簡易數控車床的微機控制系統軟件

作者簡介：汪英（1972—），女，湖南岳陽人，副教授，研究方向：電子技術、物聯網應用技術（E-mail：wangying_only@163.com）；殷文珊（1975—），女，湖南岳陽人，講師，碩士，研究方向：計算機通信。

摘要：在用高新技術改造傳統機械加工產業中，除了發展高精度、多功能的數控機床外，研發價格低廉、操作方便的簡易數控機床也是適合我國國情的一種有效途徑。本文采用AT89C52單片機和步進電機設計一種面向現有普通車床進行數控技術改造的微機控制系統，該系統能自動控制完成圓弧類二次曲線形零件的車削等多種功能。其軟件設計采用模塊化結構，編程簡單靈活，擴充性、移植性好，對同類微機數控系統的設計具有一定參考價值。

關鍵詞：簡易數控車床；微機控制；軟件；AT89C52；步進電機

中圖分類號：TP368 文獻標識碼：A

1引言

數控機床因其智能化、高精度、高速度和高柔性化為制造業帶來巨大變化，進入21世紀，我國在制造業方面投入了大量的技術改造資金，數控設備制造迎來了一個快速發展的階段[1]。但是由于我國制造業起步比較晚，高性能的數控設備引進成本較高，面對眾多中小機械加工類企業的普通機床技術改造的需求，采用單片機作為普通機床的數控中心，是較為適合我國國情，改造老式落后加工設備見效快，經濟性能好，易于推廣的一種有效措施[2]。本文研制了一種普通車床微機控制裝置，該裝置用于C618車床技術改造，能驅動車床完成手柄類零件車削加工，經現場運行，性能良好。本文主要討論在這類裝置上的系統軟件，既是對已成功的軟件的總結，也是對如何進一步提高其性能作些探討。

2系統簡介

本微機數控裝置適用于改造C618、C616、CW6163等最大加工直徑在400毫米以下的普通車床。它通過對刀架在縱橫兩個方向的運動距離、速度和方向的控制來實現車削內圓、外圓、斷面、錐面、切槽、倒角以及圓弧或曲線零件等加工任務。其硬件結構框圖如圖1所示[3]。

本裝置采用AT89C52單片機[4，5]作為控制中心，利用單片機上可編程的計數/定時器C/T0作為定時信號發生器，以中斷方式啟動CPU向外輸出脈沖；利用單片機的P1口作為步進電機驅動信號輸出口。在加工過程中，CPU按照用戶編制的加工程序從P1口發出相應的一系列脈沖信號，經光電隔離、放大后驅動兩臺步進電機[6，7]，以控制刀架在縱橫兩個運動的方向、長度和速度，從而與機床主軸配合完成各種車削動作。

3控制系統軟件設計

3.1主要程序流程圖

由以上分析可知，控制程序的主要功能為：

1）按用戶加工程序安排C/T0控制字，以產生相應的定時信號；

2）把加工程序中的位移毫米數轉換成相應步進電機的步數；

3）安排步進電機的轉向；

4）顯示有關參數（如：當前工序的道數，加工性質字，位移的余量等）；

5）當C/T0中斷信號產生時，驅動電機前進一步。

系統加電復位后，首先完成初始化，同時建立工件號/工序步表首地址對照表，等待操作人員按下啟動鍵，啟動鍵處理程序如圖2所示。由流程圖可見，整個控制程序是以加工子程序MACHINE為中心組成。正常工作的過程是，操作者按下啟動鍵后，則CPU進入啟動鍵處理程序，在其中安排好工序步表指針指向用戶加工程序后，調用加工子程序MACHINE完成工件的加工。加工子程序MACHINE的流程圖如圖3所示。

進入MACHINE后，首先清除各有關標識和計數器，然后根據工序步表指針取出本工件總的工序步數作為工序步計數器初值，取出第一道工序的標志字，如無錯誤則轉到相應的處理模塊執行。所有的處理模塊執行完畢后，均轉回到MACHINE程序中的DONE處，在此對工序步計數一次，判本工件的所有工序是否全部完成。已完則返回到主程序，未完則轉到MACHINE2取出下一道工序繼續加工。

