剪板機(jī)的單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)【圖紙文檔格式】
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湘潭大學(xué)興湘學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)
題 目：
學(xué) 院： 興湘學(xué)院
專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
學(xué) 號(hào)： 2007964204
姓 名： 張慶齡
指導(dǎo)教師： 李 衛(wèi)
完成日期： 2011年05月20日
摘要
本文根據(jù)實(shí)際工程自動(dòng)化技術(shù)改造需要，完成了全自動(dòng)剪板機(jī)智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)試。
說(shuō)明書(shū)首先探討了全自動(dòng)剪板機(jī)智能控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案，根據(jù)實(shí)際需要，在常規(guī)的PLC控制和單片機(jī)控制中選擇了以單片機(jī)為主的控制方案。
然后分析了單片機(jī)在自動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用，對(duì)硬件電路中的主要環(huán)節(jié)：如輸入輸出接口的擴(kuò)展、鍵盤(pán)和顯示器電路、步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制、繼電器及CPU監(jiān)控器X25045電路等給出設(shè)計(jì)思路和具體實(shí)現(xiàn)方法。對(duì)軟件設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)方法、軟件調(diào)試等進(jìn)行了論述。
考慮到自動(dòng)控制系統(tǒng)在實(shí)際工作環(huán)境中的可靠性和安全性，在硬件設(shè)計(jì)和軟件編程中采取了抗干擾措施，如采用監(jiān)控器芯片、設(shè)計(jì)檢測(cè)工作狀態(tài)程序等。
在設(shè)計(jì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的時(shí)侯，同時(shí)考慮今后技術(shù)改進(jìn)和推廣的需要，為系統(tǒng)的擴(kuò)展留下了余地。
關(guān)鍵詞：自動(dòng)剪板機(jī) 自動(dòng)控制 單片機(jī)系統(tǒng) 硬件設(shè)計(jì) 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(dòng)化概述 2
1.4 智能控制理論的發(fā)展及其應(yīng)用現(xiàn)狀 3
1.5 本課題的研究任務(wù)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(shí)現(xiàn)的總體設(shè)想 9
第三章 步進(jìn)電機(jī)的單片機(jī)控制技術(shù) 13
3.1 概述 13
3.2 步進(jìn)電機(jī)的選用 13
3.3 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 17
3.4 步進(jìn)電機(jī)的單片機(jī)控制 19
3.5 步進(jìn)電機(jī)加減速控制查表法設(shè)計(jì) 26
第四章 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 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(shè)計(jì)原則 35
4.3 AT89C51單片機(jī)芯片簡(jiǎn)介 36
4.4 控制系統(tǒng)擴(kuò)展接口設(shè)計(jì) 37
4.5 主板硬件電路設(shè)計(jì) 39
4.6 輸入電路設(shè)計(jì) 43
4.7 輸出電路設(shè)計(jì)輸出電路分為三部分： 46
4.8 抗干擾電路設(shè)計(jì) 47
4.9 其它電路設(shè)計(jì) 48
第五章 軟件設(shè)計(jì) 49
5.1 匯編語(yǔ)言及編程環(huán)境簡(jiǎn)介 49
5.2 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì) 50
5.3 X25045程序模塊設(shè)計(jì) 58
5.4 軟件抗干擾設(shè)計(jì) 59
第六章 結(jié)論 62
參考文獻(xiàn) 64
致謝 65
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第一章 緒 論
1.1 課題背景
自動(dòng)化技術(shù)是本世紀(jì)以來(lái)發(fā)展極其迅速和影響極大的科學(xué)技術(shù)之一。現(xiàn)代自動(dòng)化技術(shù)是一種完全新型的生產(chǎn)力，是直接創(chuàng)造社會(huì)財(cái)富的重要手段，對(duì)人類的生產(chǎn)活動(dòng)和物質(zhì)文明起著巨大的推動(dòng)作用。因此，受到世界各國(guó)的廣泛重視和越來(lái)越多的應(yīng)用。
機(jī)械自動(dòng)化，主要指在機(jī)械制造業(yè)中應(yīng)用自動(dòng)化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)加工對(duì)象的連續(xù)自動(dòng)生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化有效的自動(dòng)生產(chǎn)過(guò)程，加快生產(chǎn)投入物的加工變換和流動(dòng)速度。機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展，是機(jī)械制造業(yè)技術(shù)改造、技術(shù)進(jìn)步的主要手段和技術(shù)發(fā)展的主要方向。機(jī)械自動(dòng)化的技術(shù)水準(zhǔn)，不僅影響整個(gè)機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展，而且對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門(mén)的技術(shù)進(jìn)步有很大的直接影響。因此，發(fā)展我國(guó)的機(jī)械制造業(yè)自動(dòng)化技術(shù)，符合我國(guó)社會(huì)主義的基本原則，符合我國(guó)現(xiàn)代生產(chǎn)的發(fā)展規(guī)律。
發(fā)展我國(guó)的機(jī)械自動(dòng)化技術(shù).應(yīng)實(shí)事求是，一切從我國(guó)的具體國(guó)情出發(fā)，走中國(guó)的機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展之路。當(dāng)前，我國(guó)機(jī)械制造業(yè)中自動(dòng)化裝備少、水準(zhǔn)低，不僅在數(shù)量上同世界先進(jìn)國(guó)家有較大差距，而且在品種上、質(zhì)量上、應(yīng)用上，同世界先進(jìn)水準(zhǔn)也存在階段性差距。在這種國(guó)情下，要把龐大的勞動(dòng)力大軍從機(jī)械制造業(yè)生產(chǎn)崗位上撤下來(lái)，投入巨額資金改造現(xiàn)有的大量落后設(shè)備和研制大量的現(xiàn)代自動(dòng)化裝備及控制裝置，在科學(xué)技術(shù)水準(zhǔn)和人員素質(zhì)不太高的情況下采用先進(jìn)的技術(shù)裝備，都是不現(xiàn)實(shí)的。而大力發(fā)展低成本自動(dòng)化技術(shù)，卻是潛力大，前景廣，投資省，見(jiàn)效快，可以收到事半功倍的經(jīng)濟(jì)效果，適合我國(guó)現(xiàn)階段的發(fā)展需要和國(guó)情。
我國(guó)機(jī)械制造業(yè)存在大量的通用設(shè)備，在發(fā)展現(xiàn)代機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)時(shí)，可以應(yīng)用微電子技術(shù)改造這些已有通用設(shè)備。比如用數(shù)顯、數(shù)控裝置改造通用設(shè)備，提高單機(jī)自動(dòng)化程度；用可編程序控制器改造通用機(jī)床、專用機(jī)床、組合機(jī)床及其自動(dòng)設(shè)備與半自動(dòng)設(shè)備組成的生產(chǎn)線，這樣可以把計(jì)算機(jī)功能完備、編程靈活、適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)和繼電器控制簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)。這是一條低成本、高效益、符合我國(guó)國(guó)情的機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展應(yīng)用新途徑。
