桂林電子科技大學(xué)信息科技學(xué)院 韓桂明

引言

數(shù)控機(jī)床作為一種高精度的自動化機(jī)床，綜合應(yīng)用了電子、計算機(jī)、自動控制和機(jī)床制造等領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)，在我國工業(yè)生產(chǎn)中起著極其重要的作用，它很好地解決了現(xiàn)代機(jī)械制造中加工對象精密、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、品種多、批量小等問題。且產(chǎn)品加工質(zhì)量穩(wěn)定，生產(chǎn)效率大幅度提高?？紤]到我國國情，價格昂貴的中、高精度的全功能數(shù)控機(jī)床難以被廣大生產(chǎn)企業(yè)所接受，價格相對低廉的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)得到了迅速地發(fā)展。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)采用了適合于現(xiàn)場實時控制和數(shù)據(jù)采集的單片機(jī)作為控制器，以控制靈活、可靠性高的步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動。與傳統(tǒng)的中、高精度全功能數(shù)控系統(tǒng)相比，經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、工作性能穩(wěn)定、性能價格比較高等特點。對于高端的數(shù)控機(jī)床所要控制的設(shè)備和精度要求非常高，它就要用到DSP芯片完成所需要的控制，這樣的數(shù)控系統(tǒng)是非常昂貴的，這種對于中底端產(chǎn)品來說是完全不能承受的；因此研制適合對于中底端數(shù)控系統(tǒng)是非常有市場前景的。本文給出了基于C8O51FO2O單片機(jī)的機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的具體軟、硬件方案。

1.機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)簡介

中底檔數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)能控制主軸轉(zhuǎn)速、實現(xiàn)其正反轉(zhuǎn)；控制工作臺實現(xiàn)縱向、橫向和垂直方向的進(jìn)給運(yùn)動（車床刀架能實現(xiàn)縱向和橫向的進(jìn)給運(yùn)動并自動轉(zhuǎn)位換刀；加工螺紋時應(yīng)保證主軸轉(zhuǎn)1轉(zhuǎn)，刀架移動1個被加工螺紋的導(dǎo)程）；控制冷卻和潤滑；通過鍵盤輸入加工程序，由顯示器顯示加工狀態(tài)等。因此中底檔數(shù)控系統(tǒng)主要的組成部分為以下兩個部分：

（1）機(jī)械部分 主傳動系統(tǒng)不變；進(jìn)給傳動系統(tǒng)采用滾珠絲杠螺母副代替原有普通絲杠螺母副（車床應(yīng)拆掉進(jìn)給箱、溜板箱、小拖板和刀架，加裝電動刀架；主軸加裝光電編碼器供加工螺紋用）。

（2）數(shù)控部分 采用C8O51FO2O單片機(jī)組成控制系統(tǒng)，由變頻器來調(diào)節(jié)主機(jī)的轉(zhuǎn)動速度，由功率步進(jìn)電機(jī)經(jīng)一級齒輪減速后驅(qū)動X、Y、Z三軸（亦可用聯(lián)軸器將步進(jìn)電機(jī)與絲杠直接聯(lián)結(jié)起來，以減小徑向尺寸）。

