CN106670606A - 基于单片机控制的便携式电火花打孔机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于单片机控制的便携式电火花打孔机，涉及电火花加工设备领域，针对现有机床需要钻头进行打孔导致容易造成安全隐患以及有些大工件不便加工、设备相对笨重效率低的技术问题，采用包括磁力座支架、步进电机、工具电极等配合单片机系统进行控制从而实现自动打孔的功能，本发明体积小、重量轻、便于携带，不仅具有普通电火花打孔机的优点，还能够将该发明装置直接放置在工件上进行加工，解决了现有技术中需要将工件搬到机床上加工而导致部分工件不便加工甚至无法加工的问题；由于其体积小轻便的特点，对于传统机床不善于加工的异形孔也能够应付自如，该发明还能够实现自动电火花打孔加工，降低了工作人员的劳动强度，提高了工作效率。

Description

基于单片机控制的便携式电火花打孔机

技术领域

本发明涉及电火花加工设备领域，特别涉及一种基于单片机控制的便携式电火花打孔机。

背景技术

传统的机床给工件打孔时容易出现打偏，钻头向工件进给过快时钻头断掉的问题，而且在加工过程中钻头必须高速旋转并且和工件接触，钻头受到的切削力较大，因此对机构的强度和刚度都要求较高，而一旦在加工过程中钻头断了，会有可能伤害到操作人员，而且也需要重新换上新钻头，这种机床打孔的自动化程度不高，对操作人员有较高的要求，由于传统机床自身的结构限制，在加工工件时需要将工件搬到机床上，因此对于有些工件（比如尺寸很大的工件）就不便加工甚至无法加工，对于异形孔的加工也显得笨拙无法灵活适应，这样的设备相对笨重且加工效率低。

发明内容

本发明提供一种基于单片机控制的便携式电火花打孔机，用以解决传统机床在加工工件时需要将工件搬到机床上，因此对于有些工件（比如尺寸很大的工件）就不便加工甚至无法加工，对于异形孔的加工也显得笨拙无法灵活适应，这样的设备相对笨重且加工效率低的技术问题。

为解决上述问题，本发明采用如下技术方案实现：

一种基于单片机控制的便携式电火花打孔机，包括机械部分和电气部分，其特征在于：

所述机械部分包括磁力座支架，所述磁力座支架横臂一端固定有滑块固定座，所述滑块固定座一面固定有滑块，所述滑块上活动设置有滚动直线导轨，所述滚动直线导轨上端固定有电机固定座，所述电机固定座上固定有步进电机，所述步进电机通过联轴器与滑动丝杆连接，所述滑动丝杆活动地穿设在主螺母上，所述主螺母固定在所述滑块固定座上，所述滚动直线导轨下端固定有绝缘外套，所述绝缘外套下方设置有钻夹头，所述绝缘外套内设置有绝缘圈，所述绝缘圈内设置有螺纹连接杆，所述螺纹连接杆内设置有工具电极；所述滑块固定座上还固定有极限开关固定座，所述极限开关固定座上设置有机械限位传感器；

所述电气部分包括电源模块，所述电源模块一端与单片机的电源端连接，所述电源模块另一端与步进电机驱动器连接，所述步进电机驱动器输出端与所述步进电机连接，所述单片机第一接口与所述步进电机驱动器的控制端连接，所述单片机第二接口与电压比较电路连接，所述单片机第三接口与电极限位置感应电路的输出端连接，所述电极限位置感应电路的输入端与机械限位传感器连接，所述单片机第四接口与显示接口电路连接，所述显示接口电路与LED连接，所述单片机第五接口与串口通信电路连接，所述单片机第六接口与USB在线下载程序电路，所述单片机第七接口与按键接口电路，所述按键接口电路与独立键盘连接。

