学位论文—基于运动控制器的数控转塔冲床camcnc系统设计论文.doc

济南大学毕业设计
1 前言
1.1 数控转塔冲床概况
现代板材加工中使用的数控冲床属于压力加工机床，主要用于板材的加工，例如冲孔、拉伸及裁剪。不论多么复杂的平面钣金工件都可以在数控冲床上面完成其所有孔和外形轮廓的冲裁等加工。基于数控冲床的无法比拟的优点，所以在实际中应用相当广泛。
近年来，我国在数控冲床领域发展较快，数控冲床的保有量也在不断提升，数控冲床的种类也在不断完善。目前，我国使用的数控冲床大多数都是数控转塔冲床，按照驱动冲头工作的原理可以把数控转塔冲床分为以下三大类：
第一类是机械驱动的数控转塔冲床，它是通过一个主电机带动飞轮做旋转运动，由离合器的离合运动，从而控制冲头的冲压，这类数控转塔冲床有其自身的优点，就是它的结构简单、价格较低、经济实惠、操作简便，工人师傅比较容易上手。但是这类冲床也有很多缺点。由于是机械式数控转塔冲床，所以必须等飞轮完成一圈的运动，才可以完成一次冲压，这样冲压行程固定不变，冲头来回的时间固定不变，冲压速度也就固定不变，所以无法提高；在冲压过程中无法控制冲头的运动，所以不宜得到复杂的冲压成形，只有通过调节模具才可以实现，但是这样一来就造成了较大的劳动量，使效率降低。
第二类是液压驱动数控转塔冲床，随着科技的不断进步，数控转塔冲床也在不断更新换代，因此液压式数控转塔冲床应运而生，它的结构形式得到了很大的改进，所以在板材加工行业很快就得到了广泛的应用。它驱动冲头的运动主要是通过液压系统完成的，对冲压控制是通过系统自带的伺服阀来完成的，因此冲头冲压的速度比之前的第一类数控转塔冲床有了很大的提高；其次，我们可以自由控制液压缸在冲压过程中的行程，这样就使我们更加容易的控制冲头，从而更方便有效的调节冲头模具，同时它对工人师傅的要求不高，操作方便。不过这类机床也有一些不好的地方，首先，由于采用了液压驱动的方式控制冲压过程，所以对环境要求比较高，必须保持液压油的干净，同时还应保证液压油的温度不能太高或是太低，否则影响冲床的性能；再者，耗能较高，比一般的冲床行能都要多；另外，液压油需要经常更换，并且不易放置，占地较多。
第三类是伺服电机驱动数控转塔冲床，经过不断的发展改进，前两种冲床的性能都有了很大的提高，但是仍然存在不足之处，所以广大厂家努力研发了更新一代的数控转塔冲床，就是由伺服电机直接驱动的数控转塔冲床。伺服电机可以自由控制冲压过程，停止冲压的时候电机也停止，这样就节省了很多能耗，比液压式的冲床节能很多；由于伺服电机的引入，所以工人可以更加容易的调节冲压行程，因此我们可以更加方便的调节成型模具；伺服电机数控转塔冲床没有很高的环境要求，也很环保节能，符合现代社会发展的理念；另外，它的设计结构紧凑，不会占用很大的空间。
综上，前两种数控转塔冲床虽然有着其自身不可比拟的优点，但是其发展前景并不是很乐观，它们的发展不符合当今社会的环保节能的思想，由于伺服电机驱动式的诸多优点，加上其可靠的节能效果，所以伺服电机驱动式数控冲床将会是板材加工行业的主流。
1.1.1 数控冲床发展史
1932年美国威德曼公司发明了R2型手动多工位冲床，并应用于板材的加工，由于其在板材加工上的很多优点，从此以后冲床在板材加工行业得到了广泛的应用，同时由于科技的不断进步，冲床的性能和结构上也在不断改进，越来越符合现代加工业的发展需求。但是人们还不仅仅满足于手动操作，所以数控冲床也就应运而生，数控冲床的开发始于上世纪五十年代，毫无疑问美国是当时制造行业的老大，所以1955年美国研制成功了第一台数控冲床，并成功应用于板材加工，还可以对复杂的曲面进行操作。我国也不甘落后，努力发展以提高自己的制造业水平，因此在1958年我国与日本同年研制出首台数控冲床，之后由于种种原因，我国的在数控冲床领域发展缓慢，但是我国数控冲床的发展大致上经历了一下三个阶段，分别是：①1958-1960研制阶段，②1962-1965生产阶段，③攻关阶段，直到1979年，我国数控冲床的发展还是没有很大起色。相反，日本在此阶段抓住时机，经过周密合理的规划，对科研大力投入，稳步的前进，同时日本也在大力发展生产的自动化，两者实现了完美的配合，从而使得数控冲床的开发更加迅速。
