[讨论] 基于单片机技术的全自动横切机研制

摘要：本文根据薄带材切割要求，设计了一种用单片机AT89C51作为控制核心的全自动横切机。该机用单片机控制变频器实现主电机调速，采用步进电机送料、编码器反馈，用接近传感器和计数器实现计数、分组。适用于黄金、白银、铜等贵重金属切断。
1 研究目的和意义
在带材的加工过程中，常需要把一卷料定长切断，误差要小；落料张数能自动计数，自动分组；切断时能自动压紧，连续切断。进料、压紧、切断都必须按一定的先后顺序循环往复。对于这样的控制要求，传统的控制系统很难实现。可喜的是，随着单片机、PLC技术的发展，传统的控制系统逐渐被新型智能控制系统取代。鉴于PLC比单片机成本高，且输入\输出点数受到限制，在本文中，笔者主要研究应用单片机技术的全自动横切机，分别对其机械结构和控制系统进行了设计。
2 全自动横切机总体要求
2.1 机械系统要求
根据所切带料薄而软的特点，送料机构的送料长度不能采用机械挡块来定位。要求在切断过程中必须对带料进行压紧。由于切断长度不同，故送料机构所花的时间不同。因此，对切刀来回运动的速度要求可调。
2.2控制系统要求
手动输入所要求的送料长度、每一组的落料张数和总的落料组数。自动控制送料长度；当送料长度到达设定值后，自动先压紧再切断。当托盘的落料张数达到设定张数时，自动卸料。加工过程中，能对已切带料的总组数和每组带料的已切张数实时显示。设定参数可查询和异常报警。具备断电保护和来电恢复功能。保证加工精度和效率，操作简单方便。
3 具体方案设计与实现
3.1 机械结构组成及电气控制工作原理
自动横切机机械结构组成如图1所示；以单片机为核心的电气控制原理框图如图2所示。具体工作过程：


① 通电：由键盘输入所切带料长度、每组的落料张数等参数。点击RUN按钮，系统自动运行。
② 启动主电机：单片机发出控制信号，通过光电隔离，使中间继电器KA1得电，变频器正转控制端子接通，启动主电机，带动偏心轮转动，再通过连杆带动上切刀和压料机构作上下往复运动。
③ 接近传感器检测剪切刀零位：剪切刀零位定在，剪切刀向上移动过程中，压紧机构刚好松开的位置。剪切刀退到零位后，继续往上走，直到偏心转过极限位置再回程。
④ 送料：接近传感器检测到零位后，输出一个脉冲信号到单片机，单片机产生中断。在中断服务程序中，利用剪切刀从零位退到上极限位置后再返回下行到零位的时间，启动步进电机，带动送料滚筒送料，送到要求长度时停止。
⑤ 压紧与切断：上剪切刀通过零位后继续下行，通过压料机构的弹簧和压块先压紧带料，然后剪切刀下行剪断带料。剪断带料后，剪切刀继续下行到下极限位置，然后返回，到达零位时，压紧机构松开，启动下一次步进电机送料。如此循环往复。
⑥ 计数：单片机收到接近传感器的脉冲信号，既是剪切刀的零位信号，又是落料张数信号。通过单片机计数器记录其脉冲数即可记录落料张数。
⑦ 卸料：落料张数达到设定值时，计数器中断，在中断服务程序中发信号给中间继电器KA2，启动卸料电机，实现旋转卸料。并进入下一组的工作循环。
3.2 控制系统分析与设计
3.2.1主电机控制单元
为了保证加工过程的连续性和生产效率，切刀必须连续不断地工作，同时因切断长度不同，步进电机送料所花时间不一样，故主电机应持续通电，且能够调速以适应不同切断长度需要。考虑此要求，本设计中主电机采用三相交流电机，并选用具有高效率驱动和良好控制特性的变频器进行调速控制。变频器的频率给定，由单片机根据键盘输入长度计算给出数字量，再经D/A转换成电压信号，送入变频器控制端子的电压信号输入端。变频器的主电路及控制电路如图3所示。
3.2.2 送料电机和卸料电机控制单元
送料需要精确定长，所以采用步进电机送料。步进电机带动送料滚筒转动，压紧滚筒

