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數(shù)控機(jī)床/銑床展廳數(shù)控銑床, 搖臂銑床, 立式銑床, 轉(zhuǎn)塔銑床, 炮塔銑床, ... |
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摘要：介紹了微型計(jì)算機(jī)在改造鞋底花紋加工設(shè)備中的應(yīng)用，對單片機(jī)的控制過程和軟件設(shè)計(jì)技巧進(jìn)行了闡述，同時(shí)還介紹了工業(yè)現(xiàn)場控制系統(tǒng)抗干擾的有效方法。
關(guān)鍵詞：單片機(jī)；坐標(biāo)銑；抗干擾的方法
1概述
90年代初，我國機(jī)械加工行業(yè)實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化對舊式機(jī)床進(jìn)行了不同程度的改造。我們在參與此項(xiàng)工作時(shí)，仔細(xì)分析了工廠的實(shí)際情況，本著勤儉節(jié)約、降低改造成本的原則，采用數(shù)字控制系統(tǒng)作為步進(jìn)電機(jī)的主要控制裝置，對加工鞋底花紋的銑床進(jìn)行了改造，從而縮短了機(jī)械加工周期，提高了加工精度和生產(chǎn)效率。控制系統(tǒng)見圖1。系統(tǒng)的CAM工作主要是通過單片機(jī)控制完成的，單片機(jī)按照輸入的加工程序進(jìn)行插補(bǔ)等各種運(yùn)算產(chǎn)生進(jìn)給量，由軟硬件相結(jié)合的技術(shù)實(shí)現(xiàn)脈沖分配，輸出一系列脈沖信號，經(jīng)過功放驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)工作，實(shí)現(xiàn)了刀具按照規(guī)定曲線軌跡運(yùn)動的加工。
圖1微機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)框圖
2系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.1單片機(jī)工作原理
步進(jìn)電機(jī)具有輸出力矩較大、驅(qū)動簡單、控制精度高、容易與數(shù)字電路接口等優(yōu)點(diǎn)，在改造過程中，我們采用功能價(jià)格比合理的單片微處理機(jī)系統(tǒng)μPS，構(gòu)成直接輸出步進(jìn)電機(jī)所需驅(qū)動信號。X向、Y向、Z向步進(jìn)電機(jī)通過單片μPS程序分別從擴(kuò)展的I/O接口電路中獲得驅(qū)動脈沖信號(φx、φy、φz）、正反轉(zhuǎn)選擇信號（Sx、Sy、Sz）、置零信號（Se）以及聯(lián)動信號（Sxy、Sxz、Syz），用于驅(qū)動機(jī)械傳動(滾珠絲杠)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€位移，進(jìn)行位置和速度控制。因?yàn)?a title="中國步進(jìn)電機(jī)網(wǎng)" href="http://www.96woool.com/product/list.php?catid=186" target="_blank">步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的步數(shù)是由驅(qū)動脈沖的個(gè)數(shù)決定的。所以根據(jù)這一工作原理只要不斷改變繞組的通電狀態(tài)，步進(jìn)電機(jī)就會按規(guī)定方向運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)確定單片機(jī)晶振時(shí)，脈沖信號的最高頻率也就確定了。設(shè)計(jì)單片機(jī)程序?qū)⒉竭M(jìn)電機(jī)繞組的各種不同通電方式按照二進(jìn)制編碼列表編程(見表1)，執(zhí)行不同次數(shù)的查表語句，輸出脈沖的頻率亦隨之變化。圖2是X方向脈沖分配子程序框圖。
