王子斌 亢程龍

(電子科技大學(xué)清水河校區(qū)自動化工程學(xué)院1430實驗室，四川 成都 611731)

隨著電子科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，電子電路設(shè)計已經(jīng)逐步走向集成化、小型化。幾乎所有的電子產(chǎn)品都是在PCB板[2]上得以實現(xiàn)的。PCB板即印制電路板，是電子元器件電氣連接的載體。隨著PCB板生產(chǎn)加工需求的增加， PCB板鉆孔加工的需求也必然大大增加。不但外觀尺寸越來越小，孔的數(shù)目也變得越來越多，所以對專用機床的鉆頭打孔尺寸與質(zhì)量的要求也越來越高。由于專用機床在PCB板上的打孔都是鉆頭在高速旋轉(zhuǎn)下進行的，難免會導(dǎo)致鉆頭出現(xiàn)磨損，改變它的直徑，從而影響PCB板上的孔徑大小，進而極大地影響PCB板的實際電路性能。因此，能夠及時發(fā)現(xiàn)鉆頭直徑出現(xiàn)了誤差范圍以外的磨損甚至斷鉆就顯得尤為重要，甚至直接關(guān)系到商業(yè)競爭的成敗。

1 研究背景及意義

當前針對專用機床的直徑檢測研究主要是在國外，而在國內(nèi)才剛剛起步?？v觀國內(nèi)外相關(guān)方向的文獻，發(fā)現(xiàn)實現(xiàn)專用機床直徑檢測的系統(tǒng)大致可以分為兩類：CCD檢測系統(tǒng)[3]與激光檢測系統(tǒng)[4]。

CCD檢測系統(tǒng)主要是將被測對象即鉆頭的光信息通過光學(xué)系統(tǒng)，在CCD的光敏面上形成光學(xué)圖像。CCD器件把光敏元上的光信息轉(zhuǎn)換成與光強成比例的電荷量。用一定頻率的時鐘脈沖對CCD進行驅(qū)動，在CCD輸出端得到鉆頭的視頻信號。視頻信號中每一個離散電壓信號的大小對應(yīng)著該光敏元所接收的光強強弱，而信號輸出的時序則對應(yīng)CCD光敏元位置的順序。通過后續(xù)處理線路對CCD輸出的視頻信號進行二值化或者量化處理后，將被測目標從背景中分離出來，從而計算出鉆頭的實際直徑大小。

激光檢測系統(tǒng)主要由激光源和接收器組成，利用激光源發(fā)出的激光束以一定的角度照射到被測對象上，經(jīng)過被測對象和接收器之間的多次折射后，最終計算落在接收器上的激光強度，完成對被測系統(tǒng)直徑的檢測。

由于這兩種直徑檢測系統(tǒng)的核心技術(shù)均在國外，并且價格非常昂貴，一整套設(shè)備在2萬美元左右，這樣的價格對于大多數(shù)國內(nèi)的專用機床生產(chǎn)廠商而言是難以接受的。因此在現(xiàn)階段，絕大部分中小型廠商只有憑借著工人對鉆頭打孔次數(shù)以及鉆頭工作時間的經(jīng)驗預(yù)估來進行一個手動的更換。這勢必會對生產(chǎn)成本和PCB板的打孔質(zhì)量產(chǎn)生非常大的影響。

所以研制出一款具有民族創(chuàng)新精神，擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的低成本、高精度的直徑檢測系統(tǒng)就顯得具有現(xiàn)實意義以及實用價值。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于專用機床的高精度直徑檢測系統(tǒng)采用激光傳感器+高速光電隔離器+CPLD[5]+89C51的設(shè)計模式，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

其中激光傳感器由發(fā)射源和接收源組成。發(fā)射源發(fā)出穩(wěn)定能量的激光束，直射到接收源上。若沒有被測物體遮擋，則接收源上能夠很穩(wěn)定地接收到由發(fā)射源發(fā)出的光信號；若有物體遮擋，則不能接收到發(fā)射源發(fā)出的光信號。經(jīng)過激光傳感器內(nèi)部處理以后，反映出來的結(jié)果就是若沒有物體遮擋發(fā)射源發(fā)出的光信號，則激光傳感器穩(wěn)定地輸出低電平送入下一級；若有物體遮擋，則激光傳感器輸出高電平送入下一級。假設(shè)被測鉆頭以一定的速度V經(jīng)過此激光傳感器，便一定能從激光傳感器的輸出端測得寬度為Tx的單脈沖信號，若能測得此單脈沖信號的脈寬時間，即可通過如下所示的公式:

