專利名稱：用于經(jīng)濟型數(shù)控機床電動刀架的位置控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于裝備制造業(yè)技術(shù)領(lǐng)域，具體說是一種采用單片計算機控制的，用于經(jīng)濟型數(shù)控機床電動刀架的位置控制裝置。
背景技術(shù)：
電動刀架是數(shù)控機床的主要部件，機械加工所需的切削刀具，裝卡于電動刀架之上。根據(jù)機床數(shù)控系統(tǒng)的選刀指令，電動刀架轉(zhuǎn)動到相應的切削刀具位置，再依靠電動機反轉(zhuǎn)帶動相應的機械機構(gòu)位移，然后壓下電氣微動開關(guān)接通電路，以此為電動刀架鎖緊信號，數(shù)控系統(tǒng)接收到該鎖緊信號后，執(zhí)行機床進入加工過程指令。
數(shù)控機床大體分經(jīng)濟型數(shù)控和高級數(shù)控兩種，經(jīng)濟型數(shù)控通常采用電動刀架，其國內(nèi)價格為數(shù)千元；高級數(shù)控通常采用伺服刀架，其國內(nèi)價格為數(shù)萬元；經(jīng)濟型數(shù)控機床在裝備制造業(yè)市場中占有相當份額，本發(fā)明專利應用于經(jīng)濟型數(shù)控機床電動刀架的位置控制。
在國際，經(jīng)檢索尚未發(fā)現(xiàn)同類產(chǎn)品；在發(fā)達國家其制造業(yè)大都以裝備加工中心為主，加工中心屬高級數(shù)控，通常采用伺服刀架；在發(fā)展中國家，其制造業(yè)的裝備大都以中國機床為主，因此，中國機床在某些領(lǐng)域代表國際潮流。
在國內(nèi)，經(jīng)濟型數(shù)控機床上電動刀架的位置控制，工位檢測器件、控制裝置的安裝位置，幾乎完全相同。
電動刀架的工位檢測器件，通常由磁性開關(guān)、霍爾元件組成的刀架碼盤和光電編碼器組成，磁性開關(guān)其實質(zhì)就是干簧繼電器進行了塑封，不適合高精度定位?；魻栐恢脵z測裝置，精度尚可，但長期的磁場效應，其元件根部易于折斷。由磁性開關(guān)、霍爾元件組成的碼盤，現(xiàn)已很少采用。采用光電編碼器作為位置檢測，能夠保證定位精度，但其安裝位置和刀架鎖緊信號的提取，尚不科學。
現(xiàn)有電動刀架的位置控制裝置，全部安裝于刀架本體上，以立式刀架為例?？刂蒲b置安裝于刀架的上部，承受切削和換刀震動，并處于冷卻液形成的潮濕環(huán)境之中，工作于幾種熱源(切削熱傳導、電機發(fā)熱傳導等)的影響之下，光電編碼器內(nèi)部的紅外光電器件能否長期工作在這種存在震動和濕熱的環(huán)境之中，是否可行有待考驗。
更重要的問題是，現(xiàn)在正在使用中的所有刀架碼盤或光電編碼器，其鎖緊信號的產(chǎn)生，還是延用機械位移帶動電氣微動開關(guān)接通電路的方法。機械位移量的精確程度，受控于組成機構(gòu)的另部件精度，受控于其自身裝配精度，受控于微動開關(guān)機械接觸位置，因此，當電機還處于反轉(zhuǎn)時，微動開關(guān)接通，發(fā)出刀架已經(jīng)鎖緊指令，這種虛假指令，將直接影響到機床的安全當電機已經(jīng)堵轉(zhuǎn)，微動開關(guān)才發(fā)出鎖緊指令，將使電機過熱，長時間會燒毀電機。
簡言之，刀架鎖緊信號其實質(zhì)是電機堵轉(zhuǎn)開始時的電信號，將很好的電信號轉(zhuǎn)換為機械信號再轉(zhuǎn)換回來加以使用，實在是過于繁瑣。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種用于經(jīng)濟型數(shù)控機床電動刀架的位置控制裝置，采用單片計算機控制的獨立的控制系統(tǒng)。