近些年来，世界范围内的科学技术水平都在不断提高，各国的科研投入都在不断加大，各国对数控机床开发的投入也在不断提高，所以数控冲床不断更新换代，许多技术难题不断被攻克，更加方便、高效、经济、节能、环保的数控冲床相继问世。我国在改革开放之后，大力引进国外先进数控技术，在吸收借鉴的基础上，完成了数控冲床的自主研发。特别是最近几年，我国的数控冲床领域不仅在保有量上占有领先优势，而且在技术含量上也在不断提高。相信在不远的将来，我国在数控冲床领域一定会有长足进步。
1.1.2 国内外数控转塔冲床发展现状
在钣金加工领域，随着科技的发展，数控冲床自问世以来得到了长足的发展，有其是数控转塔冲床的出现，进一步为板材加工行业注入了新鲜的活力。由于国外企业大都起步较早，所以他们数控转塔冲床的开发、设计、制造工艺等方面比较成熟。例如，日本AMADA公司开发的VIPROS-2510C、APIRS255M和EI、12510NT型是2004年研制的最新机型，它是通过双伺服马达直接驱动的高速数控转塔冲床；芬兰的Finnpower公司生产的E5-25型数控转塔冲床具有“百米千次”的性能，并且具有运动精度高、刚度大、功率大、抗震性强、耐磨等特点；意大利ITEK公司生产的INVICTA2000型数控液压冲床，其冲压次数可以达到3000/min。
从上述例子可以看出，国外数控转塔冲床领域还占有很大的优势，技术比较先进，发展速度较快。我国的数控转塔冲床的发展水平相对较低，还有很大缺口需要改进，为了解决这一僵局，自2000年起，我国加快发展速度，积极与国外先进制造业的国家开展合作，如日本、德国、美国等制造业强国，学习他们的先进产品配置方式，借鉴并吸收他们的先进技术经验，经过努力的发展，我国的数控冲床产品在品种上有了较大的提高，取得了可喜的成绩。据统计，目前为止，国内有几十家专业企业从事钣金数控设备的开发生产，可以自主制造数控激光切割机、数控转塔冲床、数控送料机等先进的数控设备。总体来看，国产数控转塔冲床在品种上已经更加多样化，在技术性能指标及制造水平上也不断改进，在借助国外先进配套部件的基础上，国产数控转塔冲床制造企业已经开始走向商业化的道路，不仅能够满足绝大多数国内用户需要，而且还出口到亚非拉等国家。但是，我们知道，国内数控转塔冲床的发展起步较晚，技术水平相对落后，配套设备跟不上，同国际知名厂家相比，还有很大的差距。主要表现在自主创新能力不强、机床品种仍然较少、技术性能指标较低、制造工艺水平不强。目前，我国的数控转塔冲床结构设计还不是很合理，如设计周期长、结构组件冗余、材料用量大，并且设计方法不够科学、过于保守，由于以上的发展弊端，致使国内产品与国外相比，无论在质量上、成本上和效益上都不占优势。随着科学技术不断进步，计算机和电子技术的有机结合使冲床的发展更有生命力，所以对我们的设计提出了更高的要求，数控冲床在向着完善化、最优化、过程动态化、自动化、柔性化、加工高速化、效率最大化的方向不断迈进。只有这样，我国冲床产品的质量才会增强，国际竞争力才会提高，我国的民族产业才会不断向前发展。
1.1.3 数控转塔冲床的工作原理
数控转塔冲床集机、电、液、气一体化，是在板材上进行冲孔加工、浅拉伸成型的压力加工设备。它是由电脑控制系统、机械或液压动力系统、伺服送料机构、模具库、模具选择系统、外围编程系统组成。
数控转塔冲床通过相应的编程软件编制加工程序，并由伺服送料机构将板料送到需要加工的位置，并夹钳进行定位固定，同时模具选择系统选择模具库中相对应的模具，液压或是机械动力系统按照已经编制好的程序进行冲压，从而自动完成工件的加工。
数控转塔冲床是由计算机来控制工件断续推进，当工件停止时，冲头完成一次往复行程，然后停在上止点，再控制工件推进一步，按步骤连续循环加工，同时也可以按照需要调整级进速度等。通过自动编程，可以对板材进行X、Y方向定位和精确定位。通过自动选择转盘模具库中的模具，按照加工要求，自动加工不同尺寸和孔距的孔，也可以用小的冲模以步冲方式来冲压大的圆孔、方形孔、腰形孔及各种形状的曲线轮廓，除此之外，还可以进行特殊的工艺加工，如百叶窗、浅拉伸、压窝、翻边孔、加强筋、步冲成形、步步冲弯边、压印及标志空等。
数控转塔冲床中采用圆形冲头和矩形冲头的最多，它是一种纯冲切模，只要是冲切，不论大孔、小孔及外形如何，它全以冲孔的方式加工，如果图样和刀口的冲头一样，它就直接冲出，如果超出设备冲头，就分为多次冲出，圆形的近似逼近，异形的就分多次冲出，一点一点冲掉多余部分。
数控转塔冲床的运动轴（如图1.1所示）

