数控系统

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数控系统

基于89S51单片机的数控铣床控制系统设计

文 /吉林测控技术有限公司  韩洪江

Design of Control System on CNC Milling Machine Based on 89S51 Single-Chip Computer

1 引言随着计算机技术的高速发展，传统的制造业开始了根本

性变革，各工业发达国家投入巨资，对现代制造技术进行研

究开发，提出了全新的制造模式。在现代制造系统中，数控

技术是关键技术，它集微电子、计算机、信息处理、自动检测、

自动控制等高新技术于一体，具有高精度、高效率、柔性自

动化等特点，对制造业实现柔性自动化、集成化、智能化起

着举足轻重的作用。目前，数控技术正在发生根本性变革，

由专用型封闭式开环控制模式向通用型开放式实时动态全闭

环控制模式发展。在集成化基础上，数控系统实现了超薄型、

超小型化；在智能化基础上，综合了计算机、多媒体、模糊

控制、神经网络等多学科技术，数控系统实现了高速、高精、

高效控制，加工过程中可以自动修正、调节与补偿各项参数，

实现了在线诊断和智能化故障处理；在网络化基础上，CAD/

CAM与数控系统集成为一体，机床联网，实现了中央集中控

制的群控加工。

随着计算机技术的迅猛发展，计算机越来越广泛地应用

于人们工作和生活中的各个领域里的一个重要方面，单片机

及其应用技术近年来也得到了长足发展。单片机被广泛应用

在工业自动化控制、智能仪表、数据采集、通讯以及家用电

器等领域。单片机以其与通用微机完全不同的发展模式，不

断满足工业测控、恶劣环境下可靠运行的要求。单片机已成

为现代工业领域中不可缺少的重要角色。单片机技术的发展

速度十分迅速，速度更快功能更强的 16位 32 位单片机已陆

续问世，但8位机，特别是新一代高档8位机具有优异的性能，

已能满足大部分单片机应用领域的需要，另外，它还具有可

靠性高外围芯片配套系统构成简单应用软件丰富技术成熟开

发应用方便等优点，在单片机应用中仍有一定的市场。

随着我国市场经济的发展，国内、国际市场竞争日益激

摘要 ：本文利用 8051 单片机的 I/O 口，信号控制五相步进电动机，利用内部程序对单片机输出信号进行脉冲分配，从而

驱动步进电动机转动，实现对数控车床进给系统的方向、速度和位置的控制。从而实现对数控车床主轴和进给系统的自动

控制，可以有效的节约电能、提高设备自动化、产品产量和质量。提高可观的经济效益 , 单片机已经广泛应用于现代工业控

制自动化系统中，掌握单片机技术是从事工业控制的重要技能。

烈，为了解决企业机械加工中结构复杂、精密、批量小且多

变的加工问题，需要采用数控机床，而此类机床价格昂贵，

使小企业望尘莫及。系统采用MCS-51 系列单片机对特定普

通机床进行数控化设计，可为企业的加工制造发挥较大的作

用。针对数控机床改造技术进行了深入的研究和分析，并重

点描述了机床控制系统的设计，整个控制以数控系统为中心，

通过单片机的设计使得CNC系统、电气控制系统、伺服系

统协调统一工作，以实现数控加工。

2 数控机床结构2.1数控车床概述

数控车床又称为CNC（Computer Numerical）车床，

即用计算机数字控制的车床。卧式车床是靠手工操作机床来

完成各种切削加工，而数控车床是将编制好的加工程序输入

到数控系统中，由数控系统通过车床X、Z坐标轴的伺服电

动机去控制车床进给运动部件的动作顺序、移动量和进给速

度，再配以主轴的转速和转向，便能加工出各种形状不同的

轴类或盘类回转体零件。因此，数控车床是目前使用较为广

泛的数控机床。

2.2数控车床主传动系统

MJ-50 数控车床其传动系统。其中主运动传动系统由功

率为 11/15KW的 AC伺服电动机驱动，经 1：1 的带传动

带动主轴旋转，使主轴在 35-3500r/min 的转速范围内实现

无级调速，主轴箱内部省去了齿轮传动变速机构。因此减少

了原齿轮对主轴的影响，并且维修方便。

2.3主轴箱结构

主轴采用两支承结构，前支承由一个双列圆柱滚子轴承

11 和一对角接触球轴承 10 组成，轴承 11 用来支承受径向

载荷，两个角接触球轴承一个大口朝向主轴前端，另一个大

口朝向主轴后端，用来承受双向的轴向载荷和径向载荷。前

支承轴承的间隙用螺母 1和 6来调整。螺钉 17、13 起防松

作用。主轴的支承形式为前端定位，主轴受热膨胀向后伸长。

