飛機副油箱傳感器安裝座加工用機床的數控系統設計

陳章恒，王玉琳

（合肥工業大學 機械工程學院，合肥 230009）

0 引言

飛機副油箱是指在飛機機身以外攜帶燃料的空間，如圖1所示。副油箱一般只在軍用飛機上使用，其目的是為了延伸飛機的航程或滯空時間[1]。在空中加油技術成熟應用之前，外掛副油箱是增加軍用飛機續航時間的唯一途徑。在軍用飛機的副油箱上分布有很多功能各不相同的燃油檢測傳感器，這些傳感器對于副油箱中燃油參數的監控至關重要，它們用來測量油箱中油液液面的高度以及內部壓力等[2]。由于飛機在飛行中姿態不斷變化，因此這些傳感器的安裝位置將直接影響測量結果的準確性。圖2為傳感器安裝座與飛機副油箱配合示意圖，圖3和圖4為某型號傳感器安裝座的CAD圖。飛機副油箱為一桶形回轉體，傳感器安裝座貫穿于副油箱表面，二者的結合面為一立體相貫面[3]。圖3中傳感器安裝座的A表面與副油箱的內表面相貼合，B表面突出于副油箱的外表面，C表面與A表面等高，A、B、C三個表面均為立體相貫面，每個表面是由一系列立體相貫線組合而成。安裝前，將傳感器安裝座從油箱內向上托起，使得A面與副油箱內表面貼合，然后采用鉚接（A面）或高溫熔焊（B面）的方式進行固定。

圖1 軍用飛機的副油箱

圖2 傳感器安裝座與飛機副油箱配合示意圖

圖3 某型號副油箱傳感器安裝座的主視圖和俯視圖

圖4 圖3 中的A-A 視圖

目前，該傳感器安裝座的A、B、C三個相貫面采用普通車床和銑床均無法加工，采用加工中心雖然可以加工，但設備投資大、維護成本高、操作繁瑣、編程復雜、加工效率低。為了解決該傳感器安裝座的批量加工問題，作者將一臺老舊的CD6140A普通車床進行了數控化再制造[4-5]，研發了專用數控系統，既保證了傳感器安裝座相貫面的形狀精度和表面質量，又提高了加工效率。本文主要介紹該專用數控系統的硬件設計和軟件設計。

1 數控系統硬件設計

1.1 CPU選擇

專用數控系統的CPU選擇目前國內大批量使用的AT89S52嵌入式微控制器[6]，晶振頻率采用24 MHz。該芯片自帶256 B的RAM和8 KB的EEPROM，具有4個端口32條可按位尋址的雙向I/O線，且有強化的位處理功能，含有6個中斷源和3個16位的加法定時/計數器。該CPU為通用型微處理器，集成度高，運算速度快，抗干擾能力強，內部資源多，而且易擴展。基于AT89S52單片機的專用數控系統框圖如圖5所示。

圖5 專用數控系統方框圖

1.2 存儲器擴展

AT89S52單片機作為CD6140A車床數控系統的CPU，盡管內部已經設置了256 B的RAM和8 KB的EEPROM，但其存儲空間仍然不能滿足專用數控系統的需求，故需要進行外擴。為此，在圖5中，基于AT89S52微處理器擴展了一片電擦寫的27C512程序存儲器，主要用來存放數控車床控制系統的底層代碼和相關數據表格；針對操作者編制的數控代碼以及設置的相關參數還外擴了一片靜態隨機存取RAM芯片6264[7]。

1.3 輸入/輸出接口擴展

AT89S52單片機擴展存儲器之后，其P0、P2端口以及P3端口的部分引腳就不能再作為輸入/輸出口使用了，這樣僅剩P1口與P3口的部分引腳，不能滿足專用數控系統的需要。為此，擴展了一片8位并行接口芯片8255，該芯片提供PA、PB、PC三個8位端口多達24個輸入/輸出引腳[8]，可以控制數控車床的X、Z向交流伺服單元，以及主軸、冷卻、卡盤、電動刀架等，如圖5所示。

1.4 鍵盤-顯示接口擴展

專用數控系統需要一個友好的人-機交互界面，為此，需要擴展鍵盤和顯示器。在圖5中，選擇NEC公司生產的8279芯片處理人機接口。該芯片為8位并行通用型可編程接口器件，可以完成鍵盤輸入和顯示控制兩種功能[9]。鍵盤部分提供掃描工作方式，可與64個按鍵的矩陣鍵盤進行連接，能對鍵盤實行不間斷的自動掃描，自動消除抖動，自動識別按鍵并給出鍵值，并為LED等顯示器件提供了按掃描方式工作的接口電路，它為顯示器提供多路復用信號，最多能夠點亮16個字符。在本專用數控系統中選擇高亮度的LED作為顯示器件。

