使用单片机提高普车加工精度的探索
使用单片机提高普车加工精度的探索
使用单片机提高普车加工精度的探索 摘要:随着新技术革命的发展,对于车床加工精度的要求不断提高～本文探索了在加工细长轴时单片机的使用。用误差的数学模型及其补偿实现方式.论述采用的MCS-51(8051)单片机的功能和作为终端的步进电机的运作方式.设计采用Intel8279芯片连接单片机和键盘/显示器的硬件接口电路.并基于系统需要设计误差补偿程序,步进电机控制程序和键盘/显示程序.对其由于中断引起的运行可靠性,和系统抗干扰问题也进行了分析并提出了解决方法.
关键词:误差补偿、 单片机、 Intel8279、 软件设计
随着电子计算机技术的迅猛发展，以信息技术为中心的新技术革命正在冲击着世界各个技术领域，它以极大的提高生产率和工作效率为重要特征。新技术革命必将对社会的发展带来巨大的影响，使工业经济发生深刻的变化。由于这种变化，对于机械制造也来讲，已经不能采用传统的生产方式，必须寻求一种新的生产方式，以实现高效率，高质量和低成本生产。轴类零件是机械加工中经常遇到的典型零件之一，它在机器中的功用主要是支撑传动零件、传替运动和扭距。细长轴是轴类零件中的一种，由于受到弯曲剪切力而发生鼓拱现象，这样加工出的轴精度不高所组装的产品质量也不高。而在对零件精度要求较高的机器中，这种加工误差将严重影响机器的性能。目前，针对这一问题。常采取的措施有:改进工件装夹方式;采用反向进给;但这样做，即不能最大限度的满足加工精度，同时又提高了成本。而采用单片机误差补偿系统则可以弥补这一不足。
一.数学模型的建立及其在系统应用上的实现
1.数学模型的建立:
以三爪自定心卡盘夹一头，后顶尖顶另一头的装夹方式建立数学模型。
对其受力分析，如下图所示:
P为刀具的径向切削力，Ra,Rb分别为P在该细长轴两端A，B产生的反力。由于B端在XAY面内仅受垂直于X轴向的力Rb，所以，有顶针的B端可简化为一绞链。a为刀具至A端的距离，L为该细长轴加工部分的总长。M为在P和Rb作用下，该轴的弯距。
.1(由于弯曲变形很小，材料服从胡克定律，故与外力成线性关系。所以，1
该模型可以应用弯曲变形的叠加法。即有:
M=M(p)+M(Rb)
M(p)为径向切削力P在A端单独产生的弯距;
M(Rb)为支反力Rb在A端单独产生的弯距;
1.2 当仅作用P力时，如下图所示:
2222有v/= Mp/EI=/ dddxdxvp
"?Mp= EI vp
1.3.当仅作用Rb时,如下图所示:
,同理于1.2,也有截面转角就是y轴与挠曲线法线的夹角,即x 轴与挠曲线
,切线的夹角.且转角非常小.
22?可得/=/EI ddxvMRbRb
"?=EI vMRbRb
1.4.总挠度等于单独作用力P和单独作用力Rb产生的挠度的代数和.
32当单独作用力P时，得挠曲线方程为:=px/6,PLx/2将x=(L,a)代EIvP
2入,得单独作用P时的挠度 =(3L,a )/6EI ( I ) PavP
3当单独作用Rb时，有=Px =,RbL/3EI ( II ) vMRbRb
此即为Rb单独作用时在轴上产生的挠度
1.5下面计算力Rb和P的关系:
因为B点挠度为零,即=()+()，所加工轴在为实心BBvvvBRbP
4444时,I=D/32(D为轴的直径);所加工轴在为空心时,I=D( D,d)/32(D为轴,,
的外直径, d为轴的内直径)。
由此可见,加工轴的误差与轴所受的力P,轴的长度L,刀具离A端的距离a,轴的材料弹性模量E和轴的直径D(空心轴时还有内径d)有关。
2.数学模型在系统应用方面的实现.
