基于單片機的數(shù)控機床控制系統(tǒng)的設計

李鴻祥 段元梅

（1.湖南科技學院智能制造學院 湖南·永州 425199；2.湖南科技學院信息工程學院 湖南·永州 425199）

0 前言

數(shù)控設備的運動單元簡單包含數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出指令、驅(qū)動器、伺服電機、絲桿傳動、軸移動、光學尺檢測反饋。數(shù)控系統(tǒng)作為數(shù)控設備的心臟，是數(shù)控設備優(yōu)良的重要指標[1]。日本發(fā)那科公司是當今世界上數(shù)控系統(tǒng)科研、設計、制造、銷售實力最強大的企業(yè)。掌握數(shù)控機床發(fā)展核心技術的發(fā)那科，不僅加快了日本本國數(shù)控機床的快速發(fā)展，而且加快了全世界數(shù)控機床技術水平的提高。西門子數(shù)控系統(tǒng)是可滿足各種需求的創(chuàng)新型數(shù)控系統(tǒng)。西門子數(shù)控系統(tǒng)采用模塊化設計，具有可擴縮性，融合了用于機床的多種產(chǎn)品。無論是否部署用于標準化車床和銑床，作為功能強大的、基于驅(qū)動的數(shù)控系統(tǒng)，或作為基于PC的解決方案，選擇該數(shù)控系統(tǒng)都會使設備運行更富有創(chuàng)新性，更具競爭力。發(fā)格自動化是蒙德拉貢集團的子公司。蒙德拉貢集團是西班牙第10大、巴斯克地區(qū)第一大的集團公司，目前雇員超過74000人[2]。發(fā)格自動化在研發(fā)和制造機床數(shù)控系統(tǒng)與測量系統(tǒng)領域擁有豐富的經(jīng)驗，軟件開發(fā)能力強大產(chǎn)品線豐富，可按客戶需要提供量身定制的解決方案。發(fā)格數(shù)控系統(tǒng)基于強大的功能組件的支持，發(fā)格數(shù)控系統(tǒng)可裝備任何要求苛刻的機床設備?？梢詾楦叨思庸ぶ行暮透叨塑囅髦行奶峁┩暾墓た亟鉀Q方案。對話式編程功能專門解決小批量工件編程問題、高速高精功能、納米級分辨率控制可凸顯機床的高技術含量、專用功能或特殊應用功能如激光切割機床專用功能。華中數(shù)控自主知識產(chǎn)權的數(shù)控系統(tǒng)具高、中、低三個檔次，公司在前期技術積累基礎上，整合國家重大專項3個課題的研發(fā)任務，瞄準國外高檔數(shù)控系統(tǒng)的最高水平。具有自主知識產(chǎn)權的伺服驅(qū)動和主軸驅(qū)動裝置性能指標達到國際先進水平[3]，自主研制的五軸聯(lián)動高檔數(shù)控系統(tǒng)已有數(shù)百臺在汽車、能源、航空等領域成功應用。華中數(shù)控研制的60多種專用數(shù)控系統(tǒng)，應用于紡織機械、木工機械、玻璃機械、注塑機械[4]。

1 單片機與上位機通信協(xié)議設計

上位機使用Delphi開發(fā)，采用串口與單片機通信。其中的波特率為1200，沒有校驗位，包含一位結束位。本文設計使用了第三方控件Spcomm。而串口通信協(xié)議采用不定長設計。第一個字節(jié)表示消息頭，每個消息為定長，消息最小長度為2字節(jié)，默認為0。一些重要的消息在消息頭后面緊跟一個字節(jié)的校驗位。在設計過程中還有如下的問題。首先，單片機不能向上位機發(fā)送0x17，發(fā)送的所有0x17不論在何位置均消失。解決方法是繞過0x17。其次，串口通信失效。解決的方法是降低波特率，在單片機函數(shù)加上reentrant關鍵字，中斷處理調(diào)用的函數(shù)體內(nèi)屏蔽串口中斷；上位機檢測串口異常，自動重新打開串口。第三，控制柜的輸入檢測失效。解決的方式是將上位機檢測改為單片機檢測。但在單片機檢測導致重復發(fā)送問題，解決方法是加一個延時。第四，上位機不能發(fā)送多字節(jié)。解決的方法是每發(fā)送一個字節(jié)延時1ms。

2 多按鍵處理

本文設計的數(shù)控機床系統(tǒng)的控制面板上包含了60多個按鍵、2個波動開關和20多個開關位，大約一共80多個開關位。所有的按鍵不但要處理可能出錯的錯誤按鍵信息，還需要處理好同時按鍵的操作功能。在整個數(shù)床控制系統(tǒng)中，必須通過單片機芯片來擴展I/O接口，這些芯片主要是8155芯片，同時本文將按鍵直接鏈接在8155的輸入輸出口上。接線方法要注意行線和列線，該行線和列線是由于接線按照矩形鍵盤設計的，其中行線由8155的PA口來完成，列線由PB和PC口負責。

