劉 浪,李香泉,陳玉明
(景德鎮(zhèn)高等??茖W(xué)校 數(shù)學(xué)與信息工程系,景德鎮(zhèn) 333000)
目前寶石市場大量采用全穩(wěn)定立方晶相氧化釔穩(wěn)定氧化鋯(yttria stabilized zirconias)作為較廉價替代品來替代鉆品,并且由氧化鋯加工成各式各樣的飾品如:表鏈、頸鏈、手鏈越來越得到廣泛新潮青年愛好者的青睞。而目前大多鋯寶石的加工和生產(chǎn)采用的是手工定位(采用游標尺)和半自動加工的方式,具有效率低下,人員費用高,次品率高等特點,所以與鋯寶石加工相適應(yīng)的特殊夾具和數(shù)控系統(tǒng)的研發(fā)具有非常重要的意義;一套與此相適應(yīng)的數(shù)控系統(tǒng)的研制成功將大大加快生產(chǎn)的效率,節(jié)省勞動力成本。
目前對于鋯寶石的加工還處于半自動和手工階段,而對于此類機床的自動化改造方案有:
1)基于經(jīng)濟型單片機(MCU)核心控制器數(shù)控系統(tǒng):功能較為簡單,加工精度比較低,運行速度有限,多軸聯(lián)動實現(xiàn)比較困難;在中低檔的軸類控制機床應(yīng)用中性價比較高。
2)基于PLC+文本顯示的方案:優(yōu)勢是靈動性好,編程簡單,適合目前從事電氣工程技術(shù)員的需求;但對于較為復(fù)雜的算法和功能軟件編寫較復(fù)雜,價格中檔偏高。
3)基于ARM(或DSP、FPGA等)32位高性能芯片方案、觸摸屏等:針對大型數(shù)控加工機床;目前國外采用此類高端芯片的數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)成熟,國內(nèi)的華中數(shù)控、大連數(shù)控等企業(yè)也有類似產(chǎn)品。特點是功能全,造價高。綜合比較,本系統(tǒng)采用了集單片機與ARM芯片與一體的STM32F103VCT6這款核心芯片來實現(xiàn)控制主體的功能,同時采用了工業(yè)觸摸屏來作為人機交互的界面,這樣就滿足了傳統(tǒng)電氣工程師的操作習(xí)慣,同時保證了系統(tǒng)的性價比。
本系統(tǒng)擬對上述鋯鉆磨削機床進行控制系統(tǒng)的設(shè)計與研制,采用嵌入式ARM技術(shù)作為整個系統(tǒng)的核心,實現(xiàn)機床工作步驟的在線編程與存儲功能,實現(xiàn)對步進電機精準控制與調(diào)節(jié),提高和實現(xiàn)磨削機床的自動化。目前步進電機控制仍占主流地位,步進電機的精度高且誤差不累計,成本比伺服系統(tǒng)低很多。系統(tǒng)設(shè)計采用了模塊化的設(shè)計方法,集成電源隔離、步進電機控制、繼電器控制、DA輸出,232、485通信功能,輸入口信號獲取,編碼器信號反饋等功能,應(yīng)用范圍更廣[2,3]。系統(tǒng)總體設(shè)計如圖1所示。
采用開關(guān)隔離電源,比普通電源發(fā)熱更小,更安全。完成24V電源到5V電源的轉(zhuǎn)換;同時采用LM117-3.3V,輸出STM32F103VCT6系統(tǒng)所需要的3.3V電壓,詳細設(shè)計如圖2所示。
系統(tǒng)設(shè)計當(dāng)中,需要與觸摸屏等人機界面進行連接,采用了光耦隔離的RS-232通信芯片進行實現(xiàn);同時,為了便于擴展,系統(tǒng)設(shè)計時還預(yù)留了一路RS-485的通信功能。詳細設(shè)計如圖3所示。
本模塊與步進電機的驅(qū)動器進行連接,可以實現(xiàn)4路步進電機的控制。采用共陽的接法,5V輸出接驅(qū)動器的CP+、DR+(對應(yīng)驅(qū)動器的脈沖和方向的控制信號的正端);下圖芯片引腳分別接驅(qū)動器的CP-和DR-。圖4中的18-21腳分別對應(yīng)STM32芯片的4個定時器輸出口,通過定時器的方式調(diào)整輸出頻率,以實現(xiàn)步進電機的加、減速控制。
