瓦楞輥是瓦楞紙箱生產(chǎn)線的核心部件，也是最昂貴、易損的部件之一，而瓦楞輥的制造與翻修都離不開(kāi)瓦楞輥磨床。磨床的加工精度與效率直接影響到瓦楞輥的質(zhì)量與企業(yè)的效益。目前在用的瓦楞輥磨床數(shù)控系統(tǒng)主要分為兩類(lèi)…：一類(lèi)為通用數(shù)控系統(tǒng)如、SIEMENS；另一類(lèi)為基于PC的數(shù)控系統(tǒng)。前者性能突出但價(jià)格過(guò)高，相對(duì)于瓦楞輥磨削工藝而言，其功能、性能過(guò)于冗余；后者功能與性能足夠，但是其價(jià)格對(duì)于眾多的中小企業(yè)而言依然難以承受。因此，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)功能實(shí)用、運(yùn)行穩(wěn)定可靠的瓦楞輥磨床經(jīng)濟(jì)型專(zhuān)用數(shù)控系統(tǒng)具有重要意義。本文提出了一種基于單片處理器的瓦楞輥磨床經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，該方案無(wú)論是在數(shù)控系統(tǒng)本錢(qián)還是在系統(tǒng)功能／性能方面都具有很大的上風(fēng)，適合瓦楞輥磨床的配套改造之用。

　　數(shù)控磨床工藝與電氣結(jié)構(gòu).瓦楞輥數(shù)控磨床與磨～i,J-r藝瓦楞輥數(shù)控磨床通常由平面磨床、龍門(mén)刨床或者龍門(mén)銑床改造而來(lái)，本文所先容的瓦楞輥數(shù)控磨床采　　用了平面磨床M7150的床身結(jié)構(gòu)。它主要保留了平面磨床的砂輪主軸，為進(jìn)步加工精度，砂輪架的升降控制采用伺服驅(qū)動(dòng)、減速箱與滾珠絲杠的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)軸，同時(shí)取消了水平滑臺(tái)原來(lái)的液壓傳動(dòng)部分，以交流伺服（z軸）代之，并在此基礎(chǔ)上安裝了數(shù)控分度頭軸，以及用于砂輪修整的金剛滾輪架。平面磨床的其它輔助裝置如床身液壓泵、主軸油泵、冷卻水泵基本不變。為簡(jiǎn)化數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，砂輪主軸電動(dòng)機(jī)、冷卻水泵、磨頭伸縮等控制功能單獨(dú)實(shí)現(xiàn)，但是對(duì)所有電動(dòng)機(jī)的過(guò)載保護(hù)功能仍然由數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。

　　瓦楞輥磨床經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)的主要操縱功能如下。

　　參數(shù)設(shè)置通過(guò)8鍵鍵盤(pán)設(shè)定工藝參數(shù)、工件參數(shù)、機(jī)床有效行程和各軸間隙補(bǔ)償值；機(jī)床回零點(diǎn)動(dòng)控制軸和z軸運(yùn)動(dòng)，將軸、z軸位置點(diǎn)動(dòng)調(diào)整到機(jī)床坐標(biāo)零點(diǎn)，作為磨床加工時(shí)的基準(zhǔn)位置；工件裝夾點(diǎn)動(dòng)控制各軸運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)工件安裝找正；建立工位點(diǎn)動(dòng)控制各軸運(yùn)動(dòng)，確定磨床基　　本工位，如分度位、對(duì)刀位、磨削起刀位、右出頭位、砂輪修整位；砂輪修整確定砂輪的粗修量、精修量以及修整次數(shù)，并完成正式磨削前的砂輪修整；自動(dòng)運(yùn)行根據(jù)設(shè)定的工藝參數(shù)、工件參數(shù)、工位參數(shù)及砂輪修整參數(shù)自動(dòng)磨削工件，磨削過(guò)程中每條楞的工藝主要包括：分度一粗磨一砂輪修整一精磨；軟件復(fù)位數(shù)控系統(tǒng)熱啟動(dòng)。

