摘 要：針對高速拉絲機對拉絲模孔型結構的嚴格要求及拉絲模具生產和維修過程的需要，設計并研制了一套實用的拉絲模孔型測量儀。經過半年多的使用表明，拉絲模孔型測量儀使用方便、性能穩定，拉絲生產線上模具的損耗量大幅度下降。
關鍵詞：拉絲模；孔型測量儀；單片機
拉絲模是鋼絲拉拔生產的關鍵工具，它的質量水平直接影響鋼絲質量、模具損耗、能耗和制品生產的經濟效益。模孔結構及各部尺寸是模具質量的關鍵參數，特別是在高速拉絲機中，孔型結構不符合設計要求，將嚴重影響模具的壽命和拉絲機的拉拔速度。這就要求模具在生產過程中，操作者要及時掌握這些參數，以便進行必要的研磨修正，從而提高產品質量。
目前，金屬制品行業通常采用將塑料膠液體澆注到模孔內，待凝固后取出，在投影儀下測取各部位尺寸，這種方法速度慢、精度差，不適應大規模生產的要求。據此，我們研制了一種基于單片機的拉絲模孔型快速測量儀，該機能迅速準確、方便直觀地讀取拉絲模孔內的各部尺寸，滿足了金屬制品行業拉絲模研究設計、制造檢驗的需要。
1 系統結構設計
1．1 拉絲模孔的結構特點
拉絲模孔的軸向剖面如圖1所示，由入口錐A、壓縮錐B、定徑帶C和出口錐D四部分組成。模具在生產過程中，要控制的參數有模孔沿軸向各部的幾何尺寸以及錐角2β,2α,2γ等。因此，模孔型測量的關鍵問題是尋找合適的方法將孔型沿徑向的變化（位移）測量出來，由于模孔定徑帶的最小直徑為0.2mm，一般的測量方法無法實現內孔參數的直接測量。 
圖1 拉絲模的軸向剖面圖
1.2 測量系統的結構設計
為了快速準確地測量拉絲模孔型結構，我們設計了一種模孔型測量機構，如圖2所示，由可移動的模具平臺、測量探針、位移傳感器和測控電路等組成。測量探針2一端尖細，可以深入到拉絲模孔內，中部可繞固定支座3轉動，另一端通過一懸絲4和位移傳感器相連。7為模具平臺，用來放置拉絲模，平臺下固定一直流電機5，經過齒輪減速后帶動絲杠6轉動，并帶動模具平臺沿模具的的軸向直線勻速運動。測量時，將模具1放于平臺上，探針輕置于拉絲模入口錐的邊沿，起動電機帶動模具向右勻速移動。被測拉絲模孔型的微小變化，由位移傳感器轉化為電壓信號輸出。通過測量這一電壓，拉絲模的孔型結構及各部尺寸被測量出來。測量結果可以通過液晶顯示，也可通過串行口送入上位計算機進行分析和數據保存。 
圖2 模孔測量機構結構圖
1—模具；2—測量探針；3—支座；4—懸絲；5—電機；6—絲杠；7—平臺
2 電路硬件設計
系統以單片機為核心、包括傳感器及信號調理模塊、電機控制模塊、串行通信模塊、鍵盤及顯示模塊等部分組成。其結構如圖3所示，電路設計主要解決好以下幾個問題。
2.1 數據采集的精度
為了保證系統的精度，我們采取了以下措施：
（1）選擇了結構簡單、工作可靠、靈敏度高、線性好的FX-31型交流差動傳感器（LVDT），其最高分辨率可達到0.1mV，頻率響應在幾百到幾千赫茲內，能很好地滿足模孔測量的需要。 
圖3 系統電路結構圖
（2）信號調理電路采用單片式限位移差動變壓器信號調節器AD598。AD598與LVDT配合，能夠將LVDT的機械位置轉換成單極性或雙極性輸出的高精度直流電壓。與傳統的方法相比，它不需要恒定的幅值和頻率的激勵信號，不需要補償LVDT原方與副方的相位偏移及溫度、頻率變化造成的偏移等。具有精度高、穩定性好的特點。
（3）單片機采用Analog公司新推出的ADμC812。內部集成了12位逐次逼近的ADC轉換器。由于ADμC812在出廠前對A/D轉換器進行了校正，并且在使用中還可以通過軟件對A/D轉換器進一步校正，可以保證系統中A/D轉換具有高的精度。
2.2 與上位機的通信
通信電路由MAX232和MAX491組成，通過MAX232接口可以和計算機交換數據，由MAX491構成485接口可組成一個小的局域網，實現生產車間內多個測量儀和上位機的數據交換。從而實現產品質量的跟蹤管理，為車間的質量考評提供依據。
2.3 顯示電路
在研磨過程中，操作工需要及時地了解模孔結構，以便進行下一步的操作。通過顯示電路可以顯示出模型的結構曲線及各個參數。顯示電路采用大規模集成電路并帶有驅動器和控制器的點陣型液晶模塊KS0713。它直接受單片機控制，接收8個并行數據，可將數據顯示并存貯在模塊內的數據存貯器內（DDRAM）。由于DDRAM中數據顯示與液晶屏的點陣單元存在一一對應關系，漢字及孔型結構曲線是在液晶上將相應的點陣顯示。
2.4 電機控制
系統測量中，根據不同的工藝要求，模具平臺需要以不同的恒定速度平穩移動。這里使用微型直流電機帶動平臺運動，其控制電路采用TEMIC公司生產的直流負載脈寬調制（PWM）功率控制器U2352B。控制信號來自于ADμC812內置的D/A轉換器，由于U2352B采用了脈寬調制方法控制電機的速度，具有控制范圍寬，精度高的特點。
3 軟件設計
整個系統軟件是模塊化設計，主要由主程序、數據采集子程序、數據處理子程序、參數設定子程序、顯示子程序和通信子程序等組成。主程序完成對整個系統工作管理任務，包括初始化程序，鍵盤／顯示管理程序等；數據采集子程序配合系統硬件實現對被測信號的采集；數據處理子程序包括數據濾波、數據分段、數值計算等程序；參數設定子程序用于設定各種測量參數（采樣時間，模具長度等）。顯示子程序分別用來顯示設定、測量、計算的數值及曲線。由于數據處理采用了最小二乘法對數據進行分段線性擬合，計算量比較大，而且數據范圍也較寬，因此本系統軟件在數值計算上采用了多字節、浮點數計算。
4 技術指標
•拉絲模的內徑測量范圍：0.2～15mm；
•測量精度：0.01mm；
•模具平臺行進速度設定范圍：0.1～5mm/s；
•與上位機的通信速度：最大115.2Kb/s；
•設有模具到位限制開關，回程自校準等功能。
5 結論
與國外相比，我國拉絲模生產技術目前仍停留在20世紀50～60年代的水平，拉絲模的孔型設計、生產工藝、制模設備、檢測儀器都比較落后。拉絲模孔型測量儀于2003年12月在咸陽鋼管鋼繩有限責任公司生產中的試驗表明，拉絲模孔型測量儀使用方便、性能穩定。經過半年多的使用，拉絲生產線上模具的損耗量大幅度下降，日常維護維修量也明顯減少。
拉絲模孔型測量儀在模具設計、生產和維修過程的使用，對提高我國拉絲模具的生產水平，提高拉絲機的拉拔速度和生產效益有重要意義。