基于雙MCU單片機的沖床數控系統設計
發布者：卓東機械 發布時間：2011/1/11 9:51:14
摘要針對單微處理器的經濟型沖床數控系統存在控制性能單一、控制算法不科學、系統運行不穩定、運行速度幔、可靠性差等問題，在單徽處理器數控系統的基礎上，設計了基于雙單片機的沖床數控系統。系統CPU采用雙MCU結構，設計成主從武分布結構，二者之問通過RS485串口通信，協調工作。軟件設計采用模塊化結構，各模塊的功能利用AT89C52單片機的中斷性能得以實現，滿足了實時多任務的要求。經卓東機械公司應用試驗，系統運行可靠，性能穩定。
關鍵詞雙單片機雙徽處理器沖床數控系統
0 引 言
隨著數控技術的快速發展，沖床數控系統憑借其操作簡便、加工精度及效率高、能加工復雜圖案等優點在國內沖壓行業的應用日益廣泛。由于標準的PC機沖床數控系統價格昂貴，國內從事沖壓生產的中小型企業大多數采用的是單微處理器的經濟型沖床數控系統，該系統存在控制性能單一、控制算法不科學、系統運行不穩定、運行速度慢、可靠性差等問題。
為此，筆者在單微處理器數控系統的基礎上，設計了基于雙MCU（單片機）的沖床數控系統，較好地解決了單MCU系統存在的問題，滿足了實時多任務的加工要求。
1 系統總體設計
數控系統是數控沖床的核心部件，是計算機控制系統，可使機床執行部件按照用戶的要求進行加工作業。無論是何種用途的機床，它的數控系統功能框圖都可以用圖1表示。
筆者研究的沖床系統利用數控系統驅動2臺步進電動機，利用滾珠絲杠和精密直線滾動導軌帶動工作臺X、y向進給，從而完成工件直線或圓弧插補作業。
沖床作業件是沖頭．x、Y向送料機構驅動電動機選用2臺步進電動機，控制器是單片機。由高性能的單片機對步進電動機的位置和速度進行控制，以滿足加工精度要求。控制原理如下：從單片機發出的高低電平通過光電隔離裝置控制步進電動機正反轉，輸出的控制脈沖個數控制電動機的轉角，輸出脈沖頻率控制電動機的轉速。系統功能框圖如圖2所示，結構原理框圖如圖3所示。
2 系統硬件設計
根據沖床數控系統實現的功能，完成數控系統的硬件設計。硬件設計主要包括微處理器( CPU)以及外圍擴展接口的設計。系統CPU采用雙MCU結構，設計成主從式分布結構，即分為主CPU和從CPUtI，二者之間通過RS485串口通訊。主CPU系統主要負責完成用戶加工程序的輸入處理、文字圖形顯示、自診斷、系統監控等管理工作。從CPU系統負責完成數據運算、插補計算以及位置控制、速度控制等實時作業。
外圍擴展接口設計包括鍵盤接口、顯示器接口、電動機驅動接口、程序存儲器、數據存儲器等。
由于ATMEL公司的AT89C系列單片機具有高的性價比，筆者的數控系統主從CPU都選擇了8位AT89C52單片機，I/O口的分配和擴展如下：
(1)鍵盤接口采用4x4矩陣鍵盤，采用拉高電路，占用C52的P1口。
(2)顯示接口采用液晶(LCD)顯示．I/O口采用C52的PO口為數據傳輸連接，C52的P2口的P2.0 - RS、P2.1=RST、P2.2=RW、P2.3=E、共12個I/O口。
(3)電動機驅動接口采用8個I/O口，分別通過光電隔離控制2個電動機的正反轉和速度，接口為P2.4、P2.5、P2.6、P2.7、P3.0、P3.1、P3.2、P3,3。
(4)擴展EPROM (93C46)程序存儲器便于用戶修改程序，記錄輸入相關生產信息，EPROM接口采用4線連接形式，使用4個I/O口，采用P3.4、P3.5、P3.6、P3.7。
(5)選用3片RAM6264作為擴展數據存儲器，滿足實際加工需要。
(6)選用1片245芯片、2片373芯片作為系統外擴的I/O口。對一些現場的信號，如限位開關、復位開關、報警等輸入／輸出信號，通過光電隔離器件經鎖存器74HC373送到數據總線上從CPU系統可直接、快速地進行處理，提高了系統的抗干擾能力。數控系統硬件結構如圖4所示。
3 系統軟件設計
系統的軟件設計必須以硬件為載體，根據硬件電路實現的功能編寫相應的程序集。根據硬件電路的主從式CPU結構，數控系統的軟件也包括主CPU軟件和從CPU軟件，各包括多個功能模塊。主從CPU系統的主程序流程網如圖5所示。
主CPU軟件用來實現人機對話、系統監控、指揮整個數控系統軟件協調工作等，包括主CPU系統的初始化、沖床運動狀態和參數監控、用戶加工程序的編輯修改等功能模塊。從CPU軟件包括從CPU系統的初始化、鍵盤輸入輸出口狀態的定時掃描、插補計算、工作臺X向和y向的位控輸出、電動機速度控制、數據處理等功能模塊。
各功能模塊的設計采用匯編語言，充分利用AT89C52單片機優良的中斷性能，按嵌入式編程方式實現中斷的嵌套，易于不同優先級功能的實現；編程能充分合理地利用片內的內存空間，實現數據快速傳送。
4 結束語
筆者設計的數控系統采用2個AT89C52單片機構成主從CPU系統，使功能分布更合理，同時實現了高效、高精度，通用性強，可根據不同數控轉塔沖床的數控功能需要，選擇不同功能的模塊進行組合；采用了光電隔離電路，抗干擾性能好；匯編語言編程、嵌入式系統的搶先軟件設計，使系統的魯棒性更好；采用LCD可視化多級菜單設計，人機界面更友好，實現了所見即所得；485通訊實現上、下位機的通訊，可實現擴充的自動化加工群；以步進電動機作為驅動元件，控制簡單，價格低廉；采用基于行列掃描法的點位控制數控語言，操作簡單，易于掌握。
該系統的開發成功，適應了我同生產發展的要求，克服了人工進料的缺點，較低的價格滿足了一般企業的自動化改造要求。經卓東機械公司應用試驗，系統運行可靠，性能穩定。目前，產品已在全國開始推廣，年銷售260余臺，為企業創造利潤近150萬元。
