数控车床自动回转刀架机电系统设计（含CAD图纸）(6)

4 自动回转刀架电气部分设计

自动回转刀架的自动控制主要取决于电气控制部分，电气控制部分主要分两个方面1、硬件电路设计；2、控制软件设计。

4.1 硬件电路设计

自动回转刀架的电气控制部分主要包括收信电路和发信电路两大块，如图4-1。在传感器的选择上选用了霍尔元件，是一种基于霍尔效应的磁传感器。所谓霍尔效应，是指磁场作用于载流金属导体、半导体中的载流子时，产生横向电位差的物理现象。金属的霍尔效应是1879年被美国物理学家霍尔发现的。当电流通过金属箔片时，若在垂直于电流的方向施加磁场，则金属箔片两侧面会出现横向电位差。半导体中的霍尔效应比金属箔片中更为明显，而铁磁金属在居里温度以下将呈现极强的霍尔效应。而霍尔元件就是利用霍尔效应可以设计制成多种传感器。霍尔电位差UH的基本关系为：

UH=RHIB/d ； 式中：RH=1/nq（金属）；

n——单位体积内载流子或自由电子的个数； q——电子电量； I——通过的电流；

B——垂直于I的磁感应强度； d——导体的厚度。

由于通电导线周围存在磁场，其大小与导线中的电流成正比，故可以利用霍尔元件测量出磁场，就可确定导线电流的大小。利用这一原理可以设计制成霍尔电流传感器。其优点是不与被测电路发生电接触，不影响被测电路，不消耗被测电源的功率，特别适合于大电流传感。

若把霍尔元件置于电场强度为E、磁场强度为H的电磁场中，则在该元件中将产生电流I，元件上同时产生的霍尔电位差与电场强度E成正比，如果再测出该电磁场的磁场强度，则电磁场的功率密度瞬时值P可由P=EH确定。利用这种方法可以构成霍尔功率传感器。如果把霍尔元件集成的开关按预定位置有规律地布置在物体上，当装在运动物体上的永磁体经过它时，可以从测量电路上测得脉

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冲信号。根据脉冲信号列可以传感出该运动物体的位移。若测出单位时间内发出的脉冲数，则可以确定其运动速度。霍尔元件就是应用霍尔效应的半导体。

(a)

(b)

（c）

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（d）

图4-1自动回转刀架电气控制原理图 a 发信盘上的霍尔元件 b 刀位信号的处理 c 刀架电动机正反转控制 d 刀架电动机正反转的实现

（1）收信电路 图a中，发信盘上的4只霍尔开关（型号为UGN3120U），都有3个引脚，第1角接+12V电源，第2角接+12V地，第3角输出。转位时刀体带动磁铁旋转，当磁铁对准某一个霍尔开关时，其输出端第3角输出低电平；当磁铁离开时，第3角输出高电平。4只霍尔开关输出的4个刀位信号T1~T4分别送到图b的4只光耦合器进行处理，经过光电隔离的信号再送给I/O接口芯片8255的PC4~PC7。

（2）发信电路 图c为刀架电动机正反转控制电路，I/O接口芯片8255的PA6与PA7分别控制刀架电动机的正转与反转。其中KA1为正转继电器的线圈，KA2的反转继电器的线圈。刀架电动机的功率只有90W，所以图d中刀架电动机与380V市电的接通可以选用大功率直流继电器，而不必采用继电器接触器电路，以节省成本，降低故障率。图c中，正转继电器的线圈KA1与反转继电器的一组常闭触点串联，而反转继电器的线圈KA2又与正转继电器的一组常闭触点串联，这样就构成了正转与反转的互锁电路，以防止系统失控时导致短路现象。当KA1或KA2的触点接通80V电压时，会产生较强的火花，并通过电网影响控制系统的正常工作，为此，在图d中布置了3对R-C阻容用来灭弧，以抑制火花的产生。

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4.2 控制软件设计

在清楚了自动回转刀架的机械结构和电气控制电路后，就可以着手编制刀架自动转位的控制软件了。对于四工位自动回转刀架来说，它最多装有4把刀具，设计控制软件的任务，就是选中任意一把刀具，让其回转到工作位置。 图4-2 表示让1#刀转到工作位置的程序流程，2#~4#刀的转位流程与1#刀相似。

图4-2 1#刀转到工作位置的程序流程

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4.2.1 80C31单片机及其引脚说明

80C31单片机，它是8位高性能单片机。属于标准的MCS-51的HCMOS产品。它结合了HMOS的高速和高密度技术及CHMOS的低功耗特征，标准MCS-51单片机的体系结构和指令系统。 80C31内置中央处理单元、128字节内部数据存储器RAM、32个双向输入/输出(I/O)口、2个16位定时/计数器和5个两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内时钟振荡电路。但80C31片内并无程序存储器，需外接ROM。 此外，80C31还可工作于低功耗模式，可通过两种软件选择空闲和掉电模式。在空闲模式下冻结CPU而RAM定时器、串行口和中断系统维持其功能。掉电模式下，保存RAM数据，时钟振荡停止，同时停止芯片内其它功能。80C31有PDIP(40pin)和PLCC(44pin)两种封装形式。8031芯片具有40根引脚，其引脚图如图4-3所示：

图 4-3 80C31单片机

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