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萬能工具（jù）磨床（chuáng）的數控改造研究

2018-1-4 來源：台州北平機床有限公司作（zuò）者：虞榮華

【摘要】: 隨著我國工業生產水平的不斷提升，工業產品開始朝著小、精、專的方向發展，對萬能工（gōng）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控改造工作進行了（le）研究分析。

【關鍵詞】: 萬能工具磨床; 數控改造; 施工精度

我（wǒ）國裝備製造行業的不斷發展，對萬能工具磨（mó）床的價格、質量以及運行效（xiào）率提（tí）出了更高的要求。但（dàn）是現階段大多數（shù）企業所使用的（de）萬能工具（jù）磨床還是手工（gōng）操（cāo）作的普通磨床，存在（zài）效率低下、加工精度不足等諸多問題，難以滿足現階（jiē）段的市場需求。在這一形勢下，企業隻有對現有的萬能工具磨床進行合理的數控改造，才能進一步提（tí）升自身的市（shì）場競（jìng）爭能力（lì），得（dé）到良好的（de）發展。

1. 產品的結構與原理（lǐ）圖簡析

本次進（jìn）行數控改（gǎi）造的產品結構圖如圖1 所示。其在磨床的底座上麵設置有粗磨磨頭直線移動軸X 軸，精磨磨頭直線移動軸A 軸，工件下直線移動軸Z 軸，工件上直線移動軸Y 軸以及工件回轉軸B 軸。借助於數控係統的合理控製能夠進行4 個直線坐標軸的分動與聯動控製，並能（néng）夠（gòu）借助於B 軸來進行速度的合理調（diào）整。該產品所配置的數控係統具備有良好的穩定性與可靠性，並能夠完（wán）成各種形狀工件所需的複合運動控製，具備有自動編程、自動調節、實時監控以（yǐ）及數據統計等多項功能，其采用（yòng）的是閉環（huán）控製的控製模式，能夠對位移精度的誤差進（jìn）行（háng）有效的反饋與補償，從而實現工件在磨削過（guò）程中的精確位移。此外，該產品還（hái）采用了（le）智能菜單式加工軟件（jiàn），能夠有效降低各種人為因素（sù）產生的影響，使加工性能得到進一（yī）步（bù）提升。

2. 萬能工具磨（mó）床（chuáng）數控硬件的改造設計

在進行萬能工具磨床數控係統的改（gǎi）造過程中，利用對（duì）脈（mò）衝發出的時間間隔進行改變的模式來進行步（bù）進電機的速度控製。為了使其控製精度得（dé）到進一步的提升（shēng），也就需要通過定時器來進行時間的黑控製，這樣一方麵能夠充分發揮出硬件的實（shí）時性（xìng）優勢，另一方麵也能夠有效降低（dī）軟件的任務。在進（jìn）行數控係統的（de）改造過程中，可以將單（dān）片機作為核心部件，然後（hòu）借助於單片機（jī）的構成係統來（lái）從元件（jiàn）級（jí）進行係統設置，並需要（yào）根據（jù）任務的需求進行單片（piàn）機、存儲器、接口以及外圍設備的合理選擇與配置，從而構成該萬能工具磨床的數控係統。

2.1 伺服（fú）電機（jī）模塊的改造

伺服電機其（qí）接（jiē）上位（wèi）指令可以使模擬指令以及脈衝指令這兩種模式在伺服電機中，電（diàn）機轉動速度與電壓呈線性關係，因（yīn）此模擬指（zhǐ）令能（néng）夠通（tōng）過對輸出電壓的大小進行控製的模式來進行電機轉動速度（dù）的有效控製，但其位置控製的精準性不足。而脈衝指令則能夠直接根據輸出脈衝的頻率來對電機（jī）的轉速進行（háng）控製，並具備精準的位置控製效果。

伺服電機自帶的編碼器能夠進行脈衝信號的輸出（chū），並可以直接將該脈衝信號輸入計算機（jī）係（xì）統進（jìn）行加工（gōng）生產（chǎn）環節的控製（zhì）。但是在實際工作過（guò）程中（zhōng），機床需（xū）要牽涉比較多的電器（qì）設備，其編碼器PAO 口以及PBO 口的輸出信號（hào）容（róng）易受到外界因素的（de）幹擾，並出現計數不準等（děng）情況。通過伺服電機組成閉環係統，電機運動以及編碼器所發出（chū）的脈衝信（xìn）號能夠盡可能（néng）避免外界（jiè）因素的幹擾，並使（shǐ）總控製係統可以很好地接（jiē）收反饋信（xìn）號，判斷該電機轉過所（suǒ）需的角度。為了識別反饋通道中的反饋信號是否被幹擾，可（kě）以借助（zhù）於PAO、PBO 等信號的變化規律對這些反饋信號進行校驗處理，並在確定是因為電機轉動所引起的（de）編碼器反饋之（zhī）後，係統才得（dé）以（yǐ）認可，進行伺服電機轉動速度以及位（wèi）置的精準控製。因此說通過對反饋口信號進行校驗（yàn）處理的模式能夠有效排除各種外界因素的幹擾，實現精準（zhǔn）控（kòng）製這一目的。

