1、1CA6140 车床刀具温度单片机控制系统设计摘要当今社会上各种机械加工业都在迅猛发展，车床是机械加工核心工具，随着科学技术的发展，车床也在不断向着高精度、高效率、高自动化方向发展，数控车床已经成为主流设备，逐渐取代老旧的普通车床。我国目前机床总量约400 余万台,但其中数控机床总数只有 20 余万台,机床的数控化率极低。国内起步较晚，技术较为落后，有着大量的老旧车床，又因其缺乏专业的维修与保养，促使机床的工作精度大大降低。而从国外购置新型数控车床的价格又颇为昂贵，普通企业根本无法负担。在机械制造业中, 虽然已发展出各种不同的零件成型工艺, 但目前仍有 90% 以上的机械零件是通过切削加工制成
2、。在切削过程中, 机床作功转换为等量的切削热, 这些切削热除少量逸散到周围介质中以外, 其余均传入刀具、切屑和工件中, 刀具、工件和机床温升将加速刀具磨损, 引起工件热变形, 严重时甚至引起机床热变形。因此,在机床的切削加工过程当中，对切削温度的测量非常重要。在高速车床当中，为了提高车床加工精度，刀具在切削过程中的受热变形一定要控制住，这个仅仅知道刀具温度是不够的，还需要引入自动控制技术进行实时控制。本论文以 CA6140 普通车床为研究对象，根据数控技术原理，运用了单片机应用技术、自动控制技术和测试传感器技术，提出了车床刀具温度的控制系统方案。设计了基于 MCS-51 单片机的车床刀具温度控
3、制电路和软件。关键词：数控车床；刀具温度；单片机控制2ABSTRACTTodays society, a variety of mechanical processing industry in rapid development, machining lathe is the core tools, with the development of science and technology, the lathe has been towards high precision, high efficiency, high automation, CNC lathes have become
4、the mainstream equipment, gradually taking the place of ordinary lathe old. My current machine total about more than 400 units, but the total number of CNC machine tool is only more than 20, the rate of CNC machine tools is very low. China started late, the technology is relatively backward, there a
5、re lots of old lathe, also because of the lack of repair and maintenance of professional, the machine tool working accuracy greatly reduced. From the foreign purchase of new CNC lathe price is quite expensive, ordinary enterprises simply can not afford.In mechanical manufacturing industry, there are
6、 more than 90% mechanical parts are manufactured by machining. In the process of cutting, machine work into cutting heat equivalent, the cutting heat in addition to a small number of escapes into the surrounding medium, the rest are into the tool, chip and work piece, tool wear will accelerate the r
7、ise of cutting tool, work piece and tool temperature, caused by the thermal deformation caused by the thermal deformation of machine tools, even when serious. Therefore, in the process of cutting machine, measurement of cutting temperature is very important. In the high speed lathe, in order to impr
8、ove the machining precision lathe, cutting tool in the cutting process of thermal deformation must be controlled, this just know the tool temperature is not enough, also need to introduce automatic control technology for real-time control.In this thesis, the CA6140 lathe as the research object, acco
9、rding to the principle of NC technology, uses the single chip microcomputer application technology, automatic control technology and sensor technology, put forward control scheme of lathe cutting tool temperature. Design of MCS-51 MCU lathe tool temperature control circuit and software.Keywords: CNC
10、；lathe tool temperature; MCU control;3目录摘要 .1ABSTRACT .2第一章 绪论 .51.1 课题的研究背景和研究意义 .51.2 国内外研究现状 .51.2.1 国外研究现状 .51.2.2 国内研究现状 .61.3 方案背景技术简介 .61.3.1 数控车床 .61.3.2 温度检测的主要方法 .71.4 本课题的主要研究内容 .81.5 本章小结 .8第二章 车床结构及系统总体设计方案 .92.1 CA6140 车床简介 .92.2 系统总体设计方案 .102.3 本章小结 .10第三章 系统硬件设计 .113.1 系统硬件设计方案 .113.
