剪板機的單片機控制設(shè)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(shè)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(yīng)用，對硬件電路中的主要環(huán)節(jié)：如輸入輸出接口的擴(kuò)展、鍵盤和顯示器電路、步進(jìn)電機的驅(qū)動控制、繼電器及 CPU監(jiān)控器 X25045電路等給出設(shè)計思路和具體實現(xiàn)方法。對軟件設(shè)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(jìn)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(shè)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(shè)計檢測工作狀態(tài)程序等。 在設(shè)計自動控制系統(tǒng)的時侯，同時考慮今后技術(shù)改進(jìn)和推廣的需要，為系統(tǒng)的擴(kuò)展留下了余地。 關(guān)鍵詞 ： 自動剪板機 自動控制 單片機系統(tǒng) 硬件設(shè)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(yīng)用現(xiàn)狀 . 3 1.5 本課題的研究任務(wù)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(shè)想 . 9 第三章 步進(jìn)電機的單片機控制技術(shù) . 13 3.1 概述 . 13 3.2 步進(jìn)電機的選用 . 13 3.3 步進(jìn)電機的驅(qū)動電路設(shè)計 . 17 3.4 步進(jìn)電機的單片機控制 . 19 3.5 步進(jìn)電機加減速控制查表法設(shè)計 . 26 第 四 章 控制系統(tǒng)硬件電路 設(shè) 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(shè)計原則 . 35 4.3 AT89C51單片機芯片簡介 . 36 4.4 控制系 統(tǒng)擴(kuò)展接口設(shè)計 . 37 4.5 主板硬件電路設(shè)計 . 39 4.6 輸入電路設(shè)計 . 43 4.7 輸出電路設(shè)計輸出電路分為三部分 ： . 45 4.8 抗干擾電路設(shè)計 . 47 4.9 其它電路設(shè)計 . 48 第 五 章 軟件設(shè)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(shè)計 . 50 5.3 X25045程序模塊設(shè)計 . 58 5.4 軟件抗干擾設(shè)計 . 59 第 六 章 結(jié)論 . 62 參考文獻(xiàn) . 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(jì)以來發(fā)展極其迅速和影響極大的科學(xué)技術(shù)之一?，F(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(yīng)用。 機械自動化，主要指在機械制造業(yè)中應(yīng)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(yīng)用與發(fā)展，是機械制造業(yè)技術(shù)改造、技術(shù) 進(jìn)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(zhǔn)，不僅影響整個機械制造業(yè)的發(fā)展，而且對國民經(jīng)濟(jì)各部門的技術(shù)進(jìn)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(yīng)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(dāng)前，我國機械制造業(yè)中自動化裝備少、水準(zhǔn)低，不僅在數(shù)量上同世界先進(jìn)國家有較大差距，而且在品種上、質(zhì)量上、應(yīng)用上，同世界先進(jìn)水準(zhǔn)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(shè)備和研制大量的現(xiàn)代自動化裝備及控制裝置，在科學(xué)技術(shù)水準(zhǔn)和人員素質(zhì)不太高的情況下采用先進(jìn)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(jì)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(shè)備，在發(fā)展現(xiàn)代機械自動化技術(shù)時，可以應(yīng)用微電子技術(shù)改造這些已有通用設(shè)備。比如用數(shù)顯、數(shù)控裝置改造通用設(shè)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(shè)備與半自動設(shè)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(yīng)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(yīng)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(lǐng)域之一。工業(yè)自動化技術(shù)是推動我國科技進(jìn)步、推動國民經(jīng)濟(jì)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(jìn)行現(xiàn)代化建設(shè)的必由之路。 上世紀(jì) 80年代后期，隨著單片機技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)機械設(shè)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(fù)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(yīng)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(yīng)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(jìn)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(yīng)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(biāo)準(zhǔn)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(shè)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(shè)備是設(shè)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(shè)備，是提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的好辦法。 1.3 低成本自動化概述 設(shè)備老化是制約 技術(shù)創(chuàng)新的重要因素，應(yīng)有目的，分層次地更新老設(shè)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(jìn)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(yīng)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(shè)備的潛力，以較少的投入實現(xiàn)基礎(chǔ)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(lǐng)域受到越來越多人的關(guān)注。 1.3.1 低成本自動化 (LCA)主要特點 1)技術(shù)經(jīng)濟(jì)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(fēng)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(biāo)，不需要處處追求最新的技術(shù)成就，應(yīng)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(shè)計原則 通常進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計既要系統(tǒng)先進(jìn)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(shè)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(shè)計的中心任務(wù)。 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(jì)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(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化原則。對系統(tǒng)的元器件選擇應(yīng)盡可能使用標(biāo)準(zhǔn)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)?？刂撇糠直M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(jìn)性原則。