朱雅光，程志海，吳永平

(長安大學(xué) 道路施工技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710000)

0 引言

隨著現(xiàn)代制造工業(yè)朝著高效、高精度和經(jīng)濟(jì)性的方向發(fā)展，鋸切作為金切加工的起點(diǎn)，已成為零件加工過程中重要的組成環(huán)節(jié)。鋸切可以節(jié)約材料、減少二次加工量和提高生產(chǎn)效率。實(shí)現(xiàn)金屬帶鋸床［1-3］的自動化是必然發(fā)展趨勢，而目前自動化技術(shù)在向集成化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。目前嵌入式技術(shù)ARM 已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，CPLD 器件也經(jīng)常用在各行各業(yè)，但在金屬帶鋸床目前主要使用的還是傳統(tǒng)分散、斷續(xù)的控制方法，這種控制操作復(fù)雜、線路繁瑣、精度不高、維修困難，可靠度低，很難適應(yīng)現(xiàn)在產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。另有一種基于PLC 的控制方法，但其造價(jià)昂貴，而且PLC的程序已經(jīng)集成，編程的靈活性受到限制。

本研究設(shè)計(jì)的基于ARM-CPLD 的金屬帶鋸床控制系統(tǒng)采用先進(jìn)的變頻電動機(jī)驅(qū)動、精密光柵定位方式、輸入輸出光耦隔離，配以基于ARM和CPLD 芯片控制電路，由計(jì)算機(jī)自動在線監(jiān)控鋸切全過程，鋸條速度、進(jìn)給速度、卡緊力均可做到任意設(shè)置、最優(yōu)化組合，由此來提高鋸床的加工精度。

與傳統(tǒng)技術(shù)相比，本研究設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)精確化控制，且擁有極高的編程的靈活性，對金屬帶鋸床控制系統(tǒng)的研究有重大意義，同時(shí)也具有較大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值［4］。

1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本研究根據(jù)數(shù)控切條機(jī)控制系統(tǒng)的要求，采用32位ARM+CPLD 為核心架構(gòu)的新一代鋸床控制系統(tǒng)。該控制器管理能力強(qiáng)大，有較強(qiáng)的通信能力，ARM 可方便擴(kuò)展CAN 工業(yè)總線，485 通訊接口，ISP 網(wǎng)絡(luò)接口，RS232 通信接口，USB 等。CPLD 點(diǎn)數(shù)擴(kuò)展方便，輸入/輸出點(diǎn)數(shù)依需求最高可擴(kuò)展至100個(gè)。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 金屬帶鋸床控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1 中，控制器CPLD 芯片通過2 路光柵［5］、3個(gè)限位開關(guān)(上限位、下限位、原點(diǎn)限位)、溫度傳感器、變頻器獲取鋸床工作狀態(tài);上位機(jī)ARM［6］通過RS232、RS485接口將鋸床工作狀態(tài)傳輸?shù)絃CD 顯示并處理，發(fā)出應(yīng)答指令給CPLD;最后由CPLD 輸出信號通過光耦傳輸給電磁驅(qū)動器和繼電器來控制電機(jī)動作，進(jìn)而控制整個(gè)金屬帶鋸床的運(yùn)作。上位機(jī)ARM與控制器CPLD 通過串口USART和SPI 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸［7-8］。

1.1 主要元器件的選型

該系統(tǒng)以ARM 芯片LPC2368 作為核心控制器，包含了Ethernet MAC、USB 2.0 全速接口、4個(gè)UART、2 路CAN 通道、1個(gè)SPI接口、2個(gè)同步串行端口(SSP)、3個(gè)I2C接口、1個(gè)I2S接口外圍擴(kuò)展了RS232、485、CAN、JTAG接口、ISP、E2PROM、LCD 等功能模塊。以CPLD 芯片EPM1270GT144C5 作為協(xié)控制器，解決了I/O 口、4×8 鍵盤的擴(kuò)展，并實(shí)現(xiàn)了鍵盤、光電編碼器、輸入的中斷請求［9］。本研究控制器采用的LCD液晶顯示屏信號為KNY240128B［10-13］，KNY240128B 是一種圖形點(diǎn)陣液晶顯示器。它主要采用動態(tài)驅(qū)動原理由行驅(qū)動器、控制器和列驅(qū)動器3 部分組成了240(列)×128(行)的全點(diǎn)陣液晶顯示。

1.2 電路模塊的設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)電源供電模塊:外圍電路供電PWB2405(C)是隔離穩(wěn)壓模塊電源。輸入額定電壓為24 V，輸出電壓為±5 V，最大輸出電流為±1 000 mA，。核心板供電SPX29150 是1.5 A 低壓差穩(wěn)壓器，輸出電壓為3.3 V，輸入電壓范圍為2.5 V～16 V，靜態(tài)電路為900 μA，具體電路如圖2 所示。

