经济型母线料头加工机床的设计.pdf

2 0 1 2年 8月 第4 0卷 第 1 5期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAUL I CS Au g ． 2 01 2 Vo 1 ． 4 0 No ． 1 5 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 2 ． 1 5 ． 0 2 2 经济型母线料头加工机床的设计 申龙章 ，樊瑜瑾 ，李浙昆 ，王开四 1 ．昆明理工大学机 电工程学院，云南昆明 6 5 0 0 9 3 ； 2 ．昆明昆开专用数控设备有限责任公 司，云南昆明 6 5 0 1 0 6 摘要为了经济方便地加工母线料头 ， 使其在形状和表面光洁程度上能满足应用要求，设计了一种基于单片机的母线 料头专用数控加工机床 ，采用铣削加工的方法，将母线料头加工成光滑圆角形状。加工机床控制系统C P U基于A T 8 9 C 5 2单 片机 ，通过步进电机驱动器驱动两个步进电机实现直线圆弧插补，实际使用表明机床设计满足用户要求。 关键词单片机；母线料头 ；专用数控机床 中图分类号T P 2 7 4 文献标识码B 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 2 1 5 0 7 7 2 De s i g n o f Ec o n o mi c a l M a c hi ne f o r Pr o c e s s o f He a d M a t e r i a l o f Bu s Ba r S H E N L o n g z h a n g ，F A N Y u j i n ，L I Z h e k u n ，WA N G K a i s i 1 ． C o l l e g e o f Me c h a t r o n i c E n g i n e e r i n g ，K u n m i n g U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y，Ku nmi n g Yu n n a n 6 5 0 09 3，Ch i n a； 2 ． K u n mi n g K u n k a i S p e c i a l i z e d C N C E q u i p m e n t C o ． ，L t d ． ， K u n mi n g Y u n n a n 6 5 0 1 0 6， C h i n a Ab s t r a c t A mi c r o c o n t r o l l e r - b a s e d s p e c i a l CNC ma c h i n e t o o l f o r e c o n o mi c a n d e a s y p r o c e s s i n g o f h e a d ma t e r i al o f b u s b a r Was d e s i g n e d，w h i c h ma d e t h e s h a p e an d s u lf a t e fi n i s h t o me e t the a p p l i c a t i o n r e q u i r e me n t s ． B y u s i n g mi l l i n g me tho d，the fi r s t ma t e r i al W as p r o c e s s e d i n t o b u s s moo th r o u n d e d s h a p e ． T h e c o n t rol s y s t e m C P U o f ma c h i n e t oo l W as b ase d o n AT 8 9 C 5 2 Mi c roc o n t rol l e r Un i t MC U ， and a s t r a i g h t l i n e c i r c u l a r i n t e r p o l a t i o n a c h i e v e d t h r o u gh t w o s t e p p e r m o t o r s d r i v e n b y s t e p p e r m o t o r d r i v e r s ．The a c t u a l 印- p l i c a t i o n i n t h e ma c h i n e t oo l s h o w s t h a t u s e r r e q u i r e me n t s are me t b y t h e d e s i gn ． Ke y wo r d s MC U； He a d ma t e ria l o f b u s b a r ； S p e c i al C NC ma c h i n e t o o l s 随着数控技术的不断应用和深入发展 ，数控机 床 不但在模 具 、航 空 、航 天 的领域 有 了更 广泛 的应 用 ，在各加工行业也开始普及数控加工技术。经过 2 0 0 9年 的经济危 机后 ，我 国以及世 界劳 动力价 格 飞 速上涨，而在加工制造业普及数控技术将极大缓解 这一危机 ，并通过提高效率从而获得更强的市场竞 争力。