基于单片机的数控改造技术

1．基本做法和步骤

采用基于单片机的简易型数控系统改造传统矿用绞车车床设备的一般做法和基本步骤如下。

(1)驱动进给机械改造保持机床主传动系统不变，仅在刀具(含砂轮)进给系统中采用高精度滚珠丝杠替换原有的普通螺纹丝杠，用联轴器直接连接或经减速齿轮连接步进电动机或流伺服电动机，将印花机手动进给改造为由数控系统驱动进给。

(2)液压系统改造 保持机床液压系统不变，仅将与机床设备操作有关的手动液压控制阀门改造为电控阀门，将手动操作改造为由经济型数控系统自动控制机床设备加工过程。哪些操作需要改造为自动控制，哪些操作仍然保持手动，应根据实际需要确定。其确定原则是：将关系到提高产品加工质量和提高加工效率的操作改由数控系统自动控制，辅助性操作或改为自动控制意义不大的一些操作仍然保留手动气动马达操作。

(3)机床电气控制线路改造 对机床设备电器控制部分进行有针对性地改造，需要由数控系统控制的电器设备，应由手动控制改为自动控制，并根据需要安装变频器等新型电器设备。如果机床电器控制线路复杂，可考虑采用普通PLC单独对其进行改造，以简化钢丝绳系统结构、提高系统运行的可靠性。

(4)增设位置开关根据自动控制机床设备加工过程的需要，安装行程开关等检测部件，作为数控系统的开关量输入信号。

(5)增设位置／尺寸检测装置 根据数控系统和数控加工过程的属性(开环、闭环、半闭环)，选择并安装位置检测传感器或测量仪。

(6)设计专用数控系统针对机床设备和数控改造要求，设计以单片机为核心的专用简易型数控系统硬件。也可以采用通用经济型数控混合器系统配套；在设计或选择配套中，除满足机床设备数控改造的基本需要之外，还应考虑企业建立CIMS或FMS的需要，使简易型数控系统具备基本的通信联网功能(至少应具有RS一232C／485接口)。

(7)搭建适用的编程平台 对于自行设计的简易型数控系统，在完成硬件设计的过程中应同时开发配套的系统管理软件，为编制数控加工程序提供良好的工具或搭建良好的软件平台。若选择通用经济型数控系统配套，数控加混合器工程序编制环境和工具应由供应商配套提供。

(8)机电联调在对原有传统机床设备的机械部分和电气部分改造完成后，将数控系统与改造后的机床设备的相关部件连接在一起，就完成了机床设备的数控改造。编制针对加工工件的数控加工程序即可进行数控加工。

下面介绍M250通用型混合器数控改造技术，介绍专门为磨削设备数控改造而研制的基于MCS一51系列单片机的简易型磨削数控系统。

2．M250通用型内圆磨床的数控改造

M250属于国产通用型手工操作的内圆磨床。机械和液压系统性能稳定、加工范围广、磨削精度较高，是轴承制造等行业各种内圆套圈部件磨削加工的主力设备，也是量大面广的传统机械加工设备。采用数控技术对其进行改造对于保证产品质量，提高磨削加工水平和加工效率意义重大。对M250磨床实施数控技术改造的目标是要实现磨削过程的自动化，消除手工操作的不稳定性，充分发挥M250磨床良好的磨加工性能，提高磨加工尺寸精度和降低粗糙度水平。实现以上目标，需要对M250通用型内圆磨床进行如下改造。

1)M250磨床工件轴及工件卡盘部分保持不变，砂轮轴更换为电主轴以提高砂轮运转速度，臻提高磨削加工粗糙度水平。

2)对M250磨床的砂轮进给机构进行改造静态混合器。采用滚针导轨替换原有的滑动导轨，采用高精度滚珠丝杠替换原有的普通螺纹丝杠，并通过消隙减速齿轮连接功率步进电动机。

3)按照M250磨床往复式磨削的动作，安装“床头”、“床尾”、“中1”和“中2”四个感应式行程开关(接近开关)，以适应顺序控制要求，实现磨削过程的自动化。

4)为保证磨削尺寸精度，选用电感式主动测量仪在线测量磨削工件尺寸，实现全闭环数控加工。数控系统将根据ca感式主动测量仪发出的“粗磨”、“精磨”、“光磨”和“尺寸”四种信号，自动控制磨削加工混合器过程。

5)对M250磨床原有液压系统进行改造。修整器抬起／落下由手工旋转开关控制改为ca磁阀开关控制；增加控制电感式主动测量装置(测头／测爪)进出工件的两套电磁阀液压开关，实现测头进入／退出和测爪收缩／张开的液压驱动及自动控制。

