基于WinCE+單片機雙層結構的自動剪板機數控系統研制

束梅玲

（1. 常州輕工職業技術學院，常州 213164；2. 常州眾誠數控技術有限公司，常州 213164）

0 引言

剪板機屬于鍛壓機械中的一種，廣泛適用于輕工、航空、船舶、冶金、儀表、電器、不銹鋼制品、鋼結構建筑及裝潢行業。自動剪板機是一種按用戶要求將大塊金屬板材進行剪切的自動化材料加工機床[1]。主要用于對板材剪切規定尺寸、切邊、切試樣及切除鋼板的局部缺陷等。目前，國內生產的自動剪板機使用的控制系統絕大多數是國外公司的產品。這些數控系統價格很高。低成本自動化是適應我國中小企業生產現狀，以較少的投入實現基礎自動化或局部綜合自動化,來提高生產效率和企業的競爭能力。為了普及數控機床，降低數控系統成本，在計算機及電子技術日趨成熟的今天，開發出價廉物美、高可靠、多功能、簡單易用的國產數控系統已成為可能。

1 自動剪板機原理分析

自動剪板機應能根據板料的材質、厚度和剪切長度，自動完成剪切行程、刀片間隙的調整，可配備前送料系統或后托料裝置，集送料、卸料于一體，有效提高機床的自動化程度，并能夠根據需要進行單步執行或連續循環操作[2]。剪板機的主要動作有：1）待剪板料的自動傳送，由送料機構將下一塊待剪板料自動輸送到位；2）板料的壓緊，待剪板料定位后由壓塊機構將板料壓緊；3）板料剪切，由剪裁機構控制剪切刀實施；4）送料車的運行，包括卸載及自動返回。要實現和控制這些動作，需在系統中設置相應的位置檢測開關和光電傳感器。系統的原理結構和各檢測元件的安裝部位如圖1所示。系統的檢測元件主要包括壓料器壓緊行程開關、擋料器定長開關、小車狀態信息開關、小車到位開關和卸料到位開關等。

圖1 自動剪板機檢測器件位置

系統工作流程：首先檢查回零開關ST3狀態，如果擋料器不在零位置則啟動電機帶動擋料器歸零，擋料器在零位置則檢查小車的狀態開關ST5；若板料車空載，則啟動送料小車，使之左行到位，小車到位開關ST4閉合則小車停止運行；同時，觸發擋料器運動至加工尺寸位置；然后，啟動進料機構，帶動板料向右移動。當板料碰到擋料器定長開關ST2時，送料停止，同時啟動主電機，使壓料器壓下，壓料器壓緊行程開關ST1閉合。板料壓緊觸發電機帶動擋料器讓刀，完畢后主電機帶動剪刀下落，板料被剪斷，接著主電機被關閉，刀具和壓料器在彈簧力作用下復位。卸料電機被啟動帶動托架轉動，到位開關ST8閉合，剪切板料滑入料車。接著步進電機帶動擋料器運動到下次加工尺寸位置。多次循環后，回零修正定長誤差再返回。當達到設定滿車數量時，啟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。卸載后，再啟動料車左行，返回到剪板機下，進入下一車工作循環。

2 系統需求分析

跟據剪板機工作過程的特點，分析出控制系統的控制能力應該有：1）上電后能檢測各工作機構的狀態，控制各工作機構處于初始位置；2）能控制進料機構將待剪板料快速、自動輸送到位；3）能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變動值；4）待剪板料長度達到設定值后由能控制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）能控制擋料器讓刀并移動到下一定長位置；6）能控制板料托架及旋轉卸料；7）能控制送料車的運行，包括卸載后自動返回；8）能對剪切板料的尺寸設定、自動計數及每車板料數的預設定；9）能進行斷電保護和來電恢復；10）能實現加工過程自動控制，加工參數顯示，系統檢測和異常報警。保證板料加工精度、加工效率和安全可靠性；11）必須具有良好的人機操作界面；12）能能在惡劣環境(高溫、多塵、多濕)下正常工作，高可靠性和高穩定性。其中，2）、11）和12）是重點需求。