1.2 課題研究目的與意義
以計(jì)算機(jī)為核心的自動(dòng)化技術(shù)是我國(guó)工業(yè)重點(diǎn)發(fā)展的高科技領(lǐng)域之一。工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)是推動(dòng)我國(guó)科技進(jìn)步、推動(dòng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要手段。不斷采用最新的電子信息技術(shù)來(lái)裝備和改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，是我國(guó)進(jìn)行現(xiàn)代化建設(shè)的必由之路。
上世紀(jì)80年代后期，隨著單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)備的控制柜逐漸被新一代的智能化儀表所代替。對(duì)于日益復(fù)雜的控制功能，傳統(tǒng)控制柜顯得無(wú)能為力，而單片機(jī)具有可編程序的特點(diǎn)，運(yùn)行時(shí)可以根據(jù)要求，自動(dòng)選擇控制算法，適應(yīng)性強(qiáng)；單片機(jī)采用以軟件代替硬件的方法，可以簡(jiǎn)化線路，使儀器的性能價(jià)格比不斷提高。本文的研究目的，在于探索在板材加工中，應(yīng)用單片機(jī)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)板材加工的自動(dòng)控制。
在板材加工系統(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(guò)程必須按一定的節(jié)拍一定的控制精確度動(dòng)作。而且，不同長(zhǎng)度、不同厚度、不同材料的扳材，各動(dòng)作行程、先后順序、刀具位置等要求都不一樣。對(duì)于這樣的控制要求，傳統(tǒng)控制柜很難實(shí)現(xiàn)，采用PLC控制器價(jià)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(zhì)量，而且加工車間噪聲大、粉塵多，操作人員的勞動(dòng)條件十分惡劣。
隨著現(xiàn)代控制理論的發(fā)展和計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，機(jī)械加工過(guò)程采用計(jì)算機(jī)控制為加工過(guò)程的規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化創(chuàng)造了條件，同時(shí)也可以大大地改善操作人員的工作環(huán)境。設(shè)各自動(dòng)化是提高生產(chǎn)效率，增強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)能力的保證。更新和改造傳統(tǒng)設(shè)備是設(shè)備實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化的兩個(gè)重要途徑。采用新的低成本自動(dòng)化技術(shù)改造老設(shè)備，是提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的好辦法。
1.3 低成本自動(dòng)化概述
設(shè)備老化是制約技術(shù)創(chuàng)新的重要因素，應(yīng)有目的，分層次地更新老設(shè)備，有重點(diǎn)地提高機(jī)械工業(yè)的裝備技術(shù)等級(jí)，并根據(jù)國(guó)力，結(jié)合國(guó)情，逐漸地推進(jìn)機(jī)械工業(yè)向技術(shù)密集產(chǎn)業(yè)方向發(fā)展，促使勞動(dòng)生產(chǎn)率的提高。
低成本自動(dòng)化(LCA Low Cost Automation)是為了適應(yīng)中小企業(yè)實(shí)現(xiàn)綜合自動(dòng)化的低成本自動(dòng)化技術(shù)，也就是充分利用現(xiàn)有設(shè)備的潛力，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，提高生產(chǎn)效率和企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)能力。這項(xiàng)研究領(lǐng)域受到越來(lái)越多人的關(guān)注。
1.3.1 低成本自動(dòng)化(LCA)主要特點(diǎn)
1)技術(shù)經(jīng)濟(jì)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(duì)已有生產(chǎn)制造工藝過(guò)程做出重大改變，投資風(fēng)險(xiǎn)小;
3)實(shí)行LCA在企業(yè)中構(gòu)成了弱聯(lián)系的自動(dòng)化獨(dú)立島，需要充分發(fā)揮職工的主觀能動(dòng)性；
4)能夠采用“短，平，快”的高新技術(shù)實(shí)現(xiàn)LCA。它以高效、實(shí)用和可靠為目標(biāo)，不需要處處追求最新的技術(shù)成就，應(yīng)該做到“少花錢(qián)，多辦事，辦好事”。
1.3.2 低成本自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則
通常進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)既要系統(tǒng)先進(jìn)自動(dòng)化程度高，又要投入盡可能低。要解決這個(gè)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(shè)計(jì)原則實(shí)施。
1)滿足需要原則。即把滿足用戶對(duì)產(chǎn)品功能及自動(dòng)化水平等要求作為設(shè)計(jì)的中心任務(wù)。
2)最小系統(tǒng)原則。即在考慮滿足要求的前提下，用最簡(jiǎn)單的硬件、軟件，最經(jīng)濟(jì)的方法構(gòu)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(shí)問(wèn)內(nèi)無(wú)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(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化原則。對(duì)系統(tǒng)的元器件選擇應(yīng)盡可能使用標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化產(chǎn)品或己使用過(guò)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(kāi)發(fā)周期，增強(qiáng)抗干擾能力和改善維修條件等。
6)先進(jìn)性原則。在滿足經(jīng)濟(jì)性能前提下，盡可能采用新的技術(shù)與方法，充分利用社會(huì)已取得的成果，如己發(fā)展成熟的新技術(shù)、新工藝及新的元器件等，使原有設(shè)備結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單、功能更強(qiáng)、可靠性更高，體積重量更小更輕，操作與維修更加簡(jiǎn)便。
1.3.3 在我國(guó)發(fā)展低成本自動(dòng)化的重要性
我國(guó)工業(yè)自動(dòng)化總體水平不高。由于我國(guó)對(duì)設(shè)備折舊率的規(guī)定，設(shè)備更新較慢，Ｋ期以來(lái)在很多行業(yè)普遍存在著耗能大效率低等弊端。改革開(kāi)放以后一些行業(yè)陸續(xù)引進(jìn)了國(guó)外先進(jìn)的生產(chǎn)線、新技術(shù)、新器件，使機(jī)械行業(yè)的面貌發(fā)生了巨大的變化。但是，對(duì)引進(jìn)設(shè)備的消化吸收工作仍然做得不夠，受財(cái)力因素的制約，只能不斷引進(jìn)必要的關(guān)鍵性設(shè)備，不可能全部依賴引進(jìn)。這樣，對(duì)正在使用的設(shè)備來(lái)說(shuō)，如果它在生產(chǎn)原理方面與國(guó)外設(shè)備沒(méi)有實(shí)質(zhì)的不同，而設(shè)備的主體部件又比較耐用，那就可以充分利用已有設(shè)備、挖掘潛力，采用低成本自動(dòng)化技術(shù)，在不停產(chǎn)或少停產(chǎn)的情況下，實(shí)施技術(shù)改造，達(dá)到少的投資，快的速度，高的效益。
上述設(shè)備在我國(guó)的機(jī)械行業(yè)恰恰是大量存在著的，用新的全套設(shè)備來(lái)取代，經(jīng)濟(jì)上不許可，企業(yè)中的技術(shù)力量也難于勝任。發(fā)展低成本自動(dòng)化是促進(jìn)技術(shù)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(yīng)用現(xiàn)狀
