作者簡(jiǎn)介：汪英（1972—），女，湖南岳陽人，副教授，研究方向：電子技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)（E-mail：wangying_only@163.com）；殷文珊（1975—），女，湖南岳陽人，講師，碩士，研究方向：計(jì)算機(jī)通信。

摘要：在用高新技術(shù)改造傳統(tǒng)機(jī)械加工產(chǎn)業(yè)中，除了發(fā)展高精度、多功能的數(shù)控機(jī)床外，研發(fā)價(jià)格低廉、操作方便的簡(jiǎn)易數(shù)控機(jī)床也是適合我國(guó)國(guó)情的一種有效途徑。本文采用AT89C52單片機(jī)和步進(jìn)電機(jī)設(shè)計(jì)一種面向現(xiàn)有普通車床進(jìn)行數(shù)控技術(shù)改造的微機(jī)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能自動(dòng)控制完成圓弧類二次曲線形零件的車削等多種功能。其軟件設(shè)計(jì)采用模塊化結(jié)構(gòu)，編程簡(jiǎn)單靈活，擴(kuò)充性、移植性好，對(duì)同類微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有一定參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：簡(jiǎn)易數(shù)控車床；微機(jī)控制；軟件；AT89C52；步進(jìn)電機(jī)

中圖分類號(hào)：TP368 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1引言

數(shù)控機(jī)床因其智能化、高精度、高速度和高柔性化為制造業(yè)帶來巨大變化，進(jìn)入21世紀(jì)，我國(guó)在制造業(yè)方面投入了大量的技術(shù)改造資金，數(shù)控設(shè)備制造迎來了一個(gè)快速發(fā)展的階段[1]。但是由于我國(guó)制造業(yè)起步比較晚，高性能的數(shù)控設(shè)備引進(jìn)成本較高，面對(duì)眾多中小機(jī)械加工類企業(yè)的普通機(jī)床技術(shù)改造的需求，采用單片機(jī)作為普通機(jī)床的數(shù)控中心，是較為適合我國(guó)國(guó)情，改造老式落后加工設(shè)備見效快，經(jīng)濟(jì)性能好，易于推廣的一種有效措施[2]。本文研制了一種普通車床微機(jī)控制裝置，該裝置用于C618車床技術(shù)改造，能驅(qū)動(dòng)車床完成手柄類零件車削加工，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行，性能良好。本文主要討論在這類裝置上的系統(tǒng)軟件，既是對(duì)已成功的軟件的總結(jié)，也是對(duì)如何進(jìn)一步提高其性能作些探討。

2系統(tǒng)簡(jiǎn)介

本微機(jī)數(shù)控裝置適用于改造C618、C616、CW6163等最大加工直徑在400毫米以下的普通車床。它通過對(duì)刀架在縱橫兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)距離、速度和方向的控制來實(shí)現(xiàn)車削內(nèi)圓、外圓、斷面、錐面、切槽、倒角以及圓弧或曲線零件等加工任務(wù)。其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示[3]。

本裝置采用AT89C52單片機(jī)[4，5]作為控制中心，利用單片機(jī)上可編程的計(jì)數(shù)/定時(shí)器C/T0作為定時(shí)信號(hào)發(fā)生器，以中斷方式啟動(dòng)CPU向外輸出脈沖；利用單片機(jī)的P1口作為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出口。在加工過程中，CPU按照用戶編制的加工程序從P1口發(fā)出相應(yīng)的一系列脈沖信號(hào)，經(jīng)光電隔離、放大后驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)步進(jìn)電機(jī)[6，7]，以控制刀架在縱橫兩個(gè)運(yùn)動(dòng)的方向、長(zhǎng)度和速度，從而與機(jī)床主軸配合完成各種車削動(dòng)作。

3控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1主要程序流程圖

由以上分析可知，控制程序的主要功能為：

1）按用戶加工程序安排C/T0控制字，以產(chǎn)生相應(yīng)的定時(shí)信號(hào)；

2）把加工程序中的位移毫米數(shù)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)步進(jìn)電機(jī)的步數(shù)；

3）安排步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向；

4）顯示有關(guān)參數(shù)（如：當(dāng)前工序的道數(shù)，加工性質(zhì)字，位移的余量等）；

5）當(dāng)C/T0中斷信號(hào)產(chǎn)生時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)前進(jìn)一步。

系統(tǒng)加電復(fù)位后，首先完成初始化，同時(shí)建立工件號(hào)/工序步表首地址對(duì)照表，等待操作人員按下啟動(dòng)鍵，啟動(dòng)鍵處理程序如圖2所示。由流程圖可見，整個(gè)控制程序是以加工子程序MACHINE為中心組成。正常工作的過程是，操作者按下啟動(dòng)鍵后，則CPU進(jìn)入啟動(dòng)鍵處理程序，在其中安排好工序步表指針指向用戶加工程序后，調(diào)用加工子程序MACHINE完成工件的加工。加工子程序MACHINE的流程圖如圖3所示。

進(jìn)入MACHINE后，首先清除各有關(guān)標(biāo)識(shí)和計(jì)數(shù)器，然后根據(jù)工序步表指針取出本工件總的工序步數(shù)作為工序步計(jì)數(shù)器初值，取出第一道工序的標(biāo)志字，如無錯(cuò)誤則轉(zhuǎn)到相應(yīng)的處理模塊執(zhí)行。所有的處理模塊執(zhí)行完畢后，均轉(zhuǎn)回到MACHINE程序中的DONE處，在此對(duì)工序步計(jì)數(shù)一次，判本工件的所有工序是否全部完成。已完則返回到主程序，未完則轉(zhuǎn)到MACHINE2取出下一道工序繼續(xù)加工。

