劉紅軍，曹靜宇

(沈陽(yáng)航空航天大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，遼寧沈陽(yáng)110136)

汽車制動(dòng)凸輪軸是汽車制動(dòng)系統(tǒng)中的核心零部件［1-2］。其凸輪的尺寸精度、對(duì)稱度以及輪廓表面的粗糙度均有較高的要求。制動(dòng)凸輪軸的傳統(tǒng)加工方法主要在靠模銑床上進(jìn)行，加工效率低，零件精度差，更換零件品種需要較長(zhǎng)的生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間，包括靠模樣板制作和機(jī)床的調(diào)整［2-3］。隨著汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展以及企業(yè)產(chǎn)品的多樣化，這種傳統(tǒng)的加工方法已經(jīng)不能滿足生產(chǎn)需要。通用數(shù)控系統(tǒng)雖然能夠滿足產(chǎn)品的精度要求，但其功能多樣，導(dǎo)致資源的浪費(fèi)，更重要的是加工效率較低，尤其是對(duì)于漸開線輪廓的加工很多通用數(shù)控系統(tǒng)并不能實(shí)現(xiàn)。

專用機(jī)床是一種專門適用于特定類零件工序加工的機(jī)床，是自動(dòng)化生產(chǎn)中不可缺少的部分。文中所設(shè)計(jì)的專用數(shù)控系統(tǒng)主要針對(duì)圓弧輪廓和漸開線輪廓的制動(dòng)凸輪軸的銑削加工。制動(dòng)凸輪軸輪廓的加工最重要的是控制其中的幾個(gè)主要參數(shù)，因此專用數(shù)控系統(tǒng)通過(guò)用戶在控制面板輸入的幾個(gè)主要參數(shù)就可以進(jìn)行加工，這樣省去了通用數(shù)控系統(tǒng)對(duì)軌跡編程所需要的時(shí)間，可以很好地解決傳統(tǒng)加工方法精度差和通用數(shù)控系統(tǒng)效率低等不足。

1 數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)圖

由圖1 可知作為該系統(tǒng)的核心——單片機(jī)C8051F020 的作用尤為重要，其主要任務(wù)是負(fù)責(zé)與上位機(jī)通信、伺服驅(qū)動(dòng)控制、主軸運(yùn)動(dòng)控制等。計(jì)算機(jī)利用時(shí)間分割法將凸輪輪廓分割成小直線段，并通過(guò)串口向單片機(jī)發(fā)送相應(yīng)坐標(biāo)點(diǎn)和控制信號(hào)。單片機(jī)接到串口發(fā)來(lái)的信號(hào)，做出相應(yīng)的反應(yīng)，通過(guò)I/O 模塊將命令發(fā)送出去。數(shù)控系統(tǒng)的反饋環(huán)節(jié)由伺服系統(tǒng)自身完成，單片機(jī)發(fā)送的信號(hào)通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路控制伺服驅(qū)動(dòng)器，進(jìn)而控制伺服電機(jī)，而安裝在電機(jī)軸上的編碼器不斷檢測(cè)電機(jī)軸的實(shí)際位置，并反饋回伺服驅(qū)動(dòng)器與參考輸入位置進(jìn)行比較，PID 調(diào)節(jié)器根據(jù)位置誤差信號(hào)，控制電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，從而將電機(jī)位置保持在希望的參考位置上。因此該數(shù)控系統(tǒng)是半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。

1.1 下位機(jī)芯片的選擇

C8051F020 是美國(guó)德州Cygnal 公司推出的信號(hào)混合SOC 型8 位單片機(jī)。C8051F020 是完全集成混合信號(hào)MCU 芯片，具有8 組8 位數(shù)字I/O 引腳。該芯片有如下特點(diǎn):

