基于A(yíng)RM的剪切生產(chǎn)線(xiàn)數控系統

0 引言

　　隨著(zhù)我國制造業(yè)的飛速發(fā)展，對機加配件的加工精度和生產(chǎn)效率的要求越來(lái)越高，對企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化程度也提出了很高的要求。棒料是各種模鍛件、輥鍛件、輾壓件生產(chǎn)用的主要原料，而棒料剪斷機就是為這些鍛壓工藝準備坯料的剪切下料設備。早期的剪切系統電氣控制普遍采用交流接觸器和繼電器進(jìn)行控制，經(jīng)過(guò)長(cháng)年使用，部件老化，設備故障頻發(fā)。在維護中由于分立元件眾多，集成度差，許多故障不能及時(shí)處理，給企業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)諸多不便。

　　由于PLC伺服控制系統具有定位精度高、響應速度快、抗干擾能力強、運行平穩等特性，采用可編程序控制器(PLC)控制系統的高精度自動(dòng)剪切生產(chǎn)線(xiàn)的應用越來(lái)越廣泛。但PLC還是軟PLC技術(shù)，都有實(shí)時(shí)性不強的缺點(diǎn)，很難實(shí)現復雜、快速的時(shí)序控制，而且對網(wǎng)絡(luò )的支持能力較差，因此，在需要對傳感器信號進(jìn)行高速A/D轉換、實(shí)時(shí)采樣以及實(shí)現企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程智能化、信息化、網(wǎng)絡(luò )化管理時(shí)，PLC就不適用了。而基于ARM嵌入式系統的出現，為工業(yè)控制提供了更好的開(kāi)發(fā)與應用平臺。它外設資源豐富，具備各種接口，同時(shí)提供可擴展接口，擴展方便;采用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統，具有強大的軟件處理能力，可實(shí)現復雜控制;具有PC機的諸多特點(diǎn)，同時(shí)又比PC機和工控機價(jià)格低;軟硬件(包括操作系統)可裁剪、配置靈活;支持大屏幕液晶顯示，可提供可視化界面顯示;具備聯(lián)網(wǎng)能力，可通過(guò)直接通過(guò)網(wǎng)口接入本地局域網(wǎng)或遠程網(wǎng)，為生產(chǎn)的遠程實(shí)時(shí)監控和管理提供了可能。

　　基于以上比較，本文提出一種基于A(yíng)RM的嵌入式棒料剪切生產(chǎn)線(xiàn)數控系統，該系統以ARM處理器為核心，搭載嵌入式Linux操作系統，具有可擴展的輸入、輸出控制I/O節點(diǎn)及多種現場(chǎng)總線(xiàn)接口、能實(shí)現剪切自動(dòng)控制、擋料器控制、自動(dòng)翻轉送料架控制、提高棒料加工精度;支持大尺寸LCD顯示屏，支持網(wǎng)絡(luò )和嵌入式數據庫，智能性、實(shí)時(shí)性好，方便生產(chǎn)過(guò)程協(xié)調監管、監控，嵌入式數據庫能夠實(shí)現加工數據的有效管理，可自動(dòng)完成加工軌跡的各種調整與控制，實(shí)現自適應的模型參數調整。

1 總體設計

　　整個(gè)剪切生產(chǎn)線(xiàn)系統包括中心控制機、切割系統、擋料器和自動(dòng)翻轉送料系統?？傮w框圖如圖1所示。

圖1 總體框圖

　　實(shí)際的電氣部件包括操作臺按鈕、顯示燈，各種控制開(kāi)關(guān)及電動(dòng)機。其中操作臺包括旋轉編碼器、自鎖式按鈕、普通按鈕、鑰匙按鈕、二位置旋轉按鈕、轉換開(kāi)關(guān)、計數器、顯示燈;控制開(kāi)關(guān)包括接近開(kāi)關(guān)，壓力開(kāi)關(guān)，液位開(kāi)關(guān)，行程開(kāi)關(guān)，凸輪開(kāi)關(guān)，光電開(kāi)關(guān);電磁閥，交流繼電器，交流接觸器;電機包括主電動(dòng)機、出料電機、擋板電機、潤滑電機。此外還有變壓器、斷路器及噪聲濾波器等部件。

