基于单片机数控机床6刀位的自动换刀电气控制设计

1、云南锡业职业技术学院毕业设计（论文）说明系（部） 机电工程系 专 业 机电一体化技术 年 级 09级 姓 名 指导教师 年 月 日云南锡业职业技术学院毕业设计（论文）任务书设计（论文）题目：基于单片机数控机床6刀位的自动换刀电气控制设计学生姓名学号班级机电一班主要任务及目标主要内容与基本要求或技术数据进度安排指导教师签字： 年 月 日系主管领导签字： 年 月 日云南锡业职业技术学院毕业设计（论文）开题报告设计（论文）题目：基于单片机数控机床6刀位的自动换刀电气控制设计学生姓名学号班级机电一班参考文献研究或解决的问题和拟采用的方法：指导教师意见指导教师签字： 年 月 日系主管领导签字： 年 月

2、日云南锡业职业技术学院毕业设计（论文）答辩记录表设计（论文）题目：基于单片机数控机床6刀位的自动换刀电气控制设计学生姓名学号班级机电一班主答委员答辩委员记录员成绩陈述时间答辩时间陈述情况答辩情况答辩主答委员签字： 年 月 日答辩委员会主任签字： 年 月 日云南锡业职业技术学院毕业设计（论文）成绩表设计（论文）题目：基于单片机数控机床6刀位的自动换刀电气控制设计学生姓名张星荣学号班级机电一班指导教师评语评语成绩 签名： 年 月 日答辩主答委员评语评语成绩 签名： 年 月 日成绩成绩签字系部签字盖章： 教务处签字盖章：年 月 日 年 月 日毕业设计领导小组组长签字盖学院章：年 月 日云南锡业职业技

3、术学院毕业设计（论文）正文1概述 1页2系统的总体设计8页2.1减速传动机构方案设计 8页2.2上刀体锁紧与精定位机构设计 9页2.3刀架抬起机构设计 9页2.4自动回转刀架的换刀流程 9页3硬件电路设计 10页3.1单片机选型 10页3.2收信电路11页3.3发信电路13页4硬件电路主要电子元件的工作原理15页4.1霍尔元件的工作原理和特性霍尔元件的工作原理15页4.2霍尔开关的工作原理15页4.3光电耦合器的工作原理16页4.5 8255芯片的工作原理 16页5控制软件设计17页6程序的实现方法 18页结束语20页参考文献21页基于单片机数控机床6刀位的自动换刀电气控制设计【摘要】自动换刀

4、装置是数控机床上最普遍的一种辅助装置，它可以使数控机床在工件一次装夹中完成多种甚至所有的加工工序，以缩短加工的辅助时间，减少加工过程中由于多次安装工件而引起的误差，从而提高机床的加工效率和加工精度。本论文是关于数控机床6刀位自动换刀系统的设计，其中包括原理方案的实现、单片机控制系统硬件电路的实现和软件程序的编制，主要部件的分析。单片机进行系统控制，实现了数控机床6刀位自动换刀和精确定位要求。【关键词】数控机床，控制系统，单片机1.概述数控技术自20世纪中叶出现以来，数控机床给机械制造业带来了革命性的变化。数控加工的加工柔性好，加工精度高，生产率高，能减轻操作者劳动强度、改善劳动条件，有利于生产

5、管理的现代化以及经济效益的提高。数控机床是一种典型的机电一体化产品，适用于加工多品种小批量、结构较复杂、精度要求较高、的关键零件。而刀架是数控机床的主要附件之一，它的性能直接影响着数控机床的精度和效率，所以随着数控机床的发展必然会提高其对刀架的要求，不言而喻，研究自动刀架系统是非常有意义的。随着数控机床的发展，以前的刀架，能装的刀具太少，定位精度不高，效率低，精度差，已不能满足要求，于是便出现了许多精度更高、刀架更大、自动化程度更高的刀架。自动换刀装置是数控机床上最普遍的一种辅助装置，它可以使数控机床在工件一次装夹中完成多种甚至所有的加工工序，以缩短加工的辅助时间，减少加工过程中由于多次安装工

6、件而引起的误差，从而提高机床的加工效率和加工精度。2.总体结构设计2.1减速传动机构方案设计普通的三相异步电动机因转速太快，不能直接驱动刀架进行换刀，必须经过减速机构进行减速。考虑到本设计减速比较大，且为立式刀架，需改变传动运动方向，要求自锁，因此综合比较之后选用蜗杆副减速。蜗杆传动单级传动能得到很大的传动比，传动平稳，无噪声，冲击载荷小，且能优化整体结构，做到外型轮廓小，结构紧凑，固选用蜗杆传动。2.2上刀体锁紧与精定位机构设计本设计上刀体的锁紧与定位机构选用端面齿盘，将上刀体和下刀体的配合面加工成梯形端面齿。当刀架处于琐紧状态时，上下端面齿相互啮合，这时上刀体不能绕刀架的中心轴转动；换刀时

