基于單片機控制的定尺飛鋸切割系統(tǒng)

郎艷 劉劍

摘要：介紹了定尺飛鋸切割機的工作原理，并通過計算機建立了以單片機為核心的控制系統(tǒng)，能夠對飛鋸機的工作過程進行實時的監(jiān)控，完成為飛鋸的同步跟蹤，以及返回過程的采樣。并對基于ARM系統(tǒng)的硬件和接口電路的工作原理進行了分析。該系統(tǒng)能夠提高飛鋸機的切割精度、可靠性好、抗干擾能力強，有很強的實用性。

關鍵字：鋼管切割、單片機、飛鋸機、ARM

隨著我國建筑行業(yè)的不斷發(fā)展，對鋼管的需求量也不斷增加。與此同時，對鋼管的質量、切割工藝、鋼管尺寸、切割面是否平滑等要求也越來越高。這就需要對鋼管的切割精度有更嚴格的管控，鋼管的切割一般由飛鋸機進行切割，而電腦控制的飛鋸切割占據鋼管切割行業(yè)的主要部分。切割的精度也就決定了產品的質量。

1、 引言

飛鋸機是對金屬管材進行定尺自動切割的自動化設備，廣泛地應用在焊管和型鋼的生產線上，它能夠對高速運動的鋼管實現高精度的自動跟蹤在線切割。目前，進口設備價格昂貴、結構復雜、維護困難。我國定氣動尺飛鋸切割設備普遍存在切割精度低、尺寸誤差大、可靠性差、機械壽命短等現象，正逐漸被淘汰。而基于單片機控制的定飛鋸彌補了這些缺點，它具有可靠性高、切割精度高、抗干擾能力強、編程調試擴充功能方便等特點。大大提高了定尺飛鋸切割的精度和效率。

2、 定尺切割控制原理

定尺飛鋸切割控制原理如圖1所示，主要由電機驅動器、控制器、編碼器（PG）、傳感器和電機等構成。其中：編碼器PGI經過測速輥與鋼管平穩(wěn)地接觸，將鋼管的移動以脈沖的形式送給控制器，經過計算得出鋼管移動的速度和即時長度；飛鋸車是由電機驅動器驅動的，它的速度是安裝在飛鋸車上的驅動電機軸編碼器PG2測得的，并且可以測得小車前進及后退的行程。

圖1 定尺飛鋸切割控制原理圖 圖2 鋸車速度曲線圖

定尺飛鋸切割控制原理主要是根據定尺飛鋸的運動方式，鋸車的工作過程分別是，啟動、加速追蹤、同步運行、鋸切鋼管、正向減速、反向加速、反向減速、制動返回原位、等待下一次鋸切過程等動作，過程如圖2所示。如果要使一個切割過程準確地完成，并返回原位。那么，最關鍵的就是鋸車的啟動加速以及減速返回停車。圖2中AB部分就是鋸車的加速階段，鋸車開始啟動并追蹤鋼管速度，為了使其動態(tài)響應性能提高，如果速度偏差越大時，鋸車加速的過程越快，隨著偏差變小而慢慢減小加速度。當與定尺長度一致時，鋸車速度與鋼管速度一致，隨即縮短系統(tǒng)超調時間BC。鋸車減速返回原位為GH段。為了使后續(xù)切割更順利，需要對減速停車進行控制。由于慣性作用。鋸車在返回原位時，會產生一定的誤差，為了使停車時正好停在原位，需要在減速階段加速度隨著鋸車的速度變慢而變小。

3、影響切割精度的因素

為了使鋼管實現高精度地動態(tài)切割，必須考慮以下3個因素：

（I）返回原位的定位精度：鋼管加工速度較高的情況下，因調節(jié)時間不夠，導致系統(tǒng)未能穩(wěn)定，在鋸車慣性作用下，使鋸車返回時，無法準確地返回原位。因此，為了減少偏差，鋸車執(zhí)行完切割任務后，應該以較小的加速度并且不產生超調，仍能精確地返回。

