1 引言

切削加工離不開刀具，刀具是機床和加工中必不可少的設(shè)備，而且刀具工作是否正常將直接影響到產(chǎn)品的加工質(zhì)量。但在加工過程中，刀具經(jīng)常會因過載而被損壞，如崩斷、卷刀等，所以對刀具進行過載保護就顯得很重要了。一般地，對于工件的一次裝夾，加工中心要完成好幾道工序，如果在加工第一道工序時刀具就已經(jīng)崩斷，那么后幾道工序的完成就形成很大的浪費。特別是在流水線上進行加工，如果加工的工件在流水線的末端流出時才被檢測出由于刀具過載引起的產(chǎn)品報廢，那么很多工序就是嚴重浪費。而人工卻很難確認哪臺機床的刀具出現(xiàn)問題，必須把整個流水線停下來進行逐臺檢查，這樣便降低了生產(chǎn)效率。如果不能及時發(fā)現(xiàn)刀具故障，輕則導(dǎo)致工件報廢，重則導(dǎo)致機床部件損壞，使機床的精度嚴重下降。因此，對刀具進行過載保護有著相當(dāng)重要的意義。

2 需要進行刀具過載保護的機床的特點及主要工作

不同規(guī)格的刀具所允許的切削載荷不同，多數(shù)刀具在破損時都還達不到主電機的額定功率。 相同型號的機床，由于出廠日期不同，機床的傳動效率也不同。所以，同品種同模數(shù)的刀具在不同的機床上加工，穩(wěn)定切削時的主電機功率就不同，而且有的差別很大。

由于刀具的材質(zhì)和刃磨不同，而且不同廠家的刀具，其穩(wěn)定切削時的主電機功率也有所差別。因此，每一刀具的穩(wěn)定切削時的主電機功率，只能在特定的機床上，由操作人員根據(jù)當(dāng)時的加工情況而定，不能預(yù)先給出某一刀具所對應(yīng)的穩(wěn)定切削時的主電機功率。

由于需要進行過載保護的機床刀具有以上特點，所以設(shè)計的保護線路應(yīng)滿足要求： 穩(wěn)定切割后，發(fā)出刀具保護調(diào)整指令，保護線路即能完成檢測該切削狀態(tài)下主電機電流信號的大小，并跟蹤這一信號，超過即報警，繼續(xù)增加就立即停車，而且要達到實現(xiàn)保護后，不論電機的電流多大，都能夠立即制動停車的要求。本文設(shè)計了用單片機實現(xiàn)對刀具過載保護的控制線路。這套線路穩(wěn)定可靠，能迅速切斷任何有損刀具的過載電流，適用于精度和實時性要求較高的場合。

3 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

按設(shè)計要求，本控制系統(tǒng)要能對刀具穩(wěn)定切削狀態(tài)下的主電機電流進行自動檢測，并實時監(jiān)測主回路電流，判斷刀具過載后，發(fā)出報警信號和制動停車信號。因為單片機只能處理電壓信號，不能處理電流信號，而刀具過載時變化的是主回路電流，所以需要將變化的電流信號轉(zhuǎn)化成變化的電壓信號供單片機處理。本系統(tǒng)采用小電阻和升壓變壓器來實現(xiàn)。

升壓變壓器出來的是交流電，其瞬時值是不斷變化的。而判斷刀具是否過載是由有效值來決定的，如果電路中交流電的有效值超過其額定值，則即可判斷過載。所以不能將交流電直接送給單片機處理。要利用全波線性檢波電路。交流電通過該電路可以得到其平均值。平均值與有效值是同相變化的，即有效值增大，平均值也增大，有效值減小，平均值也減小。若輸出電壓是理想的正弦波，則平均值乘波形因數(shù)1.11 后就成為有效值。所以對同一交流電壓而言，監(jiān)測其平均值的變化就相當(dāng)于監(jiān)測其有效值的變化。

全波線性檢波電路的反饋支路中并聯(lián)有大電容構(gòu)成的濾波器，可以大大削弱電壓的脈動程度，但由于濾波器功能有限，最后輸出的電壓中仍含有一部分紋波電壓，即得到的平均值并非是一恒定不變的常數(shù)，所以在此平均值送單片機處理之前，還須經(jīng)過采樣/保持和A/D轉(zhuǎn)換。

采用LF398 采樣保持器對反映主電路電流有效值變化的電壓平均值進行采樣，采樣完畢后處于保持狀態(tài)。在單片機8031 的控制下，采樣來的數(shù)據(jù)送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD574，AD574對其進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完畢的數(shù)字信號被8031單片機讀出，存放于外部數(shù)據(jù)存儲器6264。8031通過運行存放于外部程序存儲器的指令對讀取的數(shù)據(jù)進行處理，發(fā)出控制信號，實現(xiàn)刀具的過載保護。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

報警接口電路設(shè)計

單片機處理完數(shù)據(jù)后，發(fā)出控制信號控制外電路工作，開關(guān)型驅(qū)動接口中單片機控制輸出的信號是開關(guān)量，有發(fā)光二極管驅(qū)動接口，光電耦合器驅(qū)動接口，液晶顯示器驅(qū)動接口，晶閘管輸出型驅(qū)動接口和繼電器型驅(qū)動接口?？刂茡P聲器采用的是晶閘管輸出型光電耦合驅(qū)動接口。

