一种具有智能控制功能的自动磨花机

张 超，罗 毅，章梦雪，王伟强

（1.云南师范大学 信息学院，云南 昆明 650500；2.云南师范大学 地理学部，云南 昆明 650500；3.云南师范大学 传媒学院，云南 昆明 650500）

0 引 言

现阶段，我国各类型的工厂自动化机械生产的趋势越来越明显，越来越多的生产流程从由工人手动控制发展向由操作人员输入数据、机器接受数据后自动控制生产。传统人工操作生产的方式效率低下，劳动力成本高，生产误差较大，已不适应现代化工厂的工作方式[1-5]。针对这一问题，在金属磨花领域，本文尝试开发一种具有智能控制功能的自动磨花机，该系统能够根据操作人员所输入的参数自动对光滑铝板进行磨花操作，并可以准确控制磨花间距和时间，其应用前景广阔。

在工业自动化领域，国外流水线系统技术比较成熟，系统能够根据设定好的工作流程进行生产作业，但针对特定工厂特定生产需求下的自动化机器，国外各厂商并不能提供充足的定制化设计，同时由于其系统所携带的功能过多，也大幅度提高的设备成本，对于大量工业化部署并不是最佳选择。而国内的磨花机多为手工操作，其结构简单、成本低廉，但功能单一、操作复杂且加工精度较低，同样不适合大面积的工业化部署[6-11]。

本研究以开发出具有良好的人机交互界面，用户能够通过终端实时掌握并控制生产流程的设备为最终目标，一方面保证系统开发成本低、使用方便、环保；另一方面将生产流程由人工控制改为机器控制、改进加工精度，从而大幅提高工厂生产效率，充分保证产品质量，提升产品竞争力。

1 系统分析

经过对工厂生产流程进行实际考察，得出自动磨花机应具有如下组成部分：底座、工作台、龙头架、交流电机、步进电机、接近开关和屏幕等相关组件。通过数控装置对工人指令及传感器反馈信息进行处理分析，随后向各工作部件如电机发送相对应的控制指令完成具体的生产工作。系统体系结构如图1所示。

图1 系统体系结构

由图1可知，本文系统结构包括底座、工作台、龙头架、4个交流电机、1个步进电机、3个接近开关和1台控制器；还包含1个控制屏幕，用户可通过屏幕输入磨花时长、磨花间隔、移动速度、移动长度、从而精确控制磨花机所产生的花型。其中控制器用于控制工作台在水平方向上前、后移动，还用于控制加工部在竖直方向上的上、下运动，从而使加工部对在水平方向移动的铝板进行加工。一个接近开关开关固定在龙头架的内侧壁上，用于与齿轮箱侧壁上的金属片感应，确定齿轮箱向下运动的极限位置；另外两个接近开关均通过支撑架固定在底座上的一条滑轨上，并且分别位于该条滑轨的首、末两端，两个接近开关通过与工作台上的两个感应金属片感应，确定工作台运动的极限位置。

