1 概述

90年代初，我國機械加工行業(yè)實現(xiàn)機電一體化對舊式機床進行了不同程度的改造。我們在參與此項工作時，仔細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)作為步進電機的主要控制裝置，對加工鞋底花紋的銑床進行了改造，從而縮短了機械加工周期，提高了加工精度和生產效率。控制系統(tǒng)見圖1。系統(tǒng)的CAM工作主要是通過單片機控制完成的，單片機按照輸入的加工程序進行插補等各種運算產生進給量，由軟硬件相結合的技術實現(xiàn)脈沖分配，輸出一系列脈沖信號，經(jīng)過功放驅動步進電機工作，實現(xiàn)了刀具按照規(guī)定曲線軌跡運動的加工。

圖1 微機開環(huán)控制系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)設計

1. 單片機工作原理

步進電機具有輸出力矩較大、驅動簡單、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系統(tǒng)µPS，構成直接輸出步進電機所需驅動信號。X向、Y向、Z向步進電機通過單片µPS程序分別從擴展的I/O接口電路中獲得驅動脈沖信號(f_x、f_y、f_z)、正反轉選擇信號(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)，用于驅動機械傳動(滾珠絲杠)轉變?yōu)橹本�位移，進行位置和速度控制。因為步進電機運轉的步數(shù)是由驅動脈沖的個數(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)，步進電機就會按規(guī)定方向運轉。當確定單片機晶振時，脈沖信號的最高頻率也就確定了。設計單片機程序將步進電機繞組的各種不同通電方式按照二進制編碼列表編程(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，也可通過計算機編程自動控制。從硬件上配以步進電機為執(zhí)行元件；從軟件上開發(fā)計算機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)部部頒標準編程，由系統(tǒng)PC機(上位機)計算后，通訊給單片機(下位機)執(zhí)行控制步進電機完成的。

設計的CAD軟件具有對膠鞋大底的底樣進行樣條曲線擬合、邊框設計和求任意平面曲線交點的功能；具有鞋底放樣、花紋圖案設計、拼合設計和系列化設計的功能；具有圖形變換、映射成對設計的功能；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接口進行加工的功能。實施加工時考慮到系統(tǒng)設計為開環(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)、工件加工設置絕對零點、確定加工工藝路線、消除舍入誤差的累積效應和間隙補償?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編程的，每條指令都需對不是一個脈沖當量的部分進行舍入取整，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，將會嚴重地影響鞋底花紋的加工質量。選擇使用絕對坐標處理數(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)是準確的，從而把舍入誤差限制在一條曲線內。對傳動間隙的補償主要是判斷加工行程方向，當某一個坐標軸接受了反向指令時，該坐標軸在進行脈沖分配控制前，調用間隙補償子程序，發(fā)出一定數(shù)量的間隙補償進給脈沖，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. 主要技術指標
3. 舊設備技術改造后，主要技術指標為：
4. 步進電機脈沖當量為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恢荒苎刈鴺溯S方向運動，其運動速度不受級別限制，直接可達到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個脈沖當量。
10. 加工斜線可以三坐標軸聯(lián)動、兩坐標軸聯(lián)動，加工圓弧是X、Y方向兩坐標軸聯(lián)動。

3 抗干擾設計

為了保證加工質量，考慮到工業(yè)現(xiàn)場的環(huán)境、干擾因素等情況，在設計和調試過程中，對µPS控制系統(tǒng)采用軟硬件相輔相成的方法進行防干擾設計，主要采用下面四種方法：

1. 采用高抗干擾性電源。二次變配電進入機加工車間時，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、高抗擾性能的開關電源為計算機的電源，就能保證供電電源的質量。
2. 采用“全浮空”技術。在µPS的I/O接口與功放電路之間采用光電隔離技術，使其地線獨立，以抑制干擾信號的產生和傳導。
3. 采用“獨立通道”技術�！案】铡奔夹g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”設計方法。編制軟件以模塊化設計方法為主，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，從而進一步提高了改造系統(tǒng)的可靠性。

4 結束語