专利名称：一种基于单片机的插补器的制作方法
技术领域：
本发明涉及数控机床系统领域，特别涉及数控机床系统运动控制技术领 域，具体是指数控机床运动控制系统中一种基于单片机的插补器。
背景技术：
数控机床是实现先进制造技术的重要基础装备，它关系到国家发展的战 略地位。加速发展具有较强竞争能力的国产高精度数控机床已成为我国数控 机床研究开发部门和生产厂家所面临的重要任务。为完成这一任务，必须攻 克若干关键技术，其中最关键的一项是数控机床的高精度轨迹控制技术。
数控机床运动控制系统中，高性能的插补器是数控机床实现高精度轨迹 控制的前提。衡量插补器性能的参数主要有
① .稳定性指标插补误差是否会累加。
② 插补精度指标插补精度指插补轮廓与给定轮廓的符合程度。
③ 合成速度的均匀性指标插补运算输出的进给量，经运动合成的实际 速度与给定的进给速度的符合程度。
要实现数控机床的高精度轨迹控制，我们必须对插补器的以上三项性能 同时进行改进。现有的插补技术往往在保证稳定性指标的同时，只侧重于插 补精度指标，而忽略了合成速度的均匀性指标。忽略了合成速度的均匀性指 标的结果是导致运动控制轴的速度波动过大，严重时造成加工过程中的过大 振动和噪声，降低刀具、机床的使用寿命，同时也会使数控机床的高精度轨 迹控制转术无法得以大幅度的提高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，克服现有技术中存在的问题，提供一 种用于数控机床加工控制中的基于单片机的插补器。 为了解决上述问题本发明的技术方案是这样的一种基于单片机的插补器，包括 一个连接上位机的单片机模块、脉冲 输出电路、时钟电路、复位电路，所述脉冲输出电路连接单片机模块并接收 单片机模块发出的脉冲信号，所述时钟电路连接单片机模块并为单片机模块 提供工作时钟，所述复位电路连接单片机模块并控制单片机模块的复位；所
述单片机模块内设置有插补软件程序。
所述单片机模块上设置有用于和外界连接的二十个针脚，其中有一个针
脚连接电源VCC, —个针脚接地，八个针脚连接上位机接收插补数据， 一个 针脚连接上位机接收插补方向， 一个针脚连接上位机接收使能信号， 一个针 脚连接上位机接收插补时钟。
脉冲输出电路包含两个用于上拉脉冲信号的R2、R3两个电阻和一个电源 VCC， R2和R3 —端连接单片机模块的两个针脚另一端连接电源VCC。
时钟电路包含一个有源晶振芯片，有源晶振芯片一端连接电源VCC，另 一端连接单片机模块的一个针脚，有源晶振芯片还具有一接地端。
复位电路包括一个电阻Rl和一个电容Cl,电容Cl 一段连接电源VCC 另一端连接电阻R1，电阻R1另一端接地，在电阻R1和电容C1之间的电路 上连接单片机模块的一个针脚。
本发明采用常用的单片机和一些简单的外围电路来实现整个插补器。方 法是由单片机读取上位机传来的插补命令，通过单片机内部的插补软件来实 现插补运算，并将运算结果从单片机的IO口输出。插补器对上位机提供的插 补数据和插补时钟进行中断响应，保证了插补器的插补精度。插补器还引入 了相应的数字滤波器，很好地提高了合成速度的均匀性指标。
有益效果与现有技的数控机床运动控制系统的插补器相比，本发明所 述的插补器具有成本低、结构简单、精度高、可靠性高以及适用范围广等优 点。
下面结合附图和具体实施方式
来详细说明本发明； 图1为本发明所述的插补器电路结构示意图； 图2为本发明所述的插补器主程序工作流程图；图3为本发明所述的插补器中断1工作流程图； 图4为本发明所述的插补器中断2工作流程图。
具体实施例方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了 解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。 首先为便于说明本发明的具体实现过程，我们先引入以下几个概念-
