俞志根

（湖州職業(yè)技術(shù)學院 機電與汽車工程學院，浙江 湖州 313000）

薄膜電阻是各種電位器及角位移傳感器的核心部份，主要有碳膜電阻和導電塑料薄膜電阻及金屬膜電阻等幾種，目前應(yīng)用最廣泛的是導電塑料薄膜電阻，本文主要以導電塑料薄膜電阻為研究對象。導電塑料這種特殊材料在二十世紀六十年代由日本科學家發(fā)現(xiàn)，隨后的二三十年間，性能得到不斷提升，與其它材料相比在耐磨、耐腐蝕、穩(wěn)定性、輸出噪聲和高速響應(yīng)等諸多方面都非常出色［1］。因此，初期主要用于軍事工業(yè)，如火炮、雷達、坦克等的轉(zhuǎn)向機構(gòu)中控制旋轉(zhuǎn)角度。所以西方國家一直對中國實行禁運，與此相關(guān)的產(chǎn)品禁止銷售到中國。直到上世紀九十年代，中國的一些軍事材料研究機構(gòu)才逐步開始研究這種新型材料，并取得快速突破，國內(nèi)出現(xiàn)了多家生產(chǎn)導電塑料粉料的企業(yè)，但高品質(zhì)的核心配方還是掌握在日本、美國等幾個發(fā)達國家少數(shù)企業(yè)手里。

導電塑料電位器中的薄膜電阻是通過噴涂機噴涂在絕緣材料制成的電阻基體上的［2］，其初始電阻線性度較低，不能滿足作為精密測量用傳感器的使用要求，必須經(jīng)過特殊的輸出電阻修刻工序，將其輸出電阻的線性精度提高到0.5%以上。傳統(tǒng)的線性度修刻方法有手工逐點修刻方式和數(shù)控方式下的半自動修刻［3］，雖然能夠基本滿足產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量要求，但是需要在修刻前進行檢測儀器的參數(shù)調(diào)節(jié)與匹配等工作，生產(chǎn)效率低、工人容易疲勞，嚴重影響產(chǎn)品的性能穩(wěn)定性。為了適應(yīng)大批量生產(chǎn)的需要，也有各種全自動薄膜電阻修刻系統(tǒng)的理論研究成果，如上海交通大學劉震［4］課題組研制的激光修刻系統(tǒng)，由激光器、修刻臺、工件自動進給裝置和工控機等組成，結(jié)構(gòu)復雜，成本高昂，離實用還有一定距離。

本文研究開發(fā)一種主要用單片機來控制激光修刻系統(tǒng)，通過高精度電壓比較器對采樣點電壓進行實時比較，經(jīng)步進電機控制器驅(qū)動修刻臺旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)薄膜電阻的自動修刻。這種修刻方式不僅能達到較高的修刻精度和速度，而且成本較低，實用性更強。

1 修刻系統(tǒng)構(gòu)成及主要性能

1.1 修刻系統(tǒng)基本構(gòu)成

采用單片機作為系統(tǒng)控制的核心，對薄膜電阻的修刻電流進行逐點調(diào)整和控制，并對其初始零位進行自動尋找設(shè)定，實現(xiàn)全過程的自動修刻。修刻系統(tǒng)主要由機械本體和控制系統(tǒng)及輔助設(shè)備等三部分組成：機械本體包括修刻工作臺、激光器、位置傳感器等；控制系統(tǒng)由單片機主控板（包含高速單片機、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、電壓比較器、計數(shù)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器等），步進電機控制器，四位半數(shù)字電壓表頭等組成；輔助設(shè)備包括高精度恒流源和系統(tǒng)電源等。整個修刻系統(tǒng)組成框圖如圖1所示：

