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包裝機(jī)械封切機(jī)自動定位系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)
閱讀：786 發(fā)布時間：2011-4-7
１，引言
由于單片機(jī)具有很靈活的控制功能和能夠提供可靠的運(yùn)行測試，因此在機(jī)電一體化的領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。利用單片機(jī)的功能實現(xiàn)自動化控制加工已成為現(xiàn)代工業(yè)zui常用的控制方法之一。
本設(shè)計的主要目標(biāo)在于充分的利用單片機(jī)的資源和功能，以zui簡單的方法來完成封切機(jī)定位系統(tǒng)的復(fù)雜任務(wù)。系統(tǒng)工作時通過光電信號傳感器對封切機(jī)運(yùn)動參數(shù)進(jìn)行檢測和單片機(jī)的軟硬件控制功能來實現(xiàn)對封切機(jī)運(yùn)動狀態(tài)的自動定位，從而控制步進(jìn)電機(jī)的送料的速度，使之與主電機(jī)控制的封切運(yùn)動狀態(tài)相配合，實現(xiàn)包裝袋的封切；同時，實現(xiàn)包裝自動電子計數(shù)及顯示，袋長顯示及調(diào)整，點動和清零等操作功能。
由于單片機(jī)具有很靈活的控制功能和能夠提供可靠的運(yùn)行測試，因此在機(jī)電一體化的領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。利用單片機(jī)的功能實現(xiàn)自動化控制加工已成為現(xiàn)代工業(yè)zui常用的控制方法之一。
本設(shè)計的主要目標(biāo)在于充分的利用單片機(jī)的資源和功能，以zui簡單的方法來完成封切機(jī)定位系統(tǒng)的復(fù)雜任務(wù)。系統(tǒng)工作時通過光電信號傳感器對封切機(jī)運(yùn)動參數(shù)進(jìn)行檢測和單片機(jī)的軟硬件控制功能來實現(xiàn)對封切機(jī)運(yùn)動狀態(tài)的自動定位，從而控制步進(jìn)電機(jī)的送料的速度，使之與主電機(jī)控制的封切運(yùn)動狀態(tài)相配合，實現(xiàn)包裝袋的封切；同時，實現(xiàn)包裝自動電子計數(shù)及顯示，袋長顯示及調(diào)整，點動和清零等操作功能。
２，封切機(jī)自動定位系統(tǒng)的工作原理
封切機(jī)自動定位系統(tǒng)的應(yīng)用對象是包裝袋，通過單片機(jī)的軟硬件功能和光電信號傳感器檢測到的信號來實現(xiàn)對包裝袋輸送和封切的運(yùn)動狀態(tài)自動定位，控制送料步進(jìn)電機(jī)的速度，使送料與無級調(diào)速主電機(jī)的封切動作相配合，以實現(xiàn)包裝袋封切的自動化和化；同時，通過顯示器和報警系統(tǒng)向生產(chǎn)操作員提供準(zhǔn)確的生產(chǎn)信息。
封切機(jī)自動定位系統(tǒng)的工作原理，單片機(jī)及其外部接口，在輸入端有人工操作信息和現(xiàn)場信息輸入；輸出端有顯示系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)響應(yīng)單片機(jī)的運(yùn)行結(jié)果；人工輸入包括：調(diào)整袋長、清零、復(fù)位、點動等操作；現(xiàn)場信息有主要為光電眼的信息；工作狀態(tài)顯示則為顯示袋長數(shù)值和被加工袋的數(shù)量；外部執(zhí)行機(jī)構(gòu)是起送袋作用的步進(jìn)電機(jī)，它的頻率受單片機(jī)控制。
