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    基于DSP的车床的数控改造

    在我国,经济型车床因其价廉而得到广泛的应用。在数控化改造过程中,常使用的是单片机系统,如MCS-51系列单片机作为控制核心,控制系统的速度和精度因CPU的性能影响都不够高,改造后的功能也仅仅是单一数控车床而已。在实践中采用了DSP TMS320F240微处理器作为数控系统的控制核心,提高了伺服系统控制的速度、稳定性、精度等性能,同时,实现了经济车床可进行车、铣、削等加工的多功能综合性数控改造。

    1.经济型车床的多功能化改造

    以改造经济型车床C616 A为例,车床结构参见图1所示。


    图1 C616A车床结构示意图

    具体方法是:与普通数控车床改造的不同在于:将原来车床刀架(或电动刀架)更换为动力铣头,用来夹持各类柄(棒)状铣刀,动力铣头的主轴轴线与车床中心线等高且垂直(也可转动900与车床中心线平行)。动力铣头由单独的电动机进行控制。更换动力铣头为车床刀架(或电动刀架),即与普通数控车床相同。车床纵向(Z向)、车床横向(X向)运动由第1套二轴联动的数控主系统进行控制。

        在C616A车床主轴箱的Ⅺ轴左端部位,拆除原车床中连接Ⅺ轴、Ⅻ轴的齿轮(Z=100),用FWl60型万能分度头与Ⅺ轴左端连接,选用另一步进电机(与X向步进电机技术参数相同,t=5mm,位移控制精度为0.005 mm)为Y向步进电机与FWl60型万能分度头输入蜗杆连接,因此,可以实现车床主轴Ⅵ的旋转控制(此时使车床主轴Ⅵ处于空挡位置)。FWl60型万能分度头和Y向步进电机安装在铸铁支架上。移开铸铁支架,装上Z=100的齿轮,就可恢复普通车床原主轴箱与进给运动的传动连接。主轴的旋转运动即由第2套二轴联动的数控子系统进行控制。该数控子系统由数控主系统的发信指令控制启动运行。2套数控系统最好相同,以方便加工编程和数控加工的同步进行。

        Y向步进电机与分度头的输入蜗杆直接连接,选择分度头的传动比为i=1:40,Y向步进电机转动1转,带动分度头主轴转动1/40转,Y向步进电机转动40转,可带动分度头主轴转动1转。而由车床主轴传动系统(见图1)可知,分度头主轴转动1转,带动车床主轴转动1转。

    在数控车床X向的运行控制中,X向步进电机与横向滚珠丝杠直接连接,当给定t=5 mm的运行长度时,滚珠丝杠转动1转,X向步进电机也转动1转。当给定Y向运行长度Ly=5×40=200mm时,可以控制Y向步进电机转动40转,即控制车床主轴转动1转,以实现对工件的旋转控制。另外,从《机修手册》查得,C616A车床主轴传动链中,可调整离合器弹簧的松紧以得到不同的极限压力传递切削动力。

        经上述改造后的C616A车床,具有三坐标联动和任意2套二坐标联动的功能。

    2 控制系统的改造

       控制系统的核心采用美国TI公司的电机控制专用DSP微处理器芯片TMS320F240。它具有高性能的DSP内核和丰富的微控制器外设功能,已成为MCS-51等传统的微控制系统和昂贵的多片设计的一种廉价的替代产品。与其他方案相比,它不但具有高速信号处理和数字控制功能,而且为步进电机和其他电机控制应用提供了单片解决方案所必需的外围设备。

    2.1   DSP TMS320F控制系统的实现                                    

    DSP TMS320F240主要由CPU(20MIPS的高速运算能力)、544×16的片内RAM、16K×16FLASHEEPROM、事件管理器、片内外围接口模块(EMIF)等几部分组成。具有电机控制的独特资源有:通用定时器、12路PWM脉宽调制输出,2路10位8通道A/D转换器、SPI和SCI:同步串行外设接口、看门狗(WATCHDOG)与实时中断定时器(RTI)。由于数控系统高速度和高精度的要求,选用12bits串行D/A转换器TLV5616,该器件带有灵活的4线串行接口,可以无缝连接F240串行口,采用12bits并行A/D转换器,采集受控对象的输出并传送给F240,F240根据控制算法实时准确地修正控制输入。由于TMS320F240 的内部存储器不能满足需要,必须进行扩展,将程序存储器扩展为64K×16的SRAM存放零件加工程序,数据存储器扩展为64K×16的FLASH ROM存放系统程序。

