46+CA6140车床刀具温度单片机控制系统设计
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46
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车床
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单片机
控制系统
设计
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使用软件1 床刀具温度单片机控制系统设计 摘要 当今社会上各种机械加工业都在迅猛发展， 车床是机械加工核心工具，随着科学技术的发展，车床 也在不断向着高精度、高效率、高自动化方向发展，数控车床 已经成为主流设备，逐渐取代老旧的普通车床。 我国目前机床总量约 400余万台 ,但其中数控机床总数只有 20 余万台 ,机床的数控化率极低。 国内起 步较晚，技术较为落后，有着大量的老旧 车床 ，又因其缺乏专业的维修与保养，促使机床的工作精度大大降低。而从国外购置新型数控车床的价格又颇为昂贵，普通企业根本无法负担。 在机械制造业中 , 虽然已发展出各种不同的零件成型工艺 , 但目前仍有 90% 以上的机械零件是通过切削加工制成。在切削过程中 , 机床作功转换为等量的切削热 , 这些切削热除少量逸散到周围介质中以外 , 其余均传入刀具、切屑和工件中 , 刀具、工件和机床温升将加速刀具磨损 , 引起工件热变形 , 严重时甚至引起机床热变形。因此 ,在 机床的切削加工过程当中， 对切削温度的测量非常重要。在高速 车床当中， 为了 提 高车床加工精度， 刀具在切削过程中 的受热变形一定要控制住， 这个仅仅 知道 刀具 温度是不够的， 还需要引入自动 控制技术 进行 实时控制。 本 论文以 通 车床为研究对象， 根据 数控技术原理，运用了单片机应用技术、自动控制技术和测试传感器技术，提出了车床刀具温度的控制系统方案。设计了基于 车床 刀具 温度 控制电路 和 软件。 关键词 ：数控车床；刀具温度；单片机控制 2 s a of in is of of My 00 NC is 0, NC is is of of of of of NC is In 0% by In of in to a of of by by of in of of is In in to in of be is to In as to C of CU 3 目录 摘要 . 1 . 2 第一章 绪论 . 5 题的研究背景和研究意义 . 5 内外研究现状 . 5 外研究现状 . 5 内研究现状 . 6 案背景技术简介 . 6 控车床 . 6 度检测的主要方法 . 7 课题的主要研究内容 . 8 章小结 . 8 第二章 车床结构及系统总体设计方案 . 9 床简介 . 9 统总体设计方案 . 10 章小结 . 10 第三章 系统硬件设计 . 11 统硬件设计方案 . 11 央处理器 . 11 介 . 11 要性能参数 . 12 脚说 明 . 12 殊功能存储器 . 14 片擦除 . 15 位电路的设计 . 15 钟电路设计 . 16 外测温传感器 . 16 外测温传感器的工作原理 . 16 外测温传感器的选择 . 17 号调理电路 . 18 。金属切削加工使用刀具或磨具从工件表面切除多余材料，以实现零件的几何形状、尺寸精度、表面粗糙度和表面层质量。刀具作为切削过程的直接执行者，在切削加工过程中不可避免地会发生磨损或破损。刀具磨损或破损会使零件的加工精度下降，零件表面粗糙度及表层质量恶化，严重时将使刀具失去切削能力，甚至危及机床设备。 因为切削热而产生的温度变化是造成刀具磨损，破损的一个重要原因。切削温度升高后，刀具的磨损量增大，降低了工件的加工精度，这些都是切削过程中不利的一面。因此有必要研究切 削过程中热量的产生和传递的规律，了解刀具中温度的分布状态。多年来，人们对于切削温度的研究也给予了足够的重视。但因为切削温度的研究无论是在实验室测量方法还是理论分析上，基本上局限于连续车削和稳定状态下的切削温度的研究。因此设计 一个 在线 的自动控制的刀具温度控制系统 ， 是 防止设备的损坏，工件的报废并保证机床无故障运行的必然 手段。 