1.1 人机交互界面功能分析

自动磨花机的数控装置应具备以下功能：

（1）响应人机交互界面。通过对屏幕数据的控制和触摸数据的读取获得人机交互界面的命令，并给出相应的反馈。

（2）控制步进电机。通过对步进电机的驱动，控制整个工作台的移动方向和速度，其主要影响磨花间距和深度。

（3）开关交流电机。交流电机下方装有磨头，是进行磨花的重要设备。通过对交流电机的启停控制可影响最后磨出的花型。

（4）检测接近开关。通过对接近开关状态的不断读取，判断工作台是否处于安全位置，同时也用于工作台复位以及确定起始位置。

（5）读取硬件按钮。硬件按钮拥有最高的优先级，用于处理紧急情况，例如在程序失控的情况下令机器急停。

（6）驱动指示灯。单独的LED指示灯可以令操作者清楚的知道系统状态，也可以作为人机交互界面的补充，显示一些特殊、实时性强的重要信息。

1.3 工艺流程分析

自动磨花机的工艺流程应该如下：

（1）由工人将待磨花加工的板材（0.75～1.2 mm的薄铝板）放在工作台上。

（2）启动系统，工作台向工作方向移动。

（3）工作台运行至加工区直到触发起始位置的接近开关。

（4）工作台停止，下降横梁，待磨头紧贴铝板后开始磨花并计时。

（5）达到指定时间，磨头工作停止，横梁上升到纵向限位开关位置后停止。

（6）工作台移动继续向工作方向移动。

（7）判断是否接触到结束位置的接近开关。

（8）如果接触到，结束指示灯亮起，提示此时工人将铝板从工作台上卸载，等待工人完成卸载并按下复位按钮后，工作台自动退回原位。

（9）如果未接触到，持续移动工作台至设定距离后停止，返回到第（4）步继续工作。

2 系统实现

2.1 人机交互界面实现

2.1.1 选择设备

在自动磨花机中与用户的交互极为重要。笔者经过大量调研发现迪文DGUS系列串口触摸屏具有开发简单、灵活、UI体验好、无操作系统运行速度快、极强的可靠性和稳定性等特点。

本文最后使用迪文DMT80480T070_15WT 7寸触摸屏，该屏幕分辨率为800×480，工作电压为6～42 V，功耗为4.2 W，串口模式为RS 485/RS 232，ESD防护等级可达IEC4级，适合运用在本系统中。

2.1.2 人机交互界面设计

配合上文中选择的串口触摸屏，在此选用其配套的DGUS Tool V5.04软件进行人机交互界面设计，软件设计界面如图2所示。

图2 DGUS TOOL程序界面

根据上文的人机交互界面功能分析，本研究所设计的自动磨花机需要具有4种不同的交互界面，分别为登录界面、功能选择界面、参数设置界面和工作界面。其中参数设置界面由于选项较多，无法放置在同一界面上，所以分为了3个不同的界面图。最后制作完成了交互界面。

2.2 数控装置实现

2.2.1 控制芯片选型

自动磨花机需要具有实时控制能力和长时间稳定工作的能力，因此数控装置的选型尤为关键。数控装置常见的嵌入式平台有PLC、ARM、FPGA、51单片机4大类。在考虑本研究的实际需求以及开发成本和可靠性问题后，选定型号为STC12LE5A60S2的51单片机作为系统控制芯片，该芯片工作电压为2.2～3.6 V，具有8路10位A/D，4个16位定时器，独立波特率发生器，2个外部中断口，2个串口，并拥有WATCH_DOG看门狗。该芯片价格约为3元/片，能够在满足系统需要的同时，减少生产和开发成本。

2.2.2 电机选型

在本系统中需要同时使用交流电机和步进电机，其中交流电机用于驱动磨头进行磨花，需要很强的驱动力，所以选用三相异步交流电机。本研究所选取的电机型号为上海创新电机厂所产Y160M2-2交流电机，其为全封闭自风扇冷式鼠笼转子三相异步电动机，电机功率为15 kW，额定电压为380 V，额定频率为50 Hz，重量为71 kg，转速为2 900 r/min，适用于驱动各种常见的机械设备，如本研究的所属的金属削磨类机床。

而步进电机用于精确的横向移动，可以通过控制脉冲个数和频率来分别控制其移动距离和速度。考虑到工作台质量比较大，最后选择110BYG的120HS3060A4大扭力步进电机。该步进电机机身长度为201 mm，静力矩为30 N·m，工作电压为220 V，工作电流为6.0 A，步距角为1.8（°）/STEP。

由于工作台质量对于该步进电机依然过重，需配合减速器使用，进一步增大其扭力。经过大量选型，最后选用PLF90减速器，该减速器可配合19 mm机轴通过单级输出4倍减速比，达到额定输出扭矩100 N·m，最大输出扭矩200 N·m，从而满足本研究需求。

