（天津長蘆海晶集團(tuán)有限公司工程設(shè)備管理部,天津300150）

1 數(shù)控改造系統(tǒng)仿真的目的

隨著機(jī)械加工整體水平的提高，各企業(yè)現(xiàn)使用的絕大部分傳統(tǒng)老式機(jī)床已經(jīng)很難滿足企業(yè)的生產(chǎn)需求和生產(chǎn)效率。為節(jié)約成本，進(jìn)一步發(fā)揮老式傳統(tǒng)機(jī)床的功效和潛在價(jià)值，將大批傳統(tǒng)老式機(jī)床改造利用是一種必然趨勢。利用Proteus仿真軟件在計(jì)算機(jī)上模擬出加工走刀和零件切削的全過程，直接觀察在切削過程中可能遇到的問題并進(jìn)行調(diào)整，這樣既不實(shí)際占用和消耗機(jī)床、工件等資源，還可以利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)預(yù)先對機(jī)床改造結(jié)果進(jìn)行估計(jì)，避免可能遇到的問題，起到了事半功倍的效果。

2 微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的硬件選擇

注重?cái)?shù)控功能的選擇，不應(yīng)單純追求數(shù)控系統(tǒng)的高性能指標(biāo)，這對于實(shí)現(xiàn)較高的性能價(jià)格比非常重要。數(shù)控系統(tǒng)所具有的功能要與準(zhǔn)備改造的數(shù)控機(jī)床所能達(dá)到的功能相匹配，盡量減少過剩的數(shù)控功能。如果數(shù)控系統(tǒng)功能過剩，一方面浪費(fèi)資金，另一方面還可能潛伏由于數(shù)控系統(tǒng)復(fù)雜程度的增加而帶來的故障率增長的隱患，這里我們選用的是低功耗、高性能8位的89C51單片機(jī)，它有豐富的硬件資源，特別是其內(nèi)部增加的閃速可電改寫的存儲器Flash ROM給單片機(jī)的開發(fā)及應(yīng)用帶來了很大的方便，并且芯片的高性價(jià)比也使其得到了廣泛的應(yīng)用。

3 軟件調(diào)試仿真

3.1 Keil u Vision軟件調(diào)試仿真器簡介

為了確定程序的正確性，采用Keil u Vision軟件對各個(gè)程序進(jìn)行調(diào)試，該軟件是德國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機(jī)軟件開發(fā)系統(tǒng)。是用戶開發(fā)和調(diào)試單片機(jī)源代碼的理想工具，簡稱Keil。Keil提供源代碼級調(diào)試，支持?jǐn)帱c(diǎn)、變量監(jiān)視，存儲器訪問，串口監(jiān)視，指令跟蹤。

3.2 軟件調(diào)試

調(diào)試步驟如下：

3.2.1 創(chuàng)建一個(gè)項(xiàng)目（project），從器件庫中選擇目標(biāo)器件，配置工具設(shè)置。

3.2.2 用匯編語言創(chuàng)建源程序并保存，匯編程序文件擴(kuò)展名為.ASM，C語言程序文件擴(kuò)展名為.C。

3.2.3 用項(xiàng)目管理器生成應(yīng)用，將編寫好的程序添加到工程項(xiàng)目中，并調(diào)試。

3.2.4 修改源程序中的錯(cuò)誤。

3.2.5 測試，連接應(yīng)用。

程序在調(diào)試正確后會生成.HEX文件，將該文件刻進(jìn)芯片中即可。進(jìn)入軟件后可創(chuàng)建工程文件，點(diǎn)擊project在彈出的菜單中選擇New uvision project即可。創(chuàng)建后窗口左方會出現(xiàn)工程項(xiàng)目Tatget1。創(chuàng)建好工程項(xiàng)目后，單擊新建選項(xiàng)，在窗口中輸入源程序，保存文件的擴(kuò)展名為.ASM。然后再將寫好的源程序文件添加到工程項(xiàng)目的Sources Group中。接下來就可以對源程序進(jìn)行調(diào)試了，首先可以用Project中的build target生成目標(biāo)文件，若程序有錯(cuò)則無法生成，需根據(jù)提示對程序進(jìn)行修改，直到錯(cuò)誤和警告數(shù)目為零。再用Debug對程序進(jìn)行運(yùn)行調(diào)試，通過觀察相應(yīng)窗口的狀態(tài)來確定是否跟預(yù)期相同。然后依次完成直線插補(bǔ)程序，圓弧插補(bǔ)程序，步進(jìn)電動機(jī)控制程序調(diào)試，鍵盤掃描與顯示程序調(diào)試。