在包裝生產(chǎn)行業(yè)中，用作包裝袋的復(fù)合薄袋可以分為兩種：一種為空白袋，另一種為印刷袋（色袋）。色袋上印有可供光電信號檢測傳感器識別的標(biāo)識。封切機(jī)自動定位系統(tǒng)通過光電信號傳感器自動檢測到主電機(jī)控制的封切機(jī)頻率，從而轉(zhuǎn)化為脈沖數(shù)與另一個光電信號傳感器檢測到的脈沖數(shù)作比較，調(diào)整送料步進(jìn)電機(jī)的頻率，以達(dá)到改變其送料的速度，使之適應(yīng)主電機(jī)的封切運(yùn)動。
自動定位系統(tǒng)根據(jù)封切袋的不同又可以分為兩種定位方式：一種是空白袋定位系統(tǒng)，此定位系統(tǒng)為定長定位系統(tǒng)，只要求封切運(yùn)動的速度與送袋速度相配合，達(dá)到定長封切的要求；另一種是印刷袋定位系統(tǒng)，印刷袋定位系統(tǒng)則為定位的跟蹤，要求每次封切的位置必須落在的標(biāo)識位置。
我們在進(jìn)行各項封切任務(wù)時，必然會遇到一個問題；就是每次任務(wù)要求的袋長都可能會改變，而這必然會影響到我們在系統(tǒng)中預(yù)置的袋長初值。又因為檢測色袋標(biāo)識的光電眼與封切口之間的距離Ｓ為一個定值，袋長改變了，也必然會影響送袋速度與封切速度之間的關(guān)系。因此為實現(xiàn)加工的自動化定位，必須要對此袋長與距離Ｓ之間作一定的函數(shù)調(diào)整。但這只對封切印刷袋有效，而在封切空白袋時則沒有意義了。
封切機(jī)自動定位系統(tǒng)的應(yīng)用對象是包裝袋，通過單片機(jī)的軟硬件功能和光電信號傳感器檢測到的信號來實現(xiàn)對包裝袋輸送和封切的運(yùn)動狀態(tài)自動定位，控制送料步進(jìn)電機(jī)的速度，使送料與無級調(diào)速主電機(jī)的封切動作相配合，以實現(xiàn)包裝袋封切的自動化和化；同時，通過顯示器和報警系統(tǒng)向生產(chǎn)操作員提供準(zhǔn)確的生產(chǎn)信息。
封切機(jī)自動定位系統(tǒng)的工作原理，單片機(jī)及其外部接口，在輸入端有人工操作信息和現(xiàn)場信息輸入；輸出端有顯示系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)響應(yīng)單片機(jī)的運(yùn)行結(jié)果；人工輸入包括：調(diào)整袋長、清零、復(fù)位、點動等操作；現(xiàn)場信息有主要為光電眼的信息；工作狀態(tài)顯示則為顯示袋長數(shù)值和被加工袋的數(shù)量；外部執(zhí)行機(jī)構(gòu)是起送袋作用的步進(jìn)電機(jī)，它的頻率受單片機(jī)控制。
在包裝生產(chǎn)行業(yè)中，用作包裝袋的復(fù)合薄袋可以分為兩種：一種為空白袋，另一種為印刷袋（色袋）。色袋上印有可供光電信號檢測傳感器識別的標(biāo)識。封切機(jī)自動定位系統(tǒng)通過光電信號傳感器自動檢測到主電機(jī)控制的封切機(jī)頻率，從而轉(zhuǎn)化為脈沖數(shù)與另一個光電信號傳感器檢測到的脈沖數(shù)作比較，調(diào)整送料步進(jìn)電機(jī)的頻率，以達(dá)到改變其送料的速度，使之適應(yīng)主電機(jī)的封切運(yùn)動。
自動定位系統(tǒng)根據(jù)封切袋的不同又可以分為兩種定位方式：一種是空白袋定位系統(tǒng)，此定位系統(tǒng)為定長定位系統(tǒng)，只要求封切運(yùn)動的速度與送袋速度相配合，達(dá)到定長封切的要求；另一種是印刷袋定位系統(tǒng)，印刷袋定位系統(tǒng)則為定位的跟蹤，要求每次封切的位置必須落在的標(biāo)識位置。
