瓦楞輥是瓦楞紙箱生產(chǎn)線的核心部件，也是最昂貴、易損的部件之一，而瓦楞輥的制造與翻修都離不開瓦楞輥磨床。磨床的加工精度與效率直接影響到瓦楞輥的質(zhì)量與企業(yè)的效益。目前在用的瓦楞輥磨床數(shù)控系統(tǒng)主要分為兩類…：一類為通用數(shù)控系統(tǒng)如、SIEMENS；另一類為基于PC的數(shù)控系統(tǒng)。前者性能突出但價格過高，相對于瓦楞輥磨削工藝而言，其功能、性能過于冗余；后者功能與性能足夠，但是其價格對于眾多的中小企業(yè)而言依然難以承受。因此，設計開發(fā)功能實用、運行穩(wěn)定可靠的瓦楞輥磨床經(jīng)濟型專用數(shù)控系統(tǒng)具有重要意義。本文提出了一種基于單片處理器的瓦楞輥磨床經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)設計方案，該方案無論是在數(shù)控系統(tǒng)本錢還是在系統(tǒng)功能／性能方面都具有很大的上風，適合瓦楞輥磨床的配套改造之用。

　　數(shù)控磨床工藝與電氣結(jié)構(gòu).瓦楞輥數(shù)控磨床與磨～i,J-r藝瓦楞輥數(shù)控磨床通常由平面磨床、龍門刨床或者龍門銑床改造而來，本文所先容的瓦楞輥數(shù)控磨床采　　用了平面磨床M7150的床身結(jié)構(gòu)。它主要保留了平面磨床的砂輪主軸，為進步加工精度，砂輪架的升降控制采用伺服驅(qū)動、減速箱與滾珠絲杠的傳動結(jié)構(gòu)軸，同時取消了水平滑臺原來的液壓傳動部分，以交流伺服（z軸）代之，并在此基礎上安裝了數(shù)控分度頭軸，以及用于砂輪修整的金剛滾輪架。平面磨床的其它輔助裝置如床身液壓泵、主軸油泵、冷卻水泵基本不變。為簡化數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，砂輪主軸電動機、冷卻水泵、磨頭伸縮等控制功能單獨實現(xiàn)，但是對所有電動機的過載保護功能仍然由數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)。

　　瓦楞輥磨床經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)的主要操縱功能如下。

　　參數(shù)設置通過8鍵鍵盤設定工藝參數(shù)、工件參數(shù)、機床有效行程和各軸間隙補償值；機床回零點動控制軸和z軸運動，將軸、z軸位置點動調(diào)整到機床坐標零點，作為磨床加工時的基準位置；工件裝夾點動控制各軸運動，實現(xiàn)工件安裝找正；建立工位點動控制各軸運動，確定磨床基　　本工位，如分度位、對刀位、磨削起刀位、右出頭位、砂輪修整位；砂輪修整確定砂輪的粗修量、精修量以及修整次數(shù)，并完成正式磨削前的砂輪修整；自動運行根據(jù)設定的工藝參數(shù)、工件參數(shù)、工位參數(shù)及砂輪修整參數(shù)自動磨削工件，磨削過程中每條楞的工藝主要包括：分度一粗磨一砂輪修整一精磨；軟件復位數(shù)控系統(tǒng)熱啟動。

　　數(shù)控系統(tǒng)電氣結(jié)構(gòu)瓦楞輥磨床經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)的電氣結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)以AD16M4測控板為基礎，實現(xiàn)了瓦楞輥磨床所有電氣測控功能。它不僅包括LCD顯示與按鍵輸進，還具有開關量輸進（DI）／輸出（DO）、交流伺服電動機位置／速度控制等功能。其中，DI部分主要包括軸、軸的雙向行程開關檢測，軸、軸、軸交流伺服狀態(tài)報警輸進，各種功率電動機過載保護等；部分主要包括燈光報警、聲音報警、間歇潤滑、軸與軸電磁剎車、軸氣剎車以及金剛輪電動機啟／?？刂?。三坐標數(shù)控軸選用安川交流伺服系統(tǒng)，構(gòu)成半閉環(huán)位置控制結(jié)構(gòu)，其輸進信號設置為方向+脈沖。

　　數(shù)控系統(tǒng)硬件設計瓦楞輥磨床經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)AD16M4測控板的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由主處理器W78E516、地址鎖存器74LS373、地址譯碼器74LS138、主存儲器、輔存儲器NVRAM29F040、擴展端口和8255B、脈沖均分器AT89C2051、LCD顯示板及鍵盤組成。