图1.1 数控转塔冲床主传动

1）X轴—将工件沿垂直于床身长度方向移动的伺服驱动轴
2）Y轴—将工件沿垂直于床身长度方向移动的伺服驱动轴
3）A轴—旋转转塔型刀具库旋转模具的旋转轴
4）C轴—模具自动分度的旋转轴，可以任意角度旋转模具
数控转塔冲床的加工方式：
1）单冲：单次完成冲孔，包括直线分布、圆周分布、栅格孔的冲压；
2）同方向连续冲裁：使用长方形模具部分重叠加工的方式，可以进行加工长型孔、切边等；
3）多方向连续冲裁：使用小模具加工大孔的加工方式；
4）蚕食：使用小圆模具以较小的步距进行连续冲制弧形的加工方式；
5）单次成形：按模具形状一次浅拉伸成型的加工方式；
6）连续成形：成型比模具尺寸大的成型加工方式，如大尺寸百叶窗、滚滚筋、滚台阶等加工方式；
7）阵列成形：在大板上加工多件相同或不同工件的加工方式。
1.2 运动控制器概况
运动控制就是对机械运动部件的位置、速度、位移等进行实时的控制管理，使其按照预期的运动轨迹和规定的运动参数进行运动[9]。早期的运动控制技术并不是十分的成熟，随着数控技术、机器人技术和工厂自动化技术的发展和对运动控制的要求，运动控制逐渐进入人们的视野。
广义上来说，运动控制可以帮助我们更加灵活方便的使用电动机而不需要太多的能耗，最大程度满足我们的应用需求。运动控制有它一些特有的高级功能，人们可以通过模块搭建来高效的实现运动控制的应用，已解决一些加工过程中必须解决的问题，例如，如何实现精确定位问题、如何实现多轴同步的问题，以及如何实现制定运动控制过程中的速度、加速度和减速度的问题等。因为大多数电动机的是工作在瞬时的环境中的，它的每一步都在不断变化着的，所以就要求具有运动控制功能的设备必须适应不同的负载情况和动态变化的条件，不仅如此，还应具有一些复杂的控制算法和反馈信息的功能。由于要实现精确地运动控制，所以对运动控制的要求一般比较严格，操作过程中的安全性能是最重要的，所以，运动控制中还具备一些安全保护特性，如限位开关，可以有效的防止事故的发生。
从结构上看，一个典型的运动控制系统的硬件主要是由上位计算机、运动控制器、功率驱动电动机、传感器反馈检测装置和被控对象等几部分组成（如图1.2所示），其中为被控对象提供动力的主要是电机和功率驱动设备，同时还将负载运行情况反馈给控制系统。

