实用型单轴数控进给系统开发

舒华 齐继宝

摘要：单轴数控进给系统在旧设备改造中有广泛应用。文章介绍了用C8051F020单片机为控制核心的实用型单轴数控进给系统整体方案，对系统硬件及软件设计做了详细说明。该单轴进给系统价格低廉，旧设备经系统改造后，能较大提高其加工精度和生产率。

关键词：单轴；数控；C8051F020

目前许多工厂设备陈旧，急需自动化改造，如机械加工中的磨床、剪折板机、组合机床、机械转台及一些生产线等，都可以进行单轴数字化改造。改造后的设备，使用方便、操作简单、可大大提高产品精度、降低废品率、大幅度提高劳动生产率。本文介绍用C8051F020单片机作为实用型单轴数控进给系统的控制核心的整体方案，此系统低成本且加工精度高。

一、C8051F020芯片简介

在众多的控制系统中，MCS-51系列单片机曾被广大的工程师视为最理想的8位机，然后，随着CPU技术的发展，一些高性能、高集成度的单片机，如8位和16位RISC单片机的上市，基于8051内核的单片机正面临着被淘汰的危险。针对控制领域的高速度及模拟量的控制要求，Silabs集成产品公司推出其新产品C8051F020，该产品是有着功能完善、功耗低、速度快、资源丰富的完全集成的混合信号系统级MCU芯片，单片机的整体性能有很大幅度的提高。该单片机的主要特点如下：一是高速、流水线结构的8051，兼容的CIP-51，内核（可达25MIPS）。二是真正12位100ksps的8通道ADC，带PGA和模拟多路开关。三是两个12位DAC，具有可编程数据更新方式。四是64K字节可在系统编程的FLASH存储器。五是5个通用的16位定时器。六是具有5个捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器阵列。七是片内看门狗定时器、VDD监视器和温度传感器。八是具有片内VDD监视器、看门狗定时器和时钟振荡器C8051F020/1/2/3是真正能独立工作的片上系统。

二、单轴数控进给系统硬件方案设计

本单轴数控进给系统的总体设计方案如图1所示。

本系統采用单片机C8051F020为控制核心，系统共分6个模块，详细如下：

第一，键盘输入模块，提供人机界面，供用户输入控制数据。

第二，液晶显示模块，提供进给数据量的实时显示。

第三，驱动模块，驱动采用闭环控制，元件选用深圳雷塞公司的驱动器及电机，性能匹配，选用增量式实心轴编码器ZJE-44-3000BM-G05P，用于解决单轴进给的位置误差问题。

第四，串口通信模块，用于实现PC机与单轴数控系统的数据通讯，可以通过PC对其数据设置与修改，优化系统。

第五，开关量输入/输出模块，系统有急停，正向，负向限位，回零等开关量信号，为了有效隔离模拟量和数字量通道，减少干扰信号，选用了TLP621光电耦合器，提高系统的稳定性和可靠性。

第六，数据存储模块，C8051F020的内部存储器存放系统程序，采用FM18L08作为外部存储器，存放用户数据及程序。

三、单轴数控进给系统软件设计

本单轴数控进给系统软件部分主要有四个模块，分别为界面功能模块、通讯功能模块、解释功能模块、控制功能模块。界面功能模块完成用户数据输入和修改以及数据实时显示等；通讯功能模块负责本单轴数控系统与PC间的数据交换；解释功能模块是对用户输入的数据进行控制前预处理，包括数据报错，代码识别﹑数制转换等；控制功能模块负责调用相关数据，对进给过程采用闭环控制。

单轴数控控制系统流程图如图2所示。系统开机后进行初始化，有用户输入数据，读出用户的位置参数，再进行检测参数是否在合理范围内，若不合理，系统报警提示，由用户进行修正再检测，若合理，单轴伺服进给并有显示屏实时显示位置量，进给结束后，再判断有无新的进给要求，如此循环，用户可以随意根据要求进给，使用十分便捷。

四、总结

系统整体功能全面、模块独立、耦合性低、调试简易、且维修方便。且C8051F020有诸多预留口，有较好的扩展性，在同类型的控制器中，性能在速度上、稳定性和可靠性上明显优于其他单片机。在满足要求的情况下能够有效控制成本，为一些小微企业进行数控化技术改造提供了一种优选途径。

参考文献：

1.左敬志.基于MSP430F149微控制器的经济型数控车床系统[D].大连理工大学，2005.

2.孙业明.基于C8051F020单片机的车床数控系统设计[J].机床电器，2010（1）.

3.韩桂明.基于C8051F020单片机的机床数控系统的研制[J].电子科学，2011（10）.

*本文受2010年浙江省新苗人才计划资助（项目编号：xm1002）。

（作者单位：浙江工业职业技术学院）