摘要：本文介紹了80C51單片機(jī)在兩軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控車床控制中的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖、CNC軟件設(shè)計(jì)思想及流程圖，步進(jìn)電機(jī)的選型和驅(qū)動(dòng)放大電路。 關(guān)鍵詞：80C51單片機(jī) 數(shù)控車床 步進(jìn)電機(jī) 驅(qū)動(dòng)電路 一 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) （一） 計(jì)算機(jī)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(dòng)裝置和進(jìn)給驅(qū)動(dòng)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(shí)別和解釋數(shù)控加工程序；（2）對(duì)解釋結(jié)果進(jìn)行各種數(shù)據(jù)計(jì)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(bǔ)償計(jì)算程序、速度控制程序、插補(bǔ)運(yùn)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(chǔ)器、輸入輸出接口部分，如圖所示： 3．CNC裝置的工作過(guò)程 CNC裝置以存儲(chǔ)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(guò)程。在CNC機(jī)床上，加工過(guò)程中的操作均由數(shù)控系統(tǒng)完成。其工作過(guò)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(duì)運(yùn)動(dòng)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(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)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(dòng)作相互協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)刀具與工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，自動(dòng)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(jìn)電機(jī)的控制，通過(guò)對(duì)步進(jìn)電機(jī)每相線圈中的電流相序的切換使步進(jìn)電機(jī)做步進(jìn)式回轉(zhuǎn)，因此利用80C51單片機(jī)的軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)其線圈脈沖的分配，主要是通過(guò)硬件擴(kuò)展并行接口芯片8155的PB口來(lái)控制X軸和Z軸，步進(jìn)電機(jī)通過(guò)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(guò)系統(tǒng)程序的編譯并調(diào)用直線圓弧插補(bǔ)程序發(fā)出脈沖信號(hào)，經(jīng)光電隔離放大驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，從而使步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)工作臺(tái)、刀架完成零件的加工。 （三） 步進(jìn)電機(jī)的選擇 步進(jìn)電機(jī)的種類很多，按工作原理分：磁阻式（反應(yīng)式）步進(jìn)電機(jī)VR型，永磁式步進(jìn)電機(jī)PM型、混合式步進(jìn)電機(jī)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(dòng)與停止。 VR型步進(jìn)電機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制十分方便。指令脈沖數(shù)決定步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)步數(shù)，指令脈沖的頻率決；（2）步矩角??；（3）勵(lì)磁電流較大，要求驅(qū)動(dòng)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(shí)，單步運(yùn)行振動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)；（5）帶慣性負(fù)載能力較好，尤其是在高速時(shí)不容易失步；（6）斷電后無(wú)定位轉(zhuǎn)矩。結(jié)合設(shè)計(jì)的要求和性能，選擇磁阻式步進(jìn)電機(jī)VR型。步進(jìn)電機(jī)的最高工作頻率： fmax=1000Vmax/60ζ=1000＊1.5/60＊0.005=5000HZ 根據(jù)計(jì)算綜合考慮，查表選用110BF003型三相六拍步進(jìn)電機(jī)。技術(shù)參數(shù)如下：步矩角0 .75º/1.5º；電壓80V；電流6A；啟動(dòng)頻率1500HZ；運(yùn)行頻率7000HZ。下圖是110BF003的啟動(dòng)轉(zhuǎn)頻特性： 由上面的啟動(dòng)轉(zhuǎn)頻特性可看出，當(dāng)啟動(dòng)頻率在250～350HZ左右時(shí)轉(zhuǎn)矩有個(gè)“低谷”（轉(zhuǎn)矩為零），在編程時(shí)啟動(dòng)頻率控制在300HZ以上。 （四） 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) 驅(qū)動(dòng)放大電路采用高低壓驅(qū)動(dòng)放大電路 高低壓驅(qū)動(dòng)電路不論電動(dòng)機(jī)頻率如何，在導(dǎo)通相的前沿用高電壓供電，來(lái)提高電流的前沿上升率，而在前沿過(guò)后用低電壓來(lái)維持繞組的電流。主回路由高壓管TH、電動(dòng)機(jī)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?yàn)槔@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(jī)運(yùn)行頻率上升時(shí)，電動(dòng)機(jī)反電勢(shì)逐漸升高，TH期間的電流上沖量有所減少，在TH過(guò)后只有低壓供電時(shí)，受反電勢(shì)的作用，繞組電流下降較快，但此時(shí)，TL已經(jīng)接近TH，電流上沖時(shí)的磁場(chǎng)的儲(chǔ)能，在電流下降的過(guò)程中能維持一段時(shí)間，待到完全由低壓決定時(shí)，已經(jīng)接近TL的后沿時(shí)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(yùn)行頻率繼續(xù)升高時(shí)，若TL=TH時(shí)，在繞組導(dǎo)通時(shí)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(shí)，TL〈TH，此時(shí)應(yīng)在前級(jí)的信號(hào)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(shí)間過(guò)后，繞組電流進(jìn)入續(xù)流狀態(tài)，電流經(jīng)DL、電動(dòng)機(jī)繞組、DH泄放，磁場(chǎng)的能量將回饋給高電壓。 