劉艷玲，劉海燁

（天津市復(fù)雜系統(tǒng)控制理論及應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300384）

0 引言

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展及工程自動疊圖市場的需要，疊圖機(jī)產(chǎn)品便應(yīng)運(yùn)而生。由于國內(nèi)許多中小企業(yè)用戶要求是多方面的，一臺疊圖機(jī)最少要可以折疊消防圖、報(bào)批圖、裝訂圖、施工圖，雖然歐洲疊圖機(jī)設(shè)計(jì)穩(wěn)定性非常強(qiáng)，但是功能單一，而且價(jià)格十分昂貴。本文介紹的自動疊圖機(jī)，采用單片機(jī)控制，其疊圖速度適中，精度高，成本低，占地小，操作簡便快捷，功能齊全，可取代耗時(shí)費(fèi)力的人工疊圖，必將成為國內(nèi)大中小企業(yè)優(yōu)先選擇的疊圖產(chǎn)品。

1 自動疊圖機(jī)的控制電路

該控制電路主要由CPU主控電路、傳感器信號輸入電路、按鍵及顯示電路、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路等四部分組成。其電路結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，在疊圖機(jī)的硬件控制電路組成部分中，CPU主控電路采用美國ATME L公司生產(chǎn)的8位AT89C51單片機(jī)[1]，通過實(shí)時(shí)檢測各個(gè)傳感器的狀態(tài)及按鍵輸入信號，控制相應(yīng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，帶動相應(yīng)機(jī)械結(jié)構(gòu)動作，從而實(shí)現(xiàn)自動疊圖控制。傳感器信號輸入電路部分包括6個(gè)端面?zhèn)鞲衅骱?個(gè)槽型傳感器，其中端面?zhèn)鞲衅饔脕頇z測圖紙?zhí)幵诘奈恢?，根?jù)傳感器的狀態(tài)，進(jìn)行不同的疊圖動作控制。槽型傳感器起導(dǎo)向作用，使疊圖完成的圖紙從正確位置出來。鍵盤采用6個(gè)普通按鍵來實(shí)現(xiàn)選擇需要折疊和裝訂邊的尺寸以及自檢、急停功能。顯示部分采用MAX7219芯片擴(kuò)展接口，驅(qū)動8個(gè)LED共陰極數(shù)碼管顯示器[2]。共陰極數(shù)碼管則用來顯示用戶所選擇的折疊尺寸、裝訂邊尺寸及系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動部分包括2個(gè)兩相混合式步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動器、M 8253可編程控制器及一個(gè)脈沖發(fā)生器電路。由CPU產(chǎn)生步進(jìn)電機(jī)的起停及正反轉(zhuǎn)信號，再通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器來驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)，由M 8253可編程定時(shí)器[3]產(chǎn)生不同方波頻率脈沖信號來控制步進(jìn)電機(jī)的速度。

圖1 主控電路

2 疊圖機(jī)控制軟件設(shè)計(jì)

2.1 疊圖機(jī)工作過程

疊圖機(jī)的工作過程分為橫向疊圖和縱向疊圖兩部分。橫向折疊示意圖如圖2所示，圖中為橫向疊圖尺寸297 mm?？v向疊圖示意圖如圖3所示，圖中為縱向折疊尺寸180 mm，帶30 mm的裝訂邊。

圖2 橫向折疊

圖3 縱向折疊

疊圖機(jī)的折疊方式有帶裝訂邊和不帶裝訂邊兩種，有中間有折疊和無折疊兩種?？v向折疊寬度及裝訂邊寬度均可以選擇，具體縱向折疊方式及尺寸如表1所示。其中橫向折疊的尺寸有297 mm和305 mm兩種規(guī)格。

