摘  要: 針對(duì)一體機(jī)劃線、沖點(diǎn)等功能的需要，結(jié)合該控制系統(tǒng)的組成、硬件電路的設(shè)計(jì)及控制流程，設(shè)計(jì)了單片機(jī)控制下的自動(dòng)化控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)總的生產(chǎn)制造成本低，在實(shí)際應(yīng)用中效果良好，大大提高了生產(chǎn)的劃線沖點(diǎn)效率。
關(guān)鍵詞： 劃線； 沖點(diǎn); 單片機(jī)

    劃線是指根據(jù)圖紙和技術(shù)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(zhǔn)的點(diǎn)、線的操作工序，是機(jī)械加工工藝過程中的重要工序之一，沖點(diǎn)是指在工件所劃的線條的交叉點(diǎn)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(diǎn)位置。
    以上工序中，劃線是主要工序，也是沖點(diǎn)和鉆孔工序的基礎(chǔ)，劃線主要采用兩種方式：一是手工劃線，從目前的現(xiàn)場(chǎng)的操作過程來看，一般借助于劃線平臺(tái)、劃針、高度劃線尺、V形鐵、方箱、劃卡、劃規(guī)、量具、劃線盤等工具來完成；另外一種是把測(cè)量精度高的專用設(shè)備如三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x、激光測(cè)量?jī)x改造成三坐標(biāo)測(cè)量劃線機(jī)、激光劃線儀等進(jìn)行劃線。手工劃線成本投入較低，一般的工人只需進(jìn)行適當(dāng)?shù)闹笇?dǎo)，即可進(jìn)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(biāo)測(cè)量劃線機(jī)、激光劃線儀等高端儀器進(jìn)行，劃線的精度較高，但需專人進(jìn)行操作，而且投入的成本也較大，在一般小型生產(chǎn)企業(yè)里適應(yīng)性也較差。
    本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)集成了劃線、沖點(diǎn)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(dòng)化程度、加工的效率、加工的質(zhì)量等方面，有明顯的效果。
1 數(shù)控劃線沖點(diǎn)一體機(jī)結(jié)構(gòu)功能簡(jiǎn)介
    一體機(jī)設(shè)備主要由機(jī)架、工作臺(tái)、步進(jìn)電機(jī)、控制面板、立柱面板、主電機(jī)、工作臺(tái)進(jìn)給電機(jī)、主軸進(jìn)給電機(jī)、橫向進(jìn)給電機(jī)及相關(guān)部件等組成，包括四套裝置：(1)工件移動(dòng)裝置，將放于工作臺(tái)上的工件向指定的加工位置移動(dòng);(2)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及軟件，用于外部圖形文件數(shù)據(jù)的輸入和轉(zhuǎn)化;(3)控制系統(tǒng)，將采集好的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，對(duì)相應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)和主電機(jī)發(fā)出一系列的工作指令;(4)執(zhí)行裝置，在工件移動(dòng)到指定位置后，對(duì)工件執(zhí)行劃線沖點(diǎn)及鉆孔等工作。
    根據(jù)設(shè)計(jì)功能的實(shí)際需要及系統(tǒng)性能指標(biāo)的要求，該控制系統(tǒng)以單片機(jī)為控制單元，按人機(jī)交互界面來實(shí)現(xiàn)功能的控制。如圖1所示為系統(tǒng)控制方案結(jié)構(gòu)示意圖[1]?？刂葡到y(tǒng)包括單片機(jī)、數(shù)據(jù)采集初始化、供電電源、控制與執(zhí)行和鍵盤顯示等部分組成。其中單片機(jī)STC12C5410AD是控制系統(tǒng)的核心[2]。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2.1 控制單片機(jī)選擇
    在本系統(tǒng)中，單片機(jī)的選用要考慮兩個(gè)因素： (1)單片機(jī)發(fā)出的各種指令控制電機(jī)對(duì)劃線沖點(diǎn)動(dòng)作實(shí)施精確控制； (2)在人機(jī)界面上接受用戶的指令和要求與外界進(jìn)行通訊。選用STMicroelectronics公司生產(chǎn)單片機(jī)STC12C5410AD作為本系統(tǒng)的控制芯片，它具有高速M(fèi)CU，在指令代碼上完全兼容傳統(tǒng)8051，兼有4路PWM和8路高速、10位A/D轉(zhuǎn)換，特別適用于強(qiáng)干擾場(chǎng)合的電機(jī)控制。
2.2 控制系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)構(gòu)成
    控制系統(tǒng)電路以單片機(jī)STC12C5410AD及其擴(kuò)展存儲(chǔ)器構(gòu)成的最小系統(tǒng)為核心,由數(shù)據(jù)采集單元、鍵盤及顯示單元、控制與執(zhí)行單元、出錯(cuò)警報(bào)單元及芯片供電電源等部分構(gòu)成。
