基于单片机的数控机床刀架控制器的设计(2)
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3刀架控制器的驱动程序设计
一般而言，软件结构首先要受到硬件的限制，但软件结构也有其独立性，对于同样的硬件结构，可以配置不同的软件结构。本文介绍的刀架控制器系统是一个实时的微机控制系统，其数控功能由各功能子程序实现。不同的系统软件结构对这些子程序的安排方式不同，管理方式也不同。本文根据BSV－N/25系列刀架的运转规律和刀架换刀时序，采用前后台型软件结构和中断型软件结构相结合的方式设计刀架控制器的驱动程序。使用Keil软件uVision2集成开发环境(IDE)进行设计，主要包括以下几个方面:(1)BSV－N/25刀架控制开关量采集程序采用定时中断查询、软件滤波方式进行设计。
(2)BSV－N/25刀架时序控制程序采用查询、软件廷时、定时器定时相结合的算法设计。
(3)刀架控制器与普通数控装置之间通过PLC接口，按照自定义的协议进行通讯。
3.1刀架控制器与数控装置的通讯协议刀架控制器与数控装置通过PLC(I/0)接口相连，其接口信号与计算机打印接口信号相似。当数控机床需要换刀时，数控装置首先检测刀架控制器发出的“ERROR”和“BUSY”信号，当控制器“ERROR”为“0”和“BUSY”为“1”(即控制器正常并且允许接收换刀命令信号)时，数控装置将目标刀号送到CD0～CD3，同时发出换刀命令(“CSTB”下降沿信号由1到0)，AT89C51单片机接收到换刀指令后，将目标刀号读入;并置刀架换刀开始信号“BUSY”为“0”，并接时序要求，完成换刀控制。换刀结束后，“BUSY”为“1”。
当换刀失败出现故障时，AT89C51单片机置“ERROR”信号为“1”。当数控装置读到“ERROR”信号为“1”时，便知道刀架控制器出现故障，通知管理人员排除故障，故障排除后，发出复位命令“RESET”(下降沿信号由1到0)，刀架控制器收到复位命令“RESET”，进行复位。刀架控制器与数控装置通讯协议如图7所示。
信号说明:
CSTB下降沿由1→0:数控装置发出换刀命令;CSTB上升沿由0→1:终止换刀。
BUSY下降沿由1→0:刀架控制器控制刀架开始换刀;BUSY上升沿由0→1:刀架控制器应答换刀完成。
ERROR低电平0:刀架工作正常;ERROR高电平1:刀架出现故障。
RESET下降沿由1→0:数控装置发出复位命令使刀架控制器复位。
3.2刀架控制器程序设计算法
刀架控制器主程序框图如图8所示。在主程序中调用初始化子程序init_data()初始化单片机AT89C51端口PORT0～3、定时器time0、time1工作方式，初始化全局变量，设置中断源优先级别、读刀架当前刀具位置BIT0～BIT3，循环查询上位机是否发出复位、换刀命令，刀架电动机是否过热，换刀动作过程是否超时等信号，循环调用看门狗定时器刷新子程序watchdog()。
当刀架控制器查询到上位机发出的复位、换刀命令后，分别调用刀架初始化子程序、自检子程序cutter_self_check()。自检通过，无故障且检测命令刀号正确后，根据刀架当前刀号决定是正向还是反向就近换刀，调用刀架换刀运动过程控制程序，向上位机通报正在换刀。换刀结束后，向上位机通报正在换刀情况:换刀任务是正常完成，还是出现故障。
就近换刀就是根据上位机命令刀号CD0～CD3、刀架当前刀号BIT0～BIT3及它们之间的相对位置关系，使刀架沿最短路径旋转到达目标位置。具体算法如下:如果0<(命令刀号－机床刀号)≤6或(命令刀号－机床刀号)<0且(命令刀号－机床刀号)+12≤6，则刀架正转换刀，其它情况下，刀架反转换刀。
5结语
本文所设计的刀架控制器经过硬件测试，软件测试及与数控装置、BSV－N/25系列刀架实际联机调试并交与机床用户实际使用验证，功能正常，运行可靠，符合设计要求。满足了用户既实用，价格又低的要求。
实现了中低挡数控装置对高挡BSV－N/25系列刀架的控制，结果达到了预期的目标。
参考文献
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4叶伯生.计算机数控系统原理、编程与操作［M］.武汉:华中理工大学出版社，1999.
第一作者:周岐荒，男，1964年生，主任工程师，主要从事数控系统研发、设计工作。