可以說在當(dāng)今全世界的機(jī)床制造業(yè)中，數(shù)控系統(tǒng)起著舉足輕重的作用。作為高尖端技術(shù)之一的數(shù)控系統(tǒng)集機(jī)械制造、自動控制、計(jì)算機(jī)、測量以及電氣傳動等技術(shù)于一身，各方面功能均十分強(qiáng)大。通過筆者對當(dāng)前數(shù)控系統(tǒng)市場的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，一些中高檔的數(shù)控系統(tǒng)基本采用的都是以PC機(jī)為控制平臺實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動控制的。雖然這種控制方式具有性能優(yōu)良、功能齊全、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，但其價(jià)格卻相對比較昂貴。對于生產(chǎn)企業(yè)來講，需要的是一種既能滿足生產(chǎn)需求，價(jià)格又相對低廉的數(shù)控系統(tǒng)。為此，本文將單片機(jī)測控技術(shù)應(yīng)用到數(shù)控系統(tǒng)當(dāng)中，以此來實(shí)現(xiàn)這一需求。
　　1 基于單片機(jī)的數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

　　基于單片機(jī)的數(shù)控系統(tǒng)，能夠根據(jù)用戶的實(shí)際需求以及CPU種類的不同實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品細(xì)分，并以此使設(shè)計(jì)出來數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品具有系列化的特征。通過對市場的調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，人們對數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品的需求大致可分為以下兩類：

　　1.1 單片機(jī)加實(shí)時操作系統(tǒng)

　　以這種形式構(gòu)成的數(shù)控系統(tǒng)主要都是一些中高端的系統(tǒng)，它們的功能相對來講比較豐富，可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信息共享，而且還可以進(jìn)行閉環(huán)控制，精確度相當(dāng)高。其中操作系統(tǒng)是確保任務(wù)實(shí)時性的關(guān)鍵。在此類數(shù)控系統(tǒng)當(dāng)中，使用較多的單片機(jī)為ARM系列等，實(shí)時系統(tǒng)則為Windows、RT-Linux等。這種類型的數(shù)控系統(tǒng)常被用于對精度要求較高或是聯(lián)動數(shù)目在四軸以上的數(shù)控機(jī)床當(dāng)中。

　　1.2 單片機(jī)加控制模塊

　　在此類組成結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)當(dāng)中，由于采用的是控制模塊，而不是實(shí)時操作系統(tǒng)，所以各個任務(wù)的實(shí)時性均是由系統(tǒng)中的控制軟件以及處理器的中斷等予以保證的。此類系統(tǒng)應(yīng)用的單片機(jī)主要以高性能的CPU為主，這樣能夠有效地確保系統(tǒng)的運(yùn)算速度符合插補(bǔ)和管理等功能的需要。這種系統(tǒng)通常僅能滿足三軸聯(lián)動和四軸聯(lián)動的數(shù)控機(jī)床的需求。

　　通過上述分析不難看出，研發(fā)不同等級的數(shù)控系統(tǒng)，只需要根據(jù)用戶的實(shí)際需求，采用的不同平臺，然后在平臺中對系統(tǒng)的主要功能略作改進(jìn)，便能夠開發(fā)出滿足用戶需要的數(shù)控系統(tǒng)。這在一定程度上避免了基于單片機(jī)的數(shù)控系統(tǒng)研發(fā)的缺點(diǎn)，有效地減少了重復(fù)性工作，從而使整個研發(fā)周期相應(yīng)地縮短很多。若是將數(shù)控系統(tǒng)中的主要技術(shù)模塊進(jìn)行總結(jié)和提煉，便可以組成一個系統(tǒng)平臺，在此基礎(chǔ)上對相應(yīng)的功能進(jìn)行適當(dāng)?shù)貏h減或增添，便可以完成系統(tǒng)的研發(fā)。這就是基于單片機(jī)的數(shù)控系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)思路?！?br/>　　2 基于單片機(jī)測控的數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

　　任何一種數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵均在于其軟件及硬件的設(shè)計(jì)，應(yīng)用單片機(jī)測控技術(shù)的數(shù)控系統(tǒng)也不例外，下面簡要介紹一下軟件及硬件在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中需要遵循的主要原則：

　　2.1 規(guī)范化原則

　　一個數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研發(fā)，最忌諱的就是重復(fù)開發(fā)，這樣不僅會浪費(fèi)大量的時間，而且也會浪費(fèi)大量的資源，所以在進(jìn)行軟件及硬件設(shè)計(jì)過程中，必須有一個規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)，以此來規(guī)范系統(tǒng)的通訊協(xié)議以及軟硬件界面，可以使設(shè)備生產(chǎn)商和控制器制造商均能在相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)下進(jìn)行研發(fā)和生產(chǎn)，以此來杜絕重復(fù)性開發(fā)的情況發(fā)生，減少資源的浪費(fèi)。為此，在進(jìn)行系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)時，必須遵循規(guī)范化原則。

