張 超，羅 毅，章夢雪，王偉強

（1.云南師范大學 信息學院，云南 昆明 650500；2.云南師范大學 地理學部，云南 昆明 650500；3.云南師范大學 傳媒學院，云南 昆明 650500）

0 引 言

現(xiàn)階段，我國各類型的工廠自動化機械生產(chǎn)的趨勢越來越明顯，越來越多的生產(chǎn)流程從由工人手動控制發(fā)展向由操作人員輸入數(shù)據(jù)、機器接受數(shù)據(jù)后自動控制生產(chǎn)。傳統(tǒng)人工操作生產(chǎn)的方式效率低下，勞動力成本高，生產(chǎn)誤差較大，已不適應現(xiàn)代化工廠的工作方式[1-5]。針對這一問題，在金屬磨花領(lǐng)域，本文嘗試開發(fā)一種具有智能控制功能的自動磨花機，該系統(tǒng)能夠根據(jù)操作人員所輸入的參數(shù)自動對光滑鋁板進行磨花操作，并可以準確控制磨花間距和時間，其應用前景廣闊。

在工業(yè)自動化領(lǐng)域，國外流水線系統(tǒng)技術(shù)比較成熟，系統(tǒng)能夠根據(jù)設(shè)定好的工作流程進行生產(chǎn)作業(yè)，但針對特定工廠特定生產(chǎn)需求下的自動化機器，國外各廠商并不能提供充足的定制化設(shè)計，同時由于其系統(tǒng)所攜帶的功能過多，也大幅度提高的設(shè)備成本，對于大量工業(yè)化部署并不是最佳選擇。而國內(nèi)的磨花機多為手工操作，其結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉，但功能單一、操作復雜且加工精度較低，同樣不適合大面積的工業(yè)化部署[6-11]。

本研究以開發(fā)出具有良好的人機交互界面，用戶能夠通過終端實時掌握并控制生產(chǎn)流程的設(shè)備為最終目標，一方面保證系統(tǒng)開發(fā)成本低、使用方便、環(huán)保；另一方面將生產(chǎn)流程由人工控制改為機器控制、改進加工精度，從而大幅提高工廠生產(chǎn)效率，充分保證產(chǎn)品質(zhì)量，提升產(chǎn)品競爭力。

1 系統(tǒng)分析

經(jīng)過對工廠生產(chǎn)流程進行實際考察，得出自動磨花機應具有如下組成部分：底座、工作臺、龍頭架、交流電機、步進電機、接近開關(guān)和屏幕等相關(guān)組件。通過數(shù)控裝置對工人指令及傳感器反饋信息進行處理分析，隨后向各工作部件如電機發(fā)送相對應的控制指令完成具體的生產(chǎn)工作。系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

由圖1可知，本文系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括底座、工作臺、龍頭架、4個交流電機、1個步進電機、3個接近開關(guān)和1臺控制器；還包含1個控制屏幕，用戶可通過屏幕輸入磨花時長、磨花間隔、移動速度、移動長度、從而精確控制磨花機所產(chǎn)生的花型。其中控制器用于控制工作臺在水平方向上前、后移動，還用于控制加工部在豎直方向上的上、下運動，從而使加工部對在水平方向移動的鋁板進行加工。一個接近開關(guān)開關(guān)固定在龍頭架的內(nèi)側(cè)壁上，用于與齒輪箱側(cè)壁上的金屬片感應，確定齒輪箱向下運動的極限位置；另外兩個接近開關(guān)均通過支撐架固定在底座上的一條滑軌上，并且分別位于該條滑軌的首、末兩端，兩個接近開關(guān)通過與工作臺上的兩個感應金屬片感應，確定工作臺運動的極限位置。

