摘要：本文介紹了80C51單片機在兩軸聯動數控車床控制中的系統結構框圖、CNC軟件設計思想及流程圖，步進電機的選型和驅動放大電路。 關鍵詞：80C51單片機 數控車床 步進電機 驅動電路 一 系統硬件設計 （一） 計算機數控（CNC）的組成及作用 1．數控（CNC）系統的組成 CNC數控系統由程序、輸入輸出設備、CNC裝置、可編程控制器件（PLC）、主驅動裝置和進給驅動裝置等組成。系統的框圖如下： 2．CNC裝置的結構 數控系統的核心是CNC裝置，CNC裝置由軟件和硬件組成，它們的主要功能是：（1）正確識別和解釋數控加工程序；（2）對解釋結果進行各種數據計算和邏輯判斷處理，完成各種輸入輸出任務。 CNC裝置的軟件部分包括管理軟件和控制軟件，管理軟件由零件程序的輸入輸出程序、顯示程序和診斷程序等組成；控制程序由譯碼程序、刀具補償計算程序、速度控制程序、插補運算程序和位置控制程序等組成。 硬件部分包括中央處理器、存儲器、輸入輸出接口部分，如圖所示： 3．CNC裝置的工作過程 CNC裝置以存儲器方式工作，它的工作是在硬件的支持下，執行軟件的全過程。在CNC機床上，加工過程中的操作均由數控系統完成。其工作過程如下：首先要將加工零件上的幾何信息和工藝信息數字化，即將刀具與工件的相對運動軌跡用代碼按規定的規則和格式編程加工程序，數控系統則按照程序的要求，進行相應的運算、處理，然后發出控制命令，使各坐標軸、主軸以及輔助動作相互協調運動，實現刀具與工件的相對運動，自動完成零件的加工。 （二） 系統硬件結構及框圖 系統硬件主要是基于步進電機的控制，通過對步進電機每相線圈中的電流相序的切換使步進電機做步進式回轉，因此利用80C51單片機的軟件來實現其線圈脈沖的分配，主要是通過硬件擴展并行接口芯片8155的PB口來控制X軸和Z軸，步進電機通過鍵盤輸入數控車床的零件加工程序，并做出相應的顯示，然后經過系統程序的編譯并調用直線圓弧插補程序發出脈沖信號，經光電隔離放大驅動步進電機，從而使步進電機帶動工作臺、刀架完成零件的加工。 （三） 步進電機的選擇 步進電機的種類很多，按工作原理分：磁阻式（反應式）步進電機VR型，永磁式步進電機PM型、混合式步進電機HB型。改變定子繞組的通電順序就可以控制其轉向；定子繞組通電順序的改變與否，就很容易地控制它的起動與停止。 VR型步進電機具有以下優點：（1）對步進電機的控制十分方便。指令脈沖數決定步進電機的轉動步數，指令脈沖的頻率決；（2）步矩角小；（3）勵磁電流較大，要求驅動電源頻率較大，而效率較低；（4）電阻的內部阻尼較小，當相數較少時，單步運行振動時間長；（5）帶慣性負載能力較好，尤其是在高速時不容易失步；（6）斷電后無定位轉矩。結合設計的要求和性能，選擇磁阻式步進電機VR型。步進電機的最高工作頻率： fmax=1000Vmax/60ζ=1000＊1.5/60＊0.005=5000HZ 根據計算綜合考慮，查表選用110BF003型三相六拍步進電機。技術參數如下：步矩角0 .75º/1.5º；電壓80V；電流6A；啟動頻率1500HZ；運行頻率7000HZ。下圖是110BF003的啟動轉頻特性： 由上面的啟動轉頻特性可看出，當啟動頻率在250～350HZ左右時轉矩有個“低谷”（轉矩為零），在編程時啟動頻率控制在300HZ以上。 （四） 驅動電路的設計 驅動放大電路采用高低壓驅動放大電路 高低壓驅動電路不論電動機頻率如何，在導通相的前沿用高電壓供電，來提高電流的前沿上升率，而在前沿過后用低電壓來維持繞組的電流。主回路由高壓管TH、電動機繞組、低壓管TL串聯而成，UH加高電壓，UL加低電壓。電路如下圖所示： 當TL>>TH，因為繞組的電流平均值仍在額定值附近，所以低壓的電壓選擇式為：UL=INR+UDL+UCE 當電機運行頻率上升時，電動機反電勢逐漸升高，TH期間的電流上沖量有所減少，在TH過后只有低壓供電時，受反電勢的作用，繞組電流下降較快，但此時，TL已經接近TH，電流上沖時的磁場的儲能，在電流下降的過程中能維持一段時間，待到完全由低壓決定時，已經接近TL的后沿時間，所以繞組電流的平均值仍能保持所需要的數值。 