优选地，所述滚动直线导轨上端设置有下极限钣金件，所述滚动直线导轨下端设置有上极限钣金件。

优选地，所述滑动丝杆上还套设有副螺母和弹簧，所述弹簧设置在所述副螺母与主螺母之间。

优选地，所述电机固定座为“L”形金属件。

优选地，所述下极限钣金件、上极限钣金件通过铆钉与所述滚动直线导轨固定连接。

优选地，所述绝缘外套和所述钻夹头之间还设置有第二绝缘圈。

优选地，所述电源模块包括24伏/5伏开关电源和60伏开关电源；所述单片机采用ATmega16芯片。

优选地，所述步进电机驱动器采用DM542两相混合式步进电机驱动器。

优选地，所述独立键盘采用3个按键组成；所述串口通信电路主要采用MAX232搭建。

优选地，所述USB在线下载程序电路基于USB-ISP搭建；所述电压比较电路主要采用LM393芯片构成；所述LED采用普通红色发光二极管。

本发明采用单片机控制，体积小、重量轻、便于携带，不仅具有普通电火花打孔机的优点，还能够将该发明装置直接放置在工件上进行加工，解决了现有技术中需要将工件搬到机床上加工而导致部分工件不便加工甚至无法加工的问题；由于其体积小轻便的特点，对于传统机床不善于加工的异形孔也能够应付自如，该发明还能够实现自动电火花打孔加工，降低了工作人员的劳动强度，提高了工作效率。

附图说明

图1是本发明提供的实施例第一轴测结构示意图；

图2是本发明提供的实施例第二轴测结构示意图；

图3是本发明提供的实施例第三轴测结构示意图；

图4是本发明提供的实施例电气系统结构示意图；

图5是本发明提供的实施例独立键盘构示意图。

附图中：1：步进电机；2：下极限钣金件；3：机械限位传感器；5：极限开关固定座；6.副螺母8.滑块；10：滚动直线导轨；11；上极限钣金件；13：铆钉；14.电机固定座；15：滑块固定座16：螺纹连接杆；17：绝缘圈；18：绝缘外套；20：钻夹头；21：滑动丝杆；22.主螺母；23.弹簧；25；联轴器；27：磁力座支架；28：工具电极；170：第二绝缘圈。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1~5所示，一种基于单片机控制的便携式电火花打孔机，包括机械部分和电气部分，所述机械部分包括磁力座支架27，所述磁力座支架27横臂一端固定有滑块固定座15，所述滑块固定座15一面固定有滑块8，所述滑块8上活动设置有滚动直线导轨10，所述滚动直线导轨10，上端固定有电机固定座14，所述电机固定座14上固定有步进电机1，所述步进电机1通过联轴器25与滑动丝杆21连接，所述滑动丝杆21可活动地穿设在主螺母22上，所述主螺母22固定在所述滑块固定座15上，所述滚动直线导轨10下端固定有绝缘外套18，所述绝缘外套18下方设置有钻夹头20，所述绝缘外套18内设置有绝缘圈17，所述绝缘圈17内设置有螺纹连接杆16，所述螺纹连接杆16内设置有工具电极28，所述滑块固定座15上还固定有极限开关固定座5，所述极限开关固定座5上设置有机械限位传感器3；

所述电气部分包括电源模块106，所述电源模块106一端与单片机113的电源端连接，所述电源模块106另一端与步进电机驱动器102连接，所述步进电机驱动器102输出端与所述步进电机1连接，所述单片机113第一接口与所述步进电机驱动器102的控制端连接，所述单片机113第二接口与电压比较电路103连接，所述单片机113第三接口与电极限位置感应电路104的输出端连接，所述电极限位置感应电路104的输入端与机械限位传感器3连接，所述单片机113第四接口与显示接口电路107连接，所述显示接口电路107与LED108连接，所述单片机113第五接口与串口通信电路109连接，所述单片机113第六接口与USB在线下载程序电路110，所述单片机113第七接口与按键接口电路111，所述按键接口电路111与独立键盘112连接。

其中，所述滚动直线导轨10上端设置有下极限钣金件2，所述滚动直线导轨10下端设置有上极限钣金件11，用于与机械限位传感器3配合实现限位控制；

为了消除因滑动丝杆21与主螺母22之间的间隙导致的误差，所述滑动丝杆21上还套设有副螺母6和弹簧23，所述弹簧23设置在所述副螺母6与主螺母22之间，所述副螺母6固定在所述滑动丝杆21上，通过与主螺母22对弹簧23进行压缩使滑动丝杆21始终受到弹簧23向上的弹力，从而减小滑动丝杆21与主螺母22之间的间隙提高加工精度，这样的结构使得即使采用价格便宜精度不太好的丝杆也能满足加工的要求，节省了硬件成本以及安装成本。所述电机固定座14为“L”形金属件；所述下极限钣金件2、上极限钣金件11通过铆钉13与所述滚动直线导轨10固定连接。所述绝缘外套18和所述钻夹头20之间还设置有第二绝缘圈170。所述电源模块106包括24伏/5伏开关电源和60伏开关电源；所述单片机113采用ATmega16芯片。所述步进电机驱动器102采用DM542两相混合式步进电机驱动器。所述独立键盘112采用3个按键组成；所述串口通信电路109主要采用MAX232搭建。所述USB在线下载程序电路110基于USB-ISP搭建；所述电压比较电路103主要采用LM393芯片构成；所述LED108采用普通红色发光二极管。

