基于DSP的經(jīng)濟型車床的多功能化數(shù)控改造

　在我國，經(jīng)濟型車床因其價廉而得到廣泛的應用。在數(shù)控化改造過程中，常使用的是單片機系統(tǒng)，如MCS-51系列單片機作為控制核心，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，實現(xiàn)了經(jīng)濟車床可進行車、銑、削等加工的多功能綜合性數(shù)控改造。

　　1.經(jīng)濟型車床的多功能化改造

　　以改造經(jīng)濟型車床C616 A為例，車床結(jié)構(gòu)參見圖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：將原來車床刀架(或電動刀架)更換為動力銑頭，用來夾持各類柄(棒)狀銑刀，動力銑頭的主軸軸線與車床中心線等高且垂直(也可轉(zhuǎn)動900與車床中心線平行)。動力銑頭由單獨的電動機進行控制。更換動力銑頭為車床刀架(或電動刀架)，即與普通數(shù)控車床相同。車床縱向(Z向)、車床橫向(X向)運動由第1套二軸聯(lián)動的數(shù)控主系統(tǒng)進行控制。

　　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型萬能分度頭與Ⅺ軸左端連接，選用另一步進電機(與X向步進電機技術(shù)參數(shù)相同，t＝5mm，位移控制精度為0．005 mm)為Y向步進電機與FWl60型萬能分度頭輸入蝸桿連接，因此，可以實現(xiàn)車床主軸Ⅵ的旋轉(zhuǎn)控制(此時使車床主軸Ⅵ處于空擋位置)。FWl60型萬能分度頭和Y向步進電機安裝在鑄鐵支架上。移開鑄鐵支架，裝上Z＝100的齒輪，就可恢復普通車床原主軸箱與進給運動的傳動連接。主軸的旋轉(zhuǎn)運動即由第2套二軸聯(lián)動的數(shù)控子系統(tǒng)進行控制。該數(shù)控子系統(tǒng)由數(shù)控主系統(tǒng)的發(fā)信指令控制啟動運行。2套數(shù)控系統(tǒng)最好相同，以方便加工編程和數(shù)控加工的同步進行。

　　Y向步進電機與分度頭的輸入蝸桿直接連接，選擇分度頭的傳動比為i＝1：40，Y向步進電機轉(zhuǎn)動1轉(zhuǎn)，帶動分度頭主軸轉(zhuǎn)動1／40轉(zhuǎn)，Y向步進電機轉(zhuǎn)動40轉(zhuǎn)，可帶動分度頭主軸轉(zhuǎn)動1轉(zhuǎn)。而由車床主軸傳動系統(tǒng)(見圖1)可知，分度頭主軸轉(zhuǎn)動1轉(zhuǎn)，帶動車床主軸轉(zhuǎn)動1轉(zhuǎn)。

　　在數(shù)控車床X向的運行控制中，X向步進電機與橫向滾珠絲杠直接連接，當給定t＝5 mm的運行長度時，滾珠絲杠轉(zhuǎn)動1轉(zhuǎn)，X向步進電機也轉(zhuǎn)動1轉(zhuǎn)。當給定Y向運行長度Ly＝5×40＝200mm時，可以控制Y向步進電機轉(zhuǎn)動40轉(zhuǎn)，即控制車床主軸轉(zhuǎn)動1轉(zhuǎn)，以實現(xiàn)對工件的旋轉(zhuǎn)控制。另外，從《機修手冊》查得，C616A車床主軸傳動鏈中，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力。

　　經(jīng)上述改造后的C616A車床，具有三坐標聯(lián)動和任意2套二坐標聯(lián)動的功能。

　　2 控制系統(tǒng)的改造

　　控制系統(tǒng)的核心采用美國TI公司的電機控制專用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)計的一種廉價的替代產(chǎn)品。與其他方案相比，它不但具有高速信號處理和數(shù)字控制功能，而且為步進電機和其他電機控制應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)的實現(xiàn)

　　DSP TMS320F240主要由CPU（20MIPS的高速運算能力）、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。具有電機控制的獨特資源有：通用定時器、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、看門狗（WATCHDOG）與實時中斷定時器(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，可以無縫連接F240串行口，采用12bits并行A/D轉(zhuǎn)換器，采集受控對象的輸出并傳送給F240,F240根據(jù)控制算法實時準確地修正控制輸入。由于TMS320F240 的內(nèi)部存儲器不能滿足需要，必須進行擴展，將程序存儲器擴展為64K×16的SRAM存放零件加工程序,數(shù)據(jù)存儲器擴展為64K×16的FLASH ROM存放系統(tǒng)程序。 　　用DSP TMS320F240實現(xiàn)的C616A車床控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，整個車床的DSP硬件路結(jié)構(gòu)原理圖如圖3所示