圖1 修刻機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.2 修刻系統(tǒng)主要性能

本文研究的單片機控制激光修刻系統(tǒng)主要用于導電塑料材質(zhì)的角度傳感器薄膜電阻和有機合成碳膜電阻的修刻，膜電阻的厚度在0.01mm左右，不能超過0.015mm，大小在Φ20-60mm，否則會影響修刻速度，這主要是因為激光器的功率有限，如要修刻更厚的膜電阻須增大激光器功率，會使成本上升。適用的薄膜電阻值從0.1k-5k，主要規(guī)格有0.1k、0.5k、1k、2k、5k等多種；修刻后能達到的電阻線性度，可根據(jù)產(chǎn)品精度要求在0.01-0.5%之間選擇，主要有0.01%、0.05%和0.1%及0.5%等幾種；修刻速度為2-5分鐘每個，取決于修刻精度要求和產(chǎn)品大小。

修刻系統(tǒng)運行主要參數(shù)有：激光器功率3W；電壓比較器的靈敏度優(yōu)于±1mV；輔助恒流電源輸出的電壓精度優(yōu)于±2mV；恒流源穩(wěn)定性在10分鐘內(nèi)波動小于0.1mA，可調(diào)范圍在1mA-10mA；修刻電壓檢測用A／D轉(zhuǎn)換器，并采用四位半數(shù)字電壓表；激光器步進系統(tǒng)靈敏度優(yōu)于1μm每步，修刻臺步進22″每步。

2 激光修刻的機理及其基本過程

2.1 激光修刻機理

由于激光具有方向性好，高能量和單色性好等諸多優(yōu)點，尤其是隨著大功率激光器的成本不斷下降，結(jié)構(gòu)日趨小型化，在替代機加工領(lǐng)域中日益受到重視，各種各樣的激光加工設(shè)備已經(jīng)非常多，如激光切割、激光焊接、激光雕刻等。近年來在激光微加工方面也取得了長足發(fā)展，薄膜電阻的線性修刻就是一種典型的細微機加工，其加工量都在幾十微米左右，精度要求非常高，上世紀八十年代國外開始研究用大功率激光束對薄膜電阻進行高精度修刻，以替代刀具修刻。它的修刻原理是利用激光的超高聚焦能力和超高溫度，使薄膜電阻被激光照射部分在很短的時間內(nèi)被氣化蒸發(fā)，從而減小薄膜電阻局部導通面積，從而達到增大阻值的目的。通過連續(xù)或斷續(xù)照射實現(xiàn)對薄膜電阻輸出線性的調(diào)整，實現(xiàn)用于傳感器的薄膜電阻超高精度的修刻。激光修刻比數(shù)控修刻更易實現(xiàn)自動控制，且由于不用刀具，加工量也更易控制，加工精度大大提高，是傳感器電阻修刻中最先進的一種非接觸式修刻技術(shù)，由于涉及軍事領(lǐng)域，故西方發(fā)達國家對中國禁止轉(zhuǎn)讓相關(guān)技術(shù)。因此，雖然國外已經(jīng)有全自動激光修刻機，但國內(nèi)還沒有較成熟的相關(guān)技術(shù)報道，都還處于試驗階段。由于激光修刻不用刀具，是非接觸性加工，快速高效，與傳統(tǒng)的刀具修刻相比在修刻精度和效率上具有很大優(yōu)勢。

2.2 修刻系統(tǒng)的修刻過程

將需要修刻的傳感器薄膜電阻安裝于修刻工作臺上，先由系統(tǒng)自動調(diào)整到輸出零位，即使數(shù)字電壓表頭顯示的數(shù)據(jù)為0V，完成修刻電流參數(shù)的設(shè)置；然后，啟動激光器步進電機調(diào)整激光器焦距，使其焦距對準在薄膜電阻外邊緣（或內(nèi)邊緣），根據(jù)修刻方案來定，可以是沿外邊緣修刻，也可以沿內(nèi)邊緣修刻，這樣完成薄膜電阻修刻前的零位調(diào)整和準備工作。

正式開始修刻時，點啟動按鈕后，在修刻工作臺步進電機開始工作的同時，激光器也同步開始工作，修刻工作臺步進電機在單片機的控制下，通過測量傳感器輸出端電壓與參考電壓，并經(jīng)由電壓比較器實時比較，當電位一致時停止對電位器的修刻并驅(qū)動修刻工作臺步進電機動作，往下一個修刻點運動，完成一個修刻點的操作過程。

