0 前言

　　隨著科技進(jìn)步和機(jī)床工業(yè)的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床作為機(jī)床工業(yè)的主流產(chǎn)品，已成為實(shí)現(xiàn)裝備制造業(yè)現(xiàn)代化的關(guān)鍵設(shè)備，加快發(fā)展數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)是我國裝備制造業(yè)發(fā)展的現(xiàn)實(shí)要求。近年來我國企業(yè)的數(shù)控機(jī)床占有率逐年上升，在大型企業(yè)已有較多的使用，在中、小型企業(yè)甚至個體企業(yè)中也普遍開始使用。但目前我國數(shù)控機(jī)床的數(shù)量和品種，尚不能完全滿足國內(nèi)市場需求。筆者提出一種基于單片機(jī)（MicroController Unit，簡稱MCU）控制的數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)，系統(tǒng)特點(diǎn)是將計(jì)算機(jī)數(shù)控（Computer Numerical Control，簡稱CNC）系統(tǒng)管理、插補(bǔ)、主軸、進(jìn)給、刀具控制等功能及PLC和存儲器集成于一個模塊，另一模塊管理數(shù)據(jù)輸入輸出、操作和顯示功能。整個系統(tǒng)由兩個模塊組成，結(jié)構(gòu)緊湊，便于維護(hù)和維修。再加上主軸驅(qū)動單元、進(jìn)給驅(qū)動單元和繼電接觸器控制單元等，整套系統(tǒng)投資成本與目前市售的各種經(jīng)濟(jì)型和普及型數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)相比，價格低許多，特別適合我國中小企業(yè)及個體企業(yè)初期建廠投資需要，系統(tǒng)還可應(yīng)用于普通機(jī)床的數(shù)控化改造。

1 CNC系統(tǒng)組成

　　CNC系統(tǒng)組成見圖1。

　　在CNC 系統(tǒng)中PC 機(jī)做上位機(jī)，而具體的控制動作則由下位機(jī)NC 控制電路中的單片機(jī)來完成。上位機(jī)向單片機(jī)發(fā)送控制信息和加工所需要的數(shù)據(jù)，單片機(jī)將系統(tǒng)的狀態(tài)信息反饋給上位機(jī)，兩者之間采用并行通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。NC 控制電路有多個CPU，其中主CPU 實(shí)現(xiàn)管理和組織整個系統(tǒng)工作，完成系統(tǒng)初始化、系統(tǒng)軟硬件診斷、系統(tǒng)出錯識別和處理等功能；輔助CPU 實(shí)現(xiàn)運(yùn)算處理，完成插補(bǔ)前預(yù)處理和插補(bǔ)計(jì)算，為各坐標(biāo)軸提供位置給定值；此外NC 控制電路還完成主軸控制、進(jìn)給控制、刀具控制、系統(tǒng)上電復(fù)位、電源電壓監(jiān)控及看門狗定時器等功能。PLC 輸入輸出電路在主CPU 控制下完成加工程序中的輔助控制功能和機(jī)床狀態(tài)檢測反饋信號的邏輯處理，實(shí)現(xiàn)各功能和操作方式之間的聯(lián)鎖、機(jī)床電氣設(shè)備的啟動、停止及刀具轉(zhuǎn)換等。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路將NC 控制電路輸出的進(jìn)給指令脈沖經(jīng)環(huán)形分配器產(chǎn)生步進(jìn)電機(jī)所要求的脈沖信號，再經(jīng)功率驅(qū)動器放大后驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。強(qiáng)電線路完成主軸啟動、停止、正/ 反轉(zhuǎn)控制、刀架控制、切削液開關(guān)控制等。

2 NC 控制電路

　　NC 控制電路由主控制器、輔助控制器、主軸控制、主軸變頻調(diào)速頻率給定電壓、系統(tǒng)上電復(fù)位、電源電壓監(jiān)控、看門狗定時器等電路組成，如圖2 所示。

