3轴数控系统采用适合实时控制的MCS-51系列单片机为控制器,实现了对3 个坐标轴机械系统的控制。设计了数控系统的硬件和软件,给出了系统的硬件及软件设计框图。该数控系统以低廉的价格实现了中档数控系统的加工精度, 具有较好的推广应用前景。

数控机床很好地解决了现代机械制造中加工对象精密、结构复杂、品种多、批量小等问题。且产品加工质量稳定,生产效率大幅度提高。

目前市场上的中、高档数控系统都以PC机(工控机) 作为控制平台来实现伺服电机的驱动控制。这种方式性能固然优良,但价格昂贵。近年来,经济型数控系统采用适合现场实时控制和数据采集的单片机作为控制器,以控制灵活、可靠性高的步进电机进行驱动,具有结构简单、工作性能稳定、性价比高等优点。笔者在此基础上,设计实现了能够用于镗铣床的3 轴经济型数控系统。

1 机械系统的组成

采用MCS-51系列单片机组成控制系统,由功率步进电机经一级齿轮减速后驱动X、Y、Z三轴。进给传动系统中采用高精度的滚珠丝杠。如图1 所示,床身上面为一个XY工作台, 采用两层叠放, 实现XY方向的进给运动。主轴能够沿着立柱运动,实现Z方向的进给运动。

图1 机械系统坐标轴的分布

2 数控系统的硬件电路

MCS-51是一种8位单片机,其指令系统功能强、硬件资源丰富、可扩展性好。

图2为数控系统的硬件结构。采用8031单片机为控制器,扩展1 片程序存储器2764用于存放系统程序和固定参数;扩展1 片数据存储器6264 用于存放数据; 选用1 片可编程并行I/O接口芯片8255A 作为系统扩展的I/O口,对X、Y、Z3轴步进电机及主轴进行控制;另扩展1 片8255B 作为机床开关量、主轴编码器反馈信号I/O口;采用8279 作为键盘/显示器接口,识别键盘按键信号,对显示器自动扫描,完成键盘输入和LED 显示控制两种功能;为使系统地址统一,采用74LS138 译码器对系统所扩展的芯片进行译码寻址,具体为Y0 片选6264 ,Y1片选2764 ,Y2片选8279 ,Y3片选8255A,Y4片选8255B,并由8031对各轴步进电机进行环形分配,其指令信号经光电隔离和功率放大后驱动各轴。

图2 数控系统硬件结构框图3 数控系统软件设计

本单片机系统软件采用模块化设计,主要包括主模块、子程序模块和中断处理模块等。主模块即系统管理程序,开机后即执行该程序。主模块的功能为:初始化和键盘监控。其中初始化包括8255I/O接口初始化,8279 初始化,单片机T0/T1定时器/计数器初始化,键盘数据区、显示缓冲区初始化,各种软件标志初始化,开、中断等处理。监控主要判别是否有功能键按下,若有则根据功能键调用相应的子程序模块。

图3 为根据功能键设计的子程序模块。如编辑子程序模块、空运行子程序模块、自动运行子程序模块、手动进给子程序模块、回零子程序模块等等。图4 为中断处理模块,包括3 个模块。

图3 子程序流程图

图4 中断流程图

4 结论

3轴经济型数控系统采用MCS-51单片机作为控制器,与基于工控机组成的数控系统相比,系统造价低廉,性能稳定。由于受到数据宽度的限制,运算速度相对于工控机慢一些,可通过采用16 位的单片机解决。此单片机控制的数控系统以低廉的价格实现了中高档数控系统的加工精度,符合国情,具有较好的推广应用前景。