1 引言
目前在油泵油嘴行業(yè)中,傳統(tǒng)的油嘴加工,多數(shù)依靠個(gè)人技能所決定的手工操作,產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定,生產(chǎn)效率低,勞動強(qiáng)度大,廢品率高。
本系統(tǒng)是對一種電火花機(jī)床設(shè)計(jì)的,采用負(fù)極放電方式即采用黃銅對工件的放電達(dá)到加工目的。通過試驗(yàn)得到黃銅對工件的耗損比值,用程序控制所需要的加工深度,加工出來的油嘴座面完全符合要求,提高了加工速度,保證了加工精度,完全取代了傳統(tǒng)的風(fēng)磨加工。
2 電火花機(jī)床
2.1 什么是電火花機(jī)床
電火花機(jī)床又稱數(shù)控電火花機(jī)床、電火花、火花機(jī)等是一種電加工設(shè)備。前蘇聯(lián)拉扎林科夫婦研究開關(guān)觸點(diǎn)受火花放電腐蝕損壞的現(xiàn)象和原因時(shí),發(fā)現(xiàn)電火花的瞬時(shí)高溫可以使局部的金屬熔化、氧化而被腐蝕掉,從而開創(chuàng)和發(fā)明了電火花加工方法。
2.2 電火花機(jī)床的分類
(1)CNC電火花機(jī)床
三軸或三軸以上的數(shù)控電火花成型機(jī);其每個(gè)軸皆能實(shí)現(xiàn)放電加工,也可實(shí)現(xiàn)多軸連動放電加工;
(2)ZNC電火花機(jī)床
只有Z軸可實(shí)現(xiàn)放電加工;X軸及Y軸手動控制,只有定位功能;
(3)特種電火花機(jī)床
用于特殊加工的電火花機(jī)床;如輪胎模具電火花機(jī)床﹑鞋模電火花機(jī)床等等;
2.3 基本物理原理
其基本物理原理是自由正離子和電子在場中積累,很快形成一個(gè)被電離的導(dǎo)電通道。在這個(gè)階段,兩板間形成電流。導(dǎo)致粒子間發(fā)生無數(shù)次碰撞,形成一個(gè)等離子區(qū),并很快升高到8000到12000度的高溫,在兩導(dǎo)體表面瞬間熔化一些材料,同時(shí),由于電極和電介液的汽化,形成一個(gè)氣泡,并且它的壓力規(guī)則上升直到非常高。然后電流中斷,溫度突然降低,引起氣泡內(nèi)向爆炸,產(chǎn)生的動力把溶化的物質(zhì)拋出彈坑,然后被腐蝕的材料在電介液中重新凝結(jié)成小的球體,并被電介液排走。然后通過NC控制的監(jiān)測和管控,伺服機(jī)構(gòu)執(zhí)行,使這種放電現(xiàn)象均勻一致,從而達(dá)到加工物被加工,使之成為合乎要求之尺寸大小及形狀精度的產(chǎn)品。
3 單片機(jī)
3.1 單片機(jī)簡介
它是一種在線式實(shí)時(shí)控制計(jì)算機(jī),在線式就是現(xiàn)場控制,需要的是有較強(qiáng)的抗干擾能力,較低的成本,這也是和離線式計(jì)算機(jī)的(比如家用PC)的主要區(qū)別。
單片機(jī)是靠程序的,并且可以修改。通過不同的程序?qū)崿F(xiàn)不同的功能,尤其是特殊的獨(dú)特的一些功能,這是別的器件需要費(fèi)很大力氣才能做到的,有些則是花大力氣也很難做到的。一個(gè)不是很復(fù)雜的功能要是用美國50年代開發(fā)的74系列,或者60年代的CD4000系列這些純硬件來搞定的話,電路一定是一塊大PCB板!但是如果要是用美國70年代成功投放市場的系列單片機(jī),結(jié)果就會有天壤之別!只因?yàn)閱纹瑱C(jī)的通過你編寫的程序可以實(shí)現(xiàn)高智能,高效率,以及高可靠性!
