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萬能工（gōng）具（jù）磨床的數控改造研究

2018-1-4 來源：台州（zhōu）北平機床有限公司作者：虞榮華

【摘要】: 隨（suí）著我國工業生產（chǎn）水平的不斷提升（shēng），工業產品開始朝著小、精、專的方向發展，對萬能工具磨床的施工精度提（tí）出了（le）更高的要求。文章主要（yào）就萬能工具磨床的（de）數控改造工作進行了（le）研究分析。

【關（guān）鍵詞】: 萬能工具磨床; 數控改造; 施工（gōng）精度

我國裝備製造行業的（de）不斷發展（zhǎn），對萬能（néng）工具磨床（chuáng）的價格、質量以及運行效率提出了更高的要求。但是現階段大多數（shù）企業所使用的萬（wàn）能工具磨床還是（shì）手工操（cāo）作的普通磨（mó）床（chuáng），存在效率低下（xià）、加工精（jīng）度不足等諸多問題，難以滿足現階段的市場需求。在這一形勢下，企（qǐ）業隻有對現有（yǒu）的萬能工具磨（mó）床進行合理的數控改造，才能進一步提升自身（shēn）的市場競爭能力，得到良好的發展。

1. 產品的結構與原理圖簡析

本次進行數控（kòng）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（mó）頭直線移（yí）動軸X 軸，精磨磨頭（tóu）直線移（yí）動軸（zhóu）A 軸，工件下直線移動軸Z 軸（zhóu），工件上直線移動軸Y 軸（zhóu）以及工件回轉軸B 軸。借助於數控係統（tǒng）的（de）合理控製能夠進行（háng）4 個直線坐標軸的分（fèn）動與聯動控製，並能（néng）夠借助於B 軸來進行速度（dù）的合（hé）理調整。該產品所配置的（de）數控係統具備有良好的穩定性與可靠性，並能夠完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（diào）節、實時監控以及數據統計等多項功能（néng），其采（cǎi）用的是閉環控製的控製模式，能夠對位移精度的誤差進行有效的（de）反饋與補償，從（cóng）而實現（xiàn）工件在磨削過程中的精確位移。此外，該產品還采用（yòng）了智能（néng）菜（cài）單式加工（gōng）軟件，能夠有效（xiào）降低各種人為因素產生的影響，使加工性能得到進一步提升。

2. 萬能工具磨床數控硬（yìng）件的（de）改造（zào）設計

在進行萬能工具磨床數控係統的改造過（guò）程中，利用對（duì）脈衝發出的時間間隔（gé）進行改變的模式來進行步進電機的速度控製。為了（le）使其控製精（jīng）度得到進一步的（de）提升（shēng），也就需要通過定時器來進行時間的黑控製，這（zhè）樣一方（fāng）麵能夠充分（fèn）發揮出硬件的實時性優勢，另一方麵也能夠（gòu）有效降低軟件的任務。在（zài）進行數控係統的改造（zào）過程中，可以將單片（piàn）機作為核心（xīn）部件，然後借助於單片機的構成係（xì）統來從元件級（jí）進行係統設置，並需（xū）要根據（jù）任務的需求進行單片機、存儲器、接口以及外圍設備的合理選擇與配（pèi）置，從而構成該萬能工具磨床的數控係統。

2.1 伺服電機模塊的（de）改造

伺服電機（jī）其接上位指令可以（yǐ）使模擬指令以及（jí）脈衝指令這兩種模式在伺服電機中，電機（jī）轉動速度與電壓呈線性關係，因此（cǐ）模擬指令能夠通過對輸（shū）出電壓的大小進行控製的（de）模式來進行電機轉動速度的（de）有效控製，但其位置控製的（de）精準性不足。而脈衝指令則能（néng）夠直接根據輸出脈衝的頻率（lǜ）來對電機的（de）轉速進行控製（zhì），並具備精準的位（wèi）置控（kòng）製效果。

