基于單片機技術的全自動橫切機研制

時間：2008-04-18 10:25:00

關鍵字：單片機技術全自動橫切機基于單片機 BSP

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[導讀]本文根據(jù)薄帶材切割要求，設計了一種用單片機AT89C51作為控制核心的全自動橫切機。

摘要：本文根據(jù)薄帶材切割要求，設計了一種用單片機AT89C51作為控制核心的全自動橫切機。該機用單片機控制變頻器實現(xiàn)主電機調(diào)速，采用步進電機送料、編碼器反饋，用接近傳感器和計數(shù)器實現(xiàn)計數(shù)、分組。適用于黃金、白銀、銅等貴重金屬切斷。

1 研究目的和意義

隨著家電工業(yè)、汽車工業(yè)、裝潢業(yè)的迅速發(fā)展，市場對精整薄材、帶材及箔材的需求日益擴大，對成品薄帶材及箔材的精度要求也越來越高，開發(fā)研制高精度薄、帶、箔材的精整設備是市場的需要。

在帶材的加工過程中，常需要把一卷料定長切斷，誤差要??；落料張數(shù)能自動計數(shù)，自動分組；切斷時能自動壓緊，連續(xù)切斷。進料、壓緊、切斷都必須按一定的先后順序循環(huán)往復。對于這樣的控制要求，傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)很難實現(xiàn)?？上驳氖牵S著單片機、PLC技術的發(fā)展，傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)逐漸被新型智能控制系統(tǒng)取代。鑒于PLC比單片機成本高，且輸入輸出點數(shù)受到限制，在本文中，筆者主要研究應用單片機技術的全自動橫切機，分別對其機械結構和控制系統(tǒng)進行了設計。

2 全自動橫切機總體要求

2.1 機械系統(tǒng)要求

根據(jù)所切帶料薄而軟的特點，送料機構的送料長度不能采用機械擋塊來定位。要求在切斷過程中必須對帶料進行壓緊。由于切斷長度不同，故送料機構所花的時間不同。因此，對切刀來回運動的速度要求可調(diào)。

2.2控制系統(tǒng)要求

手動輸入所要求的送料長度、每一組的落料張數(shù)和總的落料組數(shù)。自動控制送料長度；當送料長度到達設定值后，自動先壓緊再切斷。當托盤的落料張數(shù)達到設定張數(shù)時，自動卸料。加工過程中，能對已切帶料的總組數(shù)和每組帶料的已切張數(shù)實時顯示。設定參數(shù)可查詢和異常報警。具備斷電保護和來電恢復功能。保證加工精度和效率，操作簡單方便。

3 具體方案設計與實現(xiàn)

3.1 機械結構組成及電氣控制工作原理

自動橫切機機械結構組成如圖1所示；以單片機為核心的電氣控制原理框圖如圖2所示。具體工作過程：

① 通電：由鍵盤輸入所切帶料長度、每組的落料張數(shù)等參數(shù)。點擊RUN按鈕，系統(tǒng)自動運行。

② 啟動主電機：單片機發(fā)出控制信號，通過光電隔離，使中間繼電器KA1得電，變頻器正轉(zhuǎn)控制端子接通，啟動主電機，帶動偏心輪轉(zhuǎn)動，再通過連桿帶動上切刀和壓料機構作上下往復運動。

③ 接近傳感器檢測剪切刀零位：剪切刀零位定在，剪切刀向上移動過程中，壓緊機構剛好松開的位置。剪切刀退到零位后，繼續(xù)往上走，直到偏心轉(zhuǎn)過極限位置再回程。

④ 送料：接近傳感器檢測到零位后，輸出一個脈沖信號到單片機，單片機產(chǎn)生中斷。在中斷服務程序中，利用剪切刀從零位退到上極限位置后再返回下行到零位的時間，啟動步進電機，帶動送料滾筒送料，送到要求長度時停止。

⑤ 壓緊與切斷：上剪切刀通過零位后繼續(xù)下行，通過壓料機構的彈簧和壓塊先壓緊帶料，然后剪切刀下行剪斷帶料。剪斷帶料后，剪切刀繼續(xù)下行到下極限位置，然后返回，到達零位時，壓緊機構松開，啟動下一次步進電機送料。如此循環(huán)往復。

⑥ 計數(shù)：單片機收到接近傳感器的脈沖信號，既是剪切刀的零位信號，又是落料張數(shù)信號。通過單片機計數(shù)器記錄其脈沖數(shù)即可記錄落料張數(shù)。

⑦ 卸料：落料張數(shù)達到設定值時，計數(shù)器中斷，在中斷服務程序中發(fā)信號給中間繼電器KA2，啟動卸料電機，實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)卸料。并進入下一組的工作循環(huán)。

3.2 控制系統(tǒng)分析與設計

3.2.1主電機控制單元

為了保證加工過程的連續(xù)性和生產(chǎn)效率，切刀必須連續(xù)不斷地工作，同時因切斷長度不同，步進電機送料所花時間不一樣，故主電機應持續(xù)通電，且能夠調(diào)速以適應不同切斷長度需要?？紤]此要求，本設計中主電機采用三相交流電機，并選用具有高效率驅(qū)動和良好控制特性的變頻器進行調(diào)速控制。變頻器的頻率給定，由單片機根據(jù)鍵盤輸入長度計算給出數(shù)字量，再經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換成電壓信號，送入變頻器控制端子的電壓信號輸入端。變頻器的主電路及控制電路如圖3所示。

