普通车床单片机的改造

广东石油化工学院设计题目：普通车床单片机的改造专业：电气工程及其自动化班级：电气10-1班姓名：谢卓枢、赵林彬、黄天强、万顺才指导老师：张翼成设计日期：2013年12月23日至2013年12月29日普通车床单片机的改造团队分工：谢卓枢：3台电机启停及故障检测的程序设计，刀刃、工件温度的检测的设计，电机启停的接线赵林彬：控制电路部分的原理图绘制，AC/DC电路的设计及其参数的计算，电机启停的接线黄天强：主电路电路部分的原理图绘制，软件的仿真，电机启停的接线万顺才：接触器和热继电器的故障分析，报告撰写，电机启停的接线一、设备简介普通车床是一种应用极为广泛的金属切削机床，它能车削外圆、内圆、端面、螺纹和定型表面，并可用钻头、铰刀、镗刀进行加工。

普通车床一般有三种运动形式：主轴带动工件旋转的主运动、溜板带着刀架直线移动的进给运动、使刀架快速直线移动的辅助运动。

普通车床主电机起动后，由操作手柄控制主轴的起动、停止、旋转方向，由变速箱控制主轴转速。

主电机拖动主轴旋转，并通过进给结构实现进给运动，冷却泵电机拖动冷却泵供给冷却液。

二、普通车床单片机控制设计方案单片机输出信号通过光电耦合或中间继电器驱动接触器控制主电动机工作：通过对接触器和热继电器的信号检测达到对这个电路工作状况的监控。

当接触器和热继电器工作于非正常状态时，单片机及时保护报警。

简单的控制单个电机的电气原理图如下图所示：思考问题:1接触器和热继电器有那些故障类型（或故障情况）？对应的现象是什么？接触器常见的故障分析：1、触头过热造成触头发热的原因主要有：触头接触压力不足，触头表面接触不亮、触头表面被电弧灼烧毛等。

上述因素都会造成触头闭合时，接触电阻增大，使触头过热。

2、触头磨损（1）电气磨损：触头见产生的电弧货电火花造成高温，使触头金属气化和蒸发，从而造成电气磨损。

（2）机械磨损：主要是触头闭合时的撞击一级触头表面的相对滑动摩擦造成。

3、线圈断电后触头不能复位线圈断电后触头不能复位的主要原因有：触头熔焊在一起、铁心剩磁太大、反作用弹簧弹力不足，机械活动部分被卡住。

铁心端面有油污等。

4、衔铁振动和噪声接触器衔铁产生振动和噪声的主要原因有：短路环损坏货脱落；衔铁歪斜或铁心端面锈蚀，使动静铁心接触不良；反作用弹簧弹力太大；机械活动部分被卡住而使衔铁不能完全吸合等。

5、线圈过热或烧毁线圈中流过电流过大时，就会使线圈过热甚至烧毁。

发生线圈电流过大的原因主要有：线圈匝间短路；衔铁与铁心闭合后有间隙；操作频繁超过了允许值；外加电压高于线圈额定电压等。

6、不能吸合或虽吸合但不能自保持：一般由于触头接触电阻太大而致。

热继电器常见故障分析：1、热继电器部动作,电动机烧坏原因：热继电器的额定电流值与电动机的额定电压值不符; 整定电流值偏大; 触头接触不良; 热元件烧断或脱焊; 导板脱出或动作机构卡住排除方法：按电机的容量选用(不可按接触器的额定电流值调热继电器)；根据负载合理调整整定电流值；清除触头表面灰尘和氧化物；更换热元件或热继电器；重新放入，并试验动作的灵活程度，或排除卡住故障；2、热继电器动作太快原因：整定电流值偏小；电动机起动时间过长；连接导线太细；操作频率过高或点动控制；环境温差太大；排除方法：合理调整整定电流值，相差太大则换新品；选择合适的热继电，或在启动时热继电器端接；按要求选用导线；限定操作方法或改用过流继电器；改善使用环境；3、动作不稳定,时快时慢原因：某些部件松动；通电时电流波动太大，或接线松动；排除方法：紧固松动部件；校验电压，或拧紧松动导线；4、热元件烧坏原因：负载短路，电流过大；操作频率过高；排除方法：排除短路故障，更换热继电器；合理选用热继电器；5、主电路不通原因：热元件烧坏；界限松脱；排除方法：更换热继电器；拧紧松脱导线；6、控制电路不通原因：触头烧坏；控制电路侧导线松脱；排除方法：修理触头；检查控制电路侧；三、普通车床的单片机基本控制线路的分析（1）主电路分析主电路共有三台电动机。

M1为主轴电动机。

带动主轴旋转和刀架做进给运动;M2为冷却泵电动机；M3为刀架快速移动电动机。

三相交流电源通过转换开Q1引入，主轴电动机M1由接触器KM1触动起动，热继电器FR1为主轴电动机M1的过载保护。

冷却泵电动机M2由接触器KM2触动起动，热继电器FR2为主轴电动机M2的过载保护。

接触器KM3为控制刀架快速移动电动机M3起动用，因快速移动电动机M3是短期工作，故可不设过载保护。

主电路电气原理图如下所示：（2）基本控制电路分析控制变压器TC 二次侧输出110V 电压作为控制回路的电源，二次侧输出24V 作为照明电路供电，通过开关电源实现220v/5v ac/dc 变换为工作状态指示灯、单片机及外围芯片等器件供电。

思考问题2：AC/DC 电路如何设计？其容量（额定输出功率，最大输出电流）如何考虑？（参阅《电力电子交流技术》相关内容）其容量（额定输出功率，最大输出电流）的考虑主要是决定断路器的型号，断路器的额定电流应等于或大于负载要求的长期平均电流；极限分断能力要大于，至少要等于电路最大短路电流。

