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一类运动物体定长切割随动控制系统的设计 廖冬初 丁稳房 李 静 章 穗 （湖北工学院 430068） 摘 要：本文以某金属芯橡塑线材自动化生产过程中定长切割的控制问题为研究对象，讨论了系统的构成，分析了系统的定长与随动控制机理，提出了以80C196单片机及现场可编程器件PSD813F1为核心的控制方案并予以实现，最后给出了实验结果。 关键词：定长切割 随动控制 单片机 1 引 言 在一些自动化生产线中，存在着一类需对运动物体进行定长切割的控制问题。如在汽车挡风玻璃密封用橡胶线材等的生产过程中，挤出机等设备生产出连续的半成品线材，后续的切割装置应根据市场需求将线材切割成设定的长度。由于密封用橡胶线材内通常有铝合金骨架，切割时需使刀具与线材在线材运动方向上（纵向）应相对静止，以避免因过大的相对运动而损坏刀具。此外，由于线材处于不断前进中，只有刀具与线材在纵向相对静止，刀具横向前进切割时才能使切口平整，保证产品质量[1][2]。因此，在切割过程中，不仅应使被裁断的线材长度在期望的范围内，而且还应使切割刀具跟随线材运动，即切割时刀具与线材纵向应相对静止。可见这类问题的核心是线材长度的实时测控与速度跟踪控制。本文将以某企业线材自动化生产线中切割装置控制器的设计为例进行探讨。首先将进一步讨论系统的工作过程，分析系统定长与随动控制机理，提出了以80C196单片机及现场可编程器件PSD813F1为核心的控制方案，最后给出了实验结果。 2 系统构造与工作过程 某企业对运动线材进行定长切割的装置主要由可纵向运动刀具工作台（称为滑板，刀具安装在工作台上，刀具可横向运动）、驱动滑板纵向运动的三相交流伺服电机及其驱动器、驱动刀具横向运动的电机及其控制用PLC、线材及滑板运动位移检测装置—增量式编码器、交流伺服电机驱动器与PLC的上位机—切割装置控制器（简称控制器）等构成。系统构造框图如图1所示。 
图1 切割装置系统结构图 装置进行一次切割处理的滑板运动速度 
图2 滑板运动速度示意图 3 系统硬件设计 从上面的讨论可以看出，控制器应该具备如下基本功能：1、人机对话部分：可接受切割长度设定、最大后退速度设定，可显示系统工作状态等，2、能对线材位移、滑板位移进行检测，计算出实际线材长度，3、根据一定算法，给驱动器输出一模拟电压信号，维持切割过程中实际线材长度和设定长度基本相等，4、控制PLC实现定长切割，5、一次切割完毕自动控制滑板回到初始位置，6、接收并执行一些手动调试控制信号如滑板前进、后退、复位（回初始位置）等，7、异常情况检测与处理：如滑板到达前进、后退极限位置，驱动器故障，生产线紧急停车等特殊情况的处理。 由于控制器功能较复杂，涉及的输入输出量较多，且是实时控制，要求处理速度较高，故控制器采用80C196KC单片机为核心来实现。80C196KC在电机控制等领域应用广泛[3][4]。它的主要特色是[5]：内含488字节的寄存器RAM，具有8个高速输入输出口，2个硬件定时器，4个软件定时器，1个八路十位A/D转换器，1个全双工通用串行口等。由于控制器涉及的输入输出开关量多达约40个，80C196的I/O口仍不够用，还需进行扩展，此外需给它外挂存储器。考虑到可编程器件PSD813F1[6]具有丰富的存储器资源，并有26个可编程的输入输出口，将80C196和PSD813F1结合使用，可满足控制器对存储器及开关量输入输出口的需求。80C196和PSD813F1的I/O口功能划分略述如下：80C196的T2定时器对滑板位移脉冲进行计数，滑板运动方向信号通过P2.6控制T2进行加法或减法计数，线材位移脉冲送HSI0口，线材运动方向信号送P0.7口，通过HSI中断对线材位移进行计数，HSI中断通过检测P0.7口电平来确定是进行加法还是减法计数，软件定时器0每4毫秒中断一次，在该中断程序中完成实际长度更新计算、滑板速度给定计算等主要控制功能，并执行手动控制功能、进行异常情况检查等，P2.5口、P1口及PSD813F1的PA口用来输出驱动使能、准备切割、蜂鸣器控制等信号，P0口及PSD813F1的PB、PC口用来输入驱动器准备就绪、滑板前进、后退、紧急按钮、极限位置开关等信号。