摘要：本文采用在工控领域应用日益广泛的ARM控制器，设计一套数控砂轮修形控制系统。系统可实现自动加工、手动加工、坐标显示等功能。通过键盘模块可进行功能切换及参数输入；通过显示模块可同步更新坐标、运行状态、以及相关提示信息；控制信号的输入、输出采用光耦隔离的方法，提高抗干扰能力；控制器部分则为基于ARM内核的32位控制芯片，运行速度较快。其内部集成众多功能模块，且厂家提供了相关的库文件，大大简化了系统设计。
1.引言
数控式砂轮修形机是特种数控机床之一，数控机床综合了当今世界上许多领域最新的技术成果。主要包括精密机械、计算机及信息处理、自动控制及伺服驱动、精密检测及传感、网络通信等技术。数控机床的发展是制造技术发展的结果，也是机床自动化技术，特别是以数控系统为代表的新技术对传统机械制造产业的渗透而形成的机电一体化产品的结晶。
数控式砂轮修型机一般由控制介质、数控装置、伺服系统、测量反馈装置和机床主机五部分组成。控制介质：加工时，所需的各种控制信息要靠某种中间载体携带和传输，这种载体称作“控制介质”。计算机数控装置：数控装置（简称CNC）是机床的核心部件，是控制机床各种运动的微型计算机。伺服系统：伺服系统是数控装置与机床的连接环节。其作用是将数控装置发出的脉冲信号转换成机床运动部件的运动。测量反馈装置：测量反馈装置可以包括在伺服系统中，它由检测元件和相应的电路组成。机床主机：主机包括床身、主轴箱、导轨、进给机构、工作台、刀架和一些辅助装置等机械部件。
2.系统方案设计
2.1 总体设计框图
根据砂轮修形器在修形过程中砂轮绕固定轴旋转，金刚笔在平面内做二维运动的特点，可将该控制系统抽象为对X轴、Z轴电机的控制，以实现两轴联动，并通过传动系统带动金刚笔做二维运动，从而在砂轮旋转工程中对砂轮进行磨削，实现对各种形面砂轮的修形。因此提出系统总体设计框图。如图1
图1 系统总体设计框图
2.2控制系统设计
控制系统要实现圆弧加工、平面加工、点动加工功能。选择STM32F103VET6芯片作为控制芯片，系统硬件电路主要包括控制器的复位与时钟电路、按键电路、电源电路、液晶显示接口电路、电机驱动接口电路及限位开关接口。每块电路通过与控制器的连接组合，实现其各自的功能。
图2 控制系统的总体设计框图
2.3系统软件设计
软件部分主要实现主控程序、显示程序、按键程序、参数输入程序、圆弧插补算法等。目前STM32芯片的开发主要运用C语言，基于寄存器或STM32官方提供的固件库进行开发。本次软件设计是基于STM32固件库3.5版进行开发。
主程序首先是在程序开始之后对控制器端口以及一些全局变量的的初始化，然后进入循环的状态。该循环不断地查询是否有按键按下或发生限位中断，如果有则进入相关的程序段执行。
2.4机械部分设计
机械部分内容为XYZ三维运动实验平台设计。该平台可看做是由XY二维运动平台与固定于支架的Z轴组合而成。其中工件安装于XY平台，Z轴可加装实验模块。本次只针对负载相对较大的X轴进行相关设计，其余两轴的具体结构与其相同。主要包括传动方案选择，工作台结构和零部件型号确定。
（1）根据工作平台的要求，工作平台传动方案选择滚珠丝杠螺母传动。滚珠丝杠就具有螺旋滚道的丝杠和螺母间充满滚珠。这些滚珠作为中间传动件，在螺母闭合的回路中循环滚动，使丝杠螺母副的运动由滑动变成滚动，以减小摩擦。滚珠丝杠的传动效率很高，当双螺母预紧后，轴向刚度好，传动副爬行小，具有较高的定位精度，启动转矩小，传动灵敏，同步性好。
（2）根据工作平台移动均匀、运动灵敏及定位精度高的要求，选择导轨类型为滚动导轨。由于工作台载荷不大，速度低，步进电机启动频繁，根据上述各自的优缺点，这里设计选择滚动轴承。
（3）丝杠支承是丝杠结构中重要的组成部分。它的结构形式和安排布置对传动精度影响很大。因此，支撑结构必需保证丝杠在其旋转时不会产生过大的轴向和径向跳动，采用一端双向固定，而另一端为游动的支承方式。
（4）控制电机应根据转矩、位移速度、理论定位精度、工作行程和载荷大小来确定。由于我们设计的工作平台速度低，要求也不高，所以，这里我们选择步进电机作为驱动电机。
3.结论
本设计是基于ARM的数控砂轮修形控制系统，主要包含控制模块、按键模块、显示模块。可通过按键实现自动加工、手动加工功能切换，同时相关状态信息、坐标信息、提示信息可同步显示。另外还添加了限位保护功能及急停功能，基本完整的一台数控设备。最后已通过反复调试，使得硬件电路工作稳定，软件设计成熟，加工精度满足要求。该控制系统结构精简，价格便宜，具备一定的应用前景。
参考文献：
[1]付建忠.基于ARM的嵌入式数控系统研究.硕士学位论文.浙江.浙江大学.2005
[2]陈珩.砂轮修形机二维工作台设计及其控制系统研究.硕士学位论文.武汉：武汉理工大学，2009
[3]张润孝，张国平.高精度 SX 系列数控砂轮修形系统.工具技术，1997.
基金资助：大学生创新创业基金（201510702021）
论文作者:王佳,蒋志毅,康霄沛,马腾,赵鹏飞,曹彭杰
论文发表刊物:《基层建设》2017年第19期
论文发表时间:2017/11/8
标签：砂轮论文; 数控论文; 控制系统论文; 电路论文; 装置论文; 滚珠论文; 螺母论文; 《基层建设》2017年第19期论文;