1.1 人機交互界面功能分析

自動磨花機的數(shù)控裝置應具備以下功能：

（1）響應人機交互界面。通過對屏幕數(shù)據(jù)的控制和觸摸數(shù)據(jù)的讀取獲得人機交互界面的命令，并給出相應的反饋。

（2）控制步進電機。通過對步進電機的驅(qū)動，控制整個工作臺的移動方向和速度，其主要影響磨花間距和深度。

（3）開關(guān)交流電機。交流電機下方裝有磨頭，是進行磨花的重要設(shè)備。通過對交流電機的啟?？刂瓶捎绊懽詈竽コ龅幕ㄐ?。

（4）檢測接近開關(guān)。通過對接近開關(guān)狀態(tài)的不斷讀取，判斷工作臺是否處于安全位置，同時也用于工作臺復位以及確定起始位置。

（5）讀取硬件按鈕。硬件按鈕擁有最高的優(yōu)先級，用于處理緊急情況，例如在程序失控的情況下令機器急停。

（6）驅(qū)動指示燈。單獨的LED指示燈可以令操作者清楚的知道系統(tǒng)狀態(tài)，也可以作為人機交互界面的補充，顯示一些特殊、實時性強的重要信息。

1.3 工藝流程分析

自動磨花機的工藝流程應該如下：

（1）由工人將待磨花加工的板材（0.75～1.2 mm的薄鋁板）放在工作臺上。

（2）啟動系統(tǒng)，工作臺向工作方向移動。

（3）工作臺運行至加工區(qū)直到觸發(fā)起始位置的接近開關(guān)。

（4）工作臺停止，下降橫梁，待磨頭緊貼鋁板后開始磨花并計時。

（5）達到指定時間，磨頭工作停止，橫梁上升到縱向限位開關(guān)位置后停止。

（6）工作臺移動繼續(xù)向工作方向移動。

（7）判斷是否接觸到結(jié)束位置的接近開關(guān)。

（8）如果接觸到，結(jié)束指示燈亮起，提示此時工人將鋁板從工作臺上卸載，等待工人完成卸載并按下復位按鈕后，工作臺自動退回原位。

（9）如果未接觸到，持續(xù)移動工作臺至設(shè)定距離后停止，返回到第（4）步繼續(xù)工作。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 人機交互界面實現(xiàn)

2.1.1 選擇設(shè)備

在自動磨花機中與用戶的交互極為重要。筆者經(jīng)過大量調(diào)研發(fā)現(xiàn)迪文DGUS系列串口觸摸屏具有開發(fā)簡單、靈活、UI體驗好、無操作系統(tǒng)運行速度快、極強的可靠性和穩(wěn)定性等特點。

本文最后使用迪文DMT80480T070_15WT 7寸觸摸屏，該屏幕分辨率為800×480，工作電壓為6～42 V，功耗為4.2 W，串口模式為RS 485/RS 232，ESD防護等級可達IEC4級，適合運用在本系統(tǒng)中。

2.1.2 人機交互界面設(shè)計

配合上文中選擇的串口觸摸屏，在此選用其配套的DGUS Tool V5.04軟件進行人機交互界面設(shè)計，軟件設(shè)計界面如圖2所示。

圖2 DGUS TOOL程序界面

根據(jù)上文的人機交互界面功能分析，本研究所設(shè)計的自動磨花機需要具有4種不同的交互界面，分別為登錄界面、功能選擇界面、參數(shù)設(shè)置界面和工作界面。其中參數(shù)設(shè)置界面由于選項較多，無法放置在同一界面上，所以分為了3個不同的界面圖。最后制作完成了交互界面。

2.2 數(shù)控裝置實現(xiàn)

2.2.1 控制芯片選型

自動磨花機需要具有實時控制能力和長時間穩(wěn)定工作的能力，因此數(shù)控裝置的選型尤為關(guān)鍵。數(shù)控裝置常見的嵌入式平臺有PLC、ARM、FPGA、51單片機4大類。在考慮本研究的實際需求以及開發(fā)成本和可靠性問題后，選定型號為STC12LE5A60S2的51單片機作為系統(tǒng)控制芯片，該芯片工作電壓為2.2～3.6 V，具有8路10位A/D，4個16位定時器，獨立波特率發(fā)生器，2個外部中斷口，2個串口，并擁有WATCH_DOG看門狗。該芯片價格約為3元/片，能夠在滿足系統(tǒng)需要的同時，減少生產(chǎn)和開發(fā)成本。

