薄膜電阻激光修刻機(jī)的單片機(jī)控制系統(tǒng)＊

俞志根

（湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電與汽車工程學(xué)院，浙江 湖州 313000）

薄膜電阻是各種電位器及角位移傳感器的核心部份，主要有碳膜電阻和導(dǎo)電塑料薄膜電阻及金屬膜電阻等幾種，目前應(yīng)用最廣泛的是導(dǎo)電塑料薄膜電阻，本文主要以導(dǎo)電塑料薄膜電阻為研究對(duì)象。導(dǎo)電塑料這種特殊材料在二十世紀(jì)六十年代由日本科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，隨后的二三十年間，性能得到不斷提升，與其它材料相比在耐磨、耐腐蝕、穩(wěn)定性、輸出噪聲和高速響應(yīng)等諸多方面都非常出色［1］。因此，初期主要用于軍事工業(yè)，如火炮、雷達(dá)、坦克等的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)中控制旋轉(zhuǎn)角度。所以西方國(guó)家一直對(duì)中國(guó)實(shí)行禁運(yùn)，與此相關(guān)的產(chǎn)品禁止銷售到中國(guó)。直到上世紀(jì)九十年代，中國(guó)的一些軍事材料研究機(jī)構(gòu)才逐步開(kāi)始研究這種新型材料，并取得快速突破，國(guó)內(nèi)出現(xiàn)了多家生產(chǎn)導(dǎo)電塑料粉料的企業(yè)，但高品質(zhì)的核心配方還是掌握在日本、美國(guó)等幾個(gè)發(fā)達(dá)國(guó)家少數(shù)企業(yè)手里。

導(dǎo)電塑料電位器中的薄膜電阻是通過(guò)噴涂機(jī)噴涂在絕緣材料制成的電阻基體上的［2］，其初始電阻線性度較低，不能滿足作為精密測(cè)量用傳感器的使用要求，必須經(jīng)過(guò)特殊的輸出電阻修刻工序，將其輸出電阻的線性精度提高到0.5%以上。傳統(tǒng)的線性度修刻方法有手工逐點(diǎn)修刻方式和數(shù)控方式下的半自動(dòng)修刻［3］，雖然能夠基本滿足產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量要求，但是需要在修刻前進(jìn)行檢測(cè)儀器的參數(shù)調(diào)節(jié)與匹配等工作，生產(chǎn)效率低、工人容易疲勞，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的性能穩(wěn)定性。為了適應(yīng)大批量生產(chǎn)的需要，也有各種全自動(dòng)薄膜電阻修刻系統(tǒng)的理論研究成果，如上海交通大學(xué)劉震［4］課題組研制的激光修刻系統(tǒng)，由激光器、修刻臺(tái)、工件自動(dòng)進(jìn)給裝置和工控機(jī)等組成，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高昂，離實(shí)用還有一定距離。

本文研究開(kāi)發(fā)一種主要用單片機(jī)來(lái)控制激光修刻系統(tǒng)，通過(guò)高精度電壓比較器對(duì)采樣點(diǎn)電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)比較，經(jīng)步進(jìn)電機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)修刻臺(tái)旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)薄膜電阻的自動(dòng)修刻。這種修刻方式不僅能達(dá)到較高的修刻精度和速度，而且成本較低，實(shí)用性更強(qiáng)。

1 修刻系統(tǒng)構(gòu)成及主要性能

1.1 修刻系統(tǒng)基本構(gòu)成

采用單片機(jī)作為系統(tǒng)控制的核心，對(duì)薄膜電阻的修刻電流進(jìn)行逐點(diǎn)調(diào)整和控制，并對(duì)其初始零位進(jìn)行自動(dòng)尋找設(shè)定，實(shí)現(xiàn)全過(guò)程的自動(dòng)修刻。修刻系統(tǒng)主要由機(jī)械本體和控制系統(tǒng)及輔助設(shè)備等三部分組成：機(jī)械本體包括修刻工作臺(tái)、激光器、位置傳感器等；控制系統(tǒng)由單片機(jī)主控板（包含高速單片機(jī)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、電壓比較器、計(jì)數(shù)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器等），步進(jìn)電機(jī)控制器，四位半數(shù)字電壓表頭等組成；輔助設(shè)備包括高精度恒流源和系統(tǒng)電源等。整個(gè)修刻系統(tǒng)組成框圖如圖1所示：