表1 疊圖機(jī)縱向折疊方式及尺寸

系統(tǒng)開機(jī)后默認(rèn)的尺寸為：縱向折疊方式180-30，橫向折疊方式297。操作人員可以根據(jù)需要選擇要折疊的圖紙尺寸。

開始進(jìn)行疊圖時(shí)，手動將圖紙放到工作臺上，沿裝有傳感器的檢測基準(zhǔn)板送入，傳感器B 1檢測到有圖紙時(shí)，步進(jìn)電機(jī)M 1便開始逆時(shí)針帶動膠輥1轉(zhuǎn)動，圖紙到達(dá)傳感器B 7時(shí)（具體位置如圖4所示），它將判斷是橫向疊圖還是縱向疊圖。當(dāng)傳感器B 7被遮擋時(shí)則為橫向疊圖，不被遮擋時(shí)則為縱向疊圖。當(dāng)圖紙到達(dá)傳感器B0時(shí)，步進(jìn)電機(jī)M2開始順時(shí)針帶動膠輥3轉(zhuǎn)動。當(dāng)單片機(jī)接受到傳感器發(fā)出的信號和按鍵掃描到的結(jié)果后，便根據(jù)相應(yīng)的程序步進(jìn)電機(jī)M1M2保持相同的速度運(yùn)轉(zhuǎn)，直到圖紙前沿到達(dá)并覆蓋傳感器B6時(shí)，便將從傳感器B 6的位置到此折疊完為止的長度的初值賦給定時(shí)器，即此時(shí)又開始定時(shí)了，M1M2步進(jìn)電機(jī)在定時(shí)結(jié)束后同時(shí)減速停止，至此圖紙的第一折疊完。當(dāng)折疊有裝訂邊的圖紙時(shí)，首先折疊有裝訂邊的一頁，即為起始頁，從第二頁起便是一整頁紙的長度了。

圖4 疊圖機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)

當(dāng)選擇中間有疊紙的折疊方式時(shí)，為使最后一折為整頁圖紙的寬度，需將多余部分折疊到中間，所以需要對最后幾折進(jìn)行處理，最后幾折的處理程序流程圖如圖5所示。

當(dāng)觸發(fā)外部中斷1后，即傳感器B 1不在被圖紙遮蓋時(shí)（短紙除外），最后幾折處理程序便開始了。首先計(jì)算出沒折疊的圖紙的長度，該長度是指從B 1傳感器的位置到圖紙最后一點(diǎn)的位置。當(dāng)折疊長紙的時(shí)候，觸發(fā)外部中斷1時(shí)M 8253定時(shí)器T 2便開始計(jì)數(shù)了，但是此時(shí)已經(jīng)進(jìn)入到計(jì)算沒折疊圖紙的長度的程序中，所以計(jì)算出來的長度為0。但是當(dāng)折疊短紙的時(shí)候，則需要減去一個(gè)距離。因?yàn)閷ν獠恐袛?中標(biāo)志位的掃描是在折完第一折圖紙后進(jìn)行的，而短紙?jiān)谡郫B第一折圖紙時(shí)就已經(jīng)發(fā)生外部中斷1了，所以要減去一個(gè)距離，那么這個(gè)距離需要利用M 8253定時(shí)器T 2計(jì)算。在處理短紙過程中，觸發(fā)外部中斷1時(shí)計(jì)數(shù)也便開始了，當(dāng)進(jìn)入到計(jì)算沒折疊圖紙長度的程序中時(shí)讀出該計(jì)數(shù)的數(shù)值。當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)算出沒折疊圖紙的長度后，經(jīng)過程序?qū)υ撻L度的判斷，選擇出與此計(jì)算圖紙長度的大小對應(yīng)的處理程序。由于在出圖的時(shí)候只有一個(gè)方向能出圖即傳感器B 6所在的方向，這就需要在每折折完后都要使counter值加1，在處理最后幾折圖紙部分時(shí)來判斷所折疊的是奇數(shù)還是偶數(shù)來進(jìn)行相應(yīng)的處理。當(dāng)傳感器B 0檢測不到信號時(shí)就可以關(guān)閉M 1了，此時(shí)M 1已經(jīng)不起作用了。當(dāng)檢測不到B6的信號時(shí)，說明圖紙已經(jīng)出來，即M 2可以關(guān)閉了。一張圖紙折疊完后，程序便返回到按鍵掃描程序，等待下一次疊圖。疊圖機(jī)疊圖控制過程的程序流程圖如圖6所示。