11、2 中央处理器 .113.2.1 AT89C51 简介 .113.2.2 AT89C51 主要性能参数 .123.2.3 管脚说明 .123.2.3 特殊功能存储器 .143.2.4 芯片擦除 .153.2.5 复位电路的设计 .153.2.6 时钟电路设计 .163.3 红外测温传感器 .163.3.1 红外测温传感器的工作原理 .163.3.2 红外测温传感器的选择 .173.4 信号调理电路 .183.5 A/D 转换电路 .193.6 LED 显示 .213.7 键盘接口 .253.7 控制电路 .26第四章 系统软件设计 .274.1 程序初始化 .284.2 主程序 .294.3
12、A/D 转换子程序 .304.4 显示子程序 .314.5 键盘子程序 .3344.6 本章小结 .36第五章 结论与展望 .375.1 主要研究工作及结论 .375.2 本课题的展望 .37参考文献 .38致谢 .40附录 .41系统硬件原理图 .41系统 PCB 板图 .425第一章 绪论1.1 课题的研究背景和研究意义金属切削加工是机械制造中应用最为广泛的加工方式之一。金属切削加工使用刀具或磨具从工件表面切除多余材料，以实现零件的几何形状、尺寸精度、表面粗糙度和表面层质量。刀具作为切削过程的直接执行者，在切削加工过程中不可避免地会发生磨损或破损。刀具磨损或破损会使零件的加工精度下降，零件
13、表面粗糙度及表层质量恶化，严重时将使刀具失去切削能力，甚至危及机床设备。因为切削热而产生的温度变化是造成刀具磨损，破损的一个重要原因。切削温度升高后，刀具的磨损量增大，降低了工件的加工精度，这些都是切削过程中不利的一面。因此有必要研究切削过程中热量的产生和传递的规律，了解刀具中温度的分布状态。多年来，人们对于切削温度的研究也给予了足够的重视。但因为切削温度的研究无论是在实验室测量方法还是理论分析上，基本上局限于连续车削和稳定状态下的切削温度的研究。因此设计一个在线的自动控制的刀具温度控制系统，是防止设备的损坏，工件的报废并保证机床无故障运行的必然手段。1.2 国内外研究现状随着红外温度检测技术
14、的发展，国内外研究人员开始利用红外热辐射法进行非接触式检测刀具或者工件的表面切削温度。该方法利用红外传感器聚焦于刀具表面的固定位置，然后通过刀具表面的辐射强度检测刀具表面的切削温度，由传热学原理可知，刀具切削区温度的变化会造成刀具表面的切削温度的变化，从而可以通过试验测量刀具表面的切削温度的变化来间接识别刀具的状态 1。1.2.1 国外研究现状目前研究切削温度一般通过试验测量和理论计算两种方法。其中，6Jehnming Lin2先测得铣削被加工表面的温度，然后再利用热传导反求法来推算铣刀的铣削温度。Sarat 3利用边界元有限元混合法建立车刀和工件的温度分布的有限元模型，分析出刀具和工件的温度
15、分布情况。Yahya Dogu 等 4利用有限元方法建立正交切削过程中刀具的温度分布的有限元模型，同时说明了有限元法比解析法能更好地模拟温度的分布情况。E. Ceretti 等利用热电偶测量刀具温度，同时利用软件仿真金属车削加工的过程，结合试验测量值进行修正完善仿真的过程。Fang Du 等在假设切削过程中，刀具和工件的导热系数，比热以及密度稳定的情况下，建立涂层车刀的一维的温度分布的模型，分析出刀具一维温度分布的情况。Pradip Majumdar 等详细阐述了切削过程中切削热产生的过程，以及第一第二变形区产生的热流密度，明确了切削过程中的刀具的温度分布边界条件，最后建立了刀具的有限元温度分
