1 前 言

為實現(xiàn)鍋爐筒壁孔加工自動化而設(shè)計的數(shù)控系統(tǒng),，是以MCS-51單片機為控制核心,、步進電機為驅(qū)動電機、機床大,、小拖板為執(zhí)行部件的兩坐標開環(huán)控制系統(tǒng),。大拖板縱向移動以確定打孔位置,，脈沖當量值為0.02mm/步,，最大進給速度為5m/min。小拖板橫向移動以實現(xiàn)刀具的快進和工進,。系統(tǒng)具有點動對刀,、自動加工、暫停和繼續(xù),、急停報警,、回零等主要功能。

2 硬件結(jié)構(gòu)與功能

系統(tǒng)硬件分布于一塊控制主板和兩塊驅(qū)動板上,。

在以8031單片機為主的控制主板上,，擴展一片27256EPROM，用于存放系統(tǒng)軟件,，一片2764EPROM,，用于固化經(jīng)過調(diào)試的零件加工程序，一片帶掉電保護的6264RAM,，用于隨機存儲手工編輯的零件加工程序,。另外擴展一片8255并行I/O口，其B口用于輸出步進電機控制信號,、C口和A口用于鍵盤和顯示器接口,。

主板上配置4×7個按鍵，其中0～F的十六進制數(shù)字鍵用于手工編輯加工程序時輸入存儲單元地址,、工件號,、加工指令等，其余功能鍵用作單片機復(fù)位,、6264內(nèi)存地址加1,，減1，步進電機點動對刀,、自動加工及刀具回零等,。

6個8段LED數(shù)碼管采用共陰極接法,，動態(tài)顯示數(shù)據(jù)。

根據(jù)對拖動力矩的實驗分析,，確定采用150BF003型步進電機驅(qū)動大拖板,，采用110BF003型步進電機驅(qū)動小拖板。步進電機的各相繞組通電狀態(tài)是由單片機通過數(shù)據(jù)總線送往8255的B口,，經(jīng)光電隔離后由驅(qū)動電路進行功率放大而實現(xiàn)的,。驅(qū)動電源采用斬波電路，能提供接近矩形波的電流波形,，在低頻段輸出穩(wěn)定扭矩為0.85～0.9Tj(Tj為電機最大靜態(tài)扭矩),，系統(tǒng)帶負載能力強，運行快速性好,。

考慮系統(tǒng)運行的安全性,，設(shè)置限位開關(guān)、手動暫停開關(guān)和手動急停開關(guān),，將信號接至單片機P1口,，并采用三輸入與非門74LS10，將其輸出端作為中斷源信號接至單片機INTO位,。

系統(tǒng)原理框圖如圖1所示,。

圖1

3 軟件設(shè)計

固化于27256EPROM中的系統(tǒng)軟件，分監(jiān)控程序和加工指令解釋程序兩部分,。

3.1 監(jiān)控程序

監(jiān)控程序包括單片機系統(tǒng)初始化,、鍵處理、輸入數(shù)據(jù)顯示和存儲,、中斷服務(wù)等功能模塊,。

系統(tǒng)初始化模塊完成單片機上電復(fù)位或按<復(fù)位>鍵后有關(guān)存儲單元、寄存器,、可編程位的狀態(tài)初始化以及允許INTO中斷等設(shè)置,，并在顯示器上顯示提示符“-”。

鍵處理模塊對所有按鍵進行掃描查詢,，無鍵按下時,，繼續(xù)顯示提符，有鍵按下時,，通過譯碼,，識別其是數(shù)據(jù)鍵或功能鍵，以便轉(zhuǎn)至相應(yīng)程序處理,。

在輸入數(shù)據(jù)顯示和存儲模塊中,，若輸入四位十六進制數(shù)據(jù)后按<查詢>鍵，結(jié)合,、鍵,，可查詢修改6264RAM中的存儲數(shù)據(jù),，達到手工編制加工程序、修改加工速度的目的,。若輸入二位十進制數(shù)據(jù)后按<加工>鍵,，則認為這兩位數(shù)據(jù)是工件號，開始調(diào)用相應(yīng)加工程序,。

