1、引言

隨著計算機技術的高速發展，傳統的制造業開始了根本性變革，各工業發達國家投入巨資，對現代制造技術進行研究開發，提出了全新的制造模式。在現代制造系統中，數控技術是關鍵技術，它集微電子、計算機、信息處理、自動檢測、自動控制等高新技術于一體，具有高精度、高效率、柔性自動化等特點，對制造業實現柔性自動化、集成化、智能化起著舉足輕重的作用。目前，數控技術正在發生根本性變革，由專用型封閉式開環控制模式向通用型開放式實時動態全閉環控制模式發展。在集成化基礎上，數控系統實現了超薄型、超小型化；在智能化基礎上，綜合了計算機、多媒體、模糊控制、神經網絡等多學科技術，數控系統實現了高速、高精、高效控制，加工過程中可以自動修正、調節與補償各項參數，實現了在線診斷和智能化故障處理；在網絡化基礎上，CAD/CAM與數控系統集成為一體，機床聯網，實現了中央集中控制的群控加工。

隨著計算機技術的迅猛發展，計算機越來越廣泛地應用于人們工作和生活中的各個領域里的一個重要方面，單片機及其應用技術近年來也得到了長足發展。單片機被廣泛應用在工業自動化控制、智能儀表、數據采集、通訊以及家用電器等領域。單片機以其與通用微機完全不同的發展模式，不斷滿足工業測控、惡劣環境下可靠運行的要求。單片機已成為現代工業領域中不可缺少的重要角色。單片機技術的發展速度十分迅速，速度更快功能更強的16位32位單片機已陸續問世，但8位機，特別是新一代高檔8位機具有優異的性能，已能滿足大部分單片機應用領域的需要，另外，它還具有可靠性高外圍芯片配套系統構成簡單應用軟件豐富技術成熟開發應用方便等優點，在單片機應用中仍有一定的市場。

隨著我國市場經濟的發展，國內、國際市場競爭日益激烈，為了解決企業機械加工中結構復雜、精密、批量小且多變的加工問題，需要采用數控機床，而此類機床價格昂貴，使小企業望塵莫及。系統采用MCS-51系列單片機對特定普通機床進行數控化設計，可為企業的加工制造發揮較大的作用。針對數控機床改造技術進行了深入的研究和分析，并重點描述了機床控制系統的設計，整個控制以數控系統為中心，通過單片機的設計使得CNC系統、電氣控制系統、伺服系統協調統一工作，以實現數控加工。

2、數控機床結構

2.1數控車床概述

數控車床又稱為CNC（ComputerNumerical）車床，即用計算機數字控制的車床。臥式車床是靠手工操作機床來完成各種切削加工，而數控車床是將編制好的加工程序輸入到數控系統中，由數控系統通過車床X、Z坐標軸的伺服電動機去控制車床進給運動部件的動作順序、移動量和進給速度，再配以主軸的轉速和轉向，便能加工出各種形狀不同的軸類或盤類回轉體零件。因此，數控車床是目前使用較為廣泛的數控機床。

2.2數控車床主傳動系統

MJ-50數控車床其傳動系統圖如圖1所示。其中主運動傳動系統由功率為11/15KW的AC伺服電動機驅動，經1：1的帶傳動帶動主軸旋轉，使主軸在35-3500r/min的轉速范圍內實現無級調速，主軸箱內部省去了齒輪傳動變速機構。因此減少了原齒輪對主軸的影響，并且維修方便。

2.3主軸箱結構

主軸采用兩支承結構，前支承由一個雙列圓柱滾子軸承11和一對角接觸球軸承10組成，軸承11用來支承受徑向載荷，兩個角接觸球軸承一個大口朝向主軸前端，另一個大口朝向主軸后端，用來承受雙向的軸向載荷和徑向載荷。前支承軸承的間隙用螺母1和6來調整。螺釘17、13起防松作用。主軸的支承形式為前端定位，主軸受熱膨脹向后伸長。前后支承所用的雙列圓柱滾子軸承的支承剛性好，允許的極限轉速高。而角接觸球軸能承受較大的軸向載荷，且允許的極限轉速高，該支承結構能滿足高速大載荷切削的需要。

