摘 要: 針對普通車床刀架換刀時需要人工手動操作、換刀時間長的工作情況，選 用STC12C2052 單片機作為控制器件，設(shè)計了一套刀架控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了普通車床刀架的自動換刀，節(jié)省了換刀的時間，提高了普通車床的加工效率。同時，針對電動刀架在數(shù)控機床上通過數(shù)控系統(tǒng)控制和本系統(tǒng)中單片機控制的不同情況，從安全的角度出發(fā)，在設(shè)計中增加了相應(yīng)的換刀功能允許按鍵及狀態(tài)信息顯示，提高了系統(tǒng)的安全性及可靠性。
   
       關(guān)鍵詞: 刀架; 普通車床; 數(shù)控化改造
   
       0 引言
   
       目前數(shù)控機床是機械加工行業(yè)的主流設(shè)備，但普通車床由于其價格較低，且對于簡單零件的加工也足以勝任，因此，在機械加工行業(yè)中仍然得到廣泛的應(yīng)用。普通車床的刀架在換刀是手動完成的，速度慢，效率低。數(shù)控刀架是針對數(shù)控機床設(shè)計的，用數(shù)控系統(tǒng)進行控制，不適用于普通車床。本文以單片機 STC12C2052 為核心器件，設(shè)計了控制系統(tǒng)，將數(shù)控刀架安裝在普通車床上，使普通車床的刀架能夠?qū)崿F(xiàn)自動換刀，節(jié)省了換刀時間，提高了車床的整體效率，而且整套系統(tǒng)的成本也很低。
 
      1 、硬件設(shè)計及相關(guān)說明
 
      1．1 控制器件 STC12C2052
 
      由于設(shè)計針對的是普通機床的刀架改造，控制系統(tǒng)將在條件較差的生產(chǎn)加工現(xiàn)場使用，因此，控制器件選用了具有超強抗干擾能力的單片機 STC12C2052。該單片機具有高速、高抗干擾能力、加密性好等特點。其主要性能如
下［1］:
 
1) 高速: 速度比普通 8051 快 12 倍。
2) 超強抗干擾能力: 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 ℃ 的工作溫度范
圍; I/O 口經(jīng)過特殊處理。
3) 系統(tǒng)可編程，無需編程器。
4) DIP20 封裝，具有 15 個 I/O 口，體積小。
5) 先進的 ＲISC 精簡指令集結(jié)構(gòu)，兼容普通 8051 指
令集。
 
      1．2 LD4 四工位電動刀架電路

      常用的數(shù)控機床 LD4 型四工位電動刀架的工作控制分主電路和控制電路 2 部分，主電路一般外接三相 380 V交流電源，通過 2 個接觸器主觸點的分別閉合實現(xiàn)對刀架電機的正反轉(zhuǎn)控制，驅(qū)動刀架正向轉(zhuǎn)動尋找目標工位及反轉(zhuǎn)鎖緊。這部分的電路屬于電氣控制的常用電路。控制電路如圖 1 所示，選用單片機的 P3．4、P3．5 口輸出控制刀架電機正、反轉(zhuǎn)的信號，由于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大，先控制繼電器，再通過繼電器的觸點控制刀架電機主電路中的接觸器，實現(xiàn)對刀架的控制。
 
      刀架上的控制信號由位置傳感器( 霍爾元件) 組成，每一個霍爾元件對應(yīng)刀架的一個工位。將霍爾元件的信號通過光耦隔離后和單片機的 P1．0～P1，3 相連，單片機通過這些輸入信號識別當(dāng)前的刀架工位。不同規(guī)格的電動刀架，霍爾元件的電壓也不同，主要有 24 V 和 12 V 兩種。由于電路設(shè)計中運用了光耦隔離，無論霍爾元件的電源電壓是哪種規(guī)格，都可以直接和控制系統(tǒng)相連接。
  

     
  
                                 圖 1 控制系統(tǒng)電路圖
 
       1．3 按鍵設(shè)置及功能說明
 
       按鍵的電路工作原理比較簡單，主要介紹按鍵的具體功能。在刀架操作按鍵的設(shè)置上，模仿數(shù)控機床操作面板上的手動換刀方式，設(shè)置了“刀位選擇”和“換刀啟動”鍵。為提高安全性，針對普通車床和數(shù)控車床工作特點的不同，增設(shè)了一個“換刀允許”功能鍵。按鍵的具體作用為:“刀位選擇”鍵: 在進行換刀前，需要先按“刀位選擇”鍵，根據(jù)按下此鍵的次數(shù)，確定刀架需要轉(zhuǎn)動幾個工位。因為 LD4 為四工位刀架，當(dāng)按下此鍵的次數(shù)超過 3 次時，用按下次數(shù)除以 4 的余數(shù)作為需轉(zhuǎn)動的工位數(shù)。“換刀啟動”鍵: 按下該鍵并根據(jù)前面通過“刀位選擇”鍵確定的目標工位驅(qū)動刀架進行換刀。