自從1932年奈魁斯特(Hnyquist)發(fā)表了有關(guān)反饋放大器的穩(wěn)定性論文以來(lái)，控制理論的發(fā)展已走過(guò)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(duì)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(shí)由于計(jì)算機(jī)技術(shù)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(guò)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(dòng)態(tài)規(guī)劃、卡爾曼(Kalman)的線性辨識(shí)和估計(jì)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(shí)和最優(yōu)估計(jì)、自適應(yīng)控制等為代表的現(xiàn)代控制理論分析和設(shè)計(jì)方法。系統(tǒng)分析的數(shù)學(xué)模型主要是狀態(tài)空間描述法。然而，在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)實(shí)踐中，許多復(fù)雜的生產(chǎn)過(guò)程不是連續(xù)的，而有些過(guò)程的控制目標(biāo)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(yàn)相結(jié)合，才能取得滿意的控制效果。智能控制是一門(mén)新興的學(xué)科，它的發(fā)展得益于許多學(xué)科，其中包括人工智能、認(rèn)知科學(xué)、現(xiàn)代自適應(yīng)控制、最優(yōu)控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯、學(xué)習(xí)理論、生物控制和激勵(lì)學(xué)習(xí)等。上述各學(xué)科均以不同側(cè)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(shè)計(jì)。1971年，著名學(xué)者K.S.FU(傅京遜)從發(fā)展學(xué)習(xí)控制的角度首次提出智能控制這一概念，它在文獻(xiàn)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(shí)別決策和控制等功能，因此對(duì)于不同的控制任務(wù)、不同的對(duì)象及環(huán)境情況，人作為控制器的控制系統(tǒng)具有自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)和自組織的功能，能自動(dòng)采取不同的控制策略以適應(yīng)不同的情況。
2)人機(jī)結(jié)合作為控制器的控制系統(tǒng)。在這樣的系統(tǒng)中，機(jī)器完成那些連續(xù)進(jìn)行的并需要快速計(jì)算的常規(guī)控制任務(wù)，人則完成任務(wù)分配、決策、監(jiān)控等任務(wù)。
3)無(wú)人參與的自主控制系統(tǒng)。最典型的例子是自主機(jī)器人，這時(shí)的自主式控制器需要完成問(wèn)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(wù)。它實(shí)際上是一個(gè)多層的智能控制系統(tǒng)。
1985年8月，IEEE在美國(guó)紐約召開(kāi)了第一屆智能控制學(xué)術(shù)討論會(huì)。來(lái)自美國(guó)各地的60位從事自動(dòng)控制、人工智能和運(yùn)籌學(xué)研究的專家學(xué)者參加了這次學(xué)術(shù)討論會(huì)。會(huì)上集中討論了智能控制原理和智能控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。這次會(huì)議后不久，在IEEE控制系統(tǒng)學(xué)會(huì)內(nèi)成立了IEEE智能控制專業(yè)委員會(huì)。1987年1月，在美國(guó)費(fèi)城的第一次國(guó)際會(huì)議，來(lái)自美國(guó)、歐洲、日本、中國(guó)以及其他發(fā)展中國(guó)家的150位代表出席了這次學(xué)術(shù)盛會(huì)。提交大會(huì)報(bào)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(zhǎng)足發(fā)展；同時(shí)也說(shuō)明了由于許多新技術(shù)問(wèn)題的出現(xiàn)以及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，需要重新考慮控制領(lǐng)域和相近學(xué)科。這次會(huì)議是個(gè)里程碑，它表明智能控制作為一門(mén)獨(dú)立學(xué)科，正式在國(guó)際上形成。
智能控制作為一門(mén)新興學(xué)科，還沒(méi)有形成一個(gè)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(wèn)題是：對(duì)于一個(gè)給定的系統(tǒng)如何進(jìn)行系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)。把復(fù)雜環(huán)境建模的嚴(yán)格數(shù)學(xué)方法研究同人工智能中的新興學(xué)科分支“計(jì)算智能”的理論方法研究緊密地結(jié)合起來(lái)，有望導(dǎo)致新的智能控制體系結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生和發(fā)展；并預(yù)示這種研究將在“自上而下”和“自下而上”兩個(gè)方向工作的交匯處取得突破性的進(jìn)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(lǐng)域相當(dāng)廣泛，且存在的問(wèn)題也相當(dāng)多。
智能在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)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(jì)算機(jī)并可以通過(guò)編程的方法實(shí)現(xiàn)其功能的儀器。嵌入到儀器中的計(jì)算機(jī)必定是微型計(jì)算機(jī)，故也把智能儀器稱為微機(jī)化儀器。
就廣義來(lái)說(shuō)，智能控制是指能隨外界環(huán)境變化自主選擇正確行動(dòng)的能力。人工智能的創(chuàng)始者之一，獲得諾貝爾獎(jiǎng)的西蒙指出：人工智能的研究目的是在于學(xué)會(huì)編制計(jì)算機(jī)程序來(lái)完成機(jī)智的行動(dòng)，這包括解決問(wèn)題、學(xué)習(xí)、推理和做出決定。在信息科學(xué)中，信息技術(shù)發(fā)展分為信息化，自動(dòng)化、最優(yōu)化和智能化四個(gè)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(shí)經(jīng)驗(yàn)綜合分析的結(jié)果：知識(shí)的表達(dá)和應(yīng)用是智能化的標(biāo)志。
從信息科學(xué)的智能概念來(lái)看，目前的智能儀器還處于智能化的低級(jí)階段。但相對(duì)于傳統(tǒng)儀器而言，這種儀器已能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)參數(shù)補(bǔ)償、自動(dòng)量程選擇、自動(dòng)校準(zhǔn)。
1.5 本課題的研究任務(wù)和工作
本說(shuō)明書(shū)的任務(wù)是結(jié)合鈑金機(jī)械加工廠家的技術(shù)改造需要，在現(xiàn)有普通剪板機(jī)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)全自動(dòng)剪板機(jī)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程自動(dòng)化，提高現(xiàn)代化水平。全自動(dòng)控制器主要組成部分有單片微機(jī)、接口擴(kuò)展電路、鍵盤(pán)輸入顯示電路、信號(hào)采集電路及輸出驅(qū)動(dòng)部分等組成。設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)功能需要選擇控制精度高、靈活性適應(yīng)性好、成本低的控制器。通過(guò)各種控制電路的優(yōu)劣對(duì)比、分析計(jì)算確定合理的控制電路，選用適當(dāng)?shù)募呻娐沸酒碗娮釉瓿山M裝測(cè)試。在電路設(shè)計(jì)中注意抗干擾設(shè)計(jì)。
1、控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