16、布模型。Rui Li 等 5利用斜切削模型计算热流密度，建立钻削过程中钻头的的温度分布的有限元模型，结合试验测量值进行修正完善钻头的温度分布模型，分析出钻头的温度分布情况。1.2.2 国内研究现状国内研究人员对红外测温技术也早已经展开研究，山东大学的王兰 6利用红外线测温技术，用 PLC 做硬件结构，测试 110KV 干式变压器的温度进行实时监控，从而设计出一套包含采集，处理，显示的功能的完整的测温监控系统。陈东生 7等利用红外测温仪，快速移动传感器对其工件进行匀速扫描来实现工件温度分布的监控，结果表明能够快速地反应工件温度的分布变化，其精度可达1，满足监控的要求。赵友权等 8分析了常低温辐射
17、测量误差和物体发射率的关系，并针对测量过程中的发射率校正做了较详细的分析。杨巧凤 9,10等采用红外辐射测量技术对铝合金铣削温度进行了间接的，相似的，直观的测量，通过测得工件表面的相对温度来推导临界铣削速度。71.3 方案背景技术简介1.3.1 数控车床数控技术,简称数控(Numerical Control),是利用数字化信息对机械运动及加工过程进行控制的一种方法。由于现代数控技术都采用了计算机进行控制,因此,也可以称为计算机数控(Computer Numerical Control)。采用了数控技术进行控制的机床,或者说装备了数控系统的机床称为数控机床。它是综合应用计算机、自动控制、自动检测
18、及精密机械制造技术等高新技术于一体的典型机电一体化产品,是现代制造技术的基础。它很好地解决了形状结构复杂、精度要求高、小批量及多变零件的加工问题且能稳定产品的加工质量,降低工人劳动强度,大幅度提高生产效率。机床控制也是数控技术应用最早、最广泛的领域,因此,数控机床的水平代表了当前数控技术的发展水平和方向。与普通机床相比,数控机床能够自动换刀、自动变更切削参数,完成平面、回旋面、平面曲线的加工,加工精度和生产效率都比较高,因而应用日益广泛 11。1.3.2 温度检测的主要方法常用的切削温度测量方法主要有热电偶法、光辐射法、热辐射法、金相结构法等。传统的温度测量采用的是热电偶方法 12，当两种不同
19、材质组成的材料副(如切削加工中的刀具工件)接近并受热时,会因表层电子溢出而产生溢出电动势,并在材料副的接触界面间形成电位差(即热电势)。由于特定材料副在一定温升条件下形成的热电势是一定的,因此可根据热电势的大小来测定材料副(即热电偶)的受热状态及温度变化情况。采用热电偶法的测温装置结构简单,测量方便,是目前较成熟也较常用的切削温度测量方法。根据不同的测量原理和用途, 热电偶法又可细分为自然热电偶法、人工热电偶法、半人工热电偶法、等效热电偶法。然而在实际加工中几乎没有一种工件允许在其内部埋置热电偶，且其热惯性大，响应慢。金相结构法 13是基于金属材料在高温下会发生相应的金相结构变化这一原8理进行
20、测温的。但是这种方法的应用范围局限于金属材料制成的刀具,并只能在高温下才能观察到材料明显的组织结构变化；金相结构法的观测和分析的工作量也较大；利用扫描电镜法也存在以下缺点：只能测量 600以上的高温；样件制作相当繁琐；且为事后破坏性测量,不方便推广应用于加工现场；所确定的切削温度分布状态属于定量分析；设备复杂,技术难度高,实际应用受到一定限制。光、热辐射法，采用光、 热辐射法测量切削温度的原理是: 刀具、切屑和工件材料受热时都会产生一定强度的光、热辐射, 且辐射强度随温度升高而加大, 因此可通过测量光、 热辐射的能量间接测定切削温度。主要分为辐射高温计法、红外照相法、红外热像仪法。辐射测温传感
