基于單片機(jī)技術(shù)的全自動(dòng)橫切機(jī)研制

摘要：本文根據(jù)薄帶材切割要求，設(shè)計(jì)了一種用單片機(jī)AT89C51作為控制核心的全自動(dòng)橫切機(jī)。該機(jī)用單片機(jī)控制變頻器實(shí)現(xiàn)主電機(jī)調(diào)速，采用步進(jìn)電機(jī)送料、編碼器反饋，用接近傳感器和計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)計(jì)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(chǎng)對(duì)精整薄材、帶材及箔材的需求日益擴(kuò)大，對(duì)成品薄帶材及箔材的精度要求也越來(lái)越高，開發(fā)研制高精度薄、帶、箔材的精整設(shè)備是市場(chǎng)的需要。

在帶材的加工過(guò)程中，常需要把一卷料定長(zhǎng)切斷，誤差要??；落料張數(shù)能自動(dòng)計(jì)數(shù)，自動(dòng)分組；切斷時(shí)能自動(dòng)壓緊，連續(xù)切斷。進(jìn)料、壓緊、切斷都必須按一定的先后順序循環(huán)往復(fù)。對(duì)于這樣的控制要求，傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)很難實(shí)現(xiàn)。可喜的是，隨著單片機(jī)、PLC技術(shù)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(jī)成本高，且輸入輸出點(diǎn)數(shù)受到限制，在本文中，筆者主要研究應(yīng)用單片機(jī)技術(shù)的全自動(dòng)橫切機(jī)，分別對(duì)其機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

2 全自動(dòng)橫切機(jī)總體要求

2.1 機(jī)械系統(tǒng)要求

根據(jù)所切帶料薄而軟的特點(diǎn)，送料機(jī)構(gòu)的送料長(zhǎng)度不能采用機(jī)械擋塊來(lái)定位。要求在切斷過(guò)程中必須對(duì)帶料進(jìn)行壓緊。由于切斷長(zhǎng)度不同，故送料機(jī)構(gòu)所花的時(shí)間不同。因此，對(duì)切刀來(lái)回運(yùn)動(dòng)的速度要求可調(diào)。

2.2控制系統(tǒng)要求

手動(dòng)輸入所要求的送料長(zhǎng)度、每一組的落料張數(shù)和總的落料組數(shù)。自動(dòng)控制送料長(zhǎng)度；當(dāng)送料長(zhǎng)度到達(dá)設(shè)定值后，自動(dòng)先壓緊再切斷。當(dāng)托盤的落料張數(shù)達(dá)到設(shè)定張數(shù)時(shí)，自動(dòng)卸料。加工過(guò)程中，能對(duì)已切帶料的總組數(shù)和每組帶料的已切張數(shù)實(shí)時(shí)顯示。設(shè)定參數(shù)可查詢和異常報(bào)警。具備斷電保護(hù)和來(lái)電恢復(fù)功能。保證加工精度和效率，操作簡(jiǎn)單方便。

3 具體方案設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)組成及電氣控制工作原理

自動(dòng)橫切機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)組成如圖1所示；以單片機(jī)為核心的電氣控制原理框圖如圖2所示。具體工作過(guò)程：

①   通電：由鍵盤輸入所切帶料長(zhǎng)度、每組的落料張數(shù)等參數(shù)。點(diǎn)擊RUN按鈕，系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行。

②  啟動(dòng)主電機(jī)：?jiǎn)纹瑱C(jī)發(fā)出控制信號(hào)，通過(guò)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(dòng)主電機(jī)，帶動(dòng)偏心輪轉(zhuǎn)動(dòng)，再通過(guò)連桿帶動(dòng)上切刀和壓料機(jī)構(gòu)作上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

③ 接近傳感器檢測(cè)剪切刀零位：剪切刀零位定在，剪切刀向上移動(dòng)過(guò)程中，壓緊機(jī)構(gòu)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(guò)極限位置再回程。

④ 送料：接近傳感器檢測(cè)到零位后，輸出一個(gè)脈沖信號(hào)到單片機(jī)，單片機(jī)產(chǎn)生中斷。在中斷服務(wù)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(shí)間，啟動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，帶動(dòng)送料滾筒送料，送到要求長(zhǎng)度時(shí)停止。

⑤ 壓緊與切斷：上剪切刀通過(guò)零位后繼續(xù)下行，通過(guò)壓料機(jī)構(gòu)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(dá)零位時(shí)，壓緊機(jī)構(gòu)松開，啟動(dòng)下一次步進(jìn)電機(jī)送料。如此循環(huán)往復(fù)。

⑥ 計(jì)數(shù)：?jiǎn)纹瑱C(jī)收到接近傳感器的脈沖信號(hào)，既是剪切刀的零位信號(hào)，又是落料張數(shù)信號(hào)。通過(guò)單片機(jī)計(jì)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(dá)到設(shè)定值時(shí)，計(jì)數(shù)器中斷，在中斷服務(wù)程序中發(fā)信號(hào)給中間繼電器KA2，啟動(dòng)卸料電機(jī)，實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)卸料。并進(jìn)入下一組的工作循環(huán)。

3.2 控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)

