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一种基于MCS51的微型计算机数控系统设计

2010/10/28 16:05:17  来源:中国计量测控网 
字号: 13号字 16号字

  1 引言

  随着科技的进步,数字控制技术、数控系统得到飞速发展。机床的计算机数控系统就是这些机电一体化技术最具代表性的系统。计算机数控系统是由计算机承担数控中的命令发生器与控制器的数控系统。计算机接收的位置运动的指令,将其生成各坐标轴的位置命令并实时输出给各坐标轴的控制器,控制器按控制策略控制各轴伺服系统,使驱动器驱动执行机构,带动机器的各坐标轴按给定命令运动。

  2 微型计算机数控系统总体介绍

  微型数控(CNC)系统的硬件分成了两大部分,PC 机部分和一块用MCS-51 单片机开发的硬件电路板,这两部分是使用串行口RS-232 连接起来的。(本文下面提到的上位机、下位机分别指PC 机、单片机系统)上位机上的软件负责实现本系统的用户操作界面、零件加工程序的输入、译码、速度计算等功能,最后形成一组供下位机插补计算用的数据信息。下位机除了处理一些实时性强的机床信号外,主要任务就是根据上位机指令执行机床控制和插补运算,输出机床的控制信号。微型数控系统的简单结构如图1。

  3 上位机软件设计

  3.1 上位机软件总体设计框图

  上位机软件的开发是使用运行在Windows 操作系统下的VisualBasic 工具完成的,选用VisualBasic 是因为它的简单易用,而且对于本系统的开发具有足够强大的功能。上位机软件的结构如图2。

  从图 2 中可以清楚地看出上位机软件的基本功能。首先,上位机软件提供了一个零件加工程序的编辑窗口,按照系统预先设定的语法编写零件加工程序,然后编译,如果没有错误提示的话,编译的程序就可以送到下位机开始加工了;如果程序中有语法错误,则系统会给出提示,帮助修改。其次,上位机模拟机床控制面板的主要功能按键,通过鼠标点击这些按键完成相应的机床控制,如机床的启动、停止,主轴X、Y 方向的位置调整等等。另外,上位机接收并显示来自下位机的信息。

  3.2 译码

  译码的功能是将输入的零件加工程序翻译成本系统能识别的信息。不同的系统有不同的数据格式。一般用户输入的数控加工程序采用ISO 标准码编制,译码就是把用户标准的数控加工程序转换为本系统能识别的数据格式。

  零件加工程序输入之后,点击“Compile”按钮将开始进入译码模块。译码模块主要由两个嵌套的循环来实现,外循环针对零件加工程序的所有数据段,处理一个数据段执行一次循环;内循环针对一个数据段(把一个数据段看成是山若干个用空格分开的字符串组成)包含的各个字符串,处理一个字符串执行一次循环。因为对于一个数据段,译码模块用一次循环处理,所以译码模块首先计算零件加工程序中总共有多少个数据段,并用变量记录这个数,作为循环控制的条件。然后进入循环,对每个数据段进行处理。首先取第一个数据段,再读取第一个字特串的第一个字符,接下来是一个Switch 语句判断读到的是个什么字符。根据零件加工程序编写的语法规范,循环执行,直到所有数据段处理完毕。最后形成译码结果,保存在一个字符数组当中。为零件加工的开始做好了准备。整个译码处理过程思路清晰,结构简单,而且以后可以很方便的扩展数控编程功能,只要在Switch 语句中添加Case 项就可以实现。

  3.3 异步串行通信

  本系统采用了 RS-232 异步串行通信从上位机向下位机输入数据。在设计PC-MCU 通信协议时,PC 是主控者,单片机主要是被动接收PC 发来的数据等内容。PC 发送给单片机的内容有三种,一种是机床控制命令,一种是用于插补的数据,还有一种端口测试命令。单片机发送给PC 机的主要是机床状态信息、端口测试返回和数据正确接收的确认帧。

  本通信协议的设计思想是基于帧传输方式。即向 RS-232 串口发送命令信号、数据信号时,是一帧一帧传送的。为了数据可靠传输,传送每帧数据时进行数据累加和校验,如果传送出错,要求重新传送。连续传送三次错误,系统就退出通信并提示串口传送失败。

  3.4 数控加工程序编写

  本系统要求零件加工程序的编写采用ISO 标准代码,并结合上位机软件作了些约定:

  1.输入格式的约定,要求每个数据段中不同代码部分之间用空格隔开,每一段用“#”作为结束标志符。结束符和代码之间也用空格隔开。

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