李曉麗

摘要：近年來(lái)，隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，推動(dòng)了數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展速度，在航空航天、模具加工等行業(yè)中，數(shù)控系統(tǒng)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。然而，由于各個(gè)行業(yè)對(duì)產(chǎn)品加工質(zhì)量的要求不斷提高以及產(chǎn)品零件本身越來(lái)越復(fù)雜，致使一部分?jǐn)?shù)控系統(tǒng)很難滿足實(shí)際加工需要。為了進(jìn)一步提高數(shù)控系統(tǒng)的執(zhí)行效率，本文將單片機(jī)測(cè)控技術(shù)應(yīng)用到數(shù)控系統(tǒng)當(dāng)中，并從基于單片機(jī)的數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路、設(shè)計(jì)原則以及具體應(yīng)用及實(shí)現(xiàn)這三個(gè)方面對(duì)文章進(jìn)行詳細(xì)論述。

中圖分類號(hào)：TP27文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-3791(2012)04(A)-0000-00

可以說(shuō)在當(dāng)今全世界的機(jī)床制造業(yè)中，數(shù)控系統(tǒng)起著舉足輕重的作用。作為高尖端技術(shù)之一的數(shù)控系統(tǒng)集機(jī)械制造、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)、測(cè)量以及電氣傳動(dòng)等技術(shù)于一身，各方面功能均十分強(qiáng)大。通過(guò)筆者對(duì)當(dāng)前數(shù)控系統(tǒng)市場(chǎng)的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，一些中高檔的數(shù)控系統(tǒng)基本采用的都是以PC機(jī)為控制平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制的。雖然這種控制方式具有性能優(yōu)良、功能齊全、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，但其價(jià)格卻相對(duì)比較昂貴。對(duì)于生產(chǎn)企業(yè)來(lái)講，需要的是一種既能滿足生產(chǎn)需求，價(jià)格又相對(duì)低廉的數(shù)控系統(tǒng)。為此，本文將單片機(jī)測(cè)控技術(shù)應(yīng)用到數(shù)控系統(tǒng)當(dāng)中，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)這一需求。

1 基于單片機(jī)的數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

基于單片機(jī)的數(shù)控系統(tǒng)，能夠根據(jù)用戶的實(shí)際需求以及CPU種類的不同實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品細(xì)分，并以此使設(shè)計(jì)出來(lái)數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品具有系列化的特征。通過(guò)對(duì)市場(chǎng)的調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，人們對(duì)數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品的需求大致可分為以下兩類：

1.1 單片機(jī)加實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)

以這種形式構(gòu)成的數(shù)控系統(tǒng)主要都是一些中高端的系統(tǒng)，它們的功能相對(duì)來(lái)講比較豐富，可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信息共享，而且還可以進(jìn)行閉環(huán)控制，精確度相當(dāng)高。其中操作系統(tǒng)是確保任務(wù)實(shí)時(shí)性的關(guān)鍵。在此類數(shù)控系統(tǒng)當(dāng)中，使用較多的單片機(jī)為ARM系列等，實(shí)時(shí)系統(tǒng)則為Windows、RT-Linux等。這種類型的數(shù)控系統(tǒng)常被用于對(duì)精度要求較高或是聯(lián)動(dòng)數(shù)目在四軸以上的數(shù)控機(jī)床當(dāng)中。

1.2 單片機(jī)加控制模塊

在此類組成結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)當(dāng)中，由于采用的是控制模塊，而不是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，所以各個(gè)任務(wù)的實(shí)時(shí)性均是由系統(tǒng)中的控制軟件以及處理器的中斷等予以保證的。此類系統(tǒng)應(yīng)用的單片機(jī)主要以高性能的CPU為主，這樣能夠有效地確保系統(tǒng)的運(yùn)算速度符合插補(bǔ)和管理等功能的需要。這種系統(tǒng)通常僅能滿足三軸聯(lián)動(dòng)和四軸聯(lián)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床的需求。

