嵌入式系统在精密机床中的应用

嵌入式系统在精密机床中的应用

摘要：本文主要阐明嵌入式系统在精密机床领域的应用，结合现有的技术状况，分析了嵌入式系统在机床控制、工件加工过程的监控与修复、机床加工状态的调整三方面的应用。

关键字：机床控制；工件加工过程的监控与修复；机床加工状态的调整；

1概述

目前基于嵌入式芯片的工业自动化设备将获得长足的发展，目前已经有大量的8、16、32 位嵌入式微控制器在应用中，网络化是提高生产效率和产品质量、减少人力资源主要途径，如工业过程控制、数字机床、电力系统、电网安全、电网设备监测、石油化工系统。就传统的工业控制产品而言，低端型采用的往往是8位单片机。但是随着技术的发展，32位、64位的处理器逐渐成为工业控制设备的核心，在未来几年内必将获得长足的发展。本文主要讨论嵌入式系统在精密机床中的应用；

2嵌入式系统在机床控制中的应用

——基于DSP与单片机的激光加工数控系统的研究

通过对激光加工特性的研究，设计了基于DSP与单片机为核心的激光加工数控系统。整个系统全部采用数字化设计，具有矢量切割、矢量雕刻与位图雕刻三种加工功能, 并经过软件优化, 实现了较好的加工效果。

数控系统原理结构：数控系统是激光加工设备的关键部件, 其性能直接决定了激光加工的质量, 国外的很多优秀激光加工设备主要是依赖于高性能的数控系统才得以实现各种高质量的加工。本设备设计的数控系统是基于DSP 与单片机的核心, 实现接收上位机的图形数据、进行数据处理、控制步进电机与激光器进行激光加工等功能。DSP 与单片机之间采用双口RAM 通讯, 两者作为相对独立的工作模块实现各自功能, 系统原理图如图1所示。

图1 数控系统原理图

DSP 采用的是TI 公司的TMS320VC33 浮点型DSP, 主要实

现以下四个功能:

( 1) 负责与上位机通讯。

( 2) 对图形数据进行存储与读取

( 3) 对图形数据进行必要的计算处理, 生成符合单片机工作的加工数据格式。

( 4) 与单片机与进行通讯, 提供加工数据。

数控系统的工作可分为数据传输与激光加工两大部分：( 1) 数据传输。上位机通过以太网或SPP 并口将图形数据分成多个数据包传给DSP, DSP 将每个数据包解析后依次实时存入NAND- FLASH中，上位机与DSP 通讯采用握手模式。DSP接收完整幅图形数据后, 向单片机发中断。单片机在液晶显示屏上更新存储于数控系统中的图形的名称与编号, 并标注新接收的图形，等待用户加工。( 2) 激光加工。当用户通过键盘发出加工某一幅图的指令后，单片机将加工图的编号传给DSP，DSP 按编号从NAND -FLASH中读取该图数据，并将数据转化成单片机用于加工的数据格式, 然后将加工数据通过双口RAM 传给单片机。最后，单片机根据接收到的加工数据控制步进电机与激光器, 进行激光加工。加工完成后，单片机在液晶显示屏上显示加工完成信息，以便用户继续加工。

数据算法：激光加工设备的加工模式主要有矢量加工与位图加工两种。矢量加工时，激光器以矢量为单位，对被加工表面进行激光烧蚀，根据加工效果可以分为矢量切割与矢量雕刻；位图加工,激光器以点为单位，对被加工表面进行间断的打点式激光烧蚀，达到雕刻的效果。

根据机械特性, 当步进电机运动方向与速度突变时会产生较大振动, 从而破坏加工矢量的轨迹。所以利用软件优化, 当判断到相连矢量运动方向发生变化时, 在矢量的始末采用速度阶梯变化的方法, 使步进电机在加工中运动平稳, 原理如图2所示。