　　1 數(shù)據(jù)存儲測控板使用了兩片數(shù)據(jù)存儲芯片，即與NVRAM29F040。由于RAM本身沒有掉電保護功能，為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)的掉電保護功能，系統(tǒng)擴展了非易失型存儲器NVRAM29F040。主存儲芯片的存儲空間為32kB，用來存儲變量、頁面代碼等不需要掉電保護的數(shù)據(jù)。輔存儲芯片存儲空間為512kB，由硬件劃分的8個存儲扇區(qū)，由主處理器的P1.4、P1.5、P1.6引腳選擇扇區(qū)。

　　每個扇區(qū)的存儲空間都可以開釋，通過擦除操縱對扇區(qū)進行區(qū)擦除，開釋存儲空間。主處理器能夠采用直接尋址方式訪問主存儲器與輔存儲器，由W78E516的.7引腳控制兩片存儲芯片的選擇與切換。

　　2 基本輸進輸出主處理器W78E516的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3引腳分別控制LMG—SSC240×64點陣LCD顯示板的片選、讀寫和使能信號，通過8255A的PA口實現(xiàn)顯示數(shù)據(jù)輸出，鍵盤數(shù)據(jù)以開關量方式輸進到8255A的口；由8255B的PB口檢測行程開關、交流伺服狀態(tài)和電動機過載等信息，其中行程開關應選擇常閉觸點，所有電動機的熱繼電器的常閉觸點經(jīng)過串聯(lián)后輸進至測控板；由8255A的PC7、PC6、PC4引腳分別控制燈光報警、聲音報警和間歇潤滑，8255B的Pc口的高4位～PC7分別控制X軸和軸電磁剎車、軸氣剎車和金剛輪電動機的通斷。

　　3 運動控制運動控制的目的在于對運動控制軸的位置／速度／加速度的精確控制。當系統(tǒng)采用“脈沖+方向”輸出時，既要保證脈沖與方向同步，還要保證脈沖總數(shù)正確、頻率正確、頻率變化平緩。此外，為進步系統(tǒng)可靠性，位置控制信號（脈沖、方向）均采用差分驅(qū)動形式輸出。

　　由于經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)采用單片機作為主處理器，其數(shù)據(jù)處理能力有限，難以實現(xiàn)較高質(zhì)量的控制脈沖。

　　因此，本系統(tǒng)使用獨立于主處理器的脈沖均分器輸出脈沖，不但可以進步整個系統(tǒng)的處理速度、簡化程序設計，還能夠有效地進步脈沖頻率的控制精度。脈沖均分器采用AT89C2051單片機，實現(xiàn)脈沖均勻輸出。該控制軟件已經(jīng)完全芯片化。主處理器W78E516B通過端口擴展8255B控制系統(tǒng)運行，8255B的PA口控制脈沖輸出，Pc口的低4位PC0～3控制各軸運動方向。8255B的PA口連接2片脈沖均分器，當接收到來自主處理器的中斷信號時，脈沖均分器讀取8255B的口的脈沖數(shù)并將其均勻輸出。從脈沖均分器輸出的脈沖信號與來自8255B的Pc口的方向信號經(jīng)差分變換后分別輸出至軸、軸、z軸的伺服驅(qū)動器。其中，軸和軸的脈沖輸出共用一個AT89C2051，當.7置“0”時輸出軸脈沖，置“1”時輸出軸脈沖；軸和軸共用一個AT89C2051，U軸備用。

　　數(shù)控系統(tǒng)軟件設計瓦楞輥磨床經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)軟件采用模塊化程序設計，主要任務模塊包括按鍵掃描、鍵值分析、伺服電動機控制、行程開關檢測、交流伺服狀態(tài)檢測、電動機過載檢測、燈光報警、聲音報警、間歇潤滑及LCD顯示。系統(tǒng)軟件的主程序以循環(huán)方式掃描上述任務模塊，當對應的條件滿足時，該任務被響應并予以處理。

