束梅玲

（1. 常州輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，常州 213164；2. 常州眾誠(chéng)數(shù)控技術(shù)有限公司，常州 213164）

0 引言

剪板機(jī)屬于鍛壓機(jī)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(jié)構(gòu)建筑及裝潢行業(yè)。自動(dòng)剪板機(jī)是一種按用戶要求將大塊金屬板材進(jìn)行剪切的自動(dòng)化材料加工機(jī)床[1]。主要用于對(duì)板材剪切規(guī)定尺寸、切邊、切試樣及切除鋼板的局部缺陷等。目前，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的自動(dòng)剪板機(jī)使用的控制系統(tǒng)絕大多數(shù)是國(guó)外公司的產(chǎn)品。這些數(shù)控系統(tǒng)價(jià)格很高。低成本自動(dòng)化是適應(yīng)我國(guó)中小企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)狀，以較少的投入實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)自動(dòng)化或局部綜合自動(dòng)化,來提高生產(chǎn)效率和企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)能力。為了普及數(shù)控機(jī)床，降低數(shù)控系統(tǒng)成本，在計(jì)算機(jī)及電子技術(shù)日趨成熟的今天，開發(fā)出價(jià)廉物美、高可靠、多功能、簡(jiǎn)單易用的國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)已成為可能。

1 自動(dòng)剪板機(jī)原理分析

自動(dòng)剪板機(jī)應(yīng)能根據(jù)板料的材質(zhì)、厚度和剪切長(zhǎng)度，自動(dòng)完成剪切行程、刀片間隙的調(diào)整，可配備前送料系統(tǒng)或后托料裝置，集送料、卸料于一體，有效提高機(jī)床的自動(dòng)化程度，并能夠根據(jù)需要進(jìn)行單步執(zhí)行或連續(xù)循環(huán)操作[2]。剪板機(jī)的主要?jiǎng)幼饔校?）待剪板料的自動(dòng)傳送，由送料機(jī)構(gòu)將下一塊待剪板料自動(dòng)輸送到位；2）板料的壓緊，待剪板料定位后由壓塊機(jī)構(gòu)將板料壓緊；3）板料剪切，由剪裁機(jī)構(gòu)控制剪切刀實(shí)施；4）送料車的運(yùn)行，包括卸載及自動(dòng)返回。要實(shí)現(xiàn)和控制這些動(dòng)作，需在系統(tǒng)中設(shè)置相應(yīng)的位置檢測(cè)開關(guān)和光電傳感器。系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)和各檢測(cè)元件的安裝部位如圖1所示。系統(tǒng)的檢測(cè)元件主要包括壓料器壓緊行程開關(guān)、擋料器定長(zhǎng)開關(guān)、小車狀態(tài)信息開關(guān)、小車到位開關(guān)和卸料到位開關(guān)等。

圖1 自動(dòng)剪板機(jī)檢測(cè)器件位置

系統(tǒng)工作流程：首先檢查回零開關(guān)ST3狀態(tài)，如果擋料器不在零位置則啟動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)擋料器歸零，擋料器在零位置則檢查小車的狀態(tài)開關(guān)ST5；若板料車空載，則啟動(dòng)送料小車，使之左行到位，小車到位開關(guān)ST4閉合則小車停止運(yùn)行；同時(shí)，觸發(fā)擋料器運(yùn)動(dòng)至加工尺寸位置；然后，啟動(dòng)進(jìn)料機(jī)構(gòu)，帶動(dòng)板料向右移動(dòng)。當(dāng)板料碰到擋料器定長(zhǎng)開關(guān)ST2時(shí)，送料停止，同時(shí)啟動(dòng)主電機(jī)，使壓料器壓下，壓料器壓緊行程開關(guān)ST1閉合。板料壓緊觸發(fā)電機(jī)帶動(dòng)擋料器讓刀，完畢后主電機(jī)帶動(dòng)剪刀下落，板料被剪斷，接著主電機(jī)被關(guān)閉，刀具和壓料器在彈簧力作用下復(fù)位。卸料電機(jī)被啟動(dòng)帶動(dòng)托架轉(zhuǎn)動(dòng)，到位開關(guān)ST8閉合，剪切板料滑入料車。接著步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)擋料器運(yùn)動(dòng)到下次加工尺寸位置。多次循環(huán)后，回零修正定長(zhǎng)誤差再返回。當(dāng)達(dá)到設(shè)定滿車數(shù)量時(shí)，啟動(dòng)料車電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)料車右行，將板料送至下一工序位置即到位開關(guān)ST7閉合。卸載后，再啟動(dòng)料車左行，返回到剪板機(jī)下，進(jìn)入下一車工作循環(huán)。

