0 前言

　　隨著科技進步和機床工業(yè)的發(fā)展，數(shù)控機床作為機床工業(yè)的主流產(chǎn)品，已成為實現(xiàn)裝備制造業(yè)現(xiàn)代化的關鍵設備，加快發(fā)展數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)是我國裝備制造業(yè)發(fā)展的現(xiàn)實要求。近年來我國企業(yè)的數(shù)控機床占有率逐年上升，在大型企業(yè)已有較多的使用，在中、小型企業(yè)甚至個體企業(yè)中也普遍開始使用。但目前我國數(shù)控機床的數(shù)量和品種，尚不能完全滿足國內市場需求。筆者提出一種基于單片機（MicroController Unit，簡稱MCU）控制的數(shù)控機床控制系統(tǒng)，系統(tǒng)特點是將計算機數(shù)控（Computer Numerical Control，簡稱CNC）系統(tǒng)管理、插補、主軸、進給、刀具控制等功能及PLC和存儲器集成于一個模塊，另一模塊管理數(shù)據(jù)輸入輸出、操作和顯示功能。整個系統(tǒng)由兩個模塊組成，結構緊湊，便于維護和維修。再加上主軸驅動單元、進給驅動單元和繼電接觸器控制單元等，整套系統(tǒng)投資成本與目前市售的各種經(jīng)濟型和普及型數(shù)控機床控制系統(tǒng)相比，價格低許多，特別適合我國中小企業(yè)及個體企業(yè)初期建廠投資需要，系統(tǒng)還可應用于普通機床的數(shù)控化改造。

1 CNC系統(tǒng)組成

　　CNC系統(tǒng)組成見圖1。

　　在CNC 系統(tǒng)中PC 機做上位機，而具體的控制動作則由下位機NC 控制電路中的單片機來完成。上位機向單片機發(fā)送控制信息和加工所需要的數(shù)據(jù)，單片機將系統(tǒng)的狀態(tài)信息反饋給上位機，兩者之間采用并行通信方式進行數(shù)據(jù)傳輸。NC 控制電路有多個CPU，其中主CPU 實現(xiàn)管理和組織整個系統(tǒng)工作，完成系統(tǒng)初始化、系統(tǒng)軟硬件診斷、系統(tǒng)出錯識別和處理等功能；輔助CPU 實現(xiàn)運算處理，完成插補前預處理和插補計算，為各坐標軸提供位置給定值；此外NC 控制電路還完成主軸控制、進給控制、刀具控制、系統(tǒng)上電復位、電源電壓監(jiān)控及看門狗定時器等功能。PLC 輸入輸出電路在主CPU 控制下完成加工程序中的輔助控制功能和機床狀態(tài)檢測反饋信號的邏輯處理，實現(xiàn)各功能和操作方式之間的聯(lián)鎖、機床電氣設備的啟動、停止及刀具轉換等。步進電機驅動電路將NC 控制電路輸出的進給指令脈沖經(jīng)環(huán)形分配器產(chǎn)生步進電機所要求的脈沖信號，再經(jīng)功率驅動器放大后驅動步進電機運轉。強電線路完成主軸啟動、停止、正/ 反轉控制、刀架控制、切削液開關控制等。

2 NC 控制電路

　　NC 控制電路由主控制器、輔助控制器、主軸控制、主軸變頻調速頻率給定電壓、系統(tǒng)上電復位、電源電壓監(jiān)控、看門狗定時器等電路組成，如圖2 所示。

　　2.1 主控制器與PC機通信

　　主控制器AT89C51 與PC 機之間采用并行數(shù)據(jù)傳輸，其數(shù)據(jù)傳輸速度快，無需進行端口參數(shù)設置，無需進行電平轉換，將PC機并口對應引腳與單片機端口直接相連即可。PC機的并口為1個標準的25針插座，包含1個數(shù)據(jù)口、1個狀態(tài)口和1個控制口。在系統(tǒng)程序設計時只要對這3 個寄存器進行讀寫操作，就可實現(xiàn)PC 機與單片機之間的數(shù)據(jù)傳輸。PC機并口8 根數(shù)據(jù)輸入輸出線與AT89C51 單片機P1口相連，4 根輸出控制線與單片機P3.0、P3.1、P3.2、P3.4 相連，5根輸入狀態(tài)線通過8D 鎖存器接至系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線。

　　2.2 主控制器與輔助控制器通信

　　主控制器AT89C51 與輔助控制器AT89C2051 之間采用并行通信方式進行數(shù)據(jù)傳送。單片機并行通信有單向并行通信、主從并行通信、無主從雙向并行通信3 種通信方式，不同的通信方式其通信聯(lián)絡控制信號不盡相同。數(shù)據(jù)傳送可采用中斷方式進行，也可采用查詢方式進行。在該系統(tǒng)中采用主從并行通信方式，數(shù)據(jù)傳送采用中斷方式進行，其中主控制器AT89C51的P0口與輔助控制器AT89C2051的P1口相連作為數(shù)據(jù)線，主控制器的P3.5、P3.6、P3.7 與輔助控制器的P3.3、P3.4、P3.5 相連作為通信聯(lián)絡控制信號。