(1)具有流水型結(jié)構(gòu)的CIP-51 內(nèi)核，與8051 單片機(jī)完全兼容，速度可達(dá)25 MIPs。

(2)片內(nèi)含有全速非入侵式系統(tǒng)調(diào)試接口。

(3)含有100 kps 和500 kps 的8 通道ADC。帶PGA 和模擬多路開關(guān)。

(4)雙12 位DAC 轉(zhuǎn)換通道，可以通過(guò)編程更新時(shí)序。

(5)硬件實(shí)現(xiàn)SPI、SMBus/I2C 和兩個(gè)高速串口。

(6)片內(nèi)看門狗，Vdd 監(jiān)視器和溫度傳感器。

C8051F020 與8051 單片機(jī)相比具有運(yùn)算速度快、串口通信效率高的特點(diǎn)，而價(jià)格上又比ARM 等高端芯片低廉，編程方便，通用性能更好。因此考慮到該數(shù)控系統(tǒng)中單片機(jī)完成的功能和要求，選用了性價(jià)比更高的C8051F020 單片機(jī)。

1.2 伺服驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用了施耐德公司的交流伺服系統(tǒng)，其控制器Lexium23 是開放型伺服驅(qū)動(dòng)器，而且具有精密的反饋控制。它可以工作在多種方式:速度模式、位置模式、扭矩模式等。在設(shè)計(jì)中，采用了位置模式，并通過(guò)參數(shù)設(shè)定其脈沖列和符號(hào)的形式。

對(duì)于脈沖指令信號(hào)，該伺服控制器有開集極輸入和差動(dòng)輸入兩種方式。差動(dòng)輸入具有抗干擾能力強(qiáng)、信號(hào)穩(wěn)定、可輸入最大脈沖數(shù)大等優(yōu)點(diǎn)。其電路連接如圖2所示。

圖2 伺服驅(qū)動(dòng)模塊電路圖

1.3 串口通信電路設(shè)計(jì)

針對(duì)上下位機(jī)傳送的數(shù)據(jù)量較小及速度較慢，通信電路作者選用應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)廣泛的串口RS232 標(biāo)準(zhǔn)。C8051F020 單片機(jī)擁有波特率可達(dá)115 200 bps的UART 高速串口，傳輸效率是傳統(tǒng)51 單片機(jī)的12倍左右。通信參數(shù)由上位機(jī)設(shè)定，該部分選用了MAX3232 作為通信芯片。該芯片使用廣泛、通用性好、價(jià)格便宜，具有兩組驅(qū)動(dòng)器和接收器和電平轉(zhuǎn)換等共16 個(gè)引腳。串口通信電路如圖3所示。

圖3 串口通信電路圖

2 軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括上位機(jī)的軟件設(shè)計(jì)和下位機(jī)的軟件設(shè)計(jì)兩部分。上位機(jī)的軟件設(shè)計(jì)包括插補(bǔ)運(yùn)算設(shè)計(jì)、人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)、串口通信設(shè)計(jì)等，上位機(jī)程序流程如圖4。下位機(jī)設(shè)計(jì)指單片機(jī)的串口設(shè)計(jì)、逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)程序設(shè)計(jì)等。

圖4 上位機(jī)程序流程圖

2.1 上位機(jī)串口通信設(shè)計(jì)

在上一部分提到串口通信參數(shù)在上位機(jī)軟件里面設(shè)置。上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)采用C 語(yǔ)言。通過(guò)MFC 中ActiveX 模塊中的MSComm 控件來(lái)實(shí)現(xiàn)串口搭建，計(jì)算機(jī)要與單片機(jī)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信，必須保持幀格式與單片機(jī)的幀格式一致，單片機(jī)的波特率是115 200 bps，所以必須將計(jì)算機(jī)的串口通信波特率也設(shè)置為相同值。發(fā)送數(shù)據(jù)格式為8 位數(shù)據(jù)位、1 位停止位。采用中斷處理方式傳輸。串口設(shè)置初始化程序代碼如下:

