基于DSP實現(xiàn)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(yīng)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。

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(yīng)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