工序步間的轉換，通過工作信號燈方式來實現。每道工序的開始，設置好刀架運動的方向、長度、初始化C/T0后，便置位工作燈：1→（BUSY），進入顯示循環等待C/T0中斷。在C/T0中斷服務子程序中，調用X向或Y向驅動子程序，驅動相應步進電機前進一步，進給計數一次，并判是否走完既定的步數。未完則返回，已完則置完成標志，且復位工作燈后返回。在主程序中循環顯示一遍后，將監測工作燈狀態，當發現（BUSY）=0時，則控制程序轉向執行下一道工序。

由于斜線和圓弧加工時，需要X、Y兩相步進電機聯動，也即只有當X、Y向行程均走完時，斜線或圓弧的加工才算完畢，故安排他們的工作燈置位時是2→（BUSY），當X、Y向電機均前進到終點后，先后兩次減1，使得（BUSY）=0，表示斜線或圓弧加工完畢，從而可進入下一道工序。

3.2斜線插補程序

完成斜線或圓弧切削的中心問題是如何根據原始參數，通過位置及軌跡控制運算（即通常所說的插補運算），產生有規律的兩串脈沖，來控制刀架的位置及運動軌跡[8]。對插補算法的要求，除了保證運算精度外，還要求運算方法簡單以適應八位單片機的特點，另外還應盡量滿足刀架運動速度不變的要求，以提高加工質量。在本系統中，采用逐點比較法來進行斜線和圓弧的插補算法[9]，它具有算法簡單，速度平穩，調節方便，精度適合于普通車床加工要求等優點。

本系統允許1，2，3，4象限的斜線加工。對4個象限的斜線，采用統一的算法，即全部按第一象限的斜線進行插補運算，至于X、Y向電機的進給方向，則在工序開始時由控制程序根據斜線所在象限來規定。

3.3圓弧插補程序

圓弧插補比斜線插補的算法要復雜得多，其復雜度體現在如下三個方面：

1）圓弧有8種不同的類型（4個象限，每個象限內有2種方向——順時針方向和逆時針方向），要區別對待；

2）圓弧有過象限的問題；

3）圓弧不是線性函數，由于X、Y向脈沖當量不相同且均不等于1，若不加修改直接按通常的圓弧插補公式進行計算，則加工出的曲線將發生畸變，不再是所要求的圓弧。

對于8種不同類型的圓弧，我們將其分為兩大類，其中第1象限順圓弧、第3象限順圓弧、第2象限逆圓弧、第4象限逆圓弧為一大類，其特點是圓弧發展趨向為：X向坐標絕對值越來越大，Y向坐標絕對值越來越小，記為“X↑Y↓”；其余4種圓弧為另一大類，特點是圓弧發展趨向為“X↓Y↑”。兩類不同的圓弧插補算法有所區別，且第一大類圓弧還有可能有過象限問題。

4結語

本文設計了一個基于AT89C52單片機的普通車床微機控制系統，完成了單片機驅動步進電機的轉向、轉速、轉數的軟件設計，重點研究了斜線及圓弧等二次曲線零件加工中的插補算法，提出了加工程序的循環設計技術。由于本軟件采用模塊化結構，且在設計時，已考慮了可擴充性等問題，故只要稍作修改便可方便地增加目前尚未開發的其他功能，亦可輕易地移植到那些采用步進電機驅動的其他類型車床的微機控制裝置上去，對于同類微機數控系統的設計開發，具有一定的實用價值和指導意義。

參考文獻

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[4]Cui Bo， Xu Guangbin. Design and realization of an intelligent data acquisition and display system based on AT89C52 and modbus [C]// Computing， Communication， Control， and Management， 2009. ISECS International Colloquium on . IEEE Conference Publications， 2009：455-459

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[7]Aranjo B， Soor P.K.， Talukder P. Stepper motor drives for robotic applications[C]// Power Engineering and Optimization Conference （PEDCO） Melaka， Malaysia， 2012 IEEE International Conference on. IEEE Conference Publications， 2012：361-366

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[9]黃新燕. 機床數控技術及編程[M]. 北京：北京理工大學出版社，2009.

[10]蒙斌. 數控原理和數控機床[M]. 北京：化學工業出版社，2009.