經濟型數(shù)控車床進給伺服系統(tǒng)設計

經濟型數(shù)控車床進給伺服系統(tǒng)設計,經濟型,數(shù)控車床,進給,伺服系統(tǒng),設計 第五章控制系統(tǒng)軟件設計 第五章 控制系統(tǒng)軟件設計 5.1軟件設計的組成 軟件設計工作，按其功能可分為兩類：一類是執(zhí)行軟件，它能完成各種實質性的功能，如步進電機控制、插補、誤差補償計算、零件加工程序、顯示輸出等；另一類是監(jiān)控（管理）軟件，它是控制微機系統(tǒng)按預定的操作方式運轉的程序，它完成人機通信并協(xié)調各執(zhí)行程序和操作者之間的關系，在阮籍系統(tǒng)中充當組織調度的角色，如系統(tǒng)自檢、初始化、處理鍵盤命令、處理接口命令等。 進行軟件設計時，常將整個系統(tǒng)的任務按功能分成一個一個的模塊，并為每一個執(zhí)行定義。顯現(xiàn)介紹幾個主要模塊的設計技術。 5.2插補方法及程序設計 5.2.1插補方法概述 經濟性數(shù)控機床是用步進電機或伺服電機驅動機構，是刀具相對工件沿著制定的路徑運動，切削零件的輪廓，并保證切削過程中每一點精度和表面粗糙度符合一定的要求。當加工具有與坐標方向一致的直線輪廓的工件時，只要沿其坐標方向進給就能滿足加工要求。如果加工斜線和圓弧，就必在兩坐標軸方向上控制進給才能加工出制定的輪廓。如果加工復雜的曲面，就必須在三坐標軸上控制進給才能滿足輪廓加工要求。 每一方向的進給運動是靠步進電機拖板產生的，而步進電機的運動則是靠數(shù)字脈沖來控制的。一個脈沖能使拖板產生的位移量成為脈沖當量，常用Δx、Δy表示。因而知道了平行軸向的加工輪廓長度，就可換算成步進電機控制脈沖總數(shù)，從而完成零件加工。但問題是在加工斜線和圓弧輪廓時，實際是二坐標交替運動，刀具運動的軌跡是折線而不是斜直線和圓弧，如圖所示。這就必須要求數(shù)控裝置沿兩個坐標不斷地發(fā)出相互協(xié)調的脈沖，控制機床拖板作相應地移動，使道具軌跡按一定要求的精度符合設計的表面輪廓。這種保證完成直線或曲線加工的坐標軸間合理脈沖分配計算，就成為插補運算。若在坐標軸間按一定比例或規(guī)律分配脈沖，就可加工出斜直線或曲線輪廓。脈沖當量是脈沖分配的基本單位，按加工單位選定。經濟性數(shù)控機床通常為0.01mm，精度較高的為0.005mm。 目前常用的各種插補算法大致分為兩類： （一）脈沖增量插補（形成標量插補） （二）數(shù)字增量插補（時間標量插補） 這兩種插補方法各有其長處和短處，并且不斷發(fā)展和改善。其中，較為成熟并得到廣泛應用的是脈沖增量插補中的逐點比較法，它是一種最早的插補算法，該法的原理是：系統(tǒng)在控制過程中，能逐點的計算和判別運動軌跡與給定軌跡的偏差，并根據(jù)偏差控制進給軸向給定輪廓靠近，縮小偏差，使加工輪廓逼近給定輪廓。 逐點比較法是以折線來逼近直線或圓弧曲線的，它與規(guī)定的直線或圓弧之間的最大誤差不超過一脈沖當量，因此，只要將脈沖當量取得足夠小，就可以達到精度要求。 5.2.2逐點比較法的直線插補及其程序設計 1．逐點比較法的直線插補 經濟性數(shù)控系統(tǒng)中，刀具的二坐標方向常按迪卡爾坐標系建立與分析。在迪卡爾坐標系中，x、y軸把一個平面化分為四個象限。若在插補過程中，只允許沿一個坐標軸的方向上單獨進給脈沖，即插補所得的中間點的位置可以向四個坐標軸方向中任一個方向移動，來逼近要求的線型，稱為四方向插補。