图1.2 运动控制系统及其组成

1.2.1 运动控制器的分类
自上世纪八十年代初期以来，通用运动控制器就已经应用在了国外的很多行业，并且获得了不错的效果，特别是在微电子行业的应用更是广泛，由于当时国内技术还比较落后，经济还不发达，没有许多人力财力去研究这一领域，所以运动控制器在国内的应用规模和行业领域都很小，国内也没能开发出运动控制类的产品。1999年，固高科技有限公司开始大力从事开发、生产开放式通用运动控制器产品，并且价格便宜，从而打破了国外垄断这一行业的状况。随着不断的发展壮大，逐步完善研发体系，迅速的开发出了一些列中高端的运动控制产品。
目前，国内运动控制器生产厂家所能提供的产品大致分为以下三类：第一类是以单片机或微处理器为核心的运动控制器，它控制运动的精度虽然不高，不适用与精确运动控制的场合，但是成本较低，在一些低速点位的运动控制要求的场合还是比较实用的。第二类是以专用芯片作为核心处理器的运动控制器，这一类运动控制器只能输出脉冲信号并工作于开环的控制方式下，它的结构较为简单，对单轴的点位控制场合基本满足要求，但是目前大多数加工过程使用的机床都是多轴协调联动，所以就无法实现这一多轴运动控制。在模具雕刻的场合，很多模具都需要具有连续插补的功能，但是这类控制器没有精确的连续插补功能。第三类是基于PC总线的以DSP和EPGA为核心处理器的开放式运动控制器，它是以PC机作为数据信息的处理中心，运动控制器嵌入PC机中，这样就实现了PC机的处理能力与控制器的控制能力相结合，从而增强了数据信息的处理能力，更加便于我们开发系统，并且对运动轨迹的控制非常精确，兼容性也很好。它内部的芯片可以实现数据的高速处理，高效的完成运动控制任务。对于实时插补、误差补偿等复杂运算更加快捷，同时还可以实现多轴的协调联动。
1.2.2 运动控制的形式
根据运动控制器的特点和应用领域的不同，我们将运动控制主要分为以下几种形式：
（1）点位运动控制：这种运动控制的特点是只对终点位置有要求，与运动的起点及运动轨迹没有关系。所以就要求运动控制器具有敏捷的定位速度，保证运动部件及时准确的停在指定位置，这种运动控制在运动的加速阶段和减速阶段分别采用不同的加减速控制方式。在加速运行时，往往需要提高系统增益并加大加速度，以使运动部件快速加速到设定速度，在减速末段采用S曲线减速的控制方式，以准确停止运动。
（2）连续轨迹运动控制：又被称为轮廓控制，主要应用于传统数控系统、切割系统的运动轮廓控制。相应的对运动控制器提出了高的要求，首先必须在高速运动的情况下，既要保证加工过程中的轮廓精度，还要保证刀具沿轮廓运动时切向速度的不变。
（3）同步运动控制：是指多个轴的相互协调联动的运动控制，这种形式的控制可以在加工的全过程中实现，也可以在运动过程中的局部阶段有速度同步，这种运动控制主要应用在需要有电子齿轮箱和电子凸轮功能的控制系统中。它采用自适应前馈控制，从而抑制了干扰，有效的保证了多轴的同步运动。
2 总体设计
2.1 总体结构设计
根据设计任务要求，基于运动控制器的数控转塔冲床总体结构如图2.1所示，主要包括以下几个部分组成：

图2.1 基于运动控制器的数控转塔冲床总体结构

（1）操作部分，包括显示屏、按键、操作面板，其中显示屏可以直接从市场上购买，而且价格比较合理，按键与操作面板的设计将会在第三小节中做具体详细的介绍；
（2）控制部分，包括主机、运动控制器、端子板，其中主机可以使用普通的台式电脑，对运动控制部分的设计，我们采用了深圳固高公司生产的运动控制器，具体的设计方法及使用将会在第二小节中做具体介绍；
（3）执行部分，包括驱动器、控制轴运动的电机。
按照设计任务的要求，需要完成的任务主要有操作面板功能设计、按键与旋钮的编码电路设计、NC代码解释和运动仿真。首先，充分了解运动控制器的工作原理，内部结构及接线方法，根据我们的需求，选择合适的运动控制器作为我们设计的运动控制系统主要组成；其次，根据冲床的工作原理、工作过程及冲头的运动，并参考数控冲床的技术资料，设计出合理的操作面板，面板功能主要包括：加工功能、状态功能、运动功能，确定各个功能键的数目，然后根据设计原则，选择经济合理的方式完成对数控冲床操作部分的设计；最后，编写一段NC代码程序并对其进行解释，把程序代码变成驱动电机运动的加工代码，从而完成设计任务。
2.2 运动控制器的选择
根据数控转塔冲床控制部分设计要求，我们选择深圳固高公司生产的GT-400-SP-PCI-G型运动控制器，其中GT为该运动控制器的系列号；400代表该运动控制器可以最多控制四个轴的运动，而数控冲床的主动轴为两个，所以完全满足我们的设计要求；SP表示信号的输出类型为脉冲量输出，符合数控冲床的点位控制要求；PCI表示总线类型是PCI型，可以和我们的PC机兼容；G代表接口板类型为标准型，由于我们不需要特别的要求，所以选择一般的标准类型就可以满足要求。
我们所购买的运动控制器提供了C语言函数库和窗口动态链接库，当我们编程时，可以调用这些库函数，也可以和我们编写的数控冲床加工程序集成在一起，很好的完成数据处理、用户使用等要求。
2.1.1 电机控制系统设计
电机控制系统的设计需要完成各部件的合理连接等任务，我们的电器控制系统主要包括：运动控制器、端子板、电机、驱动器、驱动器电源、限位开关等。我们选用交流伺服电机作为设计用电机，同时选择合理的驱动器及配件；运动控制器根据我们选用的驱动模式，输出脉冲控制信号，并通过开环的控制模式，输出需要的正脉冲/负脉冲控制信号，以此来控制电机的运动。
阅读GT系列运动控制器的用户手册，我们知道典型的控制系统接线图和端子板接线口功能，根据我们的设计需要，对我们选用的GT-400-SP-PCI-G型运动控制器进行了合理的接线，将运动控制卡插入主机中，连接端子板和电机，然后对运动控制器进行调试，经过检查改正，最后符合我们的设计要求，达到预想效果。
2.2 操作面板功能设计
在数控转塔冲床中，手动操作面板总是不可或缺的，其方便快捷，并有独特的优点是：
1）有的输入量是互斥的，不能有误操作的，可以由机械的互锁关系来保证要求；
2）键的闭合或是断开用电平触发不同状态，而不是用上升沿或是下降沿触发不同状态；
3）可以进行多个状态同时输入的操作，并可以可靠的做出相应的反应；
4）可以对设备当前的状态进行提示，如使用信号灯、发光二极管等。
现在数控系统的开发大多将手动操作面板的输入/输出作为开关量I/O的一部分，统一有主机或是CPU进行控制。为此，根据数控转塔冲床的工作原理和实现的功能进行设计，绘制出数控转塔冲床操作面板按键功能图，如图2.2所示。