本作品的控制器的軟件部分也采用了與硬件電路設(shè)計所對應(yīng)的模塊化設(shè)計方式,主要包括的軟件模塊有:基于DMA方式的串口通信模塊(實現(xiàn)了MODBUS RTU協(xié)議)[4]、定時器模塊(完成了4路步進電機控制功能)、IO口輸入功能、繼電器輸出功能和FLASH數(shù)據(jù)存儲功能;以下重點介紹串口通信與定時器模塊的實現(xiàn)。
串口通信模塊是通過一條數(shù)據(jù)發(fā)送口和一條數(shù)據(jù)接收口,來實現(xiàn)控制器和外部器件的通信工作;我們的文本和控制器之間就是通過該模塊實現(xiàn)通信的。串口2驅(qū)動:采用PA2口做T2X發(fā)送;PA3口做R2X接收;采用9600波特率;采用8位數(shù)據(jù)發(fā)送接收模式。部分實現(xiàn)代碼如下所示:
定時器模塊是通定時器計數(shù)達到某一個設(shè)定的值后,進入中斷函數(shù),執(zhí)行相應(yīng)的函數(shù),與此同時,其中某些IO口輸出高或低電平,從而產(chǎn)生脈沖信號,以便驅(qū)動步進電機[5,6]。電機實際運行時會采用類似下面的梯形圖工作,也會采用S形工作,下面以梯形圖實現(xiàn)為例,如圖5所示。
定時器中斷打開函數(shù):
初始化定時器一:采用PA8口的CH1通道做定時器輸出;設(shè)置頻率為1M;設(shè)置模式為向上計數(shù)模式。
同上還有:
定時器2初始化 void Tim2_Configuration(void){……}
定時器3初始化 void Tim3_Configuration(void){……}
定時器4初始化 void Tim4_Configuration(void){……}
這4路中斷可以控制4路步進電機同時或各自工作,而且互不影響。
本系統(tǒng)主要根據(jù)儀表車床自動化控制系統(tǒng)的需求,從系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計到軟件的實現(xiàn),解決了以下三個問題:
1)實現(xiàn)多軸步進電機同時運行,解決了加減速問題(定時器方式);
2)實現(xiàn)實時與文本、觸摸屏等人機界面進行交互(采用了DMA的方式、實現(xiàn)了MODBUS RTU的協(xié)議),給很多從事電氣的工程人員以方便;
3)結(jié)合實際的工控行業(yè)背景,有針對性的完成本系統(tǒng)給的設(shè)計與開發(fā)。通過測試證明:本系統(tǒng)提供的設(shè)計還是可行的。
[1] 何雪明, 吳曉光, 常興.數(shù)控技術(shù)[M].華中科技大學(xué)出版社.2006.
[2] 鐘漢如.基于RS485的PC與ARM間文件傳輸?shù)膶崿F(xiàn)[J].微計算機信息, 2008, 2-2: 144-146.
[3] 王永紅, 徐煒, 郝立平.STM32系列 ARM Cortex-M3微控制器原理與實踐[M].北京航空航天大學(xué)出版社, 2008.
[4] 王昌杰, 熊幫新.一種傳統(tǒng)車床控制系統(tǒng)改進方法的研究[J].長江大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)理工卷, 2008, (02)
[5] 黃艷芳,趙晶,劉踐豐.車床CA6140電氣控制系統(tǒng)的PLC改造[J].工業(yè)控制計算機, 2011,(01).
[6] 吳健.基于單片機的經(jīng)濟實用型機床系統(tǒng)設(shè)計[J].微計算機信息, 2008, (7):123-124.