基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)床刀具過載電路的設(shè)計(jì)

1 引言

切削加工離不開刀具，刀具是機(jī)床和加工中必不可少的設(shè)備，而且刀具工作是否正常將直接影響到產(chǎn)品的加工質(zhì)量。但在加工過程中，刀具經(jīng)常會(huì)因過載而被損壞，如崩斷、卷刀等，所以對刀具進(jìn)行過載保護(hù)就顯得很重要了。一般地，對于工件的一次裝夾，加工中心要完成好幾道工序，如果在加工第一道工序時(shí)刀具就已經(jīng)崩斷，那么后幾道工序的完成就形成很大的浪費(fèi)。特別是在流水線上進(jìn)行加工，如果加工的工件在流水線的末端流出時(shí)才被檢測出由于刀具過載引起的產(chǎn)品報(bào)廢，那么很多工序就是嚴(yán)重浪費(fèi)。而人工卻很難確認(rèn)哪臺(tái)機(jī)床的刀具出現(xiàn)問題，必須把整個(gè)流水線停下來進(jìn)行逐臺(tái)檢查，這樣便降低了生產(chǎn)效率。如果不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)刀具故障，輕則導(dǎo)致工件報(bào)廢，重則導(dǎo)致機(jī)床部件損壞，使機(jī)床的精度嚴(yán)重下降。因此，對刀具進(jìn)行過載保護(hù)有著相當(dāng)重要的意義。

2 需要進(jìn)行刀具過載保護(hù)的機(jī)床的特點(diǎn)及主要工作

不同規(guī)格的刀具所允許的切削載荷不同，多數(shù)刀具在破損時(shí)都還達(dá)不到主電機(jī)的額定功率。 相同型號的機(jī)床，由于出廠日期不同，機(jī)床的傳動(dòng)效率也不同。所以，同品種同模數(shù)的刀具在不同的機(jī)床上加工，穩(wěn)定切削時(shí)的主電機(jī)功率就不同，而且有的差別很大。

由于刀具的材質(zhì)和刃磨不同，而且不同廠家的刀具，其穩(wěn)定切削時(shí)的主電機(jī)功率也有所差別。因此，每一刀具的穩(wěn)定切削時(shí)的主電機(jī)功率，只能在特定的機(jī)床上，由操作人員根據(jù)當(dāng)時(shí)的加工情況而定，不能預(yù)先給出某一刀具所對應(yīng)的穩(wěn)定切削時(shí)的主電機(jī)功率。

由于需要進(jìn)行過載保護(hù)的機(jī)床刀具有以上特點(diǎn)，所以設(shè)計(jì)的保護(hù)線路應(yīng)滿足要求： 穩(wěn)定切割后，發(fā)出刀具保護(hù)調(diào)整指令，保護(hù)線路即能完成檢測該切削狀態(tài)下主電機(jī)電流信號的大小，并跟蹤這一信號，超過即報(bào)警，繼續(xù)增加就立即停車，而且要達(dá)到實(shí)現(xiàn)保護(hù)后，不論電機(jī)的電流多大，都能夠立即制動(dòng)停車的要求。本文設(shè)計(jì)了用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對刀具過載保護(hù)的控制線路。這套線路穩(wěn)定可靠，能迅速切斷任何有損刀具的過載電流，適用于精度和實(shí)時(shí)性要求較高的場合。

3 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

按設(shè)計(jì)要求，本控制系統(tǒng)要能對刀具穩(wěn)定切削狀態(tài)下的主電機(jī)電流進(jìn)行自動(dòng)檢測，并實(shí)時(shí)監(jiān)測主回路電流，判斷刀具過載后，發(fā)出報(bào)警信號和制動(dòng)停車信號。因?yàn)閱纹瑱C(jī)只能處理電壓信號，不能處理電流信號，而刀具過載時(shí)變化的是主回路電流，所以需要將變化的電流信號轉(zhuǎn)化成變化的電壓信號供單片機(jī)處理。本系統(tǒng)采用小電阻和升壓變壓器來實(shí)現(xiàn)。

