剪板機的單片機控制系統(tǒng)設計【圖紙文檔格式】,圖紙文檔格式,剪板機的單片機控制系統(tǒng)設計【圖紙文檔格式】,板機,單片機,控制系統(tǒng),設計,圖紙,文檔,格式 湘潭大學興湘學院畢業(yè)論文（設計）工作中期檢查表 系 機電系 專業(yè) 機械設計制造及其自動化 班級 機一 姓 名 張慶齡 學 號 2007964204 指導教師 李衛(wèi) 指導教師職稱 副教授 題目名稱 剪板機的單片機控制系統(tǒng)設計 題目來源 科研 ■ 企業(yè) 其它 課題名稱 剪板機的單片機控制系統(tǒng)設計 題目性質 ■ 工程設計 理論研究 科學實驗 軟件開發(fā) 綜合應用 其它 資料情況 1、選題是否有變化 有 ■否 2、設計任務書 ■有 否 3、文獻綜述是否完成 ■完成 未完成 4、外文翻譯 ■完成 未完成 由 學 生 填 寫 目前研究設計到何階段、進度狀況： 分析確定了剪板機控制系統(tǒng)的基本方案；認真學習了自已在設計過程中所要用到的單片機的基本知識及應用，同時也學習了自已在本次畢業(yè)設計中可能要用到的PROTEL99se、AutoCAD軟件，在整體設計開發(fā)背景下，完成了電氣硬件按線圖，并通過繪圖軟件繪制完成，同時完成了相應的大部分程序編制工作。 由 老 師 填 寫 工作進度預測（按照任務書中時間計劃） 提前完成 ■按計劃完成 拖后完成 無法完成 工作態(tài)度（學生對畢業(yè)論文的認真程度、紀律及出勤情況）： ■ 認真 較認真 一般 不認真 質量評價（學生前期已完成的工作的質量情況） ■ 優(yōu) 良 中 差 存在的問題與建議： 指導教師（簽名）： 年 月 日 建議檢查結果： 通過 限期整改 緩答辯 系意見： 簽名： 年 月 日 注：1、該表由指導教師和學生填寫。 2、此表作為附件裝入畢業(yè)設計（論文）資料袋存檔。 湘潭大學興湘學院 畢業(yè)論文（設計）任務書 設計（論文）題目： 剪板機的單片機控制系統(tǒng)設計 學 號： 2007964204 姓名 張慶齡 專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化 指導教師： 李 衛(wèi) 系主任： 一、主要內(nèi)容及基本要求： 1、檢索國外剪板機的單片機控制系統(tǒng)的發(fā)展動態(tài)，分析國內(nèi)的現(xiàn)狀； 2、分析剪板機控制系統(tǒng)設計的關鍵技術問題； 3、完成剪板機的單片機控制系統(tǒng)設計的一體化設計； 4、完成單片機實現(xiàn)跑步機驅動控制系統(tǒng)設計； 5、完成剪板機的單片機控制系統(tǒng)設計中硬件設計； 6、完成剪板機的單片機控制系統(tǒng)設計中軟件設計； 7、完成畢業(yè)論文的文稿工作，要求：總字數(shù)不低于一萬字，使用A4編輯及打印裝訂成冊； 8、技術圖紙：控制系統(tǒng)硬件電路原理圖1張（0號）、鍵盤顯示電路圖1張（0號）、控制系統(tǒng)程序流程分圖1張（1號）； 9、翻譯英文技術資料：翻譯課題相關英文資料。要求：3000單詞，復印原稿與翻譯(打印)稿同冊裝訂。 二、重點研究的問題： 1、 剪板機的單片機控制系統(tǒng)設計方案選擇設計； 2、 剪板機的單片機控制系統(tǒng)設計軟件設計； 3、 剪板機的單片機控制系統(tǒng)設計中外圍設備硬件的設計。 三、進度安排 各階段完成的內(nèi)容 起止時間 1 資料檢索、查詢 2011年2月20 日 ～ 3月5 日 2 系統(tǒng)總體方案構思及設計 2011年3月6日 ～ 3月20日 3 完成剪板機的單片機控制系統(tǒng)設計方案選擇設計 2011年3月 21日 ～ 4月10日 4 完成剪板機的單片機控制系統(tǒng)設計硬件設計； 2011年4月11日 ～ 4月25日 5 完成剪板機的單片機控制系統(tǒng)設計軟件的設計 2011年4月26日 ～ 5月10日 6 畢業(yè)設計說明書撰寫和編輯 2011年5月11日 ～ 5月19日 7 交畢業(yè)設計說明書和圖紙，答辯準備 2011年5月 20 日 ～ 5月 25 日 四、應收集的資料及主要參考文獻 【1】張建民.機電一體化系統(tǒng)設計【M】.北京：高等教育出版社，2008.7. 【2】吳金戍..8051單片機實踐與應用【M】.北京：清華大學出版社2002.9 【3】孫增忻等.智能控制理論與技術【M】.北京：清華大學出版社.2003 【4】何立民編.單片機應用系統(tǒng)設計系統(tǒng)配置與接口技術.【M】.北京：北京航空航天大學出版社2001 【5】王曉明編.電動機的單片機控制【M】.北京：北京航空航天大學出版社2007 【6】孫志永.趙硯江主編.數(shù)控與電控技術【M】.北京：機械工業(yè)出版社.2002.8 湘 潭 大 學 機械工程學院 本科畢業(yè)設計（論文）開題報告 題 目 剪板機的單片機控制 姓 名 張慶齡 學號 22007964204 專 業(yè) 機械 班級 一班 指導教師 李衛(wèi) 職稱 副教授 填寫時間 2011年 月 日 2011年3月 說 明 1．根據(jù)湘潭大學《畢業(yè)設計(論文)工作管理規(guī)定》，學生必須撰寫《畢業(yè)設計（論文）開題報告》，由指導教師簽署意見，系主任批準后實施。 2．開題報告是畢業(yè)設計（論文）答辯委員會對學生答辯資格審查的依據(jù)材料之一。學生應當在畢業(yè)設計（論文）工作前期內(nèi)完成，開題報告不合格者不得參加答辯。 3．畢業(yè)設計(論文)開題報告各項內(nèi)容要實事求是，逐條認真填寫。其中的文字表達要明確、嚴謹，語言通順，外來語要同時用原文和中文表達。第一次出現(xiàn)縮寫詞，須注出全稱。 4．本報告中，由學生本人撰寫的對課題和研究工作的分析及描述，應不少于2000字。 5．開題報告檢查原則上在第2～4周完成，各系完成畢業(yè)設計開題檢查后，應寫一份開題情況總結報告。 6. 填寫說明： (1) 課題性質：可填寫A．工程設計；B．論文；C. 工程技術研究；E.其它。 (2) 課題來源：可填寫A．自然科學基金與部、省、市級以上科研課題；B．企、事業(yè)單位委托課題；C．校級基金課題；D．自擬課題。 (3) 除自擬課題外，其它課題必須要填寫課題的名稱。 (4) 參考文獻不能少于10篇。 (5) 填寫內(nèi)容的字體大小為小四，表格所留空不夠可增頁。 本科畢業(yè)設計(論文)開題報告 學生姓名 張慶齡 學 號 20078964204 專 業(yè) 機械 指導教師 李衛(wèi) 職 稱 副教授 所在系 機械工程系 課題來源 學校 課題性質 工程技術研究 課題名稱 剪板機的單片機控制 一、選題的依據(jù)、課題的意義及國內(nèi)外基本研究情況 1．課題背景 自動化技術是本世紀以來發(fā)展極其迅速和影響極大的科學技術之一。現(xiàn)代自動化技術是一種1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用。 