萬能工具磨床的數(shù)控改造研究
2018-1-4 來源： 臺(tái)州北平機(jī)床有限公司 作者： 虞榮華
【摘要】: 隨著我國工業(yè)生產(chǎn)水平的不斷提升，工業(yè)產(chǎn)品開始朝著小、精、專的方向發(fā)展，對(duì)萬能工具磨床的施工精度提出了更高的要求。文章主要就萬能工具磨床的數(shù)控改造工作進(jìn)行了研究分析。
【關(guān)鍵詞】: 萬能工具磨床; 數(shù)控改造; 施工精度
我國裝備制造行業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)萬能工具磨床的價(jià)格、質(zhì)量以及運(yùn)行效率提出了更高的要求。但是現(xiàn)階段大多數(shù)企業(yè)所使用的萬能工具磨床還是手工操作的普通磨床，存在效率低下、加工精度不足等諸多問題，難以滿足現(xiàn)階段的市場(chǎng)需求。在這一形勢(shì)下，企業(yè)只有對(duì)現(xiàn)有的萬能工具磨床進(jìn)行合理的數(shù)控改造，才能進(jìn)一步提升自身的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力，得到良好的發(fā)展。
1. 產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)與原理圖簡(jiǎn)析
本次進(jìn)行數(shù)控改造的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。其在磨床的底座上面設(shè)置有粗磨磨頭直線移動(dòng)軸X 軸，精磨磨頭直線移動(dòng)軸A 軸，工件下直線移動(dòng)軸Z 軸，工件上直線移動(dòng)軸Y 軸以及工件回轉(zhuǎn)軸B 軸。借助于數(shù)控系統(tǒng)的合理控制能夠進(jìn)行4 個(gè)直線坐標(biāo)軸的分動(dòng)與聯(lián)動(dòng)控制，并能夠借助于B 軸來進(jìn)行速度的合理調(diào)整。該產(chǎn)品所配置的數(shù)控系統(tǒng)具備有良好的穩(wěn)定性與可靠性，并能夠完成各種形狀工件所需的復(fù)合運(yùn)動(dòng)控制，具備有自動(dòng)編程、自動(dòng)調(diào)節(jié)、實(shí)時(shí)監(jiān)控以及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等多項(xiàng)功能，其采用的是閉環(huán)控制的控制模式，能夠?qū)ξ灰凭鹊恼`差進(jìn)行有效的反饋與補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)工件在磨削過程中的精確位移。此外，該產(chǎn)品還采用了智能菜單式加工軟件，能夠有效降低各種人為因素產(chǎn)生的影響，使加工性能得到進(jìn)一步提升。
2. 萬能工具磨床數(shù)控硬件的改造設(shè)計(jì)
在進(jìn)行萬能工具磨床數(shù)控系統(tǒng)的改造過程中，利用對(duì)脈沖發(fā)出的時(shí)間間隔進(jìn)行改變的模式來進(jìn)行步進(jìn)電機(jī)的速度控制。為了使其控制精度得到進(jìn)一步的提升，也就需要通過定時(shí)器來進(jìn)行時(shí)間的黑控制，這樣一方面能夠充分發(fā)揮出硬件的實(shí)時(shí)性優(yōu)勢(shì)，另一方面也能夠有效降低軟件的任務(wù)。在進(jìn)行數(shù)控系統(tǒng)的改造過程中，可以將單片機(jī)作為核心部件，然后借助于單片機(jī)的構(gòu)成系統(tǒng)來從元件級(jí)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)置，并需要根據(jù)任務(wù)的需求進(jìn)行單片機(jī)、存儲(chǔ)器、接口以及外圍設(shè)備的合理選擇與配置，從而構(gòu)成該萬能工具磨床的數(shù)控系統(tǒng)。
2.1 伺服電機(jī)模塊的改造
