0 引 言

　　隨著科技的不斷發(fā)展,一方面由于待加工的機(jī)械、水晶玻璃、陶瓷等產(chǎn)品零部件的形狀越來(lái)越復(fù)雜及加工質(zhì)量的要求越來(lái)越高,手工操作的加工精度已不能滿(mǎn)足需要;另一方面,為了降低產(chǎn)品成本,追求更好的性?xún)r(jià)比,要求產(chǎn)品的機(jī)械結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量簡(jiǎn)化。同時(shí),市場(chǎng)上數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品琳瑯滿(mǎn)目,從高檔的基于PC機(jī)及板卡的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng),到基于DSP、ARM、FPGA等32位高性能芯片和嵌入式操作系統(tǒng)的獨(dú)立智能控制器,以及到基于文本顯示和PLC的中高檔的數(shù)控平臺(tái);對(duì)于市場(chǎng)上中、低檔加工精度要求的機(jī)床而言存在的一個(gè)最大問(wèn)題就是價(jià)格較高,而使機(jī)床整體成本相應(yīng)增加。本文研制開(kāi)發(fā)的這套基于折彎?rùn)C(jī)的多軸數(shù)控系統(tǒng):采用性?xún)r(jià)比較好的AVR系列單片機(jī)ATMEGA 128、128X64的液晶顯示、普通三相交流電機(jī)和光電編碼器反饋的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā),同時(shí)對(duì)于各部分接口電路采用模塊方式進(jìn)行組合,在滿(mǎn)足加工精度0. 05mm基礎(chǔ)上,做到經(jīng)濟(jì)和實(shí)用的效果。

1 折彎?rùn)C(jī)原理與控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　1. 1 折彎?rùn)C(jī)原理

　　目前市場(chǎng)上中、低檔折彎?rùn)C(jī)大多是采用半自動(dòng)化的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)和操作,系統(tǒng)有X軸和Y軸2個(gè)方向的控制,其中X軸電機(jī)控制加工板料的位置,Y軸電機(jī)控制油缸機(jī)械檔塊定位值。通過(guò)腳踏板控制機(jī)械液壓油缸,使得Y軸方向的滑塊重壓下來(lái)加工板料形成彎度。折彎?rùn)C(jī)工作示意如圖1所示,圖中左邊是Y軸方向,右邊為X軸方向。

圖1 折彎?rùn)C(jī)工作示意圖

　　1.2 數(shù)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

　　在控制系統(tǒng)中,單片機(jī)主要是完成管理與控制功能(進(jìn)行相關(guān)參數(shù)與算法的計(jì)算與控制),包括參數(shù)設(shè)置、故障檢測(cè)報(bào)警、發(fā)出啟動(dòng)和停止等各種控制命令。開(kāi)關(guān)量控制模塊既可檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)又可通過(guò)繼電器觸點(diǎn)發(fā)出開(kāi)關(guān)量控制信號(hào)。模擬量控制模塊可實(shí)現(xiàn)記數(shù)功能,模擬量控制模塊的開(kāi)關(guān)量控制信號(hào)與模擬量控制信號(hào)結(jié)合,可實(shí)現(xiàn)對(duì)一些模擬量設(shè)備的連續(xù)控制。顯示模塊可以顯示系統(tǒng)的狀態(tài)及控制信息等。曲率半徑檢測(cè)模塊及檢測(cè)剪板機(jī)制成品的曲率半徑,檢測(cè)到的模擬信號(hào)經(jīng)模塊處理后轉(zhuǎn)換成曲率半徑,然后傳給上位PC機(jī)。詳細(xì)設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

圖2 數(shù)控系統(tǒng)框圖

2 主要硬件電路及位置控制實(shí)現(xiàn)

　　2. 1 主要硬件電路

　　系統(tǒng)核心MCU采用了高性能的AVR單片機(jī),Atmega 128具有128K FLASH程序存儲(chǔ)器、4K EEPROM、2路UART、1路SPI接口、8路AD和豐富的IO口。上位單片機(jī)控制模塊,一方面可以接收從PC機(jī)發(fā)送來(lái)的指令,并把上位單片機(jī)控制模塊及各控制模塊的狀態(tài)傳送給PC機(jī),實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制;另一方面,上位單片機(jī)控制模塊也可通過(guò)鍵盤(pán)直接進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和狀態(tài)控制,并能進(jìn)行故障檢測(cè)[。數(shù)控系統(tǒng)電路中除了上述的液晶顯示、鍵盤(pán)輸入、報(bào)警和斷電保護(hù)的存儲(chǔ)部分的硬件之外,還有系統(tǒng)控制實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵部分電路是光電編碼器的信號(hào)輸入、控制外部交流三相電機(jī)的繼電器輸出以及由DS1302芯片實(shí)現(xiàn)的實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路。詳細(xì)實(shí)現(xiàn)電路如圖3所示。