7、电动机正转，抬起机构使上刀体抬起，等上下端面齿脱开后，上刀体才可以绕刀架中心轴转动，完成转位动作。2.3刀架抬起机构设计要想使上、下刀体的两个端面齿脱离，就必须设计合适的机构使上刀体抬起。从经济型方面考虑，应采用经济的螺杆-螺母副，在上刀体内部加工出内螺纹，当电动机带动螺杆绕中心轴转动时，作为螺母的上刀体要么转动，要么上下移动。当刀架处于锁紧状态时，上刀体与下刀体的端面齿相互啮合，因为这时上刀体不能与螺杆一起转动，所以螺杆的转动会使上刀体向上移动。当端面齿脱离啮合时，上刀体就与螺杆一同转动。 设计螺杆时要求选择适当的螺距，以便当螺杆转动一定角度时，使得上刀体与下刀体的端面齿能够完全脱离啮合状态

8、。2.4自动回转刀架的换刀流程当数控装置发出换刀指令后，电动机正转，通过弹簧安全离合器带动蜗杆正转，再经过蜗轮带动螺杆转，作为螺母的上刀体要么转动，要么上下移动，此处设计为电动机正转时上刀体向上移动，当刀架处于锁紧状态时，上刀体与下刀体的端面齿相互啮合，因为这时上刀体不能与螺杆一起转动，所以螺杆的转动会使作为螺母的上刀体向上移动，从而使刀架抬起，在螺杆旋转的同时也带动上盖圆盘一起旋转，当刀架完全抬起后，端面齿脱离啮合，上刀体上部的圆柱销落入上盖圆盘，上盖圆盘就通过圆柱销带动一同转动，从而实现了上刀体的转位，再通过霍尔元件触发判断上刀体是否转到了工作位置。完成转位后，由微动开关发出信号使电机反转

9、，通过弹簧安全离合器带动蜗杆反转，再经过蜗轮带动螺杆旋转，螺杆旋转的同时也带动上盖圆盘一起旋转，上盖圆盘通过上刀体上部的圆柱销带动上刀体开始反转，上刀体下部的反靠销马上就会落入反靠圆盘的十字槽内，反靠销反靠，上刀体停转，至此，实现粗定位。螺杆的继续转动使上刀体下降，最后至上刀体的端面齿与下刀体的端面齿完全啮合，实现精定位，电动机停转，再延时锁紧，整个换刀过程至此结束。3硬件电路设计3.1单片机选型数控机床的自动回转刀架对柔性化、自动化、定位精度、速度要求相当高，随着计算机电子技术的发展,单片机以其高性能价格比的特点适应了现代工业发展的需求，越来越多地被应用于各种生产和控制领域。单片机是典型的嵌

10、入式系统，从体系结构到指令系统都是按照嵌入式应用特点专门设计的，能最好地满足对控制对象、应用系统的嵌入、现场的可靠运行以及非凡的控制品质要求。因此，单片机是发展最快、品种最多、数量最大的嵌入式系统。嵌入式系统与单片机已深入到国民经济众多技术领域。单片机选型随着集成电路技术的发展越来越成熟，单片机技术也日趋完善。针对不同的应用领域，世界各大集成电路制造商都推出了品种繁多的各具特色的产品，设计者可以根据自己的实际需要，从中选择一款最适合设计需要的单片机。Intel公司继1976年推出MCS-48系列8位单片机之后，又于1980年推出了MCS-51系列高档8位单片机。至今20多年来，51系列单片机经

11、久不衰，并得到了广泛的应用。近些年来，世界上很多大半导体公司都生产以8051为内核的单片机如:ATMEL/PHLIPS/SST公司的AT89/P89/STC89系列和AT87/P87系列单片机，越来越多地得到广泛应用。为了满足系统对控制的精确性和柔性化要求，本设计选用的是AT89C51型号的单片机作为自动回转刀架控制系统的控制核心。自动回转刀架的电气控制部分主要包括收信电路和发信电路两大块。3.2收信电路 图A中，发信盘上的6只霍尔开关（型号为 UGN3120U），都有3个引脚，第一脚接+12V电源，第二脚接+12V地线，第三脚为输出。转位时刀台带动磁铁旋转，当磁铁对准某一个霍尔开关时，其输出

