舒曉模，潘曉彬

(寧波大學(xué)機械工程與力學(xué)學(xué)院，浙江寧波 315211)

0 引言

在沖床使用過程中，經(jīng)常根據(jù)加工的目的和工件的形狀更換模具，其需要調(diào)整沖床在下死點時滑塊底面和工作臺面的距離，該過程即為裝模高度調(diào)節(jié)。裝模高度調(diào)節(jié)量的檢測與顯示主要有機械式計數(shù)器和電子式計數(shù)器，機械式計數(shù)器通過與升降調(diào)整軸嚙合的計數(shù)器齒輪帶動計數(shù)器上的數(shù)字撥盤轉(zhuǎn)動來顯示數(shù)據(jù)的[1-6]。由于自動化程度的提高，需要將計數(shù)器檢測信息與控制系統(tǒng)實時交換，來實現(xiàn)裝模高度的自動檢測與控制，機械式計數(shù)器已經(jīng)越來越不能適應(yīng)這一要求。目前，電子式計數(shù)器主要是南京埃斯頓公司研制的增量式裝模高度計數(shù)器和金豐(中國)研制的絕對式裝模高度計數(shù)器。但上述儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價格昂貴、抗干擾能力差。針對此種現(xiàn)狀，設(shè)計了一種經(jīng)濟型壓力機裝模高度電子式計數(shù)器，解決了裝模高度檢測信息孤島的難題，適用于生產(chǎn)現(xiàn)場壓力機的裝模高度檢測與控制[7-10]。

1 電子式計數(shù)器的設(shè)計

1．1計數(shù)器的工作原理

傳統(tǒng)的機械式計數(shù)器如德國CK、臺灣宇捷、啟東勁松等，其中啟東勁松的模高計數(shù)器具有典型結(jié)構(gòu)，其他的計數(shù)器也用這種或類似這種結(jié)構(gòu)。其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，調(diào)模電機經(jīng)過一定的傳動比，與計數(shù)器蝸輪蝸桿相嚙合來帶動計數(shù)器上的數(shù)字撥盤轉(zhuǎn)動顯示數(shù)據(jù)。其具有預(yù)置上、下限機構(gòu)，當(dāng)運轉(zhuǎn)顯示數(shù)碼達到預(yù)置極限時，即發(fā)出電訊號。

圖1 啟東勁松計數(shù)器

隨著自動化程度的提高，需要對裝模高度進行智能化檢測與調(diào)節(jié)，這時傳統(tǒng)的機械式計數(shù)器局限性尤其明顯。據(jù)此在啟東勁松XSQ-1型計數(shù)器的基礎(chǔ)上，增加格雷編碼盤與ST420A光電傳感器，來實現(xiàn)計數(shù)器的電子化。

設(shè)計的裝模高度電子式計數(shù)器三維建模圖如圖2所示，其采用調(diào)模電機通過傳動鏈帶動計數(shù)器蝸輪蝸桿轉(zhuǎn)動，蝸輪蝸桿帶動四碼道格雷編碼盤轉(zhuǎn)動，通過格雷編碼盤兩邊安裝的ST420A槽型光耦采集格雷碼數(shù)據(jù)，將采集的格雷碼數(shù)據(jù)發(fā)送到計數(shù)器單片機控制系統(tǒng)處理。單片機控制系統(tǒng)通過RS-485總線將信號傳送到主控PLC，主控PLC對接收到的控制信號進行處理，并通過繼電器-接觸器控制調(diào)模電機，達到裝模高度調(diào)節(jié)的目的。

圖2 電子式計數(shù)器三維圖

1．2格雷編碼盤的設(shè)計

所設(shè)計的格雷編碼盤如圖3所示，考慮到保留的啟東計數(shù)器蝸輪蝸桿傳動比為1∶10，對碼盤進行10等分。采用四位格雷同心碼道進行設(shè)計，每條碼道由透光和不透光的扇形區(qū)相間組成。其編碼使用余3格雷碼中的3～12進行編碼，以保證格雷碼相鄰區(qū)域編碼只有1位發(fā)生變化。當(dāng)碼盤轉(zhuǎn)動，光電傳感器根據(jù)受光照與否轉(zhuǎn)換出相應(yīng)的開關(guān)量信號，輸出到單片機控制系統(tǒng)進行處理。

1．3控制系統(tǒng)設(shè)計

以AT89C52單片機為核心處理器來對計數(shù)器控制系統(tǒng)進行設(shè)計，主要由檢測格雷碼信息的紅外光電傳感器、信號采集、數(shù)據(jù)顯示等功能模塊組成，并且為了保證系統(tǒng)的正常運行，對系統(tǒng)抗干擾進行了設(shè)計。其結(jié)構(gòu)組成如圖4所示，文中詳細介紹各功能模塊。