圖1 修刻機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.2 修刻系統(tǒng)主要性能

本文研究的單片機(jī)控制激光修刻系統(tǒng)主要用于導(dǎo)電塑料材質(zhì)的角度傳感器薄膜電阻和有機(jī)合成碳膜電阻的修刻，膜電阻的厚度在0.01mm左右，不能超過(guò)0.015mm，大小在Φ20-60mm，否則會(huì)影響修刻速度，這主要是因?yàn)榧す馄鞯墓β视邢蓿缫蘅谈竦哪る娮桧氃龃蠹す馄鞴β剩瑫?huì)使成本上升。適用的薄膜電阻值從0.1k-5k，主要規(guī)格有0.1k、0.5k、1k、2k、5k等多種；修刻后能達(dá)到的電阻線性度，可根據(jù)產(chǎn)品精度要求在0.01-0.5%之間選擇，主要有0.01%、0.05%和0.1%及0.5%等幾種；修刻速度為2-5分鐘每個(gè)，取決于修刻精度要求和產(chǎn)品大小。

修刻系統(tǒng)運(yùn)行主要參數(shù)有：激光器功率3W；電壓比較器的靈敏度優(yōu)于±1mV；輔助恒流電源輸出的電壓精度優(yōu)于±2mV；恒流源穩(wěn)定性在10分鐘內(nèi)波動(dòng)小于0.1mA，可調(diào)范圍在1mA-10mA；修刻電壓檢測(cè)用A／D轉(zhuǎn)換器，并采用四位半數(shù)字電壓表；激光器步進(jìn)系統(tǒng)靈敏度優(yōu)于1μm每步，修刻臺(tái)步進(jìn)22″每步。

2 激光修刻的機(jī)理及其基本過(guò)程

2.1 激光修刻機(jī)理

由于激光具有方向性好，高能量和單色性好等諸多優(yōu)點(diǎn)，尤其是隨著大功率激光器的成本不斷下降，結(jié)構(gòu)日趨小型化，在替代機(jī)加工領(lǐng)域中日益受到重視，各種各樣的激光加工設(shè)備已經(jīng)非常多，如激光切割、激光焊接、激光雕刻等。近年來(lái)在激光微加工方面也取得了長(zhǎng)足發(fā)展，薄膜電阻的線性修刻就是一種典型的細(xì)微機(jī)加工，其加工量都在幾十微米左右，精度要求非常高，上世紀(jì)八十年代國(guó)外開(kāi)始研究用大功率激光束對(duì)薄膜電阻進(jìn)行高精度修刻，以替代刀具修刻。它的修刻原理是利用激光的超高聚焦能力和超高溫度，使薄膜電阻被激光照射部分在很短的時(shí)間內(nèi)被氣化蒸發(fā)，從而減小薄膜電阻局部導(dǎo)通面積，從而達(dá)到增大阻值的目的。通過(guò)連續(xù)或斷續(xù)照射實(shí)現(xiàn)對(duì)薄膜電阻輸出線性的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)用于傳感器的薄膜電阻超高精度的修刻。激光修刻比數(shù)控修刻更易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，且由于不用刀具，加工量也更易控制，加工精度大大提高，是傳感器電阻修刻中最先進(jìn)的一種非接觸式修刻技術(shù)，由于涉及軍事領(lǐng)域，故西方發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)中國(guó)禁止轉(zhuǎn)讓相關(guān)技術(shù)。因此，雖然國(guó)外已經(jīng)有全自動(dòng)激光修刻機(jī)，但國(guó)內(nèi)還沒(méi)有較成熟的相關(guān)技術(shù)報(bào)道，都還處于試驗(yàn)階段。由于激光修刻不用刀具，是非接觸性加工，快速高效，與傳統(tǒng)的刀具修刻相比在修刻精度和效率上具有很大優(yōu)勢(shì)。

2.2 修刻系統(tǒng)的修刻過(guò)程

將需要修刻的傳感器薄膜電阻安裝于修刻工作臺(tái)上，先由系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整到輸出零位，即使數(shù)字電壓表頭顯示的數(shù)據(jù)為0V，完成修刻電流參數(shù)的設(shè)置；然后，啟動(dòng)激光器步進(jìn)電機(jī)調(diào)整激光器焦距，使其焦距對(duì)準(zhǔn)在薄膜電阻外邊緣（或內(nèi)邊緣），根據(jù)修刻方案來(lái)定，可以是沿外邊緣修刻，也可以沿內(nèi)邊緣修刻，這樣完成薄膜電阻修刻前的零位調(diào)整和準(zhǔn)備工作。

正式開(kāi)始修刻時(shí)，點(diǎn)啟動(dòng)按鈕后，在修刻工作臺(tái)步進(jìn)電機(jī)開(kāi)始工作的同時(shí)，激光器也同步開(kāi)始工作，修刻工作臺(tái)步進(jìn)電機(jī)在單片機(jī)的控制下，通過(guò)測(cè)量傳感器輸出端電壓與參考電壓，并經(jīng)由電壓比較器實(shí)時(shí)比較，當(dāng)電位一致時(shí)停止對(duì)電位器的修刻并驅(qū)動(dòng)修刻工作臺(tái)步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作，往下一個(gè)修刻點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，完成一個(gè)修刻點(diǎn)的操作過(guò)程。

