专利名称：精密高速珩磨机数控系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种数控系统，尤其涉及一种基于ARM微处理器和ji C/0S-II实时操作系统的精密高速对磨机婆t控系统。
背景技术：
近几年来，制造业越来越普遍的采用对磨技术以提高机械零部件的制 造精度。但我国珩磨机尤其是精密高速珩磨机的制造相对落后。珩磨机主 轴移动控制仍采用机械或液压行程箱控制，结构复杂，控制精度差，往复 换向精度《±5,。不能满足高精度零件制造比如盲孔珩磨的要求。 使用电液比例伺服阅控制珩磨机主轴移动，可很大程度简化绗磨机的机械 结构，提高珩磨机的往复控制精度，是珩磨机制造的最先进技术之一。少 见有用户和厂家利用进口 PLC控制电液比例伺服阀对珩磨机进行技术改 造。但这种改装的珩磨机存在功能简单、成本高、可靠性差、精度提高有 限，往复换向精度《±0. 5mm;人机交互差等诸多缺陷。使得我国精密高 速数控对磨机完全依赖进口 ，但进口衔磨机的价格通常是国产辨磨机价格 的几十倍甚至上百倍。精密高速珩磨机数控系统的空白，影响着我国装备 制造业整体水平的提高，束蜂了珩磨技术的广泛应用。
发明内容
为了解决现有的珩磨机数控系统存在的功能简单、成本高、可靠性差、 精度低的缺点，本发明所要解决的技术问题是提供一种多功能、低成本、 可靠性高、控制精度高的精密高速珩磨机数控系统。 为了解决上述技术问题，根据本发明的一个技术方案，提供一种精密高速
5珩磨机数控系统，包含ARM微处理器、存储器、D/A转换电路、脉冲发生 电路、正交脉冲计数器、多通道A/D转换电路，LCD显示器、控制面板， 其中，
所述ARM微处理器进行数控系统的信息处理和数据运算； 所述存储器存储上述ARM微处理器的程序和数据以及系统运行时的 数据；
LCD显示器将所述ARM微处理器输出的数字信息转换成人类能识别 的字符和图形进行显示；
控制面板接收操作者输入的信息，输出到所述A画微处理器；
其特征在于在所述D/A转换电路的输出端连接电压/电流转换电路， 在所述正交脉冲计数器的输入端分别连接差分/电压转换电路，在所述多 通道A/D转换电路的输入端连接放大电路，在所述A腹微处理器的一个输 入输出口连4妻接口电路；
所述D/A转换电路将数字信号转换成模拟电压信号输出到电压/电 流转换电路；
所述电压/电流转换电路将D/A转换电路输出的电压信号转换成电流 信号，输入到电液比例伺服阀和变频器，作为电液比例伺服阀的控制信号 和变频器的控制信号；
所述脉冲发生电路产生脉冲，分别输出到步进电机驱动器，控制步 进电机工作；
所述差分/电压转换电路接收编码器输出的差分信号，并转换成电 压信号输出到正交脉沖计数器；
所述正交脉冲计数器接收差分/电压转换电路输出的电压信号，将 差分/电压转换电路输出的电压信号转换成位置信号；
所述放大电路接收电压传感器、电流传感器、温度传感器、压力传感器、位移传感器输出的模拟信号，放大后输出到多通道A/D转换电路； 所述多通道A/D转换电路:将放大电路输出的模拟信号转换成数字信
所述接口电路接收ARM微处理器输出的开关信号，输出到继电器和 三向工作台，同时，接口电路接收机床输出的开关信号，输出到ARM微处 理器；
其中，所述存储器、D/A转换电路、脉冲发生电路、正交脉沖计数器、 多通道A/D转换电路设置在ARM微处理器内或A諸微处理器外。
根据本发明所述的精密高速珩磨机数控系统的一个优选方案，所述的 脉冲发生电路采用脉冲宽度调制的P丽脉冲发生器。
根据本发明所述的精密高速珩磨机数控系统的一个优选方案，所述差 分/电压转换电路包括集成电路1135，其中，集成电路U35采用MAX3097芯 片，所述集成电路U35的A端、D离、B端m煞、Z端、"T端分别连接到 编码器的输出端，所述集成电路U35的0UTA端、0UTB端、OUTZ端连接到 所述正交脉冲计数器的输入端。
