實用型單軸數控進給系統開發

舒華 齊繼寶

摘要：單軸數控進給系統在舊設備改造中有廣泛應用。文章介紹了用C8051F020單片機為控制核心的實用型單軸數控進給系統整體方案，對系統硬件及軟件設計做了詳細說明。該單軸進給系統價格低廉，舊設備經系統改造后，能較大提高其加工精度和生產率。

關鍵詞：單軸；數控；C8051F020

目前許多工廠設備陳舊，急需自動化改造，如機械加工中的磨床、剪折板機、組合機床、機械轉臺及一些生產線等，都可以進行單軸數字化改造。改造后的設備，使用方便、操作簡單、可大大提高產品精度、降低廢品率、大幅度提高勞動生產率。本文介紹用C8051F020單片機作為實用型單軸數控進給系統的控制核心的整體方案，此系統低成本且加工精度高。

一、C8051F020芯片簡介

在眾多的控制系統中，MCS-51系列單片機曾被廣大的工程師視為最理想的8位機，然后，隨著CPU技術的發展，一些高性能、高集成度的單片機，如8位和16位RISC單片機的上市，基于8051內核的單片機正面臨著被淘汰的危險。針對控制領域的高速度及模擬量的控制要求，Silabs集成產品公司推出其新產品C8051F020，該產品是有著功能完善、功耗低、速度快、資源豐富的完全集成的混合信號系統級MCU芯片，單片機的整體性能有很大幅度的提高。該單片機的主要特點如下：一是高速、流水線結構的8051，兼容的CIP-51，內核（可達25MIPS）。二是真正12位100ksps的8通道ADC，帶PGA和模擬多路開關。三是兩個12位DAC，具有可編程數據更新方式。四是64K字節可在系統編程的FLASH存儲器。五是5個通用的16位定時器。六是具有5個捕捉/比較模塊的可編程計數器/定時器陣列。七是片內看門狗定時器、VDD監視器和溫度傳感器。八是具有片內VDD監視器、看門狗定時器和時鐘振蕩器C8051F020/1/2/3是真正能獨立工作的片上系統。

二、單軸數控進給系統硬件方案設計

本單軸數控進給系統的總體設計方案如圖1所示。

本系統采用單片機C8051F020為控制核心，系統共分6個模塊，詳細如下：

第一，鍵盤輸入模塊，提供人機界面，供用戶輸入控制數據。

第二，液晶顯示模塊，提供進給數據量的實時顯示。

第三，驅動模塊，驅動采用閉環控制，元件選用深圳雷塞公司的驅動器及電機，性能匹配，選用增量式實心軸編碼器ZJE-44-3000BM-G05P，用于解決單軸進給的位置誤差問題。

第四，串口通信模塊，用于實現PC機與單軸數控系統的數據通訊，可以通過PC對其數據設置與修改，優化系統。

第五，開關量輸入/輸出模塊，系統有急停，正向，負向限位，回零等開關量信號，為了有效隔離模擬量和數字量通道，減少干擾信號，選用了TLP621光電耦合器，提高系統的穩定性和可靠性。

第六，數據存儲模塊，C8051F020的內部存儲器存放系統程序，采用FM18L08作為外部存儲器，存放用戶數據及程序。

三、單軸數控進給系統軟件設計

本單軸數控進給系統軟件部分主要有四個模塊，分別為界面功能模塊、通訊功能模塊、解釋功能模塊、控制功能模塊。界面功能模塊完成用戶數據輸入和修改以及數據實時顯示等；通訊功能模塊負責本單軸數控系統與PC間的數據交換；解釋功能模塊是對用戶輸入的數據進行控制前預處理，包括數據報錯，代碼識別﹑數制轉換等；控制功能模塊負責調用相關數據，對進給過程采用閉環控制。

單軸數控控制系統流程圖如圖2所示。系統開機后進行初始化，有用戶輸入數據，讀出用戶的位置參數，再進行檢測參數是否在合理范圍內，若不合理，系統報警提示，由用戶進行修正再檢測，若合理，單軸伺服進給并有顯示屏實時顯示位置量，進給結束后，再判斷有無新的進給要求，如此循環，用戶可以隨意根據要求進給，使用十分便捷。

四、總結

系統整體功能全面、模塊獨立、耦合性低、調試簡易、且維修方便。且C8051F020有諸多預留口，有較好的擴展性，在同類型的控制器中，性能在速度上、穩定性和可靠性上明顯優于其他單片機。在滿足要求的情況下能夠有效控制成本，為一些小微企業進行數控化技術改造提供了一種優選途徑。

參考文獻：

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2.孫業明.基于C8051F020單片機的車床數控系統設計[J].機床電器，2010（1）.

3.韓桂明.基于C8051F020單片機的機床數控系統的研制[J].電子科學，2011（10）.

*本文受2010年浙江省新苗人才計劃資助（項目編號：xm1002）。

（作者單位：浙江工業職業技術學院）