一種嵌入式多工位壓力機送料機構(gòu)控制系統(tǒng)

程鳳蘭，臧希喆，趙 杰

（1. 齊齊哈爾二機床有限責(zé)任公司，齊齊哈爾 161005；

2. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 機器人技術(shù)與系統(tǒng)國家重點實驗室，哈爾濱 150080）

0 引言

多工位壓力機[1-3]作為一種新興的成型專用自動化設(shè)備，將工件從一個模具上成型后傳送到下一個模具成型，實現(xiàn)了工件在一臺壓力機的多個工位上成型的目標(biāo)。多工位壓力機的送料方式目前主要分為機械式、電子和混合式三種[4]。機械式送料方式，主要通過與壓力機傳動系統(tǒng)的直連,實現(xiàn)沖壓件在多個工位上的傳送。送料機構(gòu)與壓力機的協(xié)調(diào)同步，主要靠機械連接來完成，先由壓力機的隨動器驅(qū)動安裝在送料機構(gòu)上的機械凸輪, 而凸輪旋轉(zhuǎn)則進一步帶動機械式送料機構(gòu)動作。電子多工位送料方式采用伺服驅(qū)動裝置取代凸輪等機械傳動裝置, 由伺服電機控制送料系統(tǒng)完成各種動作，送料機構(gòu)與壓力機的動作協(xié)調(diào)是由送料結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)與壓力機之間的電氣接口實現(xiàn)的。而混合式送料則融合了前兩種送料方式的特點，部分送料動作由機械系統(tǒng)完成，其他動作由電子系統(tǒng)完成。

目前多工位壓力機送料機構(gòu)的發(fā)展方向是高速度、高精度、柔性化。機械式送料作為傳統(tǒng)的送料方式，存在著如下缺點：機構(gòu)磨損容易影響送料精度和速度；機械傳送設(shè)計參數(shù)一旦確定，無法更改，柔性差。而電子送料機構(gòu)與機械送料相比較，無需使用壓力機的動力輸出裝置，由于與壓力機沒有直接連接，其送料精度也不會受到壓力機運動偏差的影響。而通過針對各種運動軌跡的計算機編程，可以對送料速度、距離等運行參數(shù)進行靈活調(diào)整。另外，電子送料的故障率也要小于機械式送料。由此可見，電子式和混合式送料將成為未來多工位壓力機送料機構(gòu)的主流。

對于電子式或組合式送料機構(gòu)，需要配備相應(yīng)的控制系統(tǒng)，用于實現(xiàn)送料機構(gòu)的作業(yè)規(guī)劃、軌跡控制、與壓力機的協(xié)調(diào)等功能。本文基于嵌入式系統(tǒng)技術(shù)和模塊化方法，設(shè)計了一種多工位壓力機送料機構(gòu)控制系統(tǒng)。

1 送料機構(gòu)控制系統(tǒng)方案設(shè)計

多工位壓力機送料機構(gòu)控制系統(tǒng)如圖1所示。該控制系統(tǒng)采用了基于總線的模塊化結(jié)構(gòu)，結(jié)合ARM處理器、FPGA芯片以及相應(yīng)的操作系統(tǒng)軟件實現(xiàn)送料機構(gòu)的精確作業(yè)控制。

送料機構(gòu)控制系統(tǒng)主要由主控制器、運動控制板、I/O板和手控盒四部分組成。其中主控板采用ARM芯片，結(jié)合uc/os II操作系統(tǒng)實現(xiàn)送料機構(gòu)的總體作業(yè)規(guī)劃及協(xié)調(diào)；運動控制板采用FPGA芯片，結(jié)合Nios II軟核心實現(xiàn)送料機構(gòu)的多軸插補、速度與位置控制等功能，通過向驅(qū)動器發(fā)送PWM脈沖，對送料結(jié)構(gòu)的X、Y、Z軸伺服電機進行運動控制；手控盒作為操作者與控制系統(tǒng)的人機交互設(shè)備，具有操作示教、參數(shù)輸入、狀態(tài)顯示等功能，通過串口RS-422通信的方式與主控制器進行通訊； I/O板主要用于處理與壓力機聯(lián)動所需的同步、互鎖等信號，另外通過電磁閥等執(zhí)行元件對送料機構(gòu)的端拾器進行控制。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

1) 主控制器。ARM是一種高性能、低功耗、低成本的32 位新型微控制器, 其運算處理能力和資源管理能力與傳統(tǒng)的8位和16位單片機相比有了很大的提高，它為復(fù)雜的工業(yè)控制系統(tǒng)提供了全新的嵌入式解決方案。因此，主控制器選用NXP公司的LPC2292[5]芯片作為微控制器，通過片內(nèi)的PLL可以實現(xiàn)高達(dá)60MHz 的CPU處理頻率。其片內(nèi)資源非常豐富：16k的靜態(tài)RAM和512k的節(jié)片F(xiàn)LASH；2個32位定時器和1個PWM單元；RTC實時時鐘；看門狗定時器；多個串行接口，包括2個工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)UART、高速I2C接口（400 kHz）和2個SPI 接口；4路10位A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時間低至2.24us。特別是LPC2292配備2個互連的CAN接口，并帶有先進的驗收濾波器，因此具有較強的總線抗干擾和糾錯能力。