根据本发明所述的精密高速珩磨机数控系统的一个优选方案，所述 ARM微处理器采用Cortex-M3内核的STM32F10x系列芯片。
根据本发明所述的精密高速珩磨机数控系统的一个优选方案，所述电 压/电流转换电路包括光电耦合器lB8、三极管Q18、 Q19、电阻R45 R50、 运算放大器U2D、 U2C，其中，电阻R50的一端连接到D/A转换电路的一 个输出端，电阻R50的另一端连接到三极管Q19的基极，三极管Q19的发 射极接地，三极管Q19的集电极连接光电耦合器U38的一个输入端，光电 耦合器U38的输出端输出正转控制信号到变频器14;电阻R47的一端连 接到D/A转换电路的一个输出端，电阻R47的另一端连接到运算放大器 U2D的反相输入端，运算放大器U2))的同相输入端通过电阻R49接地，运算放大器U2D的反相输入端和输出端之间连接电阻R46,运算放大器U2D 的输出端连接运算放大器U2C的同相输入端，运算放大器U2C的反相输入 端和三极管Q18的发射极同时通过电阻R45连接电源，运算放大器U2C 的输出端通过电阻R48连接三极管Q18的基极,三极管Q19的集电极输出 转速控制信号到变频器。
本发明所述的精密高速珩磨机数控系统的有益效果是本发明统采用 了具有高速性能和丰富接口的A腿微处理器，具有集成度高，电路结构简
单的特点；采用基于nC/0S-n实时操作系统的应用程序软件，提高了系 统的性能和可靠性；结合珩磨工艺参数的进行菜单式编程，采用人机交互 界面，操作简单，使用方便、直观，能够对珩磨机主轴移动、旋转、两个 进给机构的微步驱动、三向非联动工作台控制、在线检测等多功能控制， 具有功能全、控制精度高的特点，并且价格低廉，非常适合我国机械制造 业使用，具有极大的经济效益和社会效益。
图1是本发明所述的精密高速珩磨机数控系统的电路原理框图。
图2是本发明所述的精密高速珩磨机数控系统的电路接口关系图。
图3是本发明所述的ARM微处理器1的电路原理图。
图4是本发明所述的差分/电压转换电路7的电路原理图。
图5是本发明所述的接口电路8的电路原理图。
图6是本发明所述的电压/电流转换电路21的电路原理子图
图7是本发明所述的放大电路22的电路原理图。
图8是本发明所述的控制面板24的电路原理图。
图9是本发明所迷的第二存储器26的电路原理图。
图10是本发明的LCD显示器23的电路原理图。
图11是本发明所述的RS232接口电路27的电路原理图。
8图12是本发明的A詣微处理器1的主程序流程框图。 图13是本发明的A腹微处理器1的往复移动控制子程序流程框图。 图14是本发明的ARM微处理器1的进给控制子程序流程框图。 图15是本发明的A腿微处理器1的在线检测子程序流程框图。
具体实施例方式
参见图1， 一种精密高速珩磨机数控系统，采用ARMCortex-M3内核 的32位RISC处理器为硬件平台，jaC/OS-II实时操作系统为系统软件平 台；软件为juC/OS-II及以|aC/0S-II系统软件为基础的应用软件；其中，
硬件电路由ARM微处理器1、存储器2A、 2B、 D/A转换电路3A、 3B、 脉冲发生电路4A、 4B、正交脉冲计数器5A、 5B、 5C、多通道A/D转换电 路6、差分/电压转换电路7、接口电路8、隔离转换电路20、电压/电流 转换电路21、放大电路22、电源电路25、第二存储器26、 RS232接口电 路27构成；其中在所述D/A转换电路3A、 3B的输出端连接电压/电流 转换电路21,在所述正交脉冲计数器5A、 5B、 5C的输入端分别连接差分 /电压转换电路7,在所述多通道A/D转换电路6的输入端连接放大电路 22，在所述ARM微处理器1的一个输入输出口连接接口电路8;其中，D/A 转换电路3A、 3B电路结构相同；脉冲发生电路4A、 4B电路结构相同；正 交脉冲计数器5A、 5B、 5C电路结构相同；
所述ARM微处理器1进行数控系统的信息处理和数据运算；
