基于單片機的數(shù)控機床刀架控制器的設(shè)計

周岐荒 謝淑蓮

（武漢華中數(shù)控股份有限公司，湖北武漢 430223）

基于單片機的數(shù)控機床刀架控制器的設(shè)計

周岐荒 謝淑蓮

（武漢華中數(shù)控股份有限公司，湖北武漢 430223）

針對國產(chǎn)普通中低檔數(shù)控裝置與BSV-N/25系列刀架配套難的問題，使用AT89C51單片機，設(shè)計出一種價格低廉且容易與BSV-N/25刀架配套使用的刀架控制器。經(jīng)過實際使用驗證，功能正常，運行可靠。

刀架 控制器 數(shù)控機床 單片機

隨著單片機技術(shù)的不斷發(fā)展，其性能越來越優(yōu)越，應(yīng)用范圍也越來越廣泛。機床數(shù)控技術(shù)是以數(shù)字化信息實現(xiàn)機床控制的一門技術(shù)，刀架是數(shù)控機床的重要組成部分，其性能指標直接影響數(shù)控機床的性能。BSV－N/25系列刀架是意大利Duplomatic公司的產(chǎn)品，其結(jié)構(gòu)精密，性能優(yōu)越，應(yīng)用于中、高檔數(shù)控車床上，能滿足中、高檔數(shù)控車床快速、準確換刀的要求。然而該系列刀架的換刀速度非?？?，時序要求嚴格，控制過程較復(fù)雜，普通國產(chǎn)機床數(shù)控裝置特別是中低檔機床數(shù)控裝置難以實現(xiàn)該系列刀架的快速換刀時序控制。本文就以解決普通國產(chǎn)中低檔機床數(shù)控裝置與BSV－N/25系列刀架配套難的問題作為出發(fā)點，使用8051系列單片機，開發(fā)出一種低價位且容易與BSVN/25刀架配套使用的刀架控制器。使用該控制器作為中間控制接口，實現(xiàn)中低擋數(shù)控系統(tǒng)對高擋BSVN/25系列刀架控制。

1 BSV-N/25系列刀架簡介

1.1 BSV-N/25系列刀架結(jié)構(gòu)

BSV－N/25系列刀架的電氣結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中：①三相異步電動機3，控制該電動機正反轉(zhuǎn)，可實現(xiàn)正向或反向換刀;②電動機過熱保護開關(guān)4，正常情況下，此開關(guān)閉合，如果電動機過熱，此開關(guān)斷開;③電動機抱閘控制繼電器5，當接通24 V直流電源時，電動機抱閘，斷開24 V直流電源時，松閘;④電磁插銷控制繼電器1，刀架到位時接通24 V電源，插銷伸出，斷電插銷縮回;⑤插銷到位檢測傳感器2，當插銷到位時，該檢測信號為“1”;⑥刀架到位鎖緊檢測傳感器7，當?shù)都艿轿绘i緊時，該鎖緊檢測信號為“1”;⑦刀架位置偏碼器（絕對型）6，將刀架刀位號按4位二進制編碼。該編碼器還有“strobe”和“奇偶檢驗”信號輸出。

1.2 BSV-N/25刀架換刀時序

BSV－N/25系列刀架換刀時序如圖2所示。第一部分給出的是從位置1到2順時針旋轉(zhuǎn)換刀時序，第二部分給出的是從位置2到12按逆時針旋轉(zhuǎn)換刀時序。BSV－N/25系列刀架換刀時序要求如下：

（1）要求控制刀架能就近（選）換刀。

（2）刀架接到數(shù)控裝置發(fā)出的換刀命令后，首先檢查插銷是否縮回。插銷縮回后，松閘、起動三相異步電動機控制該電動機正反轉(zhuǎn)，實現(xiàn)正向或反向換刀。當?shù)竭_目標刀位的前一個刀位時，若檢測到選通信號（STROBE）下降沿，則發(fā)出伸出電磁插銷命令信號（由于每個刀位之間都有一個選通信號從刀架位置編碼器發(fā)出，而插銷動作需嚴格按照時序控制），其時間不能有延遲，從檢測到選通信號開始到插銷伸出動作過程必須確保在0.1 s內(nèi)完成，否則將換到下一個刀位，產(chǎn)生換刀位置錯誤。

