锅炉筒打孔专机数控系统

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1　前言
　　为实现锅炉筒壁孔加工自动化而设计的数控系统，是以MCS-51单片机为控制核心、步进电机为驱动电机、机床大、小拖板为执行部件的两坐标开环控制系统。大拖板纵向移动以确定打孔位置，脉冲当量值为0.02mm/步，最大进给速度为5m/min。小拖板横向移动以实现刀具的快进和工进。系统具有点动对刀、自动加工、暂停和继续、急停报警、回零等主要功能。
* ~9 U- a/ y$ @* @2　硬件结构与功能
　　系统硬件分布于一块控制主板和两块驱动板上。
　　在以8031单片机为主的控制主板上，扩展一片27256EPROM,用于存放系统软件，一片2764EPROM,用于固化经过调试的零件加工程序，一片带掉电保护的6264RAM,用于随机存储手工编辑的零件加工程序。另外扩展一片8255并行I/O口，其B口用于输出步进电机控制信号、C口和A口用于键盘和显示器接口。
/ x& \! s; F0 C! ^' E% w　　主板上配置4×7个按键，其中0～F的十六进制数字键用于手工编辑加工程序时输入存储单元地址、工件号、加工指令等，其余功能键用作单片机复位、6264内存地址加1,减1,步进电机点动对刀、自动加工及刀具回零等。
　　6个8段LED数码管采用共阴极接法，动态显示数据。
　　根据对拖动力矩的实验分析，确定采用150BF003型步进电机驱动大拖板，采用110BF003型步进电机驱动小拖板。步进电机的各相绕组通电状态是由单片机通过数据总线送往8255的B口，经光电隔离后由驱动电路进行功率放大而实现的。驱动电源采用斩波电路，能提供接近矩形波的电流波形，在低频段输出稳定扭矩为0.85～0.9Tj(Tj为电机最大静态扭矩),系统带负载能力强，运行快速性好。
* j+ v  P6 O' o( _3 J0 x　　考虑系统运行的安全性，设置限位开关、手动暂停开关和手动急停开关，将信号接至单片机P1口，并采用三输入与非门74LS10,将其输出端作为中断源信号接至单片机 位。
　　系统原理框图如图1所示。

图1
% y- j4 x! R! p8 ?" b3　软件设计
　　固化于27256EPROM中的系统软件，分监控程序和加工指令解释程序两部分。
3.1　监控程序
6 [# @9 u1 H" w$ ]0 b0 ]# R　　监控程序包括单片机系统初始化、键处理、输入数据显示和存储、中断服务等功能模块。
: {1 I* n$ Q9 ?7 C. c7 V* a' l　　系统初始化模块完成单片机上电复位或按键后有关存储单元、寄存器、可编程位的状态初始化以及允许中断等设置，并在显示器上显示提示符“-”。
　　键处理模块对所有按键进行扫描查询，无键按下时，继续显示提符，有键按下时，通过译码，识别其是数据键或功能键，以便转至相应程序处理。
　　在输入数据显示和存储模块中，若输入四位十六进制数据后按键，结合、键，可查询修改6264RAM中的存储数据，达到手工编制加工程序、修改加工速度的目的。若输入二位十进制数据后按键，则认为这两位数据是工件号，开始调用相应加工程序。
5 ~( Q- t5 ], B" L( b! C+ O　　在中断服务程序模块中，单片机读取P1口状态，P1.1或P1.2置“1”分别代表暂停开关动作或急停开关动作，根据实际加工状态，允许采取继续加工或刀具回零处理，否则是限位开关动作，只允许对刀具作回零处理。
) N: N. H. m' Q7 I% u  o* C3.2　加工指令解释程序
　　零件加工程序的基本语句由6位数字或字符组成，第1位以十进制数2、4、6、8分别表示大、小拖板各自两个移动方向，第2位以十六进制数0～F表示拖板十六档移动速度，后4位以十进制数表示拖板实际位移值。
　　加工指令解释程序的功能是读取零件加工程序，逐句解释，以获取步进电机的转向，转速及相应步数，包括电机正反转处理、升降速处理、加工长度与电机步数转换等功能模块。
; Z7 {: r7 t4 y: B' V! Q) O) q　　在电机正反转处理模块中，设定110BF003型步进电机各相绕组通电顺序为:A→AB→B→BC→C→CA→A或：A→CA→C→BC→B→AB→A。设定150BF003型步进电机各相绕组通电顺序为：AB→ABC→BC→BCD→CD→CDE→DE→DEA→EA→EAB→AB或：AB→EAB→EA→DEA→DE→CDE→CD→BCD→BC→ABC→AB。单片机读取加工语句第1位后，将相应的状态机器码由8255的B口顺序输出即可。
　　分析步进电机的矩频特性，可知启动频率越高则启动力矩越小。如果步进电机从静止直接以高速运转，则可能产生失步，因此，设置十六档拖板移动速度（m/min），对应步进电机十六档工作频率（步/S），对于短行程，电机直接以某一低于启动频率的转速运转，不需作升、降速软件处理，而对于较长行程，电机则从低于启动频率的起始频率启动，加速至要求的工作频率后匀速运行，然后再减至启动频率以下时停止。在升降速模块中，用均匀地减少（或增加）脉冲时间间隔的方法来实现步进电机的加速（或减速）控制。
　　在加工长度与电机步数转换功能模块中，将以十进制表示的加工长度L转换成电机步数L/P,P为系统脉冲当量（mm/步）。将电机步数以十六进制形式存入内存，并设置相应的步数累计单元，电机走一步，该内存内容减1,而相应的步数累计单元内容加1。
9 G! D: g6 R7 V# d9 P9 z7 C　　如遇键，则电机反转，将步数累计单元内容递减至0,即回到初始对刀位置。所谓点动对刀功能指通过操作主板上、、、四个按键，步进电机朝相应方向执行一步，连续操作即可确定起始加工位置。
　　程序流程框图如图2所示。

8 @! I# I3 @! K* l) ?# T8 |: E/ }. u图2
4　结束语
　　为不同规格的工件赋予工件号，如01、02 ...... ，编制相应的加工程序，可将程序固化于2764EPROM中，也可随机存储于6264RAM中。加工时，先从键盘上输入工件号，再按键，即可自动完成一个锅炉筒的打孔工艺。加工程序的编制非常简单，且系统具有一定的柔性。
文章关键词： 数控系统