若在插補過程中，除允許四個坐標方向進給外，允許兩個坐標上同時進給脈沖，即允許+x、-x、+y、-y 任一作為進給方向外，還允許+x與+y，+x與-y，-x與-y，+y與-x同時運動所形成的四個合成方向作為進給方向這樣插補所得的中間點的位置可以有八種方向共給選擇，來逼近要求的線型，這種插補成為八方向插補。 一般而言，采用八方向插補方法加工出來的工件質量要高些。現(xiàn)已四方向插補方法介紹各種插補方法和程序設計。 其原理是：計算機在控制加工軌跡過程中，逐點計算和判別加工偏差以控制坐標進給方向，從而按規(guī)定的圖形加工出合格工件。這種插補方法的特點在于每控制機床坐標走一步時都要完成四個工作節(jié)拍，即 Ⅰ.偏差判別。判別加工點對規(guī)定幾何軌跡的偏離位置，然后決定拖板的走向； Ⅱ.進給。控制某坐標工作臺進給一步，向規(guī)定的軌跡靠攏，縮小偏差； Ⅲ.偏差計算。計算新的加工點對規(guī)定軌跡的偏差，作為下一步判別走向的依據(jù)； Ⅳ.終點判斷。判別是否到達程序規(guī)定的加工終點，若到達終點，則停止插補，否則再回到第一拍。如此不斷的重復上述循環(huán)過程，就能加工出所要求的輪廓形狀。 1).第一象限直線插補方法 (1) 加工偏差計算與進給 如圖所示，設要在x、y平面第一象限內加工以坐標原點O為起點，以A(,)為終點的直線段， 與x坐標軸的夾角為，對于某一時刻加工點M的坐標(,)，直線起點O到加工點M的連線與x軸的夾角為。 若>，表示加工點M在規(guī)定直線上的上方，為了縮小偏差，應控制拖板沿+x方向給一步； 若<，表示加工點M在規(guī)定直線上的下方，同樣為了縮小偏差，應控制拖板沿+y方向給一步； 對于=，表示加工點M在規(guī)定直線上，為了繼續(xù)工作，也必須控制拖板走一步。如果把這種情況歸納在第一種情況，則應向+x方向走一步。 有三角函數(shù)可知： 比較與的大小只要比較與的大小即可，故 由于在同一象限內同號，所以。這樣，比較與的大小就歸結為比較和的大小。因此取作為直線加工偏差公式。 當加工點M(,) 在直線上時，； 當加工點M(,) 在直線上方時，； 當加工點M(,) 在直線下方時，； 這里的值為偏差。 （2）偏差計算 按上述偏差計算公式進行插補計算，既要做一般的乘法運算，又要做減法運算，比較麻煩。為了簡化計算，將判別式中的乘法運算過程變?yōu)榧印p運算過程。這種方法的特點還在于：每走一步，新加工的點的加工偏差用前一點加工偏差遞推出來，這種方法稱為遞推法。 若加工點M(,)在 直線上方（或在直線上）即，則沿x軸正向發(fā)一進給脈沖，使加工點移動一步至點M1 (,) ，得：=, =，所以，M1點的偏差： 若點M1在直線下方，即，那么應向y軸正向發(fā)一進給脈沖，使加工點到達點M2，得：=, =+1于是 由上述偏差計算的遞推算式中可看出，新加工點的偏差值完全可以用前一加工點的偏差值的推出來。 綜上所述，第一象限偏差公式與進給關系如下表所示： P>0 P<0 進給 計算 進給 計算 +ΔX +ΔY （3）終點判別 如果加工點到達直線終點(,)時，必須自動停止進給。因此，在插補過程中，每走一步在計算偏差的同時還要進行一次終點判斷，以確定是否到達加工終點。如果沒有到達終點，就繼續(xù)作插補運算。如果已到達加工終點，就必須自動停止插補運算，發(fā)出停機信號或換新程序段輸入信號。