（3）檢測到插銷到位檢測信號（BFIN）后，換刀電動機停止，延時50 ms后，換刀電動機反轉(zhuǎn)。

（4）檢測到刀位鎖緊檢測信號（CFIN）后，換刀電動機停止，延時200 ms后，縮回插銷，換刀結(jié)束。

1.3 刀架就近（選）換刀

圖3是刀架動作示意圖。刀架容量為12把刀，刀具號與刀座號一一對應(yīng)，刀架順時針旋轉(zhuǎn)為正向旋轉(zhuǎn);逆時針為反向旋轉(zhuǎn)。在加工運行中，刀架沿最短路徑旋轉(zhuǎn)，使目標刀具趨近換刀位置。在到達目標位置前一刀座位置時，插銷伸出，直到插銷到位時，電動機停轉(zhuǎn)延時一個規(guī)定時間，接著電動機反向旋轉(zhuǎn)，鎖緊刀架。刀架鎖緊后電動機停止并抱閘，發(fā)出縮回插銷命令。插銷縮回后，換刀過程結(jié)束。

2 刀架控制器硬件電路設(shè)計

根據(jù)BSV－N/25系列刀架與數(shù)控系統(tǒng)PLC接口簡單，操作方便的要求，設(shè)計出刀架控制器的原理框圖如圖4所示。

圖4中，刀架控制器與數(shù)控裝置通過PLC（I/0）接口相連，數(shù)控裝置發(fā)出的刀號（CD0～CD3）和控制信號（CSTB、RESET）經(jīng)過光電隔離電路后送入AT89C51單片機，單片機處理后的信號經(jīng)過驅(qū)動，通過繼電器輸出電路來實現(xiàn)對刀架的控制。系統(tǒng)需要的24 V電源通過DC/DC隔離后輸入。其中光電隔離輸入電路和繼電器輸出電路如圖5和圖6所示，使得控制系統(tǒng)與受控現(xiàn)場直接相連的開關(guān)量輸入/輸出接口線路實現(xiàn)了隔離，去掉了彼此間的公共地線和一切電器聯(lián)系，從而免除了因公共地線所帶來的各種干擾，實現(xiàn)了受控現(xiàn)場產(chǎn)生的各種具有破壞性的暫態(tài)過程與刀架控制器、主機系統(tǒng)的完全隔離，保證了主控系統(tǒng)能可靠工作在既平穩(wěn)又安靜的環(huán)境之中。

3 刀架控制器的驅(qū)動程序設(shè)計

一般而言，軟件結(jié)構(gòu)首先要受到硬件的限制，但軟件結(jié)構(gòu)也有其獨立性，對于同樣的硬件結(jié)構(gòu)，可以配置不同的軟件結(jié)構(gòu)。本文介紹的刀架控制器系統(tǒng)是一個實時的微機控制系統(tǒng)，其數(shù)控功能由各功能子程序?qū)崿F(xiàn)。不同的系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)對這些子程序的安排方式不同，管理方式也不同。本文根據(jù)BSV－N/25系列刀架的運轉(zhuǎn)規(guī)律和刀架換刀時序，采用前后臺型軟件結(jié)構(gòu)和中斷型軟件結(jié)構(gòu)相結(jié)合的方式設(shè)計刀架控制器的驅(qū)動程序。使用Keil軟件uVision2集成開發(fā)環(huán)境（IDE）進行設(shè)計，主要包括以下幾個方面：

（1）BSV－N/25刀架控制開關(guān)量采集程序采用定時中斷查詢、軟件濾波方式進行設(shè)計。

（2）BSV－N/25刀架時序控制程序采用查詢、軟件廷時、定時器定時相結(jié)合的算法設(shè)計。

（3）刀架控制器與普通數(shù)控裝置之間通過PLC接口，按照自定義的協(xié)議進行通訊。

3.1 刀架控制器與數(shù)控裝置的通訊協(xié)議

刀架控制器與數(shù)控裝置通過PLC（I/0）接口相連，其接口信號與計算機打印接口信號相似。當數(shù)控機床需要換刀時，數(shù)控裝置首先檢測刀架控制器發(fā)出的“ERROR”和“BUSY”信號，當控制器“ERROR”為“0”和“BUSY”為“1”（即控制器正常并且允許接收換刀命令信號）時，數(shù)控裝置將目標刀號送到CD0～CD3，同時發(fā)出換刀命令（“CSTB”下降沿信號由1到0），AT89C51單片機接收到換刀指令后，將目標刀號讀入;并置刀架換刀開始信號“BUSY”為“0”，并接時序要求，完成換刀控制。換刀結(jié)束后，“BUSY”為“1”。當換刀失敗出現(xiàn)故障時，AT89C51單片機置“ERROR”信號為“1”。當數(shù)控裝置讀到“ERROR”信號為“1”時，便知道刀架控制器出現(xiàn)故障，通知管理人員排除故障，故障排除后，發(fā)出復(fù)位命令“RESET”（下降沿信號由1到0），刀架控制器收到復(fù)位命令“RESET”，進行復(fù)位。刀架控制器與數(shù)控裝置通訊協(xié)議如圖7所示。

