基于MCS-51單片機和步進(jìn)電機實現(xiàn)鍋爐筒壁孔加工控制系統(tǒng)的設(shè)計

1、前言

為實現(xiàn)鍋爐筒壁孔加工自動化而設(shè)計的數(shù)控系統(tǒng)，是以MCS-51單片機為控制核心、步進(jìn)電機為驅(qū)動電機、機床大、小拖板為執(zhí)行部件的兩坐標(biāo)開環(huán)控制系統(tǒng)。大拖板縱向移動以確定打孔位置，脈沖當(dāng)量值為0.02mm/步，最大進(jìn)給速度為5m/min。小拖板橫向移動以實現(xiàn)刀具的快進(jìn)和工進(jìn)。系統(tǒng)具有點動對刀、自動加工、暫停和繼續(xù)、急停報警、回零等主要功能。

2、硬件結(jié)構(gòu)與功能

系統(tǒng)硬件分布于一塊控制主板和兩塊驅(qū)動板上。

在以8031單片機為主的控制主板上，擴展一片27256EPROM，用于存放系統(tǒng)軟件，一片2764EPROM，用于固化經(jīng)過調(diào)試的零件加工程序，一片帶掉電保護(hù)的6264RAM，用于隨機存儲手工編輯的零件加工程序。另外擴展一片8255并行I/O口，其B口用于輸出步進(jìn)電機控制信號、C口和A口用于鍵盤和顯示器接口。

主板上配置4×7個按鍵，其中0～F的十六進(jìn)制數(shù)字鍵用于手工編輯加工程序時輸入存儲單元地址、工件號、加工指令等，其余功能鍵用作單片機復(fù)位、6264內(nèi)存地址加1，減1，步進(jìn)電機點動對刀、自動加工及刀具回零等。

6個8段LED數(shù)碼管采用共陰極接法，動態(tài)顯示數(shù)據(jù)。

根據(jù)對拖動力矩的實驗分析，確定采用150BF003型步進(jìn)電機驅(qū)動大拖板，采用110BF003型步進(jìn)電機驅(qū)動小拖板。步進(jìn)電機的各相繞組通電狀態(tài)是由單片機通過數(shù)據(jù)總線送往8255的B口，經(jīng)光電隔離后由驅(qū)動電路進(jìn)行功率放大而實現(xiàn)的。驅(qū)動電源采用斬波電路，能提供接近矩形波的電流波形，在低頻段輸出穩(wěn)定扭矩為0.85～0.9Tj（Tj為電機最大靜態(tài)扭矩），系統(tǒng)帶負(fù)載能力強，運行快速性好。

考慮系統(tǒng)運行的安全性，設(shè)置限位開關(guān)、手動暫停開關(guān)和手動急停開關(guān)，將信號接至單片機P1口，并采用三輸入與非門74LS10，將其輸出端作為中斷源信號接至單片機INTO位。

系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

基于MCS-51單片機和步進(jìn)電機實現(xiàn)鍋爐筒壁孔加工控制系統(tǒng)的設(shè)計

3、軟件設(shè)計

固化于27256EPROM中的系統(tǒng)軟件，分監(jiān)控程序和加工指令解釋程序兩部分。

3.1 監(jiān)控程序

監(jiān)控程序包括單片機系統(tǒng)初始化、鍵處理、輸入數(shù)據(jù)顯示和存儲、中斷服務(wù)等功能模塊。

系統(tǒng)初始化模塊完成單片機上電復(fù)位或按《復(fù)位》鍵后有關(guān)存儲單元、寄存器、可編程位的狀態(tài)初始化以及允許INTO中斷等設(shè)置，并在顯示器上顯示提示符“-”。

鍵處理模塊對所有按鍵進(jìn)行掃描查詢，無鍵按下時，繼續(xù)顯示提符，有鍵按下時，通過譯碼，識別其是數(shù)據(jù)鍵或功能鍵，以便轉(zhuǎn)至相應(yīng)程序處理。

