洪英勇

（福建省工業(yè)設(shè)備安裝有限公司，福建福州350001）

0 引言

在機(jī)械加工行業(yè)中，部分機(jī)械加工設(shè)備需要滿足一定的移動(dòng)定位要求，但由于加工工件沖擊振動(dòng)較大、工作環(huán)境較為惡劣等原因，這類設(shè)備加裝自動(dòng)定位檢測(cè)裝置成本較高，即便勉強(qiáng)安裝使用，也將埋下設(shè)備安全隱患，致使設(shè)備平均無(wú)故障時(shí)間縮短，增加日常維護(hù)工作量，降低生產(chǎn)效率。因此，如何解決這類設(shè)備移動(dòng)定位問(wèn)題，降低設(shè)備定位裝置造價(jià)及維護(hù)成本，是擺在設(shè)備維修維護(hù)人員面前的重要課題。本文以改造三輥卷板機(jī)為例，詳細(xì)介紹了使用電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器及其控制電路實(shí)現(xiàn)機(jī)械自動(dòng)定位的方法，提高了機(jī)械加工設(shè)備的性能，延長(zhǎng)了機(jī)械加工設(shè)備的使用壽命，減少了人為因素對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響，穩(wěn)定了產(chǎn)品質(zhì)量，提高了成品率。

1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 三輥卷板機(jī)的工作原理及其改造方案

三輥卷板機(jī)上輥在兩下輥中央對(duì)稱位置，驅(qū)動(dòng)裝置輸出傳動(dòng)軸通過(guò)蝸輪副帶動(dòng)上輥?zhàn)龃怪鄙颠\(yùn)動(dòng)，主驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)主減速機(jī)的末級(jí)齒輪帶動(dòng)兩下輥齒輪嚙合做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，為卷制板材提供扭矩（圖1）。規(guī)格平整的塑性金屬板通過(guò)卷板機(jī)的三根工作輥（兩根下輥、一根上輥）之間，借助上輥的下壓及下輥的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，金屬板經(jīng)過(guò)多道次連續(xù)彎曲，產(chǎn)生永久性的塑性變形，卷制成所需要的圓筒或圓弧。該三輥卷板機(jī)缺點(diǎn)是上輥的下壓需要眼睛觀察并通過(guò)手動(dòng)多次調(diào)節(jié)才能準(zhǔn)確定位，工作效率和定位精度較低。

圖1 卷板機(jī)工作原理示意圖

為提高工作效率和定位精度，應(yīng)在傳動(dòng)軸上安裝位置傳感器，通過(guò)檢測(cè)傳動(dòng)軸的角位移量計(jì)算出上輥的位置信息并與設(shè)定值進(jìn)行比較，通過(guò)判斷比較結(jié)果決定上輥的動(dòng)作從而起到準(zhǔn)確定位的作用。該控制系統(tǒng)主要由微處理器、位置傳感器、可逆計(jì)數(shù)器、鍵盤和顯示電路、外擴(kuò)程序存儲(chǔ)器、輸出執(zhí)行機(jī)構(gòu)和電源等組成。單個(gè)電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器無(wú)法判別傳動(dòng)軸的正反轉(zhuǎn)，無(wú)法實(shí)時(shí)跟蹤上輥的位置控制器，也無(wú)法識(shí)別其位置信號(hào)從而起不到自動(dòng)定位的功能。改造方案是在傳動(dòng)軸上安裝一個(gè)自制的感應(yīng)體，然后在感應(yīng)體旁安裝兩個(gè)電位角互差90°的電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器，組成計(jì)數(shù)脈沖發(fā)生器來(lái)達(dá)到監(jiān)測(cè)上輥位置的目的（圖2）。

圖2 計(jì)數(shù)脈沖發(fā)生器安裝示意圖

兩個(gè)傳感器的信號(hào)通過(guò)邏輯電路分析后可判斷傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)方向及位移數(shù)量（脈沖數(shù)）并輸出相應(yīng)的增減脈沖Y1、Y2信號(hào)（圖3），增減脈沖信號(hào)輸入到可逆計(jì)數(shù)器相應(yīng)的增減脈沖輸入端，此時(shí)可在其輸出端得到傳動(dòng)軸實(shí)時(shí)的角位移量從而得到上輥的實(shí)時(shí)位置，該位置信號(hào)與設(shè)定的位置信號(hào)進(jìn)行比較，兩者相同時(shí)向CPU發(fā)出中斷請(qǐng)求，CPU在發(fā)出停止壓輥的同時(shí)會(huì)自動(dòng)判斷機(jī)器當(dāng)前的狀態(tài)發(fā)出相應(yīng)指令。

圖3 計(jì)數(shù)脈沖發(fā)生器邏輯圖

本文還介紹了微處理器的選擇、可逆計(jì)數(shù)器的選擇及其組成，對(duì)于電路板及電源的設(shè)計(jì)制造、主程序和中斷程序均由專業(yè)人員完成。