電路如圖2 所示。晶閘管輸出型光電耦合器的輸出端是光敏晶閘管。當(dāng)光電耦合器的輸入端有一定的電流流入時，晶閘管導(dǎo)通。采用4N 40單相晶閘管輸出型光電耦合器，當(dāng)輸入端有15-30mA的電流時輸出端的晶閘管導(dǎo)通。輸出端的額定電壓為400V ，額定電流有效值為300mA。4N 40的6腳是輸出晶閘管的控制端，不使用此端時，可對陰極接一電阻。所以，當(dāng)8031的P1.0為低電平時，二極管導(dǎo)通，發(fā)光，觸發(fā)晶閘管使其導(dǎo)通，揚聲器報警。

自動通車接口電路設(shè)計

8031與自動停車電路間用的是交流電磁式接觸器的功率接口。具體電路如圖3 所示。

圖2 不電耦合器驅(qū)動接口電路

圖3 交流接觸器接口

交流接觸器C 由雙向晶閘管KS 驅(qū)動。光電耦合器MOC3041 的作用是觸發(fā)雙向晶閘管KS 以及隔離單片機系統(tǒng)和接觸器系統(tǒng)。MOC3041 的輸入端接7407，由單片機的P1.1端控制。P1.1輸出低電平時，KS導(dǎo)通，接觸器C吸合。P1.1輸出高電平時，KS關(guān)斷，接觸器C釋放。MOC3041內(nèi)部帶有過零控制電路，因此KS 工作在過零觸發(fā)方式。

4 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

軟件主要由以下幾部分組成，主程序，T0采樣中斷服務(wù)程序，SUM P采樣子程序等。

圖4 主程序流程框圖

系統(tǒng)主程序主要完成系統(tǒng)初始化，開中斷，然后等待采樣定時中斷，程序流程圖如圖4 所示：

系統(tǒng)初始化程序

系統(tǒng)上電復(fù)位后8031從地址000H開始執(zhí)行程序，首先對系統(tǒng)初始化，完成設(shè)置棧指針，計數(shù)器/定時器工作方式，計數(shù)器/定時器初值，中斷方式，軟標志初態(tài)值設(shè)置以及內(nèi)部和外部RAM 單元清零等工作。50H-7FH為堆棧區(qū)域，棧頂?shù)奈恢糜蒘P指示，初始化程序中SP 特殊功能寄存器寫入60H。

8031單片機提供了5個中斷請求源，2個中斷優(yōu)先級，可實現(xiàn)兩級中斷服務(wù)嵌套。5個中斷請求源為兩個外部中斷請求，兩個片內(nèi)定時器/計數(shù)器溢出中斷和一個外部中斷。這個外部中斷是AD574轉(zhuǎn)換結(jié)束后，通知8031CPU取數(shù)，CPU響應(yīng)這一中斷請求，暫停正在做的工作，保護好現(xiàn)場后去取數(shù)，將數(shù)放入數(shù)據(jù)存儲器后再恢復(fù)現(xiàn)場，繼續(xù)原來的工作。

中斷服務(wù)程序

本系統(tǒng)的中斷服務(wù)程序是T0采樣中斷服務(wù)程序，另外還有一個AD574申請CPU取數(shù)的外部中斷服務(wù)程序。前者主要完成模擬信號的采樣，數(shù)據(jù)處理和報警停車等功能。它是本系統(tǒng)軟件的核心部分。T0中斷服務(wù)程序主要由采樣子程序SUM P，保護子程序PRO T等組成，其流程圖如圖5 所示：

圖5 T0中斷服務(wù)程序流程圖

系統(tǒng)響應(yīng)T0定時中斷后，CPU執(zhí)行了一條由中斷系統(tǒng)提供的硬件LCALL指令，轉(zhuǎn)向T0中斷服務(wù)程序入口，中斷服務(wù)程序首先恢復(fù)T0計數(shù)器初值，隨后保護現(xiàn)場。現(xiàn)場保護完成以后進入信號采樣階段，即執(zhí)行采樣子程序，在采樣完畢后調(diào)用A/D轉(zhuǎn)換程序AD574將數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換，其中還包括A/D轉(zhuǎn)換的中斷服務(wù)程序。采樣和A/D 轉(zhuǎn)換循環(huán)三次后，進入數(shù)字濾波程序，將中值（一個周期內(nèi)三個采樣點數(shù)值處于中間的值） 作為刀具穩(wěn)定切削時的穩(wěn)態(tài)值保存起來。繼續(xù)調(diào)用采樣子程序（內(nèi)含數(shù)字濾波程序） ，又獲得一個新的中值，在保護子程序內(nèi)，新中值與穩(wěn)態(tài)值進行比較，當(dāng)大于某數(shù)時，系統(tǒng)發(fā)出自動停車信號切斷主回路。其中，報警信號由8031 P1.0位發(fā)出，停車信號由P1.1位發(fā)出。

保護子程序PRO T

保護子程序就是將每次的數(shù)字濾波后留下的采樣值與計算機最先保存的刀具穩(wěn)定切削時的穩(wěn)態(tài)值相比較，若采樣值較穩(wěn)態(tài)值大且兩者的差值超過一定的裕度，則單片機清P1.0位接通外電路，使揚聲器發(fā)出報警信號; 若此差值更大，且大于更大的裕度時，則單片機P1.1位發(fā)出信號，使外電路的交流接觸器失電，從而切斷主電路，實現(xiàn)自動停車。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計的刀具過載保護與自動調(diào)整線路，能按設(shè)計要求時間對刀具進行實時監(jiān)測與保護。可以滿足各種技術(shù)指標。系統(tǒng)用模擬濾波即全波線性檢波和編程實現(xiàn)的數(shù)字濾波相結(jié)合的方法，使得保護線路的精度較高。在實際的生產(chǎn)實踐中已經(jīng)運用，并且效果良好。

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