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       摘要: 為避免生產(chǎn)實(shí)訓(xùn)中由于對刀誤操作引起的人身安全事故及各類經(jīng)濟(jì)損失的發(fā)生，依據(jù)數(shù)控銑床結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的對刀提示裝置。根據(jù)裝置的應(yīng)用環(huán)境，設(shè)計(jì)了夾持機(jī)構(gòu)，保證了安裝定位的精確性。利用MCS51 系列單片機(jī)的高度集成性和穩(wěn)定性，為該裝置設(shè)計(jì)了電氣硬件結(jié)構(gòu)。運(yùn)用C 程序語言設(shè)計(jì)了裝置控制程序，并載入單片機(jī)內(nèi)測試運(yùn)行。該裝置的應(yīng)用，減少了因數(shù)控銑床對刀操作引起的斷刀、撞刀事件，生產(chǎn)實(shí)訓(xùn)中的安全隱患也得到了及時有效的消除。
  
      關(guān)鍵詞: 數(shù)控銑床; 對刀提示裝置; 單片機(jī)

 
      裝備制造技術(shù)是衡量一個國家綜合國力的重要標(biāo)志，而數(shù)控機(jī)床則是裝備制造技術(shù)的基礎(chǔ)。隨著我國改革發(fā)展力度的不斷加深，數(shù)控機(jī)床的引進(jìn)、研制工作也取得了很大進(jìn)展，大批量數(shù)控設(shè)備的應(yīng)用改變了傳統(tǒng)加工模式，大量勞動生產(chǎn)力獲得了解放，生產(chǎn)效率較以往有了質(zhì)的飛躍。
 
      數(shù)控銑床是數(shù)控設(shè)備中極其重要的典型代表。由于它在加工制造領(lǐng)域，尤其是模具制造行業(yè)的廣泛應(yīng)用，與之相關(guān)的技能人才培養(yǎng)工作成為了各大企業(yè)、學(xué)校面臨的緊要任務(wù)。而數(shù)控銑床對刀操作技能是每位操作者都必須掌握的基礎(chǔ)技能，但因其引發(fā)的各類事故及經(jīng)濟(jì)損失也不計(jì)其數(shù)。研制數(shù)控銑床對刀提示裝置主要的目的就是為了降低對刀誤操作率，保證每位操作人員的人身安全，降低因?qū)Φ恫僮魇д`帶來的各類經(jīng)濟(jì)損失，如機(jī)床撞刀、零件報(bào)廢等。
 
      1 、裝置提示原理
 
      超聲波在空氣中的傳播速度為344 m/s，其振動頻率高于人類的聽覺20 000 Hz 0-29(次方)。當(dāng)其傳播過程中接觸到障礙物即會以相同的速度反射回發(fā)射處。將聲波接收時間t1與聲波發(fā)射時間t2之差乘以波速的一半即可得被測距離L。該裝置就是利用超聲波的這一原理測得對刀過程中刀具相距工件的距離。具體計(jì)算公式如下: 

      
   
      通過程序設(shè)定，當(dāng)?shù)毒哂蓹C(jī)床手動方式進(jìn)給至距離工件7 ～ 8 cm 時，黃色提示燈亮，此時當(dāng)采取手輪方式( 倍率100) 移動刀具。當(dāng)?shù)毒呃^續(xù)移動至距離工件3 ～ 4 cm 時，紅色燈亮，此時手輪倍率應(yīng)調(diào)至10倍。當(dāng)?shù)毒咭苿又辆嚯x工件小于3 cm 時，兩燈均滅，此時手輪倍率開關(guān)可調(diào)整至1 倍或不調(diào)整( 根據(jù)精度需求決定) 。
 
      2 、夾持機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
 
      該裝置的夾持機(jī)構(gòu)由連桿、壓緊旋鈕、萬向節(jié)、磁體組成。連桿2 與磁體1 固定連接，連桿3 相對連桿2 做上下移動和轉(zhuǎn)動，并由旋鈕4 壓緊。連桿5 相對連桿3 做橫向移動，以調(diào)節(jié)裝置與刀具的間隔距離。連桿6 與連桿5 采用球頭萬向連接，以保證裝置定位的準(zhǔn)確性。夾持機(jī)構(gòu)示意圖如圖1 所示。
 

                     圖1 夾持機(jī)構(gòu)示意圖
   
      3、 提示裝置硬件設(shè)計(jì)
 
      3. 1 超聲波發(fā)射電路設(shè)計(jì)
 
     由單片機(jī)產(chǎn)生的超聲波信號驅(qū)動能力較弱，需經(jīng)過一個信號放大電路才能驅(qū)動發(fā)射裝置 ］。采用74HC04 非門電路將信號放大。具體電路如圖2 所示。
 

                                          圖2 發(fā)射電路
   
     3 . 2 超聲波接收電路設(shè)計(jì)
   
     超聲波接收電路采用集成電路設(shè)計(jì)，其芯片選用CX20106A，利用該集成電路接收信號的增益效果更為明顯，且抗干擾能力也較高。具體電路如圖3所示。

                                            圖3 接收電路
   
     3. 3 主控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
   
     該裝置主控系統(tǒng)擬采用STC11F04E 單片機(jī) 。它將有效控制以下核心模塊: ( 1) 時鐘計(jì)數(shù)模塊;( 2) 超聲發(fā)送接收模塊; ( 3) 距離提示模塊。具體設(shè)計(jì)如圖4 所示。

       
                                               圖4 控制系統(tǒng)
   
     4 、提示裝置軟件設(shè)計(jì)
 
     對刀提示裝置采用單片機(jī)STC11F04E 設(shè)計(jì)，主要完成以下功能: ( 1) 上電復(fù)位; ( 2) 超聲波發(fā)送和接收; ( 3) 測量距離計(jì)算; ( 4) 比較判定反饋; ( 5) 提示裝置工作［9 － 10］。提示系統(tǒng)程序流程圖見圖5。

       
               圖5 提示系統(tǒng)程序流程圖

  
      5 、裝置應(yīng)用情況討論
 
     根據(jù)上述設(shè)計(jì)方案，項(xiàng)目組著手試制對刀提示裝置樣機(jī)，樣機(jī)電氣部分如圖6 所示。

                                  圖6 樣機(jī)電氣實(shí)物圖
      
     將試制完成的對刀提示裝置應(yīng)用于校內(nèi)生產(chǎn)實(shí)訓(xùn)后，因?qū)Φ墩`操作引發(fā)的撞刀事故明顯降低，具體見表1。
   
                                 表1 對刀誤操作事故統(tǒng)計(jì)表

     由表1 可知，使用提示裝置后撞刀次數(shù)減少了80%。
 
     6 、結(jié)論
 
     利用超聲波測距原理研制的數(shù)控銑床對刀提示裝置精度可達(dá)0. 1 mm，最小測距可達(dá)1 cm，完全滿足工作要求。該裝置的應(yīng)用可有效降低加工事故的發(fā)生，在保障操作人員安全的同時，也降低了刀具、零件的損耗，減少了相關(guān)經(jīng)濟(jì)損失。