基于單片機技術(shù)的全自動(dòng)橫切機研制

摘要：本文根據薄帶材切割要求，設計了一種用單片機AT89C51作為控制核心的全自動(dòng)橫切機。該機用單片機控制變頻器實(shí)現主電機調速，采用步進(jìn)電機送料、編碼器反饋，用接近傳感器和計數器實(shí)現計數、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(zhù)家電工業(yè)、汽車(chē)工業(yè)、裝潢業(yè)的迅速發(fā)展，市場(chǎng)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(lái)越高，開(kāi)發(fā)研制高精度薄、帶、箔材的精整設備是市場(chǎng)的需要。

在帶材的加工過(guò)程中，常需要把一卷料定長(cháng)切斷，誤差要??；落料張數能自動(dòng)計數，自動(dòng)分組；切斷時(shí)能自動(dòng)壓緊，連續切斷。進(jìn)料、壓緊、切斷都必須按一定的先后順序循環(huán)往復。對于這樣的控制要求，傳統的控制系統很難實(shí)現?？上驳氖?，隨著(zhù)單片機、PLC技術(shù)的發(fā)展，傳統的控制系統逐漸被新型智能控制系統取代。鑒于PLC比單片機成本高，且輸入輸出點(diǎn)數受到限制，在本文中，筆者主要研究應用單片機技術(shù)的全自動(dòng)橫切機，分別對其機械結構和控制系統進(jìn)行了設計。

2 全自動(dòng)橫切機總體要求

2.1 機械系統要求

根據所切帶料薄而軟的特點(diǎn)，送料機構的送料長(cháng)度不能采用機械擋塊來(lái)定位。要求在切斷過(guò)程中必須對帶料進(jìn)行壓緊。由于切斷長(cháng)度不同，故送料機構所花的時(shí)間不同。因此，對切刀來(lái)回運動(dòng)的速度要求可調。

2.2控制系統要求

手動(dòng)輸入所要求的送料長(cháng)度、每一組的落料張數和總的落料組數。自動(dòng)控制送料長(cháng)度；當送料長(cháng)度到達設定值后，自動(dòng)先壓緊再切斷。當托盤(pán)的落料張數達到設定張數時(shí)，自動(dòng)卸料。加工過(guò)程中，能對已切帶料的總組數和每組帶料的已切張數實(shí)時(shí)顯示。設定參數可查詢(xún)和異常報警。具備斷電保護和來(lái)電恢復功能。保證加工精度和效率，操作簡(jiǎn)單方便。

3 具體方案設計與實(shí)現

3.1 機械結構組成及電氣控制工作原理

自動(dòng)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(guò)程：

① 通電：由鍵盤(pán)輸入所切帶料長(cháng)度、每組的落料張數等參數。點(diǎn)擊RUN按鈕，系統自動(dòng)運行。

② 啟動(dòng)主電機：?jiǎn)纹瑱C發(fā)出控制信號，通過(guò)光電隔離，使中間繼電器KA1得電，變頻器正轉控制端子接通，啟動(dòng)主電機，帶動(dòng)偏心輪轉動(dòng)，再通過(guò)連桿帶動(dòng)上切刀和壓料機構作上下往復運動(dòng)。

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(dòng)過(guò)程中，壓緊機構剛好松開(kāi)的位置。剪切刀退到零位后，繼續往上走，直到偏心轉過(guò)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(gè)脈沖信號到單片機，單片機產(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，帶動(dòng)送料滾筒送料，送到要求長(cháng)度時(shí)停止。

⑤ 壓緊與切斷：上剪切刀通過(guò)零位后繼續下行，通過(guò)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，剪切刀繼續下行到下極限位置，然后返回，到達零位時(shí)，壓緊機構松開(kāi)，啟動(dòng)下一次步進(jìn)電機送料。如此循環(huán)往復。

⑥ 計數：?jiǎn)纹瑱C收到接近傳感器的脈沖信號，既是剪切刀的零位信號，又是落料張數信號。通過(guò)單片機計數器記錄其脈沖數即可記錄落料張數。

⑦ 卸料：落料張數達到設定值時(shí)，計數器中斷，在中斷服務(wù)程序中發(fā)信號給中間繼電器KA2，啟動(dòng)卸料電機，實(shí)現旋轉卸料。并進(jìn)入下一組的工作循環(huán)。

