飛機(jī)副油箱傳感器安裝座加工用機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳章恒，王玉琳

（合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，合肥 230009）

0 引言

飛機(jī)副油箱是指在飛機(jī)機(jī)身以外攜帶燃料的空間，如圖1所示。副油箱一般只在軍用飛機(jī)上使用，其目的是為了延伸飛機(jī)的航程或滯空時(shí)間[1]。在空中加油技術(shù)成熟應(yīng)用之前，外掛副油箱是增加軍用飛機(jī)續(xù)航時(shí)間的唯一途徑。在軍用飛機(jī)的副油箱上分布有很多功能各不相同的燃油檢測傳感器，這些傳感器對于副油箱中燃油參數(shù)的監(jiān)控至關(guān)重要，它們用來測量油箱中油液液面的高度以及內(nèi)部壓力等[2]。由于飛機(jī)在飛行中姿態(tài)不斷變化，因此這些傳感器的安裝位置將直接影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。圖2為傳感器安裝座與飛機(jī)副油箱配合示意圖，圖3和圖4為某型號傳感器安裝座的CAD圖。飛機(jī)副油箱為一桶形回轉(zhuǎn)體，傳感器安裝座貫穿于副油箱表面，二者的結(jié)合面為一立體相貫面[3]。圖3中傳感器安裝座的A表面與副油箱的內(nèi)表面相貼合，B表面突出于副油箱的外表面，C表面與A表面等高，A、B、C三個(gè)表面均為立體相貫面，每個(gè)表面是由一系列立體相貫線組合而成。安裝前，將傳感器安裝座從油箱內(nèi)向上托起，使得A面與副油箱內(nèi)表面貼合，然后采用鉚接（A面）或高溫熔焊（B面）的方式進(jìn)行固定。

圖1 軍用飛機(jī)的副油箱

圖2 傳感器安裝座與飛機(jī)副油箱配合示意圖

圖3 某型號副油箱傳感器安裝座的主視圖和俯視圖

圖4 圖3 中的A-A 視圖

目前，該傳感器安裝座的A、B、C三個(gè)相貫面采用普通車床和銑床均無法加工，采用加工中心雖然可以加工，但設(shè)備投資大、維護(hù)成本高、操作繁瑣、編程復(fù)雜、加工效率低。為了解決該傳感器安裝座的批量加工問題，作者將一臺老舊的CD6140A普通車床進(jìn)行了數(shù)控化再制造[4-5]，研發(fā)了專用數(shù)控系統(tǒng)，既保證了傳感器安裝座相貫面的形狀精度和表面質(zhì)量，又提高了加工效率。本文主要介紹該專用數(shù)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。

1 數(shù)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 CPU選擇

專用數(shù)控系統(tǒng)的CPU選擇目前國內(nèi)大批量使用的AT89S52嵌入式微控制器[6]，晶振頻率采用24 MHz。該芯片自帶256 B的RAM和8 KB的EEPROM，具有4個(gè)端口32條可按位尋址的雙向I/O線，且有強(qiáng)化的位處理功能，含有6個(gè)中斷源和3個(gè)16位的加法定時(shí)/計(jì)數(shù)器。該CPU為通用型微處理器，集成度高，運(yùn)算速度快，抗干擾能力強(qiáng)，內(nèi)部資源多，而且易擴(kuò)展。基于AT89S52單片機(jī)的專用數(shù)控系統(tǒng)框圖如圖5所示。

圖5 專用數(shù)控系統(tǒng)方框圖

1.2 存儲器擴(kuò)展

AT89S52單片機(jī)作為CD6140A車床數(shù)控系統(tǒng)的CPU，盡管內(nèi)部已經(jīng)設(shè)置了256 B的RAM和8 KB的EEPROM，但其存儲空間仍然不能滿足專用數(shù)控系統(tǒng)的需求，故需要進(jìn)行外擴(kuò)。為此，在圖5中，基于AT89S52微處理器擴(kuò)展了一片電擦寫的27C512程序存儲器，主要用來存放數(shù)控車床控制系統(tǒng)的底層代碼和相關(guān)數(shù)據(jù)表格；針對操作者編制的數(shù)控代碼以及設(shè)置的相關(guān)參數(shù)還外擴(kuò)了一片靜態(tài)隨機(jī)存取RAM芯片6264[7]。

