可以說在當今全世界的機床制造業(yè)中，數(shù)控系統(tǒng)起著舉足輕重的作用。作為高尖端技術(shù)之一的數(shù)控系統(tǒng)集機械制造、自動控制、計算機、測量以及電氣傳動等技術(shù)于一身，各方面功能均十分強大。通過筆者對當前數(shù)控系統(tǒng)市場的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，一些中高檔的數(shù)控系統(tǒng)基本采用的都是以PC機為控制平臺實現(xiàn)對步進電機進行驅(qū)動控制的。雖然這種控制方式具有性能優(yōu)良、功能齊全、響應(yīng)速度快等特點，但其價格卻相對比較昂貴。對于生產(chǎn)企業(yè)來講，需要的是一種既能滿足生產(chǎn)需求，價格又相對低廉的數(shù)控系統(tǒng)。為此，本文將單片機測控技術(shù)應(yīng)用到數(shù)控系統(tǒng)當中，以此來實現(xiàn)這一需求。
　　1 基于單片機的數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計思路

　　基于單片機的數(shù)控系統(tǒng)，能夠根據(jù)用戶的實際需求以及CPU種類的不同實現(xiàn)產(chǎn)品細分，并以此使設(shè)計出來數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品具有系列化的特征。通過對市場的調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，人們對數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品的需求大致可分為以下兩類：

　　1.1 單片機加實時操作系統(tǒng)

　　以這種形式構(gòu)成的數(shù)控系統(tǒng)主要都是一些中高端的系統(tǒng)，它們的功能相對來講比較豐富，可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信息共享，而且還可以進行閉環(huán)控制，精確度相當高。其中操作系統(tǒng)是確保任務(wù)實時性的關(guān)鍵。在此類數(shù)控系統(tǒng)當中，使用較多的單片機為ARM系列等，實時系統(tǒng)則為Windows、RT-Linux等。這種類型的數(shù)控系統(tǒng)常被用于對精度要求較高或是聯(lián)動數(shù)目在四軸以上的數(shù)控機床當中。

　　1.2 單片機加控制模塊

　　在此類組成結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)當中，由于采用的是控制模塊，而不是實時操作系統(tǒng)，所以各個任務(wù)的實時性均是由系統(tǒng)中的控制軟件以及處理器的中斷等予以保證的。此類系統(tǒng)應(yīng)用的單片機主要以高性能的CPU為主，這樣能夠有效地確保系統(tǒng)的運算速度符合插補和管理等功能的需要。這種系統(tǒng)通常僅能滿足三軸聯(lián)動和四軸聯(lián)動的數(shù)控機床的需求。

　　通過上述分析不難看出，研發(fā)不同等級的數(shù)控系統(tǒng)，只需要根據(jù)用戶的實際需求，采用的不同平臺，然后在平臺中對系統(tǒng)的主要功能略作改進，便能夠開發(fā)出滿足用戶需要的數(shù)控系統(tǒng)。這在一定程度上避免了基于單片機的數(shù)控系統(tǒng)研發(fā)的缺點，有效地減少了重復性工作，從而使整個研發(fā)周期相應(yīng)地縮短很多。若是將數(shù)控系統(tǒng)中的主要技術(shù)模塊進行總結(jié)和提煉，便可以組成一個系統(tǒng)平臺，在此基礎(chǔ)上對相應(yīng)的功能進行適當?shù)貏h減或增添，便可以完成系統(tǒng)的研發(fā)。這就是基于單片機的數(shù)控系統(tǒng)的基本設(shè)計思路。　
　　2 基于單片機測控的數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計原則

　　任何一種數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)鍵均在于其軟件及硬件的設(shè)計，應(yīng)用單片機測控技術(shù)的數(shù)控系統(tǒng)也不例外，下面簡要介紹一下軟件及硬件在實際設(shè)計過程中需要遵循的主要原則：

　　2.1 規(guī)范化原則

　　一個數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計研發(fā)，最忌諱的就是重復開發(fā)，這樣不僅會浪費大量的時間，而且也會浪費大量的資源，所以在進行軟件及硬件設(shè)計過程中，必須有一個規(guī)范的標準，以此來規(guī)范系統(tǒng)的通訊協(xié)議以及軟硬件界面，可以使設(shè)備生產(chǎn)商和控制器制造商均能在相應(yīng)的標準下進行研發(fā)和生產(chǎn)，以此來杜絕重復性開發(fā)的情況發(fā)生，減少資源的浪費。為此，在進行系統(tǒng)軟硬件設(shè)計時，必須遵循規(guī)范化原則。