所述存储器2A、 2B存储上述ARM微处理器1的程序和数据以及系统 运行时的数据；
LCD显示器23将所迷ARM微处理器1输出的数字信息转换成人类能 识别的字符和图形进行显示；
控制面板24接收操作者输入的信息，输出到所述ARM微处理器1; 所述D/A转换电路3A、 3B将数字信号转换成模拟电压信号输出到电压/电流转换电路21;
所述电压/电流转换电路21将D/A转换电路3A、 3B输出的电压信号 转换成电流信号，输入到电液比例伺服阀13和变频器14,作为电液比例 伺服阀13的控制信号和变频器14的控制信号；
所述脉冲发生电路4A、4B产生脉冲，分别输出到步进电机驱动器11A、 11B,控制步进电机12A、 12B工作；
所述差分/电压转换电路7接收编码器9A、卯、9C输出的差分信号， 并转换成电压信号输出到正交脉冲计数器5A、 5B、 5C;
所述正交脉冲计数器5A、 5B、 5C接收差分/电压转换电路7输出的电 压信号，将差分/电压转换电路7输出的电压信号转换成位置信号；
所述放大电路22接收电压传感器IOA、电流传感器IOB、温度传感器 IOC、压力传感器IOD、位移传感器10E输出的模拟信号，放大后输出到 多通道A/D转换电3各6;
所述多通道A/D转换电路6将放大电路22输出的模拟信号转换成数
字信号；
所述接口电路8接收ARM微处理器1输出的开关信号，输出到继电器 17和三向工作台19,同时，接口电路8接收机床18输出的开关信号，输 出到ARM微处理器1;
隔离电路20设置在A腹微处理器1和接口电路8之间，进行信号隔
离；
RS232接口电路27连接在ARM微处理器1的一个输入输出口 ，当系 统与其他计算机联机时负责交换数据；
第二存储器26专门用来存储用户输入的数据，将其与系统软件分开 存储可防止用户的误操作损坏系统程序,提高了系统的可靠性;
电源电路25提供各电路单元和继电器17所需电源。参见图2， 一种精密高速珩磨机数控系统，采用ARMCortex-M3内核 的32位RISC处理器为硬件平台，jaC/0S-I1实时操作系统为系统软件平 台；软件为juC/OS-II及以jaC/OS-II系统软件为基础的应用软件；其中，硬件电路由A腹微处理器1、差分/电压转换电路7、接口电路8、隔 离转换电路20、电压/电流转换电路21、放大电路22、电源电路25、第 二存储器26、 RS232接口电路27构成；其中在ARM微处理器1中设置 有存储器2A、 2B、 D/A转换电路3A、 3B、脉冲发生电路4A、 4B、正交脉 冲计数器5A、 5B、 5C、多通道A/D转换电路6;在所述D/A转换电路3A、 3B的输出端连接电压/电流转换电路21，在所述正交脉冲计数器5A、 5B、 5C的输入端分别连接差分/电压转换电路7,在所述多通道A/D转换电路 6的输入端连接放大电路22，在所迷ARM微处理器1的一个输入输出口连 接接口电路8;其中，D/A转换电路3A、 3B电路结构相同；脉沖发生电路 4A、 4B电路结构相同；正交脉沖计数器5A、 5B、 5C电路结构相同；所述A腿微处理器1进行数控系统的信息处理和数据运算；所述存储器2A、 2B存储上述ARM微处理器1的程序和数据以及系统 运行时的数据；LCD显示器23将所述ARM微处理器1输出的数字信息转换成人类能 识别的字符和图形进行显示；控制面板24接收操作者输入的信息，输出到所述A腿微处理器1;所述D/A转换电路3A、 3B将数字信号转换成模拟电压信号输出到电 压/电流转换电路21;所述电压/电流转换电路21将D/A转换电路3A、 3B输出的电压信号 转换成电流信号，输入到电液比例伺服阀13和变频器14,作为电液比例 伺服阀13的控制信号和变频器14的控制信号；所述脉冲发生电路4A、 4B产生脉冲，分别输出到步进电机驱动器1U、iiIIB，控制步进电机12A、 12B工作；所述差分/电压转换电路7接收编码器9A、 9B、 9C输出的差分信号， 