1.3 輸入/輸出接口擴(kuò)展

AT89S52單片機(jī)擴(kuò)展存儲器之后，其P0、P2端口以及P3端口的部分引腳就不能再作為輸入/輸出口使用了，這樣僅剩P1口與P3口的部分引腳，不能滿足專用數(shù)控系統(tǒng)的需要。為此，擴(kuò)展了一片8位并行接口芯片8255，該芯片提供PA、PB、PC三個(gè)8位端口多達(dá)24個(gè)輸入/輸出引腳[8]，可以控制數(shù)控車床的X、Z向交流伺服單元，以及主軸、冷卻、卡盤、電動(dòng)刀架等，如圖5所示。

1.4 鍵盤-顯示接口擴(kuò)展

專用數(shù)控系統(tǒng)需要一個(gè)友好的人-機(jī)交互界面，為此，需要擴(kuò)展鍵盤和顯示器。在圖5中，選擇NEC公司生產(chǎn)的8279芯片處理人機(jī)接口。該芯片為8位并行通用型可編程接口器件，可以完成鍵盤輸入和顯示控制兩種功能[9]。鍵盤部分提供掃描工作方式，可與64個(gè)按鍵的矩陣鍵盤進(jìn)行連接，能對鍵盤實(shí)行不間斷的自動(dòng)掃描，自動(dòng)消除抖動(dòng)，自動(dòng)識別按鍵并給出鍵值，并為LED等顯示器件提供了按掃描方式工作的接口電路，它為顯示器提供多路復(fù)用信號，最多能夠點(diǎn)亮16個(gè)字符。在本專用數(shù)控系統(tǒng)中選擇高亮度的LED作為顯示器件。

1.5 數(shù)-模轉(zhuǎn)換接口擴(kuò)展

在CD6140A數(shù)控車床上，對于傳感器安裝座的加工，工件旋轉(zhuǎn)的速度需要進(jìn)行無級調(diào)節(jié)。為此，在圖5中設(shè)置了D/A轉(zhuǎn)換接口，也即數(shù)-模轉(zhuǎn)換裝置。CPU將8位的數(shù)字量00H～FFH送給D/A接口芯片MAX517，MAX517輸出0～5 V的直流電壓[10]，該電壓送給交流變頻器，即可改變車床主電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行頻率，從而實(shí)現(xiàn)工件旋轉(zhuǎn)的無級變速。

1.6 編碼器信號采集

在加工傳感器安裝座的過程中，數(shù)控系統(tǒng)需要檢測裝在主軸三爪卡盤上的工件的角位移和角速度，為了方便傳感器信號的處理，在此選擇數(shù)字式增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，該編碼器每轉(zhuǎn)輸出1200個(gè)A、B相脈沖，相位差為90°。在圖5中，設(shè)置四倍頻電路[11]對A、B相脈沖進(jìn)行電子四細(xì)分，可以將編碼器的分辨力提高到每轉(zhuǎn)4800脈沖，從而高精度地檢測傳感器安裝座的旋轉(zhuǎn)角度和旋轉(zhuǎn)速度[12]。

2 相貫面專用軟件設(shè)計(jì)

專用數(shù)控系統(tǒng)除了需要具備數(shù)控車床基本的G、S、T、M功能指令外，尚需開發(fā)加工立體相貫面的專用軟件，本節(jié)重點(diǎn)予以介紹。

結(jié)合圖2、圖3、圖4可以看出，傳感器安裝座的A、B、C三個(gè)表面均為立體相貫面，其中每個(gè)表面均由一系列立體相貫線組合而成。為此，可以將立體相貫面離散成一條條的立體相貫線[13]，尋找單條立體相貫線的成形機(jī)理。