判別終點的方法通常有兩種： 一是利用終點二坐標值之和作為判別終點的依據(jù)。 一是取終點坐標和中較大之值為判別重點依據(jù)。 上面說的是第一象限的插補運算，其它三象限的可以仿照第一象限獲得，區(qū)別只在于控制進給運動方向不同。 2.直線插補的程序設計 由表5-1可知，直線插補是和線型、加工偏差及進給方向有關。直線插補的主程序圖件圖紙5。程序應用說明如下： 線型 F≥0 F≤0 進給 偏差計算 進給 偏差計算 L1 L3 +Δx -Δx +Δy -Δy L32 L4 +Δy -Δy -Δx +Δx 1）、PIO設端口為輸出狀態(tài)，其中B口控制x方向步進電機，A口控制y方向步進電機，步進電機均采用五相十拍。 2）、數(shù)據(jù)單元：設 Xe與 Ye均小于128，2900 單元放xe ;2901單元放ye；2801為 x向步進電機控制碼首址，2811為y 向步進電機控制碼首址。 3）、控制狀態(tài)標志：2820中，D0 、D2分別為向步進電機轉、停控制位，0位停，1為轉；DD 分別為 項的正反轉控制位，0位反轉，1為正轉。 5.2.3逐點比較法的圓弧插補及其程序設計 如果知道了圓心坐標、半徑、始點和終點坐標值，就可以唯一的畫出一段圓弧。因此，當圓心在笛卡爾坐標系的原點時，只需給出始點坐標（），終點坐標（），這段圓弧也就做出來了，此時的圓弧半徑可算出 。 1.第一象限圓弧插補方法 （1）偏差判別 設要加工的圓弧AE屬于逆圓弧，其圓心在坐標原點，起點坐標為A（），終點坐標為E（）。圓弧AE把第一象限分為兩個區(qū)域:表示圓外區(qū)域,表示圓內區(qū)域。 當某一時刻的加工點坐標為 M（,）時，則其點M相當于圓弧的偏離位置可視M落在或區(qū)域內來區(qū)別，于是有： 式中 為圓弧半徑。 若令 (3) 則有 式（3）稱為圓弧插補判別式。 （2）進給 為了使加工點逼近理想圓弧，對于逆圓弧的加工，當F＞0時，應控制刀尖沿方向走一步；當F< 0時，歸并到F＞0的情況。 同理，對順圓弧加工時，當F ≥0時，向-y方向進給一步；當F< 0時，向 +x方向進給一步. （3）偏差計算 偏差判別式的缺點是駐點進行平方計算，然后再作加減運算，既麻煩又費時。為簡化偏差判別式的計算，仍用遞推法來推算下一步的加工點的偏差。 現(xiàn)以逆圓弧加工情況為例。擔任一時刻加工點在圓弧外或圓上，坐標為時，即F> 0或F <0，由上分析，應向-x方向走一步，移到新加工點 那么有。此新點的偏差計算為： 當任一時刻的加工點在圓內，坐標為時，即F< 0，應向+Z方向進給一步，移到新點，那么有 。此時新點的偏差計算為： 上面二式中，為進給的老偏差，為進給前那點的坐標值。 同樣的分析方法，可獲得順圓加工情況下的遞推公式，如下表。 弧形 F≥0 F≤0 進給 偏差計算 進給 偏差計算 逆圓弧 -Δx +Δy 順圓弧 -Δy +Δx （4）終點判斷 圓弧插補的判別終點的方法，與直線插補的判別終點的方法一樣，一是利用X、Y兩個方向進給的總步數(shù)之和；二是利用二方向的總步數(shù)較大者作為判終點的依據(jù)。所不同的是總步數(shù)計算要取終始兩點坐標值之差的絕對值。 2.圓弧插的程序設計 根據(jù)逐點比較法的特點和圓弧插補的規(guī)律，可概括出圓弧插補程序的流程圖，如圖紙6所示。 