2.2 上位機(jī)粗插補(bǔ)程序設(shè)計(jì)

由于汽車制動(dòng)凸輪軸主要包括圓弧凸輪軸和漸開線凸輪軸，因此上位機(jī)的粗插補(bǔ)運(yùn)算主要包括直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)以及漸開線插補(bǔ)。下面主要針對(duì)漸開線插補(bǔ)運(yùn)算加以描述。

漸開線的參數(shù)方程為:

其中:a為基圓半徑，t為參數(shù)。

設(shè)以順時(shí)針加工如圖5所示漸開線，圖中點(diǎn)B是繼點(diǎn)A之后的插補(bǔ)動(dòng)點(diǎn)，坐標(biāo)分別為A(xi，yi)，B(xi+1，yi+1)，圖中弦AB就是漸開線插補(bǔ)時(shí)每周期的進(jìn)給步長(zhǎng)。較為常用的插補(bǔ)方法是將Δt作為增量參數(shù)，去計(jì)算弦AB的長(zhǎng)度。由漸開線參數(shù)方程可知:

圖5 基圓半徑為a 的漸開線

則弦長(zhǎng)AB長(zhǎng)度為:

上式為超越方程，直接求解非常困難，近似求解誤差又較大。因此程序中給定一個(gè)微小參數(shù)Δt，通過(guò)精確計(jì)算出弦AB長(zhǎng)度，再與步長(zhǎng)作比較，如小于步長(zhǎng)則該步插補(bǔ)成立;若大于則減小參數(shù)Δt，以減小實(shí)際步長(zhǎng)。這樣的變步長(zhǎng)插補(bǔ)能夠充分利用計(jì)算機(jī)高效計(jì)算的特點(diǎn)，同時(shí)由于點(diǎn)A、B都在漸開線軌跡上，不會(huì)產(chǎn)生累積誤差，可以保證了插補(bǔ)精度。

2.3 人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)加工前左(右)圓弧凸輪軸和漸開線凸輪軸的人機(jī)交互界面如圖6所示。上位機(jī)以時(shí)間分割法插補(bǔ)法為手段將凸輪外輪廓插補(bǔ)成若干微小直線段，并將直線坐標(biāo)發(fā)送給下位機(jī)，作為精插補(bǔ)的起始點(diǎn)和終止點(diǎn)。

圖6 程序操作界面

3 結(jié)束語(yǔ)

汽車制動(dòng)凸輪軸的加工精度主要有兩個(gè)方面:輪廓度和對(duì)稱度。以基圓直徑為25 mm 的漸開線凸輪軸為例，其零件輪廓度公差為0.06 mm，對(duì)稱度公差為0.15 mm。

一般漸開線制動(dòng)凸輪軸的加工精度可以通過(guò)凸輪軸測(cè)量?jī)x來(lái)檢測(cè)。輪廓度測(cè)量過(guò)程如下:首先選定起測(cè)點(diǎn)，然后間隔一定度數(shù)(度數(shù)越小，檢測(cè)越精準(zhǔn))測(cè)量另一點(diǎn)。對(duì)于對(duì)稱度的測(cè)量，則要在一側(cè)輪廓測(cè)量完成后，轉(zhuǎn)過(guò)180°測(cè)量另一側(cè)。

通過(guò)對(duì)汽車制動(dòng)凸輪軸專用數(shù)控系統(tǒng)的測(cè)試，可以得到如下結(jié)論:文中所設(shè)計(jì)的利用單片機(jī)與計(jì)算機(jī)組成的專用數(shù)控系統(tǒng)能夠滿足汽車制動(dòng)凸輪軸的加工精度要求。數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間實(shí)驗(yàn)運(yùn)行，能夠穩(wěn)定、出色地完成加工任務(wù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:所設(shè)計(jì)的制動(dòng)凸輪軸專用數(shù)控系統(tǒng)可以應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中并推廣使用。

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