剪板機的單片機控制設計說明書論文

- 1 - 摘要 本文根據(jù)實際工程自動化技術(shù)改造需要，完成了全自動剪板機智能控制系統(tǒng)的設計和調(diào)試。 說明書首先探討了全自動剪板機智能控制系統(tǒng)的實現(xiàn)方案，根據(jù)實際需要，在常規(guī)的 PLC控制和單片機控制中選擇了以單片機為主的控制方案。 然后分析了單片機在自動控制系統(tǒng)的應用，對硬件電路中的主要環(huán)節(jié)：如輸入輸出接口的擴展、鍵盤和顯示器電路、步進電機的驅(qū)動控制、繼電器及 CPU監(jiān)控器 X25045電路等給出設計思路和具體實現(xiàn)方法。對軟件設計中的主要環(huán)節(jié)：如編程器仿真器環(huán)境、控制軟件流程、主要功能模塊實現(xiàn)方法、軟件調(diào)試等進行了論述。 考 慮到自動控制系統(tǒng)在實際工作環(huán)境中的可靠性和安全性，在硬件設計和軟件編程中采取了抗干擾措施，如采用監(jiān)控器芯片、設計檢測工作狀態(tài)程序等。 在設計自動控制系統(tǒng)的時侯，同時考慮今后技術(shù)改進和推廣的需要，為系統(tǒng)的擴展留下了余地。 關鍵詞 ： 自動剪板機 自動控制 單片機系統(tǒng) 硬件設計 軟件編程 - 2 - Abstract According to the requirement of improving actual engineering automatic technology, the exploitation and debugging of the intelligent controlling system on complete automation board shears were finished in this paper. Firstly,the implement scheme of intelligent controlling system on complete automation board shears is discussed.according to the practical needs and requirement of clients,the SCM controller was chosen as main control scheme between the conventional PLC controller and SCM controller. Secondly,the executing organ needed in the automatic controlling system is analysed and then thedesign of mechanical part,such as the organ of feeding,the organ of precise length set and the organ of charge and discharge, is also finished. Finally, the application of SCM in the intelligent controlling system was analyzed. The designing idea and specific implement methods of the important section of hardware such as the expanding of I/O interface, the circuit of keyboard and display, the driving controller of step-by-step electric machinery, the circuit relya and CPU monitor were given. The main section of software such as the environment of programming editor and emulator, the flow chart of controller software, the implement methods of primary function module and the debugging of software wer discussed Considering the reliability and security of intelligent controlling system in the practical working environment, anti-jamming measure was adopted,such as usisng the COMS chip and designing the program to inspect working state etc. After it was debugged, the