我們在進(jìn)行各項封切任務(wù)時，必然會遇到一個問題；就是每次任務(wù)要求的袋長都可能會改變，而這必然會影響到我們在系統(tǒng)中預(yù)置的袋長初值。又因為檢測色袋標(biāo)識的光電眼與封切口之間的距離Ｓ為一個定值，袋長改變了，也必然會影響送袋速度與封切速度之間的關(guān)系。因此為實現(xiàn)加工的自動化定位，必須要對此袋長與距離Ｓ之間作一定的函數(shù)調(diào)整。但這只對封切印刷袋有效，而在封切空白袋時則沒有意義了。
３，自動定位系統(tǒng)的硬件設(shè)計
３．１ 步進(jìn)電機(jī)的控制
本系統(tǒng)因單片機(jī)的硬件接口限制和為了提高系統(tǒng)運(yùn)行時的精度，對步進(jìn)的控制采取硬件分配方式而不是用軟件分配，步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行、停止和運(yùn)動速度則由單片機(jī)的Ｐ１．０端口輸出脈沖頻率來控制。當(dāng)改變Ｐ１．０端口輸出脈沖的周期時，ＡＢＣ三相繞組高低電平的寬度將發(fā)生變化。這就導(dǎo)致通電和斷電的速率發(fā)生了變化，從而改變步進(jìn)電機(jī)的速度。綜上所說，要控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動狀態(tài)和運(yùn)行速度，只要調(diào)節(jié)Ｐ１．０端口輸出的脈沖周期和脈沖數(shù)就可以實現(xiàn)了。
３．２ 光電信號傳感器的應(yīng)用
光電信號傳感器是以光為媒介進(jìn)行信號傳輸?shù)钠骷Ｔ诜馇袡C(jī)自動定位系統(tǒng)中，安裝了兩個光電信號傳感器（如圖１所示）。它的主要作用是：對整個系統(tǒng)進(jìn)行實時監(jiān)控，當(dāng)光電信號傳感器接收到信號時，就會把接收到的信號以電平的形式傳輸給ＣＰＵ，并產(chǎn)生中斷要求：要求ＣＰＵ在完成當(dāng)前指令的下一機(jī)器周期跳變到該中斷要求所對應(yīng)的中斷子程序，執(zhí)行該中斷子程序，完成對整個系統(tǒng)的實時監(jiān)控和有關(guān)數(shù)據(jù)的運(yùn)算及傳送。
一個光電信號傳感器（又稱光電眼）安裝在包裝機(jī)熱封裝置前，當(dāng)封切機(jī)自動定位系統(tǒng)的運(yùn)行模式為印刷袋控制時，便開啟光電眼來檢測印刷袋上的顏色信號并將檢測得到的信號傳輸給ＣＰＵ，ＣＰＵ通過軟件功能將信號轉(zhuǎn)化為能夠控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的脈沖信號之一。
另一個光電眼傳感器安裝在封切到下落處，當(dāng)封切機(jī)自動定位系統(tǒng)啟動時，該光電眼信號傳感器檢測到因封切刀起落引起的光亮變化而產(chǎn)生的或高或低電平信號并傳輸給ＣＰＵ，ＣＰＵ通過計數(shù)軟件和脈沖寬度測量軟件實現(xiàn)系統(tǒng)的自動電子計數(shù)功能和調(diào)整步進(jìn)電機(jī)送料的速度。
３．３ 顯示系統(tǒng)
封切機(jī)自動定位系統(tǒng)中顯示系統(tǒng)的作用有兩個方面：一是向生產(chǎn)操作員提供袋長信息：二是顯示已封切的袋數(shù)，同時與報警系統(tǒng)相結(jié)合，實現(xiàn)定量生產(chǎn)的控制。
封切機(jī)自動定位系統(tǒng)的顯示系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)沒有應(yīng)用譯碼器，譯碼器通過軟件來實現(xiàn)；顯示方式為串行口輸出共陰極動態(tài)顯示。