圖5 程序流程圖

2.2 疊圖機(jī)折疊尺寸的控制算法

疊圖機(jī)折疊尺寸的算法是實(shí)現(xiàn)精確控制折疊尺寸的靈魂。

本疊圖機(jī)需要實(shí)現(xiàn)疊圖速度為15 m/分鐘[4]，在疊圖機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)中如圖2所示，與M 2齒滑輪連接的即為主膠輥，其直徑為81 mm，則周長為254 mm，那么步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)360°圖紙所走的距離即為該膠輥的周長。在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器采用整步和步進(jìn)電機(jī)步距角為1.8°的情況下即每個(gè)脈沖轉(zhuǎn)動1.8°的步距[6]，那么360°就需要200個(gè)脈沖，所以經(jīng)計(jì)算一個(gè)脈沖為1.272 mm，即行走1 mm是0.786個(gè)脈沖。

圖6 程序流程圖

在本設(shè)計(jì)中我們采用了十細(xì)分的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器，即每個(gè)脈沖在整步的情況下轉(zhuǎn)動0.18°的步距角，這樣避免了步進(jìn)電機(jī)容易丟步的缺點(diǎn)，而且使疊圖機(jī)疊圖更加精確。我們將脈沖頻率設(shè)置為2000 Hz，便實(shí)現(xiàn)了15 m/分鐘的要求，那么行走1 mm就是7.86個(gè)脈沖了。

當(dāng)我們計(jì)算需要折疊一折圖紙的長度時(shí)，用這個(gè)長度減去拖紙膠輥3（具體位置如圖2所示）與主膠輥的接觸點(diǎn)到傳感器B 6的距離，然后再乘上1 mm的脈沖數(shù)7.86，便是步進(jìn)電機(jī)所走的距離所轉(zhuǎn)化成的脈沖數(shù)。我們必須再經(jīng)過誤差分析和反復(fù)折疊過程便可得到精確的數(shù)值，得到結(jié)果后將此值賦予單片機(jī)定時(shí)器0即可。

對于沒有中間折紙要求的圖紙，后面幾折都是通過相同的算法實(shí)現(xiàn)的，也就是通過疊完每折圖紙后，改變步進(jìn)電機(jī)M 2的方向，然后定時(shí)器定時(shí)一折所走長度的時(shí)間，通過重復(fù)此過程來實(shí)現(xiàn)剩下圖紙的折疊。

3 結(jié)束語

自動疊圖機(jī)的軟硬件控制系統(tǒng)與機(jī)械結(jié)構(gòu)組成的機(jī)電控制設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了對不同規(guī)格尺寸工程圖紙的各種尺寸和方式的折疊。通過采用單片機(jī)對步進(jìn)電機(jī)控制及傳感器檢測，以及控制算法實(shí)現(xiàn)對折疊尺寸的精確控制。經(jīng)實(shí)驗(yàn)得出，誤差控制在0.5 mm范圍內(nèi)，使產(chǎn)品廣泛用于國內(nèi)各企業(yè)單位。

[1] 李朝青.單片機(jī)原理與接口技術(shù)(第3版)[M].北京: 北京航空航天大學(xué)出版社, 2005.

[2] 劉艷玲.疊圖機(jī)控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].制造業(yè)自動化, 2010, 32(6): 71-72.

[3] 楊書華, 霍孟友.微機(jī)原理及軟硬件接口技術(shù)[M].機(jī)械工業(yè)出版社, 2004.

[4] 張鐵峰.疊圖機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)[D].天津: 天津理工大學(xué), 2010.

[5] 武津城.疊圖機(jī)控制和驅(qū)動系統(tǒng)的研制[J].天津科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2007, 22(4): 83-85.

[6] 劉寶廷.步進(jìn)電動機(jī)及其驅(qū)動控制系統(tǒng)[M].哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社, 1997.