通過(guò)編程，完成全自動(dòng)生產(chǎn)過(guò)程的控制，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示、實(shí)時(shí)信號(hào)采集、計(jì)算分析及實(shí)時(shí)控制處理。編制好控制軟件并進(jìn)行軟件的仿真調(diào)試和修改。
2、軟硬件聯(lián)調(diào)
由于實(shí)際情況與理論推導(dǎo)可能不一致，或者考慮問(wèn)題不全面，難免出現(xiàn)故障和問(wèn)題，需要認(rèn)真分析與排除，在失敗和不足中總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，改進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
3、完成課題說(shuō)明書(shū)
根據(jù)自動(dòng)剪板機(jī)的工作原理及控制器的功能要求，論證自動(dòng)剪板機(jī)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案。說(shuō)明控制系統(tǒng)構(gòu)造及配套執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，分析單片機(jī)在智能控制過(guò)程中的應(yīng)用，針對(duì)控制器硬件主要環(huán)節(jié)、控制信號(hào)采集和電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制及人機(jī)交互等，從設(shè)計(jì)思想、實(shí)現(xiàn)原理、調(diào)試方法等角度進(jìn)行了必要闡述。結(jié)合操作要求，介紹控制器的軟件實(shí)現(xiàn)過(guò)程。并針對(duì)控制器的運(yùn)行環(huán)境，就現(xiàn)場(chǎng)抗干擾的對(duì)策進(jìn)行具體分析，說(shuō)明利用軟件和硬件措施確保系統(tǒng)可靠運(yùn)行。
第二章 系統(tǒng)方案分析
目前，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)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(jī)控制系統(tǒng)。其性能比較如下：
PLC系統(tǒng)不需要附加硬件設(shè)計(jì)且軟件編程簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)周期短，開(kāi)發(fā)費(fèi)用低。但是，PLC控制器價(jià)格高。工作速度比計(jì)算機(jī)慢，輸出對(duì)輸入的響應(yīng)有滯后現(xiàn)象，對(duì)使用者文化水平有較高的要求。單片機(jī)控制系統(tǒng)需自行設(shè)計(jì)硬件電路，軟件編程較PLC控制系統(tǒng)復(fù)雜很多，設(shè)計(jì)周期較長(zhǎng)，開(kāi)發(fā)費(fèi)用高。但是單片機(jī)控制器成本低，去掉復(fù)制及開(kāi)發(fā)成本。而且靈活性更好，功能強(qiáng)大，體積小，易于產(chǎn)品化。工業(yè)用單片機(jī)芯片本身是按工業(yè)測(cè)控環(huán)境要求設(shè)計(jì)的，它能夠適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)惡劣的環(huán)境，抗干擾能力強(qiáng)，所提供的接口豐富，指令系統(tǒng)強(qiáng)大，容易根據(jù)需要進(jìn)行擴(kuò)展構(gòu)成各種規(guī)模的應(yīng)用系統(tǒng)。
通過(guò)綜合考慮設(shè)備的性能/價(jià)格比、顯示直觀性、外表美觀性、靈活性等諸方面網(wǎng)素，本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)控制系統(tǒng)。本章根據(jù)自動(dòng)剪扳機(jī)對(duì)控制系統(tǒng)的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)方案分析。
2.1 總體方案分析
2.1.1 對(duì)控制系統(tǒng)的要求
根據(jù)剪板機(jī)的工作特點(diǎn)，對(duì)控制系統(tǒng)提出控制要求如下：
1)上電后，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)進(jìn)料，由控制系統(tǒng)控制進(jìn)料機(jī)構(gòu)將待剪板料自動(dòng)輸送到位。
3)定剪切尺寸，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)壓緊和剪切.待剪板料長(zhǎng)度達(dá)到設(shè)定值后由主電動(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)擋料器讓刀并移動(dòng)到下一定長(zhǎng)位置。
6)板料托架及旋轉(zhuǎn)卸料。
7)送料車的運(yùn)行，包括卸載后自動(dòng)返回。
8)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)具備斷電保護(hù)和來(lái)電恢復(fù)功能。
10)實(shí)現(xiàn)加工過(guò)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。
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(jī)操作界面。
2.1.2 機(jī)械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成及工作原理圖
自動(dòng)剪板機(jī)是一種精確控制板材加工尺寸，將大塊金屬板材進(jìn)行自動(dòng)循環(huán)剪切加工，并由送料車運(yùn)送到下一工序的自動(dòng)化加工設(shè)備。
圖2.1全自動(dòng)剪板機(jī)結(jié)構(gòu)組成及工作原理圖
其工作流程及原理是：
1)開(kāi)機(jī)后，輸入板料加工尺寸、加工數(shù)量等參數(shù)，點(diǎn)擊自動(dòng)鍵，系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行。
2)系統(tǒng)首先檢查回零開(kāi)關(guān)ST3狀態(tài)，擋料器不在零位置則啟動(dòng)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)擋料器回零，擋料器在零位置則檢查小車的狀態(tài)開(kāi)關(guān)ST5；若料車空載，就啟動(dòng)送料小車，使之左行到位，小車到位開(kāi)關(guān)ST4閉合小車停機(jī)。
3)擋料器運(yùn)動(dòng)至加工尺寸位置。
4)啟動(dòng)進(jìn)料機(jī)構(gòu)，帶動(dòng)板料向右移動(dòng)。
5)當(dāng)板料碰到擋料器定長(zhǎng)開(kāi)關(guān)ST2時(shí)，送料停止，同時(shí)制動(dòng)器松開(kāi)、電磁離合器結(jié)臺(tái)，主電動(dòng)機(jī)通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)使壓料器壓下，壓料器壓緊行程開(kāi)關(guān)ST1閉合。
6)板利壓緊觸發(fā)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)擋料器讓刀，完畢后主電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)剪刀下落剪斷板料，接著電磁離合器斷開(kāi)主電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)，刀具和壓料器在彈簧力作用下撤回，制動(dòng)器制動(dòng)。
7)卸料離合器結(jié)合，主電動(dòng)機(jī)通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)托架轉(zhuǎn)動(dòng)，剪切的板料滑入料車，卸料檢測(cè)開(kāi)關(guān)ST8閉合，卸料離合器松開(kāi)。
8)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。
9)剪好的板料由壓塊下壓次數(shù)來(lái)計(jì)數(shù)。當(dāng)料車上板料沒(méi)達(dá)到設(shè)定數(shù)時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)循環(huán)加工，多次循環(huán)后，回零修正定長(zhǎng)累積誤差再返回。
10)當(dāng)達(dá)到設(shè)定滿車數(shù)量時(shí)，起動(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(kāi)關(guān)ST7閉合。