用于經(jīng)濟型數(shù)控機床電動刀架的位置控制裝置，采用非刀架碼盤或光電編碼器測控元件，利用電流、電壓傳感器信號采集的方法并借助于單片計算機的控制，其特征在于電機的旋轉(zhuǎn)方向信號，由電機的三相電源電壓經(jīng)處理后取得；電動刀架的鎖緊信號，由電機的電流信號經(jīng)處理后取得；據(jù)此形成單片計算機的控制線路，單片計算機的輸入端口與傳感器接口電路和時間設定電路連接；單片計算機的輸出端口與顯示電路，鎖緊、報警及刀架工位信號輸出電路連接。
本控制裝置的傳感器與接口電路的上端，經(jīng)電壓互感器與電動刀架的電機電源線路相連，下端經(jīng)電子線路與單片計算機的輸入接口相連，單片計算機的輸入的是電壓等級為3～5.5V、相位差為60°的脈沖信號U1、U2；隨著電機旋轉(zhuǎn)方向不同，U1、U2的相位互為超前和滯后。
本位置控制裝置中的傳感器與接口電路的電流傳感器，串接于任意一根電源線中，電流傳感器的副端經(jīng)電子線路與單片計算機的輸入接口相連，單片計算機的輸入為電壓等級為3～5.5V的脈沖信號U3；U3信號與電動機起動電流和堵轉(zhuǎn)電流相關(guān)，即當該電流出現(xiàn)時，U3為原信號‘非’。
包含由撥碼開關(guān)組成的時間設定電路，以8421代碼形式與單片計算機相連。
包含由數(shù)碼管和發(fā)光二極管組成的顯示電路與單片計算機相連。
包含輸出電路，輸出電路輸出5～24V正負邏輯的電平信號，該輸出信號代表刀架已經(jīng)鎖緊、報警、刀架工位信號。
報警輸出電路包含有繼電器的接點輸出方式或推動外部繼電器的接口輸出方式。
報警輸出電路包含推動外部繼電器的接口輸出方式。
與電動刀架相連的僅為電機電源線及地線。
電動刀架的電機電源經(jīng)過本位置控制裝置后供給。
用于經(jīng)濟型數(shù)控機床上電動刀架的位置控制裝置，不再使用傳統(tǒng)的刀架碼盤或光電編碼器等檢測器件，而是利用獨特的信號采集方法并借助于單片計算機的控制功能，達到對于經(jīng)濟型數(shù)控機床電動刀架位置控制的目的。采用單片計算機控制的獨立的控制系統(tǒng)。本發(fā)明的特點1.利用電動機的電壓相位信號，解調(diào)出刀架電動機旋轉(zhuǎn)方向信號，具有無位置傳感器實現(xiàn)判別電動機旋轉(zhuǎn)方向功能，2.能夠自動識別電動機的工作狀態(tài)，諸如，電機正、反轉(zhuǎn)起動，正、反轉(zhuǎn)運行，和刀架鎖緊時的電機狀態(tài)，實現(xiàn)可靠的刀架智能鎖緊。
3.徹底摘掉了傳統(tǒng)的刀架碼盤和光電編碼器等位置檢測裝置，實現(xiàn)了電氣控制裝置和機械裝置分離。使數(shù)控機床刀架簡潔、美觀、體積減小，控制系統(tǒng)安全可靠。


圖1為電路原理方框圖，圖2為實施例電路原理圖，圖3與圖4為代表電機正反轉(zhuǎn)時的采樣波型圖，圖5為電機電流信號波型圖，圖6為電機堵轉(zhuǎn)時采樣電壓波型圖。
具體實施例方式
用于經(jīng)濟型數(shù)控機床上電動刀架的位置控制裝置，上述的傳感器與接口電路是由電壓互感器PT1、PT2，整流二極管D1，D2和集成電路IC2、IC3組成，電壓互感器輸入端連接電機電源線，電壓互感器PT1、PT2對電機的端電壓UAB、UAC采樣，采樣值經(jīng)二極管D1，D2半波整流后，送集成電路IC2、IC3組成的電壓比較器進行比較，電路中的R1、R2用于形成比較器的門檻電壓，電壓比較器的輸出電壓波型見圖3與圖4，圖3與圖4分別是電機在不同旋轉(zhuǎn)方向時的電壓波型，圖中U1、U2是兩路相位差為60°的方波信號，可以看出，隨著電機旋轉(zhuǎn)方向不同，兩路信號互為相位超前、滯后，通過單片計算機識別方波信號U1、U2的初始相位差別，來判定電動機旋轉(zhuǎn)方向。
