基于单片机的数控机床刀架控制器的设计

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摘要:针对国产普通中低档数控装置与BSV－N/25系列刀架配套难的问题，使用AT89C51单片机，设计出一种价格低廉且容易与BSV－N/25刀架配套使用的刀架控制器。经过实际使用验证，功能正常，运行可靠。

关键词:刀架控制器数控机床单片机Design of Numerical Control Machine Turret Controller Based on Single Chip MicrocomputerZHOU Qihuang①，XIE Shulian②(Wuhan Huazhong Numerical Control Co.，Ltd Wuhan 430223，CHN)Abstract:This paper aiming at solving the match problem between homemade common mid or low rate numericalcontrol device and BSV－N/25 serial turret，introduces the design of a turret controller Wich has lowprice and easy to match with BSV－N/25 by using AT89C51 single chip microcomputer.Through practi-cal use and verification，the turret controller has normal function and is reliability.

Keywords:Turret;Controller;Numerical Control Machine;Single Chip Microcomputer随着单片机技术的不断发展，其性能越来越优越，应用范围也越来越广泛。机床数控技术是以数字化信息实现机床控制的一门技术，刀架是数控机床的重要组成部分，其性能指标直接影响数控机床的性能。

BSV－N/25系列刀架是意大利Duplomatic公司的产品，其结构精密，性能优越，应用于中、高档数控车床上，能满足中、高档数控车床快速、准确换刀的要求。

然而该系列刀架的换刀速度非常快，时序要求严格，控制过程较复杂，普通国产机床数控装置特别是中低档机床数控装置难以实现该系列刀架的快速换刀时序控制。本文就以解决普通国产中低档机床数控装置与BSV－N/25系列刀架配套难的问题作为出发点，使用8051系列单片机，开发出一种低价位且容易与BSV－N/25刀架配套使用的刀架控制器。使用该控制器作为中间控制接口，实现中低挡数控系统对高挡BSV－N/25系列刀架控制。

1 BSV－N/25系列刀架简介

1.1 BSV－N/25系列刀架结构BSV－N/25系列刀架的电气结构如图1所示。

其中:①三相异步电动机3，控制该电动机正反转，可实现正向或反向换刀;②电动机过热保护开关4，正常情况下，此开关闭合，如果电动机过热，此开关断开;③电动机抱闸控制继电器5，当接通24 V直流电源时，电动机抱闸，断开24 V直流电源时，松闸;④电磁插销控制继电器1，刀架到位时接通24 V电源，插销伸出，断电插销缩回;⑤插销到位检测传感器2，当插销到位时，该检测信号为“1”;⑥刀架到位锁紧检测传感器7，当刀架到位锁紧时，该锁紧检测信号为“1”;⑦刀架位置偏码器(绝对型)6，将刀架刀位号按4位二进制编码。该编码器还有“strobe”和“奇偶检验”信号输出。

1.2 BSV－N/25刀架换刀时序

BSV－N/25系列刀架换刀时序如图2所示。第一部分给出的是从位置1到2顺时针旋转换刀时序，第二部分给出的是从位置2到12按逆时针旋转换刀时序。BSV－N/25系列刀架换刀时序要求如下:(1)要求控制刀架能就近(选)换刀。

(2)刀架接到数控装置发出的换刀命令后，首先检查插销是否缩回。插销缩回后，松闸、起动三相异步电动机控制该电动机正反转，实现正向或反向换刀。

当到达目标刀位的前一个刀位时，若检测到选通信号(STROBE)下降沿，则发出伸出电磁插销命令信号(由于每个刀位之间都有一个选通信号从刀架位置编码器发出，而插销动作需严格按照时序控制)，其时间不能有延迟，从检测到选通信号开始到插销伸出动作过程必须确保在0.1 s内完成，否则将换到下一个刀位，产生换刀位置错误。

(3)检测到插销到位检测信号(BFIN)后，换刀电动机停止，延时50 ms后，换刀电动机反转。

(4)检测到刀位锁紧检测信号(CFIN)后，换刀电动机停止，延时200 ms后，缩回插销，换刀结束。

1.3刀架就近(选)换刀

图3是刀架动作示意图。刀架容量为12把刀，刀具号与刀座号一一对应，刀架顺时针旋转为正向旋转;逆时针为反向旋转。在加工运行中，刀架沿最短路径旋转，使目标刀具趋近换刀位置。在到达目标位置前一刀座位置时，插销伸出，直到插销到位时，电动机停转延时一个规定时间，接着电动机反向旋转，锁紧刀架。刀架锁紧后电动机停止并抱闸，发出缩回插销命令。插销缩回后，换刀过程结束。

2刀架控制器硬件电路设计

根据BSV－N/25系列刀架与数控系统PLC接口简单，操作方便的要求，设计出刀架控制器的原理框图如图4所示。

图4中，刀架控制器与数控装置通过PLC(I/0)接口相连，数控装置发出的刀号(CD0～CD3)和控制信号(CSTB、RESET)经过光电隔离电路后送入AT89C51单片机，单片机处理后的信号经过驱动，通过继电器输出电路来实现对刀架的控制。系统需要的24 V电源通过DC/DC隔离后输入。其中光电隔离输入电路和继电器输出电路如图5和图6所示，使得控制系统与受控现场直接相连的开关量输入/输出接口线路实现了隔离，去掉了彼此间的公共地线和一切电器联系，从而免除了因公共地线所带来的各种干扰，实现了受控现场产生的各种具有破坏性的暂态过程与刀架控制器、主机系统的完全隔离，保证了主控系统能可靠工作在既平稳又安静的环境之中。