前后支承所用的双列圆柱滚子轴承的支承刚性好，允许的极

限转速高。而角接触球轴能承受较大的轴向载荷，且允许的

极限转速高，该支承结构能满足高速大载荷切削的需要。

2.4进给传动系统及传动装置

X 轴和 Z轴进给分别由步进电动机驱动。步进电动机

15 经同步带轮 14 和 10 以及同步带 12 带动滚珠丝杆 6回

转，其上螺母 7带动刀架 21 沿滑板 1的导轨移动，实现 X

轴进给运动。滚珠丝杠的前支承3由三个角接触球轴承组成，

其中一个轴承大口向前，两个轴承大口向后，分别承受双向

的轴向载荷。前支承由螺母 2进行预紧。滚珠丝杠的后支承

9为一对角接触球轴承，轴承大口相背放置，由螺母 11进行

预紧。这种丝杆两端固定的支承形式，其结构和工艺都较复

杂，但是可以保证和提高丝杠的轴向刚度。Z轴进给传动装置。

步进电机 14 经同步带轮 12 和 2以及同步带 11 传动到滚珠

丝杆 5，由螺母 4带动滑板连同刀架沿床身 13的矩形异轨移

动，实现 Z轴的进给运动。电动机轴与同步带轮 12 之间用

锥环无键联接，其中 19和 20 是锥面相互配合的内外锥环。

当拧紧螺钉 17 时，法兰 18 的端面压迫外锥环 20 使其向外

膨胀，内锥环 19受力后向电动机轴收缩，从而使电动机轴与

同步带轮联接在一起。

3 控制系统硬件设计本文选用AT89S51 单片机作为此次数控系统设计的核

心控制处理器，采用两片 89S51 双机通讯，外接两片 2764 

EPROM用于存放控制程序、批量生产工件加工程序及数据，

再选用两片 8kb 的 6264RAM作为存放试制小批量生产工件

加工程序及数据。由于系统扩展，为使编程地址统一，我们

采用 74LS373、74LS139 译码器完成译码法对扩展芯片进

行寻址的功能，如图 1所示为控制系统总体设计框图。

工作原理：单片机系统是机床数控系统的核心，通过键

图1  控制系统总体框图

图 2 双机通信接口图

盘输入命令，数控装置送来的一系列连续脉冲通过环形分配

器、光电耦合器和功率放大器，按一定的顺序分配给步进电

动机各相绕组，使各相绕组按照预先规定的控制方式通电或

断电，这样控制步进电动机带动工作台按照指令运动。

3.1通信接口设计

本文采用 RS- 485 双机通信接口，RS- 485 是 RS-

422A 的变型，它与RS- 422A 的区别在于：RS- 422A 为

全双工，采用两对平衡差分信号线；而RS- 485 为半双工，

采用一对平衡差分信号线。RS- 485 对于多站互联十分方便

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且相对便宜，所以采用此种接口，如图 2所示为本设计中的

双机通信接口图。

在图 2中，RS- 485 以双向、半双工的方式实现双机

通信。在AT89S51 单片机系统发送或接受数据前，应先将

SN75176的发送门或接受门打开，当P1.0=1时，发送门打开，

接受RS-485电平、RS-485电平到TTL电平的转换功能。

3.2 存储器的扩展

选择晶体振荡器的工作频率为 12MHz。主控器选用

AT89S51，由于数控铣床根据加工零件的复杂程度，相应的

编程语言会相当复杂，而且数据传输量大，因此，单纯靠 51

芯片内部自带的存储空间远远不能满足使用要求，有必要对

数据存储区和程序存数区进行扩展。根据估计，每片 89S51

选用两片2764作为程序存储器，两片6264作为数据存储器。

同时，并采用一片 74LS373 地址锁存器和一片 74LS139

作为片选芯片。如图 3所示。

3.3键盘显示电路

根据系统要求，需要通过键盘输入命令来实现机床工作

台的运动和主轴转速。通过 LED数码管显示工作台的运行位

置，行程范围为 10米，精确到 0.000001 米，所以X，Y，

Z各用了 8个 LED数码管采用动态显示。主轴转速用 8个

LED数码管采用动态显示。键盘上共有 9个按键，可控制工

作台三轴运动、主轴转速、照明设备及冷却液、润滑油装置。

3.4 光电编码器

光电编码器如图 4所示，是一种通过光电转换将输出轴

上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。这是目

前应用最多的传感器，光电编码器是由光栅盘和光电检测装

置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长

方形孔。由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅

盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测

装置检测输出若干脉冲信号，通过计算每秒光电编码器输出

脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。此外，为判断旋转

方向，码盘还可提供相位相差 90 的两路脉冲信号。编码盘

将脉冲信号发送给MAX202，MAX202 将信号反馈给 51单

片机，单片机再将电机的转速通过 LED数码管显示出来。

图 3 2764 引脚图 图 4 编码器示意图

图 5 +5V 供电电源电路图

3.5 报警装置

如果任一工作台 X和 Y二个方向移到轨道的边缘话，

通过一个或门，将P1.4口置位，就越界报警，同时停止工作，

蜂鸣器发出声音，警示灯亮。

3.6 电源电路

本次设计需要提供两个不同电压的电源分别为+5v和+24v

（1）+5v 的电源电路设计分析

电路接 220v 的交流电，用整流加滤波加线性稳压器

7805 稳压的方式获得 5V直流电压，这样的话，变压器次级

电压应该是 7V，7V正弦波交流电压的峰值是 9.8V 左右，

经过桥式整流损失两个整流二极管 PN结压降后是 7.8V 左

右，而 7805 对于工作电压的要求是必须大于 7V，7.8V 正

好留有一点余地，通过 7805 芯片稳压，最后输出需要的

+5v 稳定电压。如图 5所示为 +5V供电电源电路图。

（2）+24v 电源电路设计分析

电路接220v的交流电，用整流加滤波的方法获得+24v

直流电压，因为此电压是用来驱动电机的对电压的稳定性要

求不高，故不需要加线性稳压器，通过变压器降压次级电压

变为 26v，经过桥式整流损失两个整流二极管PN结压降后

是 24v，滤波获得 24v 电压输出。如图 6所示为 +24V供电

电源电路图。

　　

4 软件设计与实现根据总电路图的硬件结构和加工指令格式，以直线圆弧

插补计算方法来设计控制程序。整个控制程序由主程序、T0

中断程序和外部 /INTO中断程序组成。

4.1主程序

主程序首先执行系统初始化工作，开启照明设备，然后

循环扫描键盘，如果键盘上有键入命令则做相应的命令处理，

如果键入启动命令，则做好运行前准备工作以及有关指针和

标志初始化。对中断系统初始化，T0向 CPU请求中断，使

CPU执行部件加工程序，允许外部中断，在人工干预按下急

停键时停止加工部件。接着循环查询加工结束标志，加工结

束后又等待键命令或主机命令。

4.2 T0中断服务程序

T0中断服务程序的功能是执行加工程序，一条指令执行

完再取新的加工指令，直到遇到停机时关中断，置位结束标志。

在加工指令执行过程中，根据线型做直线圆弧的插补计算。

4.3 紧急停止

急停开关是属于主令控制电器的一种，当机器处于危险

状态时，通过急停开关切断电源，停止设备运转，达到保护

人身和设备的安全。本次设计将急停开关与主电源相连，按

下后切断主电源，机器停止工作。 

4.4 步进电机的位置控制

步进电动机的位置控制需要两个参数：

第一个参数是步进电动机控制的执行机构当前的位置参

数，叫绝对位置。它是有极限的，其极限是执行机构运行位

置的距离，超越了这个极限就报警。

第二个参数是从当前位置移动到目标位置的距离，我么

可以用折算的方式将这个距离折算成步进电动机的步数。这

个参数是外界通过键盘输入的。

图6 +24V供电电源电路图

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对步进电动机位置控制的一般作法是：步进电动机每走

一步，步数减 1，如果没有失步存在，当执行机构到达目标

位置时，步数正好减到 0。因此，用步数等于 0来判断否移

动到目标位，作为步进电动机停止运行的信号绝对位置参数

可作为人机对话的显示参数。它与步进电动机的转向有关，

当步进电动机正转时，步进电动机煤走一步，绝对位置加1；

当步进电动机反转时，绝对位置随每次步进减 1。

如图 7所示为主控程序流程图。

5 结论本文以AT89S51 为控制核心的数控铣床控制系统。通

过键盘控制工作台沿 -X，+X，-Y，+Y，-Z，+Z方向的移动，

照明设备的开启及主轴转速的控制，读取EPROM程序指令。

通过串口能够实现与PC的通讯。当冷却液或润滑油供应不

足时有自动报警机制。通过LED数码显示器可实时得显示X，

Y，Z坐标及主轴转速。

图7 主控程序流程图