　　2.2 系列化、標準化原則

　　在系統(tǒng)硬件的設(shè)計過程中，應(yīng)以系列化和標準化的原則進行設(shè)計，這樣有利于提高系統(tǒng)整體的實時性和可靠性。通過對系統(tǒng)通訊方式、CPU結(jié)構(gòu)、運動及輔助控制等的模塊化處理，根據(jù)實際功能的不同制成所需的模塊，借此來實現(xiàn)系列化和標準化，同時模塊與模塊之間還可通過預先定義好的標準化接口實現(xiàn)通訊。

　　2.3 開放性原則

　　在進行系統(tǒng)軟件設(shè)計時，為有效地降低系統(tǒng)軟件對硬件的依賴性，應(yīng)使軟件平臺獨立于系統(tǒng)硬件之外，并且也要將軟件設(shè)計成為模塊化，這樣有利于實現(xiàn)系統(tǒng)軟件的開放性。對于整個數(shù)控系統(tǒng)而言，設(shè)計一個獨立的軟件平臺是較為重要的。由于書庫系統(tǒng)本身都具有多任務(wù)性和實時性，所以軟件平臺的構(gòu)建也應(yīng)以此為前提，同時軟件平臺的基本功能還應(yīng)實現(xiàn)典型化和模塊化，從而使每個功能模塊之間均能實現(xiàn)相互獨立和統(tǒng)一調(diào)度。這樣的軟件設(shè)計可以適應(yīng)不同的硬件系統(tǒng)，進而實現(xiàn)了軟件的開放性和獨立性。

3 單片機測控技術(shù)在數(shù)控系統(tǒng)中的具體應(yīng)用及實現(xiàn)

　　基于以上的設(shè)計思路及設(shè)計原則，下面筆者以一種數(shù)控鉆銑床為例，對單片機測控技術(shù)的應(yīng)用及實現(xiàn)進行分析。

　　3.1 數(shù)控鉆銑床的基本功能及具體控制方案

　　由于該數(shù)控機床是鉆、銑相結(jié)合的一類機床，為此先簡要介紹一下該數(shù)控機床的加工順序：首先，工作臺就位，然后鉆頭鉆進，鉆孔后鉆頭快退，移至下一位置繼續(xù)重復上述動作，直至全部鉆孔完畢為止后，工作臺恢復原位。銑削的加工順序基本與之相同。因本系統(tǒng)屬于鉆、銑一體的機床，故此在其各方面參數(shù)均滿足實際加工要求的前提下，決定采用連續(xù)控制系統(tǒng)對其加工進行控制，具體控制方案為采用單片機控制的步進電動機對系統(tǒng)工作臺進行開環(huán)控制。當進給指令由單片機系統(tǒng)發(fā)出后，經(jīng)過功率放大后對步進電動機的旋轉(zhuǎn)角度進行驅(qū)動，然后經(jīng)由齒輪減速器帶動絲杠進行旋轉(zhuǎn)，直線位移的完成主要依靠絲杠螺母的轉(zhuǎn)換，具體移動速度及位移量的大小由輸入脈沖數(shù)及脈沖頻率決定。

　　3.2 單片機測控系統(tǒng)的主要功能

　　該數(shù)控系統(tǒng)中，單片機采用的是集中控制方式，對于系統(tǒng)中的各項任務(wù)采取的是分時處理進行的，如插補運算、CRT顯示、輸入輸出控制以及存儲等等。測控系統(tǒng)的主要功能如下：其一，初始化處理。主要是對I/O接口、步進電動機旋轉(zhuǎn)頻率定時器以及中斷等進行初始化；其二，復位功能。機床開機工作時工作臺應(yīng)自行恢復至初始加工位置，如有需要也可盡心手動復位；其三，監(jiān)視功能。具體是對開關(guān)、鍵盤以及按鍵等進行監(jiān)視，如監(jiān)視行程開關(guān)、急停按鍵等；其四，加工數(shù)據(jù)的輸出和顯示功能；其五，超程控制機報警功能。當工作臺在進行實際加工過程中，若超出規(guī)定的位置則立即停止工作，并相應(yīng)的做出報警顯示；其六，控制方式選擇功能。主要包括手動和自動兩種控制方式，有特殊要求時可進行控制方式切換。