伺服電機(jī)其接上位指令可以使模擬指令以及脈沖指令這兩種模式在伺服電機(jī)中，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度與電壓呈線性關(guān)系，因此模擬指令能夠通過對(duì)輸出電壓的大小進(jìn)行控制的模式來進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度的有效控制，但其位置控制的精準(zhǔn)性不足。而脈沖指令則能夠直接根據(jù)輸出脈沖的頻率來對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，并具備精準(zhǔn)的位置控制效果。
伺服電機(jī)自帶的編碼器能夠進(jìn)行脈沖信號(hào)的輸出，并可以直接將該脈沖信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行加工生產(chǎn)環(huán)節(jié)的控制。但是在實(shí)際工作過程中，機(jī)床需要牽涉比較多的電器設(shè)備，其編碼器PAO 口以及PBO 口的輸出信號(hào)容易受到外界因素的干擾，并出現(xiàn)計(jì)數(shù)不準(zhǔn)等情況。通過伺服電機(jī)組成閉環(huán)系統(tǒng)，電機(jī)運(yùn)動(dòng)以及編碼器所發(fā)出的脈沖信號(hào)能夠盡可能避免外界因素的干擾，并使總控制系統(tǒng)可以很好地接收反饋信號(hào)，判斷該電機(jī)轉(zhuǎn)過所需的角度。為了識(shí)別反饋通道中的反饋信號(hào)是否被干擾，可以借助于PAO、PBO 等信號(hào)的變化規(guī)律對(duì)這些反饋信號(hào)進(jìn)行校驗(yàn)處理，并在確定是因?yàn)殡姍C(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)所引起的編碼器反饋之后，系統(tǒng)才得以認(rèn)可，進(jìn)行伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度以及位置的精準(zhǔn)控制。因此說通過對(duì)反饋口信號(hào)進(jìn)行校驗(yàn)處理的模式能夠有效排除各種外界因素的干擾，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制這一目的。
2.2 矩陣鍵盤模塊
在進(jìn)行矩陣鍵盤模塊的改造與設(shè)計(jì)過程中，其主要內(nèi)容集中在鍵盤的操作部分，并擁有參數(shù)設(shè)定、啟動(dòng)以及停止等操作功能。矩陣鍵盤模塊功能分析如下:
（1）參數(shù)的設(shè)定: 在萬能工具磨床的數(shù)控系統(tǒng)開始運(yùn)行之前，首先需要進(jìn)行步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行速度以及運(yùn)行總步數(shù)的輸入，這就需要通過按鍵輸入數(shù)值的方式來對(duì)該數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)的傳入。
（2）系統(tǒng)的啟動(dòng)與停止操作: 要想實(shí)現(xiàn)該數(shù)控系統(tǒng)的啟動(dòng)、停止以及左右位移操作，也就需要在操控鍵盤上進(jìn)行相關(guān)的按鍵開關(guān)的設(shè)置，從而取得一個(gè)良好的數(shù)控效果。本系統(tǒng)采用的鍵盤中的按鍵分為數(shù)字鍵以及功能鍵兩個(gè)部分，其中功能鍵包含速度/ 行程鍵、單向/ 往復(fù)鍵、左/右移鍵、啟動(dòng)鍵、停止鍵以及確認(rèn)鍵等鍵位，并通過中斷方式這一鍵盤接入方式來進(jìn)行信息的輸入，并能夠直接將這些參數(shù)信息發(fā)送給單片機(jī)系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)萬能工具磨床的有效控制。近年來，我國觸摸屏技術(shù)不斷發(fā)展，可以將傳統(tǒng)的矩形鍵盤模塊直接納入操作屏中，并通過圖形操作的模式完成相應(yīng)的操作。
2.3 液晶顯示模塊
