基于DSP TMS320F240微處理器實(shí)現(xiàn)車床多功能化的改造設(shè)計(jì)

在我國(guó)，經(jīng)濟(jì)型車床因其價(jià)廉而得到廣泛的應(yīng)用。在數(shù)控化改造過(guò)程中，常使用的是單片機(jī)系統(tǒng)，如MCS-51系列單片機(jī)作為控制核心，控制系統(tǒng)的速度和精度因CPU的性能影響都不夠高，改造后的功能也僅僅是單一數(shù)控車床而已。在實(shí)踐中采用了DSP TMS320F240微處理器作為數(shù)控系統(tǒng)的控制核心，提高了伺服系統(tǒng)控制的速度、穩(wěn)定性、精度等性能，同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)車床可進(jìn)行車、銑、削等加工的多功能綜合性數(shù)控改造。

1.經(jīng)濟(jì)型車床的多功能化改造

以改造經(jīng)濟(jì)型車床C616 A為例，車床結(jié)構(gòu)參見(jiàn)圖1所示。

圖1 C616A車床結(jié)構(gòu)示意圖

具體方法是：與普通數(shù)控車床改造的不同在于：將原來(lái)車床刀架（或電動(dòng)刀架）更換為動(dòng)力銑頭，用來(lái)夾持各類柄（棒）狀銑刀，動(dòng)力銑頭的主軸軸線與車床中心線等高且垂直（也可轉(zhuǎn)動(dòng)900與車床中心線平行）。動(dòng)力銑頭由單獨(dú)的電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制。更換動(dòng)力銑頭為車床刀架（或電動(dòng)刀架），即與普通數(shù)控車床相同。車床縱向（Z向）、車床橫向（X向）運(yùn)動(dòng)由第1套二軸聯(lián)動(dòng)的數(shù)控主系統(tǒng)進(jìn)行控制。

在C616A車床主軸箱的Ⅺ軸左端部位，拆除原車床中連接Ⅺ軸、Ⅻ軸的齒輪（Z＝100）， 用FWl60型萬(wàn)能分度頭與Ⅺ軸左端連接，選用另一步進(jìn)電機(jī)（與X向步進(jìn)電機(jī)技術(shù)參數(shù)相同，t＝5mm，位移控制精度為0．005 mm）為Y向步進(jìn)電機(jī)與FWl60型萬(wàn)能分度頭輸入蝸桿連接，因此，可以實(shí)現(xiàn)車床主軸Ⅵ的旋轉(zhuǎn)控制（此時(shí)使車床主軸Ⅵ處于空擋位置）。FWl60型萬(wàn)能分度頭和Y向步進(jìn)電機(jī)安裝在鑄鐵支架上。移開(kāi)鑄鐵支架，裝上Z＝100的齒輪，就可恢復(fù)普通車床原主軸箱與進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)連接。主軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)即由第2套二軸聯(lián)動(dòng)的數(shù)控子系統(tǒng)進(jìn)行控制。該數(shù)控子系統(tǒng)由數(shù)控主系統(tǒng)的發(fā)信指令控制啟動(dòng)運(yùn)行。2套數(shù)控系統(tǒng)最好相同，以方便加工編程和數(shù)控加工的同步進(jìn)行。

Y向步進(jìn)電機(jī)與分度頭的輸入蝸桿直接連接，選擇分度頭的傳動(dòng)比為i＝1：40，Y向步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)1轉(zhuǎn)，帶動(dòng)分度頭主軸轉(zhuǎn)動(dòng)1／40轉(zhuǎn)，Y向步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)40轉(zhuǎn)，可帶動(dòng)分度頭主軸轉(zhuǎn)動(dòng)1轉(zhuǎn)。而由車床主軸傳動(dòng)系統(tǒng)（見(jiàn)圖1）可知，分度頭主軸轉(zhuǎn)動(dòng)1轉(zhuǎn)，帶動(dòng)車床主軸轉(zhuǎn)動(dòng)1轉(zhuǎn)。

