孫建輝,陳雨晴

(浙江工業(yè)大學 機械工程學院，杭州 310000)

基于Linux的薄壁管材沖孔自動化生產(chǎn)線設(shè)計

孫建輝,陳雨晴

(浙江工業(yè)大學 機械工程學院，杭州 310000)

為了開發(fā)一種結(jié)構(gòu)簡單、控制靈活的沖壓自動化裝置，簡述了一種基于Linux下的沖孔自動化生產(chǎn)線，用于薄壁管材的沖孔;設(shè)計了以ARM為主控制器，CPLD為協(xié)處理器的方式來作為整個生產(chǎn)系統(tǒng)的控制核心,通過控制交流伺服電機、電磁閥等執(zhí)行元件完成動作要求;建立了氣缸驅(qū)動系統(tǒng)和沖壓機械手，機械手通過伺服電機的驅(qū)動完成取料和旋轉(zhuǎn)，在與沖床的相互配合下完成沖孔要求;構(gòu)造了生產(chǎn)線系統(tǒng)的故障樹，利用定量分析結(jié)合定性分析的方式對故障進行分析;整個設(shè)計以Linux操作系統(tǒng)為平臺，利用跨平臺的圖形界面應(yīng)用程序Qt編寫了人機界面，采用電容式觸摸屏通過界面向操作人員發(fā)送故障提示,大大減少了設(shè)備停機時間;實驗結(jié)果表明該系統(tǒng)完全能滿足生產(chǎn)要求，穩(wěn)定可靠，操作便捷，響應(yīng)速度快。

機械手；故障樹；CPLD；ARM；Linux

0 引言

隨著嵌入式系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的普及，建立一套高效智能簡單的自動化生產(chǎn)線系統(tǒng)是提高企業(yè)生產(chǎn)效益的必然選擇。由于數(shù)字信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，給沖壓加工行業(yè)帶來了一股新的生機與活力。

金屬沖壓是目前工業(yè)生產(chǎn)中生產(chǎn)率最高的一種加工方法，同時也是人工上料操作較多的一個行業(yè)。生產(chǎn)工人勞動工資增加，人工上料經(jīng)常出現(xiàn)手指被沖斷的安全事故，這樣的后果是勞動者安全受到威脅，企業(yè)利潤無法提高，而國內(nèi)大型企業(yè)多采用價格高昂、自動化程度較高的進口裝置，小型企業(yè)多選取手動沖壓機。手動沖壓采用人工來進行上下料，安全性能差，電氣控制系統(tǒng)簡單，各種參數(shù)都需要手動調(diào)整，難以保證穩(wěn)定的生產(chǎn)精度。由于沖壓加工本身屬于重型加工作業(yè)，對人身安全來說也難以得到保障。目前國內(nèi)在沖壓自動化生產(chǎn)線領(lǐng)域，多采用單片機控制的方法，這種控制方法擴展性差，精度低，處理速度不足以滿足復(fù)雜算法的要求，且送料裝置多采用機械式凸輪傳動機構(gòu)，導(dǎo)致的結(jié)果是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價高，柔性差[1]。沖壓設(shè)備多采用液壓技術(shù)，功率需求極大，控制復(fù)雜且費用很高，液壓油泄露也給整個生產(chǎn)加工過程造成了諸多不便[2]。

為了適應(yīng)沖壓自動化生產(chǎn)的需求，為中小型企業(yè)解決沖壓生產(chǎn)成本過大及工人安全無法得到保障的問題。課題研究采用了處理速度更快的ARM9微處理器和復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD作為控制核心，并結(jié)合了速度更快的氣缸驅(qū)動技術(shù)，優(yōu)化了機械臂的設(shè)計。操作系統(tǒng)移植了Linux2.6的內(nèi)核作為應(yīng)用程序的開發(fā)平臺，使得系統(tǒng)的實時性有了很大的提高。在人機界面方面，采取1 024*600的電容式觸摸屏，通過主菜單、對話框的方式實現(xiàn)參數(shù)輸入、產(chǎn)量記錄，具有智能故障診斷功能，用消息提示框顯示故障提示和維護建議，友好的人機界面為上下位機的通訊提供了一個快捷方便的紐帶，提供了一個靈活穩(wěn)定高效的自動化控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 薄壁管材沖孔自動化裝置的工作原理

