如何采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)電火花機(jī)床中的設(shè)計(jì)

1 引言

目前在油泵油嘴行業(yè)中，傳統(tǒng)的油嘴加工，多數(shù)依靠個(gè)人技能所決定的手工操作，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，生產(chǎn)效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，廢品率高。

本系統(tǒng)是對(duì)一種電火花機(jī)床設(shè)計(jì)的，采用負(fù)極放電方式即采用黃銅對(duì)工件的放電達(dá)到加工目的。通過(guò)試驗(yàn)得到黃銅對(duì)工件的耗損比值，用程序控制所需要的加工深度，加工出來(lái)的油嘴座面完全符合要求，提高了加工速度，保證了加工精度，完全取代了傳統(tǒng)的風(fēng)磨加工。

2 電火花機(jī)床

2.1 什么是電火花機(jī)床

電火花機(jī)床又稱(chēng)數(shù)控電火花機(jī)床、電火花、火花機(jī)等是一種電加工設(shè)備。前蘇聯(lián)拉扎林科夫婦研究開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)受火花放電腐蝕損壞的現(xiàn)象和原因時(shí)，發(fā)現(xiàn)電火花的瞬時(shí)高溫可以使局部的金屬熔化、氧化而被腐蝕掉，從而開(kāi)創(chuàng)和發(fā)明了電火花加工方法。

2.2 電火花機(jī)床的分類(lèi)

（1）CNC電火花機(jī)床

三軸或三軸以上的數(shù)控電火花成型機(jī)；其每個(gè)軸皆能實(shí)現(xiàn)放電加工，也可實(shí)現(xiàn)多軸連動(dòng)放電加工；

（2）ZNC電火花機(jī)床

只有Z軸可實(shí)現(xiàn)放電加工；X軸及Y軸手動(dòng)控制，只有定位功能；

（3）特種電火花機(jī)床

用于特殊加工的電火花機(jī)床；如輪胎模具電火花機(jī)床﹑鞋模電火花機(jī)床等等；

2.3 基本物理原理

其基本物理原理是自由正離子和電子在場(chǎng)中積累，很快形成一個(gè)被電離的導(dǎo)電通道。在這個(gè)階段，兩板間形成電流。導(dǎo)致粒子間發(fā)生無(wú)數(shù)次碰撞，形成一個(gè)等離子區(qū)，并很快升高到8000到12000度的高溫，在兩導(dǎo)體表面瞬間熔化一些材料，同時(shí)，由于電極和電介液的汽化，形成一個(gè)氣泡，并且它的壓力規(guī)則上升直到非常高。然后電流中斷，溫度突然降低，引起氣泡內(nèi)向爆炸，產(chǎn)生的動(dòng)力把溶化的物質(zhì)拋出彈坑，然后被腐蝕的材料在電介液中重新凝結(jié)成小的球體，并被電介液排走。然后通過(guò)NC控制的監(jiān)測(cè)和管控，伺服機(jī)構(gòu)執(zhí)行，使這種放電現(xiàn)象均勻一致，從而達(dá)到加工物被加工，使之成為合乎要求之尺寸大小及形狀精度的產(chǎn)品。

3 單片機(jī)

3.1 單片機(jī)簡(jiǎn)介

它是一種在線式實(shí)時(shí)控制計(jì)算機(jī)，在線式就是現(xiàn)場(chǎng)控制，需要的是有較強(qiáng)的抗干擾能力，較低的成本，這也是和離線式計(jì)算機(jī)的（比如家用PC）的主要區(qū)別。

單片機(jī)是靠程序的，并且可以修改。通過(guò)不同的程序?qū)崿F(xiàn)不同的功能，尤其是特殊的獨(dú)特的一些功能，這是別的器件需要費(fèi)很大力氣才能做到的，有些則是花大力氣也很難做到的。一個(gè)不是很復(fù)雜的功能要是用美國(guó)50年代開(kāi)發(fā)的74系列，或者60年代的CD4000系列這些純硬件來(lái)搞定的話，電路一定是一塊大PCB板！但是如果要是用美國(guó)70年代成功投放市場(chǎng)的系列單片機(jī)，結(jié)果就會(huì)有天壤之別！只因?yàn)閱纹瑱C(jī)的通過(guò)你編寫(xiě)的程序可以實(shí)現(xiàn)高智能，高效率，以及高可靠性！

3.2 單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域

單片機(jī)廣泛應(yīng)用于儀器儀表、家用電器、醫(yī)用設(shè)備、航空航天、專(zhuān)用設(shè)備的智能化管理及過(guò)程控制等領(lǐng)域，大致可分如下幾個(gè)范疇：