升壓變壓器出來的是交流電，其瞬時(shí)值是不斷變化的。而判斷刀具是否過載是由有效值來決定的，如果電路中交流電的有效值超過其額定值，則即可判斷過載。所以不能將交流電直接送給單片機(jī)處理。要利用全波線性檢波電路。交流電通過該電路可以得到其平均值。平均值與有效值是同相變化的，即有效值增大，平均值也增大，有效值減小，平均值也減小。若輸出電壓是理想的正弦波，則平均值乘波形因數(shù)1.11 后就成為有效值。所以對同一交流電壓而言，監(jiān)測其平均值的變化就相當(dāng)于監(jiān)測其有效值的變化。

全波線性檢波電路的反饋支路中并聯(lián)有大電容構(gòu)成的濾波器，可以大大削弱電壓的脈動(dòng)程度，但由于濾波器功能有限，最后輸出的電壓中仍含有一部分紋波電壓，即得到的平均值并非是一恒定不變的常數(shù)，所以在此平均值送單片機(jī)處理之前，還須經(jīng)過采樣/保持和A/D轉(zhuǎn)換。

采用LF398 采樣保持器對反映主電路電流有效值變化的電壓平均值進(jìn)行采樣，采樣完畢后處于保持狀態(tài)。在單片機(jī)8031 的控制下，采樣來的數(shù)據(jù)送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD574，AD574對其進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完畢的數(shù)字信號被8031單片機(jī)讀出，存放于外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器6264。8031通過運(yùn)行存放于外部程序存儲(chǔ)器的指令對讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，發(fā)出控制信號，實(shí)現(xiàn)刀具的過載保護(hù)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

報(bào)警接口電路設(shè)計(jì)

單片機(jī)處理完數(shù)據(jù)后，發(fā)出控制信號控制外電路工作，開關(guān)型驅(qū)動(dòng)接口中單片機(jī)控制輸出的信號是開關(guān)量，有發(fā)光二極管驅(qū)動(dòng)接口，光電耦合器驅(qū)動(dòng)接口，液晶顯示器驅(qū)動(dòng)接口，晶閘管輸出型驅(qū)動(dòng)接口和繼電器型驅(qū)動(dòng)接口?？刂茡P(yáng)聲器采用的是晶閘管輸出型光電耦合驅(qū)動(dòng)接口。

電路如圖2 所示。晶閘管輸出型光電耦合器的輸出端是光敏晶閘管。當(dāng)光電耦合器的輸入端有一定的電流流入時(shí)，晶閘管導(dǎo)通。采用4N 40單相晶閘管輸出型光電耦合器，當(dāng)輸入端有15-30mA的電流時(shí)輸出端的晶閘管導(dǎo)通。輸出端的額定電壓為400V ，額定電流有效值為300mA。4N 40的6腳是輸出晶閘管的控制端，不使用此端時(shí)，可對陰極接一電阻。所以，當(dāng)8031的P1.0為低電平時(shí)，二極管導(dǎo)通，發(fā)光，觸發(fā)晶閘管使其導(dǎo)通，揚(yáng)聲器報(bào)警。

自動(dòng)通車接口電路設(shè)計(jì)

8031與自動(dòng)停車電路間用的是交流電磁式接觸器的功率接口。具體電路如圖3 所示。

圖2 不電耦合器驅(qū)動(dòng)接口電路

圖3 交流接觸器接口

交流接觸器C 由雙向晶閘管KS 驅(qū)動(dòng)。光電耦合器MOC3041 的作用是觸發(fā)雙向晶閘管KS 以及隔離單片機(jī)系統(tǒng)和接觸器系統(tǒng)。MOC3041 的輸入端接7407，由單片機(jī)的P1.1端控制。P1.1輸出低電平時(shí)，KS導(dǎo)通，接觸器C吸合。P1.1輸出高電平時(shí)，KS關(guān)斷，接觸器C釋放。MOC3041內(nèi)部帶有過零控制電路，因此KS 工作在過零觸發(fā)方式。

4 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

軟件主要由以下幾部分組成，主程序，T0采樣中斷服務(wù)程序，SUM P采樣子程序等。

圖4 主程序流程框圖

系統(tǒng)主程序主要完成系統(tǒng)初始化，開中斷，然后等待采樣定時(shí)中斷，程序流程圖如圖4 所示：

系統(tǒng)初始化程序

系統(tǒng)上電復(fù)位后8031從地址000H開始執(zhí)行程序，首先對系統(tǒng)初始化，完成設(shè)置棧指針，計(jì)數(shù)器/定時(shí)器工作方式，計(jì)數(shù)器/定時(shí)器初值，中斷方式，軟標(biāo)志初態(tài)值設(shè)置以及內(nèi)部和外部RAM 單元清零等工作。50H-7FH為堆棧區(qū)域，棧頂?shù)奈恢糜蒘P指示，初始化程序中SP 特殊功能寄存器寫入60H。