在數(shù)控車床X向的運(yùn)行控制中，X向步進(jìn)電機(jī)與橫向滾珠絲杠直接連接，當(dāng)給定t＝5 mm的運(yùn)行長(zhǎng)度時(shí)，滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)1轉(zhuǎn)，X向步進(jìn)電機(jī)也轉(zhuǎn)動(dòng)1轉(zhuǎn)。當(dāng)給定Y向運(yùn)行長(zhǎng)度Ly＝5×40＝200mm時(shí)，可以控制Y向步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)40轉(zhuǎn)，即控制車床主軸轉(zhuǎn)動(dòng)1轉(zhuǎn)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的旋轉(zhuǎn)控制。另外，從《機(jī)修手冊(cè)》查得，C616A車床主軸傳動(dòng)鏈中，可調(diào)整離合器彈簧的松緊以得到不同的極限壓力傳遞切削動(dòng)力。

經(jīng)上述改造后的C616A車床，具有三坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)和任意2套二坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)的功能。

2 控制系統(tǒng)的改造

控制系統(tǒng)的核心采用美國(guó)TI公司的電機(jī)控制專用DSP微處理器芯片TMS320F240。它具有高性能的DSP內(nèi)核和豐富的微控制器外設(shè)功能，已成為MCS-51等傳統(tǒng)的微控制系統(tǒng)和昂貴的多片設(shè)計(jì)的一種廉價(jià)的替代產(chǎn)品。與其他方案相比，它不但具有高速信號(hào)處理和數(shù)字控制功能，而且為步進(jìn)電機(jī)和其他電機(jī)控制應(yīng)用提供了單片解決方案所必需的外圍設(shè)備。

2.1 DSP TMS320F控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

DSP TMS320F240主要由CPU（20MIPS的高速運(yùn)算能力）、544×16的片內(nèi)RAM、16K×16FLASHEEPROM、事件管理器、片內(nèi)外圍接口模塊（EMIF）等幾部分組成。具有電機(jī)控制的獨(dú)特資源有：通用定時(shí)器、12路PWM脈寬調(diào)制輸出，2路10位8通道A/D轉(zhuǎn)換器、SPI和SCI：同步串行外設(shè)接口、看門(mén)狗（WATCHDOG）與實(shí)時(shí)中斷定時(shí)器（RTI）。由于數(shù)控系統(tǒng)高速度和高精度的要求，選用12bits串行D/A轉(zhuǎn)換器TLV5616，該器件帶有靈活的4線串行接口，可以無(wú)縫連接F240串行口，采用12bits并行A/D轉(zhuǎn)換器，采集受控對(duì)象的輸出并傳送給F240，F(xiàn)240根據(jù)控制算法實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地修正控制輸入。

由于TMS320F240 的內(nèi)部存儲(chǔ)器不能滿足需要，必須進(jìn)行擴(kuò)展，將程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展為64K×16的SRAM存放零件加工程序，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展為64K×16的FLASH ROM存放系統(tǒng)程序。 用DSP TMS320F240實(shí)現(xiàn)的C616A車床控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，整個(gè)車床的DSP硬件路結(jié)構(gòu)原理圖如圖3所示

圖2 DSP控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖3 DSP車床控制系統(tǒng)硬件原理框圖

2.2 車銑多功能加工的數(shù)控原理

經(jīng)過(guò)上述的數(shù)控改造后，數(shù)控主系統(tǒng)可以控制Z向、X向運(yùn)動(dòng)的運(yùn)行；也可以與數(shù)控子系統(tǒng)串聯(lián)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)控制與Y向運(yùn)動(dòng)的聯(lián)動(dòng)運(yùn)行（數(shù)控子系統(tǒng)Y向由數(shù)控主系統(tǒng)的發(fā)信指令控制啟動(dòng)運(yùn)行）。數(shù)控主系統(tǒng)與子系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)加工流程控制如圖4所示。

圖4 主、子數(shù)控系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)加工流程圖

3 結(jié)束語(yǔ)

采用該方法對(duì)我院數(shù)控中心的經(jīng)濟(jì)型車床C616A進(jìn)行了改造，實(shí)現(xiàn)了在一個(gè)車床上可以進(jìn)行一定的數(shù)控車、銑、削等多功能的加工?？梢赃M(jìn)行的加工主要有：軸類零件上的等分或不等分平面；軸類零件上的各類鍵槽；銑削加工絲杠；銑削軸類零件端面的溝槽及凸輪型面；車削加工軸類零件；拋磨加工軸類零件。另外，DSP系統(tǒng)的優(yōu)良性能保證了數(shù)控伺服系統(tǒng)控制的高精度、高穩(wěn)定性、高速度，實(shí)踐證明，大大提高了零件加工的精度，拓展了數(shù)控車床的加工范圍和質(zhì)量，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。

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