2.2.2 電機選型

在本系統(tǒng)中需要同時使用交流電機和步進電機，其中交流電機用于驅(qū)動磨頭進行磨花，需要很強的驅(qū)動力，所以選用三相異步交流電機。本研究所選取的電機型號為上海創(chuàng)新電機廠所產(chǎn)Y160M2-2交流電機，其為全封閉自風扇冷式鼠籠轉(zhuǎn)子三相異步電動機，電機功率為15 kW，額定電壓為380 V，額定頻率為50 Hz，重量為71 kg，轉(zhuǎn)速為2 900 r/min，適用于驅(qū)動各種常見的機械設(shè)備，如本研究的所屬的金屬削磨類機床。

而步進電機用于精確的橫向移動，可以通過控制脈沖個數(shù)和頻率來分別控制其移動距離和速度?？紤]到工作臺質(zhì)量比較大，最后選擇110BYG的120HS3060A4大扭力步進電機。該步進電機機身長度為201 mm，靜力矩為30 N·m，工作電壓為220 V，工作電流為6.0 A，步距角為1.8（°）/STEP。

由于工作臺質(zhì)量對于該步進電機依然過重，需配合減速器使用，進一步增大其扭力。經(jīng)過大量選型，最后選用PLF90減速器，該減速器可配合19 mm機軸通過單級輸出4倍減速比，達到額定輸出扭矩100 N·m，最大輸出扭矩200 N·m，從而滿足本研究需求。

2.2.3 接近開關(guān)選型

本系統(tǒng)中需要選用工作可靠、壽命長、功耗低、定位精度高、檢測頻率高的接近開關(guān)。其被用于判斷工作臺是否處于安全位置，同時也被用于工作臺復位檢測以及確定起始位置。由于本研究所用工作臺為整塊鋼板，可選用磁性接近開關(guān)進行檢測。本研究所選接近開關(guān)為OMDHON的SN04-N。該型號接近開關(guān)檢測距離為4 mm，可檢測物體為磁性金屬，工作電壓為10～30 V，反應頻率為200 Hz，其采用三線制電平工作，屬于NPN型開關(guān)。

2.2.4 電路板設(shè)計

首先根據(jù)電路需要設(shè)計電路原理圖，電路原理圖分為五個部分：供電部分，控制芯片部分，接近開關(guān)部分，液晶控制接口部分和按鈕及輸出接口部分。

在供電部分，電路板的輸入電壓為DC 24 V，該電壓由24 V開關(guān)電源提供。首先經(jīng)過SAPS SR10 DC_DC電源模塊完成24 V到5 V的轉(zhuǎn)換，再通過LM1117芯片完成5 V到3.3 V的轉(zhuǎn)換。這里使用DC-DC模塊主要是為了隔離穩(wěn)壓，之后通過LM1117將5 V降壓到3.3 V完成二次穩(wěn)壓，為主板其他元器件提供穩(wěn)定的3.3 V供電。供電部分原理如圖3所示。

圖3 供電部分原理

在控制芯片部分，STC12LE5A60SA單片機為整個電路板功能的核心，連接了主板上的所有輸入/輸出接口。這里考慮到串口的方向性問題，使用了4個0 Ω電阻的設(shè)計，可以根據(jù)最后的需求選擇正確的兩組電阻進行焊接，從而完成在不修改電路板的情況下，更改串口方向的需求，避免后期重新制板的成本。為了下載單片機程序方便，預留了串口插槽用于調(diào)試；同時在連接線上并聯(lián)了一對LED指示燈，可以方便的檢查通信狀態(tài)，判定通信是否正常。控制芯片原理如圖4所示。

