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标题: 单片机在机床刀具中的应用 [打印本页]

作者: liyf 时间: 2012-1-16 17:16
标题: 单片机在机床刀具中的应用

1 引言
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???? 切削加工离不开刀具，刀具是机床和加工中必不可少的设备，而且刀具工作是否正常将直接影响到产品的加工质量。但在加工过程中，刀具经常会因过载而被损坏，如崩断、卷刀等，所以对刀具进行过载保护就显得很重要了。一般地，对于工件的一次装夹，加工中心要完成好几道工序，如果在加工第一道工序时刀具就已经崩断，那么后几道工序的完成就形成很大的浪费。特别是在流水线上进行加工，如果加工的工件在流水线的末端流出时才被检测出由于刀具过载引起的产品报废，那么很多工序就是严重浪费。而人工却很难确认哪台机床的刀具出现问题,必须把整个流水线停下来进行逐台检查，这样便降低了生产效率。如果不能及时发现刀具故障，轻则导致工件报废，重则导致机床部件损坏，使机床的精度严重下降。因此，对刀具进行过载保护有着相当重要的意义。

??? 2 需要进行刀具过载保护的机床的特点及主要工作

??? 不同规格的刀具所允许的切削载荷不同，多数刀具在破损时都还达不到主电机的额定功率。相同型号的机床，由于出厂日期不同，机床的传动效率也不同。所以，同品种同模数的刀具在不同的机床上加工，稳定切削时的主电机功率就不同,而且有的差别很大。

??? 由于刀具的材质和刃磨不同，而且不同厂家的刀具，其稳定切削时的主电机功率也有所差别。因此，每一刀具的稳定切削时的主电机功率，只能在特定的机床上，由操作人员根据当时的加工情况而定,不能预先给出某一刀具所对应的稳定切削时的主电机功率。
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??? 由于需要进行过载保护的机床刀具有以上特点，所以设计的保护线路应满足要求: 稳定切割后,发出刀具保护调整指令，保护线路即能完成检测该切削状态下主电机电流信号的大小，并跟踪这一信号，超过即报警，继续增加就立即停车，而且要达到实现保护后，不论电机的电流多大，都能够立即制动停车的要求。本文设计了用单片机实现对刀具过载保护的控制线路。这套线路稳定可靠，能迅速切断任何有损刀具的过载电流，适用于精度和实时性要求较高的场合。

3 控制系统的硬件设计
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??? 按设计要求，本控制系统要能对刀具稳定切削状态下的主电机电流进行自动检测，并实时监测主回路电流，判断刀具过载后，发出报警信号和制动停车信号。因为单片机只能处理电压信号，不能处理电流信号，而刀具过载时变化的是主回路电流，所以需要将变化的电流信号转化成变化的电压信号供单片机处理。本系统采用小电阻和升压变压器来实现。
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???? 升压变压器出来的是交流电，其瞬时值是不断变化的。而判断刀具是否过载是由有效值来决定的,如果电路中交流电的有效值超过其额定值，则即可判断过载。所以不能将交流电直接送给单片机处理。要利用全波线性检波电路。交流电通过该电路可以得到其平均值。平均值与有效值是同相变化的，即有效值增大，平均值也增大，有效值减小，平均值也减小。若输出电压是理想的正弦波，则平均值乘波形因数1.11 后就成为有效值。所以对同一交流电压而言，监测其平均值的变化就相当于监测其有效值的变化。

图2 不电耦合器驱动接口电路

图4 主程序流程框图

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??? 系统主程序主要完成系统初始化，开中断，然后等待采样定时中断，程序流程图如图4 所示：

??? 系统初始化程序
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???? 系统上电复位后8031从地址000H开始执行程序，首先对系统初始化，完成设置栈指针，计数器/定时器工作方式，计数器/定时器初值，中断方式，软标志初态值设置以及内部和外部RAM 单元清零等工作。50H-7FH为堆栈区域，栈顶的位置由SP指示，初始化程序中SP 特殊功能寄存器写入60H。
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???? 8031单片机提供了5个中断请求源，2个中断优先级，可实现两级中断服务嵌套。5个中断请求源为两个外部中断请求，两个片内定时器/计数器溢出中断和一个外部中断。这个外部中断是AD574转换结束后，通知8031CPU取数，CPU响应这一中断请求，暂停正在做的工作，保护好现场后去取数，将数放入数据存储器后再恢复现场，继续原来的工作。
中断服务程序
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???? 本系统的中断服务程序是T0采样中断服务程序，另外还有一个AD574申请CPU取数的外部中断服务程序。前者主要完成模拟信号的采样，数据处理和报警停车等功能。它是本系统软件的核心部分。T0中断服务程序主要由采样子程序SUM P，保护子程序PRO T等组成，其流程图如图5 所示:

图5 T0中断服务程序流程图
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???? 系统响应T0定时中断后，CPU执行了一条由中断系统提供的硬件LCALL指令，转向T0中断服务程序入口，中断服务程序首先恢复T0计数器初值，随后保护现场。现场保护完成以后进入信号采样阶段，即执行采样子程序，在采样完毕后调用A/D转换程序AD574将数据进行转换，其中还包括A/D转换的中断服务程序。采样和A/D 转换循环三次后，进入数字滤波程序，将中值(一个周期内三个采样点数值处于中间的值) 作为刀具稳定切削时的稳态值保存起来。继续调用采样子程序(内含数字滤波程序) ，又获得一个新的中值，在保护子程序内，新中值与稳态值进行比较，当大于某数时，系统发出自动停车信号切断主回路。其中，报警信号由8031 P1.0位发出，停车信号由P1.1位发出。
保护子程序PRO T
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???? 保护子程序就是将每次的数字滤波后留下的采样值与计算机最先保存的刀具稳定切削时的稳态值相比较，若采样值较稳态值大且两者的差值超过一定的裕度，则单片机清P1.0位接通外电路，使扬声器发出报警信号; 若此差值更大，且大于更大的裕度时，则单片机P1.1位发出信号，使外电路的交流接触器失电，从而切断主电路，实现自动停车。

5 结束语
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???? 本文设计的刀具过载保护与自动调整线路，能按设计要求时间对刀具进行实时监测与保护。可以满足各种技术指标。系统用模拟滤波即全波线性检波和编程实现的数字滤波相结合的方法，使得保护线路的精度较高。在实际的生产实践中已经运用，并且效果良好。
??? 信息来源:http://www.icad.com.

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