數控系統單片機測控技術的應用及實現

李曉麗

摘要：近年來，隨著我國科學技術水平的不斷提高，推動了數控系統的發展速度，在航空航天、模具加工等行業中，數控系統的應用越來越廣泛。然而，由于各個行業對產品加工質量的要求不斷提高以及產品零件本身越來越復雜，致使一部分數控系統很難滿足實際加工需要。為了進一步提高數控系統的執行效率，本文將單片機測控技術應用到數控系統當中，并從基于單片機的數控系統設計思路、設計原則以及具體應用及實現這三個方面對文章進行詳細論述。

中圖分類號：TP27文獻標識碼：A文章編號：1672-3791(2012)04(A)-0000-00

可以說在當今全世界的機床制造業中，數控系統起著舉足輕重的作用。作為高尖端技術之一的數控系統集機械制造、自動控制、計算機、測量以及電氣傳動等技術于一身，各方面功能均十分強大。通過筆者對當前數控系統市場的調查發現，一些中高檔的數控系統基本采用的都是以PC機為控制平臺實現對步進電機進行驅動控制的。雖然這種控制方式具有性能優良、功能齊全、響應速度快等特點，但其價格卻相對比較昂貴。對于生產企業來講，需要的是一種既能滿足生產需求，價格又相對低廉的數控系統。為此，本文將單片機測控技術應用到數控系統當中，以此來實現這一需求。

1 基于單片機的數控系統設計思路

基于單片機的數控系統，能夠根據用戶的實際需求以及CPU種類的不同實現產品細分，并以此使設計出來數控系統產品具有系列化的特征。通過對市場的調查研究發現，人們對數控系統產品的需求大致可分為以下兩類：

1.1 單片機加實時操作系統

以這種形式構成的數控系統主要都是一些中高端的系統，它們的功能相對來講比較豐富，可實現網絡信息共享，而且還可以進行閉環控制，精確度相當高。其中操作系統是確保任務實時性的關鍵。在此類數控系統當中，使用較多的單片機為ARM系列等，實時系統則為Windows、RT-Linux等。這種類型的數控系統常被用于對精度要求較高或是聯動數目在四軸以上的數控機床當中。

1.2 單片機加控制模塊

在此類組成結構的系統當中，由于采用的是控制模塊，而不是實時操作系統，所以各個任務的實時性均是由系統中的控制軟件以及處理器的中斷等予以保證的。此類系統應用的單片機主要以高性能的CPU為主，這樣能夠有效地確保系統的運算速度符合插補和管理等功能的需要。這種系統通常僅能滿足三軸聯動和四軸聯動的數控機床的需求。

通過上述分析不難看出，研發不同等級的數控系統，只需要根據用戶的實際需求，采用的不同平臺，然后在平臺中對系統的主要功能略作改進，便能夠開發出滿足用戶需要的數控系統。這在一定程度上避免了基于單片機的數控系統研發的缺點，有效地減少了重復性工作，從而使整個研發周期相應地縮短很多。若是將數控系統中的主要技術模塊進行總結和提煉，便可以組成一個系統平臺，在此基礎上對相應的功能進行適當地刪減或增添，便可以完成系統的研發。這就是基于單片機的數控系統的基本設計思路。

2 基于單片機測控的數控系統設計原則

任何一種數控系統實現的關鍵均在于其軟件及硬件的設計，應用單片機測控技術的數控系統也不例外，下面簡要介紹一下軟件及硬件在實際設計過程中需要遵循的主要原則：

2.1 規范化原則

一個數控系統的設計研發，最忌諱的就是重復開發，這樣不僅會浪費大量的時間，而且也會浪費大量的資源，所以在進行軟件及硬件設計過程中，必須有一個規范的標準，以此來規范系統的通訊協議以及軟硬件界面，可以使設備生產商和控制器制造商均能在相應的標準下進行研發和生產，以此來杜絕重復性開發的情況發生，減少資源的浪費。為此，在進行系統軟硬件設計時，必須遵循規范化原則。

2.2 系列化、標準化原則

在系統硬件的設計過程中，應以系列化和標準化的原則進行設計，這樣有利于提高系統整體的實時性和可靠性。通過對系統通訊方式、CPU結構、運動及輔助控制等的模塊化處理，根據實際功能的不同制成所需的模塊，借此來實現系列化和標準化，同時模塊與模塊之間還可通過預先定義好的標準化接口實現通訊。