信號說明：

CSTB下降沿由1→0：數(shù)控裝置發(fā)出換刀命令;CSTB上升沿由0→1：終止換刀。

BUSY下降沿由1→0：刀架控制器控制刀架開始換刀;BUSY上升沿由0→1：刀架控制器應(yīng)答換刀完成。

ERROR低電平0：刀架工作正常;ERROR高電平1：刀架出現(xiàn)故障。

RESET下降沿由1→0：數(shù)控裝置發(fā)出復(fù)位命令使刀架控制器復(fù)位。

3.2 刀架控制器程序設(shè)計算法

刀架控制器主程序框圖如圖8所示。在主程序中調(diào)用初始化子程序init_data（）初始化單片機AT89C51端口PORT0～3、定時器time0、time1工作方式，初始化全局變量，設(shè)置中斷源優(yōu)先級別、讀刀架當前刀具位置BIT0～BIT3，循環(huán)查詢上位機是否發(fā)出復(fù)位、換刀命令，刀架電動機是否過熱，換刀動作過程是否超時等信號，循環(huán)調(diào)用看門狗定時器刷新子程序watchdog（）。當?shù)都芸刂破鞑樵兊缴衔粰C發(fā)出的復(fù)位、換刀命令后，分別調(diào)用刀架初始化子程序、自檢子程序cutter_self_check（）。自檢通過，無故障且檢測命令刀號正確后，根據(jù)刀架當前刀號決定是正向還是反向就近換刀，調(diào)用刀架換刀運動過程控制程序，向上位機通報正在換刀。換刀結(jié)束后，向上位機通報正在換刀情況：換刀任務(wù)是正常完成，還是出現(xiàn)故障。

就近換刀就是根據(jù)上位機命令刀號CD0～CD3、刀架當前刀號BIT0～BIT3及它們之間的相對位置關(guān)系，使刀架沿最短路徑旋轉(zhuǎn)到達目標位置。具體算法如下：如果0<（命令刀號－機床刀號）≤6或（命令刀號－機床刀號）<0且（命令刀號－機床刀號）+12≤6，則刀架正轉(zhuǎn)換刀，其它情況下，刀架反轉(zhuǎn)換刀。

5 結(jié)語

本文所設(shè)計的刀架控制器經(jīng)過硬件測試，軟件測試及與數(shù)控裝置、BSV－N/25系列刀架實際聯(lián)機調(diào)試并交與機床用戶實際使用驗證，功能正常，運行可靠，符合設(shè)計要求。滿足了用戶既實用，價格又低的要求。實現(xiàn)了中低擋數(shù)控裝置對高擋BSV－N/25系列刀架的控制，結(jié)果達到了預(yù)期的目標。

1 李朝青.單片機原理及接口技術(shù)［M］.北京：北京航空航天大學出版社，1994.

2 馬忠梅，馬巖，張凱等.單片機的C語言應(yīng)用程序設(shè)計［M］.北京：北京航空航天大學出版社，1997.

3 周立功.增強型80C51單片機速成與實戰(zhàn)［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2003.

4 葉伯生.計算機數(shù)控系統(tǒng)原理、編程與操作［M］.武漢：華中理工大學出版社，1999.

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Design of Numerical Control Machine Turret Controller Based on Single Chip Microcomputer

ZHOU Qihuang①，XIE Shulian②
（Wuhan Huazhong Numerical Control Co.，Ltd Wuhan 430223，CHN）

This paper aiming at solving the match problem between homemade common mid or low rate numerical control device and BSV － N/25 serial turret，introduces the design of a turret controller Wich has low price and easy to match with BSV－N/25 by using AT89C51 single chip microcomputer.Through practical use and verification，the turret controller has normal function and is reliability.

Turret;Controller;Numerical Control Machine;Single Chip Microcomputer

周岐荒，男，1964年生，主任工程師，主要從事數(shù)控系統(tǒng)研發(fā)、設(shè)計工作。

（編輯 李 靜）（

2009－09－09）

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