實(shí)用型單軸數(shù)控進(jìn)給系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

舒華 齊繼寶

摘要：?jiǎn)屋S數(shù)控進(jìn)給系統(tǒng)在舊設(shè)備改造中有廣泛應(yīng)用。文章介紹了用C8051F020單片機(jī)為控制核心的實(shí)用型單軸數(shù)控進(jìn)給系統(tǒng)整體方案，對(duì)系統(tǒng)硬件及軟件設(shè)計(jì)做了詳細(xì)說(shuō)明。該單軸進(jìn)給系統(tǒng)價(jià)格低廉，舊設(shè)備經(jīng)系統(tǒng)改造后，能較大提高其加工精度和生產(chǎn)率。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)屋S；數(shù)控；C8051F020

目前許多工廠設(shè)備陳舊，急需自動(dòng)化改造，如機(jī)械加工中的磨床、剪折板機(jī)、組合機(jī)床、機(jī)械轉(zhuǎn)臺(tái)及一些生產(chǎn)線等，都可以進(jìn)行單軸數(shù)字化改造。改造后的設(shè)備，使用方便、操作簡(jiǎn)單、可大大提高產(chǎn)品精度、降低廢品率、大幅度提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。本文介紹用C8051F020單片機(jī)作為實(shí)用型單軸數(shù)控進(jìn)給系統(tǒng)的控制核心的整體方案，此系統(tǒng)低成本且加工精度高。

一、C8051F020芯片簡(jiǎn)介

在眾多的控制系統(tǒng)中，MCS-51系列單片機(jī)曾被廣大的工程師視為最理想的8位機(jī)，然后，隨著CPU技術(shù)的發(fā)展，一些高性能、高集成度的單片機(jī)，如8位和16位RISC單片機(jī)的上市，基于8051內(nèi)核的單片機(jī)正面臨著被淘汰的危險(xiǎn)。針對(duì)控制領(lǐng)域的高速度及模擬量的控制要求，Silabs集成產(chǎn)品公司推出其新產(chǎn)品C8051F020，該產(chǎn)品是有著功能完善、功耗低、速度快、資源豐富的完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)MCU芯片，單片機(jī)的整體性能有很大幅度的提高。該單片機(jī)的主要特點(diǎn)如下：一是高速、流水線結(jié)構(gòu)的8051，兼容的CIP-51，內(nèi)核（可達(dá)25MIPS）。二是真正12位100ksps的8通道ADC，帶PGA和模擬多路開(kāi)關(guān)。三是兩個(gè)12位DAC，具有可編程數(shù)據(jù)更新方式。四是64K字節(jié)可在系統(tǒng)編程的FLASH存儲(chǔ)器。五是5個(gè)通用的16位定時(shí)器。六是具有5個(gè)捕捉/比較模塊的可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣列。七是片內(nèi)看門狗定時(shí)器、VDD監(jiān)視器和溫度傳感器。八是具有片內(nèi)VDD監(jiān)視器、看門狗定時(shí)器和時(shí)鐘振蕩器C8051F020/1/2/3是真正能獨(dú)立工作的片上系統(tǒng)。

二、單軸數(shù)控進(jìn)給系統(tǒng)硬件方案設(shè)計(jì)

本單軸數(shù)控進(jìn)給系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

本系統(tǒng)采用單片機(jī)C8051F020為控制核心，系統(tǒng)共分6個(gè)模塊，詳細(xì)如下：

第一，鍵盤輸入模塊，提供人機(jī)界面，供用戶輸入控制數(shù)據(jù)。

第二，液晶顯示模塊，提供進(jìn)給數(shù)據(jù)量的實(shí)時(shí)顯示。

第三，驅(qū)動(dòng)模塊，驅(qū)動(dòng)采用閉環(huán)控制，元件選用深圳雷塞公司的驅(qū)動(dòng)器及電機(jī)，性能匹配，選用增量式實(shí)心軸編碼器ZJE-44-3000BM-G05P，用于解決單軸進(jìn)給的位置誤差問(wèn)題。

第四，串口通信模塊，用于實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與單軸數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊，可以通過(guò)PC對(duì)其數(shù)據(jù)設(shè)置與修改，優(yōu)化系統(tǒng)。

第五，開(kāi)關(guān)量輸入/輸出模塊，系統(tǒng)有急停，正向，負(fù)向限位，回零等開(kāi)關(guān)量信號(hào)，為了有效隔離模擬量和數(shù)字量通道，減少干擾信號(hào)，選用了TLP621光電耦合器，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

第六，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，C8051F020的內(nèi)部存儲(chǔ)器存放系統(tǒng)程序，采用FM18L08作為外部存儲(chǔ)器，存放用戶數(shù)據(jù)及程序。

三、單軸數(shù)控進(jìn)給系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本單軸數(shù)控進(jìn)給系統(tǒng)軟件部分主要有四個(gè)模塊，分別為界面功能模塊、通訊功能模塊、解釋功能模塊、控制功能模塊。界面功能模塊完成用戶數(shù)據(jù)輸入和修改以及數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示等；通訊功能模塊負(fù)責(zé)本單軸數(shù)控系統(tǒng)與PC間的數(shù)據(jù)交換；解釋功能模塊是對(duì)用戶輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行控制前預(yù)處理，包括數(shù)據(jù)報(bào)錯(cuò)，代碼識(shí)別﹑數(shù)制轉(zhuǎn)換等；控制功能模塊負(fù)責(zé)調(diào)用相關(guān)數(shù)據(jù)，對(duì)進(jìn)給過(guò)程采用閉環(huán)控制。

單軸數(shù)控控制系統(tǒng)流程圖如圖2所示。系統(tǒng)開(kāi)機(jī)后進(jìn)行初始化，有用戶輸入數(shù)據(jù)，讀出用戶的位置參數(shù)，再進(jìn)行檢測(cè)參數(shù)是否在合理范圍內(nèi)，若不合理，系統(tǒng)報(bào)警提示，由用戶進(jìn)行修正再檢測(cè)，若合理，單軸伺服進(jìn)給并有顯示屏實(shí)時(shí)顯示位置量，進(jìn)給結(jié)束后，再判斷有無(wú)新的進(jìn)給要求，如此循環(huán)，用戶可以隨意根據(jù)要求進(jìn)給，使用十分便捷。

四、總結(jié)

系統(tǒng)整體功能全面、模塊獨(dú)立、耦合性低、調(diào)試簡(jiǎn)易、且維修方便。且C8051F020有諸多預(yù)留口，有較好的擴(kuò)展性，在同類型的控制器中，性能在速度上、穩(wěn)定性和可靠性上明顯優(yōu)于其他單片機(jī)。在滿足要求的情況下能夠有效控制成本，為一些小微企業(yè)進(jìn)行數(shù)控化技術(shù)改造提供了一種優(yōu)選途徑。

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*本文受2010年浙江省新苗人才計(jì)劃資助（項(xiàng)目編號(hào)：xm1002）。

（作者單位：浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院）