3.2 單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域
單片機(jī)廣泛應(yīng)用于儀器儀表、家用電器、醫(yī)用設(shè)備、航空航天、專用設(shè)備的智能化管理及過程控制等領(lǐng)域,大致可分如下幾個(gè)范疇:
(1)在智能儀器儀表上的應(yīng)用
單片機(jī)具有體積小、功耗低、控制功能強(qiáng)、擴(kuò)展靈活、微型化和使用方便等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于儀器儀表中,結(jié)合不同類型的傳感器,可實(shí)現(xiàn)諸如電壓、功率、頻率、濕度、溫度、流量、速度、厚度、角度、長度、硬度、元素、壓力等物理量的測量。采用單片機(jī)控制使得儀器儀表數(shù)字化、智能化、微型化,且功能比起采用電子或數(shù)字電路更加強(qiáng)大。例如精密的測量設(shè)備(功率計(jì),示波器,各種分析儀)。
(2)在工業(yè)控制中的應(yīng)用
用單片機(jī)可以構(gòu)成形式多樣的控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。例如工廠流水線的智能化管理,電梯智能化控制、各種報(bào)警系統(tǒng),與計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成二級控制系統(tǒng)等。
(3)在家用電器中的應(yīng)用
可以這樣說,現(xiàn)在的家用電器基本上都采用了單片機(jī)控制,從電飯褒、洗衣機(jī)、電冰箱、空調(diào)機(jī)、彩電、其他音響視頻器材、再到電子秤量設(shè)備,五花八門,無所不在。
(4)在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信領(lǐng)域中的應(yīng)用
現(xiàn)代的單片機(jī)普遍具備通信接口,可以很方便地與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,為在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信設(shè)備間的應(yīng)用提供了極好的物質(zhì)條件,現(xiàn)在的通信設(shè)備基本上都實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)智能控制,從手機(jī),電話機(jī)、小型程控交換機(jī)、樓宇自動通信呼叫系統(tǒng)、列車無線通信、再到日常工作中隨處可見的移動電話,集群移動通信,無線電對講機(jī)等。
(5)單片機(jī)在醫(yī)用設(shè)備領(lǐng)域中的應(yīng)用
單片機(jī)在醫(yī)用設(shè)備中的用途亦相當(dāng)廣泛,例如醫(yī)用呼吸機(jī),各種分析儀,監(jiān)護(hù)儀,超聲診斷設(shè)備及病床呼叫系統(tǒng)等等。
此外,單片機(jī)在工商,金融,科研、教育,國防航空航天等領(lǐng)域都有著十分廣泛的用途
4 設(shè)計(jì)思想
根據(jù)油嘴加工工藝及加工工件的參數(shù),由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電極移動,要準(zhǔn)確地自動實(shí)時(shí)采樣,改變步進(jìn)電機(jī)的工作頻率,以控制步進(jìn)電機(jī)的進(jìn)給量,為了符合油嘴的座面要求,在加工過程中,根據(jù)試驗(yàn)得到的耗損比值,利用查表法編程方法來對電極進(jìn)行實(shí)時(shí)修正,這是控制砂輪電機(jī)完成的。根據(jù)不同的粗坯工件的加工深度,采取相應(yīng)的頻率以及控制運(yùn)行的步數(shù)。其工序順序控制邏輯包括:
(1)快速趨進(jìn)
為了提高工作效率,在工件安裝好后,步進(jìn)電機(jī)必須快速趨進(jìn)被加工工件的表面。
(2)快速退回
當(dāng)加工完預(yù)置的加工量后,步進(jìn)電機(jī)必須退回到初始位置。
(3)粗磨
對于加工尺寸大的毛坯,為了提高工作效率,可選擇單獨(dú)進(jìn)行粗加工,粗加工時(shí),步進(jìn)電機(jī)以粗磨速度進(jìn)給,同時(shí)通過改變放電電壓,切換放電電容,控制放電火花,放電快,提高加工速度。
(4)精磨
當(dāng)加工尺寸較小,為了保證座面的角度和光潔度,采用精磨的方式,精磨時(shí),放電火花小,加工電壓低,這也是通過軟件控制繼電器切換加工電壓和放電電容實(shí)現(xiàn)。
(5)粗精磨
本系統(tǒng)可進(jìn)行粗精磨加工一次完成。在開始加工時(shí)采用粗磨,當(dāng)加工到一定范圍以內(nèi)(如3絲),系統(tǒng)自動轉(zhuǎn)換為加工,這樣既提高了加工速度,又保證了精度和光潔度。系統(tǒng)在兩種加工方式下能控制火花放電量。
