基于单片机的数控机床刀架控制器的设计.pdf

基于单片机的数控机床刀架控制器的设计 周岐荒谢淑莲 武汉华 中数控股份有限公 司， 湖北 武汉 4 3 0 2 2 3 摘要 针对 国产普通 中低档数控装置与 B S V- N ／ 2 5系列刀架配套难 的问题 ， 使 用 AT 8 9 C 5 1单片机 ， 设计 出一种价格低廉且容易与 B S V- N ／ 2 5刀架配套使用的刀架控制器。经过实际使用验证 ， 功能正常 ， 运行 可 靠 。 关键词 刀架控制器数控机床单片机 De s i g n o f Nu me r i c a l Co n t r o l Ma c h i n e Tu r r e t Co n t r o l l e r Ba s e d o n Si n g l e Ch i p Mi c r o c o mp u t e r Z HO U Q i h u a n g ①。 X I E S h u l i a n ② Wu h a n H u a z h o n g N u m e r i c a l C o n t r o l C o ． ， L t d Wu h a n 4 3 0 2 2 3 ， C HN Ab s t r a c t Th i s pa p e r a i mi n g a t s o l v i n g t h e ma t c h p r o b l e m b e t we e n h o me ma d e c o mmo n mi d o r l o w r a t e n u me ric a l c o n t r o l d e v i c e a n d BS V N／2 5 s e r i a l t ur r e t ，i n t r o d u c e s t h e de s i g n o f a t u r r e t c o n t r o l l e r W i c h ha s l o w p r i c e a n d e a s y t o ma t c h wi t h BSV-N／ 2 5 b y us i n g AT 8 9C5 1 s i n g l e c hi p mi c r o c o mp u t e r ．T hr o u g h p r a c t i c a l u s e a n d v e r i fic a t i o n，t h e t u r r e t c o n t r o l l e r h a s n o r ma l f un c t i o n a n d i s r e l i a b i l i t y ． Ke y wo r ds Tu r r e t ； Co n t r o l l e r ； Nu me r i c a l Co n t r o l Ma c hi n e； S i n g l e Ch i p Mi c r o c o mp u t e r 随着单片机技术的不断发展 ， 其性能越来越优越 ， 应用范围也越来越广泛。机床数控技术是 以数字化信 息实现机床控制的一 门技术 ， 刀架是数控机床 的重要 组成部 分， 其 性 能指标 直 接 影 响数 控机 床 的性 能。 B S V- N ／ 2 5系列刀 架是 意大利 D u p l o ma t i c公 司 的产 品 ， 其结构精密 ， 性 能优 越 ， 应 用于 中、 高档数控 车床 上 ， 能满足中、 高档数 控车床快 速 、 准确换 刀 的要求 。 然而该系列刀架的换刀速度非常快 ， 时序要求严格 ， 控 1 6 熊万里 ， 吕浪 ． 高频交流诱发 的电主轴高次谐波 振动及其 抑制方法 [ J ] ． 振动工程学报 ， 2 0 0 8， 2 1 1 2 6 0 0～ 6 0 7 1 7 Ho me r G C， P i l k e y WD ． T h e R i c c a t i t r a n s f e r ma t r i x me t h o d 『 J ] ．