内外 研究 现状 随着红外温度检测技术的发展，国内外研究人员开始利用红外热辐射法进行非接触式检测刀具或者工件的表面切削温度。该方法利用红外传感器聚焦于刀具表面的固定位置，然后通过刀具表 面的辐射强度检测刀具表面的切削温度，由传热学原理可知，刀具切削区温度的变化会造成刀具表面的切削温度的变化，从而可以通过试验测量刀具表面的切削温度的变化来间接识别刀具的状态 1。 外 研究现状 目前研究切削温度一般通过试验测量和理论计算两种方法。其中， 先测得铣削被加工表面的温度，然后再利用热传导反求法来推算铣刀的铣削温度。 利用边界元有限元混合法建立车刀和工件的温度分布的有限元6 模型，分析出刀具和工件的温度分布情况。 4利用有限元方法建立正交切削过程中刀具的温度分布的有限元模型，同时说明了有限元法比解析法能更好地模拟温度的分布情况。 E. 利用热电偶测量刀具温度，同时利用软件仿真金属车削加工的过程，结合试验测量值进行修正完善仿真的过程。u 等在假设切削过程中，刀具和工件的导热系数，比热以及密度稳定的情况下，建立涂层车刀的一维的温度分布的模型，分析出刀具一维温度分布的情况。详细阐述了切削过程中切削热产生的过程，以及第一第二变形区产生的热流密度，明确了切削过程中的刀 具的温度分布边界条件，最后建立了刀具的有限元温度分布模型。 i 等 5利用斜切削模型计算热流密度，建立钻削过程中钻头的的温度分布的有限元模型，结合试验测量值进行修正完善钻头的温度分布模型，分析出钻头的温度分布情况。 内 研究现状 国内 研究人员对红外测温技术 也 早已经展开研究， 山东大学的王兰 6利用红外线测温技术，用 试 110式变压器的温度进行实时监控，从而设计出一套包含采集，处理，显示的功能的完整的测温监控系统。陈东生 7等利用红外测温仪，快速移动传感器对 其工件进行匀速扫描来实现工件温度分布的监控，结果表明能够快速地反应工件温度的分布变化，其精度可达 1，满足监控的要求。赵友权等 8分析了常低温辐射测量误差和物体发射率的关系，并针对测量过程中的发射率校正做了较详细的分析。杨巧凤 9,10等采用红外辐射测量技术对铝合金铣削温度进行了间接的，相似的，直观的测量，通过测得工件表面的相对温度来推导临界铣削速度。 案 背景技术简介 控 车床 数控技术 ,简称数控 (是利用数字化信息对机械运动及加工过程进行控制的一种方法。由于现代数控技术都采用了计算机进行控制 ,因此 ,也可以称为计算机数控 ( 7 采用了数控技术进行控制的机床 ,或者说装备了数控系统的机床称为数控机床。它是综合应用计算机、自动控制、自动检测及精密机械制造技术等高新技术于一体的典型机电一体化产品 ,是现代制造技术的基础。它很好地解决了形状结构复杂、精度要求高、小批量及多变零件的加工问题且能稳定产品的加工质量 ,降低工人劳动强度 ,大幅度提高生产效率 。机床控制也是数控技术应用最早、最广泛的领域 ,因此 ,数控机床的水平代表了当前数控技术的发展水平和方向。与普通机床相比 ,数控机床能够自动换刀、自动变更切削参数 ,完成平面、回旋面、平面曲线的加工 ,加工精度和生产效率都比较高 ,因而应用日益广泛 11。 度检测的主要方法 常用的切削温度测量方法主要有热电偶法、光辐射法、热辐射法、金相结构法等。 传统的温度测量采用的是热电偶方法 12，当两种不同材质组成的材料副 (如切削加工中的刀具 工件 )接近并受热时 ,会因表层电子溢出而产生溢出电动势 ,并在材料副 的接触界面间形成电位差 (即热电势 )。由于特定材料副在一定温升条件下形成的热电势是一定的 ,因此可根据热电势的大小来测定材料副 (即热电偶 )的受热状态及温度变化情况。采用热电偶法的测温装置结构简单 ,测量方便 ,是目前较成熟也较常用的切削温度测量方法。根据不同的测量原理和用途 , 热电偶法又可细分为自然 热电偶法、 人工 热电偶法、 半人工 热电偶法、 等效 热电偶法 。然而在实际加工中几乎没有一种工件允许在其内部埋置热电偶，且其热惯性大，响应慢。 金相结构法 13是基于金属材料在高温下会发生相应的金相结构变化这一原理进行测温的。