专利名称：用于经济型数控机床电动刀架的位置控制装置的制作方法
技术领域：
本发明属于装备制造业技术领域，具体说是一种采用单片计算机控制的，用于经济型数控机床电动刀架的位置控制装置。
背景技术：
电动刀架是数控机床的主要部件，机械加工所需的切削刀具，装卡于电动刀架之上。根据机床数控系统的选刀指令，电动刀架转动到相应的切削刀具位置，再依靠电动机反转带动相应的机械机构位移，然后压下电气微动开关接通电路，以此为电动刀架锁紧信号，数控系统接收到该锁紧信号后，执行机床进入加工过程指令。
数控机床大体分经济型数控和高级数控两种，经济型数控通常采用电动刀架，其国内价格为数千元；高级数控通常采用伺服刀架，其国内价格为数万元；经济型数控机床在装备制造业市场中占有相当份额，本发明专利应用于经济型数控机床电动刀架的位置控制。
在国际，经检索尚未发现同类产品；在发达国家其制造业大都以装备加工中心为主，加工中心属高级数控，通常采用伺服刀架；在发展中国家，其制造业的装备大都以中国机床为主，因此，中国机床在某些领域代表国际潮流。
在国内，经济型数控机床上电动刀架的位置控制，工位检测器件、控制装置的安装位置，几乎完全相同。
电动刀架的工位检测器件，通常由磁性开关、霍尔元件组成的刀架码盘和光电编码器组成，磁性开关其实质就是干簧继电器进行了塑封，不适合高精度定位。霍尔元件位置检测装置，精度尚可，但长期的磁场效应，其元件根部易于折断。由磁性开关、霍尔元件组成的码盘，现已很少采用。采用光电编码器作为位置检测，能够保证定位精度，但其安装位置和刀架锁紧信号的提取，尚不科学。
现有电动刀架的位置控制装置，全部安装于刀架本体上，以立式刀架为例。控制装置安装于刀架的上部，承受切削和换刀震动，并处于冷却液形成的潮湿环境之中，工作于几种热源(切削热传导、电机发热传导等)的影响之下，光电编码器内部的红外光电器件能否长期工作在这种存在震动和湿热的环境之中，是否可行有待考验。
更重要的问题是，现在正在使用中的所有刀架码盘或光电编码器，其锁紧信号的产生，还是延用机械位移带动电气微动开关接通电路的方法。机械位移量的精确程度，受控于组成机构的另部件精度，受控于其自身装配精度，受控于微动开关机械接触位置，因此，当电机还处于反转时，微动开关接通，发出刀架已经锁紧指令，这种虚假指令，将直接影响到机床的安全当电机已经堵转，微动开关才发出锁紧指令，将使电机过热，长时间会烧毁电机。
简言之，刀架锁紧信号其实质是电机堵转开始时的电信号，将很好的电信号转换为机械信号再转换回来加以使用，实在是过于繁琐。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术不足，提供一种用于经济型数控机床电动刀架的位置控制装置，采用单片计算机控制的独立的控制系统。
用于经济型数控机床电动刀架的位置控制装置，采用非刀架码盘或光电编码器测控元件，利用电流、电压传感器信号采集的方法并借助于单片计算机的控制，其特征在于电机的旋转方向信号，由电机的三相电源电压经处理后取得；电动刀架的锁紧信号，由电机的电流信号经处理后取得；据此形成单片计算机的控制线路，单片计算机的输入端口与传感器接口电路和时间设定电路连接；单片计算机的输出端口与显示电路，锁紧、报警及刀架工位信号输出电路连接。
本控制装置的传感器与接口电路的上端，经电压互感器与电动刀架的电机电源线路相连，下端经电子线路与单片计算机的输入接口相连，单片计算机的输入的是电压等级为3～5.5V、相位差为60°的脉冲信号U1、U2；随着电机旋转方向不同，U1、U2的相位互为超前和滞后。
本位置控制装置中的传感器与接口电路的电流传感器，串接于任意一根电源线中，电流传感器的副端经电子线路与单片计算机的输入接口相连，单片计算机的输入为电压等级为3～5.5V的脉冲信号U3；U3信号与电动机起动电流和堵转电流相关，即当该电流出现时，U3为原信号‘非’。
包含由拨码开关组成的时间设定电路，以8421代码形式与单片计算机相连。
