摘要：本文介紹了80C51單片機在兩軸聯(lián)動數(shù)控車床控制中的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖、CNC軟件設(shè)計思想及流程圖，步進電機的選型和驅(qū)動放大電路。 關(guān)鍵詞：80C51單片機 數(shù)控車床 步進電機 驅(qū)動電路 一 系統(tǒng)硬件設(shè)計 （一） 計算機數(shù)控（CNC）的組成及作用 1．?dāng)?shù)控（CNC）系統(tǒng)的組成 CNC數(shù)控系統(tǒng)由程序、輸入輸出設(shè)備、CNC裝置、可編程控制器件（PLC）、主驅(qū)動裝置和進給驅(qū)動裝置等組成。系統(tǒng)的框圖如下： 2．CNC裝置的結(jié)構(gòu) 數(shù)控系統(tǒng)的核心是CNC裝置，CNC裝置由軟件和硬件組成，它們的主要功能是：（1）正確識別和解釋數(shù)控加工程序；（2）對解釋結(jié)果進行各種數(shù)據(jù)計算和邏輯判斷處理，完成各種輸入輸出任務(wù)。 CNC裝置的軟件部分包括管理軟件和控制軟件，管理軟件由零件程序的輸入輸出程序、顯示程序和診斷程序等組成；控制程序由譯碼程序、刀具補償計算程序、速度控制程序、插補運算程序和位置控制程序等組成。 硬件部分包括中央處理器、存儲器、輸入輸出接口部分，如圖所示： 3．CNC裝置的工作過程 CNC裝置以存儲器方式工作，它的工作是在硬件的支持下，執(zhí)行軟件的全過程。在CNC機床上，加工過程中的操作均由數(shù)控系統(tǒng)完成。其工作過程如下：首先要將加工零件上的幾何信息和工藝信息數(shù)字化，即將刀具與工件的相對運動軌跡用代碼按規(guī)定的規(guī)則和格式編程加工程序，數(shù)控系統(tǒng)則按照程序的要求，進行相應(yīng)的運算、處理，然后發(fā)出控制命令，使各坐標(biāo)軸、主軸以及輔助動作相互協(xié)調(diào)運動，實現(xiàn)刀具與工件的相對運動，自動完成零件的加工。 （二） 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)及框圖 系統(tǒng)硬件主要是基于步進電機的控制，通過對步進電機每相線圈中的電流相序的切換使步進電機做步進式回轉(zhuǎn)，因此利用80C51單片機的軟件來實現(xiàn)其線圈脈沖的分配，主要是通過硬件擴展并行接口芯片8155的PB口來控制X軸和Z軸，步進電機通過鍵盤輸入數(shù)控車床的零件加工程序，并做出相應(yīng)的顯示，然后經(jīng)過系統(tǒng)程序的編譯并調(diào)用直線圓弧插補程序發(fā)出脈沖信號，經(jīng)光電隔離放大驅(qū)動步進電機，從而使步進電機帶動工作臺、刀架完成零件的加工。 （三） 步進電機的選擇 步進電機的種類很多，按工作原理分：磁阻式（反應(yīng)式）步進電機VR型，永磁式步進電機PM型、混合式步進電機HB型。改變定子繞組的通電順序就可以控制其轉(zhuǎn)向；定子繞組通電順序的改變與否，就很容易地控制它的起動與停止。 VR型步進電機具有以下優(yōu)點：（1）對步進電機的控制十分方便。指令脈沖數(shù)決定步進電機的轉(zhuǎn)動步數(shù)，指令脈沖的頻率決；（2）步矩角?。唬?）勵磁電流較大，要求驅(qū)動電源頻率較大，而效率較低；（4）電阻的內(nèi)部阻尼較小，當(dāng)相數(shù)較少時，單步運行振動時間長；（5）帶慣性負載能力較好，尤其是在高速時不容易失步；（6）斷電后無定位轉(zhuǎn)矩。結(jié)合設(shè)計的要求和性能，選擇磁阻式步進電機VR型。