張玲

（甘肅工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電信學(xué)院，甘肅 天水 741025）

近年來，我國對(duì)高精度的金屬器件要求量不斷提升，特別是汽車、電子行業(yè)的快速發(fā)展，進(jìn)一步提升了我國自主研發(fā)高精度金屬板材的迫切需求。剪板機(jī)是用于金屬板材直線剪切的一種最常見的設(shè)備，其控制系統(tǒng)關(guān)系到金屬剪板機(jī)的工作精度，關(guān)系到裁剪產(chǎn)品的質(zhì)量。提升數(shù)控系統(tǒng)的控制精度，從結(jié)果來看，可以大大提升產(chǎn)品的質(zhì)量，進(jìn)一步提高剪切產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。因此，本文通過對(duì)于機(jī)械控制和ARM系統(tǒng)的大量研究提出一種基于ARM的嵌入式剪板機(jī)三環(huán)串級(jí)伺服位置控制系統(tǒng)，其系統(tǒng)執(zhí)行過程如圖1所示。該系統(tǒng)提升了國產(chǎn)化剪板機(jī)的工作質(zhì)量和工作效率，促進(jìn)了國產(chǎn)剪板機(jī)行業(yè)的快速發(fā)展，提升了我國國產(chǎn)化剪板機(jī)的競(jìng)爭(zhēng)力。系統(tǒng)執(zhí)行過程如圖1。

圖1 系統(tǒng)執(zhí)行過程

1 剪板機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的軟硬件開發(fā)

1.1 需求分析

通過對(duì)剪板機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的分析，可以了解到該系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的功能包括：①利用強(qiáng)大的微處理器實(shí)現(xiàn)剪板機(jī)高速、實(shí)時(shí)控制，提供良好的人際交互；②提供二次可編程，即提供鍵盤輸入和屏幕顯示系統(tǒng)，讓開發(fā)者對(duì)控制程序進(jìn)行二次編程和修正；③實(shí)現(xiàn)良好的運(yùn)動(dòng)控制，必須可以實(shí)現(xiàn)剪板機(jī)的精準(zhǔn)、平穩(wěn)控制；④提供信號(hào)指示功能，對(duì)于剪板機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行過程中的各種情況提供不同的信號(hào)指示；⑤實(shí)現(xiàn)各種速度模式的控制和編程功能，實(shí)現(xiàn)多步自動(dòng)運(yùn)行功能；⑥對(duì)于剪切角度、剪切間隙等實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)整。根據(jù)剪板機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的硬件需求，可知在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該在ARM處理器上進(jìn)行，達(dá)到高速度、高精度運(yùn)動(dòng)控制。

1.2 剪板機(jī)數(shù)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)方案以ARM處理器為核心模塊，包括輸入輸出模塊、通信模塊、伺服電機(jī)控制模塊、電源模塊、以及硬件watch dog。系統(tǒng)采用光電隔離，以防止干擾信號(hào)，同時(shí)通過對(duì)輸入信號(hào)的掃描和輸出信號(hào)的控制，實(shí)現(xiàn)剪板機(jī)剪切過程中的一系列動(dòng)作及后擋料板的定位，并且配合到位燈和報(bào)警燈顯示系統(tǒng)的各種信息和工作狀態(tài)。其整體硬件設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

圖2 剪板機(jī)控制系統(tǒng)硬件框架

1.3 各模塊的設(shè)計(jì)

（1）輸入輸出模塊。隨著我國電子商品的快速發(fā)展，各個(gè)模塊的集成化程度越來越高。選擇集成化的元器件有利于提升整體設(shè)計(jì)的集成度，便于單獨(dú)模塊的后期迭代和升級(jí)。因此本方案在輸入輸出模塊的選擇充分考慮了這些因素，選擇了集成化的輸入輸出模塊，該模塊中既具有了輸入輸出電路，同時(shí)還有輸入輸出鎖存電路，大大提升了人機(jī)交互的效率。

（2）顯示模塊。考慮到工業(yè)生產(chǎn)時(shí)不需要過高分辨率的顯示屏幕，因此本設(shè)計(jì)在選擇屏幕時(shí)，一方面選擇的屏幕可以提供較好的顯示效果；另一方面也大大降低了硬件成本。顯示屏同時(shí)還具有觸控功能，通過觸控功能可以實(shí)現(xiàn)可視化的編程、控制，將控制程序利用屏幕圖像化顯示出來，加強(qiáng)了人機(jī)交互，只是一定程度上增加了人機(jī)交互界的前期開發(fā)工作量，但是提升了產(chǎn)品使用效率和便捷性。同時(shí)，系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)也可以通過屏幕直觀地實(shí)時(shí)顯示出來。