電流互感器串接于電機電源的某一線電路中，將電動機的某一線電流IX信號轉(zhuǎn)換成電壓信號UX，該信號波型見圖5(圖5中代表起動電流的波型未拍出，其波型與反轉(zhuǎn)起動電流波型相同)，圖中包含電機正轉(zhuǎn)工作電流，反轉(zhuǎn)起動電流，反轉(zhuǎn)工作電流，電機的堵轉(zhuǎn)電流(刀架鎖緊時電機處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài))。UX經(jīng)Q1橋式整流后送電壓比較器比較，電壓比較器的門檻電壓由穩(wěn)壓管Z1取得。其值是小于電機堵轉(zhuǎn)電流、大于工作電流的電壓信號點。在電機正、反轉(zhuǎn)起動和堵轉(zhuǎn)時，U3以低電平形式出現(xiàn)三次見圖6，由單片計算機識別出電動機的堵轉(zhuǎn)電流起始點，包括延時處理后，經(jīng)單片計算機輸出電路作為刀架鎖緊信號輸出。
時間設定電路是由DIP撥碼開關(guān)SW1、SW2以8421代碼形式，預先對電機工作的某一時間段進行補償。
刀架電機以刀架在鎖緊狀態(tài)為起點，可分為1、電機正轉(zhuǎn)刀架松開鎖緊狀態(tài)，2、電機正轉(zhuǎn)刀架轉(zhuǎn)位狀態(tài)，3、電機反轉(zhuǎn)刀架預鎖緊狀態(tài)，4、電機堵轉(zhuǎn)刀架鎖緊狀態(tài)。本控制裝置是以時間為控制基本點，考慮電機的個體差異，預先對刀架松鎖緊時間、刀架轉(zhuǎn)位時間進行補償。其硬件電路為通用電路。DIP開關(guān)SW1、SW2在接通狀態(tài)，單片計算機接口為“0”態(tài)。圖中的4XR8與4XR9為上拉電阻。
顯示電路用于數(shù)字式顯示刀位號、報警功能號；其硬件為采用4511譯碼驅(qū)動電路驅(qū)動七段LED顯示器。
鎖緊、報警、刀架工位信號輸出電路，是將單片計算機輸出信號轉(zhuǎn)換成具有一定推動能力、適合機床數(shù)控系統(tǒng)需要的電平信號；其硬件為通用電路。
考慮電路的統(tǒng)一性，圖中的所有用于電壓比較器的集成電路都由運算放大器組成，其好處是輸出端不用接上拉電阻，并且?guī)ж撦d能力強。與電壓比較器集成電路同相端(+)連接的電阻用于門檻電壓設定；集成電路反相端(-)連接的電阻用于輸入信號的分壓，保證合適的輸入電平。
與單片計算機相連的還有EEPROM，用于保存正常刀位信號和刀架鎖緊信號。
綜上所述，本裝置用簡單電路判斷出電機的旋轉(zhuǎn)方向，并利用該判向功能，在電機正轉(zhuǎn)啟動、反轉(zhuǎn)啟動和堵轉(zhuǎn)時的三個電流信號中，區(qū)別出刀架鎖緊信號，使刀架可靠鎖緊。
判向通常是對兩路正交(相位互差90°)信號進行判別。本電路是對兩路相位互差60°的信號進行判別。還可直接用于卷閘門、電動閥門等初始不可逆轉(zhuǎn)的電機旋轉(zhuǎn)方向判別。需要提及的是，購買具有該功能的專用集成電路需百元人民幣。
權(quán)利要求
1.用于經(jīng)濟型數(shù)控機床電動刀架的位置控制裝置，采用非刀架碼盤或光電編碼器測控元件，利用電流、電壓傳感器信號采集的方法并借助于單片計算機的控制，其特征在于電機的旋轉(zhuǎn)方向信號，由電機的三相電源電壓經(jīng)處理后取得；電動刀架的鎖緊信號，由電機的電流信號經(jīng)處理后取得；據(jù)此形成單片計算機的控制線路，單片計算機的輸入端口與傳感器接口電路和時間設定電路連接；單片計算機的輸出端口與顯示電路，鎖緊、報警及刀架工位信號輸出電路連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于經(jīng)濟型數(shù)控機床電動刀架的位置控制裝置，其特征在于本控制裝置的傳感器與接口電路的上端，經(jīng)電壓互感器與電動刀架的電機電源線路相連，下端經(jīng)電子線路與單片計算機的輸入接口相連，單片計算機的輸入的是電壓等級為3～5.5V、相位差為60°的脈沖信號U1、U2；隨著電機旋轉(zhuǎn)方向不同，U1、U2的相位互為超前和滯后。