图2 电机速度优化原理图

当步进电机速度不同时, 相同激光能量烧蚀被加工材料的效果也会发生变化。所以在将速度进行递变的优化中, 能量也随之进行调整。在速度阶级变小时, 激光能量在原始值的基础上减去一定的递减系数, 使加工效果与匀速时保持一致, 原理如图3所示。

图3 激光能量优化原理图

通过该数控系统在激光加工设备上的使用证明, 基于DSP与单片机的数控系统, 能够实现高精度的激光加工, 具有非常高的稳定性与实用性。

2嵌入式系统在工件加工过程的监控与修复中的应用

——单片机应用于磨床数控化改造中砂轮形状的自动检测与修整

磨床是产品加工质量的关键设备，磨削加工中，砂轮的磨损状态是影响磨削质量的另一个主要因素。砂轮在磨削过程中，磨粒逐渐磨钝而失去切削能力，若继续磨削，就会增加砂轮与工件之间的摩擦而发热，磨削质量将显著下降。这主要是由于磨粒的钝化、砂轮表面被堵以及砂轮外形失真所致，因此实时检测砂轮状态，并及时修整对保证磨削质量意义重大。

砂轮磨损检测：磨削加工中，若磨削质量下降，则说明砂轮磨损严重，应及时进行砂轮磨损量检测及修整。如图4所示。检测砂轮时，砂轮首先移动到某一固定点（可以设为

第二参考点），在砂轮转动的情况下，传感器沿A到B点间轨迹道往复移动，检测到的最大与最小信号值之差即为砂轮修整量，把经过处理的信号值输入单片机，从而控制砂轮修整量。

图4 砂轮磨损量检测

砂轮修整：轴承磨削砂轮轮廓为一固定圆弧，砂轮修整轨迹控制方便，采用金刚石轮轨迹修整法（见图5）。砂轮修整时，除旋转外，X、Z 轴做圆弧插补运动，修整器（金刚滚轮）只做旋转运动。当检测结束后，修整轮移动到修整位置，按检测到的最大误差自动分步进给至修整量，砂轮按预定的修整轨迹往复运动多次，实现砂轮修整。

图5 金刚石轮修整砂轮示意图

利用单片机控制技术在磨床数控化改造中实现砂轮磨损的检测与修整，在目前来看较为少见，尽管与磨床数控系统比较，有很多不足，但在经济性上的巨大优势，随着该项技术的迅速普及，在机床数控化改造领域内必将有更加广泛的应用空间。

3嵌入式系统在机床加工状态的应用

——单片机在精密机床油温控制系统中的应用

精密机床温度控制是实现精密加工技术的基本条件之一在现有的机床热变形理论中，机床周围环境温度的变化一直被认为是引起机床加工精度下降的一个重要原因。.因此，精密机床一定的恒温条件是机床加工精度的重要保证。通过对几种恒温系统的比较，认为采用恒温油液喷淋机床是减小精密机床热变形、提高机床热稳定性和工件加工精度最有效的途径，为了得到恒温油液，笔者研制了采用模糊控制器的单片微机控温系统，该系统采用了8039单片机和延时脉冲触发双向可控硅的结构，省去了附加的专用触发器，不仅控制过程简单、实用，且得到了较理想的控温效果.

系统硬件：单片机油温控制系统总体框图如图6所示。在一个密闭的油箱内，装有加热器与制冷装置、温度传感器和被控油液。X--Y记录仪用来监视油液温度的变化，单片机控制加在加热器和制冷装置的两端电压，从而调节油液温度的变化。系统采用双级油温控制，即用氟利昂制冷，并增加了制热微调.以半导体Si-PN结温度传感器为测温元件，经继电器开关控制制冷装置的开停.采用温度调节器使油温粗调到一定精度，然后再经模糊控制器调节，控制加热器功率大小，使精档温度可控制到20`C士0. 2℃水平。由于单片机具有结构简单、抗干扰性能好等优点，所以采用8039单片机作本系统的控制器。整个系统的硬件结构由三大模块，即五大功能单元组成:微机中央处理单元；模拟信号处理单元;显示和键盘接口单元;数字触发单元.系统线路原理图如图7所示.