11)卸載后，再啟動(dòng)料車左行，返回到剪板機(jī)下，進(jìn)入下一車的工作循環(huán)。
2.1.3 剪板機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)：
設(shè)計(jì)對(duì)象是Q-11型機(jī)械式剪板機(jī)。
工作原理：交流電機(jī)通過(guò)皮帶輪、減速齒輪、飛輪帶動(dòng)主軸，主軸裝有兩個(gè)曲柄連桿機(jī)構(gòu)(偏心輪機(jī)構(gòu))并帶動(dòng)滑動(dòng)刀架做上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)剪切刀剪斷板料。其中為了實(shí)現(xiàn)對(duì)主軸帶動(dòng)偏心輪機(jī)構(gòu)的控制采用了電磁離合器和制動(dòng)器。其銘牌參數(shù)見(jiàn)表2.1。
型號(hào)
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(jī)參數(shù)
2.2 控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的總體設(shè)想
圖2.2 總體方案設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖
2.2.1 數(shù)控系統(tǒng)工作主電路
圖2.3 自動(dòng)剪板機(jī)的主電路圖
各機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)動(dòng)力來(lái)自電機(jī)，根據(jù)控制的特點(diǎn)和經(jīng)濟(jì)性要求，采用交流電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)進(jìn)料、小車送料、托架下料，采用伺服電機(jī)控制擋料器精確定長(zhǎng)。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)交流電機(jī)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(jìn)料電機(jī)，KM2、KM3控制送料小車電機(jī)。M1為剪切主電機(jī)，M2為進(jìn)料電機(jī)，M3為小車電機(jī)。因?yàn)楸鞠到y(tǒng)為經(jīng)濟(jì)性數(shù)控系統(tǒng)，所以伺服電機(jī)采用步進(jìn)電機(jī)，采用開(kāi)環(huán)控制。本控制系統(tǒng)需要完成對(duì)工作機(jī)構(gòu)的控制情況如下：
1)進(jìn)料控制，執(zhí)行器件為進(jìn)料電機(jī)，通過(guò)對(duì)進(jìn)料電機(jī)的起停控制，實(shí)現(xiàn)進(jìn)給機(jī)構(gòu)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(dòng)器。通過(guò)控制主電機(jī)傳動(dòng)路線中的電磁離合器，控制傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)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(dòng)器剪切一次制動(dòng)一次。
3)托架轉(zhuǎn)動(dòng)卸料控制，執(zhí)行器件為電磁離合器。通過(guò)控制電磁離臺(tái)器，控制傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)托架完成轉(zhuǎn)動(dòng)卸料，復(fù)位利用彈簧完成。
4)小車往返運(yùn)動(dòng)及停止控制執(zhí)行器件為小車電機(jī)，通過(guò)控制小車電機(jī)的起停正反轉(zhuǎn)，控制送料小車在剪扳機(jī)與下一工位往返送料。
5)擋料器定位控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)為步進(jìn)電機(jī)，通過(guò)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)步數(shù)和方向的控制，實(shí)現(xiàn)擋料器的前進(jìn)和后退，完成板料剪切長(zhǎng)度尺寸的定長(zhǎng)功能。
其中，1)、4)執(zhí)行機(jī)構(gòu)都可采用強(qiáng)電、開(kāi)關(guān)量控制。因單片機(jī)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(jí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過(guò)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(jī)的起停。2)、3)執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的電磁離合器、制動(dòng)器需要采用專用輸出驅(qū)動(dòng)控制電路。5)的執(zhí)行器件步進(jìn)電機(jī)采用專業(yè)廠生產(chǎn)的或自行設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)控制電路來(lái)控制。
2.2.2 系統(tǒng)控制器硬件及軟件總體設(shè)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(shè)計(jì)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(hào)傳輸。布置在主板上的部件有：?jiǎn)纹瑱C(jī)AT89C51、看門(mén)狗X25045、擴(kuò)展接口芯片等。
◆單片機(jī)AT89C51主要用于信號(hào)的采集、數(shù)據(jù)處理、控制信號(hào)的輸出等，它是整個(gè)控制設(shè)備的核心。
◆X25045芯片在本系統(tǒng)中承擔(dān)兩方面的工作，一是看門(mén)狗功能，在系統(tǒng)遇到干擾，程序跑飛時(shí)，對(duì)系統(tǒng)復(fù)位。二是其內(nèi)部具有的512字節(jié)EEPROM，在斷電后用于對(duì)關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行保護(hù)，如：剪切次數(shù)、當(dāng)前加工尺寸、各個(gè)工作機(jī)構(gòu)當(dāng)前狀態(tài)等。
◆輸入輸出接口擴(kuò)展芯片，主要考慮到采集各個(gè)工作機(jī)構(gòu)當(dāng)前狀態(tài)信息、接收鍵盤(pán)輸入信號(hào)及輸出顯示信號(hào)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制信號(hào)。
2)輸入顯示部分完成鍵盤(pán)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(pán)、及操作面板等。采集工作狀態(tài)數(shù)字量信號(hào)的電路另外做一塊板。
◆鍵盤(pán)在本系統(tǒng)中完成加工參數(shù)的輸入及干預(yù)信號(hào)的輸入，如：各種手動(dòng)操作、加工尺寸數(shù)量的設(shè)定、加工方法的選定、急停等，通過(guò)對(duì)剪板機(jī)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的分析按鍵需要18個(gè)，可使用薄膜開(kāi)關(guān)矩陣鍵盤(pán)。
◆顯示器，本系統(tǒng)對(duì)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(hào)的輸出，驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)電路、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、電磁離臺(tái)器電磁制動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電路等電路。分別布置在多塊電路板上。
◆變壓器用于將220V強(qiáng)電轉(zhuǎn)換為24V、12V和5V弱電，為電磁離臺(tái)器、繼電器和單片機(jī)提供電源。
◆中間繼電器在本系統(tǒng)中主要用于實(shí)現(xiàn)強(qiáng)、弱電的隔離，即將單片機(jī)輸出的弱電信號(hào)轉(zhuǎn)換為強(qiáng)電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)交流接觸器及電機(jī)的控制。
◆交流接觸器用于對(duì)強(qiáng)電回路進(jìn)行控制，其觸點(diǎn)接于電機(jī)回路中，線圈的控制信號(hào)來(lái)源于中間繼電器的輸出。
◆步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路用于光電隔離功率放大，將弱電信號(hào)轉(zhuǎn)換為強(qiáng)電信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。