圖4 控制芯片原理

在液晶控制接口部分，由于DGUS串口屏采用RS 232電平，而單片機的串口為TTL電平，這里增加了MAX2323芯片來進行RS 232到TTL的電平轉(zhuǎn)換，同時和控制芯片部分的串口一樣采用了4個0 Ω電阻和一組LED指示燈的設(shè)計減少錯誤率和方便調(diào)試與判斷。晶控制接口部分原理圖如圖5所示。

圖5 液晶控制接口原理

在接近開關(guān)和按鈕及電機輸出接口部分，創(chuàng)新式的使用了大量的PC815光耦芯片進行輸入/輸出隔離。由于單片機I/O口只接收3.3 V高電平，而本機所連接的外設(shè)均為24 V輸入或輸出，且由于存在交流與直流電機，電磁干擾較為嚴重，故需要通過開關(guān)進行電平的轉(zhuǎn)換和信號的隔離。另外這里的接口通信頻率較高，傳統(tǒng)的電磁繼電器反應速度與壽命并不滿足使用條件；而PC815光耦芯片可實現(xiàn)100 μs響應速度的高速電平轉(zhuǎn)換，同時配合3.3 V或24 V上拉電路可減輕兩端設(shè)備出口處的負載壓力，增強通訊的可靠性并提高設(shè)備的使用壽命。接近開關(guān)原理圖如圖6所示。按鈕及電機輸出接口原理如圖7所示。

圖6 接近開關(guān)原理

圖7 按鈕及電機輸出接口原理

設(shè)計完電路原理圖后即可根據(jù)原理圖對PCB板進行繪制。首先需要對所選用組件器及各種插座的規(guī)格、尺寸、面積等有充分的了解。接著安排各部件的位置。隨后就是按照電路原理圖完成各部件的聯(lián)機，經(jīng)過不斷的調(diào)整合理化布局。最后連接有關(guān)引腳、設(shè)計穿孔焊盤、放置覆銅區(qū)，做整體檢查，完成PCB板的繪制。

2.2.5 單片機程序?qū)崿F(xiàn)

根據(jù)上文中分析的數(shù)控裝置應實現(xiàn)的功能可將工作流程分為中斷處理流程和主程序工作流程兩部分：

（1）中斷處理流程

①定時器0中斷，用于向步進電機發(fā)送PWM信號。定時器中斷流程如圖8所示。

圖8 定時器中斷流程

②定時器1中斷，用于系統(tǒng)計時。

③串口中斷，用于接受下載指令及DGUS屏幕指令。串口中斷流程如圖9所示。

圖9 串口中斷流程

（2）主程序工作流程

本文系統(tǒng)的主程序流程如圖10所示。

圖10 主程序流程

3 調(diào)試及現(xiàn)場試驗

3.1 焊接并調(diào)試電路板

將上文中設(shè)計好的PCB板設(shè)計圖送至代工廠進行制板，完成制板后根據(jù)物料圖和PCB圖進行元器件焊接。焊接工作結(jié)束后需要對電路板按照如下步驟進行調(diào)試：依次測量各連接點的通斷情況，分區(qū)域檢查各局部電路能否正常工作；將整個電路上電并燒錄進單片機程序，檢查各項輸入輸出功能是否完好。圖11為調(diào)試過程中的電路板實物圖。

圖11 電路板實物

3.2 組裝機器

3.2.1 對需要對數(shù)控裝置進行組裝

考慮到工廠生產(chǎn)環(huán)境較為惡劣，將數(shù)控裝置放置在鋁制金屬箱中可有效保護內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)不易受破壞。箱子內(nèi)放置DGUS串口屏、帶燈開關(guān)、電機驅(qū)動器、數(shù)控電路板、380 V轉(zhuǎn)220 V變壓器和24 V開關(guān)電源。其中DGUS串口屏與帶燈開關(guān)電源均安裝在箱面板上，供用戶查看系統(tǒng)信息與進行相關(guān)操作；剩余器件固定在箱體內(nèi)側(cè)，鎖上箱門后不可觸碰且內(nèi)部結(jié)構(gòu)不可見，可起到保護產(chǎn)品不受外部破壞同時防止第三方企業(yè)惡意抄襲的作用。這里的電機驅(qū)動器用于精確驅(qū)動步進電機，數(shù)控電路板為上一節(jié)中焊接并調(diào)試好的電路板，380 V轉(zhuǎn)220 V變壓器用于將380 V三相工業(yè)用電轉(zhuǎn)為220 V兩相電源向步進電機提供工作電壓，24 V開關(guān)電源用于主板、電機驅(qū)動器、DGUS串口屏及其他元器件的穩(wěn)定供電。