但是这种方法的应用范围局限于金属材料制成的刀具 ,并只能在高温下才能观察到材料明显的组织结构变化；金相结构法的观测和分析的工作量也较大；利用扫描电镜法也存在以下缺点：只能测量 600以上的高温；样件制作相当繁琐；且为事后破坏性测量 ,不方便推广应用于加工现场；所确定的切削温度分布状态属于定量分析；设备复杂 ,技术难度高 ,实际应用受到一定限制。 光 、热辐射法， 采用光、 热辐射法测量切削温度的原理是 : 刀具、切屑和工件材料受热时都会产生一定强度的光、热 辐射 , 且辐射强度随温度升高而加大 , 8 因此可通过测量光、 热辐射的能量间接测定切削温度。主要 分为 辐射 高温计法、红外 照相法、 红外 热像仪法。 辐射测温传感器不直接与被测物相接触，这样测量传感器不会改变被测对象的温度场分布，也不会受到工作介质的影响，而且不必与被测对象达到热平衡，因此它特别适合于被测物体表面温度的非接触测量。此外，辐射测温元件的响应时间很短，因而它便于进行动态、瞬态的温度测量。正是由于辐射测温具有这么多的优点，因此适用于实际加工过程的刀具温度测量。本论文结合实际加工过程应用选用红外测温方法。 课题的主要研究内容 本 论文 以 通 车床为研究对象， 通过 红外测温法测量车床刀具表面温度进行 监控 刀具状态 ， 同时 根据反馈 的刀具温度 控制 切削速度 。 主要工作如下： （ 1） 了解 床 结构和运行过程， 确定电控 系统的控制要求 。 （ 2） 总结了刀具状态监控的常用方法和切削温度的常用测量方法，分析了红外测温法的原理，特点以及应用。 （ 3） 提出 车床刀具温度控制方案，设计 基于 单片机 度 信号 采集电路，包括 单片机的最小系统电路 、 路、 信号 调理电路 等。 （ 4） 配合 温控系统的硬件电路，设计 系统 软件， 包括 监控软件 ， 它是整个控制系统的核心，专门用来协调各执行模块和操作者的关系。二是执行软件，它是用来完成各种实质性的功能如测量、显示等功能。 章 小结 本章 在介绍课题背景和研究意义的前提下，重点介绍了红外测温技术的国内外研究现状，并分析了红外测温技术运用在车床刀具温度测量的可行性 14，最后对本课题主要研究内容进行了阐述。 9 第二章 车床 结构及 系统 总体 设计 方案 床 简介 式车床主要 由 主轴箱、床鞍、刀架部件、尾座、进给箱、溜板箱、床身等 部件 组成 15。如图 图 通 卧式车床 （ 1）主轴箱。它固定在机床身的左端，装在主轴箱中的主轴（主轴为中空，不仅可以用于更长的棒料的加工及机床线路的铺设还可以增加主轴的刚性），通过夹盘等夹具装夹工件。 主轴箱 的功用是支撑并传动主轴，使主轴带动工件按照规定的转速旋转。 （ 2）床鞍和刀架部件。 它位于床身的中部，并可沿床身上的刀架轨道做纵向移动。刀架部件位于床鞍上，其功能是装夹车刀，并使车刀做纵向、横向或斜向运动。 （ 3）尾座。它位于床身的尾座轨道上，并可沿导轨纵向调整位置。尾座的功能是用后顶尖 支撑 工件。在尾座上还可以安装钻头等加工刀具，以进行孔加工。 （ 4）进给箱。它固定在床身的左前侧、主轴箱的底部。其功能是改变被加工螺纹的螺距或机动进给的进给量。 （ 5）溜板箱。它固定在刀架部件的底部，可带动刀架一起做纵向、横向进10 给、快速移动或螺纹加工。在溜板箱上装有各种操作手柄及按钮，工作时工人可以方便地操作机床。 （ 6）床身。床身固定在左床腿和右床腿上。床身是机床的基本支撑件。在床身上安装着机床的各个主要部件，工作时床身使它们保持准确的相对位置。 统 总体设计方案 本次设计采用 用 红外 温度传感器采集 刀具温度信号 16,17。通过 红外 温度传感器将采集的温度信号转换成与之相对应的电信号，经过放大处理送入 A/，将模拟信号转换成数字信号送入到控制芯片进行数据处理。通过在芯片外围添加显示、控制等外围电路来实现对车床刀具 温度实时监测和控制功能。 本系统功能由硬件和软件两大部分协调完成 ,硬件部分主要完成传感器信号的采集处理 ,信息的显示等 ;软件主要完成对采集的温度信号进行处理及显示控制等功能。系统结构框图如图 单片机 显示调理电路 A / 统 结构框图 章 小结 本章 介绍了 床的 结构及部件功能， 并 根据车床 这个 控制对象的 要求 ，提出 车床 刀具温度 控制 系统方案， 一个基于 片 机 的 刀具 温度控制系统 的硬件和软件设计 。 11 第三章 系统 硬件设计 统 硬件设计方案 本系统的 硬件电路主要 包括 模拟部分和数字部分 ， 从功能模块上来分有 据采集电路、键盘显示电路、控制执行电路。 