1.2 微處理器的選擇

微處理器選擇Intel公司制造的MSC-51系列高檔8位單片機(jī)的8031。8031無(wú)片內(nèi)程序存儲(chǔ)器ROM，片內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器有256B。8031的I/O線有32根，即4個(gè)并行接口，記做P0、P1、P2、P3，其中有2根I/O線構(gòu)成全雙工的串行口，P0口為三態(tài)雙向口，其余為準(zhǔn)雙向口，P0、P2口通常用于對(duì)外部存儲(chǔ)器的主問(wèn)，P0口作為地址/數(shù)據(jù)復(fù)用口，分時(shí)輸出外存儲(chǔ)器的低8位地址（A0～A7）和傳送8位數(shù)據(jù)（D0～D7）。8031有2個(gè)16位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，可通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)4種工作模式。8031有5個(gè)中斷源，分為兩個(gè)優(yōu)先級(jí)，每個(gè)中斷源的優(yōu)先級(jí)可編程。因其無(wú)內(nèi)部程序存儲(chǔ)器，所以使用時(shí)必須擴(kuò)展外部程序存儲(chǔ)器便于程序的調(diào)試。

1.3 位置傳感器的選擇及其構(gòu)成

位置傳感器采用電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器，這種傳感器對(duì)油污不敏感，能進(jìn)行非接觸檢測(cè)，可安裝在軸旁長(zhǎng)期監(jiān)視轉(zhuǎn)速，檢測(cè)范圍達(dá)6×106r/min。本例主要用它來(lái)作為位置傳感器，實(shí)現(xiàn)設(shè)備自動(dòng)定位。本例采用三個(gè)電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)所需功能，兩個(gè)傳感器A、B安裝于蝸輪副輸入軸側(cè)，用于實(shí)現(xiàn)壓輥上下運(yùn)動(dòng)的位置檢測(cè)，傳感器之間電角度為90°（圖2）。傳感器A的信號(hào)經(jīng)整形放大后分成兩路，一路經(jīng)微分后與來(lái)自傳感器B的信號(hào)相與得到減脈沖信號(hào)Y1，另一路倒相后經(jīng)微分與來(lái)自傳感器B的信號(hào)相與得到增脈沖信號(hào)Y2（圖3、圖4）。傳感器C是基點(diǎn)傳感器（圖1），當(dāng)壓輥提升到此位置時(shí)向CPU發(fā)出中斷申請(qǐng)，CPU執(zhí)行中斷程序。CPU通過(guò)8255（2）A口及B口發(fā)出步進(jìn)位置及基點(diǎn)位置數(shù)據(jù)，并發(fā)出壓輥、退輥、停輥、計(jì)數(shù)器清零等指令使壓輥移動(dòng)到目標(biāo)位置。

圖4 正反轉(zhuǎn)脈沖生成器波形圖

1.4 可逆計(jì)數(shù)器組成

可逆計(jì)數(shù)器的作用是對(duì)來(lái)自位置傳感器的增減脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，并將計(jì)數(shù)結(jié)果送往控制器，與來(lái)自控制中心的設(shè)定數(shù)據(jù)相比較，當(dāng)兩者一樣時(shí)，通過(guò)中斷控制器申請(qǐng)執(zhí)行中斷程序?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)定位，并通過(guò)譯碼電路在顯示屏上顯示當(dāng)前壓輥位置?？赡嬗?jì)數(shù)器由四個(gè)同步十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS192組成，計(jì)數(shù)行程為0～9 999個(gè)脈沖。復(fù)位脈沖來(lái)自控制中心8255（2），譯碼電路采用74LS248。

1.5 控制中心組成及程序流程圖

控制中心由MCS-51系列8031單片機(jī)、74LS373地址鎖存器及擴(kuò)展2片外部程序存儲(chǔ)器27128（EPROM）組成，共計(jì)32KB存儲(chǔ)空間及2片8255可編程并行口I/O接口芯片。高位地址線通過(guò)2-4線譯碼器74LS139的輸出信號(hào)Y0～Y3作為擴(kuò)展設(shè)備的片選信號(hào)。其中8255（1）通過(guò)兩片8位集成動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)芯片連接到鍵盤及顯示器，8255（2）的A口和B口作為壓輥目標(biāo)位置設(shè)定值的輸入口，并通過(guò)四片74LS86異或門與來(lái)自可逆計(jì)數(shù)器的位置信號(hào)進(jìn)行比較，當(dāng)兩者相同時(shí)向微處理器發(fā)出中斷請(qǐng)求信號(hào)，另外一個(gè)中斷程序請(qǐng)求信號(hào)來(lái)自基點(diǎn)信號(hào)傳感器C。兩個(gè)中斷相或后送入CPU中斷請(qǐng)求口1NTO。中斷程序首先從8255（2）的PC4口發(fā)出停壓輥指令，然后從PC0、PC2讀取中斷源信息并判斷中斷信息源轉(zhuǎn)向相應(yīng)的執(zhí)行程序。8255（2）的PC4～PC7分別作為停壓輥、壓輥正輥、壓輥反輥、計(jì)數(shù)器清零指令輸出端口。程序流程如圖5所示。

