基于單片機的數控機床控制系統的設計

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

數控設備的運動單元簡單包含數控系統發出指令、驅動器、伺服電機、絲桿傳動、軸移動、光學尺檢測反饋。數控系統作為數控設備的心臟，是數控設備優良的重要指標[1]。日本發那科公司是當今世界上數控系統科研、設計、制造、銷售實力最強大的企業。掌握數控機床發展核心技術的發那科，不僅加快了日本本國數控機床的快速發展，而且加快了全世界數控機床技術水平的提高。西門子數控系統是可滿足各種需求的創新型數控系統。西門子數控系統采用模塊化設計，具有可擴縮性，融合了用于機床的多種產品。無論是否部署用于標準化車床和銑床，作為功能強大的、基于驅動的數控系統，或作為基于PC的解決方案，選擇該數控系統都會使設備運行更富有創新性，更具競爭力。發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、巴斯克地區第一大的集團公司，目前雇員超過74000人[2]。發格自動化在研發和制造機床數控系統與測量系統領域擁有豐富的經驗，軟件開發能力強大產品線豐富，可按客戶需要提供量身定制的解決方案。發格數控系統基于強大的功能組件的支持，發格數控系統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。華中數控自主知識產權的數控系統具高、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個課題的研發任務，瞄準國外高檔數控系統的最高水平。具有自主知識產權的伺服驅動和主軸驅動裝置性能指標達到國際先進水平[3]，自主研制的五軸聯動高檔數控系統已有數百臺在汽車、能源、航空等領域成功應用。華中數控研制的60多種專用數控系統，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議設計

上位機使用Delphi開發，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。而串口通信協議采用不定長設計。第一個字節表示消息頭，每個消息為定長，消息最小長度為2字節，默認為0。一些重要的消息在消息頭后面緊跟一個字節的校驗位。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送0x17，發送的所有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，在單片機函數加上reentrant關鍵字，中斷處理調用的函數體內屏蔽串口中斷；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送問題，解決方法是加一個延時。第四，上位機不能發送多字節。解決的方法是每發送一個字節延時1ms。

2 多按鍵處理

本文設計的數控機床系統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。在整個數床控制系統中，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，就會發現有按鍵被按，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現具體的某一根列線被按鍵了。

3 原理分析與實現

數控機床控制屬于一種開環控制，就是按照給好控制指令直接執行。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（執行指令）。鬧鐘的聲音可認為就是鬧鐘的執行機構。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。控制對象、執行機構、控制指令和控制器。指令驅動執行機構完成對象的控制。比如人轉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行機構，車是被控對象。本文將87C52單片機組建成該系統控制面板的硬件系統。該系統既包含了作為看門狗檢測系統的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。系統體系結構的開放性；對技術發展的適應性；應用范圍的廣泛性；生產廠和用戶兩方面的支持性；數控系統的高可靠性。為了保證數控系統的高可靠性，本文采用把工業控制用PC主板嵌入到專用數控硬件結構中。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?？偩€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展。系統可以跟隨PC的發展而升級，系統配置靈活，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控系統，形成CNC的系列產品，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，現在已集成在PC主卡內。第三，MFUN（多功能）模塊內裝有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。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，可選用軟驅用軟盤來傳送加工程序和調試程序。第十，可選用ARCNET網卡，用于CNC系統聯網，實現FMS控制。