2 中控機系統

　　該中控系統以ARM9核心板為中心，通過(guò)GPIO擴展板將有限的輸入輸出I/O擴展成足夠數量的輸入輸出控制節點(diǎn)，能夠接收系統中各種按鈕、凸輪開(kāi)關(guān)、光電開(kāi)關(guān)等輸入開(kāi)關(guān)信號;根據程序和預先設定的參數，給出輸出開(kāi)關(guān)量，控制電磁閥、繼電器、接觸器的動(dòng)作，同時(shí)通過(guò)高速脈沖輸出向伺服驅動(dòng)器發(fā)出一定數量的脈沖數，控制伺服電機的運轉。輸入及輸出接口都使用光電隔離模塊，既實(shí)現了抗干擾的目的，又能夠實(shí)現對接口部分的電平轉換。根據ARM輸出端信號，變頻器控制電動(dòng)機的正反轉及轉速，從而實(shí)現對卷料的釋放和回收。伺服驅動(dòng)器根據ARM板高速脈沖輸出端發(fā)出脈沖的個(gè)數、頻率控制伺服電機的轉動(dòng)位置及速度，從而精確地給出送料長(cháng)度。采用10英寸液晶顯示屏，為用戶(hù)提供了良好的人機交互界面，用戶(hù)可以通過(guò)該屏幕直接設定參數，整個(gè)剪切系統的工作狀態(tài)、動(dòng)作信息可以直觀(guān)地反映給用戶(hù)。ARM與變頻器、伺服器之間通過(guò)RS232串口通信，實(shí)現程序下載、參數設置、狀態(tài)查詢(xún)等即時(shí)的數據交換，最終使整個(gè)生產(chǎn)線(xiàn)設備能夠協(xié)調運行。中控機框圖如圖2所示。

圖2 中控機框圖

　　2.1 ARM核心板

　　ARM核心板基于A(yíng)RM處理器S3C2410X，采用6層板設計。S3C2410X使用ARM920T核，內部帶有全性能的MMU(內存處理單元)，具有高性能、低功耗、接口豐富和體積小等優(yōu)良特性。該芯片集成了大量的功能單元，包括:內部1.8V，存儲器3.3V，外部I/O3.3V，MMU;內置外部存儲器控制器;LCD控制器，1個(gè)LCD專(zhuān)用DMA;4路帶外部請求線(xiàn)的DMA;3個(gè)通用異步串行端口，2通道SPI;一個(gè)多主IIC總線(xiàn)，一個(gè)IIS總線(xiàn)控制器;SD主接口版本1．0和多媒體卡協(xié)議版本2．11兼容;2個(gè)USBHOST，一個(gè)USBDEVICE(V1．1);4個(gè)PWM定時(shí)器和一個(gè)內部定時(shí)器;看門(mén)狗定時(shí)器;117個(gè)通用I/O;24個(gè)外部中斷;電源控制模式:標準、慢速、休眠、掉電;8通道10位ADC和觸摸屏接口;16/32位RISC體系結構，使用ARM920TCPU核的強大指令集。

　　該核心板在盡可能小的板面上集成了64MSDRAM、64MNandFlash、1MBootFlash、RJ－45網(wǎng)卡、音頻輸入與輸出、USBHost、USBSlave、標準串口等設備接口，最為重要的是使用2.0mm插針槽引出CPU的大部分信號引腳，包括系統中尚未使用的GPIO引腳。

　　ARM920T帶MMU的先進(jìn)的體系結構支持WINCE、EPOC32、LINUX等，文中選擇的是免費開(kāi)源的嵌入式Linux操作系統?；谠撚布脚_及嵌入式Linux，做了操作系統移植、驅動(dòng)程序編寫(xiě)和應用程序開(kāi)發(fā)等軟件工作。