　　2.2 系列化、標(biāo)準(zhǔn)化原則

　　在系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)以系列化和標(biāo)準(zhǔn)化的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，這樣有利于提高系統(tǒng)整體的實(shí)時性和可靠性。通過對系統(tǒng)通訊方式、CPU結(jié)構(gòu)、運(yùn)動及輔助控制等的模塊化處理，根據(jù)實(shí)際功能的不同制成所需的模塊，借此來實(shí)現(xiàn)系列化和標(biāo)準(zhǔn)化，同時模塊與模塊之間還可通過預(yù)先定義好的標(biāo)準(zhǔn)化接口實(shí)現(xiàn)通訊。

　　2.3 開放性原則

　　在進(jìn)行系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)時，為有效地降低系統(tǒng)軟件對硬件的依賴性，應(yīng)使軟件平臺獨(dú)立于系統(tǒng)硬件之外，并且也要將軟件設(shè)計(jì)成為模塊化，這樣有利于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)軟件的開放性。對于整個數(shù)控系統(tǒng)而言，設(shè)計(jì)一個獨(dú)立的軟件平臺是較為重要的。由于書庫系統(tǒng)本身都具有多任務(wù)性和實(shí)時性，所以軟件平臺的構(gòu)建也應(yīng)以此為前提，同時軟件平臺的基本功能還應(yīng)實(shí)現(xiàn)典型化和模塊化，從而使每個功能模塊之間均能實(shí)現(xiàn)相互獨(dú)立和統(tǒng)一調(diào)度。這樣的軟件設(shè)計(jì)可以適應(yīng)不同的硬件系統(tǒng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了軟件的開放性和獨(dú)立性。

3 單片機(jī)測控技術(shù)在數(shù)控系統(tǒng)中的具體應(yīng)用及實(shí)現(xiàn)

　　基于以上的設(shè)計(jì)思路及設(shè)計(jì)原則，下面筆者以一種數(shù)控鉆銑床為例，對單片機(jī)測控技術(shù)的應(yīng)用及實(shí)現(xiàn)進(jìn)行分析。

　　3.1 數(shù)控鉆銑床的基本功能及具體控制方案

　　由于該數(shù)控機(jī)床是鉆、銑相結(jié)合的一類機(jī)床，為此先簡要介紹一下該數(shù)控機(jī)床的加工順序：首先，工作臺就位，然后鉆頭鉆進(jìn)，鉆孔后鉆頭快退，移至下一位置繼續(xù)重復(fù)上述動作，直至全部鉆孔完畢為止后，工作臺恢復(fù)原位。銑削的加工順序基本與之相同。因本系統(tǒng)屬于鉆、銑一體的機(jī)床，故此在其各方面參數(shù)均滿足實(shí)際加工要求的前提下，決定采用連續(xù)控制系統(tǒng)對其加工進(jìn)行控制，具體控制方案為采用單片機(jī)控制的步進(jìn)電動機(jī)對系統(tǒng)工作臺進(jìn)行開環(huán)控制。當(dāng)進(jìn)給指令由單片機(jī)系統(tǒng)發(fā)出后，經(jīng)過功率放大后對步進(jìn)電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行驅(qū)動，然后經(jīng)由齒輪減速器帶動絲杠進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，直線位移的完成主要依靠絲杠螺母的轉(zhuǎn)換，具體移動速度及位移量的大小由輸入脈沖數(shù)及脈沖頻率決定。

　　3.2 單片機(jī)測控系統(tǒng)的主要功能

　　該數(shù)控系統(tǒng)中，單片機(jī)采用的是集中控制方式，對于系統(tǒng)中的各項(xiàng)任務(wù)采取的是分時處理進(jìn)行的，如插補(bǔ)運(yùn)算、CRT顯示、輸入輸出控制以及存儲等等。測控系統(tǒng)的主要功能如下：其一，初始化處理。主要是對I/O接口、步進(jìn)電動機(jī)旋轉(zhuǎn)頻率定時器以及中斷等進(jìn)行初始化；其二，復(fù)位功能。機(jī)床開機(jī)工作時工作臺應(yīng)自行恢復(fù)至初始加工位置，如有需要也可盡心手動復(fù)位；其三，監(jiān)視功能。具體是對開關(guān)、鍵盤以及按鍵等進(jìn)行監(jiān)視，如監(jiān)視行程開關(guān)、急停按鍵等；其四，加工數(shù)據(jù)的輸出和顯示功能；其五，超程控制機(jī)報(bào)警功能。當(dāng)工作臺在進(jìn)行實(shí)際加工過程中，若超出規(guī)定的位置則立即停止工作，并相應(yīng)的做出報(bào)警顯示；其六，控制方式選擇功能。主要包括手動和自動兩種控制方式，有特殊要求時可進(jìn)行控制方式切換。

