新型压力机装模高度电子式计数器的设计

舒晓模，潘晓彬

(宁波大学机械工程与力学学院，浙江宁波 315211)

0 引言

在冲床使用过程中，经常根据加工的目的和工件的形状更换模具，其需要调整冲床在下死点时滑块底面和工作台面的距离，该过程即为装模高度调节。装模高度调节量的检测与显示主要有机械式计数器和电子式计数器，机械式计数器通过与升降调整轴啮合的计数器齿轮带动计数器上的数字拨盘转动来显示数据的[1-6]。由于自动化程度的提高，需要将计数器检测信息与控制系统实时交换，来实现装模高度的自动检测与控制，机械式计数器已经越来越不能适应这一要求。目前，电子式计数器主要是南京埃斯顿公司研制的增量式装模高度计数器和金丰(中国)研制的绝对式装模高度计数器。但上述仪器结构复杂、价格昂贵、抗干扰能力差。针对此种现状，设计了一种经济型压力机装模高度电子式计数器，解决了装模高度检测信息孤岛的难题，适用于生产现场压力机的装模高度检测与控制[7-10]。

1 电子式计数器的设计

1．1计数器的工作原理

传统的机械式计数器如德国CK、台湾宇捷、启东劲松等，其中启东劲松的模高计数器具有典型结构，其他的计数器也用这种或类似这种结构。其基本结构如图1所示，调模电机经过一定的传动比，与计数器蜗轮蜗杆相啮合来带动计数器上的数字拨盘转动显示数据。其具有预置上、下限机构，当运转显示数码达到预置极限时，即发出电讯号。

图1 启东劲松计数器

随着自动化程度的提高，需要对装模高度进行智能化检测与调节，这时传统的机械式计数器局限性尤其明显。据此在启东劲松XSQ-1型计数器的基础上，增加格雷编码盘与ST420A光电传感器，来实现计数器的电子化。

设计的装模高度电子式计数器三维建模图如图2所示，其采用调模电机通过传动链带动计数器蜗轮蜗杆转动，蜗轮蜗杆带动四码道格雷编码盘转动，通过格雷编码盘两边安装的ST420A槽型光耦采集格雷码数据，将采集的格雷码数据发送到计数器单片机控制系统处理。单片机控制系统通过RS-485总线将信号传送到主控PLC，主控PLC对接收到的控制信号进行处理，并通过继电器-接触器控制调模电机，达到装模高度调节的目的。

图2 电子式计数器三维图

1．2格雷编码盘的设计

所设计的格雷编码盘如图3所示，考虑到保留的启东计数器蜗轮蜗杆传动比为1∶10，对码盘进行10等分。采用四位格雷同心码道进行设计，每条码道由透光和不透光的扇形区相间组成。其编码使用余3格雷码中的3～12进行编码，以保证格雷码相邻区域编码只有1位发生变化。当码盘转动，光电传感器根据受光照与否转换出相应的开关量信号，输出到单片机控制系统进行处理。

1．3控制系统设计

以AT89C52单片机为核心处理器来对计数器控制系统进行设计，主要由检测格雷码信息的红外光电传感器、信号采集、数据显示等功能模块组成，并且为了保证系统的正常运行，对系统抗干扰进行了设计。其结构组成如图4所示，文中详细介绍各功能模块。

图4 控制系统组成框图

1．3．1 红外光电传感器

准确实时地采集格雷码数据是该装置设计的技术关键。鉴于四码道格雷码盘信息采集的要求，该计数器采用福建南平旭光电子生产的ST420A直射式红外光电传感器作为格雷码盘通断信号采集元件。其采用高发射功率红外光电二极管和高灵敏度的双光电晶体管组成，纵向排列4个红外发射器和接收器，能同时检测格雷码盘上四码道通断信息，满足了格雷码盘信号采集的要求。

为了达到光电传感器检测过程中精确、可靠的要求，需满足：在选择工作点、安装及使用中关键点之一是接收管必须工作于截止区和饱和区，以保证对格雷码盘数据的有效采集；光电传感器的红外发射管的电流在2～10 mA时发光强度与电流的线性最佳，所以电流取值一般不超过这个范围，若取值太大发射管的光衰也大，长时间工作将影响传感器寿命；若取值太小一是抗干扰性能下降，二是对接收管的要求更严。

1．3．2 信号采集电路设计

考虑到需要采集4位四码道格雷编码盘共计16位传感器数据，设计中采用兼容SPI的四线串行接口芯片MAX7301来对单片机I/O口进行扩展。其通信频率可达26 MHz，经过计算完全能够满足该设计的要求。其I/O口配置高达10 mA上拉电流输出和施密特触发器逻辑输入，采集的开关量信号通过端口CS、SCLK、DIN、DOUT与主控单片机连接，实现格雷码数据的有效采集。信号采集电路如图5所示。

图5 信号采集电路图

1．3．3 数码管显示及功能键模块

键盘输入和显示电路是该系统人机界面部分。该设计中数码管由2片74HC573芯片驱动，分别实现数码管的段选与位选。为了简化硬件电路，将4个数码管的八位段选线分别并联，形成段选线的多路复用。考虑到数码管采用循环扫描的工作方式动态显示，普通数码管亮度可能达不到要求，文中选用SM420501K型号的高亮度共阴数码管进行装模高度显示。并通过单片机控制4个功能键set，up，down，enter，分别实现装模高度的开始装模高度设定、数值加、数值减、确定装模高度输入值功能，其电路如图6所示。

图6 数码管显示电路图

1．3．4 抗干扰电路设计

为提高控制系统的可靠性与稳定性，必须考虑电路的抗干扰问题，设计采用以下措施提高系统的抗干扰性能：

(1)采用一种微处理器监控芯片IMP813L，来完成系统上电自动复位、WATCHDOG、电压监控功能；

(2)为了保证从传感器中读取信息的可靠性，提高信号传输过程中的信噪比，该装置在传感器的信号输出端采用TLP521光耦进行光电隔离；

(3)为了避免在公共传输导线阻抗上和供电电源内阻上产生较大的压降，使供电电压跳动，形成严重干扰，设计中在系统中每个芯片电源引脚与地线引脚间并联0.1 μF的高频滤波电容。

2 软件程序设计

系统软件功能部分是单片机主控制部分根据功能键的操作，接收操作要求并控制系统各组成部分完成装模高度格雷码数据的采集、处理、显示等任务。此外，为达到低功耗与节能的目的，仪器设计了软件计时程序，当装模高度调节到设定值3 min后，仪器自动关闭。软件程序采用C语言对单片机AT89C52进行编制，以完成单片机对采集条件的设置，对检测过程的控制以及对检测结果的计算分析等工作，其具体系统流程如图7所示。

图7 系统流程图

3 结束语

在分析传统机械式模高计数器的基础上，结合电子式模高计数器的发展趋势，设计一种模高格雷码电子式计数器。该计数器能够对装模高度实时检测和调节，具有体积小、实用性强、可靠性高等优点，是装模高度计数器领域的一个重要补充，具有广泛的应用前景。

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作者简介：舒晓模(1988—)，硕士研究生，主要研究方向为机电测控。

E-mail：464641249@qq．com

潘晓彬(1973—)，副教授，博士，主要研究方向为机电测控。E-mail：panxiaobin@nbu．edu．cn