薄壁管材沖孔自動化裝置主要由機械手、絲杠傳動機構(gòu)、電磁閥、交流伺服電機、觸摸屏、信號燈、儲料柜等部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。通過滾道將管料輸送到機械手，再通過機械手將管材上料到?jīng)_床，并配合沖孔節(jié)拍旋轉(zhuǎn)管料，完成沖孔。機械手送料及旋轉(zhuǎn)均通過伺服電機驅(qū)動, 通過機械手X-Y的移動和Z軸的旋轉(zhuǎn)來配合三爪氣缸的抓緊/放開來實現(xiàn)沖孔動作。電磁閥分別控制機械手氣爪，送料氣缸，沖床控制氣缸，推廢料氣缸，攪拌氣缸。

圖1 薄壁管材沖孔自動化裝置結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 控制系統(tǒng)的總體設(shè)計方案

控制系統(tǒng)主要由ARM9主控制器，CPLD協(xié)處理器，限位開關(guān)，增量式編碼器，電磁閥，驅(qū)動器組成，其整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。 ARM9主要負責操作系統(tǒng)的運行、控制算法的實現(xiàn)、信息存儲以及多機通信，并擴展了A/D轉(zhuǎn)換器，電容式觸摸屏等外部硬件設(shè)備。CPLD主要負責從ARM接收信息，產(chǎn)生輸出脈沖控制電機，同時增量式編碼器將電機運行時的位移和轉(zhuǎn)角的數(shù)字信號反饋給CPLD，CPLD將接收到的信息交由ARM存儲，從而實現(xiàn)了閉環(huán)控制。CPLD通過繼電器完成對電磁閥的有效連接，從而實現(xiàn)對電磁閥的開關(guān)控制，電磁閥分別控制機械手氣爪，送料氣缸，沖床控制氣缸，推廢料氣缸，攪拌氣缸。CPLD將傳感器采集到的信息編碼加密后傳遞給ARM,ARM解碼后傳送給上位機顯示，從而實現(xiàn)了對設(shè)備運行狀況的實時檢測。

圖2 薄壁沖孔自動化裝置硬件結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1 主控模塊

系統(tǒng)采用了Cortex-A9的內(nèi)核，主頻高達1.2 GHz，集成了4 GB的FLASH存儲，支持CAN2.0協(xié)議，擴展了標準I2C電容屏接口。該芯片以其體積小、低功耗、低成本、高性能等優(yōu)點而得到廣泛應(yīng)用。系統(tǒng)在ARM開發(fā)板上移植了Linux3.0的內(nèi)核，通過USB、JTAG、UART、網(wǎng)口與PC機連接，建立了交叉開發(fā)編譯環(huán)境，方便了程序的調(diào)試和數(shù)據(jù)的傳輸[3]。采用型號為EPM1270的CPLD芯片作為協(xié)處理器,CPLD與FPGA同為PLD(Programmable Logic Device)器件,CPLD具有更加豐富的邏輯資源,由于CPLD是通過內(nèi)部電路的邏輯功能編程，而FPGA是通過改變內(nèi)部連線的分布編程，故而CPLD的運行速度也比FPGA更快[4]。

系統(tǒng)的主控模塊主要包括運動系統(tǒng)的控制來完成自動上下料和旋轉(zhuǎn)沖孔，為了獲得較高的運動精度，X方向、Y方向、Z方向均采用交流伺服電機，CPLD通過相應(yīng)的驅(qū)動器控制這些電機，交流伺服電機通過驅(qū)動精密滾珠絲杠完成傳動，電機每接受10 000個脈沖轉(zhuǎn)動一圈，通過已知的滾珠絲杠螺距計算出單個脈沖的傳送距離為1 um，發(fā)現(xiàn)完全滿足精度要求。