系统硬件包括：红外温度传感器、信号调理电路、 A D 转换器件、 片机、键盘输入、 度显示器、温度控制电路。 温度 检测方案如图 红外温度传 感器 信号调理 A / D 转换 单片机图 度 检测方案 央处理器 单片机就是在一块硅片上集成了微处理器、存储器和各种输入输出接口电路的微型计算机，简称单片机。单片机以其较高的性能价格比受到了人们的重视和关注。它的优点就是体积小、重量轻、抗干扰能力强、对环境要求不高、价格低廉、可靠性高、灵活性好、开发较为容易。单片机根据其基本操作处理的位数可分为 4、 8、 16、 32 位单片机，应用最为广泛的是八位单片机。根据本次设计的实际情况和要求，在本次设计中采用 介 美国 司生产的低电压，高性能 单片机，片内含4k 128 器件采用 易失性存储技术生产，兼容标准 令系统，片内置通用 8 位中央处理器（ 储单元，功能强大 片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。 12 要性能参 数 片机 与 列单片机 兼容 , 部有 4K 字节可编程闪烁 存储器 , 128*8 位内部 个 16位定时器 /计数器 , 6个中断源 , 32可编程 I/ 串行通道 。 内振荡器和时钟电路 ,具有 低功耗的闲置和掉电模式 ,在空闲方式下， 止工作，但允许内部 时器 /计数器、串行口和中断系统继续工作。在掉电方式下，能保存 振荡器停止工作，并禁止所有其他部件工作直到下一个 硬件复位。 脚说明 如图 脚图 ,各引脚功能说明如下 : 图 脚图 电源 电压。 地 。 ： 位漏极开路的双向 I/为输出口，每位能驱动8个 1” 时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时， 也被作为低 8 位地址 /数据复用。在这种模式下， 程时， 也用来接收指令 字节；，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻 。 ： 是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， 出缓冲器能驱动 4 个 辑电平。对 口写 “1” 时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（ 此外， 别作定时器 /计数器 2 的外部计数输入（ 2）和时器 /计数器 2的触发输入（ 2 ： 是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， 出缓冲器能驱动 4 个 辑电平。对 口写 “1” 时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使 用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（ 在访问外部程序存储器或用 16位地址读取外部数据存储器（例如执行 ， 送出高八位地址。在这种应用中， 使用很强的内部上拉发送 1。在使用 8位地址（如 问外部数据存储器时， 2锁存器的内容。在 程和校验时， 位地址字节和一些控制信号 。 ： 是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，对 口写 “1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可 以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（ 二功能）使用，如表 3 表 3脚号第二功能 串行输入 ） 串行输出 ） 外部中断 0） 外部中断 0） 定时器 0外部输入 ） 定时器 1外部输入 ） R（ 外部数据存储器写选通 ） 外部数据存储器 读 选通 ） 复位输入 ， 晶振工作时， 个机器周期高电平将使单片机复位。看门狗计时完成后， 输出 96个晶振周期的高电平。特殊寄存器 址 8的 位高电平有效。 址锁存控制信号（ 访问外部程序存储器时，锁存低 8 位地址的输出脉冲。在 引脚（ 用作编程输入脉冲。