图2.2 数控转塔冲床操作面板按键功能

主要按键功能介绍：
“X+、X-”键：冲床工作台上工件沿X轴做左右运动
“Y+、Y-”键：冲床工作台上工件沿Y轴做前后运动
“T+、T-”键：冲床模具沿顺时针或逆时针旋转
“~”键：按下此按钮，各个运动轴快速进给
“单冲”键：完成一次冲孔，包括栅格孔等
“连冲”键：一次完成比模具尺寸大的冲压过程，如大尺寸百叶窗等
“循环冲”键：循环进行冲孔操作
“蚕食”键：小圆模具以较小的步距进行连续冲制弧形
“阵列”键：加工多件相同或不同工件
“连冲停止”键：冲床停止加工
“夹钳夹紧、夹钳松开”键：夹钳夹紧或松开，以装夹并固定工件
“换刀夹紧、换刀松开”键：自动更换模具
“手动选刀”键：手动选择模具库中的刀具
“自动运行”键：自动运行冲床，按下此按钮时，其他按钮使用
“自动定位”键：自动使装夹好的工件进行定位
“程序编辑”键：输入或修改加工程序
“机床回零”键：各个运动轴回到初始状态
“空运行”键：程序在机床不装载被加工件的条件下运行
“机床锁住”键：机床的各个运动轴无轴向移动
“机床状态”旋钮：包括自动、手动、回零、机床锁住等功能
“倍率”旋钮：包括0%、25%、50%、75%、100%进给倍率
2.3 按键与旋钮编码电路设计
数控转塔冲床的操作面板功能设计完成后，由于实际需要的I/O口数超过了所购买的端子板上的I/O口数，所以需要找到一种合适的方法进行I/O口的扩展，以满足数控转塔冲床的功能需要，为解决这一问题，首先要明白操作面板的工作原理及运动控制器的工作过程，知道运动控制器是如何控制电机运动的，所以我们必须理解操作面板的电路原理图、运动控制器的接线图及其端子板的内部连线图，因此要进行按键与旋钮的编码电路设计，并按照设计任务要求，设计了两种方案。
2.3.1 增加端子板扩展输入口
方案一，如图2.3所示，这一方案的主要思路是用增加端子板的方式来扩展I/O口数，目前，我们所拥有的端子板输入口数是16个，而根据设计的数控冲床面板功能，需要的输入口数为40个，为了满足要求，我们用增加端子板的方式来增加输入口数，所以还需要两个端子板才能满足所需的输入口数。

图2.3 方案一：增加端子板以扩展I/O口

这一方案的优点是：简单方便、省时省力，可以直接购买端子板进行接线，但是不足之处是价格较贵、不经济，目前市场上端子板的价格比较贵，从经济的角度考虑的话，采用这一方案不够科学。为了使经济上和可靠性上都能满足要求，我们必须找到其他的方法来解决这一问题。
2.3.2 单片机进行I/O扩展
方案二，如图2.4所示，以单片机来扩展输入口，操作面板按键信号输入单片机，经过主机编码将信号传给运动控制器，从而控制电机的运动，这一方案简单，可以节省很多成本，也可以满足所需要求，所以选择此方案作为本次按键与旋钮编码电路的设计。下面对单片机扩展电路设计做详细的介绍。

