基于编码器的自动划线装置设计

李鑫+潘俊贤+李彪+张志强+李卫

摘要：在机械加工中，为了确定加工的位置，常常需要划线定位，普通的手持式人工划线装置容易引起较大的人为误差。为了减小该误差，文章设计了两种基于编码器的自动划线装置，一种适用于长形毛坯、管材等，另一种适用于块状毛坯。两种设计结构简单，电路精简，具有较好的实用性。

关键词：编码器；自动划线；钢丝绳传动；机械加工；划线定位 文献标识码：A

中图分类号：TP391 文章编号：1009-2374（2017）06-0018-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.06.009

在机械加工过程中，为了对工件的加工位置进行定位，经常会涉及到对工件进行划线。我们常用一些手工工具进行测量和划线，但是手工划线时不稳定，容易产生人为误差。为了减小误差，我们设计了一种基于编码器的自动划线装置。

编码器（Encoder）把角位移转换成电信号，以方便传输和存储。本装置采用增量型AB向编码器，增量式编码器将位移轉换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小。

本文详细阐述了该划线装置的机械结构和电路设计，我们在制作了实物后进行了测试，确定该装置的精度满足要求。

1 机械结构设计

经过我们的调研，发现需要加工划线的主要是两种情况，一种是加工长形棒材和一些管材，如铝方管，角铝；另一种是短小的毛坯料，如铝块等。因此我们分别设计了两种结构，分别适用于不同形状的毛坯。

1.1 长形工件划线装置

第一种装置用于对长形棒材或管材进行划线，如铝方管、钢材等。结构设计如图1所示：

该划线装置由主动滚轮、从动滚轮、齿轮、气缸、全向轮等构件组成。工作时，将工件通过平台置于主动轮弧形槽内，弧形槽具有限位作用，前方刀具平面限制铝方管轴向移动。电机通过齿轮传动，带动主动轮转动，气缸击出，压紧工件，依靠摩擦作用，工件向外延伸，后方全向轮上配置了一个编码器，全向轮直径20mm，全向轮每转动360°，输出800个脉冲，由：

通过角编码器输出的脉冲数，将旋转位移转换成直线位移，即可计算出管件外升的准确距离，精度较高，满足使用要求。

1.2 块状毛坯划线装置设计

对于块状毛坯，我们则设计了另一种基于编码器的自动划线装置，如图2所示：

该结构由一个X轴、一个Y轴框架构成。X轴采用光杠加直线轴承方式传动，Y轴采用导轨滑块传动，两者均用钢丝绳与编码器连接，均可以保证较高的精度，同时该结构配备了一个可以升降的z轴，z轴上有划线刀具，整个机构属于3自由度机械结构。

工作时，X轴和Y轴均通过钢丝绳与滑轮和编码器连接，钢丝绳将直线位移转化为角位移。块状毛坯固定在装置中间，分别拉动X轴和Y轴，做一个类似于机床加工的对刀过程，将编码器调零，然后直接划线，方便快捷，避免了人为误差的产生。

2 电路设计

2.1 工作原理分析

整个系统电路方面的功能由编码器和STM32C8T6单片机最小系统组合实现，我们使用的编码器为增量型AB向编码器，其工作原理为每转过单位的角度就发出一个脉冲信号，又因为A、B两相相差90度，可通过比较A相在前还是B相在前，以判别编码器的正转与反转，而且通过取A相、B相的上升和下降沿可以进行2或4倍频。我们现在所用的是400转2倍频，即转一圈发出800个脉冲。

脉冲信号的采集由单片机实现，利用STM32的定时器中的计数功能，使用编码器模式，识别编码器的正反转。在正转时，定时器中的计数器累加计数，反转是计数器递减计数。

当需要测量时，在测量初始位置时将计数器置零，而后开始测量。在程序中将编码器走过的角位移转化为被测量工件的长度，最终通过OLED屏幕显示出来。

2.2 程序设计

3 实物制作及测试

根据上面的结构设计和电路设计，我们将机械结构和电路结合起来，制作了两套分别针对长形材料和块状毛坯划线的装置。

为了验证该自动划线装置的功能，我们分别进行了测试。实验证明这两种装置划线方便快捷，而且精度均在0.08mm左右，满足一般使用要求。

4 结语

测试结果表明这两种基于编码器的自动划线装置具有较高的精度，满足平常加工的要求。其结构设计和电路设计稳定简单，使用方便。同时我们还将继续优化程序的设计，选用更适合的编码器提高精度，改善装置中的夹具，在划线时更加方便，完善后可以考虑将这个产品市场化。

参考文献

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（责任编辑：黄银芳）