1 引言

      加工中心是指备有刀库，具有自动换刀功能，对工件一次装夹后可以进行多道工序加工的数控机床。数控铣床通过改造加上自动换刀系统就可以得到一台全功能的加工中心。加工中心能大大减少了工件装夹时间、测量和机床调整等辅助工序时间，同时减少了多次安装造成的定位误差，提高加工精度，能实现高精高效的加工[1]。

      1.X-Y 精密数控工作台2.立柱3.拉刀装置4.电主轴5.控制箱6.限位传感器7.横梁8.直流电机9.刀库旋转装置10.刀柄11.盘式刀库随着我国工业的不断发展，模具制造业、机械加工业得到了大力发展，加工中心以其高自动化程度得到广泛应用。然而，目前市场上生产和销售的都是以大、中型的加工中心为主，小型加工中心几乎是空白，而机械加工业、小型模具的制造、工科院校、技工学校等对小型加工中心存在着大量的需求[2]。为了填补市场的空白，本台自主研发制作的微型立式加工中心应运而生。加工中心工作台采用X-Y 双向精密数控工作台；可以进行X、Y、Z 三个方向的进给；配装自动换刀系统，可以完成铣、钻、扩、铰、锪、攻丝等多种加工工序，体积小、结构紧凑，不但可满足本科实验教学的需要，还能进行小型板类、盘类、叉架类和箱体类等复杂零件的多品种中小批量加工。整体结构，如图1 所示。加工中心的关键技术在于自动换刀系统装置。针对自主研发制作的微型立式加工中心进行阐述自动换刀控制系统的设计。

      2 自动换刀装置结构原理

      加工中心自动换刀装置有两种形式：有机械手换刀和无机械手换刀。有机械手换刀方式是当主轴位于换刀点位置时首先利用机械手把主轴上的旧刀取下来再把刀库上的刀具送到主轴上，最后把已用过的刀具返送到刀库上。换刀时间短，但其机械结构比较复杂。而无机械手换刀是直接在刀库与主轴（或刀架）之间的相对运动来实现换刀的自动换刀方式，结构简单。由于小型加工中心体积小，相对于有机械手换刀方式来说，无机械手换刀方式更适合于小型加工中心[3]。

      加工中心自动换刀系统采用无机械手固定换刀方式，即每次换刀的过程，刀套号与刀具号始终一一对应，如N号刀套中始终是N号刀。利用刀库和主轴的相对运动实现刀具的更换。其中刀盘的旋转是由直流电机驱动马氏机构带动刀盘转动，这种结构能准确控制转角、工作可靠、机械效率高；以用光电开关来实现刀盘转动的圈数计数；刀库的进退由步进电机带动丝杠驱动，为了工作可靠，采用机械开关作为前后极限的限位开关。主轴的拉刀装置采用电磁铁作为力源，通过杠杆的扩力实现主轴抓刀和松刀。

      3 自动换刀过程介绍

      下面以主轴上的1 号刀而需换成2 号刀为例来阐述自动换刀系统的工作过程。该换刀过程在G 代码中可通过M 指令实现，具体指令序列为M06T02。如图2 所示，为本换刀装置的换刀过程图。换刀过程经过了如下8 个步骤：（1）系统接到换刀指令时，主轴准停，将刀盘旋转至1 号刀所在的位置。运动过程示意图，如图2（a）所示。（2）Z 轴运行至换刀点位置，由光电开关来实现准停，如图2（b）所示。（3）刀盘慢速前进至换刀位置，使在主轴上的1 号刀进入刀库的1 号刀座，如图2（c）所示。（4）主轴上用于抓刀的电磁铁得电，主轴松刀。主轴上升至零点位置，如图2（d）所示。（5）刀盘旋转，将2 号刀旋转至刀库的当前位置，如图2（e）所示。（6）主轴下降至换刀点位置，将2 号刀装入主轴，电磁铁失电，主轴抓刀。如图2（f）所示。（7）刀库后退至初始位置。如图2（g）所示。（8）主轴上升至原点位置，完成整个换刀过程。如图2（h）所示。