图2.4 方案二：以单片机扩展输入口

（1）单片机的选择及其电路原理图：
根据设计任务要求，选择方案二，用单片机进行扩展输入口，由前面操作面板功能设计可以知道，要进行I/O口扩展，需要最少40个I/O口的单片机。目前市场上这种类型的单片机比价多，综合考虑性能、经济等方面的因素，为满足要求，这里选择C8051F020型单片机。
我们选择的C8051F020型单片机是完全集成的混合信号系统级MCU芯片，它具有64个数字I/O引脚；片上的VDD监视器、看门狗定时器和时钟振荡器可以独立工作；所有模拟和数字外设均可由用户固件使能/禁止和配置；FLASH存储器还可以使系统重新编程，从而可以有效的防治易失性数据的丢失，而且还可以现场更新8051固件。其中CIP-51与MCS-51指令集完全兼容，所以可以使用标准的汇编器和编译器进行软件开发CIP-51内核包括5个16位的计数器/定时器、两个全双工UART、256字节内部RAM、128字节特殊功能寄存器及8个字节宽的I/O端口，输入输出口数完全满足我们的使用要求。
片内编程调试电路可以使用安装在最终应用系统上的产品进行非侵入式（不占用片内资源）、全速、在系统调试。此调试系统支持观察并修改存储器和寄存器，支持断点，观察点、单步、运行及停机命令。在进行编程调试时，所有模拟和数字外设都可以全功能运行。根据以上C8051F020的特点，可以完全满足我们的设计要求。
C8051F020内部的每个芯片都可以在工业温度范围内使用，并且可以使用我们现有的3.3V电源电压，能够正常工作；端口I/O、复位引脚及编程引脚都允许使用5V的输入信号电压。
根据C8051F020芯片的用户说明书和我们的设计需求，其电路原理图如图2.5所示，其中图的右上角所示的电路为晶振电路，右边电路为复位电路。

图2.5 C8051F020单片机原理图

（2）串口模块设计及其原理图：
根据设计任务要求，设计的单片机还需要与主机建立联系，所以要进行串口模块设计，以实现单片机与主机的信息交互，使用户能够方便快捷的对单片机进行操作，为了满足要求，这里选择MAX232串口芯片。MAX232芯片是由美信公司专门为电脑的RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片，可以使用+5V电源供电。
MAX232串口芯片的性能优越，首先，符合所有的RS-232C技术标准，并且只需要单一+5V电源供电；其次，片载电荷泵具有升压、电压极性反转能力，能够产生+10V和-10V电压；再者，功耗低，典型供电电流5mA，内部集成两个RS-232C驱动器和RS-232C接收器。此外，该芯片的集成度很高，片外只需要4个电容即可工作。使用方便，寿命较长，可以长时间稳定的运行。
根据MAX232系列芯片的用户手册，所需要的电容都选择0.1μF的电容，其他管脚按手册进行接线，绘制出本次设计所需要的串口模块，如图2.6所示。

图2.6 串口模块电路原理图

（3）电源模块设计及其原理图：
根据设计任务要求，为了使单片机正常工作，需要一个稳定的供电电源，但是目前我们所使用的电源电压或高或低，无法满足我们需要3.3V的要求，所以我们必须设计一个电源模块进行电压的调整，综合考虑性能、经济、可靠性及稳定性等方面的因素，我们选用特瑞仕公司生产的多用途XC9220系列的降压DC/DC转换器，该芯片使用简单、方便，芯片外围需要配置一个开关管，一个电感，一个二极管和两个电容，就可以获得高效、稳定的，输出电流达到3A的电源，从而可以高效的为单片机供电。
选择该芯片，其输入电压范围为：2.8V~16V，根据实验条件，我们选择+12V的输入电源，输出电压为3.3V，满足我们的C8051F020单片机的用电要求，工作频率选择较小的频率300kHz，控制方式选择固定PWM控制方式，其封装号为SOT-25。根据应用电路图可以设计出单片机电源模块，如图2.7所示。

图2.7 电源模块电路原理图

（4）程序接口设计：
编程模块的设计采用了传统的具有020JTAG接口芯片的方式设计，接线口有4个，分别为TMS020、TDI020、TDO020、GND，次芯片可以实现在线编程，大大的加快了工作进度，其电路原理图如图2.8所示。

图2.8 编程模块电路原理图

（5）按键与旋钮电路设计及其原理图：
根据设计任务要求和前面设计的操作面板功能，包括数控转塔冲床的主要功能和辅助功能一共需要32个按键，所以选择32个开关按钮作为操作机床的控制按钮，电路原理图如图2.9所示。

