1 引言

      加工中心是指備有刀庫，具有自動換刀功能，對工件一次裝夾後可以進（jìn）行多道工序加工的數（shù）控機（jī）床。數控銑床通過改造（zào）加上（shàng）自動換刀係統就可以得到一台全（quán）功能的加工中心。加工中（zhōng）心能（néng）大大（dà）減少了工件裝夾時間、測量和機床調整等輔（fǔ）助（zhù）工（gōng）序時間，同時減少了多次安裝造成的定位誤差，提高加工精度，能實現（xiàn）高精高效的（de）加工[1]。

      1.X-Y 精密數控工作台2.立柱3.拉（lā）刀裝置4.電主軸5.控製箱6.限位傳感器（qì）7.橫梁8.直流電機9.刀庫旋轉裝置10.刀柄11.盤式刀庫隨著我國工業的不斷發展，模具製造業、機械加工業得到了大力發展，加工中心以其高自動（dòng）化程度得到廣泛（fàn）應用。然而，目（mù）前市場上生產和銷售的都是以大、中型的（de）加工中心為主，小型加工中心（xīn）幾乎是空白，而機械加工業、小型模具的製造、工科院校、技工學校等（děng）對小型加工中心（xīn）存在著大量的需求[2]。為了填補市場的空白，本台自主研發製作的微型立式加（jiā）工中心應運而生。加工中心工作（zuò）台采用X-Y 雙向（xiàng）精（jīng）密數控工作（zuò）台；可以進行X、Y、Z 三個方向的進給；配裝自動換刀係統（tǒng），可以完成銑、鑽、擴、鉸、锪、攻絲等多種加工（gōng）工序，體積小、結構緊湊，不但（dàn）可滿足本科實驗教學的需要，還能（néng）進行小型板（bǎn）類、盤類、叉架類和箱體類等複雜零件的多品種中小批量加工。整體結構，如圖1 所示。加工中心的關鍵技術在於自動換刀係統裝置。針對自主研發製（zhì）作的微（wēi）型立式加工中心進行闡（chǎn）述自動換刀控製係統的設計。

      2 自動換刀裝置結構原理（lǐ）

      加工中心（xīn）自動換刀（dāo）裝置有兩種形式：有機械手換刀和無機（jī）械手換刀。有機械手換（huàn）刀方式是當主軸位於（yú）換刀點位置時首先利用機械手把主軸上的舊刀取下來再把刀庫上的刀（dāo）具送到主軸上，最後把（bǎ）已（yǐ）用（yòng）過的刀具返送到（dào）刀庫上。換刀時間短，但其（qí）機械結構比較複雜。而無機械（xiè）手換刀是直接在刀庫（kù）與主軸（或刀架）之間的相對運動來實現換刀的（de）自動換刀方（fāng）式，結構簡單。由於小型加工中（zhōng）心體積小，相對於有機械手換刀方式來說，無（wú）機械手換（huàn）刀方式更適合於小型加工中心[3]。

      加（jiā）工中心自動換刀係統采用（yòng）無機械手固定換刀方（fāng）式，即每次換刀的過程，刀（dāo）套號與刀具號始終一一對應，如N號刀套中始終是N號刀。利用刀庫和主軸的相對運動實現刀具的更換。其中刀盤的旋轉是由直流電機驅動馬（mǎ）氏（shì）機構帶動刀盤轉動，這種結構能準（zhǔn）確控製轉角、工作可靠、機械（xiè）效率高；以用光電開關來實現刀盤轉動的圈（quān）數計數；刀庫（kù）的進退由（yóu）步進電機帶（dài）動絲杠驅動（dòng），為了工作可靠，采用機械開關作為前後極限的限位開關。主（zhǔ）軸的拉刀裝置采用電磁鐵作為力源，通（tōng）過杠杆的擴力實現主軸抓刀和鬆刀。

