基于LabVIEW 和Proteus的自動(dòng)剪板機(jī)控制系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)

袁 帥，萬(wàn) 文

（南昌航空大學(xué)航空制造工程學(xué)院，南昌 330063）

0 引言

隨著工業(yè)的不斷發(fā)展，鈑金件的切割需求不斷增加，加工過(guò)程的自動(dòng)化就成為各個(gè)企業(yè)的重要要求，自動(dòng)剪板機(jī)的發(fā)展正是適應(yīng)效率和質(zhì)量上的要求應(yīng)運(yùn)而生，自動(dòng)剪板機(jī)應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)中越來(lái)越多，傳統(tǒng)的剪板機(jī)一般是手動(dòng)剪板機(jī)和腳踏式機(jī)械剪板機(jī)，這類機(jī)械剪板機(jī)在進(jìn)行板料切割時(shí)需要工人在固定拖料板上手動(dòng)上料，在定尺寸加工和指定數(shù)量的生產(chǎn)要求下板料長(zhǎng)度的加工精度不高，人力消耗較大[1]，使得剪板機(jī)有很大的局限性，同時(shí)在進(jìn)行剪切時(shí)需要人為校準(zhǔn)，難以保證剪切精度，需要耗費(fèi)的時(shí)間長(zhǎng)、效率低，缺少剪板數(shù)量的顯示。目前的剪板機(jī)自動(dòng)控制的研究有基于單片機(jī)[2-4]和采用PLC 的剪板機(jī)自動(dòng)控制[5-6]，為滿足更高的生產(chǎn)加工需求，許多企業(yè)追求剪板機(jī)系統(tǒng)數(shù)控化和自動(dòng)化發(fā)展[7]，僅靠單片機(jī)或者PLC 控制還是不能滿足當(dāng)前生產(chǎn)和快速發(fā)展需求，有必要提高剪板機(jī)的狀態(tài)反饋和人機(jī)交互功能。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)以虛擬儀器作為上位機(jī)，單片機(jī)為下位機(jī)進(jìn)行自動(dòng)剪板機(jī)控制[8]，采用ATC89C51 單片機(jī)進(jìn)行自動(dòng)剪板機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)電機(jī)進(jìn)行順序控制，利用虛擬儀器技術(shù)，借助LabVIEW 與Proteus之間串口通信連接上、下位機(jī)，下位機(jī)通過(guò)串行口把剪板的數(shù)據(jù)送至上位機(jī)虛擬儀器，將已裁剪的剪板數(shù)在前面板上實(shí)時(shí)顯示。

1 剪板機(jī)工作原理

自動(dòng)剪板機(jī)的結(jié)構(gòu)組成包括控制部分和執(zhí)行部分，控制部分為上位機(jī)的虛擬儀器和下位機(jī)的單片機(jī)控制系統(tǒng)，執(zhí)行部分由送料小車(chē)、限位開(kāi)關(guān)、光電檢測(cè)開(kāi)關(guān)、剪切刀、壓塊、傳送帶及其相匹配的輸送帶輪、各個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、待加工板料以及相應(yīng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。以單片機(jī)為系統(tǒng)控制送料電機(jī)正轉(zhuǎn)，壓塊電機(jī)、切刀電機(jī)正反轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)送料，壓緊放松和剪切撤刀的功能，通過(guò)2位7段LED 數(shù)碼管進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，實(shí)現(xiàn)小車(chē)自動(dòng)運(yùn)載、板料輸送、壓塊松緊控制、切刀剪切和顯示計(jì)數(shù)等基本功能，機(jī)床切刀開(kāi)始剪切時(shí)，通過(guò)光電開(kāi)關(guān)檢測(cè)信號(hào)變化，將采集的落下板料數(shù)據(jù)送入單片機(jī)，單片機(jī)判斷已落下板料數(shù)，對(duì)預(yù)置的板料數(shù)進(jìn)行比較，從而進(jìn)行控制小車(chē)卸料。

