1、MCS 51單片機在普通車床數控改造中的應用 張繼紅 y(株洲 工學院 機械工程學院 , 湖南 株洲 412008摘 要 :主要介紹在普通車床上采用 MCS-51單片機作為控制系統 , 步進電機作 為驅動執 行元件的數 控 改造方法 。關鍵詞 :單片機 ; MCS-51; 步進電機中圖分類號 :TH164 文獻標識碼 :A 文章編號 :1008-2611(2002 04-0098-02The Use of MCS-51Single Chip Microprocessor onRemaking Ordinary Lathes into NC OnesZHANG Ji hong(Zhuzhou I

2、nstitute of T echnology, Zhuzhou 412000, ChinaAbstract:The article introduces the use of single chip microprocessor as a control system on the general lathe, the way of NC remaking and the use of step by step motor as an execu te sys tem.Key words:single chip microprocessor; MCS-51; stepby step moto

3、r數控改造一般是指對普通機床某些部 位做一定的 改造 , 配 上數控裝置 , 從而使機 床具 有數 控加工 能力 , 其 目的是 為了 提 高老設備的加工精度和生產效率 , 適應 多品種和 小批量零件 的 生產 , 同時可以使技術等級較低的工人 也能加工 出高質量的 零 件 , 減少設備技術改造的投資等等。所 有這些都 是為了提高 機 床的價格性能比 , 即用較少的錢得到較 高的機械 性能和加工 能 力。因此 , 把普通機床改造為數控機床 是一條提 高數控化率 的 有效途徑。一般來 說 , 對現有 普通 車床 進行數 控改 造的具 體做 法是 , 主傳動系統一般不作變動 , 進給傳動系 統中采

4、用 高精度的滾 珠 絲杠替換進給軸原有的普通絲杠。機械部 分改造完成 后 , 配 上 MCS-51單片機 作為 數控 系統 , 用步 進電 機作 驅動 元件 , 經 過 一級減速齒輪驅動 X 、 Z 軸的運動。在我國數控機床改造中 , 微型計算機大多 采用 MCS 51型 系統單片微型計算 機 , 它是 超大 規模集 成電 路發展 的產 物 , 在 控制領域中得到廣泛的應用 , 發展非 常迅速。單 片微型計算 機 簡稱單片機 , 又稱微控制器 , 是將計算機的 基本部件微 型化 , 使 之集成一塊芯片的微機。片內含 有 CPU 、 ROM 、 RAM 、 并 行 I/O 、 串行 I/O 、

5、定時器 /計數器、 中斷系 統、 系 統時 鐘及系 統總 線等。 MCS 51單片機 在片內存儲 器容 量、 I/O 的 功能 以及指 令系 統 功能等方面 , 都大大地得到加強 , 特別適用 于實時控制、 智能 儀 表、 主從結構的多機系統領域 , 是控制領 域中最理 想的 8位機。 從應用角度看 , 其 有如 下特 性 :1 集成度 高 ; 2 系統 結構 簡單 ; 3 可靠性高 ; 4 處理功能強 , 速度高 ; 5 容易產品化。1 數控系統的硬件設計MCS 51系列單片 機以 片內 無 程序 存儲 器和 片內 有程 序 存儲器形式 , 分為三種基本產品 :8051、 8751和 803

6、1。8051單片機以片 內含 有掩膜 ROM 型 程序 存儲 器 , 因為 這 種只讀存儲器中的程序要 由單 片機生 產廠 制作 芯片時 為用 戶 固化于片內 , 所以只適 用于 批量 極大 , 程序 要永 久性保 留且 不 會修改的場合。8751片內含有 EPROM 型 程序存 儲器 , 用 戶可 以把 程序 固 化在 EPROM 中 , 需要 修改 時 , 可用紫 外線 光照 擦除 , 然 后又 寫 入新的用戶程序 , 但該芯片價格較高。8031片內沒有程序存儲器 , 外部擴展一片或 多片含有用 戶 程序的 EPROM 后 , 就 相當于一片 8751。因 而使用方便 靈活 , 且 價格低

7、廉 , 目前是應用最廣泛的機型。綜上 所 述 , 考 慮 到 MCS -51的 性 能 , 選 用 該 系 列 的 8031CPU 作為 數控 系統 的 中央 處理 機。外 接 一片 2764EPROM 作為程序存儲器 , 再選用兩片 6264RAM 作為存放調試程序和運 行程序的中間數據。考慮到系 統擴展 , 為 使編程地 址統一 , 采 用譯碼 法對擴 展第 16卷第 4期 株 洲 工 學 院 學 報 Vol. 16No. 4 2002年 7月 Journal of Zhuzhou Institute of Technology July. 2002y 收稿日期 :2002-04-10:,