6)M250磨床原有的电器控制较为简单，对电器控制部分的改造主要是安装高剪切乳化机变频器，将相关电器控制操作按钮开关与数控系统融合在一起，以方便操作。

3．简易型磨削数控系统总体结构

单片机在简易数控系统中处于核心地位，选择合适的单片机就成为设计简易数控系统的首要步骤。除了考虑单片机中CPU的字长(8bit、16bit、32bit)和工作频率之外，最为重要的是它的存储容量和扩展能力。由于数控系统控制输出和需要检测的信号较多，需要显示的内容也比一般的智能乳化机仪器多，良好的存储器扩展能力和良好的I／O端口扩展能力就显得更加重要。MCS一51系列单片机虽然字长只有8bit，运行速度也不算高，但它的扩展能力非常强，Intel、Philips、Atmeil等公司都先后推出了一系列专门的外围芯片支持其扩展，还有许多成熟的程序模块可供采用，可以大大缩短开发周期。简易型磨削数控选用的是Atmeil公司的AT89C52单片机。AT8952单片机与图6-40所示的芯片引脚完全相同，只是芯片内部采用8KB闪速(Flash)存储器，使程序代码写入和修改极为方便。根据各类传统磨床设备数控技术改造对简易磨削数控系统的普遍要求，考虑到数控袋式过滤器改造中会遇到两独立轴和两轴联动插补控制的要求，在简易磨削数控系统中设计了x、y两轴步进电动机驱动器接口、光电隔离的16路开关信号输入通道、光电隔离的8路开关量输出通道(根据控制对象需要，选配适当驱动能力的交流或直流固态继电器)。简易型磨削数控系统采用PVC薄膜面板(显示窗和键盘)，为满足磨削加工现场显示亮度的要求，全部采用高亮度LED显示器件，可以显示输入参数值(数字)、X、Y轴运动坐标值(数字)、工作状态(指示灯)和磨削余量(光柱)。