      3 自（zì）動換刀過程（chéng）介紹

      下麵以主軸上的（de）1 號刀而需換成2 號刀為例來闡述自動換（huàn）刀係統的工（gōng）作過程。該換刀過程在G 代碼中可通（tōng）過M 指令實（shí）現，具體（tǐ）指令序列為M06T02。如圖2 所示，為本換刀裝置的換刀（dāo）過程圖。換刀（dāo）過（guò）程經過了（le）如下8 個步驟：（1）係統接到換刀指令時，主軸準停，將刀盤旋轉至1 號刀所在的位置。運動過程示意圖，如圖2（a）所示。（2）Z 軸運（yùn）行至換刀點位置，由光電開關來實現準停，如圖2（b）所示。（3）刀盤（pán）慢（màn）速前進至（zhì）換刀位（wèi）置，使在主軸上的（de）1 號刀進（jìn）入刀庫的1 號刀座，如圖2（c）所示。（4）主軸上用於抓刀的電（diàn）磁鐵得電，主軸鬆刀。主（zhǔ）軸上升至零點位置，如圖2（d）所示。（5）刀盤（pán）旋轉，將2 號刀旋（xuán）轉至刀庫的當前位置，如圖2（e）所示（shì）。（6）主軸下降至（zhì）換刀點位置（zhì），將2 號刀裝入主軸，電磁鐵失電，主軸（zhóu）抓刀。如圖（tú）2（f）所（suǒ）示。（7）刀庫後退至初始位置（zhì）。如圖2（g）所示。（8）主軸上升至原點（diǎn）位置，完成整個換刀過程。如圖2（h）所示。

      4 自動換刀控製係統設計

      4.1 總體設計

      微型加工中心采用了獨立的自動換刀控製器來單獨完成換刀功能，它是一（yī）個與數控係統相（xiàng）對獨立的子功能模（mó）塊。在這裏，我們采用了51 單片機作為換刀子係統的主控器。數控係統在進行G 代碼解釋時遇到換（huàn）刀指令時，通過串口向自動換刀子係統發送換刀命令並處於等待狀態。自動換刀控製器根據接收到（dào）的（de）命令參數執行換刀任務。由於Z 軸為數控係統和換刀（dāo）子係統所共（gòng）用，需（xū）要根據所（suǒ）處狀態來決定Z 軸電機驅動器的控製權，為此設置了信（xìn）號超越電路，在換刀狀態時，由自動換刀（dāo）係統控製Z 軸電機。而當換（huàn）刀任務執行完時，將Z 軸控製權返回數控係統同時通過串口向數控係統發送換刀完成信號並等待下次換刀命令（lìng）的到來；數控係統收（shōu）到換刀完成信號後繼續執行後麵的數控加工代碼進行（háng）加（jiā）工。自動換刀係統總體結構圖，如圖3 所示。

      4.2 硬件設計

      4.2.1 信（xìn）號接收電路設計

      自動換刀係統和數（shù）控係統之間是通過（guò）串（chuàn）口傳送和接收控製命（mìng）令的，因此串口通訊的設置十（shí）分（fèn）重要。係統（tǒng）中采用MAX232 作為RS232 電平和TTL 電平的（de）轉（zhuǎn）換，電路原理圖，如圖4 所示（shì）。

      4.2.2 PWM 脈（mò）衝輸出電路設計

      電路原（yuán）理（lǐ）圖，如圖5 所示。為（wéi）了（le）對輸出的脈衝（chōng）信號加以整頓，在此並聯一個電容（róng）C。

      4.2.3 刀盤旋轉直流（liú）電機驅動電路

      刀盤的旋轉是由（yóu）直流電機驅動馬氏結構來實現的（de）。刀（dāo）盤（pán）上依（yī）次按順序標出（1~5）號刀的刀號，假（jiǎ）如在換刀過程中，需要由1 號（hào）刀換（huàn）為2 號（hào）刀，或者由（yóu）1 號刀換為5 號刀，為了使刀盤依最短的時間旋轉到目標刀位置，需要根據目標刀號與當前刀號之（zhī）間的最短路徑來決定直流電機的正反轉。電機的驅動芯片采（cǎi）用ST 公司的雙極型H 橋驅動芯片L298N，L298N 內部包含兩個H 橋的高電（diàn）壓大電流橋式驅動器，接收標準TTL 邏輯電平（píng）信號，可以驅動46V、2A 以下（xià）的電（diàn）機。電路圖，如圖6 所（suǒ）示。電機工作的邏輯（jí）表，如表1 所示。

