（机械制造及其自动化专业论文）双面高速研磨数字控制过程研究.pdf

摘要 本文主要是针对目前国内外对数控高速研磨机的需求，在普通双面 固着磨料高速研磨机的基础上，运用数字控制技术时研磨压力上升过程 进行控制。 本文采用一块a t 9 0 s 8 5 1 5 新型单片机作为主机，控制电，气转换器的 输出，对磨盘压力的上升过程进行数字控制，优化了研磨压力的变化过 程，使机床的振动和对工件的冲击得以大大减少，提高了研磨工艺水平 和加工精度。 本文采用了先进、可靠的输入输出系统，使研磨机更易于操作和控 制。由于实现了在线检测，大大提高了研磨加工效率。 关键词- 双面研磨高速数控过程 t om e e tt h e r e q u i r e m e n tf o rn u m e r i c a l - c o n t r o l ( n c ) h i g h - s p e e d l a p p i n gm a c h i n e ，t h i sp a p e ru s e st h en cw a yt oc o n t r o lt h ea s c e n d i n gc o u r s e o fp r e s s u r eo fl a po nt h eb a s i co fo r d i n a r yd o u b l e s i d es o l i da b r a s i v e s h i g h - s p e e dl a p p i n gm a c h i n e t h i sp a p e ru s e saa t 9 0 s 8 5 1 5n e w t y p es i n g l e - c h i pa sh o s tc o l n p u t d r , t o c o n t r o lt h ee x p o r to fe l e c t r i c i t y g a sc o n v e r t e r m o r e o v e r , t h i sp a p e ru s e st h e n u m e r i c a l c o n l r o lw a yt oc o n u o lt h ea s c e n d i n gc o u i s co fp r e s s u r eo fl a p ， o p t i m i z e st h ep r e s s u r er i s i n gc u r v e ，m a k e st h ev i b r a t i o no ft h em a c h i n ea n d i m p a c tt ot h ew o r kp i e c em d u e eg r e a t l y , i m p r o v e st h et e c h n o l o g i c a ll e v e l a n dm a c h i n i n ga c c u r a c yo f r u b b i n g t h i sp a p e ra d o p t sa d v a n c e da n dc r e d i b l es y s t e mo fi n p u ta n do u t p u t w h i c hm a k e st h eo p e r a t e da n dc o n t r o l l e db e c o m em o r ee a s y t h i sp a p e r a c h i e v e so n _ l i n em e a s u r e m e n t ，s ot h ee f f i c i e n c yo fm a c h i n i n gi si m p r o v e d g r e a t l y k e y w o r d ：d o u b l e - s i d el a p p i n g h i g h - s p e e d n cc o l i l t - e 第一章绪论 1 1 引言 随着航天技术以及微电子技术的发展，精密和超精密加工技术已经 成为国际竞争中取得成功的关键技术。因为现代工业需要很高的制造精 度，需要精密和超精密加工的零，部件越来越多，由此产生了以精密工 程细微工程和纳米加工技术为代表的现代制造技术的前沿技术。精密 和超精密加工技术成为各国发展尖端技术的基础，其发展水平成为代表 制造业发展程度的重要标志。 目前，在发达国家中，一般工厂能稳定掌握的加工精度是lum ， 与此相应，通常将加工精度在o 1 l 1m ，加工表面粗糙度在r a 0 0 2 卸1 1 1 1 之间的加工方法称为精密加工，而将加工精度高于0 1u m ，加工 表面粗糙度小于r a 0 0 1um 的加工方法称为超精密加工【l 】o 我国现在的机械制造技术水平与发达国家相比还有相当大的差距， 主要表现在两个发展方向上：一是高度自动化技术，以f m s 、c i m s 和敏捷制造技术为代表；另一个是精密和超精密加工技术，以超精密加 工为代表。 6 1 当代超精密加工多种加工方法已达到纳米级，而且实现了单个原子 的移动。