飛機副油箱傳感器安裝座加工系統(tǒng)設計
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摘要：在飛機副油箱上安裝有很多傳感器，這些傳感器與副油箱的連接處為立體相貫面，加工起來比較困難。針對傳感器安裝座的批量加工，對一臺老舊的CD6140A普通車床進行了數(shù)控化再制造，基于AT89S52微控制器搭建了一臺數(shù)控系統(tǒng)。擴展了存儲器、輸入/輸出接口、鍵盤-顯示接口、數(shù)-模轉(zhuǎn)換接口，以及編碼器信號四倍頻接口等。分析了相貫面的成形機理，研發(fā)了傳感器安裝座的專用軟件。加工實踐表明，再制造后的數(shù)控車床和數(shù)控系統(tǒng)伺服性能好，準確性、快速性、穩(wěn)定性完全滿足傳感器安裝座的加工圖樣要求，相貫面的形狀精度和表面質(zhì)量均滿足安裝要求。
關(guān)鍵詞：飛機副油箱；傳感器安裝座；數(shù)控加工；數(shù)控系統(tǒng)
0引言
飛機副油箱是指在飛機機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上使用，其目的是為了延伸飛機的航程或滯空時間[1]。在空中加油技術(shù)成熟應用之前，外掛副油箱是增加軍用飛機續(xù)航時間的唯一途徑。在軍用飛機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)果的準確性。圖2為傳感器安裝座與飛機副油箱配合示意圖，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三個表面均為立體相貫面，每個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）的方式進行固定。目前，該傳感器安裝座的A、B、C三個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，但設備投資大、維護成本高、操作繁瑣、編程復雜、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)的硬件設計和軟件設計。
1數(shù)控系統(tǒng)硬件設計
1.1CPU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24MHz。該芯片自帶256B的RAM和8KB的EEPROM，具有4個端口32條可按位尋址的雙向I/O線，且有強化的位處理功能，含有6個中斷源和3個16位的加法定時/計數(shù)器。該CPU為通用型微處理器，集成度高，運算速度快，抗干擾能力強，內(nèi)部資源多，而且易擴展?；贏T89S52單片機的專用數(shù)控系統(tǒng)框圖如圖5所示。
1.2存儲器擴展
AT89S52單片機作為CD6140A車床數(shù)控系統(tǒng)的CPU，盡管內(nèi)部已經(jīng)設置了256B的RAM和8KB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，故需要進行外擴。為此，在圖5中，基于AT89S52微處理器擴展了一片電擦寫的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)控代碼以及設置的相關(guān)參數(shù)還外擴了一片靜態(tài)隨機存取RAM芯片6264[7]。1.3輸入/輸出接口擴展AT89S52單片機擴展存儲器之后，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，擴展了一片8位并行接口芯片8255，該芯片提供PA、PB、PC三個8位端口多達24個輸入/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、電動刀架等，如圖5所示。
1.4鍵盤-顯示接口擴展
專用數(shù)控系統(tǒng)需要一個友好的人-機交互界面，為此，需要擴展鍵盤和顯示器。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個按鍵的矩陣鍵盤進行連接，能對鍵盤實行不間斷的自動掃描，自動消除抖動，自動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用信號，最多能夠點亮16個字符。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)的速度需要進行無級調(diào)節(jié)。為此，在圖5中設置了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0~5V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機的運行頻率，從而實現(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A、B相脈沖，相位差為90°。在圖5中，設置四倍頻電路[11]對A、B相脈沖進行電子四細分，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相貫面專用軟件設計
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三個表面均為立體相貫面，其中每個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）。車床主電動機帶動工件旋轉(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，加工同一相貫面上不同的相貫線時改變半徑r、調(diào)整X坐標（橫向）即可。在圖6中，假定車削一根相貫線的順序為A→B→C→D→E→A。從圖6左上角的主視圖可以看出，A點為最高點，C點為最低點。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個脈沖，從A到C工件旋轉(zhuǎn)了90°，則CPU應該收到編碼器1200個脈沖[14]。下面計算工件每轉(zhuǎn)1個脈沖，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B為A→C中間任一點，n為工件從A點旋轉(zhuǎn)到B點時主軸編碼器發(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-(rsinθn)2]1/2，Hn=R-Dn。同理可知，當編碼器再增發(fā)一個脈沖時，Hn+1=R-Dn+1，其中，Dn+1=[R2-(rsinθn+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進行旋轉(zhuǎn)時，編碼器每發(fā)出一個脈沖，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，獲得一個新的r值，重復上述計算并控制Z向運動[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，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軸的編程脈沖當量分別為0.005mm/步和0.01mm/步，X軸和Z軸的重復定位精度分別為±0.005mm和±0.01mm，工件轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)范圍為8~1500r/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個相貫面的加工時間為12min。相比而言，該零件在加工中心上則至少需要40min才能完成相貫面成形，加工效率低，設備投資大，操作還繁瑣。
4結(jié)語
針對飛機副油箱傳感器安裝座復雜立體相貫面的批量加工，采用機電一體化技術(shù)和表面工程技術(shù)，將一臺基本報廢的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)的軟件為自行設計，所以可方便地擴展其他功能。因此，基于性價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)機床，具有一定的經(jīng)濟效益和社會效益，市場前景廣闊，值得推廣。
作者:陳章恒 王玉琳 單位:合肥工業(yè)大學機械工程學院