      4 自动换刀控制系统设计

      4.1 总体设计

      微型加工中心采用了独立的自动换刀控制器来单独完成换刀功能，它是一个与数控系统相对独立的子功能模块。在这里，我们采用了51 单片机作为换刀子系统的主控器。数控系统在进行G 代码解释时遇到换刀指令时，通过串口向自动换刀子系统发送换刀命令并处于等待状态。自动换刀控制器根据接收到的命令参数执行换刀任务。由于Z 轴为数控系统和换刀子系统所共用，需要根据所处状态来决定Z 轴电机驱动器的控制权，为此设置了信号超越电路，在换刀状态时，由自动换刀系统控制Z 轴电机。而当换刀任务执行完时，将Z 轴控制权返回数控系统同时通过串口向数控系统发送换刀完成信号并等待下次换刀命令的到来；数控系统收到换刀完成信号后继续执行后面的数控加工代码进行加工。自动换刀系统总体结构图，如图3 所示。

      4.2 硬件设计

      4.2.1 信号接收电路设计

      自动换刀系统和数控系统之间是通过串口传送和接收控制命令的，因此串口通讯的设置十分重要。系统中采用MAX232 作为RS232 电平和TTL 电平的转换，电路原理图，如图4 所示。

      4.2.2 PWM 脉冲输出电路设计

      电路原理图，如图5 所示。为了对输出的脉冲信号加以整顿，在此并联一个电容C。

      4.2.3 刀盘旋转直流电机驱动电路

      刀盘的旋转是由直流电机驱动马氏结构来实现的。刀盘上依次按顺序标出（1~5）号刀的刀号，假如在换刀过程中，需要由1 号刀换为2 号刀，或者由1 号刀换为5 号刀，为了使刀盘依最短的时间旋转到目标刀位置，需要根据目标刀号与当前刀号之间的最短路径来决定直流电机的正反转。电机的驱动芯片采用ST 公司的双极型H 桥驱动芯片L298N，L298N 内部包含两个H 桥的高电压大电流桥式驱动器，接收标准TTL 逻辑电平信号，可以驱动46V、2A 以下的电机。电路图，如图6 所示。电机工作的逻辑表，如表1 所示。

      4.2.4 电磁阀驱动电路设计

      自动换刀系统的拉刀装置是利用电磁铁的通断来实现的。电磁阀的工作电压为24V 且为感性负载，而单片机工作电压为5V，采用TTL 电平。因此必须通过功率放大才可驱动，同时为了避免电磁铁开闭对控制电路的信号干扰，在这里采用TLP521 光藕进行隔离，并完成电平转换。系统中电磁铁的通断控制采用N沟道场效应管作为开关元件，因为场效应管有很大的工作电流和导通电阻，这样便于降低功耗。但由于场效应管栅极的工作电压较高，为了保证场效应管的可靠导通，需要加入10V 左右的电压。为此采用了24V 供电并将光隔串联在栅极的供电回路中，串接了4.7K 的限流电阻，并加入了10V 的稳压管防止场效应管因栅极电压过高而损坏。电路图，如图7 所示。

      4.3 软件设计

      该系统是采用Keil 公司的uVision2 作为开发环境。它集编辑，编译，仿真于一体，支持C51 及汇编编程。由于C 语言编程具有较好的通用性、可读性及可移植性，本控制系统采用C 语言作为编程语言。

      自动换刀系统的主程序，如图8 所示。上电开始，控制系统初始化，串口初始化，让刀库位于初始点，当前刀位位于某一号刀处。然后等待数控系统的换刀命令。当接收到换刀命令时，主轴马上停止工作，Z 轴上升至原点并在超越电路的控制下换为自动换刀系统来控制，经比较当前刀号和编程刀号，若当前刀号和编程刀号相同，则单片机直接向数控系统发送换刀完成任务；若不相同，则看主轴有没有刀，假如没刀，则刀库不用进行取刀过程，假如主轴有刀，则要先取下旧刀再更换新刀，然后刀库和Z 轴回到零点，Z 轴的控制权交与数控系统，单片机通过串口向数控系统发送换刀完成信号并继续等待下次换刀命令的到来，数控系统继续执行加工任务。其中，可变脉宽PWM 的输出是利用单片机的定时器T0 控制PWM 的占空比，T1定时器控制脉宽的方式实现的。

      5 小结

      介绍的一种通过单片机来对微型加工中心盘式刀库的自动换刀系统的控制方案。主控器采用单片机，结构简单，成本低廉。在IO 电路中采用光隔，提高了主控器工作的稳定性。换刀系统通过RS232 和数控系统进行通信，降低了对数控系统的依赖性。方案通过重复试验证明了其稳定可靠性。为小型加工中心的发展和广泛应用打下了基础。