包含由数码管和发光二极管组成的显示电路与单片计算机相连。
包含输出电路，输出电路输出5～24V正负逻辑的电平信号，该输出信号代表刀架已经锁紧、报警、刀架工位信号。
报警输出电路包含有继电器的接点输出方式或推动外部继电器的接口输出方式。
报警输出电路包含推动外部继电器的接口输出方式。
与电动刀架相连的仅为电机电源线及地线。
电动刀架的电机电源经过本位置控制装置后供给。
用于经济型数控机床上电动刀架的位置控制装置，不再使用传统的刀架码盘或光电编码器等检测器件，而是利用独特的信号采集方法并借助于单片计算机的控制功能，达到对于经济型数控机床电动刀架位置控制的目的。采用单片计算机控制的独立的控制系统。本发明的特点1.利用电动机的电压相位信号，解调出刀架电动机旋转方向信号，具有无位置传感器实现判别电动机旋转方向功能，2.能够自动识别电动机的工作状态，诸如，电机正、反转起动，正、反转运行，和刀架锁紧时的电机状态，实现可靠的刀架智能锁紧。
3.彻底摘掉了传统的刀架码盘和光电编码器等位置检测装置，实现了电气控制装置和机械装置分离。使数控机床刀架简洁、美观、体积减小，控制系统安全可靠。
图1为电路原理方框图，图2为实施例电路原理图，图3与图4为代表电机正反转时的采样波型图，图5为电机电流信号波型图，图6为电机堵转时采样电压波型图。
具体实施例方式
用于经济型数控机床上电动刀架的位置控制装置，上述的传感器与接口电路是由电压互感器PT1、PT2，整流二极管D1，D2和集成电路IC2、IC3组成，电压互感器输入端连接电机电源线，电压互感器PT1、PT2对电机的端电压UAB、UAC采样，采样值经二极管D1，D2半波整流后，送集成电路IC2、IC3组成的电压比较器进行比较，电路中的R1、R2用于形成比较器的门槛电压，电压比较器的输出电压波型见图3与图4，图3与图4分别是电机在不同旋转方向时的电压波型，图中U1、U2是两路相位差为60°的方波信号，可以看出，随着电机旋转方向不同，两路信号互为相位超前、滞后，通过单片计算机识别方波信号U1、U2的初始相位差别，来判定电动机旋转方向。
电流互感器串接于电机电源的某一线电路中，将电动机的某一线电流IX信号转换成电压信号UX，该信号波型见图5(图5中代表起动电流的波型未拍出，其波型与反转起动电流波型相同)，图中包含电机正转工作电流，反转起动电流，反转工作电流，电机的堵转电流(刀架锁紧时电机处于堵转状态)。UX经Q1桥式整流后送电压比较器比较，电压比较器的门槛电压由稳压管Z1取得。其值是小于电机堵转电流、大于工作电流的电压信号点。在电机正、反转起动和堵转时，U3以低电平形式出现三次见图6，由单片计算机识别出电动机的堵转电流起始点，包括延时处理后，经单片计算机输出电路作为刀架锁紧信号输出。
时间设定电路是由DIP拨码开关SW1、SW2以8421代码形式，预先对电机工作的某一时间段进行补偿。
刀架电机以刀架在锁紧状态为起点，可分为1、电机正转刀架松开锁紧状态，2、电机正转刀架转位状态，3、电机反转刀架预锁紧状态，4、电机堵转刀架锁紧状态。本控制装置是以时间为控制基本点，考虑电机的个体差异，预先对刀架松锁紧时间、刀架转位时间进行补偿。其硬件电路为通用电路。DIP开关SW1、SW2在接通状态，单片计算机接口为“0”态。图中的4XR8与4XR9为上拉电阻。
显示电路用于数字式显示刀位号、报警功能号；其硬件为采用4511译码驱动电路驱动七段LED显示器。
锁紧、报警、刀架工位信号输出电路，是将单片计算机输出信号转换成具有一定推动能力、适合机床数控系统需要的电平信号；其硬件为通用电路。
考虑电路的统一性，图中的所有用于电压比较器的集成电路都由运算放大器组成，其好处是输出端不用接上拉电阻，并且带负载能力强。与电压比较器集成电路同相端(+)连接的电阻用于门槛电压设定；集成电路反相端(-)连接的电阻用于输入信号的分压，保证合适的输入电平。