　　2.1 主控制器與PC機(jī)通信

　　主控制器AT89C51 與PC 機(jī)之間采用并行數(shù)據(jù)傳輸，其數(shù)據(jù)傳輸速度快，無需進(jìn)行端口參數(shù)設(shè)置，無需進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，將PC機(jī)并口對應(yīng)引腳與單片機(jī)端口直接相連即可。PC機(jī)的并口為1個標(biāo)準(zhǔn)的25針插座，包含1個數(shù)據(jù)口、1個狀態(tài)口和1個控制口。在系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)時只要對這3 個寄存器進(jìn)行讀寫操作，就可實(shí)現(xiàn)PC 機(jī)與單片機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸。PC機(jī)并口8 根數(shù)據(jù)輸入輸出線與AT89C51 單片機(jī)P1口相連，4 根輸出控制線與單片機(jī)P3.0、P3.1、P3.2、P3.4 相連，5根輸入狀態(tài)線通過8D 鎖存器接至系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線。

　　2.2 主控制器與輔助控制器通信

　　主控制器AT89C51 與輔助控制器AT89C2051 之間采用并行通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。單片機(jī)并行通信有單向并行通信、主從并行通信、無主從雙向并行通信3 種通信方式，不同的通信方式其通信聯(lián)絡(luò)控制信號不盡相同。數(shù)據(jù)傳送可采用中斷方式進(jìn)行，也可采用查詢方式進(jìn)行。在該系統(tǒng)中采用主從并行通信方式，數(shù)據(jù)傳送采用中斷方式進(jìn)行，其中主控制器AT89C51的P0口與輔助控制器AT89C2051的P1口相連作為數(shù)據(jù)線，主控制器的P3.5、P3.6、P3.7 與輔助控制器的P3.3、P3.4、P3.5 相連作為通信聯(lián)絡(luò)控制信號。

　　2.3 看門狗電路

　　在CNC 控制系統(tǒng)中，存在電源通斷、瞬時電壓不穩(wěn)等不安全因素，將會造成系統(tǒng)死機(jī)、信息丟失、運(yùn)行不穩(wěn)定等故障。為解決這些問題，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)安全可靠、穩(wěn)定、實(shí)時運(yùn)行，采用X25045 芯片作為CPU監(jiān)控器，可完成系統(tǒng)上電復(fù)位、看門狗定時器、電源電壓監(jiān)控、串行E2PROM等功能。對X25045 的操作是通過4 根口線/ CS、SCK、SI和SO進(jìn)行同步串行通信來完成的，/CS為片選端，SCK為串行時鐘端，SI為串行輸入端，SO為串行輸出端。由于AT89C51單片機(jī)內(nèi)部沒有SPI 接口，因此系統(tǒng)利用了單片機(jī)P0口的3 根口線及1 根地址線和軟件模擬讀寫時序的方式與X25045 通信。

　　2.4 主軸控制電路

　　采用增量式光電編碼器作為螺紋加工中主軸旋轉(zhuǎn)與坐標(biāo)軸進(jìn)給同步控制、工件端面或錐面切削時恒線速切削控制、主軸測速等。由于主軸旋轉(zhuǎn)是雙向的，既可順時針旋轉(zhuǎn)，也可逆時針旋轉(zhuǎn)，所以需對編碼器的輸出信號鑒相后才能計(jì)數(shù)。在系統(tǒng)中光電編碼器輸出的6 路信號經(jīng)四差分線接收器MC3486放大后形成3 路信號，再經(jīng)18CV8 可編程邏輯器件鑒相。當(dāng)順時針旋轉(zhuǎn)時，鑒相輸出計(jì)數(shù)脈沖從18CV8 的F0 腳送至雙向計(jì)數(shù)器74LS193 的加脈沖輸入端UP，進(jìn)行加法計(jì)數(shù)；當(dāng)逆時針旋轉(zhuǎn)時，從18CV8的F1腳送至74LS193 的減脈沖輸入端DOWN，進(jìn)行減法計(jì)數(shù)；脈沖計(jì)數(shù)輸出值經(jīng)74LS245送至系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線。

