（机械电子工程专业论文）基于arm的pvc软标机数控系统研究与设计.pdf

浙江理工大学硕士学位论文 摘要 为了解决当前p v c 软标生产技术落后、效率低、质量不稳定、能耗高、工作环境差等 问题，本文提出研制集注标、烘烤、冷却的数控p v c 软标机方案。 数控p v c 软标机控制系统采用“a r m 9 + r t - l i n u x 开发模式，将数控技术与嵌入式 系统应用有机结合起来，一方面发挥a r m 9 微处理器高性能、低功耗的特点，使p v c 软 标机数控系统有较强的数据处理和运动控制能力；另一方面利用实时操作系统r t - l i n u x 的 开放性、强大的功能，简化了数控系统软件的开发，缩短了应用系统开发周期。 本文研究的主要内容是基于嵌入式的p v c 软标机数控系统硬件设计和软件开发。首先 详细介绍了系统各功能模块的硬件电路设计，包括嵌入式最小系统搭建、伺服驱动器接口 电路设计、电磁阀接口电路设计、人机交互模块设计、通信模块设计、开关量模块设计等 方面内容；然后，基于r t - l i n u x 的嵌入式系统软件实现机理的理论指导下，提出了系统软 件的架构，在此基础上详细阐述了软件实现过程：通过对p v c 软标机数控系统功能需求及 多任务间数据依赖关系的分析，同时结合r t - l i n u x 平台上实时应用软件的结构特点，本文 在逻辑架构上对控制系统的实时任务和非实时任务进行了划分，并设计了模块间数据缓冲 机制；在时序架构上提出了系统的多任务运行时机分配以及各任务之间正确合理的时序关 系，以保证实时任务的实时性和非实时任务能够得到适当运行；在应用软件架构上利用 r t - l i n u x 多线程编程技术实现了系统软件的基本功能。最后，针对本系统插补所需的精度 和系统实时性要求，利用数据采用直线插补算法实现了系统的插补功能。 目前，p v c 软标机数控系统的基本功能已经实现，系统能够在实验平台上稳定运行， 基本达到预期目标。 关键字：p v c 软标；数控系统；插补；r t - l i n u x ；a r m 9 浙江理工大学硕十学位论文 r e s e a r c ha n dd e s i g no fp v cs o f tl a b l e rm a c h i n e c n c s y s t e mb a s e do na r m a b s t r a c t t os o l v et h ec u r r e n tp r o b l e m s ，s u c ha st h ep r e s e n tb a c k w a r d n e s so fp v cs o f tl a b e l p r o d u c t i o nt e c h n o l o g y , l o we f f i c i e n c y , w a s t i n ge n e r g y , i n f e r i o rq u a l i t ya n dp o o rp r o d u c t i o n c o n d i t i o n ，t h ed e v e l o p m e n to ft h ec n cs y s t e mo fp v c s o f t e rl a b e l e r , i n t e g r a t i n gt h el a b e l i n g ， b a k i n ga n dr e f r i g e r a t i o n ，i sp u tf o r w a r d i nt h i st h e s i s p v cs o f tl a b e l e rn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e mw i l lb ed e v e l o p e dt h r o u g ha no r g a n i c c o m b i n a t i o no fn u m e r i c a lc o n t r o l l i n ga n de m b e d d e ds y s t e ma p p l i c a t i o ni nt h ep a p e r c o n s i d e r i n gt h ea r m 9m i c r o p r o c e s s o rc h a r a c t e r so ft h eh i g hp e r f o r m a n c ea n dl o wp o w e r c o n s u m p t i o n ，t h ec o n t r o l l i n gs y s t e mh a v ea d o p t e d t h et oi m p r o v et h ec a p a c i t yo fd a