并转换成电压信号输出到正交脉冲计数器5A、 5B、 5C;所述正交脉冲计数器5A、 5B、 5C接收差分/电压转换电路7输出的电 压信号，将差分/电压转换电路7输出的电压信号转换成位置信号；所述放大电路22接收电压传感器IOA、电流传感器IOB、温度传感器 IOC、压力传感器IOD、位移传感器IOE输出的模拟信号，放大后输出到 多通道A/D转换电路6;所述多通道A/D转换电路6将放大电路22输出的模拟信号转换成数字信号；所述接口电路8接收ARM微处理器1输出的开关信号，输出到继电器 17和三向工作台19,同时，接口电路8接收机床18输出的开关信号，输 出到A腿《效处理器1;隔离电路20设置在A腿微处理器1和接口电路8之间，进行信号隔离；RS232接口电路27连接在A腹微处理器1的一个输入输出口 ，当系 统与其他计算机联机时负责交换数椐；第二存储器26同时与控制面板24的输出端和ARM微处理器1的输入 端连接，专门用来存储用户输入的数据，将其与系统软件分开存储可防止 用户的误才喿作损坏系统程序，提高了系统的可靠性；电源电路25提供各电路单元和继电器17所需电源。参见图3,在本实施例中，所述ARM微处理器1采用Cortex-M3内核 的STM32F10x系列芯片；如采用A腿Cortex-M3内核的32位RISC处理 器芯片STM32F103ZE,同时，在A眼微处理器1中设置有图12至图15的 程序。在本实施例中，所述的脉冲发生电路4A、 4B采用脉冲宽度调制的P丽 脉冲发生器。参见图4，在本实施例中，所述差分/电压转换电路由集成电路U35、 U36、 U37,电容C17、 C18、 C19构成，其中，、采U36、 U37均采用用MAX3097 芯片，所述集成电路U35的A端、A端、B端、B端、Z端、Z端分别连接 到编码器9A的输出端，所述MAX3097芯片的0UTA端、OUTB端、OUTZ端 连接到所述正交脉沖计数器5A的输入端；所述集成电路U36、 U37与编码 器和正交脉冲计数器的连接关系同集成电路U35，不累述。参见图5,图5是本发明所述的接口电路8的电路原理图。所述接 口电路8由光电耦合器IB U34、开关管Q1 Q16、电阻R8 R39构成。参见图6，图6是本发明所述的电压/电流转换电路21的电路原理图， 所述电压/电流转换电路21由光电耦合器U38、 U39、三极管Q17 Q20、 电阻R40 R51、运算放大器U2A、 U2B、 U2C 、 U2D构成，其中，电阻R50 的一端连接到D/A转换电路的一个输出端，电阻R50的另一端连接到三极 管Q19的基极，三极管Q19的发射极接地，三极管Q19的集电极连接光电 耦合器U38的一个输入端，光电耦合器U38的输出端输出正转控制信号到 变频器14;电阻R47的一端连接到D/A转换电路的一个输出端，电阻R47 的另一端连接到运算放大器U2D的反相输入端，运算放大器U2D的同相输 入端通过电阻R49接地，运算放大器U2D的反相输入端和输出端之间连接 电阻R46，运算放大器U2D的输出端连接运算放大器U2C的同相输入端， 运算放大器U2C的反相输入端和三极管Q18的发射极同时通过电阻R45 连接电源，运算放大器U2C的输出端通过电阻R48连接三极管Qi8的基极， 三极管Q19的集电极输出变频器14的转速控制信号到变频器14。另外， 变频器14的反转控制信号产生的电路原理同正转控制信号产生的电路原 理，不累述；电液比例伺服阀13的控制信号产生的电路原理同变频器14的转速控制信号产生的电路原理，不累述。参见图7，图7是本发明所述的放大电路22的电路原理图。所述放大 电路22有运算放大集成电路U45A、 U45B、 U46A、 U46B、 U47A、 U47B、电 阻R56 R62构成。参见图8，图8是本发明所述的控制面板24的电路原理图。所迷的 控制面板24的包括集成电路U48、按键S1 S64。图9是本发明所述的第二存储器26的电路原理图。