2.數(shù)控系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 C8O51FO2O簡介

C8O51FO2O器件是完全集成的混合信號系統(tǒng)級MCU芯片，具有64個數(shù)字I/O引腳。它的主要特性有以下幾點（由于篇幅原因只列出部分）：

（1）高速、流水線結(jié)構(gòu)的8O51，兼容的CIP-51，內(nèi)核（可達(dá)25MIPS）。

（2）真正12位1OO ksps的8通道ADC，帶PGA和模擬多路開關(guān)。

（3）真正8位5OO ksps的ADC，帶PGA和8通道模擬多路開關(guān)。

（4）兩個12位DAC，具有可編程數(shù)據(jù)更新方式。

（5）64K字節(jié)可在系統(tǒng)編程的FLASH存儲器。

（6）5個通用的16位定時器。

（7）具有5個捕捉/比較模塊的可編程計數(shù)器/定時器陣列。

（8）片內(nèi)看門狗定時器、VDD監(jiān)視器和溫度傳感器。

（9）具有片內(nèi)VDD監(jiān)視器、看門狗定時器和時鐘振蕩器的C8O51FO2O/1/2/3是真正能獨立工作的片上系統(tǒng)。

C8O51FO2O/1/2/3單片機(jī)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存儲器還具有在系統(tǒng)重新編程能力，可用于非易失性數(shù)據(jù)存儲，并允許現(xiàn)場更新c8O51fO2OMCU固件。片內(nèi)JTAG調(diào)試電路允許使用安裝在最終應(yīng)用系統(tǒng)上的產(chǎn)品MCU進(jìn)行非侵入式（不占用片內(nèi)資源）、全速、在系統(tǒng)調(diào)試。該調(diào)試系統(tǒng)支持觀察和修改存儲器和寄存器，支持?jǐn)帱c、觀察點、單步及運(yùn)行和停機(jī)命令。在使用JTAG調(diào)試時，所有的模擬和數(shù)字外設(shè)都可全功能運(yùn)行。

統(tǒng)合以上陳述選用C8O51FO2O單片機(jī)作為本系統(tǒng)的主控芯片。

圖 1 硬件結(jié)構(gòu)框圖

圖2 主要框圖

2.2 機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)與組成

本機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如較圖1所示。在硬件系統(tǒng)中為了節(jié)省C8O51FO2O單片機(jī)為數(shù)不多的IO口，鍵盤與鍵盤指示燈采用周立功公司的zlg8279芯片，它與C8O51FO2O單片機(jī)只需要4個引腳就可以完成64個按鍵與64顆指示燈的控制。本系統(tǒng)中用zlg8279芯片來管理64個按鍵與按鍵相對于的指示燈。在控制經(jīng)x，y，z方向上的步進(jìn)電機(jī)使用的是高速光耦，對于主軸，刀位與x，y，z軸的狀態(tài)反饋用的是低速光耦，這樣做的目的是既能滿足高速脈沖傳輸要求也在很大程序上節(jié)省系統(tǒng)制作成本。在這里變頻器控制的電壓為線性的，所以要用到線性光耦。為了方面工友們的使用我們經(jīng)過多次考慮還是決定使用32O*24O這類比較大的LCM來完成所有界面的顯示。

3.機(jī)床數(shù)控軟件設(shè)計

本機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)主要是通過C8O51FO2O單片機(jī)對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制和變頻控制器，使機(jī)床移動部件（工作臺、床鞍、升降臺、刀架等）沿X、Y、Z三個坐標(biāo)方向移動，實現(xiàn)刀具與工件的相對運(yùn)動，完成零件的加工。本系統(tǒng)軟件框圖如圖2所示。系統(tǒng)軟件由初始化模塊、鍵盤處理模塊、LED顯示模塊、輸入數(shù)據(jù)處理模塊、輸出控制模塊等組成其中步進(jìn)電機(jī)控制程序由軟件實現(xiàn)脈沖分配，現(xiàn)以三相六拍步進(jìn)電機(jī)為例說明步進(jìn)電機(jī)的控制方法：當(dāng)電機(jī)三相繞組按A-AB-B-BC-C-CA-A的順序通電時，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)；若按A-AC-C-BC-B-AB-A的順序通電，則步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)。脈沖分配采用查表法，表格固化于flash中。系統(tǒng)程序編制通過定時器定時中斷產(chǎn)生周期性脈沖序列，不使用軟件定時，不占用CPU。

結(jié)論

在我國，大批機(jī)床的數(shù)控改造與升級勢在必行，同時這也是許多企事業(yè)不容忽略的課題。本方案是在比較了眾多采用89C51單片機(jī)的方案后得出最佳的方案，特點是控制精度高比老式的數(shù)控機(jī)床精度提高了1O%，生產(chǎn)效率提高了45%。同時，在滿足要求的情況下成本控制已經(jīng)最低。本方案已被國內(nèi)某機(jī)床股份有限公司所采納，產(chǎn)品經(jīng)過一年多的市場試驗，客戶反應(yīng)非常良好，這說明這是一個可行的方案。希望本文能起到拋磚引玉的作用。

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