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万能工具磨床的数控改造研究
2018-1-4  来源: 台州北平机床有限公司  作者: 虞荣华




      【摘要】: 随着我国工业生产水平的不断提升,工业产品开始朝着小、精、专的方向发展,对万能工具磨床的施工精度提出了更高的要求。文章主要就万能工具磨床的数控改造工作进行了研究分析。
  
      【关键词】: 万能工具磨床; 数控改造; 施工精度
  
      我国装备制造行业的不断发展,对万能工具磨床的价格、质量以及运行效率提出了更高的要求。但是现阶段大多数企业所使用的万能工具磨床还是手工操作的普通磨床,存在效率低下、加工精度不足等诸多问题,难以满足现阶段的市场需求。在这一形势下,企业只有对现有的万能工具磨床进行合理的数控改造,才能进一步提升自身的市场竞争能力,得到良好的发展。
  
       1. 产品的结构与原理图简析
  
        
  
      本次进行数控改造的产品结构图如图1 所示。其在磨床的底座上面设置有粗磨磨头直线移动轴X 轴,精磨磨头直线移动轴A 轴,工件下直线移动轴Z 轴,工件上直线移动轴Y 轴以及工件回转轴B 轴。借助于数控系统的合理控制能够进行4 个直线坐标轴的分动与联动控制,并能够借助于B 轴来进行速度的合理调整。该产品所配置的数控系统具备有良好的稳定性与可靠性,并能够完成各种形状工件所需的复合运动控制,具备有自动编程、自动调节、实时监控以及数据统计等多项功能,其采用的是闭环控制的控制模式,能够对位移精度的误差进行有效的反馈与补偿,从而实现工件在磨削过程中的精确位移。此外,该产品还采用了智能菜单式加工软件,能够有效降低各种人为因素产生的影响,使加工性能得到进一步提升。
  
      2. 万能工具磨床数控硬件的改造设计
   
      在进行万能工具磨床数控系统的改造过程中,利用对脉冲发出的时间间隔进行改变的模式来进行步进电机的速度控制。为了使其控制精度得到进一步的提升,也就需要通过定时器来进行时间的黑控制,这样一方面能够充分发挥出硬件的实时性优势,另一方面也能够有效降低软件的任务。在进行数控系统的改造过程中,可以将单片机作为核心部件,然后借助于单片机的构成系统来从元件级进行系统设置,并需要根据任务的需求进行单片机、存储器、接口以及外围设备的合理选择与配置,从而构成该万能工具磨床的数控系统。
  
       2.1 伺服电机模块的改造
  
       伺服电机其接上位指令可以使模拟指令以及脉冲指令这两种模式在伺服电机中,电机转动速度与电压呈线性关系,因此模拟指令能够通过对输出电压的大小进行控制的模式来进行电机转动速度的有效控制,但其位置控制的精准性不足。而脉冲指令则能够直接根据输出脉冲的频率来对电机的转速进行控制,并具备精准的位置控制效果。
  
      伺服电机自带的编码器能够进行脉冲信号的输出,并可以直接将该脉冲信号输入计算机系统进行加工生产环节的控制。但是在实际工作过程中,机床需要牵涉比较多的电器设备,其编码器PAO 口以及PBO 口的输出信号容易受到外界因素的干扰,并出现计数不准等情况。通过伺服电机组成闭环系统,电机运动以及编码器所发出的脉冲信号能够尽可能避免外界因素的干扰,并使总控制系统可以很好地接收反馈信号,判断该电机转过所需的角度。为了识别反馈通道中的反馈信号是否被干扰,可以借助于PAO、PBO 等信号的变化规律对这些反馈信号进行校验处理,并在确定是因为电机转动所引起的编码器反馈之后,系统才得以认可,进行伺服电机转动速度以及位置的精准控制。因此说通过对反馈口信号进行校验处理的模式能够有效排除各种外界因素的干扰,实现精准控制这一目的。
  
      2.2 矩阵键盘模块
  
      在进行矩阵键盘模块的改造与设计过程中,其主要内容集中在键盘的操作部分,并拥有参数设定、启动以及停止等操作功能。矩阵键盘模块功能分析如下:
  
     (1)参数的设定: 在万能工具磨床的数控系统开始运行之前,首先需要进行步进电机运行速度以及运行总步数的输入,这就需要通过按键输入数值的方式来对该数控系统进行参数的传入。
     (2)系统的启动与停止操作: 要想实现该数控系统的启动、停止以及左右位移操作,也就需要在操控键盘上进行相关的按键开关的设置,从而取得一个良好的数控效果。本系统采用的键盘中的按键分为数字键以及功能键两个部分,其中功能键包含速度/ 行程键、单向/ 往复键、左/右移键、启动键、停止键以及确认键等键位,并通过中断方式这一键盘接入方式来进行信息的输入,并能够直接将这些参数信息发送给单片机系统,从而实现整个万能工具磨床的有效控制。近年来,我国触摸屏技术不断发展,可以将传统的矩形键盘模块直接纳入操作屏中,并通过图形操作的模式完成相应的操作。
  
