飞机副油箱传感器安装座加工系统设计

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摘要：在飞机副油箱上安装有很多传感器，这些传感器与副油箱的连接处为立体相贯面，加工起来比较困难。针对传感器安装座的批量加工，对一台老旧的CD6140A普通车床进行了数控化再制造，基于AT89S52微控制器搭建了一台数控系统。扩展了存储器、输入/输出接口、键盘-显示接口、数-模转换接口，以及编码器信号四倍频接口等。分析了相贯面的成形机理，研发了传感器安装座的专用软件。加工实践表明，再制造后的数控车床和数控系统伺服性能好，准确性、快速性、稳定性完全满足传感器安装座的加工图样要求，相贯面的形状精度和表面质量均满足安装要求。

关键词：飞机副油箱；传感器安装座；数控加工；数控系统

0引言

飞机副油箱是指在飞机机身以外携带燃料的空间，如图1所示。副油箱一般只在军用飞机上使用，其目的是为了延伸飞机的航程或滞空时间[1]。在空中加油技术成熟应用之前，外挂副油箱是增加军用飞机续航时间的唯一途径。在军用飞机的副油箱上分布有很多功能各不相同的燃油检测传感器，这些传感器对于副油箱中燃油参数的监控至关重要，它们用来测量油箱中油液液面的高度以及内部压力等[2]。由于飞机在飞行中姿态不断变化，因此这些传感器的安装位置将直接影响测量结果的准确性。图2为传感器安装座与飞机副油箱配合示意图，图3和图4为某型号传感器安装座的CAD图。飞机副油箱为一桶形回转体，传感器安装座贯穿于副油箱表面，二者的结合面为一立体相贯面[3]。图3中传感器安装座的A表面与副油箱的内表面相贴合，B表面突出于副油箱的外表面，C表面与A表面等高，A、B、C三个表面均为立体相贯面，每个表面是由一系列立体相贯线组合而成。安装前，将传感器安装座从油箱内向上托起，使得A面与副油箱内表面贴合，然后采用铆接（A面）或高温熔焊（B面）的方式进行固定。目前，该传感器安装座的A、B、C三个相贯面采用普通车床和铣床均无法加工，采用加工中心虽然可以加工，但设备投资大、维护成本高、操作繁琐、编程复杂、加工效率低。为了解决该传感器安装座的批量加工问题，作者将一台老旧的CD6140A普通车床进行了数控化再制造[4-5]，研发了专用数控系统，既保证了传感器安装座相贯面的形状精度和表面质量，又提高了加工效率。本文主要介绍该专用数控系统的硬件设计和软件设计。

1数控系统硬件设计

1.1CPU选择

专用数控系统的CPU选择目前国内大批量使用的AT89S52嵌入式微控制器[6]，晶振频率采用24MHz。该芯片自带256B的RAM和8KB的EEPROM，具有4个端口32条可按位寻址的双向I/O线，且有强化的位处理功能，含有6个中断源和3个16位的加法定时/计数器。该CPU为通用型微处理器，集成度高，运算速度快，抗干扰能力强，内部资源多，而且易扩展。基于AT89S52单片机的专用数控系统框图如图5所示。

1.2存储器扩展

AT89S52单片机作为CD6140A车床数控系统的CPU，尽管内部已经设置了256B的RAM和8KB的EEPROM，但其存储空间仍然不能满足专用数控系统的需求，故需要进行外扩。为此，在图5中，基于AT89S52微处理器扩展了一片电擦写的27C512程序存储器，主要用来存放数控车床控制系统的底层代码和相关数据表格；针对操作者编制的数控代码以及设置的相关参数还外扩了一片静态随机存取RAM芯片6264[7]。1.3输入/输出接口扩展AT89S52单片机扩展存储器之后，其P0、P2端口以及P3端口的部分引脚就不能再作为输入/输出口使用了，这样仅剩P1口与P3口的部分引脚，不能满足专用数控系统的需要。为此，扩展了一片8位并行接口芯片8255，该芯片提供PA、PB、PC三个8位端口多达24个输入/输出引脚[8]，可以控制数控车床的X、Z向交流伺服单元，以及主轴、冷却、卡盘、电动刀架等，如图5所示。

1.4键盘-显示接口扩展

专用数控系统需要一个友好的人-机交互界面，为此，需要扩展键盘和显示器。在图5中，选择NEC公司生产的8279芯片处理人机接口。该芯片为8位并行通用型可编程接口器件，可以完成键盘输入和显示控制两种功能[9]。键盘部分提供扫描工作方式，可与64个按键的矩阵键盘进行连接，能对键盘实行不间断的自动扫描，自动消除抖动，自动识别按键并给出键值，并为LED等显示器件提供了按扫描方式工作的接口电路，它为显示器提供多路复用信号，最多能够点亮16个字符。在本专用数控系统中选择高亮度的LED作为显示器件。

