1、引言

隨著計算機技術(shù)的高速發(fā)展，傳統(tǒng)的制造業(yè)開始了根本性變革，各工業(yè)發(fā)達國家投入巨資，對現(xiàn)代制造技術(shù)進行研究開發(fā)，提出了全新的制造模式。在現(xiàn)代制造系統(tǒng)中，數(shù)控技術(shù)是關(guān)鍵技術(shù)，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(shù)于一體，具有高精度、高效率、柔性自動化等特點，對制造業(yè)實現(xiàn)柔性自動化、集成化、智能化起著舉足輕重的作用。目前，數(shù)控技術(shù)正在發(fā)生根本性變革，由專用型封閉式開環(huán)控制模式向通用型開放式實時動態(tài)全閉環(huán)控制模式發(fā)展。在集成化基礎(chǔ)上，數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)了超薄型、超小型化；在智能化基礎(chǔ)上，綜合了計算機、多媒體、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡等多學科技術(shù)，數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)了高速、高精、高效控制，加工過程中可以自動修正、調(diào)節(jié)與補償各項參數(shù)，實現(xiàn)了在線診斷和智能化故障處理；在網(wǎng)絡化基礎(chǔ)上，CAD/CAM與數(shù)控系統(tǒng)集成為一體，機床聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)了中央集中控制的群控加工。

隨著計算機技術(shù)的迅猛發(fā)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(lǐng)域里的一個重要方面，單片機及其應用技術(shù)近年來也得到了長足發(fā)展。單片機被廣泛應用在工業(yè)自動化控制、智能儀表、數(shù)據(jù)采集、通訊以及家用電器等領(lǐng)域。單片機以其與通用微機完全不同的發(fā)展模式，不斷滿足工業(yè)測控、惡劣環(huán)境下可靠運行的要求。單片機已成為現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域中不可缺少的重要角色。單片機技術(shù)的發(fā)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(xù)問世，但8位機，特別是新一代高檔8位機具有優(yōu)異的性能，已能滿足大部分單片機應用領(lǐng)域的需要，另外，它還具有可靠性高外圍芯片配套系統(tǒng)構(gòu)成簡單應用軟件豐富技術(shù)成熟開發(fā)應用方便等優(yōu)點，在單片機應用中仍有一定的市場。

隨著我國市場經(jīng)濟的發(fā)展，國內(nèi)、國際市場競爭日益激烈，為了解決企業(yè)機械加工中結(jié)構(gòu)復雜、精密、批量小且多變的加工問題，需要采用數(shù)控機床，而此類機床價格昂貴，使小企業(yè)望塵莫及。系統(tǒng)采用MCS-51系列單片機對特定普通機床進行數(shù)控化設計，可為企業(yè)的加工制造發(fā)揮較大的作用。針對數(shù)控機床改造技術(shù)進行了深入的研究和分析，并重點描述了機床控制系統(tǒng)的設計，整個控制以數(shù)控系統(tǒng)為中心，通過單片機的設計使得CNC系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)協(xié)調(diào)統(tǒng)一工作，以實現(xiàn)數(shù)控加工。

2、數(shù)控機床結(jié)構(gòu)

2.1數(shù)控車床概述

數(shù)控車床又稱為CNC（ComputerNumerical）車床，即用計算機數(shù)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(shù)控車床是將編制好的加工程序輸入到數(shù)控系統(tǒng)中，由數(shù)控系統(tǒng)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(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，便能加工出各種形狀不同的軸類或盤類回轉(zhuǎn)體零件。因此，數(shù)控車床是目前使用較為廣泛的數(shù)控機床。

2.2數(shù)控車床主傳動系統(tǒng)

MJ-50數(shù)控車床其傳動系統(tǒng)圖如圖1所示。其中主運動傳動系統(tǒng)由功率為11/15KW的AC伺服電動機驅(qū)動，經(jīng)1：1的帶傳動帶動主軸旋轉(zhuǎn)，使主軸在35-3500r/min的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)實現(xiàn)無級調(diào)速，主軸箱內(nèi)部省去了齒輪傳動變速機構(gòu)。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(jié)構(gòu)

主軸采用兩支承結(jié)構(gòu)，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(diào)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速高，該支承結(jié)構(gòu)能滿足高速大載荷切削的需要。

2.4進給傳動系統(tǒng)及傳動裝置

X軸和Z軸進給分別由步進電動機驅(qū)動，X軸進給傳動裝置的結(jié)構(gòu)簡圖。步進電動機15經(jīng)同步帶輪14和10以及同步帶12帶動滾珠絲桿6回轉(zhuǎn)，其上螺母7帶動刀架21沿滑板1的導軌移動，實現(xiàn)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(jié)構(gòu)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(jīng)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(xiàn)Z軸的進給運動。電動機軸與同步帶輪12之間用錐環(huán)無鍵聯(lián)接，如局部放大視圖所示，其中19和20是錐面相互配合的內(nèi)外錐環(huán)。當擰緊螺釘17時，法蘭18的端面壓迫外錐環(huán)20使其向外膨脹，內(nèi)錐環(huán)19受力后向電動機軸收縮，從而使電動機軸與同步帶輪聯(lián)接在一起。

