王小榮

(新疆大學(xué)工程訓(xùn)練中心，新疆烏魯木齊830047)

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單片機(jī)技術(shù)在數(shù)控車床中的應(yīng)用

王小榮

(新疆大學(xué)工程訓(xùn)練中心，新疆烏魯木齊830047)

為實(shí)現(xiàn)機(jī)床自動(dòng)化、智能化操作，以數(shù)控車床為載體，采用單片機(jī)技術(shù)對(duì)機(jī)床的機(jī)械、液壓系統(tǒng)進(jìn)行控制。通過(guò)機(jī)、電、液三者結(jié)合對(duì)數(shù)控車床的主軸、刀架、尾座以及換擋動(dòng)作進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)械生產(chǎn)的自動(dòng)化、智能化控制。

單片機(jī) 數(shù)控車床 液壓系統(tǒng)

0 引言

隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)機(jī)床已經(jīng)不能滿足加工零件精度的要求，因此數(shù)控機(jī)床成為現(xiàn)代機(jī)床發(fā)展的主流方向[1]。近幾年來(lái)單片機(jī)技術(shù)、液壓傳動(dòng)技術(shù)以及電氣技術(shù)迅速發(fā)展，很多行業(yè)將三者結(jié)合起來(lái)開(kāi)發(fā)機(jī)電液一體設(shè)備。由于其自動(dòng)化、智能化等特點(diǎn)，尤其受到機(jī)床制造業(yè)的青睞，在車床、磨床、銑床和刨床上的應(yīng)用也越來(lái)越多。所謂機(jī)電液一體設(shè)備系統(tǒng)并不是將機(jī)械系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)單的組合，而是集單片機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、液壓技術(shù)還有機(jī)械技術(shù)等相關(guān)技術(shù)為一體的綜合性產(chǎn)物[2]。下面就以數(shù)控車床為例，介紹單片機(jī)技術(shù)在數(shù)控車床中的應(yīng)用。

1 數(shù)控車床的換擋機(jī)械系統(tǒng)

圖1 數(shù)控車床的傳動(dòng)方式

大中型數(shù)控機(jī)床一般采用的變速方式是帶有變速齒輪的主傳動(dòng)方式，如圖1所示，它通過(guò)少數(shù)幾對(duì)齒輪進(jìn)行降速，實(shí)現(xiàn)分段無(wú)極變速，以保證主軸低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩特性的要求[3]。還有一部分小型數(shù)控機(jī)床也通過(guò)采用這種變速齒輪的傳動(dòng)方式來(lái)獲得強(qiáng)力切削所需要的轉(zhuǎn)矩[4]。其中滑移齒輪的移位一般采用兩種方式，一種是液壓撥叉帶動(dòng)齒輪，另一種是直接由液壓缸帶動(dòng)齒輪如圖2所示[5]。

1-活塞液壓缸；2-柱塞液壓缸；3-滑移齒輪；4-柱塞液壓缸圖2 利用液壓缸帶動(dòng)齒輪移動(dòng)

2 數(shù)控車床液壓系統(tǒng)

2.1 數(shù)控車床液壓系統(tǒng)原理圖

數(shù)控車床液壓系統(tǒng)的主要作用是控制卡盤(pán)的夾緊和松開(kāi)，刀架的夾緊與松開(kāi)，刀架轉(zhuǎn)塔的轉(zhuǎn)位，尾座套筒的移動(dòng)和主軸變檔。以上每一個(gè)動(dòng)作構(gòu)成一個(gè)液壓回路，然后將各個(gè)回路組合在一起構(gòu)成數(shù)控車床的液壓系統(tǒng)原理圖，如圖3所示。

圖3 數(shù)控車床液壓系統(tǒng)原理圖

該液壓系統(tǒng)控制原理如下：

1)主軸卡盤(pán)控制回路主要利用一個(gè)二位四通電磁換向閥來(lái)控制卡盤(pán)的加緊與松開(kāi)，主要流程如下：

卡盤(pán)夾緊動(dòng)作：系統(tǒng)液壓油→減壓閥5→二位四通電磁換向閥3(右位)→液壓鎖2(右)→液壓缸1(右)→活塞桿左移→卡盤(pán)夾緊；

卡盤(pán)松開(kāi)動(dòng)作：系統(tǒng)液壓油→減壓閥5→二位四通電磁換向閥3(左位)→液壓鎖2(左)→液壓缸1(左)→活塞桿左移→卡盤(pán)松開(kāi)。

2)刀架控制回路主要采用進(jìn)出口節(jié)流調(diào)速回路，主要作用是在刀架換刀時(shí)，刀盤(pán)松開(kāi)，當(dāng)?shù)侗P(pán)到達(dá)指定位置時(shí)，刀盤(pán)夾緊[6]。主要流程如下：

刀盤(pán)松開(kāi)：系統(tǒng)液壓油→二位四通電磁換向閥8(右位)→刀盤(pán)液壓缸(下)→刀盤(pán)松開(kāi)；

到達(dá)指定位置：系統(tǒng)液壓油→三位四通電磁換向閥7(左位/右位)→刀盤(pán)正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)→到達(dá)指定位置→三位四通電磁換向閥7(中位)→刀盤(pán)停止轉(zhuǎn)動(dòng)；