2.2 矩陣鍵（jiàn）盤模（mó）塊

在進行（háng）矩陣（zhèn）鍵盤模塊的改（gǎi）造與設（shè）計過程中，其主（zhǔ）要內容集中在鍵盤（pán）的操作部分，並擁有參數設定、啟動（dòng）以及停（tíng）止等（děng）操作功能。矩陣鍵盤模塊功能分析如下:

（1）參數的設定（dìng）: 在萬能工具磨（mó）床的數控係統開始運行之前，首（shǒu）先（xiān）需要進行步（bù）進電機運行速度以及運行總步數的輸入，這就需要通過按鍵輸入數值的方式來對該數控係統進行參數的傳入。

（2）係統的（de）啟動（dòng）與停止操作（zuò）: 要想實現該數控係統的啟動、停止以及左（zuǒ）右位移操作（zuò），也就需要在操控鍵盤上進行相關的按鍵開關的設置，從而取得一個良（liáng）好的數控效果。本係（xì）統（tǒng）采用的鍵盤中的按鍵分為數字鍵以及功能鍵兩個部（bù）分，其中功能鍵包含速度/ 行（háng）程鍵、單向/ 往複鍵、左/右移鍵、啟動鍵、停止鍵以及確認鍵（jiàn）等鍵位，並（bìng）通過中斷方式（shì）這一（yī）鍵（jiàn）盤接入方式來進行信息的輸入（rù），並能夠直接將這些參數信息發送給單片機係統，從而實（shí）現整（zhěng）個萬能工具磨床的有效控（kòng）製。近年來，我國（guó）觸摸（mō）屏技術不斷發展，可以將傳統（tǒng）的矩形鍵盤模（mó）塊直接納入操作屏中，並通過圖形操作的模式完成相應的操作。

2.3 液晶顯示（shì）模塊

在該數控控製係統中需（xū）要同時顯示出速（sù）度、行程、單相/ 往複標誌、左/ 右位移等（děng）信息，如果（guǒ）使用傳統的數碼管無（wú）法直接（jiē）顯示這些信息，並且會給用戶的實際操作帶來眾（zhòng）多不便之處。液晶現實（shí）模式具備有能耗比較少、外形美觀、顯（xiǎn）示內容豐富等（děng）諸多優點，較（jiào）之於傳統的LED 顯示器（qì）具備非（fēi）常大的應用優勢。因此，在對萬能工具磨床（chuáng）進行數控改（gǎi）造的過程中，可以應用液晶顯示模塊來進行工（gōng）作。此外，通過液晶顯示模塊也（yě）能夠支撐圖形操（cāo）作係統，並（bìng）能夠直接在該平麵上進行工（gōng）件相關參數的（de）合理設置，從而進行相關（guān）工件（jiàn）的自動化加工，這樣（yàng）能夠在確保工件加工精準度的基礎上，使磨削效（xiào）率得到更進一步的提升。本係統中所應用到的液晶顯（xiǎn）示器的具體顯示參數主要有以下幾種:dw 為單相/ 往（wǎng）複標誌，當dw=1 的情況下（xià），表明工作台處（chù）於（yú）單（dān）向運動狀態;當dw=0 的情（qíng）況下，表明工作台處於往複運動的狀態。f 為電機（jī）的（de）轉速。zy 作為工作台的運動方向標準，當zy=1 時，表明工作台朝左邊移動（dòng）;而zy=0 時，表明（míng）工作台超右移動。Sn 表示的是工作（zuò）台的具體行程。

3.萬能工具磨床的數控軟（ruǎn）件改造設計

在對萬能（néng）工具磨床數控係統進（jìn）行軟件改造設計時可以借助於C 語言編程來實現，要求各個功能都能夠對應一定（dìng）的模塊程序。主（zhǔ）要改造內容包括主（zhǔ）函數、液晶現實（shí）函數、鍵盤掃描函數、速度/ 行程處理函數、參數計算函數以及電機的運行函數等。