插补控制周期 一个插补数据转化成一组负脉冲输出所需要的时间。 插补数据决定一个控制周期内产生负脉冲的数量，由上位机控制输出。 插补输出的脉冲宽度插补器输出的负脉冲宽度。
插补时钟插补时钟的周期完成一次插补需要的时间，可以由上位机提供。 一个控制周期内的插补次数 一个控制周期内，插补器收到的插补时钟个
数
插补方向插补方向，控制方向输出信号由上位机输出。 参看图1
插补器的硬件有四个部分构成，单片机模块1、脉冲输出电路2、时钟电 路3、复位电路4，单片机模块l连接上位机并接收上位机的信号，脉冲输出 电路2连接单片机模块1并接收单片机模块1发出的脉冲信号，所述时钟电 路3连接单片机模块1并为单片机模块1提供工作时钟，所述复位电路4连 接单片机模块1并控制单片机模块1的复位；所述单片机模块1内设置有插 补软件程序。
所述单片机上设置有用于和外界连接的二十个针脚，其中有一个针脚20 连接电源VCC， 一个针脚10接地，八个针脚12 19连接上位机接收插补数据， 一个针脚11连接上位机接收插补方向， 一个针脚9连接上位机接收使能信号， 一个针脚7连接上位机接收插补时钟，4脚和8脚悬空。
上位机将插补数据DATA7 DATA0 (DATA7 DATA0要求为锁存输出)和插补 方向DIR送到单片机的数据接受端11 19针脚，同时把CSTB (插补器接收插 补数据的使能信号)拉高。
CSTB由低电平变成高电平，单片机进入外部中断1模式，读取插补数据DATA7 DATA0和插补方向IDIR。
单片机根据读取的插补数据DATA7 DATA0和插补方向DIR以及插补时钟 CCLK在OPUL端口输出负脉冲以及在ODIR输出方向信号。
为保证插补器的精度，要求每一个插补时钟产生一个单片机外部中断2， 插补运耸要求在中断2中完成。
插补时钟CCLK由上位机来提供，上位机可以根据具体的工作环境来调节 CCLK的频率从而改变插补器的插补时钟。
脉冲输出电路包含两个用于上拉脉冲信号的R2、R3两个电阻和一个电源 VCC, R2和R3—端连接单片机的两个针脚2 3，另一端连接电源VCC。
时钟电路包含一个有源晶振芯片，有源晶振芯片一端连接电源VCC，另 一端连接单片机模块的一个针脚5，有源晶振芯片还具有一接地端。有源晶振 可以为单片机提供工作时钟。
复位电路包括一个电阻Rl和一个电容Cl ，电容Cl 一段连接电源VCC另 一端连接电阻R1，电阻R1另一端接地，在电阻R1和电容C1之间的电路上 连接单片机模块的一个针脚1。
参看图2，图中为主程序流程，主要完成初始化功能；初始化主要包括 插补数据存放FIFO的初始化、 一个控制周期内插补次数N的初始化、方向输 出ODIR的初始化、脉冲输出端口 OPUL的初始化、多字节变量SUMP、变 量M的初始化以及单片机内部寄存器的设置(如开外部中断等)。
参看图3，图中主要为中断l对应的控制流程图，功能是读取上位机提供 的插补数据DATA7 DATA0和插补方向，并将接收到的数据放在两个变量中； 当CSTB由低电平变成高电平后，单片机进入外部中断1。在中断1中，软件 主要完成插补数据DATA7 DATA0和插补方向的读取，并将读取的结果放入 变量M和IDIR中。
参看图4，图中主要为中断2对应的流程图，它完成了插补运算，并将结 果从单片机的IO口输出。
当插补时钟信号的上升沿到来时，单片机进入外部中断2。 中断2中将完成FIFO的更新(用变量M来更新用于存放查补数据的FIFO)、 用数字滤波器对FIFO存放的插补数据的处理、以及根据处理后的插补数据从OPUL銜出负脉冲信号
OPUL端口脉冲输出条件为SUMP>=L*N*N。 滤波器窗口为L个插补周期的数字滤波器设计方法如下 要实现滤波器窗口为L的数字滤波器，FIFO的长度必须为L+l。设FIFO