通過(guò)上述分析不難看出，研發(fā)不同等級(jí)的數(shù)控系統(tǒng)，只需要根據(jù)用戶的實(shí)際需求，采用的不同平臺(tái)，然后在平臺(tái)中對(duì)系統(tǒng)的主要功能略作改進(jìn)，便能夠開(kāi)發(fā)出滿足用戶需要的數(shù)控系統(tǒng)。這在一定程度上避免了基于單片機(jī)的數(shù)控系統(tǒng)研發(fā)的缺點(diǎn)，有效地減少了重復(fù)性工作，從而使整個(gè)研發(fā)周期相應(yīng)地縮短很多。若是將數(shù)控系統(tǒng)中的主要技術(shù)模塊進(jìn)行總結(jié)和提煉，便可以組成一個(gè)系統(tǒng)平臺(tái)，在此基礎(chǔ)上對(duì)相應(yīng)的功能進(jìn)行適當(dāng)?shù)貏h減或增添，便可以完成系統(tǒng)的研發(fā)。這就是基于單片機(jī)的數(shù)控系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)思路。

2 基于單片機(jī)測(cè)控的數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

任何一種數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵均在于其軟件及硬件的設(shè)計(jì)，應(yīng)用單片機(jī)測(cè)控技術(shù)的數(shù)控系統(tǒng)也不例外，下面簡(jiǎn)要介紹一下軟件及硬件在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中需要遵循的主要原則：

2.1 規(guī)范化原則

一個(gè)數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研發(fā)，最忌諱的就是重復(fù)開(kāi)發(fā)，這樣不僅會(huì)浪費(fèi)大量的時(shí)間，而且也會(huì)浪費(fèi)大量的資源，所以在進(jìn)行軟件及硬件設(shè)計(jì)過(guò)程中，必須有一個(gè)規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)，以此來(lái)規(guī)范系統(tǒng)的通訊協(xié)議以及軟硬件界面，可以使設(shè)備生產(chǎn)商和控制器制造商均能在相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)下進(jìn)行研發(fā)和生產(chǎn)，以此來(lái)杜絕重復(fù)性開(kāi)發(fā)的情況發(fā)生，減少資源的浪費(fèi)。為此，在進(jìn)行系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)時(shí)，必須遵循規(guī)范化原則。

2.2 系列化、標(biāo)準(zhǔn)化原則

在系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)以系列化和標(biāo)準(zhǔn)化的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，這樣有利于提高系統(tǒng)整體的實(shí)時(shí)性和可靠性。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)通訊方式、CPU結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)及輔助控制等的模塊化處理，根據(jù)實(shí)際功能的不同制成所需的模塊，借此來(lái)實(shí)現(xiàn)系列化和標(biāo)準(zhǔn)化，同時(shí)模塊與模塊之間還可通過(guò)預(yù)先定義好的標(biāo)準(zhǔn)化接口實(shí)現(xiàn)通訊。

2.3 開(kāi)放性原則

在進(jìn)行系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)時(shí)，為有效地降低系統(tǒng)軟件對(duì)硬件的依賴性，應(yīng)使軟件平臺(tái)獨(dú)立于系統(tǒng)硬件之外，并且也要將軟件設(shè)計(jì)成為模塊化，這樣有利于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)軟件的開(kāi)放性。對(duì)于整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)而言，設(shè)計(jì)一個(gè)獨(dú)立的軟件平臺(tái)是較為重要的。由于書(shū)庫(kù)系統(tǒng)本身都具有多任務(wù)性和實(shí)時(shí)性，所以軟件平臺(tái)的構(gòu)建也應(yīng)以此為前提，同時(shí)軟件平臺(tái)的基本功能還應(yīng)實(shí)現(xiàn)典型化和模塊化，從而使每個(gè)功能模塊之間均能實(shí)現(xiàn)相互獨(dú)立和統(tǒng)一調(diào)度。這樣的軟件設(shè)計(jì)可以適應(yīng)不同的硬件系統(tǒng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了軟件的開(kāi)放性和獨(dú)立性。

3 單片機(jī)測(cè)控技術(shù)在數(shù)控系統(tǒng)中的具體應(yīng)用及實(shí)現(xiàn)

基于以上的設(shè)計(jì)思路及設(shè)計(jì)原則，下面筆者以一種數(shù)控鉆銑床為例，對(duì)單片機(jī)測(cè)控技術(shù)的應(yīng)用及實(shí)現(xiàn)進(jìn)行分析。