為了保證足夠的修刻精度，需要精確設(shè)計(jì)整個(gè)修刻周期內(nèi)的各個(gè)修刻點(diǎn)位置，應(yīng)根據(jù)傳感器薄膜電阻有效作用角度在342-346°（344±2°），為了滿足不同的修刻精度要求，以中間值344°為準(zhǔn)，在一個(gè)周期內(nèi)設(shè)計(jì)40、80、400、800個(gè)修刻點(diǎn)，每次步進(jìn)8.6°、4.3°、0.86°、0.43°，來(lái)設(shè)計(jì)一個(gè)周期內(nèi)的修刻角度-電壓表，以達(dá)到0.01%、0.05%、0.1%和0.5%等不同的修刻精度。當(dāng)角度-電壓表中的數(shù)據(jù)被完整地修刻和比較一遍后，即完成一個(gè)修刻周期。由于薄膜電阻有效行程存在±2°的誤差，為了保證整個(gè)量程范圍內(nèi)的一致性，在修刻到最后一步后應(yīng)判斷是否對(duì)整個(gè)薄膜電阻完成了修刻，如果還有部分未修刻，則應(yīng)繼續(xù)以0.5°的步角修刻4步，直到全部修刻到為止。

3 修刻控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

激光全自動(dòng)修刻機(jī)主要由機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)兩部分組成。機(jī)械系統(tǒng)包括自動(dòng)裝夾機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)修刻工作臺(tái)、激光器和機(jī)架等，是實(shí)現(xiàn)修刻的實(shí)體。控制系統(tǒng)包括硬件和軟件，本文主要研究控制系統(tǒng)部分。

3.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)硬件主要包括單片機(jī)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、電壓比較器和高精度恒流源等幾部分。

3.1.1 高速單片機(jī) 本系統(tǒng)采用STC12C5410單片機(jī)，此為1T的兼容8051內(nèi)核單片機(jī)，是高速／低功耗的新一代8051單片機(jī)，全新的流水線／精簡(jiǎn)指令集結(jié)構(gòu)，內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，內(nèi)置ROM空間有10KB，內(nèi)置RAM空間有512B，運(yùn)行速度較普通的兼容8051內(nèi)核單片機(jī)要快6-8倍多，滿足控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要。

3.3.2 數(shù)模轉(zhuǎn)換器 采用DAC1210數(shù)模轉(zhuǎn)換器，它是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司制造的大規(guī)模集成電路。是國(guó)際市場(chǎng)上技術(shù)較先進(jìn)、集成度高且價(jià)格低廉的12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器。由于DAC1210系列D／A轉(zhuǎn)換器的邏輯電平與CPU兼容，其內(nèi)部的兩級(jí)鎖存器可視為兩級(jí)外部輸出端口，可直接與CPU系統(tǒng)總線連接，因此可方便地與8080、8048、8085及Z80等通用微機(jī)實(shí)現(xiàn)配接。包括兩級(jí)數(shù)據(jù)鎖存器和12位相乘型D／A轉(zhuǎn)換器。第1級(jí)輸入鎖存器分成高8位和低4位兩個(gè)鎖存器，可以高8位和低4位一次輸入鎖存，也可以僅輸入低4位。第2級(jí)是一個(gè)12位的DAC寄存器，數(shù)據(jù)輸入后立即送D／A轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出模擬電流信號(hào)，需用運(yùn)算放大器將電流輸出轉(zhuǎn)換為電壓輸出。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用單極性電壓輸出方式，輸出電壓精度為2.44mV。

3.1.3 電壓比較器 主要實(shí)現(xiàn)輸出量數(shù)值與規(guī)定的基準(zhǔn)值相比較的功能，以產(chǎn)生一個(gè)差值信號(hào)（誤差信號(hào)）。在系統(tǒng)中比較兩個(gè)電壓的大小，當(dāng)“＋”輸入端電壓高于“-”輸入端時(shí)，電壓比較器輸出為高電平；反之，當(dāng)“＋”輸入端電壓低于“-”輸入端時(shí)，電壓比較器輸出為低電平；以此信號(hào)來(lái)供給步進(jìn)電機(jī)控制器，控制步進(jìn)電機(jī)模組的轉(zhuǎn)角與進(jìn)退刀操作。系統(tǒng)中使用uA741作為電壓比較器核心器件［5］。