（2）速度跟蹤精度：鋼管切割過程中，鋸車速度要與鋼管速度保持一致，才可以實現鋼管切口的平整，但是現有控制系統(tǒng)是難以適應“因加工速度變化幅度較大而需相應改變控制參數”的要求，會形成系統(tǒng)速度跟蹤不準，從而影響鋼管切口質量、定長切割精度低。

（3）定長切割精度：定尺飛鋸控制系統(tǒng)一般采用固定加速度來控制其運行，然后經過計算確定飛鋸延時起動時間的方式對鋼管切割長度進行控制，這樣無法克服落鋸點跟蹤速度振蕩造成的定長切割偏差。

4、 基于ARM系列的硬件電路

飛鋸機控制系統(tǒng)是主要由CPU、模擬放大電路、信號檢測電路、脈沖檢測電路和信號給定電路組成。系統(tǒng)運行時需要對鋼管的長度、管速等進行設定，因此，選擇CPU是由LPC2132構成，它具有ARM7TDMI-S微處理器內核，具有性能高、功耗低、成本低廉、使用靈活和功能多樣等特點。

硬件系統(tǒng)的工作原理，首先是通過脈沖檢測電路的光電編碼器輸出A+、A-、B+、B-信號，再經過光電隔離電路，輸入到CPU的正交編碼口進行計算輸入脈沖。它的模擬放大電路是由DAC7724運算放大器構成，它是12位數字轉模擬芯片，分辨率高達4096級，可以很好的實現模擬量的輸出任務。隨后，信號檢測電路再通過光電隔離電路將24V的信號轉為3.3V的電平輸入到CPU中。信號給定電路把CPU的輸出信號。最后，通過光電隔離電路轉為24V的電平信號控制電磁閥。

4.1 ADS集成開發(fā)平臺介紹

ADS集成開發(fā)平臺是ARM系列處理器開發(fā)平臺。具有編譯效率高、代碼編寫簡單、庫函數強大等特點。ADS由GUI集成開發(fā)環(huán)境、AXD調試器、代碼生成工具、指令模擬器、ARM開發(fā)包、ARM應用庫等所組成。

AXD調試器屬于ARM擴展調試器，它支持軟件仿真和硬件調試，具有斷點、單步等調試功能，可以查看寄存器、反匯編、全局變量、加載、內存地址信息等。

4.2人機交互設計

人機交互界面中的重要環(huán)節(jié)是參數的輸入輸出顯示。顯示的參數是由鍵盤進行輸入、系統(tǒng)內部數據等方式。對于LPC2132微處理器，系統(tǒng)定義了模板，工程模板定義了FLASH的起始地址、編譯優(yōu)化等級、片內RAM起始地址、編譯連接選項等。

相應的參數根據設定好的格式存放在所指的內存中，啟動窗口即可更新。如果需要保存該參數，就保存在對應EEPROM地址中。人機交互的軟件設計中，采用模塊化設計，系統(tǒng)軟件是由初始化、主程序、鍵盤顯示器管理模塊、中斷、功能模塊和表格模塊構成，其中串口及缺省參數設定、初始化模塊等工作。主程序把各軟件模塊組合在一起，協(xié)調各部分軟件工作。具體是解釋指令、識別指令，根據相應的指令給出執(zhí)行指令的相應模塊入口，以保證系統(tǒng)進入工作狀態(tài)。

5、結論

定尺切割機是焊管生產線上應用技術含量最高的設備。定尺飛鋸控制系統(tǒng)為企業(yè)解決了實際的技術困難，它具有工作可靠、結構簡單、抗干擾能力強、環(huán)境適用性強等優(yōu)點，提高了切割精度，節(jié)約鋼材，提高了生產效率，增加企業(yè)的經濟效益。因此，飛鋸系統(tǒng)質量的決定了焊管生產質量的高低，飛鋸系統(tǒng)的硬件設計是重中之重，該系統(tǒng)已投入使用，它具有故障率低、可靠性高、實時性好等特點，大大提升工作效率?？稍诙ǔ唢w鋸控制系統(tǒng)等領域推廣應用。

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