0 引言

随着科技的进步，数控技术及数控系统在我国工业化生产中得到了广泛的应用，其中数控机床的应用是该领域中最具代表性的。目前，各工矿企业的机械加工已逐步采用数控机床来实现。然而，数控机床价格昂贵，一次性投资大，为此，对原有普通机床进行数控化改造不失为一条节约资金的有效途径。

一般而言，普通机床的数控化改造除了机械部分，如进给机构、刀架的改造等以外，更重要的是加装数控系统。通过计算机数控装置控制机床工作台和刀架的移动。为此，本文提出了以单片机控制为核心的两坐标联动的经济型数控系统改造方案，改造后的机床控制系统为开环控制系统。结构简单、性能稳定、成本低。

1 数控系统的硬件电路设计

数控系统是数控机床的核心，它主要接受来自输人设备的程序和数据，并按输入信息的要求完成数值计算、逻辑判断和输入输出控制等功能。在本改造方案中，我们采用ATMEL公司的AT89S52单片机作为数控系统的中央处理机，并通过扩展，设计出系统的人机界面，如键盘、显示器等，其硬件电路的组成框图如图1所示。

图1 数控系统硬件组成框图

1.1 中央处理机

AT89S52单片机是一种低功耗、高性能CMOS 8位微处理器，具有8KB可编程Flash存储器和256BRAM，能够满足本改造方案中经济型数控系统的要求。

1.2 键盘／显示器模块

考虑到系统的人机互动，利用并行接口芯片8155进行I／O口扩展，以完成键盘(系统控制面板)输入及显示器输出的设计。其中键盘采用矩阵式键盘，负责预置工作参数和一些开关量的输入，如：加工坐标、进给方向、进给速度、正转、反转、联动、加速、减速、启动、停止、复位及数字键等；而显示器采用LED显示器，用于显示机床坐标值、工作参数、工作状态等信息。

1.3 驱动隔离模块

机床中工作台、刀架的移动通过伺服机构来实现，由于改造后的系统是开环控制系统，为此伺服机构中的电动机选用步进电动机。为减轻CPU的负担和提高系统的可靠性，步进电动机的通电换相控制及转向控制采用专用的脉冲分配器PMM8713来实现，单片机只提供步进脉冲，脉冲分配交由脉冲分配器自动完成。以三相六拍步进电动机为例，其X方向步进电动机的通电换相控制电路图如图2所示。为避免单片机与步进电动机之间因强电而引起干扰，在两者之间加装了光电隔离器。另外，由于步进电动机的驱动电流较大，在单片机的输出端加装了驱动器以提供步进电动机的工作电流。

图2通电换相控制电路图

2 数控系统的软件设计

系统的软件设计包括监控程序、初始化程序、键处理及显示程序、插补计算程序、步进电动机输出控制程序等。本文只给出了步进电动机输出控制程序的设计，这些控制程序包括步进电动机的速度控制、位置控制及加减速控制等。

2.1 步进电动机的速度控制

步进电动机的速度控制是通过控制步进脉冲的频率来实现的。具体可采用软件延时和定时器中断两种方法，本改造方案中采用定时器中断来实现速度控制，其速度值通过键盘输入，由定时器中断服务程序将速度值转换成相应的定时常数，从而在定时器中断后改变步进脉冲的频率。该方法占用CPU时间较少，是比较实用的调速方法。

2.2 步进电动机的位置控制

为实现机床的移动部件在开环控制系统中移动时有足够的位置精度，可通过步进电动机的位置控制程序来实现。具体方法为：通过折算将移动部件当前位(也称绝对位置，该位置的极限为移动部件移动的范围)与目标位置之间的距离折算成步进电动机移动的步数，当步进电动机每走一步，步数减I，直到移动部件到达目标位置时，步数正好减到0。因此，用步数等于。来判断是否移到目标位置，作为步进电动机停止运行的信号。位置控制流图如图3所示。

图3位置控制流程图2.3 步进电动机的加减速控制

数控系统在高速运动时，为避免机床在启动或停止时产生冲击、失步、超程和振荡，需对步进电动机的加减速进行严格的控制。即在机床加速启动时，使进给脉冲频率逐步增大，在机床减速停止时，使进给脉冲频率逐步减小。

为满足加、减速要求，步进电动机运行通常按照加、减速曲线运行。加、减速曲线控制一般有两种：a．匀加、减速曲线控制(加、减速曲线为直线)；b．S形加、减速曲线控制(加、减速曲线为分段指数曲线)。由于步进电动机的加速度与频率成非线性关系，故采用S形加、减速曲线控制。在程序设计时，将加、减速曲线离散化，并将离散所得的转速序列所对应的定时常数序列，做成表格存储在程序存储器中，在程序运行时，使用查表方式重装定时常数，以提高系统响应速度。由于离散后的速度呈阶梯状，速度每升一级，步进电机都会在该级上走一定的级步数，所以在程序中除考虑加速总步数、恒速总步数、减速总步数外，还考虑了级步数。加、减速控制程序流程图如图4所示。

图4加减速控制流程图

3 结束语

普通数控机床经过本方案改造后，将能十分方便的加工多品种、小批量的零件，其加工精度、加工效率、柔性制造等将大幅提高，同时，对于作业人员的劳动强度和作业环境也将得到极大的改善。