3.2.2 對壓花裝置進行組裝

這里的壓花裝置由液壓桿，4個交流電機，2排14個磨頭和1個接近開關(guān)構(gòu)成，其中液壓桿用于控制整個橫梁的上下；交流電機連接磨頭通過高速旋轉(zhuǎn)摩擦完成在金屬表面進行磨花；接近開關(guān)向下安裝，用于檢測磨頭是否接觸到工作臺上的鋁板。工作時液壓桿下壓，交流電機旋轉(zhuǎn)；不工作時液壓桿上抬，交流電機停止運行從而節(jié)約電能、延長電機壽命和降低磨頭高速旋轉(zhuǎn)給周邊工作人員帶來的潛在危險。

3.2.3 安裝其他接近開關(guān)

本研究中磨花機所需接近開關(guān)為三個，除第二步已經(jīng)安裝在壓花裝置上的一個以外，另有兩個接近開關(guān)需要安裝在工作臺跑道兩側(cè)，分別用于檢測工作臺是否在起始與結(jié)束位置。該對接近開關(guān)的安裝需要保證工作臺不可超過合理的軌道范圍，以免工作中工作臺滑落軌道，對在跑位外圍操作的工人造成人身傷害。

3.2.4 安裝步進電機

這里將步進電機通過焊接固定在工作臺上，步進電機輸出軸接減速器，減速器輸出軸接齒輪與工作臺下方的導軌相接觸。該接法可以在保證步進電機精確前進與后退的前提下提高步進電機輸出扭矩，防止由于工作臺過重導致步進電機的損壞。

3.3 現(xiàn)場實驗

完成對機器的組裝即可在現(xiàn)場進行整機測試。首先需要開啟機器并設(shè)置好參數(shù)。根據(jù)工廠提供的壓花工藝，我們將壓花時間設(shè)置為1 000 ms，速度設(shè)定為150 mm/s，步距設(shè)定為298.3 mm。隨后開始進行磨花測試。將鋁板放置在工作臺上，在屏幕上點擊開始即可自動回歸起始位置并開始磨花工作。磨花過程圖與完成磨花之后的鋁板花紋如圖12所示。

圖12 磨花過程圖與完成磨花之后的鋁板花紋

經(jīng)過約5 min的磨花測試，工作臺已達到結(jié)束位置，磨花工作自動停止。待工人將鋁板取下，按下結(jié)束按鈕，工作臺將自動復位。通過測試，該機器各項功能正常，完成磨花之后的鋁板可以達到工廠出貨需求。

4 結(jié) 語

本研究是為了解決現(xiàn)有磨花機結(jié)構(gòu)復雜，定位及加工精度差的問題，從而設(shè)計了一種具有智能控制功能的自動磨花機。本研究所發(fā)明的具有智能控制功能的自動磨花機結(jié)構(gòu)簡單，磨花工作操作方式簡單，接近開關(guān)的引入精確的限定了加工部和水平工作臺的移動位置，令其在設(shè)定位置進行加工，使定位準確度提高了30%以上，加工精度提高了30%以上。另外該機器具有良好的人機交互界面，用戶能夠通過終端實時掌握并控制生產(chǎn)流程且開發(fā)成本低、使用方便、環(huán)保、機動化程度高、節(jié)省了人力和時間，可以大幅提高工廠生產(chǎn)效率，并充分保證產(chǎn)品質(zhì)量。