2.3 開放性原則

在進行系統軟件設計時，為有效地降低系統軟件對硬件的依賴性，應使軟件平臺獨立于系統硬件之外，并且也要將軟件設計成為模塊化，這樣有利于實現系統軟件的開放性。對于整個數控系統而言，設計一個獨立的軟件平臺是較為重要的。由于書庫系統本身都具有多任務性和實時性，所以軟件平臺的構建也應以此為前提，同時軟件平臺的基本功能還應實現典型化和模塊化，從而使每個功能模塊之間均能實現相互獨立和統一調度。這樣的軟件設計可以適應不同的硬件系統，進而實現了軟件的開放性和獨立性。

3 單片機測控技術在數控系統中的具體應用及實現

基于以上的設計思路及設計原則，下面筆者以一種數控鉆銑床為例，對單片機測控技術的應用及實現進行分析。

3.1 數控鉆銑床的基本功能及具體控制方案

由于該數控機床是鉆、銑相結合的一類機床，為此先簡要介紹一下該數控機床的加工順序：首先，工作臺就位，然后鉆頭鉆進，鉆孔后鉆頭快退，移至下一位置繼續重復上述動作，直至全部鉆孔完畢為止后，工作臺恢復原位。銑削的加工順序基本與之相同。因本系統屬于鉆、銑一體的機床，故此在其各方面參數均滿足實際加工要求的前提下，決定采用連續控制系統對其加工進行控制，具體控制方案為采用單片機控制的步進電動機對系統工作臺進行開環控制。當進給指令由單片機系統發出后，經過功率放大后對步進電動機的旋轉角度進行驅動，然后經由齒輪減速器帶動絲杠進行旋轉，直線位移的完成主要依靠絲杠螺母的轉換，具體移動速度及位移量的大小由輸入脈沖數及脈沖頻率決定。

3.2 單片機測控系統的主要功能

該數控系統中，單片機采用的是集中控制方式，對于系統中的各項任務采取的是分時處理進行的，如插補運算、CRT顯示、輸入輸出控制以及存儲等等。測控系統的主要功能如下：其一，初始化處理。主要是對I/O接口、步進電動機旋轉頻率定時器以及中斷等進行初始化；其二，復位功能。機床開機工作時工作臺應自行恢復至初始加工位置，如有需要也可盡心手動復位；其三，監視功能。具體是對開關、鍵盤以及按鍵等進行監視，如監視行程開關、急停按鍵等；其四，加工數據的輸出和顯示功能；其五，超程控制機報警功能。當工作臺在進行實際加工過程中，若超出規定的位置則立即停止工作，并相應的做出報警顯示；其六，控制方式選擇功能。主要包括手動和自動兩種控制方式，有特殊要求時可進行控制方式切換。

3.3 測控功能的實現

（1）硬件設計。按照該數控機床工作臺的實際測控要求，決定采用STC12C5A62S2系列單片機作為主控制器，并行設置44個I/O控制接口和雙UART串口，電路為MAX810專用復位電路，2路8位PWM/16位PCA模塊，8路10位精度ADC，其轉換速度最高可達到250K/S，即每秒25萬次，Flash ROM60K，SRAM 1208字節。這一系列的單片機具有以下特點：可靠性高、反應速度快、功耗低、價格便宜、抗靜電及抗干擾能力超強，無需對片外存儲空間進行擴展，便可用于數控機床工作臺的電動機控制，本身自帶PWM/PCA和A/D，不需要在配置外部檢測電路。為使加工數據能夠順利輸入到系統當中，采用矩陣鍵盤，規格為4×8；加工數據顯示器則采用6位LED顯示器，以便于顯示加工數據信息；為確保開機指示電源能夠正常工作，電源指示燈決定采用發光二極管；為有效地控制步進電動機的旋轉速度，決定采用I/O口對脈沖分配器的輸出信號進行控制，再經由功率放大電路及光電隔離器后傳送至步進電動機線圈當中；為對機床工作臺的超程進行監視及報警功能的實現，決定采用全行程開關作為監視信號進行輸入，并采用發光二極管作為超程報警指示燈。