2 系統(tǒng)需求分析

跟據(jù)剪板機(jī)工作過程的特點(diǎn)，分析出控制系統(tǒng)的控制能力應(yīng)該有：1）上電后能檢測(cè)各工作機(jī)構(gòu)的狀態(tài)，控制各工作機(jī)構(gòu)處于初始位置；2）能控制進(jìn)料機(jī)構(gòu)將待剪板料快速、自動(dòng)輸送到位；3）能采用伺服電機(jī)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(shè)置為循環(huán)變動(dòng)值；4）待剪板料長(zhǎng)度達(dá)到設(shè)定值后由能控制主電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)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(dòng)到下一定長(zhǎng)位置；6）能控制板料托架及旋轉(zhuǎn)卸料；7）能控制送料車的運(yùn)行，包括卸載后自動(dòng)返回；8）能對(duì)剪切板料的尺寸設(shè)定、自動(dòng)計(jì)數(shù)及每車板料數(shù)的預(yù)設(shè)定；9）能進(jìn)行斷電保護(hù)和來電恢復(fù)；10）能實(shí)現(xiàn)加工過程自動(dòng)控制，加工參數(shù)顯示，系統(tǒng)檢測(cè)和異常報(bào)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(jī)操作界面；12）能能在惡劣環(huán)境(高溫、多塵、多濕)下正常工作，高可靠性和高穩(wěn)定性。其中，2）、11）和12）是重點(diǎn)需求。

3 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在板材剪切加工系統(tǒng)中,板料長(zhǎng)度檢測(cè)、板料進(jìn)料、壓緊、走刀、落料、長(zhǎng)度調(diào)整等過程必須按一定的節(jié)拍控制精確動(dòng)作。而且，不同長(zhǎng)度、不同厚度、不同材料的板材,各動(dòng)作行程、先后順序、刀具位置等參數(shù)量很大，系統(tǒng)必須具有良好的人機(jī)交互操作界面。對(duì)于這樣的實(shí)際需求，用傳統(tǒng)的單片機(jī)單層體系結(jié)構(gòu)很難實(shí)現(xiàn)且開發(fā)成本高。綜合考慮系統(tǒng)的性能/價(jià)格比、顯示直觀性、界面美觀性、結(jié)構(gòu)靈活性、易操作性等諸方面因素，本系統(tǒng)采用單片機(jī)與WinCE結(jié)合的雙層結(jié)構(gòu)（如圖2所示），兩層之間通過串口連接。

基于單片機(jī)和WinCE的雙層體系結(jié)構(gòu)具有簡(jiǎn)單可靠、高內(nèi)聚低耦合等特點(diǎn)。單片機(jī)系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)進(jìn)料控制、刀具剪切控制、托架轉(zhuǎn)動(dòng)卸料控制、小車往返運(yùn)動(dòng)及停止控制、擋料器定位控制等任務(wù)。WinCE系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)人機(jī)交互，圖形顯示、文件操作、自動(dòng)升級(jí)、自動(dòng)恢復(fù)和計(jì)算等任務(wù)。

圖2 雙層體系結(jié)構(gòu)