J o u r n a l o f Me c h a n i c a l D e s i g n，1 9 7 8 1 0 0 2 9 7～3 0 2 1 8 毛海军． 新一代数控 内圆磨床 的动力学 建模 与优化 [ D] [ 博 士学 位论文 ] ． 南京 东南 大学 ， 2 0 0 1 1 1～2 5 1 9 洪杰 ， 韩继斌 ， 朱梓根． 用 整体传 递系数 法分 析转 子系统 动力 特性 [ J ] ． 北京航 天航 空大学学报 ， 2 0 0 2 2 8 3 9～ 4 2 2 0 郭策 ， 孙庆鸿 ， 蒋书运． 高速 高精度 数控 车床 主轴 内外转 子耦合 系 统的动力学建模方法研究 [ J ] ． 机 械科学与技术 ，2 0 0 5 9 1 0 0 9～ 1 01 2 2 1 刘晶 ， 虎恩典． 数控车床 主轴单元 动特性 分析 [ J ] ． 宁夏工 程技 术 ， 2 0 03f 2 4 3～4 4 2 2 刘 卫群 ， 罗继 伟 ， 吴长春等． 滚动轴 承刚度 分析程序 [ J ] ． 计算 力 学 学报 ， 2 0 0 1 1 8 3 7 5～ 3 7 8 2 3熊万里 ， 温建 立． 高速精 密电主轴单元 的动态优化 设计 [ J ] ． 机械 设 计 ， 2 0 0 4 Z I 1 2 1 ～1 2 2 2 4 袁卫 ， 熊万里 ． 高速精密 陶瓷球轴承 与钢质球 轴承的性能 比较研究 [ J ] ．机械 ， 2 0 0 3 6 3 3～3 6 2 5 蒋 书运． 电主轴动态优化设计 [ J ] ． 世界制造技术 与装备市场 ， 2 0 0 4 5 5 4～5 6 2 6 纪宗辉 ， 吕浪 ， 李芳芳 等． 兼 顾低 速重 载和 高速轻 载 电主轴 的可控 刹 2 0 1 0 c 帚J 预 紧方法研究 [ J ] ． 制造技术与机床 ， 2 0 0 9 1 2 1 3 2～1 3 6 2 7 罗建平 ， 刘泓滨 ， 王立 华等． 数 控铣床 主轴结 合部 参数识 别及 动态 特性分析 [ J ] ． 机械与 电子 ， 2 0 0 7 1 1 6～1 8 2 8 蒋兴奇． 主轴轴承热特性及对速 度和动力学性 能影 响的研究 [ D] [ 博士学位论文 ] ． 浙江 浙江大学 ， 2 0 0 1 5 9～7 O 2 9 肖曙红 ， 郭军 ， 张伯霖． 高速 电主轴热结 构耦 合特性 的有 限元分 析 [ J ] ．机械设计 与制 造 ， 2 0 0 8 9 9 6～ 9 8 3 O温建立 ． 高速 电主轴 动力 学特性 研究 [ D] [ 硕 士学位论 文 ]． 长 沙 湖南大学 ， 2 0 0 4 2 7～2 9， 2 9～ 3 1 第一作 者 熊万里 ， 男， 1 9 7 1年 生 ， 工学博 士， 教 授 ， 主要研究方向为高速机床 电主轴及 超高速磨 削装 备。主持 完成 2项 国家 自然科 学基金项 目和 1项 国家 “ 十五” 攻 关项 目， 获 国 家科技 进 步二等 奖等 奖励 4 项 ， 获授权发 明专利 8项 ， 发表论文 7 0余篇 ， 合作 出版 著作 2部 。 目前作为技 术负责人执行 国家数控机床重 大专项 1项 。 编 辑 汪 艺 收稿 日期 2 0 0 9 1 2 0 5 丈蕈缉号 1 0 3 0 8 - 如果您想发表 雾 } 本 文的看法， 请将文章 编号 填入读者意见调查表中的相应自 强 宝习 歌麓弧寒动帮帮 l 制过程较复杂， 普通 国产机床数控装置特别是中低档 机床数控装置难 以实现该系列刀架的快速换刀时序控 制 。本文就以解决普通 国产 巾低档机床 数控装置与 B S V N ／ 2 5系列刀架配套难 的问题作为出发点， 使用 8 0 5 1 系列单片机， 开发 出一种低价位且 容易与 B S V N ／ 2 5刀架配套使用 的刀架控制器。使用该控制器作 为中问控制接 口， 实现 中低挡数控系统对高挡 B S V N ／ 2 5系列刀架控制。 1 B S V N ／ 2 5系列刀架简介 1 ． 