    數(shù)據(jù)采集單元分為外部數(shù)據(jù)輸入采集和控制面板數(shù)據(jù)輸入采集、被控對(duì)象的數(shù)據(jù)反饋等部分。
    鍵盤與顯示單元主要包括LED數(shù)碼管、指示燈顯示、可編程鍵盤，其中可編程鍵盤與單片機(jī)之間采用專用的接口芯片ZLG7290實(shí)現(xiàn)鍵盤數(shù)據(jù)的輸入與顯示。
    控制與執(zhí)行單元由光電耦合位置檢測(cè)器件、功率放大驅(qū)動(dòng)器件、工作電機(jī)等組成。
    硬件控制電路組成部分如下：
    (1)控制系統(tǒng)電路
    該部分電路主要是充分利用單片機(jī)STC12C5410AD中的內(nèi)部資源如ADC、SPI、PWM、UART等。這樣既可以降低系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成本，減少整個(gè)系統(tǒng)的體積，更重要的是提高控制系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性。
    本設(shè)計(jì)充分利用了ADC、SPI、PWM、UART等內(nèi)部硬件資源，減小了系統(tǒng)體積，降低了系統(tǒng)成本，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。整個(gè)控制系統(tǒng)包括時(shí)鐘電路、總線驅(qū)動(dòng)電路、擴(kuò)展了存儲(chǔ)器的單片機(jī)STC12C5410AD微控器以及復(fù)位電路等部分。
    (2)工作電機(jī)控制電路設(shè)計(jì)
    工作電機(jī)是整個(gè)一體機(jī)的具體執(zhí)行機(jī)構(gòu)，主要由縱向進(jìn)給電機(jī)、橫向進(jìn)給電機(jī)、主工作電機(jī)三部分組成，其中主工作電機(jī)的平穩(wěn)性對(duì)劃線、沖點(diǎn)、鉆孔等的質(zhì)量有較大的影響，而主工作電機(jī)的位置又與縱、橫進(jìn)給電機(jī)的準(zhǔn)確工作有直接關(guān)系，因此在設(shè)計(jì)工作電機(jī)的控制系統(tǒng)時(shí)應(yīng)主要考慮以下因素：(1)工作電機(jī)在縱、橫向電機(jī)的進(jìn)給下準(zhǔn)確定位； (2)各電機(jī)的進(jìn)給和工作速度控制通過單片機(jī)發(fā)出的指令控制步進(jìn)脈沖來實(shí)現(xiàn)。工作電機(jī)控制原理如圖2所示。

    (3)信號(hào)輸入輸出電路設(shè)計(jì)
    本電路的設(shè)計(jì)用于控制信號(hào)的輸入和輸出，在單片機(jī)STC12C5410AD中，P1.0~P1.3是電壓采樣信號(hào)管腳，P1.4~P1.7是電流采樣信號(hào)管腳。電路輸出的四個(gè)信號(hào)分別用于控制主工作電機(jī)、縱向電機(jī)、橫向電機(jī)、光電位置檢測(cè)，以上這些信號(hào)都要通過繼電器來控制各個(gè)電機(jī)的工作，從而實(shí)現(xiàn)劃線、沖點(diǎn)等一系列工作的自動(dòng)化進(jìn)行。
    (4) 控制面板電路設(shè)計(jì)
    根據(jù)劃線位置的需要，設(shè)計(jì)時(shí)要求數(shù)據(jù)輸入操作方便和結(jié)果顯示直觀，將輸入電路設(shè)計(jì)成鍵盤按鍵輸入，為了在面板顯示控制結(jié)果，本設(shè)計(jì)利用單片機(jī)STC12C5410AD中的一個(gè)引腳來與二極管顯示器的公共端連接。其設(shè)計(jì)的電路如圖3所示。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    根據(jù)劃線沖點(diǎn)的實(shí)際需要，該控制系統(tǒng)工作程序流程圖編寫如圖4所示[3-4]。

    根據(jù)控制任務(wù)，單片機(jī)控制程序編寫如下：
    工作位置的初始化(部分)：
    ……
    CLR OC1CON; OC1通道的控制寄存器;OC1初始化;
    BSET IPC0,#OC1IP0;Setup Output Compare 1 interrupt for
    BCLR IPC0,#OC1IP1;desired priority level
    BCLR IPC0,#OC1IP2;(this example assigns level 1 priority)
    BCLR IFS0,#OC1IF;清中斷標(biāo)志位
    BSET IEC0,#OC1IE; Enable Output Compare 1 interrupts
    CLR OC2CON; OC1通道的控制寄存器;OC1初始化;
    …
    CLR OC3CON; OC1通道的控制寄存器;OC1初始化;
    …
    CLR OC4CON; OC1通道的控制寄存器;OC1初始化;
    …
    工作電機(jī)控制程序（部分）
    …
    PG77:BCLR DIR,#DIRX                ;←X軸校正點(diǎn)動(dòng)
    BRA    PG780
    PG78:BSET DIR,#DIRX                ;→X軸校正點(diǎn)動(dòng)
    PG780:CALL XDRUN                       ;X軸運(yùn)行