8、 女 , , , , .芯片進行尋址。選用 74LS138譯碼器完成此功能。作為輸入 /輸出口 (I/O 的擴展 , 選用兩片 8155作為系統的 輸入 /輸出擴展 , 分別接受 鍵盤 (系 統控制 面板 的輸入 和顯 示圖 1 數控系統的硬件框圖器的 輸 出。 其 硬 件 框 圖如圖 1所示。2 數 控系 統 軟 件的設計數 控 系 統 軟 件 一 般由兩個部 分組 成 , 即 管理軟件和 控制 軟件 , 管理 軟 件 一 般 又 稱 為 監控軟件 , 其作 用是 進 行監 測 系 統 狀 態 并 提供基本操作 管理 , 控 制軟件的作用是根據用戶編制的加工程序 , 控制 機床運行。在 軟

9、件設計中采用模 塊化 技 術 , 即各 個 功能 都對 應 一定 的模 塊 程 序 , 數控系統整體功能通過管理軟件 (主控模 塊 分析鍵盤命 令 或用戶程序命令調用各個子模塊來完成。 2. 1 主模塊圖 2 主模塊控制流程簡圖本數控系統軟件的主模 塊功能 為 :8155I/O 初始化、 單 片機 T 0、 T1定 時器 /計 數器初 始化、 鍵 盤 數 據 區、 顯 示緩 沖 區初始化、 各種 軟件標 志初始 化等。主 模 塊 中 的 監控 主 要 是判別是否 有功能 鍵按下 , 若 有則 轉向 對 應的 功能 子 程序 模塊。主 模 塊 控 制 流程 簡 圖 如圖 2所示 :2. 2 步進

10、電動機的轉向控制車床控 制 系 統 的控 制 對 圖 3 數控系統原理圖象是 機 床 的 移 動部件 (如 工作 臺、 刀架 等 , 控 制量為移動部 件的位移 (或角 度 和 速 度 , 控 制信 號 來 自 數 控裝 置 的 進 給 脈沖 , 控制 作用 就是 驅 動 控 制 對 象 快 速、準 確、 高 效地 跟隨 進給脈沖移動。車 床 改 造后 , 進給系統各軸的進 給速 度由 步進電 動機 的速度 控制 , 進 給 方向由步進電動機的方向決定 , 采用 YB013作為 步進電動機 的 , 口的 A B 、 C 口 電動機。如圖 3所示。以三相六拍步進電動機為例 , 其 X 相步進電

11、動機環形分 配 器的輸出狀態如表 1:表 1 X 相步進電動機環形分配器的輸出狀態節拍序號 C 相 (PA2 B 相 (P A1 A 相 (PA0存儲單元地址 內容 方向00012A00H 01H 10112A01H 03H 20102A02H 02H 31102A03H 06H 41002A04H 04H 5112A05H05H轉轉反 正 圖 4 步進電機轉向控制流程圖 Z 相 步 進電 動 機 同 X 向 步進電動機 , 在此略。 可將上 述步 進電 動 機所 需的 環 形分 配器輸 出狀 態表 存人 內 存 E PROM 中 , 根 據步 進電 動 機的 運轉 方向 按 表地 址的 正

12、向及 反向 , 順序依次 取出地 址的內 容至 8155的 A 口或 B 口 , 驅 動電動機 正 轉 或 反 轉。其 程 序流程圖見圖 4。3 系統在安裝 、 使用過程中的可靠性措施3. 1 改造 后的數 控系統 屬微 電子 裝 置 , 在 改造 安 裝 時 , 除牢靠外 , 注意將 控制系 統的地 線與強電地線隔離 , 以防電及電磁場對系統的 干擾。3. 2 改造后的 車床 , 一些 部件 如步進 電機、 按 紐等 外露 時 , 要 注意防水防 塵 , 特別是 控制 系統 的機箱 要嚴 格密封 , 防 止粉 塵 侵入造成線路短路。3. 3 系統 在使用 中要注 意維護 , 防止 外露的 電纜與 車床移 動 部件長期摩擦而破 壞 , 以致 造成 故障 , 要經 常檢 查驅動 電源 箱 中的散熱電 風扇 , 保證 其正 常工 作 , 以 免大 功率 晶體管 因溫 升 太高而損壞。4 結論綜上所述 , 采用 MCS-5