内的插补数据分别为]^1，]^,1;13...1+1 ,而在一个插补周期的N次插补中，
需要累加到SUMP的值设为
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为小数，所以，以上表达式需要放大N倍。这 样的话我们在软件设计时就要根据N、 L来决定S和SUMP的数据类型(防 止它们溢出)。为了缩短CPU运行时间，必须采用迭代的算法。当每次用M 去更新FIFO内的插补数据时，先求出AS，在此后的N次计算中，每次S按 下式求
S=S+AS;
SUMP=SUMP+S;
数字滤波器的引入极大地提高了插补器合成速度的均匀性指标，使得实际 速度与给定的进给速度更加逼近。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行 业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明 书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本 发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围 内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。
权利要求
1、一种基于单片机的插补器，其特征在于，包括一个连接上位机的单片机模块、脉冲输出电路、时钟电路、复位电路，所述脉冲输出电路连接单片机模块并接收单片机模块发出的脉冲信号，所述时钟电路连接单片机模块并为单片机模块提供工作时钟，所述复位电路连接单片机模块并控制单片机模块的复位；所述单片机模块内设置有插补软件程序。
2、 .根据权利要求1所述的一种基于单片机的插补器，其特征在于，所述 单片机模块上设置有用于和外界连接的二十个针脚，其中有一个针脚连接电 源VCC， 一个针脚接地，八个针脚连接上位机接收插补数据， 一个针脚连接 上位机接收插补方向， 一个针脚连接上位机接收使能信号， 一个针脚连接上 位机接收插补时钟。
3、 根据权利要求2所述的一种基于单片机的插补器，其特征在于，脉冲 输出电路包含两个用于上拉脉冲信号的R2、 R3两个电阻和一个电源VCC， R2和R3 —端连接单片机模块的两个针脚另一端连接电源VCC。
4、 根据权利要求2所述的一种基于单片机的插补器，其特征在于，时钟 电路包含一个有源晶振芯片，有源晶振芯片一端连接电源VCC,另一端连接 单片机模块的一个针脚，有源晶振芯片还具有一接地端。
5、 根据权利要求2所述的一种基于单片机的插补器，其特征在于，复位 电路包括一个电阻R1和一个电容C1，电容C1 一段连接电源VCC另一端连 接电阻Rl,电阻R1另一端接地，在电阻R1和电容C1之间的电路上连接单 片机模块的一个针脚。
全文摘要
一种基于单片机的插补器，包括一个连接上位机的单片机模块、脉冲输出电路、时钟电路、复位电路，脉冲输出电路连接单片机模块并接收单片机模块发出的脉冲信号，时钟电路连接单片机模块并为单片机模块提供工作时钟，复位电路连接单片机模块并控制单片机模块的复位；所述单片机模块内设置有插补软件程序。本发明采用常用的单片机和一些简单的外围电路来实现整个插补器。由单片机读取上位机传来的插补命令，通过单片机内部的插补软件来实现插补运算，并将运算结果从单片机的IO口输出。插补器对上位机提供的插补数据和插补时钟进行中断响应，保证了插补器的插补精度。插补器还引入了相应的数字滤波器，很好地提高了合成速度的均匀性指标。
文档编号G05B19/414GK101620433SQ200910055480
公开日2010年1月6日 申请日期2009年7月28日 优先权日2009年7月28日
发明者宋秀龙, 汤同奎, 汪定军 申请人:上海奈凯电子科技有限公司;上海维宏电子科技有限公司