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数控机床以其精度高、效率高、能适应小批量复杂零件的加工等特点，在机械加工中得到日益广泛的应用；以其的柔性自动化的性能、优异而稳定的精度、灵捷而多样化的功能引起世人瞩目，它开创了机械产品向机电一体化发展的先河，因此数控技术成为先进制造技术中的一项核心技术。

本文旨在建立一个数控系统的模型，便于数控插补和其他问题的研究，适用于教学和科研。系统包括三大部分，pc上位机，mcs-51下位机和机械执行机构，主要设计内容包括：制定合适的通信协议，将NC代码转换成符合通信协议的发送文件，经编码后由PC机串口发送到下位机，实现主机对下位机的控制；下位机接收PC机的控制信号和数据，驱动步进电机从而带动工作台协同运动完成直线和圆弧插补。

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一、总体方案设计

整个模型系统分为三大块，pc部分，单片机部分，机械装置部分。系统为开环系统。

1、 PC 、MCS-51与机械部分各模块的任务

PC机完成数控代码或其它代码的读入、转换、校验，发送数据进入单片机，并且根据MCS-51返回的信息对下位机作出正确的控制。PC对MCS-51有的控制权，可在任何时候中断MCS-51的当前操作。MCS-51串口接收上位机数据存入相应单元，对数据进行校验。若校验成功,返回PC校验成功字，然后进行精插补运算，控制进给步进电机的运动，完成后请求PC发送下一帧数据；若校验失败则直接请求PC重发当前帧数据。在通信中所有的数据均以增量坐标的形式表示，单片机做直线和圆弧的精插补。

MCS-51直接控制外部硬件的运行。它接收来自PC的控制指令和信号数据，发给步进电机脉冲，步进电机带动丝杆旋转，通过螺母副驱动工作台运动。

2、单片机控制系统与相应接口

单片机控制部分采用MCS-51小系统，主控芯片选用AT89S51，系统包括：电源电路、复位电路、时钟电路、ISP下载器接口等，图2为单片机控制系统及其外围电路图。由于本系统使用了串口，选用11.0592M晶振，以便于波特率的计算，提高串口通信的可靠性。单片机系统通过线性三端稳压电源芯片LM7805，将较宽范围的电源都稳压到5V，保单片机的正常工作。为了避免输入电压反相损坏稳压芯片，在进入LM7805之前串联一只二极管，有效截止反相电压。复位电路为上电复位加按键复位。ISP下载器只从单片面引出四个端口：P1.5、P1.6、P1.6、RST以及电源正和地线，使用非常方便。

串口使用Maxim公司的max232芯片，只需四个小容量电容，接口使用DB9母头，方便与串口延长线连接。同时为了使电路具有通用性，能够适合其它场合使用，在单片机外部加入八个指示二极管、六个按键和一个蜂鸣器。对单片机端口资源分配如下：

(1)P1口：八个指示二极管；

(2)P3.2—P3.7：六个按键；

(3)P0.7：蜂鸣器；

(4)P2：步进电机控制信号；

(5)P3.0—P3.1：串行口RXD、TXD。

图2 单片机控制系统及其外围电路

PC与单片机采用RS232标准实现串口通讯，单片机与步进电机的接口由于整个电路存在高压部分和低压部分，因此中间采用一个光耦隔离元件来进行高低压的隔离，有效的防止了高压部分对低压部分的干扰，此外，须有一个功率放大电路将信号放大以驱动步进电机。

3、系统设计要求

(1)PC机主控程序设计：具有方便良好的界面；能够实现自动运行、单步运行、手动控制等功能；准确的识别数控NC代码，能够较好的识别程序中的语法错误，对代码做正确的处理并转换生成串口通信数据文件；串口通讯利用Microsoft的MSComm控件，使用VC6.0++开发环境。

(2)稳定的串口通信：设计恰当的通信协议，采用适当的数据校验方法及错误处理方案。

(3)PC对下位机的控制：PC收到发送下一帧数据的请求后，将下一帧数据装入串口发送缓冲区，发送至下位机；收到校验错误字，则重发上一帧数据。即反馈型控制方式。对于特殊功能控制，只发送经编码的特殊命令字，即进行开环的控制方式。

(4)下位机数据校验及处理：完成报文的解释，校验数据，给下位机其它程序提供正确的数据。若数据出错则向PC机申请重发。

（5）下位机根据pc发送的数据，提供步进电机控制信号，驱动工作台，实现准确的插补运动。

二、PC与单片机通讯

PC读取NC源代码，经代码转换函数转换为待发送的文件。串口控制程序从发送文件读取数据，经编码后，按的控制方式将数据发送到下位机，如图4。下位机从串口接收数据，将串口数据按协议翻译并存入数据缓冲区1特定的单元，同时计算校验字。一帧数据收完后，将校检结果与发送的校检字比较，若相同，则允许缓冲区2从缓冲区1取数据，同时向PC返回校验成功；若校验失败，则将缓冲区2中的数据更新到缓冲区1，向PC返回校验失败。缓冲区2的数据是缓冲区1的数据备份，它存储的是串口数据后一次校验成功时缓冲区1中的数据，它也是下位机插补程序要使用的数据，这样确保插补数据的正确性，流程图如图5。

上位机和下位机和协同工作，可以看到整个通信过程形成了一个闭环的控制系统。

Demag KBA125B64

Mannesmann UD-DPU415V024E00

DEMAG 584970 

Demag KBA90B4

Demag KBA140B4A 

Mannesmann KLA80B4

Mannesmann ZNA71B4

Mannesmann UD-DPU500V010E10

DEMAG REBU1-D10 

Mannesmann DBV380Z028D01

Mannesmann DBV380Z028D01

Mannesmann LDBV380Z045D00 

DEMAG CCI2102177

DEMAG CCIS134

DEMAG PP100

DEMAG 46945544

DEMAG 380Z045D00 

DEMAG KBF90A12/2

DEMAG KBF112A12/2 

MANNESMANN KLA100B4 

MANNESMANN KLA132Z42Z4 

DEMAG DPU500V016B01