丝杆驱动式无卡轴旋切机变速进给系统的研究

丝杆驱动式无卡轴旋切机变速进给系统的研究

无卡盘旋转机的技术进步对整个系统的技术性能至关重要。目前实现变速进给的常用技术方式有液压驱动式和丝杆驱动式2种。较具市场生命力的是后一种。丝杆驱动式无卡轴旋切机常采用电磁调速电动机作为动力元件拖动丝杆驱动进给，进给轨迹是直线燕尾槽型。进给行程中，要求电动机转速变化的理论计算公式是：ω=khd(r/min)。式中h是单板切屑厚度(mm)，一般h=0.3～3.7mm;d是原木切削外径(mm);k是与设备主轴转速等旋切参量有关的转速因子(r/min)。从上式可以看出，转速ω是随着原木切削外径d的逐渐减小而变加速递增的，而且变加速曲线因切屑厚度h的不同而不同。因此，能够满足该进给转速变化规律的机械结构是极其复杂的。本文针对这种设备，提出一套智能数控系统，用以实现设备的高度智能化，并对系统的硬件、软件技术要点进行了说明。1d/a转换电路一般情况下，电磁调速电动机的实际调速范围为0～1320r/min（采用调速控制器手动调速）。本系统是对普通调速控制器进行简易改造，实现外部信号自动控制调速的。若选用0～5V模拟直流电压信号，则信号—转速的映射关系为0～5V0～1320r/min，转速电压比为每mV0.264r/min。实践表明，选用12位电压输出的D/A转换器TLC5618CD产生0～5V直流电压信号，其精度和稳定性可满足设备加工质量要求。相应的数字—信号—转速的映射关系为：0～0FFFH0～1320r/min，每1LSB数字量对应的转速变化量为0.322r/min，这样就将转速控制转化成数字控制。采用高性价比的PIC16C74微处理器，配合先进的位移传感器，自动完成原木切削外径的检测。依据用户从键盘输入的不同切屑厚度数值,根据转速理论计算公式即可快速完成数值计算，得到转速实时控制数值，实现了无卡轴旋切机的高度自动化、数控化。2系统硬件结构2.1usb对话模块的设计系统硬件原理图如图1所示。本系统以PIC16C74单片机为核心，主要包括6个部分：位移传感器原木切削外径检测部分、具有内部弱上拉的B口(B7～B0引脚)人机对话按键阵列、并行从动口D口的低4位(D3～D0引脚)的数据总线和用8421码译码驱动器CD4056等构成的数码显示部分、E口(E2～E0引脚)为控制口和光耦隔离的继电器执行部分、通过SPI接口(SCK、SDO、SDI引脚)和TLC5618D/A转换器构成的转速控制信号传递部分以及由可编程非易失性器件X25045构成的记忆电路部分。2.2prom、妇人数字调码与sclpPIC16C74是美国Microchip公司生产的低功耗、高性能、CMOS、全静态、8位EPROM微处理器，具有先进的RISC指令结构(共有35条精减指令)和指令总线与数据总线分离的哈佛结构，可容纳14位指令和8位数据。二级指令线使其与其它类型8位微处理器相比，可达到2:1的代码压缩且速度提高4倍。片内自带4KB的EPROM和192B的RAM及33个I/O口，8级堆栈，多个内部及外部中断源。此外还包括3个定时器/计数器、2个捕捉/比较/PWM模块、2个串行口和8通道高速A/D及1个8位并行从动口等。TLC5618是带有缓冲基准输入(高阻抗)的双路12位电压输出D/A转换器，其输出电压范围为基准电压的2倍，且输出是单调变化的。用5V单电源工作，器件包含上电复位功能以确保可重复启动。通过CMOS兼容的3线串行总线可对TLC5618实现数字控制。器件接收用于编程的16位字产生模拟输出；数字输入端的特点是带有斯密特触发器，具有高噪声抑制能力；数字通信协议包括SPITM、OSPITM和MicrowireTM标准；可编程的0.5LSB的建立时间为3μs或15μs；实现1.21MHz的输入数据更新速率。当片选为低电平时，输入数据由时钟定时并以最高有效位在前的方式读入16位移位寄存器。SCLK输入的下降沿把数据移入输入寄存器，然后的上升沿把数据送到D/A转换寄存器。所有的跳变都发生在SCLK输入为低电平时。16位数据以图2所示的顺序传递。表1为可编程D15～D12的功能。2.3tlc5618光催化器和控制环系统的可靠性措施为：(1)PIC16C74的复位引脚采用廉价的降压保护电路。无论何时，当VDD低于4V时，对3.3V的齐纳管都可产生复位脉冲。(2)对悬空的数字引脚均通过100Ω的电阻接地。(3)驱动继电器的线圈与感性负载的场合，I/O口均采用光耦隔离，并在线圈二端并接额定电流大于回路电流的旁路二极管。(4)采用LM336-2.5模块产生2.5V精密电压基准，以进一步确保TLC5618的单调输出。(5)使用分离的模拟和数字地平面的印制电路板提供最佳的系统性能。(6)在VDD与AGND之间必须连接0.1μF陶瓷电容，且必须用短的引线安装在尽可能靠近器件的地方。(7)使用铁氧体环进一步隔离系统模拟与数字电路。（8）使用绞合屏蔽线或双股屏蔽线，对模拟信号传输靠近调速控制器一端的屏蔽网线连接到调速器金属屏蔽外壳；靠近TLC5618器件一端的屏蔽网线用绝缘胶带缠包起来,切勿与其它信号及设备外壳接触，以避免耦合其它途径的干扰串入。采取以上措施后，系统即使在十分恶劣的木工加工工作环境下，也能稳定可靠地工作。3软件系统3.1slep指令稳定性本系统对硬件的编程要点：通过配置位激活片内看门狗定时器，以提高系统自恢复能力；采用指令冗余技术，使系统软件运行更加稳定可靠；CPU在A/D转换开始前执行Sleep指令，消除了所有的数字开关噪声，提高了转换精度；应用内部定时器中断源编程，方便地解决了转速数值的精确定时传送；应用外部中断源编程，以提高设备运行的实时响应性能；对关键实时数据掉电非易失性保护，大大提高了系统的记忆功能。优化的编程，快速的数据检测处理能力，使系统的智能程度得到很大提高。3.2spi接口通信编程PIC16C74与TLC5618的SPI接口通信程