D′=V·Tx

算出鉆頭的直徑D′。專用機床上的打孔鉆頭一般采用麻花鉆，主要由工作部分+頸部+柄部組成，其基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

考慮一個轉(zhuǎn)速為n的鉆頭以一定的移動速度V通過激光傳感器，必然會存在一部分螺旋槽在通過激光傳感器時不會遮光，這時直徑檢測系統(tǒng)測出來的直徑D′將會與實際理論值D之間存在誤差δ。當轉(zhuǎn)速為零時這個誤差達到最大，即：

δmax=D-D′

如何減小誤差δmax，就成了此直徑檢測系統(tǒng)設(shè)計成功與否的關(guān)鍵。考慮讓鉆頭在高速旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)下進行直徑檢測。這樣鉆頭在通過激光傳感器的同時，鉆頭鏤空部分螺旋槽就能很快旋轉(zhuǎn)到實體部分，完成遮光。如此就可以把實際理論值和測量值之間的誤差進一步縮小。δmax是由于鉆頭螺旋槽的不遮光造成的，因此只要知道鉆頭旋轉(zhuǎn)的周期T，再乘上鉆頭的移動速度V，便能從另一途徑得到δmax:

δmax=T·V

鉆頭的轉(zhuǎn)速n已知，當單位為r/s時，數(shù)值上與頻率相等，即n=f=1/T，T即為鉆頭旋轉(zhuǎn)的周期。故可得:

為了減小誤差，必須保證鉆頭的轉(zhuǎn)速n足夠大，同時移動的速度V足夠慢。鉆頭的轉(zhuǎn)速由機械保障，同時轉(zhuǎn)速不能無窮大，否則會帶來鉆頭的擺動，在通過激光傳感器以后造成更大的測量誤差?，F(xiàn)在機床上的鉆頭轉(zhuǎn)速大概在20 000～160 000 r/min。由于市面上鉆頭的直徑數(shù)量級大概在mm左右，為了能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的直徑檢測，控制δmax的數(shù)量級在μm級。因此移動速度V必須保障在0.1～10 mm/s，才能保證這一部分的測量誤差控制在0.01%以內(nèi)。

與此同時還有一部分誤差來源于對激光傳感器輸出的單脈沖信號的脈寬Tx測量，我們將單脈沖信號經(jīng)過1個高速光電隔離器做1次電平轉(zhuǎn)換之后送入CPLD中，并且在CPLD中用硬件描述語言設(shè)計算法來實現(xiàn)完成高精度的脈寬測量。為了能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的測量，我們采用一個25 MHz的采樣時鐘，不斷對送進來的信號進行采樣。若此單脈沖信號的高電平到來，則啟動計數(shù)器開始計數(shù)直至高電平結(jié)束，并將測得的計數(shù)值C送入后一級的單片機中進行下一步的分析和處理。之所以說這種方法能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的測量，是因為鉆頭的直徑D′一般是mm數(shù)量級的，而移動速度V是m/s級的，所以Tx的數(shù)量級也是ms級的。而Tx可由如下公式獲得:

其中f0是系統(tǒng)的采樣時鐘，它是MHz級的。由于在進行脈寬信號的數(shù)字化測量中，被測脈寬大小不一定為標準單位的整數(shù)倍，再加上單脈沖信號的高電平作為閘門的開啟和關(guān)閉時間同時鐘信號不同步，因此在量化過程中有一部分零頭沒有被計算在內(nèi)，使我們在對鉆頭的直徑檢測中出現(xiàn)了量化誤差。采用計數(shù)器的方式測量脈寬信號，其誤差主要由兩項組成：量化誤差和標準頻率誤差。一般情況下，總誤差的合成表達式如下所示：

式中：等號右邊第一項為量化誤差，因為Tx的數(shù)量級是ms級，而T0是μs級，所以量化誤差大概只有0.01%；等號右邊第二項為標準頻率誤差，主要是由于電子計數(shù)器所采用的頻率基準受外界環(huán)境或自身結(jié)構(gòu)性能等因素的影響產(chǎn)生漂移而給測量結(jié)果引入的誤差，一般跟量化誤差相比可忽略不計。由以上分析可知，總的誤差大概只有不到0.01%，因此此精度用在直徑檢測系統(tǒng)上已經(jīng)能夠非常好地完成鉆頭直徑檢測的任務(wù)。

