1 引言

      加工（gōng）中心是指備有刀庫，具有自動換刀（dāo）功能，對（duì）工件一次裝夾後（hòu）可以進（jìn）行多（duō）道工序（xù）加工的數控機床。數控銑床通過改造加上（shàng）自動換刀係統就可以得到一（yī）台全功能的加工中心。加工中心能大大減少了（le）工（gōng）件裝夾時間、測量和機床調（diào）整等輔助工序（xù）時間（jiān），同時減少（shǎo）了多次安裝造成的定位誤差，提高加工精（jīng）度（dù），能實（shí）現高精高效的加工[1]。

      1.X-Y 精密數控（kòng）工作台2.立柱3.拉（lā）刀裝置4.電主軸（zhóu）5.控製箱6.限位（wèi）傳感器7.橫梁8.直流電機9.刀庫旋轉裝置10.刀柄11.盤式刀庫隨（suí）著我（wǒ）國工業的不斷發展，模具製造業、機械加工業得到了大力發展，加工中心以其高自動化程度得到廣泛應用。然而，目前市場上生產（chǎn）和銷售的都是以大、中型的加工中心為主，小型加工中（zhōng）心幾乎是空白，而機械加工業（yè）、小型模具的製（zhì）造、工科院校、技工學校等對小型加（jiā）工中心存在著大量的需（xū）求[2]。為了填補市場的（de）空（kōng）白，本台自主研發製作的微型立式加工中心應運而生。加（jiā）工中心工作台采（cǎi）用（yòng）X-Y 雙向精密數控工作台；可以進行X、Y、Z 三個方向的進（jìn）給；配裝（zhuāng）自動（dòng）換刀係統，可（kě）以完成銑、鑽、擴、鉸（jiǎo）、锪、攻絲等多種加工工序，體積小、結構緊湊，不但可滿足本科實驗（yàn）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（jié）構，如圖1 所示。加（jiā）工中心的（de）關鍵技術在於自動換刀係統裝（zhuāng）置。針對（duì）自主研發製作的微（wēi）型立式加工中心進行（háng）闡述自動換刀（dāo）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（xíng）式：有機械手換刀（dāo）和無機械（xiè）手換刀。有（yǒu）機械手（shǒu）換刀（dāo）方式是當主軸位於換刀點位（wèi）置時（shí）首先利用機械手把主軸上的（de）舊刀取下來（lái）再把刀庫上的刀具送到主軸上，最後把（bǎ）已用過的刀具返送到刀庫上。換刀（dāo）時間短，但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（zhóu）（或刀架）之間的相對運動來實現換刀（dāo）的自動換刀方式，結（jié）構簡單（dān）。由（yóu）於小型加工中心體積小（xiǎo），相對於有機械手（shǒu）換刀方式來說，無機械手換刀方式更適合於小（xiǎo）型加工中（zhōng）心[3]。

      加工中心自動換刀係統采用無機械手固（gù）定換刀方式（shì），即每次換刀（dāo）的過程，刀套號與刀具號始終一一對應（yīng），如N號刀套中始終是N號刀。利用刀庫和主（zhǔ）軸的相對運動實現刀具的更換。其中刀盤的旋轉是由直流電（diàn）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（shù）；刀庫的進退由步進電機帶動絲杠驅動，為（wéi）了工作可靠，采用機械開關作（zuò）為前（qián）後極限（xiàn）的限位開關。主軸的拉刀裝置采用電磁鐵作為力（lì）源，通過杠杆的擴力實現主軸抓刀和鬆刀（dāo）。

      3 自動換刀過程介（jiè）紹

      下麵以主軸上的1 號刀而需換成2 號刀為例來闡述自動換（huàn）刀（dāo）係統的工作（zuò）過程。該換刀過程在（zài）G 代碼中可通過M 指令實（shí）現，具體指令序列為M06T02。如圖（tú）2 所示，為本換刀裝置的換刀過程圖。換刀過（guò）程經過了如下8 個步驟：（1）係統接到換刀指令時，主軸準停，將刀盤旋轉至1 號刀所在（zài）的位置。運動過程示（shì）意圖（tú），如圖2（a）所示。（2）Z 軸運行至換刀點位置，由光電開關來實現準停，如（rú）圖2（b）所示。（3）刀盤慢速前進至（zhì）換刀位置，使在（zài）主軸（zhóu）上的1 號刀進入（rù）刀（dāo）庫的1 號刀座（zuò），如圖2（c）所示（shì）。（4）主軸上用於抓刀的電磁鐵（tiě）得電，主軸鬆刀。主軸上升至零點位置，如圖2（d）所示。（5）刀盤旋轉，將2 號（hào）刀旋轉至（zhì）刀庫的當前位置，如圖2（e）所（suǒ）示。（6）主（zhǔ）軸下降（jiàng）至換刀點位（wèi）置，將2 號刀裝入主軸，電磁鐵失（shī）電，主軸抓刀。如圖2（f）所示。（7）刀庫後退至初始位置。如圖2（g）所示（shì）。（8）主軸上升至（zhì）原點位（wèi）置（zhì），完成（chéng）整個換（huàn）刀過程。如圖2（h）所示。

