專利名稱：一種基于單片機的插補器的制作方法
技術領域：
本發明涉及數控機床系統領域，特別涉及數控機床系統運動控制技術領 域，具體是指數控機床運動控制系統中一種基于單片機的插補器。
背景技術：
數控機床是實現先進制造技術的重要基礎裝備，它關系到國家發展的戰 略地位。加速發展具有較強競爭能力的國產高精度數控機床已成為我國數控 機床研究開發部門和生產廠家所面臨的重要任務。為完成這一任務，必須攻 克若干關鍵技術，其中最關鍵的一項是數控機床的高精度軌跡控制技術。
數控機床運動控制系統中，高性能的插補器是數控機床實現高精度軌跡 控制的前提。衡量插補器性能的參數主要有
① .穩定性指標插補誤差是否會累加。
② 插補精度指標插補精度指插補輪廓與給定輪廓的符合程度。
③ 合成速度的均勻性指標插補運算輸出的進給量，經運動合成的實際 速度與給定的進給速度的符合程度。
要實現數控機床的高精度軌跡控制，我們必須對插補器的以上三項性能 同時進行改進。現有的插補技術往往在保證穩定性指標的同時，只側重于插 補精度指標，而忽略了合成速度的均勻性指標。忽略了合成速度的均勻性指 標的結果是導致運動控制軸的速度波動過大，嚴重時造成加工過程中的過大 振動和噪聲，降低刀具、機床的使用壽命，同時也會使數控機床的高精度軌 跡控制轉術無法得以大幅度的提高。
發明內容
本發明所要解決的技術問題在于，克服現有技術中存在的問題，提供一 種用于數控機床加工控制中的基于單片機的插補器。 為了解決上述問題本發明的技術方案是這樣的一種基于單片機的插補器，包括 一個連接上位機的單片機模塊、脈沖 輸出電路、時鐘電路、復位電路，所述脈沖輸出電路連接單片機模塊并接收 單片機模塊發出的脈沖信號，所述時鐘電路連接單片機模塊并為單片機模塊 提供工作時鐘，所述復位電路連接單片機模塊并控制單片機模塊的復位；所
述單片機模塊內設置有插補軟件程序。
所述單片機模塊上設置有用于和外界連接的二十個針腳，其中有一個針
腳連接電源VCC, —個針腳接地，八個針腳連接上位機接收插補數據， 一個 針腳連接上位機接收插補方向， 一個針腳連接上位機接收使能信號， 一個針 腳連接上位機接收插補時鐘。
脈沖輸出電路包含兩個用于上拉脈沖信號的R2、R3兩個電阻和一個電源 VCC， R2和R3 —端連接單片機模塊的兩個針腳另一端連接電源VCC。
時鐘電路包含一個有源晶振芯片，有源晶振芯片一端連接電源VCC，另 一端連接單片機模塊的一個針腳，有源晶振芯片還具有一接地端。
復位電路包括一個電阻Rl和一個電容Cl,電容Cl 一段連接電源VCC 另一端連接電阻R1，電阻R1另一端接地，在電阻R1和電容C1之間的電路 上連接單片機模塊的一個針腳。
本發明采用常用的單片機和一些簡單的外圍電路來實現整個插補器。方 法是由單片機讀取上位機傳來的插補命令，通過單片機內部的插補軟件來實 現插補運算，并將運算結果從單片機的IO口輸出。插補器對上位機提供的插 補數據和插補時鐘進行中斷響應，保證了插補器的插補精度。插補器還引入 了相應的數字濾波器，很好地提高了合成速度的均勻性指標。
有益效果與現有技的數控機床運動控制系統的插補器相比，本發明所 述的插補器具有成本低、結構簡單、精度高、可靠性高以及適用范圍廣等優 點。
下面結合附圖和具體實施方式
來詳細說明本發明； 圖1為本發明所述的插補器電路結構示意圖； 圖2為本發明所述的插補器主程序工作流程圖；圖3為本發明所述的插補器中斷1工作流程圖； 圖4為本發明所述的插補器中斷2工作流程圖。
具體實施例方式
為了使本發明實現的技術手段、創作特征、達成目的與功效易于明白了 解，下面結合具體圖示，進一步闡述本發明。 首先為便于說明本發明的具體實現過程，我們先引入以下幾個概念-
插補控制周期 一個插補數據轉化成一組負脈沖輸出所需要的時間。 插補數據決定一個控制周期內產生負脈沖的數量，由上位機控制輸出。 插補輸出的脈沖寬度插補器輸出的負脈沖寬度。