3、控制系統(tǒng)硬件設計

本文選用AT89S51單片機作為此次數(shù)控系統(tǒng)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(chǎn)工件加工程序及數(shù)據(jù)，再選用兩片8kb的6264RAM作為存放試制小批量生產(chǎn)工件加工程序及數(shù)據(jù)。由于系統(tǒng)擴展，為使編程地址統(tǒng)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(tǒng)總體設計框圖。

圖1控制系統(tǒng)總體框圖

工作原理：單片機系統(tǒng)是機床數(shù)控系統(tǒng)的核心，通過鍵盤輸入命令，數(shù)控裝置送來的一系列連續(xù)脈沖通過環(huán)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(guī)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(qū)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(lián)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(xiàn)雙機通信。在AT89S51單片機系統(tǒng)發(fā)送或接受數(shù)據(jù)前，應先將SN75176的發(fā)送門或接受門打開，當P1.0=1時，發(fā)送門打開，接受RS-485電平、RS-485電平到TTL電平的轉(zhuǎn)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(shù)控銑床根據(jù)加工零件的復雜程度，相應的編程語言會相當復雜，而且數(shù)據(jù)傳輸量大，因此，單純靠51芯片內(nèi)部自帶的存儲空間遠遠不能滿足使用要求，有必要對數(shù)據(jù)存儲區(qū)和程序存數(shù)區(qū)進行擴展。根據(jù)估計，每片89S51選用兩片2764作為程序存儲器，兩片6264作為數(shù)據(jù)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(jù)系統(tǒng)要求，需要通過鍵盤輸入命令來實現(xiàn)機床工作臺的運動和主軸轉(zhuǎn)速。通過LED數(shù)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(shù)碼管采用動態(tài)顯示。主軸轉(zhuǎn)速用8個LED數(shù)碼管采用動態(tài)顯示。鍵盤上共有9個按鍵，可控制工作臺三軸運動、主軸轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換將輸出軸上的機械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)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(zhuǎn)時，光柵盤與電動機同速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)發(fā)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(shù)就能反映當前電動機的轉(zhuǎn)速。此外，為判斷旋轉(zhuǎn)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(fā)送給MAX202，MAX202將信號反饋給51單片機，單片機再將電機的轉(zhuǎn)速通過LED數(shù)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(fā)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(wěn)壓器7805穩(wěn)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(jīng)過橋式整流損失兩個整流二極管PN結(jié)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(wěn)壓，最后輸出需要的+5v穩(wěn)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(qū)動電機的對電壓的穩(wěn)定性要求不高，故不需要加線性穩(wěn)壓器，通過變壓器降壓次級電壓變?yōu)?6v，經(jīng)過橋式整流損失兩個整流二極管PN結(jié)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(xiàn)

根據(jù)總電路圖的硬件結(jié)構(gòu)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(zhí)行系統(tǒng)初始化工作，開啟照明設備，然后循環(huán)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(guān)指針和標志初始化。對中斷系統(tǒng)初始化，T0向CPU請求中斷，使CPU執(zhí)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(huán)查詢加工結(jié)束標志，加工結(jié)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(zhí)行加工程序，一條指令執(zhí)行完再取新的加工指令，直到遇到停機時關(guān)中斷，置位結(jié)束標志。在加工指令執(zhí)行過程中，根據(jù)線型做直線圓弧的插補計算。

4.3緊急停止

急停開關(guān)是屬于主令控制電器的一種，當機器處于危險狀態(tài)時，通過急停開關(guān)切斷電源，停止設備運轉(zhuǎn)，達到保護人身和設備的安全。本次設計將急停開關(guān)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(shù)：

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

第二個參數(shù)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(shù)。這個參數(shù)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(shù)減1，如果沒有失步存在，當執(zhí)行機構(gòu)到達目標位置時，步數(shù)正好減到0。因此，用步數(shù)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(shù)可作為人機對話的顯示參數(shù)。它與步進電動機的轉(zhuǎn)向有關(guān)，當步進電動機正轉(zhuǎn)時，步進電動機煤走一步，絕對位置加1；當步進電動機反轉(zhuǎn)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(jié)論

本文以AT89S51為控制核心的數(shù)控銑床控制系統(tǒng)。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(zhuǎn)速的控制，讀取EPROM程序指令。通過串口能夠?qū)崿F(xiàn)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(shù)碼顯示器可實時得顯示X，Y，Z坐標及主軸轉(zhuǎn)速。

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