为了进一步提高超精密加工技术水平，各发达国家都在努力研 究新方法、新工艺，以实现新的突破。日本的e r a t o 计划中，把纳米 技术作为其六项优先技术之一。英国国家纳米技术( n i o n ) 计划已经进 行我国已把先进制造技术作为今后重要发展的研究领域，而超精密加 工技术就是其中的一个重要组成部分。 研磨作为精密和超精密加工的重要方法之一，一直受到国内外的高 度重视。多年来，很多人致力于这一方面的研究，取得了很多的研究成 果，出现了很多的加工方法和实现形式，并在这一领域，努力实现高精 度高效率的研磨加工。 1 2 固着磨料研磨加工的发展状况 随着社会进步，人们对加工精度的要求越来越高，对精密和超精密 加工的需求也e l 益增多，因此研磨作为一种重要的精密和超级密加工方 法，它的应用与研究也愈加广泛。1 固着磨料高速研磨是将散粒的磨料固结起来，制成专用磨具，在高 速研磨机上进行高速研磨的方法。所用的专用磨具是根据工件的要求， 用不同的磨料制成丸片，再用丸片制成不同形状的磨具，其构造如图 1 1 所示。固着磨料高速研磨国外是在六十年代发展起来的，我国是七 十年代发展起来的。固着磨料研磨较好地解决了传统的散粒磨料慢速研 磨中所存在的大部分缺欠。其最大特点 是能显著提高研磨加工效率，而加工效 率低是限制传统研磨广泛应用的最大障 碍，因此固着磨料高速研磨一出现就受 到了人们的重视。长春理工大学是从七 十年代起开始从事固着磨料研磨加工技 术的研究，并成立了专门从事这一技术 研究的课题组，探讨了在固着磨料研磨 中，研磨压力、研磨速度、冷却液等对 研磨效率和加工质量的影响。这些研究 有力地推动了这一新技术的推广应用。 但固着磨料研磨也存在着一个新问 题，就是磨具在研磨中会出现磨损，这 就导致了磨具的面形精度下降，以致被 加工件面形精度下降。这就要求人们要 及时的经常修整磨具。以往的散粒磨料 图11磨具示意图 研磨，所使用的磨盘加工性相对来说比较好。而用于固着磨料研磨的磨 具表面上固结着极耐磨的磨料。这使得磨具修整十分困难，而且磨料浪 费严重，正是由于这个因素限制了固着磨料研磨的广泛应用。长春理工 大学的老师们也早就开始探讨磨具磨损规律，针对球面研磨，发现了磨 具理想磨损的数学表达式，也称为余弦磨耗规律，并得出t 艮t t - 此规律磨 具上丸片的分布规律。此后，课题组又专门研究了平面固着磨料研磨中 磨具磨损，并探讨了磨具设计问题。然而磨具磨损是与研磨加工中磨具 和工件间的相对运动及运动轨迹有着十分密切的关系。为此在7 0 年代 末8 0 年代初长春理工大学的李懋和老师和刘桂玲老师又分别探讨了平 面研磨和球面研磨中，磨具和工件间的相对运动。而且刘绍东老师开始 从力学角度分析磨具磨损原因。因此，这些研究成果都为进一步研究浮 动研磨磨具磨损规律奠定了基础。 进入80 年代，我国从事固着磨料研磨研究的人逐渐增多。较早的 有北京理工大学的查立豫教授，浙江大学的曹天宁教授等。他们既探讨 研磨机理，研磨工艺，又探讨磨具与工件问的相对运动。后来裴庆魁， 林锦文章黎明，王翠娣，王锴辛企明等一批专家学者都从事着固着 磨料研磨加x - - 技术的研究咀特别是华劲松和王忠琪等人还将固着磨料 研磨技术，引入抛光领域，研究新型固着磨料抛光片，用于进行高速抛 光，而且张红霞等人还专门研究了在采用固着磨料抛光片进行抛光中， 如何保证工件材料的均匀去除问题。 为了提高h g _ t - 效率，在研磨中不仅一次研磨加工工件的一个表面， 而且还可以同时加工工件的两个表面。于是有人研制出双面研磨机。日 本的t o s h i r o h k a r a k i d o g 等人还研究了双面研磨加工工艺，为双面研磨 的应用创造了良好的条件。一些学者专门研究将双面研磨技术应用于加 工集成电路的基片，并成功地应用于生产上。虽然是散粒磨料慢速研磨， 但为双面固着磨料高速研磨技术的研究奠定了基础。 随着国内外对固着磨料研磨技术研究的深入，固着磨料研磨技术得 到了进一步的完善。长春理工大学的杨建东老师提出了浮动研磨磨具均 匀磨损及工件均匀研磨理论。磨具均匀磨损及工件均匀研磨理论为双面 研磨技术的广泛应用奠定了理论基础，并在此基础上研制出固着磨料双 面高速研磨机。 1 3 双平面固着磨料高速研磨机阱0 1 l 。2 l 双平面研磨是对要求两个相互平行平面的工件进行研磨加工。目前 国内外主要还是采用传统散粒磨料慢速双面研磨加工，尽管其加工效率 与单面研磨相比有了很大的提高，但传统的双面研磨保留了散粒磨料研 磨的特点，磨盘转速不能太高，以免磨料飞溅，浪费磨料，因此加工效 率仍然不能满足生产要求。而且传统散粒磨料慢速双面研磨加工，难以 实现在线检测，制约了加工效率和h g t - 精度的提高，同时也很难降低劳 动强度。 双平面固着磨料研磨由于采用固着磨料研磨，继承了固着磨料研磨 的特点，与传统的散粒磨朴陉速双面研磨相比，具有磨盘转速高，加y - 效率高及加工精度稳定性高的特点，并且有效的降低研磨加工成本。 因此双平面高速研磨具有很高的加工精度和生产效率，有广泛的用 途，如加工集成电路芯片、计算机硬盘基片、平面显示器的玻璃等。双 面高速研磨原理如图1 2 所示。工作时，工件放在上下磨盘之问，位于 行星轮内，由行星轮带动，同时在上下磨盘研磨压力作用下工件绕其轴 线自转，因此，工件的运动是行星运动与自转运动的合成。