圖2 電源供電電路

1.2.1 輸入接口電路

該系統(tǒng)通過2 路光柵，準(zhǔn)確獲取鋸架和送料車床的位置及速度，通過光電耦合器HCPL2630 連接CPLD，將數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)ARM 處理。系統(tǒng)通過3個(gè)限位開關(guān)，準(zhǔn)確判斷是否到達(dá)鋸架的上、限位和車床的原點(diǎn)限位3個(gè)極限位置，通過光耦連接CPLD，再將數(shù)據(jù)傳給ARM。

限位信號輸入電路如圖3 所示。

圖3 限位信號輸入電路

1.2.2 輸出接口電路

ARM 發(fā)出指令，CPLD 通過3個(gè)光耦與12個(gè)繼電器連接［14-15］，驅(qū)動電磁驅(qū)動板來使電機(jī)做出相應(yīng)動作。其中，2個(gè)接口如圖4 所示。

圖4 CPLD 輸出電路

實(shí)物接線如圖5 所示。

圖5 控制器PCB 電路板

2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 上位機(jī)軟件系統(tǒng)

本研究采用ARM 芯片LPC2368 作為上位機(jī)，通過USART 串口和SPI 串口與下位機(jī)CPLD 相連傳輸數(shù)據(jù)。一方面作為鋸床運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控的人機(jī)交互界面，另一方面對監(jiān)測的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，控制機(jī)器的運(yùn)行。

該控制器界面采用16.7 M 色7 寸真彩觸摸液晶屏，集成了觸摸屏操作與按鈕操作。主控界面主要完成一些主要參數(shù)的設(shè)定以及主要實(shí)時(shí)參數(shù)的顯示，并且一些系統(tǒng)重要檢測的開關(guān)也設(shè)定在該界面。如鋸刀的上限位和下限位指示燈、送料原點(diǎn)和無料檢測指示燈、斷帶檢測和原點(diǎn)開關(guān)指示燈、當(dāng)前鋸輪速度、鋸切位置、當(dāng)前料架位置、刀具補(bǔ)償、完成數(shù)量、任務(wù)數(shù)量等參數(shù)，以及油泵開關(guān)、回原點(diǎn)、總停等按鈕。主控界面如圖6 所示。在選擇自動模式且配置好加工尺寸、加工數(shù)量等參數(shù)后，鋸床可自動運(yùn)行切割直至完成所設(shè)定數(shù)量。

圖6 主控界面

2.2 控制系統(tǒng)工作流程

本研究通過一定的掃描時(shí)間對CPLD 的狀態(tài)進(jìn)行掃描，當(dāng)送料車和刀架完成相應(yīng)動作后，CPLD 會有相應(yīng)的一個(gè)狀態(tài)位，ARM 通過SPI 掃描CPLD 的狀態(tài)位，對狀態(tài)位進(jìn)行置位處理，并發(fā)命令使CPLD 中的相應(yīng)控制位改變，控制鋸床下一步的動作及狀態(tài)。

(1)通過光柵1 來掃描送料車床位置，將位置信號由CPLD 傳給上位機(jī)ARM，判斷送料車是否在機(jī)械原點(diǎn)，如果在，由CPLD 控制電磁驅(qū)動板使送料車床后退;

(2)如果送料車退回設(shè)定位置，就通過ARM 發(fā)送命令給CPLD 控制電磁驅(qū)動板使后鉗口夾緊;

(3)通過ARM 的定時(shí)器TIMER1 設(shè)定后鉗夾緊時(shí)間，如果夾緊時(shí)間到達(dá)，則產(chǎn)生中斷位，由ARM和CPLD 發(fā)送指令使送料車床前進(jìn);

(4)如果送料車前進(jìn)到原點(diǎn)處，原點(diǎn)開關(guān)LED0 閃爍，驅(qū)動前鉗夾緊，后鉗松開;

(5)由ARM 的定時(shí)器TIMER1 設(shè)定后鉗松開時(shí)間，如果松開時(shí)間到達(dá)，則產(chǎn)生中斷，控制送料車后退;

(6)當(dāng)送料車后退至設(shè)定距離，通過ARM 發(fā)送命令至CPLD 控制繼電器驅(qū)動電磁驅(qū)動板使后鉗夾緊;

(7)如果后鉗夾緊時(shí)間到，通過ARM 發(fā)送命令給CPLD 控制電磁驅(qū)動板使鋸架下降，同時(shí)用光柵2 掃描鋸架位置，并將位置信息傳送到ARM 中;

(8)如果鋸架到達(dá)下限位置，下限位LED1 發(fā)光，ARM 發(fā)送命令給CPLD 控制鋸架上升;

(9)如果鋸架到達(dá)上限位置，上限位LED2 發(fā)光，ARM 發(fā)送命令給CPLD 控制前鉗松開;