　　主程序中的鍵盤掃描周期約為100ms，過小的掃描間隔難以過濾掉按鍵抖動，而過大的掃描間隔則可能遺漏按鍵動作。本系統(tǒng)采用定時器11D實現(xiàn)插補周期的中斷定時，中斷服務程序主要完成運動控制參數(shù)的計算以及脈沖數(shù)的輸出。在系統(tǒng)上電后，為防止因上電時電壓波動造成系統(tǒng)初始化錯誤，程序延時100ms左右。延時完成后，進行變量初始化、芯片與硬件端口初始化及輸出狀態(tài)初始化。在程序運行過程中，大概每必須刷新LCD顯示一次，以防止LCD顯示錯誤信息。

　　系統(tǒng)軟件以多級菜單的形式顯示各操縱功能。其主菜單顯示內(nèi)容為：參數(shù)設置、機床回零、工件裝夾、建立工位、砂輪修整、自動運行、技術(shù)支持、軟件復位。為配合上述操縱功能，系統(tǒng)按鍵采用多重定義方式，與通用數(shù)控系統(tǒng)中的軟鍵設計思想基本一致。與之不同的是本系統(tǒng)沒有專門的數(shù)字輸進鍵，而是以軟鍵輸進代替。另外，系統(tǒng)取消了一般數(shù)控系統(tǒng)中的手輪和點動按鈕，其對應功能由軟鍵結(jié)合多速（粗調(diào)／中調(diào)／細調(diào)／微調(diào)）點動按鍵實現(xiàn)。這種“以軟代硬”的實現(xiàn)方式能夠在很大程度上簡化系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，而對系統(tǒng)操縱效率影響極小。

　　1 數(shù)據(jù)治理設計數(shù)控系統(tǒng)需要保存的參數(shù)比較多，如工藝參數(shù)磨削量、粗磨速度、精磨速度）、工件參數(shù)（中高、楞長、楞數(shù)）、邏輯行程保護參數(shù)（軸、z軸）、機床間隙補償量（軸、z軸、軸）以及砂輪修整參數(shù)（粗修整量、精修整量、修整次數(shù)）。此外，根據(jù)工件參數(shù)計算得到的中高分布曲線表、分度角度表也同樣要求實現(xiàn)掉電保護。由于系統(tǒng)采用的是增量式位置控制系統(tǒng)，工位信息則不必實現(xiàn)掉電保護。系統(tǒng)進進參數(shù)設置頁面時，顯示保存在NVRAM里的數(shù)據(jù)。為防止出現(xiàn)亂碼或其它錯誤，需要對顯示的數(shù)據(jù)格式和數(shù)據(jù)進行有效性檢查。假如數(shù)據(jù)錯誤，則強制賦隱含值，參數(shù)在修改后將存進NVRAM的對應扇區(qū)中。

　　2 基本算法設計中高算法：本系統(tǒng)以拋物線作為中高曲線，為降低運動控制兩軸聯(lián)動的復雜性，采用分段直線逼近拋物線的方法。首先將瓦楞輥楞長換算成對應的總脈沖數(shù)，然后等分成40段，再計算出各段中高值對應的脈沖數(shù)及各段的斜率并存進NVRAM中。在磨削中高時，根據(jù)當前段z軸運行的脈沖數(shù)與斜率計算出本中斷周期軸應輸出的脈沖數(shù)。

　　分度算法：由于單片機難以滿足復雜的實時計算要求，與中高處理類似，分度計算也同樣在磨削加工前處理完成。具體計算方法：先計算軸一周.對應的總脈沖數(shù)，然后以總脈沖數(shù)與設定的楞數(shù)相除取整得到每條楞的基天職度脈沖數(shù)，再適當處理余數(shù)，將余數(shù)脈沖按一定規(guī)律均勻插進到對應楞中往，則足以保證均勻分度。理論上，分度誤差不超過一個脈沖，完全能滿足瓦楞輥分度的技術(shù)要求，而且即使軸連續(xù)旋轉(zhuǎn)多周也不會出現(xiàn)累積誤差。

　　3 運動控制設計脈沖插補算法是運動控制的核心。系統(tǒng)軟件采用了脈沖增量插補算法中的數(shù)字積分直線插補，每次插補產(chǎn)生一個位移增量，并以脈沖形式輸出。本控制系同一邊進行插補運算，一邊進行加工，是一種典型的實時控制方式，所以插補運算的效率直接影響到磨床的進給速度。插補周期越小，則輪廓精度也就越高。在兩軸聯(lián)動時，運動控制計算量非常大，因此，要求軟件設計時盡量避免雙精度、長整型變量數(shù)據(jù)處理，以簡化計算過程，降低處理器時間消耗。本系統(tǒng)采用的定時。