　　數(shù)控系統(tǒng)電氣結(jié)構(gòu)瓦楞輥磨床經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)的電氣結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)以AD16M4測(cè)控板為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了瓦楞輥磨床所有電氣測(cè)控功能。它不僅包括LCD顯示與按鍵輸進(jìn)，還具有開(kāi)關(guān)量輸進(jìn)（DI）／輸出（DO）、交流伺服電動(dòng)機(jī)位置／速度控制等功能。其中，DI部分主要包括軸、軸的雙向行程開(kāi)關(guān)檢測(cè)，軸、軸、軸交流伺服狀態(tài)報(bào)警輸進(jìn)，各種功率電動(dòng)機(jī)過(guò)載保護(hù)等；部分主要包括燈光報(bào)警、聲音報(bào)警、間歇潤(rùn)滑、軸與軸電磁剎車(chē)、軸氣剎車(chē)以及金剛輪電動(dòng)機(jī)啟／?？刂啤Ｈ鴺?biāo)數(shù)控軸選用安川交流伺服系統(tǒng)，構(gòu)成半閉環(huán)位置控制結(jié)構(gòu)，其輸進(jìn)信號(hào)設(shè)置為方向+脈沖。

　　數(shù)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)瓦楞輥磨床經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)AD16M4測(cè)控板的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由主處理器W78E516、地址鎖存器74LS373、地址譯碼器74LS138、主存儲(chǔ)器、輔存儲(chǔ)器NVRAM29F040、擴(kuò)展端口和8255B、脈沖均分器AT89C2051、LCD顯示板及鍵盤(pán)組成。

　　1 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)測(cè)控板使用了兩片數(shù)據(jù)存儲(chǔ)芯片，即與NVRAM29F040。由于RAM本身沒(méi)有掉電保護(hù)功能，為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的掉電保護(hù)功能，系統(tǒng)擴(kuò)展了非易失型存儲(chǔ)器NVRAM29F040。主存儲(chǔ)芯片的存儲(chǔ)空間為32kB，用來(lái)存儲(chǔ)變量、頁(yè)面代碼等不需要掉電保護(hù)的數(shù)據(jù)。輔存儲(chǔ)芯片存儲(chǔ)空間為512kB，由硬件劃分的8個(gè)存儲(chǔ)扇區(qū)，由主處理器的P1.4、P1.5、P1.6引腳選擇扇區(qū)。

　　每個(gè)扇區(qū)的存儲(chǔ)空間都可以開(kāi)釋?zhuān)ㄟ^(guò)擦除操縱對(duì)扇區(qū)進(jìn)行區(qū)擦除，開(kāi)釋存儲(chǔ)空間。主處理器能夠采用直接尋址方式訪問(wèn)主存儲(chǔ)器與輔存儲(chǔ)器，由W78E516的.7引腳控制兩片存儲(chǔ)芯片的選擇與切換。

　　2 基本輸進(jìn)輸出主處理器W78E516的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3引腳分別控制LMG—SSC240×64點(diǎn)陣LCD顯示板的片選、讀寫(xiě)和使能信號(hào)，通過(guò)8255A的PA口實(shí)現(xiàn)顯示數(shù)據(jù)輸出，鍵盤(pán)數(shù)據(jù)以開(kāi)關(guān)量方式輸進(jìn)到8255A的口；由8255B的PB口檢測(cè)行程開(kāi)關(guān)、交流伺服狀態(tài)和電動(dòng)機(jī)過(guò)載等信息，其中行程開(kāi)關(guān)應(yīng)選擇常閉觸點(diǎn)，所有電動(dòng)機(jī)的熱繼電器的常閉觸點(diǎn)經(jīng)過(guò)串聯(lián)后輸進(jìn)至測(cè)控板；由8255A的PC7、PC6、PC4引腳分別控制燈光報(bào)警、聲音報(bào)警和間歇潤(rùn)滑，8255B的Pc口的高4位～PC7分別控制X軸和軸電磁剎車(chē)、軸氣剎車(chē)和金剛輪電動(dòng)機(jī)的通斷。

　　3 運(yùn)動(dòng)控制運(yùn)動(dòng)控制的目的在于對(duì)運(yùn)動(dòng)控制軸的位置／速度／加速度的精確控制。當(dāng)系統(tǒng)采用“脈沖+方向”輸出時(shí)，既要保證脈沖與方向同步，還要保證脈沖總數(shù)正確、頻率正確、頻率變化平緩。此外，為進(jìn)步系統(tǒng)可靠性，位置控制信號(hào)（脈沖、方向）均采用差分驅(qū)動(dòng)形式輸出。