3.1　主函數

主函數（shù）主要負（fù）責的是整個係統模塊流程的管（guǎn）理以及控製工作，其需要具備有係統初始化、中斷管理、鍵盤（pán）掃描與處理以及功能鍵（jiàn）的處理等功能。為了發揮出（chū）主函數（shù）的應用優勢（shì），在本次優化（huà）設計中通過switch 語句來進行Read Key 0 中返回的按鍵值的合理判斷，並根據其返回的（de）按鍵值采取相應的采取行（háng）動。

3.2　液晶顯示函數

在進行液晶顯示器的操作過程中，利用單片機進行命令的接收與發送時，需要通（tōng）過寫入命令函（hán）數與寫入數據函數這兩個函（hán）數來實現。液晶顯示（shì）命（mìng）令和數據都需要按照一定的讀寫時序進行。在這兩個（gè）函數裝置（zhì）中（zhōng），需要處理的是用（yòng）軟件模擬液（yè）晶的讀寫時序來對該液（yè）晶數據庫進（jìn）行命令或者數據的傳送工作，從而起到一定的（de）控製效果。在液晶顯示（shì）屏上顯示（shì）字符（fú）的過程中（zhōng），可（kě）以通過這兩個（gè）函數構造出（chū）不同的函（hán）數，並借助於調動這（zhè）些函數的模式實現字符的顯示。

3.3　鍵盤掃描函數

在傳統的鍵（jiàn）盤掃描函數中，不管是否按下了CPU 鍵都需要進行（háng）定時的掃描，這也就導致（zhì）了在按鍵次數不多的情況下還會進行反複的空掃描，並使得CPU 的大量（liàng）時間被浪費。為了進一（yī）步提升CPU 的運行效率，可以通過中斷方式來完成鍵盤的掃描工作。中斷方式指的是當鍵盤上？鍵位（wèi）被（bèi）按（àn）下去之後，就會立即（jí）發出中斷申請，然後該請求直接（jiē）接入到中斷處理程序之中（zhōng），在確定有按鍵被（bèi）按下之後才進行相應的掃描操作，來進行按鍵（jiàn）位置（zhì）的合理確認，並用來（lái）執行（háng）相應的按鍵功能。

3.4　速度/行程處理函數

速度/ 行程作為複用鍵，要求在應用該（gāi）程序的時候對其（qí）進行分開處理，按鍵一次表明其所輸入的是速度參數，並直接轉入（rù）相應的速度處理（lǐ）程序。當連續按鍵二次（cì）時，則（zé）表示所輸（shū）入的（de）為（wéi）行（háng）程參數，並直接轉（zhuǎn）入行程處理程序中。

3.5　參數計算函數

參數計（jì）算（suàn）函數一般包含有頻率計（jì）算以及走（zǒu）步總數計算的能力，其具（jù）體函數（shù）如下:

（1）走步總數計算。將步進電機在轉動一個步距角（jiǎo）之後磨床工具（jù）台的移動距離作為（wéi）脈衝當量，具體計算公式為:

在該函數中，步距角由θs 表示，步（bù）進電機轉動後的工作台運行距離通過（guò）L 進行表示，用r作為齒輪齒條（tiáo）的半徑，i 為齒輪傳動（dòng）過程中所產生的傳動比。

（2）頻率計算。在該計算函數中，電機的輸入脈衝頻率（lǜ）計算如下（xià）:

式中，fgqian 表示該電機的（de）輸（shū）入運行速度，並能夠在此基礎上來計（jì）算出函數均速情況下（xià）的走步周期（qī）。

3.6　步進電機運行函數的計算

借助於（yú）步進電機能夠進行速度（dù）的有效控製，因（yīn）此（cǐ）說可以通過對步進電機其所發出的（de）脈衝頻率以及換向（xiàng）周期進行合理控製的模式，來進行步（bù）進電機運行（háng）速度的（de）有效（xiào）控製。目前，在確（què）定時鍾（zhōng）脈衝周期的過程中存在（zài）軟件延時以及定時器這兩種確定方式，其中軟件（jiàn）延遲指（zhǐ）的是借助（zhù）於在編程之中加入適當的語句來進行時間長短的合理控（kòng）製，並在（zài）此基礎上通過延時子程序來實現對速（sù）度的精準控製。定時器控製方法則能夠通過在（zài）單片機上麵加載定時器，然（rán）後在（zài）該定時器上（shàng）麵進行適當初值（zhí）的裝載。

4. 結（jié）語（yǔ）

我國現（xiàn）階段所使用的傳統萬能工具磨床具有結構過於複雜、維修困難以及無法適應自動化（huà）流水線成產等諸多劣勢。本文就萬能工具磨床的數控硬件改造措施與軟件改進措施進行了研究，並在一定程度上提升（shēng）了萬能工（gōng）具磨床的加工速率和加工精準度，希望能夠為我國製造行業的（de）進一（yī）步發展提供一些理論參考。

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