　　2.5 頻率給定電壓電路

　　主軸變頻調(diào)速頻率給定電壓由TLC5615 產(chǎn)生，其和主控制器AT89C51 單片機(jī)的接口電路如圖2 所示，采用三線串行接口。在系統(tǒng)中，TLC5615 的串行時鐘輸入SCLK 端和串行數(shù)據(jù)輸入DIN 端分別與AT89C51 單片機(jī)的P0 口2 根線相連。片選/ CS 端與地址譯碼器74LS138 相連。由主控制器經(jīng)內(nèi)部控制程序處理后輸出主軸變頻調(diào)速頻率給定串行數(shù)據(jù)至TLC5615 的DIN 端，經(jīng)TLC5615 內(nèi)部D / A 轉(zhuǎn)換后由其OUT 端輸出頻率給定模擬電壓至主軸變頻調(diào)速電路，進(jìn)行主軸變頻調(diào)速控制。

3 PLC 輸入輸出電路

　　系統(tǒng)PLC為內(nèi)裝型，與NC控制電路共用CPU。PLC與NC間的信號傳送在CNC 系統(tǒng)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，PLC與MT（機(jī)床）信號傳送則通過輸入輸出接口電路實(shí)現(xiàn)。來自數(shù)控機(jī)床的按鈕、開關(guān)、繼電器及行程開關(guān)等輸入信號經(jīng)光電隔離電路抗干擾隔離并轉(zhuǎn)換成TTL 電平信號，送入74LS244 進(jìn)行信號去抖動處理，然后再經(jīng)74LS245 傳送至NC 控制電路主控制器。輸入信號經(jīng)主控制器內(nèi)部控制程序處理后，發(fā)出輸出控制信號，經(jīng)NC 控制電路的J2 接口傳送至PLC輸入輸出電路的74LS245，再經(jīng)74LS373、光電隔離電路和輸出驅(qū)動電路驅(qū)動繼電器、指示燈等器件。I/O地址信號由NC 電路的U12 鎖存，再經(jīng)輸入輸出電路的18CV8 邏輯運(yùn)算形成I/O片選信號，控制輸入輸出接口。I/O數(shù)據(jù)信號由74LS245 在CPU與輸入輸出接口之間進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)傳輸方向由CPU發(fā)出指令經(jīng)74LS245 的DIR引腳進(jìn)行控制。PLC輸入輸出電路如圖3所示。

4 CNC 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)軟件主要由監(jiān)控模塊、系統(tǒng)初始化模塊、人機(jī)接口管理模塊、譯碼及刀具補(bǔ)償模塊、輔助功能模塊、插補(bǔ)計(jì)算模塊、速度控制模塊、步進(jìn)電機(jī)進(jìn)給控制模塊、反向間隙補(bǔ)償模塊、手動控制模塊和自診斷模塊等組成。系統(tǒng)復(fù)位后首先進(jìn)入初始化程序，調(diào)

　　用自檢程序，進(jìn)行系統(tǒng)自檢，然后賦初值，接著對各接口芯片初始化。系統(tǒng)初始化后進(jìn)入監(jiān)控模塊，首先讀取方式選擇開關(guān)的狀態(tài)，然后根據(jù)方式控制開關(guān)所選擇的工作方式，調(diào)用相應(yīng)模塊進(jìn)行處理。

5 結(jié)束語

　　通過硬件設(shè)計(jì)制造及軟件程序編制，該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于數(shù)控車床、數(shù)控銑床等機(jī)床控制中。其投資成本低，性價比高，非常適合我國中小企業(yè)及個體企業(yè)投資需要。