关键词：80C51单片机 数控车床 步进电机 驱动电路
一 系统硬件设计
（一） 计算机数控（CNC）的组成及作用
1．数控（CNC）系统的组成
CNC数控系统由程序、输入输出设备、CNC装置、可编程控制器件（PLC）、主驱动装置和进给驱动装置等组成。系统的框图如下：
2．CNC装置的结构
数控系统的核心是CNC装置，CNC装置由软件和硬件组成，它们的主要功能是：（1）正确识别和解释数控加工程序；（2）对解释结果进行各种数据计算和逻辑判断处理，完成各种输入输出任务。
CNC装置的软件部分包括管理软件和控制软件，管理软件由零件程序的输入输出程序、显示程序和诊断程序等组成；控制程序由译码程序、刀具补偿计算程序、速度控制程序、插补运算程序和位置控制程序等组成。
硬件部分包括中央处理器、存储器、输入输出接口部分，如图所示：
3．CNC装置的工作过程
CNC装置以存储器方式工作，它的工作是在硬件的支持下，执行软件的全过程。在CNC机床上，加工过程中的操作均由数控系统完成。其工作过程如下：首先要将加工零件上的几何信息和工艺信息数字化，即将刀具与工件的相对运动轨迹用代码按规定的规则和格式编程加工程序，数控系统则按照程序的要求，进行相应的运算、处理，然后发出控制命令，使各坐标轴、主轴以及辅助动作相互协调运动，实现刀具与工件的相对运动，自动完成零件的加工。
（二） 系统硬件结构及框图
系统硬件主要是基于步进电机的控制，通过对步进电机每相线圈中的电流相序的切换使步进电机做步进式回转，因此利用80C51单片机的软件来实现其线圈脉冲的分配，主要是通过硬件扩展并行接口芯片8155的PB口来控制X轴和Z轴，步进电机通过键盘输入数控车床的零件加工程序，并做出相应的显示，然后经过系统程序的编译并调用直线圆弧插补程序发出脉冲信号，经光电隔离放大驱动步进电机，从而使步进电机带动工作台、刀架完成零件的加工。
（三） 步进电机的选择
步进电机的种类很多，按工作原理分：磁阻式（反应式）步进电机VR型，永磁式步进电机PM型、混合式步进电机HB型。改变定子绕组的通电顺序就可以控制其转向；定子绕组通电顺序的改变与否，就很容易地控制它的起动与停止。
VR型步进电机具有以下优点：（1）对步进电机的控制十分方便。指令脉冲数决定步进电机的转动步数，指令脉冲的频率决；（2）步矩角小；（3）励磁电流较大，要求驱动电源频率较大，而效率较低；（4）电阻的内部阻尼较小，当相数较少时，单步运行振动时间长；（5）带惯性负载能力较好，尤其是在高速时不容易失步；（6）断电后无定位转矩。结合设计的要求和性能，选择磁阻式步进电机VR型。步进电机的最高工作频率：
fmax=1000Vmax/60ζ=1000＊1.5/60＊0.005=5000HZ
根据计算综合考虑，查表选用110BF003型三相六拍步进电机。技术参数如下：步矩角0 .75º/1.5º；电压80V；电流6A；启动频率1500HZ；运行频率7000HZ。下图是110BF003的启动转频特性：
由上面的启动转频特性可看出，当启动频率在250～350HZ左右时转矩有个“低谷”（转矩为零），在编程时启动频率控制在300HZ以上。
（四） 驱动电路的设计
驱动放大电路采用高低压驱动放大电路
高低压驱动电路不论电动机频率如何，在导通相的前沿用高电压供电，来提高电流的前沿上升率，而在前沿过后用低电压来维持绕组的电流。主回路由高压管TH、电动机绕组、低压管TL串联而成，UH加高电压，UL加低电压。电路如下图所示：
当TL>>TH，因为绕组的电流平均值仍在额定值附近，所以低压的电压选择式为：UL=INR+UDL+UCE
当电机运行频率上升时，电动机反电势逐渐升高，TH期间的电流上冲量有所减少，在TH过后只有低压供电时，受反电势的作用，绕组电流下降较快，但此时，TL已经接近TH，电流上冲时的磁场的储能，在电流下降的过程中能维持一段时间，待到完全由低压决定时，已经接近TL的后沿时间，所以绕组电流的平均值仍能保持所需要的数值。