所述的第二存储器 26包括集成电路U41，集成电路U41可以采用EEPRAM 2札C256芯片。 图IO是本发明的LCD显示器23的电路原理图。 图11是本发明所述的RS232接口电路27的电路原理图。 本发明的对磨机数控系统，主轴移动及双进给机构的运动均采用闭环 控制；三个16位的正交脉冲计数器5A、 513、 5C与三个编码器9A、 9B、 9C一起构成三个位置标尺；三个编码器9A、 9B、 9C分别与主轴移动机构 和珩磨机28的两个进给机构相连。机床的电压传感器IOA、电流传感器 IOB、温度传感器IOC、压力传感器IOD、位移传感器IOE输出的模拟信号 经过放大、A/D转换后输入到A薩微处理器1,并且ARM微处理器1接收 控制面板24输出的用户操作指令，执行相应的数控加工程序，并对用户 输入的加工信息和多通道A/D转换电路6输出的数字信号进行处理，并产 生数字控制信号，数字控制信号经D/A转换电路3A、 3B转换成模拟信号 输出至电液比例伺服阀13及变频器14，进而控制电液比例伺服阀13驱 动油缸15往复运动以及控制变频器14驱动对磨机28的主轴电机14旋转； 同时，数字控制信号亦可经脉冲发生电路4A、 4B转换成脉冲信号输出至 步进电^L驱动器11A、 IIB，控制步进电机12A、 12B驱动进给才几构；主轴 移动和进给机构运动的速度及位置分別由编码器9A、 9B、 9C采集，经由 差分/电压转换电路7处理后输出给正交脉冲计数器5A、 5B、 5C,进而反馈给ARM微处理器l,构成闭环控制；A腹微处理器1周期性的读取主轴 和进给机构的位置数据，计算当前速度与位置与指令速度与位置之差，通 过数字PID程序处理，输出精确的修正信号，保证控制的精确。数字控制 信号经隔离转换电路20转换后输出至接口电路8，A腹微处理器1通过接 口电路8接受机床17输出的开关信号，ARM微处理器1通过接口电路8 控制继电器17及三向工作台19动作。使用该系统结合电液比例伺服阀、变频电机、步进电机微进给技术、 编码器、位移传感器等可以实现对辨磨机主轴移动、4t转、两个进给机构 的微步驱动、三向非联动工作台控制、在线检测等多功能控制。在主轴移 动速度《25m/min时，其往复换向4青度可达到《± 0. 05,;在对亍磨头锥芯 锥度为1: 10时，其最小进给量为0. ly咖。锥度为1: 50时，其最小进 给量为0. 02 jluh。
权利要求
1、一种精密高速珩磨机数控系统，包含ARM微处理器(1)、存储器(2A、2B)、D/A转换电路(3A、3B)、脉冲发生电路(4A、4B)、正交脉冲计数器(5A、5B、5C)、多通道A/D转换电路(6)，LCD显示器(23)、控制面板(24)，其中，所述ARM微处理器(1)进行数控系统的信息处理和数据运算；所述存储器(2A、2B)存储上述ARM微处理器(1)的程序和数据以及系统运行时的数据；LCD显示器(23)将所述ARM微处理器(1)输出的数字信息转换成人类能识别的字符和图形进行显示；控制面板(24)接收操作者输入的信息，输出到所述ARM微处理器(1)；其特征在于在所述D/A转换电路(3A、3B)的输出端连接电压/电流转换电路(21)，在所述正交脉冲计数器(5A、5B、5C)的输入端分别连接差分/电压转换电路(7)，在所述多通道A/D转换电路(6)的输入端连接放大电路(22)，在所述ARM微处理器(1)的一个输入输出口连接接口电路(8)；所述D/A转换电路(3A、3B)将数字信号转换成模拟电压信号输出到电压/电流转换电路(21)；所述电压/电流转换电路(21)将D/A转换电路(3A、3B)输出的电压信号转换成电流信号，输入到电液比例伺服阀(13)和变频器(14)，作为电液比例伺服阀(13)的控制信号和变频器(14)的控制信号；所述脉冲发生电路(4A、4B)产生脉冲，分别输出到步进电机驱动器(11A、11B)，控制步进电机(12A、12B)工作；所述差分/电压转换电路(7)接收编码