制動凸輪軸銑削專用數控系統設計

劉紅軍，曹靜宇

(沈陽航空航天大學機電工程學院，遼寧沈陽110136)

汽車制動凸輪軸是汽車制動系統中的核心零部件［1-2］。其凸輪的尺寸精度、對稱度以及輪廓表面的粗糙度均有較高的要求。制動凸輪軸的傳統加工方法主要在靠模銑床上進行，加工效率低，零件精度差，更換零件品種需要較長的生產準備時間，包括靠模樣板制作和機床的調整［2-3］。隨著汽車產業的發展以及企業產品的多樣化，這種傳統的加工方法已經不能滿足生產需要。通用數控系統雖然能夠滿足產品的精度要求，但其功能多樣，導致資源的浪費，更重要的是加工效率較低，尤其是對于漸開線輪廓的加工很多通用數控系統并不能實現。

專用機床是一種專門適用于特定類零件工序加工的機床，是自動化生產中不可缺少的部分。文中所設計的專用數控系統主要針對圓弧輪廓和漸開線輪廓的制動凸輪軸的銑削加工。制動凸輪軸輪廓的加工最重要的是控制其中的幾個主要參數，因此專用數控系統通過用戶在控制面板輸入的幾個主要參數就可以進行加工，這樣省去了通用數控系統對軌跡編程所需要的時間，可以很好地解決傳統加工方法精度差和通用數控系統效率低等不足。

1 數控系統體系結構

硬件系統結構如圖1所示。

圖1 硬件結構圖

由圖1 可知作為該系統的核心——單片機C8051F020 的作用尤為重要，其主要任務是負責與上位機通信、伺服驅動控制、主軸運動控制等。計算機利用時間分割法將凸輪輪廓分割成小直線段，并通過串口向單片機發送相應坐標點和控制信號。單片機接到串口發來的信號，做出相應的反應，通過I/O 模塊將命令發送出去。數控系統的反饋環節由伺服系統自身完成，單片機發送的信號通過驅動電路控制伺服驅動器，進而控制伺服電機，而安裝在電機軸上的編碼器不斷檢測電機軸的實際位置，并反饋回伺服驅動器與參考輸入位置進行比較，PID 調節器根據位置誤差信號，控制電機正轉或反轉，從而將電機位置保持在希望的參考位置上。因此該數控系統是半閉環數控系統。

1.1 下位機芯片的選擇

C8051F020 是美國德州Cygnal 公司推出的信號混合SOC 型8 位單片機。C8051F020 是完全集成混合信號MCU 芯片，具有8 組8 位數字I/O 引腳。該芯片有如下特點:

(1)具有流水型結構的CIP-51 內核，與8051 單片機完全兼容，速度可達25 MIPs。

(2)片內含有全速非入侵式系統調試接口。

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

(4)雙12 位DAC 轉換通道，可以通過編程更新時序。

(5)硬件實現SPI、SMBus/I2C 和兩個高速串口。

(6)片內看門狗，Vdd 監視器和溫度傳感器。

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

1.2 伺服驅動電路設計

該系統的執行機構采用了施耐德公司的交流伺服系統，其控制器Lexium23 是開放型伺服驅動器，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。在設計中，采用了位置模式，并通過參數設定其脈沖列和符號的形式。

對于脈沖指令信號，該伺服控制器有開集極輸入和差動輸入兩種方式。差動輸入具有抗干擾能力強、信號穩定、可輸入最大脈沖數大等優點。其電路連接如圖2所示。

圖2 伺服驅動模塊電路圖

1.3 串口通信電路設計

針對上下位機傳送的數據量較小及速度較慢，通信電路作者選用應用已經相當廣泛的串口RS232 標準。C8051F020 單片機擁有波特率可達115 200 bps的UART 高速串口，傳輸效率是傳統51 單片機的12倍左右。通信參數由上位機設定，該部分選用了MAX3232 作為通信芯片。該芯片使用廣泛、通用性好、價格便宜，具有兩組驅動器和接收器和電平轉換等共16 個引腳。串口通信電路如圖3所示。

圖3 串口通信電路圖

2 軟件設計

該系統的軟件設計主要包括上位機的軟件設計和下位機的軟件設計兩部分。上位機的軟件設計包括插補運算設計、人機交互界面設計、串口通信設計等，上位機程序流程如圖4。下位機設計指單片機的串口設計、逐點比較法插補程序設計等。

圖4 上位機程序流程圖

2.1 上位機串口通信設計

在上一部分提到串口通信參數在上位機軟件里面設置。上位機軟件設計采用C 語言。通過MFC 中ActiveX 模塊中的MSComm 控件來實現串口搭建，計算機要與單片機實現點對點的通信，必須保持幀格式與單片機的幀格式一致，單片機的波特率是115 200 bps，所以必須將計算機的串口通信波特率也設置為相同值。發送數據格式為8 位數據位、1 位停止位。采用中斷處理方式傳輸。串口設置初始化程序代碼如下:

2.2 上位機粗插補程序設計

由于汽車制動凸輪軸主要包括圓弧凸輪軸和漸開線凸輪軸，因此上位機的粗插補運算主要包括直線插補、圓弧插補以及漸開線插補。下面主要針對漸開線插補運算加以描述。

漸開線的參數方程為:

其中:a為基圓半徑，t為參數。

設以順時針加工如圖5所示漸開線，圖中點B是繼點A之后的插補動點，坐標分別為A(xi，yi)，B(xi+1，yi+1)，圖中弦AB就是漸開線插補時每周期的進給步長。較為常用的插補方法是將Δt作為增量參數，去計算弦AB的長度。由漸開線參數方程可知:

圖5 基圓半徑為a 的漸開線

則弦長AB長度為:

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微小參數Δt，通過精確計算出弦AB長度，再與步長作比較，如小于步長則該步插補成立;若大于則減小參數Δt，以減小實際步長。這樣的變步長插補能夠充分利用計算機高效計算的特點，同時由于點A、B都在漸開線軌跡上，不會產生累積誤差，可以保證了插補精度。

2.3 人機交互界面設計

設計加工前左(右)圓弧凸輪軸和漸開線凸輪軸的人機交互界面如圖6所示。上位機以時間分割法插補法為手段將凸輪外輪廓插補成若干微小直線段，并將直線坐標發送給下位機，作為精插補的起始點和終止點。

圖6 程序操作界面

3 結束語

汽車制動凸輪軸的加工精度主要有兩個方面:輪廓度和對稱度。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，對稱度公差為0.15 mm。

一般漸開線制動凸輪軸的加工精度可以通過凸輪軸測量儀來檢測。輪廓度測量過程如下:首先選定起測點，然后間隔一定度數(度數越小，檢測越精準)測量另一點。對于對稱度的測量，則要在一側輪廓測量完成后，轉過180°測量另一側。

通過對汽車制動凸輪軸專用數控系統的測試，可以得到如下結論:文中所設計的利用單片機與計算機組成的專用數控系統能夠滿足汽車制動凸輪軸的加工精度要求。數控系統經過長時間實驗運行，能夠穩定、出色地完成加工任務。實驗結果表明:所設計的制動凸輪軸專用數控系統可以應用于實際生產中并推廣使用。

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