剪板機(jī)工作原理示意圖、工作流程如圖1～2 所示。在系統(tǒng)啟動(dòng)后，單片機(jī)檢測(cè)各開(kāi)關(guān)狀態(tài)，限位開(kāi)關(guān)SA1斷開(kāi)，載板小車(chē)空載，小車(chē)電機(jī)M1 正轉(zhuǎn)，小車(chē)左行駛?cè)胂到y(tǒng)，達(dá)到指定位置后觸發(fā)開(kāi)關(guān)SA2，送料電機(jī)M2正轉(zhuǎn)，板料開(kāi)始送料，板料到達(dá)指定位置后觸發(fā)開(kāi)關(guān)SA3，壓塊電機(jī)M3 正轉(zhuǎn)，壓塊下行，壓塊壓緊后觸發(fā)開(kāi)關(guān)SA4，切刀電機(jī)M4 正轉(zhuǎn)，切刀下行剪切板料，板料切斷掉落后觸發(fā)光電開(kāi)關(guān)SA7，數(shù)碼管顯示計(jì)數(shù)加1，同時(shí)切刀電機(jī)M4 反轉(zhuǎn)，切刀上行，切刀達(dá)到指定位置觸發(fā)開(kāi)關(guān)SA5，壓塊電機(jī)M3反轉(zhuǎn)，壓塊放松，壓塊達(dá)到指定位置，觸發(fā)開(kāi)關(guān)SA6，系統(tǒng)復(fù)位，檢測(cè)各開(kāi)關(guān)狀態(tài)，重復(fù)以上步驟。在完成預(yù)設(shè)剪板數(shù)后，小車(chē)電機(jī)M1 反轉(zhuǎn)，小車(chē)右行卸料。

圖1 自動(dòng)剪板機(jī)工作原理示意圖

圖2 自動(dòng)剪板機(jī)工作流程

2 剪板機(jī)硬件控制電路設(shè)計(jì)

剪板機(jī)硬件控制電路如圖3 所示。由于單片機(jī)具有體積小、功耗低、控制性能與性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，用作下位機(jī)。控制電路由AT89C51 單片機(jī)最小系統(tǒng)、4 個(gè)直流電機(jī)及驅(qū)動(dòng)控制電路、按鍵開(kāi)關(guān)電路、7 段數(shù)碼管顯示電路、LED 指示燈、上位機(jī)與下位機(jī)串行接口通信電路組成，單片機(jī)的P0 口和P2 口引腳連接數(shù)碼管，通過(guò)單片機(jī)的P1口輸出電平信號(hào)來(lái)控制4個(gè)M1-M4直流電機(jī)的啟動(dòng)、停止以及正反轉(zhuǎn)，L298N 作為驅(qū)動(dòng)芯片，單片機(jī)P2 及P3 口引腳連接7 個(gè)按鈕開(kāi)關(guān)SA1～SA7，用于向單片機(jī)輸入信號(hào)，4 組LED 指示燈顯示對(duì)應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，紅燈正轉(zhuǎn)，綠燈反轉(zhuǎn)。COMPIM 串口組件在進(jìn)行串口設(shè)置后可進(jìn)行上下位機(jī)的數(shù)據(jù)傳送。

2.1 電機(jī)控制電路

硬件電路中設(shè)置4 個(gè)電機(jī)，分別控制小車(chē)運(yùn)行、板料送料、壓塊固定板料和切刀切割板料，主要是對(duì)在自動(dòng)剪板機(jī)進(jìn)行剪切加工過(guò)程中小車(chē)電機(jī)M1、送料電機(jī)M2、壓塊電機(jī)M3、切刀電機(jī)M4 的選擇。電機(jī)的選擇需要考慮的因素有很多，需要根據(jù)使用要求、經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性、使用效率等進(jìn)行篩選確定，本設(shè)計(jì)中按照設(shè)計(jì)要求和使用功能優(yōu)先選擇直流電動(dòng)機(jī)。在Proteus 仿真中使用直流電機(jī)來(lái)模擬，通過(guò)按鍵開(kāi)關(guān)控制電機(jī)順序動(dòng)作來(lái)控制剪板機(jī)運(yùn)動(dòng)流程，采用L298N芯片驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)[9-10]。