图1 3 为双 面高速研磨机结构示意图。 图1 2 舣面高造研磨原理幽 上磨盘 中心轮 l ：件 齿圈 行尾轮 丸片 f 蘑盘 圈1 3 双面高速研磨机结构示意图 机轴 带轮 1 4 论文研究的目的和内容 我国目前也在研制各种不同的研磨机，而其中固着磨料研磨机因其 加_ t - 效率高而倍受关注。但国内目前还没有自行研制的双平面固着磨料 数控研磨机，因此有硌要开发双平面固着磨料数控研磨机。 传统的隧速研磨机，没有在线检测功能，不能在线测量出工件的研 磨去除量，对工件厚度方向的尺寸不能进行有效的控制。为保证工件尺 寸精度只能经常停机，以测量工件的尺寸是否达到要求。如未达到要求 就继续研磨，达到要求后，就停止研磨。一旦研磨去除量过大，工件就 会报废，增加废品率。而且研磨效率低，研磨加工时间长，加工时间远 大于辅助工时。辅助工时对总工时影响小，因而人们对辅助工时的长短 未给予重视。但对于固着磨料高速研磨来讲，它的加工效率很高，加工 时间短，辅助时间相对来说变得较长。特别是工人上、下工件操作变得 频繁，工人的劳动强度较高。为加速固着磨料高速研磨的普及应用，就 要设法减少辅助工时，降低工人的劳动强度，提高生产效率。因此本文 主要就是针对这一点来对固着磨料高速研磨机进行改进的。本文将数控 技术应用于高速研磨机上，给研磨机增加一个方向的尺寸监控功能，并 构成闭环控制，使研磨机在研磨过程中能对研磨去除量进行在线检测。 为了提高研磨工艺水平和减少对工件的冲击，本文利用单片机控制 电气转换器，使之输出连续的任意的气缸压力，控制压力上升过程， 避免产生过失的冲击。同时对研磨压力上升过程进行优化控制，提高了 研磨加工质量和精度。 采用这些技术后，能够提高加工精度，保证加工质量。还能减少辅 助工时，减轻工人劳动强度。 第二章总体方案设计 双平面数控高速研磨机控制系统主要是由光栅位移传感器、键盘 输入系统、液晶显示系统和控制执行系统组成。 2 1 系统结构 单片机是控制系统的核心，其控制系统结构如图2 1 所示。 幽2 1 控制系统结构示意幽 本系统根据键盘或上位机输入的指令，通过光栅位移传感器输入的数字 信号，检测出研磨加工去除量，由单片机对电气系统、电气转换器进 行控制，对不同的工件由粗磨到精磨的过程中，机床主轴转速和磨盘压 力在整个过程中为一变量。根据粗研、精研，及不同材质的工件研磨参 数的不同，单片机控制着主轴转速、研磨压力等。 2 2 微机测控系统 由于微机使传统的检测手段、方法、仪器、设备发生了根本性的变 化，形成了自动化、实时化、智能化的以微机为核心的测控系统，其基 本组成见图2 2 。测控系统的结构取决于硬件的配置、工作环境、系统 对精度和实时性的要求等。 信一i 号_ 一 驱 动 隔 离 图2 2 测控系统基本组成示意图 随着电子技术的迅猛发展，单片机的应用更加广泛，它使产品功能、 精度、和质量大幅度提高，使系统电路设计更简单、故障率低、可靠性 高且成本低廉。f 1 as h 技术、在线可编程、低功耗、大规模集成是今后 单片机的发展方向。本文采用的a v r 单片机是采用f l as h 技术的单片机 t 3 1 ，其特点如下： ( 1 ) 其价格低廉，可擦写1 0 0 0 次以上，并具有1 6 位指令。因采用了 f l as h 技术，不再有报废产品产生。数据存储器为8 位，a v r 还 是属于8 位单片机。 ( 2 ) 高速度( 5 0 n s ) 低工耗( ua ) ，具有s l e e p ( 休眠) 功能及c m o s 技术，每一指令执行速度可达5 0 n s ( 2 0 m h z ) ，而耗电则在1 2 5 m h 间( 典型工耗，w d t 关闭时为1 0 0 n h ) 。a v r 运用 1 a r w a r d 结构概 念( 具有预取指令功能) ，即对程序和数据存储带有不同的存储 器和总线。当执行某一指令时，下一指令被预先从程序存储器中 取出，这使得指令可以在每一个时钟周期内被执行。 ( 3 ) 高度保密( l o c k ) ，可多次烧写的f l a s h 且具有多重密码保护锁 死( l o c k ) 功能，因此可低价快速完成产品商品化，并可多次更改 程序( 产品升级) 而不妊浪费i c 或电路板，大大提高产品质量 及竞争力。 ( 4 ) 具有大电流1 0 - 2 0 m h 或4 0 m h ( 单一输出) ，可直接驱动s s r 或继 电器；有看门狗定时器( w d t ) 安全保护，防止程序走飞，提高 产品的抗干扰能力。 ( 5 ) 超功能精简指令，具有3 2 个通用工作寄存器( 相当于8 0 5 1 中的 3 2 个累加器，克服了单一累加器数据处理造成的瓶颈现象) 及 12 8 b 4 k b 个s r a m ，可灵活使用指令运算，并可用功能很强的c 语言编程，易学、易写、易移植。 ( 6 ) 程序写入器件可以并行写入( 用万用编程器) ，也可串行下载 ( i s p ) 擦写。也就是说不越将i c 拆下拿到万用编程器上烧录， 而可直接在电路板上进行程序修改、烧录等操作。方便产品升级， 尤其是s m d 封装，更利于产品微型化。 ( 7 ) 并行i o 口输入输出特性不仅与p l c 的h i l o w 输出及三态高阻 抗h i - z 输入相同，也可设定类似于8 0 5 1 系列内部拉高电阻作输 入端的功能，便于作各种应用特性所需( 多功能i 0 口) 。a v r 是真正的i o 口，能正确反映i o 口的输入输出真实情况。 ( 8 ) 单片机内有模拟比较器，i o 口可作a d 转换用，可组成廉价的 a d 转换器。 ( 9 ) 像8 0 5 1 一样，有多个固定中断向量入口地址，可快速响应。 ( 10 ) 像p l c 一样，可重设启动复位。a v ra t 9 0 s 系列也有内部电源开 关启动计数器，可将低电平复位( r e s e t ) 直接接到v 。端。当 电源开时，由于利用内部的r c 看门狗定时器，可延迟m c u 启动 执行程序。这种延时使i o 口稳定后执行程序，以提高单片机工 作可靠性，同时可节省外加复位延时电路。 ( 1 1 ) 具有休眠省电功能( p o w e rd o w n ) 及闲置( i d l e ) 低功耗功能。 ( 12 ) 计数器定时器，c t 有8 位和1 6 位，可作比较器：计数器外部 中断和p w l d 用于控制输出。 ( 1 3 ) 有串行异步通讯u a r t ，不占用定时器和s p i 传输功能；因其高 速，故可以工作在一般标准整数频率，而波特率可达5 7 6 k ( 1 4 ) a t 9 0 s 8 5 15 具有可扩展外部数据存储器，达6 4 k b 。他们的引脚排 列及功能与8 0 5 1 相似，故可替代8 0 5 1 系列单片机的应用系统。 当然，还在硬件、软件上带来很多优点( w d t 看门狗，模拟比较 器作a d ，p w m 作d a 等) 。 【l5 ) 工作电压范围宽( 2 7 6 0v ) ，电源抗干扰性能强。 ( 16 ) a v r 由于有f l as h 存储器构成，并具有较大容量、1 0 0 0 0 0 次的 e e p r o m ，对掉电后数据的保存带来方便，来电后能记住掉电时的 工作状态。 ( 1 7 ) 经过测试比较得出8 m h za v r 等于2 2 4 m h z 的8 0 c 5 1 。 2 3 位移检测系统 位移检测系统是研磨机床的重要组成部分，它的作用是测量研磨加 工去除量，发送反馈信号，构成闭环控制。由于检测系统的精度影响着 数控机床的加工精度，因而对检测元件的选择及对检测系统的设计在整 个闭环控制系统及在单片机控制系统中都是至关重要的。 由于计量光栅测显系统具有数字化、高精度、大量程、安装方便、 防护良好等特点，并且光栅有放大和误差平均作用，采用光栅的位置测 量系统，不需要复杂的电子系统，结构简单精度高、分辨率高、重枉 大、抗干扰能力强，测量速度高，可实现动态测量、自动测试和数字显 示功能m 。因而在长度的数字测量和精密机械的位置反馈测量方面都获 得了广泛的应用。因此我们选用光栅测量系统作为数控系统的位移测量 部分，以实现工件尺寸的检测。 根据双平面高速数控研磨机的要求，我们选择了g x - a 型光栅尺传 感器，它可形成横向莫尔条纹，并具有零住光栅的功能，可使增量测量 和绝对测量兼为一体。它的主要技术参数如表2 - i 所示。 表2 - ig x a 型光栅尺技术参数 栅距g ( um ) 测量长度( n l m ) 工作电压( v ) 输出信号 工作温度( c o ) 光源 最大移动速度( m m i n ) 2 0 2 0 0 5 5 六路信号 0 5 0 红外发光二极管 s3 0 从光栅传感器里传出的信号为正、余弦波形，且信号为小信号波形， 我们检测出的信号约为1 0 0 m y ，但在实际应用及单片机接口中，这样微 小的信号检测不出，常常需要将两光栅尺的相对位移转为易于辨识和应 用的数字脉冲量才能应用及辨识。根据光栅传感器的技术参数，光栅栅 距为2 0 微米，我们希望它的分辨率能达到i 微米，要达到这样高精度 高分辨率的测量，必须从两方面入手，即光栅刻制技术和莫尔条纹细分 技术，但光栅刻制技术受到制作工艺的限制，而且对光学系统和机械结 构要求较严格，在经济上也不合算，因而通常采用莫尔条纹细分技术来 提高分辨率。常用的细分法有很多种，细分一般有直接细分、电桥细分、 电阻链细分、复合细分、锁相倍频等。从原理上讲可以对方波脉冲用锁 相环电路进行高倍数的倍频，但这种方法要求光栅头的运动越须是恒速 的，否则锁相环电路是无法正常且稳定的工作，这对于被测对象以不同 的速度运动，及在终点附近进行多级降速以求精确定位等情况均是不适 合的；而复合细分法又比较复杂。 所以选用的光栅检测系统是采用两次细分：第一次细分采用移相电 阻链法，因它所需的电阻元件获得比较容易，调整方便，成本也不高； 第二次细分，采用直接细分，这样可以提高系统可靠性，且使系统的结 构更紧凑。 细分、辨向i 】4 ” 2 j 示意图如2 3 所示。 v a v c h 鲞：茎h 釜卜 辨 向 v v b 。mh 委墨 与 四 倍 频 r 放人 卧 环节 v i ：。 