纸板横切机的机电传动数控设计

【摘要】 本文以自动控制理论和机电传动控制理论以及计算机应用技术为基础,介绍了一种纸板横切机的机电传动数控设计。通过对纸板横切机控制系统各元件和各模块的介绍,联系实际的应用背景,提出了低成本高效率的设计方案。

【关键词】 纸板切割机电传动数字控制

纸和纸板是当今印刷业、包装业采用的最基本、最主要的承印物,广泛应用于出版印刷、包装装潢等领域。随着改革开放我国国民经济的持续稳定发展和印刷业包装业的长足进步,我国造纸工业获得了高速增长。近10余年来,我国纸和纸板总生产量和总消费量一直保持居世界第二的位置。

纸板原材料须按需求切割,方可使用。在包装纸箱的生产流水线上,把己经压制成形的带状纸横切成一定长度的纸板是一道关键工序,对纸板的生产质量和生产速度都有极大的影响。为了保证切口质量,要求剪切时刀刃必须和走纸速度相等,实现同步剪切。但目前我国的纸板切割使用的横切机多为20世纪70年代引进的国外产品,已经老化落后,严重制约我国的纸板行业的发展。在我国造纸工业如此巨大的前景下,设计宽幅面、高速度、高精度、高自动化、低损耗,低成本的纸板横切机有非常实际的经济利益和长远的战略意义。

本文设计的是纸板横切机传递部分的数字控制设计。数字控制系统是纸板横切机的核心部分,这一部分的功能主要包括:接收主控计算机发来的加工任务和调试指令;控制变频器完成加工任务和调试工作;检查工料和各个按钮的状态并执行相应的处理;实现主切刀电机位置测量和纸板进给速度测量;切纸计数;故障报警等。本系统的硬件电路主要由以下几个模块组成:主机与单片机通信模块;单片机控制变频器模块;实时日历/时钟模块;带光电隔离的I/O端口。

1 横切机控制系统硬件

1.1 AT89C52单片机

AT89C52是一种带8K字节闪速可编程可擦除只读存储器(PEROM)的低功耗、高性能CMOS8位微控制器。该器件采用ATMEL非易失存储器制造技术制造。与工业标准的80C51和80C52指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪速存储器组合在单个芯片中,ATMEL的AT89C52是一种高效微控制器,为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。从表1可以看出它相对与其它主流单片机的优势。

1.2 DS12887时钟芯片

DS12C887如图1所示,它具有下列主要特点:(1)具有完备的时钟、闹钟及到2100年的日历功能,可选择12小时制或24小时制计时,有AM和PM、星期、夏令时间操作及闰年自动补偿等功能。(2)具有可编程选择的周期性中断方式和多频率输出的方波发生器功能。(3)DS12887内部有14个时钟控制寄存器,包括10个时标寄存器、4个状态寄存器和114 bit作掉电保护用的低功耗RAM。(4)由于该芯片具有多种周期中断速率及时钟中断功能,因此可以满足各种不同的待机要求,最长可达24小时,使用非常方便。(5)时标可选择二进制或BCD码表示。(6)工作电压:＋4.5～＋5.5V。(7)工作电流:7～15mA。(8)工作温度范围:0℃～+70℃。

1.3 RS485通信协议

RS485总线适用于多机通信的串行总线,通信速度快,抗干扰能力强,尤其是多级通信功能适用于组成集散控制系统,如图2所示。芯片选用75LBC184,如图3所示,该芯片有抗干扰、抗静电、抗雷击等优点。

1.4 FRN5000G11S变频器

通用变频器由主回路和控制回路两大部分组成。主回路由整流器、微波器和逆变器三个主要部件组成。控制回路则由单片机驱动电路和光隔电路组成。主回路各点的波形,除输入电压外,均不是光滑的正弦波。输入电压为双脉冲波,输出电压为PWM波,含有多种高次谐波的正弦波。按工作原理可分为U/f控制变频器、SF控制变频器和VC控制变频器。变频器的控制采用VVVF控制即U/f控制,U/f控制是在改变频率的同时控制变频器的输出电压,使电动机磁通保持定值,在较宽的调速范围内,电动机的转矩、效率和功率因数不下降。

FRN5000G11S变频器0-400H2可调，该型号的变频器没有模拟量输入器，数字量输入端(接点是FMA),PLC信号电源,总报警输出继电器,可选信号输出继电器,RS485通信输入/输出,通信电缆屏蔽层连接端。

系统采用模拟量电压输入端,主电路电源输入端加入交流接触器,容量65A。变频器的两端加10V直流电压,通过调节电位器实现。从外部输入0～10V直流电压控制频率0～400Hz。模拟量监视端输出频率、输出电流、输出电压、输出转矩、负载率、输入功率、直流电路的中间电压等。交流电机的控制频率范围是0～100 Hz,从实际工程考虑,本系统变频器实际的频率控制范围是0～85Hz,FRN5000G11S变频器的选用合理。

1.5 FRN5000G11S AD7964D/A转换器

AD9764是美国AD公司生产的高性能D／A器件,分辨率为14位。该系列器件是高性能低功耗的数／模转换器,系列器件间的管脚相互兼容,故该系列器件在接口、封装和引脚输出方面相互兼容,便于扩展。而AD9764有更好的直流和交流性能,它能支持高达125MHz的数据转换速率。AD9764采用单一电源工作,电源范围为2.7～5.5V,加上低功耗特性,使其更适合于便携与低功耗应用。如降低满量程电流输出值,它的功耗还可进一步减小到45mW,但性能会有所下降。同样,掉电模式还能进一步减小功耗25mW。D/A转换的精度分析,AD7964芯片分辨率为14位,对应变频器的400Hz,每个码代表400/214=0.0244 Hz,本系统采用的是8级电机,转速n=60f/p,p=4,如果刀辊周长为500mm,可算出每秒速度误差为0.0005mm/s。满足系统要求。

1.6 STE-1024D-3LY*AC光电编码器

光电编码器是由码盘和光电检测装置组成。码盘采用照相腐蚀工艺,在一块圆形光学玻璃上刻出透光和不透光的编码。以4位二进制绝对式光电编码盘为例说明:码盘分成若干个扇区,代表若干个角位置。每个扇区分成4条码道,代表4位二进制编码。为了保证低位码的精度,都把最外码道作为编码的低位,而将最内码道作为编码的高位。编码盘的位数越多,码道数越多,能分辨的角度越小,分辨率越高,因此,为了提高分辨率最简单的方法就是增加编码盘的位数;另外,可采用循环码和扫描法减小误码率。根据系统需要我们选用了STE-1024D-3LY*AC,装在测纸速端的STE-1024D-3LY*AC光电编码器每周可产生1024个脉冲,装在电机端的每周产生2048个脉冲。

2 横切机控制系统的逻辑电路

在本系统中上位机是一台工控机,具体实现界面操作,数据管理等与人打交道的功能;下位机是自主开发的单片机,实现电机与计算机的通信,完成瓦楞纸板的定长横切。单片机接收四个传感器的信号,电机传感器为光电编码器(每转产生2048个脉冲信号),纸速、切纸长度传感器为光电编码器(每转产生1024个脉冲信号),计数传感器为接近开关(记录切纸张数),纸张有无传感器为光电传感器(检测有无纸张)。经过程序计算,它给变频器发出控制信号,实现控制功能。针对本系统的功能要求和硬件参数,我们设计了系统的逻辑电路图,如图4所示。

因为系统硬件搭建比较简单,本文只介绍单片机控制变频器模块流程图和实时日历/时钟模块。