基于单片机控制的冲床旁置快速步进供料系统的设计研究(1)

1、基于单片机控制的冲床旁置快速步进供料系统的设计研究张永林，张胜全（武汉工业学院，湖北 武汉430023 ）摘要: 结合小型膨胀金属网成型冲床提速要求，比较分析了多种可选步进供料方式，提出了基于单片机控制的冲床旁置快速步进供料系统的解决方案，给出了其设计与实现的原理和方法。关键词: 冲剪机；步进供料；单片机控制中图分类号:TP368文献标识码:A文章编号:1009-0134(2002)05-0032-03Design of a single-chip control system of rapidly step-wisefeed to a punch pressZHANG Yong-lin, Z

2、HANG Sheng-quan(Wuhan Polytechnic University,Wuhan 430023,China)Abstract: Aimed to the speed requirement of mini-type punch used for the expanded metal net,a number of feed syste ms were comp ared and analyzed ,a h igh s peed ste p-wise feed system based on single-chip control was put forward,and th

3、e corresponding realization was acco mplished in this paper.Key words: punch press;step-wise feed;single-chip control1 问题的提出要特点是：无废料；出率高；网带整体扩张成型，网带强度高。膨胀金属网成型冲床俗称冲剪机，是一种极富传统的大中型冲剪机主要用于防盗网、防护特色的延性金属机械冷加工成型设备。与常规冲压罩、各种机械作业平台等的成型冲制。近年来，机相同的机器主体也有两种主要机型曲柄冲剪一些高新技术产品的出现，要求冲制微型丝网，机和液压冲剪机。曲柄冲剪机的工作原理是：由如用于微

4、电池、电子元件、微过滤器、微孔隔板曲柄滑块机构的主传动带动滑块上下运动，固装于中的内置件或配件等。传统冲剪机设计中存在的速滑块上的成排菱形带刃冲头对来料实施冲剪，来料度低、精度差、特性硬等方面的问题在设备小型（钢带或板料）在每一冲压循环中先剪后挤，扩化后表现得十分突出，所以冲剪机小型化后的创新张成型。一次冲剪完成后，冲头横向错位一定距设计或改进设计尤为重要。离，以进入下一个冲剪循环，由前后冲剪的来回目前，德国产的 2.5t 小型冲剪机（SP350 型）错合加工成所要制作的菱形孔网带。冲剪加工的主的最高速度可达 1600 次 / 每分，台湾产的冲剪机收稿日期: 2001-11-30作者简介:张永

5、林（1 9 6 2 ），男，湖北武汉人，武汉工业学院机械工程系副教授，长期从事产品创新设计与机械动力学的研究与专业工作。3324第 24 卷 第 5期2002-5的速度也在 500 次 / 每分以上。我们对内地最小型机 6.3t 冲剪机的现场测试表明：最高冲剪速度为 1 8 0 次 / 每分。同时，主机部分具备提速潜力，供料机构的响应失步是制约提速的主要原因。针对这一问题，我们通过多方案的分析、遴选，设计了一种2.5t的小型冲剪机。该机主要技术指标为：加工宽度350mm；最大压力2.5t；最大加工速度500次 / 每分；能处理的来料厚度 0 . 0 8 m m1 m m；产品网孔尺寸(08)m

6、m (020)mm。2 步进供料方案分析首先指出，不同吨位冲剪机因其冲剪力、运动惯性及运动 / 动力部件惯量 / 冲量作用，其冲频是相对有限的。微型丝网的冲剪，因冲剪力小，运动惯性较小，因而具备提速的潜能，但提速的幅度与步进的最大步距密切相关。按照普遍认定的原则，微网冲剪机的主作业机构仍采用曲柄滑块机构，本设计的根本目的是为其配置高速化的步进供料系统。根据冲剪机旁置送料机构的动力源不同可以将步进送料方式分为机械式、机电式、液压式和气动式 4 类。由于后两种方式对液压、气动系统有独立的外围配套要求，小型冲剪机一般采用机械式或机电式送料方案。常规机械方式（如不完全齿轮、棘轮机构、多杆机构等）运动平