其中對于交流伺服電機的控制采用VHDL硬件語言編寫，CPLD內(nèi)部共有4個四字節(jié)計數(shù)器，通過設(shè)置CCTRW1寫地址為0BH，使得第0～3位=1，計數(shù)器1～4硬件清零。測量電機的轉(zhuǎn)角或位移用編碼器，每個編碼器為A、B、Z三個信號輸入。當Z脈沖為上升沿A為上升沿且B=0時對應(yīng)計數(shù)器內(nèi)容清零，當?shù)?～7位=1時，計數(shù)器1～4內(nèi)容立即清零，再將CCTRW1的第4～7位清零。在進行讀取數(shù)據(jù)的具體操作時，如讀計數(shù)器1，先讀00H，得到最低字節(jié)，再讀04H～06H(公用鎖存器，在讀最低字節(jié)時高字節(jié)內(nèi)容鎖存，以同步得到所有字節(jié)內(nèi)容)得到低到高字節(jié)的全部內(nèi)容。用VHDL編寫的部分計數(shù)程序如下:

PROCESS (clock, rst)

BEGIN

IF rst='1' THEN cnt<=0;

ELSIF clock' EVENT AND clock='1' THEN

IF cnt=127 THEN cnt<=0;

ELSE cnt<=cnt+1;

END if;

END IF;

END PROCESS;

2.2 采集模塊

系統(tǒng)采用CPLD對收集到的信息進行編碼，主要有增量式編碼器的數(shù)字信號和傳感器的數(shù)字信號。ARM發(fā)送相應(yīng)的指令給CPLD，CPLD讀取后脈沖發(fā)生器產(chǎn)生脈沖，由內(nèi)部計數(shù)器進行計數(shù)，達到一定脈沖計數(shù)后驅(qū)動控制兩臺交流電機的轉(zhuǎn)動和方向，采用增量式編碼器用來測量電機的位移和轉(zhuǎn)角，系統(tǒng)可同時測量四個編碼器。每個編碼器為A、B、Z三個信號輸入。當CPLD中的值可讀后，采用中斷方式通知ARM,ARM與CPLD通過雙向總線交換數(shù)據(jù)。對于傳感器采集的信號，選用AD7656芯片，共有6個模擬量的輸入，由于傳感器數(shù)量眾多，不可能給每一個傳感器分配引腳，故用可編程邏輯器件CPLD對采集的信號進行數(shù)字編碼，然后將信號傳遞到ARM的CPIO引腳并存儲,具體的電路接口示意圖如圖3所示。

圖3 采集模塊電路接口示意圖

由示意圖可知，A/D芯片的讀寫信號WR和RD，片選信號CS,啟動轉(zhuǎn)換信號CONVSTA均由CPLD譯碼控制，CONVSTA信號在上升沿時有效，在硬件設(shè)置模式時，分別啟動V1～V2、V3～V4、V5～V6開始進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。RD信號低電平有效時進行讀操作，此時AD數(shù)據(jù)讀取有效，WR信號低電平有效時進行寫操作，此時AD數(shù)據(jù)輸出有效。由于CPLD與AD7656的接口電平范圍不一致故選用74ALVC164245芯片進行轉(zhuǎn)換后達到統(tǒng)一標準。CPLD將數(shù)據(jù)傳遞給ARM9管理存儲后，通過USB-D+和 USB-D-接口外接移動存儲設(shè)備，為加工生產(chǎn)數(shù)據(jù)的大容量存儲提供了更簡單可靠的方式。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

3.1 Linux系統(tǒng)的搭建

為了更好的提高沖孔自動化裝置系統(tǒng)的實時性和穩(wěn)定性，在ARM上移植了Linux3.0的內(nèi)核。由于Linux的開源性以及其在不同平臺之間的可移植性，使得Linux在眾多操作系統(tǒng)之中脫穎而出。搭建一個Linux系統(tǒng)，首先需要下載Linux源碼并通過打補丁的方式使其符合ARM結(jié)構(gòu)，然后對Linux進行配置裁減，這部分工作的改寫難度較大，通常由開發(fā)商提供。在以上步驟完成后再進行交叉編譯環(huán)境的搭建[5]。