(10)由ARM 中的定時(shí)器TIMER2 設(shè)定前鉗松開時(shí)間，如果到達(dá)，則產(chǎn)生中斷，送料車床后退至設(shè)定位置，形成循環(huán)控制?？刂葡到y(tǒng)工作流程圖如圖7 所示。

3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

圖7 控制系統(tǒng)工作流程圖

本研究測試進(jìn)行直徑100 mm，總長5 m 金屬棒料的連續(xù)切割，選擇自動模式，配置鋸條偏移距離1.5 mm，額定報(bào)警電流10 A，切割速度0.5 mm/s，加工尺寸5 組、分別為1 mm，3 mm，5 mm，10 mm，150 mm，對應(yīng)的加工數(shù)量為10，5，2，1，1。結(jié)果表明，整個(gè)過程系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，各接觸開關(guān)按時(shí)開啟關(guān)閉，各定時(shí)功能定時(shí)準(zhǔn)確。ARM 與CPLD 通訊精確無誤。上位機(jī)顯示正確，界面響應(yīng)快速無滯后。測試鋸床用于粗加工，整個(gè)測試過程切割距離誤差不超過0.01 mm，且重復(fù)精度高，若精確測量鋸條偏移距離可用于要求較低的精加工。對金屬帶鋸床系統(tǒng)界面經(jīng)過反復(fù)調(diào)試，其運(yùn)行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)無丟失，無溢出。而且，該控制器預(yù)留有CAN 總線接口，可用于擴(kuò)展拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)多機(jī)聯(lián)合加工，能全自動進(jìn)行切割工作，操作簡單。

4 結(jié)束語

本研究提出了一種基于ARM-CPLD 的可編程金屬帶鋸床控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)以ARM +CPLD 為核心，完成了對微機(jī)主控制板的軟硬件設(shè)計(jì)，通過ARM實(shí)時(shí)顯示鋸床的運(yùn)行狀態(tài)，通過CPLD 驅(qū)動電磁驅(qū)動板控制送料距離及切頻率從而來控制系統(tǒng)送料速度。

切條試驗(yàn)結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)人機(jī)交互界面簡潔，操作簡單，界面響應(yīng)快速無滯后，運(yùn)行可靠穩(wěn)定，金屬帶鋸床的切條距離控制在要求范圍內(nèi)，具有一定的工程使用價(jià)值。

［1］么永強(qiáng)，弋景剛，徐鵬云，等.基于虛擬儀器的高精度立式金屬帶鋸床在線測控系統(tǒng)研究［J］.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，30(3):119-122.

［2］陳 蕾，談 峰，戴 娟.數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2005(9):175-176.

［3］安鵬鋮，千 靜，蔣 聰，等.數(shù)控機(jī)床的外觀演進(jìn)及其特征研究［J］.機(jī)械，2014(1):76-78，86.

［4］夏瑋瑋，沈連豐，肖 婕，等.嵌入式系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析與開發(fā)應(yīng)用［J］.單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2003(2):5-9.

［5］閆 麗，段發(fā)階，方志強(qiáng)，等.基于CPLD 芯片的光柵信號細(xì)分模塊的設(shè)計(jì)［J］.計(jì)量技術(shù)，2005(10):5-8.

［6］趙鐵峰，王 凱，王為民.基與ARM 微處理器的智能控制器［J］.化工自動化及儀表，2005，32(1):77-78.

［7］熊勁松.基于工控機(jī)的配料控制器設(shè)計(jì)［J］.機(jī)電信息，2013(18):158-159.

［8］郝同弟，周其洪，陳 革.基于ARM和CPLD 的毛巾織機(jī)主控系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.制造業(yè)自動化，2014(7):153-156.

［9］李妮妮，陳章位.基于ARM和CPLD 的開放式數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2009(11):36-42.

［10］王 巖，胡朝春，黃 革.一種基于CPLD 的交流電源信號發(fā)生器［J］.兵工自動化，2013(2):84-87.

［11］陳冬發(fā)，朱寧西.基于ARM-LPC2368 的網(wǎng)絡(luò)接口的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2008，24(14):119-129.

［12］高立龍，王新晴，蔣文峰.基于ARM 的液壓模擬加載系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.液壓氣動與密封，2013(7):6-8.

［13］蔡啟仲，陳文輝.PLC-單片機(jī)-點(diǎn)陣液晶顯示器雙總線監(jiān)控系統(tǒng)的研究［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2002(3):241-245.

［14］王 穎，姚躍飛.基于CPLD 擴(kuò)展的嵌入式織機(jī)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］.浙江理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，24(2):139-142.

［15］于坤林，陳曾平.基于CPLD 擴(kuò)展單片機(jī)接口的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2004，27(24):60-61.