數控機床（chuáng）

        摘 要: 針對普通（tōng）車（chē）床刀架換刀時需要人工（gōng）手動操作、換（huàn）刀時間長（zhǎng）的（de）工作情況，選（xuǎn） 用STC12C2052 單片（piàn）機（jī）作為控製器件，設計了一套刀架控製係統，實現了普通車（chē）床刀架的自動換刀，節省了換刀（dāo）的時間，提高了（le）普通車床的加（jiā）工（gōng）效率。同時，針對電動刀架在數控機床上通過數控係統控製和本係統中單片機控製的不同（tóng）情況，從安全的角度出發，在設計中增加了相（xiàng）應的換（huàn）刀功（gōng）能允許按（àn）鍵及狀態信息顯示，提高了係統的安全性及可靠性。
   
       關鍵詞: 刀架; 普通車床; 數控化改造
   
       0 引言
   
       目前數控（kòng）機床是機械加工行業的主流設備，但普通車床由於其價格較低，且（qiě）對於簡單零件的加工也足以勝任，因（yīn）此，在機械加工行業中仍然得到廣泛（fàn）的應用。普通車床的刀架在換刀（dāo）是（shì）手動完成的，速（sù）度（dù）慢，效率低。數控刀架（jià）是針對數控機床設計的，用數控係統進行控製，不（bú）適用於普通車床。本文以單片機 STC12C2052 為核心器件，設計（jì）了控（kòng）製係統，將數控刀架安裝在（zài）普通車床上，使普通車（chē）床的刀架能夠實現自動換（huàn）刀，節省了換刀時間（jiān），提高（gāo）了車床的整體效率，而且整套係統的成本也很低（dī）。
 
      1 、硬件設計及相關說明
 
      1．1 控製器件 STC12C2052
 
      由於設計針對的是普通（tōng）機床的（de）刀架改造，控製係統將在條（tiáo）件較差（chà）的生產加工現場使（shǐ）用，因此，控製器（qì）件選用了具有超強抗幹擾能力的單片機 STC12C2052。該（gāi）單片機具有高（gāo）速、高抗幹擾能力、加密性好等（děng）特點。其主要性能如
下［1］:
 
1) 高速: 速度比普通 8051 快 12 倍。
2) 超強抗幹（gàn）擾能力（lì）: 高抗靜電; 2．4 V～ 5．5 V 的寬工
作電壓，不怕電源抖動; 具有－40 ℃ ～ 85 ℃ 的工作溫度範
圍; I/O 口經過特殊處（chù）理。
3) 係統可編程，無需編程器。
4) DIP20 封（fēng）裝（zhuāng），具有 15 個 I/O 口，體積小。
5) 先（xiān）進的 ＲISC 精簡指（zhǐ）令集結構，兼容普通 8051 指
令集。
 
      1．2 LD4 四工位電動刀架電路

      常（cháng）用（yòng）的數控機床 LD4 型四工位電動（dòng）刀架的工（gōng）作控製分主電路和控製電路 2 部分，主電路一般外接三相 380 V交流電源，通（tōng）過 2 個接觸器主觸點的分別閉合實現對刀架（jià）電機的正反轉控製，驅動刀架（jià）正向轉動尋找（zhǎo）目（mù）標（biāo）工位及反轉鎖緊。這部分的電路（lù）屬於電氣控製的常用電路。控製電路如圖 1 所示，選用單片機（jī）的 P3．4、P3．5 口輸出控製刀架電機正、反（fǎn）轉的信號，由於單片機的輸出信號較弱，通過光耦 TLP521 及三極管對信號進行了隔離和放（fàng）大，先控（kòng）製繼電器，再通過繼電器的（de）觸點控製刀架電機主電路（lù）中的接觸器（qì），實現（xiàn）對刀架的控製（zhì）。
 
      刀架（jià）上的控（kòng）製信號由（yóu）位置（zhì）傳感器( 霍爾元件（jiàn）) 組成，每一個霍爾元件對應刀架的一個工位。將霍爾元件的信號通過光耦隔離後和單片機的 P1．0～P1，3 相連，單片機通過這些輸入信號識別（bié）當前的刀架工位。不（bú）同規格的電動刀架，霍爾元件的電（diàn）壓也不同，主（zhǔ）要有 24 V 和 12 V 兩種。由於電路設計（jì）中（zhōng）運用了光耦隔離（lí），無論霍爾元（yuán）件的電源電壓是哪種規格，都可（kě）以（yǐ）直接和控製係統相連接。
  

     
  
                                 圖 1 控製係統（tǒng）電路圖
 
       1．3 按鍵設置及功（gōng）能說明
 
       按鍵的電路工作原理比較簡單，主要介紹按鍵的具（jù）體功能。在刀架操作按鍵（jiàn）的設置上，模仿數控機（jī）床操作麵板上的手動換刀方式，設置了（le）“刀位選擇”和“換刀啟動”鍵。為提高安全（quán）性，針（zhēn）對普通車床和數（shù）控車床工（gōng）作特點的不（bú）同，增設了（le）一個（gè）“換刀允許”功能鍵。按鍵的（de）具體作用為:“刀位選擇（zé）”鍵: 在進（jìn）行換刀前，需要先按“刀（dāo）位選擇”鍵（jiàn），根據按下此鍵的次數，確定刀架需要轉（zhuǎn）動（dòng）幾個工（gōng）位。因為 LD4 為（wéi）四工（gōng）位刀架，當按下此鍵的（de）次數超過 3 次時，用按下次數除以 4 的餘數作為需轉動的工位數。“換（huàn）刀（dāo）啟動”鍵: 按下該鍵並根據前麵通過“刀位選擇（zé）”鍵確定的目標工位驅動刀架進行換刀。