简易型袋式过滤器数控系统的总体结构如图6．45所示O

[/color][/size][size=1][color=black]简易型磨削数控系统的操作面板[/color][/size][size=1][color=black](PVC)[/color][/size][size=1][color=black]如图[/color][/size][size=1][color=black]6[/color][/size][size=1][color=black]．[/color][/size][size=1][color=black]46[/color][/size][size=1][color=black]所示。可显示[/color][/size][size=1][color=black]x[/color][/size][size=1][color=black]轴、[/color][/size][size=1][color=black]y[/color][/size][size=1][color=black]轴坐标值[/color][/size][size=1][color=black]
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[size=1][color=black]([/color][/size][size=1][color=black]含[/color][/size][size=1][color=black]x[/color][/size][size=1][color=black]轴、[/color][/size][size=1][color=black]y[/color][/size][size=1][color=black]轴运行方向指示[/color][/size][size=1][color=black])[/color][/size][size=1][color=black]、参数值[/color][/size][size=1][color=black]([/color][/size][size=1][color=black]磨削：粗、精、光；速度：进给、粗磨、精磨；修整：补偿量、补偿间隔；进给量、工件统计[/color][/size][size=1][color=black])[/color][/size][size=1][color=black]、磨削余量[/color][/size][size=1][color=black]([/color][/size][size=1][color=black]光柱[/color][/size][size=1][color=black])[/color][/size][size=1][color=black]、工作状态指示[/color][/size][size=1][color=black]([/color][/size][size=1][color=black]快进、粗磨、精磨、光磨、快退、等待、修整[/color][/size][size=1][color=black])[/color][/size][size=1][color=black]和控制方式指示[/color][/size][size=1][color=black]([/color][/size][size=1][color=black]自动、半自动、调校[/color][/size][size=1][color=black])[/color][/size][size=1][color=black]等；操作键盘由参数设置键盘和加工控制键盘两部分构成。[/color][/size][size=1][color=black]
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[size=1][color=black] 4[/color][/size][size=1][color=black]．简易型磨削数控系统电路[/color][/size][size=1][color=black]
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[size=1][color=black] AT8952[/color][/size][size=1][color=black]单片机内含有[/color][/size][size=1][color=black]CPU[/color][/size][size=1][color=black]、一定容量的[/color][/size][size=1][color=black][url=http://www.ntsyp.cn/]喷射器[/url][/color][/size][size=1][color=black]程序存储器[/color][/size][size=1][color=black](Flash)[/color][/size][size=1][color=black]、一定容量的数据存储器[/color][/size][size=1][color=black](RAM)[/color][/size][size=1][color=black]、一定数量的并行口、串行[/color][/size][size=1][color=black]El[/color][/size][size=1][color=black]、定时器／计数器、中断逻辑、系统时钟等，以上各部分通过内部总线连接。简易型磨削数控系统电路是通过对[/color][/size][size=1][color=black]AT8952[/color][/size][size=1][color=black]单片机各部分电路的扩展实现的，各主要扩展电路如下。[/color][/size][size=1][color=black]
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[size=1][color=black] (1)[/color][/size][size=1][color=black]扩展存储器电路单片机系统的存储器一般分为程序存储器和数据存储器两类。程序存储器通常存放系统监控程序和应用程序，在简易型磨削数控[/color][/size][size=1][color=black][url=http://www.chuago.com.cn/]旋转阀[/url][/color][/size][size=1][color=black]系统中，应用程序主要是控制磨床动作和磨削力[/color][/size][size=1][color=black]n-r_[/color][/size][size=1][color=black]过程的程序；数据存储器用来存放中间参数、运算结果以及反映磨床各部分工作状态的信息等。[/color][/size][size=1][color=black]AT[/color][/size][size=1][color=black]89C[/color][/size][size=1][color=black]52[/color][/size][size=1][color=black]芯片内部配置了[/color][/size][size=1][color=black]8KB Hash[/color][/size][size=1][color=black]存储器，一般可以满足简易型数控系统存储程序代码存储的需要。如果单片机内的[/color][/size][size=1][color=black]8KB[/color][/size][size=1][color=black]容量不能满足需要，可以连接若干程序存储器芯片[/color][/size][size=1][color=black](27264[/color][/size][size=1][color=black]／[/color][/size][size=1][color=black]128[/color][/size][size=1][color=black]／[/color][/size][size=1][color=black]256)[/color][/size][size=1][color=black]，最多可以扩展到[/color][/size][size=1][color=black]64KB([/color][/size][size=1][color=black]包括[/color][/size][size=1][color=black]AT[/color][/size][size=1][color=black]89C[/color][/size][size=1][color=black]52[/color][/size][size=1][color=black]内[/color][/size][size=1][color=black]8KB)[/color][/size][size=1][color=black]。[/color][/size][size=1][color=black]AT[/color][/size][size=1][color=black]89C[/color][/size][size=1][color=black]52[/color][/size][size=1][color=black]芯片内只有[/color][/size][size=1][color=black]256B[/color][/size][size=1][color=black]的数据存储器[/color][/size][size=1][color=black](RAM)[/color][/size][size=1][color=black]，而一般数控系统需要存储的[/color][/size][size=1][color=black][url=http://www.ddrhb.com/]电动润滑泵[/url][/color][/size][size=1][color=black]数据较多，必须外接数据存储器芯片进行适当扩展。由于在磨削加工中的一些重要参数需要掉电保存，同时为了节省端口资源，本简易型磨削数控系统选[/color][/size][size=1][color=black]X25045[/color][/size][size=1][color=black]芯片扩展数据存储器。[/color][/size][size=1][color=black]
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X25045是Xicor公司推出的一种CMOS串行E2PROM存储器芯片，采用xicor专用DirectWrite“晶片，可以进行最少10万次的写入操作，数据保存期达到100年以上。X25045还将单片机系统常用的看门狗定时器和电压监控器电路与E2PROM封装在一个芯片中，大大简化了电路连接，从而减少了电路板空间，也降低了电动润滑泵系统成本。X25045芯片内的存储器容量为4Kbit，按512×8组织，采用同步串行外设接口(SPI)和相关通信协议；X25045芯片内的看门狗定时器对单片机系统的运行提供独立保护，当系统程序运行出现故障时(没有按照设定的时间间隔对看门狗定时器进行清零操作)，X25045将发出RESET信号，使系统重新启动。看门狗定时器的时间间隔有大、中、小三个值可供用户选择；X25045芯片内的电压监测电路对单片机系统电源电压进行在线监测，当电源电压下降到临界值时，X25045也将发出RESET信号，复位过程将持续到电源电压升至正常为止，以防止弹簧吊架系统在电源电压过低时出现运行错误。X25045芯片有8引脚双列直插、8引线SOIC封装和14引线TSSOP。引脚排列见图6．47；各引脚的功能说明如表6．19所列；X25045与AT89C52单片机的连接如图648所示。