通用数控机床采用通用数控系统 ，用户可对 要加工 的零件编 程设 计 ，为加 工那 些结 构 复杂 、生 产周期短的零件提供了巨大方便。然而随着各种性 价高的微处理器的广泛应用，设计与制造各种加工 效率高的低成本专用数控机床成了生产厂商提高市 场竞 争力 的首要选择 。 虽然 当前数控技术发展迅猛 ，但 目前市场上 中高 档的数控系统基本上都是以P C机 工控机为硬件 平台，以运动控制板来实现对伺服电机的驱动控制， 这种方式性能固然优良，但价格昂贵 。低档的经济 型数控系统 以单片机为核心 ，以步进电机为执行机 构，由于其价格低廉，已在精度要求不高的低档机床 的数控化改造中得到了成功的应用，但采用这种方式 构成的数控系统往往人机交互性差、控制精度低、功 能单一。进一步提高单片机数控系统的控制精度与人 机交互性，使之达到或部分达到中高档 P C机数控系 统的性能 ，不仅对数控技术的研究具有重要的理论意 义 ，而且符合我国的国情 ，能产生良好的经济效益与 社会效益 。 目前 的单片机数控 系统主要存 在 4个 问题 1 为开环控制 ，无控制算法； 2 抗干扰能力差 ，运 行过程易受环境 中电磁 干扰 ； 3 运 算速度慢 ； 4 人机交互性差 。针对这些问题 ，并考虑到加工对象 的特征要求，设计并研制了一种基于 A T 8 9 C 5 2单片 机的母线料头专用数控加工机床 ，它具有 以下优点 i 控制算法上采用简化 的顺序逻辑控制，考虑 了 硬件与软件相结合 ； 2 控制信号输出采用光电隔 离 ，有效 防止 干扰 ； 3 采用汉 显式 液 晶显 示屏 及 标准键盘，用户只需按提示输入加工参数及指令 ，从 而改善 了人机交互方式 。 收稿 日期 2 0 1 1 0 7 2 5 基金项目国家 自然科学基金资助项 目 5 0 8 6 4 0 0 8 ；科技人员服务企业行动项 目 2 0 0 9 G J F 3 0 0 1 2 作者简介申龙章 1 9 8 8 一 ，男，硕士研究生，研究方 向为专用数控技术和数控系统开发。Em a i l s h e n l o n g z h a n g 1 2 6．c o rn o 7 8 机床与液压 第4 0卷 1 母线料头加工要求 母线料头数控加工机床属于专用数控机床，加工 的工件类型也比较单一，所以加工对象的参数要求决 定 了数控系统 的设计 。 加工机床加工的母线 ，用于在变电所 中各级 电压 配电装置的连接 ，以及变压器等电气设备和相应配电 装置的连接，大都采用的矩形或圆形截面的裸导线或 绞线，作用是汇集 、分配和传送电能，且一般是在高 电压、大电流的环境中工作 ，这就要求加工出来的母 线表面平整无毛刺 。 母 线加 工完成 后料头 需要 加 工 成 图 1所 示 形 状 。 目前国内采用的加工 方法主要有 3种 第一种 是使用模具冲压成型，这 种方法的缺点是模 具价格 J 、 的 图 1 母线料头加 工形状要求 较高，且成型母线料头毛刺多，需进行人工砂轮修 整；第二种是使用砂轮母线修形机 ，优点是加工出 来的母线光洁度很高，缺点是加工效率低 ；第三种是 使用国外进 口的数控铣削机床，缺点是价格过于昂 贵 。 所 以设计一 台加工效率高 、加工成 本低 的母线料 头专用数控加工机床可以满足 13 益增长的母线需求。 2 j n - r 机床的机械结构设计 母线料头数控加工机床加工的零件主要是铜铝母 线，加工强度和精度均不是太高，故床身采用简约紧 凑型设计方法。主轴电机经过皮带轮一级减速后驱动 铣刀运转 ， 、y两轴插补因为精度要求不是很高， 则选用性价比较高的步进电机。 J n - r 机床机械结构如 图 2所示 图 2 加工机床机械结构三维模型图 3 加工机床的控制系统设计 3 ． 1 硬件部分设计 由于 A T M E L公司的 A T 8 9 C系列单 片机具有较高 的性 价 比 ，且该 系列 中的 A T 8 9 C 5 2是 一 个低 电压 、 高性能 C M O S 8 位单片机，片内含 8 k b y t e s 的可反复 擦写的 F l a s h只读程序存储器和 2 5 6 b y t e s的随机存取 数据存储器 R A M ，器件采用 A T M E L公司的高密 度 、非易失性存储技 术生产 ，兼 容标准 MC S - 5 1 指 令 系统 ，片内置通用8位中央处理器和 F l a s h存储单元， A T 8 9 C 5 2单 片机在 电子行业 中有着广泛 的应用 。所 以数控系统 的 C P U选用 了 A T ME L公司生产 的 8位的 A T 8 9 C 5 2单 片机 。 ∞ 、 。 盥 片 机 8 2 7 9 键 盘 与 显 示 接 口 6 2 6 4 RAM 数据 存储 器 光 P { 兰 兰 皇 电 l 隔 l 离 l 继 电器 主 轴 电机 图 3 系统硬件结构示意图 如图 2所示 ，系统使用 8 2 7 9芯片管理键盘和 L C D的显示 ，扩展 了一 片 6 2 6 4 R A M存 储用 户输入 的 参数，并有掉电保护电路。通过光耦输出能有效隔离 各种 电磁干扰 ，提高 了系统 防干扰能力 。 3 ． 2软 件部 分设计 控制 系 统采 用 开 环 控制 ，虽然 步 进 电机 没 有累积误差 ，但机床在 反复加 工 过程 中难 免 会 产生 各种 误 差 ，所 以在 软件 设计 时 ，每加 工 完 一 个 零件 ，机床 坐 标 自 动回零，既有利于操作 人员装 卸下 一 个要 加 工 零件 ，又有 利 于本 次 加 工误 差 的 消 除 。