practical effect is very good. When designing the intelligent controlling system, the requirements of technology improvement and spread are also considered, which leaves the space for the extending of system. Keywords: complete automation board shears automatic control SCM system hardware designing software programming - 3 - 目 錄 摘要 . 1 Abstract . 2 第一章 緒論 . 1 1.1 課題背景 . 1 1.2 課題研究目的與意義 . 1 1.3 低成本自動化概述 . 2 1.4 智能控制理論的發(fā)展及其應用現(xiàn)狀 . 3 1.5 本課題的研究任務和工作 . 5 第二章 系統(tǒng)方案分析 . 7 2.1 總體方案分析 . 7 2.2 控制系統(tǒng)實現(xiàn)的總體設想 . 9 第三章 步進電機的單片機控制技術(shù) . 13 3.1 概述 . 13 3.2 步進電機的選用 . 13 3.3 步進電機的驅(qū)動電路設計 . 17 3.4 步進電機的單片機控制 . 19 3.5 步進電機加減速控制查表法設計 . 26 第 四 章 控制系統(tǒng)硬件電路 設 計 . 35 4.1 系統(tǒng)硬件電路的基本組成 . 35 4.2 系統(tǒng)硬件電路設計原則 . 35 4.3 AT89C51單片機芯片簡介 . 36 4.4 控制系 統(tǒng)擴展接口設計 . 37 4.5 主板硬件電路設計 . 39 4.6 輸入電路設計 . 43 4.7 輸出電路設計輸出電路分為三部分 ： . 45 4.8 抗干擾電路設計 . 47 4.9 其它電路設計 . 48 第 五 章 軟件設計 . 49 5.1 匯編語言及編程環(huán)境簡介 . 49 5.2 系統(tǒng)程序設計 . 50 5.3 X25045程序模塊設計 . 58 5.4 軟件抗干擾設計 . 59 第 六 章 結(jié)論 . 62 參考文獻 . 64 致謝 . 65 附錄：英 文技術(shù)資料及翻譯 . 66 第 1 頁 共 74 頁 第一章 緒 論 1.1 課題背景 自動化技術(shù)是本世紀以來發(fā)展極其迅速和影響極大的科學技術(shù)之一。現(xiàn)代自動化技術(shù)是一種完全新型的生產(chǎn)力，是直接創(chuàng)造社會財富的重要手段，對人類的生產(chǎn)活動和物質(zhì)文明起著巨大的推動作用。因此，受到世界各國的廣泛重視和越來越多的應用。 機械自動化，主要指在機械制造業(yè)中應用自動化技術(shù)，實現(xiàn)加工對象的連續(xù)自動生產(chǎn)，實現(xiàn)優(yōu)化有效的自動生產(chǎn)過程，加快生產(chǎn)投入物的加工變換和流動速度。機械自動化技術(shù)的應用與發(fā)展，是機械制造業(yè)技術(shù)改造、技術(shù) 進步的主要手段和技術(shù)發(fā)展的主要方向。機械自動化的技術(shù)水準，不僅影響整個機械制造業(yè)的發(fā)展，而且對國民經(jīng)濟各部門的技術(shù)進步有很大的直接影響。因此，發(fā)展我國的機械制造業(yè)自動化技術(shù)，符合我國社會主義的基本原則，符合我國現(xiàn)代生產(chǎn)的發(fā)展規(guī)律。 發(fā)展我國的機械自動化技術(shù) .應實事求是，一切從我國的具體國情出發(fā)，走中國的機械自動化技術(shù)發(fā)展之路。當前，我國機械制造業(yè)中自動化裝備少、水準低，不僅在數(shù)量上同世界先進國家有較大差距，而且在品種上、質(zhì)量上、應用上，同世界先進水準也存在階段性差距。在這種國情下，要把龐大的勞動力大軍從機械 制造業(yè)生產(chǎn)崗位上撤下來，投入巨額資金改造現(xiàn)有的大量落后設備和研制大量的現(xiàn)代自動化裝備及控制裝置，在科學技術(shù)水準和人員素質(zhì)不太高的情況下采用先進的技術(shù)裝備，都是不現(xiàn)實的。而大力發(fā)展低成本自動化技術(shù)，卻是潛力大，前景廣，投資省，見效快，可以收到事半功倍的經(jīng)濟效果，適合我國現(xiàn)階段的發(fā)展需要和國情。 我國機械制造業(yè)存在大量的通用設備，在發(fā)展現(xiàn)代機械自動化技術(shù)時，可以應用微電子技術(shù)改造這些已有通用設備。比如用數(shù)顯、數(shù)控裝置改造通用設備，提高單機自動化程度；用可編程序控制器改造通用機床、專用機床、組合機床及其自動設備與半自動設備組成的生產(chǎn)線，這樣可以把計算機功能完備、編程靈活、適應性強的優(yōu)點和繼電器控制簡單、抗干擾能力強、價格便宜等優(yōu)點結(jié)合起來。