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數(shù)控系統(tǒng)單片機測控技術的應用及實現(xiàn)

來源:互聯(lián)網(wǎng)

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所屬頻道:新聞中心

關鍵詞:機床制造 數(shù)控系統(tǒng) 電氣傳動

        可以說在當今全世界的機床制造業(yè)中,數(shù)控系統(tǒng)起著舉足輕重的作用。作為高尖端技術之一的數(shù)控系統(tǒng)集機械制造、自動控制、計算機、測量以及電氣傳動等技術于一身,各方面功能均十分強大。通過筆者對當前數(shù)控系統(tǒng)市場的調查發(fā)現(xiàn),一些中高檔的數(shù)控系統(tǒng)基本采用的都是以PC機為控制平臺實現(xiàn)對步進電機進行驅動控制的。雖然這種控制方式具有性能優(yōu)良、功能齊全、響應速度快等特點,但其價格卻相對比較昂貴。對于生產(chǎn)企業(yè)來講,需要的是一種既能滿足生產(chǎn)需求,價格又相對低廉的數(shù)控系統(tǒng)。為此,本文將單片機測控技術應用到數(shù)控系統(tǒng)當中,以此來實現(xiàn)這一需求。
      1 基于單片機的數(shù)控系統(tǒng)設計思路

      基于單片機的數(shù)控系統(tǒng),能夠根據(jù)用戶的實際需求以及CPU種類的不同實現(xiàn)產(chǎn)品細分,并以此使設計出來數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品具有系列化的特征。通過對市場的調查研究發(fā)現(xiàn),人們對數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品的需求大致可分為以下兩類:

      1.1 單片機加實時操作系統(tǒng)

      以這種形式構成的數(shù)控系統(tǒng)主要都是一些中高端的系統(tǒng),它們的功能相對來講比較豐富,可實現(xiàn)網(wǎng)絡信息共享,而且還可以進行閉環(huán)控制,精確度相當高。其中操作系統(tǒng)是確保任務實時性的關鍵。在此類數(shù)控系統(tǒng)當中,使用較多的單片機為ARM系列等,實時系統(tǒng)則為Windows、RT-Linux等。這種類型的數(shù)控系統(tǒng)常被用于對精度要求較高或是聯(lián)動數(shù)目在四軸以上的數(shù)控機床當中。

      1.2 單片機加控制模塊

      在此類組成結構的系統(tǒng)當中,由于采用的是控制模塊,而不是實時操作系統(tǒng),所以各個任務的實時性均是由系統(tǒng)中的控制軟件以及處理器的中斷等予以保證的。此類系統(tǒng)應用的單片機主要以高性能的CPU為主,這樣能夠有效地確保系統(tǒng)的運算速度符合插補和管理等功能的需要。這種系統(tǒng)通常僅能滿足三軸聯(lián)動和四軸聯(lián)動的數(shù)控機床的需求。

      通過上述分析不難看出,研發(fā)不同等級的數(shù)控系統(tǒng),只需要根據(jù)用戶的實際需求,采用的不同平臺,然后在平臺中對系統(tǒng)的主要功能略作改進,便能夠開發(fā)出滿足用戶需要的數(shù)控系統(tǒng)。這在一定程度上避免了基于單片機的數(shù)控系統(tǒng)研發(fā)的缺點,有效地減少了重復性工作,從而使整個研發(fā)周期相應地縮短很多。若是將數(shù)控系統(tǒng)中的主要技術模塊進行總結和提煉,便可以組成一個系統(tǒng)平臺,在此基礎上對相應的功能進行適當?shù)貏h減或增添,便可以完成系統(tǒng)的研發(fā)。這就是基于單片機的數(shù)控系統(tǒng)的基本設計思路?!?br/>  2 基于單片機測控的數(shù)控系統(tǒng)設計原則

      任何一種數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)的關鍵均在于其軟件及硬件的設計,應用單片機測控技術的數(shù)控系統(tǒng)也不例外,下面簡要介紹一下軟件及硬件在實際設計過程中需要遵循的主要原則:

