飼料環(huán)模機(jī)械加工鉆床的自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

侯志松，左現(xiàn)剛，張 超，余 周

(河南科技學(xué)院 信息工程學(xué)院，河南 新鄉(xiāng)453003)

數(shù)控加工是現(xiàn)代制造技術(shù)的基礎(chǔ)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，采用數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床品種日益增多，有車(chē)床、銑床、鏜床、鉆床、磨床、齒輪加工機(jī)床和電火花加工機(jī)床等[1-3]。此外，還有能自動(dòng)換刀、一次裝卡進(jìn)行多工序加工的加工中心、車(chē)削中心等。

本文設(shè)計(jì)的基于AVR單片機(jī)的飼料環(huán)模機(jī)械加工鉆床的自動(dòng)控制系統(tǒng)就是為飼料環(huán)模機(jī)械加工而設(shè)計(jì)的高科技自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備[4-6]。該產(chǎn)品能夠提高飼料環(huán)模機(jī)械的加工效率、降低生產(chǎn)成本，同時(shí)也能提高我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化的生產(chǎn)效率，提高農(nóng)產(chǎn)品的科技含量，增強(qiáng)我國(guó)農(nóng)產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，提高農(nóng)民的收入。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

該產(chǎn)品主要由主控制器系統(tǒng)、鍵盤(pán)/顯示控制系統(tǒng)、氣動(dòng)開(kāi)關(guān)（電磁閥）控制系統(tǒng)、位置傳感器系統(tǒng)、報(bào)警單元、時(shí)間繼電器系統(tǒng)和步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)六部分組成[7-9]。其中：主控制器為 ATmega128單片機(jī)，控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行；鍵盤(pán)/顯示控制系統(tǒng)由3×8矩陣鍵盤(pán)和16位LED共陽(yáng)數(shù)碼管組成；報(bào)警單元用來(lái)提示工作中的異常情況；步進(jìn)電機(jī)由三相步進(jìn)電機(jī)和五相步進(jìn)電機(jī)組成，其中三相步進(jìn)電機(jī)用來(lái)控制前行和后行，五相步進(jìn)電機(jī)用來(lái)控制左行和右行；氣動(dòng)開(kāi)關(guān)（電磁閥）控制系統(tǒng)用來(lái)控制鉆頭的抬起和下壓；時(shí)間繼電器系統(tǒng)用來(lái)控制鉆孔時(shí)間；位置傳感器系統(tǒng)用來(lái)控制孔是否打通。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分

三相步進(jìn)電機(jī)和五相步進(jìn)電機(jī)的控制電路如圖1所示。

圖1(a)中，微控制器通過(guò)J10連接端口控制三相步進(jìn)電機(jī)，F(xiàn)X_3控制其方向，MC_3是三相步進(jìn)電機(jī)的控制脈沖。圖1(b)中，微控制器通過(guò)J11連接端口控制五相步進(jìn)電機(jī)，F(xiàn)X_5控制其方向，MC_5是五相步進(jìn)電機(jī)的控制脈沖。

2.2 時(shí)間調(diào)節(jié)部分

時(shí)間調(diào)節(jié)部分采用浙江欣靈公司的時(shí)間繼電器。其時(shí)間單位可以通過(guò)撥碼開(kāi)關(guān)來(lái)設(shè)置。

時(shí)間繼電器的控制電路如圖2所示。

2.3 控制器

2.3.1 硬件結(jié)構(gòu)

所采用的控制器為ATmega128單片機(jī)，其為RISC結(jié)構(gòu)的 8 bit AVR微處理器，具有128 KB的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash，外設(shè)豐富。單片機(jī)連接示意圖如圖3所示。

2.3.2 軟件設(shè)計(jì)

利用ICCAVR編譯器進(jìn)行程序編寫(xiě)及編譯。完成工程編譯后，采用AVR SUTDIO軟件將程序燒錄到芯片中。主程序流程圖如圖4所示。設(shè)定好鉆孔個(gè)數(shù)、排數(shù)、孔距、排距、鉆速后按啟動(dòng)鍵即可運(yùn)行。如果設(shè)定的孔數(shù)能夠均勻地分布在加工坯件一周，則不做修正。