圖1中的89C51作為一個簡單的單片機[8]起到控制作用。接受上位機發(fā)出的命令并做出解析，完成如復(fù)位、測量開始、直徑讀取等操作，完成鉆頭直徑檢測以后，將直徑信息通過RS485反饋給計算機，完成一次鉆頭的直徑檢測。

3 硬件結(jié)構(gòu)

由以上系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析可知，可以將此直徑檢測系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計大致分為采樣傳感器、用于實現(xiàn)高精度直徑檢測的CPLD以及實現(xiàn)控制并且和上位機通信的單片機這3大部分。

3.1 采樣傳感器

采樣傳感器由激光傳感器[10]和光電耦合器構(gòu)成。光電耦合器的結(jié)構(gòu)如圖3所示，S_in負責接收從專用機床上的激光傳感器測到的脈寬信號。由于專用機床上的激光傳感器的標準是24 V的，而后一級的電子計數(shù)器CPLD的標準是3.3 V的。所以我們需要使用光電隔離器TLP281起到24 V轉(zhuǎn)3.3 V的電平轉(zhuǎn)換的作用。TLP281是一個高速的光電隔離器，主要實現(xiàn)電-光-電的轉(zhuǎn)換，并且具有使用壽命長、抗干擾能力強、無觸點且輸入與輸出在電氣上能夠做到完全隔離的特點，完全能夠滿足我們的設(shè)計需求。S_out則負責將經(jīng)過了電平轉(zhuǎn)換以后的脈寬信號送入后級的CPLD中進行最為關(guān)鍵的Tx脈寬測量。

3.2 高精度電子計數(shù)器

高精度電子計數(shù)器[11]主要是在復(fù)雜可編程邏輯器件即CPLD內(nèi)采用硬件描述語言設(shè)計算法實現(xiàn)的，電子計數(shù)器的結(jié)構(gòu)如圖4所示。它主要由D觸發(fā)器、計數(shù)器、鎖存器以及多路選擇器構(gòu)成。D觸發(fā)器在每次時鐘上升沿到來以后將此刻的輸入信號打入Q端送給計數(shù)器cnt。D觸發(fā)器采用邊沿觸發(fā)，可以有效地避免干擾信號帶來的毛刺。D觸發(fā)器的輸入端連接到計數(shù)器的使能端，只有當送入的脈寬信號為高電平時，計數(shù)器才開始計數(shù)。并且將輸出的數(shù)據(jù)實時地傳給鎖存器。鎖存器的門信號也用輸入信號來控制。當輸入信號為高電平時，鎖存器打開不斷地接收從計數(shù)器送過來的計數(shù)值。當輸入信號變低以后，計數(shù)器cnt停止計數(shù)。與此同時，鎖存器關(guān)閉，將輸入的脈寬信號的計數(shù)值送入多路選擇器MUX18中。由于鎖存器是24位的，而多路選擇器是8位的，因此需要將鎖存器中的計數(shù)值分別存在3路多路選擇器中。通過與單片機相連的控制線，分3次將多路選擇器的計數(shù)值送入單片機中。由于計數(shù)器的計數(shù)時鐘是頻率已知的固定信號，故由公式：

便可計算出脈寬信號的寬度Tx。圖4中的CLR#主要是用于清零復(fù)位信號。之所以此系統(tǒng)能夠準確并且高精度[12]地測量出脈寬信號的寬度，是因為計數(shù)器的時鐘信號的頻率一般都是在MHz的數(shù)量級以上，遠遠低于需要測量的脈寬信號的Tx。

其中，高精度的電子計數(shù)器[13]的狀態(tài)機[14]作為直徑檢測系統(tǒng)的核心，負責整個單脈沖寬度的測量過程，具有舉足輕重的作用。其狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖5所示。

圖5中狀態(tài)轉(zhuǎn)換所涉及的采集狀態(tài)說明如表1。

3.3 實現(xiàn)控制和通信的單片機

在直徑檢測系統(tǒng)中，單片機僅僅是起到一個復(fù)位、控制啟停，以及從CPLD中讀數(shù)的作用。因此從節(jié)約成本的角度考慮，我們選擇了性價比較高、芯片體積較小的89C51單片機。它是一種帶4 K字節(jié)閃爍可編程的存儲器，內(nèi)核采用低電壓、高性能的8位CMOS處理器。其中89C51主要是通過RS485[15]與工控機進行通信，接收工控機發(fā)回來的控制命令，然后控制下位機做相關(guān)的操作。其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