12、端第3脚输出低电平；当磁铁离开时，第三脚输出高电平。6只霍尔开关输出的6个刀位信号T1T6分别送到图b的6只光耦合器进18行处理，经过光电隔离的信号再送给I/O接口芯片8255的PC2PC7。此外，I/O接口芯片8255的PC0直接接外部按钮,判断是手动换刀还是自动换刀。电动刀架发信盘3#4#2#6#5#1#NS123刀台旋转方向6只霍尔原件第一脚：+12v电源 第二脚：+12v地线 第三脚：6个刀位信号输出（T1-T6） A图3.3发信电路 图c为刀架电动机正反转控制电路，I/O接口芯片8255PA6与PA7分别控制刀架电动机的正转与反转。其中KA1为正转电器的线圈，KA2为反转继电器的线圈

13、。因刀架电动机的功率只有110W所以图中刀架电动机与380V市电的接通可以选用大功率直流继电器，而不必采用继电器-接触器控制电路，以节省成本，降低故障率。图C中，正转继电器的线圈KA1与反转继电器的一组常闭触点串联，而反转继电器的线圈KA2又与正转继电器的一组常闭触点串联，这样就构成了正转与反转的互锁电路，以防控制系统失控时导致短路现象。当KA1或KA2的触点接通380V电压时，会产生较强的火花，并通过电网影 响控制系统的正常工作，为此，在图d中布置了3对R-C阻容用来灭弧，以抑制火花的产生。4.硬件电路主要电子元件的工作原理4.1霍尔元件的工作原理和特性霍尔元件的工作原理硬件电路主要电子元件

14、的工作原理所谓霍尔效应，是指磁场作用于载流金属导体、半导体中的载流子时，产生横向电位差的物理现象。金属的霍尔效应是1879年被美国物理学家霍尔发现的。当电流通过金属箔片时，若在垂直于电流的方向施加磁场，则金属箔片两侧面会出现横向电位差。半导体中的霍尔效应比金属箔片中更为明显，而铁磁金属在居里温度以下将呈现极强的霍尔效应。利用霍尔效应可以设计制成多种传感器。霍尔电位差UH的基本关系为 UH=RHIB/dRH=1/nq（金属）。4.2霍尔开关的工作原理当一块通有电流的金属或半导体薄片垂直地放在磁场中时，薄片的两端就会产生电位差，这种现象就称为霍尔效应。两端具有的电位差值称为霍尔电势U，其表达式为

15、U=KIB,其中K为霍尔系数，I为薄片中通过的电流，B为外加磁场（洛伦慈力 Lorrentz）的磁感应强度，d是薄片的厚度。由此可见，霍尔开关的灵敏度高低与外加磁场的磁感应强度成正比的关系。霍尔开关就属于这种有源磁电转换器件，它是在霍尔效应原理的基础上，利用集成封装和组装工艺制作而成，它可方便的把磁输入信号转换成实际应用中的电信号，同时又具备工业场合实际应用易操作和可靠性的要求。4.3光电耦合器的工作原理单片机控制系统属于弱电控制部分，说它是干扰源是因为它的主电路部分属于强电控制部分，因此，为了保证系统工作稳定，在弱电和强电之间采用一定的隔离措施是非常必要的。常用的隔离方式有光电隔离、继电器隔

16、离、变压器隔离。在本设计中，采用了光电隔离保护措施。信号的隔离目的之一是从电路上把干扰源和易被干扰的部分隔离开来，使测控装置与现场仅保持信号联系，但不直接发生电的联系。为了抗干扰，本设计采用的是光电耦合器进行隔离的措施来抑制此种干扰，光电耦合器使被隔离两者之间只有光的联系，而不直接发生电的联系4.4芯片的工作原理8255芯片是一个典型的可编程通用并行接口芯片,用来扩展单片机的端口，对8255输入不同的指令可改变IO口的工作方式。8255与单片机系统连接方式简单，工作方式由程序设定，8255 内部有4个寄存器：分别为寄存器A、B、C 和控制寄存器。A、B、C 寄存器的数据就是引脚PA7PA0、P

17、B7 PB0、PC7PC0上输入或输出的数据。而控制寄存器的数据则表明PA、PB、PC 的工作方式。通过CS、A0、A1、RD 和WR对4个寄存器进行操作。实现方式：CS为低电平时选通8255；A1、A0-为地址选通；RD、WR-为读、写信号：RD为低、WR为高时为读方式，RD为高、WR为低时为写方式。D0D7为数据口。 向控制寄存器写入不同的数据可以使8255工作在三种不同的方式下。这里只介绍应用最多的方式0。方式0下8255的PA、PB及PC口上半部分（PC7PC4）和下半部分（PC3PC0）中任何一个端口都可以设定为输入或输出，PC口还可以进行位操作。它具有3个8位的并行口,有三种工作方

