1 引言

      加工中心是指備有刀庫，具有自動換刀功能，對（duì）工件一次裝夾後可以（yǐ）進行多道工序（xù）加工的數控機床。數控銑床通過改造（zào）加上自動換刀係統就可以得到一台全（quán）功能的加工中心。加工中心能大大減少了工（gōng）件裝夾時間、測量（liàng）和機床調整等輔助工序時間，同時減少了多（duō）次（cì）安裝造成的定位誤差，提高加工精度，能實現高精高效的加（jiā）工（gōng）[1]。

      1.X-Y 精密數控工（gōng）作台2.立柱3.拉刀裝置4.電主軸5.控製箱（xiāng）6.限位傳感器7.橫梁8.直流電機9.刀庫旋轉（zhuǎn）裝置10.刀柄11.盤式刀庫隨著我國工（gōng）業的不斷發展，模具製造業、機械（xiè）加工業得到了大力發展，加工中心以其高自（zì）動化程度得到廣泛應用。然而，目前（qián）市場（chǎng）上生產和銷售的都是以大、中型的加工中心為主，小型（xíng）加工中心幾乎是空白，而機械（xiè）加工業、小型模具的製造、工科院校、技工（gōng）學校等對小型加工中心存在著大量的（de）需求[2]。為了填補市場的（de）空白，本台自主研發製作（zuò）的微型立（lì）式加工中心（xīn）應（yīng）運（yùn）而生。加工（gōng）中心工作台采用（yòng）X-Y 雙向精密數控（kòng）工作台；可以進行X、Y、Z 三個方向的進給；配裝自動換刀係統，可以（yǐ）完成銑、鑽、擴、鉸、锪、攻絲等多種加工工（gōng）序，體積小、結構緊湊，不但可滿足（zú）本科實驗教學的需要，還能進行小型板類、盤類、叉架類（lèi）和箱體類等複雜零件的多品種中小批量加工。整體結構，如圖1 所示。加工中心的（de）關（guān）鍵技術在於自動換刀係統裝置。針對（duì）自主研發製作的微型立式加工中心進（jìn）行闡（chǎn）述自動換刀控製係統的設計。

      2 自動換刀裝置結構原理

      加工中心自動換刀裝置有兩種形式：有機械手換刀和無機械手換刀。有機械手換刀方式是當主軸位於換刀點位置時首先利用機械手把主軸上（shàng）的舊刀取下來再（zài）把刀庫上的刀具送到主（zhǔ）軸上，最後把已用過的刀具返送（sòng）到刀（dāo）庫上。換刀時間短，但（dàn）其機械結構比較複雜。而無機械手換刀是直接在刀庫與主軸（或刀架）之間的相對運動來實現換刀的自動（dòng）換刀方式，結（jié）構簡單。由於小（xiǎo）型加工中心體積小，相（xiàng）對於有機械手換刀（dāo）方式來（lái）說，無機械手換刀方式更適合於小型加工中心[3]。

      加工中心自動換刀係統采用無機械手固定換（huàn）刀方式（shì），即每次換刀的過程，刀套號與刀具號始終（zhōng）一一對應，如N號刀套中始終是N號刀（dāo）。利用刀庫和主軸的（de）相對運動實現刀具的更換。其中刀盤的旋轉是由直流電機驅動馬氏機構帶動刀盤轉動，這種結構能準確控製轉角、工作可靠、機械效率高；以用光電開關來實現刀盤轉動的圈數計數；刀庫的進退由步進電機帶動絲杠驅動（dòng），為了工作可（kě）靠，采（cǎi）用機械（xiè）開關作為前後極限的限位開關（guān）。主軸的拉刀裝（zhuāng）置采用（yòng）電磁（cí）鐵作為力源，通過杠杆的擴力實現主軸抓（zhuā）刀和鬆刀。