　　由于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)采用單片機(jī)作為主處理器，其數(shù)據(jù)處理能力有限，難以實(shí)現(xiàn)較高質(zhì)量的控制脈沖。

　　因此，本系統(tǒng)使用獨(dú)立于主處理器的脈沖均分器輸出脈沖，不但可以進(jìn)步整個(gè)系統(tǒng)的處理速度、簡(jiǎn)化程序設(shè)計(jì)，還能夠有效地進(jìn)步脈沖頻率的控制精度。脈沖均分器采用AT89C2051單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)脈沖均勻輸出。該控制軟件已經(jīng)完全芯片化。主處理器W78E516B通過(guò)端口擴(kuò)展8255B控制系統(tǒng)運(yùn)行，8255B的PA口控制脈沖輸出，Pc口的低4位PC0～3控制各軸運(yùn)動(dòng)方向。8255B的PA口連接2片脈沖均分器，當(dāng)接收到來(lái)自主處理器的中斷信號(hào)時(shí)，脈沖均分器讀取8255B的口的脈沖數(shù)并將其均勻輸出。從脈沖均分器輸出的脈沖信號(hào)與來(lái)自8255B的Pc口的方向信號(hào)經(jīng)差分變換后分別輸出至軸、軸、z軸的伺服驅(qū)動(dòng)器。其中，軸和軸的脈沖輸出共用一個(gè)AT89C2051，當(dāng).7置“0”時(shí)輸出軸脈沖，置“1”時(shí)輸出軸脈沖；軸和軸共用一個(gè)AT89C2051，U軸備用。

　　數(shù)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)瓦楞輥磨床經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)軟件采用模塊化程序設(shè)計(jì)，主要任務(wù)模塊包括按鍵掃描、鍵值分析、伺服電動(dòng)機(jī)控制、行程開(kāi)關(guān)檢測(cè)、交流伺服狀態(tài)檢測(cè)、電動(dòng)機(jī)過(guò)載檢測(cè)、燈光報(bào)警、聲音報(bào)警、間歇潤(rùn)滑及LCD顯示。系統(tǒng)軟件的主程序以循環(huán)方式掃描上述任務(wù)模塊，當(dāng)對(duì)應(yīng)的條件滿(mǎn)足時(shí)，該任務(wù)被響應(yīng)并予以處理。

　　主程序中的鍵盤(pán)掃描周期約為100ms，過(guò)小的掃描間隔難以過(guò)濾掉按鍵抖動(dòng)，而過(guò)大的掃描間隔則可能遺漏按鍵動(dòng)作。本系統(tǒng)采用定時(shí)器11D實(shí)現(xiàn)插補(bǔ)周期的中斷定時(shí)，中斷服務(wù)程序主要完成運(yùn)動(dòng)控制參數(shù)的計(jì)算以及脈沖數(shù)的輸出。在系統(tǒng)上電后，為防止因上電時(shí)電壓波動(dòng)造成系統(tǒng)初始化錯(cuò)誤，程序延時(shí)100ms左右。延時(shí)完成后，進(jìn)行變量初始化、芯片與硬件端口初始化及輸出狀態(tài)初始化。在程序運(yùn)行過(guò)程中，大概每必須刷新LCD顯示一次，以防止LCD顯示錯(cuò)誤信息。

　　系統(tǒng)軟件以多級(jí)菜單的形式顯示各操縱功能。其主菜單顯示內(nèi)容為：參數(shù)設(shè)置、機(jī)床回零、工件裝夾、建立工位、砂輪修整、自動(dòng)運(yùn)行、技術(shù)支持、軟件復(fù)位。為配合上述操縱功能，系統(tǒng)按鍵采用多重定義方式，與通用數(shù)控系統(tǒng)中的軟鍵設(shè)計(jì)思想基本一致。與之不同的是本系統(tǒng)沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的數(shù)字輸進(jìn)鍵，而是以軟鍵輸進(jìn)代替。另外，系統(tǒng)取消了一般數(shù)控系統(tǒng)中的手輪和點(diǎn)動(dòng)按鈕，其對(duì)應(yīng)功能由軟鍵結(jié)合多速（粗調(diào)／中調(diào)／細(xì)調(diào)／微調(diào)）點(diǎn)動(dòng)按鍵實(shí)現(xiàn)。這種“以軟代硬”的實(shí)現(xiàn)方式能夠在很大程度上簡(jiǎn)化系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，而對(duì)系統(tǒng)操縱效率影響極小。