3.1 單片機(jī)系統(tǒng)

單片機(jī)系統(tǒng)采用國(guó)產(chǎn)STC89C51單片機(jī)，它是89C51的一個(gè)廉價(jià)代替品，對(duì)于自動(dòng)剪板機(jī)這一控制對(duì)象來說，該芯片的性能價(jià)格比相對(duì)8051等單片機(jī)性價(jià)比要高。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。主要由單片機(jī)、限制開關(guān)工作狀態(tài)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(jī)系統(tǒng)中只有鍵盤輸入模塊，沒有設(shè)計(jì)顯示電路模塊，所有顯示都由WinCE層實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)接收并執(zhí)行由WinCE層發(fā)出的指令。

圖3 單片機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.1.1 伺服驅(qū)動(dòng)接口設(shè)計(jì)

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

圖4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

3.1.2 開關(guān)狀態(tài)采集電路設(shè)計(jì)

P0口通過開關(guān)狀態(tài)采集電路（如圖5所示）與檢測(cè)系統(tǒng)工作狀態(tài)的限位開關(guān)連接，將現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)取樣、處理，傳送給單片機(jī)。為了有效隔離強(qiáng)電磁干擾，開關(guān)量輸入接口電路采用光電隔離器。當(dāng)控制開關(guān)STi斷開時(shí)，發(fā)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(fā)光二極管導(dǎo)通，導(dǎo)致光敏三極管導(dǎo)通，輸出低電平。

圖5 開關(guān)量輸入電路

在控制系統(tǒng)中，單片機(jī)產(chǎn)生脈沖序列，脈沖序列通過P3.2口發(fā)送。系統(tǒng)軟件編制采用定時(shí)器定時(shí)中斷產(chǎn)生周期性脈沖序列。不使用軟件延時(shí)，最大程度減少占用單片機(jī)資源。

3.2 WinCE系統(tǒng)

WinCE是一種微軟為多種嵌入式系統(tǒng)和產(chǎn)品設(shè)計(jì)的緊湊、高效、可升級(jí)的操作系統(tǒng)。WinCE采用標(biāo)準(zhǔn)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(wù)和完全優(yōu)先級(jí)的計(jì)算環(huán)境[4]。本系統(tǒng)采用WinCE5.0版。WinCE系統(tǒng)由觸摸屏模塊、文件模塊、串口通信、自動(dòng)升級(jí)、自動(dòng)恢復(fù)模塊組成（如圖6所示）。WinCE系統(tǒng)接收由單片機(jī)系統(tǒng)發(fā)送的狀態(tài)數(shù)據(jù)。

圖6 WinCE系統(tǒng)

觸摸屏模塊（人機(jī)界面模塊）是用戶與數(shù)控加工平臺(tái)的交互接口（如圖7所示）。人機(jī)界面包括如下操作：手動(dòng)和自動(dòng)模式選擇；剪切程序的編輯和保存；各種材料參數(shù)的設(shè)定；加工過程的同步動(dòng)態(tài)展現(xiàn)；獲取數(shù)控設(shè)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(shù)等數(shù)據(jù)存儲(chǔ)操作。串口通信完成與單片機(jī)系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)傳輸。

4 關(guān)鍵問題及解決方案

本系統(tǒng)是定長(zhǎng)、走停式、靜態(tài)裁切控制系統(tǒng)。送料速度與定位精度問題是控制系統(tǒng)的關(guān)鍵問題。送料過程要求在拖動(dòng)機(jī)構(gòu)有足夠功率的前提下，以最快的送料速度到達(dá)要求的尺寸，定位誤差必須在規(guī)定范圍內(nèi)。

圖7 人機(jī)交互接口

圖8 送料速度曲線及停車行程

系統(tǒng)采用多級(jí)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(jī)送料機(jī)構(gòu)送料定尺過程的速度變化過程如圖8所示。觸發(fā)開始后，電機(jī)以高速運(yùn)行，接近目標(biāo)時(shí)，電機(jī)逐級(jí)低速運(yùn)行，到達(dá)預(yù)定位置剎車。