      2.1 規(guī)范化原則

      一個數(shù)控系統(tǒng)的設計研發(fā),最忌諱的就是重復開發(fā),這樣不僅會浪費大量的時間,而且也會浪費大量的資源,所以在進行軟件及硬件設計過程中,必須有一個規(guī)范的標準,以此來規(guī)范系統(tǒng)的通訊協(xié)議以及軟硬件界面,可以使設備生產(chǎn)商和控制器制造商均能在相應的標準下進行研發(fā)和生產(chǎn),以此來杜絕重復性開發(fā)的情況發(fā)生,減少資源的浪費。為此,在進行系統(tǒng)軟硬件設計時,必須遵循規(guī)范化原則。

      2.2 系列化、標準化原則

      在系統(tǒng)硬件的設計過程中,應以系列化和標準化的原則進行設計,這樣有利于提高系統(tǒng)整體的實時性和可靠性。通過對系統(tǒng)通訊方式、CPU結構、運動及輔助控制等的模塊化處理,根據(jù)實際功能的不同制成所需的模塊,借此來實現(xiàn)系列化和標準化,同時模塊與模塊之間還可通過預先定義好的標準化接口實現(xiàn)通訊。

      2.3 開放性原則

      在進行系統(tǒng)軟件設計時,為有效地降低系統(tǒng)軟件對硬件的依賴性,應使軟件平臺獨立于系統(tǒng)硬件之外,并且也要將軟件設計成為模塊化,這樣有利于實現(xiàn)系統(tǒng)軟件的開放性。對于整個數(shù)控系統(tǒng)而言,設計一個獨立的軟件平臺是較為重要的。由于書庫系統(tǒng)本身都具有多任務性和實時性,所以軟件平臺的構建也應以此為前提,同時軟件平臺的基本功能還應實現(xiàn)典型化和模塊化,從而使每個功能模塊之間均能實現(xiàn)相互獨立和統(tǒng)一調度。這樣的軟件設計可以適應不同的硬件系統(tǒng),進而實現(xiàn)了軟件的開放性和獨立性。

    3 單片機測控技術在數(shù)控系統(tǒng)中的具體應用及實現(xiàn)

      基于以上的設計思路及設計原則,下面筆者以一種數(shù)控鉆銑床為例,對單片機測控技術的應用及實現(xiàn)進行分析。

      3.1 數(shù)控鉆銑床的基本功能及具體控制方案

      由于該數(shù)控機床是鉆、銑相結合的一類機床,為此先簡要介紹一下該數(shù)控機床的加工順序:首先,工作臺就位,然后鉆頭鉆進,鉆孔后鉆頭快退,移至下一位置繼續(xù)重復上述動作,直至全部鉆孔完畢為止后,工作臺恢復原位。銑削的加工順序基本與之相同。因本系統(tǒng)屬于鉆、銑一體的機床,故此在其各方面參數(shù)均滿足實際加工要求的前提下,決定采用連續(xù)控制系統(tǒng)對其加工進行控制,具體控制方案為采用單片機控制的步進電動機對系統(tǒng)工作臺進行開環(huán)控制。當進給指令由單片機系統(tǒng)發(fā)出后,經(jīng)過功率放大后對步進電動機的旋轉角度進行驅動,然后經(jīng)由齒輪減速器帶動絲杠進行旋轉,直線位移的完成主要依靠絲杠螺母的轉換,具體移動速度及位移量的大小由輸入脈沖數(shù)及脈沖頻率決定。

      3.2 單片機測控系統(tǒng)的主要功能

      該數(shù)控系統(tǒng)中,單片機采用的是集中控制方式,對于系統(tǒng)中的各項任務采取的是分時處理進行的,如插補運算、CRT顯示、輸入輸出控制以及存儲等等。測控系統(tǒng)的主要功能如下:其一,初始化處理。主要是對I/O接口、步進電動機旋轉頻率定時器以及中斷等進行初始化;其二,復位功能。機床開機工作時工作臺應自行恢復至初始加工位置,如有需要也可盡心手動復位;其三,監(jiān)視功能。具體是對開關、鍵盤以及按鍵等進行監(jiān)視,如監(jiān)視行程開關、急停按鍵等;其四,加工數(shù)據(jù)的輸出和顯示功能;其五,超程控制機報警功能。當工作臺在進行實際加工過程中,若超出規(guī)定的位置則立即停止工作,并相應的做出報警顯示;其六,控制方式選擇功能。主要包括手動和自動兩種控制方式,有特殊要求時可進行控制方式切換。