      4.2.4 電磁閥驅動電路設計

      自動換刀係統的拉刀裝置是利用電磁鐵的通斷來實現的。電磁閥的工作電壓為24V 且為（wéi）感性負載，而單片（piàn）機工作電壓為5V，采用TTL 電平。因（yīn）此必須通過功（gōng）率放大才可驅動，同（tóng）時為了避免電（diàn）磁鐵開閉（bì）對控製電路的信（xìn）號幹擾，在這裏采用TLP521 光藕進行隔離，並完成電平轉換。係統中電磁鐵的通斷控製（zhì）采用N溝道場效應管作為開關元件，因為場效應管有很（hěn）大的工作電流和導通電阻，這樣便於降低功耗。但由於場（chǎng）效應管柵極的工作電壓較高，為了（le）保證場效應管（guǎn）的可靠導通，需要加入10V 左右的電壓。為此（cǐ）采用（yòng）了24V 供電並將（jiāng）光隔串聯在柵（shān）極的供（gòng）電回路中，串接了4.7K 的限流電阻（zǔ），並加入了10V 的穩壓管（guǎn）防止場效應管因柵極電壓過高而損壞（huài）。電路圖，如圖7 所示。

      4.3 軟件設計

      該係統（tǒng）是采用Keil 公司的uVision2 作為開發環境。它集編輯，編譯，仿真（zhēn）於一體，支持C51 及匯（huì）編編程。由於C 語言編程具有（yǒu）較（jiào）好的通用性、可讀性及可移植性，本控製係統采用C 語言作為編（biān）程語（yǔ）言。

      自（zì）動換刀係統的主程序，如圖8 所示。上（shàng）電開始（shǐ），控製係統初始化，串口初（chū）始（shǐ）化，讓刀（dāo）庫位於初始點，當前刀位位於某一號刀處。然後等待（dài）數控係統的換刀命令。當（dāng）接（jiē）收到換刀命令時，主軸馬上停止工作，Z 軸上升至原點並在超（chāo）越電路的控製下換為自動換刀係（xì）統來控製，經比較當前刀號和編程刀號，若當前刀（dāo）號和編程刀號相同，則單片機直接向數控係統發送換刀完成任務（wù）；若不相同，則看主軸有沒有（yǒu）刀，假如沒刀，則刀庫不用進行取刀（dāo）過（guò）程，假如主軸有刀，則要先取下舊（jiù）刀再更換新刀，然後刀庫和Z 軸回到零（líng）點，Z 軸的控製權交與數控係統，單片機通過串口向數控係（xì）統發送換刀完成信號並繼續等待下次換刀命令的到來（lái），數控係（xì）統繼（jì）續執行加工任務。其中，可變脈寬PWM 的（de）輸出是利用單片機的定時器T0 控製PWM 的占空比，T1定時器（qì）控製脈寬的方式實現的。

      5 小結

      介紹的一種通過單片機來對微型加工中心盤式刀庫的自動換刀係統（tǒng）的控製（zhì）方案。主控器采用單片機，結構簡單，成本低廉。在（zài）IO 電路中采用光隔，提高了主控（kòng）器（qì）工作的穩定（dìng）性。換（huàn）刀係統通過（guò）RS232 和（hé）數控係統進行通信，降低了對數控係統的依賴性。方案（àn）通過重複試驗證明了其穩定可（kě）靠性。為小型加工中心的發展和廣（guǎng）泛應用（yòng）打下了基礎。