全自動鋼筋調(diào)直切斷控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

單正婭，郭 瓊

（無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院，無錫 214121）

0 引言

鋼筋調(diào)直切斷機是施工中不可缺少的鋼筋加工設(shè)備之一，主要用于房屋建筑、橋梁、隧道、電站、大型水利等工程中對鋼筋的調(diào)直與定長切斷。目前常用的控制方式有繼電-接觸器控制和PLC 控制。繼電-接觸器控制系統(tǒng)線路復(fù)雜，維護困難，控制精度低，易于發(fā)生故障；PLC控制系統(tǒng)線路簡單，控制精度較高，但成本高。

結(jié)合目前國內(nèi)現(xiàn)有技術(shù)條件，考慮到低成本、高可靠性、高精度、操作簡易性，無錫某公司委托我單位開發(fā)了一款基于單片機控制的調(diào)直切割機系統(tǒng)。技術(shù)指標(biāo)如下：送料速度50m/min～60m/min，最短切斷長度為0.8m，切斷長度誤差為士10mm。

1 系統(tǒng)組成

分析控制要求及技術(shù)指標(biāo)，系統(tǒng)采用單片機控制方式，選用光電編碼器實時采集電機脈沖信息、計算鋼筋長度，并與設(shè)定長度比較，來控制電磁閥切割鋼筋；采用兩排數(shù)碼管分別顯示批次、長度、根數(shù)設(shè)定值和實時數(shù)據(jù)。硬件電路主要包括人機交互模塊、長度測量模塊、輸出控制模塊、報警模塊和電源模塊。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2 硬件電路設(shè)計

2.1 主控模塊

圖1 系統(tǒng)框圖

考慮到系統(tǒng)對運行速度的要求，系統(tǒng)主控芯片選用STC12C5A16S2。該芯片是宏晶公司生產(chǎn)的單時鐘/機器周期（1T）單片機，是高速、低功耗、超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但是速度快8～12倍。片內(nèi)程序存儲器空間為16KB，數(shù)據(jù)存儲器除了在內(nèi)部集成了256字節(jié)的RAM外，還集成了1024字節(jié)的擴展RAM，可以用來存儲多批次數(shù)據(jù)。

2.2 電源模塊

為了避免外界信號對單片機的干擾，系統(tǒng)對主控單元和輸入輸出設(shè)備分別供電。主控單元電源電路如圖2所示。圖中AC220V經(jīng)過220V/9V的降壓變壓器后送給全波整流電路，首先將交變的電流變成脈動直流電，經(jīng)過電解電容C1（470UF/35V）提高電路的可靠性；然后由L1、C2和C3組成電感π型濾波電路，降低紋波；再在7805穩(wěn)壓芯片之前并聯(lián)TVS管，當(dāng)有突然的大電壓發(fā)生時TVS管短路，從而使大電壓導(dǎo)入TVS管，不致破壞后面線路，待電路電壓正常時TVS管恢復(fù)高阻抗；最后經(jīng)過C4和C5濾波輸出5V電源。

圖2 主控單元電源電路

輸入輸出電路的供電電源是在電氣柜中設(shè)計了一個220V/12V的變壓器，然后變壓器的輸出12V經(jīng)過7809穩(wěn)壓管得到9V的直流電給繼電器供電，再經(jīng)過7805得到5V給編碼器供電。

由于主控單元和輸入輸出電路分別采用獨立電源供電，避免了系統(tǒng)的電磁干擾。

2.3 人機交互模塊

人機交互模塊主要涉及鍵盤和顯示。設(shè)計鍵盤時考慮到操作的人性化及簡易性，分為數(shù)字鍵、調(diào)節(jié)鍵及功能鍵等25個鍵，顯示由兩組共20個數(shù)碼管組成，分別顯示設(shè)定數(shù)據(jù)和運行數(shù)據(jù)。