    BSET UST,#XYZCG
                 ;用戶狀態(tài)USEST.5=1 XYZ軸對(duì)刀標(biāo)志
    MOV XZB,W0
    MOV W0,X0JZ                             ;X軸基準(zhǔn)
    CALL   LEDX
    RETURN
    PG79: BSET DIR,#DIRY            ;↑Y軸向前點(diǎn)動(dòng)
    BRA    PG800
    PG80:    BCLR    DIR,#DIRY        ;↓Y軸向后點(diǎn)動(dòng)
    PG800:    CALL    YDRUN            ;Y軸運(yùn)行
    BSET UST,#XYZCG
                  ;用戶狀態(tài)USEST.5=1 XYZ軸對(duì)刀標(biāo)志
    MOV    YZB,W0
    MOV    W0,Y0JZ                            ;Y軸基準(zhǔn)
    CALL    LEDY
    ……
    RETURNPG05:    INC    WKQT    ;用時(shí)啟動(dòng)
    CLR    WTQT                    ;等待停止
    CLR    TMWK                    ;用時(shí)
    BCLR    OUT1,#Q03            ;啟動(dòng)
    BSET    DIR,#DIRO            ;順轉(zhuǎn)
    CALL    ORUN                ;O軸運(yùn)行
    CALL    ZKPG                ;運(yùn)行
    CLR    OC4CON
    BSET    OUT1,#Q03            ;啟動(dòng)
    INC    WTQT                    ;等待啟動(dòng)
    CLR    WKQT                    ;用時(shí)停止
    RETURN
    PG06:    BTG    OUT1,#Q13
    RETURN
    PG07:    CALL    Z0RUN        ;Z軸復(fù)位
    CALL    Y0RUN                ;Y軸復(fù)位
    CALL    X0RUN                ;X軸復(fù)位
    CALL    Z0FW                ;Z軸復(fù)位
    ;CLR    CNT                    ;計(jì)數(shù)
    ;CLR    CNT+2
    RETURN
    ……
　　控制面板輸入控制程序（部分）
    ……
    XSSRTB:    BRA    XSSRPG00        ;孔徑
    BRA    XSSRPG01                ;X
    BRA    XSSRPG02                ;Y
    BRA    XSSRPG03                ;深度
    XSSRPG00:    ADD                W2,#5,W0
    MOV    #0x65,W3            ;孔徑
    BRA    XSSRPG
    XSSRPG01:    ADD                W2,#10,W0
    MOV    #0x53,W3            ;X
    BRA    XSSRPG
    XSSRPG02:    ADD                W2,#17,W0
    MOV   #0x53,W3                ;Y
    BRA    XSSRPG
    XSSRPG03:    ADD                W2,#24,W0
    MOV    #0x53,W3            ;深度
    XSSRPG:    CALL    LCDAD        ;設(shè)置LCD顯示地址
    CALL    Dsp2TO8
    RETURN
    ……
4 加工路徑數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化程序Drill v1.0
    本控制系統(tǒng)的劃線路徑可以通過二種方式進(jìn)行，(1)直接通過控制面板的按鈕進(jìn)行位置數(shù)據(jù)輸入，這種方式在操作上較為簡(jiǎn)單，但在劃線圖形比較復(fù)雜時(shí)，輸入的工作量較大。(2)通過加工路徑數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化成單片機(jī)控制程序文件，經(jīng)USB接口輸入。
    劃線沖點(diǎn)一體機(jī)的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)工件準(zhǔn)確快速的劃線、沖點(diǎn)等。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用成本低、性能穩(wěn)定，大大提高了劃線沖點(diǎn)工作的效率。
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