伺服電機自帶（dài）的編碼（mǎ）器能夠進行脈（mò）衝（chōng）信號的輸出，並可（kě）以直接將該脈衝信號輸入（rù）計算機係統進（jìn）行（háng）加工生（shēng）產環節的控製。但是在實際工作過程中，機床需要牽涉比（bǐ）較多的電器設備，其編（biān）碼器PAO 口以及PBO 口的輸出信號容易受到外界因素的幹擾，並出現計數不準等情況。通（tōng）過伺服電機組成閉環係統，電機運動（dòng）以及編碼（mǎ）器所發出的脈衝信號能夠盡可（kě）能避免（miǎn）外界因素的幹擾，並使總（zǒng）控製係統可以很（hěn）好地接收反饋信號，判斷該電機轉（zhuǎn）過所需的角度。為了識別反饋通道中的反饋信號是否被幹擾，可以借助（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（jī）轉動所引起的編碼器反（fǎn）饋之後，係統（tǒng）才得以（yǐ）認可，進行伺服電機轉動速度以及位置的精準控製。因（yīn）此說通過對反饋口信號進行校驗處理的模式能夠有（yǒu）效排除各種外界因（yīn）素的幹擾，實現精準控（kòng）製這一目的。

2.2 矩陣鍵盤模塊

在進行矩陣鍵盤（pán）模（mó）塊的改造與設計過程中，其主要內容集中在鍵盤的操作部分，並擁有參（cān）數設定、啟動以及停止等操作功能。矩陣（zhèn）鍵盤模塊功能分析如（rú）下:

（1）參數（shù）的（de）設定: 在萬能工具磨床的數控係統（tǒng）開始運行之前，首先需要進行步進電機運行速度以（yǐ）及運行（háng）總步數的輸入（rù），這就需要（yào）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）係統的啟動與停止操作: 要想實（shí）現該數控係統的啟動、停止以及左右位移操作，也就需要在（zài）操控鍵盤上進行相關（guān）的按鍵開關的設置，從而取得一（yī）個（gè）良好的數控（kòng）效果。本係統采（cǎi）用的鍵（jiàn）盤（pán）中的按鍵分為數字鍵以及（jí）功（gōng）能鍵兩個部分，其中功能（néng）鍵（jiàn）包含速度/ 行（háng）程鍵、單向/ 往複鍵、左/右移（yí）鍵、啟動鍵、停止鍵以及確認鍵（jiàn）等（děng）鍵位，並通過中斷方式這一鍵盤接入方式來進行信息的輸入，並能夠直接將這（zhè）些參數信息發送給單片機（jī）係（xì）統，從而實現整個萬能工具（jù）磨床的（de）有效控製。近年來，我（wǒ）國觸摸屏技術不斷發展（zhǎn），可以將傳統的矩形鍵盤（pán）模塊（kuài）直接納入操（cāo）作屏中，並通過圖（tú）形操作的模式完成相應的操作。

2.3 液晶（jīng）顯（xiǎn）示模塊

在該數控控製係統（tǒng）中需要同時顯示（shì）出速度、行程、單相/ 往複標誌（zhì）、左/ 右位移等信息，如果使用傳統的數（shù）碼（mǎ）管無法直接顯示這些信（xìn）息，並且會給用戶的實際操作帶來（lái）眾多不便之處。液晶現實模式具備有（yǒu）能耗比較少（shǎo）、外形美觀、顯示內容豐（fēng）富等諸多優點，較之於傳統的LED 顯示器具（jù）備非常大的應用優勢。因此，在對萬能工具磨床進行數控改造的過程中，可以應用液晶顯示模塊來進行工作。此外，通過液晶顯示模塊也能夠支撐圖形操（cāo）作係統，並能夠直接在該平麵上進行工件相關參數的合理設置，從（cóng）而進行相關工件的（de）自（zì）動化加工，這樣能夠在確保工件加（jiā）工精準（zhǔn）度的基（jī）礎上，使磨削效率得到更進一步的提升。本係統中所應用到（dào）的液晶顯（xiǎn）示器的具體（tǐ）顯示參數（shù）主要有以下幾種:dw 為單相/ 往複標誌，當dw=1 的情況下，表明工作台（tái）處於（yú）單向運動（dòng）狀態;當dw=0 的情況下，表明工作台處於往複運動（dòng）的狀態（tài）。f 為電機的轉速。zy 作為工作（zuò）台的運動方向標準，當zy=1 時，表明工作台朝左邊移動;而zy=0 時，表明工作台超右移動。Sn 表示的是工作台的具體行程。

3.萬能工具磨床的（de）數控軟件改造設計

在對萬能工具磨床數控係統進行軟件改（gǎi）造設計時可以借助於C 語言編程來（lái）實現，要求各個（gè）功能都能夠對應一定的模塊程序。主要改造內（nèi）容（róng）包括主函數、液晶現（xiàn）實函數、鍵盤掃描函數、速度（dù）/ 行程處理函數、參數計算函數以（yǐ）及（jí）電機的運行函數等。