刀盤(pán)鎖緊：系統(tǒng)液壓油→二位四通電磁換向閥8(左位)→刀盤(pán)液壓缸(上)→刀盤(pán)鎖緊。

3)尾座套筒控制回路主要采用容積調(diào)節(jié)回路，通過(guò)一個(gè)三位四通電磁換向閥13控制套筒的伸出與退回，通過(guò)減壓閥12控制套筒預(yù)緊力的大小。主要流程如下：

尾座伸出動(dòng)作：系統(tǒng)液壓油→減壓閥12→三位四通電磁換向閥13(右位)→液壓缸(右)→套筒伸出；

尾座退回動(dòng)作：系統(tǒng)液壓油→減壓閥12→三位四通電磁換向閥13(左位)→液壓缸(左)→套筒退回。

4)換擋動(dòng)作控制回路主要利用二位三通換向電磁閥14和三位四通換向電磁閥16調(diào)節(jié)高低速換擋，主要流程如下：

高速換擋：系統(tǒng)液壓油→減壓閥15→三位四通電磁換向閥16(右位)→柱塞缸Ⅲ(右)→柱塞桿向左運(yùn)動(dòng)。

低速換擋：

2.2 液壓系統(tǒng)電磁動(dòng)作表

以上各動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)都離不開(kāi)電磁換向閥，上述提到的左右位是由電磁鐵得失電來(lái)控制的，具體電磁鐵動(dòng)作順序如表1所示。

表1 電磁鐵動(dòng)作順序表

3 單片機(jī)對(duì)液壓系統(tǒng)的控制

以上液壓系統(tǒng)各回路動(dòng)作需通過(guò)單片機(jī)控制電磁換向閥的通斷得以實(shí)現(xiàn)。 現(xiàn)以Philip公司的8位單片機(jī)P89C668作為控制核心對(duì)1DT-9DT這9個(gè)電磁換向閥進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制。硬件系統(tǒng)框圖及連接圖分別見(jiàn)圖4和圖5。

圖4 硬件系統(tǒng)框圖

圖5 控制系統(tǒng)硬件連接圖

通過(guò)系統(tǒng)連接圖可以看出，單片機(jī)P89C668的輸出端口P0.0～P0.7與82C55A的D0～D7腳相連進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。為了增強(qiáng)P0口的驅(qū)動(dòng)能力在其輸出端上拉10K電阻。單片機(jī)的第10引腳為復(fù)位輸入端，設(shè)計(jì)時(shí)采用了一個(gè)10 μF的電容接到VCC構(gòu)成上電復(fù)位的方式。同時(shí)與82C55A相連以達(dá)到共同復(fù)位的作用。第20、21引腳晶振輸入引腳，晶振頻率選用了18.432 MHz。在控制板上做了跳針可供第32引腳(PSEN)選用。當(dāng)下載程序時(shí)，使第32腳接低電平，當(dāng)單片機(jī)運(yùn)行程序時(shí)，使其接高電平。

82C55A是通用可編程并行I/O接口芯片。內(nèi)部的PA口、PB口、PC口均為8位I/O數(shù)據(jù)口。PA口由一個(gè)8位數(shù)據(jù)輸出緩沖/鎖存器和一個(gè)8位數(shù)據(jù)輸入緩沖/鎖存器組成，PB口和PC口各有一個(gè)8位數(shù)據(jù)輸出緩沖/鎖存器和一個(gè)8位數(shù)據(jù)輸入緩沖器(無(wú)輸入數(shù)據(jù)鎖存器)組成[8]。在該系統(tǒng)中，PA，PB口作為輸出口使用，PA0-PA7和PB0共9位引腳用于控制電磁閥DT1-DT9并且同樣上拉10K電阻增強(qiáng)輸出口的驅(qū)動(dòng)能力。

電平轉(zhuǎn)換及功率放大電路主要通過(guò)非門(mén)(74LS04)、三極管及緩沖器(74LS07)連接。 74LS04為六組反相器， 1A-6A為輸入端，與8255的輸出口相連；1Y-6Y為輸出端，與三極管連接。74LS07為集電極開(kāi)路輸出的六組驅(qū)動(dòng)器。1A-6A為6位輸入端，與三極管相連；1Y-6Y為輸出端，與6個(gè)電磁閥連接。由于液壓系統(tǒng)中共有9個(gè)電磁閥，故此處需用2個(gè)74LS07。

4 總結(jié)

通過(guò)以上單片機(jī)系統(tǒng)對(duì)數(shù)控車床機(jī)械和液壓系統(tǒng)的控制，闡述了單片機(jī)技術(shù)在數(shù)控車床的應(yīng)用。通過(guò)實(shí)例表明，單片機(jī)系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)以及液壓系統(tǒng)的結(jié)合能有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)控車床的主軸、刀架、尾座以及換擋動(dòng)作自動(dòng)化、智能化的控制。

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Application of SCM technology in the CNC lathe

WANG Xiaorong

To achieve automated, intelligent operation of the lathe, we applied the SCM technology to the CNC lathe for the control of the mechanical and hydraulic systems. Through mechanical-electrical-hydraulic control of the spindle, the carriage, the tail stock and the shift operation of the CNC lathe, we achieved automated and intelligent control of the lathe.

SCM，CNC lathe，hydraulic system

TH-39

A

1002-6886(2016)05-0078-04

王小榮(1988-)，女，山東聊城人，碩士研究生畢業(yè)，新疆大學(xué)工程訓(xùn)練中心創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教師，研究方向機(jī)電一體化。

2016-03-09