基于編碼器的自動劃線裝置設計

李鑫+潘俊賢+李彪+張志強+李衛

摘要：在機械加工中，為了確定加工的位置，常常需要劃線定位，普通的手持式人工劃線裝置容易引起較大的人為誤差。為了減小該誤差，文章設計了兩種基于編碼器的自動劃線裝置，一種適用于長形毛坯、管材等，另一種適用于塊狀毛坯。兩種設計結構簡單，電路精簡，具有較好的實用性。

關鍵詞：編碼器；自動劃線；鋼絲繩傳動；機械加工；劃線定位 文獻標識碼：A

中圖分類號：TP391 文章編號：1009-2374（2017）06-0018-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.06.009

在機械加工過程中，為了對工件的加工位置進行定位，經常會涉及到對工件進行劃線。我們常用一些手工工具進行測量和劃線，但是手工劃線時不穩定，容易產生人為誤差。為了減小誤差，我們設計了一種基于編碼器的自動劃線裝置。

編碼器（Encoder）把角位移轉換成電信號，以方便傳輸和存儲。本裝置采用增量型AB向編碼器，增量式編碼器將位移轉換成周期性的電信號，再把這個電信號轉變成計數脈沖，用脈沖的個數表示位移的大小。

本文詳細闡述了該劃線裝置的機械結構和電路設計，我們在制作了實物后進行了測試，確定該裝置的精度滿足要求。

1 機械結構設計

經過我們的調研，發現需要加工劃線的主要是兩種情況，一種是加工長形棒材和一些管材，如鋁方管，角鋁；另一種是短小的毛坯料，如鋁塊等。因此我們分別設計了兩種結構，分別適用于不同形狀的毛坯。

1.1 長形工件劃線裝置

第一種裝置用于對長形棒材或管材進行劃線，如鋁方管、鋼材等。結構設計如圖1所示：

該劃線裝置由主動滾輪、從動滾輪、齒輪、氣缸、全向輪等構件組成。工作時，將工件通過平臺置于主動輪弧形槽內，弧形槽具有限位作用，前方刀具平面限制鋁方管軸向移動。電機通過齒輪傳動，帶動主動輪轉動，氣缸擊出，壓緊工件，依靠摩擦作用，工件向外延伸，后方全向輪上配置了一個編碼器，全向輪直徑20mm，全向輪每轉動360°，輸出800個脈沖，由：

通過角編碼器輸出的脈沖數，將旋轉位移轉換成直線位移，即可計算出管件外升的準確距離，精度較高，滿足使用要求。

1.2 塊狀毛坯劃線裝置設計

對于塊狀毛坯，我們則設計了另一種基于編碼器的自動劃線裝置，如圖2所示：

該結構由一個X軸、一個Y軸框架構成。X軸采用光杠加直線軸承方式傳動，Y軸采用導軌滑塊傳動，兩者均用鋼絲繩與編碼器連接，均可以保證較高的精度，同時該結構配備了一個可以升降的z軸，z軸上有劃線刀具，整個機構屬于3自由度機械結構。

工作時，X軸和Y軸均通過鋼絲繩與滑輪和編碼器連接，鋼絲繩將直線位移轉化為角位移。塊狀毛坯固定在裝置中間，分別拉動X軸和Y軸，做一個類似于機床加工的對刀過程，將編碼器調零，然后直接劃線，方便快捷，避免了人為誤差的產生。

2 電路設計

2.1 工作原理分析

整個系統電路方面的功能由編碼器和STM32C8T6單片機最小系統組合實現，我們使用的編碼器為增量型AB向編碼器，其工作原理為每轉過單位的角度就發出一個脈沖信號，又因為A、B兩相相差90度，可通過比較A相在前還是B相在前，以判別編碼器的正轉與反轉，而且通過取A相、B相的上升和下降沿可以進行2或4倍頻。我們現在所用的是400轉2倍頻，即轉一圈發出800個脈沖。

脈沖信號的采集由單片機實現，利用STM32的定時器中的計數功能，使用編碼器模式，識別編碼器的正反轉。在正轉時，定時器中的計數器累加計數，反轉是計數器遞減計數。

當需要測量時，在測量初始位置時將計數器置零，而后開始測量。在程序中將編碼器走過的角位移轉化為被測量工件的長度，最終通過OLED屏幕顯示出來。

2.2 程序設計

3 實物制作及測試

根據上面的結構設計和電路設計，我們將機械結構和電路結合起來，制作了兩套分別針對長形材料和塊狀毛坯劃線的裝置。

為了驗證該自動劃線裝置的功能，我們分別進行了測試。實驗證明這兩種裝置劃線方便快捷，而且精度均在0.08mm左右，滿足一般使用要求。

4 結語

測試結果表明這兩種基于編碼器的自動劃線裝置具有較高的精度，滿足平常加工的要求。其結構設計和電路設計穩定簡單，使用方便。同時我們還將繼續優化程序的設計，選用更適合的編碼器提高精度，改善裝置中的夾具，在劃線時更加方便，完善后可以考慮將這個產品市場化。

參考文獻

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（責任編輯：黃銀芳）