3.3 步進(jìn)電機(jī)自動升降速軟件設(shè)計(jì)

軟件自動升降速控制的基本原理是：確定定時(shí)器的初始定時(shí)常數(shù)，依據(jù)就是在升速過程中允許的啟動頻率，按一定規(guī)律不斷增加定時(shí)常數(shù)（對加法計(jì)數(shù)的定時(shí)器來講）減小中間時(shí)間間隔，加快脈沖分配頻率，在恒速過程中，保持定時(shí)常數(shù)不變；在降速過程中，按規(guī)律不斷減小定時(shí)常數(shù)，降低脈沖分配頻率，直到定時(shí)常數(shù)等于希望的制動頻率所對應(yīng)的值時(shí)，停止脈沖分配，使步進(jìn)電機(jī)制動。

升降速過程可按指數(shù)或直線（勻加速）規(guī)律控制，前者的特點(diǎn)是升降速過程短，與步進(jìn)電機(jī)的階躍響應(yīng)規(guī)律吻合，但程序設(shè)計(jì)復(fù)雜，后者的特點(diǎn)是程序簡單，但升降速過程較長。本設(shè)計(jì)中采用的是分段直線規(guī)律進(jìn)行自動升降速控制。

3.4 插補(bǔ)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)給定刀具的運(yùn)動軌跡和給定速度，采用適當(dāng)?shù)挠?jì)算方法，在運(yùn)動軌跡的起點(diǎn)和終點(diǎn)之間，計(jì)算出滿足要求的中間坐標(biāo)的過程叫插補(bǔ)。

基準(zhǔn)脈沖插補(bǔ)又稱脈沖增量插補(bǔ)或行程標(biāo)量插補(bǔ)，其主要特點(diǎn)是在順序循環(huán)計(jì)算運(yùn)動軌跡中間點(diǎn)的過程中，每次插補(bǔ)循環(huán)的輸出是下一個(gè)中間點(diǎn)的相對前中間點(diǎn)位移坐標(biāo)的增量，并以指令脈沖形式輸出。以驅(qū)動各坐標(biāo)軸的進(jìn)給，同時(shí)控制每次插補(bǔ)輸出的坐標(biāo)位移增量，即每次插補(bǔ)輸出的指令脈沖或者是一個(gè)，或者沒有。因此，在運(yùn)動軌跡的起點(diǎn)和終點(diǎn)之間，中間點(diǎn)個(gè)數(shù)是已知的，插補(bǔ)循環(huán)次數(shù)也是已知的，通過控制每次插補(bǔ)循環(huán)的時(shí)間，就可以控制總插補(bǔ)時(shí)間，從而控制運(yùn)動速度?；鶞?zhǔn)脈沖插補(bǔ)的方法很多，有脈沖乘法器法，逐點(diǎn)比較法，數(shù)字積分法，適量判別法，比較積分法；最小偏差法，單步追蹤法等，其中應(yīng)用較多的是逐點(diǎn)比較法和數(shù)字積分法。在本次設(shè)計(jì)中我們采用的是逐點(diǎn)比較法。