2.4進給傳動系統及傳動裝置

X軸和Z軸進給分別由步進電動機驅動，X軸進給傳動裝置的結構簡圖。步進電動機15經同步帶輪14和10以及同步帶12帶動滾珠絲桿6回轉，其上螺母7帶動刀架21沿滑板1的導軌移動，實現X軸進給運動。滾珠絲杠的前支承3由三個角接觸球軸承組成，其中一個軸承大口向前，兩個軸承大口向后，分別承受雙向的軸向載荷。前支承由螺母2進行預緊。滾珠絲杠的后支承9為一對角接觸球軸承，軸承大口相背放置，由螺母11進行預緊。這種絲桿兩端固定的支承形式，其結構和工藝都較復雜，但是可以保證和提高絲杠的軸向剛度。Z軸進給傳動裝置。步進電機14經同步帶輪12和2以及同步帶11傳動到滾珠絲桿5，由螺母4帶動滑板連同刀架沿床身13的矩形異軌移動（如b圖），實現Z軸的進給運動。電動機軸與同步帶輪12之間用錐環無鍵聯接，如局部放大視圖所示，其中19和20是錐面相互配合的內外錐環。當擰緊螺釘17時，法蘭18的端面壓迫外錐環20使其向外膨脹，內錐環19受力后向電動機軸收縮，從而使電動機軸與同步帶輪聯接在一起。

3、控制系統硬件設計

本文選用AT89S51單片機作為此次數控系統設計的核心控制處理器，采用兩片89S51雙機通訊，外接兩片2764EPROM用于存放控制程序、批量生產工件加工程序及數據，再選用兩片8kb的6264RAM作為存放試制小批量生產工件加工程序及數據。由于系統擴展，為使編程地址統一，我們采用74LS373、74LS139譯碼器完成譯碼法對擴展芯片進行尋址的功能，如圖1所示為控制系統總體設計框圖。

圖1控制系統總體框圖

工作原理：單片機系統是機床數控系統的核心，通過鍵盤輸入命令，數控裝置送來的一系列連續脈沖通過環形分配器、光電耦合器和功率放大器，按一定的順序分配給步進電動機各相繞組，使各相繞組按照預先規定的控制方式通電或斷電，這樣控制步進電動機帶動工作臺按照指令運動。

3.1通信接口設計

本文采用RS-485雙機通信接口，RS-485是RS-422A的變型，它與RS-422A的區別在于：RS-422A為全雙工，采用兩對平衡差分信號線；而RS-485為半雙工，采用一對平衡差分信號線。RS-485對于多站互聯十分方便且相對便宜，所以采用此種接口，如圖2所示為本設計中的雙機通信接口圖。

圖2雙機通信接口圖

在上圖中，RS-485以雙向、半雙工的方式實現雙機通信。在AT89S51單片機系統發送或接受數據前，應先將SN75176的發送門或接受門打開，當P1.0=1時，發送門打開，接受RS-485電平、RS-485電平到TTL電平的轉換功能。

3.2存儲器的擴展

選擇晶體振蕩器的工作頻率為12MHz。主控器選用AT89S51，由于數控銑床根據加工零件的復雜程度，相應的編程語言會相當復雜，而且數據傳輸量大，因此，單純靠51芯片內部自帶的存儲空間遠遠不能滿足使用要求，有必要對數據存儲區和程序存數區進行擴展。根據估計，每片89S51選用兩片2764作為程序存儲器，兩片6264作為數據存儲器。同時，并采用一片74LS373地址鎖存器和一片74LS139作為片選芯片。

圖3 2764引腳圖

3.3鍵盤顯示電路

根據系統要求，需要通過鍵盤輸入命令來實現機床工作臺的運動和主軸轉速。通過LED數碼管顯示工作臺的運行位置，行程范圍為10米，精確到0.000001米，所以X，Y，Z各用了8個LED數碼管采用動態顯示。主軸轉速用8個LED數碼管采用動態顯示。鍵盤上共有9個按鍵，可控制工作臺三軸運動、主軸轉速、照明設備及冷卻液、潤滑油裝置。

3.4光電編碼器

光電編碼器，是一種通過光電轉換將輸出軸上的機械幾何位移量轉換成脈沖或數字量的傳感器。這是目前應用最多的傳感器，光電編碼器是由光柵盤和光電檢測裝置組成。光柵盤是在一定直徑的圓板上等分地開通若干個長方形孔。由于光電碼盤與電動機同軸，電動機旋轉時，光柵盤與電動機同速旋轉，經發光二極管等電子元件組成的檢測裝置檢測輸出若干脈沖信號，通過計算每秒光電編碼器輸出脈沖的個數就能反映當前電動機的轉速。此外，為判斷旋轉方向，碼盤還可提供相位相差90的兩路脈沖信號。編碼盤將脈沖信號發送給MAX202，MAX202將信號反饋給51單片機，單片機再將電機的轉速通過LED數碼管顯示出來。

