摘要：介紹了微型計算機在改造鞋底花紋加工設(shè)備中的應(yīng)用，對單片機的控制過程和軟件設(shè)計技巧進行了闡述，同時還介紹了工業(yè)現(xiàn)場控制系統(tǒng)抗干擾的有效方法。
關(guān)鍵詞：單片機；坐標(biāo)銑；抗干擾的方法

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(xì)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(chǎn)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(chǎn)生進給量，由軟硬件相結(jié)合的技術(shù)實現(xiàn)脈沖分配，輸出一系列脈沖信號，經(jīng)過功放驅(qū)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(shè)計

2.1單片機工作原理

步進電機具有輸出力矩較大、驅(qū)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(gòu)成直接輸出步進電機所需驅(qū)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(qū)動脈沖信號(φx、φy、φz）、正反轉(zhuǎn)選擇信號（Sx、Sy、Sz）、置零信號（Se）以及聯(lián)動信號（Sxy、Sxz、Syz），用于驅(qū)動機械傳動(滾珠絲杠)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€位移，進行位置和速度控制。因為步進電機運轉(zhuǎn)的步數(shù)是由驅(qū)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(zhuǎn)。當(dāng)確定單片機晶振時，脈沖信號的最高頻率也就確定了。設(shè)計單片機程序?qū)⒉竭M電機繞組的各種不同通電方式按照二進制編碼列表編程(見表1)，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2X向脈沖分配子程序框圖

表1 脈沖分配表

注：1——通電0——斷電

2.2銑床加工與控制軟件

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(biāo)準(zhǔn)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(shè)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(shè)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(shè)計、拼合設(shè)計和系列化設(shè)計的功能；具有圖形變換、映射成對設(shè)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(shè)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(shè)置絕對零點、確定加工工藝路線、消除舍入誤差的累積效應(yīng)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(shè)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(fù)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(yīng)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(biāo)編程的，每條指令都需對不是一個脈沖當(dāng)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(yán)重地影響鞋底花紋的加工質(zhì)量。選擇使用絕對坐標(biāo)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(yīng)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(zhǔn)確的，從而把舍入誤差限制在一條曲線內(nèi)。對傳動間隙的補償主要是判斷加工行程方向，當(dāng)某一個坐標(biāo)軸接受了反向指令時，該坐標(biāo)軸在進行脈沖分配控制前，調(diào)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

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(nèi)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(shè)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(dāng)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。

2.3主要技術(shù)指標(biāo)

舊設(shè)備技術(shù)改造后，主要技術(shù)指標(biāo)為：

(1)步進電機脈沖當(dāng)量為0.01。
(2)X、Y、Z軸最大行程為5000mm×3500mm×600mm。
(3)加工圓弧時允許的最大半徑為2800mm。
(4)刀點切向運動速度

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。快速定位只能沿坐標(biāo)軸方向運動，其運動速度不受級別限制，直接可達到320.00mm/min)。
(5)單片μPS中memory一次最多能容納用戶程序約9000個ASC Ⅱ碼。
(6)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(dāng)量。
(7)加工斜線可以三坐標(biāo)軸聯(lián)動、兩坐標(biāo)軸聯(lián)動，加工圓弧是X、Y方向兩坐標(biāo)軸聯(lián)動。

3抗干擾設(shè)計

為了保證加工質(zhì)量，考慮到工業(yè)現(xiàn)場的環(huán)境、干擾因素等情況，在設(shè)計和調(diào)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(shè)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(guān)電源為計算機的電源，就能保證供電電源的質(zhì)量。

(2)采用“全浮空”技術(shù)。在μPS的I/O接口與功放電路之間采用光電隔離技術(shù)，使其地線獨立，以抑制干擾信號的產(chǎn)生和傳導(dǎo)。

(3)采用“獨立通道”技術(shù)。“浮空”技術(shù)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(shè)計方法。編制軟件以模塊化設(shè)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(jié)束語

對舊銑床改造的實踐表明：整機加工性能穩(wěn)定可靠、抗干擾能力強、便于維修和故障處理。生產(chǎn)效率比原來提高了70%。

參考文獻
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