21、器不直接与被测物相接触，这样测量传感器不会改变被测对象的温度场分布，也不会受到工作介质的影响，而且不必与被测对象达到热平衡，因此它特别适合于被测物体表面温度的非接触测量。此外，辐射测温元件的响应时间很短，因而它便于进行动态、瞬态的温度测量。正是由于辐射测温具有这么多的优点，因此适用于实际加工过程的刀具温度测量。本论文结合实际加工过程应用选用红外测温方法。1.4 本课题的主要研究内容本论文以 CA6140 普通车床为研究对象，通过红外测温法测量车床刀具表面温度进行监控刀具状态，同时根据反馈的刀具温度控制切削速度。主要工作如下：（1）了解 CA6140 车床结构和运行过程，确定电控系统的控制要求。
22、（2）总结了刀具状态监控的常用方法和切削温度的常用测量方法，分析了红外测温法的原理，特点以及应用。（3）提出车床刀具温度控制方案，设计基于单片机 MCS-51 的温度信号采集电路，包括单片机的最小系统电路、AD 转换电路、信号调理电路等。（4）配合温控系统的硬件电路，设计系统软件，包括监控软件，它是整个控制系统的核心，专门用来协调各执行模块和操作者的关系。二是执行软件，它是用来完成各种实质性的功能如测量、显示等功能。91.5 本章小结本章在介绍课题背景和研究意义的前提下，重点介绍了红外测温技术的国内外研究现状，并分析了红外测温技术运用在车床刀具温度测量的可行性 14，最后对本课题主要研究内容进
23、行了阐述。第二章 车床结构及系统总体设计方案2.1 CA6140 车床简介CA6140 普通卧式车床主要由主轴箱、床鞍、刀架部件、尾座、进给箱、溜板箱、床身等部件组成 15。如图 2.1 所示。图 2.1 CA6140 普通卧式车床（1）主轴箱。它固定在机床身的左端，装在主轴箱中的主轴（主轴为中空，不仅可以用于更长的棒料的加工及机床线路的铺设还可以增加主轴的刚性） ，通过夹盘等夹具装夹工件。主轴箱的功用是支撑并传动主轴，使主轴带动工件按照规定的转速旋转。（2）床鞍和刀架部件。它位于床身的中部，并可沿床身上的刀架轨道做纵向移动。刀架部件位于床鞍上，其功能是装夹车刀，并使车刀做纵向、横向或斜向运动
24、。10（3）尾座。它位于床身的尾座轨道上，并可沿导轨纵向调整位置。尾座的功能是用后顶尖支撑工件。在尾座上还可以安装钻头等加工刀具，以进行孔加工。（4）进给箱。它固定在床身的左前侧、主轴箱的底部。其功能是改变被加工螺纹的螺距或机动进给的进给量。（5）溜板箱。它固定在刀架部件的底部，可带动刀架一起做纵向、横向进给、快速移动或螺纹加工。在溜板箱上装有各种操作手柄及按钮，工作时工人可以方便地操作机床。（6）床身。床身固定在左床腿和右床腿上。床身是机床的基本支撑件。在床身上安装着机床的各个主要部件，工作时床身使它们保持准确的相对位置。2.2 系统总体设计方案本次设计采用 MCS-51 单片机作为控制芯片
25、，采用红外温度传感器采集刀具温度信号 16,17。通过红外温度传感器将采集的温度信号转换成与之相对应的电信号，经过放大处理送入 A/D 转换器进行 A/D 转换，将模拟信号转换成数字信号送入到控制芯片进行数据处理。通过在芯片外围添加显示、控制等外围电路来实现对车床刀具温度实时监测和控制功能。本系统功能由硬件和软件两大部分协调完成,硬件部分主要完成传感器信号的采集处理,信息的显示等;软件主要完成对采集的温度信号进行处理及显示控制等功能。系统结构框图如图 2.2 所示：单 片 机 显 示调 理 电 路 A/D中 间 继 电 器交 流 电 源直 流 电 源主 轴 电 机红 外 温 度 传感 器控 制设 定车床单 片 机 最 小 系 统