◆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(jī)構(gòu)動(dòng)作，控制電路需要控制24V直流電對(duì)離合器電磁線圈通斷電，使離臺(tái)器結(jié)合脫離。電磁制動(dòng)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(hào)
名稱
型號(hào)
功能
1
單片機(jī)
AT89C51
2
接口擴(kuò)展芯片（1）
8155/8255/8279
接收鍵盤(pán)輸入/輸出顯示
3
接口擴(kuò)展芯片（2）
74LS273/8155/8255
采集信號(hào)輸出電機(jī)控制信號(hào)
4
LED數(shù)碼管
八段五聯(lián)和三聯(lián)的
顯示
5
看門(mén)狗芯片
X25045
斷電參數(shù)保護(hù)和程序復(fù)位
6
中間繼電器
JZC-33F
強(qiáng)弱電轉(zhuǎn)換
7
按鍵
開(kāi)關(guān)矩陣鍵盤(pán)
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(kāi)關(guān)
檢測(cè)工作狀態(tài)
2、軟件部分
根據(jù)剪切板料的自動(dòng)化過(guò)程，設(shè)計(jì)順序動(dòng)作控制程序。采用模塊化結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。為了保證加工尺寸的精度，設(shè)計(jì)的程序必須能控制步進(jìn)電機(jī)在加速減速過(guò)程中不失步不過(guò)沖。設(shè)計(jì)掉電保護(hù)程序保存工作狀態(tài)信息和加工參數(shù)，以便恢復(fù)生產(chǎn)。設(shè)計(jì)意外急停功能及手動(dòng)操作和單步調(diào)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(jī)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(guò)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(jī)供電，12V為繼電器供電，24V為電磁離合器和電磁制動(dòng)器供電。步進(jìn)電機(jī)的電源根據(jù)需要單獨(dú)配置。
第三章 步進(jìn)電機(jī)的單片機(jī)控制技術(shù)
3.1 概述
步進(jìn)電機(jī)廣泛用于各種自動(dòng)控制系統(tǒng)中，作為執(zhí)行元件，是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一。隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的需求與日俱增，應(yīng)用范圍也在不斷擴(kuò)大。步進(jìn)電機(jī)的發(fā)展史可以追溯到1831年.當(dāng)時(shí)其性能不是很好。到了本世紀(jì)初，西方各國(guó)蓬勃發(fā)展的造船業(yè)推動(dòng)了步進(jìn)電機(jī)的進(jìn)一步發(fā)展。20世紀(jì)50年代晶體管技術(shù)的出現(xiàn)促使步進(jìn)電機(jī)向小型化發(fā)展邁進(jìn)了一步。數(shù)控機(jī)床的出現(xiàn)使步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用和發(fā)展進(jìn)一步加深。80年代，由于廉價(jià)的微型機(jī)算汁以多功能的形式山現(xiàn)，使步進(jìn)電機(jī)的控制性能更加靈活多樣。步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開(kāi)環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無(wú)累積誤差等特點(diǎn)。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制變的非常的簡(jiǎn)單。雖然步進(jìn)電機(jī)已被廣泛地應(yīng)用，但步進(jìn)電機(jī)并不能象普通的直流電機(jī)，交流電機(jī)在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號(hào)、功率驅(qū)動(dòng)電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進(jìn)電機(jī)卻非易事，它涉及到機(jī)械、電機(jī)、電子及計(jì)算機(jī)等許多專業(yè)知識(shí)。
3.2 步進(jìn)電機(jī)的選用
3.2.1 步進(jìn)電機(jī)的選擇
步進(jìn)電機(jī)選擇需要遵循下述程序：
1、先選擇要素。機(jī)械要素指負(fù)載轉(zhuǎn)矩和負(fù)載慣量。時(shí)間要素指加速時(shí)間和(即從開(kāi)始加速到)和運(yùn)行時(shí)間ｔ。
2、確認(rèn)脈沖頻率。其依據(jù)是將物體移動(dòng)到目標(biāo)位置的時(shí)間。
脈沖頻率＝360×轉(zhuǎn)速(rpm)/(60×步距角)HZ (3.1)
3、計(jì)算需要的運(yùn)行轉(zhuǎn)矩。電動(dòng)機(jī)帶載運(yùn)行所需的轉(zhuǎn)矩為
(3.2)
—需要的運(yùn)行轉(zhuǎn)矩，kg.cm
—負(fù)載轉(zhuǎn)矩，kg.cm
—慣性體的加速轉(zhuǎn)矩，kg.cm
負(fù)載轉(zhuǎn)矩由實(shí)測(cè)或估算得到，慣性體的加速轉(zhuǎn)矩可按下式計(jì)算
(3.3)
4、決定電動(dòng)機(jī)的型號(hào)。根據(jù)己得到的脈沖速率和運(yùn)行需求的轉(zhuǎn)矩，從電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品的矩頻特性曲線上選取2～3種可用的電動(dòng)機(jī)。
5、驗(yàn)證。根據(jù)選中的電動(dòng)機(jī)，結(jié)合轉(zhuǎn)子慣量再次用需要的運(yùn)行轉(zhuǎn)矩公式驗(yàn)算。將計(jì)算值再次與矩頻特性曲線對(duì)照，確定是否在該曲線內(nèi)側(cè)，直到確定一種電動(dòng)機(jī)。
3.2.2 實(shí)際應(yīng)用設(shè)計(jì)計(jì)算
具體到本控制系統(tǒng)的實(shí)際擋料器定位機(jī)構(gòu)，步進(jìn)電機(jī)工作的己知條件為：擋料器在導(dǎo)軌上的滑動(dòng)部件總重量不到50kg；脈沖當(dāng)量δ為0.01mm(加工精度為0.02mm)；快進(jìn)速度V=120mm/ｓ；絲杠導(dǎo)程。
初選電動(dòng)機(jī)。擬選用90BYG450型混合式步進(jìn)電機(jī)。該電機(jī)當(dāng)運(yùn)行在四相八拍勵(lì)磁時(shí)其步距角為。
表3-1 步進(jìn)電機(jī)參數(shù)和矩頻特性
步進(jìn)電機(jī)
相數(shù)
步距角
最大靜轉(zhuǎn)矩N*m
電流A
定位轉(zhuǎn)矩
90BY450
4
3.5N*m
4
0.5 N*m
步進(jìn)電機(jī)
轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
空載自動(dòng)頻率
運(yùn)行頻率
90BYG450
2.3Kg/cm
1300步/s
20000步/s
步進(jìn)電機(jī)
運(yùn)行步距角
運(yùn)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(jìn)電機(jī)負(fù)載分析：
機(jī)構(gòu)工作時(shí)步進(jìn)電機(jī)的負(fù)載有摩擦負(fù)載和慣性負(fù)載兩種。
(1)摩擦阻力。在擋料機(jī)構(gòu)中，擋料滑臺(tái)在導(dǎo)軌上為滑動(dòng)摩擦，取其摩擦系數(shù)，則摩擦阻力(g=10m/)。
(2)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)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(zhuǎn)動(dòng)慣量近似為
步進(jìn)電機(jī)90BYG450型轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為
根據(jù)計(jì)算式
式中采用擋料器工作最快速度V=7.2m/min，電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)無(wú)中間傳動(dòng)回轉(zhuǎn)零件，擋料器在導(dǎo)軌上的滑動(dòng)部件總重量約50kg即＝50kg，轉(zhuǎn)速(電機(jī))＝/(360×6)＝7200×0.9/(360×0.01)＝1800(r/min)則
結(jié)果等于3.50×(kg)