图2 3 光栅传感器的细分、辨向示意图 该原理框图的基本思想是：将光栅传感器输出的四路信号v a ，v b ， v c 、v d 、分别经放大器放大后再经电阻链细分，各产生一个正弦信号， 然后经整形将这些信号变为方波，再经辨向和四倍频变为系列脉冲，根 据移动方向产生正反向控制信号，该系列脉冲送给计数器计数，从而得 到位移值。另外，指示光栅输出的零位信号v e 和v f ，也经放大与整形 后加于辩向与倍频逻辑线路，作为计数的零点参考信号。 在选定了单片机和位移检测系统后，整个测控系统的设计分为以下 几个方面： 单片机与键盘、显示器的接口设计 系统控制电路设计 研磨压力的优化控制 第三章键盘显示系统设计 3 1 键盘及接口技术 键盘在单片机应用系统中是一个很关键的部件，它能实现向计算 机输入数据、传送命令等功能，是人工干预计算机的主要手段。本文选 用8 2 7 9 键盘接口芯片。i n t e l8 2 7 9 是一种通用可编程键盘接口芯片， 它能为键盘提供一种扫描工作方式，可与6 4 个按键的矩阵键盘连接， 能对键盘不断的扫描，自动消抖，自动识别出按下的键并给出编码，能 对双键或n 键同时按下实行保护。8 2 7 9 逻辑框图如图3 1 所示。 时钟复住d b 0 - - 7r d w r c sa o r q b d 图3 18 2 7 9 逻辑框幽 8 2 7 9 的组成和基本工作原理： 1 输入输出控制及数据缓冲器 数据缓冲器是双向缓冲器，它将内部总线和外部总线连通，用于传送 c p u 、一一。寸风知 n 入蝓出控制线控制数据向各种内部 寄存器和缓冲器发送或接收。品是片选信号，只有当一c s 卸时，8 2 7 9 才被选通，c p u 才能对其进行读写操作。r d 、w r 来自c p u 的读、 写控制信号。a 。用于区别信惑的特性，当a o = 0 时，表示输入输出的 信息均为数据，当a o = l 时，表示输入的信息是指令，而输出的信息是 状态字。 2 控制与定时寄存器及定时控制 控制与定时寄存器用来寄存健盘及显示的工作方式，以及由c p u 编 程的其它操作方式。这些寄存器一旦接收并锁存送来的命令，就通过 译码产生相应的控制信号，从而完成相应的控制功能。 定时控制包含基本的计数链。首级计数器是一个可编程的n 级计 数器，n 可在2 3 l 之间由软件编程，以便从外部时钟c l k 得到内部 所需的1 0 0 k h z 时钟。然后经过分频为键盘扫描提供适当的逐行扫描 频率和显示扫描时间。 3 扫描计数器 扫描计数器有两种工作方式。按编码方式工作时，计数器做二进制 计数。四位计数状态从扫描线s l 0 s l 3 输出，经外部译码器译码后， 为键盘提供扫描线。按译码方式工作时，扫描计数器的最低二位被译 码后，从s l 0 、s l 3 输出，因此s l 0 s l 3 提供了4 中取1 的扫描译码。 4 回复缓冲器、键盘消抖及控制 来自r l 0 r l 7 的8 根回复信号，由回复缓冲器缓冲并锁存。在键盘 工作方式中，这些线被接到键盘矩阵的列线。在逐行扫描时，回复线 用来搜寻一行中闭合的键。当某一键闭合时，消抖电路被置位，延时 等待1 0 m s 之后，再检验该键是否仍闭合。若闭合时，则该键的行、列 地址和附加的移位、控制状态一起形成键盘数据，送入8 2 7 9 内部的 f i f o 先进先出存储器。格式为： d 7d 6 d d 4d 3d 2d ld o c n t ls h i f t扫描 回复 控制( c n t l ) 和移位( s h i f t ) 的状态由两个独立的附加开关决定， 而扫描( d 5 、d 4 、d 3 ) 和回复( d 2 、d l 、d o ) 则是被按键的行列 位置数据。d ；、d 。、d 1 三位来自扫描计数器，是按键的行编码，而 d ! 、d l 、d o 三位来自列计数器，它们是根据回复信号而确定的列编 码。 在传感器矩阵方式中，回复线的内容被直接送往相应的r a m 中， 即f i f o 存储器。在选通输入方式中，回复线内容在控制锁存线的脉 冲上升沿送入f i f o 存储器。 5 f i f o 及其状态寄存器 f i f o 是一个双重功能的8 8 位r a m 。在键盘或选通工作方式 时，它是f i f o ( 即先进先出) 存储器。每次新的输入都顺序写入到r a m 单元中。而每次读出时，总是按输入的先后顺序，将最先输入的数据读 出。f i f o 状态寄存器用来存放f i f o 的工作状态，象f i f o 是空还是满， 其中存有多少字符，是否操作出错等等。当f i f o 不空时，状态逻辑将 产生i r q = i 信号，向c p u 发出中断申请。 在传感器矩阵方式时，这个存储器又是传感器r a m 。它存放着传 感器矩阵中的每一个传感器状态。此方式中，若检索出传感器的变化， i r q 信号变为高电平，向c p u 发出中断中请。 键盘电路系统设计： 为了使数控机床的控制更加可靠，本文增加了键盘锁的功能，当钥 匙打到不同的挡位时，键盘将实现不同的功能。因钥匙有不同的功能， 不同的钥匙只能打到不同的挡住，因此持有某把钥匙的操作员，只能进 行与此钥匙相对应挡的功能操作，而其他挡位因无法达到，也就没法进 行其他挡位所具有的功能操作，所以有较强的保密能力和维护性。 