      3.3 測控功能的實現(xiàn)

      (1)硬件設計。按照該數(shù)控機床工作臺的實際測控要求,決定采用STC12C5A62S2系列單片機作為主控制器,并行設置44個I/O控制接口和雙UART串口,電路為MAX810專用復位電路,2路8位PWM/16位PCA模塊,8路10位精度ADC,其轉換速度最高可達到250K/S,即每秒25萬次,F(xiàn)lash ROM60K,SRAM 1208字節(jié)。這一系列的單片機具有以下特點:可靠性高、反應速度快、功耗低、價格便宜、抗靜電及抗干擾能力超強,無需對片外存儲空間進行擴展,便可用于數(shù)控機床工作臺的電動機控制,本身自帶PWM/PCA和A/D,不需要在配置外部檢測電路。為使加工數(shù)據(jù)能夠順利輸入到系統(tǒng)當中,采用矩陣鍵盤,規(guī)格為4×8;加工數(shù)據(jù)顯示器則采用6位LED顯示器,以便于顯示加工數(shù)據(jù)信息;為確保開機指示電源能夠正常工作,電源指示燈決定采用發(fā)光二極管;為有效地控制步進電動機的旋轉速度,決定采用I/O口對脈沖分配器的輸出信號進行控制,再經(jīng)由功率放大電路及光電隔離器后傳送至步進電動機線圈當中;為對機床工作臺的超程進行監(jiān)視及報警功能的實現(xiàn),決定采用全行程開關作為監(jiān)視信號進行輸入,并采用發(fā)光二極管作為超程報警指示燈。

      (2)軟件設計。如果將測控硬件系統(tǒng)的設計實現(xiàn),看作是整個數(shù)控系統(tǒng)的物質基礎的話,那么系統(tǒng)軟件的設計實現(xiàn)則是測控系統(tǒng)整體控制思路、控制方式以及控制過程的體現(xiàn)。測控系統(tǒng)各個功能的實現(xiàn),需要應用到單片機的如下技術,其中主要包括中斷、定時、LED顯示以及鍵盤掃描等技術。系統(tǒng)軟件設計主要以模塊化結構為主,下面對各個模塊的具體功能進行介紹:①主模塊。該模塊主要負責完成測控系統(tǒng)的各項管理工作,數(shù)控系統(tǒng)開機后會自行進入到管理模塊當中,然后接收并執(zhí)行由機床操作者發(fā)出的操作指令。在這一模塊當中,需要對鍵盤上各個相關案件的功能進行自定義,以此來確定接收指令的形式以及實現(xiàn)加工數(shù)據(jù)的輸入和、自動鉆銑加工、急停等操作功能;②自動加工測控模塊。按照該數(shù)控機床工作臺的實際工作需要,自動加工應包括鉆削和銑削兩部分。所以在該模塊中設計兩個子模塊分別用于鉆削和銑削的測控;③步進電動機控制模塊。該模塊主要是對電動機的轉速、轉角以及方向等進行控制。在對這一模塊進行設計時,應重點考慮電動機運轉時會出現(xiàn)一個加速或減速的過程,這樣有利于解決突然啟停時,慣性及負載造成電機損壞的問題??梢酝ㄟ^對進給脈沖的時間間隔及具體脈沖數(shù)進行確定,來實現(xiàn)對電機速度及轉角的控制??刂茣r間常數(shù)可預先定義好后存儲到程序當中,并以此作為對步進電動機運行控制的基本參數(shù),然后利用單片機本身自帶的定時器功能,并以中斷的方式來實現(xiàn)對電動機頻率的控制。

      由于該單片機中集成有可編程的應用程序,故此無需設計專用的仿真器及編程器。通過將單片機測控技術應用到數(shù)控系統(tǒng)當中,使得系統(tǒng)自動化功能的實現(xiàn)變得更加簡單、各方面性能也更為可靠。


    (審核編輯: 智匯小新)

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