圖5 程序流程圖

2 設(shè)備的設(shè)計(jì)制造及安裝

2.1 感應(yīng)體設(shè)計(jì)制造及傳感器安裝

感應(yīng)體安裝于蝸桿（圖2），感應(yīng)體設(shè)計(jì)要點(diǎn)是滿足位移精度和壓輥的行程要求，從計(jì)數(shù)脈沖發(fā)生器的原理可知感應(yīng)器的齒數(shù)越多控制位移精度越高，但過(guò)多的感應(yīng)體會(huì)占用過(guò)多的可逆計(jì)數(shù)器步數(shù)從而使壓輥的行程變小，當(dāng)齒數(shù)超過(guò)一定數(shù)量時(shí)相同的計(jì)數(shù)器部件會(huì)滿足不了壓輥的行程要求，所以在滿足位移精度的前提下要盡可能減少齒數(shù)，通常取4～6齒，通過(guò)對(duì)該設(shè)備傳動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)比的分析，本例感應(yīng)體設(shè)計(jì)為4齒，可以滿足精度和行程的要求。足夠的感應(yīng)體厚度和寬度是電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器獲取信號(hào)的前提條件，該例感應(yīng)體的直徑取150 mm，厚度為40 mm，寬度為20 mm，能滿足傳感器信號(hào)輸出要求。安裝時(shí)傳感器與感應(yīng)體之間的間隙應(yīng)控制在0.8～1 mm之間，可用塞尺測(cè)量。由于設(shè)備運(yùn)行時(shí)會(huì)發(fā)生振動(dòng)，如果間隙太小，傳感器易受到感應(yīng)體碰撞發(fā)生損壞；間隙太大，傳感器輸出信號(hào)強(qiáng)度不夠，設(shè)備不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。安裝時(shí)還應(yīng)嚴(yán)格控制A傳感器與B傳感器的電角度（90°），并固定牢靠，電角度偏差不應(yīng)超過(guò)1°，否則可能造成輸出波形不符合要求，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生“丟步”從而使位移精度得不到保證?？傊?，機(jī)械部分的設(shè)計(jì)安裝要有足夠的感應(yīng)體厚度、合理的齒數(shù)、合理的探測(cè)間隙且固定牢固，設(shè)備才能長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠地運(yùn)行。安裝好的設(shè)備工作場(chǎng)所應(yīng)遠(yuǎn)離電磁波干擾源，不要安裝在高壓線、電信發(fā)射臺(tái)等高電磁干擾的周邊。

2.2 印刷線路板及電源設(shè)計(jì)

線路板設(shè)計(jì)質(zhì)量是決定儀器能否正常穩(wěn)定工作的重要因素。因此，在線路板印刷設(shè)計(jì)時(shí)，必須從綜合布局、布線方向及整體工藝結(jié)構(gòu)等三個(gè)方面綜合考慮，以提高線路板設(shè)計(jì)與印刷質(zhì)量。單片機(jī)印刷電路板可分三個(gè)區(qū)——模擬區(qū)、數(shù)字區(qū)和功率驅(qū)動(dòng)區(qū)，布置時(shí)相互有關(guān)的元件應(yīng)盡可能靠近以減短走線長(zhǎng)度。噪聲器件、大電流電路、開(kāi)關(guān)電路等應(yīng)遠(yuǎn)離邏輯電路和存儲(chǔ)電路。由于電路板上的引線、接線可能存在電感效應(yīng)，從而在VCC走線上引起開(kāi)關(guān)噪聲尖峰，為減少電感效應(yīng)的影響，可在VCC走線與地線之間安裝去耦電容，通常選用0.01 μF的瓷片電容。為增強(qiáng)抗干擾能力，應(yīng)合理布置電路板上各種地線的走線及其面積，模擬地和邏輯地要分開(kāi)設(shè)置，模擬地要盡量粗，邏輯電路的地線應(yīng)構(gòu)成閉環(huán)形式以提高抗干擾能力。電路板中的噪聲敏感元件應(yīng)遠(yuǎn)離噪聲元件，主要的噪聲元件應(yīng)加強(qiáng)屏蔽措施，如晶體振蕩器外殼接地等，噪聲敏感元件周圍應(yīng)用地線圈起加大接地面積。時(shí)鐘線、高頻線等關(guān)鍵線路要短要粗，信號(hào)線不能形成環(huán)路。噪聲敏感線不要與時(shí)鐘振蕩電線、大電流線平行。應(yīng)采用高質(zhì)量的電源為單片機(jī)供電，電源應(yīng)采取屏蔽措施減少干擾。

3 調(diào)試結(jié)果

通過(guò)安裝調(diào)試，壓輥的定位精度小于等于0.1 mm，符合卷板機(jī)械定位要求；工作可靠性能穩(wěn)定，平均無(wú)故障時(shí)間達(dá)2 000 h。本文所述定位方案電路簡(jiǎn)潔，故障處理時(shí)間較短，提高了工作效率，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益，值得推廣使用。