      “換刀允許”鍵: 按下該鍵後的 10 s 內，允許換刀操作，如果沒有按該鍵（jiàn）或者按鍵後超過 10 s，則禁止換（huàn）刀。在數控車床的（de）操作麵板（bǎn）上（shàng）不（bú）設該（gāi）鍵，本設計中增加該鍵的主要目的是考慮安全性。對於數控車床，有“工作模式”的概念，手動換刀（dāo）隻有在“手動模式”時才有效，在進行切削加工時是處於（yú）“自動模式”，此時即（jí）使誤（wù）操作了手動換刀按鍵也不會發生切削加（jiā）工過程中（zhōng）刀架轉動的危險（xiǎn）。但對於普通車床，沒（méi）有“工作模式”的概念，為了防止在切削加工時因誤操作換刀（dāo）鍵而（ér）引起刀（dāo）架（jià）轉動，增加了“換刀允許”鍵，
保證了加工中的安全性。
 
      為了配合（hé）“換刀允許”鍵的功能，通過單片機 P3．3 控製一指示燈進行狀態提示（shì）。具（jù）體顯示形式及所（suǒ）代表的信息（xī）如表 1 所示。

                                表 1 指（zhǐ）示燈狀（zhuàng）態及所代表的信息
     
  
  
       2 、軟件設計說明
 
       主程序流程圖如（rú）圖 2 所示（shì）。

                              圖 2 主（zhǔ）程序流程（chéng）圖
 
       程序設計中需要注意:
 
       1) 按（àn）鍵的消（xiāo）抖動處理（lǐ）數控機床上按鍵的處理是通過 PLC 來進行的（de），PLC由於其本身結（jié）構、工作方式的特（tè）點，對按鍵不需要消抖動處理［2－3］。設計中選用單片（piàn）機作為控製器件，在處理按鍵信號時一定要進行消抖動，這樣才能保證操作的安全、可靠。
 
       2) 傳感（gǎn）器（qì）故障處理
 
      程序設計中，考慮了刀架傳感器出現故障的特殊情況。如果某一工位對應的（de）傳感器出了（le）故障，而這一（yī）工位（wèi）恰好是目標工位，那麽（me）單（dān）片（piàn）機將尋找不到（dào）這一工位，結果將是刀（dāo）架不停的旋轉。針對（duì）這種情況，在程序設（shè）計中對刀架轉動進行了時間限製，如果刀架轉動（dòng） 10 s 後仍然沒有找到目標工位，則認為刀架出了故障，退出（chū）換刀動作，並通過（guò）指示燈高頻率閃爍（shuò） 5 s 進行報警。
 
       3) “換（huàn）刀允許”鍵常閉
 
      “換刀允（yǔn）許”鍵是為了換刀安全而（ér）設（shè）置的，隻有在按下“換刀（dāo）允許”鍵 10 s 內（nèi）才允許換刀，其（qí）他情況禁止換刀。但如果這個按鍵出現故障，一直處於閉（bì）合狀態，則係統一（yī）
直就允許換刀，這（zhè）樣安全保護措施就會失去作用( 或者（zhě）換刀失（shī）效，和具體按鍵編程算（suàn）法（fǎ）有關) 。針對這種情況，程序設計（jì）中對“換刀允許”鍵連續按下的時間進行了（le）計時，當連續按下時間超過 5 s 後，設置禁止換刀（dāo）並通過指示燈高頻閃爍報警。
 
      4) 關於刀架目標工位計算
 
      刀架換刀的目標工位是通過計數“刀位選擇”按（àn）鍵按下的次數來（lái）計算（suàn）的。在操作過程中如果誤（wù）操作按下過“刀位選擇”按鍵，將會（huì）影響（xiǎng）下一次換（huàn）刀中（zhōng）的目標工位計算，導致刀架不（bú）能到達正確的（de）工位。針對這個問題，結合換刀過程中的實際操作情況，程序設計中（zhōng）對“刀位選擇”按鍵按下次數計數時（shí）進行了時間限製。如果“刀位（wèi）選擇”鍵按（àn）下後超過 3 s 沒（méi）有再按“刀位選擇”鍵或“換刀啟動（dòng）”鍵，則將（jiāng）前麵“刀位選擇”鍵按下的次數清零。這樣避（bì）免（miǎn）了操作人（rén）員在操作換刀（dāo）前的不知情而產生對換刀的影（yǐng）響，以保證換刀動作的正確完成（chéng）。
 
       3 、結語
 
      通（tōng）過對普通車床刀架模塊進行改（gǎi）造，雖然需（xū）要將普通刀架換成電動刀架，有一（yī）定的成本支出，但控製（zhì）係統成本較低，改造的整（zhěng）體費用不高，改造後的車床在加工中縮短了換（huàn）刀時間，提高了效率，降低了（le）生產成本。