插補時鐘插補時鐘的周期完成一次插補需要的時間，可以由上位機提供。 一個控制周期內的插補次數 一個控制周期內，插補器收到的插補時鐘個
數
插補方向插補方向，控制方向輸出信號由上位機輸出。 參看圖1
插補器的硬件有四個部分構成，單片機模塊1、脈沖輸出電路2、時鐘電 路3、復位電路4，單片機模塊l連接上位機并接收上位機的信號，脈沖輸出 電路2連接單片機模塊1并接收單片機模塊1發出的脈沖信號，所述時鐘電 路3連接單片機模塊1并為單片機模塊1提供工作時鐘，所述復位電路4連 接單片機模塊1并控制單片機模塊1的復位；所述單片機模塊1內設置有插 補軟件程序。
所述單片機上設置有用于和外界連接的二十個針腳，其中有一個針腳20 連接電源VCC， 一個針腳10接地，八個針腳12 19連接上位機接收插補數據， 一個針腳11連接上位機接收插補方向， 一個針腳9連接上位機接收使能信號， 一個針腳7連接上位機接收插補時鐘，4腳和8腳懸空。
上位機將插補數據DATA7 DATA0 (DATA7 DATA0要求為鎖存輸出)和插補 方向DIR送到單片機的數據接受端11 19針腳，同時把CSTB (插補器接收插 補數據的使能信號)拉高。
CSTB由低電平變成高電平，單片機進入外部中斷1模式，讀取插補數據DATA7 DATA0和插補方向IDIR。
單片機根據讀取的插補數據DATA7 DATA0和插補方向DIR以及插補時鐘 CCLK在OPUL端口輸出負脈沖以及在ODIR輸出方向信號。
為保證插補器的精度，要求每一個插補時鐘產生一個單片機外部中斷2， 插補運聳要求在中斷2中完成。
插補時鐘CCLK由上位機來提供，上位機可以根據具體的工作環境來調節 CCLK的頻率從而改變插補器的插補時鐘。
脈沖輸出電路包含兩個用于上拉脈沖信號的R2、R3兩個電阻和一個電源 VCC, R2和R3—端連接單片機的兩個針腳2 3，另一端連接電源VCC。
時鐘電路包含一個有源晶振芯片，有源晶振芯片一端連接電源VCC，另 一端連接單片機模塊的一個針腳5，有源晶振芯片還具有一接地端。有源晶振 可以為單片機提供工作時鐘。
復位電路包括一個電阻Rl和一個電容Cl ，電容Cl 一段連接電源VCC另 一端連接電阻R1，電阻R1另一端接地，在電阻R1和電容C1之間的電路上 連接單片機模塊的一個針腳1。
參看圖2，圖中為主程序流程，主要完成初始化功能；初始化主要包括 插補數據存放FIFO的初始化、 一個控制周期內插補次數N的初始化、方向輸 出ODIR的初始化、脈沖輸出端口 OPUL的初始化、多字節變量SUMP、變 量M的初始化以及單片機內部寄存器的設置(如開外部中斷等)。
參看圖3，圖中主要為中斷l對應的控制流程圖，功能是讀取上位機提供 的插補數據DATA7 DATA0和插補方向，并將接收到的數據放在兩個變量中； 當CSTB由低電平變成高電平后，單片機進入外部中斷1。在中斷1中，軟件 主要完成插補數據DATA7 DATA0和插補方向的讀取，并將讀取的結果放入 變量M和IDIR中。
參看圖4，圖中主要為中斷2對應的流程圖，它完成了插補運算，并將結 果從單片機的IO口輸出。
當插補時鐘信號的上升沿到來時，單片機進入外部中斷2。 中斷2中將完成FIFO的更新(用變量M來更新用于存放查補數據的FIFO)、 用數字濾波器對FIFO存放的插補數據的處理、以及根據處理后的插補數據從OPUL銜出負脈沖信號
OPUL端口脈沖輸出條件為SUMP>=L*N*N。 濾波器窗口為L個插補周期的數字濾波器設計方法如下 要實現濾波器窗口為L的數字濾波器，FIFO的長度必須為L+l。設FIFO
內的插補數據分別為]^1，]^,1;13...1+1 ,而在一個插補周期的N次插補中，
需要累加到SUMP的值設為