1 B S V N ／ 2 5系列刀架 结构 B S V- N ／ 2 5系列刀架的电气结构如 图 1 所示。其 中 ①三相异步电动机 3 ， 控制该电动机正反转， 可实 现正向或反向换刀； ②电动机过热保护开关 4 ， 正常情 况下 ， 此开关闭合 ， 如果电动机过热 ， 此开关断开 ； ③电 动机抱闸控制继电器 5 ， 当接通 2 4 V直流电源时， 电 动机抱闸 ， 断开 2 4 V直流电源时， 松闸； ④电磁插销控 制继电器 1 ， 刀架到位时接通 2 4 V电源 ， 插销伸出， 断 电插销缩 回； ⑤ 插销到位 检测传感器 2， 当插 销到位 时， 该检测信号为“ 1 ” ； ⑥刀架到位锁紧检测传感器 7 ， 当刀架到位锁紧时 ， 该锁紧检测信号为“ 1 ” ； ⑦ 刀架位 置偏码器 绝对型 6 ， 将刀架刀位号按 4位二进制编 码。该编码器还有“ s t r o b e ” 和“ 奇偶检验” 信号输出。 1 一电磁插销控制继 电器 ；2 一捅销到位检测传感器 ；3 一j相异步 电动机 ；4 一电动机过热保护开关 ；5 一电动机抱闸控制继 电器 ；6 一 刀架位置编码器 ；7 ～刀架到位锁紧检测传 感器 。 图1 BS V N ／ 2 5 系列刀架的电气结构示意图 1 ． 2 B S V- N ／ 2 5刀架 换 刀时序 B S V - N ／ 2 5系列刀架换刀时序如 图 2所示。第一 部分给出的是从位置 1到 2顺 时针旋转换刀时序 ， 第 二部分给出的是从位置 2到 1 2按逆时针旋转换刀时 序。B S V - N ／ 2 5系列刀架换刀时序要求如下 1 要求控制刀架能就近 选 换刀。 2 刀架接到数控装置发 出的换刀命令后 ， 首先 检查插销是否缩回。插销缩回后 ， 松闸、 起动三相异步 电动机控制该 电动机正反转 ， 实现 正向或反 向换刀。 当到达 目标刀位的前一个刀位 时， 若检测到选通信号 3 2 S T R O B E 下降沿 ， 则发出伸出电磁插销命令信号 由 于每个刀位之间都有一个选通信号从刀架位置编码器 发出， 而插销动作需严格按照时序控制 ， 其时间不能 有延迟 ， 从检测到选通信号开始到插销伸出动作过程 必须确保在 0 ． 1 S内完成， 否则将换到下一个刀位 ， 产 生换刀位置错误。 P OS． 1 - S T 一 一 ．2 T一T P O S1 ． b 1 0 高 辐 一 t ’ r - ’ 3 I l i 4 6 击 专 ]f 6 击 6 占 5 ． -， ， l l I _一 L - LJ L_ _ 一 ’ - ’ 6 I t r 一 1 r ■ ’ ， -i ， ’ _ ’_’ ． ’ ’ B I T1 i i 。 ． i BI T Z ． ’ - I I 1 。 ‘ - t I J ’ _ ’ ’ ． - I I ． - ’ r 7 BI T3 ． | }I’ ‘ ’ ■ - _ ’ BI T4 { | t_ ． ● 1 { - ● { - I l I 。 P A R I T y l J 一 一 。．I r ‘ C H EC K I u i；i l l}u j 。； ．L S T R O B 雕 ’ L -t r■ Jt J。 ’ ， ‘ I t r ’ 1一电动机 iF _ 、反转掩制信号 ；3一电动机抱 I刚空制信号 ；4一电磁插销 控 制信 号；5 一插销到位检测信 号；6 一到位锁紧信 垮；7 一位置编码。 图2 BS V N／ 25 系列 刀架换刀 时序 3 检测到插销到位检测信号 B F I N 后 ， 换刀电 动机停止 ， 延时 5 0 m S 后 ， 换刀电动机反转。 4 检测到刀位锁紧检测信号 C F I N 后 ， 换刀电 动机停止 ， 延时 2 0 0 m s 后 ， 缩 回插销 ， 换刀结束。 1 ． 3刀架就 近 选 换 刀 图 3是刀架动作示意图。刀架容量为 1 2把刀 ， 刀 具号与刀座号一一对应 ， 刀架顺时针旋转为正 向旋转 ； 逆时针为反 向旋转。在加工 运行 中， 刀架 沿最短路 径旋 转 ， 使 目标刀具趋 近换 刀位 置。