３．４ 報警系統(tǒng)
封切機(jī)自動定位系統(tǒng)中，報警系統(tǒng)的功能：一是當(dāng)封切袋數(shù)累計到ｎ１００＋９０個時（ｎ為任意整數(shù)），系統(tǒng)就會自動報警；當(dāng)封切袋數(shù)累計到ｎ１００個時（ｎ為任意整數(shù)），系統(tǒng)便自動取消報警。該功能的實現(xiàn)可有助生產(chǎn)操作員實現(xiàn)定量生產(chǎn)控制。二是當(dāng)光電信號傳感器檢測到的封切機(jī)動作進(jìn)行地過快時，系統(tǒng)自動報警。其硬件結(jié)構(gòu)由蜂鳴器、功率放大晶體管和單片機(jī)組成。
３．５ 系統(tǒng)的可靠性設(shè)計
為了保證封切機(jī)自動定位系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，降低ＩＮＴ０、ＩＮＴ１口輸入的外部中斷信號對ＣＰＵ運(yùn)行的干擾，系統(tǒng)硬件設(shè)計中采用了光電隔離電路。當(dāng)光電眼向ＣＰＵ的ＩＮＴ０、ＩＮＴ１中斷口輸送電平脈沖信號時，經(jīng)光電耦合器輸入輸出隔離電路和六相施密特觸發(fā)器輸入給單片機(jī)的相應(yīng)端口，使單片機(jī)的內(nèi)部數(shù)據(jù)總線的運(yùn)行不受噪聲電平的影響。
３．１ 步進(jìn)電機(jī)的控制
本系統(tǒng)因單片機(jī)的硬件接口限制和為了提高系統(tǒng)運(yùn)行時的精度，對步進(jìn)的控制采取硬件分配方式而不是用軟件分配，步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行、停止和運(yùn)動速度則由單片機(jī)的Ｐ１．０端口輸出脈沖頻率來控制。當(dāng)改變Ｐ１．０端口輸出脈沖的周期時，ＡＢＣ三相繞組高低電平的寬度將發(fā)生變化。這就導(dǎo)致通電和斷電的速率發(fā)生了變化，從而改變步進(jìn)電機(jī)的速度。綜上所說，要控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動狀態(tài)和運(yùn)行速度，只要調(diào)節(jié)Ｐ１．０端口輸出的脈沖周期和脈沖數(shù)就可以實現(xiàn)了。
３．２ 光電信號傳感器的應(yīng)用
光電信號傳感器是以光為媒介進(jìn)行信號傳輸?shù)钠骷Ｔ诜馇袡C(jī)自動定位系統(tǒng)中，安裝了兩個光電信號傳感器（如圖１所示）。它的主要作用是：對整個系統(tǒng)進(jìn)行實時監(jiān)控，當(dāng)光電信號傳感器接收到信號時，就會把接收到的信號以電平的形式傳輸給ＣＰＵ，并產(chǎn)生中斷要求：要求ＣＰＵ在完成當(dāng)前指令的下一機(jī)器周期跳變到該中斷要求所對應(yīng)的中斷子程序，執(zhí)行該中斷子程序，完成對整個系統(tǒng)的實時監(jiān)控和有關(guān)數(shù)據(jù)的運(yùn)算及傳送。
一個光電信號傳感器（又稱光電眼）安裝在包裝機(jī)熱封裝置前，當(dāng)封切機(jī)自動定位系統(tǒng)的運(yùn)行模式為印刷袋控制時，便開啟光電眼來檢測印刷袋上的顏色信號并將檢測得到的信號傳輸給ＣＰＵ，ＣＰＵ通過軟件功能將信號轉(zhuǎn)化為能夠控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的脈沖信號之一。