　　2.2 控制母板

　　中控機箱內采用母板+ARM核心板+I/O擴展板方式，母板用來(lái)與ARM9板連接，實(shí)現網(wǎng)口USB、串口、電壓轉換、連接液晶屏等功能，同時(shí)在母板上還包括一定數量的可用的GPIO，包括10個(gè)輸入，12個(gè)輸出。I/O輸入輸出選用DB頭接插件，方便連接。中控機內的開(kāi)關(guān)電源為24V，電流可達4A．電源電路實(shí)現24V電壓到12V/9V/5V/3.3V的轉換，滿(mǎn)足不同電路需要，穩壓芯片使用LM338。ARM9核心板自身帶有3個(gè)RS232串行接口，考慮到傳輸距離和抗干擾要求，在底板上設計了專(zhuān)門(mén)的轉換模塊將RS232轉換為RS485電平。ARM9核心板自帶USBHOST，使用USBHUB將其分為多路，分別可供鍵盤(pán)電路和鼠標使用，其他路向外輸出。

　　2.3 GPIO擴展及隔離

　　GPIO擴展及隔離電路被設計到獨立的電路板，用來(lái)實(shí)現I/O端口數量的擴展，可互換。每塊擴展板上包括64個(gè)輸入，64個(gè)輸出。擴展板放在母板上方，用金屬柱支撐，高度能保證二者不干涉即可。擴展板與母板之間以扁平電纜連接。擴展板的擴展I/O輸入輸出也選用DB頭接插件。GPIO擴展有2種方案。一種是采用CPLD擴展，目前ARM板可使用的I/O口，大約有20個(gè)。如果用最簡(jiǎn)單的擴展方法，使用8個(gè)I/O用作數據線(xiàn)，使用4個(gè)I/O產(chǎn)生16個(gè)譯碼片選信號，這樣可擴展成128個(gè)I/O。如果對外部按鍵采用掃描方式，那么可以節約一部分引腳。該方案只要ARM確保提供一定數量的I/O腳，具有較大可行性。ARM針對普通的I/O口操作既可，編程控制起來(lái)較容易，但在CPLD的編程上要花一些時(shí)間。第二種方案為使用專(zhuān)用擴展芯片實(shí)現擴展?，F有ARM板擴展口中有2種串行總線(xiàn)接口:IIC總線(xiàn)和SPI總線(xiàn)。如果選用現成的I/O擴展芯片，如MAX6957，為IIC接口，一片可以擴展28個(gè)I/O，如果用4片就可以擴展到100多個(gè)I/O。該方案需要開(kāi)發(fā)ARM的針對IIC設備的驅動(dòng)程序。文中實(shí)際選用的是74HC595及74HC166芯片，多片串聯(lián)，使用較少的I/O引腳成功實(shí)現并入串出和串入并出控制。

　　GPIO實(shí)現擴展后，可提供足夠數量的輸入I/O和輸出I/O。系統中的大量開(kāi)關(guān)或顯示燈，作為開(kāi)關(guān)量輸入或輸出，連接到這些擴展I/O即可。由于這些開(kāi)關(guān)量的電平值大部分不是TTL電平或CMOS電平，需要進(jìn)行電平轉換;顯示燈需要足夠的驅動(dòng)電流，繼電器需要一定的驅動(dòng)電壓和電流;而且，系統中有大量的強電信號，為充分考慮提高系統的抗干擾能力?；谝陨峡紤]，設計了電氣隔離及驅動(dòng)模塊，普通的較慢變換的開(kāi)關(guān)信號采用TLP521隔離光耦，針對高速脈沖采用高速光耦。

　　2.4 電機控制

　　根據ARM板輸出端信號，變頻器控制電動(dòng)機的正反轉及轉速，從而實(shí)現對卷料的釋放和回收。

　　對變頻器來(lái)說(shuō)，輸入控制信號來(lái)自于隔離擴展板，通過(guò)設置不同的短路和開(kāi)路組合，可以實(shí)現正轉、反轉、高速輸出及低速輸出，其中高速、低速是可以通過(guò)速度選擇端口來(lái)預設的。其他有關(guān)特征、狀態(tài)的參數可以通過(guò)操作面板預設。