在輸入數(shù)據(jù)顯示和存儲模塊中，若輸入四位十六進(jìn)制數(shù)據(jù)后按《查詢》鍵，結(jié)合、鍵，可查詢修改6264RAM中的存儲數(shù)據(jù)，達(dá)到手工編制加工程序、修改加工速度的目的。若輸入二位十進(jìn)制數(shù)據(jù)后按《加工》鍵，則認(rèn)為這兩位數(shù)據(jù)是工件號，開始調(diào)用相應(yīng)加工程序。

在中斷服務(wù)程序模塊中，單片機讀取P1口狀態(tài)，P1.1或P1.2置“1”分別代表暫停開關(guān)動作或急停開關(guān)動作，根據(jù)實際加工狀態(tài)，允許采取繼續(xù)加工或刀具回零處理，否則是限位開關(guān)動作，只允許對刀具作回零處理。

3.2 加工指令解釋程序

零件加工程序的基本語句由6位數(shù)字或字符組成，第1位以十進(jìn)制數(shù)2、4、6、8分別表示大、小拖板各自兩個移動方向，第2位以十六進(jìn)制數(shù)0～F表示拖板十六檔移動速度，后4位以十進(jìn)制數(shù)表示拖板實際位移值。

加工指令解釋程序的功能是讀取零件加工程序，逐句解釋，以獲取步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)速及相應(yīng)步數(shù)，包括電機正反轉(zhuǎn)處理、升降速處理、加工長度與電機步數(shù)轉(zhuǎn)換等功能模塊。

在電機正反轉(zhuǎn)處理模塊中，設(shè)定110BF003型步進(jìn)電機各相繞組通電順序為：A→AB→B→BC→C→CA→A或：A→CA→C→BC→B→AB→A。設(shè)定150BF003型步進(jìn)電機各相繞組通電順序為：AB→ABC→BC→BCD→CD→CDE→DE→DEA→EA→EAB→AB或：AB→EAB→EA→DEA→DE→CDE→CD→BCD→BC→ABC→AB。單片機讀取加工語句第1位后，將相應(yīng)的狀態(tài)機器碼由8255的B口順序輸出即可。［page］

分析步進(jìn)電機的矩頻特性，可知啟動頻率越高則啟動力矩越小。如果步進(jìn)電機從靜止直接以高速運轉(zhuǎn)，則可能產(chǎn)生失步，因此，設(shè)置十六檔拖板移動速度（m/min），對應(yīng)步進(jìn)電機十六檔工作頻率（步/S），對于短行程，電機直接以某一低于啟動頻率的轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)，不需作升、降速軟件處理，而對于較長行程，電機則從低于啟動頻率的起始頻率啟動，加速至要求的工作頻率后勻速運行，然后再減至啟動頻率以下時停止。在升降速模塊中，用均勻地減少（或增加）脈沖時間間隔的方法來實現(xiàn)步進(jìn)電機的加速（或減速）控制。

在加工長度與電機步數(shù)轉(zhuǎn)換功能模塊中，將以十進(jìn)制表示的加工長度L轉(zhuǎn)換成電機步數(shù)L/P，P為系統(tǒng)脈沖當(dāng)量（mm/步）。將電機步數(shù)以十六進(jìn)制形式存入內(nèi)存，并設(shè)置相應(yīng)的步數(shù)累計單元，電機走一步，該內(nèi)存內(nèi)容減1，而相應(yīng)的步數(shù)累計單元內(nèi)容加1。

如遇《回零》鍵，則電機反轉(zhuǎn)，將步數(shù)累計單元內(nèi)容遞減至0，即回到初始對刀位置。所謂點動對刀功能指通過操作主板上、、、四個按鍵，步進(jìn)電機朝相應(yīng)方向執(zhí)行一步，連續(xù)操作即可確定起始加工位置。

程序流程框圖如圖2所示。