(3)等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩()的計(jì)算。由于絲杠承受軸向載荷，又由于采取了一定的預(yù)緊措施，故絲杠會(huì)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(duì)于其它負(fù)載力矩小得多，故一般不予考慮。
(4)等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩［T］。由下式計(jì)算
(3.5)
式中—所受負(fù)載力(N)；—移動(dòng)部件速度(m/min)；—為執(zhí)行元件的轉(zhuǎn)速(r/min)：—所受負(fù)載力矩(Nm)；—轉(zhuǎn)動(dòng)部件轉(zhuǎn)速得
(5)啟動(dòng)慣性阻力矩()的計(jì)算。以快速啟動(dòng)工作速度計(jì)算，取啟動(dòng)加速時(shí)間為(一般取0.1s～1s之間選取，為提高加工效率時(shí)間取0.3s)，由于電機(jī)轉(zhuǎn)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(jìn)電機(jī)輸出軸上總負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計(jì)算
2、步進(jìn)電機(jī)的匹配選擇：
上述計(jì)算均未考慮機(jī)械系統(tǒng)的傳動(dòng)效率，考慮軸承絲杠導(dǎo)軌滑臺(tái)實(shí)際情況選擇機(jī)械傳動(dòng)總效率，則
為了避免計(jì)算上的誤差引起步進(jìn)電機(jī)失步，適當(dāng)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(jìn)電機(jī)的總負(fù)載轉(zhuǎn)矩
若選用上述電機(jī)，其最大。在四相八拍驅(qū)動(dòng)時(shí)，其步矩角為0.9°/step，為保證帶負(fù)載能正常加速和定位停止，電機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩必須滿足
由步進(jìn)電機(jī)動(dòng)態(tài)特性知啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩與步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)和通電方式有關(guān)，查T(mén)q與相數(shù)和通電方式關(guān)系表得則，故選擇適用(考慮了有現(xiàn)成的電機(jī)可用、電機(jī)工作頻率高及大中型剪板機(jī)改造需要)。
3、滾動(dòng)絲杠的校核：
由于絲杠是按類比法選用，故應(yīng)進(jìn)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(dòng)載荷；
L—滾珠絲杠壽命系數(shù)單位轉(zhuǎn)L＝60nT/，T為使用壽命時(shí)間取15000h
n絲杠轉(zhuǎn)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(dòng)載荷。
則
查有關(guān)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(shí)際承受載荷的能力；
—壓桿穩(wěn)定支承系數(shù)雙推一簡(jiǎn)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(yàn)算。
滾珠絲杠在工作負(fù)載和扭矩共同作用下，所引起的每一導(dǎo)程的變形量為：
(3.8)
式中：—導(dǎo)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(shí)，“－”…用于壓縮時(shí)。
在絲杠副精度標(biāo)準(zhǔn)中一般規(guī)定每一米彈性變形所允許的基本導(dǎo)程誤差值。公式計(jì)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(dǎo)程誤差值0.75。
經(jīng)過(guò)校核，承載能力、壓桿穩(wěn)定性和剛度均合格。
3.3 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
步進(jìn)電機(jī)采用脈沖電源工作。其驅(qū)動(dòng)方式有單電壓驅(qū)動(dòng)、雙電壓驅(qū)動(dòng)、斬波驅(qū)動(dòng)、細(xì)分驅(qū)動(dòng)等多種，我們可以根據(jù)實(shí)際需要來(lái)選用。
圖3.1 脈沖變壓器式驅(qū)動(dòng)電路
考慮設(shè)計(jì)制造成本及對(duì)驅(qū)動(dòng)電路性能要求，此次設(shè)計(jì)采用高低壓法驅(qū)動(dòng)方式，高低壓法驅(qū)動(dòng)基本思路是：不論電動(dòng)機(jī)工作的頻率如何，在繞組通電的開(kāi)始用高壓供電，使繞組中的電流迅速上升，而后用低壓來(lái)維持繞組中的電流。高低壓驅(qū)動(dòng)法是目前普遍應(yīng)用的一種方法，高低壓驅(qū)動(dòng)電路又稱雙電壓驅(qū)動(dòng)電路，可以分為脈沖變壓器式驅(qū)動(dòng)與定時(shí)控制驅(qū)動(dòng)。
圖3-1是采用脈沖變壓器式驅(qū)動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。當(dāng)控制脈沖來(lái)時(shí)，T1，T2，T3全導(dǎo)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(dǎo)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(guò)T3、T4為步進(jìn)電機(jī)某一相繞組LMOTOR供電，使其電流上升沿變陡。經(jīng)過(guò)時(shí)間后脈沖電流消失，使T4截止,VH與繞組之間被切斷。VL通過(guò)T3、D3為L(zhǎng)MOTOR供電。提供電動(dòng)機(jī)所需的額定電流。通過(guò)調(diào)整脈沖變壓器的磁芯和R7可改變高壓供電的時(shí)間寬度。步進(jìn)電機(jī)各相驅(qū)動(dòng)控制電路相同。
脈沖變壓器式驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是因?yàn)槭褂妹}沖變壓器使制造工藝復(fù)雜，成本高且不易模塊化，目前用的很少.定時(shí)控制高低壓驅(qū)動(dòng)電路采用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器將控制脈沖分離出一個(gè)同步的窄脈沖作為高壓有效控制信號(hào)。該脈沖的寬度為單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的暫態(tài)過(guò)程時(shí)間，在這個(gè)過(guò)程中高壓控制管與低壓控制管同時(shí)導(dǎo)通.ｔ即不能太大也不能太小：太大時(shí)，步進(jìn)電機(jī)電流過(guò)載使兩個(gè)驅(qū)動(dòng)管燒壞甚至將步進(jìn)電機(jī)燒毀：太小時(shí)，高頻性能改善不明顯，高頻運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)出力易產(chǎn)生失步現(xiàn)象，一般取值與主回路的電氣時(shí)間常數(shù)ｔ相同一旦被確定則難以控制、調(diào)整適應(yīng)不同的運(yùn)轉(zhuǎn)頻率和不同繞組電感的步進(jìn)電機(jī)。因此筆者設(shè)計(jì)了具有檢測(cè)反饋控制環(huán)節(jié)的高低壓驅(qū)動(dòng)電路，利用反饋控制高壓管的導(dǎo)通時(shí)間，適應(yīng)不同的運(yùn)轉(zhuǎn)頻率，提高驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)電路
工作過(guò)程：當(dāng)控制脈沖前沿經(jīng)光電耦合器到與非門(mén)的輸入端時(shí)，前級(jí)與非門(mén)的輸入為低電平，后級(jí)與非門(mén)輸出低電平，高壓控制管Q1與低壓控制管Q2同時(shí)截止，功率開(kāi)關(guān)管Q3、Q4同時(shí)導(dǎo)通.高壓電源供電，主回路電流I按負(fù)指數(shù)規(guī)律上升。當(dāng)電流上升到電機(jī)額定電流的120%時(shí)，電流檢測(cè)電阻Rd上的電壓UC經(jīng)過(guò)放大與參考電壓Uref比較大于參考電壓，檢測(cè)環(huán)節(jié)輸出一個(gè)正脈沖通過(guò)邏輯驅(qū)動(dòng)電路使高壓控制管Q1導(dǎo)通；此時(shí)由低壓電源經(jīng)二極管向繞組供電，使維持電流為電機(jī)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(guò)放大小于參考電壓Uref，檢測(cè)環(huán)節(jié)不再輸出正脈沖，即在一個(gè)控制脈沖周期內(nèi)Q3只導(dǎo)通截止一次，大大的減小了Q3，在切換過(guò)程中的功耗，使溫度下降，而Q4在整個(gè)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(jìn)電機(jī)的單片機(jī)控制