(2)扩展显示器驱动电路Intel公司早年推出的8279可编程序键盘／显示驱动芯片是扩展单片机系统显示驱动电路和矩阵式键盘电路的经典芯片。8279可以独立完成对键盘矩阵的扫描、识别闭合按键、进行防抖动处理、查找热熔胶等操作，并通过中断或查询方式将获得的闭合按键的键值传送给单片机；8279将键盘扫描的时序与LED数码动态显示时序相统一在完成键盘扫描的同时，将单片机传送来的显示代码转化成七段显示码驱动显示。由于8279可以实现与单片机的并行工作，从而大大减轻了CPU的负担，具有扩展电路简单、与MCS一51系列单片机兼容性强等优点，在各种单片机应用轴向柱塞泵系统中被广泛采用。了解8279芯片及应用技术可阅读专门的书籍和资料。由于8279芯片最多支持16位LED数码显示器，不能满足简易型防爆电器数控系统显示的需要。因此，在简易型磨削数控系统的设计中采用了新型显示驱动芯片PS7219。该芯片是武汉力源电子公司制造的高性能、低价格的多位LED显示驱动芯片。它的性能完全兼容国外MAX7219芯片，并增添了位闪等功能。PS7219芯片同样也采用了同步串行外设接口(SPI)，比8279更加节省单片机的外部端口资源。一片PS7219芯片可驱动8位LED数码显示器或64只独立LED指示灯，还可采用级联方式工作(最多8片PS7219芯片级联)，最多可以连接8×8=64个LED数码显示器。PS7219芯片内部有15个8位的数据／控制寄存器，可按位单独更新显示数字，不需要全部刷新显示数据存储器。PS7219驱动LED显示的亮度可数字控制，每个数码显示器都可单独设置闪烁方式；引脚CON置高电平时可禁止所有显示，以降低功耗。

1)PS7219芯片引脚及其功能。PS7219芯片为24引脚双列直插封装(见图6-49)，各引脚的功能如表6．20所列。

2)PS7219芯片与单片机的连接。P7219采用3线SPI方式与各种单片机实现连接，作为单片机系统的LED显示器接口和驱动模块。图6．50所示为钢化玻璃与单片PS7219的连接。在具体布线时须连接电源滤波电容，使电路中由峰值数字驱动器电流引起的纹波减到最小。一般在电源线到GND之间尽可能靠近PS7219芯片处并接一个10tuF电解电容和一个0．1btF的陶瓷电容。PS7219芯片应放置在紧靠接口控制电路(单片机)处，使单片机与PS7219芯片的连线尽量短，以减小引线上的电磁干扰。

3)PS7219芯片的级联。Ⅳ个PS7219级联具有支持N×8个LED数码显示的能力。PS7219芯片本身具有较强的LED驱动能力，当塔机连接大于0．8in的数码显示器时，可在每位段码输出线上连接阻值大于lkl2的上拉电阻，进一步增强段显示驱动能力。图6．51所示为采用3线SPI方式实现的三片PS7219芯片级联。一般每片PS7219芯片驱动8个LED数码显示器，级联时若LED数码显示器个数不足8的倍数，可均衡设置每个PS7219芯片内的扫描界线寄存器数值，以使每个显示器的亮度相同，例如，若系统共需要12位LED数码显示器，2片PS7219芯片级联时，可将铁氟龙套管的扫描界线寄存器数值设置为6，每片PS7219芯片连接6位LED数码显示器；如果系统共需要11位LED数码显示器，则仍将每片的扫描界线寄存器值都设置为6，第二片可少连接一位LED数码显示器。如果将第一片设置为6，第二片设置为5，则连接在第二片PS7219芯片上的5个LED数码显示器较亮。

有关PS7219芯片的电气参数等详细资料，请阅读武汉力源电子公司提供的PS7219用户手册或到武汉电磁铁公司网站查阅。

(3)开关量输入／输出通道 MCS．51系列单片机直接提供的I／O端口有限。在扩展模式下，P0端口用作外数据，地址总线；P2端口用作高8位外地址总线；只有P1口(双向)和P3口的某位可用于作为输入、输出口线使用。磨床控制系统需要输入的开关信号较多(测量仪输出信号、行程开关信号等)，还需要控制防爆电器电磁阀和步进电动机，必须对外部端口进行扩展，才能构成满足磨削数控加工对简易型磨削数控系统开关量输入／输出通道的要求。常用于MCS．51系列单片机系统开关量输入／输出通道扩展的集成电路芯片有Intel8255A8155／8755等。如果在扩展开关量输入／输出通道的同时，还需要增加定时器／计数器和外部数据存储器，选择8155更为合适。Intel

8155芯片包含两个可编程的8位并行端口(A、B)和一个6位可编程并行日(C)，还包含256B的静态RAM和1个14位的减法定时器／计数器。可直接与单片机连接(无需低8位地址锁存器)。在简易型磨削数控系统中，AT89C52单片机共扩展了三片8155，分别作为系统控制软基处理面板键盘扫描I／O端口、系统工作状态和控制方式LED指示灯控制端口、磨床设备行程开关和电感式主动测量仪输出开关量信号检测端口、电磁阀控制端I：I和连接功率步进电动机驱动器的控制信号端口。