萬能工具磨床的數控改造研究
2018-1-4 來源： 臺州北平機床有限公司 作者： 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研究分析。
【關鍵詞】: 萬能工具磨床; 數控改造; 施工精度
我國裝備制造行業的不斷發展，對萬能工具磨床的價格、質量以及運行效率提出了更高的要求。但是現階段大多數企業所使用的萬能工具磨床還是手工操作的普通磨床，存在效率低下、加工精度不足等諸多問題，難以滿足現階段的市場需求。在這一形勢下，企業只有對現有的萬能工具磨床進行合理的數控改造，才能進一步提升自身的市場競爭能力，得到良好的發展。
1. 產品的結構與原理圖簡析
本次進行數控改造的產品結構圖如圖1 所示。其在磨床的底座上面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。借助于數控系統的合理控制能夠進行4 個直線坐標軸的分動與聯動控制，并能夠借助于B 軸來進行速度的合理調整。該產品所配置的數控系統具備有良好的穩定性與可靠性，并能夠完成各種形狀工件所需的復合運動控制，具備有自動編程、自動調節、實時監控以及數據統計等多項功能，其采用的是閉環控制的控制模式，能夠對位移精度的誤差進行有效的反饋與補償，從而實現工件在磨削過程中的精確位移。此外，該產品還采用了智能菜單式加工軟件，能夠有效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件的改造設計
在進行萬能工具磨床數控系統的改造過程中，利用對脈沖發出的時間間隔進行改變的模式來進行步進電機的速度控制。為了使其控制精度得到進一步的提升，也就需要通過定時器來進行時間的黑控制，這樣一方面能夠充分發揮出硬件的實時性優勢，另一方面也能夠有效降低軟件的任務。在進行數控系統的改造過程中，可以將單片機作為核心部件，然后借助于單片機的構成系統來從元件級進行系統設置，并需要根據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置，從而構成該萬能工具磨床的數控系統。
2.1 伺服電機模塊的改造
伺服電機其接上位指令可以使模擬指令以及脈沖指令這兩種模式在伺服電機中，電機轉動速度與電壓呈線性關系，因此模擬指令能夠通過對輸出電壓的大小進行控制的模式來進行電機轉動速度的有效控制，但其位置控制的精準性不足。而脈沖指令則能夠直接根據輸出脈沖的頻率來對電機的轉速進行控制，并具備精準的位置控制效果。
伺服電機自帶的編碼器能夠進行脈沖信號的輸出，并可以直接將該脈沖信號輸入計算機系統進行加工生產環節的控制。但是在實際工作過程中，機床需要牽涉比較多的電器設備，其編碼器PAO 口以及PBO 口的輸出信號容易受到外界因素的干擾，并出現計數不準等情況。通過伺服電機組成閉環系統，電機運動以及編碼器所發出的脈沖信號能夠盡可能避免外界因素的干擾，并使總控制系統可以很好地接收反饋信號，判斷該電機轉過所需的角度。為了識別反饋通道中的反饋信號是否被干擾，可以借助于PAO、PBO 等信號的變化規律對這些反饋信號進行校驗處理，并在確定是因為電機轉動所引起的編碼器反饋之后，系統才得以認可，進行伺服電機轉動速度以及位置的精準控制。因此說通過對反饋口信號進行校驗處理的模式能夠有效排除各種外界因素的干擾，實現精準控制這一目的。
2.2 矩陣鍵盤模塊
在進行矩陣鍵盤模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，并擁有參數設定、啟動以及停止等操作功能。矩陣鍵盤模塊功能分析如下:
（1）參數的設定: 在萬能工具磨床的數控系統開始運行之前，首先需要進行步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系統進行參數的傳入。
（2）系統的啟動與停止操作: 要想實現該數控系統的啟動、停止以及左右位移操作，也就需要在操控鍵盤上進行相關的按鍵開關的設置，從而取得一個良好的數控效果。本系統采用的鍵盤中的按鍵分為數字鍵以及功能鍵兩個部分，其中功能鍵包含速度/ 行程鍵、單向/ 往復鍵、左/右移鍵、啟動鍵、停止鍵以及確認鍵等鍵位，并通過中斷方式這一鍵盤接入方式來進行信息的輸入，并能夠直接將這些參數信息發送給單片機系統，從而實現整個萬能工具磨床的有效控制。近年來，我國觸摸屏技術不斷發展，可以將傳統的矩形鍵盤模塊直接納入操作屏中，并通過圖形操作的模式完成相應的操作。
2.3 液晶顯示模塊
