數控系統單片機測控技術應用與實現

陳玉平，牟應華，楊學智

CHEN Yu-ping, MU Ying-hua, YANG Xue-zhi

（恩施職業技術學院，恩施 445000）

0 引言

機床工具行業的發展，依賴于行業技術水平和創新能力的提高，依賴于機床的數控化和產品快速的升級換代，依賴于制造業從剛性自動化向柔性自動化方向轉變這一社會需求。微機數字控制技術的應用成了機械制造行業現代化的標志，在很大程度上決定了企業在市場競爭中的成敗。數控系統一般包括輸入設備、輸出設備、計算機數控裝置、伺服驅動系統、輔助控制裝置、反饋系統以及機床本體組成，計算機數控裝置是數控機床的核心，它根據輸入的程序和數據，完成數值計算、邏輯判斷、輸入輸出控制、軌跡插補等功能。數控系統自動化發展，促使計算機接口技術、定時/計數技術和中斷控制技術在數控系統現場智能測控中的應用越來越廣泛，如：測量、激光焊接、激光切割、涂膠、插件、射線、掃描、機械手、搬運、數控機床等領域。單片機豐富的內部資源和強大的功能，為數控系統的現場智能測控的實現提供了可靠的硬件基礎和技術保障。在此，筆者以鉆、銑床的數控X-Y工作臺為例，對鉆孔、銑削加工的單片機測控系統進行分析與探討。

1 數控X-Y工作臺單片機測控系統的功能

1.1 數控X-Y工作臺系統總體功能與控制方案分析[1]

數控鉆床的鉆削加工動作順序為：X-Y工作臺移動到位——鉆頭快進——鉆頭工進，鉆孔——鉆頭快退——X-Y工作臺移動到下一鉆孔位置……進行新的加工循環，直到所有的孔都加工完畢，機床復位。銑削加工類似。系統在分辨率、最大鉆床直徑、銑刀直徑、齒數、銑削最大余量、銑削最大深度、加工材料、工作臺加工范圍(X、Y取值)、工作臺最大移動速度、預期工作壽命、定位精度等參數滿足要求的情況下，由于工作臺既要能鉆削又要能銑削加工，采用連續控制系統。對于加工精度不高的情況，采用基于單片機控制的步進電機開環控制系統控制X-Y工作臺。單片機控制系統每發出一個進給命令，經驅動電路功率放大以后，驅動步進電機旋轉一個角度，再經過齒輪減速裝置帶動絲桿旋轉，通過絲桿螺母機構轉換為移動部件的直線位移。移動部件的移動速度與位移量由輸入脈沖頻率和脈沖數決定。數控X-Y工作臺開環控制系統總體框圖如圖1所示。

1.2 數控X-Y工作臺單片機測控系統功能分析[3]

在數控X-Y工作臺系統中，單片機采用集中控制方式，分時處理數控系統中的存儲、插補運算、輸入輸出控制、CRT顯示等各項任務。具體的控制功能包括：

1）系統初始化處理：對I/O接口進行初始化，對控制步進電機旋轉頻率的定時器初始化、中斷初始化。

2）工作臺復位處理，開機后工作臺應自動復位，需要時也可手動復位。

3）監視按鍵、鍵盤及開關，如監視緊急停機按鍵及行程開關、鍵盤掃描等功能。

4）輸入加工數據和顯示加工數據。

5）工作臺超程控制與報警處理：工作臺移動超過規定位置時立即停止工作，并作出相應的報警顯示與處理。

6）工作臺操作方式選擇控制，包括自動和手動控制兩種方式。

圖1 數控X-Y工作臺開環控制系統總體框圖

2 數控X-Y工作臺單片機測控系統功能的實現

2.1 數控X-Y工作臺單片機測控系統硬件電路[2,4]