這是一條低成本、高效益、符合我國國情的機械自動化技術(shù)發(fā)展應用新途徑。 1.2 課題研究目的與意義 以計算機為核心的自動化技術(shù)是我國工業(yè)重點發(fā)展的高科技領域之一。工業(yè)自動化技術(shù)是推動我國科技進步、推動國民經(jīng)濟發(fā)展的重要手段。不斷采用最新的電子信息技術(shù)來裝備和改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，是我國進行現(xiàn)代化建設的必由之路。 上世紀 80年代后期，隨著單片機技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)機械設備的控制柜逐漸被新一第 2 頁 共 74 頁 代的智 能化儀表所代替。對于日益復雜的控制功能，傳統(tǒng)控制柜顯得無能為力，而單片機具有可編程序的特點，運行時可以根據(jù)要求，自動選擇控制算法，適應性強；單片機采用以軟件代替硬件的方法，可以簡化線路，使儀器的性能價格比不斷提高。本文的研究目的，在于探索在板材加工中，應用單片機控制技術(shù)，實現(xiàn)板材加工的自動控制。 在板材加工系統(tǒng)中，板料長度檢測、板料進料、壓緊、走刀、落料、長度調(diào)整等過程必須按一定的節(jié)拍一定的控制精確度動作。而且，不同長度、不同厚度、不同材料的扳材，各動作行程、先后順序、刀具位置等要求都不一樣。對于這樣的控制 要求，傳統(tǒng)控制柜很難實現(xiàn)，采用 PLC控制器價格又高，一些中小企業(yè)就采用人工控制，這不僅影響產(chǎn)品的質(zhì)量，而且加工車間噪聲大、粉塵多，操作人員的勞動條件十分惡劣。 隨著現(xiàn)代控制理論的發(fā)展和計算機技術(shù)的廣泛應用，機械加工過程采用計算機控制為加工過程的規(guī)范化、標準化創(chuàng)造了條件，同時也可以大大地改善操作人員的工作環(huán)境。設各自動化是提高生產(chǎn)效率，增強競爭能力的保證。更新和改造傳統(tǒng)設備是設備實現(xiàn)現(xiàn)代化的兩個重要途徑。采用新的低成本自動化技術(shù)改造老設備，是提高企業(yè)經(jīng)濟效益的好辦法。 1.3 低成本自動化概述 設備老化是制約 技術(shù)創(chuàng)新的重要因素，應有目的，分層次地更新老設備，有重點地提高機械工業(yè)的裝備技術(shù)等級，并根據(jù)國力，結(jié)合國情，逐漸地推進機械工業(yè)向技術(shù)密集產(chǎn)業(yè)方向發(fā)展，促使勞動生產(chǎn)率的提高。 低成本自動化 (LCA Low Cost Automation)是為了適應中小企業(yè)實現(xiàn)綜合自動化的低成本自動化技術(shù)，也就是充分利用現(xiàn)有設備的潛力，以較少的投入實現(xiàn)基礎自動化或局部綜合自動化，提高生產(chǎn)效率和企業(yè)的競爭能力。這項研究領域受到越來越多人的關注。 1.3.1 低成本自動化 (LCA)主要特點 1)技術(shù)經(jīng)濟效益顯著。產(chǎn)出投入比高。投資 回收期短，一般在 1-2年內(nèi)即可全部回收投入的資金； 2)不要求對已有生產(chǎn)制造工藝過程做出重大改變，投資風險小 ; 3)實行 LCA在企業(yè)中構(gòu)成了弱聯(lián)系的自動化獨立島，需要充分發(fā)揮職工的主觀能動性； 4)能夠采用“短，平，快”的高新技術(shù)實現(xiàn) LCA。它以高效、實用和可靠為目標，不需要處處追求最新的技術(shù)成就，應該做到“少花錢，多辦事，辦好事”。 第 3 頁 共 74 頁 1.3.2 低成本自動化系統(tǒng)的設計原則 通常進行系統(tǒng)設計既要系統(tǒng)先進自動化程度高，又要投入盡可能低。要解決這個基本矛盾，必須綜合考慮多方面因素，在盡可能壓低投資成本的前提下， 按一定設計原則實施。 1)滿足需要原則。即把滿足用戶對產(chǎn)品功能及自動化水平等要求作為設計的中心任務。 2)最 小系統(tǒng)原則。即在考慮滿足要求的前提下，用最簡單的硬件、軟件，最經(jīng)濟的方法構(gòu)成系統(tǒng)，使系統(tǒng)的硬件及軟件冗余功能最小。 3)可靠性原則。即在規(guī)定條件下和規(guī)定時問內(nèi)無故障地完成某種功能的能力。 4)匹配性原則。要求系統(tǒng)各組成部分在功能和水平上盡可能接近一致，電平上相互匹配，以求功能得到充分利用。 5)標準化、系列化、通用化原則。對系統(tǒng)的元器件選擇應盡可能使用標準化、系列化、通用化產(chǎn)品或己使用過的較成熟的組件 或子系統(tǒng)。控制部分盡可能使用專用模塊、系列化的控制器及總線模塊。以求降低研制成本，縮短開發(fā)周期，增強抗干擾能力和改善維修條件等。 6)先進性原則。