      “換刀允許”鍵: 按下該鍵后的 10 s 內(nèi)，允許換刀操作，如果沒有按該鍵或者按鍵后超過 10 s，則禁止換刀。在數(shù)控車床的操作面板上不設(shè)該鍵，本設(shè)計中增加該鍵的主要目的是考慮安全性。對于數(shù)控車床，有“工作模式”的概念，手動換刀只有在“手動模式”時才有效，在進行切削加工時是處于“自動模式”，此時即使誤操作了手動換刀按鍵也不會發(fā)生切削加工過程中刀架轉(zhuǎn)動的危險。但對于普通車床，沒有“工作模式”的概念，為了防止在切削加工時因誤操作換刀鍵而引起刀架轉(zhuǎn)動，增加了“換刀允許”鍵，
保證了加工中的安全性。
 
      為了配合“換刀允許”鍵的功能，通過單片機 P3．3 控制一指示燈進行狀態(tài)提示。具體顯示形式及所代表的信息如表 1 所示。

                                表 1 指示燈狀態(tài)及所代表的信息
     
  
  
       2 、軟件設(shè)計說明
 
       主程序流程圖如圖 2 所示。

                              圖 2 主程序流程圖
 
       程序設(shè)計中需要注意:
 
       1) 按鍵的消抖動處理數(shù)控機床上按鍵的處理是通過 PLC 來進行的，PLC由于其本身結(jié)構(gòu)、工作方式的特點，對按鍵不需要消抖動處理［2－3］。設(shè)計中選用單片機作為控制器件，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) 傳感器故障處理
 
      程序設(shè)計中，考慮了刀架傳感器出現(xiàn)故障的特殊情況。如果某一工位對應(yīng)的傳感器出了故障，而這一工位恰好是目標工位，那么單片機將尋找不到這一工位，結(jié)果將是刀架不停的旋轉(zhuǎn)。針對這種情況，在程序設(shè)計中對刀架轉(zhuǎn)動進行了時間限制，如果刀架轉(zhuǎn)動 10 s 后仍然沒有找到目標工位，則認為刀架出了故障，退出換刀動作，并通過指示燈高頻率閃爍 5 s 進行報警。
 
       3) “換刀允許”鍵常閉
 
      “換刀允許”鍵是為了換刀安全而設(shè)置的，只有在按下“換刀允許”鍵 10 s 內(nèi)才允許換刀，其他情況禁止換刀。但如果這個按鍵出現(xiàn)故障，一直處于閉合狀態(tài)，則系統(tǒng)一
直就允許換刀，這樣安全保護措施就會失去作用( 或者換刀失效，和具體按鍵編程算法有關(guān)) 。針對這種情況，程序設(shè)計中對“換刀允許”鍵連續(xù)按下的時間進行了計時，當(dāng)連續(xù)按下時間超過 5 s 后，設(shè)置禁止換刀并通過指示燈高頻閃爍報警。
 
      4) 關(guān)于刀架目標工位計算
 
      刀架換刀的目標工位是通過計數(shù)“刀位選擇”按鍵按下的次數(shù)來計算的。在操作過程中如果誤操作按下過“刀位選擇”按鍵，將會影響下一次換刀中的目標工位計算，導(dǎo)致刀架不能到達正確的工位。針對這個問題，結(jié)合換刀過程中的實際操作情況，程序設(shè)計中對“刀位選擇”按鍵按下次數(shù)計數(shù)時進行了時間限制。如果“刀位選擇”鍵按下后超過 3 s 沒有再按“刀位選擇”鍵或“換刀啟動”鍵，則將前面“刀位選擇”鍵按下的次數(shù)清零。這樣避免了操作人員在操作換刀前的不知情而產(chǎn)生對換刀的影響，以保證換刀動作的正確完成。
 
       3 、結(jié)語
 
      通過對普通車床刀架模塊進行改造，雖然需要將普通刀架換成電動刀架，有一定的成本支出，但控制系統(tǒng)成本較低，改造的整體費用不高，改造后的車床在加工中縮短了換刀時間，提高了效率，降低了生產(chǎn)成本。