2.2 按鍵電路

按鍵電路模擬行程開(kāi)關(guān)，在Proteus 仿真中采用點(diǎn)擊各按鈕來(lái)模擬剪板工作時(shí)達(dá)到相應(yīng)行程開(kāi)關(guān)的位置，從而控制相應(yīng)電機(jī)運(yùn)行。開(kāi)關(guān)SA1 表示小車(chē)是否空載，先按下SA2，表示小車(chē)運(yùn)行到位，接著按下SA3 表示板料送料到位，再按下SA4 表示壓塊到位板料固定，再按下SA7 表示板料落下被光電開(kāi)關(guān)感應(yīng)到，然后依次按下SA5、SA6 表示壓塊、切刀復(fù)位到位。

2.3 數(shù)碼管顯示電路

本系統(tǒng)只需要顯示已剪切的100 以內(nèi)板料數(shù)即可，不需要其他復(fù)雜字符的表示，雖然單一的數(shù)碼管只能顯示數(shù)字和字母，但是數(shù)碼管可以滿足使用要求、電路連接簡(jiǎn)單[11]，而且就經(jīng)濟(jì)性和便捷性而言選用2 位7 段的LED 數(shù)碼管即可。本系統(tǒng)使用二位數(shù)碼管，用于顯示總板數(shù)，使用P0 口8 個(gè)端口控制數(shù)碼段碼，P2.6 和P2.7兩個(gè)端口控制數(shù)位。

2.4 串口通信電路

圖3 硬件控制電路

串口通信電路主要用于上位機(jī)系統(tǒng)和下位機(jī)單片機(jī)系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)傳遞，下位機(jī)將被測(cè)零件質(zhì)量數(shù)值、類別信息以字節(jié)數(shù)據(jù)發(fā)送到串口，采用RS232 通信協(xié)議，通信前需完成串口配置的端口號(hào)選擇及波特率設(shè)置，單片機(jī)的RXD引腳（或TXD）連接串口的TXD（或RXD）引腳。由于本設(shè)計(jì)中上位機(jī)用的是虛擬儀器LabVIEW，下位機(jī)單片機(jī)需要連接上位機(jī)進(jìn)行串行通信，所以虛擬串口在硬件設(shè)計(jì)中便是不可缺少的一環(huán)。COMPIM 在進(jìn)行串口設(shè)置后可進(jìn)行上下位機(jī)的數(shù)據(jù)傳遞和接收， COMPIM 在Proteus 仿真中不僅能與其他單片機(jī)的COMPIM 進(jìn)行串口通信，在設(shè)置后還能與外設(shè)進(jìn)行通信[12]。

3 上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

LabVIEW 具有軟件數(shù)據(jù)流編程方式和圖形化編輯語(yǔ)言，它的界面控件和操作為人機(jī)交互提供極大助力[13-15]，由初始化串口、串口是否打開(kāi)、寫(xiě)入設(shè)定值、讀取板料數(shù)量、轉(zhuǎn)為十進(jìn)制數(shù)值、數(shù)據(jù)處理及送顯示控制組成，程序框圖如圖4 所示，添加屬性節(jié)點(diǎn)，調(diào)用VISA 函數(shù)，添加I∕O 資源名，選取用于實(shí)現(xiàn)串口設(shè)置和板料數(shù)設(shè)置的輸入控件以及用于實(shí)現(xiàn)下位機(jī)數(shù)據(jù)傳送、板料數(shù)顯示和到數(shù)報(bào)警的顯示控件。“VISA 串口配置函數(shù)”（“Port Serial configure VISA”），用于初始化串口參數(shù)，控制串口資源名稱、波特率、數(shù)據(jù)比特、終止符是否啟用等，在程序中輸入變量有串口資源名稱和波特率，前面板設(shè)置具體數(shù)值，可以設(shè)為默認(rèn)數(shù)值，“VISA 讀取函數(shù)”（“Read VISA”），用于讀取串口傳送的數(shù)據(jù)，并在前面板輸出，中間輸入端口為字節(jié)總數(shù)，在程序中利用“屬性節(jié)點(diǎn)”檢測(cè)輸入數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)并控制，中間輸出端口為讀取緩沖器，顯示輸出Proteus 仿真中實(shí)時(shí)傳送來(lái)的總板數(shù)，輸出為字符串，再轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)值在前面板顯示。