1.5数-模转换接口扩展

在CD6140A数控车床上，对于传感器安装座的加工，工件旋转的速度需要进行无级调节。为此，在图5中设置了D/A转换接口，也即数-模转换装置。CPU将8位的数字量00H~FFH送给D/A接口芯片MAX517，MAX517输出0~5V的直流电压[10]，该电压送给交流变频器，即可改变车床主电动机的运行频率，从而实现工件旋转的无级变速。

1.6编码器信号采集

在加工传感器安装座的过程中，数控系统需要检测装在主轴三爪卡盘上的工件的角位移和角速度，为了方便传感器信号的处理，在此选择数字式增量式旋转编码器，该编码器每转输出1200个A、B相脉冲，相位差为90°。在图5中，设置四倍频电路[11]对A、B相脉冲进行电子四细分，可以将编码器的分辨力提高到每转4800脉冲，从而高精度地检测传感器安装座的旋转角度和旋转速度[12]。

2相贯面专用软件设计

专用数控系统除了需要具备数控车床基本的G、S、T、M功能指令外，尚需开发加工立体相贯面的专用软件，本节重点予以介绍。结合图2、图3、图4可以看出，传感器安装座的A、B、C三个表面均为立体相贯面，其中每个表面均由一系列立体相贯线组合而成。为此，可以将立体相贯面离散成一条条的立体相贯线[13]，寻找单条立体相贯线的成形机理。如图6所示，副油箱为一大圆柱，传感器安装座为一小圆柱，二者垂直相交，形成一条立体相贯线。用数控车床加工的时候，传感器安装座通过专用夹具夹持在主轴的三爪卡盘上（如图7）。车床主电动机带动工件旋转，数控系统根据工件转过的角度控制车刀在Z方向（纵向）的坐标，加工同一相贯面上不同的相贯线时改变半径r、调整X坐标（横向）即可。在图6中，假定车削一根相贯线的顺序为A→B→C→D→E→A。从图6左上角的主视图可以看出，A点为最高点，C点为最低点。由1.6节可知，工件每转360°，编码器通过四倍频电路输出4800个脉冲，从A到C工件旋转了90°，则CPU应该收到编码器1200个脉冲[14]。下面计算工件每转1个脉冲，车刀在Z向的位移变化量。在图6中，已知副油箱的半径为R，传感器安装座的半径为r。设B为A→C中间任一点，n为工件从A点旋转到B点时主轴编码器发出的脉冲数，则工件由A到B所转过的角度θn=(360°/4800)×n。在图6中，Dn=[R2-(rsinθn)2]1/2，Hn=R-Dn。同理可知，当编码器再增发一个脉冲时，Hn+1=R-Dn+1，其中，Dn+1=[R2-(rsinθn+1)2]1/2，θn+1=(360°/4800)×(n+1)。于是得到结论：在图6中，工件从A→C进行旋转时，编码器每发出一个脉冲，车床Z向获得的位移增量为Δz=INT[Hn+1-Hn]。从图6不难看出，C→D为A→C的镜像，D→A为A→D的镜像。工件旋转一周后，调整X坐标，获得一个新的r值，重复上述计算并控制Z向运动[15]，直至完成图3中立体相贯面A的加工，之后再调整Z坐标，依次即可加工出B、C相贯面。

3加工效果

图7为经过数控化再制造的CD6140A车床的外观。该车床X轴和Z轴的编程脉冲当量分别为0.005mm/步和0.01mm/步，X轴和Z轴的重复定位精度分别为±0.005mm和±0.01mm，工件转速的调节范围为8~1500r/min。图8为采用该车床开发专用软件加工出来的一种副油箱传感器安装座，其几何精度、尺寸精度和表面粗糙度均满足图样要求，3个相贯面的加工时间为12min。相比而言，该零件在加工中心上则至少需要40min才能完成相贯面成形，加工效率低，设备投资大，操作还繁琐。

4结语

针对飞机副油箱传感器安装座复杂立体相贯面的批量加工，采用机电一体化技术和表面工程技术，将一台基本报废的CD6140A普通卧式车床再制造成一台数控车床，基于AT89S52高性能微处理器研发了专用数控系统。由于数控系统开发了专用代码，所以编程非常简单，操作简单方便；由于数控系统的软件为自行设计，所以可方便地扩展其他功能。因此，基于性价比高的嵌入式微控制器开发专用测控系统改造传统机床，具有一定的经济效益和社会效益，市场前景广阔，值得推广。

作者:陈章恒 王玉琳 单位:合肥工业大学机械工程学院