c p u 对8 2 7 9 的监视采用查询方式，每i o m s 定时查询一次，所以 8 2 7 9 的中断请求信号i r q 悬空不用。c p u 对8 2 7 9 的访问很简单，先读 回8 2 7 9 的状态字，查看f i f or a m 中有无字符，如有将根据字符个数 读出所有字符，并进行处理，若无，则直接返回。不过必须要很好的控 制键盘锁控制线的输出，以便及时读回键盘锁所处挡住，从而决定键盘 按键所具有的功能，囚不同挡位，键盘各按键所具功能各不相同，或者 说一个挡位对应着一种键盘。图3 2 为键盘接口原理图。 如图3 ：2 所示，本文8 2 7 9 芯片中的回复线只利用了8 根中的6 根， 即r l o r l 5 ，另两根r l 6 和r l 7 接v 。，固定为高电平。扫描线用了 s l 0 - s l 2 三根，其编码信号经译码后对键盘进行扫描，译码器用7 4 l 1 4 5 为b c d 译码器，4 根输入线，1 0 条输出线，输入线只用了3 根，译出 的8 根线中只用了0 5 六根线，6 、7 未用。另外此三根扫描线还与主 单片机的p b 3 口线一起输入到四输入与非门7 4 h c 2 0 中，其输出给键盘 锁提供扫描信号，此扫描信号受p b 3 控制。矩阵键盘列线和键盘锁列 线经双输入与门1 4 0 8 l 输出到回复线上。 8 2 7 9 象对待键盘一样对待控制锁，锁开关跟键盘开关处于同等的 地位，只是锁开关处于常闭合状态，因此要由p b 3 来控制，以模拟按 键开关的闭合、断开动作。当p b 3 为高电平时，7 4 h c 2 0 输出扫描信号 4 图3 28 2 7 9 键盘接口原理图 对锁进行扫描，此时8 2 7 9 将把锁所处档位读入f i f or a m 中。而当p b 3 为低电平时，7 4 h c 2 0 输出恒为高电平，此时锁虽处于某档位的闭合位 置，但锁列线为高电平，对8 2 7 9 而言就象锁开关处于断开位置一样， 或者说锁开关闭合后又释放了，固此8 2 7 9 能对锁进行正确识别。 下面说明一下按键码的规则：如前所述，s l 0 一s l 2 共有8 种扫描状 态，即0 0 0 b 1 1 l b ，其中仅利用了0 0 0 b 1 0 1 b 六个状态，1 1 0 b 和1 1 1 b 两个状态未用。而状态1 1 l b 就被利用来读取控制锁的状态，当p b 3 为 高电平1 时，s l 0 - s l 2 为1 1 1 时，7 4 h c 2 0 便输出低电平0 。对锁进行 扫描，欲读取控制锁状态时，只须将p b 3 置为高电平1 ，再从8 2 7 9f i f o r a m 中读出键码便是锁开关所对应的按键码了。键码也可称为键内码。 根据8 2 7 9 键盘开关内码的形成规则，即 d 7d 6d 5d 4d 3d 2 d ld o l 控制l 移位l 扫描 回复 可知锁各挡住的内码如下 l 档位123456 l 内码3 83 93 a3 b3 c3 d 例如，锁位置1 ，因为s l 0 s l 2 全为l 时，才能对锁扫描，所以扫描码 是1 1 1 。锁位置l 与回复线r l 0 对应，当锁处于l 档位时，r l 0 为0 ， 回复线经编码后为0 0 0 ，控制与移位不用，接地低电平即o o ，所以总的 内码为0 0 1 1 1 0 0 0 b 即3 8 h ，其他内码类推。键盘按键的内码也可按同样 的方法得到。 单片机外接晶振为6 m h z ，接地端接俩各3 0 p f 电容，7 4 h c 2 0 输出 端接一1 0 0 0 p f 滤波电容。 3 2 显示器的选择及接口设计 图形及文字的液晶显示模块在数控机床产品上应用日趋广泛，人机 界面是否直观和形象已经作为产品性能好坏的一个衡量标准，也直接影 响到产品的性能的好坏。所以我们的显示将采用液晶显示技术。根据应 用系统的硬件设计原则，选择标准化、模块化的典型电路，及尽可能选 用功能强、集程度高的电路或芯片。这样可以提高设计的成功率和结构 的灵活性，及系统的可靠性。因此我们采用图形液晶显示通用接1 3 模块。 0 c m 4 x 8 c 液晶显示模块是12 8x6 4 点阵的汉字图形型液晶显示模块，可 显示汉字及图形，内置国标g b 23 12 码简体中文字库( 16 x 1 6 点阵) 、1 28 个字符( 8 x 1 6 点阵) 及6 4 x 25 6 点阵显示r a n ( g d r a m ) 。可与c p u 直接 接u ，提供两种界面来连接微处理机：8 - 位并行及串行两种连接方式。 具有多种功能：光标显示、画面移位、睡眠模式等。 0 c m 4 x 8 c 液晶硬件接口 6 i 、逻辑工作电压( v d d ) ：4 5 5 5 v 2 、电源地( g n d ) ：0 v 3 、l c d 驱动电压( v 0 ) ：0 - 1 0 v 4 、工作温度( t a ) ：0 5 5 ( 常温) - 2 0 7 0 v ( 宽温) 模块有并行连接方法( 时序如下) ： 1 、8 位并行连接时序图 m p u 写资料到模块 m p u 从模块读出资料 礁 m i f 阱唧 一_ f 一 图3 38 住并行连接时序m p u 写资料到模块 图3 4 8 位并行连接时序m p u 从模块读出资料 本课题所采用的液晶显示模块不但能在液晶显示器上任意行、列的 1 7 位置开始显示标准图形和汉字，还能进行反白显示、擦除显示、矩形填 充和擦除、画线，及显示数字和光标、清屏等操作。