t ap r o c e s s i n g a n dm o v e m e n tc o n t r o l l i n g ；a l s o ，u s i n gt h eo p e na n dp o w e r f u lr t o s 承e a lt i m eo p e r a t i n gs y s t e m ) r t - l i n u x ，t h es y s t e mw i l ls i m p l yt h ed e v e l o p m e n to ft h en u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e ms o f t w a r ea n d r e d u c et h ed e v e l o p m e n tc y c l e so ft h ea p p l i c a t i o ns y s t e m t h em a i nc o n t e n to ft h i sa r t i c l ei sh a r d w a r ed e s i g na n ds o f h v a r ed e v e l o p m e n to fp v cs o f t l a b e l e rn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m ，w h i c hi sb a s e de m b e d d e ds y s t e m f i r s to fa l l ，h a r d w a r ec i r c u i t d e s i g no ft h es y s t e mf u n c t i o nm o d u l ei s i n t r o d u c e di nd e t a i l ，i n c l u d i n gt h eb u i l d i n go ft h e s m a l l e s te m b e d d e ds y s t e m ，t h ed e s i g no fs e r v od r i v e r si n t e r f a c ec i r c u i ta n de l e c t r o m a g n e t i c v a l v ei n t e r f a c e ，t h em o d u l ed e s i g n sa b o u tt h eh u m a n - c o m p u t e ri n t e r a c t i o n , c o m m u n i c a t i o na n d s w i t c h i n gv a l u e ；a n dt h e n , t h es y s t e ms o f t w a r ea r c h i t e c t u r ew a sp r o p o s e du n d e r t h eg u i d a n c eo f t h et h e o r yh o we m b e d d e ds y s t e ms o f t w a r ei sd e v e l o p e db a s i n gr t - l i n u x o nt h i sb a s i s ，t h e s o f t w a r ep r o c e s si se l a b o r a t e di nd e t a i l b ya n a l y z i n gt h ed e m a n do ft h en u m e r i c a lc o n t r o l s y s t e mc a p a c i t y a n dt h em u l t i t a s k i n gd a t ad e p e n d e n c yl i n k s ，c o m b i n i n gt h ec o n s t r u c t i o n f e a t u r e so ft h er e a l t i m eu t i l i t ys o f t w a r eo nt h er t - l i n u xp l a t f o r m , i nl o g i c a la r c h i t e c t u r e ，t h e s y s t e mi s d i v i d e di n t ot h er e a l - t i m ea n dn o n - r e a l t i m et a s ka n dd e s i g nt h ed a t ab u f f e t i n g m e c h a n i s ma m o n gt h em o d u l e s ；i nt h