經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床進(jìn)給伺服系統(tǒng)設(shè)計

經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床進(jìn)給伺服系統(tǒng)設(shè)計,經(jīng)濟(jì)型,數(shù)控車床,進(jìn)給,伺服系統(tǒng),設(shè)計 第五章控制系統(tǒng)軟件設(shè)計 第五章 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計 5.1軟件設(shè)計的組成 軟件設(shè)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(shí)質(zhì)性的功能，如步進(jìn)電機(jī)控制、插補(bǔ)、誤差補(bǔ)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(jī)系統(tǒng)按預(yù)定的操作方式運(yùn)轉(zhuǎn)的程序，它完成人機(jī)通信并協(xié)調(diào)各執(zhí)行程序和操作者之間的關(guān)系，在阮籍系統(tǒng)中充當(dāng)組織調(diào)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(jìn)行軟件設(shè)計時，常將整個系統(tǒng)的任務(wù)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(shè)計技術(shù)。 5.2插補(bǔ)方法及程序設(shè)計 5.2.1插補(bǔ)方法概述 經(jīng)濟(jì)性數(shù)控機(jī)床是用步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)驅(qū)動機(jī)構(gòu)，是刀具相對工件沿著制定的路徑運(yùn)動，切削零件的輪廓，并保證切削過程中每一點(diǎn)精度和表面粗糙度符合一定的要求。當(dāng)加工具有與坐標(biāo)方向一致的直線輪廓的工件時，只要沿其坐標(biāo)方向進(jìn)給就能滿足加工要求。如果加工斜線和圓弧，就必在兩坐標(biāo)軸方向上控制進(jìn)給才能加工出制定的輪廓。如果加工復(fù)雜的曲面，就必須在三坐標(biāo)軸上控制進(jìn)給才能滿足輪廓加工要求。 每一方向的進(jìn)給運(yùn)動是靠步進(jìn)電機(jī)拖板產(chǎn)生的，而步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動則是靠數(shù)字脈沖來控制的。一個脈沖能使拖板產(chǎn)生的位移量成為脈沖當(dāng)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(jìn)電機(jī)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(shí)際是二坐標(biāo)交替運(yùn)動，刀具運(yùn)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(biāo)不斷地發(fā)出相互協(xié)調(diào)的脈沖，控制機(jī)床拖板作相應(yīng)地移動，使道具軌跡按一定要求的精度符合設(shè)計的表面輪廓。這種保證完成直線或曲線加工的坐標(biāo)軸間合理脈沖分配計算，就成為插補(bǔ)運(yùn)算。若在坐標(biāo)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(dāng)量是脈沖分配的基本單位，按加工單位選定。經(jīng)濟(jì)性數(shù)控機(jī)床通常為0.01mm，精度較高的為0.005mm。 目前常用的各種插補(bǔ)算法大致分為兩類： （一）脈沖增量插補(bǔ)（形成標(biāo)量插補(bǔ)） （二）數(shù)字增量插補(bǔ)（時間標(biāo)量插補(bǔ)） 這兩種插補(bǔ)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(yīng)用的是脈沖增量插補(bǔ)中的逐點(diǎn)比較法，它是一種最早的插補(bǔ)算法，該法的原理是：系統(tǒng)在控制過程中，能逐點(diǎn)的計算和判別運(yùn)動軌跡與給定軌跡的偏差，并根據(jù)偏差控制進(jìn)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(diǎn)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(dāng)量，因此，只要將脈沖當(dāng)量取得足夠小，就可以達(dá)到精度要求。 5.2.2逐點(diǎn)比較法的直線插補(bǔ)及其程序設(shè)計 1．逐點(diǎn)比較法的直線插補(bǔ) 經(jīng)濟(jì)性數(shù)控系統(tǒng)中，刀具的二坐標(biāo)方向常按迪卡爾坐標(biāo)系建立與分析。在迪卡爾坐標(biāo)系中，x、y軸把一個平面化分為四個象限。若在插補(bǔ)過程中，只允許沿一個坐標(biāo)軸的方向上單獨(dú)進(jìn)給脈沖，即插補(bǔ)所得的中間點(diǎn)的位置可以向四個坐標(biāo)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(bǔ)。