8031單片機(jī)提供了5個(gè)中斷請求源，2個(gè)中斷優(yōu)先級，可實(shí)現(xiàn)兩級中斷服務(wù)嵌套。5個(gè)中斷請求源為兩個(gè)外部中斷請求，兩個(gè)片內(nèi)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器溢出中斷和一個(gè)外部中斷。這個(gè)外部中斷是AD574轉(zhuǎn)換結(jié)束后，通知8031CPU取數(shù)，CPU響應(yīng)這一中斷請求，暫停正在做的工作，保護(hù)好現(xiàn)場后去取數(shù)，將數(shù)放入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器后再恢復(fù)現(xiàn)場，繼續(xù)原來的工作。

中斷服務(wù)程序

本系統(tǒng)的中斷服務(wù)程序是T0采樣中斷服務(wù)程序，另外還有一個(gè)AD574申請CPU取數(shù)的外部中斷服務(wù)程序。前者主要完成模擬信號的采樣，數(shù)據(jù)處理和報(bào)警停車等功能。它是本系統(tǒng)軟件的核心部分。T0中斷服務(wù)程序主要由采樣子程序SUM P，保護(hù)子程序PRO T等組成，其流程圖如圖5 所示：

圖5 T0中斷服務(wù)程序流程圖

系統(tǒng)響應(yīng)T0定時(shí)中斷后，CPU執(zhí)行了一條由中斷系統(tǒng)提供的硬件LCALL指令，轉(zhuǎn)向T0中斷服務(wù)程序入口，中斷服務(wù)程序首先恢復(fù)T0計(jì)數(shù)器初值，隨后保護(hù)現(xiàn)場。現(xiàn)場保護(hù)完成以后進(jìn)入信號采樣階段，即執(zhí)行采樣子程序，在采樣完畢后調(diào)用A/D轉(zhuǎn)換程序AD574將數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，其中還包括A/D轉(zhuǎn)換的中斷服務(wù)程序。采樣和A/D 轉(zhuǎn)換循環(huán)三次后，進(jìn)入數(shù)字濾波程序，將中值（一個(gè)周期內(nèi)三個(gè)采樣點(diǎn)數(shù)值處于中間的值） 作為刀具穩(wěn)定切削時(shí)的穩(wěn)態(tài)值保存起來。繼續(xù)調(diào)用采樣子程序（內(nèi)含數(shù)字濾波程序） ，又獲得一個(gè)新的中值，在保護(hù)子程序內(nèi)，新中值與穩(wěn)態(tài)值進(jìn)行比較，當(dāng)大于某數(shù)時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出自動(dòng)停車信號切斷主回路。其中，報(bào)警信號由8031 P1.0位發(fā)出，停車信號由P1.1位發(fā)出。

保護(hù)子程序PRO T

保護(hù)子程序就是將每次的數(shù)字濾波后留下的采樣值與計(jì)算機(jī)最先保存的刀具穩(wěn)定切削時(shí)的穩(wěn)態(tài)值相比較，若采樣值較穩(wěn)態(tài)值大且兩者的差值超過一定的裕度，則單片機(jī)清P1.0位接通外電路，使揚(yáng)聲器發(fā)出報(bào)警信號; 若此差值更大，且大于更大的裕度時(shí)，則單片機(jī)P1.1位發(fā)出信號，使外電路的交流接觸器失電，從而切斷主電路，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)停車。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的刀具過載保護(hù)與自動(dòng)調(diào)整線路，能按設(shè)計(jì)要求時(shí)間對刀具進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測與保護(hù)?？梢詽M足各種技術(shù)指標(biāo)。系統(tǒng)用模擬濾波即全波線性檢波和編程實(shí)現(xiàn)的數(shù)字濾波相結(jié)合的方法，使得保護(hù)線路的精度較高。在實(shí)際的生產(chǎn)實(shí)踐中已經(jīng)運(yùn)用，并且效果良好。

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