機械自動化，主要指在機械制造業(yè)中應用自動化技術，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。機械自動化技術的應用與發(fā)展，是機械制造業(yè)技術改造、技術進步的主要手段和技術發(fā)展的主要方向。機械自動化的技術水準，不僅影響整個機械制造業(yè)的發(fā)展，而且對國民經(jīng)濟各部門的技術進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，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．應實事求是，一切從我國的具體國情出發(fā)，走中國的機械自動化技術發(fā)展之路。當前，我國機械制造業(yè)中自動化裝備少、水準低，不僅在數(shù)量上同世界先進國家有較大差距，而且在品種上、質量上、應用上，同世界先進水準也存在階段性差距。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)有的大量落后設備和研制大量的現(xiàn)代自動化裝備及控制裝置，在科學技術水準和人員素質不太高的情況下采用先進的技術裝備，都是不現(xiàn)實的。而大力發(fā)展低成本自動化技術，卻是潛力大，前景，投資少，見效快，可以收到事半功倍的經(jīng)濟效果，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)存在大量的通用設備，在發(fā)展現(xiàn)代機械自動化技術時，可以應用微電子技術改造這些已有通用設備。比如用數(shù)顯、數(shù)控裝置改造通用設備，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備與半自動設備組成的生產(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發(fā)展應用新途徑。 二、研究內(nèi)容、預計達到的目標、關鍵理論和技術、技術指標、完成課題的方案和主要措施 ２．課題研究目的與意義 以計算機為核心的自動化技術是我國工業(yè)重點發(fā)展的高科技領域之一。工業(yè)自動化技術是推動我國科技進步、推動國民經(jīng)濟發(fā)展的重要手段。不斷采用最新的電子信息技術來裝備和改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，是我國進行現(xiàn)代化建設的必由之路。 上世紀８０年代后期，隨著單片機技術的發(fā)展，傳統(tǒng)機械設備的控制柜逐漸被新一代的智能化儀表所代替。對于日益復雜的控制功能，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，應用單片機控制技術，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、板料進料、壓緊、走刀、落料、長度調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)展和計算機技術的廣泛應用，機械加工過程采用計算機控制為加工過程的規(guī)范化、標準化創(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)設備是設備實現(xiàn)現(xiàn)代化的兩個重要途徑。采用新的低成本自動化技術改造老設備，是提高企業(yè)經(jīng)濟效益的好辦法。 三、主要特色及工作進度 3．低成本自動化（LCA-LOW COST AUTOMATION）是適應中小企業(yè)實現(xiàn)綜合自動化的低成本自動化技術，也可以充分利用現(xiàn)有設備的潛力，比較少的投入實現(xiàn)基礎自動化或局部綜合自動化，來提高生產(chǎn)效率和企業(yè)的競爭能力。這項研究領域受到越來越多的人關注。 目前，我國機械制造業(yè)存在大量的通用設備，在發(fā)展現(xiàn)代機械自動化技術時，可以應用微電子技術改造這些已有通用設備。比如用數(shù)顯，數(shù)控裝置改造通用設備，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，組合機床及與半自動設備組成的生產(chǎn)線，這樣可以把計算機功能完備編程靈活，適應性強的優(yōu)點和繼電器控制簡單，抗干擾能力，價格便宜等優(yōu)點結合起來。這是一條低成本，高效益，符合我國國情的機械自動化技術發(fā)展應用新途徑。 隨著單片機技術的發(fā)展，傳統(tǒng)機械設備的控制柜逐漸被新一代的智能化儀表所代替對于日益復雜的控制功能，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，適應性強，單片機采用軟件代替硬件的方法可以簡化線路，使控制設備的性能價格比不斷提高。我的研究目的，在于探索在板材加工中，應用單片機控制技術，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，板料進料，壓緊，走刀，落料，長度調整等過程必須按一定的節(jié)拍控制精確度動作。而且，不同長度，不同百度不同材料的板材，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, 綜合考慮設備的性能，價格比，顯示直觀性，外表美觀性，靈活性等方面因素，本設計采用單片機控制系統(tǒng)。我根據(jù)自動剪板機對控制系統(tǒng)要求進行方案設計。 四、主要參考文獻（按作者、文章名、刊物名、刊期及頁碼列出） 1.參考文獻 2.凌惟侯 概述低成本自動化[期刊論文]-自動化博覽 1996(5) 3.馬竹梧 低成本自動化及其在工業(yè)控制中應用 2003(09) 4.張建民 機電一體化系統(tǒng)設計 2002 5.高建國.高云.高安邦 8031單片機在自動剪板機上的應用[期刊論文]-電腦學習 2002(4) 6.吳金戍.沈慶陽.郭庭吉 8051單片機實踐與應用 2002 7.繆爾康.向鳳紅 自動化技術改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè) 1995(06) 8.魏慶福 工業(yè)控制機在傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)技術改造和工業(yè)自動化中作用 1994(12) 9.韋巍 智能控制技術 2000 10.周其鑒 智能控制及其展望 1987 11.孫增忻 智能控制理論與技術 1997 12.林堯瑞.馬少平 人工智能導論 1989 13.何立民 單片機應用系統(tǒng)設計系統(tǒng)配置與接口技術 2001 14.孫育才 MCS-51系列單片微型計算機及其應用 1997 15.邵貝貝 單片機技術發(fā)展與單片機應用的廣泛選擇 16.