逐點(diǎn)比較法的基本思路：在從起點(diǎn)到終點(diǎn)的過程中，根據(jù)刀具當(dāng)前位置和給定軌跡的偏離情況，并為消除這個(gè)偏離，在其中一個(gè)坐標(biāo)軸上走一小步，這樣一步步直到終點(diǎn)。每一步都是用給定軌跡對實(shí)際軌跡進(jìn)行修正。插補(bǔ)循環(huán)一般由偏差判別，坐標(biāo)進(jìn)給，偏差函數(shù)和終點(diǎn)判別四個(gè)工作節(jié)拍組成：1）偏差判別：首先要判斷刀具當(dāng)前點(diǎn)與其要求的運(yùn)動軌跡的偏離情況，具體方法是根據(jù)要求的運(yùn)動軌跡設(shè)計(jì)一個(gè)偏差函數(shù)，該偏差函數(shù)是刀具坐標(biāo)的函數(shù)，其函數(shù)值反應(yīng)偏離情況；2）坐標(biāo)進(jìn)給：根據(jù)上面判斷的結(jié)果，發(fā)出一個(gè)進(jìn)給指令脈沖，控制刀具沿相應(yīng)坐標(biāo)軸產(chǎn)生一個(gè)脈沖當(dāng)量的位移。進(jìn)給脈沖分配給哪一個(gè)坐標(biāo)軸，正向還是負(fù)向，總的原則是用這個(gè)位移的結(jié)果糾正已有的偏離；3）偏差函數(shù)計(jì)算：用新的刀具位置坐標(biāo)重新計(jì)算偏差函數(shù)的值；4）終點(diǎn)判別：判斷刀具是否到達(dá)軌跡的終點(diǎn)，如到達(dá)軌跡終點(diǎn)則插補(bǔ)結(jié)束，否則重復(fù)開始下一個(gè)插補(bǔ)循環(huán)。

4 單片機(jī)硬件系統(tǒng)仿真

4.1 Proteus單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)仿真平臺簡介

Proteus是英國Labcenter Electtonics公司研發(fā)的EDA軟件，是模擬電路、數(shù)字電路、模數(shù)混合電路的設(shè)計(jì)與仿真平臺，其元件庫中具有最完整的單片機(jī)型號，是世界上最先進(jìn)的單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真軟件。它實(shí)現(xiàn)了在計(jì)算機(jī)上完成從原理圖設(shè)計(jì)與電路設(shè)計(jì)、電路分析與仿真、單片機(jī)代碼調(diào)試與仿真、系統(tǒng)測試與功能檢驗(yàn)證到形成PCB的完整的電子設(shè)計(jì)、研發(fā)過程。

4.2 Proteus電路設(shè)計(jì)步驟

在此次設(shè)計(jì)中主要用到該軟件的智能原理圖輸入系統(tǒng)，以完成電路設(shè)計(jì)、源程序設(shè)計(jì)及其調(diào)試仿真，步驟如下：

1）建立設(shè)計(jì)文件并保存；2）選取并放置元器件和電源、地終端；3）設(shè)置元器件屬性；4）連接電路。

4.3 源程序設(shè)計(jì)和生成目標(biāo)代碼文件

將編寫好的匯編程序輸入到系統(tǒng)中單擊SISI菜單中的Source選項(xiàng)，如圖所示，選取，在彈出的對話框中即可選取已編寫好的后綴為ASM的匯編源程序。然后再單擊Source菜單中的,即可對程序進(jìn)行編譯并生成目標(biāo)代碼文件。若程序有錯(cuò)，則窗口會提示編譯失敗，糾錯(cuò)后再次編譯直至成功。

4.4 單片機(jī)數(shù)控系統(tǒng)仿真結(jié)果

在上述步驟完成后，即編譯成功生成目標(biāo)代碼文件.HEX。單擊仿真按鈕中的開始按扭，則會開始全速仿真，單擊可暫停仿真，出現(xiàn)原代碼調(diào)試窗口，可根據(jù)仿真現(xiàn)象再次對程序進(jìn)行調(diào)試，鍵盤掃描與顯示程序的系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)仿真窗口

此外，在單擊仿真開始按扭后，若硬件電路中包含有錯(cuò)誤，同樣無法進(jìn)行仿真，錯(cuò)誤提示窗口如圖2所示，故該軟件還可以檢測硬件電路的可行性。

圖2 硬件電路錯(cuò)誤提示窗口