et i m es e q u e n c i n ga r c h i t e c t u r e ，t h em u l t i t a s k i n gl u l lt i m e d i s t r i b u t i o ni ns y s t e ma n dt h ec o r r e c ts e q u e n t i a lr e l a t i o n s h i pa m o n gt h et a s k sa r ep u tf o r w a r d ，i n 浙江理工大学硕士学位论文 m d i t i o n , t h es y s t e me n s u r e st h et i m e l i n e s so ft h er e a l - t i m et a s k , a n dt h ec a p a b i l i t yo ft h ep r o p e r r u no fn o n - r e a l t i m et a s k b a s e do nb u i l d i n gs o f t w a r ea r c h i t e c t u r e ，t h et h e s i sc o v e r si nd e t a i lt h e e n a b l e m e n to ft h ep r o g r a mb yt h em u l t i - t h r e a dt e c h n i q u e ，b e s i d e s ，b yp r o g r a m m i n gi te n a b l e s t h em o d u l e sf u n c t i o n s a tl a s t , t h er u n i o no ft h ei n t e r p o l a t i o nh a sb e e na c c o m p l i s h e db y u t i l i z i n gt h el i n e a ri n t e r p o l a t i o no ft h es a m p l e dd a t a t h ea l g o r i t h m sc a nl a r g e l yr e d u c et h er u n t i m eo ft h ei n t e r p o l a t i o np r o g r a ma n da s s u r et h ep r e c i s i o nr e q u i r e db yt h ei n t e r p o l a t i o na n dt h e s y s t e mr e a l - t i m ed e m a n d c u r r e n t l y , t h eb a s i cf u n c t i o no ft h ec n cs y s t e mo fp v cs o r e rl a b e l e ri sc o m p l e m e n t e d t h es y s t e mr u n ss t a b l yo nt h ee x p e r i m e n t a t i o np l a t f o r m ，a n dt h ee x p e c t a n to b j e c ti s r e a l i z e d k e y w o r d s ：p v cs o f tl a b e l e r ；c o m p u t e rn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m s ；i n t e r p o l a t i o n ；r t - l i n u x ； a 剐m 9 浙江理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本人在导师 的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰 写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：阳 日期：砷年弓月，7 日 浙江理工大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权浙江理工 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在 不保密口 。 学位论文作者签名：脚 日期：矿7 年弓月，7 日 年解密后使用本版权书。 指导教师签名：边伟丙 醐：叩 7 日 浙江理工大学硕士学位论文 1 1 课题研究的背景 第一章绪论 p v c 软标具有防水、耐磨、环保等特点，它广泛用于服装、运动鞋、箱包、挂件饰牌 等商标上。