郎艷 劉劍

摘要：介紹了定尺飛鋸切割機(jī)的工作原理，并通過計(jì)算機(jī)建立了以單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)，能夠?qū)︼w鋸機(jī)的工作過程進(jìn)行實(shí)時(shí)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(jìn)行了分析。該系統(tǒng)能夠提高飛鋸機(jī)的切割精度、可靠性好、抗干擾能力強(qiáng)，有很強(qiáng)的實(shí)用性。

關(guān)鍵字：鋼管切割、單片機(jī)、飛鋸機(jī)、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(shí)，對鋼管的質(zhì)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(yán)格的管控，鋼管的切割一般由飛鋸機(jī)進(jìn)行切割，而電腦控制的飛鋸切割占據(jù)鋼管切割行業(yè)的主要部分。切割的精度也就決定了產(chǎn)品的質(zhì)量。

1、 引言

飛鋸機(jī)是對金屬管材進(jìn)行定尺自動切割的自動化設(shè)備，廣泛地應(yīng)用在焊管和型鋼的生產(chǎn)線上，它能夠?qū)Ω咚龠\(yùn)動的鋼管實(shí)現(xiàn)高精度的自動跟蹤在線切割。目前，進(jìn)口設(shè)備價(jià)格昂貴、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維護(hù)困難。我國定氣動尺飛鋸切割設(shè)備普遍存在切割精度低、尺寸誤差大、可靠性差、機(jī)械壽命短等現(xiàn)象，正逐漸被淘汰。而基于單片機(jī)控制的定飛鋸彌補(bǔ)了這些缺點(diǎn)，它具有可靠性高、切割精度高、抗干擾能力強(qiáng)、編程調(diào)試擴(kuò)充功能方便等特點(diǎn)。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(jī)驅(qū)動器、控制器、編碼器（PG）、傳感器和電機(jī)等構(gòu)成。其中：編碼器PGI經(jīng)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(jīng)過計(jì)算得出鋼管移動的速度和即時(shí)長度；飛鋸車是由電機(jī)驅(qū)動器驅(qū)動的，它的速度是安裝在飛鋸車上的驅(qū)動電機(jī)軸編碼器PG2測得的，并且可以測得小車前進(jìn)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(jù)定尺飛鋸的運(yùn)動方式，鋸車的工作過程分別是，啟動、加速追蹤、同步運(yùn)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(gè)切割過程準(zhǔn)確地完成，并返回原位。那么，最關(guān)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(yīng)性能提高，如果速度偏差越大時(shí)，鋸車加速的過程越快，隨著偏差變小而慢慢減小加速度。當(dāng)與定尺長度一致時(shí)，鋸車速度與鋼管速度一致，隨即縮短系統(tǒng)超調(diào)時(shí)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(jìn)行控制。由于慣性作用。鋸車在返回原位時(shí)，會產(chǎn)生一定的誤差，為了使停車時(shí)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(shí)現(xiàn)高精度地動態(tài)切割，必須考慮以下3個(gè)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(diào)節(jié)時(shí)間不夠，導(dǎo)致系統(tǒng)未能穩(wěn)定，在鋸車慣性作用下，使鋸車返回時(shí)，無法準(zhǔn)確地返回原位。因此，為了減少偏差，鋸車執(zhí)行完切割任務(wù)后，應(yīng)該以較小的加速度并且不產(chǎn)生超調(diào)，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(shí)現(xiàn)鋼管切口的平整，但是現(xiàn)有控制系統(tǒng)是難以適應(yīng)“因加工速度變化幅度較大而需相應(yīng)改變控制參數(shù)”的要求，會形成系統(tǒng)速度跟蹤不準(zhǔn)，從而影響鋼管切口質(zhì)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(yùn)行，然后經(jīng)過計(jì)算確定飛鋸延時(shí)起動時(shí)間的方式對鋼管切割長度進(jìn)行控制，這樣無法克服落鋸點(diǎn)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(jī)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(yùn)行時(shí)需要對鋼管的長度、管速等進(jìn)行設(shè)定，因此，選擇CPU是由LPC2132構(gòu)成，它具有ARM7TDMI-S微處理器內(nèi)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(diǎn)。

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(jīng)過光電隔離電路，輸入到CPU的正交編碼口進(jìn)行計(jì)算輸入脈沖。它的模擬放大電路是由DAC7724運(yùn)算放大器構(gòu)成，它是12位數(shù)字轉(zhuǎn)模擬芯片，分辨率高達(dá)4096級，可以很好的實(shí)現(xiàn)模擬量的輸出任務(wù)。隨后，信號檢測電路再通過光電隔離電路將24V的信號轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shù)強(qiáng)大等特點(diǎn)。ADS由GUI集成開發(fā)環(huán)境、AXD調(diào)試器、代碼生成工具、指令模擬器、ARM開發(fā)包、ARM應(yīng)用庫等所組成。

AXD調(diào)試器屬于ARM擴(kuò)展調(diào)試器，它支持軟件仿真和硬件調(diào)試，具有斷點(diǎn)、單步等調(diào)試功能，可以查看寄存器、反匯編、全局變量、加載、內(nèi)存地址信息等。

4.2人機(jī)交互設(shè)計(jì)

人機(jī)交互界面中的重要環(huán)節(jié)是參數(shù)的輸入輸出顯示。顯示的參數(shù)是由鍵盤進(jìn)行輸入、系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)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(nèi)RAM起始地址、編譯連接選項(xiàng)等。

相應(yīng)的參數(shù)根據(jù)設(shè)定好的格式存放在所指的內(nèi)存中，啟動窗口即可更新。如果需要保存該參數(shù)，就保存在對應(yīng)EEPROM地址中。人機(jī)交互的軟件設(shè)計(jì)中，采用模塊化設(shè)計(jì)，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(gòu)成，其中串口及缺省參數(shù)設(shè)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(diào)各部分軟件工作。具體是解釋指令、識別指令，根據(jù)相應(yīng)的指令給出執(zhí)行指令的相應(yīng)模塊入口，以保證系統(tǒng)進(jìn)入工作狀態(tài)。

5、結(jié)論

定尺切割機(jī)是焊管生產(chǎn)線上應(yīng)用技術(shù)含量最高的設(shè)備。定尺飛鋸控制系統(tǒng)為企業(yè)解決了實(shí)際的技術(shù)困難，它具有工作可靠、結(jié)構(gòu)簡單、抗干擾能力強(qiáng)、環(huán)境適用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，提高了切割精度，節(jié)約鋼材，提高了生產(chǎn)效率，增加企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。因此，飛鋸系統(tǒng)質(zhì)量的決定了焊管生產(chǎn)質(zhì)量的高低，飛鋸系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)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(shí)時(shí)性好等特點(diǎn)，大大提升工作效率?？稍诙ǔ唢w鋸控制系統(tǒng)等領(lǐng)域推廣應(yīng)用。

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