自动剪板机控制系统设计与实现

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。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。

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

    系统主要由单片机8031，一个2716可读可写存储器，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#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)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。
2．1 开关量输入接口电路
    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”)。

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)，如图4所示。

    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。

3 软件设计
    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。

    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
    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：

3．2 中断服务程序
    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。

    中断服务程序如下：

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。