圖3 硬件接口電路

　　圖中對(duì)應(yīng)4個(gè)6N137高速光耦用于系統(tǒng)中X、Y軸的光電編碼器輸入,每個(gè)光電編碼器輸出對(duì)應(yīng)一個(gè)方向信號(hào)、一個(gè)脈沖計(jì)數(shù)信號(hào)。分析編碼器和光柵尺的輸出波形圖可以知道,編碼器正轉(zhuǎn)時(shí)A相超前B相90度。在A(yíng)相脈沖的下降沿處,B相為高電壓。而在編碼器反轉(zhuǎn)時(shí),A相滯后B相90度,在A(yíng)相脈沖的下降沿處,B相輸出為低電平。所以,編碼器旋轉(zhuǎn)時(shí)通過(guò)判斷B相電平的高低就可以判斷出編碼器的旋轉(zhuǎn)方向。當(dāng)編碼器正轉(zhuǎn)或光柵尺正向運(yùn)動(dòng)時(shí)加計(jì)數(shù),反之則減計(jì)數(shù)。圖中4個(gè)12V控制繼電器,驅(qū)動(dòng)采用了達(dá)林頓輸出方式的ULN2003芯片, 2個(gè)繼電器對(duì)應(yīng)控制一組(X或Y軸)電機(jī)的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。圖中間的DS1302是具備涓流充電功能的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片,其中備用的可充電3. 3V電池還可以給系統(tǒng)中的存儲(chǔ)器EEPROM(FM 24C256)供電。

　　2.2 位置控制實(shí)現(xiàn)

　　輸入定位尺寸并啟動(dòng)后,電機(jī)開(kāi)始運(yùn)行,當(dāng)接近目標(biāo)時(shí)電機(jī)停止運(yùn)行(圖中n處),此時(shí)由于運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)有慣性,因而擋塊會(huì)繼續(xù)作減速運(yùn)動(dòng),直至在s區(qū)間停止運(yùn)行,如果停止在圖中兩個(gè)p所示區(qū)間內(nèi),即到位。反之,系統(tǒng)發(fā)出點(diǎn)動(dòng)信號(hào),驅(qū)動(dòng)電機(jī)向目標(biāo)位置運(yùn)行?？繎T性低速運(yùn)行的距離由系統(tǒng)參數(shù)/高低速0或/停止距離0確定。點(diǎn)動(dòng)運(yùn)行的距離由系統(tǒng)參數(shù)/點(diǎn)動(dòng)因子0確定。目標(biāo)位置是一個(gè)由參數(shù)/公差范圍0所確定的區(qū)間,即認(rèn)為在此誤差范圍內(nèi)定位正確。

圖4 位置控制原理

　　若系統(tǒng)參數(shù)/高低速0或/停止距離0較大,則會(huì)導(dǎo)致停止運(yùn)行時(shí),還沒(méi)有到達(dá)目標(biāo)位置,即不在圖4的兩個(gè)p所示區(qū)間內(nèi),系統(tǒng)就會(huì)發(fā)出點(diǎn)動(dòng)信號(hào),并驅(qū)近目標(biāo)位置。

　　若系統(tǒng)參數(shù)/高低速0或/停止距離0太小,導(dǎo)致停止運(yùn)行時(shí),超過(guò)目標(biāo)位置,即超過(guò)圖4中右邊的p。系統(tǒng)就會(huì)發(fā)出點(diǎn)動(dòng)信號(hào),反向驅(qū)近目標(biāo)位置。

　　多軸數(shù)控系統(tǒng)出廠(chǎng)時(shí)各參數(shù)如/停止距離0、/點(diǎn)動(dòng)因子0和/公差范圍0已經(jīng)設(shè)定,但在實(shí)際生產(chǎn)加工過(guò)程中由于絲杠及螺母間隙、鏈條、皮帶張緊度等因素,會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)點(diǎn)動(dòng)信號(hào)來(lái)達(dá)到運(yùn)行結(jié)果時(shí),此時(shí)用戶(hù)可以自行調(diào)整上述參數(shù),從而改善每次運(yùn)行時(shí)頻繁出現(xiàn)的點(diǎn)動(dòng)現(xiàn)象。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)中軟件設(shè)計(jì)采用模塊化方式進(jìn)行,分別編寫(xiě)了基于I2C總線(xiàn)的存儲(chǔ)程序模塊、基于SPI總線(xiàn)的液晶顯示和時(shí)鐘程序模塊、基于中斷與查詢(xún)方式并進(jìn)行延時(shí)去抖的鍵盤(pán)輸入程序模塊。在控制信號(hào)采集方式上,采用了中斷模式來(lái)獲取光電編碼器的信息,其中中斷實(shí)現(xiàn)的簡(jiǎn)要代碼如下所示:

4 小 結(jié)

　　系統(tǒng)通過(guò)對(duì)普通三相異步電機(jī)的運(yùn)行速度進(jìn)行控制以及利用高分辨率的光電編碼器直接檢測(cè)運(yùn)動(dòng)部件,可以對(duì)后擋料或加工軸進(jìn)行精確定位。同時(shí)具有單步和多達(dá)99個(gè)工步的控制功能,并可對(duì)任一工步執(zhí)行單步運(yùn)行,對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)行快速驅(qū)近,即點(diǎn)動(dòng)定位,使運(yùn)行效率得以大幅度提高。由于采用單片機(jī)技術(shù)對(duì)普通三相異步電機(jī)進(jìn)行控制,與步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)、變頻調(diào)速系統(tǒng)相比,最大限度地節(jié)省了控制系統(tǒng)的成本,這是一種性?xún)r(jià)比較高的控制解決方案。