具体地，所述步进电机1通过电机固定座14安装在滚动直线导轨10上，与滚动直线导轨10配合的滑块8与滑块固定座15连接，极限开关固定座5与滑块固定座15连接，两个机械限位传感器3分别安装在极限开关固定座5的上下端。

所述步进电机1的输出轴通过联轴器25与滑动丝杆21连接，与滑动丝杆21配合的主螺母22焊接在滑块固定座15上，所述与滚动直线导轨10配合的滑块8与滑块固定座15固定连接，滑块固定座15与磁力座支架27连接。滑块8固定不动，与滑块8配合的滚动直线导轨10做上下直线运动。

所述钻夹头20与螺纹连接杆16连接，钻夹头20和螺纹连接杆16之间放置绝缘外套18，绝缘外套18与滚动直线导轨10固定连接，钻夹头20通过绝缘外套18安装在滚动直线导轨10上；绝缘外套18和螺纹连接杆16之间放置绝缘圈17，绝缘外套18和钻夹头20之间放置绝缘圈17；螺纹连接杆16是中空的，用于放置工具电极28。

所述钻夹头20装夹工具电极28，滚动直线导轨10做上下直线运动时带动钻夹头20做上下直线运动，从而使装夹在钻夹头20上的工具电极28也做上下直线运动，实现了工具电极28向工件的进给。

电气上，步进电机1通过步进电机驱动器102与单片机113相连接，步进电机驱动器102接受单片机113发出的脉冲信号，控制步进电机1的转动和停止。单片机113作为控制核心，完成接收指令，处理运算，发出指令的功能，工具电极28与工件之间的间隙会有一个脉动电压，此脉动电压和工具电极28与工件之间的间隙成正比；电压比较电路103通过将脉动电压和已给定的基准电压进行比较，输出高或低电平给单片机113；机械限位传感器3与电极限位置感应电路104连接，电极限位置感应电路104和单片机113相连，电极限位置感应电路104将机构是否到达极限位置的信息转化成电信号传输给单片机113，串口通信109和USB在线下载程序电路110用于单片机113和PC机的通信，电源模块106用于给系统供电，电源模块包括现有技术常用的脉冲电源、控制电源和驱动电源，控制电源和驱动电源采用24伏/5伏2安双电源，所述脉冲电源是采用60伏10安开关电源驱动的RC电路，所述脉冲电源为电火花加工时提供能量，所述控制电源是采用5伏的开关电源，所述控制电源用于给单片机和电压比较电路供电，所述驱动电源是采用24伏的开关电源，所述驱动电源用于给步进电机驱动器供电；脉冲电源中RC电路的R电阻是大功率电阻，该大功率电阻有短路保护功能，当电极与工件短路时，该大功率电阻使得电流不会过高，以免烧坏电源；单片机程序参考现有的通用逻辑控制、采样控制以及时序控制等程序稍作修改即可实现，方便易用。

本发明的工作原理是：

电火花加工是利用浸在工作液中的工具电极28和工件间脉冲放电时产生的电蚀作用蚀除工件表面的材料，逐渐形成所需的形状，工具电极28和工件分别接脉冲电源的两端并浸入工作液中，通过单片机电路控制系统带动工具电极28移动，在工具电极28和工件之间形成合适的放电间隙，施加在工具电极28和工件之间的电压将工作液击穿，产生火花放电且产生大量的热，从而使这一点工件表面的金属材料立刻熔化、气化。当工件表面的金属材料去除到一定量时，工具电极28和工件之间的间隙变大，单片机电路控制系统通过电压比较电路103检测到工具电极28和工件间的间隙变大时发出信号驱使步进电机1转动，转动的步进电机1通过与步进电机相连的运动执行机构带动工具电极28向工件进给，从而实现工具电极28向工件的自动进给，从而实现了电火花打孔自动化。

所述的人机交互模块中的独立键盘112有3个独立按键，分别为【上升】、【下降】和【工作】按键；所述的人机交互模块中的显示接口电路107采用的输出元器件为3个LED108，分别为LED1、LED2和LED3。