18、式,可作为单片机与各种外部设备连接的接口电路,且初始化很简单，8255的使用说明上都有，地址分配要看实际的连接情况，电路连好之后地址都是固定的了。5.控制软件设计 控制系统的CPU为AT89C51单片机，扩展8255芯片作为自动回转刀架的收信与发信控制，初始化的时候让8255工作在基本输入/输出方式（方式零）下，这样任何一个端口都可以输入或输出，方式0适用于无条件传送方式，此时，用8255作外设接口非常简单，在传送过程中不需要应答信号，由CPU执行IN/OUT指令就可以实现数据的输入/输出，程序简单，硬件节省。8255A口的最高两位（PA6和PA7）用于控制电机的正反转；B口高六位（PB2PB

19、6）用于操作者输入刀具号（即所需要的刀具号），用来和C口比较，判断所需刀具是否为当前刀具；C口的高六位PC2PC7作为六把刀具信号（当前刀具）的读入接口，用于选刀控制；C口的PC0作为是手动换刀还是自动换刀的控制，置0时为自动换刀，置 1 时为手动换刀；C口的PC1用于在手动换刀（即 PC0=1）的情况下判断有无换刀信号，若无换刀信号（PC1=0），则刀架不需要转位，若有换刀信号（PC1=1），则刀架转动一个刀位，然后再判断有无换刀信号，若无就延时锁紧。6程序的实现方法换刀工作原理的程序流程图开始换刀读入换刀信号，是否为自动换刀，手动换刀（自动换刀），是否有换刀信号，当前刀具是否为所需刀具，刀

20、架电动机正转，刀架电动机正转是否转过一个刀位？所需刀具转到工作位置吗？刀架电动机停转，刀架电动机停转所需刀具转到工作位置了吗？稍作延时，刀架电动机停转，刀架电动机反转，稍作延时，刀架电动机反转，延时锁紧，延时锁紧延时时间到否？延时时间到否？刀架电动机停转，刀架电动机停转，换刀结束。图E换刀工作原理的程序流程图程序的实现方法。结论结论本设计根据给定的课题设计要求，综合运用所学的基本理论、基本知识和相关的机械设计专业知识，完成了主要部件的装配并绘制了必要的零部件图，完成了整个自动刀架系统的设计。包括自动换刀装置的总体设计、原理方案的实现、主要部件的分析、传动零件的设计计算，单片机控制系统的实现。采

21、用三相异步电动机提供动力源，单片机进行系统控制。此外，控制电路采用光电隔离电路，最大程度的避免了干扰，单片机控制系统属于弱电控制部分，但却是干扰源，说它是干扰源是因为它的主电路部分属于强电控制部分，因此，为了保证系统工作稳定，在弱电和强电之间采用一定的隔离措施是非常必要的。收发信电路传感器采用霍尔元件，因为霍尔开关具有无触电、低功耗、长使用寿命、响应频率高等特点，内部采用环氧树脂封灌成一体化，所以能在各类恶劣环境下可靠的工作。通过以上设计，实现了数控机床6工位自动换刀装置的自动换刀和精确定位要求。参 考 文 献参考文献1、文怀兴、夏田编，数控机床系统设计M.化学工业出版社，2005、2、陈婵娟

22、主编，数控车床设计M.化学工业出版社，2006、3文怀兴主编，数控铣床设计M.化学工业出版社，2006、4、恽达明，金属切削机床M.机械工业出版社，2005、5、李蕾主编，精密机械设计M.化学工业出版社，2005、6、吴宗泽主编，机械设计实用手册M.化学工业出版社，1999、7、李朝青主编，单片机原理及接口技术E.北京航空航天大学出版社，2005.9、8、许立梓等编，微型计算机原理及应用E.机械工业出版社24。tgKQcWA3PtGZ7R4I30kA1DkaGhn3XtKknBYCUDxqA7FHYi2CHhI92tgKQcWA3PtGshLs50cLmTWN60eo8Wgqv7XAv2OHUm32WGeaUwYDIAWGMeR4I30kA1DkaGhn3XtKknBYCUDxqA7FHYi2CHhI92tgKQcWA3PtGZ7R4I30kA1DkaGtgKQcWA3PtGZ7R4I30kA1DkaGhn3XtKknBYCUDxqA7FHYi2CHhI92tgKQcWA3PtGshLs50cLmTWN60eo8Wgqv7XAv2OHUm32WGeaUwYDIAWGMeR4I30kA1D