陳麗萍,胡禮廣

（浙江師范大學(xué) 機電技術(shù)研究中心，浙江 金華321000）

劃線是指根據(jù)圖紙和技術(shù)要求，在毛坯或半成品工件,利用劃線工具劃出加工界線，或者劃出作為基準(zhǔn)的點、線的操作工序，是機械加工工藝過程中的重要工序之一，沖點是指在工件所劃的線條的交叉點上打出小而均勻的樣沖眼，以便于在所劃的線模糊后，仍能找到原線及交點位置。

以上工序中，劃線是主要工序，也是沖點和鉆孔工序的基礎(chǔ)，劃線主要采用兩種方式：一是手工劃線，從目前的現(xiàn)場的操作過程來看，一般借助于劃線平臺、劃針、高度劃線尺、V形鐵、方箱、劃卡、劃規(guī)、量具、劃線盤等工具來完成；另外一種是把測量精度高的專用設(shè)備如三坐標(biāo)測量儀、激光測量儀改造成三坐標(biāo)測量劃線機、激光劃線儀等進行劃線。手工劃線成本投入較低，一般的工人只需進行適當(dāng)?shù)闹笇?dǎo)，即可進行劃線操作。但由于受較多主觀因素（如工人的操作水平、量具的精度、其他工具的精度等）的影響，因此劃線精度較低。采用三坐標(biāo)測量劃線機、激光劃線儀等高端儀器進行，劃線的精度較高，但需專人進行操作，而且投入的成本也較大，在一般小型生產(chǎn)企業(yè)里適應(yīng)性也較差。

本文設(shè)計的控制系統(tǒng)集成了劃線、沖點等功能，具有性能可靠、制造成本低、使用方便等特性。在提高劃線加工自動化程度、加工的效率、加工的質(zhì)量等方面，有明顯的效果。

1 數(shù)控劃線沖點一體機結(jié)構(gòu)功能簡介

一體機設(shè)備主要由機架、工作臺、步進電機、控制面板、立柱面板、主電機、工作臺進給電機、主軸進給電機、橫向進給電機及相關(guān)部件等組成，包括四套裝置：(1)工件移動裝置，將放于工作臺上的工件向指定的加工位置移動;(2)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及軟件，用于外部圖形文件數(shù)據(jù)的輸入和轉(zhuǎn)化;(3)控制系統(tǒng)，將采集好的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成電信號，對相應(yīng)的步進電機和主電機發(fā)出一系列的工作指令;(4)執(zhí)行裝置，在工件移動到指定位置后，對工件執(zhí)行劃線沖點及鉆孔等工作。

根據(jù)設(shè)計功能的實際需要及系統(tǒng)性能指標(biāo)的要求，該控制系統(tǒng)以單片機為控制單元，按人機交互界面來實現(xiàn)功能的控制。如圖1所示為系統(tǒng)控制方案結(jié)構(gòu)示意圖[1]。控制系統(tǒng)包括單片機、數(shù)據(jù)采集初始化、供電電源、控制與執(zhí)行和鍵盤顯示等部分組成。其中單片機STC12C5410AD是控制系統(tǒng)的核心[2]。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 控制單片機選擇

在本系統(tǒng)中，單片機的選用要考慮兩個因素：(1)單片機發(fā)出的各種指令控制電機對劃線沖點動作實施精確控制；(2)在人機界面上接受用戶的指令和要求與外界進行通訊。選用STMicroelectronics公司生產(chǎn)單片機STC12C5410AD作為本系統(tǒng)的控制芯片，它具有高速MCU，在指令代碼上完全兼容傳統(tǒng)8051，兼有 4路 PWM和 8路高速、10位 A/D轉(zhuǎn)換，特別適用于強干擾場合的電機控制。

2.2 控制系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計構(gòu)成

控制系統(tǒng)電路以單片機STC12C5410AD及其擴展存儲器構(gòu)成的最小系統(tǒng)為核心,由數(shù)據(jù)采集單元、鍵盤及顯示單元、控制與執(zhí)行單元、出錯警報單元及芯片供電電源等部分構(gòu)成。

數(shù)據(jù)采集單元分為外部數(shù)據(jù)輸入采集和控制面板數(shù)據(jù)輸入采集、被控對象的數(shù)據(jù)反饋等部分。

鍵盤與顯示單元主要包括LED數(shù)碼管、指示燈顯示、可編程鍵盤，其中可編程鍵盤與單片機之間采用專用的接口芯片ZLG7290實現(xiàn)鍵盤數(shù)據(jù)的輸入與顯示。