羅志坤 串行可編程監(jiān)控EEPROM器件X25045及其應用[期刊論文]-電子技術 1998(12) 17.劉立航 X25045芯片的原理及應用[期刊論文]-中南民族學院學報(自然科學版) 2001(2) 指導教師 意 見 指導教師簽名： 年 月 日 系意見 系主任簽名： 年 月 日 院意見 教學院長簽名： 年 月 日 湘潭大學興湘學院 畢業(yè)論文（設計）評閱表 學號 　2007964204 姓名 　張慶齡 　 專業(yè) 機械設計制造及其自動化 畢業(yè)論文（設計）題目： 剪板機的單片機控制系統(tǒng)設計 評價項目 評 價 內(nèi) 容 選題 1.是否符合培養(yǎng)目標，體現(xiàn)學科、專業(yè)特點和教學計劃的基本要求，達到綜合訓練的目的； 2.難度、份量是否適當； 3.是否與生產(chǎn)、科研、社會等實際相結合。 能力 1.是否有查閱文獻、綜合歸納資料的能力； 2.是否有綜合運用知識的能力； 3.是否具備研究方案的設計能力、研究方法和手段的運用能力； 4.是否具備一定的外文與計算機應用能力； 5.工科是否有經(jīng)濟分析能力。 論文 （設計）質量 1.立論是否正確，論述是否充分，結構是否嚴謹合理；實驗是否正確，設計、計算、分析處理是否科學；技術用語是否準確，符號是否統(tǒng)一，圖表圖紙是否完備、整潔、正確，引文是否規(guī)范； 2.文字是否通順，有無觀點提煉，綜合概括能力如何； 3.有無理論價值或實際應用價值，有無創(chuàng)新之處。 綜 合 評 價 評閱人： 2011年5月 日  湘潭大學興湘學院 畢業(yè)設計說明書 題 目： 學 院： 興湘學院 專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化 學 號： 2007964204 姓 名： 張慶齡 指導教師： 李 衛(wèi) 完成日期： 2011年05月20日 摘要 本文根據(jù)實際工程自動化技術改造需要，完成了全自動剪板機智能控制系統(tǒng)的設計和調試。 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)的應用，對硬件電路中的主要環(huán)節(jié)：如輸入輸出接口的擴展、鍵盤和顯示器電路、步進電機的驅動控制、繼電器及CPU監(jiān)控器X25045電路等給出設計思路和具體實現(xiàn)方法。對軟件設計中的主要環(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、軟件調試等進行了論述。 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、設計檢測工作狀態(tài)程序等。 在設計自動控制系統(tǒng)的時侯，同時考慮今后技術改進和推廣的需要，為系統(tǒng)的擴展留下了余地。 關鍵詞：自動剪板機 自動控制 單片機系統(tǒng) 硬件設計 軟件編程 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 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)展及其應用現(xiàn)狀 3 1.5 本課題的研究任務和工作 6 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)的總體設想 9 第三章 步進電機的單片機控制技術 13 3.1 概述 13 3.2 步進電機的選用 13 3.3 步進電機的驅動電路設計 17 3.4 步進電機的單片機控制 19 3.5 步進電機加減速控制查表法設計 26 第四章 控制系統(tǒng)硬件電路設計 35 4.1 系統(tǒng)硬件電路的基本組成 35 4.2 系統(tǒng)硬件電路設計原則 35 4.3 AT89C51單片機芯片簡介 36 4.4 控制系統(tǒng)擴展接口設計 37 4.5 主板硬件電路設計 39 4.6 輸入電路設計 43 4.7 輸出電路設計輸出電路分為三部分： 46 4.8 抗干擾電路設計 47 4.9 其它電路設計 48 第五章 軟件設計 49 5.1 匯編語言及編程環(huán)境簡介 49 5.2 系統(tǒng)程序設計 50 5.3 X25045程序模塊設計 58 5.4 軟件抗干擾設計 59 第六章 結論 62 參考文獻 64 致謝 65 - 3 - 第一章 緒 論 1.1 課題背景 自動化技術是本世紀以來發(fā)展極其迅速和影響極大的科學技術之一?，F(xiàn)代自動化技術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用。 機械自動化，主要指在機械制造業(yè)中應用自動化技術，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。機械自動化技術的應用與發(fā)展，是機械制造業(yè)技術改造、技術進步的主要手段和技術發(fā)展的主要方向。機械自動化的技術水準，不僅影響整個機械制造業(yè)的發(fā)展，而且對國民經(jīng)濟各部門的技術進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，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.應實事求是，一切從我國的具體國情出發(fā)，走中國的機械自動化技術發(fā)展之路。當前，我國機械制造業(yè)中自動化裝備少、水準低，不僅在數(shù)量上同世界先進國家有較大差距，而且在品種上、質量上、應用上，同世界先進水準也存在階段性差距。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)有的大量落后設備和研制大量的現(xiàn)代自動化裝備及控制裝置，在科學技術水準和人員素質不太高的情況下采用先進的技術裝備，都是不現(xiàn)實的。而大力發(fā)展低成本自動化技術，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)存在大量的通用設備，在發(fā)展現(xiàn)代機械自動化技術時，可以應用微電子技術改造這些已有通用設備。比如用數(shù)顯、數(shù)控裝置改造通用設備，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備與半自動設備組成的生產(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發(fā)展應用新途徑。 1.2 課題研究目的與意義 以計算機為核心的自動化技術是我國工業(yè)重點發(fā)展的高科技領域之一。工業(yè)自動化技術是推動我國科技進步、推動國民經(jīng)濟發(fā)展的重要手段。