（1）在智能儀器儀表上的應(yīng)用

單片機(jī)具有體積小、功耗低、控制功能強(qiáng)、擴(kuò)展靈活、微型化和使用方便等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于儀器儀表中，結(jié)合不同類(lèi)型的傳感器，可實(shí)現(xiàn)諸如電壓、功率、頻率、濕度、溫度、流量、速度、厚度、角度、長(zhǎng)度、硬度、元素、壓力等物理量的測(cè)量。采用單片機(jī)控制使得儀器儀表數(shù)字化、智能化、微型化，且功能比起采用電子或數(shù)字電路更加強(qiáng)大。例如精密的測(cè)量設(shè)備（功率計(jì)，示波器，各種分析儀）。

（2）在工業(yè)控制中的應(yīng)用

用單片機(jī)可以構(gòu)成形式多樣的控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。例如工廠流水線的智能化管理，電梯智能化控制、各種報(bào)警系統(tǒng)，與計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成二級(jí)控制系統(tǒng)等。

（3）在家用電器中的應(yīng)用

可以這樣說(shuō)，現(xiàn)在的家用電器基本上都采用了單片機(jī)控制，從電飯褒、洗衣機(jī)、電冰箱、空調(diào)機(jī)、彩電、其他音響視頻器材、再到電子秤量設(shè)備，五花八門(mén)，無(wú)所不在。

（4）在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信領(lǐng)域中的應(yīng)用

現(xiàn)代的單片機(jī)普遍具備通信接口，可以很方便地與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，為在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信設(shè)備間的應(yīng)用提供了極好的物質(zhì)條件，現(xiàn)在的通信設(shè)備基本上都實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)智能控制，從手機(jī)，電話機(jī)、小型程控交換機(jī)、樓宇自動(dòng)通信呼叫系統(tǒng)、列車(chē)無(wú)線通信、再到日常工作中隨處可見(jiàn)的移動(dòng)電話，集群移動(dòng)通信，無(wú)線電對(duì)講機(jī)等。

（5）單片機(jī)在醫(yī)用設(shè)備領(lǐng)域中的應(yīng)用

單片機(jī)在醫(yī)用設(shè)備中的用途亦相當(dāng)廣泛，例如醫(yī)用呼吸機(jī)，各種分析儀，監(jiān)護(hù)儀，超聲診斷設(shè)備及病床呼叫系統(tǒng)等等。

此外，單片機(jī)在工商，金融，科研、教育，國(guó)防航空航天等領(lǐng)域都有著十分廣泛的用途

4 設(shè)計(jì)思想

根據(jù)油嘴加工工藝及加工工件的參數(shù)，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電極移動(dòng)，要準(zhǔn)確地自動(dòng)實(shí)時(shí)采樣，改變步進(jìn)電機(jī)的工作頻率，以控制步進(jìn)電機(jī)的進(jìn)給量，為了符合油嘴的座面要求，在加工過(guò)程中，根據(jù)試驗(yàn)得到的耗損比值，利用查表法編程方法來(lái)對(duì)電極進(jìn)行實(shí)時(shí)修正，這是控制砂輪電機(jī)完成的。根據(jù)不同的粗坯工件的加工深度，采取相應(yīng)的頻率以及控制運(yùn)行的步數(shù)。其工序順序控制邏輯包括：

（1）快速趨進(jìn)

為了提高工作效率，在工件安裝好后，步進(jìn)電機(jī)必須快速趨進(jìn)被加工工件的表面。

（2）快速退回

當(dāng)加工完預(yù)置的加工量后，步進(jìn)電機(jī)必須退回到初始位置。

（3）粗磨

對(duì)于加工尺寸大的毛坯，為了提高工作效率，可選擇單獨(dú)進(jìn)行粗加工，粗加工時(shí)，步進(jìn)電機(jī)以粗磨速度進(jìn)給，同時(shí)通過(guò)改變放電電壓，切換放電電容，控制放電火花，放電快，提高加工速度。

（4）精磨

當(dāng)加工尺寸較小，為了保證座面的角度和光潔度，采用精磨的方式，精磨時(shí)，放電火花小，加工電壓低，這也是通過(guò)軟件控制繼電器切換加工電壓和放電電容實(shí)現(xiàn)。

（5）粗精磨

本系統(tǒng)可進(jìn)行粗精磨加工一次完成。在開(kāi)始加工時(shí)采用粗磨，當(dāng)加工到一定范圍以內(nèi)（如3絲），系統(tǒng)自動(dòng)轉(zhuǎn)換為加工，這樣既提高了加工速度，又保證了精度和光潔度。系統(tǒng)在兩種加工方式下能控制火花放電量。

我們選用三相拍步進(jìn)電機(jī)（45BF3）作為電極的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)部件。被控制的步進(jìn)電機(jī)有正轉(zhuǎn)（進(jìn)刀）、反轉(zhuǎn)（退刀）和停轉(zhuǎn)三種基本工作方式，正反轉(zhuǎn)又各有不同的運(yùn)行頻率（即進(jìn)刀或退刀速度）要求，進(jìn)刀、退刀速度是根據(jù)軟件進(jìn)行調(diào)整的。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)三相繞組按A→AB→B→BC→C→CA→A的順序得電，就可實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)，反之，若按A→AC→C→BC→B→AB→A的順序得電，就可實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)，若輸出狀態(tài)始終保持不變，電機(jī)也就停止了運(yùn)行，利用8031的P1 口的P1.0、P1.1、P1.2控制電機(jī)的三相繞組，達(dá)到控制其運(yùn)行方式。