图2.9 按键电路原理图

旋钮的电路设计和按键的电路设计基本上相同，不过旋钮电路没有按键，而多了个 ，其电路原理图如图2.10所示。

图2.10 旋钮电路原理图
2.4 NC代码解释
我们对NC代码解释，主要任务是将文本格式表示的工件加工程序，以程序段为单位转换成后续程序所需要的数据结构或是格式。具体的说，就是将我们编写的程序转化为机器可以识别的加工代码程序。我们NC代码解释部分的设计是数控转塔冲床软件部分的核心，为了使数控转塔冲床有较高的工作性能，我们必须对其进行合理的设计。我们编写的数控加工程序实质上就是一种编程语言的编写，我们用其他高级语言对其进行解释，运用编译原理的办法，获得机器可以识别的数据信息。最终完成加工过程。
2.4.1 NC代码解释原理
NC代码解释是数控加工过程中的一个重要组成部分，它以词法、语法规范和加工顺序为基础，一步一步的检查并解释NC代码，最终把数控冲床的NC代码程序所代表的加工过程转化为实际运动过程，从而驱动模具的冲压过程。其主要目的是对NC代码程序做正确的解释和语法错误的检测，通过这一过程，从中获得对加工过程有用的数据信息。例如，NC代码指令G00、G01、G02等，辅助指令M可以忽略或是显现出来，然后将这些代码指令翻译成需要的数据信息，以确定仿真模块中模具变化的运动过程和运动的起止位置，从而作将这些信息读入运动仿真模块，并作为其仿真过程的重要信息。
对于本次系统设计，翻译和检错是加工过程中对NC代码的解释的要求，当然数控冲床系统设计也是必不可少的。首先，NC代码的翻译就是获得各个部件运动的相关命令和状态信息，这些信息都需要从NC代码中找到。我们可以把变化的数据分割成许许多多的时间段，这些时间段是以位移和速度的改变为基础的，然后数控冲床每个时间段的位移量可以算出，从而数控冲床也就完成了加工过程，这样，NC代码解释下的运动过程仿真就完成了。其次，NC代码查错就是按照加工规范检查NC代码是否有错的过程，我们根据规定的数控系统编程原则和一般常识性的加工规范，整体分析NC代码的语法、词法和语义，系统的检查NC代码中是否含有这些错误，若是没有，则进入翻译阶段。
2.4.2 NC代码解释的总体结构
我们目前所学的计算机高级语言，要想使其运行，都要将其翻译成目标程序方可运行，大多数的编程就是这个过程。编译过程有很多步骤，我们从语法、词法、语义三个方面进行分析，生成中间代码及目标代码，优化代码。对NC代码进行解释也是一个编译过程，我们所编写程序命令分为的执行阶段和编译阶段，也就对应了NC代码解释的翻译和检错的过程。我们都知道，数控语言的编写过程相对来说比较容易，我们直接使用高级语言开发程序，并做后续处理，很好的集成了控制系统，并且具有较高的使用价值。本设计系统在解释NC代码时，其对数控冲床的加工程序是逐行进行的，从而实现代码驱动冲压的过程。NC代码解释的流程图如图2.11所示。
首先，对词法的进行分析，检查所编写的数控冲床程序段是否有一些基本的错误。其主要检查程序代码中有无以数字或非法字符开头的程序、非坐标功能字是否出现在了负号前面、非数字是否在负号的后面、数字是否出现在小数点前面、字母后面的数据是否完整，有误缺失等。其次，对语法进行分析，它是建立在词法分析的基础之上，我们编写的程序按照数控冲床运动的规则，逐行检查数控代码的正确性，并且高级的语法错误是否出现在代码段中。以检查代码段中是否有不合法的指令代码，重用了功能相同或功能不同的指令代码，不正确的圆弧数据，位置指令不在加工指令中等。最后，程序执行编译，我们设计的程序会是系统在模拟加工过程中数控程序运行时提取信息，并将其翻译成必要的加工信息，如数控程序指令和参数设置等，这样才能使我们的仿真系统正确运行。这个过程就是对经过前两部检测的数控程序执行翻译，数控程序在这个过程中被翻译成为正确的加工程序，这个程序可以控制冲床的各种形式的运动，从而为下一步的加工过程做准备。
编写好的NC代码被保存到文件中，然后将文件读入系统中，这样系统就可以从文件中获得NC代码程序，并对其进行处理。系统开始以字符的形式保存这些代码程序，然后根据设定好的格式转换成相对应的数据信息，并对这些数据信息做数学处理，以提取出对加工有用的信息。例如，我们常见的G00 X225.120514 Y277.487167指令，其参数X和Y后的数值就是定位点的坐标，定位点坐标为（225.120514,277.487167）；又如直线插补G01 X325.067044 Y277.487167指令，其参数X和Y后的数值就是直线插补的终点坐标，终点坐标为（325.067044，277.487167）；还有G02、G03指令，圆心坐标的确定需要有圆弧的走向、终点坐标、圆弧的半径。G代码在数控程序中的地位相当重要，机床的功能和设置几乎都是由它来控制的，为了便于我们的设计，所以我们必须对这些NC代码进行正确的解释。下面给出一段程序段，做简要解释。
%X800Y480
T1 D4.000000
S 2.000000
G00 X225.120514 Y277.487167
G01 X325.067044 Y277.487167
G01 X325.067044 Y210.079152
G01 X225.120514 Y210.079152
G01 X225.120514 Y277.487167
G00 X648.750460 Y260.012254
G02 I-79.682898 J0.000000
G00 X565.791072 Y84.490872 M80
G00 X578.225468 Y84.490872 M80
G00 X578.225468 Y76.284730 M80
G00 X565.791072 Y76.284730 M80
T4 U6 V8
S 4.000000
G00 X280.921117 Y85.863283
G01 X401.458352 Y85.863283