在該數控控制系統中需要同時顯示出速度、行程、單相/ 往復標志、左/ 右位移等信息，如果使用傳統的數碼管無法直接顯示這些信息，并且會給用戶的實際操作帶來眾多不便之處。液晶現實模式具備有能耗比較少、外形美觀、顯示內容豐富等諸多優點，較之于傳統的LED 顯示器具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作系統，并能夠直接在該平面上進行工件相關參數的合理設置，從而進行相關工件的自動化加工，這樣能夠在確保工件加工精準度的基礎上，使磨削效率得到更進一步的提升。本系統中所應用到的液晶顯示器的具體顯示參數主要有以下幾種:dw 為單相/ 往復標志，當dw=1 的情況下，表明工作臺處于單向運動狀態;當dw=0 的情況下，表明工作臺處于往復運動的狀態。f 為電機的轉速。zy 作為工作臺的運動方向標準，當zy=1 時，表明工作臺朝左邊移動;而zy=0 時，表明工作臺超右移動。Sn 表示的是工作臺的具體行程。
3.萬能工具磨床的數控軟件改造設計
在對萬能工具磨床數控系統進行軟件改造設計時可以借助于C 語言編程來實現，要求各個功能都能夠對應一定的模塊程序。主要改造內容包括主函數、液晶現實函數、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
主函數主要負責的是整個系統模塊流程的管理以及控制工作，其需要具備有系統初始化、中斷管理、鍵盤掃描與處理以及功能鍵的處理等功能。為了發揮出主函數的應用優勢，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，并根據其返回的按鍵值采取相應的采取行動。
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，需要通過寫入命令函數與寫入數據函數這兩個函數來實現。液晶顯示命令和數據都需要按照一定的讀寫時序進行。在這兩個函數裝置中，需要處理的是用軟件模擬液晶的讀寫時序來對該液晶數據庫進行命令或者數據的傳送工作，從而起到一定的控制效果。在液晶顯示屏上顯示字符的過程中，可以通過這兩個函數構造出不同的函數，并借助于調動這些函數的模式實現字符的顯示。
3.3 鍵盤掃描函數
在傳統的鍵盤掃描函數中，不管是否按下了CPU 鍵都需要進行定時的掃描，這也就導致了在按鍵次數不多的情況下還會進行反復的空掃描，并使得CPU 的大量時間被浪費。為了進一步提升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？鍵位被按下去之后，就會立即發出中斷申請，然后該請求直接接入到中斷處理程序之中，在確定有按鍵被按下之后才進行相應的掃描操作，來進行按鍵位置的合理確認，并用來執行相應的按鍵功能。
3.4 速度/行程處理函數
速度/ 行程作為復用鍵，要求在應用該程序的時候對其進行分開處理，按鍵一次表明其所輸入的是速度參數，并直接轉入相應的速度處理程序。當連續按鍵二次時，則表示所輸入的為行程參數，并直接轉入行程處理程序中。
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，其具體函數如下:
（1）走步總數計算。將步進電機在轉動一個步距角之后磨床工具臺的移動距離作為脈沖當量，具體計算公式為:
在該函數中，步距角由θs 表示，步進電機轉動后的工作臺運行距離通過L 進行表示，用r作為齒輪齒條的半徑，i 為齒輪傳動過程中所產生的傳動比。
（2）頻率計算。在該計算函數中，電機的輸入脈沖頻率計算如下:
式中，fgqian 表示該電機的輸入運行速度，并能夠在此基礎上來計算出函數均速情況下的走步周期。
3.6 步進電機運行函數的計算
借助于步進電機能夠進行速度的有效控制，因此說可以通過對步進電機其所發出的脈沖頻率以及換向周期進行合理控制的模式，來進行步進電機運行速度的有效控制。目前，在確定時鐘脈沖周期的過程中存在軟件延時以及定時器這兩種確定方式，其中軟件延遲指的是借助于在編程之中加入適當的語句來進行時間長短的合理控制，并在此基礎上通過延時子程序來實現對速度的精準控制。定時器控制方法則能夠通過在單片機上面加載定時器，然后在該定時器上面進行適當初值的裝載。
4. 結語
我國現階段所使用的傳統萬能工具磨床具有結構過于復雜、維修困難以及無法適應自動化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，并在一定程度上提升了萬能工具磨床的加工速率和加工精準度，希望能夠為我國制造行業的進一步發展提供一些理論參考。
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