      3 自動換（huàn）刀過程介紹

      下麵以主軸上（shàng）的1 號刀而需換成2 號刀為（wéi）例來（lái）闡述自動換刀係統的工（gōng）作過程。該換刀過程在G 代碼中可通過M 指令實現，具體指（zhǐ）令序列為M06T02。如圖2 所示，為本換刀裝置的換刀過程圖。換刀過程經過了如下8 個步驟：（1）係統接到換刀（dāo）指令時，主軸準停（tíng），將刀盤（pán）旋轉至1 號（hào）刀所（suǒ）在的位置。運動過程示意圖，如圖2（a）所示。（2）Z 軸（zhóu）運行至換（huàn）刀點（diǎn）位置（zhì），由光電（diàn）開關來實現準（zhǔn）停，如圖2（b）所（suǒ）示。（3）刀盤慢速前（qián）進至（zhì）換刀位置，使在（zài）主軸上的1 號刀進入刀庫的1 號刀座（zuò），如圖（tú）2（c）所示。（4）主軸上（shàng）用於（yú）抓刀的（de）電磁鐵得電，主軸鬆刀。主軸上升至（zhì）零點位（wèi）置，如圖2（d）所示。（5）刀盤旋轉，將2 號刀旋轉至刀庫的當前位置，如圖2（e）所示。（6）主（zhǔ）軸下降至換刀點位置，將2 號刀裝入（rù）主軸，電磁鐵失電，主軸抓刀。如圖2（f）所示。（7）刀庫後退至初始（shǐ）位置（zhì）。如圖2（g）所示。（8）主軸（zhóu）上升（shēng）至原點位置，完成整個換刀過程。如圖2（h）所示。

      4 自動換刀控製係統設計

      4.1 總（zǒng）體設計

      微型加工中心采用了獨立的自動換刀控（kòng）製器來單獨完成換（huàn）刀功能（néng），它是（shì）一個與數控係統相對獨立的子功能模塊。在這裏，我們采用了51 單片機作為換刀子係統的主控器。數控係統在進行G 代碼解釋時遇（yù）到換刀指令時，通過串口向自動換刀子係統發送換刀命令並處於等待（dài）狀態。自動換刀控製器根據（jù）接（jiē）收到的（de）命令參數執行（háng）換刀任務（wù）。由於Z 軸為數控（kòng）係統和換刀子係統所共用，需（xū）要根據所處狀態來決定Z 軸電機驅動器的控製權，為此設置了信號超越電路，在換刀狀態時，由自（zì）動換刀係統控製Z 軸電機。而當換刀任務執（zhí）行完時，將Z 軸（zhóu）控製權返回數控係統同時通過串口向數控（kòng）係統發送換刀完成信號並等待（dài）下次換（huàn）刀命令的到來；數控係統收（shōu）到換刀完成信號後繼續執行後（hòu）麵的數控加工代碼進行加工。自動換刀係統總體（tǐ）結構圖，如（rú）圖（tú）3 所示。

      4.2 硬件設計

      4.2.1 信號接收電路設計

      自動換刀（dāo）係（xì）統和數控係統之間是通過串口傳送和（hé）接收控製命令（lìng）的，因此串口通訊的設置十（shí）分重（chóng）要。係統中采用（yòng）MAX232 作為RS232 電平和TTL 電平（píng）的轉換（huàn），電路原理圖，如圖4 所示。