若在插補(bǔ)過程中，除允許四個坐標(biāo)方向進(jìn)給外，允許兩個坐標(biāo)上同時進(jìn)給脈沖，即允許+x、-x、+y、-y 任一作為進(jìn)給方向外，還允許+x與+y，+x與-y，-x與-y，+y與-x同時運(yùn)動所形成的四個合成方向作為進(jìn)給方向這樣插補(bǔ)所得的中間點(diǎn)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(bǔ)成為八方向插補(bǔ)。 一般而言，采用八方向插補(bǔ)方法加工出來的工件質(zhì)量要高些?，F(xiàn)已四方向插補(bǔ)方法介紹各種插補(bǔ)方法和程序設(shè)計。 其原理是：計算機(jī)在控制加工軌跡過程中，逐點(diǎn)計算和判別加工偏差以控制坐標(biāo)進(jìn)給方向，從而按規(guī)定的圖形加工出合格工件。這種插補(bǔ)方法的特點(diǎn)在于每控制機(jī)床坐標(biāo)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(diǎn)對規(guī)定幾何軌跡的偏離位置，然后決定拖板的走向； Ⅱ.進(jìn)給?？刂颇匙鴺?biāo)工作臺進(jìn)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(diǎn)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(diǎn)判斷。判別是否到達(dá)程序規(guī)定的加工終點(diǎn)，若到達(dá)終點(diǎn)，則停止插補(bǔ)，否則再回到第一拍。如此不斷的重復(fù)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(bǔ)方法 (1) 加工偏差計算與進(jìn)給 如圖所示，設(shè)要在x、y平面第一象限內(nèi)加工以坐標(biāo)原點(diǎn)O為起點(diǎn)，以A(,)為終點(diǎn)的直線段， 與x坐標(biāo)軸的夾角為，對于某一時刻加工點(diǎn)M的坐標(biāo)(,)，直線起點(diǎn)O到加工點(diǎn)M的連線與x軸的夾角為。 若>，表示加工點(diǎn)M在規(guī)定直線上的上方，為了縮小偏差，應(yīng)控制拖板沿+x方向給一步； 若<，表示加工點(diǎn)M在規(guī)定直線上的下方，同樣為了縮小偏差，應(yīng)控制拖板沿+y方向給一步； 對于=，表示加工點(diǎn)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(yīng)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(nèi)同號，所以。這樣，比較與的大小就歸結(jié)為比較和的大小。因此取作為直線加工偏差公式。 當(dāng)加工點(diǎn)M(,) 在直線上時，； 當(dāng)加工點(diǎn)M(,) 在直線上方時，； 當(dāng)加工點(diǎn)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(jìn)行插補(bǔ)計算，既要做一般的乘法運(yùn)算，又要做減法運(yùn)算，比較麻煩。為了簡化計算，將判別式中的乘法運(yùn)算過程變?yōu)榧?、減運(yùn)算過程。這種方法的特點(diǎn)還在于：每走一步，新加工的點(diǎn)的加工偏差用前一點(diǎn)加工偏差遞推出來，這種方法稱為遞推法。 若加工點(diǎn)M(,)在 直線上方（或在直線上）即，則沿x軸正向發(fā)一進(jìn)給脈沖，使加工點(diǎn)移動一步至點(diǎn)M1 (,) ，得：=, =，所以，M1點(diǎn)的偏差： 若點(diǎn)M1在直線下方，即，那么應(yīng)向y軸正向發(fā)一進(jìn)給脈沖，使加工點(diǎn)到達(dá)點(diǎn)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(diǎn)的偏差值完全可以用前一加工點(diǎn)的偏差值的推出來。 綜上所述，第一象限偏差公式與進(jìn)給關(guān)系如下表所示： P>0 P<0 進(jìn)給 計算 進(jìn)給 計算 +ΔX +ΔY （3）終點(diǎn)判別 如果加工點(diǎn)到達(dá)直線終點(diǎn)(,)時，必須自動停止進(jìn)給。因此，在插補(bǔ)過程中，每走一步在計算偏差的同時還要進(jìn)行一次終點(diǎn)判斷，以確定是否到達(dá)加工終點(diǎn)。如果沒有到達(dá)終點(diǎn)，就繼續(xù)作插補(bǔ)運(yùn)算。如果已到達(dá)加工終點(diǎn)，就必須自動停止插補(bǔ)運(yùn)算，發(fā)出停機(jī)信號或換新程序段輸入信號。判別終點(diǎn)的方法通常有兩種： 一是利用終點(diǎn)二坐標(biāo)值之和作為判別終點(diǎn)的依據(jù)。 一是取終點(diǎn)坐標(biāo)和中較大之值為判別重點(diǎn)依據(jù)。 上面說的是第一象限的插補(bǔ)運(yùn)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(jìn)給運(yùn)動方向不同。 2.直線插補(bǔ)的程序設(shè)計 由表5-1可知，直線插補(bǔ)是和線型、加工偏差及進(jìn)給方向有關(guān)。