另一個光電眼傳感器安裝在封切到下落處，當(dāng)封切機(jī)自動定位系統(tǒng)啟動時，該光電眼信號傳感器檢測到因封切刀起落引起的光亮變化而產(chǎn)生的或高或低電平信號并傳輸給ＣＰＵ，ＣＰＵ通過計數(shù)軟件和脈沖寬度測量軟件實現(xiàn)系統(tǒng)的自動電子計數(shù)功能和調(diào)整步進(jìn)電機(jī)送料的速度。
３．３ 顯示系統(tǒng)
封切機(jī)自動定位系統(tǒng)中顯示系統(tǒng)的作用有兩個方面：一是向生產(chǎn)操作員提供袋長信息：二是顯示已封切的袋數(shù)，同時與報警系統(tǒng)相結(jié)合，實現(xiàn)定量生產(chǎn)的控制。
封切機(jī)自動定位系統(tǒng)的顯示系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)沒有應(yīng)用譯碼器，譯碼器通過軟件來實現(xiàn)；顯示方式為串行口輸出共陰極動態(tài)顯示。
３．４ 報警系統(tǒng)
封切機(jī)自動定位系統(tǒng)中，報警系統(tǒng)的功能：一是當(dāng)封切袋數(shù)累計到ｎ１００＋９０個時（ｎ為任意整數(shù)），系統(tǒng)就會自動報警；當(dāng)封切袋數(shù)累計到ｎ１００個時（ｎ為任意整數(shù)），系統(tǒng)便自動取消報警。該功能的實現(xiàn)可有助生產(chǎn)操作員實現(xiàn)定量生產(chǎn)控制。二是當(dāng)光電信號傳感器檢測到的封切機(jī)動作進(jìn)行地過快時，系統(tǒng)自動報警。其硬件結(jié)構(gòu)由蜂鳴器、功率放大晶體管和單片機(jī)組成。
３．５ 系統(tǒng)的可靠性設(shè)計
為了保證封切機(jī)自動定位系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，降低ＩＮＴ０、ＩＮＴ１口輸入的外部中斷信號對ＣＰＵ運(yùn)行的干擾，系統(tǒng)硬件設(shè)計中采用了光電隔離電路。當(dāng)光電眼向ＣＰＵ的ＩＮＴ０、ＩＮＴ１中斷口輸送電平脈沖信號時，經(jīng)光電耦合器輸入輸出隔離電路和六相施密特觸發(fā)器輸入給單片機(jī)的相應(yīng)端口，使單片機(jī)的內(nèi)部數(shù)據(jù)總線的運(yùn)行不受噪聲電平的影響。
４，自動定位系統(tǒng)的軟件設(shè)計
４．１ 系統(tǒng)的定義
在此系統(tǒng)為連續(xù)工作的自動定位系統(tǒng)。所以送料和封切運(yùn)動是連續(xù)進(jìn)行。因此必須要求系統(tǒng)快速的反映各個中斷的請求。多個中斷嵌套構(gòu)成了整個系統(tǒng)的主體。
首先從主電機(jī)得出封切速度，經(jīng)過速度轉(zhuǎn)換運(yùn)算子程序求出步進(jìn)電機(jī)的初速度并送給步進(jìn)電機(jī)，然后將步進(jìn)電機(jī)的速度反饋給單片機(jī)，再與封切機(jī)的速度作比較，由速度調(diào)整子程序調(diào)整步進(jìn)電機(jī)的速度。
在封切機(jī)自動系統(tǒng)中，軟件主要解決的問題是ＣＰＵ將獲取到的袋長信息和主電機(jī)的封切速度的脈沖信號轉(zhuǎn)化為定時器ＴＯ的初值問題，以及如何比較兩者之間的差異進(jìn)而實時監(jiān)控步進(jìn)電機(jī)的速度。
袋長信息的獲取則在系統(tǒng)初始化時，由操作員人工輸入，系統(tǒng)默認(rèn)值為１4０ＭＭ。可以通過按鍵對其數(shù)值進(jìn)行“１”、減“１”操作，調(diào)整袋長數(shù)值。而步進(jìn)電機(jī)的輸出速度則由單片機(jī)Ｐ１．０端口輸?shù)拿}沖頻率決定。若檢測到兩次封切之間的脈沖數(shù)比此期間所送袋長對應(yīng)的脈沖數(shù)少，這說明送料速度比封切速度慢了，應(yīng)該加快送料速度，此時定時器ＴＯ的值增加；反之，減少ＴＯ的值。