不斷采用最新的電子信息技術來裝備和改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，是我國進行現(xiàn)代化建設的必由之路。 上世紀80年代后期，隨著單片機技術的發(fā)展，傳統(tǒng)機械設備的控制柜逐漸被新一代的智能化儀表所代替。對于日益復雜的控制功能，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，應用單片機控制技術，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、板料進料、壓緊、走刀、落料、長度調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)展和計算機技術的廣泛應用，機械加工過程采用計算機控制為加工過程的規(guī)范化、標準化創(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)設備是設備實現(xiàn)現(xiàn)代化的兩個重要途徑。采用新的低成本自動化技術改造老設備，是提高企業(yè)經(jīng)濟效益的好辦法。 1.3 低成本自動化概述 設備老化是制約技術創(chuàng)新的重要因素，應有目的，分層次地更新老設備，有重點地提高機械工業(yè)的裝備技術等級，并根據(jù)國力，結合國情，逐漸地推進機械工業(yè)向技術密集產(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)是為了適應中小企業(yè)實現(xiàn)綜合自動化的低成本自動化技術，也就是充分利用現(xiàn)有設備的潛力，以較少的投入實現(xiàn)基礎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。這項研究領域受到越來越多人的關注。 1.3.1 低成本自動化(LCA)主要特點 1)技術經(jīng)濟效益顯著。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，投資風險小; 3)實行LCA在企業(yè)中構成了弱聯(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”的高新技術實現(xiàn)LCA。它以高效、實用和可靠為目標，不需要處處追求最新的技術成就，應該做到“少花錢，多辦事，辦好事”。 1.3.2 低成本自動化系統(tǒng)的設計原則 通常進行系統(tǒng)設計既要系統(tǒng)先進自動化程度高，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計的中心任務。 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)濟的方法構成系統(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)標準化、系列化、通用化原則。對系統(tǒng)的元器件選擇應盡可能使用標準化、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)先進性原則。在滿足經(jīng)濟性能前提下，盡可能采用新的技術與方法，充分利用社會已取得的成果，如己發(fā)展成熟的新技術、新工藝及新的元器件等，使原有設備結構更加簡單、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。由于我國對設備折舊率的規(guī)定，設備更新較慢，Ｋ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)引進了國外先進的生產(chǎn)線、新技術、新器件，使機械行業(yè)的面貌發(fā)生了巨大的變化。但是，對引進設備的消化吸收工作仍然做得不夠，受財力因素的制約，只能不斷引進必要的關鍵性設備，不可能全部依賴引進。這樣，對正在使用的設備來說，如果它在生產(chǎn)原理方面與國外設備沒有實質的不同，而設備的主體部件又比較耐用，那就可以充分利用已有設備、挖掘潛力，采用低成本自動化技術，在不停產(chǎn)或少停產(chǎn)的情況下，實施技術改造，達到少的投資，快的速度，高的效益。 上述設備在我國的機械行業(yè)恰恰是大量存在著的，用新的全套設備來取代，經(jīng)濟上不許可，企業(yè)中的技術力量也難于勝任。發(fā)展低成本自動化是促進技術改造的有利手段，具有很好的前景。 1.4 智能控制理論的發(fā)展及其應用現(xiàn)狀 自從1932年奈魁斯特(Hnyquist)發(fā)表了有關反饋放大器的穩(wěn)定性論文以來，控制理論的發(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、自適應控制等為代表的現(xiàn)代控制理論分析和設計方法。系統(tǒng)分析的數(shù)學模型主要是狀態(tài)空間描述法。然而，在現(xiàn)實生產(chǎn)實踐中，許多復雜的生產(chǎn)過程不是連續(xù)的，而有些過程的控制目標本身難以定量研究，因此需要與數(shù)據(jù)處理方法、規(guī)則、經(jīng)驗相結合，才能取得滿意的控制效果。智能控制是一門新興的學科，它的發(fā)展得益于許多學科，其中包括人工智能、認知科學、現(xiàn)代自適應控制、最優(yōu)控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡、模糊邏輯、學習理論、生物控制和激勵學習等。上述各學科均以不同側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)的設計。1971年，著名學者K.S.FU(傅京遜)從發(fā)展學習控制的角度首次提出智能控制這一概念，它在文獻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、不同的對象及環(huán)境情況，人作為控制器的控制系統(tǒng)具有自學習、自適應和自組織的功能，能自動采取不同的控制策略以適應不同的情況。 2)人機結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)進行的并需要快速計算的常規(guī)控制任務，人則完成任務分配、決策、監(jiān)控等任務。 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。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術討論會。來自美國各地的60位從事自動控制、人工智能和運籌學研究的專家學者參加了這次學術討論會。會上集中討論了智能控制原理和智能控制系統(tǒng)的結構。這次會議后不久，在IEEE控制系統(tǒng)學會內(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術盛會。