图2.11 NC代码解释流程图

2.5 数控加工过程仿真设计
根据我们所了解的，数控冲床的加工过程是通过NC程序来控制数控冲床来完成的。在正式加工之前，必须检查NC程序的正确性，这样才能更高效的完成加工任务，所以，为了保证NC程序的正确性，我们设计了数控加工仿真系统。数控加工过程仿真技术是利用计算机来模拟真实的数控设备工作环境，进行模拟加工的过程。这一系统必须以计算机和数控加工技术为基础，包含了计算机图形学、人工智能及虚拟现实等。我们利用这一技术对加工的全过程进行动态模拟仿真，可以获得与加工过程相似的真实感，相对真实的看到数控冲床模具的运动轨迹和待加工工件成形过程，从而更加直观的检查数控加工程序，准确把握加工过程。同时在模拟仿真过程中，我们校验加工代码的正确与否，从而有效防止了刀具与工件、夹具、冲床之间的干涉和碰撞，从而清晰明了的呈现了加工模具的工作过程。
数控加工过程的模拟仿真主要有两种方式：对CL文件进行模拟仿真和对NC代码程序进行模拟仿真。本设计采用的是NC程序代码的模拟仿真，它可以检测刀具运动轨迹的正确性，并判断加工参数选择的合理性等。由于数控程序代码直接驱动数控机床的运动，所以基于NC代码的数控程序模拟仿真更接近于实际，下面主要对NC数控代码模拟仿真做具体分析。
仿真开始后，系统会对读进来的NC代码程序进行编译，以得到系统可以识别的加工语言，同时系统根据设定好的程序获取模具库信息、设置参数等，然后系统自动开始二维的实时仿真，我们可以通过显示屏来观察这一过程，在显示屏上我们能过清晰的看到，冲床模具的运动轨迹，冲压成形的形状，是否有碰撞干涉等不合理的加工，基于NC代码的数控程序运动过程仿真的工作流程图如图2.12所示。
该模块的具体功能为：
（1） NC程序检测、编译解释；
（2） 对加工对象的状态进行仿真；
（3） 显示机床部件及刀具的运动位置及运动轨迹；
（4） 对刀具、夹钳、工作台之间的碰撞及干涉情况进行实时检测；
（5） 显示自动换刀的过程。

图2.12 数控程序运动过程仿真的工作流程图

2.6本章小结
这一章节主要是对基于运动控制器的数控转塔冲床的总体设计、面板设计、按键与旋钮编码电路设计等做了详细的介绍，对NC代码解释和运动仿真的设计做了简要的介绍，从多个角度对数控转塔冲床的系统设计做了合理的分析。
3 结 论
本次设计是基于运动控制器的数控转塔冲床的系统设计的一部分，它基于运动控制器，并对数控冲床运动进行的更深一层的开发，从而更加高效的利用数控冲床设备，以完成精确快速加工的目的。
根据设计任务要求，本着合理、经济、节能、环保的理念，本次设计主要完成了以下四个方面的任务：
总体方案设计，包括操作部分、控制部分及执行部分的合理安排，充分考虑了冲床的加工过程，以使三个部分实现有机的结合。做到了布局的合理化；
操作面板功能设计，主要是根据冲床的工作原理和加工过程，设计数控冲床操作面板的各个功能，然后合理安排各个功能在面板上的位置，做到省料美观，便于机床工人的操作；
按键与旋钮编码电路设计，主要是对输入/输出口进行扩展，利用编码的原理，选择合适的单片机，合理设计了电路原理图，实现了I/O口扩展；
NC代码解释与运动仿真设计，主要是列出了NC代码解释的原理与具体编译过程，并给出了一段加工程序做简要介绍，运动仿真只是给出了运动过程仿真的流程图。
由于时间比较紧和水平有限，系统中的设计还有不完善的地方，如NC代码的解释部分不够全面，运动仿真过程不够合理等，这些任务还需要做深入的探究，总体来看，基本上完成了本次设计任务的要求，达到了预想的目标。
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