2) 運動控制板。選擇以Altera公司Cyclone系列的FPGA芯片EP2C15AF256C8為核心設(shè)計運動控制板。該芯片以Nios II 軟核心處理器作為處理單元，為運動控制板建立SOPC系統(tǒng)（可編程片上系統(tǒng)）。運動控制板硬件的設(shè)計主要在Altera SOPC Builder開發(fā)平臺下完成，它為SOPC設(shè)計提供了標(biāo)準(zhǔn)化的圖形環(huán)境。這里基于SOPC Builder，自定義了PWM輸出、脈沖計數(shù)、通用輸入輸出等組件接口，再由SOPC Builder將這些組件組合起來, 生成針對上述組件實例化的系統(tǒng)模塊, 同時自動生成必要的總線邏輯, 用以建立組件間的聯(lián)系。

3) I/O控制板。選用NXP公司的LPC2194芯片作為微控制器，內(nèi)置CAN總線接口。通過其多達(dá)46個的GPIO（通用輸入輸出）端口，結(jié)合TLP113和PC817等光耦芯片搭建具有光電隔離功能的IO接口電路。

4) 手控盒。選擇三星公司的S3C2410芯片作為處理器，它是基于ARM920T內(nèi)核的32位RISC處理器，集成了豐富的硬件資源，如NAND Flash、SDRAM控制器、1個觸摸屏接口、2個SPI接口等。 由于S3C2410內(nèi)部自帶一個LCD驅(qū)動控制器，手控盒中選用Sharp公司的5.7寸TFT彩色液晶屏LQ057V3DG02，其TTL接口及配套的逆變器可與S3C2410直接相連，用于送料機構(gòu)運行的狀態(tài)顯示。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

送料機構(gòu)的主控制器設(shè)計采用實時操作系統(tǒng)uc/os II，它是一個源代碼公開、可裁減、移植性好、占先式實時多任務(wù)操作系統(tǒng)，目前已廣泛移植在DSP、ARM、51單片機等處理器上。主控軟件的執(zhí)行過程如圖2所示。

依據(jù)功能劃分，主控軟件分為消息處理、送料作業(yè)執(zhí)行、運行狀態(tài)監(jiān)測、人機界面顯示等模塊。其中，消息處理模塊包含命令的解析及檢驗、串口422及CAN總線通信；送料作業(yè)執(zhí)行模塊用于實現(xiàn)送料機構(gòu)的運動控制及與壓力機的協(xié)調(diào)；運行狀態(tài)監(jiān)測模塊對送料機構(gòu)自身運行狀態(tài)以及壓力機的同步和互鎖信號進行實時監(jiān)測，當(dāng)出現(xiàn)故障時采用緊急停止或發(fā)送故障信息等措施進行處理；人機界面顯示模塊主要是通過與手控盒的數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)人機界面顯示的不斷更新。

軟件設(shè)計上，基于uc/os-II操作系統(tǒng)，將消息處理等4個主要功能設(shè)計為并行處理的4個任務(wù)，并通過信號量、隊列實現(xiàn)任務(wù)的信息傳遞及同步，提高了控制的可靠性及實時性。

4 結(jié)論

嵌入式技術(shù)為控制系統(tǒng)設(shè)計提供了先進的解決方案，基于嵌入式系統(tǒng)，本文設(shè)計了一種模塊化的多工位壓力機控制系統(tǒng)。通過采用總線式和模塊化的設(shè)計方法, 將控制系統(tǒng)中的主控制器、運動控制器、手控盒、I/O板等子單元有機結(jié)合起來,最大限度地發(fā)揮了各自的特點，同時使該系統(tǒng)具有操作簡便、易于維護、擴展性好、抗干擾能力強、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點。

[1] 彭杰. 伺服控制多工位壓力機[J]. 一重技術(shù), 2009, (6):26-28.

[2] 李振石, 黃堯坤, 阮衛(wèi)平. 數(shù)控多工位壓力機開發(fā)探討[J]. 鍛壓裝備與制造技術(shù), 2008, (5): 32-34.

[3] 張建華. 多工位壓力機的特點及應(yīng)用[J]. 汽車工藝與材料, 2007, (12):38-44.

[4] 江天華, 劉顏輝, 周英. 多工位壓力機電子送料技術(shù)[J].鍛壓機械, 2002, (3): 3-5.

[5] NXP Company. LPC2292/LPC2294 Product Data Sheet.