顯示部分由兩片串聯(lián)的74HC595給兩排數(shù)碼管送字型碼，用串聯(lián)的另一片74HC595和P1.0，P1.1作為數(shù)碼管的10個位選，兩排共用位選。其中一排數(shù)碼管電路如圖3所示。

按鍵部分用數(shù)碼管的位選線com1-com7兼做按鍵的列線，P2.0～P2.3做按鍵的行線，組成行列式按鍵。另外，在每個按鍵兩端并聯(lián)電容，由于電容兩端電壓不能突變，在按鍵抖動的時候，讓端口的電壓平滑上升、平滑下降，消除毛刺，進行硬件去抖。

圖3 顯示電路

由于按鍵和顯示電路采用IO復(fù)用方法，共用了9根IO線，大大節(jié)省了單片機的IO口。

2.4 長度測量模塊

全自動鋼筋調(diào)直切斷機的精度主要取決于鋼筋長度的準(zhǔn)確測量。在機械結(jié)構(gòu)上采用主動輪帶動從動輪來使鋼筋前進，將編碼器裝在從動輪上，從動輪的轉(zhuǎn)動圈數(shù)乘以周長便可得到鋼筋的長度。單片機要實時采集編碼器脈沖信號，因此將Z相接在INT0，A相接在INT1，B相接普通IO口。

A相調(diào)理電路如圖4所示。編碼器信號先通過上拉電阻與TVS管進行電源保護，用瓷片電容接地來濾除高頻及脈沖干擾；再經(jīng)過光電耦合器PIC817進行隔離，采用單路光耦避免了透光時相鄰信號之間的干擾，提高電路可靠性；最后經(jīng)過反相器接入單片機。

圖4 編碼器A相調(diào)理電路

2.5 輸出控制模塊

控制器對電機的控制實質(zhì)就是對繼電器的控制。點動前進控制電路如圖5所示。控制信號從單片機輸出后先經(jīng)過光耦電路隔離，再經(jīng)過ULN2003擴流提高驅(qū)動能力，接到繼電器線圈的一端；繼電器的常開觸點連在主電路接觸器的線圈回路中，當(dāng)繼電器線圈得電時，常開觸點吸合，接觸器線圈得電，電機順轉(zhuǎn)。

圖5 電機點動前進繼電器輸出電路

3 軟件設(shè)計

根據(jù)實際工作要求及需求分析，在程序設(shè)計時考慮了“插入批次”功能，將緊急加工的生產(chǎn)任務(wù)插在當(dāng)前批次的下一批優(yōu)先加工，同時設(shè)計了以下功能：

1）“長度修正”功能設(shè)置長度+、長度-和切刀時間三個按鍵來修正誤差；

2）計算出刀時刻在程序中對調(diào)直電機速度進行采集，據(jù)此計算出刀時刻，以精確切斷符合設(shè)定長度的鋼筋；

3）點動功能設(shè)計了前進、后退、切刀點動鍵和禁切鍵，方便維修和調(diào)試；

4）聲光報警用以提醒工作異?；蛲瓿扇蝿?wù)。

軟件主要由主程序及設(shè)定菜單、運行菜單、長度修正和點動子程序組成。

3.1 設(shè)定菜單子程序

通過設(shè)定菜單設(shè)置工作任務(wù)的批次、長度和根數(shù)的數(shù)據(jù)。設(shè)定程序設(shè)計流程圖如圖6所示。

在程序設(shè)計時，借助變量確認(rèn)鍵次數(shù)confirm_num來實現(xiàn)長度欄和根數(shù)欄的閃爍。當(dāng)confirm_num為0時，長度欄閃爍，為1時根數(shù)欄閃爍。

長度欄和根數(shù)欄的閃爍判斷條件如下：

設(shè)定菜單操作過程是按設(shè)定鍵進入設(shè)定功能，操作過程如下：首先系統(tǒng)自動設(shè)定第一批次并閃爍長度設(shè)定欄，輸入長度值按確認(rèn)鍵后閃爍根數(shù)設(shè)定欄，輸入根數(shù)數(shù)據(jù)按確定鍵進入下一批的設(shè)定，最大可輸入20批數(shù)據(jù)，按設(shè)定完成鍵退出設(shè)定功能。

