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(tǒng)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(tǒng)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(chǎn)準備時間，包括靠模樣板制作和機床的調(diào)整［2-3］。隨著汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展以及企業(yè)產(chǎn)品的多樣化，這種傳統(tǒng)的加工方法已經(jīng)不能滿足生產(chǎn)需要。通用數(shù)控系統(tǒng)雖然能夠滿足產(chǎn)品的精度要求，但其功能多樣，導(dǎo)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(shù)控系統(tǒng)并不能實現(xiàn)。

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(chǎn)中不可缺少的部分。文中所設(shè)計的專用數(shù)控系統(tǒng)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(shù)，因此專用數(shù)控系統(tǒng)通過用戶在控制面板輸入的幾個主要參數(shù)就可以進行加工，這樣省去了通用數(shù)控系統(tǒng)對軌跡編程所需要的時間，可以很好地解決傳統(tǒng)加工方法精度差和通用數(shù)控系統(tǒng)效率低等不足。

1 數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)圖

由圖1 可知作為該系統(tǒng)的核心——單片機C8051F020 的作用尤為重要，其主要任務(wù)是負責與上位機通信、伺服驅(qū)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(fā)送相應(yīng)坐標點和控制信號。單片機接到串口發(fā)來的信號，做出相應(yīng)的反應(yīng)，通過I/O 模塊將命令發(fā)送出去。數(shù)控系統(tǒng)的反饋環(huán)節(jié)由伺服系統(tǒng)自身完成，單片機發(fā)送的信號通過驅(qū)動電路控制伺服驅(qū)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(qū)動器與參考輸入位置進行比較，PID 調(diào)節(jié)器根據(jù)位置誤差信號，控制電機正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，從而將電機位置保持在希望的參考位置上。因此該數(shù)控系統(tǒng)是半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。

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(shù)字I/O 引腳。該芯片有如下特點:

(1)具有流水型結(jié)構(gòu)的CIP-51 內(nèi)核，與8051 單片機完全兼容，速度可達25 MIPs。

(2)片內(nèi)含有全速非入侵式系統(tǒng)調(diào)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(guān)。

(4)雙12 位DAC 轉(zhuǎn)換通道，可以通過編程更新時序。

(5)硬件實現(xiàn)SPI、SMBus/I2C 和兩個高速串口。

(6)片內(nèi)看門狗，Vdd 監(jiān)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(shù)控系統(tǒng)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(qū)動電路設(shè)計

該系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)采用了施耐德公司的交流伺服系統(tǒng)，其控制器Lexium23 是開放型伺服驅(qū)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(shè)計中，采用了位置模式，并通過參數(shù)設(shè)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(wěn)定、可輸入最大脈沖數(shù)大等優(yōu)點。其電路連接如圖2所示。

圖2 伺服驅(qū)動模塊電路圖

1.3 串口通信電路設(shè)計

針對上下位機傳送的數(shù)據(jù)量較小及速度較慢，通信電路作者選用應(yīng)用已經(jīng)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(tǒng)51 單片機的12倍左右。通信參數(shù)由上位機設(shè)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(qū)動器和接收器和電平轉(zhuǎn)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(shè)計

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

圖4 上位機程序流程圖

2.1 上位機串口通信設(shè)計

在上一部分提到串口通信參數(shù)在上位機軟件里面設(shè)置。上位機軟件設(shè)計采用C 語言。通過MFC 中ActiveX 模塊中的MSComm 控件來實現(xiàn)串口搭建，計算機要與單片機實現(xiàn)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(shè)置為相同值。發(fā)送數(shù)據(jù)格式為8 位數(shù)據(jù)位、1 位停止位。采用中斷處理方式傳輸。串口設(shè)置初始化程序代碼如下:

2.2 上位機粗插補程序設(shè)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(shù)方程為:

其中:a為基圓半徑，t為參數(shù)。

設(shè)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(shù)，去計算弦AB的長度。由漸開線參數(shù)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(shù)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(shù)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(chǎn)生累積誤差，可以保證了插補精度。

2.3 人機交互界面設(shè)計

設(shè)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(fā)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(jié)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(shù)(度數(shù)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(cè)輪廓測量完成后，轉(zhuǎn)過180°測量另一側(cè)。

通過對汽車制動凸輪軸專用數(shù)控系統(tǒng)的測試，可以得到如下結(jié)論:文中所設(shè)計的利用單片機與計算機組成的專用數(shù)控系統(tǒng)能夠滿足汽車制動凸輪軸的加工精度要求。數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)過長時間實驗運行，能夠穩(wěn)定、出色地完成加工任務(wù)。實驗結(jié)果表明:所設(shè)計的制動凸輪軸專用數(shù)控系統(tǒng)可以應(yīng)用于實際生產(chǎn)中并推廣使用。

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