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于經(jīng)濟型數(shù)控機床電動刀架的位置控制裝置，其特征在于本位置控制裝置中的傳感器與接口電路的電流傳感器，串接于任意一根電源線中，電流傳感器的副端經(jīng)電子線路與單片計算機的輸入接口相連，單片計算機的輸入為電壓等級為3～5.5V的脈沖信號U3；U3信號與電動機起動電流和堵轉(zhuǎn)電流相關(guān)，即當該電流出現(xiàn)時，U3為原信號‘非’。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于經(jīng)濟型數(shù)控機床電動刀架的位置控制裝置，其特征在于包含由撥碼開關(guān)組成的時間設定電路，以8421代碼形式與單片計算機相連。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于經(jīng)濟型數(shù)控機床電動刀架的位置控制裝置，其特征在于包含由數(shù)碼管和發(fā)光二極管組成的顯示電路與單片計算機相連。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于經(jīng)濟型數(shù)控機床電動刀架的位置控制裝置，其特征在于包含輸出電路，輸出電路輸出5～24V正負邏輯的電平信號，該輸出信號代表刀架已經(jīng)鎖緊、報警、刀架工位信號。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于經(jīng)濟型數(shù)控機床電動刀架的位置控制裝置，其特征在于報警輸出電路包含有繼電器的接點輸出方式或推動外部繼電器的接口輸出方式。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或7所述的用于經(jīng)濟型數(shù)控機床電動刀架的位置控制裝置，其特征在于報警輸出電路包含推動外部繼電器的接口輸出方式。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于經(jīng)濟型數(shù)控機床電動刀架的位置控制裝置，其特征在于與電動刀架相連的僅為電機電源線及地線。
10.根據(jù)權(quán)利要求1或9所述的用于經(jīng)濟型數(shù)控機床電動刀架的位置控制裝置，其特征在于電動刀架的電機電源經(jīng)過本位置控制裝置后供給。
全文摘要
用于經(jīng)濟型數(shù)控機床電動刀架的位置控制裝置，采用非刀架碼盤或光電編碼器測控元件，其特征在于電機的旋轉(zhuǎn)方向信號，由電機的三相電源電壓經(jīng)處理后取得；電動刀架的鎖緊信號，由電機的電流信號經(jīng)處理后取得；據(jù)此形成單片計算機的控制線路，單片計算機的輸入端口與傳感器接口電路和時間設定電路連接；單片計算機的輸出端口與顯示電路，鎖緊、報警及刀架工位信號輸出電路連接。特點利用電動機的電壓相位信號，解調(diào)出刀架電動機旋轉(zhuǎn)方向信號，具有無位置傳感器實現(xiàn)判別電動機旋轉(zhuǎn)方向功能；能夠自動識別電動機的工作狀態(tài)，實現(xiàn)可靠的刀架智能鎖緊；實現(xiàn)了電氣控制裝置和機械裝置分離，使數(shù)控機床刀架簡潔、美觀、體積減小，控制系統(tǒng)安全可靠。
文檔編號B23Q15/22GK1569393SQ20041002052
公開日2005年1月26日 申請日期2004年5月10日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月10日
發(fā)明者孫寶明, 楊佳慶, 楊鳳綿, 隋國田 申請人:孫寶明