在滿足經(jīng)濟(jì)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(shè)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(shè)備折舊率的規(guī)定，設(shè)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(jìn)了國外先進(jìn)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(jìn)設(shè)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(jìn)必要的關(guān)鍵性設(shè)備，不可能全部依賴引進(jìn)。這樣，對正在使用的設(shè)備來說，如果它在生產(chǎn)原理方面與國外設(shè)備沒有實質(zhì)的不同，而設(shè)備的主體部件又比較耐用，那就可以充分利用已有設(shè)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(dá)到少的投資，快的速度，高的效益。 上述設(shè)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(shè)備來取代， 經(jīng)濟(jì)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(jìn)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(yīng)用現(xiàn)狀 自從 1932年奈魁斯特 (Hnyquist)發(fā)表了有關(guān)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(yīng)控制等為代表的現(xiàn)代控制理論分析和設(shè)計方法。系統(tǒng)分析的數(shù)學(xué)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(fù)雜的生產(chǎn)過程不是連續(xù)的，而有些過程的控制目標(biāo)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(xué)科，它的發(fā)展得益于許多 學(xué)科，其中包括人工智能、認(rèn)知科學(xué)、現(xiàn)代自適應(yīng)控制、最優(yōu)控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯、學(xué)習(xí)理論、生物控制和激勵學(xué)習(xí)等。上述各學(xué)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(shè)計。 1971年，著名學(xué)者 K.S.FU(傅京遜 )從發(fā)展學(xué)習(xí)控制的角度首次提出智能控制這一概念，它在文獻(xiàn)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(wù)、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(xué)習(xí) 、自適應(yīng)和自組織的功能，能自動采取不同的控制策略以適應(yīng)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(jìn)行的并需要快速計算的常規(guī)控制任務(wù)，人則完成任務(wù)分配、決策、監(jiān)控等任務(wù)。 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(wù)。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(xué)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(xué)研究的專家 學(xué)者參加了這次學(xué)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(xué)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(xué)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(guān)技術(shù)的發(fā)展，需要重新考慮控制領(lǐng)域和相近學(xué)科。這次會議是個里程碑，它表明智能控制作為一門獨立學(xué)科，正式在國際上形成。 智能控制 作為一門新興學(xué)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(jìn)行系統(tǒng)的分析和設(shè)計。把復(fù)雜環(huán)境建模的嚴(yán)格數(shù)學(xué)方法研究同人工智能中的新興學(xué)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(dǎo)致新的智能控制體系結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生和發(fā)展；并預(yù)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(jìn)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(lǐng)域相當(dāng)廣泛，且存在的問題也相當(dāng)多。 智能在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)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(xué)會編制計算機程序來完成機智的行動，這包括解決問題、學(xué)習(xí)、推理和做出決定。在信息科學(xué)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(dá)和應(yīng)用是智能化的標(biāo)志。 從信息科學(xué)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(zhǔn)。 1.5 本課題的研究任務(wù)和工作 本說明書的任務(wù)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(chǔ)上設(shè)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(kuò)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(shè)計時根據(jù)功能需要選擇控制精度高、靈活性 適應(yīng)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(dāng)?shù)募呻娐沸酒碗娮釉瓿山M裝測試。在電路設(shè)計中注意抗干擾設(shè)計。 1、控制系統(tǒng)軟件設(shè)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(jìn)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(dǎo)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(rèn)真分析與排除，在失敗和不足中總結(jié)經(jīng)驗，改進(jìn)系統(tǒng)設(shè)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(shè)計，分析單片機在智能控制過程中的應(yīng)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(shè)計思想、實現(xiàn)原理、調(diào)試方法等角度進(jìn)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(jìn)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(shè)計且軟件編程簡單，設(shè)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(yīng)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(shè)計硬件電路，軟件編程較 PLC控制系統(tǒng)復(fù)雜很多，設(shè)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(fù)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(shè)計的，它能夠適應(yīng)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(jìn)行擴(kuò)展構(gòu)成各種 規(guī)模的應(yīng)用系統(tǒng)。 通過綜合考慮設(shè)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(shè)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(jìn)行設(shè)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(jìn)料，由控制系統(tǒng)控制進(jìn)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(shè)置 為循環(huán)變動值。 4)壓緊 和剪切 .