图3 5 即为显示系 统接口原理图： 图3 5 显示系统接口原理图 液晶显示模块与a t 9 0 s 8 5 1 5 单片机接口为串行接口，由m a x 7 2 1 9 串行通用芯片扩展输出接口。a t 9 0 $ 8 5 1 5 单片机只使用了 p d i ( t x d ) u a 。r t 发送引脚，p b 7 ( s c 硒时钟输出及p d 4 作为片选线，与 m a x 7 2 1 9 连接，还有p d 6 ( w r ) 、p d “r d ) 与液晶显示模块的写、读选 通线相连接液晶显示模块的八位数据线与m a x 7 2 1 9 的八位数据输出 口相连电源都为d c - 5 v 代码( 0 2 h 一一7 f h ) 显示资料r a m 提供6 4 2 个位元组的空间，最多可以控制4 行1 6 字( 6 4 个字) 的中文字型显示，当写入显示资料r a m 时，可以分别显示c g r o m 、 h c g r o m 与c g r a m 的字型；s t 7 9 2 0 a 可以显示三种字型，分别是半宽的 h c g r o m 字型、c g r a m 字型及中文c g r o m 字型，三种字型的选择，由在 d d r a m 中写入的编码选择，在0 0 0 0 h - - 0 0 0 6 h 的编码中将自动的结合下 一个位元组，组成两个位元组的编码达成中文字型的编码( a 1 4 0 - - d 7 5 f ) ，各种字型详细编码如下： 1 、显示半宽字型：将8 位元资料写入d d r a m 中，范围为0 2 h 一7 f h 的编码。 2 、显示c g r a m 字型：将1 6 位元资料写入d d r a m 中，总共有0 0 00 a ， 0 0 0 2 h ，0 0 0 4 h ，0 0 0 6 h 四种编码。 3 、显示中文字形：将1 6 位元资料写入d d r a m k ，范围为a 1 a l h f 7 f e h 的编码。 绘图r a m ( g d r a m ) 绘图显示r a m 提供6 4x3 2 个位元组的记忆空间，最多可以控制2 5 6 6 4 点的二维也纳绘图缓冲空间，在更改绘图r a m 时，先连续写入水 平与垂直的坐标值，再写入两个8 位元的资料到绘图r a m ，而地址计数 器( a c ) 会自动加一；在写入绘图r a m 的期问，绘图显示强须关闭，整 个写入绘图r a m 的步骤如下： 1 、关闭绘图显示功能。 2 、先将垂直的坐标( y ) 写入绘图r a m 地址； 3 、再将水平的位元组坐标( x ) 写入绘图r a m 地址； 4 、将d 15 一- - d 8 写入到r a m 中； 5 、将d 7 一一d 0 写入到r a m 中； 6 、打开绘图显示功能。 游标闪烁控制 s t 7 9 2 0 a 提供硬体游标及闪烁控制电路，由地址计数器( a d d r e s s c o u n t e r ) 的值来指定d d r a m 中的游标或闪烁位置。 o 第四章电气控制设计 在对键盘和显示器的电路及接1 ：2 设计完成后，就要对数控高速研磨 机的电气控制部分进行设计。由位移传感器输入的反馈信息，键盘输入 的命令，经主c p u 通过判断、比较等操作，对信息处理后再对电气系 统进行控制。 4 1 输出接口隔离技术p 9 4 0 j 用于生产现场的单片机应用系统，易受各种干扰侵袭，直接影响到 系统的可靠性。因此，应用系统的抗干扰设计已经成为应该关注的重要 课题。下面介绍本文采取的隔离技术。 在开关量输出通道中，为防止现场强电磁干扰或工频电压通过输出 通道反串到测控系统，一般需采用通道隔离技术。在输出通道的隔离技 术中，最常用的是光一电隔离技术，因为光信号的传送不受电场、磁场 的干扰，可以有效的隔离电信号。 用于输出通道隔离的光电隔离器根据其输出级不同可分为三极管 型，单向可控硅型、双向可控硅型几种。对于三极管型光电隔离器，当 发光二级管中通过一定值的电流时，发出一定的光被光敏三极管接收， 使其导通，而当该电流撤去时，发光二级管熄灭，三极管截止，利用这 种特性即可达到开关控制的目的。但是光电隔离器两端一定要单独供 电。当然，这里所讲的单独供电，可以是单独使用不同的电源，也可用 d c - - d c 变换的方法给输出端提供一个与光隔输入端隔离的电源。 由上述分析可知，如果从其通断功能来看，光电隔离器其实是一隔 离开关。利用光电隔离器也可完成电平转换，其转换后的输出电平与其 供电电压值有关，而与光隔输入端无关。有时为防高频干扰对光隔输入 端的影响。可在输入电路两端加一滤波电容。 固态继电器输出接口技术： 我们的控制系统中，采用固态继电器方式开关量输出。固态继电器 ( s s r ) 是近年发展起来的一种新型电子继电器，其输入控制电流小，用 t t l 、h t l 、c m o s 等集成电路或加简单的辅助电路就可直接驱动，因 此适宜于在微机测控系统中作为输出通道的控制元件。