基于單片機的劃線沖點一體機控制系統設計

陳麗萍,胡禮廣

（浙江師范大學 機電技術研究中心，浙江 金華321000）

劃線是指根據圖紙和技術要求，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，劃線主要采用兩種方式：一是手工劃線，從目前的現場的操作過程來看，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、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備如三坐標測量儀、激光測量儀改造成三坐標測量劃線機、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的指導，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，在一般小型生產企業里適應性也較差。

本文設計的控制系統集成了劃線、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、加工的質量等方面，有明顯的效果。

1 數控劃線沖點一體機結構功能簡介

一體機設備主要由機架、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)數據采集系統及軟件，用于外部圖形文件數據的輸入和轉化;(3)控制系統，將采集好的數據轉化成電信號，對相應的步進電機和主電機發出一系列的工作指令;(4)執行裝置，在工件移動到指定位置后，對工件執行劃線沖點及鉆孔等工作。

根據設計功能的實際需要及系統性能指標的要求，該控制系統以單片機為控制單元，按人機交互界面來實現功能的控制。如圖1所示為系統控制方案結構示意圖[1]。控制系統包括單片機、數據采集初始化、供電電源、控制與執行和鍵盤顯示等部分組成。其中單片機STC12C5410AD是控制系統的核心[2]。

圖1 控制系統結構示意圖

2 控制系統硬件設計

2.1 控制單片機選擇

在本系統中，單片機的選用要考慮兩個因素：(1)單片機發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公司生產單片機STC12C5410AD作為本系統的控制芯片，它具有高速MCU，在指令代碼上完全兼容傳統8051，兼有 4路 PWM和 8路高速、10位 A/D轉換，特別適用于強干擾場合的電機控制。

2.2 控制系統硬件電路的設計構成

控制系統電路以單片機STC12C5410AD及其擴展存儲器構成的最小系統為核心,由數據采集單元、鍵盤及顯示單元、控制與執行單元、出錯警報單元及芯片供電電源等部分構成。

數據采集單元分為外部數據輸入采集和控制面板數據輸入采集、被控對象的數據反饋等部分。

鍵盤與顯示單元主要包括LED數碼管、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實現鍵盤數據的輸入與顯示。

控制與執行單元由光電耦合位置檢測器件、功率放大驅動器件、工作電機等組成。

硬件控制電路組成部分如下：

(1)控制系統電路

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

本設計充分利用了 ADC、SPI、PWM、UART等內部硬件資源，減小了系統體積，降低了系統成本，提高了系統穩定性。整個控制系統包括時鐘電路、總線驅動電路、擴展了存儲器的單片機STC12C5410AD微控器以及復位電路等部分。

(2)工作電機控制電路設計

工作電機是整個一體機的具體執行機構，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性對劃線、沖點、鉆孔等的質量有較大的影響，而主工作電機的位置又與縱、橫進給電機的準確工作有直接關系，因此在設計工作電機的控制系統時應主要考慮以下因素：(1)工作電機在縱、橫向電機的進給下準確定位；(2)各電機的進給和工作速度控制通過單片機發出的指令控制步進脈沖來實現。工作電機控制原理如圖2所示。

圖2 工作電機設計原理圖

(3)信號輸入輸出電路設計

本電路的設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，從而實現劃線、沖點等一系列工作的自動化進行。

(4)控制面板電路設計

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

3 控制系統軟件設計

根據劃線沖點的實際需要，該控制系統工作程序流程圖編寫如圖4所示[3-4]。

圖4 控制系統工作程序流程

根據控制任務，單片機控制程序編寫如下：

4 加工路徑數據轉化程序Drill v1.0

本控制系統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據輸入，這種方式在操作上較為簡單，但在劃線圖形比較復雜時，輸入的工作量較大。(2)通過加工路徑數據轉化程序Drill v1.0，將在繪圖軟件（如CAXA）下畫好的位置圖形文件轉化成單片機控制程序文件，經USB接口輸入。

劃線沖點一體機的控制系統實現了對工件準確快速的劃線、沖點等。該系統設計結構簡單、使用成本低、性能穩定，大大提高了劃線沖點工作的效率。

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