紧急按钮、极限位置开关等信号在PSD813F1中综合后经其PD1口输出给80C196的P2.2口，作为外部中断输入给予紧急处理。 考虑到本切割装置中驱动器需要的电机速度给定信号是模拟量，还需配备D/A转换器将80C196给出的速度给定数字信号转换为模拟信号，这里选用TLC5619十二位D/A转换器。 系统中选用8279完成键盘输入与LED显示控制。 80C196KC的串行口保留用来和PC机进行通信，HSO口未使用，可用作备用输出通道。
图3 控制器硬件结构 4 控制器软件设计 根据系统的工作原理及前述硬件功能设计，控制器软件设计可分为四个部分：1、主程序，完成初始化、键盘输入与显示处理。2、线材、滑板位移计数，其中滑板位移计数由HSI中断程序完成，线材位移计数由T2计数器完成。3、软件定时器中断程序，以固定的时间间隔完成线材长度的更新计算、滑板速度给定值计算、PLC交互等。4、外部中断程序，完成异常情况下的紧急处理。 主程序框图如图4所示，软件定时器中断程序框图如图5所示。 5 实验结果 针对某自动化生产线中橡塑线材速度6米/分，设定线材长度800毫米，使用一3千瓦交流伺服电机驱动滑板及相关设备，依据前述思想制作的切割机控制器较好地实现了运动线材的跟踪及定长切割控制。图6给出了一周期的滑板速度波形。图中纵坐标为与速度成正比的电压（200毫伏相当于6米/分），横坐标为时间。从图中可以看出，系统响应速度快，运动过程和设计基本吻合，这表明了本文设计方案的正确性。 
图4 主程序框图 
图5 软件中断程序框图 图6 一次切割周期中滑板速度波形 参考文献： [1] 周永鹏，何预新等，轨道式轴控切割机的双驱动控制，机械与电子，2000（5） [2] 陈威，切割机电气控制，机械与电子，1991（6） [3] 孙志刚等，基于80C196KC的交流伺服电机控制卡的开发与应用，机械与电子 1999(3) [4] 程启明，陈雪丽等，80C196KC单片机控制的伺服系统，电气传动，1998（4） [5] 孙函芳，16位单片机原理与应用，北京：北京航空航天大学出版社，1996 |
示意图如图2所示。系统工作过程如下：设系统起动时滑板速度为零且位于初始位置即设刀具位于纵坐标X=0处，软件初始化时置线材端点位置纵坐标为零，运行时控制器对线材端点位置的纵坐标反复进行检测，随着线材的不断前进，线材端点坐标与刀具坐标之差（称为实际线材长度）不断增加，当实际线材长度接近设定线材长度（图2中时刻 
）时，控制器输出一正的电压信号给驱动器，驱动器控制滑板从静止迅速加速，此时刀具也在一同前进。然后控制器不断检测实际线材长度，并根据一定算法，调整输出电压的大小，驱动器根据该电压大小控制三相交流伺服电机旋转的速度即滑板前进速度，以使实际线材长度和设定线材长度相同，并维持不变即使滑板速度跟踪线材速度；设时刻 
控制器检测到实际线材长度和设定线材长度相同且滑板速度和线材速度也相同，则控制器给PLC输出一准备切割信号，PLC根据该信号控制刀具按设定速度作横向运动，对线材进行切割，刀具横向运动既定的距离后表示一次切割完成，切割完毕PLC给控制器一次切割结束信号，控制器在时刻 
收到切割结束信号后，置线材端点坐标等于刀具当前纵坐标，并输出一负电压给驱动器，驱动滑板迅速减速，从 
开始按设定的速度后退，再减速，直到 
时刻滑板停在初始位置即纵坐标X=0处，完成一次切割处理过程，然后控制器进入下一段线材的切割处理。可见，控制器的核心任务就是向驱动器给出滑板运动的速度信号，并在滑板跟踪线材运动的过程中控制PLC完成定长切割工作。