3.1.4 高精度恒流源 這里采用經(jīng)典恒流源設(shè)計(jì)電路，使用uA741運(yùn)放芯片作為恒流源核心芯片設(shè)計(jì)，外部使用8.2V穩(wěn)壓二極管作為恒流源的基準(zhǔn)電壓，通過(guò)對(duì)反饋電壓的比較，經(jīng)兩級(jí)復(fù)合三極管驅(qū)動(dòng)輸出穩(wěn)定的電流。在本系統(tǒng)中，使用不同的負(fù)載反饋電阻，可以通過(guò)多檔旋轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)選擇不同的恒流源檔進(jìn)行使用，電路圖如圖2所示。

圖2 恒流源電路

3.1.5 步進(jìn)電機(jī)控制器 采用步進(jìn)電機(jī)可編程控制器AKS-01Z，任意可編程（可實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜運(yùn)行：定位控制和非定位控制）；工作狀態(tài)可以自由設(shè)定為自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，手動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，程序編輯狀態(tài)，參數(shù)設(shè)定狀態(tài)；參數(shù)設(shè)定功能上可設(shè)定起跳頻率、升降速曲線、反向間隙、手動(dòng)長(zhǎng)度、手動(dòng)速度、中斷跳轉(zhuǎn)行號(hào)和回零速度；可任意插入、刪除可修改程序。具有跳轉(zhuǎn)行號(hào)、數(shù)據(jù)判零、語(yǔ)句條數(shù)超長(zhǎng)和超短的判斷功能等等多項(xiàng)功能，使用非常方便。

3.1.6 步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng) 本系統(tǒng)中步進(jìn)電機(jī)選擇的是42BYG0.9兩相0.9°的步進(jìn)電機(jī)，它通過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)角度的精確控制。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器選擇的是SH-215B細(xì)分驅(qū)動(dòng)器，它采用美國(guó)高性能專用微步距電腦控制芯片，細(xì)分?jǐn)?shù)可根據(jù)用戶需求專門設(shè)計(jì)，開(kāi)放式微電腦可根據(jù)用戶要求把控制功能設(shè)計(jì)到驅(qū)動(dòng)器中，組成最小控制系統(tǒng)。該控制器適合驅(qū)動(dòng)中小型的任何兩相或四相混合式步進(jìn)電機(jī)。由于采用新型的雙極性恒流斬波技術(shù)，使電機(jī)運(yùn)行精度高，振動(dòng)小，噪聲低，運(yùn)行平穩(wěn)。輸入電壓＋12V—＋36V，典型值為＋24V，斬波頻率大于35kHz；輸入信號(hào)與TTL兼容，可驅(qū)動(dòng)兩相或四相混合式步進(jìn)電機(jī)；雙極性恒流斬波方式，光電隔離信號(hào)輸入，當(dāng)脈沖信號(hào)停止延遲1s后，電機(jī)電流自動(dòng)減半，可減少發(fā)熱；細(xì)分?jǐn)?shù)可選：2、4、8、16、32、64，驅(qū)動(dòng)電流可由開(kāi)關(guān)設(shè)定，最大驅(qū)動(dòng)電流1.68A／相［6］。

3.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

修刻過(guò)程主要由單片機(jī)主控板和步進(jìn)電機(jī)控制器對(duì)轉(zhuǎn)角步進(jìn)電機(jī)和激光器進(jìn)退進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)。首先，被修刻薄膜電阻裝夾到修刻工作臺(tái)上，然后根據(jù)修刻精度要求選擇修刻點(diǎn)數(shù)；其次，啟動(dòng)修刻控制系統(tǒng)，進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整零位，并完成激光器對(duì)焦；第三，開(kāi)始按照選定的點(diǎn)數(shù)進(jìn)行修刻，其修刻過(guò)程就是按照角度-電壓關(guān)系數(shù)據(jù)表進(jìn)行逐點(diǎn)修刻和實(shí)時(shí)檢測(cè)，具體修刻過(guò)程的軟件流程如圖3所示。

圖3 修刻過(guò)程軟件流程圖

4 結(jié) 語(yǔ)

基于單片機(jī)控制的激光修刻機(jī)集單片機(jī)控制技術(shù)、數(shù)模轉(zhuǎn)換技術(shù)、步進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)和激光微加工技術(shù)于一體，該系統(tǒng)大大提高了傳感器薄膜電阻的修刻精度和生產(chǎn)效率，極大地降低了生產(chǎn)勞動(dòng)強(qiáng)度。修刻系統(tǒng)經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)一段時(shí)間的實(shí)驗(yàn)試用，證明了控制方案的可行性，而且工作的可靠性和穩(wěn)定性都較好，經(jīng)修刻后測(cè)量得到的精度也較高。經(jīng)修刻后的傳感器薄膜電阻輸出線性度值能達(dá)到設(shè)定值，修刻速度在4分鐘每個(gè)左右，完全滿足起初設(shè)定的技術(shù)指標(biāo)要求。

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