      4.2.2 PWM 脈衝輸出電路設計

      電路原理圖，如圖5 所示。為了對（duì）輸出的脈衝信號加以整頓（dùn），在此並聯一（yī）個電容C。

      4.2.3 刀盤旋轉直流電機驅動電路

      刀（dāo）盤的（de）旋轉是由直流電機驅動馬氏結構來實現的。刀盤上依次按順序標出（1~5）號刀的（de）刀號，假如在換刀過程中，需要由1 號刀（dāo）換為2 號刀，或者由1 號刀（dāo）換（huàn）為5 號刀，為了使刀盤依最短的時間旋轉到目標刀位置，需要根據目標刀號與（yǔ）當前刀號（hào）之間的最短路徑來決定直（zhí）流電機的正（zhèng）反轉。電機（jī）的驅動芯片采用ST 公（gōng）司的雙極型H 橋驅動（dòng）芯片L298N，L298N 內部包含兩個H 橋的高電壓大電流橋式驅動（dòng）器（qì），接收標準TTL 邏輯（jí）電平信（xìn）號，可以驅動46V、2A 以下的電機（jī）。電路圖，如圖6 所示。電機工作的邏輯表，如表1 所示。

      4.2.4 電磁閥驅動電路設計（jì）

      自動換刀係統的拉刀裝置是利用電磁鐵的通斷來實現的。電磁閥的工作電壓為24V 且（qiě）為感性負載，而單片機工作電壓為5V，采用TTL 電平。因（yīn）此必須通過功率放大才可驅動，同時為了（le）避免電磁鐵開閉（bì）對控製電路的信號幹擾，在這裏采用TLP521 光藕進行隔離，並完成電平轉換。係統中電磁鐵的通斷控製采用N溝道場效（xiào）應（yīng）管（guǎn）作為開（kāi）關元件，因為（wéi）場效應管有很大的工作（zuò）電流和導通電阻，這樣便於降低功耗。但由於場（chǎng）效應管柵極的工作電壓較高，為了保證場效應管的（de）可靠導通（tōng），需要加入10V 左右的電壓。為此采用了24V 供電並將（jiāng）光隔串聯在柵極的供電回路中，串接了4.7K 的限流電阻，並加入了10V 的穩壓管防止場效應管因柵極電壓過高而損壞。電路圖，如圖7 所示。

      4.3 軟件設計

      該係統是（shì）采（cǎi）用Keil 公司的uVision2 作為開發環境。它集編輯，編（biān）譯，仿真於一體，支持C51 及（jí）匯編編程。由於C 語言編程具有較好的通用性、可讀性及可（kě）移植（zhí）性，本控製係統采用（yòng）C 語言作為編程語言。

      自動換刀（dāo）係統的主程序，如圖8 所示。上電（diàn）開始，控製係統初始化，串口初始化，讓刀庫位於初始點，當前刀（dāo）位位於某一號刀處。然後等待數控係統的（de）換刀命令。當接收到換刀命令時，主軸馬上停止工作，Z 軸上升（shēng）至原（yuán）點並在超越電路的控製下換為自動換刀係統來控製，經比較當前刀號和編程刀號（hào），若（ruò）當前刀號和編程刀號相同，則單片機直接向數控係統發送換刀完成任務；若（ruò）不相同，則看主軸有沒有刀，假如沒刀，則刀庫（kù）不用進行取刀過程，假如主軸有刀，則要先取下舊刀再更換新刀，然後刀庫和（hé）Z 軸回到零點（diǎn），Z 軸的控製權交與（yǔ）數控係統，單片機（jī）通過串口向數控（kòng）係（xì）統發送換刀完成信號並繼續等待下次換刀命令的到來，數控係統繼續執行加工任務。其中（zhōng），可變脈寬PWM 的輸（shū）出是利用單片機（jī）的定時器T0 控製PWM 的占空比，T1定時器控製脈寬的方式實現（xiàn）的。

      5 小結

      介紹的一種通過單片機來對微型（xíng）加工中心盤（pán）式刀庫的自動換刀係統的控製方案。主控器采用單片機，結構簡單，成本（běn）低廉。在IO 電路中（zhōng）采用光隔，提（tí）高了主控器工作的穩定性。換刀係統通過（guò）RS232 和（hé）數控係統進行通信，降低了對數控係統的依賴性（xìng）。方案（àn）通過重複（fù）試驗證明了其穩定可靠性。為（wéi）小型加工中心的發展和廣泛應用打下了基礎。