1.5 數-模轉換接口擴展

在CD6140A數控車床上，對于傳感器安裝座的加工，工件旋轉的速度需要進行無級調節。為此，在圖5中設置了D/A轉換接口，也即數-模轉換裝置。CPU將8位的數字量00H～FFH送給D/A接口芯片MAX517，MAX517輸出0～5 V的直流電壓[10]，該電壓送給交流變頻器，即可改變車床主電動機的運行頻率，從而實現工件旋轉的無級變速。

1.6 編碼器信號采集

在加工傳感器安裝座的過程中，數控系統需要檢測裝在主軸三爪卡盤上的工件的角位移和角速度，為了方便傳感器信號的處理，在此選擇數字式增量式旋轉編碼器，該編碼器每轉輸出1200個A、B相脈沖，相位差為90°。在圖5中，設置四倍頻電路[11]對A、B相脈沖進行電子四細分，可以將編碼器的分辨力提高到每轉4800脈沖，從而高精度地檢測傳感器安裝座的旋轉角度和旋轉速度[12]。

2 相貫面專用軟件設計

專用數控系統除了需要具備數控車床基本的G、S、T、M功能指令外，尚需開發加工立體相貫面的專用軟件，本節重點予以介紹。

結合圖2、圖3、圖4可以看出，傳感器安裝座的A、B、C三個表面均為立體相貫面，其中每個表面均由一系列立體相貫線組合而成。為此，可以將立體相貫面離散成一條條的立體相貫線[13]，尋找單條立體相貫線的成形機理。

如圖6所示，副油箱為一大圓柱，傳感器安裝座為一小圓柱，二者垂直相交，形成一條立體相貫線。用數控車床加工的時候，傳感器安裝座通過專用夾具夾持在主軸的三爪卡盤上（如圖7）。車床主電動機帶動工件旋轉，數控系統根據工件轉過的角度控制車刀在Z方向（縱向）的坐標，加工同一相貫面上不同的相貫線時改變半徑r、調整X坐標（橫向）即可。

圖6 相貫線坐標計算圖

在圖6中，假定車削一根相貫線的順序為A→B→C→D→E→A。從圖6左上角的主視圖可以看出，A點為最高點，C點為最低點。由1.6節可知，工件每轉360°，編碼器通過四倍頻電路輸出4800個脈沖，從A到C工件旋轉了90°，則CPU應該收到編碼器1200個脈沖[14]。下面計算工件每轉1個脈沖，車刀在Z向的位移變化量。

在圖6中，已知副油箱的半徑為R，傳感器安裝座的半徑為r。設B為A→C中間任一點，n為工件從A點旋轉到B點時主軸編碼器發出的脈沖數，則工件由A到B所轉過的角度θn=(360°/4800)×n。在圖6中，Dn=[R2-(rsin θn)2]1/2，Hn=RDn。同理可知，當編碼器再增發一個脈沖時，Hn+1=R-Dn+1，其中，Dn+1= [R2-(rsin θn+1)2]1/2，θn+1=(360°/4800)×(n+1)。

于是得到結論：在圖6中，工件從A→C進行旋轉時，編碼器每發出一個脈沖，車床Z向獲得的位移增量為Δz=INT[Hn+1-Hn]。從圖6不難看出，C→D為A→C的鏡像，D→A為A→D的鏡像。工件旋轉一周后，調整X坐標，獲得一個新的r值，重復上述計算并控制Z向運動[15]，直至完成圖3中立體相貫面A的加工，之后再調整Z坐標，依次即可加工出B、C相貫面。

3 加工效果

圖7為經過數控化再制造的CD6140A車床的外觀。該車床X軸和Z軸的編程脈沖當量分別為0.005 mm/步和0.01 mm/步，X軸和Z軸的重復定位精度分別為±0.005 mm和±0.01 mm，工件轉速的調節范圍為8～1500 r/min。圖8為采用該車床開發專用軟件加工出來的一種副油箱傳感器安裝座，其幾何精度、尺寸精度和表面粗糙度均滿足圖樣要求，3個相貫面的加工時間為12 min。相比而言，該零件在加工中心上則至少需要40 min才能完成相貫面成形，加工效率低，設備投資大，操作還繁瑣。

圖7 傳感器安裝座加工用數控車床外貌

圖8 加工出的實物

4 結語

針對飛機副油箱傳感器安裝座復雜立體相貫面的批量加工，采用機電一體化技術和表面工程技術，將一臺基本報廢的CD6140A普通臥式車床再制造成一臺數控車床，基于AT89S52高性能微處理器研發了專用數控系統。由于數控系統開發了專用代碼，所以編程非常簡單，操作簡單方便；由于數控系統的軟件為自行設計，所以可方便地擴展其他功能。因此，基于性價比高的嵌入式微控制器開發專用測控系統改造傳統機床，具有一定的經濟效益和社會效益，市場前景廣闊，值得推廣。