      4 自動換刀控製係統設計

      4.1 總體設計

      微型（xíng）加工中（zhōng）心采（cǎi）用（yòng）了獨立的自動（dòng）換刀控製器（qì）來單獨完成換刀功能，它是一個與數控係統相（xiàng）對獨立（lì）的（de）子功能模塊。在這（zhè）裏（lǐ），我們采（cǎi）用了51 單（dān）片機作為換刀子係統（tǒng）的主控器。數控係統在進行G 代碼解（jiě）釋時遇（yù）到換刀指（zhǐ）令時，通過串口向自動換刀（dāo）子係統發送換刀（dāo）命令並（bìng）處於等待狀態。自動換刀控製器根據接收到的命令（lìng）參（cān）數（shù）執（zhí）行換刀任務。由於Z 軸為數控係統和換刀子係統所（suǒ）共用，需要根據所（suǒ）處（chù）狀態來決定Z 軸電機驅（qū）動器的控製權（quán），為此設置了信號超越電路，在換刀狀態時，由自動換刀係統控製Z 軸電機。而當換刀任務執（zhí）行完時，將Z 軸控製權返（fǎn）回（huí）數控係（xì）統同時通過串口（kǒu）向（xiàng）數控係統發送換刀完成信號（hào）並等待下次換刀命令的到來；數控係統收（shōu）到換刀完（wán）成信號後繼續執行後麵的數控加（jiā）工代碼進行加工。自動換刀係統總體結構圖，如圖3 所示。

      4.2 硬件設計

      4.2.1 信號接（jiē）收電（diàn）路設計

      自動換刀係統和數（shù）控係統之間（jiān）是通過串口傳送和接（jiē）收控製命令的，因此串口（kǒu）通訊的設置十分重要。係統中采用MAX232 作為RS232 電平和TTL 電平的轉換，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。為了對輸出的脈衝信號加以整頓，在此並聯（lián）一個電容C。

      4.2.3 刀盤旋轉直流電機驅動電路

      刀盤的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）號刀的刀號，假如在換刀過程中，需要由1 號刀換為2 號（hào）刀，或者由1 號刀（dāo）換為（wéi）5 號刀，為了使刀（dāo）盤依最短的時間旋轉到目標刀位置，需要根據目標刀號與當前（qián）刀（dāo）號之間的最短路（lù）徑來（lái）決定直流電機的正反轉。電（diàn）機的驅動芯片采用ST 公司的雙極型H 橋驅動芯片L298N，L298N 內部包含兩個H 橋的高（gāo）電壓大電（diàn）流橋式驅動器，接收標準（zhǔn）TTL 邏輯電平信號，可以驅動46V、2A 以（yǐ）下的電機。電路圖（tú），如圖（tú）6 所示。電機工作的邏輯表，如表1 所示（shì）。

      4.2.4 電（diàn）磁閥驅動電（diàn）路設計

      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（de）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（diàn）平。因此必須通過功率放大才可驅動，同時（shí）為了避（bì）免電磁鐵開閉對控製電（diàn）路的信號幹擾，在這裏采用TLP521 光藕進行隔離，並完成電平（píng）轉換。係統中（zhōng）電磁鐵的通斷（duàn）控製采用（yòng）N溝道場效（xiào）應管作為開關元件，因為場效應管有很（hěn）大的工（gōng）作電流和導通電阻（zǔ），這樣便於降低功耗。但由於場效應管柵極的工作（zuò）電壓較高（gāo），為了保證（zhèng）場效應管的可靠導通，需要加入10V 左右的電壓。為此采用了24V 供電並將光隔串（chuàn）聯在柵極的供電回路中（zhōng），串接了4.7K 的限流電阻，並加入了10V 的穩（wěn）壓管防止場（chǎng）效應（yīng）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

      該係統是采用Keil 公司的uVision2 作為開發環境。它集編輯，編譯，仿真於一體，支持（chí）C51 及（jí）匯編編程。由於C 語言編程具有較好的通用性、可（kě）讀性（xìng）及可移植性，本控製係統采用C 語言作（zuò）為編程語言。

      自動換刀係統的主程序，如圖8 所示（shì）。上電開（kāi）始，控製係統初始（shǐ）化，串口初始化，讓刀（dāo）庫位於初始點，當前刀位位（wèi）於某（mǒu）一號刀處。然後等待（dài）數控係統的換刀命令。當接收到換（huàn）刀命令時，主（zhǔ）軸馬（mǎ）上停止（zhǐ）工作（zuò），Z 軸上（shàng）升至原點並在超越電路（lù）的控（kòng）製下換為自動換刀係統來控製，經（jīng）比較當前刀號和編程刀號，若（ruò）當前刀號和編程刀號相同，則（zé）單片機（jī）直接向數（shù）控係統發送換刀完成任務；若不相同，則看主軸有（yǒu）沒有刀，假（jiǎ）如沒刀，則刀庫不用進行取刀過程，假如主軸有刀，則要先（xiān）取下舊刀再更（gèng）換新刀，然（rán）後刀（dāo）庫和Z 軸回到零點，Z 軸的控製權交與數控係統，單片機通（tōng）過串口向數控係統發送換刀完成信號並繼續等（děng）待下次（cì）換刀命令的到來，數控（kòng）係（xì）統繼續執行（háng）加工任務。其中，可變脈寬PWM 的輸出是利用單（dān）片機的定時器T0 控製PWM 的占空比，T1定時器控製脈寬的方式實（shí）現的。

      5 小結

      介紹（shào）的一種通（tōng）過單片（piàn）機來對微型加工中心盤式刀庫的自動換刀係統的（de）控製方案。主控器采用（yòng）單（dān）片（piàn）機，結構簡單，成本低廉。在IO 電路中（zhōng）采用光（guāng）隔，提高了主控器工作的穩定性。換刀係統通過RS232 和數控係（xì）統進行通信，降低了對數控係統的依賴性（xìng）。方案通過重複試驗證明了其穩定可靠性。為小型加工中心的發展和廣泛應用（yòng）打下（xià）了基礎。