我們選用三相拍步進(jìn)電機(jī)(45BF3)作為電極的進(jìn)給驅(qū)動部件。被控制的步進(jìn)電機(jī)有正轉(zhuǎn)(進(jìn)刀)、反轉(zhuǎn)(退刀)和停轉(zhuǎn)三種基本工作方式,正反轉(zhuǎn)又各有不同的運(yùn)行頻率(即進(jìn)刀或退刀速度)要求,進(jìn)刀、退刀速度是根據(jù)軟件進(jìn)行調(diào)整的。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)三相繞組按A→AB→B→BC→C→CA→A的順序得電,就可實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn),反之,若按A→AC→C→BC→B→AB→A的順序得電,就可實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn),若輸出狀態(tài)始終保持不變,電機(jī)也就停止了運(yùn)行,利用8031的P1 口的P1.0、P1.1、P1.2控制電機(jī)的三相繞組,達(dá)到控制其運(yùn)行方式。
在加工過程中,同時(shí)要控制加工電壓、切換放電電容,當(dāng)修復(fù)加工電極時(shí),要切換工件、電機(jī)的電壓。這些都是軟件來控制各個(gè)繼電器按一定的時(shí)序的開、閉實(shí)現(xiàn)。
5 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)硬件由四個(gè)部分組成,即由8031單片機(jī)、2764EPROM以及74LS373組成的基本系統(tǒng),驅(qū)動電路、采樣電路和顯示與鍵盤掃描電路。這里主要介紹基本系統(tǒng)及驅(qū)動電路。
(1)基本系統(tǒng)
系統(tǒng)設(shè)立了5位顯示器和7個(gè)按鍵,顯示器分別顯示加工的模式狀態(tài)、設(shè)置值、加工剩余量,七個(gè)按鍵分別為:啟動、復(fù)位、暫停、十位置數(shù)位、個(gè)位置數(shù)位、置數(shù)功能鍵、加工模式選擇,當(dāng)置數(shù)按鍵起作用后,可給十位和個(gè)數(shù)置數(shù),加工模式選擇可選擇粗磨、粗精磨加工方式。在軟件中將1~99絲的加工量根據(jù)一定的轉(zhuǎn)換關(guān)系轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)據(jù)存入一個(gè)表中,在加工時(shí)根據(jù)不同的加工量取相應(yīng)的表中的數(shù)據(jù)即可。用串行輸入、并行輸出移位寄存器74LSl64連接LED 顯示器與鍵盤。
(2)驅(qū)動電路
程序控制8031P1口輸出數(shù)據(jù),通過74LS07驅(qū)動器使步進(jìn)電機(jī)正、反轉(zhuǎn),考慮到本系統(tǒng)在加工過程中高低頻輻射及現(xiàn)場電網(wǎng)波動引起的干擾,因此采用光電隔離。
當(dāng)P1.0輸出為高電平,則74LS07第1腳輸出為低電平,此時(shí)光耦二極管導(dǎo)通,發(fā)光三極管也即導(dǎo)通,三極管T也導(dǎo)通,使繞組受到24V的激勵(lì),反之則光隔離,繞組不受電壓激勵(lì)。二極管D1起保護(hù)作用發(fā)光二極管D2指示電機(jī)的每相的工作狀態(tài),也為維修帶來方便,同樣可用程序控制P1口其它位輸出。74LS373也可以作為繼電器的控制或?yàn)橐院髷U(kuò)展控制作用。
6 系統(tǒng)軟件框圖
系統(tǒng)上電復(fù)位后,從8000H單元開始執(zhí)行程序。首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化,然后進(jìn)行顯示調(diào)用和鍵掃描及按鍵處理。當(dāng)按置數(shù)鍵后,可對十位、個(gè)位調(diào)整設(shè)置相應(yīng)的加工步數(shù),按啟動鍵后,系統(tǒng)啟動定時(shí)器中斷,進(jìn)入加工狀態(tài),加工完成后,顯示其狀態(tài)并退刀,電極退回到原位。
根據(jù)步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)的控制狀態(tài),確定出相應(yīng)的控制字,然后存入一個(gè)表中,在程序中根據(jù)加工的狀態(tài)取相應(yīng)的控制字輸出。步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)步數(shù)也是根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)當(dāng)量和電極的耗損系統(tǒng)來確定相應(yīng)的控制參數(shù),將1~99絲的控制數(shù)存入一表中,在加工時(shí)與表中相應(yīng)的單元進(jìn)行比較。而步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的快慢,可以通過改變定時(shí)常數(shù)來實(shí)現(xiàn)速度的調(diào)整。
在設(shè)計(jì)軟件過程還加進(jìn)了干擾自動保護(hù)措施。在程序運(yùn)行時(shí),利用8031的定時(shí)器跟蹤程序,當(dāng)程序正常時(shí),定時(shí)器不斷得到復(fù)位,若由于干擾使程序出錯(cuò),定時(shí)器便能夠使程序返回到出錯(cuò)點(diǎn),從而使程序繼續(xù)運(yùn)行。
7 小結(jié)
本系統(tǒng)已在某油嘴油泵廠投入使用,實(shí)踐表明,該系統(tǒng)性能可靠,操作也很方便,給企業(yè)帶來了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。
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