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問題的出現(xiàn)以及相關技術的發(fā)展，需要重新考慮控制領域和相近學科。這次會議是個里程碑，它表明智能控制作為一門獨立學科，正式在國際上形成。 智能控制作為一門新興學科，還沒有形成一個統(tǒng)一的完整的理論體系。智能控制研究所面臨的晟迫切問題是：對于一個給定的系統(tǒng)如何進行系統(tǒng)的分析和設計。把復雜環(huán)境建模的嚴格數(shù)學方法研究同人工智能中的新興學科分支“計算智能”的理論方法研究緊密地結合起來，有望導致新的智能控制體系結構的產(chǎn)生和發(fā)展；并預示這種研究將在“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域相當廣泛，且存在的問題也相當多。 智能在工業(yè)應用領域，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會編制計算機程序來完成機智的行動，這包括解決問題、學習、推理和做出決定。在信息科學中，信息技術發(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)驗綜合分析的結果：知識的表達和應用是智能化的標志。 從信息科學的智能概念來看，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。 1.5 本課題的研究任務和工作 本說明書的任務是結合鈑金機械加工廠家的技術改造需要，在現(xiàn)有普通剪板機的基礎上設計開發(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、接口擴展電路、鍵盤輸入顯示電路、信號采集電路及輸出驅動部分等組成。設計時根據(jù)功能需要選擇控制精度高、靈活性適應性好、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?shù)募呻娐沸酒碗娮釉瓿山M裝測試。在電路設計中注意抗干擾設計。 1、控制系統(tǒng)軟件設計 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行軟件的仿真調試和修改。 2、軟硬件聯(lián)調 由于實際情況與理論推導可能不一致，或者考慮問題不全面，難免出現(xiàn)故障和問題，需要認真分析與排除，在失敗和不足中總結經(jīng)驗，改進系統(tǒng)設計。 3、完成課題說明書 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)構造及配套執(zhí)行機構設計，分析單片機在智能控制過程中的應用，針對控制器硬件主要環(huán)節(jié)、控制信號采集和電機驅動控制及人機交互等，從設計思想、實現(xiàn)原理、調試方法等角度進行了必要闡述。結合操作要求，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)不需要附加硬件設計且軟件編程簡單，設計周期短，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)需自行設計硬件電路，軟件編程較PLC控制系統(tǒng)復雜很多，設計周期較長，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)境要求設計的，它能夠適應工業(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)需要進行擴展構成各種規(guī)模的應用系統(tǒng)。 通過綜合考慮設備的性能/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)的要求進行設計方案分析。 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，檢測各工作機構的狀態(tài)，控制各工作機構處于初始位置。 2)進料，由控制系統(tǒng)控制進料機構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置為循環(huán)變動值。 4)壓緊和剪切.待剪板料長度達到設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)剪切板料的尺寸設定、自動計數(shù)及每車板料數(shù)的預設定。 9)具備斷電保護和來電恢復功能。 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。 12)具有良好的人機操作界面。 2.1.2 機械系統(tǒng)的結構組成及工作原理圖 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備。 圖2.1全自動剪板機結構組成及工作原理圖 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ST3狀態(tài)，擋料器不在零位置則啟動步進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ST4閉合小車停機。 3)擋料器運動至加工尺寸位置。 4)啟動進料機構，帶動板料向右移動。 5)當板料碰到擋料器定長開關ST2時，送料停止，同時制動器松開、電磁離合器結臺，主電動機通過傳動機構使壓料器壓下，壓料器壓緊行程開關ST1閉合。 6)板利壓緊觸發(fā)步進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)卸料離合器結合，主電動機通過傳動機構帶動托架轉動，剪切的板料滑入料車，卸料檢測開關ST8閉合，卸料離合器松開。 8)步進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)。當料車上板料沒達到設定數(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)當達到設定滿車數(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ST7閉合。 11)卸載后，再啟動料車左行，返回到剪板機下，進入下一車的工作循環(huán)。 2.1.3 剪板機的主要技術參數(shù)： 設計對象是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(偏心輪機構)并帶動滑動刀架做上下往復運動，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。 