圖2X向脈沖分配子程序框圖
表1 脈沖分配表
| 地址 | 代碼值 | 通電順序(A、B、C) |
| TAB+1 | 0BH | 100 |
| TAB+2 | 09H | 110 |
| TAB+3 | 0DH | 010 |
| TAB+4 | 0CH | 011 |
| TAB+5 | 0EH | 001 |
| TAB+6 | 0AH | 101 |
注：1——通電0——斷電
2.2銑床加工與控制軟件
改造后的銑床可用手控操縱，也可通過計(jì)算機(jī)編程自動控制。從硬件上配以步進(jìn)電機(jī)為執(zhí)行元件；從軟件上開發(fā)計(jì)算機(jī)CAD/CAM程序，使之成為加工的控制器。鞋底花紋加工的軟件參數(shù)主要是根據(jù)工藝要求和輕工業(yè)部部頒標(biāo)準(zhǔn)編程，由系統(tǒng)PC機(jī)(上位機(jī))計(jì)算后，通訊給單片機(jī)(下位機(jī))執(zhí)行控制步進(jìn)電機(jī)完成的。
設(shè)計(jì)的CAD軟件具有對膠鞋大底的底樣進(jìn)行樣條曲線擬合、邊框設(shè)計(jì)和求任意平面曲線交點(diǎn)的功能；具有鞋底放樣、花紋圖案設(shè)計(jì)、拼合設(shè)計(jì)和系列化設(shè)計(jì)的功能；具有圖形變換、映射成對設(shè)計(jì)的功能；具有計(jì)算顯示加工刀具運(yùn)動軌跡的功能；具有數(shù)據(jù)處理并將刀具軌跡直接傳輸給I/O接口進(jìn)行加工的功能。實(shí)施加工時(shí)考慮到系統(tǒng)設(shè)計(jì)為開環(huán)控制，其精度較閉環(huán)系統(tǒng)差的問題，采用交互式輸入工藝參數(shù)、工件加工設(shè)置絕對零點(diǎn)、確定加工工藝路線、消除舍入誤差的累積效應(yīng)和間隙補(bǔ)償?shù)确椒▉斫鉀Q。其中交互式輸入工藝參數(shù)的方法是對加工花紋深度不同，便于提示操作者而采用的一種便利方法；設(shè)置絕對零點(diǎn)的方法是因?yàn)殚_環(huán)控制沒有可靠的絕對零點(diǎn)，花紋板數(shù)據(jù)量大，加工時(shí)間較長，于是就在模板上鉆一個(gè)錐孔作為對刀點(diǎn)(圖3)，編程加工時(shí)總以該點(diǎn)為加工起點(diǎn)，自動給出由該點(diǎn)到實(shí)際加工起點(diǎn)的空行程指令，這樣在加工過程中出現(xiàn)意外情況時(shí)，有恢復(fù)加工的能力。加工工藝路線是由幾何模型數(shù)據(jù)庫決定的，是為提高加工效率，希望刀具空行程路線盡量短、盡量減少曲線加工過程的反向間隙而采用的方法。消除舍入誤差的累積效應(yīng)和間隙補(bǔ)償?shù)姆椒ㄔ陂_環(huán)控制系統(tǒng)中是必不可少的。因?yàn)榧庸ぶ噶疃际怯孟鄬ψ鴺?biāo)編程的，每條指令都需對不是一個(gè)脈沖當(dāng)量的部分進(jìn)行舍入取整，不可避免地會有舍入誤差出現(xiàn)，在加工時(shí)若舍入誤差累積量增大，將會嚴(yán)重地影響鞋底花紋的加工質(zhì)量。選擇使用絕對坐標(biāo)處理數(shù)據(jù)，編程時(shí)在曲線間記錄上一條曲線的終點(diǎn)到對刀點(diǎn)實(shí)際走的脈沖個(gè)數(shù)，本條曲線的起點(diǎn)到對刀點(diǎn)應(yīng)該走的脈沖個(gè)數(shù)，以此兩者之差作為曲線間的空行程數(shù)。這樣從數(shù)值上就能保證到各條曲線起點(diǎn)處所發(fā)出的脈沖數(shù)是準(zhǔn)確的，從而把舍入誤差限制在一條曲線內(nèi)。對傳動間隙的補(bǔ)償主要是判斷加工行程方向，當(dāng)某一個(gè)坐標(biāo)軸接受了反向指令時(shí)，該坐標(biāo)軸在進(jìn)行脈沖分配控制前，調(diào)用間隙補(bǔ)償子程序，發(fā)出一定數(shù)量的間隙補(bǔ)償進(jìn)給脈沖，使工作臺自動越過傳動間隙，然后再按指令脈沖移動，就消除了傳動間隙誤差。
