【摘要】介绍一种利用C8051F020单片机为控制核心的机床数控系统设计方案。叙述了机床改造方案及系统的组成原理，并给出了系统的硬件及软件设计框图。普通机床经数控改造后，其加工精度和生产率有较大的提高，而且成本低。这是提高机床企业数控化的一条切实可行的途径。
【关键词】C8051F020单片机；普通机床；数控系统
The Development of the Machine Tool NC System Based on C8051F020 MCU
Han guiming
（Institute of Information Technology，Guilin University of electronic technology）
Abstract：A plan to design the machine tool NC system with C8051F020 MCU being the control center is introduced.The plan to rebuild the machine tool，the constitution principle of the system and the layout for the hardware and the software of the system are also given in this paper.After the rebuilding of the general-purpose machine tool by using the NC system，its working accuracy and productivity will be greatly enhanced and its cost will be lowered.It is a feasible way for machine tool enterprise to enhance the production of the numerical control machine tool.
Key words：C8051F020 MCU；general-purpose machine tool；NC system
引言
数控机床作为一种高精度的自动化机床，综合应用了电子、计算机、自动控制和机床制造等领域的先进技术，在我国工业生产中起着极其重要的作用，它很好地解决了现代机械制造中加工对象精密、结构复杂、品种多、批量小等问题。且产品加工质量稳定，生产效率大幅度提高。考虑到我国国情，价格昂贵的中、高精度的全功能数控机床难以被广大生产企业所接受，价格相对低廉的经济型数控系统得到了迅速地发展。经济型数控系统采用了适合于现场实时控制和数据采集的单片机作为控制器，以控制灵活、可靠性高的步进电机进行驱动。与传统的中、高精度全功能数控系统相比，经济型数控系统具有结构简单、工作性能稳定、性能价格比较高等特点。对于高端的数控机床所要控制的设备和精度要求非常高，它就要用到DSP芯片完成所需要的控制，这样的数控系统是非常昂贵的，这种对于中底端产品来说是完全不能承受的；因此研制适合对于中底端数控系统是非常有市场前景的。本文给出了基于C8051F020单片机的机床数控系统的具体软、硬件方案。
1.机床数控系统简介
中底档数控系统应能控制主轴转速、实现其正反转；控制工作台实现纵向、横向和垂直方向的进给运动（车床刀架能实现纵向和横向的进给运动并自动转位换刀；加工螺纹时应保证主轴转1转，刀架移动1个被加工螺纹的导程）；控制冷却和润滑；通过键盘输入加工程序，由显示器显示加工状态等。因此中底档数控系统主要的组成部分为以下两个部分：
（1）机械部分 主传动系统不变；进给传动系统采用滚珠丝杠螺母副代替原有普通丝杠螺母副（车床应拆掉进给箱、溜板箱、小拖板和刀架，加装电动刀架；主轴加装光电编码器供加工螺纹用）。
（2）数控部分 采用C8051F020单片机组成控制系统，由变频器来调节主机的转动速度，由功率步进电机经一级齿轮减速后驱动X、Y、Z三轴（亦可用联轴器将步进电机与丝杠直接联结起来，以减小径向尺寸）。
2.数控系统硬件设计
2.1 C8051F020简介
C8051F020器件是完全集成的混合信号系统级MCU芯片，具有64个数字I/O引脚。它的主要特性有以下几点（由于篇幅原因只列出部分）：
（1）高速、流水线结构的8051，兼容的CIP-51，内核（可达25MIPS）。
（2）真正12位100 ksps的8通道ADC，带PGA和模拟多路开关。
（3）真正8位500 ksps的ADC，带PGA和8通道模拟多路开关。
（4）两个12位DAC，具有可编程数据更新方式。
（5）64K字节可在系统编程的FLASH存储器。
（6）5个通用的16位定时器。
（7）具有5个捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器阵列。
（8）片内看门狗定时器、VDD监视器和温度传感器。
（9）具有片内VDD监视器、看门狗定时器和时钟振荡器的C8051F020/1/2/3是真正能独立工作的片上系统。
C8051F020/1/2/3单片机所有模拟和数字外设均可由用户固件使能/禁止和配置。FLASH存储器还具有在系统重新编程能力，可用于非易失性数据存储，并允许现场更新c8051f020MCU固件。片内JTAG调试电路允许使用安装在最终应用系统上的产品MCU进行非侵入式（不占用片内资源）、全速、在系统调试。该调试系统支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点、观察点、单步及运行和停机命令。在使用JTAG调试时，所有的模拟和数字外设都可全功能运行。
统合以上陈述选用C8051F020单片机作为本系统的主控芯片。
2.2 机床数控系统硬件结构与组成
本机床数控系统的硬件结构框图如较图1所示。在硬件系统中为了节省C8051F020单片机为数不多的IO口，键盘与键盘指示灯采用周立功公司的zlg8279芯片，它与C8051F020单片机只需要4个引脚就可以完成64个按键与64颗指示灯的控制。本系统中用zlg8279芯片来管理64个按键与按键相对于的指示灯。在控制经x，y，z方向上的步进电机使用的是高速光耦，对于主轴，刀位与x，y，z轴的状态反馈用的是低速光耦，这样做的目的是既能满足高速脉冲传输要求也在很大程序上节省系统制作成本。在这里变频器控制的电压为线性的，所以要用到线性光耦。为了方面工友们的使用我们经过多次考虑还是决定使用320*240这类比较大的LCM来完成所有界面的显示。
3.机床数控软件设计
本机床数控系统主要是通过C8051F020单片机对步进电机进行控制和变频控制器，使机床移动部件（工作台、床鞍、升降台、刀架等）沿X、Y、Z三个坐标方向移动，实现刀具与工件的相对运动，完成零件的加工。本系统软件框图如图2所示。系统软件由初始化模块、键盘处理模块、LED显示模块、输入数据处理模块、输出控制模块等组成其中步进电机控制程序由软件实现脉冲分配，现以三相六拍步进电机为例说明步进电机的控制方法：当电机三相绕组按A-AB-B-BC-C-CA-A的顺序通电时，步进电机正转；若按A-AC-C-BC-B-AB
-A的顺序通电，则步进电机反转。脉冲分配采用查表法，表格固化于flash中。系统程序编制通过定时器定时中断产生周期性脉冲序列，不使用软件定时，不占用CPU。
结论
在我国，大批机床的数控改造与升级势在必行，同时这也是许多企事业不容忽略的课题。本方案是在比较了众多采用89C51单片机的方案后得出最佳的方案，特点是控制精度高比老式的数控机床精度提高了10%，生产效率提高了45%。同时，在满足要求的情况下成本控制已经最低。本方案已被国内某机床股份有限公司所采纳，产品经过一年多的市场试验，客户反应非常良好，这说明这是一个可行的方案。希望本文能起到抛砖引玉的作用。
参考文献
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作者简介：韩桂明（1980—），男，广西蒙山人，研究生，桂林电子科技大学信息科技学院讲师，主要研究方向：模式识别、信息与信号处理、控制系统应用。