在一14 般情况下， 晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定时器或时钟使用。然而，特别强调，在每次访问 外部数据存储器时， 果需要，通过将地址为 8 第 0 位置 “1” ， 作将无效。这一位置 “1” ， 在执行 则， 被微弱拉高。这个 能标志位（地址为 8 第 0 位）的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。 部程序存储器选通信号（ 外部程序存储器选通信号。当在访问外部数据存储器时， 问外部程序存储器控制信号。为使能从 0000H 到 外部程序存储器读取指令， 了执行内部程序指令， 接收 12伏 荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。 荡器反相放大器的输出端。 殊功能存储器 在单片机内高 128B ，由有 21 个特殊功能寄存器（ 它们离散的分布在 80问特殊功能寄存器只允许使用直接寻址方式。表 3片机特殊功能寄存器及其相应地址 。 表 3用寄存器名称，功能及对应的 址 名称 简单描述 地址 加器（专门用于存储算术和逻辑运算的结果） 0 门用于乘 /除法运算） 0序状态寄存器 0P 推栈指针寄存器 81H 6位数据指针寄存器。 问外部 两个8位寄存器 83H）、 82H）组成且可单独访问。 口 0状态寄存器（初始值为 0 80H 口 1状态寄存器（初始值为 0 90H 口 2状态寄存器（初始值为 0 03 端口 3状态寄存器（初始值为 0 0P 中断优先级控制寄存器 0E 中断允许控制寄存器 05 时器 /计数器方式控制寄存器 89H 时器 /计数器控制寄存器 88H 时器 /计数器 0高字节 8时器 /计数器 0低字节 8时器 /计数器 1高字节 8时器 /计数器 0低字节 8行控制寄存器 98H 行数据缓冲器 99H 源控制寄存器 87H 片擦除 整个 保持 脚处于低电平 10完成。在芯片擦 除 操作中，代码阵列全被写 “1” 且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。此外， 以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下， 时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存 内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。 位电路的设计 复位使单片机处于起始状态，并从该起始状态开始运行。 引脚连续保持 2个机器周期（ 24个时钟振动周期）以上高电平，则可使单片机复位。内部复位电路在每一个机器周期的 触发器可抑制 在复位期间不产生 部 中的数据信息不会丢失，也即复位后，只影响 部 部复位有上电复位和按键电平复位。由于单片机运行过程中，其本身的干扰或外界干扰会导致出错，此时我们可按 复位键重新开始运行。为了便于本设计运行调试，复位电路采用按键复位方式 。按键复位电路如图 16 图 复位电路 钟电路设计 时钟电路是单片机的心脏，它控制着单片机的工作节奏。 典型值为 12 向振荡放大器的输 入端和 输出 端 。该反向放大器可配置为片内振荡器 ， 石晶振荡和陶瓷振荡均可采用 。本设计采用的晶振频率为 12时钟电路如图 51系列单片机还可使用外部时钟。在使用外部时钟时，外部时钟必须从 钟电路 外测温传感器 外测温传感器的工作原理 一个红外测温传感器由光学接收器、红外探测器和信号处理器三个部分组成03S?1031219。如图 学接收器聚集可视范围内的目标的红外辐射能量，可视范围的大小由传感器的光学零件和位置决定。红外探测器将红外辐射能量转换为对应的电信号。信号处理器将电信号进行放大，滤波，将电信号转换为需要的格式输出，输送进计算机或相关显示设备。 目标对象光学接收器红外探测器信号处理器 输出图 外 传感器原理 外测温传感器的选择 从测温范围，结构形式和设计原理可以划分多种不同类型的红外测温传感器。选用红外测温传感器需要从多方面考虑，例
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