基于C8O51FO2O單片機的機床數控系統的研制

桂林電子科技大學信息科技學院 韓桂明

引言

數控機床作為一種高精度的自動化機床，綜合應用了電子、計算機、自動控制和機床制造等領域的先進技術，在我國工業生產中起著極其重要的作用，它很好地解決了現代機械制造中加工對象精密、結構復雜、品種多、批量小等問題。且產品加工質量穩定，生產效率大幅度提高。考慮到我國國情，價格昂貴的中、高精度的全功能數控機床難以被廣大生產企業所接受，價格相對低廉的經濟型數控系統得到了迅速地發展。經濟型數控系統采用了適合于現場實時控制和數據采集的單片機作為控制器，以控制靈活、可靠性高的步進電機進行驅動。與傳統的中、高精度全功能數控系統相比，經濟型數控系統具有結構簡單、工作性能穩定、性能價格比較高等特點。對于高端的數控機床所要控制的設備和精度要求非常高，它就要用到DSP芯片完成所需要的控制，這樣的數控系統是非常昂貴的，這種對于中底端產品來說是完全不能承受的；因此研制適合對于中底端數控系統是非常有市場前景的。本文給出了基于C8O51FO2O單片機的機床數控系統的具體軟、硬件方案。

1.機床數控系統簡介

中底檔數控系統應能控制主軸轉速、實現其正反轉；控制工作臺實現縱向、橫向和垂直方向的進給運動（車床刀架能實現縱向和橫向的進給運動并自動轉位換刀；加工螺紋時應保證主軸轉1轉，刀架移動1個被加工螺紋的導程）；控制冷卻和潤滑；通過鍵盤輸入加工程序，由顯示器顯示加工狀態等。因此中底檔數控系統主要的組成部分為以下兩個部分：

（1）機械部分 主傳動系統不變；進給傳動系統采用滾珠絲杠螺母副代替原有普通絲杠螺母副（車床應拆掉進給箱、溜板箱、小拖板和刀架，加裝電動刀架；主軸加裝光電編碼器供加工螺紋用）。

（2）數控部分 采用C8O51FO2O單片機組成控制系統，由變頻器來調節主機的轉動速度，由功率步進電機經一級齒輪減速后驅動X、Y、Z三軸（亦可用聯軸器將步進電機與絲杠直接聯結起來，以減小徑向尺寸）。

2.數控系統硬件設計

2.1 C8O51FO2O簡介

C8O51FO2O器件是完全集成的混合信號系統級MCU芯片，具有64個數字I/O引腳。它的主要特性有以下幾點（由于篇幅原因只列出部分）：

（1）高速、流水線結構的8O51，兼容的CIP-51，內核（可達25MIPS）。

（2）真正12位1OO ksps的8通道ADC，帶PGA和模擬多路開關。

（3）真正8位5OO ksps的ADC，帶PGA和8通道模擬多路開關。

（4）兩個12位DAC，具有可編程數據更新方式。

（5）64K字節可在系統編程的FLASH存儲器。

（6）5個通用的16位定時器。

（7）具有5個捕捉/比較模塊的可編程計數器/定時器陣列。

（8）片內看門狗定時器、VDD監視器和溫度傳感器。

（9）具有片內VDD監視器、看門狗定時器和時鐘振蕩器的C8O51FO2O/1/2/3是真正能獨立工作的片上系統。

C8O51FO2O/1/2/3單片機所有模擬和數字外設均可由用戶固件使能/禁止和配置。FLASH存儲器還具有在系統重新編程能力，可用于非易失性數據存儲，并允許現場更新c8O51fO2OMCU固件。片內JTAG調試電路允許使用安裝在最終應用系統上的產品MCU進行非侵入式（不占用片內資源）、全速、在系統調試。該調試系統支持觀察和修改存儲器和寄存器，支持斷點、觀察點、單步及運行和停機命令。在使用JTAG調試時，所有的模擬和數字外設都可全功能運行。

統合以上陳述選用C8O51FO2O單片機作為本系統的主控芯片。

圖 1 硬件結構框圖

圖2 主要框圖

2.2 機床數控系統硬件結構與組成

本機床數控系統的硬件結構框圖如較圖1所示。在硬件系統中為了節省C8O51FO2O單片機為數不多的IO口，鍵盤與鍵盤指示燈采用周立功公司的zlg8279芯片，它與C8O51FO2O單片機只需要4個引腳就可以完成64個按鍵與64顆指示燈的控制。本系統中用zlg8279芯片來管理64個按鍵與按鍵相對于的指示燈。在控制經x，y，z方向上的步進電機使用的是高速光耦，對于主軸，刀位與x，y，z軸的狀態反饋用的是低速光耦，這樣做的目的是既能滿足高速脈沖傳輸要求也在很大程序上節省系統制作成本。在這里變頻器控制的電壓為線性的，所以要用到線性光耦。為了方面工友們的使用我們經過多次考慮還是決定使用32O*24O這類比較大的LCM來完成所有界面的顯示。

3.機床數控軟件設計

本機床數控系統主要是通過C8O51FO2O單片機對步進電機進行控制和變頻控制器，使機床移動部件（工作臺、床鞍、升降臺、刀架等）沿X、Y、Z三個坐標方向移動，實現刀具與工件的相對運動，完成零件的加工。本系統軟件框圖如圖2所示。系統軟件由初始化模塊、鍵盤處理模塊、LED顯示模塊、輸入數據處理模塊、輸出控制模塊等組成其中步進電機控制程序由軟件實現脈沖分配，現以三相六拍步進電機為例說明步進電機的控制方法：當電機三相繞組按A-AB-B-BC-C-CA-A的順序通電時，步進電機正轉；若按A-AC-C-BC-B-AB-A的順序通電，則步進電機反轉。脈沖分配采用查表法，表格固化于flash中。系統程序編制通過定時器定時中斷產生周期性脈沖序列，不使用軟件定時，不占用CPU。

結論

在我國，大批機床的數控改造與升級勢在必行，同時這也是許多企事業不容忽略的課題。本方案是在比較了眾多采用89C51單片機的方案后得出最佳的方案，特點是控制精度高比老式的數控機床精度提高了1O%，生產效率提高了45%。同時，在滿足要求的情況下成本控制已經最低。本方案已被國內某機床股份有限公司所采納，產品經過一年多的市場試驗，客戶反應非常良好，這說明這是一個可行的方案。希望本文能起到拋磚引玉的作用。

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