数控系统单片机测控技术的应用及实现

李晓丽

摘要：近年来，随着我国科学技术水平的不断提高，推动了数控系统的发展速度，在航空航天、模具加工等行业中，数控系统的应用越来越广泛。然而，由于各个行业对产品加工质量的要求不断提高以及产品零件本身越来越复杂，致使一部分数控系统很难满足实际加工需要。为了进一步提高数控系统的执行效率，本文将单片机测控技术应用到数控系统当中，并从基于单片机的数控系统设计思路、设计原则以及具体应用及实现这三个方面对文章进行详细论述。

中图分类号：TP27文献标识码：A文章编号：1672-3791(2012)04(A)-0000-00

可以说在当今全世界的机床制造业中，数控系统起着举足轻重的作用。作为高尖端技术之一的数控系统集机械制造、自动控制、计算机、测量以及电气传动等技术于一身，各方面功能均十分强大。通过笔者对当前数控系统市场的调查发现，一些中高档的数控系统基本采用的都是以PC机为控制平台实现对步进电机进行驱动控制的。虽然这种控制方式具有性能优良、功能齐全、响应速度快等特点，但其价格却相对比较昂贵。对于生产企业来讲，需要的是一种既能满足生产需求，价格又相对低廉的数控系统。为此，本文将单片机测控技术应用到数控系统当中，以此来实现这一需求。

1 基于单片机的数控系统设计思路

基于单片机的数控系统，能够根据用户的实际需求以及CPU种类的不同实现产品细分，并以此使设计出来数控系统产品具有系列化的特征。通过对市场的调查研究发现，人们对数控系统产品的需求大致可分为以下两类：

1.1 单片机加实时操作系统

以这种形式构成的数控系统主要都是一些中高端的系统，它们的功能相对来讲比较丰富，可实现网络信息共享，而且还可以进行闭环控制，精确度相当高。其中操作系统是确保任务实时性的关键。在此类数控系统当中，使用较多的单片机为ARM系列等，实时系统则为Windows、RT-Linux等。这种类型的数控系统常被用于对精度要求较高或是联动数目在四轴以上的数控机床当中。

1.2 单片机加控制模块

在此类组成结构的系统当中，由于采用的是控制模块，而不是实时操作系统，所以各个任务的实时性均是由系统中的控制软件以及处理器的中断等予以保证的。此类系统应用的单片机主要以高性能的CPU为主，这样能够有效地确保系统的运算速度符合插补和管理等功能的需要。这种系统通常仅能满足三轴联动和四轴联动的数控机床的需求。

通过上述分析不难看出，研发不同等级的数控系统，只需要根据用户的实际需求，采用的不同平台，然后在平台中对系统的主要功能略作改进，便能够开发出满足用户需要的数控系统。这在一定程度上避免了基于单片机的数控系统研发的缺点，有效地减少了重复性工作，从而使整个研发周期相应地缩短很多。若是将数控系统中的主要技术模块进行总结和提炼，便可以组成一个系统平台，在此基础上对相应的功能进行适当地删减或增添，便可以完成系统的研发。这就是基于单片机的数控系统的基本设计思路。

2 基于单片机测控的数控系统设计原则

任何一种数控系统实现的关键均在于其软件及硬件的设计，应用单片机测控技术的数控系统也不例外，下面简要介绍一下软件及硬件在实际设计过程中需要遵循的主要原则：

2.1 规范化原则

一个数控系统的设计研发，最忌讳的就是重复开发，这样不仅会浪费大量的时间，而且也会浪费大量的资源，所以在进行软件及硬件设计过程中，必须有一个规范的标准，以此来规范系统的通讯协议以及软硬件界面，可以使设备生产商和控制器制造商均能在相应的标准下进行研发和生产，以此来杜绝重复性开发的情况发生，减少资源的浪费。为此，在进行系统软硬件设计时，必须遵循规范化原则。

