基于单片机的数控机床控制系统的设计

李鸿祥 段元梅

（1.湖南科技学院智能制造学院 湖南·永州 425199；2.湖南科技学院信息工程学院 湖南·永州 425199）

0 前言

数控设备的运动单元简单包含数控系统发出指令、驱动器、伺服电机、丝杆传动、轴移动、光学尺检测反馈。数控系统作为数控设备的心脏，是数控设备优良的重要指标[1]。日本发那科公司是当今世界上数控系统科研、设计、制造、销售实力最强大的企业。掌握数控机床发展核心技术的发那科，不仅加快了日本本国数控机床的快速发展，而且加快了全世界数控机床技术水平的提高。西门子数控系统是可满足各种需求的创新型数控系统。西门子数控系统采用模块化设计，具有可扩缩性，融合了用于机床的多种产品。无论是否部署用于标准化车床和铣床，作为功能强大的、基于驱动的数控系统，或作为基于PC的解决方案，选择该数控系统都会使设备运行更富有创新性，更具竞争力。发格自动化是蒙德拉贡集团的子公司。蒙德拉贡集团是西班牙第10大、巴斯克地区第一大的集团公司，目前雇员超过74000人[2]。发格自动化在研发和制造机床数控系统与测量系统领域拥有丰富的经验，软件开发能力强大产品线丰富，可按客户需要提供量身定制的解决方案。发格数控系统基于强大的功能组件的支持，发格数控系统可装备任何要求苛刻的机床设备。可以为高端加工中心和高端车削中心提供完整的工控解决方案。对话式编程功能专门解决小批量工件编程问题、高速高精功能、纳米级分辨率控制可凸显机床的高技术含量、专用功能或特殊应用功能如激光切割机床专用功能。华中数控自主知识产权的数控系统具高、中、低三个档次，公司在前期技术积累基础上，整合国家重大专项3个课题的研发任务，瞄准国外高档数控系统的最高水平。具有自主知识产权的伺服驱动和主轴驱动装置性能指标达到国际先进水平[3]，自主研制的五轴联动高档数控系统已有数百台在汽车、能源、航空等领域成功应用。华中数控研制的60多种专用数控系统，应用于纺织机械、木工机械、玻璃机械、注塑机械[4]。

1 单片机与上位机通信协议设计

上位机使用Delphi开发，采用串口与单片机通信。其中的波特率为1200，没有校验位，包含一位结束位。本文设计使用了第三方控件Spcomm。而串口通信协议采用不定长设计。第一个字节表示消息头，每个消息为定长，消息最小长度为2字节，默认为0。一些重要的消息在消息头后面紧跟一个字节的校验位。在设计过程中还有如下的问题。首先，单片机不能向上位机发送0x17，发送的所有0x17不论在何位置均消失。解决方法是绕过0x17。其次，串口通信失效。解决的方法是降低波特率，在单片机函数加上reentrant关键字，中断处理调用的函数体内屏蔽串口中断；上位机检测串口异常，自动重新打开串口。第三，控制柜的输入检测失效。解决的方式是将上位机检测改为单片机检测。但在单片机检测导致重复发送问题，解决方法是加一个延时。第四，上位机不能发送多字节。解决的方法是每发送一个字节延时1ms。

2 多按键处理

本文设计的数控机床系统的控制面板上包含了60多个按键、2个波动开关和20多个开关位，大约一共80多个开关位。所有的按键不但要处理可能出错的错误按键信息，还需要处理好同时按键的操作功能。在整个数床控制系统中，必须通过单片机芯片来扩展I/O接口，这些芯片主要是8155芯片，同时本文将按键直接链接在8155的输入输出口上。接线方法要注意行线和列线，该行线和列线是由于接线按照矩形键盘设计的，其中行线由8155的PA口来完成，列线由PB和PC口负责。

具体方法描述如下。当扫描键盘的时候，就会发现有按键被按，该按键可能是某个行线的PA的一个输入输出口。我们在此将行线按序号进行分类，比如设置为S，T。同理，我们要将列线也进行编号，当扫描的过程中会发现具体的某一根列线被按键了。

3 原理分析与实现

数控机床控制属于一种开环控制，就是按照给好控制指令直接执行。跟闹钟的控制原理差不多，先设定好什么时候响（这就是控制指令），到时间就响（执行指令）。闹钟的声音可认为就是闹钟的执行机构。比如把四方形的铁安装在机床固定位置，然后通过写好的程序确定切四方形铁的哪个位置以及切多少，启动后，机床负责切割部分（刀）按照给定的指令进行运动，最后就可以完成锤子的加工。在以上过程中，涉及如下几个控制概念。控制对象、执行机构、控制指令和控制器。指令驱动执行机构完成对象的控制。比如人转方向盘让轮子动最终改变车子方向，人相当于控制器，方向盘、轮子以及传动机构属于执行机构，车是被控对象。本文将87C52单片机组建成该系统控制面板的硬件系统。该系统既包含了作为看门狗检测系统的MAXA1232芯片还有相互传递信息的作为单片机的输入输出扩展口的其他芯片，比如74LS245和8155芯片等。

作为开放的硬件结构设计一般应满足以下几点要求。系统体系结构的开放性；对技术发展的适应性；应用范围的广泛性；生产厂和用户两方面的支持性；数控系统的高可靠性。为了保证数控系统的高可靠性，本文采用把工业控制用PC主板嵌入到专用数控硬件结构中。硬件的设计采用混合总线结构，即采用专用CME总线和ISA总线混合。总线上有多个CME总线的插槽和一个ISA总线插槽。模块化、平台式的结构设计，可适应技术的进步和发展。系统可以跟随PC的发展而升级，系统配置灵活，其功能可以扩展也可以剪裁，因而可以派生出多种不同功能的数控系统，形成CNC的系列产品，满足不同类型机床的应用要求。硬件配置如下。第一，All-In-One PC主卡（也称半长卡）。早期使用IPC，芯片采用80386＋80387、4MB RAM，而现在可以使用80486、80586、Pentium Ⅲ，主频用66、100、450MHz或更高。RAM可选8MB。第二，VGA显示卡。早期使用PC104总线VGA卡，现在已集成在PC主卡内。第三，MFUN（多功能）模块内装有1.4MB ROM电子盘，用于存储控制程序和PLC程序。384KBRAM用于参数存储和加工程序存储。当选用一个通道方式时，约有80KB作为参数存储，并可存储800m长的加工程序，并可扩展到3600m。多功能模板上装有三轴位置控制模块、键盘适配器等。第四，POS（位置控制）模板。该模板仅配置3轴位置控制功能，作为轴数扩展模板。第五，DI／DO模板，是接口输入输出模板，最大输入104点，最大输出56点。可用增加DI／DO模板来扩展输入输出点数。第六，CRT显示和操作面板。CRT可选择23cm（9in）、26cm（10in）或36cm（14in）单色和彩色显示器，为了使整体结构紧凑，设计了专用的键盘。第七，总线模板。总线模板设计为无源总线，有10插槽和5插槽两种，根据功能的多少来选择总线模板的大小。模板为CME专用总线和ISA总线混合形式。第八，电源模块。有＋5V、10A，±15V、0.2A，＋24V、2A，设有过电流、过欠电压保护。第九，硬件配置没有硬盘和软驱，可选用软驱用软盘来传送加工程序和调试程序。第十，可选用ARCNET网卡，用于CNC系统联网，实现FMS控制。