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(jī)的數(shù)控機(jī)床刀架控制器的設(shè)計(jì)

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(duì)國(guó)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(wèn)題，使用AT89C51單片機(jī)，設(shè)計(jì)出一種價(jià)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(guò)實(shí)際使用驗(yàn)證，功能正常，運(yùn)行可靠。

刀架 控制器 數(shù)控機(jī)床 單片機(jī)

隨著單片機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，其性能越來(lái)越優(yōu)越，應(yīng)用范圍也越來(lái)越廣泛。機(jī)床數(shù)控技術(shù)是以數(shù)字化信息實(shí)現(xiàn)機(jī)床控制的一門技術(shù)，刀架是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分，其性能指標(biāo)直接影響數(shù)控機(jī)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(zhǔn)確換刀的要求。然而該系列刀架的換刀速度非常快，時(shí)序要求嚴(yán)格，控制過(guò)程較復(fù)雜，普通國(guó)產(chǎn)機(jī)床數(shù)控裝置特別是中低檔機(jī)床數(shù)控裝置難以實(shí)現(xiàn)該系列刀架的快速換刀時(shí)序控制。本文就以解決普通國(guó)產(chǎn)中低檔機(jī)床數(shù)控裝置與BSV－N/25系列刀架配套難的問(wèn)題作為出發(fā)點(diǎn)，使用8051系列單片機(jī)，開發(fā)出一種低價(jià)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(shí)現(xiàn)中低擋數(shù)控系統(tǒng)對(duì)高擋BSVN/25系列刀架控制。

1 BSV-N/25系列刀架簡(jiǎn)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(dòng)機(jī)3，控制該電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)，可實(shí)現(xiàn)正向或反向換刀;②電動(dòng)機(jī)過(guò)熱保護(hù)開關(guān)4，正常情況下，此開關(guān)閉合，如果電動(dòng)機(jī)過(guò)熱，此開關(guān)斷開;③電動(dòng)機(jī)抱閘控制繼電器5，當(dāng)接通24 V直流電源時(shí)，電動(dòng)機(jī)抱閘，斷開24 V直流電源時(shí)，松閘;④電磁插銷控制繼電器1，刀架到位時(shí)接通24 V電源，插銷伸出，斷電插銷縮回;⑤插銷到位檢測(cè)傳感器2，當(dāng)插銷到位時(shí)，該檢測(cè)信號(hào)為“1”;⑥刀架到位鎖緊檢測(cè)傳感器7，當(dāng)?shù)都艿轿绘i緊時(shí)，該鎖緊檢測(cè)信號(hào)為“1”;⑦刀架位置偏碼器（絕對(duì)型）6，將刀架刀位號(hào)按4位二進(jìn)制編碼。該編碼器還有“strobe”和“奇偶檢驗(yàn)”信號(hào)輸出。

1.2 BSV-N/25刀架換刀時(shí)序

BSV－N/25系列刀架換刀時(shí)序如圖2所示。第一部分給出的是從位置1到2順時(shí)針旋轉(zhuǎn)換刀時(shí)序，第二部分給出的是從位置2到12按逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)換刀時(shí)序。BSV－N/25系列刀架換刀時(shí)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(dòng)三相異步電動(dòng)機(jī)控制該電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)正向或反向換刀。當(dāng)?shù)竭_(dá)目標(biāo)刀位的前一個(gè)刀位時(shí)，若檢測(cè)到選通信號(hào)（STROBE）下降沿，則發(fā)出伸出電磁插銷命令信號(hào)（由于每個(gè)刀位之間都有一個(gè)選通信號(hào)從刀架位置編碼器發(fā)出，而插銷動(dòng)作需嚴(yán)格按照時(shí)序控制），其時(shí)間不能有延遲，從檢測(cè)到選通信號(hào)開始到插銷伸出動(dòng)作過(guò)程必須確保在0.1 s內(nèi)完成，否則將換到下一個(gè)刀位，產(chǎn)生換刀位置錯(cuò)誤。

（3）檢測(cè)到插銷到位檢測(cè)信號(hào)（BFIN）后，換刀電動(dòng)機(jī)停止，延時(shí)50 ms后，換刀電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。

（4）檢測(cè)到刀位鎖緊檢測(cè)信號(hào)（CFIN）后，換刀電動(dòng)機(jī)停止，延時(shí)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(dòng)作示意圖。刀架容量為12把刀，刀具號(hào)與刀座號(hào)一一對(duì)應(yīng)，刀架順時(shí)針旋轉(zhuǎn)為正向旋轉(zhuǎn);逆時(shí)針為反向旋轉(zhuǎn)。在加工運(yùn)行中，刀架沿最短路徑旋轉(zhuǎn)，使目標(biāo)刀具趨近換刀位置。在到達(dá)目標(biāo)位置前一刀座位置時(shí)，插銷伸出，直到插銷到位時(shí)，電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)延時(shí)一個(gè)規(guī)定時(shí)間，接著電動(dòng)機(jī)反向旋轉(zhuǎn)，鎖緊刀架。刀架鎖緊后電動(dòng)機(jī)停止并抱閘，發(fā)出縮回插銷命令。插銷縮回后，換刀過(guò)程結(jié)束。

2 刀架控制器硬件電路設(shè)計(jì)