2.2.3 接近开关选型

本系统中需要选用工作可靠、寿命长、功耗低、定位精度高、检测频率高的接近开关。其被用于判断工作台是否处于安全位置，同时也被用于工作台复位检测以及确定起始位置。由于本研究所用工作台为整块钢板，可选用磁性接近开关进行检测。本研究所选接近开关为OMDHON的SN04-N。该型号接近开关检测距离为4 mm，可检测物体为磁性金属，工作电压为10～30 V，反应频率为200 Hz，其采用三线制电平工作，属于NPN型开关。

2.2.4 电路板设计

首先根据电路需要设计电路原理图，电路原理图分为五个部分：供电部分，控制芯片部分，接近开关部分，液晶控制接口部分和按钮及输出接口部分。

在供电部分，电路板的输入电压为DC 24 V，该电压由24 V开关电源提供。首先经过SAPS SR10 DC_DC电源模块完成24 V到5 V的转换，再通过LM1117芯片完成5 V到3.3 V的转换。这里使用DC-DC模块主要是为了隔离稳压，之后通过LM1117将5 V降压到3.3 V完成二次稳压，为主板其他元器件提供稳定的3.3 V供电。供电部分原理如图3所示。

图3 供电部分原理

在控制芯片部分，STC12LE5A60SA单片机为整个电路板功能的核心，连接了主板上的所有输入/输出接口。这里考虑到串口的方向性问题，使用了4个0 Ω电阻的设计，可以根据最后的需求选择正确的两组电阻进行焊接，从而完成在不修改电路板的情况下，更改串口方向的需求，避免后期重新制板的成本。为了下载单片机程序方便，预留了串口插槽用于调试；同时在连接线上并联了一对LED指示灯，可以方便的检查通信状态，判定通信是否正常。控制芯片原理如图4所示。

图4 控制芯片原理

在液晶控制接口部分，由于DGUS串口屏采用RS 232电平，而单片机的串口为TTL电平，这里增加了MAX2323芯片来进行RS 232到TTL的电平转换，同时和控制芯片部分的串口一样采用了4个0 Ω电阻和一组LED指示灯的设计减少错误率和方便调试与判断。晶控制接口部分原理图如图5所示。

图5 液晶控制接口原理

在接近开关和按钮及电机输出接口部分，创新式的使用了大量的PC815光耦芯片进行输入/输出隔离。由于单片机I/O口只接收3.3 V高电平，而本机所连接的外设均为24 V输入或输出，且由于存在交流与直流电机，电磁干扰较为严重，故需要通过开关进行电平的转换和信号的隔离。另外这里的接口通信频率较高，传统的电磁继电器反应速度与寿命并不满足使用条件；而PC815光耦芯片可实现100 µs响应速度的高速电平转换，同时配合3.3 V或24 V上拉电路可减轻两端设备出口处的负载压力，增强通讯的可靠性并提高设备的使用寿命。接近开关原理图如图6所示。按钮及电机输出接口原理如图7所示。

图6 接近开关原理

图7 按钮及电机输出接口原理

设计完电路原理图后即可根据原理图对PCB板进行绘制。首先需要对所选用组件器及各种插座的规格、尺寸、面积等有充分的了解。接着安排各部件的位置。随后就是按照电路原理图完成各部件的联机，经过不断的调整合理化布局。最后连接有关引脚、设计穿孔焊盘、放置覆铜区，做整体检查，完成PCB板的绘制。

2.2.5 单片机程序实现

根据上文中分析的数控装置应实现的功能可将工作流程分为中断处理流程和主程序工作流程两部分：

（1）中断处理流程

①定时器0中断，用于向步进电机发送PWM信号。定时器中断流程如图8所示。

图8 定时器中断流程

②定时器1中断，用于系统计时。

③串口中断，用于接受下载指令及DGUS屏幕指令。串口中断流程如图9所示。

图9 串口中断流程

（2）主程序工作流程

本文系统的主程序流程如图10所示。

图10 主程序流程

3 调试及现场试验

3.1 焊接并调试电路板

将上文中设计好的PCB板设计图送至代工厂进行制板，完成制板后根据物料图和PCB图进行元器件焊接。焊接工作结束后需要对电路板按照如下步骤进行调试：依次测量各连接点的通断情况，分区域检查各局部电路能否正常工作；将整个电路上电并烧录进单片机程序，检查各项输入输出功能是否完好。图11为调试过程中的电路板实物图。

