数控机床控制系统设计与实现

1、序章

　　在计算机技术飞速进步的推动下，制造业迎来了深刻的变革。众多工业强国纷纷投入巨额资金，致力于现代制造技术的研发，并提出了创新的制造理念。皖南电机数控技术作为现代制造系统的核心，融合了微电子、计算机、信息处理、自动检测和自动控制等多项尖端技术，以其高精度、高效率和柔性自动化等特点，对制造业实现柔性自动化、集成化和智能化起到了关键作用。安徽皖南电机当前，数控技术正经历着革命性的转变，从专用的封闭式开环控制模式迈向通用的开放式实时动态全闭环控制模式。在集成化发展的基础上，数控系统实现了轻薄化和小型化；在智能化发展的推动下，计算机、多媒体、模糊控制和神经网络等多学科技术得以融合，数控系统实现了高速、高精、高效的控制，加工过程中能够自动调整和补偿各项参数，实现了在线诊断和智能化故障处理；在网络化发展的趋势下，CAD/CAM与数控系统的一体化，机床联网，实现了集中控制的群控加工。

　　随着计算机技术的飞速发展，计算机在人们工作与生活的各个领域扮演着越来越重要的角色。单片机及其应用技术也取得了显著进步。单片机被广泛应用于工业自动化控制、智能仪表、数据采集、通讯和家用电器等领域。它以独特的发展模式，不断满足工业测控和恶劣环境下的可靠运行需求。单片机已成为现代工业不可或缺的关键组成部分。尽管16位、32位单片机不断涌现，但新一代高档8位单片机以其卓越的性能，仍能满足大多数单片机应用领域的需求，并且具有高可靠性、简单的外围芯片配套系统、丰富的应用软件、技术成熟和开发应用便捷等优点，在单片机应用市场中仍占有一定份额。皖南电机价格表

　　随着我国市场经济的蓬勃发展，国内外市场竞争愈发激烈。皖南电机为了解决企业机械加工中结构复杂、精密、批量小且多变的问题，数控机床成为必需。然而，这类机床价格昂贵，令许多小企业望而却步。本研究采用MCS-51系列单片机对特定普通机床进行数控化设计，旨在为企业加工制造提供有力支持。针对数控机床改造技术进行了深入研究与分析，重点阐述了机床控制系统的设计，整个控制系统以数控系统为核心，通过单片机的设计实现CNC系统、电气控制系统和伺服系统的协调统一，以实现数控加工。

　　2、数控机床结构

　　2.1数控车床概述

　　数控车床，即计算机数控车床（CNC），通过计算机数字控制实现车床加工。与传统的卧式车床不同，数控车床通过将加工程序输入数控系统，由数控系统控制车床X、Z坐标轴的伺服电动机，驱动车床进给运动部件的动作顺序、移动量和进给速度，结合主轴的转速和转向，加工出各种形状的轴类或盘类回转体零件。因此，数控车床是目前应用*为广泛的数控机床。

　　2.2数控车床主传动系统

　　MJ-50数控车床的主传动系统由11/15KW的AC伺服电动机驱动，通过1：1的带传动带动主轴旋转，实现35-3500r/min的无级调速，主轴箱内部省去了齿轮传动变速机构，减少了齿轮对主轴的影响，且便于维修。

　　2.3主轴箱结构

　　主轴采用两支承结构，前支承由一个双列圆柱滚子轴承和一个角接触球轴承组成，承受径向载荷；两个角接触球轴承分别承受双向的轴向载荷和径向载荷。前后支承所用的双列圆柱滚子轴承的支承刚性好，允许的极限转速高，而角接触球轴承能承受较大的轴向载荷，且允许的极限转速高，满足高速大载荷切削的需求。

　　2.4进给传动系统及传动装置

　　X轴和Z轴进给分别由步进电动机驱动。X轴进给传动装置通过步进电动机带动滚珠丝杆回转，其上螺母带动刀架沿滑板导轨移动，实现X轴进给运动。Z轴进给传动装置通过步进电动机带动滚珠丝杆，由螺母带动滑板连同刀架沿床身矩形异轨移动，实现Z轴的进给运动。

　　3、控制系统硬件设计

　　本研究采用AT89S51单片机作为数控系统设计的核心控制处理器，采用两片89S51双机通讯，外接两片2764EPROM存放控制程序、批量生产工件加工程序及数据，再选用两片8kb的6264RAM存放试制小批量生产工件加工程序及数据。为使编程地址统一，采用74LS373、74LS139译码器完成译码法对扩展芯片进行寻址，如图1所示为控制系统总体设计框图。

　　图1控制系统总体框图

　　工作原理：单片机系统是机床数控系统的核心，通过键盘输入命令，数控装置送来的连续脉冲通过环形分配器、光电耦合器和功率放大器，按一定顺序分配给步进电动机各相绕组，使各相绕组按照预先规定的控制方式通电或断电，从而控制步进电动机带动工作台按照指令运动。

　　3.1通信接口设计

　　本研究采用RS-485双机通信接口，RS-485是RS-422A的变型，其半双工通信方式在多站互联中方便且经济，如图2所示为本设计中的双机通信接口图。

　　图2双机通信接口图

　　在上图中，RS-485以双向、半双工的方式实现双机通信。在AT89S51单片机系统发送或接收数据前，应先将SN75176的发送门或接收门打开，当P1.0=1时，发送门打开，实现RS-485电平到TTL电平的转换功能。