这里论述的是将挠度曲线方程和系统联系起来的问题.首先要说得是,在加工细长轴时,车刀是受步进电机控制的.而步进电机是一种能把输出机械位移增量和输出数字脉冲对应的驱动器件.所以,车刀在加工细长轴时在轴上某点的位移
，N(0.005为步进电机的横向脉冲当量;N为步进电机行进的步数). 为:x=0.005
因此,该挠度曲线方程就可以转化为一个关于 x的函数(x为车刀的位移)=f( x ) 而加工细长轴时的变形的主要表现为拱鼓现象. vC
,?v= vvCC,1
,(1)v>0时,表示为车刀纵向进刀;
,(2)v<0时,表示为车刀纵向退刀;
,,而补偿量又可表示为:N=v/0.01(步进电机纵向脉冲当量为0.01)
这样,就把误差补偿量转化为步进电机的脉冲个数.然后步进电机发出脉冲信号控制车刀进行误差补偿,这样就实现了本设计的目的.这部分的流程图如下:
二.硬件系统设计:
2.1 MCS-51(8051)单片机的采用
MCS-51单片机是美国INTE公司于1980年推出的产品.指令数达 111条，MCS-51单片机可以算是相当成功的产品.至今,MCS-51系列或其兼容的单片机仍是应用的主流产品.MCS-51系列单片机主要包括8031、8051和8751等通用产品.我所采用的是8051,
MCS-51把微型计算机的主要部件都集成在一块心片上，使得数据传送距离大大缩短，可靠性更高，运行速度更块。由于属于芯片化的微型计算机，各功能部件在芯片中的布局和结构达最优化，抗干扰能力加强，工作亦相对稳定。因此，在工业测控系统中，使用单片机是最理想的选择。单片机属于典型的嵌入式系统，所以它是低端控制系统最佳器件。
2.2步进电机在本设计中的控制
步进电机是工业过程中的主要控制元件之一.在机械结构中,可以直接利用其角位移或用丝杠把角位移转变成直线位移,实现对执行机构的控制;在数字控制系统中,它可以直接接受计算机输出的脉冲信号,使用起来非常方便.由于步进电机
的步距或转速不受电压波动和负载的影响,也不受环境条件的限制,而只与脉冲频率成正比,且具有快速启动,停止等优点,所以它主要用于高精度的开环控制系统.
该控制系统的硬件原理图如下所示:
图中8051单片机与接口芯片8279连接.8279控制键盘输入和LED显示.键盘用于输入加工参数,LED用于显示当前的加工信息.由于某些加工参数非常重要,为了防止意外掉电时的数据丢失,系统中使用自带电池RAM.每次加工参数改变后程序自动将当前的加工参数及其他工作信息存入RAM.这样掉电或关机,系统当前的加工参数可以保留,在下次开机时自动读入.
步进电机的运行是由脉冲信号控制的，步进电机在脉冲信号的有效沿到来的时刻移动一个步距角，驱动器的有效沿是指:脉冲信号电流"由小到大"的时刻，或者说脉冲电平"由低到高"的时刻.
2.3系统中用8279做键盘/显示器接口的电路设计
以前单片机直接用I/O接口连接键盘/显示器,这样就家重了CPU的负担.8279是一种通用的可编程键盘和显示器接口器件,它能对键盘的输入和LED显示自动扫描,从而可以代替CPU完成对键盘和显示器的控制.并使得系统的运行更稳定,具有在开发的能力.
其联接单片机和键盘/显示器的电路如下页所示:
8279的数据线为8位,与8051的P3口相连.8279的CNTL和SHIFT线接地,这样使得按键的键值代码与键值相一致.
键盘扫描线由SL0及SL2通过138译码提供接入键盘列线(设定列线就是扫描线)查询线由反馈输入线RL0~RL7提供,接入键盘行线.
显示器是由输出口A,B经反向驱动器74LS07提供段选码.位选线由于0,30,3
只有6位,故采用138译码器来取得,并经75451同相驱动.显示寄存器的输出与显示扫描相配合,不断从显示RAM中读出数据,同时轮流驱动被选中的显示器件,以达到多路复用的目的,使显示器呈现稳定的显示状态.
软件编程主要是对8279的初始化及对键盘中断的响应,详细情况见本系统设计软件编程部分.
123456
DD
A15CCA14
A13
+5V+5V
B0
74
138LS07B3
CS
A0
INT0IRQ74RDRDLS07WRabcdegfdpWRA4ALE+5VCLK827980516位共阴LED数码显示373Y5Y4Y3Y2Y1Y0A0
P3
10757575BB451451451111
121382D0SL0133SL114SL215
D7
+5VRLnRESET
键盘 键盘
SHIFT
CNTL
RL7三(软件系统设计:
根据设计的要求,本系统软件分为以下几个流程:
1. 开机系统初始化流程.主要完成对系统各寄存器,累加器的清零工作. 2. 数据采集流程.通过人机交互方式,完成各种数据的采集,暂存和进行计算后的回存.
3. 数据处理流程.主要是通过误差补偿程序,对不同时刻的误差进行判断,并计算出相应补偿的误差量,通过欲处理以加快运算速度.
