浅谈CA6410普通车床数控改造系统仿真

（天津长芦海晶集团有限公司工程设备管理部,天津300150）

1 数控改造系统仿真的目的

随着机械加工整体水平的提高，各企业现使用的绝大部分传统老式机床已经很难满足企业的生产需求和生产效率。为节约成本，进一步发挥老式传统机床的功效和潜在价值，将大批传统老式机床改造利用是一种必然趋势。利用Proteus仿真软件在计算机上模拟出加工走刀和零件切削的全过程，直接观察在切削过程中可能遇到的问题并进行调整，这样既不实际占用和消耗机床、工件等资源，还可以利用计算机仿真技术预先对机床改造结果进行估计，避免可能遇到的问题，起到了事半功倍的效果。

2 微机数控系统的硬件选择

注重数控功能的选择，不应单纯追求数控系统的高性能指标，这对于实现较高的性能价格比非常重要。数控系统所具有的功能要与准备改造的数控机床所能达到的功能相匹配，尽量减少过剩的数控功能。如果数控系统功能过剩，一方面浪费资金，另一方面还可能潜伏由于数控系统复杂程度的增加而带来的故障率增长的隐患，这里我们选用的是低功耗、高性能8位的89C51单片机，它有丰富的硬件资源，特别是其内部增加的闪速可电改写的存储器Flash ROM给单片机的开发及应用带来了很大的方便，并且芯片的高性价比也使其得到了广泛的应用。

3 软件调试仿真

3.1 Keil u Vision软件调试仿真器简介

为了确定程序的正确性，采用Keil u Vision软件对各个程序进行调试，该软件是德国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机软件开发系统。是用户开发和调试单片机源代码的理想工具，简称Keil。Keil提供源代码级调试，支持断点、变量监视，存储器访问，串口监视，指令跟踪。

3.2 软件调试

调试步骤如下：

3.2.1 创建一个项目（project），从器件库中选择目标器件，配置工具设置。

3.2.2 用汇编语言创建源程序并保存，汇编程序文件扩展名为.ASM，C语言程序文件扩展名为.C。

3.2.3 用项目管理器生成应用，将编写好的程序添加到工程项目中，并调试。

3.2.4 修改源程序中的错误。

3.2.5 测试，连接应用。

程序在调试正确后会生成.HEX文件，将该文件刻进芯片中即可。进入软件后可创建工程文件，点击project在弹出的菜单中选择New uvision project即可。创建后窗口左方会出现工程项目Tatget1。创建好工程项目后，单击新建选项，在窗口中输入源程序，保存文件的扩展名为.ASM。然后再将写好的源程序文件添加到工程项目的Sources Group中。接下来就可以对源程序进行调试了，首先可以用Project中的build target生成目标文件，若程序有错则无法生成，需根据提示对程序进行修改，直到错误和警告数目为零。再用Debug对程序进行运行调试，通过观察相应窗口的状态来确定是否跟预期相同。然后依次完成直线插补程序，圆弧插补程序，步进电动机控制程序调试，键盘扫描与显示程序调试。

3.3 步进电机自动升降速软件设计

软件自动升降速控制的基本原理是：确定定时器的初始定时常数，依据就是在升速过程中允许的启动频率，按一定规律不断增加定时常数（对加法计数的定时器来讲）减小中间时间间隔，加快脉冲分配频率，在恒速过程中，保持定时常数不变；在降速过程中，按规律不断减小定时常数，降低脉冲分配频率，直到定时常数等于希望的制动频率所对应的值时，停止脉冲分配，使步进电机制动。

升降速过程可按指数或直线（匀加速）规律控制，前者的特点是升降速过程短，与步进电机的阶跃响应规律吻合，但程序设计复杂，后者的特点是程序简单，但升降速过程较长。本设计中采用的是分段直线规律进行自动升降速控制。