　　3.3 測控功能的實(shí)現(xiàn)

　?。?）硬件設(shè)計(jì)。按照該數(shù)控機(jī)床工作臺的實(shí)際測控要求，決定采用STC12C5A62S2系列單片機(jī)作為主控制器，并行設(shè)置44個I/O控制接口和雙UART串口，電路為MAX810專用復(fù)位電路，2路8位PWM/16位PCA模塊，8路10位精度ADC，其轉(zhuǎn)換速度最高可達(dá)到250K/S，即每秒25萬次，F(xiàn)lash ROM60K，SRAM 1208字節(jié)。這一系列的單片機(jī)具有以下特點(diǎn)：可靠性高、反應(yīng)速度快、功耗低、價(jià)格便宜、抗靜電及抗干擾能力超強(qiáng)，無需對片外存儲空間進(jìn)行擴(kuò)展，便可用于數(shù)控機(jī)床工作臺的電動機(jī)控制，本身自帶PWM/PCA和A/D，不需要在配置外部檢測電路。為使加工數(shù)據(jù)能夠順利輸入到系統(tǒng)當(dāng)中，采用矩陣鍵盤，規(guī)格為4×8；加工數(shù)據(jù)顯示器則采用6位LED顯示器，以便于顯示加工數(shù)據(jù)信息；為確保開機(jī)指示電源能夠正常工作，電源指示燈決定采用發(fā)光二極管；為有效地控制步進(jìn)電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，決定采用I/O口對脈沖分配器的輸出信號進(jìn)行控制，再經(jīng)由功率放大電路及光電隔離器后傳送至步進(jìn)電動機(jī)線圈當(dāng)中；為對機(jī)床工作臺的超程進(jìn)行監(jiān)視及報(bào)警功能的實(shí)現(xiàn)，決定采用全行程開關(guān)作為監(jiān)視信號進(jìn)行輸入，并采用發(fā)光二極管作為超程報(bào)警指示燈。

　?。?）軟件設(shè)計(jì)。如果將測控硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，看作是整個數(shù)控系統(tǒng)的物質(zhì)基礎(chǔ)的話，那么系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)則是測控系統(tǒng)整體控制思路、控制方式以及控制過程的體現(xiàn)。測控系統(tǒng)各個功能的實(shí)現(xiàn)，需要應(yīng)用到單片機(jī)的如下技術(shù)，其中主要包括中斷、定時、LED顯示以及鍵盤掃描等技術(shù)。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要以模塊化結(jié)構(gòu)為主，下面對各個模塊的具體功能進(jìn)行介紹：①主模塊。該模塊主要負(fù)責(zé)完成測控系統(tǒng)的各項(xiàng)管理工作，數(shù)控系統(tǒng)開機(jī)后會自行進(jìn)入到管理模塊當(dāng)中，然后接收并執(zhí)行由機(jī)床操作者發(fā)出的操作指令。在這一模塊當(dāng)中，需要對鍵盤上各個相關(guān)案件的功能進(jìn)行自定義，以此來確定接收指令的形式以及實(shí)現(xiàn)加工數(shù)據(jù)的輸入和、自動鉆銑加工、急停等操作功能；②自動加工測控模塊。按照該數(shù)控機(jī)床工作臺的實(shí)際工作需要，自動加工應(yīng)包括鉆削和銑削兩部分。所以在該模塊中設(shè)計(jì)兩個子模塊分別用于鉆削和銑削的測控；③步進(jìn)電動機(jī)控制模塊。該模塊主要是對電動機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角以及方向等進(jìn)行控制。在對這一模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)時，應(yīng)重點(diǎn)考慮電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時會出現(xiàn)一個加速或減速的過程，這樣有利于解決突然啟停時，慣性及負(fù)載造成電機(jī)損壞的問題?？梢酝ㄟ^對進(jìn)給脈沖的時間間隔及具體脈沖數(shù)進(jìn)行確定，來實(shí)現(xiàn)對電機(jī)速度及轉(zhuǎn)角的控制?？刂茣r間常數(shù)可預(yù)先定義好后存儲到程序當(dāng)中，并以此作為對步進(jìn)電動機(jī)運(yùn)行控制的基本參數(shù)，然后利用單片機(jī)本身自帶的定時器功能，并以中斷的方式來實(shí)現(xiàn)對電動機(jī)頻率的控制。

　　由于該單片機(jī)中集成有可編程的應(yīng)用程序，故此無需設(shè)計(jì)專用的仿真器及編程器。通過將單片機(jī)測控技術(shù)應(yīng)用到數(shù)控系統(tǒng)當(dāng)中，使得系統(tǒng)自動化功能的實(shí)現(xiàn)變得更加簡單、各方面性能也更為可靠。