4. 步进电机控制流程.通过对步进电机的控制,完成加工补偿过程. AA
5. 键盘,显示流程:显示运行的相应数值,显示键盘对立输入的交互信息,控制
Title键盘对单片机的输入.
对于8051单片机,现有四种语言支持,即汇编,PL/M,C和BASIC.
SizeNumberRevision3.1系统中误差的补偿程序设计:
程序采用现阶段较为广泛的界面,通过人机对话方式获取计算误差所需的B
数据,通过对数据的计算得到补偿所需的误差量. Date:23-May-2004Sheet of
File:D:\Documents and Settings\qinbo\My Documents\PROTEL\lb2.ddbDrawn By:在数学模型的推导中,得到的加工轴件的挠度曲线方程EIv是:
4563123456EIv=,p(,4L,/5L,/30) aaaL2
C点的误差是:
4563=,p(,4L,/5L,/30) aaavLC2EI
4其中，轴为实心轴时，I=D(D为直径);轴为空心轴,32
444时,I=D( D+d)(D为外径,d为内径) ,32
P为轴受到的力, a为未加工的工件长度, L是所加工轴的总长, E为弹性模量.
3.2步进电机控制程序设计:
通常,三相步进电机有如下三种通电方式;
1) 三相单三拍 ABCA ,,,
2) 三相双三拍 ABCCAAB ,,,
3) 三相双六拍 A,AB,B,BC,C,CA,A 本设计采用三相双六拍通电方式,其控制模型如下表所示:
节 拍 通 控制 模型
电 正转 反转 二进制 十六进制 相
1 6 A 00000001 01H 2 5 AB 00000011 03H 3 4 B 00000010 02H 4 3 BC 00000110 06H 5 2 C 00000100 04H 6 1 CA 00000101 05H
,,,,,,步进电机正转绕组通电顺序为:AABBBCCCAA,
,,,,,,口发出的控制字为01H03H02H06H04H05H01H. P1
,,,,,,步进电机反转绕组通电顺序为ACACCBBBAA, 口发P1
,,,,,,出的控制数为:01H05H04H06H02H03H01H. 在程序中,采用定时器.定时延时在T/CO的中断服务程序中输出控制脉部. 3.3系统中8279芯片的软件编程设计:
编程实现的功能为:
当有键0~FH按下时,完成键值获取,并用LED输出显示键值.键盘/显示方式命令设 置为#00H,意即8个字符显示.
根据接口电路中8279片选信号和A0的接法,8279的端口地址为: 数据口: 0DFFFFH
命令/状态口: 0DFFFFH
设: fosc=6MHZ,则FALE=1MHZ,分频次数N=10
本文针对加工细长轴时，由于受到弯曲剪切力而发生鼓拱现象，这样加工出的轴精度不高所组装的产品质量也不高的问题。
通过分析各种变量间的数学关系，建立数学模型。然后把模型和单片机，步进电机联系起来以最终实现误差补偿的目标。
对于硬件系统设计，在考虑性价比的同时需研究易实现产品技术指标的因素。选用尽量通用化。
本论文初步对应用单片机对加工细长轴时的误差补偿作了分析并提出解决方法，并由此对如何使用单片机来提高普通车床的加工精度作出初步的探索。由于时间和水平所限，在系统应用方面还有装配等很多工作要做。加上实际经验的缺乏，本论文一定有许多欠妥之处，有待今后进一步完善。
参考文献
[1].王先逵编著，机械制造工艺学(第二版)，北京，机械工业出版社，2002，P164;
[2].刘鸿文编著，材料力学(第二版)，北京，高等教育出版社，1992，P98; [3].左健民主编，机电控制工程基础(第一版)，北京，机械工业出版社，2002; [4].李诚人编著，现代机电控制系统(第二版)，西安，西北工业大学出版社，1999;
[5].何立民编著，MCS-51系列单片机应用系统设计(第一版)，北京，北京航空航天大学出版社，1999，P56;
[6].余锡存 曹国华编著，单片机原理及接口技术(第一版)，西安，西安电子科技大学出版社，2003，P18,P159-P160,P164;
谭浩强编著， C程序设计(第二版)，北京，清华大学出版社， 2002; [7].
范风强 兰蝉丽编著，单片机语言C51应用实战集锦(第二版)，北京，电子[8].
工业出版社，2003;
[9].谢宜仁编著，单片机实用技术问答(第一版)，北京，人民邮电出版社，2002;
10].吴金成 沈庆阳编著，8051单片机实践与应用(第二版)，北京，清华[
大学出版社，2002;
