饲料环模机械加工钻床的自控系统设计*

侯志松，左现刚，张 超，余 周

(河南科技学院 信息工程学院，河南 新乡453003)

数控加工是现代制造技术的基础，随着计算机技术的发展，采用数控系统的机床品种日益增多，有车床、铣床、镗床、钻床、磨床、齿轮加工机床和电火花加工机床等[1-3]。此外，还有能自动换刀、一次装卡进行多工序加工的加工中心、车削中心等。

本文设计的基于AVR单片机的饲料环模机械加工钻床的自动控制系统就是为饲料环模机械加工而设计的高科技自动化生产设备[4-6]。该产品能够提高饲料环模机械的加工效率、降低生产成本，同时也能提高我国农业机械化的生产效率，提高农产品的科技含量，增强我国农产品的市场竞争力，提高农民的收入。

1 总体结构与工作原理

该产品主要由主控制器系统、键盘/显示控制系统、气动开关（电磁阀）控制系统、位置传感器系统、报警单元、时间继电器系统和步进电机及其驱动系统六部分组成[7-9]。其中：主控制器为 ATmega128单片机，控制整个系统的运行；键盘/显示控制系统由3×8矩阵键盘和16位LED共阳数码管组成；报警单元用来提示工作中的异常情况；步进电机由三相步进电机和五相步进电机组成，其中三相步进电机用来控制前行和后行，五相步进电机用来控制左行和右行；气动开关（电磁阀）控制系统用来控制钻头的抬起和下压；时间继电器系统用来控制钻孔时间；位置传感器系统用来控制孔是否打通。

2 系统设计

2.1 电机驱动部分

三相步进电机和五相步进电机的控制电路如图1所示。

图1(a)中，微控制器通过J10连接端口控制三相步进电机，FX_3控制其方向，MC_3是三相步进电机的控制脉冲。图1(b)中，微控制器通过J11连接端口控制五相步进电机，FX_5控制其方向，MC_5是五相步进电机的控制脉冲。

2.2 时间调节部分

时间调节部分采用浙江欣灵公司的时间继电器。其时间单位可以通过拨码开关来设置。

时间继电器的控制电路如图2所示。

2.3 控制器

2.3.1 硬件结构

所采用的控制器为ATmega128单片机，其为RISC结构的 8 bit AVR微处理器，具有128 KB的系统内可编程Flash，外设丰富。单片机连接示意图如图3所示。

2.3.2 软件设计

利用ICCAVR编译器进行程序编写及编译。完成工程编译后，采用AVR SUTDIO软件将程序烧录到芯片中。主程序流程图如图4所示。设定好钻孔个数、排数、孔距、排距、钻速后按启动键即可运行。如果设定的孔数能够均匀地分布在加工坯件一周，则不做修正。

图3 控制器连接示意图

2.4 驱动板

单片机的输出控制信号需经驱动板放大后才能驱动液压阀工作。

2.4.1 供电电源

使用电压:控制器使用电压为交流220 V，钻床使用电压为交流380 V。

2.4.2 电源转换电路

采用IN4007桥式整流电路和7805稳压电路将电压从12 V交流转化成5 V直流，给单片机以及数码管供电，如图5所示。

采用IN4007桥式整流电路和7824稳压电路将电压从24 V交流转化成24 V直流，给时间继电器和光耦P521供电，如图6所示。

2.4.3 二位三通电磁阀接口电路

二位三通电磁阀的得失电利用NPN三极管C945与光耦P521构成的开关电路来完成，如图7所示。

3 实验

控制板安装完毕后，按以下步骤进行设置：

(1)调节动力头高度：按照所需加工环模大小，调整动力头支架高度，使动力头高度适合加工要求（应考虑到阻尼器是否安装）。

(2)校正垂直高度：装上铣刀后，使动力头主轴在环模上划下圈痕，判断并调节左（右）动力头支架，直到圈痕均匀后，拧紧动力头支架固定螺丝。

(3)吹出阻尼器压力杆：插上阻尼器气管，开启电脑电源和驱动电源，按“复位”，使压力杆自动释放，调节阻尼器上的压力旋钮。

(4)点孔调校：垫上2 mm左右铁片，根据所加工环模要求，输入各参数，打开驱动电源和气动变频器，选择开关至“点孔”位置，按动“启动”键，配合阻尼器，直到合适为止。

(5)钻孔调校：垫上2 mm铁片，调整阻尼器高度，使钻头顶着铁皮；选择“步进”；启动系统。每次钻孔进刀量由时间继电器、阻尼器压力配合调节，“初钻时间”继电器可调整第一刀的进刀量，“次钻时间”继电器可调整第二刀及以后的进刀量。

(6)阻尼器压力杆旁边的一个较大螺丝，起到深度限位作用（可用于钻阶梯孔或起保护作用），调节其高度使其适合加工要求。

其中的参数选择如下：

(1)孔距数值=108 000/每圈孔数（建议选择能够整除的孔数）；

(2)错位=孔距/2；

(3)排距=每排间距（mm）×400（根据丝杆螺距而定）。

把计算好的孔数、排数、孔距、排距、钻孔次数、钻速等参数通过面板输入微电脑，按启动开始钻孔。

该产品利用AVR单片微控制器作为主控制单元，按时序、按步骤地控制步进电机、电磁阀、时间继电器等设备工作；键盘输入和LED显示提供友好的人机控制界面，能够清楚地提供电机运行的速度、方向以及电机驱动器的参数设置等数据的显示情况；自动化程度高，大大提高了工作效率，降低了劳动强度，并可实现一人多机操作管理。

[1]王计波，李奎，顾俏丽，等.基于 AVR单片机的断链失速智能保护研究[J].电子技术应用，2009，35(8)：140-142.

[2]陈进，张淑红，李耀明.联合收获机梳脱台高度自动控制系统的设计[J].农业机械学报，2003，34(6)：65-67.

[3]朱滨峰，苗健，陈震.制粒环模的分析与研究[J].饲料工业，2009，30(11)：1-3.

[4]孙旭清.环模制粒机的主体结构优化研究[D].南京：江南大学，2009：13-47.

[5]陈炳伟.环模制粒机高效制粒机理与性能分析[D].南京：南京理工大学，2009：8-31.

[6]张炜，吴劲锋.环模制粒机中环模结构型孔的有限元分析[J].中国农机化，2009(2)：83-85.

[7]高焕文，李洪文，姚宗路.轻型高防堵性能免耕播种机研究[J].中国工程科学，2007，9(9)：35-39.

[8]中国农业机械化科学研究院.农业机械设计手册(上册)[M].北京：中国农业科学技术出版社，2007：23-24.

[9]张炜，吴劲锋.苜蓿草粉制粒机环模失效行为研究[J].中国农机化，2009(4)：59-61.

[10]SAEYS W，WALLAYS C，ENGELEN K，et al.An automatic depth control system for shallow slurry injection，part 2：Control design and field validation[J].Biosystems Engineering，2008，99(2)：161170.