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基于雙MCU單片機(jī)的沖床數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) [復(fù)制鏈接]

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基于雙MCU單片機(jī)的沖床數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 陳紅梅  范巖宋 �。H坊學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院）

摘要：針對單微處理器的經(jīng)濟(jì)型沖床數(shù)控系統(tǒng)存在控制性能單一、控制算法不科學(xué)、系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定、運(yùn)行速度幔、可靠性差等問題，在單徽處理器數(shù)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于雙單片機(jī)的沖床數(shù)控系統(tǒng)。系統(tǒng)CPU采用雙MCU結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)成主從武分布結(jié)構(gòu)，二者之問通過RS485串口通信，協(xié)調(diào)工作。軟件設(shè)計(jì)采用模塊化結(jié)構(gòu)，各模塊的功能利用AT89C52單片機(jī)的中斷性能得以實(shí)現(xiàn)，滿足了實(shí)時(shí)多任務(wù)的要求。經(jīng)濰坊晨光數(shù)控公司應(yīng)用試驗(yàn)，系統(tǒng)運(yùn)行可靠，性能穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：雙單片機(jī) 雙徽處理器沖床數(shù)控系統(tǒng)
O  引  言
  隨著數(shù)控技術(shù)的快速發(fā)展，沖床數(shù)控系統(tǒng)憑借其操作簡便、加工精度及效率高、能加工復(fù)雜圖案等優(yōu)點(diǎn)在國內(nèi)沖壓行業(yè)的應(yīng)用日益廣泛。由于標(biāo)準(zhǔn)的PC機(jī)沖床數(shù)控系統(tǒng)價(jià)格昂貴，國內(nèi)從事沖壓生產(chǎn)的中小型企業(yè)大多數(shù)采用的是單微處理器的經(jīng)濟(jì)型沖床數(shù)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)存在控制性能單一、控制算法不科學(xué)、系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定、運(yùn)行速度慢、可靠性差等問題。
  為此，筆者在單微處理器數(shù)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于雙MCU（單片機(jī)）的沖床數(shù)控系統(tǒng)，較好地解決了單MCU系統(tǒng)存在的問題，滿足了實(shí)時(shí)多任務(wù)的加工要求。
1  系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
  數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的核心部件，是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，可使數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床執(zhí)行部件按照用戶的要求進(jìn)行加工作業(yè)。無論是何種用途的機(jī)床，它的數(shù)控系統(tǒng)功能框圖都可以用圖l表示。
  筆者研究的沖床系統(tǒng)利用數(shù)控系統(tǒng)驅(qū)動2臺步進(jìn)電動機(jī)，利用滾珠絲杠和精密直線滾動導(dǎo)軌帶動工作臺X、y向進(jìn)給，從而完成工件直線或圓弧插補(bǔ)作業(yè)。

  沖床作業(yè)件是沖頭．x、Y向送料機(jī)構(gòu)驅(qū)動電動機(jī)選用2臺步進(jìn)電動機(jī)，控制器是單片機(jī)。由高性能的單片機(jī)對步進(jìn)電動機(jī)的位置和速度進(jìn)行控制，以滿足加工精度要求�？刂�原理如下：從梳棉機(jī)發(fā)出的高低電平通過光電隔離裝置控制步進(jìn)電動機(jī)正反轉(zhuǎn)，輸出的控制脈沖個數(shù)控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)角，輸出脈沖頻率控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。系統(tǒng)功能框圖如圖2所示，結(jié)構(gòu)原理框圖如圖3所示。