在到达 目标位置前一刀 座位置时 ， 插销伸出 ， 直到插 销到位时 ， 电动机 停转延 时 一 个 规定 时间， 接 着 电动机 反 向旋 转 ， 锁 紧刀架 。刀架 锁 紧后 电动机 停止并 抱闸 ， 图3刀架动作示意 图 发出缩回插销命令。插销缩 回后 ， 换刀过程结束 。 2 刀架控制器硬件电路设计 根据 B S V N ／ 2 5系列 刀架与数控系统 P L C接 口 简单 ， 操作方便的要求 ， 设计出刀架控制器的原理框 图 如图 4所示。 图4中， 刀架控制器与数控装置通过 P L C I ／ 0 接 口相连 ， 数控装置发出的刀号 C D 0～ C D 3 和控制信 一 十 0 数 控 装 置 P L C 接 口 3 幽 24 VG 一- u ／L J 图4刀架控制器的原理框图 号 C S T B、 R E S E T 经过光电隔离电路后送入 A T 8 9 C 5 1 单片机 ， 单片机处理后 的信号经过驱动， 通过继 电器输 出电路来实现对刀架的控制 。系统需要的 2 4 V电源 通过 D C ／ D C隔离后输入 。其 中光电隔离输入 电路和 继电器输 出电路如图 5和 图 6所示 ， 使得控制系统与 受控现场直接相连 的开关量输入／ 输 出接 口线路实现 了隔离 ， 去掉 了彼此问的公共地线和一切电器联系， 从 而免除了因公共地线所带来 的各种干扰 ， 实现 了受控 现场产生的各 种具有破坏性 的暂态过程 与刀架 控制 器 、 主机系统的完全隔离 ， 保证了主控系统能可靠工作 在既平稳又安静的环境之 中。 图5 光 电隔离输入 电路 图6 继 电器 输 出电路 电动机正、 反转 电动机抱闸 刀架插销伸出 与缩 回 3 刀架控制器 的驱 动程序设计 一 般而言 ， 软件结构首先要受到硬件的限制 ， 但软 件结构也有其独立性 ， 对于同样 的硬件结构 ， 可 以配置 不 同的软件结构。本文介绍 的刀架控制器系统是一个 实时的微机控制系统 ， 其数控功能 由各功能子程序实 现。不 同的系统软件结构对这些子程序的安排方式不 耋 lu 十 0 ． ．1 丝 皇 量 墨 兰 2 l 1 蕊荪国 f。 不 蒸 R E 3 ． - ． 继 电 器 蕊 丙 - _E 磊暴 r] 剜I 篓 I 同， 管理方式也不同。本文根据 B S V N ／ 2 5系列刀架 的运转规律和刀架换刀时序 ， 采用前后 台型软件结构 和中断型软件结构相结合 的方式设计刀架控制器的驱 动程序 。使用 K e i l 软件 u V i s i o n 2集成开发环境 I D E 进行设计 ， 主要包括以下几个方面 1 B S V N ／ 2 5刀架控制开关量采集程序采用定 时中断查询 、 软件滤波方式进行设计。 2 B S V N ／ 2 5刀架时序控制程序采用查询 、 软件 廷 时、 定时器定 时相结合的算法设计。 3 刀架控制器与普通数控装置之间通过 P L C接 口， 按照 自定义的协议进行通讯 。 3 ． 1 刀 架控 制器 与数控 装 置 的通讯 协议 刀架控制器与数控装置通过 P L C I ／ 0 接 口相连 ， 其接 口信号与计算机打印接 口信号相似。当数控机床 需要 换刀 时 ， 数 控装 置首先检 测刀架 控制器发 出 的 “ E R R O R ” 和“ B U S Y” 信号 ， 当控制器 “ E R R O R” 为“ 0 ” 和“ B U S Y ” 为“ 1 ” 即控制器正常并且允许 接收换刀命 令信号 时 ， 数控装置将 目标刀号送到 C D 0～C D 3 ， 同 时发 出换 刀命 令 “ C S T B” 下 降沿 信 号 由 1到 0 ， A T 8 9 C 5 1单片 机接 收到换 刀指令 后 ， 将 目标 刀号 读 人； 并置刀架换刀开始信号“ B U S Y” 为“ 0 ” ， 并接时序 要求 ， 完成换刀控制 。换刀结束后 ， “ B U S Y”为“ 1 ” 。 当换刀失败出现故障时， A T 8 9 C 5 1单片机置“ E R R O R” 信号为“ 1 ”。