7、稳性差、刚性冲击大、响应速度慢。高速冲时要么不能保证成型产品的精度要求，成形网丝的丝径不匀，甚至断网；要么产生运动失步而根本无法进行冲制加工。因此不宜用作快速冲剪机的送料方案。园柱凸轮机构或蜗形凸轮机构（Ferguson drive）是一种具有高分度精度的空间传动装置，能够通过机械的强制锁合使主、辅运动保持同步联动；具有高承载能力和低维修率；可满足用户所要求的特殊运动特征，对其运动规律进行合理设计可得到好的高速动态性能。该机构已广泛应用于 ATC、电机矽钢片冲制以及前已提及的 SP350 型冲剪机中。但我们结合具体的冲剪机的设计，同时看到采用这种机构也存在如下问题：主运动与供料运动的空间距离大

8、、分支传动的减速比大，故需采用较长的传动连接，这样势必产生大的累积误差，导致精度下降。应用空间凸轮机构的冲剪机的加工柔性差，如要改变供料步距，则需另置变速箱或达接挂轮，且也只能实现有限的几级变化，难以实现供料步距的无级调节。凸轮机构本身的加工制造需要有专用的机床，尤其是服役于高速下的凸轮需进行磨削加工。纵上所述，本设计采用了基于单片机控制的冲床旁置快速步进供料系统的解决方案。3 基于单片机控制的供料方案选择机电结合的供料方案主要基于系统实现的性价比、加工柔性以及系统的可制造性。数控供料系统按执行机构不同可分为两种，步进电机驱动的供料和伺服电机驱动的供料。采用直流伺服电机供料时，具有加速度大、响

9、应快、承载力大、调速范围大、低速无爬行等一系列优点。但从系统成本考虑，步进电机更具优势，而且作为微网冲制设备，系统的供料执行力矩很小，用步进电机足以达到要求。数控步进供料系统具有冲频、步距直接通过键盘输入调节；传动路线短，送料精度高；数控系统取代机械传动及其同步装置后机构简化、体积小等优点。该方案工作原理框图如图 1 所示。其工作过程为：通过主传动曲柄出轴上的接近开关检测冲剪机冲头的下行位置，当冲头抬起略高于带料运送平面时，步进电机按用户程序中的行程和速度执行供送任务，在冲头再次落下开始冲剪之前完成送料。每次冲制时，随着冲头的下行由主机的端面凸轮完成冲头的横向交替移位，冲制过程如此循环，便达到

10、连续自动化加工的目的。当冲频不太高、步进电机不致失步时，可以去掉反馈补偿控制部分，采用结构更简单、成本更低的开环控制。但需注意此时机电组成的精度匹配，以及送料辊的输出转角和步进电机的输入控制脉冲间的严格对应关系。第 24 卷 第 5期 2002-533344 系统设计4.1硬件设计步进电机送料系统的设计包括硬件设计和软件设计两大部分，前者包括主控电路设计、电机及驱动电源选择和设计、看门狗电路设计、接口电路设计及传感系统设计等方面内容，为保证送料精度，步进电机启停阶段采用运动平稳性最好的三相 6 拍工作方式、减小其脉冲当量。控制系统硬件电路如图 2 所示。单片机选用的是 89C52，由于其内部含

11、 Flash 存储器，使系统在开发及调试过程中十分容易进行程序的修改。同时，在系统工作过程中，能有效地保存一些数据信息。系统显示器由 6 位 L E D 数码管组成，其中最高两位作为功能、状态指示符，低 4 位用来显示数据。显示驱动器选用的是带有串行接口的 8 位 LED 控制驱动器 PS7219，它可同时、直接驱动 8 位LED，与单片机的接口采用简单的 3 线 SPI 方式，因此硬件线路十分简单。键盘设置了16 个按键，识别方法采用简单实用的线反转法，16 个按键按 4 4 的矩阵接到 P2 口的 8 位 I/O 口上，采用查询方式工作。单片机的看门狗电路采用集成的看门狗电路X25045