我国作为服装、运动鞋、箱包生产与出口的大国，每年p v c 软标的生产总值正 以3 0 以上的速度增长，需求量巨大。目前，国内最大的p v c 软标产业基地在浙江、广 东、福建等地。 生产p v c 软标的模具是开放式的，且需经过反复的注料、经3 5 0 0 c 高温烘烤塑化，因 此传统的注塑机均不能生产p v c 软标产品。目前国内p v c 软标生产均采用手工制作模式， 其生产工艺为：在铜模具上手工注面标_ 转道烘烤- 冷却_ 手工注底标_ 转道烘烤_ 冷却 _ 吹干_ 取出成品。一个产品的制成至少要经过5 个工人的工序，生产方式上存在着效率 低、质量不稳定、能耗高、工作环境差等诸弊端。 随着我国劳动力成本提高，p v c 软标生产的手工操作已成为制约该产业持续发展的瓶 颈，我国p v c 软标产业从生产效率低、品质稳定性差的手i n 作提升到自动化生产是提高 市场竞争力的必然途径。本项目研究对促进该产业的发展具有重要意义，形成新的产业优 势，促进商标装备制造业向高端和前沿发展。 1 2p v c 软标机国内外现状及其发展趋势 1 2 1p v c 软标机国内外现状 随着服装、鞋类等产业休闲化、高档化的发展趋势，对商标、饰牌、附件的生产也提 出了更高的要求，在品质上要求质量统一，在生产运转上要求稳产高速，具有更高的自动 化水平。但是p v c 软标产业在国内形成规模时间不长，由于传统的注塑机械均不适合该产 品的生产，因此国内生产方式仍采用手工操作。一般组织生产采用6 8 人为一工作小组， 分别进行手工注面标、转道烘烤、冷却、手工注底标、转道烘烤、冷却、吹干等工序，班 产p v c 软标8 0 0 0 个，人均产量为1 0 0 0 1 2 0 0 个。该生产方式存在着效率低、质量不稳定、 能耗高、工作环境差等诸弊端；国外自动p v c 软标研制已有十几年历史，但进展缓慢，形 成规模产品只有一家德国公司的自动p v c 软标机，每台机器用工8 1 0 人，班产p v c 软标 浙江理工大学硕士学位论文 4 万个，人均产量4 0 0 0 5 0 0 0 个。虽然效率比较高，但是与之配套的模具成本也大大高于 现有工艺的模具成本，且产品上机调试时间很长，只适合单一品种的大批量生产，以小批 量多品种为基本形式的国内p v c 软标加工企业难以接受，由于存在购置成本、维修成本过 高，企业经济效益难以体现。因此，研制集注标、烘烤、冷却的自动p v c 软标机在我国具 有巨大的市场前景。 1 2 2p v c 软标机发展趋势 随着p v c 软标市场需求量的激增，以及我国劳动力成本的提高和能源供应的趋紧， p v c 软标生产的手工操作已严重制约了该产业的发展，因此，结合我国国情开发具有自主 知识产权、性能优良、技术领先、成本较低的全自动p v c 软标机是十分必要的，已成为 p v c 软标生产行业急待攻克的关键技术。 针对p v c 软标机的研究现状，分析p v c 软标机发展的趋势，在技术上，需解决的主 要关键问题包括两点：其一是多组模具、多种原料p v c 软标的全自动注标、烘烤、冷却的 集成技术，主要包括从模具平台运动、气动供料装置及流量控制、弹性气动升降加热机构、 弹性气动升降水冷机构、传动系统等各机构系统的集成设计和运动配合控制研究。其次是 p v c 软标数控滴注c a d 辅助设计至p v c 软标数控滴注c a m 辅助制造的实现技术，根据 p v c 软标形状、尺寸、滴注量、颜色自动生成p v c 软标滴注移动模具平台位移控制程序， 实现p v c 软标滴注运行的自动控制。 1 3 经济型数控系统及其发展趋势 按照数控系统的功能水平，数控机床可以分为三类【1 j ：( 1 ) 高档型数控机床：( 2 ) 普及型 数控机床；( 3 ) 经济型数控机床。这三种数控系统中，中、高档全功能数控系统的功能齐全， 功率较大，但是价格太贵。在一些成本敏感的应用场合，采用高档数控系统是不可行的， 这就为经济型的数控系统提供了发挥作用的空间。目前，我国经济型数控数控系统发展迅 速，己研制了数十种经济型数控系统。由于其结构简单，造价低，维修方便，运行维护费 用低等优点，所以常用数控切割机床及一些速度要求不高的经济型数控车床、铣床等，同 时在普通机床的数控化改造中也得到广泛的应用2 1 。 以往的经济型数控系统存在如下一些缺陷： ( 1 ) 单板机或单片机的微机处理系统运算速度低，步进电机的运行频率低，所以进给 速度低； 2 浙江理工大学硕+ 学位论文 ( 2 ) 经济型数控机床的l e d 显示模式能够显示的数据量少而且不够直观。工件程序和 机床参数的输入操作不方便，无法进行对加工程序的编辑、修改，不能实时、完整地显示 机床的当前状态： ( 3 ) 以往的经济型数控机床一般不能与计算机相连，难以实现自动编程 3 1 。在目前情形 下，经济型数控系统完全可以做到更高的性能。