经济型数控系统组成及优化方法

经济型数控系统从控制方法来看，一般是指开环数控系统。其具有结构简单、造价低、维修调试方便、运行维护费用低等优点，但受步进电动机矩频特性及精度、进给速度、力矩三者之间相互制约，性能的提高受到限制。所以，经济型数控系统常用于数控电火花线切割机床及一些速度和精度要求不高的经济型数控车床、铣床等。同时，在普通机床的数控化改造中也得到了较广泛的应用。

1.数控系统结构及功能

经济型数控系统根据其应用场合不同，功能有所区别，但就总体结构而言大致相同。图5-2所示为经济型数控系统的一般结构，主要由以下几个部分结构。

图5-2　经济型数控系统的一般结构

（1）微机。微机主要包括中央处理器（Central Processing Unit，CPU）、可擦除可编程只读存储器（Erasable Programmable Read-Only Memory，EPROM）、随机存储器（Random Access Memory，RAM）和输入/输出接口（Input/Output Interface，I/O）等。

（2）驱动。驱动由步进驱动装置与步进电动机构成。在经济型数控系统中步进电动机一般为功率式步进电动机。

（3）开关量控制电路。开关量控制电路负责机床侧输入/输出开关及机床操作面板与微机的连接，涉及M、S、T指令的执行。

（4）主轴控制。主轴控制由主轴电动机及主轴驱动装置组成。

（5）通信接口。通信接口一般指RS-232C接口，完成数控系统与微机的通信。

（6）软件系统。软件系统由系统软件与应用软件构成。

2.微机系统

微机是CNC系统的核心部件，可采用单微机系统或多微机系统，其主要职责是完成CNC的控制与计算，在硬件方面主要包含以下几方面内容。

（1）微机机型的选择。经济型数控系统常采用单片机为主控微机，如Intel公司的8031、8098等。就当前情况来看，经济型数控系统选择8098较为经济合理，因其运算速度是8031的5～6倍；但8031位处理功能很强，很适合于开关量控制。

（2）存储器的扩充。存储器可分为数据存储器与程序存储器，一般程序存储器主要存放系统的监控程序与控制程序，用户无须修改，常采用EPROM的存储器，如2764或27256芯片。数据存储器用来存放用户程序、中间参数、运算结构等，常采用6264或62256芯片。

（3）I/O接口电路。常用并行接口芯片8255A来扩展系统I/O接口的点数，用8279来控制键盘/显示，至于定时器、计数器与中断系统，一般I/O接口电路由单片机本身的资源提供。

（4）辅助电路。辅助电路主要包括驱动电路、译码电路、复位电路等。驱动电路主要采用单向驱动芯片244与双向驱动芯片245；译码电路主要包括三一八译码器138；复位电路主要有上电复位电路与按钮复位电路，或二者的组合复位电路。(www.xing528.com)

3.外围电路

外围电路主要包括输入/输出通道、步进电动机的驱动与主轴驱动等。

（1）输入/输出通道。输入/输出通道要充分考虑电平匹配、缓冲/锁存、信号隔离等因素，以防止信号的丢失及干扰的引入。一般对信号的隔离常采用光电隔离，该隔离方式设计简单，成本较低，而且信号隔离也较为可靠。

（2）步进电动机的驱动。步进电动机的驱动主要有高低压驱动、恒流斩波驱动等。

（3）主轴驱动。主轴驱动有直流驱动和交流驱动。数控系统中的微机根据数控程序中的S（主轴转速）指令，求出主轴转速进给定值，并将给定值传送给主轴驱动装置。当采用交流交频方式时，频率给定主要有两种方式，一种为模拟量给定，另一种为数字量给定。当用模拟量给定转速时，可将微机输出的数字量经数模（Digital-to-Analog，D/A）转换、隔离及放大滤波后送到变频器；当用数字量给定转速时，可直接经8255A输出，经隔离后送至变频器。

4.软件结构

经济型数控系统的软件主要完成系统的监控与控制功能，主要包括输入数据处理程序、插补运算程序、速度控制程序及系统管理诊断程序。

（1）输入数据处理程序。输入数据处理程序的处理内容如下。

①输入。输入主要是指由用户从操作面板上输入控制参数、补偿数据及加工程序，一般均采用键盘直接输入，故软件的作用主要是字符的读取与存取。

②译码。在输入的加工程序中，含有零件的轮廓信息、要求的加工速度及一些辅助信息（如主轴正、反转、停、换刀，切削液开、关等），这些信息在微机进行插补运算与控制操作之前必须翻译成机器所能识别的代码，即译码，在软件设计时常采用编译方式来完成译码。

③数据处理。数据处理主要包括刀具补偿、速度计算及辅助功能的处理等。刀具补偿可以采用B刀补（刀具半径补偿）或C刀补，从工艺角度来看C刀补较好。C刀补由于计算机复杂，运算时间较长，因此将刀补计算一次完成，得出刀具中心轨迹，运行时就可以不再进行刀具补偿运算了。对于要求不高的场合，可舍去刀补计算。速度计算主要是决定该加工数据段应采用什么样的速度来加工。

（2）插补运算程序。插补运算程序是实时性很强的程序，而且算法较多，应根据系统的需要选择合适的算法，力争最优化地实现各坐标轴脉冲的分配。经济型数控系统通常采用基准脉冲插补的方式。

（3）速度控制程序。速度控制是和插补运算紧密相关的，在输入指令中所给的速度一般指各坐标轴的合成速度，速度处理首先要将合成速度分解成各运动坐标方向的分速度，然后再利用软件延时或定时器实现速度的控制。速度控制程序决定着插补运算的时间间隔，插补运算的输出结构控制着各坐标轴的进给。

（4）系统管理诊断程序。系统管理诊断程序分为管理程序和诊断程序，具体说明如下。

①管理程序。管理程序实质是系统监控程序，它主要负责键盘/显示的监控、中断信号的处理及各功能模块的协调。如能实现程序并行处理，则可在插补运算与速度控制的空闲时刻完成数据的输入处理，从而大大提高程序的实时性。

②诊断程序。诊断程序主要包括系统的自诊断（如开机运行前，检查系统上各种部件的功能正常与否）和运行诊断，并能在故障发生后给出相应的报警信息，以帮助维修人员较快地找出故障原因，以利于故障诊断和维修。