　　2.3 看門狗電路

　　在CNC 控制系統(tǒng)中，存在電源通斷、瞬時電壓不穩(wěn)等不安全因素，將會造成系統(tǒng)死機、信息丟失、運行不穩(wěn)定等故障。為解決這些問題，實現(xiàn)系統(tǒng)安全可靠、穩(wěn)定、實時運行，采用X25045 芯片作為CPU監(jiān)控器，可完成系統(tǒng)上電復位、看門狗定時器、電源電壓監(jiān)控、串行E2PROM等功能。對X25045 的操作是通過4 根口線/ CS、SCK、SI和SO進行同步串行通信來完成的，/CS為片選端，SCK為串行時鐘端，SI為串行輸入端，SO為串行輸出端。由于AT89C51單片機內部沒有SPI 接口，因此系統(tǒng)利用了單片機P0口的3 根口線及1 根地址線和軟件模擬讀寫時序的方式與X25045 通信。

　　2.4 主軸控制電路

　　采用增量式光電編碼器作為螺紋加工中主軸旋轉與坐標軸進給同步控制、工件端面或錐面切削時恒線速切削控制、主軸測速等。由于主軸旋轉是雙向的，既可順時針旋轉，也可逆時針旋轉，所以需對編碼器的輸出信號鑒相后才能計數(shù)。在系統(tǒng)中光電編碼器輸出的6 路信號經(jīng)四差分線接收器MC3486放大后形成3 路信號，再經(jīng)18CV8 可編程邏輯器件鑒相。當順時針旋轉時，鑒相輸出計數(shù)脈沖從18CV8 的F0 腳送至雙向計數(shù)器74LS193 的加脈沖輸入端UP，進行加法計數(shù)；當逆時針旋轉時，從18CV8的F1腳送至74LS193 的減脈沖輸入端DOWN，進行減法計數(shù)；脈沖計數(shù)輸出值經(jīng)74LS245送至系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線。

　　2.5 頻率給定電壓電路

　　主軸變頻調速頻率給定電壓由TLC5615 產(chǎn)生，其和主控制器AT89C51 單片機的接口電路如圖2 所示，采用三線串行接口。在系統(tǒng)中，TLC5615 的串行時鐘輸入SCLK 端和串行數(shù)據(jù)輸入DIN 端分別與AT89C51 單片機的P0 口2 根線相連。片選/ CS 端與地址譯碼器74LS138 相連。由主控制器經(jīng)內部控制程序處理后輸出主軸變頻調速頻率給定串行數(shù)據(jù)至TLC5615 的DIN 端，經(jīng)TLC5615 內部D / A 轉換后由其OUT 端輸出頻率給定模擬電壓至主軸變頻調速電路，進行主軸變頻調速控制。

3 PLC 輸入輸出電路

　　系統(tǒng)PLC為內裝型，與NC控制電路共用CPU。PLC與NC間的信號傳送在CNC 系統(tǒng)內部實現(xiàn)，PLC與MT（機床）信號傳送則通過輸入輸出接口電路實現(xiàn)。來自數(shù)控機床的按鈕、開關、繼電器及行程開關等輸入信號經(jīng)光電隔離電路抗干擾隔離并轉換成TTL 電平信號，送入74LS244 進行信號去抖動處理，然后再經(jīng)74LS245 傳送至NC 控制電路主控制器。輸入信號經(jīng)主控制器內部控制程序處理后，發(fā)出輸出控制信號，經(jīng)NC 控制電路的J2 接口傳送至PLC輸入輸出電路的74LS245，再經(jīng)74LS373、光電隔離電路和輸出驅動電路驅動繼電器、指示燈等器件。I/O地址信號由NC 電路的U12 鎖存，再經(jīng)輸入輸出電路的18CV8 邏輯運算形成I/O片選信號，控制輸入輸出接口。I/O數(shù)據(jù)信號由74LS245 在CPU與輸入輸出接口之間進行雙向數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)傳輸方向由CPU發(fā)出指令經(jīng)74LS245 的DIR引腳進行控制。PLC輸入輸出電路如圖3所示。

4 CNC 系統(tǒng)軟件設計

　　系統(tǒng)軟件主要由監(jiān)控模塊、系統(tǒng)初始化模塊、人機接口管理模塊、譯碼及刀具補償模塊、輔助功能模塊、插補計算模塊、速度控制模塊、步進電機進給控制模塊、反向間隙補償模塊、手動控制模塊和自診斷模塊等組成。系統(tǒng)復位后首先進入初始化程序，調

　　用自檢程序，進行系統(tǒng)自檢，然后賦初值，接著對各接口芯片初始化。系統(tǒng)初始化后進入監(jiān)控模塊，首先讀取方式選擇開關的狀態(tài)，然后根據(jù)方式控制開關所選擇的工作方式，調用相應模塊進行處理。

5 結束語

　　通過硬件設計制造及軟件程序編制，該系統(tǒng)已成功應用于數(shù)控車床、數(shù)控銑床等機床控制中。其投資成本低，性價比高，非常適合我國中小企業(yè)及個體企業(yè)投資需要。