在加工過(guò)程中，同時(shí)要控制加工電壓、切換放電電容，當(dāng)修復(fù)加工電極時(shí)，要切換工件、電機(jī)的電壓。這些都是軟件來(lái)控制各個(gè)繼電器按一定的時(shí)序的開(kāi)、閉實(shí)現(xiàn)。

5 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)硬件由四個(gè)部分組成，即由8031單片機(jī)、2764EPROM以及74LS373組成的基本系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)電路、采樣電路和顯示與鍵盤(pán)掃描電路。這里主要介紹基本系統(tǒng)及驅(qū)動(dòng)電路。

（1）基本系統(tǒng)

系統(tǒng)設(shè)立了5位顯示器和7個(gè)按鍵，顯示器分別顯示加工的模式狀態(tài)、設(shè)置值、加工剩余量，七個(gè)按鍵分別為：?jiǎn)?dòng)、復(fù)位、暫停、十位置數(shù)位、個(gè)位置數(shù)位、置數(shù)功能鍵、加工模式選擇，當(dāng)置數(shù)按鍵起作用后，可給十位和個(gè)數(shù)置數(shù)，加工模式選擇可選擇粗磨、粗精磨加工方式。在軟件中將1~99絲的加工量根據(jù)一定的轉(zhuǎn)換關(guān)系轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)據(jù)存入一個(gè)表中，在加工時(shí)根據(jù)不同的加工量取相應(yīng)的表中的數(shù)據(jù)即可。用串行輸入、并行輸出移位寄存器74LSl64連接LED 顯示器與鍵盤(pán)。

（2）驅(qū)動(dòng)電路

程序控制8031P1口輸出數(shù)據(jù)，通過(guò)74LS07驅(qū)動(dòng)器使步進(jìn)電機(jī)正、反轉(zhuǎn)，考慮到本系統(tǒng)在加工過(guò)程中高低頻輻射及現(xiàn)場(chǎng)電網(wǎng)波動(dòng)引起的干擾，因此采用光電隔離。

當(dāng)P1.0輸出為高電平，則74LS07第1腳輸出為低電平，此時(shí)光耦二極管導(dǎo)通，發(fā)光三極管也即導(dǎo)通，三極管T也導(dǎo)通，使繞組受到24V的激勵(lì)，反之則光隔離，繞組不受電壓激勵(lì)。二極管D1起保護(hù)作用發(fā)光二極管D2指示電機(jī)的每相的工作狀態(tài)，也為維修帶來(lái)方便，同樣可用程序控制P1口其它位輸出。74LS373也可以作為繼電器的控制或?yàn)橐院髷U(kuò)展控制作用。

6 系統(tǒng)軟件框圖

系統(tǒng)上電復(fù)位后，從8000H單元開(kāi)始執(zhí)行程序。首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，然后進(jìn)行顯示調(diào)用和鍵掃描及按鍵處理。當(dāng)按置數(shù)鍵后，可對(duì)十位、個(gè)位調(diào)整設(shè)置相應(yīng)的加工步數(shù)，按啟動(dòng)鍵后，系統(tǒng)啟動(dòng)定時(shí)器中斷，進(jìn)入加工狀態(tài)，加工完成后，顯示其狀態(tài)并退刀，電極退回到原位。

根據(jù)步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)的控制狀態(tài)，確定出相應(yīng)的控制字，然后存入一個(gè)表中，在程序中根據(jù)加工的狀態(tài)取相應(yīng)的控制字輸出。步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)步數(shù)也是根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)當(dāng)量和電極的耗損系統(tǒng)來(lái)確定相應(yīng)的控制參數(shù)，將1~99絲的控制數(shù)存入一表中，在加工時(shí)與表中相應(yīng)的單元進(jìn)行比較。而步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的快慢，可以通過(guò)改變定時(shí)常數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)速度的調(diào)整。

在設(shè)計(jì)軟件過(guò)程還加進(jìn)了干擾自動(dòng)保護(hù)措施。在程序運(yùn)行時(shí)，利用8031的定時(shí)器跟蹤程序，當(dāng)程序正常時(shí)，定時(shí)器不斷得到復(fù)位，若由于干擾使程序出錯(cuò)，定時(shí)器便能夠使程序返回到出錯(cuò)點(diǎn)，從而使程序繼續(xù)運(yùn)行。

7 小結(jié)

本系統(tǒng)已在某油嘴油泵廠投入使用，實(shí)踐表明，該系統(tǒng)性能可靠，操作也很方便，給企業(yè)帶來(lái)了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。