在滿足經(jīng)濟性能前提下，盡可能采用新的技術(shù)與方法，充分利用社會已取得的成果，如己發(fā)展成熟的新技術(shù)、新工藝及新的元器件等，使原有設備結(jié)構(gòu)更加簡單、功能更強、可靠性更高，體積重量更小更輕，操作與維修更加簡便。 1.3.3 在我國發(fā)展低成本自動化的重要性 我國工業(yè)自動化總體水平不高。由于我國對設備折舊率的規(guī)定，設備更新較慢，期以來在很多行業(yè)普遍存在著耗能大效率低等弊端。 改革開放以后一些行業(yè)陸續(xù)引進了國外先進的生產(chǎn)線、新技術(shù)、新器件，使機械行業(yè)的面貌發(fā)生了巨大的變化。但是，對引進設備的消化吸收工作仍然做得不夠，受財力因素的制約，只能不斷引進必要的關鍵性設備，不可能全部依賴引進。這樣，對正在使用的設備來說，如果它在生產(chǎn)原理方面與國外設備沒有實質(zhì)的不同，而設備的主體部件又比較耐用，那就可以充分利用已有設備、挖掘潛力，采用低成本自動化技術(shù)，在不停產(chǎn)或少停產(chǎn)的情況下，實施技術(shù)改造，達到少的投資，快的速度，高的效益。 上述設備在我國的機械行業(yè)恰恰是大量存在著的，用新的全套設備來取代， 經(jīng)濟上不許可，企業(yè)中的技術(shù)力量也難于勝任。發(fā)展低成本自動化是促進技術(shù)改造的有利手段，具有很好的前景。 1.4 智能控制理論的發(fā)展及其應用現(xiàn)狀 自從 1932年奈魁斯特 (Hnyquist)發(fā)表了有關反饋放大器的穩(wěn)定性論文以來，控制第 4 頁 共 74 頁 理論的發(fā)展已走過了 60多年的歷程，其中前 30年是經(jīng)典控制理論的成熟和發(fā)展階段，后 30年是現(xiàn)代控制理論的形成和發(fā)展階段。經(jīng)典控制理論主要研究的對象是單變量定常線性系統(tǒng)。到了 60年代，經(jīng)典控制理論已經(jīng)成熟 .同時由于計算機技術(shù)的成熟和發(fā)展，以及多輸入一多輸出線性系統(tǒng)的控制需要，促使控制理論由 經(jīng)典控制理論向現(xiàn)代控制理論過渡。 現(xiàn)代控制理論以龐特亞金的極大值原理、貝爾曼 (Belman)的動態(tài)規(guī)劃、卡爾曼(Kalman)的線性辨識和估計理論為基石，形成了以最優(yōu)控制 (二次型最優(yōu)控制、 HX控制等 )、系統(tǒng)辨識和最優(yōu)估計、自適應控制等為代表的現(xiàn)代控制理論分析和設計方法。系統(tǒng)分析的數(shù)學模型主要是狀態(tài)空間描述法。然而，在現(xiàn)實生產(chǎn)實踐中，許多復雜的生產(chǎn)過程不是連續(xù)的，而有些過程的控制目標本身難以定量研究，因此需要與數(shù)據(jù)處理方法、規(guī)則、經(jīng)驗相結(jié)合，才能取得滿意的控制效果。智能控制是一門新興的學科，它的發(fā)展得益于許多 學科，其中包括人工智能、認知科學、現(xiàn)代自適應控制、最優(yōu)控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡、模糊邏輯、學習理論、生物控制和激勵學習等。上述各學科均以不同側(cè)面反映了智能控制的要求、理論利方法。 1966年， J.M.Mendel首先提出將人工智能用于飛船控制系統(tǒng)的設計。 1971年，著名學者 K.S.FU(傅京遜 )從發(fā)展學習控制的角度首次提出智能控制這一概念，它在文獻中歸納了三種類型的智能控制系統(tǒng)。 1)人作為控制器的控制系統(tǒng)。由于人具有識別決策和控制等功能，因此對于不同的控制任務、不同的對象及環(huán)境情況，人作為控制器的控制系統(tǒng)具有自學習 、自適應和自組織的功能，能自動采取不同的控制策略以適應不同的情況。 2)人機結(jié)合作為控制器的控制系統(tǒng)。在這樣的系統(tǒng)中，機器完成那些連續(xù)進行的并需要快速計算的常規(guī)控制任務，人則完成任務分配、決策、監(jiān)控等任務。 3)無人參與的自主控制系統(tǒng)。最典型的例子是自主機器人，這時的自主式控制器需要完成問題求解和規(guī)劃、環(huán)境建模、傳感信息分析和底層的反饋控制等任務。它實際上是一個多層的智能控制系統(tǒng)。 1985年 8月， IEEE在美國紐約召開了第一屆智能控制學術(shù)討論會。來自美國各地的60位從事自動控制、人工智能和運籌學研究的專家 學者參加了這次學術(shù)討論會。會上集中討論了智能控制原理和智能控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。這次會議后不久，在 IEEE控制系統(tǒng)學會內(nèi)成立了 IEEE智能控制專業(yè)委員會。 