尽管采用步进电机的数控系统，其精度和 快速性上不可能做出高指标，但在智能化方面，按照本课题采用的基于a r m 这样的嵌入式 处理器完全可以实现相当高的智能化水平，并且可在模块化等方面实现更高的要求。 综上所述，经济型数控系统必须在保证经济性的前提下，不断改善自身的性能，力 图把中高档数控系统中的一些先进技术用到经济型数控系统中去。随着微机技术的发展， 微机性能的不断提高，比如运行速度快，存储能力大，可以实现l c d c r i 显示等完全能够 实现中高档数控机床的全屏幕编辑方式，使得数据输入方便、直观，编辑和修改也简单1 4 1 。 所以，采用较高档次的微处理器可提高经济型数控系统的性价比。对于步进电机系统采用 成本的反馈补偿技术也是可行的，或许随着技术进步，伺服电机也会在经济型数控系统中 得到应用甚至取代步进机。我国进口数控机床中大部分为普及型数控机床，其技术水平与 目前国产数控机床落差不大，只是由于国内大部分机床生产企业数控机床尚未形成规模以 及可供品种太少，造成了普及型数控机床的大量进口f 5 】。因此，普及型数控机床将是机床 市场上竞争的焦点、通过分析我国机床产品的需求方向可以这样认为，普及型数控机床是 市场需求的主流，高档数控机床产品有缺口，普通机床市场需求将稳中有降。随着机床尤 其是数控机床的供求矛盾日益突出，经济型数控在我国机床市场蕴含着巨大的商机。 1 4 基于r t - l i n u x 的嵌入式数控系统概述 基于r t - l i n u x 的开放式数控系统研究与开发还处于起步阶段，国外已有部分产品问 世，国内尚未有成熟产品出现【6 l 。因而，我们必须重视研究开发l i n u x 下的拥有自主版权 的开放式数控系统。采用实时多任务的操作系统r t - l i n u x 作为开放式数控系统的软件开发 平台，基于r t - l i n u x 构建数控系统的崭新的数控系统体系。在一个低成本的平台上，开发 具有高速度、高精度各高开放性的数控系统。 r t - l i n u x 是源码开放的免费操作系统，r t - l i n u x 可以免费通过网上下载获得。因此， 以r t - l i n u x 作为软件平台的数控系统，将具有明显的成本优势。更为重要的是，由于 r t - l i n u x 的源码是开放的，基于r t - l i n u x 开发嵌入式数控系统用，可以从根本上掌握核心 技术，而不受制于国外的技术垄断。 3 浙江理工大学硕+ 学位论文 r t - l i n u x 作为数控系统软件平台的优点是：r t - l i n u x 具有多任务调度能力，且实时性 很强。r t - l i n u x 支持两个域一实时域和非实时域的多任务调度。实时域任务以内核线程 形式实现，非实时域任务以用户进程或用户线程的形式实现。利用r t - l i n u x 提供的基于优 先级的抢占式多任务调度机制，以及丰富的任务通信机制，可以方便地实现数控系统各任 务的调度和通信【剐。在实时性能方面，r t - l i n u x 具有强实时特征，实时性能非常优秀。在 一台普通配置的x 8 6 p c 上，其最大中断延迟时间f 从处理器检测到中断信号到中断处理程 序开始运行的时间间隔) 不超过1 5 微秒，最大任务切换延迟( 从调度程序开始运行到任务被 启动的时问间隔) 小于3 5 微秒1 9 1 。这些数据已经接近了硬件能力的极限。使用r t - l i n u x 提 供的a p i ，可以保证插补、位控等实时任务以微秒级的精度被调度运行。 在r t - l i n u x 中，标准l i n u x 所拥有的强大的非实时服务仍可使用。r t - l i n u x 的实现原 理是把一个小的实时内核嵌在标准l i n u x 的底部，标准l i n u x 作为r t - l i n u x 的最低优先级 线程运行。非实时任务运行于标准l i n u x 中，可以使用所有l i n u x 提供的服务。l i n u x 已经 发展成为一个功能非常丰富、强大的操作系统，而且还正处在迅速发展之中。利用l i n u x 提供的网络、图形、数据库、窗口系统等功能，可以方便地实现数控系统的图形界面及网 络、数据库等高级功能，这样，数控系统的开发者可以把更多的时间和精力用于加减速控 制、动态误差补偿等数控核心技术的开发中f l 3 1 。 1 5 论文研究意义及主要内容 1 5 1 本文的研究意义 本课题在充分调研分析p v c 软标生产的现状和市场需求的基础上，经过充分的可行 性论证后，提出研制集注标、烘烤、冷却的自动p v c 软标机。全自动p v c 软标机将大大 提升生产效率，解决当前p v c 软标生产技术落后、生产低、质量不稳定、能耗高、工作环 境差等问题。 