根據(jù)BSV－N/25系列刀架與數(shù)控系統(tǒng)PLC接口簡(jiǎn)單，操作方便的要求，設(shè)計(jì)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(guò)PLC（I/0）接口相連，數(shù)控裝置發(fā)出的刀號(hào)（CD0～CD3）和控制信號(hào)（CSTB、RESET）經(jīng)過(guò)光電隔離電路后送入AT89C51單片機(jī)，單片機(jī)處理后的信號(hào)經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)繼電器輸出電路來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)刀架的控制。系統(tǒng)需要的24 V電源通過(guò)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(chǎng)直接相連的開關(guān)量輸入/輸出接口線路實(shí)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(lái)的各種干擾，實(shí)現(xiàn)了受控現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)生的各種具有破壞性的暫態(tài)過(guò)程與刀架控制器、主機(jī)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(dòng)程序設(shè)計(jì)

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(dú)立性，對(duì)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(gè)實(shí)時(shí)的微機(jī)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(duì)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(yùn)轉(zhuǎn)規(guī)律和刀架換刀時(shí)序，采用前后臺(tái)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(jì)刀架控制器的驅(qū)動(dòng)程序。使用Keil軟件uVision2集成開發(fā)環(huán)境（IDE）進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要包括以下幾個(gè)方面：

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

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

（3）刀架控制器與普通數(shù)控裝置之間通過(guò)PLC接口，按照自定義的協(xié)議進(jìn)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(guò)PLC（I/0）接口相連，其接口信號(hào)與計(jì)算機(jī)打印接口信號(hào)相似。當(dāng)數(shù)控機(jī)床需要換刀時(shí)，數(shù)控裝置首先檢測(cè)刀架控制器發(fā)出的“ERROR”和“BUSY”信號(hào)，當(dāng)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(hào)）時(shí)，數(shù)控裝置將目標(biāo)刀號(hào)送到CD0～CD3，同時(shí)發(fā)出換刀命令（“CSTB”下降沿信號(hào)由1到0），AT89C51單片機(jī)接收到換刀指令后，將目標(biāo)刀號(hào)讀入;并置刀架換刀開始信號(hào)“BUSY”為“0”，并接時(shí)序要求，完成換刀控制。換刀結(jié)束后，“BUSY”為“1”。當(dāng)換刀失敗出現(xiàn)故障時(shí)，AT89C51單片機(jī)置“ERROR”信號(hào)為“1”。當(dāng)數(shù)控裝置讀到“ERROR”信號(hào)為“1”時(shí)，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(hào)由1到0），刀架控制器收到復(fù)位命令“RESET”，進(jìn)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(hào)說(shuō)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(jì)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(jī)AT89C51端口PORT0～3、定時(shí)器time0、time1工作方式，初始化全局變量，設(shè)置中斷源優(yōu)先級(jí)別、讀刀架當(dāng)前刀具位置BIT0～BIT3，循環(huán)查詢上位機(jī)是否發(fā)出復(fù)位、換刀命令，刀架電動(dòng)機(jī)是否過(guò)熱，換刀動(dòng)作過(guò)程是否超時(shí)等信號(hào)，循環(huán)調(diào)用看門狗定時(shí)器刷新子程序watchdog（）。當(dāng)?shù)都芸刂破鞑樵兊缴衔粰C(jī)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(guò)，無(wú)故障且檢測(cè)命令刀號(hào)正確后，根據(jù)刀架當(dāng)前刀號(hào)決定是正向還是反向就近換刀，調(diào)用刀架換刀運(yùn)動(dòng)過(guò)程控制程序，向上位機(jī)通報(bào)正在換刀。換刀結(jié)束后，向上位機(jī)通報(bào)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(jī)命令刀號(hào)CD0～CD3、刀架當(dāng)前刀號(hào)BIT0～BIT3及它們之間的相對(duì)位置關(guān)系，使刀架沿最短路徑旋轉(zhuǎn)到達(dá)目標(biāo)位置。具體算法如下：如果0<（命令刀號(hào)－機(jī)床刀號(hào)）≤6或（命令刀號(hào)－機(jī)床刀號(hào)）<0且（命令刀號(hào)－機(jī)床刀號(hào)）+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(yǔ)

本文所設(shè)計(jì)的刀架控制器經(jīng)過(guò)硬件測(cè)試，軟件測(cè)試及與數(shù)控裝置、BSV－N/25系列刀架實(shí)際聯(lián)機(jī)調(diào)試并交與機(jī)床用戶實(shí)際使用驗(yàn)證，功能正常，運(yùn)行可靠，符合設(shè)計(jì)要求。滿足了用戶既實(shí)用，價(jià)格又低的要求。實(shí)現(xiàn)了中低擋數(shù)控裝置對(duì)高擋BSV－N/25系列刀架的控制，結(jié)果達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。

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

2 馬忠梅，馬巖，張凱等.單片機(jī)的C語(yǔ)言應(yīng)用程序設(shè)計(jì)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1997.

3 周立功.增強(qiáng)型80C51單片機(jī)速成與實(shí)戰(zhàn)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003.

4 葉伯生.計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)原理、編程與操作［M］.武漢：華中理工大學(xué)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(jì)工作。

（編輯 李 靜）（

2009－09－09）

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