3.1　主函數

主函數主要負責的是整個（gè）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（zhōng）斷管理、鍵盤掃描（miáo）與處（chù）理以及功能鍵的處理（lǐ）等功能。為了發揮出主函（hán）數的應用優勢，在本次優化設計中通過switch 語句來進行Read Key 0 中返回的按鍵值的合理判斷（duàn），並根據其返回的按（àn）鍵值采取相應的采取行動。

3.2　液晶（jīng）顯示函數

在（zài）進（jìn）行液晶顯示器的操作過程中，利用單片機進（jìn）行命令的接收與發送時，需要通過寫入命令函數與寫入數據函數這兩個函數來（lái）實現。液（yè）晶（jīng）顯示命令和數據都需（xū）要按照一定的（de）讀寫時序進行。在這兩個函數裝置中，需（xū）要處（chù）理的是用軟件模擬液晶的讀寫時序來對該液晶數據庫（kù）進行命令或者數據的傳送工作，從而起到一定的（de）控製效果。在液晶顯示屏上（shàng）顯示字（zì）符的過程中，可以通過這兩個函數構造出（chū）不同的函數，並借助於調動這些函數的模式實現字符的（de）顯示。

3.3　鍵盤掃描函數（shù）

在傳統的鍵（jiàn）盤掃描函數中，不管（guǎn）是（shì）否按下（xià）了（le）CPU 鍵都需要進行定時（shí）的掃描，這也就導致了在按鍵次數不多的（de）情（qíng）況下還會進行反複的空掃描，並使得CPU 的大量（liàng）時間被浪（làng）費。為（wéi）了進一步（bù）提升CPU 的（de）運行效率（lǜ），可以通過中斷方式來（lái）完成鍵盤的（de）掃描工作。中斷方式指的是當鍵盤上？鍵位被按下（xià）去之後，就會立即發出中斷申請，然後（hòu）該請求直接接入到（dào）中斷處理程序之中，在確定有按鍵被按下之後才進（jìn）行相應的掃描操作，來進行按鍵位置（zhì）的合理確（què）認，並用來執行相應的按鍵功能。

3.4　速度/行程處理（lǐ）函數

速度/ 行程作為複（fù）用鍵，要（yào）求在應用該程序的時候對（duì）其進行分開處理，按鍵一（yī）次表明其所輸入的是速（sù）度參數（shù），並直接轉入相應的速度處理程序。當連續按鍵二次時，則表示所（suǒ）輸入的為行（háng）程參數，並（bìng）直接轉（zhuǎn）入行（háng）程處理程序中。

3.5　參數計算函數

參數計算函數一般包含有頻率計算以及走步總數計算的能力，其具（jù）體函數如下:

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

在該函數中（zhōng），步距（jù）角由θs 表示，步進電機轉動後的工作台運行距離通過L 進行表示（shì），用r作為齒輪齒條的半徑，i 為齒輪傳動過程（chéng）中所產生的傳（chuán）動比。

（2）頻率計算。在該計算函數中，電機的輸入脈衝頻率計算如下:

式中，fgqian 表示該電機的輸入運行（háng）速度，並能夠在此基礎上來計算出函數均速情況下的（de）走步周期。

3.6　步進電機運行函數（shù）的計算

借（jiè）助於步進電機能夠進行速度的有效控製，因此說可以通過對（duì）步進電機其所發出的脈（mò）衝頻率（lǜ）以及換向周期進行合理控製的模式，來進行步進電機運行速度的有效控製。目前，在確定時鍾脈衝周期的過（guò）程中存在軟（ruǎn）件延時以及定時器這兩（liǎng）種確定方式，其中軟件延遲指的是借助於在編程之中加入適（shì）當的語句來進行（háng）時間長短的合（hé）理控製，並在此基礎上通過延時子程序來實現對速度的精準（zhǔn）控製。定時器控製（zhì）方法則能夠通過在單片機上麵加（jiā）載定時器，然後在該定時器上麵進行適當初值的裝（zhuāng）載（zǎi）。

4. 結語

我國（guó）現階段所使用的傳統萬能工（gōng）具磨床具有結構過於（yú）複雜、維修困難（nán）以及無法適應自動（dòng）化（huà）流水線成產等諸多劣勢。本文就萬能（néng）工具磨床的數控硬件改造措施與軟件改進（jìn）措施進行了研究，並（bìng）在（zài）一定程度上提升（shēng）了萬能工具磨床（chuáng）的加工速率和（hé）加工精準度，希望能夠為我國製造行業的進一步發展提供一（yī）些理（lǐ）論參考。

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