自动剪板机控制系统设计与实现

陈寿坤,郑清兰,袁岩凤

摘 要:介绍了自动剪板控制系统的结构组成和工作原理,叙述了8031单片微机实现其生产进程控制的硬件与软件的设计方法。自动剪板机是机电设备厂重要的专用生产设备,过去采用的是有触点的断续控制,技术落后、通用性和灵活性差,工作频率低、触点易损坏、故障多、可靠性差,很难满足日益增长的大生产的要求。用单片机微机对其进行技术改造,不仅能很好地改善上述弊端,而且能实现送料、切剪、计数、包装等工序的全自动化,满足现代化大生产的需要。

关键词:单片机8031;自动剪板机;硬件;软件;剪切控制系统

中图分类号:TP271文献标识码:B

文章编号:1004-373X(2009)19-157-04

Design and Realization of Automatic Plate Cutter Control System

CHEN Shoukun,ZHENG Qinglan,YUAN Yanfeng

(Minnan University of Science and Technology,Shishi,362700,China)

Abstract:The structure composition and working principle of automatic plate cutter control system are introduced,to realize its industrial process control′s hardware and software's design method by 8031.The automatic plate cutter is the special-purpose production equipment in mechanical and electrical plant,the electronic contact intermittent control was used in the past,technical backwardness,the versatility and flexibility were bad,the operating frequency was low,the electronic contact was easy to damage,the breakdown to be many,the reliability was bad,very difficult to satisfy the big production request which day by day grew.Making technological transformation with the signle chip microcomputer,it not only can improve the above malpractice,but also can realize the feeding,cutting,working procedure and so on counting,packing entire automations,and satisfy the modernized big production.

Keywords:single chip 8031;automatic plate cutter;hardware;software;cutting control system

0 引 言

随着微型机控制技术的发展,单片机以其独特的性能及优越的性能/价格比独占鳌头,愈来愈受到人们的重视,特别是在家用电气、工业过程控制及智能化仪器中有应用极为普遍。自动剪切机顺序控制系统的应用就是一个典型的例子。下面就是运用单片机8031设计的自动剪板机控制系统的介绍,该系统已投入生产使用,运行稳定可靠,控制精度高,维护使用方便。本系统是应企业要求开发研制的,是一种经济实用型数控系统。它保存原有机床的主体结构,增加自动进料、卸料、剪切、数控定长等功能载体。

1 设计系统要求

自动剪板机系统的结构组成和工作原理图如图1所示。该系统可按照要求剪开大块板材,并由送料小车运到包装线或各用料点。未动作时,压块及剪切刀的限位开关ST2,ST3和ST4均断开,行程开关ST1和光电接近开关ST7也都是断开的。剪切刀、压块及选料机构分别由交流电动机传动,运料小车由直流控制电机拖动[1]。其工作过程如下所述:

(1) 读入限位开关ST6的状态,判小车是否空载,若是空载,则可开始工作。

(2) 启动送料小车,并使其到位,此时限位开关ST5闭合。

(3) SSRe通电,启动送料机构E,带动板料向右移动。

(4) 当板料碰到行程开关ST1时,停止送料,同时SSRb送电启动压下机构,压下压压块B,并使压块上限开关ST2复位闭合。

(5) 当压块到位,压紧板料时,压块下限开关ST3被闭合。

(6) SSRe通电,这时启动剪切刀机构,控制剪板机剪刀下落,此时ST4复位闭合,直到把板料剪断。当板料下落通过光电接近开关ST7时,ST6输出一个脉冲,并使8031计数器加1。

(7) 判断小车上的板料是否够数,如果不够,则继续重复启动送料机构以后的步骤(3)~(7)。一旦够数,则使控制电机通电,运料小车的控制电机正转,小车右行,把切好的板料送至包装线或各用料点。板料卸下后,再启动小车反转,重新返回到剪板机下,并开始下一车的剪切装料工作。

板料的长度L根据需要自由进行调整,每一车(捆)板料的数量可由机器键盘给定,也可通过拨码键盘加以设定。固定剪切包装线或送往各用料点的板料计数值可任意更改,而由软件系统完成。

图1 自动剪板机系统的结构组成及工作原理图

2 硬件系统设计

利用8031[2]单片微机[3]实现自动剪切机生产过程控制的硬件设计电路图2所示。

图2 自动剪板机控制系统硬件电路图

系统主要由单片机8031,一个2716可读可写存储器[4], 7个开关量(ST1～ST7)输入,3个固态继电器控制接口,以及一个电机双向控制接口;另外,还有一个计数器,用来对剪切下来的板料进行计数。图2中,74LS273-1#[2]为地址锁存器,8031内部定时器/计数器0用作板料计数器;74LS273-2#为I/O扩展接口,其地址为7FFFH。这里用1D～6D作为开关量输入位,分别接ST1～ST6,将P1.0和P1.1两位用作双向电机(即可逆直流电动机M1)[5]控制,以便使小车前进或后退。用P1口的P1.2～P1.4,3位分别控制剪板机、压块和送料机构的交流传动电动机,以完成剪切、压下和自动送料等操作。为了提高系统的抗干扰能力,使硬件系统设计简便其采用全浮空技术,即开关量各输入端均接有光电隔离器;控制输出采用光电隔离固体继电器[6]。

2.1 开关量输入接口电路[6]

开关量输入接口电路采用光电隔离器,如图3所示。图中,当控制开关ST1断开时,发光二极管没有电流通过,所以光敏三极管截止,输出为高电平(“1”);一旦ST1闭合,发光二极管导通,导致光敏三极管导通,输出低电平(“0”)。