如圖6所示，副油箱為一大圓柱，傳感器安裝座為一小圓柱，二者垂直相交，形成一條立體相貫線。用數(shù)控車床加工的時(shí)候，傳感器安裝座通過專用夾具夾持在主軸的三爪卡盤上（如圖7）。車床主電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)工件旋轉(zhuǎn)，數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)工件轉(zhuǎn)過的角度控制車刀在Z方向（縱向）的坐標(biāo)，加工同一相貫面上不同的相貫線時(shí)改變半徑r、調(diào)整X坐標(biāo)（橫向）即可。

圖6 相貫線坐標(biāo)計(jì)算圖

在圖6中，假定車削一根相貫線的順序?yàn)锳→B→C→D→E→A。從圖6左上角的主視圖可以看出，A點(diǎn)為最高點(diǎn)，C點(diǎn)為最低點(diǎn)。由1.6節(jié)可知，工件每轉(zhuǎn)360°，編碼器通過四倍頻電路輸出4800個(gè)脈沖，從A到C工件旋轉(zhuǎn)了90°，則CPU應(yīng)該收到編碼器1200個(gè)脈沖[14]。下面計(jì)算工件每轉(zhuǎn)1個(gè)脈沖，車刀在Z向的位移變化量。

在圖6中，已知副油箱的半徑為R，傳感器安裝座的半徑為r。設(shè)B為A→C中間任一點(diǎn)，n為工件從A點(diǎn)旋轉(zhuǎn)到B點(diǎn)時(shí)主軸編碼器發(fā)出的脈沖數(shù)，則工件由A到B所轉(zhuǎn)過的角度θn=(360°/4800)×n。在圖6中，Dn=[R2-(rsin θn)2]1/2，Hn=RDn。同理可知，當(dāng)編碼器再增發(fā)一個(gè)脈沖時(shí)，Hn+1=R-Dn+1，其中，Dn+1= [R2-(rsin θn+1)2]1/2，θn+1=(360°/4800)×(n+1)。

于是得到結(jié)論：在圖6中，工件從A→C進(jìn)行旋轉(zhuǎn)時(shí)，編碼器每發(fā)出一個(gè)脈沖，車床Z向獲得的位移增量為Δz=INT[Hn+1-Hn]。從圖6不難看出，C→D為A→C的鏡像，D→A為A→D的鏡像。工件旋轉(zhuǎn)一周后，調(diào)整X坐標(biāo)，獲得一個(gè)新的r值，重復(fù)上述計(jì)算并控制Z向運(yùn)動(dòng)[15]，直至完成圖3中立體相貫面A的加工，之后再調(diào)整Z坐標(biāo)，依次即可加工出B、C相貫面。

3 加工效果

圖7為經(jīng)過數(shù)控化再制造的CD6140A車床的外觀。該車床X軸和Z軸的編程脈沖當(dāng)量分別為0.005 mm/步和0.01 mm/步，X軸和Z軸的重復(fù)定位精度分別為±0.005 mm和±0.01 mm，工件轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)范圍為8～1500 r/min。圖8為采用該車床開發(fā)專用軟件加工出來的一種副油箱傳感器安裝座，其幾何精度、尺寸精度和表面粗糙度均滿足圖樣要求，3個(gè)相貫面的加工時(shí)間為12 min。相比而言，該零件在加工中心上則至少需要40 min才能完成相貫面成形，加工效率低，設(shè)備投資大，操作還繁瑣。

圖7 傳感器安裝座加工用數(shù)控車床外貌

圖8 加工出的實(shí)物

4 結(jié)語

針對飛機(jī)副油箱傳感器安裝座復(fù)雜立體相貫面的批量加工，采用機(jī)電一體化技術(shù)和表面工程技術(shù)，將一臺基本報(bào)廢的CD6140A普通臥式車床再制造成一臺數(shù)控車床，基于AT89S52高性能微處理器研發(fā)了專用數(shù)控系統(tǒng)。由于數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)了專用代碼，所以編程非常簡單，操作簡單方便；由于數(shù)控系統(tǒng)的軟件為自行設(shè)計(jì)，所以可方便地?cái)U(kuò)展其他功能。因此，基于性價(jià)比高的嵌入式微控制器開發(fā)專用測控系統(tǒng)改造傳統(tǒng)機(jī)床，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，市場前景廣闊，值得推廣。