当数控装置读 到“ E R R O R” 信号为 “ 1 ” 时， 便知道刀架控制器出现故障， 通知管理人员排除故 障 ， 故 障排除后 ， 发 出复位命令“ R E S E T ” 下降沿信号 刀号 CD3 ⋯CDO 换刀命令 CS T B 刀号状态 BUS Y 刀号 ] 一 图7刀架控制器与数控装置通讯协议 33 一 誊 毫习 敢鞫飘席动黎部 l 由 1 到 0 ， 刀架控制器收到复位命令 “ R E S E T ” ， 进行 复位。刀架控制器与数控装置通讯协议如图 7所示。 信号说明 C S T B下降沿 由 1 一O 数控装置发 出换刀命令 ； C S T B上升沿由 0 一l 终止换刀。 B U S Y下降沿 由 1 - - - 0 刀架控制器控制刀架开始 换刀； B U S Y上 升沿 由 0 1 刀架控制器应答换刀完 成 。 E R R O R低电平 0 刀架工作正常 ； E R R O R高电平 1 刀架 出现故障。 R E S E T下降沿由 1 数控装置发 出复位命令使 刀架控制器复位 。 3 ． 2 刀架控制器程序设计算法 3 4 图8主程序 流程图 刀架控制器主程序框图如图 8所示 。在主程序中调用 初始化子程序 i n i t d a t a 初始化单片机 A T 8 9 C 5 1端 口 P O R T O～ 3 、 定时器 t i m e 0 、 t i m e l工作方式 ， 初始化全 局变量 ， 设置 中断源优先级别 、 读刀架 当前刀具位置 B I T 0一B I T 3 ， 循环查询上位机是否发出复位、 换刀命 令， 刀架电动机是否过热， 换刀动作过程是否超时等信 号， 循环调用看 门狗定时器刷新子程序 w a t c h d o g 。 当刀架控制器查询到上位机发出的复位、 换刀命令后 ， 分别调用刀架初始化子程序、 自检子程序 c u t t e r s e l L c h e c k 。自检通过 ， 无故障且检测命令刀号正确后 ， 根据刀架当前刀号决定是正向还是反向就近换刀 ， 调 用刀架换刀运动过程控制程序 ， 向上位机通报正在换 刀。换刀结束后 ， 向上位机通报正在换刀情况 换刀任 务是正常完成 ， 还是出现故障。 就近换刀就是根据上 位机命令刀号 C D 0～C D 3 、 刀架当前刀号 B I TO ～B I T 3及它们之 间的相对位置关 系， 使刀架沿最短路径旋转到达 目标位置。具体算法 如下 如果 0 命令刀号一 机床刀号 ≤6或 命令刀号 一 机床刀号 0且 命令刀号一 机床刀号 1 2 ≤6 ， 则刀 架正转换刀， 其它情况下 ， 刀架反转换刀 。 5 结语 本文所设计的刀架控制器经过硬件测试 ， 软件测 试及与数控装 置、 B S V N ／ 2 5系列刀架实际联机调试 并交与机床用户实际使用验证 ， 功能正常， 运行可靠 ， 符合设计要求。满足 了用户既实用 ， 价格又低的要求。 实现了中低挡数控装置对高挡 B S V N ／ 2 5系列刀架的 控制， 结果达到了预期的 目标 。 参考文献 1 李朝青． 单片机原理及接 口技术 [ M] ． 北京 北京航空航天大学 出版 社 ， 1 9 9 4 ， 2 马忠梅 ， 马岩 ， 张凯等． 单 片机的 C语 言应用程序设计 [ M] ． 北京 北 京航空航天大学 出版社 ， 1 9 9 7 ． 3 周立功． 增 强型 8 0 C 5 1 单 片机速成与实战[ M] ． 北京 北京航空航天 大学出版社 ， 2 0 0 3 ． 4 叶伯生． 计算机数控系统 原理 、 编程与操 作 [ M] ． 武 汉 华 中理工 大 学出版社 ， 1 9 9 9 ． 第一作者 周岐荒， 男， 1 9 6 4年 生， 主任 工程师， 主 要从事数控 系统研发、 设计工作。 编辑 李静 收 稿日 期 2 0 0 9 0 9 0 9 文章 1 0 3 0 9 如巢您想发表对本文的看法I 请将文章编号填入读者意见调查表中的相应位置≯ 孝 i ⋯ ⋯ 0