　　3.2存储器的扩展

　　选择晶体振荡器的工作频率为12MHz。主控器选用AT89S51，考虑到数控铣床根据加工零件的复杂程度，相应的编程语言会相当复杂，且数据传输量大，因此，单纯依靠51芯片内部自带的存储空间远远不能满足使用要求，有必要对数据存储区和程序存储区进行扩展。根据估计，每片89S51选用两片2764作为程序存储器，两片6264作为数据存储器。同时，采用一片74LS373地址锁存器和一片74LS139作为片选芯片。安徽皖南电机

　　图3 2764引脚图

　　3.3键盘显示电路

　　根据系统要求，需要通过键盘输入命令来实现机床工作台的运动和主轴转速。通过LED数码管显示工作台的运行位置，行程范围为10米，精确到0.000001米，所以X、Y、Z各用了8个LED数码管采用动态显示。主轴转速用8个LED数码管采用动态显示。键盘上共有9个按键，可控制工作台三轴运动、主轴转速、照明设备及冷却液、润滑油装置。

　　3.4光电编码器

　　光电编码器是一种将机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。它由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘在圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出脉冲信号，通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。此外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差90的两路脉冲信号。编码盘将脉冲信号发送给MAX202，MAX202将信号反馈给51单片机，单片机再将电机的转速通过LED数码管显示出来。

　　图4编码器示意图

　　3.5报警装置

　　如果任一工作台X和Y二个方向移到轨道的边缘，通过一个或门，将P1.4口置位，就越界报警，同时停止工作，蜂鸣器发出声音，警示灯亮。

　　3.6电源电路

　　本次设计需要提供两个不同电压的电源分别为+5v和+24v。

　　1、+5v的电源电路设计分析

　　电路接220v的交流电，用整流加滤波加线性稳压器7805稳压的方式获得5V直流电压，变压器次级电压应为7V，7V正弦波交流电压的峰值是9.8V左右，经过桥式整流损失两个整流二极管PN结压降后是7.8V左右，而7805对于工作电压的要求是必须大于7V，7.8V正好留有一点余地，通过7805芯片稳压，*后输出需要的+5v稳定电压。如图5所示为+5V供电电源电路图。

　　图5 +5V供电电源电路图

　　2、+24v电源电路设计分析

　　电路接220v的交流电，用整流加滤波的方法获得+24v直流电压，因为此电压用于驱动电机，对电压的稳定性要求不高，故不需要加线性稳压器，通过变压器降压次级电压变为26v，经过桥式整流损失两个整流二极管PN结压降后是24v，滤波获得24v电压输出。如图6所示为+24V供电电源电路图。

　　图6 +24V供电电源电路图

　　4、软件设计与实现

　　根据总电路图的硬件结构和加工指令格式，以直线圆弧插补计算方法设计控制程序。整个控制程序由主程序、T0中断程序和外部/INTO中断程序组成。

　　4.1主程序

　　主程序首先执行系统初始化工作，开启照明设备，然后循环扫描键盘，如果键盘上有键入命令则进行相应的命令处理，如果键入启动命令，则做好运行前准备工作以及有关指针和标志初始化。对中断系统初始化，T0向CPU请求中断，使CPU执行部件加工程序，允许外部中断，在人工干预按下急停键时停止加工部件。皖南电机价格表接着循环查询加工结束标志，加工结束后又等待键命令或主机命令。

　　4.2T0中断服务程序

　　T0中断服务程序的功能是执行加工程序，一条指令执行完再取新的加工指令，直到遇到停机时关中断，置位结束标志。在加工指令执行过程中，根据线型做直线圆弧的插补计算。

　　4.3紧急停止

　　急停开关属于主令控制电器的一种，当机器处于危险状态时，通过急停开关切断电源，停止设备运转，达到保护人身和设备的安全。本次设计将急停开关与主电源相连，按下后切断主电源，机器停止工作。

　　4.4步进电机的位置控制

　　步进电动机的位置控制需要两个参数：绝对位置参数和移动距离参数。绝对位置参数是指执行机构当前的位置，有极限值；移动距离参数是指从当前位置移动到目标位置的距离。步进电动机每走一步，步数减1，如果没有失步，当执行机构到达目标位置时，步数正好减到0。因此，用步数等于0来判断是否移动到目标位置，作为步进电动机停止运行的信号。绝对位置参数可作为人机对话的显示参数。它与步进电动机的转向有关，当步进电动机正转时，步进电动机每走一步，绝对位置加1；当步进电动机反转时，绝对位置随每次步进减1。

　　如图7所示为主控程序流程图。

　　图7 主控程序流程图

　　5、结论

　　本文以AT89S51为控制核心的数控铣床控制系统，通过键盘控制工作台沿-X、+X、-Y、+Y、-Z、+Z方向的移动，照明设备的开启及主轴转速的控制，读取EPROM程序指令。通过串口能够实现与PC的通讯。当冷却液或润滑油供应不足时有自动报警机制。通过LED数码显示器可实时显示X、Y、Z坐标及主轴转速。

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