CA6140车床刀具温度单片机控制系统设计

CA6140车床刀具温度单片机控制系统设计

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。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制电路和软件。

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，Jehnming Lin[2]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。

1.3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]。