其输出利用晶体 管或可控硅驱动，无触点。与普通的电磁式继电器和磁力开关相比，具 有无机械噪声、无抖动和回跳、开关速度快、体积小、重量轻、寿命长、 工作可靠等特点，并且耐冲击、抗潮湿抗腐蚀，因此在微机测控等领 域中，已逐渐取代传统的电磁式继电器和磁力开关作为开关量输出控制 元件。 我们采用的是交流型s s r ，是用双向可控硅作为开关器件，用于交 流大功率驱动场合，其原理如图4 1 所示。对于非过零型s s r ，在输入 信号时，不管负载电源电压相位如何，负载端立即导通；而过零型必须 在负载电源电压接近于零且输入控制信号有效时，输出端负载电源才导 通。而当输入端的控制电压撤消后，流过双向可控硅负载为零时才关断。 陆 欢 图4i 交流型s s r 原理示意图 对于交流型的s s r ，其输入电压为4 3 2 v ，开关时间小于2 0 0 “s ， 输入电流小于5 0 0 m a , 因此对其驱动可加接一晶体管直接驱动：输出 工作电压为交流，可用于3 8 0 v 2 2 0 v 等常用市电场合；输出断态电流一 般小于1 0 m a 。 由于采用电子开关( 可控硅) 作为开关器件，存在通态压降和断态漏 电流。s s r 的通态压降一般小于2 v ，断态漏电流通常为5 1 0 m a ，因此 在使用中要考虑这两项参数，否则在控制小功率执行器时容易产生误动 作。 一般在电路设计时，应让s s r 的开关电流至少为断态电流的1 0 倍， 负载电流若低于该值，则应并联电阻r ，以提高开关电流，如当使用感 性负载时，也可采用这种方法，以避免误动作。 为增加电路的可靠性，保护s s r ，驱动感性负载时在s s r 输出端 再外接吸收回路和压敏电阻 4 2 电气控制设计 在本文中对电源、主轴电机、冷却水泵和空气压缩机的控制，采用 固态继电器方式开关量输出控制。而为了得到连续的任意的气缸压力 ( 空气压缩机输出压力范围内) ，我们采用了由单片机控制的电气转换 器调节压力，电气转换器是将电压信号按比例转换为气压的比例输出， 它能提供精密的电气转换控制，非常适合我们对输出压力的连续控制调 节。由单片机输出到m a x 7 2 1 9 串行i o 扩展输出芯片，由m a x 7 2 1 9 的8 位数据输出1 ：2 到8 位d a 转换器a d 5 5 8 ，单极性输出o 1 0 v 电压， 来控制电气转换器的压力输出。再由软件来控制输出我们希望的电压 值，达到控制气压的目的。 固态继电器由三极管驱动，且固态继电器输出1 ：2 加r c 回路和压敏 电阻吸收冲击电流。光电耦舍器输入端并联一电容，消除高频震荡。单 片机输出由地址锁存器7 4 l s 3 7 3 锁存，防止误操作。其电气系统控制原 理如图4 2 所示。 前面已提到输出隔离技术，在电气控制中还有电源隔离和稳压的 问题。由于我们的设计中采用+ 5 v 和+ 1 2 v 的直流电压供电，在采用光 电隔离技术时，要给被隔离的电路及各芯片提供独立供电电源。所以稳 压和电源隔离在可靠性设计中显得尤为重要。 本文采用集成稳压器。固定输出集成稳压器的输出电压值为常用的 几种标称值，如土5 v ，土1 2 v 等，不需外接元件调整，使用简便，具 有保护功能好，安全可靠、输出稳定度高等特点。 由于三端稳压器具有外接元件少。使用方便，安全可靠等优点，比 多端稳压器有较广泛应用，因此本丈采用三端串联型集成稳压器。在单 片机控制系统设计中，我们对采用的电源隔离技术做一下介绍。 电源隔离技术- 在单片机控制系统设计中，为了防止市电及现场各种电磁干扰对系 统的其它损害，提高系统工作可靠性，常采用隔离技术，将系统与输八 单元、输出单元以及与系统互联的单元隔离开来。从技术角度分析，通 过电源引入干扰是造成系统受损或工作不可靠的主要因素，因此，在 系统设计时，要使被隔离的各个部分具有独立的隔离电源进行供电，以 切断通过电源串入的各种干扰。 ：。fi 一 一! m茁 口ej e 多 t 睹暂i 翳“鲆三。 图4 2 电气系统控制原理示意图 隔离电源的获得，一种主要途径是采用不同的电源供电，或具有无 直接关联的次级输出电压，对其输出电压分别进行整流，稳压等处理， 以获得不共地的直流电源这种方法可有效地抑制高频干扰对系统的影 响。在本文中采用变压器变压再经交直流变换器获得直流电源。 另一种获得隔离电源的方法是使用具有直流隔离功能的d c d c 变 换器，它的输出电压可以与输入电压相同，也可不同，如5 d e d c 变 换器的输入电压为5 v ，输出电压也为5 v ，而输入电压与输出电压之间 是被隔离的。本文的直流供电隔离方式如图4 3 方式提供图4 3 是利 用d c d c 变换器对被光电隔离器隔离的单元进行供电，光电隔离器的 输入和输出回路的供电电源，经d c d c 变换器使供电电源实现隔离。 图4 3d c d c 变换器供电示意图 第五章研磨压力的优化控制 在工件的研磨加工过程中，研磨压力对于粗研时的研磨质量、研磨去 除速度有很大的影响，提高研磨压力可以增大磨具与工件间的真实接触面 积，同时参与研磨的磨粒数量增多，每个磨粒平均切削厚度减小，工件已 加工表面粗糙度值小1 7 1 。所以增大研磨压力可以减小已加工表面粗糙度值。 下面就探讨增加研磨压