对于控制电机来说，就是相当于控制电感性负载，则感性负载的参数计算如下：在0°≤α≤90°范围内负载电流连续，负载上承受的是线电压，设其表达式为t U u AB ωsin 232⨯=，而线电压超前于相电压30°，在内积分上、下限为和。

因此当控制角为α时：1）整流输出电压的平均值为：（0°≤α≤90°）2）输出电流平均值为3）流过晶闸管的电流平均值和有效值d d d T dT I I I I 313601202=︒︒==πθd d d T T I I I I 577.0312===πθ 4）一次电流有效值I1为流进变压器次级的电流有效值为⎰⎰-+=35232022)()(21)(21πππωπωπt d I t d I I d d d d I I 816.032==变压器一次、二次功率分别为整流变压器的功率用平均值S 来衡量：电路图如下所示：主轴电动机M1的控制：按下（起动/停止）按钮，由单片机监控电机接触器（KM1）线圈回路是否通电，若没通电则输出控制信号，使光电耦合电路导通，接触器KM1的线圈获电吸合KM1主触头闭合，主轴电动机M1起动。

再次按下（起动/停止）按钮，单片机监控主轴电机接触器（KM1）线圈回路是否通电，若在通电状态下则输出控制信号，使光电耦合电路断电，接触器KM1失电分离，电动机M1失电停转。

冷却泵电动机M2的控制：同主轴电机启停控制刀架快速移动电动机M3的控制：原理同上。

控制回路电气原理图如下所示：(3)检测电路分析接触器工作状态检测：检测电路是由单片机监控接触器和热继电器工作状态来实现的。

思考问题3：单片机如何检测接触器或热继电器是否动作？（参阅《电气控制与PLC》《单片机原理与应用》课程相关知识点）答：通过类似于按钮的形式对接触器或热继电器是否动作进行检测，如下图，将其按钮换成接触器、热继电器的常开常闭辅助触点，当开关处的电平与控制电机输出信号处的电平不一样，则接触器货热继电器发生故障。

*刀刃、工件温度的检测：车削加工中使刀具产生热变形的热源主要是切削热，加工温度可高达1000℃，加工温度过高会导致刀具形变，产生加工误差；思考问题4：应选用何种传感器测温？接口电路如何设计？（参阅《传感器原理》及《检测技术》课程内容）方案一：采用热电阻在刀片上贴付贴片式负温度突变形的热敏电阻，并与继电器串联。

当刀片温度过热且温度大于突变点时，电路中的电流可以有十分之几毫安突变为几十毫安，因此继电器动作，触发保护电路，从而实现刀片的过热保护。

电气原理图如下：方案二：采用热电偶热电偶的补偿导线A’、B’、接到MAX6675芯片的T+、T_端，经MAX6675内部的加法电路，将K型电偶补偿后的热电动势转换为代表温度的数字信号，从SPI串行接口输出到单片机，如下图所示。

MAX6675工作时，必须与热电偶冷端或补偿导线A`、B`的末端处于相同的温度场T0中。

电气原理图如下：四、单片机控制接口电路及程序设计1、单片机控制接口电路2、程序：#include<reg51.h>#define uint unsigned int#define uchar unsigned charsbit M1=P1^0; //电机M1的启停输出信号sbit M2=P1^1; //电机M2的启停输出信号sbit M3=P1^2; //电机M3的启停输出信号sbit led1=P1^3; //接触器故障报警sbit led2=P1^4; //热继电器故障报警sbit KM1=P2^0; //KM1的常开辅助触点sbit FR1=P2^1; //FR1的常闭辅助触点sbit KM2=P2^2; //KM2的常开辅助触点sbit FR2=P2^3; //FR2的常闭辅助触点sbit KM3=P2^4; //KM3的常开辅助触点sbit FR3=P2^5; //FR3的常闭辅助触点void delayms(unsigned int i) //延时程序{unsigned int j;while(i--){for(j=0;j<125;j++);}}void processSB1(void) //按下SB1，电机M1启动{M1=0;}void processSB2(void) //按下SB2，电机M1停止{M1=1;}void processSB3(void) //按下SB3，电机M2启动{M2=0;}void processSB4(void) //按下SB4，电机M2停止{M2=1;}void processSB5(void) //按下SB5，电机M3启动{M3=0;}void processSB6(void) //按下SB6，电机M3停止{M3=1;}void processSB7(void) //按下SB7，3个电机均停止{M1=1;M2=1;M3=1;}main(void) //主程序{unsigned char key;P0=0xff;P2=0xff;M1=1;M2=1;M3=1;led1=1;led2=1;while(1){key=P0;if(P0!=0xff){delayms(10); //按钮防抖动key=P0;}switch(key){case 0xfe:processSB1();break;case 0xfd:processSB2();break;case 0xfb:processSB3();break;case 0xf7:processSB4();break;case 0xef:processSB5();break;case 0xdf:processSB6();break;case 0xbf:processSB7();break;default:continue;}if(KM1!=M1) //若KM1的辅助常开触点与控制不同步，则报警{delayms(10);if(KM1!=M1) led1=0;else led1=1; //否则不报警}if(FR1!=M1) //弱FR1的常闭触点断开，则报警{delayms(10);if(FR1!=M1) led2=0;else led2=1; //否则不报警}if(KM2!=M2){delayms(10);if(KM2!=M2) led1=0;else led1=1;}if(FR2!=M2){delayms(10);if(FR2!=M2) led2=0;else led2=1;}if(KM3!=M3){delayms(10);if(KM3!=M3) led1=0;else led1=1;}if(FR3!=M3){delayms(10);if(FR3!=M3) led2=0;else led2=1;}}}五、总电气原理图。