數控機床以其精度高、效率高、能適應小批量復雜零件的加工等特點，在機械加工中得到日益廣泛的應用；以其的柔性自動化的性能、優異而穩定的精度、靈捷而多樣化的功能引起世人矚目，它開創了機械產品向機電一體化發展的先河，因此數控技術成為先進制造技術中的一項核心技術。
本文旨在建立一個數控係統的模型，便於數控插補和其他問題的研究，適用於教學和科研。係統包括三大部分，pc上位機，mcs-51下位機和機械執行機構，主要設計內容包括：制定合適的通信協議，將NC代碼轉換成符合通信協議的發送文件，經編碼後由PC機串口發送到下位機，實現主機對下位機的控制；下位機接收PC機的控制信號和數據，驅動步進電機從而帶動工作臺協同運動完成直線和圓弧插補。
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一、總體方案設計
整個模型係統分為三大塊，pc部分，單片機部分，機械裝置部分。係統為開環係統。
1、 PC 、MCS-51與機械部分各模塊的任務
PC機完成數控代碼或其它代碼的讀入、轉換、校驗，發送數據進入單片機，並且根據MCS-51返回的信息對下位機作出正確的控制。PC對MCS-51有的控制權，可在任何時候中斷MCS-51的當前操作。MCS-51串口接收上位機數據存入相應單元，對數據進行校驗。若校驗成功,返回PC校驗成功字，然後進行精插補運算，控制進給步進電機的運動，完成後請求PC發送下一幀數據；若校驗失敗則直接請求PC重發當前幀數據。在通信中所有的數據均以增量坐標的形式表示，單片機做直線和圓弧的精插補。
MCS-51直接控制外部硬件的運行。它接收來自PC的控制指令和信號數據，發給步進電機脈衝，步進電機帶動絲桿旋轉，通過螺母副驅動工作臺運動。
2、單片機控制係統與相應接口
單片機控制部分採用MCS-51小係統，主控芯片選用AT89S51，係統包括：電源電路、復位電路、時鐘電路、ISP下載器接口等，圖2為單片機控制係統及其外圍電路圖。由於本係統使用了串口，選用11.0592M晶振，以便於波特率的計算，提高串口通信的可靠性。單片機係統通過線性三端穩壓電源芯片LM7805，將較寬範圍的電源都穩壓到5V，保單片機的正常工作。為了避免輸入電壓反相損壞穩壓芯片，在進入LM7805之前串聯一只二極管，有效截止反相電壓。復位電路為上電復位加按鍵復位。ISP下載器只從單片面引出四個端口：P1.5、P1.6、P1.6、RST以及電源正和地線，使用非常方便。
串口使用Maxim公司的max232芯片，只需四個小容量電容，接口使用DB9母頭，方便與串口延長線連接。同時為了使電路具有通用性，能夠適合其它場合使用，在單片機外部加入八個指示二極管、六個按鍵和一個蜂鳴器。對單片機端口資源分配如下：
(1)P1口：八個指示二極管；
(2)P3.2—P3.7：六個按鍵；
(3)P0.7：蜂鳴器；
(4)P2：步進電機控制信號；
(5)P3.0—P3.1：串行口RXD、TXD。
圖2 單片機控制係統及其外圍電路
PC與單片機採用RS232標準實現串口通訊，單片機與步進電機的接口由於整個電路存在高壓部分和低壓部分，因此中間採用一個光耦隔離元件來進行高低壓的隔離，有效的防止了高壓部分對低壓部分的幹擾，此外，須有一個功率放大電路將信號放大以驅動步進電機。
3、係統設計要求
(1)PC機主控程序設計：具有方便良好的界面；能夠實現自動運行、單步運行、手動控制等功能；準確的識別數控NC代碼，能夠較好的識別程序中的語法錯誤，對代碼做正確的處理並轉換生成串口通信數據文件；串口通訊利用Microsoft的MSComm控件，使用VC6.0++開發環境。
(2)穩定的串口通信：設計恰當的通信協議，採用適當的數據校驗方法及錯誤處理方案。
(3)PC對下位機的控制：PC收到發送下一幀數據的請求後，將下一幀數據裝入串口發送緩衝區，發送至下位機；收到校驗錯誤字，則重發上一幀數據。即反饋型控制方式。對於特殊功能控制，只發送經編碼的特殊命令字，即進行開環的控制方式。
(4)下位機數據校驗及處理：完成報文的解釋，校驗數據，給下位機其它程序提供正確的數據。若數據出錯則向PC機申請重發。
（5）下位機根據pc發送的數據，提供步進電機控制信號，驅動工作臺，實現準確的插補運動。
二、PC與單片機通訊
PC讀取NC源代碼，經代碼轉換函數轉換為待發送的文件。串口控制程序從發送文件讀取數據，經編碼後，按的控制方式將數據發送到下位機，如圖4。下位機從串口接收數據，將串口數據按協議翻譯並存入數據緩衝區1特定的單元，同時計算校驗字。一幀數據收完後，將校檢結果與發送的校檢字比較，若相同，則允許緩衝區2從緩衝區1取數據，同時向PC返回校驗成功；若校驗失敗，則將緩衝區2中的數據更新到緩衝區1，向PC返回校驗失敗。緩衝區2的數據是緩衝區1的數據備份，它存儲的是串口數據後一次校驗成功時緩衝區1中的數據，它也是下位機插補程序要使用的數據，這樣確保插補數據的正確性，流程圖如圖5。
上位機和下位機和協同工作，可以看到整個通信過程形成了一個閉環的控制係統。
Demag KBA125B64
Mannesmann UD-DPU415V024E00
DEMAG 584970
Demag KBA90B4
Demag KBA140B4A
Mannesmann KLA80B4
Mannesmann ZNA71B4
Mannesmann UD-DPU500V010E10
DEMAG REBU1-D10
Mannesmann DBV380Z028D01
Mannesmann DBV380Z028D01
Mannesmann LDBV380Z045D00
DEMAG CCI2102177
DEMAG CCIS134
DEMAG PP100
DEMAG 46945544
DEMAG 380Z045D00
DEMAG KBF90A12/2
DEMAG KBF112A12/2
MANNESMANN KLA100B4
MANNESMANN KLA132Z42Z4
DEMAG DPU500V016B01
豫公安備 41010502000017號