綜上所述，高低壓驅(qū)動(dòng)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(shí)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(dòng)系統(tǒng)得到較高的響應(yīng)。 二 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 1．系統(tǒng)軟件的選擇 在數(shù)控機(jī)床中，被加工的輪廓千差萬(wàn)別，特別是較復(fù)雜的輪廓若直接生成，難以實(shí)現(xiàn)，一般是利用插補(bǔ)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)各坐標(biāo)進(jìn)行脈沖分配，完成整個(gè)線段的軌跡運(yùn)行。常見的插補(bǔ)有三種，分為硬件插補(bǔ)、軟件插補(bǔ)和軟硬件結(jié)合。根據(jù)設(shè)計(jì)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(lái)實(shí)現(xiàn)粗插補(bǔ)，利用硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)精插補(bǔ)，其特點(diǎn)是插補(bǔ)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(diǎn)是脈沖分配均勻，易于實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)擴(kuò)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(tái)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(tái)程序和后臺(tái)程序。前臺(tái)程序是指實(shí)施中斷程序，例如插補(bǔ)程序、伺服控制、機(jī)床邏輯控制和監(jiān)控等功能，它們和機(jī)床的運(yùn)動(dòng)直接相關(guān)，并且時(shí)實(shí)性要求高。后臺(tái)程序是指實(shí)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(tái)程序?yàn)榍芭_(tái)程序的實(shí)施提供條件和進(jìn)行管理。 圖（1）是正常加工狀態(tài)下后臺(tái)程序的調(diào)度管理框圖。開機(jī)后先運(yùn)行初始化程序。如果啟動(dòng)按扭按下，執(zhí)行輸入、譯碼和數(shù)據(jù)處理程序。經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后，就完成了軌跡計(jì)算及速度計(jì)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(shí)，每執(zhí)行完一個(gè)數(shù)據(jù)段時(shí)就設(shè)置循環(huán)停狀態(tài)，數(shù)控機(jī)床處于等待狀態(tài)，當(dāng)操作員重新按下循環(huán)啟動(dòng)按鈕后，執(zhí)行下一個(gè)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(bǔ)運(yùn)行，只有重新按下循環(huán)啟動(dòng)按鈕，程序才能繼續(xù)運(yùn)行。如果系統(tǒng)處于連續(xù)自動(dòng)加工狀態(tài)，則跳過(guò)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(tái)程序在1→2→3→4中循環(huán)，直到工件加工結(jié)束。 前臺(tái)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(bǔ)結(jié)果實(shí)現(xiàn)進(jìn)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(jī)床邏輯功能子程序執(zhí)行M、S、T輔助功能及機(jī)床邏輯狀態(tài)控制。第四框圖插補(bǔ)程序可算出位置的偏差值，作為下一周期實(shí)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(tái)程序。 前臺(tái)程序是一個(gè)定時(shí)中斷處理程序，這種中斷處理程序按一定時(shí)間（例如10ms）中斷一次，CPU執(zhí)行一次前臺(tái)程序。其過(guò)程是：程序啟動(dòng)，經(jīng)過(guò)初始化就近入后臺(tái)程序，同時(shí)開放定時(shí)中斷，每10ms定時(shí)中斷發(fā)生一次，執(zhí)行一次中斷服務(wù)程序，即前臺(tái)程序。此時(shí)后臺(tái)程序停止運(yùn)行；定時(shí)中斷程序執(zhí)行完畢以后又返回后臺(tái)程序；以后過(guò)10ms定時(shí)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(jì)是通過(guò)鍵盤輸入數(shù)控 機(jī)床的零件加工程序，然后進(jìn)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(cuò)，正確則調(diào)用相應(yīng)的程序段進(jìn)行加工，具體程序流程如圖（2）所示 三 參考文獻(xiàn) 1 張柱銀 數(shù)控原理與數(shù)控機(jī)床 化學(xué)工業(yè)出版社 2 李善術(shù) 樹控機(jī)床原理及其應(yīng)用 機(jī)械工業(yè)出版社 3 任玉學(xué)等 機(jī)床計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù) 北京理工大學(xué)出版社 4 李廣弟 單片機(jī)基礎(chǔ) 北京航空航天大學(xué)出版社 5 余錫存等 單片機(jī)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(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng) 哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社 7 王津 單片機(jī)原理與應(yīng)用 重慶大學(xué)出版社 8 高明 單片微機(jī)接口與系統(tǒng)設(shè)計(jì) 哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社 9 劉守義 單片機(jī)應(yīng)用技術(shù) 西安電子科技大學(xué)出版社