為了保證足夠的修刻精度，需要精確設(shè)計整個修刻周期內(nèi)的各個修刻點位置，應(yīng)根據(jù)傳感器薄膜電阻有效作用角度在342-346°（344±2°），為了滿足不同的修刻精度要求，以中間值344°為準，在一個周期內(nèi)設(shè)計40、80、400、800個修刻點，每次步進8.6°、4.3°、0.86°、0.43°，來設(shè)計一個周期內(nèi)的修刻角度-電壓表，以達到0.01%、0.05%、0.1%和0.5%等不同的修刻精度。當角度-電壓表中的數(shù)據(jù)被完整地修刻和比較一遍后，即完成一個修刻周期。由于薄膜電阻有效行程存在±2°的誤差，為了保證整個量程范圍內(nèi)的一致性，在修刻到最后一步后應(yīng)判斷是否對整個薄膜電阻完成了修刻，如果還有部分未修刻，則應(yīng)繼續(xù)以0.5°的步角修刻4步，直到全部修刻到為止。

3 修刻控制系統(tǒng)設(shè)計

激光全自動修刻機主要由機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)兩部分組成。機械系統(tǒng)包括自動裝夾機構(gòu)、旋轉(zhuǎn)修刻工作臺、激光器和機架等，是實現(xiàn)修刻的實體?？刂葡到y(tǒng)包括硬件和軟件，本文主要研究控制系統(tǒng)部分。

3.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

控制系統(tǒng)硬件主要包括單片機、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、電壓比較器和高精度恒流源等幾部分。

3.1.1 高速單片機 本系統(tǒng)采用STC12C5410單片機，此為1T的兼容8051內(nèi)核單片機，是高速／低功耗的新一代8051單片機，全新的流水線／精簡指令集結(jié)構(gòu)，內(nèi)部集成MAX810專用復位電路，內(nèi)置ROM空間有10KB，內(nèi)置RAM空間有512B，運行速度較普通的兼容8051內(nèi)核單片機要快6-8倍多，滿足控制系統(tǒng)的設(shè)計需要。

3.3.2 數(shù)模轉(zhuǎn)換器 采用DAC1210數(shù)模轉(zhuǎn)換器，它是美國國家半導體公司制造的大規(guī)模集成電路。是國際市場上技術(shù)較先進、集成度高且價格低廉的12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器。由于DAC1210系列D／A轉(zhuǎn)換器的邏輯電平與CPU兼容，其內(nèi)部的兩級鎖存器可視為兩級外部輸出端口，可直接與CPU系統(tǒng)總線連接，因此可方便地與8080、8048、8085及Z80等通用微機實現(xiàn)配接。包括兩級數(shù)據(jù)鎖存器和12位相乘型D／A轉(zhuǎn)換器。第1級輸入鎖存器分成高8位和低4位兩個鎖存器，可以高8位和低4位一次輸入鎖存，也可以僅輸入低4位。第2級是一個12位的DAC寄存器，數(shù)據(jù)輸入后立即送D／A轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出模擬電流信號，需用運算放大器將電流輸出轉(zhuǎn)換為電壓輸出。本系統(tǒng)設(shè)計中采用單極性電壓輸出方式，輸出電壓精度為2.44mV。

3.1.3 電壓比較器 主要實現(xiàn)輸出量數(shù)值與規(guī)定的基準值相比較的功能，以產(chǎn)生一個差值信號（誤差信號）。在系統(tǒng)中比較兩個電壓的大小，當“＋”輸入端電壓高于“-”輸入端時，電壓比較器輸出為高電平；反之，當“＋”輸入端電壓低于“-”輸入端時，電壓比較器輸出為低電平；以此信號來供給步進電機控制器，控制步進電機模組的轉(zhuǎn)角與進退刀操作。系統(tǒng)中使用uA741作為電壓比較器核心器件［5］。