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 表2.1 Q-11型剪板機參數(shù) 2.2 控制系統(tǒng)實現(xiàn)的總體設想 圖2.2 總體方案設計簡圖 2.2.1 數(shù)控系統(tǒng)工作主電路 圖2.3 自動剪板機的主電路圖 各機構的運動動力來自電機，根據(jù)控制的特點和經(jīng)濟性要求，采用交流電機來實現(xiàn)進料、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控制進料電機，KM2、KM3控制送料小車電機。M1為剪切主電機，M2為進料電機，M3為小車電機。因為本系統(tǒng)為經(jīng)濟性數(shù)控系統(tǒng)，所以伺服電機采用步進電機，采用開環(huán)控制。本控制系統(tǒng)需要完成對工作機構的控制情況如下： 1)進料控制，執(zhí)行器件為進料電機，通過對進料電機的起?？刂?，實現(xiàn)進給機構輸送板料，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，控制傳動機構帶動托架完成轉動卸料，復位利用彈簧完成。 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，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)行機構為步進電機，通過對步進電機的運動步數(shù)和方向的控制，實現(xiàn)擋料器的前進和后退，完成板料剪切長度尺寸的定長功能。 其中，1)、4)執(zhí)行機構都可采用強電、開關量控制。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，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)行機構中的電磁離合器、制動器需要采用專用輸出驅動控制電路。5)的執(zhí)行器件步進電機采用專業(yè)廠生產(chǎn)的或自行設計的驅動控制電路來控制。 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，它是整個控制設備的核心。 ◆X25045芯片在本系統(tǒng)中承擔兩方面的工作，一是看門狗功能，在系統(tǒng)遇到干擾，程序跑飛時，對系統(tǒng)復位。二是其內(nèi)部具有的512字節(jié)EEPROM，在斷電后用于對關鍵數(shù)據(jù)進行保護，如：剪切次數(shù)、當前加工尺寸、各個工作機構當前狀態(tài)等。 ◆輸入輸出接口擴展芯片，主要考慮到采集各個工作機構當前狀態(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)的輸入及干預信號的輸入，如：各種手動操作、加工尺寸數(shù)量的設定、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、繼電器驅動電路、步進電機驅動電路、電磁離臺器電磁制動器驅動電路等電路。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。 ◆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。 ◆步進電機驅動電路用于光電隔離功率放大，將弱電信號轉換為強電信號實現(xiàn)對步進電機的驅動。 ◆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 接口擴展芯片（1） 8155/8255/8279 接收鍵盤輸入/輸出顯示 3 接口擴展芯片（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)保護和程序復位 6 中間繼電器 JZC-33F 強弱電轉換 7 按鍵 開關矩陣鍵盤 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 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，設計順序動作控制程序。采用模塊化結構進行設計。為了保證加工尺寸的精度，設計的程序必須能控制步進電機在加速減速過程中不失步不過沖。設計掉電保護程序保存工作狀態(tài)信息和加工參數(shù)，以便恢復生產(chǎn)。設計意外急停功能及手動操作和單步調整程序。 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。步進電機的電源根據(jù)需要單獨配置。 第三章 步進電機的單片機控制技術 3.1 概述 步進電機廣泛用于各種自動控制系統(tǒng)中，作為執(zhí)行元件，是機電一體化的關鍵產(chǎn)品之一。隨著微電子技術和計算機技術的發(fā)展，步進電機的需求與日俱增，應用范圍也在不斷擴大。步進電機的發(fā)展史可以追溯到1831年.當時其性能不是很好。到了本世紀初，西方各國蓬勃發(fā)展的造船業(yè)推動了步進電機的進一步發(fā)展。20世紀50年代晶體管技術的出現(xiàn)促使步進電機向小型化發(fā)展邁進了一步。數(shù)控機床的出現(xiàn)使步進電機的應用和發(fā)展進一步加深。80年代，由于廉價的微型機算汁以多功能的形式山現(xiàn)，使步進電機的控制性能更加靈活多樣。步進電機是將電脈沖信號轉變?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)，而不受負載變化的影響。這一線性關系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領域用步進電機來控制變的非常的簡單。雖然步進電機已被廣泛地應用，但步進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、功率驅動電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進電機卻非易事，它涉及到機械、電機、電子及計算機等許多專業(yè)知識。 3.2 步進電機的選用 3.2.1 步進電機的選擇 步進電機選擇需要遵循下述程序： 1、先選擇要素。機械要素指負載轉矩和負載慣量。時間要素指加速時間和(即從開始加速到)和運行時間ｔ。 2、確認脈沖頻率。其依據(jù)是將物體移動到目標位置的時間。 脈沖頻率＝360×轉速(rpm)/(60×步距角)HZ (3.1) 3、計算需要的運行轉矩。電動機帶載運行所需的轉矩為 (3.2) —需要的運行轉矩，kg.cm —負載轉矩，kg.cm —慣性體的加速轉矩，kg.cm 負載轉矩由實測或估算得到，慣性體的加速轉矩可按下式計算 (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，結合轉子慣量再次用需要的運行轉矩公式驗算。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，直到確定一種電動機。 