圖4 LabVIEW 程序框圖

4 上、下位機(jī)聯(lián)調(diào)仿真結(jié)果

首先檢查各元件狀態(tài)位置，系統(tǒng)上電啟動(dòng)開(kāi)始運(yùn)行程序后，剪板機(jī)開(kāi)始工作，聯(lián)調(diào)前對(duì)上、下位機(jī)各參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，仿真過(guò)程中可看到下位機(jī)數(shù)碼管在板料剪斷落下后會(huì)有相應(yīng)板料數(shù)顯示，同時(shí)向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳送后在上位機(jī)能看到輸出控件變化，顯示出返回?cái)?shù)據(jù)信號(hào)和結(jié)果。

如圖5 所示，第一塊板剪切完成，光電開(kāi)關(guān)SA7 閉合，數(shù)碼管顯示計(jì)數(shù)加1，同時(shí)，如圖6所示，對(duì)應(yīng)虛擬儀器前面板，表盤(pán)用于直觀表達(dá)當(dāng)前已剪切板數(shù)，并能實(shí)現(xiàn)判斷剪板數(shù)量是否達(dá)到要求，如果實(shí)際板料數(shù)小于預(yù)置的裝箱板料數(shù)，報(bào)警器不動(dòng)作，返回TRUE，顯示綠燈；反之報(bào)警器報(bào)警，函數(shù)返回FALSE，顯示紅燈。下位機(jī)通過(guò)串口向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)“01”及實(shí)際落下的板料數(shù)為“1”塊。

圖5 下位機(jī)板料剪切的仿真

圖6 上位機(jī)板料剪切時(shí)前面板

如圖7所示，預(yù)置的5塊板剪切完成，達(dá)到打包裝箱設(shè)定值，控制小車(chē)電機(jī)M1 反轉(zhuǎn)，滿載指示燈亮，小車(chē)運(yùn)出缷料。如圖8 所示，單片機(jī)傳送數(shù)據(jù)“05”，所剪切的板數(shù)達(dá)到裝箱設(shè)定值，報(bào)警器報(bào)警，紅燈亮。

圖7 下位機(jī)板滿載仿真

圖8 上位機(jī)板料剪切到數(shù)前面板圖

5 實(shí)物模擬制作

如圖9 所示，按下送料電機(jī)按鈕，風(fēng)扇模擬送料電機(jī)正轉(zhuǎn)，板料開(kāi)始送料。

圖10 切刀電機(jī)反轉(zhuǎn)

圖9 送料電機(jī)正轉(zhuǎn)

如圖10 所示，按下光電開(kāi)關(guān)，板料落下，風(fēng)扇模擬切刀電機(jī)反轉(zhuǎn)，數(shù)碼管顯示計(jì)數(shù)加1。

6 結(jié)束語(yǔ)

自動(dòng)化剪板機(jī)的要求是勞動(dòng)強(qiáng)度低、控制功能強(qiáng)、人機(jī)界面友好，本次設(shè)計(jì)采用虛擬儀器為上位機(jī)、單片機(jī)為下位機(jī)，通過(guò)上下位機(jī)聯(lián)調(diào)仿真、實(shí)物模擬制作運(yùn)行實(shí)現(xiàn)了對(duì)剪板機(jī)進(jìn)行自動(dòng)控制，可實(shí)現(xiàn)定長(zhǎng)剪切和定數(shù)包裝運(yùn)輸、實(shí)時(shí)狀態(tài)顯示和報(bào)警功能，通過(guò)單片機(jī)技術(shù)和虛擬儀器不僅能完成對(duì)板料的自動(dòng)輸送，而且可以控制剪切的尺寸長(zhǎng)度和已剪板料數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)顯示，提高剪切精度和速度，且工人可以離開(kāi)加工現(xiàn)場(chǎng)，利用虛擬儀器技術(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互操作，通過(guò)運(yùn)行表明系統(tǒng)具有良好的控制性能，有效地降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率。