圖3 控制器連接示意圖

2.4 驅(qū)動(dòng)板

單片機(jī)的輸出控制信號(hào)需經(jīng)驅(qū)動(dòng)板放大后才能驅(qū)動(dòng)液壓閥工作。

2.4.1 供電電源

使用電壓:控制器使用電壓為交流220 V，鉆床使用電壓為交流380 V。

2.4.2 電源轉(zhuǎn)換電路

采用IN4007橋式整流電路和7805穩(wěn)壓電路將電壓從12 V交流轉(zhuǎn)化成5 V直流，給單片機(jī)以及數(shù)碼管供電，如圖5所示。

采用IN4007橋式整流電路和7824穩(wěn)壓電路將電壓從24 V交流轉(zhuǎn)化成24 V直流，給時(shí)間繼電器和光耦P521供電，如圖6所示。

2.4.3 二位三通電磁閥接口電路

二位三通電磁閥的得失電利用NPN三極管C945與光耦P521構(gòu)成的開(kāi)關(guān)電路來(lái)完成，如圖7所示。

3 實(shí)驗(yàn)

控制板安裝完畢后，按以下步驟進(jìn)行設(shè)置：

(1)調(diào)節(jié)動(dòng)力頭高度：按照所需加工環(huán)模大小，調(diào)整動(dòng)力頭支架高度，使動(dòng)力頭高度適合加工要求（應(yīng)考慮到阻尼器是否安裝）。

(2)校正垂直高度：裝上銑刀后，使動(dòng)力頭主軸在環(huán)模上劃下圈痕，判斷并調(diào)節(jié)左（右）動(dòng)力頭支架，直到圈痕均勻后，擰緊動(dòng)力頭支架固定螺絲。

(3)吹出阻尼器壓力桿：插上阻尼器氣管，開(kāi)啟電腦電源和驅(qū)動(dòng)電源，按“復(fù)位”，使壓力桿自動(dòng)釋放，調(diào)節(jié)阻尼器上的壓力旋鈕。

(4)點(diǎn)孔調(diào)校：墊上2 mm左右鐵片，根據(jù)所加工環(huán)模要求，輸入各參數(shù)，打開(kāi)驅(qū)動(dòng)電源和氣動(dòng)變頻器，選擇開(kāi)關(guān)至“點(diǎn)孔”位置，按動(dòng)“啟動(dòng)”鍵，配合阻尼器，直到合適為止。

(5)鉆孔調(diào)校：墊上2 mm鐵片，調(diào)整阻尼器高度，使鉆頭頂著鐵皮；選擇“步進(jìn)”；啟動(dòng)系統(tǒng)。每次鉆孔進(jìn)刀量由時(shí)間繼電器、阻尼器壓力配合調(diào)節(jié)，“初鉆時(shí)間”繼電器可調(diào)整第一刀的進(jìn)刀量，“次鉆時(shí)間”繼電器可調(diào)整第二刀及以后的進(jìn)刀量。

(6)阻尼器壓力桿旁邊的一個(gè)較大螺絲，起到深度限位作用（可用于鉆階梯孔或起保護(hù)作用），調(diào)節(jié)其高度使其適合加工要求。

其中的參數(shù)選擇如下：

(1)孔距數(shù)值=108 000/每圈孔數(shù)（建議選擇能夠整除的孔數(shù)）；

(2)錯(cuò)位=孔距/2；

(3)排距=每排間距（mm）×400（根據(jù)絲桿螺距而定）。

把計(jì)算好的孔數(shù)、排數(shù)、孔距、排距、鉆孔次數(shù)、鉆速等參數(shù)通過(guò)面板輸入微電腦，按啟動(dòng)開(kāi)始鉆孔。

該產(chǎn)品利用AVR單片微控制器作為主控制單元，按時(shí)序、按步驟地控制步進(jìn)電機(jī)、電磁閥、時(shí)間繼電器等設(shè)備工作；鍵盤(pán)輸入和LED顯示提供友好的人機(jī)控制界面，能夠清楚地提供電機(jī)運(yùn)行的速度、方向以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的參數(shù)設(shè)置等數(shù)據(jù)的顯示情況；自動(dòng)化程度高，大大提高了工作效率，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，并可實(shí)現(xiàn)一人多機(jī)操作管理。

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