步進電機的最高工作頻率： fmax=1000Vmax/60ζ=1000＊1.5/60＊0.005=5000HZ 根據(jù)計算綜合考慮，查表選用110BF003型三相六拍步進電機。技術(shù)參數(shù)如下：步矩角0 .75º/1.5º；電壓80V；電流6A；啟動頻率1500HZ；運行頻率7000HZ。下圖是110BF003的啟動轉(zhuǎn)頻特性： 由上面的啟動轉(zhuǎn)頻特性可看出，當(dāng)啟動頻率在250～350HZ左右時轉(zhuǎn)矩有個“低谷”（轉(zhuǎn)矩為零），在編程時啟動頻率控制在300HZ以上。 （四） 驅(qū)動電路的設(shè)計 驅(qū)動放大電路采用高低壓驅(qū)動放大電路 高低壓驅(qū)動電路不論電動機頻率如何，在導(dǎo)通相的前沿用高電壓供電，來提高電流的前沿上升率，而在前沿過后用低電壓來維持繞組的電流。主回路由高壓管TH、電動機繞組、低壓管TL串聯(lián)而成，UH加高電壓，UL加低電壓。電路如下圖所示： 當(dāng)TL>>TH，因為繞組的電流平均值仍在額定值附近，所以低壓的電壓選擇式為：UL=INR+UDL+UCE 當(dāng)電機運行頻率上升時，電動機反電勢逐漸升高，TH期間的電流上沖量有所減少，在TH過后只有低壓供電時，受反電勢的作用，繞組電流下降較快，但此時，TL已經(jīng)接近TH，電流上沖時的磁場的儲能，在電流下降的過程中能維持一段時間，待到完全由低壓決定時，已經(jīng)接近TL的后沿時間，所以繞組電流的平均值仍能保持所需要的數(shù)值。 當(dāng)運行頻率繼續(xù)升高時，若TL=TH時，在繞組導(dǎo)通時間內(nèi)已全部由高壓供電，低壓已不能起作用。當(dāng)頻率繼續(xù)升高時，TL〈TH，此時應(yīng)在前級的信號處理中使TH跟蹤TL的寬度，使電路一直處于高電壓供電狀態(tài)。在TL時間過后，繞組電流進入續(xù)流狀態(tài)，電流經(jīng)DL、電動機繞組、DH泄放，磁場的能量將回饋給高電壓。 綜上所述，高低壓驅(qū)動可保證在很寬的頻段內(nèi)使相繞組有較大的平均電流，在截止時又能迅速的泄放。因此能產(chǎn)生較大的、目標(biāo)穩(wěn)定的電磁轉(zhuǎn)矩，使得驅(qū)動系統(tǒng)得到較高的響應(yīng)。 二 系統(tǒng)軟件設(shè)計 1．系統(tǒng)軟件的選擇 在數(shù)控機床中，被加工的輪廓千差萬別，特別是較復(fù)雜的輪廓若直接生成，難以實現(xiàn)，一般是利用插補來實現(xiàn)對各坐標(biāo)進行脈沖分配，完成整個線段的軌跡運行。常見的插補有三種，分為硬件插補、軟件插補和軟硬件結(jié)合。根據(jù)設(shè)計要求，本系統(tǒng)采用軟硬件結(jié)合法中的數(shù)字積分法。軟硬件結(jié)合是利用軟件來實現(xiàn)粗插補，利用硬件來實現(xiàn)精插補，其特點是插補速度快、精度高，適用于精度高的加工中心。數(shù)字積分法又稱DDA法，其特點是脈沖分配均勻，易于實現(xiàn)坐標(biāo)擴展。 2．系統(tǒng)的總體軟件結(jié)構(gòu)及流程圖 系統(tǒng)采用前后臺型軟件結(jié)構(gòu)，這種軟件結(jié)構(gòu)把系統(tǒng)軟件分為前臺程序和后臺程序。前臺程序是指實施中斷程序，例如插補程序、伺服控制、機床邏輯控制和監(jiān)控等功能，它們和機床的運動直接相關(guān)，并且時實性要求高。后臺程序是指實現(xiàn)輸入譯碼，數(shù)據(jù)處理及管理功能的程序，又稱背景程序。后臺程序為前臺程序的實施提供條件和進行管理。 