数控铣床对刀提示装置的设计与应用
摘要: 为避免生产实训中由于对刀误操作引起的人身安全事故及各类经济损失的发生，依据数控铣床结构，设计了相应的对刀提示装置。根据装置的应用环境，设计了夹持机构，保证了安装定位的精确性。利用MCS51 系列单片机的高度集成性和稳定性，为该装置设计了电气硬件结构。运用C 程序语言设计了装置控制程序，并载入单片机内测试运行。该装置的应用，减少了因数控铣床对刀操作引起的断刀、撞刀事件，生产实训中的安全隐患也得到了及时有效的消除。关键词: 数控铣床; 对刀提示装置; 单片机
装备制造技术是衡量一个国家综合国力的重要标志，而数控机床则是装备制造技术的基础。随着我国改革发展力度的不断加深，数控机床的引进、研制工作也取得了很大进展，大批量数控设备的应用改变了传统加工模式，大量劳动生产力获得了解放，生产效率较以往有了质的飞跃。
数控铣床是数控设备中极其重要的典型代表。由于它在加工制造领域，尤其是模具制造行业的广泛应用，与之相关的技能人才培养工作成为了各大企业、学校面临的紧要任务。而数控铣床对刀操作技能是每位操作者都必须掌握的基础技能，但因其引发的各类事故及经济损失也不计其数。研制数控铣床对刀提示装置主要的目的就是为了降低对刀误操作率，保证每位操作人员的人身安全，降低因对刀操作失误带来的各类经济损失，如机床撞刀、零件报废等。
1 、装置提示原理
超声波在空气中的传播速度为344 m/s，其振动频率高于人类的听觉20 000 Hz 0-29(次方)。当其传播过程中接触到障碍物即会以相同的速度反射回发射处。将声波接收时间t1与声波发射时间t2之差乘以波速的一半即可得被测距离L。该装置就是利用超声波的这一原理测得对刀过程中刀具相距工件的距离。具体计算公式如下: http://www.skjcsc.com/uploadimages/2016/11/01/16c55d7d-91e0-4fa8-94b5-d283077f226d.jpg
通过程序设定，当刀具由机床手动方式进给至距离工件7 ～ 8 cm 时，黄色提示灯亮，此时当采取手轮方式( 倍率100) 移动刀具。当刀具继续移动至距离工件3 ～ 4 cm 时，红色灯亮，此时手轮倍率应调至10倍。当刀具移动至距离工件小于3 cm 时，两灯均灭，此时手轮倍率开关可调整至1 倍或不调整( 根据精度需求决定) 。
2 、夹持机构设计
该装置的夹持机构由连杆、压紧旋钮、万向节、磁体组成。连杆2 与磁体1 固定连接，连杆3 相对连杆2 做上下移动和转动，并由旋钮4 压紧。连杆5 相对连杆3 做横向移动，以调节装置与刀具的间隔距离。连杆6 与连杆5 采用球头万向连接，以保证装置定位的准确性。夹持机构示意图如图1 所示。
http://www.skjcsc.com/uploadimages/2016/11/01/fcb2f9a9-f52a-4810-83fe-812b963979a1.jpg 图1 夹持机构示意图
3、 提示装置硬件设计
3. 1 超声波发射电路设计
由单片机产生的超声波信号驱动能力较弱，需经过一个信号放大电路才能驱动发射装置 ］。采用74HC04 非门电路将信号放大。具体电路如图2 所示。
http://www.skjcsc.com/uploadimages/2016/11/01/84aa4020-334f-4958-b393-35e3a7df020e.jpg 图2 发射电路
3 . 2 超声波接收电路设计
超声波接收电路采用集成电路设计，其芯片选用CX20106A，利用该集成电路接收信号的增益效果更为明显，且抗干扰能力也较高。具体电路如图3所示。 http://www.skjcsc.com/uploadimages/2016/11/01/967dac59-195e-49f6-a7c9-744173569eed.jpg
图3 接收电路
3. 3 主控制系统设计
该装置主控系统拟采用STC11F04E 单片机 。它将有效控制以下核心模块: ( 1) 时钟计数模块;( 2) 超声发送接收模块; ( 3) 距离提示模块。具体设计如图4 所示。 http://www.skjcsc.com/uploadimages/2016/11/01/f4438990-ec9e-4d2f-abd4-f04fb95f2e0f.jpg
图4 控制系统
4 、提示装置软件设计
对刀提示装置采用单片机STC11F04E 设计，主要完成以下功能: ( 1) 上电复位; ( 2) 超声波发送和接收; ( 3) 测量距离计算; ( 4) 比较判定反馈; ( 5) 提示装置工作［9 － 10］。提示系统程序流程图见图5。 http://www.skjcsc.com/uploadimages/2016/11/01/997558fd-9e9e-4d53-80c6-d7a2cba53795.jpg
图5 提示系统程序流程图
5 、装置应用情况讨论
根据上述设计方案，项目组着手试制对刀提示装置样机，样机电气部分如图6 所示。 http://www.skjcsc.com/uploadimages/2016/11/01/f1e599e1-d36d-46f0-b978-a4804f2e2d8f.jpg
图6 样机电气实物图
将试制完成的对刀提示装置应用于校内生产实训后，因对刀误操作引发的撞刀事故明显降低，具体见表1。
表1 对刀误操作事故统计表 http://www.skjcsc.com/uploadimages/2016/11/01/b10346b8-d0e8-4edd-b49d-d7a780877d13.jpg 由表1 可知，使用提示装置后撞刀次数减少了80%。
6 、结论
利用超声波测距原理研制的数控铣床对刀提示装置精度可达0. 1 mm，最小测距可达1 cm，完全满足工作要求。该装置的应用可有效降低加工事故的发生，在保障操作人员安全的同时，也降低了刀具、零件的损耗，减少了相关经济损失。
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