       2.3 液晶显示模块
  
      在该数控控制系统中需要同时显示出速度、行程、单相/ 往复标志、左/ 右位移等信息,如果使用传统的数码管无法直接显示这些信息,并且会给用户的实际操作带来众多不便之处。液晶现实模式具备有能耗比较少、外形美观、显示内容丰富等诸多优点,较之于传统的LED 显示器具备非常大的应用优势。因此,在对万能工具磨床进行数控改造的过程中,可以应用液晶显示模块来进行工作。此外,通过液晶显示模块也能够支撑图形操作系统,并能够直接在该平面上进行工件相关参数的合理设置,从而进行相关工件的自动化加工,这样能够在确保工件加工精准度的基础上,使磨削效率得到更进一步的提升。本系统中所应用到的液晶显示器的具体显示参数主要有以下几种:dw 为单相/ 往复标志,当dw=1 的情况下,表明工作台处于单向运动状态;当dw=0 的情况下,表明工作台处于往复运动的状态。f 为电机的转速。zy 作为工作台的运动方向标准,当zy=1 时,表明工作台朝左边移动;而zy=0 时,表明工作台超右移动。Sn 表示的是工作台的具体行程。
  
      3.万能工具磨床的数控软件改造设计
   
      在对万能工具磨床数控系统进行软件改造设计时可以借助于C 语言编程来实现,要求各个功能都能够对应一定的模块程序。主要改造内容包括主函数、液晶现实函数、键盘扫描函数、速度/ 行程处理函数、参数计算函数以及电机的运行函数等。
  
      3.1 主函数
  
     主函数主要负责的是整个系统模块流程的管理以及控制工作,其需要具备有系统初始化、中断管理、键盘扫描与处理以及功能键的处理等功能。为了发挥出主函数的应用优势,在本次优化设计中通过switch 语句来进行Read Key 0 中返回的按键值的合理判断,并根据其返回的按键值采取相应的采取行动。
   
     3.2 液晶显示函数
  
     在进行液晶显示器的操作过程中,利用单片机进行命令的接收与发送时,需要通过写入命令函数与写入数据函数这两个函数来实现。液晶显示命令和数据都需要按照一定的读写时序进行。在这两个函数装置中,需要处理的是用软件模拟液晶的读写时序来对该液晶数据库进行命令或者数据的传送工作,从而起到一定的控制效果。在液晶显示屏上显示字符的过程中,可以通过这两个函数构造出不同的函数,并借助于调动这些函数的模式实现字符的显示。
  
      3.3 键盘扫描函数
    
      在传统的键盘扫描函数中,不管是否按下了CPU 键都需要进行定时的扫描,这也就导致了在按键次数不多的情况下还会进行反复的空扫描,并使得CPU 的大量时间被浪费。为了进一步提升CPU 的运行效率,可以通过中断方式来完成键盘的扫描工作。中断方式指的是当键盘上?键位被按下去之后,就会立即发出中断申请,然后该请求直接接入到中断处理程序之中,在确定有按键被按下之后才进行相应的扫描操作,来进行按键位置的合理确认,并用来执行相应的按键功能。
  
       3.4 速度/行程处理函数
  
       速度/ 行程作为复用键,要求在应用该程序的时候对其进行分开处理,按键一次表明其所输入的是速度参数,并直接转入相应的速度处理程序。当连续按键二次时,则表示所输入的为行程参数,并直接转入行程处理程序中。
  
       3.5 参数计算函数
    
      参数计算函数一般包含有频率计算以及走步总数计算的能力,其具体函数如下:
    
      (1)走步总数计算。将步进电机在转动一个步距角之后磨床工具台的移动距离作为脉冲当量,具体计算公式为:
  
       
  
      在该函数中,步距角由θs 表示,步进电机转动后的工作台运行距离通过L 进行表示,用r作为齿轮齿条的半径,i 为齿轮传动过程中所产生的传动比。
   
     (2)频率计算。在该计算函数中,电机的输入脉冲频率计算如下:
  
         
  
     式中,fgqian 表示该电机的输入运行速度,并能够在此基础上来计算出函数均速情况下的走步周期。
  
      3.6 步进电机运行函数的计算
  
     借助于步进电机能够进行速度的有效控制,因此说可以通过对步进电机其所发出的脉冲频率以及换向周期进行合理控制的模式,来进行步进电机运行速度的有效控制。目前,在确定时钟脉冲周期的过程中存在软件延时以及定时器这两种确定方式,其中软件延迟指的是借助于在编程之中加入适当的语句来进行时间长短的合理控制,并在此基础上通过延时子程序来实现对速度的精准控制。定时器控制方法则能够通过在单片机上面加载定时器,然后在该定时器上面进行适当初值的装载。
  
      4. 结语
  
      我国现阶段所使用的传统万能工具磨床具有结构过于复杂、维修困难以及无法适应自动化流水线成产等诸多劣势。本文就万能工具磨床的数控硬件改造措施与软件改进措施进行了研究,并在一定程度上提升了万能工具磨床的加工速率和加工精准度,希望能够为我国制造行业的进一步发展提供一些理论参考。
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