3.1.4 高精度恒流源 這里采用經(jīng)典恒流源設(shè)計電路，使用uA741運放芯片作為恒流源核心芯片設(shè)計，外部使用8.2V穩(wěn)壓二極管作為恒流源的基準電壓，通過對反饋電壓的比較，經(jīng)兩級復合三極管驅(qū)動輸出穩(wěn)定的電流。在本系統(tǒng)中，使用不同的負載反饋電阻，可以通過多檔旋轉(zhuǎn)開關(guān)選擇不同的恒流源檔進行使用，電路圖如圖2所示。

圖2 恒流源電路

3.1.5 步進電機控制器 采用步進電機可編程控制器AKS-01Z，任意可編程（可實現(xiàn)各種復雜運行：定位控制和非定位控制）；工作狀態(tài)可以自由設(shè)定為自動運行狀態(tài)，手動運行狀態(tài)，程序編輯狀態(tài)，參數(shù)設(shè)定狀態(tài)；參數(shù)設(shè)定功能上可設(shè)定起跳頻率、升降速曲線、反向間隙、手動長度、手動速度、中斷跳轉(zhuǎn)行號和回零速度；可任意插入、刪除可修改程序。具有跳轉(zhuǎn)行號、數(shù)據(jù)判零、語句條數(shù)超長和超短的判斷功能等等多項功能，使用非常方便。

3.1.6 步進電機及驅(qū)動 本系統(tǒng)中步進電機選擇的是42BYG0.9兩相0.9°的步進電機，它通過步進電機驅(qū)動器可以實現(xiàn)對角度的精確控制。步進電機驅(qū)動器選擇的是SH-215B細分驅(qū)動器，它采用美國高性能專用微步距電腦控制芯片，細分數(shù)可根據(jù)用戶需求專門設(shè)計，開放式微電腦可根據(jù)用戶要求把控制功能設(shè)計到驅(qū)動器中，組成最小控制系統(tǒng)。該控制器適合驅(qū)動中小型的任何兩相或四相混合式步進電機。由于采用新型的雙極性恒流斬波技術(shù)，使電機運行精度高，振動小，噪聲低，運行平穩(wěn)。輸入電壓＋12V—＋36V，典型值為＋24V，斬波頻率大于35kHz；輸入信號與TTL兼容，可驅(qū)動兩相或四相混合式步進電機；雙極性恒流斬波方式，光電隔離信號輸入，當脈沖信號停止延遲1s后，電機電流自動減半，可減少發(fā)熱；細分數(shù)可選：2、4、8、16、32、64，驅(qū)動電流可由開關(guān)設(shè)定，最大驅(qū)動電流1.68A／相［6］。

3.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

修刻過程主要由單片機主控板和步進電機控制器對轉(zhuǎn)角步進電機和激光器進退進電機實現(xiàn)。首先，被修刻薄膜電阻裝夾到修刻工作臺上，然后根據(jù)修刻精度要求選擇修刻點數(shù)；其次，啟動修刻控制系統(tǒng)，進行自動調(diào)整零位，并完成激光器對焦；第三，開始按照選定的點數(shù)進行修刻，其修刻過程就是按照角度-電壓關(guān)系數(shù)據(jù)表進行逐點修刻和實時檢測，具體修刻過程的軟件流程如圖3所示。

圖3 修刻過程軟件流程圖

4 結(jié) 語

基于單片機控制的激光修刻機集單片機控制技術(shù)、數(shù)模轉(zhuǎn)換技術(shù)、步進電機控制技術(shù)和激光微加工技術(shù)于一體，該系統(tǒng)大大提高了傳感器薄膜電阻的修刻精度和生產(chǎn)效率，極大地降低了生產(chǎn)勞動強度。修刻系統(tǒng)經(jīng)過較長一段時間的實驗試用，證明了控制方案的可行性，而且工作的可靠性和穩(wěn)定性都較好，經(jīng)修刻后測量得到的精度也較高。經(jīng)修刻后的傳感器薄膜電阻輸出線性度值能達到設(shè)定值，修刻速度在4分鐘每個左右，完全滿足起初設(shè)定的技術(shù)指標要求。

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