用单片机技术改造M250磨床

　　摘　要：介绍用MCS-51单片机技术改造M250磨床的硬件电路原理、软件设计思路和组成部分及改造后的M250磨床所具有的特点和性能。
　　关键词：单片机；磨床；技术改造
　　M250磨床是我厂中型轴承滚道及内径加工的主要设备，磨削进给、加工过程控制及加工尺寸测量完全靠人工手动操作。不仅劳动强度大，而且由于人为的因素，影响产品质量的情况时有发生（如烧伤、终磨尺寸分散度大、返修品多等），针对上述问题，运用单片机对M250磨床进行了改造。
　　1　数控系统的硬件结构及技术要求
　　改造后的M250磨床，加工过程完全按控制系统程序执行，因此对每种工件均有固定的生产节拍，从而可找出每种工件在加工过程中的热膨胀量，并通过数控系统对终磨尺寸加以精确补偿，为Z终解决磨加工中温度对磨削精度的影响，提供了一个可以借鉴的方法。
　　采用步进电机和滚珠丝杠系统控制砂轮的进给和砂轮消耗，简化系统结构，安装液压驱动的内磨测量装置实现加工尺寸的主动测量及数控系统的闭环控制，并通过终磨尺寸设定，消除了系统综合因素（如机械、电气、温度等）产生的误差，加工精度可达到±3μｍ。
　　数控系统分为调整、定步、仪表三种控制方式。
　　1.1 调整方式
　　在调整工作方式时，可以对机床进行调整，调整的技术要求是标准工件面、砂轮表面（砂轮表面必须是经过修正的）及金刚笔尖在一条直线上，此条直线在理论上即为工件公差为零的标准尺寸线，也即终加工点。
　　1.2 定步和仪表控制方式
　　在调整操作结束后，将方式控制开关转换到定步或仪表控制，此时磨头自动后移1.509mm，此位置即为个工件开始加工时磨头的原始位置，以后每加工一个工件，磨头向前补偿一个砂轮修整量。
　　（1）定步控制方式，加工工序的转换依电位器设定的磨削量进行，由于在车加工时留有一定的散差，所以都按同一尺寸控制磨头快进量将影响加工效率或撞活，为此设计了无触点载荷继电器，待砂轮接触工件后快进转为磨削进给。
　　需要指出，此处的载荷继电器并非用于过载保护，而是用于控制过程转换，因此必须具有足够的可靠性，为了避免发生撞活事故，采用自检的方法，即在砂轮电机空载时，载荷继电器能否完成从低电平到高电平再到低电平的转换。在每个工件开始加工时，首先进行载荷继电器完好性的检查，而后转入加工。
　　（2）仪表控制方式，采用内磨测量装置将位移量转换为电信号，系统分为两档测量，粗测0~0.832mm，精测0~0.127mm，依加工工序由电子开关自动切换，各工序转换由仪表控制。
　　磨削过程控制是一种顺序控制，即依次完成各加工和操作工序，典型的工序如下：
　　加工开始→磨头左行→磨头快进接近工件→粗磨进给→磨头回跳→磨头右行→磨头快跳进→砂轮修整一个往复→磨头回跳→磨头左行→磨头跳进→粗磨进给→精磨进给→不进给光磨→终磨尺寸到→磨头回跳1.509mm→磨头右行→加工结束。
　　上述各工序的转换均依相关电位器的设定值运行，整个控制系统仅设置三个位置检测开关：（1）磨床往复运动回到原始位置（机床尾部）的检测开关，此开关接通表示一个工件加工结束或允许开始加工。（2）磨头快进接近开关，此开关接通，数控系统发出指令，磨头开始做磨削往复运动，磨头快跳接近工件。（3）在一个加工循环中，控制修整器倒下和抬起的位置检测开关。
　　1.3 系统的电路组成
　　硬件框图如图1。本系统实际上是兼有PC功能的单轴数控系统。图中，采用MCS-51单片机作为CPU，用2764（8Kb）作为程序存储器，用ADC0809作为仪表的A/D转换器，用LED七段数码显示器来显示机床的运行状态和故障信息，开关量输入24点，输出16点，并有LED指示相应输入、输出的状态，输入、输出及步进电机外控输入信号均设光电隔离。键盘只设功能键，通过控制面板上七个按键和相应的七个电位器可以设置如下的加工工艺参数；毛坯尺寸、精磨量、光磨量、砂轮修整补偿量、终磨尺寸、精磨速度及粗磨速度，使参数设置简便、直观，操作者易于接受和掌握。 　　除上述七个功能键外，还有调零、复位、加工、单步进及单步退等控制按键。对于内磨测量装置，完全靠机械调零，操作十分困难，因此增加一只调零电位器以方便调零操作。
　　2　系统软件的组成
　　软件框图如图2。系统软件可以分为以下两个部分： 　　（1）磨床操作管理程序，就是提供一个人机接口，为操作者提供一个简单方便的使用环境。
　　轴承行业一般为批量加工，启动磨床，机床处于复位状态，每加工一批工件，操作者首先对磨床按前述要求进行调整，设定加工工艺参数等。在加工过程中，有时需干预加工进行，譬如改变工艺参数、人工复位以及故障显示等。根据上述要求，磨床操作管理程序包括接口初始化，初始设置及显示程序、键盘扫描及译码程序，每个功能（控制）键对应相应的键处理程序，完成指定的操作，从而方便了操作者的使用。
　　（2）磨床加工控制程序，当操作者按下加工键，在操作管理程序的控制下，进入磨削加工控制程序。首先依据工艺参数设定判断工件是否超差，若在可加工范围内，磨床转入加工程序，控制磨床完成各工序操作，需要指出，①对于仪表控制，磨削工件尺寸测量是采用相对测量的方法，即根据标准件先确定一个基准面（即零点），方可测量工件相对基准值的偏差，但是在实际磨削过程中，为补偿温度的影响，有时加工偏差（即终磨尺寸）可能要求正值，为此必须通过数据处理以满足实际测量范围-0.8~+0.032mm的要求。②采用软件滤波的方法提高磨削测量的精度，根据磨削工艺的要求，工件轴转速240r/min，ADC0809完成一次转换约100μs，如此每转可检测250次，取四次测量结果的平均值，从而有效地减少了因振动等因素的影响而产生的测量误差。③消除开关抖动的影响而产生的误动作。
　　经改造后的M250磨床，系统稳定可靠，所加工产品的精度有很大提高，同时也使操作更方便。
　　参考文献：
　　[1]孙函芳,徐爱卿.MCS-51/96系列单片机原理及应用[M].北京:航空学院出版社.
　　[2]何立民.MCS-51系列单片机应用系统设计[M].北京:航空航天大学出版社.