基于AT89S52单片机的普通机床数控化改造_佘东

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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
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PLC·变频器·计算机— — —基于 AT89S52 单片机的普通机床数控化改造
图1 数控系统硬件组成框图
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Leabharlann Baidu
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 256B RAM， 能够满足本改造方案中经济型数控系统的要求。
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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
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。
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。
参考文献: ［ 1］ 李广第， M］ ．北 朱月秀， 王秀山． 单片机基 础 ( 修 订 版) ［ 2001 ， 7． 京: 北京航空航天大学出版社，
入设备的程序和数 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
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机床电器 2011. 2
PLC·变频器·计算机— — —基于 AT89S52 单片机的普通机床数控化改造
机床电器 2011. 2
图4
加减速控制流程图 ［ 2］ 王晓明． 电 动 机 的 单 片 机 控 制［M］ ． 北京: 北京 航 空 航
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结束语
普通数控机床 经 过 本 方案 改 造 后， 将 能 十 分方 便
2007 ， 8． 天大学出版社， ［ 3］ 朱晓春． 数控 技术 ( 第 2 版) ［M］ ． 北京: 机 械 工 业 出 版 2006 ， 4． 社， ［ 4］ 聂学俊． MCS － 51 单 片 机在 普 通 机床 数控 改 造 中的 应 J］ ． 机床与液压， 2000 ， ( 2 ) : 76． 用［ 收稿日期: 2011 － 02 － 11
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。
The NC transformation of general machine tool based on AT89S52 microcontroller
SHE Dong， TANG Shuang － lin ( Sichuan Electromechanical Institute of Vocation and Technology， 617000 )
与主 CPU 保持同步， 这 样， 在两 块 CPU 模 块 进行 控 制 权的转移时， 实现 无扰 动 切 换。 CPU 模 块 的 同 步 控 制 程序框图如图 5 所示。 大， 却能使系 统的 可 靠 性大大 提 高。 另 外， 双 CPU 冗 余控制时， 如 何 利 用 Map 命 令， 只 将 具有 主控 制 权 的 CPU 数据通过工业以 太 网 传 送 给 其 他 控 制 设 备， 是值 得进一步研究的。
作者简介: 佘
东( 1976 － ) ， 男， 四 川 机 电 职 业 技术 学院电 子
电气工程系教师， 硕士， 讲 师， 主 要 从事 单 片 机 应用 开 发 的 教 学与研究工作。
( 上接第 39 页) 而热备 CPU 必须跟踪 主 CPU 的变 化， 软件方式实现是一种经济、 有效的方法， 它成 本 支 出 不
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引言
随着科技的进 步， 数控 技术 及数控 系 统 在 我国 工
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。
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 通过计算机 数控 装 置控 制 机床 工作 台 和 刀 架 控系统， 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。
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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
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 工作参数、 工作状态等信息。 于显示机床坐标值、
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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。
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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，
该位置的极限为移动部件移动的范 置( 也称绝对位置， 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 1， 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 0 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。位置控制流程图如图 3 所示。
PLC·变频器·计算机— — —基于 AT89S52 单片机的普通机床数控化改造
机床电器 2011. 2
基于 AT89S52 单片 机 的 普 通机 床 数 控 化 改 造
佘 东， 唐双林 ( 四川机电职业技术学院， 617000 )
摘要: 本文以 AT89S52 单片机为控制核心， 介绍了一种两 坐标 轴 联 动 的 经 济 型 数控 机床 改 造 方案。 该 方案 以 步 进电动机作为机床伺服系统， 并说明了数控系统的硬件组成框图与主要模块以及步进电动机的输出控制程序等。 关键词: 普通机床; 数控化改造; 单片机; 步进电机 中图分类号: TG659 文献标识码: B 文章编号: 1004 － 0420 ( 2011 ) 02 － 0043 － 03
参考文献: ［ 1］ Allen － Bradley Logix5550 Controller User ’s Guide 1756 － 6． 5． 12 SEP［ Z］ ． 1999． 图5 CPU 模块同步控制程序框图 ［ 2］ 胡学林． 可 编程 控 制 器 教 程［M］ ． 北京: 电 子 工 业 出 版 社． ［ 3］ 西门子 WINCC． 西门子 ( 中 国 ) 有 限 公司 工 业业 务 领 域 Z］ ． 工业自动化与驱动技术集团( SLC I IA＆DT) 2003［ 收稿日期: 2011 － 01 － 04 作者简介: 鲍连升( 1968 － ) ， 男， 湖北 十 堰职 业 技术 学院电 子 系教师， 主要研究方向为工业自动化。
Abstract: Currently，the NC transformation of the general machine tools has broad prospects in China． In this paper， we use AT89S52 microcontroller as the core of control． We introduce an economic reform program on the basis of two － coordinate axis NC machine tool． The program use a stepper motor as a servo system， and design the block diagram of the hardware of the numerical control system with the main module and the output and control program of the stepper motor． Key words: general machine tools; NC transformation; MCU; stepper motor
图2
通电换相控制电路图
图3
位置控制流程图
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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
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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
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。