洪英勇

（福建省工業(yè)設備安裝有限公司，福建福州350001）

0 引言

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

1 控制系統(tǒng)設計

1.1 三輥卷板機的工作原理及其改造方案

三輥卷板機上輥在兩下輥中央對稱位置，驅動裝置輸出傳動軸通過蝸輪副帶動上輥做垂直升降運動，主驅動電機通過主減速機的末級齒輪帶動兩下輥齒輪嚙合做旋轉運動，為卷制板材提供扭矩（圖1）。規(guī)格平整的塑性金屬板通過卷板機的三根工作輥（兩根下輥、一根上輥）之間，借助上輥的下壓及下輥的旋轉運動，金屬板經過多道次連續(xù)彎曲，產生永久性的塑性變形，卷制成所需要的圓筒或圓弧。該三輥卷板機缺點是上輥的下壓需要眼睛觀察并通過手動多次調節(jié)才能準確定位，工作效率和定位精度較低。

圖1 卷板機工作原理示意圖

為提高工作效率和定位精度，應在傳動軸上安裝位置傳感器，通過檢測傳動軸的角位移量計算出上輥的位置信息并與設定值進行比較，通過判斷比較結果決定上輥的動作從而起到準確定位的作用。該控制系統(tǒng)主要由微處理器、位置傳感器、可逆計數(shù)器、鍵盤和顯示電路、外擴程序存儲器、輸出執(zhí)行機構和電源等組成。單個電渦流式轉速傳感器無法判別傳動軸的正反轉，無法實時跟蹤上輥的位置控制器，也無法識別其位置信號從而起不到自動定位的功能。改造方案是在傳動軸上安裝一個自制的感應體，然后在感應體旁安裝兩個電位角互差90°的電渦流式轉速傳感器，組成計數(shù)脈沖發(fā)生器來達到監(jiān)測上輥位置的目的（圖2）。

圖2 計數(shù)脈沖發(fā)生器安裝示意圖

兩個傳感器的信號通過邏輯電路分析后可判斷傳動軸的轉動方向及位移數(shù)量（脈沖數(shù)）并輸出相應的增減脈沖Y1、Y2信號（圖3），增減脈沖信號輸入到可逆計數(shù)器相應的增減脈沖輸入端，此時可在其輸出端得到傳動軸實時的角位移量從而得到上輥的實時位置，該位置信號與設定的位置信號進行比較，兩者相同時向CPU發(fā)出中斷請求，CPU在發(fā)出停止壓輥的同時會自動判斷機器當前的狀態(tài)發(fā)出相應指令。

圖3 計數(shù)脈沖發(fā)生器邏輯圖

本文還介紹了微處理器的選擇、可逆計數(shù)器的選擇及其組成，對于電路板及電源的設計制造、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位單片機的8031。8031無片內程序存儲器ROM，片內部數(shù)據存儲器有256B。8031的I/O線有32根，即4個并行接口，記做P0、P1、P2、P3，其中有2根I/O線構成全雙工的串行口，P0口為三態(tài)雙向口，其余為準雙向口，P0、P2口通常用于對外部存儲器的主問，P0口作為地址/數(shù)據復用口，分時輸出外存儲器的低8位地址（A0～A7）和傳送8位數(shù)據（D0～D7）。8031有2個16位的定時器/計數(shù)器，可通過編程實現(xiàn)4種工作模式。8031有5個中斷源，分為兩個優(yōu)先級，每個中斷源的優(yōu)先級可編程。因其無內部程序存儲器，所以使用時必須擴展外部程序存儲器便于程序的調試。

1.3 位置傳感器的選擇及其構成

位置傳感器采用電渦流式轉速傳感器，這種傳感器對油污不敏感，能進行非接觸檢測，可安裝在軸旁長期監(jiān)視轉速，檢測范圍達6×106r/min。本例主要用它來作為位置傳感器，實現(xiàn)設備自動定位。本例采用三個電渦流式轉速傳感器來實現(xiàn)所需功能，兩個傳感器A、B安裝于蝸輪副輸入軸側，用于實現(xiàn)壓輥上下運動的位置檢測，傳感器之間電角度為90°（圖2）。傳感器A的信號經整形放大后分成兩路，一路經微分后與來自傳感器B的信號相與得到減脈沖信號Y1，另一路倒相后經微分與來自傳感器B的信號相與得到增脈沖信號Y2（圖3、圖4）。傳感器C是基點傳感器（圖1），當壓輥提升到此位置時向CPU發(fā)出中斷申請，CPU執(zhí)行中斷程序。CPU通過8255（2）A口及B口發(fā)出步進位置及基點位置數(shù)據，并發(fā)出壓輥、退輥、停輥、計數(shù)器清零等指令使壓輥移動到目標位置。