    用DSP TMS320F240实现的C616A车床控制系统结构框图如图2所示,整个车床的DSP硬件路结构原理图如图3所示


    图2  DSP控制系统结构框图


    图3  DSP车床控制系统硬件原理框图

    2.2 车铣多功能加工的数控原理

    经过上述的数控改造后,数控主系统可以控制Z向、X向运动的运行;也可以与数控子系统串联,同时实现控制与Y向运动的联动运行(数控子系统Y向由数控主系统的发信指令控制启动运行)。数控主系统与子系统的联动加工流程控制如图4所示。


    图4 主、子数控系统联动加工流程图

    3 结束语

    采用该方法对我院数控中心的经济型车床C616A进行了改造,实现了在一个车床上可以进行一定的数控车、铣、削等多功能的加工。可以进行的加工主要有:轴类零件上的等分或不等分平面;轴类零件上的各类键槽;铣削加工丝杠;铣削轴类零件端面的沟槽及凸轮型面;车削加工轴类零件;抛磨加工轴类零件。另外,DSP系统的优良性能保证了数控伺服系统控制的高精度、高稳定性、高速度,实践证明,大大提高了零件加工的精度,拓展了数控车床的加工范围和质量,具有很强的实用性。

        传统的脉冲型流量传感器仪表系数的检定一般由容积式流量标准装置和计数器、计时器完成,如图1所示。其仪表系数定义为单位体积的流体量通过流量传感器时传感器所发出的脉冲数,单位通常为1L(脉冲数每升)或1m3(脉冲数每立方米)。根据文献[1]的规定,为了保证流量计仪表系数的有效性,一般应保证一次检定中流量计输出的脉冲数的相对误差绝对值不大于被检流量计重复性的13。由于一般计数器的计数误差为±1个脉冲,所以在检定时间间隔(图1中两控制脉冲间的时间t)内,计数器应收集足够多的脉冲数N才能达到要求的检定精度。 


    图1 仪表系数标定图

        对于一些大口径流量传感器,由于其仪表系数一般较小(如200的涡轮流量计,其仪表系数仅为1.5/L;  口径的涡街流量计,其仪表系数更低,仅为约0.2/L)。对于这样的流量计,要收集足够多的脉冲数,一要花很长的检定时间,二要有较大的检定设备(较大的标准容器)。由于种种限制,总使计数脉冲达不到要求。双时间法计数技术是目前国际上较为通用的脉冲插值技术,可以在较短的检定时间内,用较小体积的检定设备,在计数总脉冲数较小时仍能保证足够的技术精度的一种脉冲插值技术,较早应用于微型体积管流量标准装置。

        我们研制的“脉冲型流量传感器检定仪”是用传统的计数器加上双时间法测量控制技术组成的双时间法检定仪。试验表明,该检定仪使用方便可靠,可以缩短检定时间,用较小的标准容器检定较大口径的流量传感器,并且比常规检定方法具有更高的技术精度。

        1、双时间法计数器原理

        脉冲内插技术是活塞校验装置增加流量计的输出信号分辨率,从而减小校验装置体积的一个有效途径。通常,校验流量计时为了得到足够的脉冲数,可以采取两个途径,一是提高流量计的输出信号分辨率,使有限的校验时间内得到尽可能多的脉冲数;二是增加校验装置的计量有效容积。一般,单位体积流体通过流量计所输出的脉冲数是有限的(如上述的涡轮流量计和涡街流量计),校验装置的计量有效容积也不可能做得很大。脉冲内插技术很好地解决了这个问题,它有双时间法、四时间法和锁相环回路法等几种方法可供使用。使活塞校验装置用一个“小容积”(装置有效容积)采集500个脉冲就能达到大容积校验装置采集10000个脉冲相同的精确度。


    图2 双时间法

        双时间法的原理如图2a所示。在流量脉冲信号周期稳定的条件下,脉冲内插数为

    (1) 