3.2.2 實際應用設計計算 具體到本控制系統(tǒng)的實際擋料器定位機構，步進電機工作的己知條件為：擋料器在導軌上的滑動部件總重量不到50kg；脈沖當量δ為0.01mm(加工精度為0.02mm)；快進速度V=120mm/ｓ；絲杠導程。 初選電動機。擬選用90BYG450型混合式步進電機。該電機當運行在四相八拍勵磁時其步距角為。 表3-1 步進電機參數(shù)和矩頻特性 步進電機 相數(shù) 步距角 最大靜轉矩N*m 電流A 定位轉矩 90BY450 4 3.5N*m 4 0.5 N*m 步進電機 轉動慣量 空載自動頻率 運行頻率 90BYG450 2.3Kg/cm 1300步/s 20000步/s 步進電機 運行步距角 運行矩頻特性(N*m/KHz) 90BYG450 0.9 3.5/1 3.4/2 3.1/4 2.8/6 2.1/8 1.6/10 1.2/12 1、步進電機負載分析： 機構工作時步進電機的負載有摩擦負載和慣性負載兩種。 (1)摩擦阻力。在擋料機構中，擋料滑臺在導軌上為滑動摩擦，取其摩擦系數(shù)，則摩擦阻力(g=10m/)。 (2)等效轉動慣量計算。根據(jù)類比法選用絲杠CMFZD20×4-2.5-C3/800其陡度0.8m(鋼材)，直徑＝20mm，則絲杠的轉動慣量近似為 步進電機90BYG450型轉子的轉動慣量為 根據(jù)計算式 式中采用擋料器工作最快速度V=7.2m/min，電機通過聯(lián)軸器帶動絲杠轉動無中間傳動回轉零件，擋料器在導軌上的滑動部件總重量約50kg即＝50kg，轉速(電機)＝/(360×6)＝7200×0.9/(360×0.01)＝1800(r/min)則 結果等于3.50×(kg) (3)等效負載轉矩()的計算。由于絲杠承受軸向載荷，又由于采取了一定的預緊措施，故絲杠會產(chǎn)生摩擦阻力矩。但由于滾珠絲杠效率高，其摩擦阻力矩相對于其它負載力矩小得多，故一般不予考慮。 (4)等效負載轉矩［T］。由下式計算 (3.5) 式中—所受負載力(N)；—移動部件速度(m/min)；—為執(zhí)行元件的轉速(r/min)：—所受負載力矩(Nm)；—轉動部件轉速得 (5)啟動慣性阻力矩()的計算。以快速啟動工作速度計算，取啟動加速時間為(一般取0.1s～1s之間選取，為提高加工效率時間取0.3s)，由于電機轉速，取加速曲線為等加(減)速梯形曲線，故角加速度為 則 (6)步進電機輸出軸上總負載轉矩的計算 2、步進電機的匹配選擇： 上述計算均未考慮機械系統(tǒng)的傳動效率，考慮軸承絲杠導軌滑臺實際情況選擇機械傳動總效率，則 為了避免計算上的誤差引起步進電機失步，適當考慮安全系數(shù)。一般在1.2～2之間選取本例選取k=1.5，則步進電機的總負載轉矩 若選用上述電機，其最大。在四相八拍驅動時，其步矩角為0.9°/step，為保證帶負載能正常加速和定位停止，電機的啟動轉矩必須滿足 由步進電機動態(tài)特性知啟動轉矩與步進電機的相數(shù)和通電方式有關，查Tq與相數(shù)和通電方式關系表得則，故選擇適用(考慮了有現(xiàn)成的電機可用、電機工作頻率高及大中型剪板機改造需要)。 3、滾動絲杠的校核： 由于絲杠是按類比法選用，故應進行校核。 (1)承載能力的校核。 校核公式 (3.6) 式中：Q一為軸向最大動載荷； L—滾珠絲杠壽命系數(shù)單位轉L＝60nT/，T為使用壽命時間取15000h n絲杠轉速; —載荷系數(shù)取1.0(平穩(wěn)有輕微沖擊)； —硬度系數(shù)取1.0(HRC為58)： —滾珠絲杠額定動載荷。 則 查有關滾珠絲杠額定載荷＝26230N>Q。 (2)壓桿穩(wěn)定性的校核。 (3.7) 式中：—實際承受載荷的能力； —壓桿穩(wěn)定支承系數(shù)雙推一簡支取=2； E—鋼的彈性模量： I—絲杠小徑的截面慣性矩()： K—壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)，一般取2.5～4。 則 (3)剛度驗算。 滾珠絲杠在工作負載和扭矩共同作用下，所引起的每一導程的變形量為： (3.8) 式中：—導程：P＝＝100(N)； E—鋼的彈性模量(MPa)； S—絲杠的最小截面積()； M—扭矩(Ncm),(Ncm)； I—絲杠小徑的截面慣性矩()； “＋”…用于拉伸時，“－”…用于壓縮時。 在絲杠副精度標準中一般規(guī)定每一米彈性變形所允許的基本導程誤差值。公式計算值小于允許值則合格。 剛度符合使用要求小于廠家提供的基本導程誤差值0.75。 經(jīng)過校核，承載能力、壓桿穩(wěn)定性和剛度均合格。 3.3 步進電機的驅動電路設計 步進電機采用脈沖電源工作。其驅動方式有單電壓驅動、雙電壓驅動、斬波驅動、細分驅動等多種，我們可以根據(jù)實際需要來選用。 圖3.1 脈沖變壓器式驅動電路 考慮設計制造成本及對驅動電路性能要求，此次設計采用高低壓法驅動方式，高低壓法驅動基本思路是：不論電動機工作的頻率如何，在繞組通電的開始用高壓供電，使繞組中的電流迅速上升，而后用低壓來維持繞組中的電流。高低壓驅動法是目前普遍應用的一種方法，高低壓驅動電路又稱雙電壓驅動電路，可以分為脈沖變壓器式驅動與定時控制驅動。 圖3-1是采用脈沖變壓器式驅動的步進電機驅動電路。當控制脈沖來時，T1，T2，T3全導通，并使脈沖變壓器TF的副邊產(chǎn)生一定寬度的脈沖電流，使T4導通，使D3處于反向偏置，將低壓VL與繞組LMOTOR切斷，高壓電源VH通過T3、T4為步進電機某一相繞組LMOTOR供電，使其電流上升沿變陡。經(jīng)過時間后脈沖電流消失，使T4截止,VH與繞組之間被切斷。VL通過T3、D3為LMOTOR供電。提供電動機所需的額定電流。通過調整脈沖變壓器的磁芯和R7可改變高壓供電的時間寬度。步進電機各相驅動控制電路相同。 脈沖變壓器式驅動電路結構簡單，但是因為使用脈沖變壓器使制造工藝復雜，成本高且不易模塊化，目前用的很少.定時控制高低壓驅動電路采用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器將控制脈沖分離出一個同步的窄脈沖作為高壓有效控制信號。該脈沖的寬度為單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的暫態(tài)過程時間，在這個過程中高壓控制管與低壓控制管同時導通.ｔ即不能太大也不能太?。禾髸r，步進電機電流過載使兩個驅動管燒壞甚至將步進電機燒毀：太小時，高頻性能改善不明顯，高頻運轉時出力易產(chǎn)生失步現(xiàn)象，一般取值與主回路的電氣時間常數(shù)ｔ相同一旦被確定則難以控制、調整適應不同的運轉頻率和不同繞組電感的步進電機。因此筆者設計了具有檢測反饋控制環(huán)節(jié)的高低壓驅動電路，利用反饋控制高壓管的導通時間，適應不同的運轉頻率，提高驅動能力。下圖為其一相電路圖。 