1 概述

90年代初，我國機(jī)械加工行業(yè)實現(xiàn)機(jī)電一體化對舊式機(jī)床進(jìn)行了不同程度的改造。我們在參與此項工作時，仔細(xì)分析了工廠的實際情況，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�？刂葡到y(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)行插補等各種運算產(chǎn)生進(jìn)給量，由軟硬件相結(jié)合的技術(shù)實現(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，實現(xiàn)了刀具按照規(guī)定曲線軌跡運動的加工。

圖1 微機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)設(shè)計

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，在改造過程中，我們采用功能價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(f_x、f_y、f_z)、正反轉(zhuǎn)選擇信號(S_x、S_y、S_z)、置零信號(S_e)以及聯(lián)動信號(S_xy、S_xz、S_yz)，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。因為步進(jìn)電機(jī)運轉(zhuǎn)的步數(shù)是由驅(qū)動脈沖的個數(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)定方向運轉(zhuǎn)。當(dāng)確定單片機(jī)晶振時，脈沖信號的最高頻率也就確定了。設(shè)計單片機(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(見下表)，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，也可通過計算機(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)計和求任意平面曲線交點的功能；具有鞋底放樣、花紋圖案設(shè)計、拼合設(shè)計和系列化設(shè)計的功能；具有圖形變換、映射成對設(shè)計的功能；具有計算顯示加工刀具運動軌跡的功能；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。實施加工時考慮到系統(tǒng)設(shè)計為開環(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、確定加工工藝路線、消除舍入誤差的累積效應(yīng)和間隙補償?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)置絕對零點的方法是因為開環(huán)控制沒有可靠的絕對零點，花紋板數(shù)據(jù)量大，加工時間較長，于是就在模板上鉆一個錐孔作為對刀點(圖3)，編程加工時總以該點為加工起點，自動給出由該點到實際加工起點的空行程指令，這樣在加工過程中出現(xiàn)意外情況時，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)和間隙補償?shù)姆椒ㄔ陂_環(huán)控制系統(tǒng)中是必不可少的。因為加工指令都是用相對坐標(biāo)編程的，每條指令都需對不是一個脈沖當(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)，編程時在曲線間記錄上一條曲線的終點到對刀點實際走的脈沖個數(shù)，本條曲線的起點到對刀點應(yīng)該走的脈沖個數(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)。對傳動間隙的補償主要是判斷加工行程方向，當(dāng)某一個坐標(biāo)軸接受了反向指令時，該坐標(biāo)軸在進(jìn)行脈沖分配控制前，調(diào)用間隙補償子程序，發(fā)出一定數(shù)量的間隙補償進(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

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。記錄對刀點，換刀后重新對點，指定指令序號重新傳輸數(shù)據(jù)，設(shè)計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. 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. 加工圓弧時允許的最大半徑為2800mm。
7. 刀點切向運動速度V_新≈(7/9)V_舊。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�？焖俣ㄎ恢荒苎刈鴺�(biāo)軸方向運動，其運動速度不受級別限制，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ASC Ⅱ碼。
9. 實際加工曲線和理論曲線在法向上的最大誤差小于0.4個脈沖當(dāng)量。
10. 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

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，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，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)，使其地線獨立，以抑制干擾信號的產(chǎn)生和傳導(dǎo)。
3. 采用“獨立通道”技術(shù)�！案】铡奔夹g(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)計方法。編制軟件以模塊化設(shè)計方法為主，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