3.2.1主電機(jī)控制單元

為了保證加工過(guò)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(shí)因切斷長(zhǎng)度不同，步進(jìn)電機(jī)送料所花時(shí)間不一樣，故主電機(jī)應(yīng)持續(xù)通電，且能夠調(diào)速以適應(yīng)不同切斷長(zhǎng)度需要?？紤]此要求，本設(shè)計(jì)中主電機(jī)采用三相交流電機(jī)，并選用具有高效率驅(qū)動(dòng)和良好控制特性的變頻器進(jìn)行調(diào)速控制。變頻器的頻率給定，由單片機(jī)根據(jù)鍵盤輸入長(zhǎng)度計(jì)算給出數(shù)字量，再經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，送入變頻器控制端子的電壓信號(hào)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(jī)和卸料電機(jī)控制單元

送料需要精確定長(zhǎng)，所以采用步進(jìn)電機(jī)送料。步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)送料滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)，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(dòng)送料。在送料過(guò)程中，影響送料精度的因素主要有：第一，步進(jìn)電機(jī)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(gè)問(wèn)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(gè)旋轉(zhuǎn)編碼器來(lái)檢測(cè)壓緊滾筒的轉(zhuǎn)角，從而反饋送料長(zhǎng)度。如與設(shè)定值不同，再次啟動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，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(jī)采用普通三相交流電機(jī)，當(dāng)每組張數(shù)達(dá)到設(shè)定值時(shí)，由單片機(jī)發(fā)出信號(hào)給中間繼電器KA2，KA2常開觸點(diǎn)閉合，啟動(dòng)卸料電機(jī)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)位卸料。

3.2.3 單片機(jī)控制模塊單元

單片機(jī)控制模塊單元包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。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(shè)計(jì)分為：主板、鍵盤顯示及輸出驅(qū)動(dòng)三部分。

① 硬件設(shè)計(jì)

主板負(fù)責(zé)完成信號(hào)的采集、傳輸和處理，其主要部件有：?jiǎn)纹瑱C(jī)AT89C51、看門狗芯片MAX692、擴(kuò)展接口芯片8255和數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC0832等。AT89C51主要用于信號(hào)的采集，數(shù)據(jù)處理、控制信號(hào)的輸出等，它是整個(gè)控制設(shè)備的核心。由于單片機(jī)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(chǎng)合，常會(huì)由于外界干擾而死機(jī)。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(shí)對(duì)系統(tǒng)復(fù)位。接口擴(kuò)展芯片主要用于鍵盤輸入與LED顯示。DAC0832用于把單片機(jī)輸出的數(shù)字控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號(hào)，以給定變頻器頻率。

鍵盤完成加工參數(shù)以及干預(yù)信號(hào)的輸入，通過(guò)對(duì)自動(dòng)橫切機(jī)的整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程分析，設(shè)置16個(gè)按鍵，可用薄膜開關(guān)矩陣鍵盤，急停按鈕單獨(dú)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(shí)顯示每組的切斷張數(shù)。

輸出驅(qū)動(dòng)部分完成控制信號(hào)的輸出和功率放大，驅(qū)動(dòng)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(dòng)電路、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。變壓器將220V強(qiáng)電轉(zhuǎn)換為24V、12V和5V弱電，為單片機(jī)和步進(jìn)電機(jī)提供電源。交流接觸器用于對(duì)強(qiáng)電回路進(jìn)行控制，其觸點(diǎn)接于電源與變頻器之間，控制信號(hào)來(lái)源于變頻器啟動(dòng)按鈕SB2。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路用于光電隔離和功率放大，以弱電信號(hào)控制強(qiáng)電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。

硬件部分所需主要元器件如表1所示。

② 軟件設(shè)計(jì)：

根據(jù)自動(dòng)橫切機(jī)的自動(dòng)化過(guò)程，采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。為了保證加工尺寸的精度，步進(jìn)電機(jī)設(shè)有加減速控制，同時(shí)還帶有編碼器反饋。設(shè)計(jì)掉電保護(hù)程序，保存工作狀態(tài)信息和加工參數(shù)，以便恢復(fù)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(jī)的電源與外部控制通道的電源必須隔離。本設(shè)計(jì)中將220V交流電通過(guò)變壓器變壓得到5V、12V及24V交流電，24V交流電用于機(jī)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(jī)供電，12V為繼電器供電。步進(jìn)電機(jī)的電源根據(jù)需要單獨(dú)配置。

 

 

表1  元器件列表

名稱	型號(hào)	功能
單片機(jī)	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(kuò)展芯片	8255	擴(kuò)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(hù)和程序復(fù)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(jī)和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路提供電源。
接近傳感器	SIEN-M8B	檢測(cè)切刀零位和張數(shù)

 

 

 

 

4 結(jié)束語(yǔ)

全自動(dòng)橫切機(jī)，利用單片機(jī)可編程序的特點(diǎn)，讓橫切機(jī)復(fù)雜的動(dòng)作要求通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)，簡(jiǎn)化硬件和控制線路，提高了整機(jī)的性價(jià)比。工作過(guò)程中，精確定長(zhǎng)切斷、自動(dòng)計(jì)數(shù)、自動(dòng)分組，無(wú)須人員參與，所以效率高，且減輕了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，特別適合于黃金、白銀、銅等貴重金屬的切斷。

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