2.2 系列化、标准化原则

在系统硬件的设计过程中，应以系列化和标准化的原则进行设计，这样有利于提高系统整体的实时性和可靠性。通过对系统通讯方式、CPU结构、运动及辅助控制等的模块化处理，根据实际功能的不同制成所需的模块，借此来实现系列化和标准化，同时模块与模块之间还可通过预先定义好的标准化接口实现通讯。

2.3 开放性原则

在进行系统软件设计时，为有效地降低系统软件对硬件的依赖性，应使软件平台独立于系统硬件之外，并且也要将软件设计成为模块化，这样有利于实现系统软件的开放性。对于整个数控系统而言，设计一个独立的软件平台是较为重要的。由于书库系统本身都具有多任务性和实时性，所以软件平台的构建也应以此为前提，同时软件平台的基本功能还应实现典型化和模块化，从而使每个功能模块之间均能实现相互独立和统一调度。这样的软件设计可以适应不同的硬件系统，进而实现了软件的开放性和独立性。

3 单片机测控技术在数控系统中的具体应用及实现

基于以上的设计思路及设计原则，下面笔者以一种数控钻铣床为例，对单片机测控技术的应用及实现进行分析。

3.1 数控钻铣床的基本功能及具体控制方案

由于该数控机床是钻、铣相结合的一类机床，为此先简要介绍一下该数控机床的加工顺序：首先，工作台就位，然后钻头钻进，钻孔后钻头快退，移至下一位置继续重复上述动作，直至全部钻孔完毕为止后，工作台恢复原位。铣削的加工顺序基本与之相同。因本系统属于钻、铣一体的机床，故此在其各方面参数均满足实际加工要求的前提下，决定采用连续控制系统对其加工进行控制，具体控制方案为采用单片机控制的步进电动机对系统工作台进行开环控制。当进给指令由单片机系统发出后，经过功率放大后对步进电动机的旋转角度进行驱动，然后经由齿轮减速器带动丝杠进行旋转，直线位移的完成主要依靠丝杠螺母的转换，具体移动速度及位移量的大小由输入脉冲数及脉冲频率决定。

3.2 单片机测控系统的主要功能

该数控系统中，单片机采用的是集中控制方式，对于系统中的各项任务采取的是分时处理进行的，如插补运算、CRT显示、输入输出控制以及存储等等。测控系统的主要功能如下：其一，初始化处理。主要是对I/O接口、步进电动机旋转频率定时器以及中断等进行初始化；其二，复位功能。机床开机工作时工作台应自行恢复至初始加工位置，如有需要也可尽心手动复位；其三，监视功能。具体是对开关、键盘以及按键等进行监视，如监视行程开关、急停按键等；其四，加工数据的输出和显示功能；其五，超程控制机报警功能。当工作台在进行实际加工过程中，若超出规定的位置则立即停止工作，并相应的做出报警显示；其六，控制方式选择功能。主要包括手动和自动两种控制方式，有特殊要求时可进行控制方式切换。

3.3 测控功能的实现

（1）硬件设计。按照该数控机床工作台的实际测控要求，决定采用STC12C5A62S2系列单片机作为主控制器，并行设置44个I/O控制接口和双UART串口，电路为MAX810专用复位电路，2路8位PWM/16位PCA模块，8路10位精度ADC，其转换速度最高可达到250K/S，即每秒25万次，Flash ROM60K，SRAM 1208字节。这一系列的单片机具有以下特点：可靠性高、反应速度快、功耗低、价格便宜、抗静电及抗干扰能力超强，无需对片外存储空间进行扩展，便可用于数控机床工作台的电动机控制，本身自带PWM/PCA和A/D，不需要在配置外部检测电路。为使加工数据能够顺利输入到系统当中，采用矩阵键盘，规格为4×8；加工数据显示器则采用6位LED显示器，以便于显示加工数据信息；为确保开机指示电源能够正常工作，电源指示灯决定采用发光二极管；为有效地控制步进电动机的旋转速度，决定采用I/O口对脉冲分配器的输出信号进行控制，再经由功率放大电路及光电隔离器后传送至步进电动机线圈当中；为对机床工作台的超程进行监视及报警功能的实现，决定采用全行程开关作为监视信号进行输入，并采用发光二极管作为超程报警指示灯。