工序步間的轉(zhuǎn)換，通過工作信號(hào)燈方式來實(shí)現(xiàn)。每道工序的開始，設(shè)置好刀架運(yùn)動(dòng)的方向、長(zhǎng)度、初始化C/T0后，便置位工作燈：1→（BUSY），進(jìn)入顯示循環(huán)等待C/T0中斷。在C/T0中斷服務(wù)子程序中，調(diào)用X向或Y向驅(qū)動(dòng)子程序，驅(qū)動(dòng)相應(yīng)步進(jìn)電機(jī)前進(jìn)一步，進(jìn)給計(jì)數(shù)一次，并判是否走完既定的步數(shù)。未完則返回，已完則置完成標(biāo)志，且復(fù)位工作燈后返回。在主程序中循環(huán)顯示一遍后，將監(jiān)測(cè)工作燈狀態(tài)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)（BUSY）=0時(shí)，則控制程序轉(zhuǎn)向執(zhí)行下一道工序。

由于斜線和圓弧加工時(shí)，需要X、Y兩相步進(jìn)電機(jī)聯(lián)動(dòng)，也即只有當(dāng)X、Y向行程均走完時(shí)，斜線或圓弧的加工才算完畢，故安排他們的工作燈置位時(shí)是2→（BUSY），當(dāng)X、Y向電機(jī)均前進(jìn)到終點(diǎn)后，先后兩次減1，使得（BUSY）=0，表示斜線或圓弧加工完畢，從而可進(jìn)入下一道工序。

3.2斜線插補(bǔ)程序

完成斜線或圓弧切削的中心問題是如何根據(jù)原始參數(shù)，通過位置及軌跡控制運(yùn)算（即通常所說的插補(bǔ)運(yùn)算），產(chǎn)生有規(guī)律的兩串脈沖，來控制刀架的位置及運(yùn)動(dòng)軌跡[8]。對(duì)插補(bǔ)算法的要求，除了保證運(yùn)算精度外，還要求運(yùn)算方法簡(jiǎn)單以適應(yīng)八位單片機(jī)的特點(diǎn)，另外還應(yīng)盡量滿足刀架運(yùn)動(dòng)速度不變的要求，以提高加工質(zhì)量。在本系統(tǒng)中，采用逐點(diǎn)比較法來進(jìn)行斜線和圓弧的插補(bǔ)算法[9]，它具有算法簡(jiǎn)單，速度平穩(wěn)，調(diào)節(jié)方便，精度適合于普通車床加工要求等優(yōu)點(diǎn)。

本系統(tǒng)允許1，2，3，4象限的斜線加工。對(duì)4個(gè)象限的斜線，采用統(tǒng)一的算法，即全部按第一象限的斜線進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算，至于X、Y向電機(jī)的進(jìn)給方向，則在工序開始時(shí)由控制程序根據(jù)斜線所在象限來規(guī)定。

3.3圓弧插補(bǔ)程序

圓弧插補(bǔ)比斜線插補(bǔ)的算法要復(fù)雜得多，其復(fù)雜度體現(xiàn)在如下三個(gè)方面：

1）圓弧有8種不同的類型（4個(gè)象限，每個(gè)象限內(nèi)有2種方向——順時(shí)針方向和逆時(shí)針方向），要區(qū)別對(duì)待；

2）圓弧有過象限的問題；

3）圓弧不是線性函數(shù)，由于X、Y向脈沖當(dāng)量不相同且均不等于1，若不加修改直接按通常的圓弧插補(bǔ)公式進(jìn)行計(jì)算，則加工出的曲線將發(fā)生畸變，不再是所要求的圓弧。

對(duì)于8種不同類型的圓弧，我們將其分為兩大類，其中第1象限順圓弧、第3象限順圓弧、第2象限逆圓弧、第4象限逆圓弧為一大類，其特點(diǎn)是圓弧發(fā)展趨向?yàn)椋篨向坐標(biāo)絕對(duì)值越來越大，Y向坐標(biāo)絕對(duì)值越來越小，記為“X↑Y↓”；其余4種圓弧為另一大類，特點(diǎn)是圓弧發(fā)展趨向?yàn)椤癤↓Y↑”。兩類不同的圓弧插補(bǔ)算法有所區(qū)別，且第一大類圓弧還有可能有過象限問題。

4結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于AT89C52單片機(jī)的普通車床微機(jī)控制系統(tǒng)，完成了單片機(jī)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)數(shù)的軟件設(shè)計(jì)，重點(diǎn)研究了斜線及圓弧等二次曲線零件加工中的插補(bǔ)算法，提出了加工程序的循環(huán)設(shè)計(jì)技術(shù)。由于本軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)，且在設(shè)計(jì)時(shí)，已考慮了可擴(kuò)充性等問題，故只要稍作修改便可方便地增加目前尚未開發(fā)的其他功能，亦可輕易地移植到那些采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的其他類型車床的微機(jī)控制裝置上去，對(duì)于同類微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)，具有一定的實(shí)用價(jià)值和指導(dǎo)意義。

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