４．２ 系統(tǒng)軟件流程圖的設(shè)計
系統(tǒng)軟件的主要功能是判斷封切自動定位系統(tǒng)的工作方式（空白袋／印刷袋）和實現(xiàn)自動定位操作等。
對于印刷袋由于印刷不可避免地存在印刷誤差，使得包裝袋的袋長長度不一致，為了糾正該誤差信息就必須利用第二個光電眼，對印刷袋實行實時定位，并通過一系列軟件對誤差進(jìn)行處理，調(diào)整ＣＰＵ的Ｐ１．０端口向步進(jìn)電機(jī)輸送的脈沖系列，以實現(xiàn)包裝袋的封切。
當(dāng)封切機(jī)自動定位系統(tǒng)的處理對象是空白袋時，將主程序中設(shè)定的或經(jīng)人工修改的袋長化為脈沖數(shù)作為自動定位系統(tǒng)比較的初值；與光電眼１檢測到的脈沖數(shù)相比較，將比較結(jié)果反饋給ＣＰＵ，ＣＰＵ根據(jù)反饋回來的信號調(diào)整單片機(jī)Ｐ１．０端口輸出脈沖的頻率，從而控制步進(jìn)電機(jī)的送袋速度。
４．１ 系統(tǒng)的定義
在此系統(tǒng)為連續(xù)工作的自動定位系統(tǒng)。所以送料和封切運(yùn)動是連續(xù)進(jìn)行。因此必須要求系統(tǒng)快速的反映各個中斷的請求。多個中斷嵌套構(gòu)成了整個系統(tǒng)的主體。
首先從主電機(jī)得出封切速度，經(jīng)過速度轉(zhuǎn)換運(yùn)算子程序求出步進(jìn)電機(jī)的初速度并送給步進(jìn)電機(jī)，然后將步進(jìn)電機(jī)的速度反饋給單片機(jī)，再與封切機(jī)的速度作比較，由速度調(diào)整子程序調(diào)整步進(jìn)電機(jī)的速度。
在封切機(jī)自動系統(tǒng)中，軟件主要解決的問題是ＣＰＵ將獲取到的袋長信息和主電機(jī)的封切速度的脈沖信號轉(zhuǎn)化為定時器ＴＯ的初值問題，以及如何比較兩者之間的差異進(jìn)而實時監(jiān)控步進(jìn)電機(jī)的速度。
袋長信息的獲取則在系統(tǒng)初始化時，由操作員人工輸入，系統(tǒng)默認(rèn)值為１4０ＭＭ。可以通過按鍵對其數(shù)值進(jìn)行“１”、減“１”操作，調(diào)整袋長數(shù)值。而步進(jìn)電機(jī)的輸出速度則由單片機(jī)Ｐ１．０端口輸?shù)拿}沖頻率決定。若檢測到兩次封切之間的脈沖數(shù)比此期間所送袋長對應(yīng)的脈沖數(shù)少，這說明送料速度比封切速度慢了，應(yīng)該加快送料速度，此時定時器ＴＯ的值增加；反之，減少ＴＯ的值。
４．２ 系統(tǒng)軟件流程圖的設(shè)計
系統(tǒng)軟件的主要功能是判斷封切自動定位系統(tǒng)的工作方式（空白袋／印刷袋）和實現(xiàn)自動定位操作等。
對于印刷袋由于印刷不可避免地存在印刷誤差，使得包裝袋的袋長長度不一致，為了糾正該誤差信息就必須利用第二個光電眼，對印刷袋實行實時定位，并通過一系列軟件對誤差進(jìn)行處理，調(diào)整ＣＰＵ的Ｐ１．０端口向步進(jìn)電機(jī)輸送的脈沖系列，以實現(xiàn)包裝袋的封切。
當(dāng)封切機(jī)自動定位系統(tǒng)的處理對象是空白袋時，將主程序中設(shè)定的或經(jīng)人工修改的袋長化為脈沖數(shù)作為自動定位系統(tǒng)比較的初值；與光電眼１檢測到的脈沖數(shù)相比較，將比較結(jié)果反饋給ＣＰＵ，ＣＰＵ根據(jù)反饋回來的信號調(diào)整單片機(jī)Ｐ１．０端口輸出脈沖的頻率，從而控制步進(jìn)電機(jī)的送袋速度。