（3）伺服電機(jī)控制模塊。伺服電機(jī)的運(yùn)行為整個(gè)系統(tǒng)提供了動(dòng)力保障，其精準(zhǔn)度直接關(guān)系到剪板機(jī)剪切質(zhì)量。利用ARM產(chǎn)生PWM控制波形信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的精準(zhǔn)控制。本設(shè)計(jì)選擇的ARM芯片產(chǎn)生的PWM控制波形的分辨率可以達(dá)到10bit，利用高精度的PWM波形可以讓伺服電機(jī)運(yùn)行的更加精細(xì)、準(zhǔn)確。本設(shè)計(jì)中采用的是三環(huán)串級(jí)伺服位置控制系統(tǒng)，其系統(tǒng)圖如圖3所示，該系統(tǒng)可以將反饋回來的波形送到控制系統(tǒng)中，ARM控制系統(tǒng)將反饋回來的波形與產(chǎn)生的模塊進(jìn)行比較，利用差值對(duì)伺服電機(jī)控制波形進(jìn)一步修正，提高了伺服電機(jī)控制的精準(zhǔn)度以及剪切定位精確度。整個(gè)系統(tǒng)確保了剪切尺寸的精度，提升了整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)營的可靠性。

圖3 三環(huán)串級(jí)伺服位置控制系統(tǒng)圖

（4）通信模塊。我國物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展迅猛，本方案利用無線通信模塊實(shí)現(xiàn)了將傳統(tǒng)的剪板機(jī)向物聯(lián)網(wǎng)化過渡。一方面考慮到控制系統(tǒng)與上位機(jī)的有線連接；另一方面，選擇了無線通信模塊，有利于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。在選擇通信模塊時(shí)，選擇了基于4G網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程無線通信模塊作為整個(gè)控制系統(tǒng)的通信模塊。上位機(jī)可以通過數(shù)據(jù)線與剪板機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)程序的下載、修訂以及控制系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)的讀取等。同時(shí)，利用無線通信模塊也可以實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與剪板機(jī)控制系統(tǒng)無線遠(yuǎn)程的交互與控制。

（5）電源模塊。電源電路模塊為整個(gè)控制單元提供穩(wěn)定的電壓。為了確保伺服電機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)以及控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行，需要利用電源模塊保證輸入電壓的轉(zhuǎn)換與控制，確保為整個(gè)系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電源。同時(shí)，需要防止外界干擾造成供電波動(dòng)等問題。本文選擇的控制電源電路模塊使用了電源穩(wěn)壓系統(tǒng)，可以較好地控制電源的穩(wěn)定性。

（6）WITCH DOG。任何通過軟件進(jìn)行控制的系統(tǒng)都有可能出現(xiàn)死機(jī)、異常運(yùn)行等問題，出現(xiàn)這些異常時(shí)需要系統(tǒng)具備自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)復(fù)位機(jī)制。本方案設(shè)計(jì)選擇控制系統(tǒng)帶有硬件WITCH DOG功能，可以自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是否發(fā)生異常，并且當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生異常時(shí)，模塊會(huì)自動(dòng)重啟，確保系統(tǒng)恢復(fù)到正常運(yùn)行狀態(tài)，將死機(jī)異常帶來的損失最小化。

1.4 剪板機(jī)數(shù)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用Microchip公司C18編譯器軟件平臺(tái)，使用了C語言和匯編語言混和編程方法。軟件采用模塊化編寫，可提高關(guān)鍵程序模塊的執(zhí)行效率，便于系統(tǒng)的維護(hù)和功能擴(kuò)展，用戶操作控制方便，人機(jī)交互界面友好。系統(tǒng)的交流伺服電機(jī)由控制系統(tǒng)產(chǎn)生PWM波形進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，檢測(cè)器件采用的是2500線的編碼器，滾珠絲杠螺距為5mm，其脈沖當(dāng)量為0.002mm。系統(tǒng)對(duì)可靠性要求很高，后擋料板定位精度需達(dá)到±0.01mm，重復(fù)定位精度需達(dá)到0.02mm，并不允許出現(xiàn)誤動(dòng)作和飛車現(xiàn)象，因此，選用半閉環(huán)控制和增量式PID算法。

2 結(jié)語

本文通過設(shè)計(jì)控制器的軟件、硬件，實(shí)現(xiàn)了剪板機(jī)運(yùn)行的智能控制。利用ARM實(shí)現(xiàn)剪板機(jī)運(yùn)行的高精度、高性能控制，提高生產(chǎn)效益。