0 引 言

　　隨著科技的不斷發(fā)展,一方面由于待加工的機械、水晶玻璃、陶瓷等產(chǎn)品零部件的形狀越來越復(fù)雜及加工質(zhì)量的要求越來越高,手工操作的加工精度已不能滿足需要;另一方面,為了降低產(chǎn)品成本,追求更好的性價比,要求產(chǎn)品的機械結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量簡化。同時,市場上數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品琳瑯滿目,從高檔的基于PC機及板卡的開放式數(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;對于市場上中、低檔加工精度要求的機床而言存在的一個最大問題就是價格較高,而使機床整體成本相應(yīng)增加。本文研制開發(fā)的這套基于折彎機的多軸數(shù)控系統(tǒng):采用性價比較好的AVR系列單片機ATMEGA 128、128X64的液晶顯示、普通三相交流電機和光電編碼器反饋的方式進行設(shè)計和開發(fā),同時對于各部分接口電路采用模塊方式進行組合,在滿足加工精度0. 05mm基礎(chǔ)上,做到經(jīng)濟和實用的效果。

1 折彎機原理與控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　1. 1 折彎機原理

　　目前市場上中、低檔折彎機大多是采用半自動化的方式進行設(shè)計和操作,系統(tǒng)有X軸和Y軸2個方向的控制,其中X軸電機控制加工板料的位置,Y軸電機控制油缸機械檔塊定位值。通過腳踏板控制機械液壓油缸,使得Y軸方向的滑塊重壓下來加工板料形成彎度。折彎機工作示意如圖1所示,圖中左邊是Y軸方向,右邊為X軸方向。

圖1 折彎機工作示意圖

　　1.2 數(shù)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

　　在控制系統(tǒng)中,單片機主要是完成管理與控制功能(進行相關(guān)參數(shù)與算法的計算與控制),包括參數(shù)設(shè)置、故障檢測報警、發(fā)出啟動和停止等各種控制命令。開關(guān)量控制模塊既可檢測現(xiàn)場狀態(tài)又可通過繼電器觸點發(fā)出開關(guān)量控制信號。模擬量控制模塊可實現(xiàn)記數(shù)功能,模擬量控制模塊的開關(guān)量控制信號與模擬量控制信號結(jié)合,可實現(xiàn)對一些模擬量設(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。曲率半徑檢測模塊及檢測剪板機制成品的曲率半徑,檢測到的模擬信號經(jīng)模塊處理后轉(zhuǎn)換成曲率半徑,然后傳給上位PC機。詳細(xì)設(shè)計框圖如圖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,Atmega 128具有128K FLASH程序存儲器、4K EEPROM、2路UART、1路SPI接口、8路AD和豐富的IO口。上位單片機控制模塊,一方面可以接收從PC機發(fā)送來的指令,并把上位單片機控制模塊及各控制模塊的狀態(tài)傳送給PC機,實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的控制;另一方面,上位單片機控制模塊也可通過鍵盤直接進行參數(shù)設(shè)置和狀態(tài)控制,并能進行故障檢測[。數(shù)控系統(tǒng)電路中除了上述的液晶顯示、鍵盤輸入、報警和斷電保護的存儲部分的硬件之外,還有系統(tǒng)控制實現(xiàn)的關(guān)鍵部分電路是光電編碼器的信號輸入、控制外部交流三相電機的繼電器輸出以及由DS1302芯片實現(xiàn)的實時時鐘電路。詳細(xì)實現(xiàn)電路如圖3所示。

圖3 硬件接口電路

　　圖中對應(yīng)4個6N137高速光耦用于系統(tǒng)中X、Y軸的光電編碼器輸入,每個光電編碼器輸出對應(yīng)一個方向信號、一個脈沖計數(shù)信號。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A相超前B相90度。在A相脈沖的下降沿處,B相為高電壓。而在編碼器反轉(zhuǎn)時,A相滯后B相90度,在A相脈沖的下降沿處,B相輸出為低電平。所以,編碼器旋轉(zhuǎn)時通過判斷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)或光柵尺正向運動時加計數(shù),反之則減計數(shù)。圖中4個12V控制繼電器,驅(qū)動采用了達(dá)林頓輸出方式的ULN2003芯片, 2個繼電器對應(yīng)控制一組(X或Y軸)電機的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。圖中間的DS1302是具備涓流充電功能的實時時鐘芯片,其中備用的可充電3. 3V電池還可以給系統(tǒng)中的存儲器EEPROM(FM 24C256)供電。

　　2.2 位置控制實現(xiàn)

　　輸入定位尺寸并啟動后,電機開始運行,當(dāng)接近目標(biāo)時電機停止運行(圖中n處),此時由于運動機構(gòu)有慣性,因而擋塊會繼續(xù)作減速運動,直至在s區(qū)間停止運行,如果停止在圖中兩個p所示區(qū)間內(nèi),即到位。反之,系統(tǒng)發(fā)出點動信號,驅(qū)動電機向目標(biāo)位置運行。靠慣性低速運行的距離由系統(tǒng)參數(shù)/高低速0或/停止距離0確定。點動運行的距離由系統(tǒng)參數(shù)/點動因子0確定。目標(biāo)位置是一個由參數(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,則會導(dǎo)致停止運行時,還沒有到達(dá)目標(biāo)位置,即不在圖4的兩個p所示區(qū)間內(nèi),系統(tǒng)就會發(fā)出點動信號,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)致停止運行時,超過目標(biāo)位置,即超過圖4中右邊的p。系統(tǒng)就會發(fā)出點動信號,反向驅(qū)近目標(biāo)位置。

　　多軸數(shù)控系統(tǒng)出廠時各參數(shù)如/停止距離0、/點動因子0和/公差范圍0已經(jīng)設(shè)定,但在實際生產(chǎn)加工過程中由于絲杠及螺母間隙、鏈條、皮帶張緊度等因素,會經(jīng)常出現(xiàn)點動信號來達(dá)到運行結(jié)果時,此時用戶可以自行調(diào)整上述參數(shù),從而改善每次運行時頻繁出現(xiàn)的點動現(xiàn)象。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　系統(tǒng)中軟件設(shè)計采用模塊化方式進行,分別編寫了基于I2C總線的存儲程序模塊、基于SPI總線的液晶顯示和時鐘程序模塊、基于中斷與查詢方式并進行延時去抖的鍵盤輸入程序模塊。在控制信號采集方式上,采用了中斷模式來獲取光電編碼器的信息,其中中斷實現(xiàn)的簡要代碼如下所示:

4 小 結(jié)

　　系統(tǒng)通過對普通三相異步電機的運行速度進行控制以及利用高分辨率的光電編碼器直接檢測運動部件,可以對后擋料或加工軸進行精確定位。同時具有單步和多達(dá)99個工步的控制功能,并可對任一工步執(zhí)行單步運行,對驅(qū)動系統(tǒng)實行快速驅(qū)近,即點動定位,使運行效率得以大幅度提高。由于采用單片機技術(shù)對普通三相異步電機進行控制,與步進電機、伺服電機、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,這是一種性價比較高的控制解決方案。