圖3.2 具有反饋控制環(huán)節(jié)的高低壓驅動電路 工作過程：當控制脈沖前沿經(jīng)光電耦合器到與非門的輸入端時，前級與非門的輸入為低電平，后級與非門輸出低電平，高壓控制管Q1與低壓控制管Q2同時截止，功率開關管Q3、Q4同時導通.高壓電源供電，主回路電流I按負指數(shù)規(guī)律上升。當電流上升到電機額定電流的120%時，電流檢測電阻Rd上的電壓UC經(jīng)過放大與參考電壓Uref比較大于參考電壓，檢測環(huán)節(jié)輸出一個正脈沖通過邏輯驅動電路使高壓控制管Q1導通；此時由低壓電源經(jīng)二極管向繞組供電，使維持電流為電機額定電流的90%～100%。因低壓電源提供的維持電流小于高壓電源提供的上升電流；Rd上的電壓UC經(jīng)過放大小于參考電壓Uref，檢測環(huán)節(jié)不再輸出正脈沖，即在一個控制脈沖周期內(nèi)Q3只導通截止一次，大大的減小了Q3，在切換過程中的功耗，使溫度下降，而Q4在整個控制脈沖的周期內(nèi)一直處于深度飽和，本身的壓降很小(一般小于2伏)故發(fā)熱量很小。 3.4 步進電機的單片機控制 步進電動機的驅動電路根據(jù)控制信號工作，控制信號可由單片機產(chǎn)生。其控制作用如下。 1、控制換相順序 控制步進電機各相通電和斷電的順序實現(xiàn)步進電機的運動。這種換相通電斷電過程稱為脈沖分配。 2、控制步進電機轉向 如果按給定的工作方式正序通電換相，步進電機就正轉；如果反序通電換相，步進電機就反轉。 3、控制步進電機的速度 如果給步進電機一個脈沖，它就轉一步，再發(fā)一個脈沖，它會再轉一步。兩個脈沖的間隔時間越短，步進電機速度越快。因此，脈沖頻率決定了步進電機的速度。調整單片機發(fā)出的脈沖頻率，就可以對步進電機進行調速。 3.4.1 脈沖分配 實現(xiàn)脈沖分配的方法有兩種：軟件法和硬件法 1.通過軟件實現(xiàn)脈沖分配 軟件法是完全用軟件的方式，按照給定的通電換相順序，通過單片機的I/O口向驅動電路發(fā)出控制脈沖。例如利用89C51單片機的P1.0～P1.3四條I/O線向四相步進電機傳送信號，其通電換相表繞組斷電，則可用八個狀態(tài)字來對應著十個通電狀態(tài)，如表所示： 表3-2 通電換相順序及控制字 通電狀態(tài) P1.3(D) P1.2(C) P1.1(B) P1.0(A) 控制字 A 0 0 0 1 01H AB 0 0 1 1 03H B 0 0 1 0 02H BC 0 1 1 0 06H C 0 1 0 0 04H CD 1 1 0 0 0CH D 1 0 0 0 08H DA 1 0 0 1 09H 在程序中，只要依次將這8個控制字送P1口，步進電機就會轉動一個齒距角。每送一個控制字，就完成一拍，步進電機轉過一個步距角。程序就是按照這個原理設計的。用R0作為狀態(tài)計數(shù)器，來指示第幾拍，按正轉時加1反轉減1的操作規(guī)律，則正轉程序如下： CW：INC R0 ；正轉時加1 JNE R0,#08H,ZZ ；如果計數(shù)器等于8修正為0 MOV R0,#00H ZZ：MOV A,R0 ；計數(shù)器值送A MOV DPTR,#ABCD ；指向數(shù)據(jù)存放首地址 MOVC A,@+DPTR ；取控制字 ANL P1,#0F0H ；保護8051單片機的P1.4～P1.7四條I/O線的狀態(tài) ORL A,P1 MOV P1,A ；對電機發(fā)送信號 RET 反轉程序為； CCW：DEC R0 ；反轉時減1 CJNE R0,#0FFH,FZ ；如果計數(shù)器等于FFH修正為07H MOV R0,#07H FZ：MOV A,R0 MOV DPTR,#ABCD ；指向數(shù)據(jù)存放首地址 MOVC A,@A+DPTR ；取控制字 ANL P1,#0F0H ；保護8051單片機的P1.0～P1.7四條I/O線狀態(tài) ORL A,P1 MOV P1,A ；對電機發(fā)送信號 RET ABCD:DB 01H,03H,02H,06H,04H,0CH,08H,09H;四相八拍 軟件法在步進電機運行過程中，要不停的產(chǎn)生脈沖，占用了大量的CPU時間，可能使單片機無法同時進行其它工作。 2.通過硬件實現(xiàn)脈沖分配 就是使用脈沖分配器芯片，進行通電換相控制。常用芯片有8713。屬于單極性控制，用于控制三相四相步進電機。8713的16個引腳功能此處從略，其與89C51單片機接口例子如圖3-3。選用單時鐘輸入方式，8713地腳為步進脈沖輸入端，4腳為轉向控制端，這兩個腳的輸入均由單片機提供和控制。選用對四相電機進行八拍方式控制，所以5、6、7腳均接高電平。由于采用脈沖分配器，單片機只需提供步進脈沖，進行速度控制和轉向控制，脈沖分配的工作交給脈沖分配器來自動完成。因此，CPU的負擔減輕。 圖3.3 8713與89C51單片機接口例圖 我所做的課題是順序控制系統(tǒng)，采用軟件實現(xiàn)脈沖分配經(jīng)濟性比較好，不需要設計制造脈沖分配器的相關電路。 3.4.2 步進電機的速度控制 軟件脈沖分配方式，可以采用調整兩個狀態(tài)字輸入的時間間隔來實現(xiàn)調速。硬件脈沖分配方式，可以控制步進脈沖的頻率來實現(xiàn)調速。根據(jù)以上調速原理，控制步進電機速度的方法可有兩種。 第一種采用軟件延時的方法。改變延時的時間長度就可以改變輸出脈沖的頻率：但這種方法使CPU長時間等待，占用大量機時，因此沒有實用價值。 第二種是通過定時器中斷的方法。在中斷服務子程序中進行脈沖操作，調整定時器時間常數(shù)可以實現(xiàn)調速。這種方法占用CPU時間較少，是一種較實用的調速方法。 步進電機啟動以后，運行過程中如何實現(xiàn)速度控制呢？可以利用單片機內(nèi)定時器T0、方式1作為步進脈沖源可方便地實現(xiàn)步進電機的調速。 例如定時1ms，如單片機主振頻率fosc＝12MHz，預置數(shù)X的計算如下： 式中Ｔ為機器周期，ｔ為定時時間即 X＝64536＝FCH18H預置TH0=0FCH,TL0=18H, 程序如下： ST：MOV TMOD,#01H MOV TL0,#18H MOV TH0,#0FCH SETB TR0 … ORG 0040H PP: LJMP PP PP: …;執(zhí)行步進程序 定時1ms的步進脈沖頻率，若系統(tǒng)的脈沖當量＝0.0015，則進給速度只要改變中間寄存器TL0,TH0的預置數(shù)即可改變步進電機的轉速，調試十分方便。 3.4.3 步進電機的運動控制 步進電機的運動控制涉及到位置控制和加減速控制。 1、步進電機的位置控制 步進電機的位置控制，指的是控制步進電機帶動執(zhí)行機構從一個位置精確地運動到另一個位置，步進電機的位置控制是步進電機的一大優(yōu)點，它可以不用借助位置傳感器而只需簡單的開環(huán)控制就能達到足夠精度。 圖3.4 定時器中斷位置控制子程序框圖 步進電機的位置控制需要兩個參數(shù)。第一個參數(shù)是步進電機控制的執(zhí)行機構當前的位置參數(shù)，我們