1987年 1月，在美國費城的第一次國際會議，來自美國、歐洲、日本、中國以及其他發(fā)展中國家的 150位代表出席了這次學術(shù)盛會。提交大會報告和分組宣讀的 60多篇論文以及專題討論顯示出智能控制的長足發(fā)展；同時也說明了由于許多新技術(shù)問題的出現(xiàn)以及相關技術(shù)的發(fā)展，需要重新考慮控制領域和相近學科。這次會議是個里程碑，它表明智能控制作為一門獨立學科，正式在國際上形成。 智能控制 作為一門新興學科，還沒有形成一個統(tǒng)一的完整的理論體系。智能控制第 5 頁 共 74 頁 研究所面臨的晟迫切問題是：對于一個給定的系統(tǒng)如何進行系統(tǒng)的分析和設計。把復雜環(huán)境建模的嚴格數(shù)學方法研究同人工智能中的新興學科分支“計算智能”的理論方法研究緊密地結(jié)合起來，有望導致新的智能控制體系結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生和發(fā)展；并預示這種研究將在“自上而下”和“自下而上”兩個方向工作的交匯處取得突破性的進展，使智能控制系統(tǒng)的研究出現(xiàn)新的局面。綜上所述，智能控制理論的研究領域相當廣泛，且存在的問題也相當多。 智能在工業(yè)應用領域，意味著大量使用智能儀器 (Intelligent Instrument)，通常是指含有各種形態(tài)的計算機并可以通過編程的方法實現(xiàn)其功能的儀器。嵌入到儀器中的計算機必定是微型計算機，故也把智能儀器稱為微機化儀器。 就廣義來說，智能控制是指能隨外界環(huán)境變化自主選擇正確行動的能力。人工智能的創(chuàng)始者之一，獲得諾貝爾獎的西蒙指出：人工智能的研究目的是在于學會編制計算機程序來完成機智的行動，這包括解決問題、學習、推理和做出決定。在信息科學中，信息技術(shù)發(fā)展分為信息化，自動化、最優(yōu)化和智能化四個層次。智能化包括理解、推斷、判斷與分析功能，它是數(shù)值、邏輯、和知識經(jīng) 驗綜合分析的結(jié)果：知識的表達和應用是智能化的標志。 從信息科學的智能概念來看，目前的智能儀器還處于智能化的低級階段。但相對于傳統(tǒng)儀器而言，這種儀器已能實現(xiàn)自動參數(shù)補償、自動量程選擇、自動校準。 1.5 本課題的研究任務和工作 本說明書的任務是結(jié)合鈑金機械加工廠家的技術(shù)改造需要，在現(xiàn)有普通剪板機的基礎上設計開發(fā)全自動剪板機控制系統(tǒng)，實現(xiàn)加工過程自動化，提高現(xiàn)代化水平。全自動控制器主要組成部分有單片微機、接口擴展電路、鍵盤輸入顯示電路、信號采集電路及輸出驅(qū)動部分等組成。設計時根據(jù)功能需要選擇控制精度高、靈活性 適應性好、成本低的控制器。通過各種控制電路的優(yōu)劣對比、分析計算確定合理的控制電路，選用適當?shù)募呻娐沸酒碗娮釉瓿山M裝測試。在電路設計中注意抗干擾設計。 1、控制系統(tǒng)軟件設計 通過編程，完成全自動生產(chǎn)過程的控制，實現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示、實時信號采集、計算分析及實時控制處理。編制好控制軟件并進行軟件的仿真調(diào)試和修改。 2、軟硬件聯(lián)調(diào) 由于實際情況與理論推導可能不一致，或者考慮問題不全面，難免出現(xiàn)故障和問題，需要認真分析與排除，在失敗和不足中總結(jié)經(jīng)驗，改進系統(tǒng)設計。 3、完成課題說明書 第 6 頁 共 74 頁 根據(jù)自動剪板機的工作原理及控制 器的功能要求，論證自動剪板機控制系統(tǒng)的實現(xiàn)方案。說明控制系統(tǒng)構(gòu)造及配套執(zhí)行機構(gòu)設計，分析單片機在智能控制過程中的應用，針對控制器硬件主要環(huán)節(jié)、控制信號采集和電機驅(qū)動控制及人機交互等，從設計思想、實現(xiàn)原理、調(diào)試方法等角度進行了必要闡述。結(jié)合操作要求，介紹控制器的軟件實現(xiàn)過程。并針對控制器的運行環(huán)境，就現(xiàn)場抗干擾的對策進行具體分析，說明利用軟件和硬件措施確保系統(tǒng)可靠運行。 第 7 頁 共 74 頁 第二章 系統(tǒng)方案分析 目前，工業(yè)現(xiàn)場控制方法常用的有兩種：一是采用可編程序邏輯控制器 (PLC)系統(tǒng)；二是采用單片機控制系統(tǒng)。其性能比較如下 ： PLC系統(tǒng)不需要附加硬件設計且軟件編程簡單，設計周期短，開發(fā)費用低。但是，PLC控制器價格高。工作速度比計算機慢，輸出對輸入的響應有滯后現(xiàn)象，對使用者文化水平有較高的要求。單片機控制系統(tǒng)需自行設計硬件電路，軟件編程較 PLC控制系統(tǒng)復雜很多，設計周期較長，開發(fā)費用高。但是單片機控制器成本低，去掉復制及開發(fā)成本。