　　3.3 測控功能的實現(xiàn)

　　（1）硬件設(shè)計。按照該數(shù)控機床工作臺的實際測控要求，決定采用STC12C5A62S2系列單片機作為主控制器，并行設(shè)置44個I/O控制接口和雙UART串口，電路為MAX810專用復位電路，2路8位PWM/16位PCA模塊，8路10位精度ADC，其轉(zhuǎn)換速度最高可達到250K/S，即每秒25萬次，F(xiàn)lash ROM60K，SRAM 1208字節(jié)。這一系列的單片機具有以下特點：可靠性高、反應(yīng)速度快、功耗低、價格便宜、抗靜電及抗干擾能力超強，無需對片外存儲空間進行擴展，便可用于數(shù)控機床工作臺的電動機控制，本身自帶PWM/PCA和A/D，不需要在配置外部檢測電路。為使加工數(shù)據(jù)能夠順利輸入到系統(tǒng)當中，采用矩陣鍵盤，規(guī)格為4×8；加工數(shù)據(jù)顯示器則采用6位LED顯示器，以便于顯示加工數(shù)據(jù)信息；為確保開機指示電源能夠正常工作，電源指示燈決定采用發(fā)光二極管；為有效地控制步進電動機的旋轉(zhuǎn)速度，決定采用I/O口對脈沖分配器的輸出信號進行控制，再經(jīng)由功率放大電路及光電隔離器后傳送至步進電動機線圈當中；為對機床工作臺的超程進行監(jiān)視及報警功能的實現(xiàn)，決定采用全行程開關(guān)作為監(jiān)視信號進行輸入，并采用發(fā)光二極管作為超程報警指示燈。

　　（2）軟件設(shè)計。如果將測控硬件系統(tǒng)的設(shè)計實現(xiàn)，看作是整個數(shù)控系統(tǒng)的物質(zhì)基礎(chǔ)的話，那么系統(tǒng)軟件的設(shè)計實現(xiàn)則是測控系統(tǒng)整體控制思路、控制方式以及控制過程的體現(xiàn)。測控系統(tǒng)各個功能的實現(xiàn)，需要應(yīng)用到單片機的如下技術(shù)，其中主要包括中斷、定時、LED顯示以及鍵盤掃描等技術(shù)。系統(tǒng)軟件設(shè)計主要以模塊化結(jié)構(gòu)為主，下面對各個模塊的具體功能進行介紹：①主模塊。該模塊主要負責完成測控系統(tǒng)的各項管理工作，數(shù)控系統(tǒng)開機后會自行進入到管理模塊當中，然后接收并執(zhí)行由機床操作者發(fā)出的操作指令。在這一模塊當中，需要對鍵盤上各個相關(guān)案件的功能進行自定義，以此來確定接收指令的形式以及實現(xiàn)加工數(shù)據(jù)的輸入和、自動鉆銑加工、急停等操作功能；②自動加工測控模塊。按照該數(shù)控機床工作臺的實際工作需要，自動加工應(yīng)包括鉆削和銑削兩部分。所以在該模塊中設(shè)計兩個子模塊分別用于鉆削和銑削的測控；③步進電動機控制模塊。該模塊主要是對電動機的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角以及方向等進行控制。在對這一模塊進行設(shè)計時，應(yīng)重點考慮電動機運轉(zhuǎn)時會出現(xiàn)一個加速或減速的過程，這樣有利于解決突然啟停時，慣性及負載造成電機損壞的問題。可以通過對進給脈沖的時間間隔及具體脈沖數(shù)進行確定，來實現(xiàn)對電機速度及轉(zhuǎn)角的控制。控制時間常數(shù)可預先定義好后存儲到程序當中，并以此作為對步進電動機運行控制的基本參數(shù)，然后利用單片機本身自帶的定時器功能，并以中斷的方式來實現(xiàn)對電動機頻率的控制。

　　由于該單片機中集成有可編程的應(yīng)用程序，故此無需設(shè)計專用的仿真器及編程器。通過將單片機測控技術(shù)應(yīng)用到數(shù)控系統(tǒng)當中，使得系統(tǒng)自動化功能的實現(xiàn)變得更加簡單、各方面性能也更為可靠。