S = Mi*(W —1)/W + M2 + M3….+ M丄"/w;
S = M" 〃+M2+M3"..+* (H)/W; S = Af2*(AT — l)/7V + M3— + Mi+1 + M/W;
S = M2/W + M2 + M3"" + Mw + M*(W-l)/W;
由于每次算出的增量都不能為小數，所以，以上表達式需要放大N倍。這 樣的話我們在軟件設計時就要根據N、 L來決定S和SUMP的數據類型(防 止它們溢出)。為了縮短CPU運行時間，必須采用迭代的算法。當每次用M 去更新FIFO內的插補數據時，先求出AS，在此后的N次計算中，每次S按 下式求
S=S+AS;
SUMP=SUMP+S;
數字濾波器的引入極大地提高了插補器合成速度的均勻性指標，使得實際 速度與給定的進給速度更加逼近。
以上顯示和描述了本發明的基本原理、主要特征和本發明的優點。本行 業的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明 書中描述的只是說明本發明的原理，在不脫離本發明精神和范圍的前提下本 發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明范圍 內。本發明要求保護范圍由所附的權利要求書及其等同物界定。
權利要求
1、一種基于單片機的插補器，其特征在于，包括一個連接上位機的單片機模塊、脈沖輸出電路、時鐘電路、復位電路，所述脈沖輸出電路連接單片機模塊并接收單片機模塊發出的脈沖信號，所述時鐘電路連接單片機模塊并為單片機模塊提供工作時鐘，所述復位電路連接單片機模塊并控制單片機模塊的復位；所述單片機模塊內設置有插補軟件程序。
2、 .根據權利要求1所述的一種基于單片機的插補器，其特征在于，所述 單片機模塊上設置有用于和外界連接的二十個針腳，其中有一個針腳連接電 源VCC， 一個針腳接地，八個針腳連接上位機接收插補數據， 一個針腳連接 上位機接收插補方向， 一個針腳連接上位機接收使能信號， 一個針腳連接上 位機接收插補時鐘。
3、 根據權利要求2所述的一種基于單片機的插補器，其特征在于，脈沖 輸出電路包含兩個用于上拉脈沖信號的R2、 R3兩個電阻和一個電源VCC， R2和R3 —端連接單片機模塊的兩個針腳另一端連接電源VCC。
4、 根據權利要求2所述的一種基于單片機的插補器，其特征在于，時鐘 電路包含一個有源晶振芯片，有源晶振芯片一端連接電源VCC,另一端連接 單片機模塊的一個針腳，有源晶振芯片還具有一接地端。
5、 根據權利要求2所述的一種基于單片機的插補器，其特征在于，復位 電路包括一個電阻R1和一個電容C1，電容C1 一段連接電源VCC另一端連 接電阻Rl,電阻R1另一端接地，在電阻R1和電容C1之間的電路上連接單 片機模塊的一個針腳。
全文摘要
一種基于單片機的插補器，包括一個連接上位機的單片機模塊、脈沖輸出電路、時鐘電路、復位電路，脈沖輸出電路連接單片機模塊并接收單片機模塊發出的脈沖信號，時鐘電路連接單片機模塊并為單片機模塊提供工作時鐘，復位電路連接單片機模塊并控制單片機模塊的復位；所述單片機模塊內設置有插補軟件程序。本發明采用常用的單片機和一些簡單的外圍電路來實現整個插補器。由單片機讀取上位機傳來的插補命令，通過單片機內部的插補軟件來實現插補運算，并將運算結果從單片機的IO口輸出。插補器對上位機提供的插補數據和插補時鐘進行中斷響應，保證了插補器的插補精度。插補器還引入了相應的數字濾波器，很好地提高了合成速度的均勻性指標。
文檔編號G05B19/414GK101620433SQ200910055480
公開日2010年1月6日 申請日期2009年7月28日 優先權日2009年7月28日
發明者宋秀龍, 湯同奎, 汪定軍 申請人:上海奈凱電子科技有限公司;上海維宏電子科技有限公司