图3 变频器主电路及控制电路

在弹簧作用下将带料夹紧在两滚筒之间，由送料滚筒带动送料。在送料过程中，影响送料精度的因素主要有：第一，步进电机可能出现的丢步；第二，送料滚筒和带料之间可能存在打滑现象。为了克服这两个问题，考虑到压紧滚筒与带料之间不存在打滑，故在压紧滚筒的轴上装一个旋转编码器来检测压紧滚筒的转角，从而反馈送料长度。如与设定值不同，再次启动步进电机，以修正由于丢步或打滑所产生的送料误差，从而获得较高的送料精度。
卸料电机采用普通三相交流电机，当每组张数达到设定值时，由单片机发出信号给中间继电器KA2，KA2常开触点闭合，启动卸料电机，实现转位卸料。
3.2.3 单片机控制模块单元
单片机控制模块单元包括硬件设计和软件设计。其中考虑到系统的可靠性、安全性以及安装的方便性，控制器硬件设计分为：主板、键盘显示及输出驱动三部分。
① 硬件设计
主板负责完成信号的采集、传输和处理，其主要部件有：单片机AT89C51、看门狗芯片MAX692、扩展接口芯片8255和数模转换器DAC0832等。AT89C51主要用于信号的采集，数据处理、控制信号的输出等，它是整个控制设备的核心。由于单片机自身的抗干扰能力差，尤其是在一些条件比较恶劣、噪声大的场合，常会由于外界干扰而死机。因此采用看门狗芯片MAX692。MAX692具有后备电池切换、掉电判别、看门狗监控等功能。在系统遇到干扰，程序跑飞时对系统复位。接口扩展芯片主要用于键盘输入与LED显示。DAC0832用于把单片机输出的数字控制信号转换成模拟电压信号，以给定变频器频率。
键盘完成加工参数以及干预信号的输入，通过对自动横切机的整个生产过程分析，设置16个按键，可用薄膜开关矩阵键盘，急停按钮单独列出于方便操作的部位。考虑该系统显示功能要求不高，显示器采用一般的LED八段码就能满足要求，需要显示6位数字，其中2位用于显示组数，其余4位用于适时显示每组的切断张数。
输出驱动部分完成控制信号的输出和功率放大，驱动各执行元件工作。在输出板上的电路有变压器电路，继电器驱动电路、步进电机驱动电路。变压器将220V强电转换为24V、12V和5V弱电，为单片机和步进电机提供电源。交流接触器用于对强电回路进行控制，其触点接于电源与变频器之间，控制信号来源于变频器启动按钮SB2。步进电机的驱动电路用于光电隔离和功率放大，以弱电信号控制强电信号，实现对步进电机的驱动。
硬件部分所需主要元器件如表1所示。
② 软件设计：
根据自动横切机的自动化过程，采用模块化结构设计。为了保证加工尺寸的精度，步进电机设有加减速控制，同时还带有编码器反馈。设计掉电保护程序，保存工作状态信息和加工参数，以便恢复生产。其程序流程如图4所示：
3.3 系统电源配置

图4 程序流程

为了保证系统可靠工作，单片机的电源与外部控制通道的电源必须隔离。本设计中将220V交流电通过变压器变压得到5V、12V及24V交流电，24V交流电用于机床照明，5V、12V交流电再经整流、滤波、稳压得到5V、12V直流电。其中5V为单片机供电，12V为继电器供电。步进电机的电源根据需要单独配置。


表1 元器件列表

名称	型号	功能
单片机	AT89C51	中央控制器
数模转转换器	DAC0832	数\模转换
接口扩展芯片	8255	扩展I/O口
LED数码管	四联和两联	显示参数
看门狗芯片	MAX692	断电保护和程序复位
按键	矩阵键盘	输入参数
光电耦合器	TLP521	光电隔离
地址锁存器	74LS373	锁存地址
变压器	24V/12V/5V输出	为单片机和步进电机驱动电路提供电源。
接近传感器	SIEN-M8B	检测切刀零位和张数

4 结束语
全自动横切机，利用单片机可编程序的特点，让横切机复杂的动作要求通过编程实现，简化硬件和控制线路，提高了整机的性价比。工作过程中，精确定长切断、自动计数、自动分组，无须人员参与，所以效率高，且减轻了工人劳动强度，特别适合于黄金、白银、铜等贵重金属的切断。