根據工作臺的測控要求，選用STC12C5A60S2/AD/PWM系列單片機為主控制器，并行I/O口44個，每個I/O口驅動能力均可達20mA，雙UART串口。內部集成MAX810專用復位電路，2路8位PWM/16位PCA模塊，8路10位精度ADC(轉換速度可達250K/S，每秒鐘25萬次)，Flash ROM60K，SRAM1208字節。該系列單片機高速/低功耗/超強抗干擾，適用于數控工作臺的電機控制，且不需要擴展片外存儲空間，內部帶A/D和PWM/ PCA，簡化了外部檢測電路。為了輸入加工數據，選用4×8矩陣鍵盤，為了顯示加工數據等信息，選用6位LED顯示器。為了開機指示電源正常，選用發光二極管作電源指示燈。為了控制步進電機的旋轉，需用單片機的I/O口控制脈沖分配器輸出脈沖信號，經過光電隔離和功率放大電路后送步進電機線圈。為了監視工作臺是否超程以及報警，需用4全行程開關作監視信號輸入，用一個發光二極管作超程報警燈。數控X-Y工作臺單片機測控系統的硬件框圖如圖2所示。

圖2 數控X-Y工作臺單片機測控系統硬件框圖

2.2 數控X-Y工作臺單片機測控系統的軟件系統

數控X-Y工作臺單片機測控的硬件系統是實現系統功能的物質資源，軟件系統是測控系統控制思想和思路、控制方法和過程的具體體現。

圖3 主模塊流程圖

測控系統功能的實現，需要應用單片機的定時技術、中斷技術、鍵盤掃描技術和LED顯示等技術。軟件系統采用模塊化結構，主要模塊有：主模塊、自動加工測控模塊、步進電機控制模塊。

1）主模塊的主要功能

主模塊完成測控系統的管理工作，開機后即進入管理模塊，接收和執行操作者的命令。在該模塊中，定義鍵盤各鍵的功能，以確定接收命令的形式和實現輸入加工數據、自動鉆削加工、自動銑削加工、緊急停車等各種操作功能。其實現思路用流程圖如圖3所示。

2）自動加工測控模塊的主要功能

根據X-Y工作臺的工作要求，自動加工包括自動鉆削加工和自動銑削加工。因此，自動加工測控模塊分為自動鉆削加工測控和自動銑削加工測控兩個子模塊。根據自動鉆削加工的動作順序要求，該子模塊的控制流程如圖4所示。自動銑削加工測控子模塊流程圖與之類似。

圖4 自動鉆削加工模塊流程圖

3）步進電機控制模塊[5]

步進電機控制包括轉速、轉角及方向的控制。在步進電機控制模塊中，應考慮步進電機運動時有一個加速、減速的過程，以解決步進電機在突然啟動和停止時，因負載和慣性而致使電機失步的問題。通過確定進給脈沖數和脈沖時間間隔，實現步進電機轉角和速度的控制。步進電機控制時間常數通過定義數據表的形式存儲到程序存儲器中，作為控制步進電機運行的基本參數值。采用單片機內部定時器/PWM功能，以中斷方式實現步進電機的頻率(定時)控制。步進電機的定時控制流程如圖5所示。

2.3 數控X-Y工作臺單片機測控系統仿真調試[2]

圖5 步進電機定時中斷程序流程圖

STC12C5A60S2/AD/PWM系列單片機，是高速/低功耗/超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全與傳統8051兼容，只是速度快8-12倍。基于STC12C5A60S2/AD/PWM單片機的該數控X-Y工作臺測控系統，其系統調試環境與51系列單片機控制系統的調試環境相同。由于片內集成有ISP在系統可編程/IAP在應用可編程，可通過串口(P3.0/ P3.1) 數秒鐘即可完成應用程序的直接下載，不需要專用編程器和專用仿真器。

3 結束語

本文基于單片機，對數控X-Y現場智能測控的軟、硬件系統進行了分析與探討。從以上數控X-Y工作臺的單片機測控系統功能的實現過程可見，單片機豐富的內部資源和人機接口、輸入輸出控制、定時/計數、中斷控制等技術，以及單片機本身的功能強大、價格便宜、快速性和強抗干擾性，使單片機測控技術在數控系統中的應用越來越廣泛。單片機測控技術的應用，使數控系統的自動化功能的實現方法更加簡單靈活、性能可靠。

[1] 李艷霞.數控機床及應用技術[M].北京：人民郵電出版社,2009.

[2] 陳玉平,牟應華.單片機應用技術[M].武漢：華中科技大學出版社,2008.

[3] 鞏明德.測試系統[M].北京：化學工業出版社,2008.

[4] 齊向東,劉立群.單片機控制技術實踐.北京：中國電力出版社,2009.

[5] 侯伯民,陳明方,等.單片機控制技術[M].北京：中國電力出版社,2008.