待剪板料長度達(dá)到設(shè)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(shè)定、自動計數(shù)及每車板料數(shù)的預(yù)設(shè)定。 9)具備斷電保護(hù)和來電恢復(fù)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(jìn)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(shè)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(guān) ST3狀態(tài)，擋料器不在零位置則啟動步進(jìn)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(guān) 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(guān) ST4閉合小車停機。 3)擋料器運動至加工尺寸位置。 4)啟動進(jìn)料機構(gòu)，帶動板料向右移動。 5)當(dāng)板料碰到擋料 器定長開關(guān) 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(guān) ST1閉合。 6)板利壓緊觸發(fā)步進(jìn)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(guān) ST8閉合，卸料離合器松開。 8)步進(jìn)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(dāng)料車上板料沒達(dá)到設(shè)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(dāng)達(dá)到設(shè)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(guān) ST7閉合。 11)卸載后，再啟動料車左行，返回到剪板機下，進(jìn)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(shè)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(fù)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(shè)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(jìn)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(shè)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(jì)性要求，采用交流電機來 實現(xiàn)進(jìn)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(jìn)料電機， KM2、 KM3控制送料小車電機。 M1為剪切主電機， M2為進(jìn)料電機， M3為小車電機。因為本系統(tǒng)為經(jīng)濟(jì)性數(shù)控系統(tǒng)，所以伺服電機采用步進(jìn)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(jìn)料控制，執(zhí)行器件為進(jìn)料電機，通過對進(jìn)料電機的起?？刂?，實現(xiàn)進(jìn)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(fù)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(jìn)電機，通過對步進(jìn)電機的運動步數(shù)和方向的控制，實現(xiàn)擋料器的前進(jìn)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(guān)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(jìn)電機采用專業(yè)廠生產(chǎn)的或自行設(shè)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(shè)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(shè)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(kuò)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(shè)備的核心。 X25045芯片在本系統(tǒng)中承擔(dān)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(fù)位。二是其內(nèi)部具有的 512字節(jié) EEPROM，在斷電后用 于對關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行保護(hù)，如：剪切次數(shù)、當(dāng)前加工尺寸、各個工作機構(gòu)當(dāng)前狀態(tài)等。 輸入輸出接口擴(kuò)展芯片，主要考慮到采集各個工作機構(gòu)當(dāng)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(yù)信號的輸入，如：各種手動操作、加工尺寸數(shù)量的設(shè)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(guān)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(kuò)展芯片（ 1） 8155/8255/8279 接收鍵盤輸入 /輸出顯示 3 接口擴(kuò)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(hù)和程序復(fù)位 6 中間繼電器 JZC-33F 強弱電轉(zhuǎn)換 7 按鍵 開關(guān)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(guān) 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(shè)計順序動作控制程序。采用模塊化結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計。為了保證加工尺寸的精度，設(shè)計的程序必須能控制步進(jìn)電機在加速減速過程中不失步不過沖。設(shè)計掉電保護(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)。設(shè)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(jìn)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(jìn)電機的單片機控制技術(shù) 3.1 概述 步進(jìn)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(guān)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(jìn)電機的需求與日俱增，應(yīng)用范圍也在不斷擴(kuò)大。步進(jìn)電機的發(fā)展史可以追溯到 1831年 .當(dāng)時其性能不是很好。到了本世紀(jì)初，西方各國蓬勃發(fā)展的造船業(yè)推動了步進(jìn)電機的進(jìn)一步發(fā)展。 20世紀(jì) 50年代晶體管技術(shù)的出現(xiàn)促使步進(jìn)電機向小型化發(fā)展邁進(jìn)了一步。數(shù)控機床的出現(xiàn)使步進(jìn)電機的應(yīng)用和發(fā)展進(jìn)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(jìn)電機的控制性能更加靈活多樣。步進(jìn)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(fù)載變化的影響。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)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(lǐng)域用步進(jìn)電機來控制變的非常的簡單。雖然步進(jìn)電機已被廣泛地應(yīng)用，但步進(jìn)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(jìn)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(jìn)電機的選用 3.2.1 步進(jìn)電機的選擇 步進(jìn)電機選擇需要遵循下述程序： 1、先選擇要素。機械要素指負(fù)載轉(zhuǎn)矩 1T 和負(fù)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(rèn)脈沖頻率。其依據(jù)是將物體移動到目標(biāo)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(fù)載轉(zhuǎn)矩， kg.cm aT 慣性體的加速轉(zhuǎn)矩， kg.cm 負(fù)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(yīng)用設(shè)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(jìn)電機工作的己知條件為：擋料器在導(dǎo)軌上的滑動部件總重