需要特別說明的是RS485采用半雙工方式，由兩根信號線做差分輸入，同一時間只能傳輸一個方向的信息。這樣的話可以有效地避免雙工模式下信號之間的干擾帶來的影響。

4 軟件結(jié)構(gòu)

為了更方便地完成整個硬件的工作，在單片機中編寫了簡單的控制程序[16]，直徑檢測系統(tǒng)控制流程圖如圖7。

首先，系統(tǒng)上電以后，完成對單片機的波特率及數(shù)據(jù)傳輸方式和CPLD的初始化，使其工作在目標系統(tǒng)所需要的工作模式下。然后等待接收上位機發(fā)出的命令。若收到復(fù)位命令，則整個系統(tǒng)重新進行初始化。若收到讀取數(shù)據(jù)的命令，則單片機向CPLD中去讀取鉆頭的直徑信息。因為讀取是分3次讀取，所以讀完以后，系統(tǒng)會判斷是否正確地讀回了數(shù)據(jù)。讀取成功以后在單片機中經(jīng)過簡單的分析和處理以后送回給上位機，完成對鉆頭直徑的檢測。

5 測試結(jié)果

測試結(jié)果主要分成軟件上的仿真測試和實際在專用機床上進行的系統(tǒng)測試。

5.1 軟件測試

在quartusII中模擬完成了基于專用機床直徑檢測系統(tǒng)的驗證，如圖8所示。

其中clk是硬件電路中的時鐘信號，主要作為用于測量脈寬信號的基準時鐘，它的頻率為1 MHz。Signal1是模擬從光電傳感器上傳回來的脈寬信號，而value則是實際CPLD中對脈寬信號的計數(shù)值。從圖中可以看出，在模擬的脈寬信號Sigal1的脈寬信號結(jié)束以后，CPLD中的計數(shù)值也馬上停止到脈寬信號結(jié)束的時刻，由于基準時鐘是μs級的，而實際傳回來的脈寬信號最小也是ms級的。這樣我們的測量誤差正如前文所分析的，只有0.01%不到。

5.2 系統(tǒng)測試

在實際的機床中應(yīng)用此直徑檢測系統(tǒng)實際完成了對所有常用鉆頭的標準件的測量。當我們對鉆頭的標準件進行等精度測量時，測量值中可能存在系統(tǒng)誤差、隨機誤差和粗大誤差，為了能夠給出更加合理的結(jié)果，我們按照下述步驟對測得的數(shù)據(jù)進行了處理。

(1)利用修正值等方法，對測量值進行修正，并將修正以后的數(shù)據(jù)xi(i=1,2,…,n)依次列成表格；

(5)按萊特準則|vi|>3s，或格拉布斯準則|vmax|>Gs檢查和剔除粗大誤差；若有粗大誤差，應(yīng)逐一剔除后重新計算xi和s,再判別直到?jīng)]有粗大誤差為止；

(6)判斷有無系統(tǒng)誤差，如有系統(tǒng)誤差，應(yīng)找到原因，修正或消除誤差后再重新測量；

按照以上方法進行測量以后，部分常用標準件的測量結(jié)果及相對誤差如表2所示。

通過在實際專用機床上對所有鉆頭的直徑進行測量，我們發(fā)現(xiàn)實際測量值與標準件的標稱值的相對誤差最大不超過0.01%，因此可以認為此直徑檢測系統(tǒng)能夠高精度地完成對鉆頭直徑的檢測。實際直徑檢測系統(tǒng)的硬件實物如圖9所示。

6 結(jié)語

通過對直徑檢測系統(tǒng)的軟件仿真以及在機床上的實際測量，設(shè)計完成了對專用機床上鉆頭直徑的實時檢測，并且很好地在降低成本的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了高精度的測量，使測量誤差只有0.01%不到，改變了國內(nèi)廠商在這一技術(shù)領(lǐng)域要么購買價格高昂的國外產(chǎn)品，要么憑借人工經(jīng)驗更換鉆頭的尷尬局面，給中小規(guī)模的機床廠商帶來了新的生機。

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