在該數(shù)控控制系統(tǒng)中需要同時(shí)顯示出速度、行程、單相/ 往復(fù)標(biāo)志、左/ 右位移等信息，如果使用傳統(tǒng)的數(shù)碼管無法直接顯示這些信息，并且會(huì)給用戶的實(shí)際操作帶來眾多不便之處。液晶現(xiàn)實(shí)模式具備有能耗比較少、外形美觀、顯示內(nèi)容豐富等諸多優(yōu)點(diǎn)，較之于傳統(tǒng)的LED 顯示器具備非常大的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。因此，在對(duì)萬能工具磨床進(jìn)行數(shù)控改造的過程中，可以應(yīng)用液晶顯示模塊來進(jìn)行工作。此外，通過液晶顯示模塊也能夠支撐圖形操作系統(tǒng)，并能夠直接在該平面上進(jìn)行工件相關(guān)參數(shù)的合理設(shè)置，從而進(jìn)行相關(guān)工件的自動(dòng)化加工，這樣能夠在確保工件加工精準(zhǔn)度的基礎(chǔ)上，使磨削效率得到更進(jìn)一步的提升。本系統(tǒng)中所應(yīng)用到的液晶顯示器的具體顯示參數(shù)主要有以下幾種:dw 為單相/ 往復(fù)標(biāo)志，當(dāng)dw=1 的情況下，表明工作臺(tái)處于單向運(yùn)動(dòng)狀態(tài);當(dāng)dw=0 的情況下，表明工作臺(tái)處于往復(fù)運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)。f 為電機(jī)的轉(zhuǎn)速。zy 作為工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)方向標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)zy=1 時(shí)，表明工作臺(tái)朝左邊移動(dòng);而zy=0 時(shí)，表明工作臺(tái)超右移動(dòng)。Sn 表示的是工作臺(tái)的具體行程。
3.萬能工具磨床的數(shù)控軟件改造設(shè)計(jì)
在對(duì)萬能工具磨床數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行軟件改造設(shè)計(jì)時(shí)可以借助于C 語言編程來實(shí)現(xiàn)，要求各個(gè)功能都能夠?qū)?yīng)一定的模塊程序。主要改造內(nèi)容包括主函數(shù)、液晶現(xiàn)實(shí)函數(shù)、鍵盤掃描函數(shù)、速度/ 行程處理函數(shù)、參數(shù)計(jì)算函數(shù)以及電機(jī)的運(yùn)行函數(shù)等。
3.1 主函數(shù)
主函數(shù)主要負(fù)責(zé)的是整個(gè)系統(tǒng)模塊流程的管理以及控制工作，其需要具備有系統(tǒng)初始化、中斷管理、鍵盤掃描與處理以及功能鍵的處理等功能。為了發(fā)揮出主函數(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，在本次優(yōu)化設(shè)計(jì)中通過switch 語句來進(jìn)行Read Key 0 中返回的按鍵值的合理判斷，并根據(jù)其返回的按鍵值采取相應(yīng)的采取行動(dòng)。
3.2 液晶顯示函數(shù)
在進(jìn)行液晶顯示器的操作過程中，利用單片機(jī)進(jìn)行命令的接收與發(fā)送時(shí)，需要通過寫入命令函數(shù)與寫入數(shù)據(jù)函數(shù)這兩個(gè)函數(shù)來實(shí)現(xiàn)。液晶顯示命令和數(shù)據(jù)都需要按照一定的讀寫時(shí)序進(jìn)行。在這兩個(gè)函數(shù)裝置中，需要處理的是用軟件模擬液晶的讀寫時(shí)序來對(duì)該液晶數(shù)據(jù)庫進(jìn)行命令或者數(shù)據(jù)的傳送工作，從而起到一定的控制效果。在液晶顯示屏上顯示字符的過程中，可以通過這兩個(gè)函數(shù)構(gòu)造出不同的函數(shù)，并借助于調(diào)動(dòng)這些函數(shù)的模式實(shí)現(xiàn)字符的顯示。
