機械銑床數字控制硬件系統設計構想

王璐

【摘要】控制系統技術發展的好壞直接決定著機械銑床工作質量的優劣，本文所設計的控制硬件系統，可以實現三軸聯動，且能控制位置、速度，具有較好的適用性。

【關鍵詞】機械數字控制硬件系統

1控制系統總體分析與方案構想

整個的控制系統是由上位機和下位機組成的，上位機發送命令，對下位機進行綜合指揮、分散控制、集中管理。下位機接收上位機的指令，通過對三個步進電機的控制，從而實現對數控銑床三軸的控制，同時也將控制狀態以及信息傳給上位機。

1.1控制系統的分析

數控銑床控制系統由上位機和下位機共同控制。主要控制由下位機完成。控制系統的主要任務是：實現數控銑床X、Y、Z軸的聯動；實現位置控制，包括快進、工進；直線和圓弧插補；實現速度控制：通過串行口與上位機通信。本文使用三個步進電機來控制三軸的運動：對于位置控制和速度控制，則需要使用軟件編程來實現；與上位機的通信采用單片機自身的全雙工串行口來實現。整個控制過程中，控制系統對三軸進行位置、速度等方面的控制，控制結束后將數據信息傳回上位機。首先要有一套單片機控制卡，給系統上電后，打開單片機控制卡，先通過上位機的用戶交互界面設置實驗參數，并將所設置的實驗參數發送到下位機，然后進行控制。控制開始，單片機控制卡觸發脈沖驅動步進電機運動，通過軟件編程實現位置和速度控制。

1.2控制系統總體方案

整個控制系統是由軟件和硬件的協調配合來完成的。由簡單的硬件可以實現的功能由軟件實現有可能會相當復雜。因此協調好軟硬件之間的關系是非常重要的。

系統的整個控制過程是由上位機和下位機共同實現的，由上位機進行對參數的提供，下位機根據指令來進行控制。綜合分析硬軟件的功能和現有的資源，對系統進行整體描述，并對系統進行軟硬件功能的分解。將整個控制系統分為幾個模塊，這樣便于軟件編程。最后要將每個模塊最終實現并綜合在一起。

2.單片機控制卡功能分析與選擇

數控銑床控制系統中單片機控制卡是非常重要的部分，它在系統中擔負著控制其他單元的正常運行并協調各個單元相互配合的功能。本章主要介紹單片機控制卡的設計方法。

2.1功能分析

系統中的下位機控制卡是控制的核心組成部分，控制卡需要控制數控銑床三軸的位置和速度，并實現其聯動，控制選擇工作模式、與上位機通訊等。控制卡功能需求如下：實現數控銑床X、Y、Z軸的聯動；實現位置控制，包括快進、工進；直線和圓弧插補；實現速度控制；通過串行口與上位機通信；

2.2控制器選擇

當前，控制器的家族里已經出現了PLC、單片機、CPLD等優秀產品。單片機由于具有編程方便、價格低廉、I/O資源豐富、控制功能強大、易于升級等優點，使得其從問世的那天起便得到了人們的青睞。特別是用89系列單片機設計的系統，可以反復進行系統試驗；每次試驗可以編入不同的程序，這樣可以保證用戶的系統設計達到最優。而且隨用戶的需要和發展，還可以進行修改，使系統不斷能追隨用戶的最新要求，因此，本文采用89系列的單片機作為控制器。

3.主要功能模塊設計

單片機控制卡是以單片機為核心，并輔以必要的外圍電路和接口的單片機系統控制卡。傳統的硬件設計開發的過程是各個功能模塊的設計—模塊組合—調試。開發工具采用簡單易學且功能完善的Portel電子CAD軟件。單片機處理器是單片機控制卡的核心，使用單片機需要先對其I/O口、定時器、存儲器、中斷、通訊口等資源進行分配。本設計中產生的軟件可調節的脈沖是由單片機本身利用定時器來產生的。利用定時器產生脈沖信號方法的原理是：用定時器產生一定時間的定時，在定時時間內在單片機的某一引腳上交替輸出高、低電平，從而產生所需頻率和占空比的脈沖信號。利用定時器產生脈沖信號根據所使用定時器的不同可分為軟件定時脈沖產生法和硬件定時脈沖產生法兩種。產生可編程的脈沖信號需要一個N分頻電路，產生脈沖后需要同時將信號延時。Intel公司的8253/8254定時器正好可以滿足這一需求。8253有六種工作方式：

（1）方式0：計數結束中斷

（2）方式1：可編程頻率發生

（3）方式2：頻率發生器

（4）方式3：方波頻率發生器

（5）方式4：軟件觸發的選通信號

（6）方式5：硬件觸發的選通信號

本次設計中是要三個步進電機來控制三個軸的運動，而一個步進電機需要兩個定時器來控制，一個觸發脈沖，一個用來計數。這樣算來，就需要6個定時器，除去89C52上自帶的3個定時器外，還需要擴展2片8253來控制兩個電機。其中，第一片8253被選定用來控制電動機1（X軸），用定時器0和定時器1。定時器1選用工作模式0來產生觸發脈沖的脈沖（CP1），定時器0選用工作模式3來計數脈沖數，當計數完畢就從OUT0出來，OUT0接89C52的P1.1口來檢測是否計完，來控制步進電機加速過程每一級所要的脈沖數，并且用89C52上的P1.1口控制X軸步進電機的轉動方向，從而實現步進電機加速和減速的目的和方向的控制。

對于另一片8253，被選定控制步進電機2（Y軸），其控制方法與第一片8253相同。對于第一片8253，其中A0、A1接單片機P0.1、P0.2，D0-D7接單片機數據總線，讀寫控制分別與單片機讀寫控制相連。定時器1工作在方式3，門控接高電平始終有效。定時器0工作在方式0，通過計數脈沖來控制電動機速度。OUT1端與單片機的P1.5端通過與非門共同作用輸出步進電機1的脈沖。對于第二片8253，定時器0工作在方式5，通過計數來控制步進電機2的運動，定時器1工作在方式3，門控接高電平始終有效，時鐘線接單片機的P0.0端，OUT1端與單片機的P1.6端通過與非門共同作用輸出步進電機2的脈沖。微控制器AT89C52中，有一個全雙工異步通訊串行口UART，單片機控制卡就是通過這個串行口和上位機實現串口通訊。在單片機軟件設計中，使用串行口UART進行程序設計。在串口通訊中，需要使用串行口數據寄存器SBUF和串行口控制寄存器SCON。寄存器SBUF用于接收和發送數據，寄存器SCON用于定義串行口的工作方式。同時，在發送或接收數據時，可以通過查詢SCON的TI或RI中斷標志位，判斷數據通訊是否完或。endprint