5.3步進電機運行程序控制設計 只要給步進電機各項繞組按規(guī)定的控制模型輸出時序脈沖，步進電機就能按一定的方向轉動。在數(shù)控技術中，經常要求步進電機工作時隨時改變運動方向，才能滿足機械加工的需要。步進電機運行控制程序設計的主要任務是：判斷運動方向，按順序送出控制脈沖，判斷所要的脈沖是否送完。下面以三相六步步進電機為例，用單片機兩種匯編語言說明步進電機運行控制程序的設計方法。 2．單片機匯編程序設計 根據(jù)圖紙6上的步進電機控制程序框圖程序圖，編制單片機匯編語言程序如下： ORG 2000 KZCX: PUSH AF ; PUSH BC ; MOV R2, #NH ; LOOP0: MOV R3, #00H ; MPVE DPTR, #POINT ; JNB 00H, LOOP2 ; LOOP1: MOVE A, R3 ; MOVC A, A+DPTR ; JZ LOOP0 ; MOV P1, A ; ACALL YANS ; INC R3 ; DHNZ R2, LOOP1 ; POP BC ; POP AF ; RET ; LOOP2: MOV A, R3 ; ADD A, #7H ; MOV R3, A ; AJMP LOOP1 ; POINT: DB 01H ; DB 03H ; DB 02H ; DB 06H ; DB 04H ; DB 05H ; DB 00H ; DB 01H ; DB 05H ; DB 04H ; DB 06H ; DB 02H ; DB 03H ; DB 00H ; POINT: EQU 150H ; YANS: (略) 經濟型數(shù)控車床控制部分的軟件設計采用模塊化。 5.4經濟型數(shù)控軟件部分設計 5.4.1模塊組成 同一硬件控制系統(tǒng)，可以采用不同的軟件結構和編程方法。本控制軟件決定采用模塊化設計方法，本程序主要有如下模塊組成： l 主模塊，用于系統(tǒng)初始化和監(jiān)控。 l 子程序模塊。 l 實時修改顯示緩沖區(qū)數(shù)據(jù)模塊。 l 鍵盤、顯示定時掃描管理模塊。 其中除了主模塊和子程序模塊外，其余均為中斷執(zhí)行方式模塊。 5.4.2緩沖區(qū)設置 應設置兩個緩沖區(qū)：鍵盤緩沖區(qū)和顯示緩沖區(qū)。 1.鍵盤緩沖區(qū) 主要用于存放由鍵盤輸入的命令，長度為4字節(jié)，地址為8031內部RAM區(qū)20H ~23H。第一字可用于緩沖區(qū)空、滿等標志，定義如下：（20H）=00H，緩沖區(qū)為空，（20H）=01H~03H，緩沖區(qū)未處理完的命令個數(shù)，顯然（20H）=03H時即為滿。其余3個字節(jié)內存放具體的命令碼。為防止誤操作，可以進一步規(guī)定：命令碼若為00H，為無效命令。 從本系統(tǒng)的實際情況及后面的軟件框圖可以看出，鍵盤緩沖區(qū)很少出現(xiàn)兩個或兩以上未處理命令碼，一般情況只要出現(xiàn)一個命令碼，馬上會得到處理。 2.顯示緩沖區(qū) 主要用于存放欲顯示的具體數(shù)據(jù)，每一字節(jié)對應一顯示位，共5個字節(jié)，地址為8031內部RAM25H~29H，分別對應百位、十位、個位（包括小數(shù)點）、 10-1位和10-2。 除上述緩沖區(qū)外，根據(jù)需要，可以設立一些標志位，在具體碰到實在說明。 5.4.3中段處理器 所處理時間最為緊急的則其中段級別應為最高。