圖4 正反轉脈沖生成器波形圖

1.4 可逆計數(shù)器組成

可逆計數(shù)器的作用是對來自位置傳感器的增減脈沖進行計數(shù)，并將計數(shù)結果送往控制器，與來自控制中心的設定數(shù)據相比較，當兩者一樣時，通過中斷控制器申請執(zhí)行中斷程序實現(xiàn)自動定位，并通過譯碼電路在顯示屏上顯示當前壓輥位置?？赡嬗嫈?shù)器由四個同步十進制計數(shù)器74LS192組成，計數(shù)行程為0～9 999個脈沖。復位脈沖來自控制中心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、74LS373地址鎖存器及擴展2片外部程序存儲器27128（EPROM）組成，共計32KB存儲空間及2片8255可編程并行口I/O接口芯片。高位地址線通過2-4線譯碼器74LS139的輸出信號Y0～Y3作為擴展設備的片選信號。其中8255（1）通過兩片8位集成動態(tài)驅動芯片連接到鍵盤及顯示器，8255（2）的A口和B口作為壓輥目標位置設定值的輸入口，并通過四片74LS86異或門與來自可逆計數(shù)器的位置信號進行比較，當兩者相同時向微處理器發(fā)出中斷請求信號，另外一個中斷程序請求信號來自基點信號傳感器C。兩個中斷相或后送入CPU中斷請求口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向相應的執(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 設備的設計制造及安裝

2.1 感應體設計制造及傳感器安裝

感應體安裝于蝸桿（圖2），感應體設計要點是滿足位移精度和壓輥的行程要求，從計數(shù)脈沖發(fā)生器的原理可知感應器的齒數(shù)越多控制位移精度越高，但過多的感應體會占用過多的可逆計數(shù)器步數(shù)從而使壓輥的行程變小，當齒數(shù)超過一定數(shù)量時相同的計數(shù)器部件會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，通過對該設備傳動系統(tǒng)傳動比的分析，本例感應體設計為4齒，可以滿足精度和行程的要求。足夠的感應體厚度和寬度是電渦流式轉速傳感器獲取信號的前提條件，該例感應體的直徑取150 mm，厚度為40 mm，寬度為20 mm，能滿足傳感器信號輸出要求。安裝時傳感器與感應體之間的間隙應控制在0.8～1 mm之間，可用塞尺測量。由于設備運行時會發(fā)生振動，如果間隙太小，傳感器易受到感應體碰撞發(fā)生損壞；間隙太大，傳感器輸出信號強度不夠，設備不能正常運轉。安裝時還應嚴格控制A傳感器與B傳感器的電角度（90°），并固定牢靠，電角度偏差不應超過1°，否則可能造成輸出波形不符合要求，嚴重時會發(fā)生“丟步”從而使位移精度得不到保證?？傊瑱C械部分的設計安裝要有足夠的感應體厚度、合理的齒數(shù)、合理的探測間隙且固定牢固，設備才能長期穩(wěn)定可靠地運行。安裝好的設備工作場所應遠離電磁波干擾源，不要安裝在高壓線、電信發(fā)射臺等高電磁干擾的周邊。

2.2 印刷線路板及電源設計

線路板設計質量是決定儀器能否正常穩(wěn)定工作的重要因素。因此，在線路板印刷設計時，必須從綜合布局、布線方向及整體工藝結構等三個方面綜合考慮，以提高線路板設計與印刷質量。單片機印刷電路板可分三個區(qū)——模擬區(qū)、數(shù)字區(qū)和功率驅動區(qū)，布置時相互有關的元件應盡可能靠近以減短走線長度。噪聲器件、大電流電路、開關電路等應遠離邏輯電路和存儲電路。由于電路板上的引線、接線可能存在電感效應，從而在VCC走線上引起開關噪聲尖峰，為減少電感效應的影響，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。為增強抗干擾能力，應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設置，模擬地要盡量粗，邏輯電路的地線應構成閉環(huán)形式以提高抗干擾能力。電路板中的噪聲敏感元件應遠離噪聲元件，主要的噪聲元件應加強屏蔽措施，如晶體振蕩器外殼接地等，噪聲敏感元件周圍應用地線圈起加大接地面積。時鐘線、高頻線等關鍵線路要短要粗，信號線不能形成環(huán)路。噪聲敏感線不要與時鐘振蕩電線、大電流線平行。應采用高質量的電源為單片機供電，電源應采取屏蔽措施減少干擾。

3 調試結果

通過安裝調試，壓輥的定位精度小于等于0.1 mm，符合卷板機械定位要求；工作可靠性能穩(wěn)定，平均無故障時間達2 000 h。本文所述定位方案電路簡潔，故障處理時間較短，提高了工作效率，降低了勞動強度，具有明顯的經濟效益，值得推廣使用。