摘要: 為避免生產實訓中由于對刀誤操作引起的人身安全事故及各類經濟損失的發生，依據數控銑床結構，設計了相應的對刀提示裝置。根據裝置的應用環境，設計了夾持機構，保證了安裝定位的精確性。利用MCS51 系列單片機的高度集成性和穩定性，為該裝置設計了電氣硬件結構。運用C 程序語言設計了裝置控制程序，并載入單片機內測試運行。該裝置的應用，減少了因數控銑床對刀操作引起的斷刀、撞刀事件，生產實訓中的安全隱患也得到了及時有效的消除。
關鍵詞: 數控銑床; 對刀提示裝置; 單片機
裝備制造技術是衡量一個國家綜合國力的重要標志，而數控機床則是裝備制造技術的基礎。隨著我國改革發展力度的不斷加深，數控機床的引進、研制工作也取得了很大進展，大批量數控設備的應用改變了傳統加工模式，大量勞動生產力獲得了解放，生產效率較以往有了質的飛躍。
數控銑床是數控設備中極其重要的典型代表。由于它在加工制造領域，尤其是模具制造行業的廣泛應用，與之相關的技能人才培養工作成為了各大企業、學校面臨的緊要任務。而數控銑床對刀操作技能是每位操作者都必須掌握的基礎技能，但因其引發的各類事故及經濟損失也不計其數。研制數控銑床對刀提示裝置主要的目的就是為了降低對刀誤操作率，保證每位操作人員的人身安全，降低因對刀操作失誤帶來的各類經濟損失，如機床撞刀、零件報廢等。
1 、裝置提示原理
超聲波在空氣中的傳播速度為344 m/s，其振動頻率高于人類的聽覺20 000 Hz 0-29(次方)。當其傳播過程中接觸到障礙物即會以相同的速度反射回發射處。將聲波接收時間t1與聲波發射時間t2之差乘以波速的一半即可得被測距離L。該裝置就是利用超聲波的這一原理測得對刀過程中刀具相距工件的距離。具體計算公式如下:
通過程序設定，當刀具由機床手動方式進給至距離工件7 ～ 8 cm 時，黃色提示燈亮，此時當采取手輪方式( 倍率100) 移動刀具。當刀具繼續移動至距離工件3 ～ 4 cm 時，紅色燈亮，此時手輪倍率應調至10倍。當刀具移動至距離工件小于3 cm 時，兩燈均滅，此時手輪倍率開關可調整至1 倍或不調整( 根據精度需求決定) 。
2 、夾持機構設計
該裝置的夾持機構由連桿、壓緊旋鈕、萬向節、磁體組成。連桿2 與磁體1 固定連接，連桿3 相對連桿2 做上下移動和轉動，并由旋鈕4 壓緊。連桿5 相對連桿3 做橫向移動，以調節裝置與刀具的間隔距離。連桿6 與連桿5 采用球頭萬向連接，以保證裝置定位的準確性。夾持機構示意圖如圖1 所示。
圖1 夾持機構示意圖
3、 提示裝置硬件設計
3. 1 超聲波發射電路設計
由單片機產生的超聲波信號驅動能力較弱，需經過一個信號放大電路才能驅動發射裝置 ］。采用74HC04 非門電路將信號放大。具體電路如圖2 所示。
圖2 發射電路
3 . 2 超聲波接收電路設計
超聲波接收電路采用集成電路設計，其芯片選用CX20106A，利用該集成電路接收信號的增益效果更為明顯，且抗干擾能力也較高。具體電路如圖3所示。
圖3 接收電路
3. 3 主控制系統設計
該裝置主控系統擬采用STC11F04E 單片機 。它將有效控制以下核心模塊: ( 1) 時鐘計數模塊;( 2) 超聲發送接收模塊; ( 3) 距離提示模塊。具體設計如圖4 所示。
圖4 控制系統
4 、提示裝置軟件設計
對刀提示裝置采用單片機STC11F04E 設計，主要完成以下功能: ( 1) 上電復位; ( 2) 超聲波發送和接收; ( 3) 測量距離計算; ( 4) 比較判定反饋; ( 5) 提示裝置工作［9 － 10］。提示系統程序流程圖見圖5。
圖5 提示系統程序流程圖
5 、裝置應用情況討論
根據上述設計方案，項目組著手試制對刀提示裝置樣機，樣機電氣部分如圖6 所示。
圖6 樣機電氣實物圖
將試制完成的對刀提示裝置應用于校內生產實訓后，因對刀誤操作引發的撞刀事故明顯降低，具體見表1。
表1 對刀誤操作事故統計表
由表1 可知，使用提示裝置后撞刀次數減少了80%。
6 、結論
利用超聲波測距原理研制的數控銑床對刀提示裝置精度可達0. 1 mm，最小測距可達1 cm，完全滿足工作要求。該裝置的應用可有效降低加工事故的發生，在保障操作人員安全的同時，也降低了刀具、零件的損耗，減少了相關經濟損失。
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