圖3兩維鞋底外廓曲線圖
在處理意外事故如突然停電、斷刀等，要注意暫停位置不是事故發(fā)生的位置，確定事故發(fā)生在哪一條指令內(nèi)是很重要的。記錄對刀點(diǎn)，換刀后重新對點(diǎn)，指定指令序號重新傳輸數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)軟件可以自動跳過指定條件以前的指令，不必保存刀具位置的當(dāng)前信息，快速釋放部分存儲空間，此方法對處理意外事故行之有效。
2.3主要技術(shù)指標(biāo)
舊設(shè)備技術(shù)改造后，主要技術(shù)指標(biāo)為：
(1)步進(jìn)電機(jī)脈沖當(dāng)量為0.01。
(2)X、Y、Z軸最大行程為5000mm×3500mm×600mm。
(3)加工圓弧時(shí)允許的最大半徑為2800mm。
(4)刀點(diǎn)切向運(yùn)動速度
該速度分為30級，0級為最低是9.20mm/min，29級為最高級是200.00mm/min，級差約為6.00mm/min(其中圓弧加工允許最高速度為20級，直線加工允許最高速度為29級。快速定位只能沿坐標(biāo)軸方向運(yùn)動，其運(yùn)動速度不受級別限制，直接可達(dá)到320.00mm/min)。
(5)單片μPS中memory一次最多能容納用戶程序約9000個(gè)ASC Ⅱ碼。
(6)實(shí)際加工曲線和理論曲線在法向上的最大誤差小于0.4個(gè)脈沖當(dāng)量。
(7)加工斜線可以三坐標(biāo)軸聯(lián)動、兩坐標(biāo)軸聯(lián)動，加工圓弧是X、Y方向兩坐標(biāo)軸聯(lián)動。
3抗干擾設(shè)計(jì)
為了保證加工質(zhì)量，考慮到工業(yè)現(xiàn)場的環(huán)境、干擾因素等情況，在設(shè)計(jì)和調(diào)試過程中，對μPS控制系統(tǒng)采用軟硬件相輔相成的方法進(jìn)行防干擾設(shè)計(jì)，主要采用下面四種方法：
(1)采用高抗干擾性電源。二次變配電進(jìn)入機(jī)加工車間時(shí)，已經(jīng)過一些有效地抑制電網(wǎng)中尖端干擾的電路。選用低功能、工作電壓范圍寬、高抗擾性能的開關(guān)電源為計(jì)算機(jī)的電源，就能保證供電電源的質(zhì)量。
(2)采用“全浮空”技術(shù)。在μPS的I/O接口與功放電路之間采用光電隔離技術(shù)，使其地線獨(dú)立，以抑制干擾信號的產(chǎn)生和傳導(dǎo)。
(3)采用“獨(dú)立通道”技術(shù)。“浮空”技術(shù)雖可有效地抑制共模干擾，但對消除工業(yè)現(xiàn)場周圍的電磁干擾能力不夠，在硬件上采用屏蔽、濾波、消抖等方法和軟件上采用分級管理控制的方式，可以有效地抑制這種干擾。
(4)采用“模塊化”設(shè)計(jì)方法。編制軟件以模塊化設(shè)計(jì)方法為主，輔以中斷、冗余、數(shù)據(jù)濾波、防程序跑飛、數(shù)據(jù)打包等防干擾手段，從而進(jìn)一步提高了改造系統(tǒng)的可靠性。
4結(jié)束語
對舊銑床改造的實(shí)踐表明：整機(jī)加工性能穩(wěn)定可靠、抗干擾能力強(qiáng)、便于維修和故障處理。生產(chǎn)效率比原來提高了70%。
參考文獻(xiàn)
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