而且靈活性更好，功能強大，體積小，易于產(chǎn)品化。工業(yè)用單片機芯片本身是按工業(yè)測控環(huán)境要求設計的，它能夠適應工業(yè)現(xiàn)場惡劣的環(huán)境，抗干擾能力強，所提供的接口豐富，指令系統(tǒng)強大，容易根據(jù)需要進行擴展構(gòu)成各種 規(guī)模的應用系統(tǒng)。 通過綜合考慮設備的性能 /價格比、顯示直觀性、外表美觀性、靈活性等諸方面網(wǎng)素，本設計采用單片機控制系統(tǒng)。本章根據(jù)自動剪扳機對控制系統(tǒng)的要求進行設計方案分析。 2.1 總體方案分析 2.1.1 對控制系統(tǒng)的要求 根據(jù)剪板機的工作特點，對控制系統(tǒng)提出控制要求如下： 1)上電后，檢測各工作機構(gòu)的狀態(tài)，控制各工作機構(gòu)處于初始位置。 2)進料，由控制系統(tǒng)控制進料機構(gòu)將待剪板料自動輸送到位。 3)定剪切尺寸，采用伺服 電機控制擋料器位置保證精確的剪切尺寸，其尺寸可以是定值也可以設置 為循環(huán)變動值。 4)壓緊 和剪切 .待剪板料長度達到設定值后由主電動機帶動壓料器和剪切刀具，先壓緊板料 .然后剪斷板料。 5)擋料器讓刀并移動到下一定長位置。 6)板料托架及旋轉(zhuǎn)卸料。 7)送料車的運行，包括卸載后自動返回。 8)剪切板料的尺寸設定、自動計數(shù)及每車板料數(shù)的預設定。 9)具備斷電保護和來電恢復功能。 10)實現(xiàn)加工過程自動控制，加工參數(shù)顯示，系統(tǒng)檢測和異常報警。 11)保證板料加工精度、加工效率和安全可靠性。 第 8 頁 共 74 頁 12)具有良好的人機操作界面。 2.1.2 機械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成及工作原理圖 自動剪板機是一種精確控制板材加工尺寸 ，將大塊金屬板材進行自動循環(huán)剪切加工，并由送料車運送到下一工序的自動化加工設備。 圖 2.1全自動剪板機結(jié)構(gòu)組成及工作原理圖 其 工 作流程及原理是： 1)開機后，輸入板料加工尺寸、加工數(shù)量等參數(shù)，點擊自動鍵，系統(tǒng)自動運行。 2)系統(tǒng)首先檢查回零開關 ST3狀態(tài)，擋料器不在零位置則啟動步進電機帶動擋料器回零，擋料器在零位置則檢查小車的狀態(tài)開關 ST5；若料車空載，就啟動送料小車，使之左行到位，小車到位開關 ST4閉合小車停機。 3)擋料器運動至加工尺寸位置。 4)啟動進料機構(gòu)，帶動板料向右移動。 5)當板料碰到擋料 器定長開關 ST2時，送料停止，同時制動器松開、電磁離合器結(jié)臺，主電動機通過傳動機構(gòu)使壓料器壓下，壓料器壓緊行程開關 ST1閉合。 6)板利壓緊觸發(fā)步進電機帶動擋料器讓刀，完畢后主電動機帶動剪刀下落剪斷板料，接著電磁離合器斷開主電動機傳動，刀具和壓料器在彈簧力作用下撤回，制動器制動。 7)卸料離合器結(jié)合，主電動機通過傳動機構(gòu)帶動托架轉(zhuǎn)動，剪切的板料滑入料車，卸料檢測開關 ST8閉合，卸料離合器松開。 8)步進電機帶動擋料器運動到下次加工尺寸位置。 9)剪好的板料由壓塊下壓次數(shù)來計數(shù)。當料車上板料沒達到設定數(shù)時，系 統(tǒng)自動循環(huán)加工，多次循環(huán)后，回零修正定長累積誤差再返回。 10)當達到設定滿車數(shù)量時，起動料車電動機帶動料車右行，將板料送至下一工序位置即到位開關 ST7閉合。 11)卸載后，再啟動料車左行，返回到剪板機下，進入下一車的工作循環(huán)。 2.1.3 剪板機的主要技術(shù)參數(shù)： 第 9 頁 共 74 頁 設計 對象是 Q-11型機械式剪板機。 工作原理：交流電機通過皮帶輪、減速齒輪、飛輪帶動主軸，主軸裝有兩個曲柄連桿機構(gòu) (偏 心 輪機構(gòu) )并帶動滑動刀架做上下往復運動，實現(xiàn)剪切刀剪斷板料。其中為了實現(xiàn)對主軸帶動偏 心 輪機構(gòu)的控制采用了電磁離合器和制動器。其銘 牌參數(shù)見表2.1。 表 2.1 Q-11型剪板機參數(shù) 2.2 控制系統(tǒng)實現(xiàn)的總體設想 全 自 動 剪 板 機 的 控 制 系 統(tǒng)電 氣 部 分軟件部分單片機最小系統(tǒng)電路伺服電機用其驅(qū)動電路交流電機及電磁離合器驅(qū)動電路工作狀態(tài)檢測電路5V,12V等穩(wěn)壓電源電路機 械 部 分自動進料機構(gòu)擋料定長機構(gòu)托料卸料機構(gòu)小車送料裝置圖 2.2 總體方案設計簡圖 2.2.1 數(shù)控系統(tǒng)工作主電路 型號 Q-11 額定功率 3KW 剪切頻率 32次 /分 剪板厚度 3mm 板寬 1200mm 出廠日期 05年 1月 第 10 頁 共 74 頁 圖 2.3 自動剪板機的主電路圖 各機構(gòu)的運動動力來自電機，根據(jù)控制的特點和 經(jīng)濟性要求，采用交流電機來 實現(xiàn)進料、小車送料、托架下料，采用伺服電機控制擋料器精確定長。