3.2 Linux下的應(yīng)用程序

應(yīng)用程序的設(shè)計主要包括對該裝置生產(chǎn)時加工總數(shù)的計數(shù)，故障信息的采集以及控制程序的應(yīng)用，采用Qt/Embedded關(guān)鍵技術(shù)來完成圖形用戶程序的開發(fā)。應(yīng)用程序模塊主要包括以下模塊：系統(tǒng)初始化模塊、控制功能模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、顯示模塊、通訊模塊。系統(tǒng)初始化模塊主要完成對硬件的初始化和配置，控制功能模塊主要完成對機械手的旋轉(zhuǎn)、自動上下料和沖孔節(jié)拍快慢的控制、數(shù)據(jù)采集模塊主要是對各個功能氣缸的狀態(tài)以及傳感器的數(shù)字信號采集，通訊模塊采用CAN總線通訊協(xié)議來完成上下位機的數(shù)據(jù)交換，顯示模塊主要對采集來的數(shù)據(jù)融合處理后進行顯示和對歷史數(shù)據(jù)的查詢?？刂乒δ苣K流程圖如圖4所示。

圖4 控制功能流程圖

4 智能故障系統(tǒng)的設(shè)計

薄壁管材的沖孔加工過程十分復(fù)雜，沖壓加工屬于重型加工作業(yè)，工作臺易損耗，一旦發(fā)生故障，普通操作工人無法準確快速找出故障發(fā)生原因，故采取FT(故障樹)定量分析和定量分析相結(jié)合的方法，找出主要故障，優(yōu)化設(shè)計，提高可靠性。

4.1 故障樹的定性分析

對故障樹進行定性分析的目的是為了找出導(dǎo)致頂事件發(fā)生的所有可能組合。系統(tǒng)以“沖孔自動化裝置不能按要求來完成沖孔”為頂事件，并設(shè)定了忽略小概率故障事件(控制系統(tǒng)電路連接線斷裂或接觸不良)的邊界條件建立了故障樹，如圖5所示。故障樹基本事件意義如表1。

圖5 薄壁沖孔自動化裝置的故障樹

A管材未推至機械手處R軟件程序運行不穩(wěn)定B管材斜放Q硬件電路故障C過渡料斗管材互相卡位S送料氣缸損壞D過渡料斗無管材T磁性開關(guān)損壞E送料氣缸沒有正常工作U電磁閥故障F送料電機零位錯誤V通訊故障G送料電機沒有移動到位K送料電機故障H推廢料氣缸沒有正常工作O聯(lián)軸器打滑I旋轉(zhuǎn)電機零位錯誤P傳感器損壞J旋轉(zhuǎn)電機沒有移動到位

4.2 故障樹的定量分析

對故障樹進行定量分析的目的是為了排除繁冗信息簡化故障樹模型。所謂割集是指系統(tǒng)的底事件的結(jié)合，只要這其中的一個底事件發(fā)生必然導(dǎo)致頂事件的發(fā)生，而最小割集是指所有故障發(fā)生的最小子集，由于故障樹系統(tǒng)數(shù)據(jù)龐大，故引入最小割集重要度的概念，來排除不重要信息，提高故障診斷正確率[6]。故障樹的全部最小割集如下：

AA=BB+CC+DD+EE+FF=BB+A+B+C+D+

K+O+P+S+T+H+I+J+U+R+Q

通過不斷實驗進行概率分析判斷出關(guān)鍵重要度較高的故障事件為：送料電機故障，故采取的措施是加強對送料電機的潤滑保養(yǎng)和維護，同時對于傳感器采集的信號需運用小波變換理論，排除隨機信號的干擾[7]。