　　1 數(shù)據(jù)治理設(shè)計(jì)數(shù)控系統(tǒng)需要保存的參數(shù)比較多，如工藝參數(shù)磨削量、粗磨速度、精磨速度）、工件參數(shù)（中高、楞長(zhǎng)、楞數(shù)）、邏輯行程保護(hù)參數(shù)（軸、z軸）、機(jī)床間隙補(bǔ)償量（軸、z軸、軸）以及砂輪修整參數(shù)（粗修整量、精修整量、修整次數(shù)）。此外，根據(jù)工件參數(shù)計(jì)算得到的中高分布曲線表、分度角度表也同樣要求實(shí)現(xiàn)掉電保護(hù)。由于系統(tǒng)采用的是增量式位置控制系統(tǒng)，工位信息則不必實(shí)現(xiàn)掉電保護(hù)。系統(tǒng)進(jìn)進(jìn)參數(shù)設(shè)置頁(yè)面時(shí)，顯示保存在NVRAM里的數(shù)據(jù)。為防止出現(xiàn)亂碼或其它錯(cuò)誤，需要對(duì)顯示的數(shù)據(jù)格式和數(shù)據(jù)進(jìn)行有效性檢查。假如數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，則強(qiáng)制賦隱含值，參數(shù)在修改后將存進(jìn)NVRAM的對(duì)應(yīng)扇區(qū)中。

　　2 基本算法設(shè)計(jì)中高算法：本系統(tǒng)以?huà)佄锞€作為中高曲線，為降低運(yùn)動(dòng)控制兩軸聯(lián)動(dòng)的復(fù)雜性，采用分段直線逼近拋物線的方法。首先將瓦楞輥楞長(zhǎng)換算成對(duì)應(yīng)的總脈沖數(shù)，然后等分成40段，再計(jì)算出各段中高值對(duì)應(yīng)的脈沖數(shù)及各段的斜率并存進(jìn)NVRAM中。在磨削中高時(shí)，根據(jù)當(dāng)前段z軸運(yùn)行的脈沖數(shù)與斜率計(jì)算出本中斷周期軸應(yīng)輸出的脈沖數(shù)。

　　分度算法：由于單片機(jī)難以滿(mǎn)足復(fù)雜的實(shí)時(shí)計(jì)算要求，與中高處理類(lèi)似，分度計(jì)算也同樣在磨削加工前處理完成。具體計(jì)算方法：先計(jì)算軸一周.對(duì)應(yīng)的總脈沖數(shù)，然后以總脈沖數(shù)與設(shè)定的楞數(shù)相除取整得到每條楞的基天職度脈沖數(shù)，再適當(dāng)處理余數(shù)，將余數(shù)脈沖按一定規(guī)律均勻插進(jìn)到對(duì)應(yīng)楞中往，則足以保證均勻分度。理論上，分度誤差不超過(guò)一個(gè)脈沖，完全能滿(mǎn)足瓦楞輥分度的技術(shù)要求，而且即使軸連續(xù)旋轉(zhuǎn)多周也不會(huì)出現(xiàn)累積誤差。

　　3 運(yùn)動(dòng)控制設(shè)計(jì)脈沖插補(bǔ)算法是運(yùn)動(dòng)控制的核心。系統(tǒng)軟件采用了脈沖增量插補(bǔ)算法中的數(shù)字積分直線插補(bǔ)，每次插補(bǔ)產(chǎn)生一個(gè)位移增量，并以脈沖形式輸出。本控制系同一邊進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算，一邊進(jìn)行加工，是一種典型的實(shí)時(shí)控制方式，所以插補(bǔ)運(yùn)算的效率直接影響到磨床的進(jìn)給速度。插補(bǔ)周期越小，則輪廓精度也就越高。在兩軸聯(lián)動(dòng)時(shí)，運(yùn)動(dòng)控制計(jì)算量非常大，因此，要求軟件設(shè)計(jì)時(shí)盡量避免雙精度、長(zhǎng)整型變量數(shù)據(jù)處理，以簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，降低處理器時(shí)間消耗。本系統(tǒng)采用的定時(shí)。