图3 开关量输入电路

2.2 输出控制电路

输出控制电路采用固体继电器SSR,其接口电路,如图4所示。输入为TTL电平,输出为交流负载。当P1.4端输出高电平“1”时,固体继电器SSR导通,使交流电动机通电运行;反之,如果P1.4端输出低电平(“0”),则SSR截止,交流电动机也随之断电停转。其他两路与此完全相同。为了达到光电隔离的目的,将4个直流固体继电器QS1～QS4组成一个可逆直流电动机控制电路(即双向伺服电机控制电路)[6],如图4所示。

图4 输出控制回路

可逆直流电动机控制(即双向电机控制)真值表见表1。

值得说明的是:该系统不一定非得全部采用光电隔离技术或固体继电器,也可以设计一个简单的电路。这里采用全浮空技术,主要是为使读者对全浮空单片机控制系统有个比较全面的了解。

表1 双向电机控制真值表

P1.1P1.0运动状态QS1QS2QS3QS4

10正转1001

01反转0110

11刹车0101

00滑行0000

00滑行0000

3 软件设计[3,7]

自动剪板机生产过程控制的软件采用模块化结构,顺序控制系统[8]的程序设计可根据流程图进行,也可以将各步动作编写出程序表,或者画出逻辑功能图。控制程序分两部分,一部分是主程序,用来对系统进行初始化,即设置中断控制字及计数常数等;另一部分为中断服务程序,对剪板机系统进行生产过程控制。

图5 光电隔离技术的可逆直流电动机控制电路

因本系统是顺序控制系统,属于分时控制,实时性不高,故采用程序查询式控制方式。在控制机电加减速运动控制子程序设计中,为保证控制机电在频繁起停运行中不失步、不过冲,保证系统的精度和快速性,根据力学原理刚体转动定理,参照控制电机的特性,并结合负载试验情况。

3.1 主程序[8]

主程序用来对系统进行初始化,即设置中断控制字及计数常数等。当主程序执行完以后,便进入等待状态。当系统需要工作时,只要操作人员按一下Start按钮,即可转到相应的中断服务程序。

主程序流程图如图6所示。

主程序如下所示:

ORG0000H;上电,复位入口地址

AJMPMAIN

ORG0003H

AJMPINTPT;转INT0中断服务程序

ORG0100H

MAIN:MOVP1,#00H;断开系统所有控制电源

SETBIT0;设外部中断0为边沿触发方式

SETBEX0;允许外部中断0中断

SETBEA;CPU开中断

MOVTMOD,#06H;设T0为计数方式2

MOVTH0,#0F6H;装入时间常数

MOVTL0,#0F6H

SETBTR0;启动T0

HERE:AJMPHERE;等待

3.2 中断服务程序[9,10]

中断服务程序用以对系统进行顺序控制,中断服务程序流程图如图7所示。

图6 主程序流程图

图7 中断服务程序流程图

中断服务程序如下:

ORG 0120H

INTPT: MOV DPTR,#7FFFH;置74LS273-2#地址

LOOP1:MOVXA,@DPTR;判小车是否到位

JNBACC.5,LOOP1

MOVP1,#01H;启动小车左行

LOOP2: MOVXA, @DPTR;判小车是否到位

JBACC.4, LOOP2

SETBP1.1;刹车

REPEAT:SETB P1.4;启动SSRe,送板料

LOOP3:MOVXA,@DPTR;判板料是否到位

JBACC.0, LOOP3

CLRP1.4;断SSRe

ETBP1.3;启动SSRb

LOOP4: MOVX A, @DPTR;判压块是否压紧

XRLA, #0E8H

JNZLOOP4

SETBP1.2;启动SSRa,剪切刀下降

LOOP5: MOVX A,@DPTR;判板料是否剪断

XRLA,#0C1H

JNZLOOP5

CLRP1.3;断SSRb,使压块复位

LOOP6: MOVX A,@DPTR;判剪切刀和压块是否复位

XRLA,#0CFH

JNZLOOP6

JNBTF0,REPEAT;判10块板料是否全部剪完

CLRTF0

CLRP1.0;启动小车

AJMPLOOP1;转到LOOP1,继续剪下一车板料

4 结 语

本系统是采用8031单片机设计的顺序控制系统,硬件电路少,接口简单,软件的开发及调试都比较方便,在输入、输出端采用光隔离等措施后,抗干扰效果很好。在对多台不同型号剪板机床进行自动化改造的实际应用后,充分体现本系统具有集成度高,加工精度高,经济性好,操作方便,自动化水平较高等特点,且设备的可靠性、可维护及灵活性都很优越,基本上能满足机电设备厂日益增长的现代化大生产的需要。

参考文献

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[2]尹雪飞,陈克安.集成电路速查大全[M].西安:西安电子科技大学出版社,1997.

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[5]王炳实.机床电气控制[M].北京:机械工业出版社,2004.

[6]胡宴如.模拟电子技术[M].北京:高等教育出版社,2000.

[7]刘国荣.单片微型计算机技术[M].北京:机械工业出版社,1997.

[8]李华.MCS-51系列单片机实用接口技术[M].北京:北京航空航天大学出版社,1993.

[9]张洪润.单片机应用技术教程[M].北京:清华大学出版社,1997.

[10]何立民.单片机应用系统设计[M].北京:北京航空航天大学出版社,1990.