5 實驗結(jié)果

在系統(tǒng)的生產(chǎn)測試中，將控制面板的鑰匙開關(guān)打到工作模

式，觸摸屏經(jīng)過開機畫面自動進入工作界面，如圖6所示。當鑰匙開關(guān)打到學習模式，界面顯示各種傳感器，氣缸磁性開關(guān)的狀態(tài)如圖7所示。按下運行按鈕，設(shè)備配合沖床開始旋轉(zhuǎn)沖孔。為測試系統(tǒng)的故障診斷功能，特意不將管料退出，此時警報聲響起，固定端出料口上方接近開關(guān)指示燈亮，界面彈出故障提示框，如圖8和圖9所示，按下確定按鈕，并按下運行/停止按鈕，設(shè)備重新開始工作。系統(tǒng)采用了跨平臺的C++圖形用戶程序Qt作為框架，提供了應(yīng)用程序開發(fā)人員藝術(shù)性的圖形用戶界面，通過不斷的設(shè)備調(diào)試，建立了故障維護數(shù)據(jù)庫，建立起快速的故障響應(yīng)機制，一旦故障發(fā)生，能在短時間內(nèi)給一線工人提供建設(shè)性的意見。

按鈕1：工件沖孔次數(shù)的設(shè)置 按鈕2：退回距離的標定按鈕3：加工數(shù)量的清零 按鈕4：當前設(shè)備運行狀況的顯示圖6 工作界面

圖7 學習界面

圖8 故障提示框 圖9 故障報警

6 結(jié)束語

在沖壓自動化生產(chǎn)線領(lǐng)域，本方案提供了一套智能、高效、穩(wěn)定的生產(chǎn)系統(tǒng)。其中，ARM用來實現(xiàn)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲和傳送，CPLD用來控制上料機械手的一系列動作，該控制系統(tǒng)還能實時記錄下設(shè)備的產(chǎn)量，大大減少了生產(chǎn)管理部門的工作量，友好的人機交互界面使得操作更加直觀方面。同時，利用Linux系統(tǒng)實現(xiàn)了體積小，效率高，可靠性強的應(yīng)用操作，具有的智能故障診斷功能減少了不必要的設(shè)備停機時間，提高了企業(yè)生產(chǎn)效率。該設(shè)計方案已經(jīng)投入生產(chǎn)并取得了較好的效果，具有很好的應(yīng)用前景。

[1] 莊宇昀,徐 輝.沖壓線的發(fā)展[J].一重技術(shù),2005(4):20-22.

[2] 李 勇.新一代沖壓技術(shù)[J].新技術(shù)新工藝,2003(4):31-32.

[3] 張海波,陳 濤,王建立,等.基于ARM+Linux的直流伺服控制系統(tǒng)設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2012,08:33-36.

[4] 徐偉業(yè),江 冰,虞湘賓.CPLD/FPGA的發(fā)展與應(yīng)用之比較[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2007,02:4-7.

[5] 趙明鑫.Linux內(nèi)核在ARM上的裁減與移植[J].計算機與數(shù)字工程,2009,07:81-84.

[6] 朱大奇,于盛林.基于故障樹最小割集的故障診斷方法研究[J].數(shù)據(jù)采集與處理,2002,03:341-344.

[7] 郭曉靜,宋勝博.APU故障智能診斷系統(tǒng)設(shè)計[J].計算機測量與控制,2015,11:3585-3588.

Automatic Production Line of Thin-walled Tube’s Punching Based on Linux

Sun Jianhui, Chen Yuqing

(Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310000,China)

To design a simple and flexible punching automation equipment, a automatic line based on Linux which was designed for thin-walled tube’s punching was expounded. To control servo motor and magnetic valve ,ARM as a main controller and CPLD as a coprocessor for completing the motion requirement which are core system was designed, principle figure of cylinder drive system and manipulator were established, manipulator’s feeding and rotating were driven by a servo motor. Then completed the requirements with the help of puncher. The fault tree method was designed. qualitative and quantitative analysis was used for fault analysis. Linux as a platform, human interface was built by GUI application called Qt. Capacitive touch screen offered workers tips, equipment downtime was greatly reduced. The results show that the system can fully meet the demands, fast response and convenient operation.

manipulator; fault tree; CPLD; ARM; Linux

2016-01-25；

2016-02-29。

孫建輝(1955-)，男，浙江杭州人，教授級高工，碩士生導(dǎo)師，主要從事計算機控制和機電一體化、航天非標地面測試設(shè)備研制的工作。

1671-4598(2016)07-0097-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.07.026

TP3 文獻標識碼：A