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      1 引言

      加工中心是指備有刀庫，具有自動(dòng)換刀功能，對工件一次裝夾后可以進(jìn)行多道工序加工的數(shù)控機(jī)床。數(shù)控銑床通過改造加上自動(dòng)換刀系統(tǒng)就可以得到一臺全功能的加工中心。加工中心能大大減少了工件裝夾時(shí)間、測量和機(jī)床調(diào)整等輔助工序時(shí)間，同時(shí)減少了多次安裝造成的定位誤差，提高加工精度，能實(shí)現(xiàn)高精高效的加工[1]。

      1.X-Y 精密數(shù)控工作臺2.立柱3.拉刀裝置4.電主軸5.控制箱6.限位傳感器7.橫梁8.直流電機(jī)9.刀庫旋轉(zhuǎn)裝置10.刀柄11.盤式刀庫隨著我國工業(yè)的不斷發(fā)展，模具制造業(yè)、機(jī)械加工業(yè)得到了大力發(fā)展，加工中心以其高自動(dòng)化程度得到廣泛應(yīng)用。然而，目前市場上生產(chǎn)和銷售的都是以大、中型的加工中心為主，小型加工中心幾乎是空白，而機(jī)械加工業(yè)、小型模具的制造、工科院校、技工學(xué)校等對小型加工中心存在著大量的需求[2]。為了填補(bǔ)市場的空白，本臺自主研發(fā)制作的微型立式加工中心應(yīng)運(yùn)而生。加工中心工作臺采用X-Y 雙向精密數(shù)控工作臺；可以進(jìn)行X、Y、Z 三個(gè)方向的進(jìn)給；配裝自動(dòng)換刀系統(tǒng)，可以完成銑、鉆、擴(kuò)、鉸、锪、攻絲等多種加工工序，體積小、結(jié)構(gòu)緊湊，不但可滿足本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要，還能進(jìn)行小型板類、盤類、叉架類和箱體類等復(fù)雜零件的多品種中小批量加工。整體結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。加工中心的關(guān)鍵技術(shù)在于自動(dòng)換刀系統(tǒng)裝置。針對自主研發(fā)制作的微型立式加工中心進(jìn)行闡述自動(dòng)換刀控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

      2 自動(dòng)換刀裝置結(jié)構(gòu)原理

      加工中心自動(dòng)換刀裝置有兩種形式：有機(jī)械手換刀和無機(jī)械手換刀。有機(jī)械手換刀方式是當(dāng)主軸位于換刀點(diǎn)位置時(shí)首先利用機(jī)械手把主軸上的舊刀取下來再把刀庫上的刀具送到主軸上，最后把已用過的刀具返送到刀庫上。換刀時(shí)間短，但其機(jī)械結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。而無機(jī)械手換刀是直接在刀庫與主軸（或刀架）之間的相對運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)換刀的自動(dòng)換刀方式，結(jié)構(gòu)簡單。由于小型加工中心體積小，相對于有機(jī)械手換刀方式來說，無機(jī)械手換刀方式更適合于小型加工中心[3]。

      加工中心自動(dòng)換刀系統(tǒng)采用無機(jī)械手固定換刀方式，即每次換刀的過程，刀套號與刀具號始終一一對應(yīng)，如N號刀套中始終是N號刀。利用刀庫和主軸的相對運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)刀具的更換。其中刀盤的旋轉(zhuǎn)是由直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)馬氏機(jī)構(gòu)帶動(dòng)刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)，這種結(jié)構(gòu)能準(zhǔn)確控制轉(zhuǎn)角、工作可靠、機(jī)械效率高；以用光電開關(guān)來實(shí)現(xiàn)刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)計(jì)數(shù)；刀庫的進(jìn)退由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)絲杠驅(qū)動(dòng)，為了工作可靠，采用機(jī)械開關(guān)作為前后極限的限位開關(guān)。主軸的拉刀裝置采用電磁鐵作為力源，通過杠桿的擴(kuò)力實(shí)現(xiàn)主軸抓刀和松刀。

