切紙機(jī)智能控制高精度定位系統(tǒng)研究

張立明+車文春

本文介紹了一種切紙機(jī)智能控制高精度定位系統(tǒng)，闡述了系統(tǒng)的工作原理，運(yùn)用了硬件的結(jié)構(gòu)框圖和軟件的流程框圖，重點(diǎn)分析了系統(tǒng)硬件和軟件的工作過(guò)程，闡明了高精度定位、自動(dòng)消除絲杠間隙、定位誤差補(bǔ)償、極限位置軟限位及高速運(yùn)行低速定位等技術(shù)的功能應(yīng)用，適用于切紙機(jī)的自動(dòng)控制、高精度裁切及裁切生產(chǎn)線，有助于提高裁切精度和裁切效率。

切紙機(jī)是一種重要的裁切設(shè)備，廣泛應(yīng)用于印刷、包裝行業(yè)，是印刷包裝企業(yè)必備的設(shè)備之一。在切紙機(jī)產(chǎn)品中，高裁切精度、高裁切速度、自動(dòng)化程度以及正在發(fā)展的智能化成為其核心技術(shù)，市場(chǎng)及用戶對(duì)裁切技術(shù)提出了較高要求。切紙機(jī)的裁切定位體現(xiàn)在送紙器的定位精度上，其定位誤差按要求應(yīng)在±0.025mm范圍內(nèi)。目前，由于受到絲杠間隙、傳動(dòng)誤差、裝配質(zhì)量等因素影響致使切紙機(jī)送紙器定位很難達(dá)到要求的精度，而機(jī)械部分改進(jìn)和提高難以滿足高裁切精度的要求，并且對(duì)裁切定位的運(yùn)行速度和定位準(zhǔn)確度也提出了新的要求。因此，研究切紙機(jī)智能控制高精度定位系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱“智能定位系統(tǒng)”）可以使裁切定位裝置快速準(zhǔn)確定位，達(dá)到高精度高效率裁切的目的。

智能定位系統(tǒng)的工作原理和工作過(guò)程

智能定位系統(tǒng)可分為硬件和軟件兩部分，硬件與軟件相互結(jié)合，實(shí)現(xiàn)切紙機(jī)的智能控制與精確定位，下面詳細(xì)敘述其工作原理。

1.硬件部分的工作原理

硬件部分由中央處理器（CPU）、電源模塊、人機(jī)界面、驅(qū)動(dòng)模塊、檢測(cè)模塊、計(jì)數(shù)模塊等組成，結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

電源模塊輸出雙路獨(dú)立直流電源，一路供系統(tǒng)內(nèi)部CPU工作，另一路供外圍設(shè)備工作，使系統(tǒng)內(nèi)部電源與外部電源相互隔離，提高系統(tǒng)的抗干擾性能。人機(jī)界面包括鍵盤和液晶顯示模塊，鍵盤輸入的數(shù)據(jù)（如裁切數(shù)據(jù)、設(shè)置參數(shù)等）或命令（如編程、定位、運(yùn)行、刪除等）由CPU接收并處理；液晶顯示模塊顯示CPU發(fā)送來(lái)的送紙器當(dāng)前位置、鍵盤輸入的數(shù)據(jù)及功能命令。驅(qū)動(dòng)模塊包括變頻器、電機(jī)等，變頻器既與CPU相連，又與電機(jī)相連，CPU根據(jù)人機(jī)界面、檢測(cè)模塊、計(jì)數(shù)模塊的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析判斷，控制變頻器帶動(dòng)電機(jī)執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作指令。檢測(cè)模塊包括壓紙器高點(diǎn)開關(guān)、刀床高點(diǎn)開關(guān)、送紙器限位開關(guān)等，CPU根據(jù)壓紙器高點(diǎn)開關(guān)、刀床高點(diǎn)開關(guān)、限位開關(guān)等輸入的信號(hào)電平確定送紙器將要執(zhí)行的動(dòng)作。計(jì)數(shù)模塊包括編碼器和分頻電路，編碼器的輸出脈沖信號(hào)A、B、Z分別與分頻電路的3個(gè)輸入端相連，分頻電路的輸出端與CPU的外中斷0、外中斷1、定時(shí)器0端口相連，通過(guò)編碼器輸出的脈沖信號(hào)經(jīng)分頻電路分頻處理，傳輸給CPU運(yùn)算來(lái)判斷送紙器的當(dāng)前位置，確定送紙器的運(yùn)動(dòng)方向及運(yùn)行速度。