12、，其外围电路元件很少，接线十分简单。三相步进电机的驱动器选用了厂家配套的驱动系统，它与主机的接口是接到单片机的 P1 口，并通过光电隔离电路隔离，以避免驱动器的强电部分对主机的干扰。冲头位置传感器采用电感式接近开关，为保证送料的准确、及时，应通过调试将其安装到合适的位置，并以中断方式工作，如图 2 所示它接到了单片机的 I N T 1 口。4.2软件设计在步进电机及其控制设计时，要将设定的行程和速度转换成电机的步数和定时常数，以选择步进电机。其 计算如下：在供料辊外径上的步当量为 （mm/步），式中，r 为电机步距角；d 为供料辊外径（ m m ）；h 为带料厚度（ m m ）。行程步数为 N

13、 = L / S ，L 为行程（m m ）。速度 F （m m / m i n ）转换为步数 f = F / ( 6 0 s )（步 /s），两步间定时 t=1/f=(60s)/F 106 ( s)，由此定时时间可换算得到控制步进电机运行速度的定时常数。在软件设计方面，采用了模块化设计，使得结构简单、清晰，便于调试和修改。软件模块主要包括：初始化模块、按键处理模块、输入处理模块、显示模块等，程序流程如图 3 所示。步进电机的控制通过中断子程序完成，当冲头位置信号到即进入中断子程序。下转第37页3344第 24 卷 第 5期2002-5平，单稳态触发器因低电平触发稳态翻转到暂态。从 t1 时刻起

14、低电平结束，即 V1 由低电平跳变为高电平，基本 R S 触发器复位到“0 ”稳态。在实际操作中，进气球阀可以提前打开，当控柜面板上压力表指针显示已达到预定压力（一般为 6 8 M p a ）时，操作者按下图 1 中的绿色开关电磁阀开始工作，试验开始。O d y s s e y 通过自身的外触发口接受触发指令进行信号采集，结束采集则是根据 O d y s s e y 上的波形手动控制。图 4 为 Odyssey 的参数设置界面。该测试系统在图的水平图4Odyssey 参数设置界面冲击试验台上已运用，结果令人满意。4 结论根据冲击试验台测试的特点，设计并制作了基于 555 定时器的单稳态触发器，

15、在测试系统中起到了准确捕捉高速瞬态信号的作用。仿真和试验结果显示了其合理性和实用性。该触发器也可用于具有外触发口的仪器间多通道同时采样的触发控制。参考文献：1 刘德顺,朱萍玉,等.冲击载荷下弹性杆端的作用力位移关系曲线的一点应变测试法J.湘潭矿业学院学报, 2000,3(2) ：18-22.2 ZHU Ping-yu，LIU De-shun，PENG You-duo,CHEN An-hua. Anlnverse approach to determinethe Piston Profile from the Impact stress waveformon a given non-unifor

16、m rod J. Trans NonferrousMet, 2001，13(2)：297-300.3 王永军,丛玉珍.数字逻辑与数字系统M.北京：电子工业出版社，1997.4 李宏,乔东升. 高性能全数字化晶闸管触发器KC168的研制及应用J. 电气传动，2000,30(2)：58-61.5 李宏. 晶闸管类电力电子设备控制专用集成电路Z. 中国电工技术学会、电力电子学会、中国电源学会特种电源专业委员会，1999.6 丁道宏.电力电子技术M.北京：航空工业出版社，1996.上接第34页初始化程序的主要任务是设置状态标志和用户数据存储区、置初始值、完成定时器初始化、 PS7219 初始化及中断初始化。按键识别程序采用查询方式，可分为两步：第 1 步，将行线编程为输入线，列线编程为输出线，并使输出为全零电平，则行线中电平由高到低所在行为按键所在行；第 2 步，将行线编程为输出线，列线编程为输入线，并使输出为全零电平，则列线中电平由高到低所在行为按键所在列；综合 1 、2 步的结果，即可确定按键所在的行和列。为保证系统稳定可靠，程序中采用了数据冗余、模块令牌、程序陷阱等措施，以提高系统运行时的可靠性和抗干扰能力。5 结论本文所提出的基于单片机控制