器(9A、9B、9C)输出的差分信号，并转换成电压信号输出到正交脉冲计数器(5A、5B、5C)；所述正交脉冲计数器(5A、5B、5C)接收差分/电压转换电路(7)输出的电压信号，将差分/电压转换电路(7)输出的电压信号转换成位置信号；所述放大电路(22)接收电压传感器(10A)、电流传感器(10B)、温度传感器(10C)、压力传感器(10D)、位移传感器(10E)输出的模拟信号，放大后输出到多通道A/D转换电路(6)；所述多通道A/D转换电路(6)将放大电路(22)输出的模拟信号转换成数字信号；所述接口电路(8)接收ARM微处理器(1)输出的开关信号，输出到继电器(17)和三向工作台(19)，同时，接口电路(8)接收机床(18)输出的开关信号，输出到ARM微处理器(1)；其中，所述存储器(2A、2B)、D/A转换电路(3A、3B)、脉冲发生电路(4A、4B)、正交脉冲计数器(5A、5B、5C)、多通道A/D转换电路(6)设置在ARM微处理器(1)内或ARM微处理器(1)外。
2、 根据权利要求1所述的精密高速珩磨机数控系统，其特征在于 所述的脉冲发生电路(4A、 4B)采用脉冲宽度调制的P觀脉沖发生器。
3、 根据权利要求2所述的精密高速珩磨机数控系统，其特征在于所 述差分/电压转换电路包括集成电路U35，其中，集成电路U35采用MAX3097 芯片，所述集成电路U35的A端、1端、B端、"H离、Z端、Y"為分别连接 到编码器(9A)的输出端，所迷集成电路U35的0UTA端、0UTB端、OUTZ 端连接到所述正交脉冲计数器(5A)的输入端。
4、 根据权利要求1、 2或3所述的精密高速辨磨机数控系统，其特征 在于所述ARM微处理器(1)采用Cortex-M3内核的STM32F10x系列芯片。
5、根据权利要求4所述的精密高速祈磨机数控系统，其特征在于所 述电压/电流转换电路(21)包括光电耦合器(U38)、三极管(Q18、 Q19)、 电阻(R45 R50)、运算放大器(U2D、 U2C),其中，电阻(R50)的一端 连接到D/A转换电路的一个输出端，电阻(R50)的另一端连接到三极管(Q19)的基极，三极管(Q19)的发射极接地，三极管(Qi9)的集电极 连接光电耦合器(1)38)的一个输入端，光电耦合器(U38)的输出端输出 正转控制信号到变频器(14 );电阻(R47 )的一端连接到D/A转换电路的 一个输出端，电阻(R47 )的另一端连接到运算放大器(U2D)的反相输入 端，运算放大器(U2D)的同相输入端通过电阻(R49)接地，运算放大器(U2D)的反相输入端和输出端之间连接电阻(R46)，运算放大器(U2D) 的输出端连接运算放大器(U2C)的同相输入端，运算放大器(U2C)的反 相输入端和三极管(Q18)的发射极同时通过电阻(R45)连接电源，运算 放大器(U2C)的输出端通过电阻连接三极管(Q18)的基极，三 极管(Q19)的集电极输出转速控制信号到变频器(14)。
全文摘要
本发明提供一种精密高速珩磨机数控系统，包含ARM微处理器、存储器、D/A转换电路、脉冲发生电路、正交脉冲计数器、多通道A/D转换电路，LCD显示器、控制面板，其特征在于在所述D/A转换电路的输出端连接电压/电流转换电路，在所述正交脉冲计数器的输入端分别连接差分/电压转换电路，在所述多通道A/D转换电路的输入端连接放大电路，在所述ARM微处理器的一个输入输出口连接接口电路；本发明统采用人机交互界面，操作简单，使用方便、直观，能够对珩磨机主轴移动、旋转、两个进给机构的微步驱动、三向非联动工作台控制、在线检测等多功能控制，具有功能全、控制精度高的特点，并且价格低廉，非常适合我国机械制造业使用。
文档编号G05B19/414GK101530981SQ200910103540
公开日2009年9月16日 申请日期2009年4月7日 优先权日2009年4月7日
发明者军 易 申请人:重庆韦一机械制造有限公司