控制與執(zhí)行單元由光電耦合位置檢測器件、功率放大驅(qū)動器件、工作電機等組成。

硬件控制電路組成部分如下：

(1)控制系統(tǒng)電路

該部分電路主要是充分利用單片機STC12C5410AD中的內(nèi)部資源如 ADC、SPI、PWM、UART 等。 這 樣既可以降低系統(tǒng)的設(shè)計成本，減少整個系統(tǒng)的體積，更重要的是提高控制系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性。

本設(shè)計充分利用了 ADC、SPI、PWM、UART等內(nèi)部硬件資源，減小了系統(tǒng)體積，降低了系統(tǒng)成本，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。整個控制系統(tǒng)包括時鐘電路、總線驅(qū)動電路、擴展了存儲器的單片機STC12C5410AD微控器以及復(fù)位電路等部分。

(2)工作電機控制電路設(shè)計

工作電機是整個一體機的具體執(zhí)行機構(gòu)，主要由縱向進給電機、橫向進給電機、主工作電機三部分組成，其中主工作電機的平穩(wěn)性對劃線、沖點、鉆孔等的質(zhì)量有較大的影響，而主工作電機的位置又與縱、橫進給電機的準(zhǔn)確工作有直接關(guān)系，因此在設(shè)計工作電機的控制系統(tǒng)時應(yīng)主要考慮以下因素：(1)工作電機在縱、橫向電機的進給下準(zhǔn)確定位；(2)各電機的進給和工作速度控制通過單片機發(fā)出的指令控制步進脈沖來實現(xiàn)。工作電機控制原理如圖2所示。

圖2 工作電機設(shè)計原理圖

(3)信號輸入輸出電路設(shè)計

本電路的設(shè)計用于控制信號的輸入和輸出，在單片機 STC12C5410AD中，P1.0～P1.3是電壓采樣信號管腳，P1.4～P1.7是電流采樣信號管腳。電路輸出的四個信號分別用于控制主工作電機、縱向電機、橫向電機、光電位置檢測，以上這些信號都要通過繼電器來控制各個電機的工作，從而實現(xiàn)劃線、沖點等一系列工作的自動化進行。

(4)控制面板電路設(shè)計

根據(jù)劃線位置的需要，設(shè)計時要求數(shù)據(jù)輸入操作方便和結(jié)果顯示直觀，將輸入電路設(shè)計成鍵盤按鍵輸入，為了在面板顯示控制結(jié)果，本設(shè)計利用單片機STC12C5410AD中的一個引腳來與二極管顯示器的公共端連接。其設(shè)計的電路如圖3所示。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

根據(jù)劃線沖點的實際需要，該控制系統(tǒng)工作程序流程圖編寫如圖4所示[3-4]。

圖4 控制系統(tǒng)工作程序流程

根據(jù)控制任務(wù)，單片機控制程序編寫如下：

4 加工路徑數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化程序Drill v1.0

本控制系統(tǒng)的劃線路徑可以通過二種方式進行，(1)直接通過控制面板的按鈕進行位置數(shù)據(jù)輸入，這種方式在操作上較為簡單，但在劃線圖形比較復(fù)雜時，輸入的工作量較大。(2)通過加工路徑數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化程序Drill v1.0，將在繪圖軟件（如CAXA）下畫好的位置圖形文件轉(zhuǎn)化成單片機控制程序文件，經(jīng)USB接口輸入。

劃線沖點一體機的控制系統(tǒng)實現(xiàn)了對工件準(zhǔn)確快速的劃線、沖點等。該系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單、使用成本低、性能穩(wěn)定，大大提高了劃線沖點工作的效率。

[1]陳羽鋒,胡國清,欒厚寶，等.基于PLC的氣動送料控制系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用[J].電氣技術(shù)與自動化,2010,39(2):154-155,160.

[2]陳廣洋,陸奎.基于STC單片機的智能車載電源管理器設(shè)計[J].微型電腦應(yīng)用,2009,25(1):35-37.

[3]宏晶科技公司.STC12C5410AD系列單片機器件手冊[K].2007.

[4]胡禮廣，王剛.基于STC12C5410AD單片機的鑲嵌控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].微型機與應(yīng)用，2011,30(4):73-76.

[5]陳石龍.基于單片機的步進電機控制系統(tǒng)[J].寧德師專學(xué)報（自然科學(xué)版），2009,21(2):16-19.