与单片计算机相连的还有EEPROM，用于保存正常刀位信号和刀架锁紧信号。
综上所述，本装置用简单电路判断出电机的旋转方向，并利用该判向功能，在电机正转启动、反转启动和堵转时的三个电流信号中，区别出刀架锁紧信号，使刀架可靠锁紧。
判向通常是对两路正交(相位互差90°)信号进行判别。本电路是对两路相位互差60°的信号进行判别。还可直接用于卷闸门、电动阀门等初始不可逆转的电机旋转方向判别。需要提及的是，购买具有该功能的专用集成电路需百元人民币。
权利要求
1.用于经济型数控机床电动刀架的位置控制装置，采用非刀架码盘或光电编码器测控元件，利用电流、电压传感器信号采集的方法并借助于单片计算机的控制，其特征在于电机的旋转方向信号，由电机的三相电源电压经处理后取得；电动刀架的锁紧信号，由电机的电流信号经处理后取得；据此形成单片计算机的控制线路，单片计算机的输入端口与传感器接口电路和时间设定电路连接；单片计算机的输出端口与显示电路，锁紧、报警及刀架工位信号输出电路连接。
2.根据权利要求1所述的用于经济型数控机床电动刀架的位置控制装置，其特征在于本控制装置的传感器与接口电路的上端，经电压互感器与电动刀架的电机电源线路相连，下端经电子线路与单片计算机的输入接口相连，单片计算机的输入的是电压等级为3～5.5V、相位差为60°的脉冲信号U1、U2；随着电机旋转方向不同，U1、U2的相位互为超前和滞后。
3.根据权利要求1或2所述的用于经济型数控机床电动刀架的位置控制装置，其特征在于本位置控制装置中的传感器与接口电路的电流传感器，串接于任意一根电源线中，电流传感器的副端经电子线路与单片计算机的输入接口相连，单片计算机的输入为电压等级为3～5.5V的脉冲信号U3；U3信号与电动机起动电流和堵转电流相关，即当该电流出现时，U3为原信号‘非’。
4.根据权利要求1所述的用于经济型数控机床电动刀架的位置控制装置，其特征在于包含由拨码开关组成的时间设定电路，以8421代码形式与单片计算机相连。
5.根据权利要求1所述的用于经济型数控机床电动刀架的位置控制装置，其特征在于包含由数码管和发光二极管组成的显示电路与单片计算机相连。
6.根据权利要求1所述的用于经济型数控机床电动刀架的位置控制装置，其特征在于包含输出电路，输出电路输出5～24V正负逻辑的电平信号，该输出信号代表刀架已经锁紧、报警、刀架工位信号。
7.根据权利要求1所述的用于经济型数控机床电动刀架的位置控制装置，其特征在于报警输出电路包含有继电器的接点输出方式或推动外部继电器的接口输出方式。
8.根据权利要求1或7所述的用于经济型数控机床电动刀架的位置控制装置，其特征在于报警输出电路包含推动外部继电器的接口输出方式。
9.根据权利要求1所述的用于经济型数控机床电动刀架的位置控制装置，其特征在于与电动刀架相连的仅为电机电源线及地线。
10.根据权利要求1或9所述的用于经济型数控机床电动刀架的位置控制装置，其特征在于电动刀架的电机电源经过本位置控制装置后供给。
全文摘要
用于经济型数控机床电动刀架的位置控制装置，采用非刀架码盘或光电编码器测控元件，其特征在于电机的旋转方向信号，由电机的三相电源电压经处理后取得；电动刀架的锁紧信号，由电机的电流信号经处理后取得；据此形成单片计算机的控制线路，单片计算机的输入端口与传感器接口电路和时间设定电路连接；单片计算机的输出端口与显示电路，锁紧、报警及刀架工位信号输出电路连接。特点利用电动机的电压相位信号，解调出刀架电动机旋转方向信号，具有无位置传感器实现判别电动机旋转方向功能；能够自动识别电动机的工作状态，实现可靠的刀架智能锁紧；实现了电气控制装置和机械装置分离，使数控机床刀架简洁、美观、体积减小，控制系统安全可靠。
文档编号B23Q15/22GK1569393SQ20041002052
公开日2005年1月26日 申请日期2004年5月10日 优先权日2004年5月10日
发明者孙宝明, 杨佳庆, 杨凤绵, 隋国田 申请人:孙宝明