3.2 控制系統分析與設計

3.2.1主電機控制單元

為了保證加工過(guò)程的連續性和生產(chǎn)效率，切刀必須連續不斷地工作，同時(shí)因切斷長(cháng)度不同，步進(jìn)電機送料所花時(shí)間不一樣，故主電機應持續通電，且能夠調速以適應不同切斷長(cháng)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動(dòng)和良好控制特性的變頻器進(jìn)行調速控制。變頻器的頻率給定，由單片機根據鍵盤(pán)輸入長(cháng)度計算給出數字量，再經(jīng)D/A轉換成電壓信號，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(cháng)，所以采用步進(jìn)電機送料。步進(jìn)電機帶動(dòng)送料滾筒轉動(dòng)，壓緊滾筒

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)電機可能出現的丟步；第二，送料滾筒和帶料之間可能存在打滑現象。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)旋轉編碼器來(lái)檢測壓緊滾筒的轉角，從而反饋送料長(cháng)度。如與設定值不同，再次啟動(dòng)步進(jìn)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，當每組張數達到設定值時(shí)，由單片機發(fā)出信號給中間繼電器KA2，KA2常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，啟動(dòng)卸料電機，實(shí)現轉位卸料。

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(pán)顯示及輸出驅動(dòng)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：?jiǎn)纹瑱CAT89C51、看門(mén)狗芯片MAX692、擴展接口芯片8255和數模轉換器DAC0832等。AT89C51主要用于信號的采集，數據處理、控制信號的輸出等，它是整個(gè)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(chǎng)合，常會(huì )由于外界干擾而死機。因此采用看門(mén)狗芯片MAX692。MAX692具有后備電池切換、掉電判別、看門(mén)狗監控等功能。在系統遇到干擾，程序跑飛時(shí)對系統復位。接口擴展芯片主要用于鍵盤(pán)輸入與LED顯示。DAC0832用于把單片機輸出的數字控制信號轉換成模擬電壓信號，以給定變頻器頻率。

鍵盤(pán)完成加工參數以及干預信號的輸入，通過(guò)對自動(dòng)橫切機的整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程分析，設置16個(gè)按鍵，可用薄膜開(kāi)關(guān)矩陣鍵盤(pán)，急停按鈕單獨列出于方便操作的部位?？紤]該系統顯示功能要求不高，顯示器采用一般的LED八段碼就能滿(mǎn)足要求，需要顯示6位數字，其中2位用于顯示組數，其余4位用于適時(shí)顯示每組的切斷張數。

輸出驅動(dòng)部分完成控制信號的輸出和功率放大，驅動(dòng)各執行元件工作。在輸出板上的電路有變壓器電路，繼電器驅動(dòng)電路、步進(jìn)電機驅動(dòng)電路。變壓器將220V強電轉換為24V、12V和5V弱電，為單片機和步進(jìn)電機提供電源。交流接觸器用于對強電回路進(jìn)行控制，其觸點(diǎn)接于電源與變頻器之間，控制信號來(lái)源于變頻器啟動(dòng)按鈕SB2。步進(jìn)電機的驅動(dòng)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(shí)現對步進(jìn)電機的驅動(dòng)。

硬件部分所需主要元器件如表1所示。

② 軟件設計：

根據自動(dòng)橫切機的自動(dòng)化過(guò)程，采用模塊化結構設計。為了保證加工尺寸的精度，步進(jìn)電機設有加減速控制，同時(shí)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，以便恢復生產(chǎn)。其程序流程如圖4所示：

3.3 系統電源配置

表1 元器件列表

4 結束語(yǔ)

全自動(dòng)橫切機，利用單片機可編程序的特點(diǎn)，讓橫切機復雜的動(dòng)作要求通過(guò)編程實(shí)現，簡(jiǎn)化硬件和控制線(xiàn)路，提高了整機的性?xún)r(jià)比。工作過(guò)程中，精確定長(cháng)切斷、自動(dòng)計數、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)強度，特別適合于黃金、白銀、銅等貴重金屬的切斷。

參考文獻

[1]齊現英，韓進(jìn)，程勇，張明海．變頻器通訊在噴油泵實(shí)驗臺中的設計與實(shí)現[J]．微計算機信息，2005，08S期：105-107

[2]王羲，董燕飛．步進(jìn)電機轉臺的控制[J]．微計算機信息，2005，2：29-30

[3]程勇．用單片機變頻器控制電動(dòng)機調速實(shí)驗的探索[J]．實(shí)驗室研究與探索，2004，10：69-70,86

[4]任翔，嵇永磊．單片機與變頻調速技術(shù)的綜合應用[J]．北華大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2006，8：374-376

[5]張亞鳴，等．基于單片機變頻調速的包裝印刷傳動(dòng)位置控制系統的研究[J]．變頻器世界，2004，11：119-121,124