随着嵌入式系统的不断发展，采用a r m 技术知识产权核的微处理器，即通常所说的 a r m 微处理器，己遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各 类产品市场，a r m 技术正在逐步渗入到我们生活的各个方面。a r m 处理器大大提高了处 理速度，易于i o u 的扩展，为开发功能更为强大的数控系统提供了良好的硬件平台，单一 的处理器内核就可以实现数控系统所需要的大部分功能。因此，由a r m 微处理器构成的嵌 入式系统将为我国数控系统的开发提供了一个重要解决方案。 4 浙江理t 大学硕士学位论文 a r m 微处理器功耗小、功能强、可靠性高，将它用于数控p v c 软标机系统中，必能提 高系统的可靠性、稳定性、速度慢、加工效率、加工精度等。论文是在删内核的微处理 $ 3 c 2 4 1 0 的基础上，选用开放源代码的嵌入式r t - l i n u x 操作系统来研制数控p v c 软标机控 制系统，这是种低成本、高性能经济型数控系统研究的尝试。 1 5 2 本文主要研究内容 本论文主要阐述了基于“a r m 9 + r t - l i n u x ”嵌入式平台下的p v c 软标机数控系统的 研制。以3 2 位删9 内核微处理器作为控制系统核心，在r t - l i n u x 操作系统的基础上构建 整个控制系统的架构，着重从系统的总体结构、硬件系统设计、软件系统设计等方面进行 探讨。论文主要研究内容包括： 论文首先对p v c 软标机数控系统进行需求分析，确定了系统总体结构模型；其次，对 嵌入式数控系统的硬件部分进行了详细规划和设计；再次，研究嵌入式实时操作系统 r t - l i n u x 的运转机制、编程模型、嵌入式数控系统功能的实时性和多任务性，在此基础上， 对基于r t - l i n u x 操作系统平台的p v c 软标机控制方案的软件结构进行了规划，并针对系统 的多任务并行和实时响应处理这两个关键技术问题，研究可行的多任务划分机制和调度管 理策略，构建一个可靠的嵌入式数控系统应用程序运行环境；接着，详细介绍了以r t - l i n u x 实时扩展模块为核心的系统软件各实时模块的实现，对r t - l i n u x 与l i n u x 的通信方式、译码 模块、控制伺服电机按预设轨迹运行的插补算法进行了详细阐述；最后，通过实验平台对 系统的运行情况做了测试与分析。 浙江理工人学硕士学位论文 第二章p v c 软标机控制系统总体方案设计 2 1p v c 软标机系统功能分析 p v c 软标机的机械结构采用：固定滴注阀、移动模具平台结构；快卸式压力料瓶气动 供料机构；升降开关控制旋转阀结构；气动升降加热烘烤、冷却机构。本文通过对各机构 的运动配合控制技术的研究，实现p v c 软标机的自动化。p v c 软标机的结构示意图如图 2 1 所示。p v c 软标机控制系统的功能可分解为以下几个部分： 图2 1p v c 软标机结构示意图 1 模具平台运动控制 模具平台上固定四组模具，采用由伺服电机、滚珠丝杆驱动组成x 、y 轴移动模具平 6 浙江理工大学硕士学位论文 台传动机构，细分定位精度0 0 2 r a m ，两滑台垂直度小于0 0 5 r a m 。伺服电机驱动x 、y 方 向滚珠丝杠，根据设定的程序，驱动伺服电机按预设的图形轨迹拖动模具平台作x 、y 轴 反复移动和速度变换，实现装有固定铜模的台板沿走针路线移动。 2 气动供料系统控制 气动供料和流量控制系统主要通过气压控制滴注颜料的流量。采用四组联动的气动供 料机构，每组四种颜色液体料瓶；利用快卸式压力料瓶结构，通过气压控制旋转阀的阀体 开关驱动机构，使流量控制在5 m g s 一8 0 m g s 范围内。 3 烘烤及冷却系统控制技术 采用气动升降加热平台设计，加热烘烤组采用陶瓷发热体，在模具到达烘烤位后，由 气动升降装置将加热组件抬起对应四组p v c 软标模具，将热源紧贴模具下表面加热，烘烤 模具中的液体原料固化，由弹性机构保证与模具平台接触紧密，每组独立的温控装置，最 高加热温度3 5 0 0 c 。同时采用气动升降冷却平台设计，冷却装置在模具到达冷却位后，由 气动升降装置将冷却组件抬起，将过水海绵紧贴模具下表面以冷却模具。 4 阀体升降、开关一体化控制技术 由于p v c 软标的单位滴注量很小，最小为0 0 2 克，且是在一个开放的模具上滴注。 所以要求该专用阀体积小、开关反应快，关闭后无残留液滴落下。为达到本系统滴注的要 求，对p v c 软标形状进行滴注，完成p v c 软标的高精度注射，对滴注阀采用旋转阀结构， 阀体在升降的同时开关阀体，最大升降距离1 0 m m 。滴注针下降开启阀体，同时移动模具 平台开始p v c 软标滴注，滴注针上升关闭阀体，停止滴注；滴注针杆可更换结构，上下位 置可调，整体密封，无液体泄漏。 2 2p v c 软标机控制系统的结构和原理 p v c 软标机控制系统原理实质就是一个借助于计算机通过执行其存储器内的程序来完 成数控要求的功能、并配有接口电路和伺服驱动装置的自动化数控系统。