3.3 鍵盤掃描函數(shù)
在傳統(tǒng)的鍵盤掃描函數(shù)中，不管是否按下了CPU 鍵都需要進(jìn)行定時(shí)的掃描，這也就導(dǎo)致了在按鍵次數(shù)不多的情況下還會(huì)進(jìn)行反復(fù)的空掃描，并使得CPU 的大量時(shí)間被浪費(fèi)。為了進(jìn)一步提升CPU 的運(yùn)行效率，可以通過中斷方式來完成鍵盤的掃描工作。中斷方式指的是當(dāng)鍵盤上？鍵位被按下去之后，就會(huì)立即發(fā)出中斷申請(qǐng)，然后該請(qǐng)求直接接入到中斷處理程序之中，在確定有按鍵被按下之后才進(jìn)行相應(yīng)的掃描操作，來進(jìn)行按鍵位置的合理確認(rèn)，并用來執(zhí)行相應(yīng)的按鍵功能。
3.4 速度/行程處理函數(shù)
速度/ 行程作為復(fù)用鍵，要求在應(yīng)用該程序的時(shí)候?qū)ζ溥M(jìn)行分開處理，按鍵一次表明其所輸入的是速度參數(shù)，并直接轉(zhuǎn)入相應(yīng)的速度處理程序。當(dāng)連續(xù)按鍵二次時(shí)，則表示所輸入的為行程參數(shù)，并直接轉(zhuǎn)入行程處理程序中。
3.5 參數(shù)計(jì)算函數(shù)
參數(shù)計(jì)算函數(shù)一般包含有頻率計(jì)算以及走步總數(shù)計(jì)算的能力，其具體函數(shù)如下:
（1）走步總數(shù)計(jì)算。將步進(jìn)電機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)步距角之后磨床工具臺(tái)的移動(dòng)距離作為脈沖當(dāng)量，具體計(jì)算公式為:
在該函數(shù)中，步距角由θs 表示，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)后的工作臺(tái)運(yùn)行距離通過L 進(jìn)行表示，用r作為齒輪齒條的半徑，i 為齒輪傳動(dòng)過程中所產(chǎn)生的傳動(dòng)比。
（2）頻率計(jì)算。在該計(jì)算函數(shù)中，電機(jī)的輸入脈沖頻率計(jì)算如下:
式中，fgqian 表示該電機(jī)的輸入運(yùn)行速度，并能夠在此基礎(chǔ)上來計(jì)算出函數(shù)均速情況下的走步周期。
3.6 步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行函數(shù)的計(jì)算
借助于步進(jìn)電機(jī)能夠進(jìn)行速度的有效控制，因此說可以通過對(duì)步進(jìn)電機(jī)其所發(fā)出的脈沖頻率以及換向周期進(jìn)行合理控制的模式，來進(jìn)行步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行速度的有效控制。目前，在確定時(shí)鐘脈沖周期的過程中存在軟件延時(shí)以及定時(shí)器這兩種確定方式，其中軟件延遲指的是借助于在編程之中加入適當(dāng)?shù)恼Z句來進(jìn)行時(shí)間長(zhǎng)短的合理控制，并在此基礎(chǔ)上通過延時(shí)子程序來實(shí)現(xiàn)對(duì)速度的精準(zhǔn)控制。定時(shí)器控制方法則能夠通過在單片機(jī)上面加載定時(shí)器，然后在該定時(shí)器上面進(jìn)行適當(dāng)初值的裝載。
4. 結(jié)語
我國現(xiàn)階段所使用的傳統(tǒng)萬能工具磨床具有結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜、維修困難以及無法適應(yīng)自動(dòng)化流水線成產(chǎn)等諸多劣勢(shì)。本文就萬能工具磨床的數(shù)控硬件改造措施與軟件改進(jìn)措施進(jìn)行了研究，并在一定程度上提升了萬能工具磨床的加工速率和加工精準(zhǔn)度，希望能夠?yàn)槲覈圃煨袠I(yè)的進(jìn)一步發(fā)展提供一些理論參考。
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