3 系統總體結構設計

在板材剪切加工系統中,板料長度檢測、板料進料、壓緊、走刀、落料、長度調整等過程必須按一定的節拍控制精確動作。而且，不同長度、不同厚度、不同材料的板材,各動作行程、先后順序、刀具位置等參數量很大，系統必須具有良好的人機交互操作界面。對于這樣的實際需求，用傳統的單片機單層體系結構很難實現且開發成本高。綜合考慮系統的性能/價格比、顯示直觀性、界面美觀性、結構靈活性、易操作性等諸方面因素，本系統采用單片機與WinCE結合的雙層結構（如圖2所示），兩層之間通過串口連接。

基于單片機和WinCE的雙層體系結構具有簡單可靠、高內聚低耦合等特點。單片機系統主要負責進料控制、刀具剪切控制、托架轉動卸料控制、小車往返運動及停止控制、擋料器定位控制等任務。WinCE系統主要負責人機交互，圖形顯示、文件操作、自動升級、自動恢復和計算等任務。

圖2 雙層體系結構

3.1 單片機系統

單片機系統采用國產STC89C51單片機，它是89C51的一個廉價代替品，對于自動剪板機這一控制對象來說，該芯片的性能價格比相對8051等單片機性價比要高。系統硬件結構如圖3所示。主要由單片機、限制開關工作狀態采集、伺服控制接口、鍵盤輸入、串口通信及電源等模塊電路部分組成。在單片機系統中只有鍵盤輸入模塊，沒有設計顯示電路模塊，所有顯示都由WinCE層實現。單片機接收并執行由WinCE層發出的指令。

圖3 單片機系統結構

3.1.1 伺服驅動接口設計

伺服電機驅動接口電路如圖4所示。由于單片機屬于TTL電路，其I/O口輸出的開關量控制信號電平無法直接驅動電機,所以在P2.6口控制升速信號輸出端需加入驅動電路。同樣原因，P2.7口的降速輸出端也要接入驅動電路[3]。實際系統需要有效隔離強電磁干擾，所以，在電路中采用光耦耦合器和晶體管作驅動，由光電耦合器輸出通道傳入控制電機，具有很強的抑制噪聲干擾能力。

圖4 電機驅動電路

3.1.2 開關狀態采集電路設計

P0口通過開關狀態采集電路（如圖5所示）與檢測系統工作狀態的限位開關連接，將現場信號取樣、處理，傳送給單片機。為了有效隔離強電磁干擾，開關量輸入接口電路采用光電隔離器。當控制開關STi斷開時，發光二極管沒有電流通過，所以光敏三極管截止，輸出為高電平。一旦STi 閉合，發光二極管導通，導致光敏三極管導通，輸出低電平。

圖5 開關量輸入電路

在控制系統中，單片機產生脈沖序列，脈沖序列通過P3.2口發送。系統軟件編制采用定時器定時中斷產生周期性脈沖序列。不使用軟件延時，最大程度減少占用單片機資源。

3.2 WinCE系統

WinCE是一種微軟為多種嵌入式系統和產品設計的緊湊、高效、可升級的操作系統。WinCE采用標準模式，其最主要的特征是為有限的硬件資源提供了多線程、多任務和完全優先級的計算環境[4]。本系統采用WinCE5.0版。WinCE系統由觸摸屏模塊、文件模塊、串口通信、自動升級、自動恢復模塊組成（如圖6所示）。WinCE系統接收由單片機系統發送的狀態數據。