      3 自動(dòng)換刀過程介紹

      下面以主軸上的1 號刀而需換成2 號刀為例來闡述自動(dòng)換刀系統(tǒng)的工作過程。該換刀過程在G 代碼中可通過M 指令實(shí)現(xiàn)，具體指令序列為M06T02。如圖2 所示，為本換刀裝置的換刀過程圖。換刀過程經(jīng)過了如下8 個(gè)步驟：（1）系統(tǒng)接到換刀指令時(shí)，主軸準(zhǔn)停，將刀盤旋轉(zhuǎn)至1 號刀所在的位置。運(yùn)動(dòng)過程示意圖，如圖2（a）所示。（2）Z 軸運(yùn)行至換刀點(diǎn)位置，由光電開關(guān)來實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)停，如圖2（b）所示。（3）刀盤慢速前進(jìn)至換刀位置，使在主軸上的1 號刀進(jìn)入刀庫的1 號刀座，如圖2（c）所示。（4）主軸上用于抓刀的電磁鐵得電，主軸松刀。主軸上升至零點(diǎn)位置，如圖2（d）所示。（5）刀盤旋轉(zhuǎn)，將2 號刀旋轉(zhuǎn)至刀庫的當(dāng)前位置，如圖2（e）所示。（6）主軸下降至換刀點(diǎn)位置，將2 號刀裝入主軸，電磁鐵失電，主軸抓刀。如圖2（f）所示。（7）刀庫后退至初始位置。如圖2（g）所示。（8）主軸上升至原點(diǎn)位置，完成整個(gè)換刀過程。如圖2（h）所示。

      4 自動(dòng)換刀控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

      4.1 總體設(shè)計(jì)

      微型加工中心采用了獨(dú)立的自動(dòng)換刀控制器來單獨(dú)完成換刀功能，它是一個(gè)與數(shù)控系統(tǒng)相對獨(dú)立的子功能模塊。在這里，我們采用了51 單片機(jī)作為換刀子系統(tǒng)的主控器。數(shù)控系統(tǒng)在進(jìn)行G 代碼解釋時(shí)遇到換刀指令時(shí)，通過串口向自動(dòng)換刀子系統(tǒng)發(fā)送換刀命令并處于等待狀態(tài)。自動(dòng)換刀控制器根據(jù)接收到的命令參數(shù)執(zhí)行換刀任務(wù)。由于Z 軸為數(shù)控系統(tǒng)和換刀子系統(tǒng)所共用，需要根據(jù)所處狀態(tài)來決定Z 軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的控制權(quán)，為此設(shè)置了信號超越電路，在換刀狀態(tài)時(shí)，由自動(dòng)換刀系統(tǒng)控制Z 軸電機(jī)。而當(dāng)換刀任務(wù)執(zhí)行完時(shí)，將Z 軸控制權(quán)返回?cái)?shù)控系統(tǒng)同時(shí)通過串口向數(shù)控系統(tǒng)發(fā)送換刀完成信號并等待下次換刀命令的到來；數(shù)控系統(tǒng)收到換刀完成信號后繼續(xù)執(zhí)行后面的數(shù)控加工代碼進(jìn)行加工。自動(dòng)換刀系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖，如圖3 所示。

      4.2 硬件設(shè)計(jì)

      4.2.1 信號接收電路設(shè)計(jì)

      自動(dòng)換刀系統(tǒng)和數(shù)控系統(tǒng)之間是通過串口傳送和接收控制命令的，因此串口通訊的設(shè)置十分重要。系統(tǒng)中采用MAX232 作為RS232 電平和TTL 電平的轉(zhuǎn)換，電路原理圖，如圖4 所示。

      4.2.2 PWM 脈沖輸出電路設(shè)計(jì)

      電路原理圖，如圖5 所示。為了對輸出的脈沖信號加以整頓，在此并聯(lián)一個(gè)電容C。

      4.2.3 刀盤旋轉(zhuǎn)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

      刀盤的旋轉(zhuǎn)是由直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)馬氏結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的。刀盤上依次按順序標(biāo)出（1~5）號刀的刀號，假如在換刀過程中，需要由1 號刀換為2 號刀，或者由1 號刀換為5 號刀，為了使刀盤依最短的時(shí)間旋轉(zhuǎn)到目標(biāo)刀位置，需要根據(jù)目標(biāo)刀號與當(dāng)前刀號之間的最短路徑來決定直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片采用ST 公司的雙極型H 橋驅(qū)動(dòng)芯片L298N，L298N 內(nèi)部包含兩個(gè)H 橋的高電壓大電流橋式驅(qū)動(dòng)器，接收標(biāo)準(zhǔn)TTL 邏輯電平信號，可以驅(qū)動(dòng)46V、2A 以下的電機(jī)。電路圖，如圖6 所示。電機(jī)工作的邏輯表，如表1 所示。