3 數控系統軟件設計

　　數控系統軟件要實(shí)現用戶(hù)接口、剪切控制、故障檢測、數據庫管理、聯(lián)網(wǎng)等功能，由于系統軟件引入嵌入式操作系統，所以各任務(wù)可以并行執行，任務(wù)間可以通過(guò)消息傳遞、隊列等實(shí)現，軟件流程圖見(jiàn)圖3。由于篇幅所限，僅畫(huà)出用戶(hù)接口、剪切控制、故障檢測3個(gè)任務(wù)的流程，省略數據庫管理、聯(lián)網(wǎng)兩個(gè)模塊。為實(shí)現用戶(hù)接口、剪切控制、故障檢測、數據庫管理、聯(lián)網(wǎng)等功能，需要對嵌入式操作系統及Bootloader移植、驅動(dòng)程序開(kāi)發(fā)、應用層剪切控制程序軟件開(kāi)發(fā)及數據庫開(kāi)發(fā)幾個(gè)部分進(jìn)行研究，從而支撐整個(gè)系統軟件流程，實(shí)現系統功能。系統軟件流程圖如圖3所示。

圖3 系統軟件流程圖

　　3.1 嵌入式操作系統及Bootloader的移植

　　Linux移植就是根據具體目標平臺，對原有Linux的源碼進(jìn)行必要的改寫(xiě)，主要是修改體系結構相關(guān)部分，安裝到目標平臺，使其正確運行起來(lái)。為了引導操作系統，必須依賴(lài)Bootloader在上電初始化硬件設備，準備軟件環(huán)境，因此，在項目中，以ARM9硬件系統為平臺，選擇VIVI作為Bootloader，完成了Bootloader和嵌入式Linux操作系統的移植。

　　其基本過(guò)程是:

　　(1)獲得VIVI源碼并對其進(jìn)行修改;

　　(2)獲得Linux2．4．18內核源碼及該版本針對ARM的補丁，并對源碼進(jìn)行必要的修改;

　　(3)準備交叉編譯環(huán)境。交叉編譯環(huán)境工具鏈一般包括Binutils工具，ARM－GCC，GLIBC等;

　　(4)交叉編譯Bootloader，生成映像文件并下載;

　　(5)增加GPIO等外設驅動(dòng);

　　(6)交叉編譯Linux內核，生成內核映像文件，并下載內核映像文件。

　　3.2 驅動(dòng)程序及通訊程序開(kāi)發(fā)

　　根據實(shí)際需要，以ARM9為核心，研制系統主板，并針對實(shí)際需求進(jìn)行硬件驅動(dòng)程序開(kāi)發(fā)。其中GPIO驅動(dòng)程序既包括對按鍵、LED顯示的支持，也包括對繼電器控制等I/O的支持。在編譯內核時(shí)，選擇在需要時(shí)動(dòng)態(tài)插入內核，增加靈活性。針對跨平臺通訊，編制代碼轉換程序，并對Linux操作系統環(huán)境進(jìn)行配置，完成上位機GB2312編碼與下位機AMR9—LinuxQTEUNICODE編碼間代碼格式轉換;系統軟件支持10英寸DSTNLCD及TFT真彩LCD，采用嵌入式圖形系統之Qt/EmbeddedC++進(jìn)行程序開(kāi)發(fā)，以便于跨平臺移植、方便數據庫連接和開(kāi)發(fā)過(guò)程，并增加了產(chǎn)品的可靠性。

　　3.3 剪切控制程序

　　3.3.1 系統控制要求

　　(1)運行方式。生產(chǎn)線(xiàn)各主要設備具有手動(dòng)/自動(dòng)兩種工作方式。當采用自動(dòng)工作方式時(shí)，系統將按預先設定的工藝流程不間斷地循環(huán)工作。而手動(dòng)工作方式是在設備單動(dòng)、調試和檢修階段使用。

　　(2)實(shí)時(shí)顯示。系統中各個(gè)工序的運行情況、報警信息、送料長(cháng)度、質(zhì)量和加工工件數量等信息都要求在屏幕上顯示。

　　(3)故障檢測。系統能夠自動(dòng)檢測各個(gè)工序的運行是否正常，如果出現異常，在屏幕上顯示錯誤信息，同時(shí)生產(chǎn)線(xiàn)停止運行。故障解除后按啟動(dòng)按鈕生產(chǎn)線(xiàn)繼續運行。