2.軟件工作原理

智能定位系統(tǒng)的軟件包括主程序和中斷處理程序兩部分。系統(tǒng)上電后循環(huán)執(zhí)行主程序，當(dāng)絲杠帶動(dòng)編碼器旋轉(zhuǎn)時(shí)，編碼器的輸出信號(hào)就會(huì)通過(guò)分頻電路分頻后進(jìn)入CPU的外中斷端口產(chǎn)生中斷，執(zhí)行中斷處理程序，當(dāng)中斷處理程序執(zhí)行完成后又返回主程序，繼續(xù)循環(huán)執(zhí)行主程序。

主程序設(shè)計(jì)流程框圖如圖2所示，系統(tǒng)初始化完成后，按任意鍵，送紙器自動(dòng)向后運(yùn)行，當(dāng)中央處理器CPU檢測(cè)到定時(shí)器T0端口的基準(zhǔn)信號(hào)時(shí)，送紙器停止運(yùn)行，系統(tǒng)置入基準(zhǔn)數(shù)據(jù)。按P鍵可調(diào)用原程序或編輯新程序，調(diào)用原程序只需輸入程序號(hào)，按確認(rèn)鍵即可；編輯新程序可通過(guò)調(diào)用空白程序進(jìn)行編輯或刪除當(dāng)前程序號(hào)中的程序，再進(jìn)行編輯，輸入需要裁切的位置尺寸，按確認(rèn)鍵即可。按下運(yùn)行鍵，CPU判斷送紙器當(dāng)前位置X與光標(biāo)指示尺寸Y之間的關(guān)系，X與Y的關(guān)系有兩種情況：一是X>Y，若X>Y+30mm，送紙器高速向前運(yùn)行；若Y+30mm>X>Y，送紙器低速向前運(yùn)行至X=Y時(shí)停止運(yùn)行；二是X≤Y，送紙器高速向后運(yùn)行至X=Y時(shí)，送紙器由高速轉(zhuǎn)為低速繼續(xù)向后運(yùn)行至X=Y+30mm時(shí)，送紙器改變方向并向前低速運(yùn)行至X=Y時(shí)停止。CPU接收到裁切指令時(shí)，壓紙器壓紙，延時(shí)1s刀床向下裁切；當(dāng)?shù)洞餐瓿刹们蟹祷氐礁唿c(diǎn)時(shí)，CPU判斷壓紙器是否返回至最高點(diǎn)，當(dāng)壓紙器回至最高點(diǎn)時(shí)，送紙器自動(dòng)向前運(yùn)行到下一刀設(shè)定尺寸位置。

中斷處理程序流程框圖如圖3所示，送紙器向后運(yùn)行時(shí)，絲杠帶動(dòng)編碼器旋轉(zhuǎn)，編碼器輸出脈沖信號(hào)A經(jīng)分頻器分頻后送CPU的外中斷0端口產(chǎn)生中斷，執(zhí)行中斷程序。進(jìn)入中斷程序后，送紙器當(dāng)前位置尺寸X+0.01mm（1個(gè)脈沖信號(hào)）與光標(biāo)指示尺寸Y進(jìn)行比較：X+0.01mm≤Y時(shí)，送紙器高速向后運(yùn)行，YX-0.01mm>Y時(shí)，送紙器向前低速運(yùn)行至X=Y位置停止運(yùn)行。

智能定位系統(tǒng)的功能應(yīng)用

①自動(dòng)消除絲杠間隙功能：切紙機(jī)電機(jī)帶動(dòng)絲杠、絲母螺旋副運(yùn)轉(zhuǎn)，使送紙器做前后直線運(yùn)動(dòng)。切紙機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間后絲杠與絲母之間會(huì)因磨損產(chǎn)生間隙，該間隙增大到一定程度時(shí)，會(huì)影響切紙機(jī)的裁切定位精度，需要采取措施做出相應(yīng)的技術(shù)處理以消除該間隙。送紙器由后向前運(yùn)行時(shí)，絲杠與絲母之間存在的間隙處于送紙器后側(cè)，這種情況下該間隙不影響送紙器的準(zhǔn)確定位；送紙器由前向后運(yùn)行時(shí)，絲杠與絲母之間存在的間隙處于送紙器前側(cè)，該間隙就會(huì)計(jì)入送紙器位置尺寸，使顯示數(shù)據(jù)與實(shí)際位置產(chǎn)生誤差，為了解決這個(gè)問(wèn)題，通過(guò)軟件方式，使程序控制送紙器由前向后運(yùn)行至設(shè)定值+30mm位置，再反向向前運(yùn)行至設(shè)定值位置停止，將絲杠與絲母的間隙由送紙器前側(cè)轉(zhuǎn)換到后側(cè)，消除了間隙對(duì)定位的影響，保證高的裁切精度。