圖（1）是正常加工狀態(tài)下后臺程序的調(diào)度管理框圖。開機后先運行初始化程序。如果啟動按扭按下，執(zhí)行輸入、譯碼和數(shù)據(jù)處理程序。經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后，就完成了軌跡計算及速度計算。循環(huán)停處理程序是處理各種停止?fàn)顟B(tài)的。例如在單段執(zhí)行時，每執(zhí)行完一個數(shù)據(jù)段時就設(shè)置循環(huán)停狀態(tài)，數(shù)控機床處于等待狀態(tài)，當(dāng)操作員重新按下循環(huán)啟動按鈕后，執(zhí)行下一個數(shù)據(jù)段的程序；操作員因故按下循環(huán)按扭，則立即停止插補運行，只有重新按下循環(huán)啟動按鈕，程序才能繼續(xù)運行。如果系統(tǒng)處于連續(xù)自動加工狀態(tài)，則跳過循環(huán)停處理程序。以后加工程序段的數(shù)據(jù)處理由數(shù)據(jù)執(zhí)行段程序完成。正常情況下，后臺程序在1→2→3→4中循環(huán)，直到工件加工結(jié)束。 前臺程序如框圖。圖中第一框伺服程序是控制伺服系統(tǒng)的速度和位置，按上一周期的插補結(jié)果實現(xiàn)進給。第二框圖掃描用于在控制面板上設(shè)置工作狀態(tài)標(biāo)志，處理控制面板輸入的信息。第三框圖輔助功能處理可調(diào)用機床邏輯功能子程序執(zhí)行M、S、T輔助功能及機床邏輯狀態(tài)控制。第四框圖插補程序可算出位置的偏差值，作為下一周期實現(xiàn)伺服控制的依據(jù)。后掃描可修改控制面板的狀態(tài)標(biāo)志，為操作員指明當(dāng)前的狀態(tài)，然后返回后臺程序。 前臺程序是一個定時中斷處理程序，這種中斷處理程序按一定時間（例如10ms）中斷一次，CPU執(zhí)行一次前臺程序。其過程是：程序啟動，經(jīng)過初始化就近入后臺程序，同時開放定時中斷，每10ms定時中斷發(fā)生一次，執(zhí)行一次中斷服務(wù)程序，即前臺程序。此時后臺程序停止運行；定時中斷程序執(zhí)行完畢以后又返回后臺程序；以后過10ms定時中斷又發(fā)生，如此循環(huán)往復(fù)，共同完成數(shù)控系統(tǒng)的全部功能。 本系統(tǒng)的軟件總體設(shè)計是通過鍵盤輸入數(shù)控 機床的零件加工程序，然后進行自檢，判斷程序是否符合規(guī)格要求。如果不符，則提示出錯，正確則調(diào)用相應(yīng)的程序段進行加工，具體程序流程如圖（2）所示 三 參考文獻 1 張柱銀 數(shù)控原理與數(shù)控機床 化學(xué)工業(yè)出版社 2 李善術(shù) 樹控機床原理及其應(yīng)用 機械工業(yè)出版社 3 任玉學(xué)等 機床計算機數(shù)控技術(shù) 北京理工大學(xué)出版社 4 李廣弟 單片機基礎(chǔ) 北京航空航天大學(xué)出版社 5 余錫存等 單片機原理及接口技術(shù) 西安電子科技大學(xué)出版社 6 劉寶延 程樹康 步進電機及其驅(qū)動控制系統(tǒng) 哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社 7 王津 單片機原理與應(yīng)用 重慶大學(xué)出版社 8 高明 單片微機接口與系統(tǒng)設(shè)計 哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社 9 劉守義 單片機應(yīng)用技術(shù) 西安電子科技大學(xué)出版社