為了實現(xiàn)對交流電機的控制采 用圖 2.3所示主電路，其中 KM1、 KM2、 KM3為中間繼電器。 KM1控制進料電機， KM2、 KM3控制送料小車電機。 M1為剪切主電機， M2為進料電機， M3為小車電機。因為本系統(tǒng)為經(jīng)濟性數(shù)控系統(tǒng)，所以伺服電機采用步進電機，采用開環(huán)控制。本控制系統(tǒng)需要完成對工作機構(gòu)的控制情況如下： 1)進料控制，執(zhí)行器件為進料電機，通過對進料電機的起?？刂?，實現(xiàn)進給機構(gòu)輸送板料 ， 停止輸送板料的控制。 2)刀具剪切控制執(zhí)行器件為電磁離合器和電磁制動器。通過控制主電機傳動路線中的電磁離合器，控制傳動機構(gòu)帶動刀具完成向下剪切板料，撤回 利用彈簧完成。為了防止慣性造成連續(xù)剪切需要控制制動器剪切一次制動一次。 3)托架轉(zhuǎn)動卸料控制，執(zhí)行器件為電磁離合器。通過控制電磁離臺器，控制傳動機構(gòu)帶動托架完成轉(zhuǎn)動卸料，復位利用彈簧完成。 第 11 頁 共 74 頁 4)小車往返運動及停止 控制執(zhí)行器件為小車電機，通過控制小車電機的起停正反轉(zhuǎn)，控制送料小車在剪扳機與下一工位往返送料。 5)擋料器定位控制執(zhí)行機構(gòu)為步進電機，通過對步進電機的運動步數(shù)和方向的控制，實現(xiàn)擋料器的前進和后退，完成板料剪切長度尺寸的定長功能。 其中， 1)、 4)執(zhí)行機構(gòu)都可采用強電、開關量控制。因單片機控制器是低壓 直流輸出，所以，我們使用了中間繼電器作為控制器輸出的第一級執(zhí)行機構(gòu)，通過繼電器的觸電控制大功率接觸器的通斷，從而控制交流電機的起停。 2)、 3)執(zhí)行機構(gòu)中的電磁離合器、制動器需要采用專用輸出驅(qū)動控制電路。 5)的執(zhí)行器件步進電機采用專業(yè)廠生產(chǎn)的或自行設計的驅(qū)動控制電路來控制。 2.2.2 系統(tǒng)控制器硬件及軟件總體設想 1、硬件部分 考慮到系統(tǒng)的可靠性及安裝的方便性，控制器硬件的設計分為三部分：主板部分、輸入顯示部分及輸出部分。 1)主板部分完成信息處理和信號傳輸。布置在主板上的部件有：單片機 AT89C51、看門 狗 X25045、擴展接口芯片等。 單片機 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。 X25045芯片在本系統(tǒng)中承擔兩方面的工作，一是看門狗功能，在系統(tǒng)遇到干擾，程序跑飛時，對系統(tǒng)復位。二是其內(nèi)部具有的 512字節(jié) EEPROM，在斷電后用 于對關鍵數(shù)據(jù)進行保護，如：剪切次數(shù)、當前加工尺寸、各個工作機構(gòu)當前狀態(tài)等。 輸入輸出接口擴展芯片，主要考慮到采集各個工作機構(gòu)當前狀態(tài)信息、接收鍵盤輸入信號及輸出顯示信號和執(zhí)行機構(gòu)控制信號。 2)輸入顯示部分完成鍵盤信息輸入和 工作 狀態(tài)顯示。布置在輸入顯示板上的部件有顯示器、鍵盤、及操作面 板等。采集工作狀態(tài)數(shù)字量信號的電路另外做一塊板。 鍵盤在本系統(tǒng)中完成加工參數(shù)的輸入及干預信號的輸入，如：各種手動操作、加工尺寸數(shù)量的設定、加工方法的選定、急停等，通過對剪板機整個生產(chǎn)過程的分析按鍵需要 18個，可使用薄膜開關矩陣鍵盤。 顯示器，本系統(tǒng)對顯示功能要求不高，采用一般的 LED八段碼就能滿足要求，需要顯示八位數(shù)字。 3)輸出部分完成控制信號的輸出，驅(qū)動各執(zhí)行元件控制元件工作。布置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、電磁離臺器電磁制動器驅(qū)動電路等電路。分別布置在多塊電路板上。 變壓器用于將 220V強電轉(zhuǎn)換為 24V、 12V和 5V弱電，為電磁離臺器、繼電器和單片機提供電源。 第 12 頁 共 74 頁 中間繼電器在本系統(tǒng)中主要用于實現(xiàn)強、弱電的隔離，即將單片機輸出的弱電信號轉(zhuǎn)換為強電信號，實現(xiàn)系統(tǒng)對交流接觸器及電機的控制。 交流接觸器用于對強電回路進行控制，其觸點接于電機回路中，線圈的控制信號來源于中間繼電器的輸出。 步進電機驅(qū)動電路用于光電隔離功率放大，將弱電信號轉(zhuǎn)換為強電信號實現(xiàn)對步進電機的驅(qū)動。 電磁離合器在本系統(tǒng)中主要用于控制剪 切壓料和卸料機構(gòu)動作，控制電路需要控制 24V直流電對離合器電磁線圈通斷電，使離臺器結(jié)合脫離。