具體方法描述如下。當掃描鍵盤的時候，就會發(fā)現(xiàn)有按鍵被按，該按鍵可能是某個行線的PA的一個輸入輸出口。我們在此將行線按序號進行分類，比如設置為S，T。同理，我們要將列線也進行編號，當掃描的過程中會發(fā)現(xiàn)具體的某一根列線被按鍵了。

3 原理分析與實現(xiàn)

數(shù)控機床控制屬于一種開環(huán)控制，就是按照給好控制指令直接執(zhí)行。跟鬧鐘的控制原理差不多，先設定好什么時候響（這就是控制指令），到時間就響（執(zhí)行指令）。鬧鐘的聲音可認為就是鬧鐘的執(zhí)行機構。比如把四方形的鐵安裝在機床固定位置，然后通過寫好的程序確定切四方形鐵的哪個位置以及切多少，啟動后，機床負責切割部分（刀）按照給定的指令進行運動，最后就可以完成錘子的加工。在以上過程中，涉及如下幾個控制概念?？刂茖ο蟆?zhí)行機構、控制指令和控制器。指令驅(qū)動執(zhí)行機構完成對象的控制。比如人轉(zhuǎn)方向盤讓輪子動最終改變車子方向，人相當于控制器，方向盤、輪子以及傳動機構屬于執(zhí)行機構，車是被控對象。本文將87C52單片機組建成該系統(tǒng)控制面板的硬件系統(tǒng)。該系統(tǒng)既包含了作為看門狗檢測系統(tǒng)的MAXA1232芯片還有相互傳遞信息的作為單片機的輸入輸出擴展口的其他芯片，比如74LS245和8155芯片等。

作為開放的硬件結構設計一般應滿足以下幾點要求。系統(tǒng)體系結構的開放性；對技術發(fā)展的適應性；應用范圍的廣泛性；生產(chǎn)廠和用戶兩方面的支持性；數(shù)控系統(tǒng)的高可靠性。為了保證數(shù)控系統(tǒng)的高可靠性，本文采用把工業(yè)控制用PC主板嵌入到專用數(shù)控硬件結構中。硬件的設計采用混合總線結構，即采用專用CME總線和ISA總線混合。總線上有多個CME總線的插槽和一個ISA總線插槽。模塊化、平臺式的結構設計，可適應技術的進步和發(fā)展。系統(tǒng)可以跟隨PC的發(fā)展而升級，系統(tǒng)配置靈活，其功能可以擴展也可以剪裁，因而可以派生出多種不同功能的數(shù)控系統(tǒng)，形成CNC的系列產(chǎn)品，滿足不同類型機床的應用要求。硬件配置如下。第一，All-In-One PC主卡（也稱半長卡）。早期使用IPC，芯片采用80386＋80387、4MB RAM，而現(xiàn)在可以使用80486、80586、Pentium Ⅲ，主頻用66、100、450MHz或更高。RAM可選8MB。第二，VGA顯示卡。早期使用PC104總線VGA卡，現(xiàn)在已集成在PC主卡內(nèi)。第三，MFUN（多功能）模塊內(nèi)裝有1.4MB ROM電子盤，用于存儲控制程序和PLC程序。384KBRAM用于參數(shù)存儲和加工程序存儲。當選用一個通道方式時，約有80KB作為參數(shù)存儲，并可存儲800m長的加工程序，并可擴展到3600m。多功能模板上裝有三軸位置控制模塊、鍵盤適配器等。第四，POS（位置控制）模板。該模板僅配置3軸位置控制功能，作為軸數(shù)擴展模板。第五，DI／DO模板，是接口輸入輸出模板，最大輸入104點，最大輸出56點。可用增加DI／DO模板來擴展輸入輸出點數(shù)。第六，CRT顯示和操作面板。CRT可選擇23cm（9in）、26cm（10in）或36cm（14in）單色和彩色顯示器，為了使整體結構緊湊，設計了專用的鍵盤。第七，總線模板?？偩€模板設計為無源總線，有10插槽和5插槽兩種，根據(jù)功能的多少來選擇總線模板的大小。模板為CME專用總線和ISA總線混合形式。第八，電源模塊。有＋5V、10A，±15V、0.2A，＋24V、2A，設有過電流、過欠電壓保護。第九，硬件配置沒有硬盤和軟驅(qū)，可選用軟驅(qū)用軟盤來傳送加工程序和調(diào)試程序。第十，可選用ARCNET網(wǎng)卡，用于CNC系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)FMS控制。