      4.2.4 電磁閥驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

      自動(dòng)換刀系統(tǒng)的拉刀裝置是利用電磁鐵的通斷來實(shí)現(xiàn)的。電磁閥的工作電壓為24V 且為感性負(fù)載，而單片機(jī)工作電壓為5V，采用TTL 電平。因此必須通過功率放大才可驅(qū)動(dòng)，同時(shí)為了避免電磁鐵開閉對控制電路的信號干擾，在這里采用TLP521 光藕進(jìn)行隔離，并完成電平轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)中電磁鐵的通斷控制采用N溝道場效應(yīng)管作為開關(guān)元件，因?yàn)閳鲂?yīng)管有很大的工作電流和導(dǎo)通電阻，這樣便于降低功耗。但由于場效應(yīng)管柵極的工作電壓較高，為了保證場效應(yīng)管的可靠導(dǎo)通，需要加入10V 左右的電壓。為此采用了24V 供電并將光隔串聯(lián)在柵極的供電回路中，串接了4.7K 的限流電阻，并加入了10V 的穩(wěn)壓管防止場效應(yīng)管因柵極電壓過高而損壞。電路圖，如圖7 所示。

      4.3 軟件設(shè)計(jì)

      該系統(tǒng)是采用Keil 公司的uVision2 作為開發(fā)環(huán)境。它集編輯，編譯，仿真于一體，支持C51 及匯編編程。由于C 語言編程具有較好的通用性、可讀性及可移植性，本控制系統(tǒng)采用C 語言作為編程語言。

      自動(dòng)換刀系統(tǒng)的主程序，如圖8 所示。上電開始，控制系統(tǒng)初始化，串口初始化，讓刀庫位于初始點(diǎn)，當(dāng)前刀位位于某一號刀處。然后等待數(shù)控系統(tǒng)的換刀命令。當(dāng)接收到換刀命令時(shí)，主軸馬上停止工作，Z 軸上升至原點(diǎn)并在超越電路的控制下?lián)Q為自動(dòng)換刀系統(tǒng)來控制，經(jīng)比較當(dāng)前刀號和編程刀號，若當(dāng)前刀號和編程刀號相同，則單片機(jī)直接向數(shù)控系統(tǒng)發(fā)送換刀完成任務(wù)；若不相同，則看主軸有沒有刀，假如沒刀，則刀庫不用進(jìn)行取刀過程，假如主軸有刀，則要先取下舊刀再更換新刀，然后刀庫和Z 軸回到零點(diǎn)，Z 軸的控制權(quán)交與數(shù)控系統(tǒng)，單片機(jī)通過串口向數(shù)控系統(tǒng)發(fā)送換刀完成信號并繼續(xù)等待下次換刀命令的到來，數(shù)控系統(tǒng)繼續(xù)執(zhí)行加工任務(wù)。其中，可變脈寬PWM 的輸出是利用單片機(jī)的定時(shí)器T0 控制PWM 的占空比，T1定時(shí)器控制脈寬的方式實(shí)現(xiàn)的。

      5 小結(jié)

      介紹的一種通過單片機(jī)來對微型加工中心盤式刀庫的自動(dòng)換刀系統(tǒng)的控制方案。主控器采用單片機(jī)，結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉。在IO 電路中采用光隔，提高了主控器工作的穩(wěn)定性。換刀系統(tǒng)通過RS232 和數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行通信，降低了對數(shù)控系統(tǒng)的依賴性。方案通過重復(fù)試驗(yàn)證明了其穩(wěn)定可靠性。為小型加工中心的發(fā)展和廣泛應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。