直線插補(bǔ)的主程序圖件圖紙5。程序應(yīng)用說明如下： 線型 F≥0 F≤0 進(jìn)給 偏差計算 進(jìn)給 偏差計算 L1 L3 +Δx -Δx +Δy -Δy L32 L4 +Δy -Δy -Δx +Δx 1）、PIO設(shè)端口為輸出狀態(tài)，其中B口控制x方向步進(jìn)電機(jī)，A口控制y方向步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)均采用五相十拍。 2）、數(shù)據(jù)單元：設(shè) Xe與 Ye均小于128，2900 單元放xe ;2901單元放ye；2801為 x向步進(jìn)電機(jī)控制碼首址，2811為y 向步進(jìn)電機(jī)控制碼首址。 3）、控制狀態(tài)標(biāo)志：2820中，D0 、D2分別為向步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)、停控制位，0位停，1為轉(zhuǎn)；DD 分別為 項(xiàng)的正反轉(zhuǎn)控制位，0位反轉(zhuǎn)，1為正轉(zhuǎn)。 5.2.3逐點(diǎn)比較法的圓弧插補(bǔ)及其程序設(shè)計 如果知道了圓心坐標(biāo)、半徑、始點(diǎn)和終點(diǎn)坐標(biāo)值，就可以唯一的畫出一段圓弧。因此，當(dāng)圓心在笛卡爾坐標(biāo)系的原點(diǎn)時，只需給出始點(diǎn)坐標(biāo)（），終點(diǎn)坐標(biāo)（），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(bǔ)方法 （1）偏差判別 設(shè)要加工的圓弧AE屬于逆圓弧，其圓心在坐標(biāo)原點(diǎn)，起點(diǎn)坐標(biāo)為A（），終點(diǎn)坐標(biāo)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(nèi)區(qū)域。 當(dāng)某一時刻的加工點(diǎn)坐標(biāo)為 M（,）時，則其點(diǎn)M相當(dāng)于圓弧的偏離位置可視M落在或區(qū)域內(nèi)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(bǔ)判別式。 （2）進(jìn)給 為了使加工點(diǎn)逼近理想圓弧，對于逆圓弧的加工，當(dāng)F＞0時，應(yīng)控制刀尖沿方向走一步；當(dāng)F< 0時，歸并到F＞0的情況。 同理，對順圓弧加工時，當(dāng)F ≥0時，向-y方向進(jìn)給一步；當(dāng)F< 0時，向 +x方向進(jìn)給一步. （3）偏差計算 偏差判別式的缺點(diǎn)是駐點(diǎn)進(jìn)行平方計算，然后再作加減運(yùn)算，既麻煩又費(fèi)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(diǎn)的偏差。 現(xiàn)以逆圓弧加工情況為例。擔(dān)任一時刻加工點(diǎn)在圓弧外或圓上，坐標(biāo)為時，即F> 0或F <0，由上分析，應(yīng)向-x方向走一步，移到新加工點(diǎn) 那么有。此新點(diǎn)的偏差計算為： 當(dāng)任一時刻的加工點(diǎn)在圓內(nèi)，坐標(biāo)為時，即F< 0，應(yīng)向+Z方向進(jìn)給一步，移到新點(diǎn)，那么有 。此時新點(diǎn)的偏差計算為： 上面二式中，為進(jìn)給的老偏差，為進(jìn)給前那點(diǎn)的坐標(biāo)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(jìn)給 偏差計算 進(jìn)給 偏差計算 逆圓弧 -Δx +Δy 順圓弧 -Δy +Δx （4）終點(diǎn)判斷 圓弧插補(bǔ)的判別終點(diǎn)的方法，與直線插補(bǔ)的判別終點(diǎn)的方法一樣，一是利用X、Y兩個方向進(jìn)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(diǎn)的依據(jù)。所不同的是總步數(shù)計算要取終始兩點(diǎn)坐標(biāo)值之差的絕對值。 2.圓弧插的程序設(shè)計 根據(jù)逐點(diǎn)比較法的特點(diǎn)和圓弧插補(bǔ)的規(guī)律，可概括出圓弧插補(bǔ)程序的流程圖，如圖紙6所示。 5.3步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行程序控制設(shè)計 只要給步進(jìn)電機(jī)各項(xiàng)繞組按規(guī)定的控制模型輸出時序脈沖，步進(jìn)電機(jī)就能按一定的方向轉(zhuǎn)動。在數(shù)控技術(shù)中，經(jīng)常要求步進(jìn)電機(jī)工作時隨時改變運(yùn)動方向，才能滿足機(jī)械加工的需要。步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行控制程序設(shè)計的主要任務(wù)是：判斷運(yùn)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(jìn)電機(jī)為例，用單片機(jī)兩種匯編語言說明步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行控制程序的設(shè)計方法。 