圖6 WinCE系統

觸摸屏模塊（人機界面模塊）是用戶與數控加工平臺的交互接口（如圖7所示）。人機界面包括如下操作：手動和自動模式選擇；剪切程序的編輯和保存；各種材料參數的設定；加工過程的同步動態展現；獲取數控設備的位置，故障信息，反饋給用戶等[5]。文件模塊主要完成程序、參數等數據存儲操作。串口通信完成與單片機系統之間數據傳輸。

4 關鍵問題及解決方案

本系統是定長、走停式、靜態裁切控制系統。送料速度與定位精度問題是控制系統的關鍵問題。送料過程要求在拖動機構有足夠功率的前提下，以最快的送料速度到達要求的尺寸，定位誤差必須在規定范圍內。

圖7 人機交互接口

圖8 送料速度曲線及停車行程

系統采用多級降速式走停送料，剎車后不存在微滑行，定位精確度高。剪板機送料機構送料定尺過程的速度變化過程如圖8所示。觸發開始后，電機以高速運行，接近目標時，電機逐級低速運行，到達預定位置剎車。

圖中x1是第一級減速點，x2是第二級減速點，x1與x2位置之間的差值s1應保證大于系統送料速度由v1穩定到v2，電機的轉速由n1穩定到n2時間內送過的料長。同樣x2與x3之間的差值s2也應能保證送料速度由v2變化到v3所走過的位移。x3與x4之間的差值s3是停車準備和剎車段。

其中：s3是板材第三級降速點的位移，v3是板運行速度，b是板減速度。

剪板機在實際工作中由于各種原因，送料機構制動過程都會產生偏離標準情況的誤差。如開始制動點的速度v，制動過程的減速度b，提前制動行程L都可能產生偏差，所以送料機構不能按理想狀態下準確的位置停住，總是存在位置誤差。

在整個送料過程中，控制的關鍵階段在減速制動階段。在此階段所以采用雙輸入單輸出的PID控制結構，輸入變量為實際的送料長度與設定值之間的誤差e和板材運行的速度變△v。輸出變量為板材運行速度的減速度變化量△b。在偏差較大或偏差較小的情況下，分別對伺服系統的控制參數進行調整已滿足對系統動態和靜態的性能要求，達到精度要求。

5 系統性能

1）常規參數：編程程序庫；公/英制選擇；斷電記憶功能；系統工作時間累計；剪切行程累計。

2）編程能力：數據編程；后擋料位置；退讓功能；角度編程；間隙編程；剪切行程；重復次數；材料類型；板材厚度；剪切計數；板材位置；軸速度。

3）計算能力：自動計算剪切角、刀口間隙、剪切行程、壓力。

4）集成能力：硬件診斷功能；服務狀態指示。

5）軸驅動方式控制：伺服+/-10V輸出；雙速電機輸出控制；帶方向控制的單極輸出控制。

6）其他能力：多種語言無縫切換；在線機床參數和程序備份與恢復。

6 結束語

用單片機+WinCE控制的自動剪板機控制系統，硬件電路少，接口簡單，成本只有國外同類產品的1/2。柔性I/O端口設置，全部I/O光電隔離，抗干擾效果很好。經批量生產并投放國內外市場使用2年后證明，這種雙層結構的自動剪板機控制系統具有加工精度高、經濟性好、操作方便，自動化水平較高等特點。實現了送料、切剪、計數、包裝等工序的全自動化控制。

[1] 毛躍輝. 基于PLC控制的全自動剪板機系統設計[J]. 可編程控制器與工廠自動化, 2008(6): 123-123.

[2] 王紅曰. 基于單片機的自動剪板機控制系統[J]. 數控技術與裝備, 2004(3): 94-94.

[3] 馮國楠. 現代伺服系統的分析與設計[M]. 北京: 機械工業出版社, 2000: 87-90.

[4] 王典洪. 基于WinCE的步進電機驅動程序設計[J].微計算機信息. 2007(6): 62-64.

[5] 陸巍. 嵌入式數控系統圖形用戶界面開發研究[J]. 機床與液壓. 2006(9): 219-221.