圖4編碼器示意圖

3.5報警裝置

如果任一工作臺X和Y二個方向移到軌道的邊緣話，通過一個或門，將P1.4口置位，就越界報警，同時停止工作，蜂鳴器發出聲音，警示燈亮。

3.6電源電路

本次設計需要提供兩個不同電壓的電源分別為+5v和+24v

1、+5v的電源電路設計分析

電路接220v的交流電，用整流加濾波加線性穩壓器7805穩壓的方式獲得5V直流電壓，這樣的話，變壓器次級電壓應該是7V，7V正弦波交流電壓的峰值是9.8V左右，經過橋式整流損失兩個整流二極管PN結壓降后是7.8V左右，而7805對于工作電壓的要求是必須大于7V，7.8V正好留有一點余地，通過7805芯片穩壓，最后輸出需要的+5v穩定電壓。如圖5所示為+5V供電電源電路圖。

圖5 +5V供電電源電路圖

2、+24v電源電路設計分析

電路接220v的交流電，用整流加濾波的方法獲得+24v直流電壓，因為此電壓是用來驅動電機的對電壓的穩定性要求不高，故不需要加線性穩壓器，通過變壓器降壓次級電壓變為26v，經過橋式整流損失兩個整流二極管PN結壓降后是24v，濾波獲得24v電壓輸出。如圖6所示為+24V供電電源電路圖。

圖6 +24V供電電源電路圖

4、軟件設計與實現

根據總電路圖的硬件結構和加工指令格式，以直線圓弧插補計算方法來設計控制程序。整個控制程序由主程序、T0中斷程序和外部/INTO中斷程序組成。

4.1主程序

主程序首先執行系統初始化工作，開啟照明設備，然后循環掃描鍵盤，如果鍵盤上有鍵入命令則做相應的命令處理，如果鍵入啟動命令，則做好運行前準備工作以及有關指針和標志初始化。對中斷系統初始化，T0向CPU請求中斷，使CPU執行部件加工程序，允許外部中斷，在人工干預按下急停鍵時停止加工部件。接著循環查詢加工結束標志，加工結束后又等待鍵命令或主機命令。

4.2T0中斷服務程序

T0中斷服務程序的功能是執行加工程序，一條指令執行完再取新的加工指令，直到遇到停機時關中斷，置位結束標志。在加工指令執行過程中，根據線型做直線圓弧的插補計算。

4.3緊急停止

急停開關是屬于主令控制電器的一種，當機器處于危險狀態時，通過急停開關切斷電源，停止設備運轉，達到保護人身和設備的安全。本次設計將急停開關與主電源相連，按下后切斷主電源，機器停止工作。

4.4步進電機的位置控制

步進電動機的位置控制需要兩個參數：

第一個參數是步進電動機控制的執行機構當前的位置參數，叫絕對位置。它是有極限的，其極限是執行機構運行位置的距離，超越了這個極限就報警。

第二個參數是從當前位置移動到目標位置的距離，我么可以用折算的方式將這個距離折算成步進電動機的步數。這個參數是外界通過鍵盤輸入的。

對步進電動機位置控制的一般作法是：步進電動機每走一步，步數減1，如果沒有失步存在，當執行機構到達目標位置時，步數正好減到0。因此，用步數等于0來判斷否移動到目標位，作為步進電動機停止運行的信號絕對位置參數可作為人機對話的顯示參數。它與步進電動機的轉向有關，當步進電動機正轉時，步進電動機煤走一步，絕對位置加1；當步進電動機反轉時，絕對位置隨每次步進減1。

如圖7所示為主控程序流程圖。

圖7 主控程序流程圖

5、結論

本文以AT89S51為控制核心的數控銑床控制系統。通過鍵盤控制工作臺沿-X，+X，-Y，+Y，-Z，+Z方向的移動，照明設備的開啟及主軸轉速的控制，讀取EPROM程序指令。通過串口能夠實現與PC的通訊。當冷卻液或潤滑油供應不足時有自動報警機制。通過LED數碼顯示器可實時得顯示X，Y，Z坐標及主軸轉速。

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