软 件 流程如 图 4所示 。 直线 插 补 与 圆弧 插 补均采用逐点 比较法 ， 设终点坐标为 ，Y ， 当前 坐 标 为 ，Y ， 则直线偏 差 判别 公 式为 图 4 加工程序流程图 F Y b 一 x b y ，圆弧偏差判别公式为 F i Y 一 r ， 终点判别的方法是设置一个变量，初值为 ∑ Y ，每走一步变量值减一 ，判断变量值是否为零 。 插补算法流程如图 5所示 。 下转第9 6页 9 6 机床与液压 第4 0卷 系统的开发环境 如下 1 硬件平 台 根据要求使用 1～2台服务器 ，3～ 4台工作站 I P C 。 2 软件平 台 服 务 器 Wi n d o w s 2 0 0 3 S e r v e r企 业 版 ，S Q L S ERVER 2 0 0 0； 工作站Wi n d o w s X P ，WI N C C 。 3 开发平 台 体系结构客户端 浏览器或瘦客户端 服 务器 数据库 ； 服务器 Wi n d o w s 2 0 0 3 S e r v e r ，S Q L S E R V E R 2 0 O 0 ； 操作系统 Wi n d o w s 2 0 0 0以上 ； 开发平台 V C 6 ． 0 ，WI N C C和 S Q L S E R V E R 2 0 0 0。 4结论 建立 转 炉倾 动 自动 监 控 系 统 ，通 过构 建 基 于 P R O F I B U S D P的现场 总线 网络 ，利 用计 算机 技术 对 转炉倾动系统关键参量进行监控，对关键设备故障进 行准确定位 ，不仅可以弥补现有监控 系统 的不足 ，还 可 以及时发现设备的故障并 给出准确的结 论 ，从 而进 一 步提高企业现代化设备管理水平，达到预防和减少 故障 、延长设备使用寿命及提高生产率的 目的 。应用 情况表 明 所研制 的转炉倾动 自动监控系统解决 了生 产中的实际问题 ，提高了转炉设备的利用率和可靠 性 ，具有较好 的应用 价值 。 参考文献 【 1 】现场总线技术及其应用[ M] ． 北京 清华大学 出版社， 1 99 9． 【 2 】张涛， 李龙云． 转炉 自 动控制系统的设计与实践[ J ] ． 冶 金设备， 2 0 0 4 1 6 4 6 5 ． 【 3 】 苑明哲 ， 柳长春， 周悦 ， 等． 多总线集成方法研究[ J ] ． 工 业仪表与自动化装置， 2 0 0 2 1 6 9 ． 【 4 】王艳芳 ， 任胜杰， 李智强． P r o fi b u s 总线在智能温室监控 系统中的应用[ J ] ． 机床与液压， 2 0 1 0 ， 3 8 4 6 4 6 8 ． 【 5 】张坤 ， 谭晓东． 基于 P R O F I B U S现场总线的 P L C控制系 统设计[ J ] ． 机床与液压， 2 0 1 0 ， 3 8 2 2 1 0 41 0 6 ． 【 6 】施爱平， 沈今括． 基于 P R O F I B U S D P总线的智能阀门电 动执行机构的设计 [ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 9 ， 3 7 1 1 1 S 4 1 S 6 上接 第7 8页 图 5 插补流程 图 4结束语 作为一 台根据用户要求开发的专用数控机床 ，该 系统在全 面考虑 了加工要求和用户操作的基础上 ，以 降低成本 、提高性价比为目的，满足了用户需求；作 为一台校企合作项目所设计的专用数控机床 ，结合工 程设计人员的经验．，融入科技人员的理论 ，使得设计 的机床更具经济性 、实用性和可操作性；作为一台成 功应用的典型经济型专用数控机床，其设计方法可供 其他设计者参考，以满足更多机械加工需求。 参考文献 【 1 】王军， 刘劲松． 数控加工工艺 [ M] ． 武汉 武汉大学出版 社 ， 2 0 0 9 ． 【 2 】宋浩， 田丰． 单片机原理及应用[ M] ． 北京 清华大学出 版社 ， 2 0 0 5 ． 【 3 】黄黎明， 朱坚 民， 新型单片机数控装置的研制与开发 [ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 3 1 1 6 21 6 4 ． 【 4 】 胡东红， 王平江， 陈吉红． 外圆磨床数控系统研究 [ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 9 ， 3 7 5 51 0 ． 【 5 】 胡佳敏． 砂轮母线修形机数控系统软件设计[ D ] ． 2 0 0 9 ． 【 6 】 史耀耀， 李海宁， 余强， 等． 数控布带缠绕机设计与控制 技术研 究[ J ] ． 中国机械工程 ， 2 0 0 8 ， 1 9 1 2 1 4 3 3 1 4 36． 【 7 】艾建军 ， 李文． 数控铣削加工中灵活运用刀具半径补偿 [ J ] ． 机床与液压， 2 0 1 0 ， 3 8 1 2 3 5 3 6 ． 【 8 】赵青云． 基于步进电机的驱动器的设计与应用[ D] ． 天 津 河北工业大学 ， 2 0 0 8 ． 【 9 】张虎， 周云飞， 唐小琦， 等． 数控机床定位误差的软件补 偿[ J ] ． 华中科技大学学报 自然科学版 ， 2 0 0 1 ， 2 9 4 4 749．