1 概述

90年代初，我國(guó)機(jī)械加工行業(yè)實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化對(duì)舊式機(jī)床進(jìn)行了不同程度的改造。我們?cè)趨⑴c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(duì)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(jiàn)圖1。系統(tǒng)的CAM工作主要是通過(guò)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(hào)，經(jīng)過(guò)功放驅(qū)動(dòng)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(dòng)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)

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(dòng)簡(jiǎn)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(guò)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(dòng)信號(hào)。X向、Y向、Z向步進(jìn)電機(jī)通過(guò)單片µPS程序分別從擴(kuò)展的I/O接口電路中獲得驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)(f_x、f_y、f_z)、正反轉(zhuǎn)選擇信號(hào)(S_x、S_y、S_z)、置零信號(hào)(S_e)以及聯(lián)動(dòng)信號(hào)(S_xy、S_xz、S_yz)，用于驅(qū)動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)(滾珠絲杠)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本�位移，進(jìn)行位置和速度控制。因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的步數(shù)是由驅(qū)動(dòng)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(huì)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(hào)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(jiàn)下表)，執(zhí)行不同次數(shù)的查表語(yǔ)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2 X向脈沖分配子程序框圖

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

改造后的銑床可用手控操縱，也可通過(guò)計(jì)算機(jī)編程自動(dòng)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(duì)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(duì)設(shè)計(jì)的功能；具有計(jì)算顯示加工刀具運(yùn)動(dòng)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(wèn)題，采用交互式輸入工藝參數(shù)、工件加工設(shè)置絕對(duì)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▉?lái)解決。其中交互式輸入工藝參數(shù)的方法是對(duì)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(duì)零點(diǎn)的方法是因?yàn)殚_環(huán)控制沒(méi)有可靠的絕對(duì)零點(diǎn)，花紋板數(shù)據(jù)量大，加工時(shí)間較長(zhǎng)，于是就在模板上鉆一個(gè)錐孔作為對(duì)刀點(diǎn)(圖3)，編程加工時(shí)總以該點(diǎn)為加工起點(diǎn)，自動(dòng)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(guò)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(kù)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(guò)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?duì)坐標(biāo)編程的，每條指令都需對(duì)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(huì)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(huì)嚴(yán)重地影響鞋底花紋的加工質(zhì)量。選擇使用絕對(duì)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(duì)刀點(diǎn)實(shí)際走的脈沖個(gè)數(shù)，本條曲線的起點(diǎn)到對(duì)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(duì)傳動(dòng)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(tái)自動(dòng)越過(guò)傳動(dòng)間隙，然后再按指令脈沖移動(dòng)，就消除了傳動(dòng)間隙誤差。

圖3 兩維鞋底外廓曲線圖

1. 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(duì)刀點(diǎn)，換刀后重新對(duì)點(diǎn)，指定指令序號(hào)重新傳輸數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)軟件可以自動(dòng)跳過(guò)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(chǔ)空間，此方法對(duì)處理意外事故行之有效。
2. 主要技術(shù)指標(biāo)
3. 舊設(shè)備技術(shù)改造后，主要技術(shù)指標(biāo)為：
4. 步進(jìn)電機(jī)脈沖當(dāng)量為0.01。
5. X、Y、Z軸最大行程為5000mm×3500mm×600mm。
6. 加工圓弧時(shí)允許的最大半徑為2800mm。
7. 刀點(diǎn)切向運(yùn)動(dòng)速度V_新≈(7/9)V_舊。該速度分為30級(jí)，0級(jí)為最低是9.20mm/min，29級(jí)為最高級(jí)是200.00mm/min，級(jí)差約為6.00mm/min(其中圓弧加工允許最高速度為20級(jí)，直線加工允許最高速度為29級(jí)�？焖俣ㄎ恢荒苎刈鴺�(biāo)軸方向運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)速度不受級(jí)別限制，直接可達(dá)到320.00mm/min)。
8. 單片µPS中memory一次最多能容納用戶程序約9000個(gè)ASC Ⅱ碼。
9. 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。
10. 加工斜線可以三坐標(biāo)軸聯(lián)動(dòng)、兩坐標(biāo)軸聯(lián)動(dòng)，加工圓弧是X、Y方向兩坐標(biāo)軸聯(lián)動(dòng)。

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(chǎng)的環(huán)境、干擾因素等情況，在設(shè)計(jì)和調(diào)試過(guò)程中，對(duì)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(guò)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(hào)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(duì)消除工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)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(jí)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(yǔ)