圖6 設(shè)定菜單子程序流程圖

如果按插入鍵進入設(shè)定功能時，具體設(shè)置和設(shè)定功能一樣，只是插入當(dāng)前加工批次的下一批次數(shù)據(jù)，存儲數(shù)據(jù)時先把當(dāng)前批次后的數(shù)據(jù)后移，然后再存儲新設(shè)定的數(shù)據(jù)。

此外，還設(shè)有清除鍵和取消鍵。清除鍵用于清除個位數(shù)據(jù)，其余數(shù)據(jù)后移一位；取消鍵用于清除正在設(shè)定的當(dāng)前批次的數(shù)據(jù)。

3.2 長度計算子程序

鋼筋長度的計算是保證設(shè)備精度的一個重要方面。我們選用400線三相旋轉(zhuǎn)編碼器，其中A、B相為兩個相位差90的方波信號，Z相為零位脈沖信號。旋轉(zhuǎn)編碼盤每轉(zhuǎn)一圈（360）產(chǎn)生一個Z脈沖信號，產(chǎn)生400個A、B相脈沖信號，AB之間的相位關(guān)系標(biāo)志碼盤的轉(zhuǎn)向，即當(dāng)A相超前B相90時，標(biāo)志碼盤正轉(zhuǎn)，當(dāng)B相超前A相90時，標(biāo)志碼盤反轉(zhuǎn)。三相脈沖如圖7所示。

圖7 編碼器的三相脈沖示意圖

采用光電編碼器測量長度時，由于存在不可避免的單圈測量誤差，隨著運行時間的增加，測量誤差將累積，影響產(chǎn)品質(zhì)量。在軟件設(shè)計中添加對編碼器Z相的檢測，每檢測到Z一次（第一次除外），表示編碼器轉(zhuǎn)了一圈，不管所計脈沖數(shù)是多少，都認(rèn)為是400脈沖，消除了因打滑現(xiàn)象、干擾脈沖、丟失脈沖等因素造成的單圈誤差，從而消除了累積誤差，提高了系統(tǒng)精度。

系統(tǒng)總的脈沖計數(shù)為：

式中，Pulse_num 為總脈沖數(shù)，pulse_fst為第一圈的脈沖數(shù)，n為圈數(shù)，pulse_lst為最后一圈的脈沖數(shù)。

鋼筋的長度為：

式中，circum為從動輪的周長。

3.3 出刀時間計算

切割鋼筋時，調(diào)直電機是一直前進的，故需要提前發(fā)出切割指令，而提前的時間和調(diào)直電機速度有關(guān)，因此需要實時采集調(diào)直電機速度，并據(jù)此計算出刀時刻，以精確切斷符合設(shè)定長度的鋼筋。

如圖8所示，其中 lE為出刀時鋼筋長度，l2為出刀時刀口距鋼筋的距離，v2為出刀速度，v1為鋼筋行進速度。

圖8 切刀動作示意圖

設(shè) lD為鋼筋切斷長度，那么需要提前動作的時間為則：

根據(jù)以上公式編寫程序，計算切刀準(zhǔn)確動作時間，實現(xiàn)精確切斷鋼筋。

4 結(jié)束語

電路板布線時盡可能隔離高壓和低壓信號線，多處電路進行抗干擾處理，系統(tǒng)采用雙電源供電，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾能力；在軟件設(shè)計中對編碼器的Z相檢測，消除了累積誤差；實時采集調(diào)直電機速度，并據(jù)此計算出刀時刻，提高了切割精度。

由于干擾源最厲害的是電火花干擾，所以在設(shè)備附近放置一臺運行的切割機做干擾源，經(jīng)測試設(shè)備運行正常。

本控制系統(tǒng)具有成本低，精度高，抗干擾能力強，操作界面友好的特點。該系統(tǒng)已投入生產(chǎn)，使用效果良好。

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