圖4 控制系統(tǒng)組成框圖

1．3．1 紅外光電傳感器

準(zhǔn)確實時地采集格雷碼數(shù)據(jù)是該裝置設(shè)計的技術(shù)關(guān)鍵。鑒于四碼道格雷碼盤信息采集的要求，該計數(shù)器采用福建南平旭光電子生產(chǎn)的ST420A直射式紅外光電傳感器作為格雷碼盤通斷信號采集元件。其采用高發(fā)射功率紅外光電二極管和高靈敏度的雙光電晶體管組成，縱向排列4個紅外發(fā)射器和接收器，能同時檢測格雷碼盤上四碼道通斷信息，滿足了格雷碼盤信號采集的要求。

為了達到光電傳感器檢測過程中精確、可靠的要求，需滿足：在選擇工作點、安裝及使用中關(guān)鍵點之一是接收管必須工作于截止區(qū)和飽和區(qū)，以保證對格雷碼盤數(shù)據(jù)的有效采集；光電傳感器的紅外發(fā)射管的電流在2～10 mA時發(fā)光強度與電流的線性最佳，所以電流取值一般不超過這個范圍，若取值太大發(fā)射管的光衰也大，長時間工作將影響傳感器壽命；若取值太小一是抗干擾性能下降，二是對接收管的要求更嚴(yán)。

1．3．2 信號采集電路設(shè)計

考慮到需要采集4位四碼道格雷編碼盤共計16位傳感器數(shù)據(jù)，設(shè)計中采用兼容SPI的四線串行接口芯片MAX7301來對單片機I/O口進行擴展。其通信頻率可達26 MHz，經(jīng)過計算完全能夠滿足該設(shè)計的要求。其I/O口配置高達10 mA上拉電流輸出和施密特觸發(fā)器邏輯輸入，采集的開關(guān)量信號通過端口CS、SCLK、DIN、DOUT與主控單片機連接，實現(xiàn)格雷碼數(shù)據(jù)的有效采集。信號采集電路如圖5所示。

圖5 信號采集電路圖

1．3．3 數(shù)碼管顯示及功能鍵模塊

鍵盤輸入和顯示電路是該系統(tǒng)人機界面部分。該設(shè)計中數(shù)碼管由2片74HC573芯片驅(qū)動，分別實現(xiàn)數(shù)碼管的段選與位選。為了簡化硬件電路，將4個數(shù)碼管的八位段選線分別并聯(lián)，形成段選線的多路復(fù)用?？紤]到數(shù)碼管采用循環(huán)掃描的工作方式動態(tài)顯示，普通數(shù)碼管亮度可能達不到要求，文中選用SM420501K型號的高亮度共陰數(shù)碼管進行裝模高度顯示。并通過單片機控制4個功能鍵set，up，down，enter，分別實現(xiàn)裝模高度的開始裝模高度設(shè)定、數(shù)值加、數(shù)值減、確定裝模高度輸入值功能，其電路如圖6所示。

圖6 數(shù)碼管顯示電路圖

1．3．4 抗干擾電路設(shè)計

為提高控制系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性，必須考慮電路的抗干擾問題，設(shè)計采用以下措施提高系統(tǒng)的抗干擾性能：

(1)采用一種微處理器監(jiān)控芯片IMP813L，來完成系統(tǒng)上電自動復(fù)位、WATCHDOG、電壓監(jiān)控功能；

(2)為了保證從傳感器中讀取信息的可靠性，提高信號傳輸過程中的信噪比，該裝置在傳感器的信號輸出端采用TLP521光耦進行光電隔離；

(3)為了避免在公共傳輸導(dǎo)線阻抗上和供電電源內(nèi)阻上產(chǎn)生較大的壓降，使供電電壓跳動，形成嚴(yán)重干擾，設(shè)計中在系統(tǒng)中每個芯片電源引腳與地線引腳間并聯(lián)0.1 μF的高頻濾波電容。

2 軟件程序設(shè)計

系統(tǒng)軟件功能部分是單片機主控制部分根據(jù)功能鍵的操作，接收操作要求并控制系統(tǒng)各組成部分完成裝模高度格雷碼數(shù)據(jù)的采集、處理、顯示等任務(wù)。此外，為達到低功耗與節(jié)能的目的，儀器設(shè)計了軟件計時程序，當(dāng)裝模高度調(diào)節(jié)到設(shè)定值3 min后，儀器自動關(guān)閉。軟件程序采用C語言對單片機AT89C52進行編制，以完成單片機對采集條件的設(shè)置，對檢測過程的控制以及對檢測結(jié)果的計算分析等工作，其具體系統(tǒng)流程如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)流程圖

3 結(jié)束語

在分析傳統(tǒng)機械式模高計數(shù)器的基礎(chǔ)上，結(jié)合電子式模高計數(shù)器的發(fā)展趨勢，設(shè)計一種模高格雷碼電子式計數(shù)器。該計數(shù)器能夠?qū)ρb模高度實時檢測和調(diào)節(jié)，具有體積小、實用性強、可靠性高等優(yōu)點，是裝模高度計數(shù)器領(lǐng)域的一個重要補充，具有廣泛的應(yīng)用前景。

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作者簡介：舒曉模(1988—)，碩士研究生，主要研究方向為機電測控。

E-mail：464641249@qq．com

潘曉彬(1973—)，副教授，博士，主要研究方向為機電測控。E-mail：panxiaobin@nbu．edu．cn