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)控制信號(hào)工作，控制信號(hào)可由單片機(jī)產(chǎn)生。其控制作用如下。
1、控制換相順序
控制步進(jìn)電機(jī)各相通電和斷電的順序?qū)崿F(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)。這種換相通電斷電過(guò)程稱為脈沖分配。
2、控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)向
如果按給定的工作方式正序通電換相，步進(jìn)電機(jī)就正轉(zhuǎn)；如果反序通電換相，步進(jìn)電機(jī)就反轉(zhuǎn)。
3、控制步進(jìn)電機(jī)的速度
如果給步進(jìn)電機(jī)一個(gè)脈沖，它就轉(zhuǎn)一步，再發(fā)一個(gè)脈沖，它會(huì)再轉(zhuǎn)一步。兩個(gè)脈沖的間隔時(shí)間越短，步進(jìn)電機(jī)速度越快。因此，脈沖頻率決定了步進(jìn)電機(jī)的速度。調(diào)整單片機(jī)發(fā)出的脈沖頻率，就可以對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。
3.4.1 脈沖分配
實(shí)現(xiàn)脈沖分配的方法有兩種：軟件法和硬件法
1.通過(guò)軟件實(shí)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(guò)單片機(jī)的I/O口向驅(qū)動(dòng)電路發(fā)出控制脈沖。例如利用89C51單片機(jī)的P1.0～P1.3四條I/O線向四相步進(jìn)電機(jī)傳送信號(hào)，其通電換相表繞組斷電，則可用八個(gè)狀態(tài)字來(lái)對(duì)應(yīng)著十個(gè)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(gè)控制字送P1口，步進(jìn)電機(jī)就會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)齒距角。每送一個(gè)控制字，就完成一拍，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角。程序就是按照這個(gè)原理設(shè)計(jì)的。用R0作為狀態(tài)計(jì)數(shù)器，來(lái)指示第幾拍，按正轉(zhuǎn)時(shí)加1反轉(zhuǎn)減1的操作規(guī)律，則正轉(zhuǎn)程序如下：
CW：INC R0 ；正轉(zhuǎn)時(shí)加1
JNE R0,#08H,ZZ ；如果計(jì)數(shù)器等于8修正為0
MOV R0,#00H
ZZ：MOV A,R0 ；計(jì)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(hù)8051單片機(jī)的P1.4～P1.7四條I/O線的狀態(tài)
ORL A,P1
MOV P1,A ；對(duì)電機(jī)發(fā)送信號(hào)
RET
反轉(zhuǎn)程序?yàn)椋?
CCW：DEC R0 ；反轉(zhuǎn)時(shí)減1
CJNE R0,#0FFH,FZ ；如果計(jì)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(hù)8051單片機(jī)的P1.0～P1.7四條I/O線狀態(tài)
ORL A,P1
MOV P1,A ；對(duì)電機(jī)發(fā)送信號(hào)
RET
ABCD:DB 01H,03H,02H,06H,04H,0CH,08H,09H;四相八拍
軟件法在步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，要不停的產(chǎn)生脈沖，占用了大量的CPU時(shí)間，可能使單片機(jī)無(wú)法同時(shí)進(jìn)行其它工作。
2.通過(guò)硬件實(shí)現(xiàn)脈沖分配
就是使用脈沖分配器芯片，進(jìn)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(jìn)電機(jī)。8713的16個(gè)引腳功能此處從略，其與89C51單片機(jī)接口例子如圖3-3。選用單時(shí)鐘輸入方式，8713地腳為步進(jìn)脈沖輸入端，4腳為轉(zhuǎn)向控制端，這兩個(gè)腳的輸入均由單片機(jī)提供和控制。選用對(duì)四相電機(jī)進(jìn)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(jī)只需提供步進(jìn)脈沖，進(jìn)行速度控制和轉(zhuǎn)向控制，脈沖分配的工作交給脈沖分配器來(lái)自動(dòng)完成。因此，CPU的負(fù)擔(dān)減輕。
圖3.3 8713與89C51單片機(jī)接口例圖
我所做的課題是順序控制系統(tǒng)，采用軟件實(shí)現(xiàn)脈沖分配經(jīng)濟(jì)性比較好，不需要設(shè)計(jì)制造脈沖分配器的相關(guān)電路。
3.4.2 步進(jìn)電機(jī)的速度控制
軟件脈沖分配方式，可以采用調(diào)整兩個(gè)狀態(tài)字輸入的時(shí)間間隔來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)速。硬件脈沖分配方式，可以控制步進(jìn)脈沖的頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)速。根據(jù)以上調(diào)速原理，控制步進(jìn)電機(jī)速度的方法可有兩種。
第一種采用軟件延時(shí)的方法。改變延時(shí)的時(shí)間長(zhǎng)度就可以改變輸出脈沖的頻率：但這種方法使CPU長(zhǎng)時(shí)間等待，占用大量機(jī)時(shí)，因此沒(méi)有實(shí)用價(jià)值。
第二種是通過(guò)定時(shí)器中斷的方法。在中斷服務(wù)子程序中進(jìn)行脈沖操作，調(diào)整定時(shí)器時(shí)間常數(shù)可以實(shí)現(xiàn)調(diào)速。這種方法占用CPU時(shí)間較少，是一種較實(shí)用的調(diào)速方法。
步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)以后，運(yùn)行過(guò)程中如何實(shí)現(xiàn)速度控制呢？可以利用單片機(jī)內(nèi)定時(shí)器T0、方式1作為步進(jìn)脈沖源可方便地實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的調(diào)速。
例如定時(shí)1ms，如單片機(jī)主振頻率fosc＝12MHz，預(yù)置數(shù)X的計(jì)算如下：
式中Ｔ為機(jī)器周期，ｔ為定時(shí)時(shí)間即
X＝64536＝FCH18H預(yù)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(jìn)程序
定時(shí)1ms的步進(jìn)脈沖頻率，若系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量＝0.0015，則進(jìn)給速度只要改變中間寄存器TL0,TH0的預(yù)置數(shù)即可改變步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，調(diào)試十分方便。
3.4.3 步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制
步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制涉及到位置控制和加減速控制。
1、步進(jìn)電機(jī)的位置控制
步進(jìn)電機(jī)的位置控制，指的是控制步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)從一個(gè)位置精確地運(yùn)動(dòng)到另一個(gè)位置，步進(jìn)電機(jī)的位置控制是步進(jìn)電機(jī)的一大優(yōu)點(diǎn)，它可以不用借助位置傳感器而只需簡(jiǎn)單的開(kāi)環(huán)控制就能達(dá)到足夠精度。
圖3.4 定時(shí)器中斷位置控制子程序框圖
步進(jìn)電機(jī)的位置控制需要兩個(gè)參數(shù)。第一個(gè)參數(shù)是步進(jìn)電機(jī)控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)當(dāng)前的位置參數(shù)，我們
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