当运行频率继续升高时，若TL=TH时，在绕组导通时间内已全部由高压供电，低压已不能起作用。当频率继续升高时，TL〈TH，此时应在前级的信号处理中使TH跟踪TL的宽度，使电路一直处于高电压供电状态。在TL时间过后，绕组电流进入续流状态，电流经DL、电动机绕组、DH泄放，磁场的能量将回馈给高电压。
综上所述，高低压驱动可保证在很宽的频段内使相绕组有较大的平均电流，在截止时又能迅速的泄放。因此能产生较大的、目标稳定的电磁转矩，使得驱动系统得到较高的响应。
二 系统软件设计
1．系统软件的选择
在数控机床中，被加工的轮廓千差万别，特别是较复杂的轮廓若直接生成，难以实现，一般是利用插补来实现对各坐标进行脉冲分配，完成整个线段的轨迹运行。常见的插补有三种，分为硬件插补、软件插补和软硬件结合。根据设计要求，本系统采用软硬件结合法中的数字积分法。软硬件结合是利用软件来实现粗插补，利用硬件来实现精插补，其特点是插补速度快、精度高，适用于精度高的加工中心。数字积分法又称DDA法，其特点是脉冲分配均匀，易于实现坐标扩展。
2．系统的总体软件结构及流程图
系统采用前后台型软件结构，这种软件结构把系统软件分为前台程序和后台程序。前台程序是指实施中断程序，例如插补程序、伺服控制、机床逻辑控制和监控等功能，它们和机床的运动直接相关，并且时实性要求高。后台程序是指实现输入译码，数据处理及管理功能的程序，又称背景程序。后台程序为前台程序的实施提供条件和进行管理。
图（1）是正常加工状态下后台程序的调度管理框图。开机后先运行初始化程序。如果启动按扭按下，执行输入、译码和数据处理程序。经过数据处理后，就完成了轨迹计算及速度计算。循环停处理程序是处理各种停止状态的。例如在单段执行时，每执行完一个数据段时就设置循环停状态，数控机床处于等待状态，当操作员重新按下循环启动按钮后，执行下一个数据段的程序；操作员因故按下循环按扭，则立即停止插补运行，只有重新按下循环启动按钮，程序才能继续运行。如果系统处于连续自动加工状态，则跳过循环停处理程序。以后加工程序段的数据处理由数据执行段程序完成。正常情况下，后台程序在1→2→3→4中循环，直到工件加工结束。
前台程序如框图。图中第一框伺服程序是控制伺服系统的速度和位置，按上一周期的插补结果实现进给。第二框图扫描用于在控制面板上设置工作状态标志，处理控制面板输入的信息。第三框图辅助功能处理可调用机床逻辑功能子程序执行M、S、T辅助功能及机床逻辑状态控制。第四框图插补程序可算出位置的偏差值，作为下一周期实现伺服控制的依据。后扫描可修改控制面板的状态标志，为操作员指明当前的状态，然后返回后台程序。
前台程序是一个定时中断处理程序，这种中断处理程序按一定时间（例如10ms）中断一次，CPU执行一次前台程序。其过程是：程序启动，经过初始化就近入后台程序，同时开放定时中断，每10ms定时中断发生一次，执行一次中断服务程序，即前台程序。此时后台程序停止运行；定时中断程序执行完毕以后又返回后台程序；以后过10ms定时中断又发生，如此循环往复，共同完成数控系统的全部功能。
本系统的软件总体设计是通过键盘输入数控 机床的零件加工程序，然后进行自检，判断程序是否符合规格要求。如果不符，则提示出错，正确则调用相应的程序段进行加工，具体程序流程如图（2）所示
三 参考文献
1 张柱银 数控原理与数控机床 化学工业出版社
2 李善术 树控机床原理及其应用 机械工业出版社
3 任玉学等 机床计算机数控技术 北京理工大学出版社
4 李广弟 单片机基础 北京航空航天大学出版社
5 余锡存等 单片机原理及接口技术 西安电子科技大学出版社
6 刘宝延 程树康 步进电机及其驱动控制系统 哈尔滨工业大学出版社
7 王津 单片机原理与应用 重庆大学出版社
8 高明 单片微机接口与系统设计 哈尔滨工业大学出版社
9 刘守义 单片机应用技术 西安电子科技大学出版社