        式中:N为计数器记录下的流量传感器信号脉冲数;N1为经双时间法或四时间法内插后的脉冲数;Δt1为从检测开始信号到检测停止信号的时间间隔;Δt1为从检测开始信号后第一个脉冲上升沿到检测停止信号后第一个脉冲上升沿之间整脉冲周期时间间隔。
       
        在流量标准装置稳定性符合标准规程规定的情况下,流量脉冲信号周期可以认为是稳定的,所以用式(1)得到的脉冲内插数应该是有效的。

        除了双时间法外,还可以用四时间法来确定脉冲内插数。四时间法测量4个时间t1~t4,如图2b所示,其脉冲插数为

    N1=N+ (2)

        本文以双时间法为例设计脉冲型流量传感器检定仪。

        2、检定仪的硬件设计

        脉冲型流量传感器检定仪的硬件原理框图如图3所示。


    图3 双时间法流量检定仪硬件原理框图

       该检定仪不采用微处理机,工作可靠性好。控制信号可以用单刀双掷开关K1选择很窄的脉冲信号,也可以选择电平信号。当用电平信号控制时,又可以用开关K2选择高电平控制或低电平控制。

        当控制信号为脉冲信号时(图3中第一种控制信号),开关K1选择脉冲控制,设初始态触发器TR1的Q端输出为低电平L(假设输出高电平H也没有关系), 端输出高电平H反馈到D端。开关K2选择高电平控制或低电平控制。

        当控制信号为脉冲信号时(图3中第一种控制信号),开关K1选择脉冲控制,设初始态触发器TR1的Q端输出为低电平L(假设输出高电平H也没有关系), 端输出高电平H反馈到D端。开关K2选择高电平控制(如果初始态触发器TR1的Q端输出为高电平H时,K2可选择低电平控制),与非门B、C的输入端及触发器TR2的D端均为低电平,所以,B、C门关闭,触发器TR2的Q端输出在流量脉冲信号的作用下也必定为低电平,E门关闭。计数器和计时器T1与T2都在停止状态。用清零按钮可以使计数器和计时器回复到初始零态,显示全零。

        当“开始计数”控制信号脉冲(第一个控制脉冲)到来时,由于TR1的D端为高电平H,所以,控制脉冲触发TR1使其Q端输出为高电平H,并立即打开与非门B和C使计数器和计时器T1开始计数和计时。此时与非门E尚未打开,但触发器TR2的D端已为高电平,在控制信号前沿后的第一个流量信号上升沿触发TR2,使其Q端输出高电平而打开与非门E,计时器T2也开始计时。

        当“停止计数”控制信号脉冲(第二个控制脉冲)到来时,TR1再次被触发而使Q端输出低电平L,从而立即关闭与非门B和C,使计数器和计时器T1停止计数和计时。但与非门E并未立即关闭,而要到“停止计数”控制信号脉冲前沿后的第一个流量信号上升沿才能触发TR2而输出低电平L,关闭与非门E而使计时器T2停止计时。将从计时器T1和T2得到的数据代入式(1),就可得到比较准确的脉冲内插数。

        当控制信号为电平信号时(图3中第二、三种控制信号),开关K1选择电平控制,这样就相当于跨过触发器TR1而直接控制与非门B和C及触发器TR2的D端。分别针对高电平起作用或低电平起作用选择开关K2指向高电平控制或低电平控制。其余的动作与脉冲控制完全一样。

        3、指标和结果

        3.1 检定仪指标

        除了上述作为可控计数器和计时器外,该检定仪还具有测量信号频率和周期的功能。不用于检定流量计时,可单独作为测量信号频率或周期的仪表使用。

        具体指标如下:

        ① 计时器,6位LED显示,分辨率为1ms;
        ② 计时器(包括频率和周期),8位LED显示,最高分辨率为频率为1Hz,周期为0.1μs,计数为±1个脉冲;
        ③ 测量范围:频率为10Hz~100MHz,周期为0.5μs~10s,计数容量为99 999 999,计时器为1ms~999.999s;
        ④ T1和T2手动切换显示。
     
        3.2 测试结果

        ① 用51系列微处理机输出周期方波信号作为标准校验频率和周期测量,结果列于表1。

    表1 用周期方波作为标准的校验结果


       ② 用标准频率信号发生仪校验,结果列于表2。

    表2 用标准频率信号发生器校验的结果


        ③ 该检定仪用于涡轮流量计仪表系数的检定,取得了良好的结果。