　　(4)緊急停止。當出現緊急情況時(shí)，一按下急停按鈕，所有正在運行的設備全部停止。

　　(5)安全保護。在程序設計過(guò)程中，對關(guān)鍵環(huán)節設置多重防護，避免人身及設備事故的發(fā)生。系統上電后將自動(dòng)啟動(dòng)。

　　3.3.2 基本操作

　　初次運行，將控制臺的聯(lián)機－脫機狀態(tài)切換至脫機狀態(tài)，手動(dòng)按控制臺上的定尺+/定尺－，控制擋料器運動(dòng)到原點(diǎn)。通過(guò)系統校零，并輸入棒料直徑、重量補償、比重、擋料原點(diǎn)等值后，系統將自動(dòng)計算出需要剪切的長(cháng)度值并顯示出來(lái)。當按下“自動(dòng)補償”，系統將調整擋料器位置，當“計算長(cháng)度”與“實(shí)際長(cháng)度”一致時(shí)，發(fā)出“同步信號”，同步輸出燈變綠，機床可進(jìn)行剪切動(dòng)作了。此外，系統還可通過(guò)“重量補償”，使棒料剪切更加精確。系統控制開(kāi)始為正轉高速工作狀態(tài)，當快接近目標時(shí)改為“低速正轉”工作狀態(tài);系統在工作時(shí)，實(shí)時(shí)監控擋料器的位置，每當擋料器發(fā)生串動(dòng)后，數控機自動(dòng)進(jìn)行調整，并設有“急停”按鍵，停止機床的工作;系統能夠自動(dòng)濾掉錯誤操作。

　　3.4 嵌入式數據庫

　　嵌入式數據庫采用關(guān)系型數據庫的三級模式，支持標準SQL，支持數據查詢(xún)、插入、更新、刪除多種標準的SQL語(yǔ)句，充分滿(mǎn)足嵌入式應用開(kāi)發(fā)的需求;具有事務(wù)處理功能，自動(dòng)維護事務(wù)的完整性、原子性等特性;支持多種通訊協(xié)議，備份和恢復，錯誤日志等;具有高的靈活性、可擴展性及穩定性;同時(shí)為嵌入式應用的開(kāi)發(fā)提供了靈活的應用編程接口:C語(yǔ)言例行程序接口，內存需求低，且具有較高的執行效率。目前很多嵌入式設備是依靠數據為中心的，如果只有文件系統，在并發(fā)、共享、結構化存取上無(wú)結構，全依賴(lài)操作系統和文件系統，是遠遠不夠的。因此，采用嵌入式數據庫，完成工業(yè)控制數據的采集、存儲，及指令存儲與下達，實(shí)現控制機方便快捷移動(dòng)、大數據量存儲、當前和歷史數據查詢(xún)。通過(guò)采集數控網(wǎng)絡(luò )系統的數據，完成機床加工程序的實(shí)時(shí)還原，根據反饋信息制定新的解決方案，為質(zhì)量管理的分析提供原始依據。實(shí)現了管理信息與控制信息融合。通過(guò)JNI的方式調用C/C++編寫(xiě)的數據庫驅動(dòng)—動(dòng)態(tài)連接庫(DLL)進(jìn)行數據操作，解決嵌入式數據庫不提供Java的JDBC數據訪(fǎng)問(wèn)接口問(wèn)題。

4 結論

　　文中采用了高性?xún)r(jià)比的嵌入式處理器ARM9，替換了老式工業(yè)控制微機，進(jìn)行了Linux操作系統裁剪移植、自主開(kāi)發(fā)硬件控制驅動(dòng)程序，采用TCP/IP協(xié)議，美觀(guān)優(yōu)雅的QT用戶(hù)圖形界面以及符合國際標準SQL的嵌入式數據庫。應用了該數控技術(shù)的剪切系統，具有較強的高速數據采集和多種直接I/O節點(diǎn)控制能力，可以實(shí)現任意設定加工參數，既具備PC數控機床的信息處理、存儲、網(wǎng)絡(luò )傳輸能力，又滿(mǎn)足了精度高、體積小、功耗低的現代工控理念，是對現有的數控技術(shù)的一次技術(shù)革新。