在中斷服務(wù)程序模塊中,，單片機讀取P1口狀態(tài)，P1.1或P1.2置“1”分別代表暫停開關(guān)動作或急停開關(guān)動作,，根據(jù)實際加工狀態(tài),，允許采取繼續(xù)加工或刀具回零處理，否則是限位開關(guān)動作,，只允許對刀具作回零處理,。

3.2 加工指令解釋程序

零件加工程序的基本語句由6位數(shù)字或字符組成，第1位以十進制數(shù)2,、4,、6、8分別表示大,、小拖板各自兩個移動方向，第2位以十六進制數(shù)0～F表示拖板十六檔移動速度,，后4位以十進制數(shù)表示拖板實際位移值,。

加工指令解釋程序的功能是讀取零件加工程序，逐句解釋,，以獲取步進電機的轉(zhuǎn)向,，轉(zhuǎn)速及相應(yīng)步數(shù)，包括電機正反轉(zhuǎn)處理,、升降速處理,、加工長度與電機步數(shù)轉(zhuǎn)換等功能模塊。

在電機正反轉(zhuǎn)處理模塊中,，設(shè)定110BF003型步進電機各相繞組通電順序為：A→AB→B→BC→C→CA→A或：A→CA→C→BC→B→AB→A,。設(shè)定150BF003型步進電機各相繞組通電順序為：AB→ABC→BC→BCD→CD→CDE→DE→DEA→EA→EAB→AB或：AB→EAB→EA→DEA→DE→CDE→CD→BCD→BC→ABC→AB。單片機讀取加工語句第1位后,，將相應(yīng)的狀態(tài)機器碼由8255的B口順序輸出即可,。

分析步進電機的矩頻特性，可知啟動頻率越高則啟動力矩越小,。如果步進電機從靜止直接以高速運轉(zhuǎn),，則可能產(chǎn)生失步，因此,，設(shè)置十六檔拖板移動速度（m/min）,，對應(yīng)步進電機十六檔工作頻率（步/S）,，對于短行程，電機直接以某一低于啟動頻率的轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn),，不需作升,、降速軟件處理，而對于較長行程,，電機則從低于啟動頻率的起始頻率啟動,，加速至要求的工作頻率后勻速運行，然后再減至啟動頻率以下時停止,。在升降速模塊中,，用均勻地減少（或增加）脈沖時間間隔的方法來實現(xiàn)步進電機的加速（或減速）控制。

在加工長度與電機步數(shù)轉(zhuǎn)換功能模塊中,，將以十進制表示的加工長度L轉(zhuǎn)換成電機步數(shù)L/P,，P為系統(tǒng)脈沖當量（mm/步）。將電機步數(shù)以十六進制形式存入內(nèi)存,，并設(shè)置相應(yīng)的步數(shù)累計單元,，電機走一步，該內(nèi)存內(nèi)容減1,，而相應(yīng)的步數(shù)累計單元內(nèi)容加1,。

如遇<回零>鍵，則電機反轉(zhuǎn),，將步數(shù)累計單元內(nèi)容遞減至0,，即回到初始對刀位置。所謂點動對刀功能指通過操作主板上,、,、、四個按鍵,，步進電機朝相應(yīng)方向執(zhí)行一步,，連續(xù)操作即可確定起始加工位置。

程序流程框圖如圖2所示,。

圖2

4 結(jié)束語

為不同規(guī)格的工件賦予工件號,，如01、02……,，編制相應(yīng)的加工程序,，可將程序固化于2764EPROM中，也可隨機存儲于6264RAM中,。加工時,，先從鍵盤上輸入工件號，再按<加工>鍵,，即可自動完成一個鍋爐筒的打孔工藝,。加工程序的編制非常簡單,，且系統(tǒng)具有一定的柔性。