基於DSP TMS320F240微處理器實現車牀多功能化的改造設計

在我國，經濟型車牀因其價廉而得到廣泛的應用。在數控化改造過程中，常使用的是單片機系統，如MCS-51系列單片機作為控制核心，控制系統的速度和精度因CPU的性能影響都不夠高，改造後的功能也僅僅是單一數控車牀而已。在實踐中採用了DSPTMS320F240微處理器作為數控系統的控制核心，提高了伺服系統控制的速度、穩定性、精度等性能，同時，實現了經濟車牀可進行車、銑、削等加工的多功能綜合性數控改造。

1.經濟型車牀的多功能化改造

以改造經濟型車牀C616A為例，車牀結構參見圖1所示。

圖1C616A車牀結構示意圖

具體方法是：與普通數控車牀改造的不同在於：將原來車牀刀架（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牀中心線等高且垂直（也可轉動900與車牀中心線平行）。動力銑頭由單獨的電動機進行控制。更換動力銑頭為車牀刀架（或電動刀架），即與普通數控車牀相同。車牀縱向（Z向）、車牀橫向（X向）運動由第1套二軸聯動的數控主系統進行控制。

在C616A車牀主軸箱的Ⅺ軸左端部位，拆除原車牀中連接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向步進電機技術參數相同，t＝5mm，位移控制精度為0．005mm）為Y向步進電機與FWl60型萬能分度頭輸入蝸桿連接，因此，可以實現車牀主軸Ⅵ的旋轉控制（此時使車牀主軸Ⅵ處於空擋位置）。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，就可恢復普通車牀原主軸箱與進給運動的傳動連接。主軸的旋轉運動即由第2套二軸聯動的數控子系統進行控制。該數控子系統由數控主系統的發信指令控制啓動運行。2套數控系統最好相同，以方便加工編程和數控加工的同步進行。

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向步進電機轉動1轉，帶動分度頭主軸轉動1／40轉，Y向步進電機轉動40轉，可帶動分度頭主軸轉動1轉。而由車牀主軸傳動系統（見圖1）可知，分度頭主軸轉動1轉，帶動車牀主軸轉動1轉。

在數控車牀X向的運行控制中，X向步進電機與橫向滾珠絲槓直接連接，當給定t＝5mm的運行長度時，滾珠絲槓轉動1轉，X向步進電機也轉動1轉。當給定Y向運行長度Ly＝5×40＝200mm時，可以控制Y向步進電機轉動40轉，即控制車牀主軸轉動1轉，以實現對工件的旋轉控制。另外，從《機修手冊》查得，C616A車牀主軸傳動鏈中，可調整離合器彈簧的鬆緊以得到不同的極限壓力傳遞切削動力。

經上述改造後的C616A車牀，具有三座標聯動和任意2套二座標聯動的功能。

2控制系統的改造

控制系統的核心採用美國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內核和豐富的微控制器外設功能，已成為MCS-51等傳統的微控制系統和昂貴的多片設計的一種廉價的替代產品。與其他方案相比，它不但具有高速信號處理和數字控制功能，而且為步進電機和其他電機控制應用提供了單片解決方案所必需的外圍設備。

2.1DSPTMS320F控制系統的實現

DSPTMS320F240主要由CPU（20MIPS的高速運算能力）、544×16的片內RAM、16K×16FLASHEEPROM、事件管理器、片內外圍接口模塊（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脈寬調製輸出，2路10位8通道A/D轉換器、SPI和SCI：同步串行外設接口、看門狗（WATCHDOG）與實時中斷定時器（RTI）。由於數控系統高速度和高精度的要求，選用12bits串行D/A轉換器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，採用12bits並行A/D轉換器，採集受控對象的輸出並傳送給F240，F240根據控制算法實時準確地修正控制輸入。

由於TMS320F240的內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，數據存儲器擴展為64K×16的FLASHROM存放系統程序。用DSPTMS320F240實現的C616A車牀控制系統結構框圖如圖2所示，整個車牀的DSP硬件路結構原理圖如圖3所示

圖2DSP控制系統結構框圖

圖3DSP車牀控制系統硬件原理框圖

2.2車銑多功能加工的數控原理

經過上述的數控改造後，數控主系統可以控制Z向、X向運動的運行；也可以與數控子系統串聯，同時實現控制與Y向運動的聯動運行（數控子系統Y向由數控主系統的發信指令控制啓動運行）。數控主系統與子系統的聯動加工流程控制如圖4所示。

圖4主、子數控系統聯動加工流程圖

3結束語

採用該方法對我院數控中心的經濟型車牀C616A進行了改造，實現了在一個車牀上可以進行一定的數控車、銑、削等多功能的加工。可以進行的加工主要有：軸類零件上的等分或不等分平面；軸類零件上的各類鍵槽；銑削加工絲槓；銑削軸類零件端面的溝槽及凸輪型面；車削加工軸類零件；拋磨加工軸類零件。另外，DSP系統的優良性能保證了數控伺服系統控制的高精度、高穩定性、高速度，實踐證明，大大提高了零件加工的精度，拓展了數控車牀的加工範圍和質量，具有很強的實用性。

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