图11 电路板实物

3.2 组装机器

3.2.1 对需要对数控装置进行组装

考虑到工厂生产环境较为恶劣，将数控装置放置在铝制金属箱中可有效保护内部电路结构不易受破坏。箱子内放置DGUS串口屏、带灯开关、电机驱动器、数控电路板、380 V转220 V变压器和24 V开关电源。其中DGUS串口屏与带灯开关电源均安装在箱面板上，供用户查看系统信息与进行相关操作；剩余器件固定在箱体内侧，锁上箱门后不可触碰且内部结构不可见，可起到保护产品不受外部破坏同时防止第三方企业恶意抄袭的作用。这里的电机驱动器用于精确驱动步进电机，数控电路板为上一节中焊接并调试好的电路板，380 V转220 V变压器用于将380 V三相工业用电转为220 V两相电源向步进电机提供工作电压，24 V开关电源用于主板、电机驱动器、DGUS串口屏及其他元器件的稳定供电。

3.2.2 对压花装置进行组装

这里的压花装置由液压杆，4个交流电机，2排14个磨头和1个接近开关构成，其中液压杆用于控制整个横梁的上下；交流电机连接磨头通过高速旋转摩擦完成在金属表面进行磨花；接近开关向下安装，用于检测磨头是否接触到工作台上的铝板。工作时液压杆下压，交流电机旋转；不工作时液压杆上抬，交流电机停止运行从而节约电能、延长电机寿命和降低磨头高速旋转给周边工作人员带来的潜在危险。

3.2.3 安装其他接近开关

本研究中磨花机所需接近开关为三个，除第二步已经安装在压花装置上的一个以外，另有两个接近开关需要安装在工作台跑道两侧，分别用于检测工作台是否在起始与结束位置。该对接近开关的安装需要保证工作台不可超过合理的轨道范围，以免工作中工作台滑落轨道，对在跑位外围操作的工人造成人身伤害。

3.2.4 安装步进电机

这里将步进电机通过焊接固定在工作台上，步进电机输出轴接减速器，减速器输出轴接齿轮与工作台下方的导轨相接触。该接法可以在保证步进电机精确前进与后退的前提下提高步进电机输出扭矩，防止由于工作台过重导致步进电机的损坏。

3.3 现场实验

完成对机器的组装即可在现场进行整机测试。首先需要开启机器并设置好参数。根据工厂提供的压花工艺，我们将压花时间设置为1 000 ms，速度设定为150 mm/s，步距设定为298.3 mm。随后开始进行磨花测试。将铝板放置在工作台上，在屏幕上点击开始即可自动回归起始位置并开始磨花工作。磨花过程图与完成磨花之后的铝板花纹如图12所示。

图12 磨花过程图与完成磨花之后的铝板花纹

经过约5 min的磨花测试，工作台已达到结束位置，磨花工作自动停止。待工人将铝板取下，按下结束按钮，工作台将自动复位。通过测试，该机器各项功能正常，完成磨花之后的铝板可以达到工厂出货需求。

4 结 语

本研究是为了解决现有磨花机结构复杂，定位及加工精度差的问题，从而设计了一种具有智能控制功能的自动磨花机。本研究所发明的具有智能控制功能的自动磨花机结构简单，磨花工作操作方式简单，接近开关的引入精确的限定了加工部和水平工作台的移动位置，令其在设定位置进行加工，使定位准确度提高了30%以上，加工精度提高了30%以上。另外该机器具有良好的人机交互界面，用户能够通过终端实时掌握并控制生产流程且开发成本低、使用方便、环保、机动化程度高、节省了人力和时间，可以大幅提高工厂生产效率，并充分保证产品质量。