机械铣床数字控制硬件系统设计构想

王璐

【摘要】控制系统技术发展的好坏直接决定着机械铣床工作质量的优劣，本文所设计的控制硬件系统，可以实现三轴联动，且能控制位置、速度，具有较好的适用性。

【关键词】机械数字控制硬件系统

1控制系統总体分析与方案构想

整个的控制系统是由上位机和下位机组成的，上位机发送命令，对下位机进行综合指挥、分散控制、集中管理。下位机接收上位机的指令，通过对三个步进电机的控制，从而实现对数控铣床三轴的控制，同时也将控制状态以及信息传给上位机。

1.1控制系统的分析

数控铣床控制系统由上位机和下位机共同控制。主要控制由下位机完成。控制系统的主要任务是：实现数控铣床X、Y、Z轴的联动；实现位置控制，包括快进、工进；直线和圆弧插补；实现速度控制：通过串行口与上位机通信。本文使用三个步进电机来控制三轴的运动：对于位置控制和速度控制，则需要使用软件编程来实现；与上位机的通信采用单片机自身的全双工串行口来实现。整个控制过程中，控制系统对三轴进行位置、速度等方面的控制，控制结束后将数据信息传回上位机。首先要有一套单片机控制卡，给系统上电后，打开单片机控制卡，先通过上位机的用户交互界面设置实验参数，并将所设置的实验参数发送到下位机，然后进行控制。控制开始，单片机控制卡触发脉冲驱动步进电机运动，通过软件编程实现位置和速度控制。

1.2控制系统总体方案

整个控制系统是由软件和硬件的协调配合来完成的。由简单的硬件可以实现的功能由软件实现有可能会相当复杂。因此协调好软硬件之间的关系是非常重要的。

系统的整个控制过程是由上位机和下位机共同实现的，由上位机进行对参数的提供，下位机根据指令来进行控制。综合分析硬软件的功能和现有的资源，对系统进行整体描述，并对系统进行软硬件功能的分解。将整个控制系统分为几个模块，这样便于软件编程。最后要将每个模块最终实现并综合在一起。

2.单片机控制卡功能分析与选择

数控铣床控制系统中单片机控制卡是非常重要的部分，它在系统中担负着控制其他单元的正常运行并协调各个单元相互配合的功能。本章主要介绍单片机控制卡的设计方法。

2.1功能分析

系统中的下位机控制卡是控制的核心组成部分，控制卡需要控制数控铣床三轴的位置和速度，并实现其联动，控制选择工作模式、与上位机通讯等。控制卡功能需求如下：实现数控铣床X、Y、Z轴的联动；实现位置控制，包括快进、工进；直线和圆弧插补；实现速度控制；通过串行口与上位机通信；

2.2控制器选择

当前，控制器的家族里已经出现了PLC、单片机、CPLD等优秀产品。单片机由于具有编程方便、价格低廉、I/O资源丰富、控制功能强大、易于升级等优点，使得其从问世的那天起便得到了人们的青睐。特别是用89系列单片机设计的系统，可以反复进行系统试验；每次试验可以编入不同的程序，这样可以保证用户的系统设计达到最优。而且随用户的需要和发展，还可以进行修改，使系统不断能追随用户的最新要求，因此，本文采用89系列的单片机作为控制器。

3.主要功能模块设计

单片机控制卡是以单片机为核心，并辅以必要的外围电路和接口的单片机系统控制卡。传统的硬件设计开发的过程是各个功能模块的设计—模块组合—调试。开发工具采用简单易学且功能完善的Portel电子CAD软件。单片机处理器是单片机控制卡的核心，使用单片机需要先对其I/O口、定时器、存储器、中断、通讯口等资源进行分配。本设计中产生的软件可调节的脉冲是由单片机本身利用定时器来产生的。利用定时器产生脉冲信号方法的原理是：用定时器产生一定时间的定时，在定时时间内在单片机的某一引脚上交替输出高、低电平，从而产生所需频率和占空比的脉冲信号。利用定时器产生脉冲信号根据所使用定时器的不同可分为软件定时脉冲产生法和硬件定时脉冲产生法两种。产生可编程的脉冲信号需要一个N分频电路，产生脉冲后需要同时将信号延时。Intel公司的8253/8254定时器正好可以满足这一需求。8253有六种工作方式：

（1）方式0：计数结束中断

（2）方式1：可编程频率发生

（3）方式2：频率发生器

（4）方式3：方波频率发生器

（5）方式4：软件触发的选通信号

（6）方式5：硬件触发的选通信号

本次设计中是要三个步进电机来控制三个轴的运动，而一个步进电机需要两个定时器来控制，一个触发脉冲，一个用来计数。这样算来，就需要6个定时器，除去89C52上自带的3个定时器外，还需要扩展2片8253来控制两个电机。其中，第一片8253被选定用来控制电动机1（X轴），用定时器0和定时器1。定时器1选用工作模式0来产生触发脉冲的脉冲（CP1），定时器0选用工作模式3来计数脉冲数，当计数完毕就从OUT0出来，OUT0接89C52的P1.1口来检测是否计完，来控制步进电机加速过程每一级所要的脉冲数，并且用89C52上的P1.1口控制X轴步进电机的转动方向，从而实现步进电机加速和减速的目的和方向的控制。

对于另一片8253，被选定控制步进电机2（Y轴），其控制方法与第一片8253相同。对于第一片8253，其中A0、A1接单片机P0.1、P0.2，D0-D7接单片机数据总线，读写控制分别与单片机读写控制相连。定时器1工作在方式3，门控接高电平始终有效。定时器0工作在方式0，通过计数脉冲来控制电动机速度。OUT1端与单片机的P1.5端通过与非门共同作用输出步进电机1的脉冲。对于第二片8253，定时器0工作在方式5，通过计数来控制步进电机2的运动，定时器1工作在方式3，门控接高电平始终有效，时钟线接单片机的P0.0端，OUT1端与单片机的P1.6端通过与非门共同作用输出步进电机2的脉冲。微控制器AT89C52中，有一个全双工异步通讯串行口UART，单片机控制卡就是通过这个串行口和上位机实现串口通讯。在单片机软件设计中，使用串行口UART进行程序设计。在串口通讯中，需要使用串行口数据寄存器SBUF和串行口控制寄存器SCON。寄存器SBUF用于接收和发送数据，寄存器SCON用于定义串行口的工作方式。同时，在发送或接收数据时，可以通过查询SCON的TI或RI中断标志位，判断数据通讯是否完或。endprint