基于MCS-51数控插补系统的实现

基于MCS-51数控插补系统的实现 游达章 （湖北武汉 湖北工业大学机械工程学院 430068） 摘要：本文介绍笔者开发的数控插补模拟实现控制系统。主机将NC数控代码转换成串口通信数据，再利用MSComm控件将编码数据从串口发送至下位机；从机控制系统使用教学中常用的MCS-51单片机，在主机的控制下，能完成直线和圆弧插补，实现纵向和横向步进电机的两轴联动。论文还介绍了步进电机驱动电路及其控制系统、从机与PC的串行接口等内容。本系统适合教学演示、算法验证，科学研究等使用。 [关键词]：数控 MCS-51 插补 系统 The design of numerical control interpolation system based on MCS-51 Dazhang You (HuBei Wuhan Hubei University of Technology) [Abstract]： In this paper, a simulation system of numerical control has been introduced which was designed by the author. The numerical controlling program is converted into the codes which have been widely used in serial communications .The host computer makes use of the MSComm control of Microsoft while the slave computer uses the common MCS51 MCU in order to realize the serial communications . In the mainframe controlled, complete line and circular interpolation and control two stepper motor concerted campaigns. The paper also describes the electrical controls and motors driving circuit, serial port procedures which at the same time to establish a good relationship interface. This system can be widely used in teaching demonstration, arithmetic checks as well as scientific research. [Key word]: numerical control, MCS51 interpolation arithmetic, system 数控机床以其精度高、效率高、能适应小批量复杂零件的加工等特点，在机械加工中得到日益广泛的应用；以其卓越的柔性自动化的性能、优异而稳定的精度、灵捷而多样化的功能引起世人瞩目，它开创了机械产品向机电一体化发展的先河，因此数控技术成为先进制造技术中的一项核心技术。 本文旨在建立一个数控系统的模型，便于数控插补和其他问题的研究，适用于教学和科研。系统包括三大部分，pc上位机，mcs-51下位机和机械执行机构，主要设计内容包括：制定合适的通信协议，将NC代码转换成符合通信协议的发送文件，经编码后由PC机串口发送到下位机，实现主机对下位机的控制；下位机接收PC机的控制信号和数据，驱动步进电机从而带动工作台协同运动完成直线和圆弧插补。 一、总体方案设计 整个模型系统分为三大块，pc部分，单片机部分，机械装置部分。系统为开环系统。 1、 PC 、MCS-51与机械部分各模块的任务 PC机完成数控代码或其它代码的读入、转换、校验，发送数据进入单片机，并且根据MCS-51返回的信息对下位机作出正确的控制。PC对MCS-51有绝对的控制权，可在任何时候中断MCS-51的当前操作。MCS-51串口接收上位机数据存入相应单元，对数据进行校验。若校验成功,返回PC校验成功字，然后进行精插补运算，控制进给步进电机的运动，完成后请求PC发送下一帧数据；若校验失败则直接请求PC重发当前帧数据。在通信中所有的数据均以增量坐标的形式表示，单片机做直线和圆弧的精插补。 MCS-51直接控制外部硬件的运行。它接收来自PC的控制指令和信号数据，发给步进电机脉冲，步进电机带动丝杆旋转，通过螺母副驱动工作台运动。 2、单片机控制系统与相应接口 单片机控制部分采用MCS-51最小系统，主控芯片选用AT89S51，系统包括：电源电路、复位电路、时钟电路、ISP下载器接口等，图2为单片机控制系统及其外围电路图。由于本系统使用了串口，选用11.0592M晶振，以便于波特率的计算，提高串口通信的可靠性。单片机系统通过专用线性三端稳压电源芯片LM7805，将较宽范围的电源都稳压到5V，保单片机的正常工作。为了避免输入电压反相损坏稳压芯片，在进入LM7805之前串联一只二极管，有效截止反相电压。复位电路为上电复位加按键复位。ISP下载器只从单片面引出四个端口：P1.5、P1.6、P1.6、RST以及电源正和地线，使用非常方便。 串口使用Maxim公司的max232芯片，只需四个小容量电容，接口使用DB9母头，方便与串口延长线连接。同时为了使电路具有通用性，能够适合其它场合使用，在单片机外部加入八个指示二极管、六个按键和一个蜂鸣器。对单片机端口资源分配如下： (1)P1口：八个指示二极管； (2)P3.2—P3.7：六个按键； (3)P0.7：蜂鸣器； (4)P2：步进电机控制信号； (5)P3.0—P3.1：串行口RXD、TXD。 图2 单片机控制系统及其外围电路 PC与单片机采用RS232标准实现串口通讯，单片机与步进电机的接口由于整个电路存在高压部分和低压部分，因此中间采用一个光耦隔离元件来进行高低压的隔离，有效的防止了高压部分对低压部分的干扰，此外，须有一个功率放大电路将信号放大以驱动步进电机。 3、系统设计要求 (1)PC机主控程序设计：具有方便良好的界面；能够实现自动运行、单步运行、手动控制等功能；准确的识别数控NC代码，能够较好的识别程序中的语法错误，对代码做正确的处理并转换生成串口通信数据文件；串口通讯利用Microsoft的MSComm控件，使用VC6.0++开发环境。 (2)稳定安全的串口通信：设计恰当的通信协议，采用适当的数据校验方法及错误处理方案。 (3)PC对下位机的控制：PC收到发送下一帧数据的请求后，将下一帧数据装入串口发送缓冲区，发送至下位机；收到校验错误字，则重发上一帧数据。即反馈型控制方式。对于特殊功能控制，只发送经编码的特殊命令字，即进行开环的控制方式。 (4)下位机数据校验及处理：完成报文的解释，校验数据，给下位机其它程序提供正确的数据。若数据出错则向PC机申请重发。 （5）下位机根据pc发送的数据，提供步进电机控制信号，驱动工作台，实现准确的插补运动。 二、PC与单片机通讯 PC读取NC源代码，经代码转换函数转换为待发送的文件。串口控制程序从发送文件读取数据，经编码后，按一定的控制方式将数据发送到下位机，如图4。下位机从串口接收数据，将串口数据按协议翻译并存入数据缓冲区1特定的单元，同时计算校验字。一帧数据收完后，将校检结果与发送的校检字比较，若相同，则允许缓冲区2从缓冲区1取数据，同时向PC返回校验成功；若校验失败，则将缓冲区2中的数据更新到缓冲区1，向PC返回校验失败。缓冲区2的数据是缓冲区1的数据备份，它存储的是串口数据最后一次校验成功时缓冲区1中的数据，它也是下位机插补程序要使用的数据，这样确保插补数据的正确性，流程图如图5。 上位机和下位机和协同工作，可以看到整个通信过程形成了一个闭环的控制系统。 更多内容见书16页