剪板機進料位置控制系統的研究

孫成啟，楊 瑞

(東北林業大學交通學院，黑龍江哈爾濱150040)

目前，在我國大多數汽車制造企業、金屬門窗制造企業，傳統板料剪切機擋料位置的調節多采用人工移動擋料板，用直尺等工具配合來測量移動距離，實現進料位置的定位。這種調節與定位方式，不僅費時費工，而且也難以保證剪切尺寸精度。針對這種情況，在現有剪切機基礎上研制進料位置的確定，實現進料位置的自動控制，不僅提高了剪切機的生產效率，而且保證了剪切尺寸的精度。其擋料位置控制系統是對原來手動裝置的改進，在原機械結構之上，把單片機作為控制器，步進電機作為執行機構，用單片機控制步進電機進行快速啟停，來帶動剪切機的板料的移動，并使原系統和新系統同時并存。剪切機位置控制系統的研制可使進料位置實現精確定位，不僅提高了生產效率，并且剪切機進料位置控制實現自動化，提高了產品的合格率。［1－3］

1 控制系統設計目標

本系統所要達到的設計目標:板料位置運行參數可保存至少70組，控制系統具有點動功能，使其適合多種工況的需求;步進電機起動平穩和制動可靠，同時減少了振動和噪聲，并且可以控制步進電機的加速啟動和減速停止;具有擋料前后限位的多功能;同時具有自動保存當前的運行狀態參數和處理數據的能力。

2 控制系統的硬件設計

本系統在原有剪切機基礎上研制進料自動定位裝置，這種自動定位裝置，用單片機作為集中控制器，步進電機作為執行機構，帶動剪切機板料移動，實現剪切機擋料位置的精確定位。這種控制方法實現了軟件與硬件的結合，使定位實現自動化，本系統采用avr系列單片機，用iccavr進行軟件開發，根據設計目標和任務選用內存較大的CPU AT-mega64，其主頻為16MHz，內存 (flash)為64k，內部RAM為4k、內部有2K EEPROM、4路定時/計數器、JTAG接口編程、8路10位ADC、4路外部中斷輸入及其他片內資源。外部擴展相關的開關量輸入輸出接口［4－6］。把需要長期保存的系統參數存入EEPROM，把程序運行的臨時數據保存在RAM中。板料剪切機后擋料位置控制系統實際上是一個一維坐標下的位移控制系統。單片機通過執行機構控制后擋料的進給和后退，達到了靈活準確控制的目的，精確控制鋼板加工尺寸，其工作原理如圖1所示。

圖1 切機后擋料位置控制系統工作原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of backgauge position control system of the sheer

板料剪切機擋料位置控制系統結構如圖2所示，控制箱及步進電機如圖3所示。

圖2 剪切機后擋料位置智能控制系統結構圖Fig.2 Intelligent control system structure of backgauge position control of the sheer

圖3 剪切機擋料位置控制系統實物圖Fig.3 Physical map of backgauge positioin control of the sheer

(1)步進電機:步進電機選用2相步進電機110BYG2，最大扭矩20Nm，最高轉速600rpm，實際使用的最高轉速是550rpm，最低轉速是10rpm，驅動脈沖的最高頻率為4 000Hz，步進電機驅動器為SH－22 206;

(2)顯示器:由于顯示內容較多較復雜，選用320×240點陣帶漢字庫液晶顯示器，顯示驅動用74Als245。

(3)存儲器:AVR系列的atmega64內部64k的程序存儲器flash足以實際的需要，其片內有4k的RAM及2k的EEPROM。

(4)鍵盤:本系統需要設置各種參數，需要10個數字鍵及若干功能鍵，所以采用3行8列矩陣軟件掃描式鍵盤，用鎖存器72ls237做鍵盤的列線，用B口的低3位做鍵盤的行線。

(5)電源:供電電源為系統各部分提供不同電壓，單片機部分用5V/3A電源，輸出和顯示器高壓背光電源用一5V電源，輸入部分由于采用接進開關，所以用12V電源。本系統所應用的環境較復雜，為了提高系統的抗干擾能力所有輸入輸出采用光電隔離，輸出驅動采用ULN2804大功率器件，輸出驅動信號主要有步進電機的步進脈沖、方向信號和脫機信號、喇叭、指示燈，輸入信號有擋料前后限位、自動按扭和前后點動按扭、剪切刀下行位置信號。

3 控制系統軟件設計

(1)主程序:主程序完成的功能是初始化和死循環，初始化包括顯示器初始化、擋料零位校準、運行參數初始、中斷初始化、程序運行標志變量初始化。主程序死循環包括更新顯示提示串、鍵盤掃描、根據后擋料移動標志移動后擋料、根據數據保存標志將需長期保存的數據寫入EEprom、適時顯示后擋料的當前位置。主程序流程圖如圖4所示。

圖4 主程序流程圖Fig.4 Flow chart of main program

(2)中斷服務程序:中斷服務程序有外中斷INT0，定時器T0和定時器T1。外部中斷INT0的中斷服務程序完成步進電機運行參數的初始化，根據接近開關輸入的位置信號確定加工序號，計算步進脈沖總數，輸出步進方向信號，置位后擋料移動標志，初始化定時器T0。定時器T0的中斷服務程序完成步進電機的驅動，判斷前后限位、完成步進電機的加速啟動減速停止和平穩運行。定時器T1的中斷服務程序完成對EEPROM的寫入工作，因為EEPROM的寫入時間為10ms，用程序等待寫入的方式耗費太多的CPU時間，用定時中斷寫入可保證系統能夠正常運行。

(3)各種子程序:本系統的子程序運行參數輸入程序、鍵盤掃描程序、顯示子程序、擋料初始化程序、系統試驗程序，確定進料位置程序，綜端反饋信息及處理程序。

4 結束語

對純手工操作的剪切機進料位置進行技術改造，研究擋料位置自動控制系統有著較廣泛的應用價值。本系統，節約了成本，提高了自動化水平，提高產品的精度，提高生產率，減輕工人的勞動強度。主要體現在:

(1)經過技術改造的系統，操作自動化提高了生產率。

(2)該系統控制靈活，使用簡單，可靠性較高。

(3)由于用計算機控制進料的移動，所以剪切精度高使產品合格率大大提高。

(4)系統使用較大尺寸的液晶點陣顯示器，界面友好，各種參數的輸入和修改非常簡單。

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