当按下【上升】按键时，单片机电路控制系统为上升状态，单片机113通过按键接口电路111检测到输入信号后，对输入信号进行处理后再发送输出信号，输出信号经过显示接口电路107控制LED1亮，LED2和LED3灭；单片机113发出脉冲给步进电机驱动器102，在转动方向上发送高电平给步进电机驱动器102，步进电机驱动器102驱动步进电机1顺时针转动；步进电机1是通过联轴器25和滑动丝杆21连接的，顺时针转动的步进电机1会带动滑动丝杆21做顺时针转动，与滑动丝杆21配合的主螺母22是固定不动的，滑动丝杆21在做顺时针转动的同时也做方向向上的直线运动；步进电机1是通过联轴器25与滑动丝杆21连接的，做向上直线运动的滑动丝杆21会带动步进电机1做向上直线运动；步进电机1是通过电机固定座14与滚动直线导轨10连接的，做向上直线运动的步进电机1会带动滚动直线导轨10做向上的直线运动，工具电极28通过钻夹头20安装在滚动直线导轨10上，做向上直线运动的滚动直线导轨10会带动工具电极28做向上直线运动，从而实现工具电极28自动远离工件。当按住【上升】按键时间过久时，滚动直线导轨10向上运动到达上极限位置时，安装在滚动直线导轨10底部的上极限钣金件11会触碰到机械限位传感器3，机械限位传感器3通过电极限位置感应电路104发送电信号给单片机113，单片机113接收到信号后不再发送脉冲给步进电机驱动器102，从而实现步进电机1的停转，与步进电机1连接的滚动直线导轨10停止运动，此时只能按【下降】按键使运动执行机构离开机械限位传感器。

当按下【下降】按键时，单片机电路控制系统为下降状态，单片机113通过按键接口电路111检测到输入信号后，对输入信号进行处理后再发送输出信号，输出信号经过显示接口电路107控制LED2亮，LED1和LED3灭；单片机113发出脉冲给步进电机驱动器102，在转动方向上发送低电平给步进电机驱动器102，步进电机驱动器102驱动步进电机1逆时针转动；步进电机1是通过联轴器25和滑动丝杆21连接的，逆时针转动的步进电机1会带动滑动丝杆21做逆时针转动，与滑动丝杆21配合的注螺母22是固定不动的，滑动丝杆21在做逆时针转动的同时也做方向向下的直线运动；步进电机1是通过联轴器25与滑动丝杆21连接的，做向下直线运动的滑动丝杆21会带动步进电机1做向下直线运动；步进电机1是通过电机固定座14与滚动直线导轨10连接的，做向下直线运动的步进电机1会带动滚动直线导轨10做向下的直线运动，工具电极28通过钻夹头20安装在滚动直线导轨10上，做向下直线运动的滚动直线导轨10带动工具电极28做向下直线运动，从而实现工具电极28自动靠近工件。当按住【下降】按键时间过久时，滚动直线导轨10向下运动到达下极限位置时，安装在滚动直线导轨顶部的下极限钣金件2会触碰到机械限位传感器3，机械限位传感器3通过电极限位置感应电路104发送电信号给单片机113，单片机113接收到信号后不再发送脉冲给步进电机驱动器102，从而实现步进电机1的停转，与步进电机1连接的滚动直线导轨10停止运动，此时只能按【上升】按键使运动执行机构离开机械限位传感器。

与现有技术的电火花加工方法一样，脉冲电源的正负两极分别连接在工具电极和工件上形成工具电极和工件电极；工具电极8和工件电极之间有一脉动电压信号，其峰值与工具电极和工件电极之间的间隙成正比，检测这个电压就可获得工具电极和工件电极的间隙。当按下【工作】按键时，单片机电路控制系统为工作状态，单片机113通过按键接口电路111检测到输入信号后，对输入信号进行处理后再发送输出信号，输出信号经过显示接口电路107控制LED3亮，LED1和LED2灭；电压比较电路103时刻将采集到的脉动电压信号和已设定好的基准电压进行比较，若脉动电压比基准电压大，说明放电间隙大，则单片机113通过控制步进电机1转动让工具电极28向工件电极进给；若脉动电压小于或等于基准电压，说明放电间隙小，则工具电极28不做移动，当运动执行机构向下进给到达下极限位置时，单片机113停止发送脉冲，步进电机1停止转动，工具电极28停止向下进给；采用这种方式能让工具电极和工件电极之间保持合理的放电间隙，且能让机构运动不超越极限位置，从而能实现放电打孔工作自动化 。