2  系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
  根據(jù)沖床數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能，完成數(shù)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。硬件設(shè)計(jì)主要包括微處理器( CPU)以及外圍擴(kuò)展接口的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)CPU采用雙MCU結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)成主從式分布結(jié)構(gòu)，即分為主CPU和從CPUtI，二者之間通過RS485串口通訊。主CPU系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)完成用戶加工程序的輸入處理、文字圖形顯示、自診斷、系統(tǒng)監(jiān)控等管理工作。從CPU系統(tǒng)負(fù)責(zé)完成數(shù)據(jù)運(yùn)算、插補(bǔ)計(jì)算以及位置控制、速度控制等實(shí)時(shí)作業(yè)。
  外圍擴(kuò)展接口設(shè)計(jì)包括鍵盤接口、顯示器接口、電動機(jī)驅(qū)動接口、程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器等。
  由于ATMEL公司的AT89C系列單片機(jī)具有高的性價(jià)比，筆者的數(shù)控系統(tǒng)主從CPU都選擇了8位AT89C52單片機(jī)，I/O口的分配和擴(kuò)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(shù)據(jù)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(jī)驅(qū)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(jī)的正反轉(zhuǎn)和速度，接口為P2.4、P2.5、P2.6、P2.7、P3.0、P3.1、P3.2、P3,3。
  (4)擴(kuò)展EPROM (93C46)程序存儲器便于用戶修改程序，記錄輸入相關(guān)生產(chǎn)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(kuò)展數(shù)據(jù)存儲器，滿足實(shí)際加工需要。
  (6)選用l片245芯片、2片373芯片作為系統(tǒng)外擴(kuò)的I/O口。對一些現(xiàn)場的信號，如限位開關(guān)、復(fù)位開關(guān)、報(bào)警等輸入／輸出信號，通過光電隔離器件經(jīng)鎖存器74HC373送到數(shù)據(jù)總線上從CPU系統(tǒng)可直接、快速地進(jìn)行處理，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3  系統(tǒng)軟侔設(shè)計(jì)
  系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)必須以硬件為載體，根據(jù)數(shù)控沖床硬件電路實(shí)現(xiàn)的功能編寫相應(yīng)的程序集。根據(jù)硬件電路的主從式CPU結(jié)構(gòu)，數(shù)控系統(tǒng)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(tǒng)的主程序流程網(wǎng)如圖5所示。

  主CPU軟件用來實(shí)現(xiàn)人機(jī)對話、系統(tǒng)監(jiān)控、指揮整個數(shù)控系統(tǒng)軟件協(xié)調(diào)工作等，包括主CPU系統(tǒng)的初始化、沖床運(yùn)動狀態(tài)和參數(shù)監(jiān)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(tǒng)的初始化、鍵盤輸入輸出口狀態(tài)的定時(shí)掃描、插補(bǔ)計(jì)算、工作臺X向和y向的位控輸出、電動機(jī)速度控制、數(shù)據(jù)處理等功能模塊。
  各功能模塊的設(shè)計(jì)采用匯編語言，充分利用
AT89C52單片機(jī)優(yōu)良的中斷性能，按嵌入式編程方式實(shí)現(xiàn)中斷的嵌套，易于不同優(yōu)先級功能的實(shí)現(xiàn)；編程能充分合理地利用片內(nèi)的內(nèi)存空間，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)快速傳送。
4  結(jié)束語
   筆者設(shè)計(jì)的數(shù)控系統(tǒng)采用2個AT89C52單片機(jī)構(gòu)成主從CPU系統(tǒng)，使功能分布更合理，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了高效、高精度，通用性強(qiáng)，可根據(jù)不同沖床的數(shù)控功能需要，選擇不同功能的模塊進(jìn)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(tǒng)的搶先軟件設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)的魯棒性更好；采用LCD可視化多級菜單設(shè)計(jì)，人機(jī)界面更友好，實(shí)現(xiàn)了所見即所得；485通訊實(shí)現(xiàn)上、下位機(jī)的通訊，可實(shí)現(xiàn)擴(kuò)充的自動化加工群；以步進(jìn)電動機(jī)作為驅(qū)動元件，控制簡單，價(jià)格低廉；采用基于行列掃描法的點(diǎn)位控制數(shù)控語言，操作簡單，易于掌握。
  該系統(tǒng)的開發(fā)成功，適應(yīng)了我同生產(chǎn)發(fā)展的要求，克服了人工進(jìn)料的缺點(diǎn)，較低的價(jià)格滿足了一般企業(yè)的自動化改造要求。經(jīng)濰坊晨光數(shù)控公司應(yīng)用試驗(yàn)，系統(tǒng)運(yùn)行可靠，性能穩(wěn)定。目前，產(chǎn)品已在全國開始推廣，年銷售260余臺，為企業(yè)創(chuàng)造利潤近150萬元。