根據(jù)本題實際情況，中段模塊的優(yōu)先級如下： 模塊名 級別 越界報警、急停處理模塊 0 高 實時修改顯示緩沖期數(shù)據(jù)模塊 1 ↓ 鍵盤、顯示定時掃描管理模塊 2 低 5.4.4各模塊說明及流程圖 （1）主模塊 主模塊功能為：初始化、監(jiān)控。其中初始化包括8155初始化、緩沖區(qū)清零、定時/技術常數(shù)的設置、開中斷等處理；監(jiān)控主要是否有命令按下，并根據(jù)命令調用相應的子程序模塊。 主模塊流程簡圖見圖5-1。 （2）“↑”、“↓”、“←”、“→”子程序模塊 根據(jù)鍵盤功能的設定，相應的字程序模塊包括：“→”命令處理模塊、“↑”、“↓”、“←” 命令及暫停命令處理模塊。這里設定一標志，其作用是反映工作臺的當前運動方向。標志位為RAM區(qū)的2BH，其定義如下： 2BH單元 當前運定方向 （2B）=01H “→” +Z （2B）=02H “←” -Z （2B）=03H “↑” +X （2B）=04H “↓” -X （2B）=00H 初始時為00H 現(xiàn)以“→” 命令為例，其余幾個只需略作修改即可。不再一一給出。“→” 方向命令子模塊流程見圖5-2。 圖5-1主模塊流程圖 圖5-2 “→” 功能字模塊流程圖 （3）暫停鍵“STOP”子模塊 暫停鍵功能是暫時使XY工作臺停止工作，因此只需停止步進脈沖即可。 （4）中段模塊 現(xiàn)在主要介紹一下鍵盤、顯示定時掃描管理模塊。 根據(jù)鍵盤的接口電路，可以用編程掃描方式和定時掃描方式。這里選擇后一種，用定時中段模塊同時完成鍵盤和現(xiàn)實的掃描。 對于鍵盤掃描，應該解決去抖問題，一般調用延時10ms左右來實現(xiàn)。而對于顯示掃描，為保證多位同時顯示而無閃爍，應使掃描頻率（掃描n位，本題設置5位為掃描一次）高于50HZ，這里是這樣實現(xiàn)的。 設定定時時間為3ms，即每隔3ms中斷一次，修改一次顯示位，每位顯示的點亮時間是3ms，掃描一遍共需5×3=15ms，掃描頻率約64HZ，高于50HZ。 鍵盤采用每隔3×3=9ms掃描一次，其目的是消除鍵盤抖動。設置一標志位，其地址為內部RAM30H 單元，用于計數(shù)中段次數(shù)，當其等于3時，正好隔9ms，馬上查詢鍵盤。另外還應設一標志位，用以標志連續(xù)兩次查詢到鍵盤值是否一樣，其地址為31H，定義如下：（30H）=1，表明上次查詢有鍵按下；（31H）=0,則為無鍵按下。只有當上次有鍵按下，且隔9ms后再次查詢時有同一鍵按下時，才能確定有鍵按下，否則均視為誤動作，不予理睬。根據(jù)上述想法，可以畫出定時中斷模塊的框圖，見圖5-3。 （5）實時修改顯示緩沖區(qū)數(shù)據(jù)模塊 本模塊采用中段方式，其作用是通過對8155定時/計數(shù)的輸出信號，也即對步進電機計數(shù)，來修改顯示緩沖區(qū)中工作臺當前工作位置。根據(jù)步進電機的實際脈沖當量，一個步進脈沖相當于工作臺移增量0.01mm?？梢栽O定中段計數(shù)常數(shù)為10 ，每中段一次，工作臺運動0.1mm。這里用RAM內部2AH單元作為中段次數(shù)計數(shù)器。 實時修改顯示緩沖區(qū)數(shù)據(jù)模塊的流程框圖見圖5-4。 圖5-3鍵盤、顯示定時掃描子模塊 圖5-4 實時修改顯示緩沖取數(shù)據(jù)模塊 - 41 -