3.1 數(shù)控鉆銑床的基本功能及具體控制方案

由于該數(shù)控機(jī)床是鉆、銑相結(jié)合的一類機(jī)床，為此先簡(jiǎn)要介紹一下該數(shù)控機(jī)床的加工順序：首先，工作臺(tái)就位，然后鉆頭鉆進(jìn)，鉆孔后鉆頭快退，移至下一位置繼續(xù)重復(fù)上述動(dòng)作，直至全部鉆孔完畢為止后，工作臺(tái)恢復(fù)原位。銑削的加工順序基本與之相同。因本系統(tǒng)屬于鉆、銑一體的機(jī)床，故此在其各方面參數(shù)均滿足實(shí)際加工要求的前提下，決定采用連續(xù)控制系統(tǒng)對(duì)其加工進(jìn)行控制，具體控制方案為采用單片機(jī)控制的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)對(duì)系統(tǒng)工作臺(tái)進(jìn)行開(kāi)環(huán)控制。當(dāng)進(jìn)給指令由單片機(jī)系統(tǒng)發(fā)出后，經(jīng)過(guò)功率放大后對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，然后經(jīng)由齒輪減速器帶動(dòng)絲杠進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，直線位移的完成主要依靠絲杠螺母的轉(zhuǎn)換，具體移動(dòng)速度及位移量的大小由輸入脈沖數(shù)及脈沖頻率決定。

3.2 單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的主要功能

該數(shù)控系統(tǒng)中，單片機(jī)采用的是集中控制方式，對(duì)于系統(tǒng)中的各項(xiàng)任務(wù)采取的是分時(shí)處理進(jìn)行的，如插補(bǔ)運(yùn)算、CRT顯示、輸入輸出控制以及存儲(chǔ)等等。測(cè)控系統(tǒng)的主要功能如下：其一，初始化處理。主要是對(duì)I/O接口、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)頻率定時(shí)器以及中斷等進(jìn)行初始化；其二，復(fù)位功能。機(jī)床開(kāi)機(jī)工作時(shí)工作臺(tái)應(yīng)自行恢復(fù)至初始加工位置，如有需要也可盡心手動(dòng)復(fù)位；其三，監(jiān)視功能。具體是對(duì)開(kāi)關(guān)、鍵盤(pán)以及按鍵等進(jìn)行監(jiān)視，如監(jiān)視行程開(kāi)關(guān)、急停按鍵等；其四，加工數(shù)據(jù)的輸出和顯示功能；其五，超程控制機(jī)報(bào)警功能。當(dāng)工作臺(tái)在進(jìn)行實(shí)際加工過(guò)程中，若超出規(guī)定的位置則立即停止工作，并相應(yīng)的做出報(bào)警顯示；其六，控制方式選擇功能。主要包括手動(dòng)和自動(dòng)兩種控制方式，有特殊要求時(shí)可進(jìn)行控制方式切換。

3.3 測(cè)控功能的實(shí)現(xiàn)

（1）硬件設(shè)計(jì)。按照該數(shù)控機(jī)床工作臺(tái)的實(shí)際測(cè)控要求，決定采用STC12C5A62S2系列單片機(jī)作為主控制器，并行設(shè)置44個(gè)I/O控制接口和雙UART串口，電路為MAX810專用復(fù)位電路，2路8位PWM/16位PCA模塊，8路10位精度ADC，其轉(zhuǎn)換速度最高可達(dá)到250K/S，即每秒25萬(wàn)次，F(xiàn)lash ROM60K，SRAM 1208字節(jié)。這一系列的單片機(jī)具有以下特點(diǎn)：可靠性高、反應(yīng)速度快、功耗低、價(jià)格便宜、抗靜電及抗干擾能力超強(qiáng)，無(wú)需對(duì)片外存儲(chǔ)空間進(jìn)行擴(kuò)展，便可用于數(shù)控機(jī)床工作臺(tái)的電動(dòng)機(jī)控制，本身自帶PWM/PCA和A/D，不需要在配置外部檢測(cè)電路。為使加工數(shù)據(jù)能夠順利輸入到系統(tǒng)當(dāng)中，采用矩陣鍵盤(pán)，規(guī)格為4×8；加工數(shù)據(jù)顯示器則采用6位LED顯示器，以便于顯示加工數(shù)據(jù)信息；為確保開(kāi)機(jī)指示電源能夠正常工作，電源指示燈決定采用發(fā)光二極管；為有效地控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，決定采用I/O口對(duì)脈沖分配器的輸出信號(hào)進(jìn)行控制，再經(jīng)由功率放大電路及光電隔離器后傳送至步進(jìn)電動(dòng)機(jī)線圈當(dāng)中；為對(duì)機(jī)床工作臺(tái)的超程進(jìn)行監(jiān)視及報(bào)警功能的實(shí)現(xiàn)，決定采用全行程開(kāi)關(guān)作為監(jiān)視信號(hào)進(jìn)行輸入，并采用發(fā)光二極管作為超程報(bào)警指示燈。