當運行頻率繼續升高時，若TL=TH時，在繞組導通時間內已全部由高壓供電，低壓已不能起作用。當頻率繼續升高時，TL〈TH，此時應在前級的信號處理中使TH跟蹤TL的寬度，使電路一直處于高電壓供電狀態。在TL時間過后，繞組電流進入續流狀態，電流經DL、電動機繞組、DH泄放，磁場的能量將回饋給高電壓。 綜上所述，高低壓驅動可保證在很寬的頻段內使相繞組有較大的平均電流，在截止時又能迅速的泄放。因此能產生較大的、目標穩定的電磁轉矩，使得驅動系統得到較高的響應。 二 系統軟件設計 1．系統軟件的選擇 在數控機床中，被加工的輪廓千差萬別，特別是較復雜的輪廓若直接生成，難以實現，一般是利用插補來實現對各坐標進行脈沖分配，完成整個線段的軌跡運行。常見的插補有三種，分為硬件插補、軟件插補和軟硬件結合。根據設計要求，本系統采用軟硬件結合法中的數字積分法。軟硬件結合是利用軟件來實現粗插補，利用硬件來實現精插補，其特點是插補速度快、精度高，適用于精度高的加工中心。數字積分法又稱DDA法，其特點是脈沖分配均勻，易于實現坐標擴展。 2．系統的總體軟件結構及流程圖 系統采用前后臺型軟件結構，這種軟件結構把系統軟件分為前臺程序和后臺程序。前臺程序是指實施中斷程序，例如插補程序、伺服控制、機床邏輯控制和監控等功能，它們和機床的運動直接相關，并且時實性要求高。后臺程序是指實現輸入譯碼，數據處理及管理功能的程序，又稱背景程序。后臺程序為前臺程序的實施提供條件和進行管理。 圖（1）是正常加工狀態下后臺程序的調度管理框圖。開機后先運行初始化程序。如果啟動按扭按下，執行輸入、譯碼和數據處理程序。經過數據處理后，就完成了軌跡計算及速度計算。循環停處理程序是處理各種停止狀態的。例如在單段執行時，每執行完一個數據段時就設置循環停狀態，數控機床處于等待狀態，當操作員重新按下循環啟動按鈕后，執行下一個數據段的程序；操作員因故按下循環按扭，則立即停止插補運行，只有重新按下循環啟動按鈕，程序才能繼續運行。如果系統處于連續自動加工狀態，則跳過循環停處理程序。以后加工程序段的數據處理由數據執行段程序完成。正常情況下，后臺程序在1→2→3→4中循環，直到工件加工結束。 前臺程序如框圖。圖中第一框伺服程序是控制伺服系統的速度和位置，按上一周期的插補結果實現進給。第二框圖掃描用于在控制面板上設置工作狀態標志，處理控制面板輸入的信息。第三框圖輔助功能處理可調用機床邏輯功能子程序執行M、S、T輔助功能及機床邏輯狀態控制。第四框圖插補程序可算出位置的偏差值，作為下一周期實現伺服控制的依據。后掃描可修改控制面板的狀態標志，為操作員指明當前的狀態，然后返回后臺程序。 前臺程序是一個定時中斷處理程序，這種中斷處理程序按一定時間（例如10ms）中斷一次，CPU執行一次前臺程序。其過程是：程序啟動，經過初始化就近入后臺程序，同時開放定時中斷，每10ms定時中斷發生一次，執行一次中斷服務程序，即前臺程序。此時后臺程序停止運行；定時中斷程序執行完畢以后又返回后臺程序；以后過10ms定時中斷又發生，如此循環往復，共同完成數控系統的全部功能。 本系統的軟件總體設計是通過鍵盤輸入數控 機床的零件加工程序，然后進行自檢，判斷程序是否符合規格要求。如果不符，則提示出錯，正確則調用相應的程序段進行加工，具體程序流程如圖（2）所示 三 參考文獻 1 張柱銀 數控原理與數控機床 化學工業出版社 2 李善術 樹控機床原理及其應用 機械工業出版社 3 任玉學等 機床計算機數控技術 北京理工大學出版社 4 李廣弟 單片機基礎 北京航空航天大學出版社 5 余錫存等 單片機原理及接口技術 西安電子科技大學出版社 6 劉寶延 程樹康 步進電機及其驅動控制系統 哈爾濱工業大學出版社 7 王津 單片機原理與應用 重慶大學出版社 8 高明 單片微機接口與系統設計 哈爾濱工業大學出版社 9 劉守義 單片機應用技術 西安電子科技大學出版社