本发明采用单片机控制，体积小、重量轻、便于携带，不仅具有普通电火花打孔机的优点，还能够将该发明装置直接放置在工件上进行加工，解决了现有技术中需要将工件搬到机床上加工而导致部分工件不便加工甚至无法加工的问题；由于其体积小轻便的特点，对于传统机床不善于加工的异形孔也能够应付自如，该发明还能够实现自动电火花打孔加工，降低了工作人员的劳动强度，提高了工作效率。

Claims (10)

1.一种基于单片机控制的便携式电火花打孔机，包括机械部分和电气部分，其特征在于：

所述机械部分包括磁力座支架（27），所述磁力座支架（27）横臂一端固定有滑块固定座（15），所述滑块固定座（15）一面固定有滑块（8），所述滑块（8）上活动设置有滚动直线导轨（10），所述滚动直线导轨（10）上端固定有电机固定座（14），所述电机固定座（14）上固定有步进电机（1），所述步进电机（1）通过联轴器（25）与滑动丝杆（21）连接，所述滑动丝杆（21）活动地穿设在主螺母（22）上，所述主螺母（22）固定在所述滑块固定座（15）上，所述滚动直线导轨（10）下端固定有绝缘外套（18），所述绝缘外套（18）下方设置有钻夹头（20），所述绝缘外套（18）内设置有绝缘圈（17），所述绝缘圈（17）内设置有螺纹连接杆（16），所述螺纹连接杆（16）内设置有工具电极（28）；所述滑块固定座（15）上还固定有极限开关固定座（5），所述极限开关固定座（5）上设置有机械限位传感器（3）；

所述电气部分包括电源模块（106），所述电源模块（106）一端与单片机（113）的电源端连接，所述电源模块（106）另一端与步进电机驱动器（102）连接，所述步进电机驱动器（102）输出端与所述步进电机（1）连接，所述单片机（113）第一接口与所述步进电机驱动器（102）的控制端连接，所述单片机（113）第二接口与电压比较电路（103）连接，所述单片机（113）第三接口与电极限位置感应电路（104）的输出端连接，所述电极限位置感应电路（104）的输入端与机械限位传感器（3）连接，所述单片机（113）第四接口与显示接口电路（107）连接，所述显示接口电路（107）与LED（108）连接，所述单片机（113）第五接口与串口通信电路（109）连接，所述单片机（113）第六接口与USB在线下载程序电路（110），所述单片机（113）第七接口与按键接口电路（111），所述按键接口电路（111）与独立键盘（112）连接。

2.根据权利要求1所述的打孔机，其特征在于：所述滚动直线导轨（10）上端设置有下极限钣金件（2），所述滚动直线导轨（10）下端设置有上极限钣金件（11）。

3.根据权利要求1所述的打孔机，其特征在于：所述滑动丝杆（21）上还套设有副螺母（6）和弹簧（23），所述弹簧（23）设置在所述副螺母（6）与主螺母（22）之间。

4.根据权利要求1所述的打孔机，其特征在于：所述电机固定座（14）为“L”形金属件。

5.根据权利要求2所述的打孔机，其特征在于：所述下极限钣金件（2）、上极限钣金件（11）通过铆钉（13）与所述滚动直线导轨（10）固定连接。

6.根据权利要求1所述的打孔机，其特征在于：所述绝缘外套（18）和所述钻夹头（20）之间还设置有第二绝缘圈（170）。

7.根据权利要求1所述的打孔机，其特征在于：所述电源模块（106）包括24伏/5伏开关电源和60伏开关电源；所述单片机（113）采用ATmega16芯片。

8.根据权利要求1所述的打孔机，其特征在于：所述步进电机驱动器（102）采用DM542两相混合式步进电机驱动器。

9.根据权利要求1所述的打孔机，其特征在于：所述独立键盘（112）采用3个按键组成；所述串口通信电路（109）主要采用MAX232搭建。

10.根据权利要求1所述的打孔机，其特征在于：所述USB在线下载程序电路（110）基于USB-ISP搭建；所述电压比较电路（103）主要采用LM393芯片构成；所述LED（108）采用普通红色发光二极管。