電磁制動器控制電路與電磁離合器相同。 4)元器件的選用： 本控制系統(tǒng)使用到的主要元器件列于表 2.2。 表 2-2 主要元器件列表 序號 名稱 型號 功能 1 單片機 AT89C51 2 接口擴展芯片（ 1） 8155/8255/8279 接收鍵盤輸入 /輸出顯示 3 接口擴展芯片（ 2） 74LS273/8155/8255 采集信號輸出電機控制信號 4 LED 數(shù)碼管 八段五聯(lián)和三聯(lián)的 顯示 5 看門狗芯片 X25045 斷電參數(shù)保護和程序復位 6 中間繼電器 JZC-33F 強弱電轉(zhuǎn)換 7 按鍵 開關矩陣鍵盤 8 光電耦合器 TLP521 9 鎖存器 74LS373 10 變壓器 12V/5V/24V 輸出 11 行程開關 檢測工作狀態(tài) 2、軟件部分 根據(jù)剪切板料的自動化過程，設計順序動作控制程序。采用模塊化結(jié)構(gòu)進行設計。為了保證加工尺寸的精度，設計的程序必須能控制步進電機在加速減速過程中不失步不過沖。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)。設計意外急停功能及手動操作和單 步調(diào)整程序。 2.2.3 系統(tǒng)控制器的電源 為了使系統(tǒng)能夠可靠的工作，單片機的電源與外部控制通道的電源必須隔離。在這里，我們將外部 220V交流電通過變壓器變壓后得 5V、 12V及 24V交流電，再經(jīng)整流、濾波、穩(wěn)壓得到 5V、 12V及 24V直流電。其中 5V為單片機供電， 12V為繼電器供電， 24V為電磁離合器和電磁制動器供電。步進電機的電源根據(jù)需要單獨配置。 第 13 頁 共 74 頁 第三章 步進電機的單片機控制技術(shù) 3.1 概述 步進電機廣泛用于各種自動控制系統(tǒng)中，作為執(zhí)行元件，是機電一體化的關鍵產(chǎn)品之一。隨著微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的 發(fā)展，步進電機的需求與日俱增，應用范圍也在不斷擴大。步進電機的發(fā)展史可以追溯到 1831年 .當時其性能不是很好。到了本世紀初，西方各國蓬勃發(fā)展的造船業(yè)推動了步進電機的進一步發(fā)展。 20世紀 50年代晶體管技術(shù)的出現(xiàn)促使步進電機向小型化發(fā)展邁進了一步。數(shù)控機床的出現(xiàn)使步進電機的應用和發(fā)展進一步加深。 80年代，由于廉價的微型機算汁以多功能的形式山現(xiàn)，使步進電機的控制性能更加靈活多樣。步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受 負載變化的影響。這一線性關系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領域用步進電機來控制變的非常的簡單。雖然步進電機已被廣泛地應用，但步進電機并不能象普通的直流電機，交流電機在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅(qū)動電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進電機卻非易事，它涉及到機械、電機、電子及計算機等許多專業(yè)知識。 3.2 步進電機的選用 3.2.1 步進電機的選擇 步進電機選擇需要遵循下述程序： 1、先選擇要素。機械要素指負載轉(zhuǎn)矩 1T 和負載慣量 1J 。時間要素指加速時間 1t 和2t (即從 1t 開始加速到 2t )和運行時間。 2、確認脈沖頻率。其依據(jù)是將物體移動到目標位置的時間。 脈沖頻率 360轉(zhuǎn) 速 (rpm)/(60 步距角 )HZ (3.1) 3、計算需要的運行轉(zhuǎn)矩。電動機帶載運行所需的轉(zhuǎn)矩為 aTTT 1(3.2) T 需要的運行轉(zhuǎn)矩， kg.cm 1T 負載轉(zhuǎn)矩， kg.cm aT 慣性體的加速轉(zhuǎn)矩， kg.cm 負載轉(zhuǎn)矩由實測或估算得到，慣性體的加速轉(zhuǎn)矩可按下式計算 第 14 頁 共 74 頁 加速時間電動機希望的脈沖速率步距角驅(qū)動物的轉(zhuǎn)動慣量 18014.3807.9aT(3.3) 4、決定電動機的型號。根據(jù)己得到的脈沖速率和運 行需求的轉(zhuǎn)矩，從電動機產(chǎn)品的矩頻特性曲線上選取 2 3種可用的電動機。 5、驗證。根據(jù)選中的電動機，結(jié)合轉(zhuǎn)子慣量再次用需要的運行轉(zhuǎn)矩公式驗算。將計算值再次與矩頻特性曲線對照，確定是否在該曲線內(nèi)側(cè)，直到確定一種電動機。 3.2.2 實際應用設計計算 具體到本控制系統(tǒng)的實際擋料器定位機構(gòu)，步進電機工作的己知條件為：擋料器在導軌上的滑動部件總重