3.4 插补软件设计

根据给定刀具的运动轨迹和给定速度，采用适当的计算方法，在运动轨迹的起点和终点之间，计算出满足要求的中间坐标的过程叫插补。

基准脉冲插补又称脉冲增量插补或行程标量插补，其主要特点是在顺序循环计算运动轨迹中间点的过程中，每次插补循环的输出是下一个中间点的相对前中间点位移坐标的增量，并以指令脉冲形式输出。以驱动各坐标轴的进给，同时控制每次插补输出的坐标位移增量，即每次插补输出的指令脉冲或者是一个，或者没有。因此，在运动轨迹的起点和终点之间，中间点个数是已知的，插补循环次数也是已知的，通过控制每次插补循环的时间，就可以控制总插补时间，从而控制运动速度。基准脉冲插补的方法很多，有脉冲乘法器法，逐点比较法，数字积分法，适量判别法，比较积分法；最小偏差法，单步追踪法等，其中应用较多的是逐点比较法和数字积分法。在本次设计中我们采用的是逐点比较法。

逐点比较法的基本思路：在从起点到终点的过程中，根据刀具当前位置和给定轨迹的偏离情况，并为消除这个偏离，在其中一个坐标轴上走一小步，这样一步步直到终点。每一步都是用给定轨迹对实际轨迹进行修正。插补循环一般由偏差判别，坐标进给，偏差函数和终点判别四个工作节拍组成：1）偏差判别：首先要判断刀具当前点与其要求的运动轨迹的偏离情况，具体方法是根据要求的运动轨迹设计一个偏差函数，该偏差函数是刀具坐标的函数，其函数值反应偏离情况；2）坐标进给：根据上面判断的结果，发出一个进给指令脉冲，控制刀具沿相应坐标轴产生一个脉冲当量的位移。进给脉冲分配给哪一个坐标轴，正向还是负向，总的原则是用这个位移的结果纠正已有的偏离；3）偏差函数计算：用新的刀具位置坐标重新计算偏差函数的值；4）终点判别：判断刀具是否到达轨迹的终点，如到达轨迹终点则插补结束，否则重复开始下一个插补循环。

4 单片机硬件系统仿真

4.1 Proteus单片机系统设计仿真平台简介

Proteus是英国Labcenter Electtonics公司研发的EDA软件，是模拟电路、数字电路、模数混合电路的设计与仿真平台，其元件库中具有最完整的单片机型号，是世界上最先进的单片机系统设计与仿真软件。它实现了在计算机上完成从原理图设计与电路设计、电路分析与仿真、单片机代码调试与仿真、系统测试与功能检验证到形成PCB的完整的电子设计、研发过程。

4.2 Proteus电路设计步骤

在此次设计中主要用到该软件的智能原理图输入系统，以完成电路设计、源程序设计及其调试仿真，步骤如下：

1）建立设计文件并保存；2）选取并放置元器件和电源、地终端；3）设置元器件属性；4）连接电路。

4.3 源程序设计和生成目标代码文件

将编写好的汇编程序输入到系统中单击SISI菜单中的Source选项，如图所示，选取，在弹出的对话框中即可选取已编写好的后缀为ASM的汇编源程序。然后再单击Source菜单中的,即可对程序进行编译并生成目标代码文件。若程序有错，则窗口会提示编译失败，纠错后再次编译直至成功。

4.4 单片机数控系统仿真结果

在上述步骤完成后，即编译成功生成目标代码文件.HEX。单击仿真按钮中的开始按扭，则会开始全速仿真，单击可暂停仿真，出现原代码调试窗口，可根据仿真现象再次对程序进行调试，键盘扫描与显示程序的系统仿真结果如图1所示。

图1 系统仿真窗口

此外，在单击仿真开始按扭后，若硬件电路中包含有错误，同样无法进行仿真，错误提示窗口如图2所示，故该软件还可以检测硬件电路的可行性。

图2 硬件电路错误提示窗口