3.2.2 送料電機和卸料電機控制單元

送料需要精確定長，所以采用步進電機送料。步進電機帶動送料滾筒轉(zhuǎn)動，壓緊滾筒

圖3 變頻器主電路及控制電路

在彈簧作用下將帶料夾緊在兩滾筒之間，由送料滾筒帶動送料。在送料過程中，影響送料精度的因素主要有：第一，步進電機可能出現(xiàn)的丟步；第二，送料滾筒和帶料之間可能存在打滑現(xiàn)象。為了克服這兩個問題，考慮到壓緊滾筒與帶料之間不存在打滑，故在壓緊滾筒的軸上裝一個旋轉(zhuǎn)編碼器來檢測壓緊滾筒的轉(zhuǎn)角，從而反饋送料長度。如與設定值不同，再次啟動步進電機，以修正由于丟步或打滑所產(chǎn)生的送料誤差，從而獲得較高的送料精度。

卸料電機采用普通三相交流電機，當每組張數(shù)達到設定值時，由單片機發(fā)出信號給中間繼電器KA2，KA2常開觸點閉合，啟動卸料電機，實現(xiàn)轉(zhuǎn)位卸料。

3.2.3 單片機控制模塊單元

單片機控制模塊單元包括硬件設計和軟件設計。其中考慮到系統(tǒng)的可靠性、安全性以及安裝的方便性，控制器硬件設計分為：主板、鍵盤顯示及輸出驅(qū)動三部分。

① 硬件設計

主板負責完成信號的采集、傳輸和處理，其主要部件有：單片機AT89C51、看門狗芯片MAX692、擴展接口芯片8255和數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC0832等。AT89C51主要用于信號的采集，數(shù)據(jù)處理、控制信號的輸出等，它是整個控制設備的核心。由于單片機自身的抗干擾能力差，尤其是在一些條件比較惡劣、噪聲大的場合，常會由于外界干擾而死機。因此采用看門狗芯片MAX692。MAX692具有后備電池切換、掉電判別、看門狗監(jiān)控等功能。在系統(tǒng)遇到干擾，程序跑飛時對系統(tǒng)復位。接口擴展芯片主要用于鍵盤輸入與LED顯示。DAC0832用于把單片機輸出的數(shù)字控制信號轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號，以給定變頻器頻率。

鍵盤完成加工參數(shù)以及干預信號的輸入，通過對自動橫切機的整個生產(chǎn)過程分析，設置16個按鍵，可用薄膜開關矩陣鍵盤，急停按鈕單獨列出于方便操作的部位?？紤]該系統(tǒng)顯示功能要求不高，顯示器采用一般的LED八段碼就能滿足要求，需要顯示6位數(shù)字，其中2位用于顯示組數(shù)，其余4位用于適時顯示每組的切斷張數(shù)。

輸出驅(qū)動部分完成控制信號的輸出和功率放大，驅(qū)動各執(zhí)行元件工作。在輸出板上的電路有變壓器電路，繼電器驅(qū)動電路、步進電機驅(qū)動電路。變壓器將220V強電轉(zhuǎn)換為24V、12V和5V弱電，為單片機和步進電機提供電源。交流接觸器用于對強電回路進行控制，其觸點接于電源與變頻器之間，控制信號來源于變頻器啟動按鈕SB2。步進電機的驅(qū)動電路用于光電隔離和功率放大，以弱電信號控制強電信號，實現(xiàn)對步進電機的驅(qū)動。

硬件部分所需主要元器件如表1所示。

② 軟件設計：

根據(jù)自動橫切機的自動化過程，采用模塊化結構設計。為了保證加工尺寸的精度，步進電機設有加減速控制，同時還帶有編碼器反饋。設計掉電保護程序，保存工作狀態(tài)信息和加工參數(shù)，以便恢復生產(chǎn)。其程序流程如圖4所示：

3.3 系統(tǒng)電源配置

圖4 程序流程

為了保證系統(tǒng)可靠工作，單片機的電源與外部控制通道的電源必須隔離。本設計中將220V交流電通過變壓器變壓得到5V、12V及24V交流電，24V交流電用于機床照明，5V、12V交流電再經(jīng)整流、濾波、穩(wěn)壓得到5V、12V直流電。其中5V為單片機供電，12V為繼電器供電。步進電機的電源根據(jù)需要單獨配置。

表1 元器件列表

名稱	型號	功能
單片機	AT89C51	中央控制器
數(shù)模轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器	DAC0832	數(shù)模轉(zhuǎn)換
接口擴展芯片	8255	擴展I/O口
LED數(shù)碼管	四聯(lián)和兩聯(lián)	顯示參數(shù)
看門狗芯片	MAX692	斷電保護和程序復位
按鍵	矩陣鍵盤	輸入?yún)?shù)
光電耦合器	TLP521	光電隔離
地址鎖存器	74LS373	鎖存地址
變壓器	24V/12V/5V輸出	為單片機和步進電機驅(qū)動電路提供電源。
接近傳感器	SIEN-M8B	檢測切刀零位和張數(shù)