电机驱动器选择

第三章 系统硬件设计

3.1 用户交互单元硬件设计

3.1.1 W78E516 性能特点

3.1.2 外部总线设计

3.1.3 键盘设计

3.1.4 USB 模块设计

3.1.5 液晶显示模块设计

3.2 运动控制单元硬件设计

3.2.1 运动控制单元的选择

3.2.2 TMS320F2812 性能特点

3.2.3 DSP 外围电路设计

3.2.4 系统通讯电路设计

3.3 I/O 单元硬件设计

3.3.1 电机控制输出接口

3.3.2 IO 输入输出接口

第四章 仪表车床数字控制原理

4.1 插补算法

4.1.1 插补算法概述

4.1.2 数字增量插补原理

4.1.3 直线插补算法

4.1.4 圆弧插补算法

4.1.5 螺纹插补

4.2 加工速度控制算法

4.2.1 加工速度控制算法的提出

4.2.2 加减速曲线的设计

4.2.3 单段曲线的速度控制

4.2.4 曲线段间的速度控制

4.3 系统补偿功能

4.3.1 间隙补偿

4.3.2 刀具补偿

第五章 系统软件设计

5.1 系统软件设计概述

5.2 运动控制单元软件设计

5.2.1 G 代码的解析

5.2.2 插补算法的实现

5.2.3 脉冲产生的实现

5.2.4 速度控制的实现

5.2.5 补偿功能的实现

5.3 用户交互单元软件设计

5.4 通信协议的制定

5.5 自诊断功能

第六章 系统性能测试

6.1 速度测试

6.2 精度测试

6.3 补偿功能测试

6.4 I/O 测试

6.5 综合加工测试

第七章 总结与展望

7.1 总结

7.2 展望

参考文献

附录

致谢

攻读学位期间发表的学术论文