圖中x1是第一級(jí)減速點(diǎn)，x2是第二級(jí)減速點(diǎn)，x1與x2位置之間的差值s1應(yīng)保證大于系統(tǒng)送料速度由v1穩(wěn)定到v2，電機(jī)的轉(zhuǎn)速由n1穩(wěn)定到n2時(shí)間內(nèi)送過的料長(zhǎng)。同樣x2與x3之間的差值s2也應(yīng)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(zhǔn)備和剎車段。

其中：s3是板材第三級(jí)降速點(diǎn)的位移，v3是板運(yùn)行速度，b是板減速度。

剪板機(jī)在實(shí)際工作中由于各種原因，送料機(jī)構(gòu)制動(dòng)過程都會(huì)產(chǎn)生偏離標(biāo)準(zhǔn)情況的誤差。如開始制動(dòng)點(diǎn)的速度v，制動(dòng)過程的減速度b，提前制動(dòng)行程L都可能產(chǎn)生偏差，所以送料機(jī)構(gòu)不能按理想狀態(tài)下準(zhǔn)確的位置停住，總是存在位置誤差。

在整個(gè)送料過程中，控制的關(guān)鍵階段在減速制動(dòng)階段。在此階段所以采用雙輸入單輸出的PID控制結(jié)構(gòu)，輸入變量為實(shí)際的送料長(zhǎng)度與設(shè)定值之間的誤差e和板材運(yùn)行的速度變△v。輸出變量為板材運(yùn)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(duì)伺服系統(tǒng)的控制參數(shù)進(jìn)行調(diào)整已滿足對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)和靜態(tài)的性能要求，達(dá)到精度要求。

5 系統(tǒng)性能

1）常規(guī)參數(shù)：編程程序庫；公/英制選擇；斷電記憶功能；系統(tǒng)工作時(shí)間累計(jì)；剪切行程累計(jì)。

2）編程能力：數(shù)據(jù)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(fù)次數(shù)；材料類型；板材厚度；剪切計(jì)數(shù)；板材位置；軸速度。

3）計(jì)算能力：自動(dòng)計(jì)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(wù)狀態(tài)指示。

5）軸驅(qū)動(dòng)方式控制：伺服+/-10V輸出；雙速電機(jī)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(jī)床參數(shù)和程序備份與恢復(fù)。

6 結(jié)束語

用單片機(jī)+WinCE控制的自動(dòng)剪板機(jī)控制系統(tǒng)，硬件電路少，接口簡(jiǎn)單，成本只有國(guó)外同類產(chǎn)品的1/2。柔性I/O端口設(shè)置，全部I/O光電隔離，抗干擾效果很好。經(jīng)批量生產(chǎn)并投放國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)使用2年后證明，這種雙層結(jié)構(gòu)的自動(dòng)剪板機(jī)控制系統(tǒng)具有加工精度高、經(jīng)濟(jì)性好、操作方便，自動(dòng)化水平較高等特點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)了送料、切剪、計(jì)數(shù)、包裝等工序的全自動(dòng)化控制。

[1] 毛躍輝. 基于PLC控制的全自動(dòng)剪板機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 可編程控制器與工廠自動(dòng)化, 2008(6): 123-123.

[2] 王紅曰. 基于單片機(jī)的自動(dòng)剪板機(jī)控制系統(tǒng)[J]. 數(shù)控技術(shù)與裝備, 2004(3): 94-94.

[3] 馮國(guó)楠. 現(xiàn)代伺服系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2000: 87-90.

[4] 王典洪. 基于WinCE的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息. 2007(6): 62-64.

[5] 陸巍. 嵌入式數(shù)控系統(tǒng)圖形用戶界面開發(fā)研究[J]. 機(jī)床與液壓. 2006(9): 219-221.