2．單片機(jī)匯編程序設(shè)計 根據(jù)圖紙6上的步進(jìn)電機(jī)控制程序框圖程序圖，編制單片機(jī)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(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床控制部分的軟件設(shè)計采用模塊化。 5.4經(jīng)濟(jì)型數(shù)控軟件部分設(shè)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(jié)構(gòu)和編程方法。本控制軟件決定采用模塊化設(shè)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(shí)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(shè)置 應(yīng)設(shè)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(nèi)部RAM區(qū)20H ~23H。第一字可用于緩沖區(qū)空、滿等標(biāo)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(nèi)存放具體的命令碼。為防止誤操作，可以進(jìn)一步規(guī)定：命令碼若為00H，為無效命令。 從本系統(tǒng)的實(shí)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(yīng)一顯示位，共5個字節(jié)，地址為8031內(nèi)部RAM25H~29H，分別對應(yīng)百位、十位、個位（包括小數(shù)點(diǎn)）、 10-1位和10-2。 除上述緩沖區(qū)外，根據(jù)需要，可以設(shè)立一些標(biāo)志位，在具體碰到實(shí)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(yīng)為最高。根據(jù)本題實(shí)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(shí)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(shù)常數(shù)的設(shè)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(diào)用相應(yīng)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(shè)定，相應(yīng)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(shè)定一標(biāo)志，其作用是反映工作臺的當(dāng)前運(yùn)動方向。標(biāo)志位為RAM區(qū)的2BH，其定義如下： 2BH單元 當(dāng)前運(yùn)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?！啊?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(jìn)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(shí)的掃描。 對于鍵盤掃描，應(yīng)該解決去抖問題，一般調(diào)用延時10ms左右來實(shí)現(xiàn)。而對于顯示掃描，為保證多位同時顯示而無閃爍，應(yīng)使掃描頻率（掃描n位，本題設(shè)置5位為掃描一次）高于50HZ，這里是這樣實(shí)現(xiàn)的。 設(shè)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(diǎn)亮?xí)r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(shè)置一標(biāo)志位，其地址為內(nèi)部RAM30H 單元，用于計數(shù)中段次數(shù)，當(dāng)其等于3時，正好隔9ms，馬上查詢鍵盤。另外還應(yīng)設(shè)一標(biāo)志位，用以標(biāo)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(dāng)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(shí)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(jìn)電機(jī)計數(shù)，來修改顯示緩沖區(qū)中工作臺當(dāng)前工作位置。根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的實(shí)際脈沖當(dāng)量，一個步進(jìn)脈沖相當(dāng)于工作臺移增量0.01mm?？梢栽O(shè)定中段計數(shù)常數(shù)為10 ，每中段一次，工作臺運(yùn)動0.1mm。這里用RAM內(nèi)部2AH單元作為中段次數(shù)計數(shù)器。 實(shí)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(shí)時修改顯示緩沖取數(shù)據(jù)模塊 - 41 -