其工作原理是： 计算机读入雕刻模具时软件生成的雕刻图形文件，导入到p v c 软标c a d 设计软件中，编辑 和修改相应的走针路线、流量、颜色等，生成每个步骤的滴注加工程序( h p g l 格式文件) ， 通过u s b 接口或其他数据传输接口传输给单片机控制系统，然后控制系统采用特定的算法 将输入的路径信息转化为数控信息，控制器把这些信息转化为驱动步进电机或伺服电机的 信号( 脉冲串) ，驱动电机按预设的图形轨迹拖动模具平台运动，并使用微型气缸拖动微流 量控制阀，通过注射针孔，将需要的图形颜色原料，注射出不同颜色的图形；进一步控制 7 浙江理工人学硕士学位论文 模具平台去烘烤和冷却，使不同原料的图层颜色不会相互干扰，完成一次p v c 软标生产的 全过程。数据处理的示意图如下图2 2 所示。 通用p c 机 图2 2 数据处理示意图 2 3p v c 软标机控制系统的设计要求 通过对p v c 软标机的功能和控制原理分析可知，其控制系统的原理与一般数控系统原 理相似，但是其作为一种专用的数控系统，也具有自身的特殊性。对该控制系统的设计要 求归纳如下： 1 数控加工程序的输入和预处理完成数控滴注加工程序的读入和预处理，提取出 控制系统加工所需的有用信息。读入为数控加工的代码文件，该代码文件含有模具平台运 行的轨迹信息( 线型、起终点坐标) 、要求的加工速度、滴注颜料的颜色、流量的大小等。 这些信息在处理器做插补运算与控制操作之前必须翻译成处理器内部能识别的语言。 2 运动控制系统p v c 软标机的模具平台运动是由位于x 、y 两个方向上的伺服电机 配合驱动来完成。数控系统根据滴注加工的程序进行运算处理，输出进给脉冲，此进给脉 冲经伺服系统放大后，分别驱动x 轴、y 轴伺服电机，带动传动系统，产生进给运动。 3 插补运算在规定的起点、终点之间按照一定的算法进行数据点的密化工作，将 其分解成相关坐标轴的移动量，从而转化成控制坐标轴运动的命令。 4 速度控制速度控制程序的目的就是控制脉冲的分配速度，即根据速度代码，控 制插补运算的频率，以保证按预设速度进给。最高速度o 5 米秒。 5 控制精度为使系统能具有更稳定的性能，满足控制精度和速度的需求，控制系 统面向以伺服电机细分驱动的伺服控制。 8 浙江理下大学硕士学位论文 6 指令格式雕刻机加工控制程序的指令格式最常用的有h p g l 和g m 两种。而本系 统的加工滴注的图形文件是来自雕刻机的模具图形文件，为了使系统具有比较强的适应 性，本系统采用h p g l 格式的加工文件。 此外，要求在满足基本功能的前提下，尽量降低系统的制造成本、使用户操作方便。 2 4 控制系统总体设计方案 控制系统的总体方案设计是围绕系统的设计目标来进行的，选择系统的硬件、软件体 系结构，确定系统的硬件和软件的划分及开发策略，指导系统的具体开发。总体方案的制 定是否合理不仅将直接影响到系统能否达到预期的性能指标，还将影响到系统工作的可靠 性、开发周期与成本以及系统的可维护性、可扩展性等方面【1 4 】。 2 4 1 方案的比较与确定 由本系统的设计要求可知，其目标是设计开发一套针对p v c 软标机控制特点的嵌入式 数控系统。因此，本系统需要从处理速度方面入手，重点解决好运动的插补问题，同时兼 顾系统的制造成本，使硬件造价控制在预期的范围内。可见，系统的处理速度和成本控制 是本系统方案设计应考虑的重点。根据现有数控技术的发展水平，目前提高数控系统处理 速度的途径有以下几种【1 4 】： 1 ) p c + 高速运动控制卡：该方案采用通用p c 机来完成系统实时性要求不高的任务； 而插补计算、速度控制、位置控制等实时控制要求高的任务由高速运动控制卡完成。由于 p c 机的软、硬件资源非常丰富，各种应用功能不断升级和加强，所以这种方案可以有效的 提高系统的处理速度，而且开发过程简便。但系统的价格往往较贵，通常多用于中高档数 控系统。 2 )由高性能通用c p u 组成的工控板：该方案往往采用实时操作系统，可以直接控制 底层硬件，所以具有响应速度快、多轴联动和同步性好等优点，因此可以获得较好的系统 性能。但系统中的底层功能模块必须自行开发，工作量大、开发周期长，另外，工控板价 格也较贵，同样存在性价比的问题。 3 ) 高速运动控制芯片：该方案利用高速控制芯片完成插补、升降速的功能高速处理， 从而提高整个系统的处理能力。由于专用运动控制芯片功能强、控制方便，开发者无需考 虑具体实时算法，只需将系统的反馈信号正确连接、按规定的时序进行读写即可。但其缺 陷在于，开发人员无法针对实际系统需求更改、选用合适的插补等控制算法；而且高速运 9 浙江理一r 大学硕士学位论文 动控制芯片价格昂贵，所以应用不太广泛。 4 ) 采用a r m 等高性能单片机替代以往的p c 机或通用工业控制机：利用a r m 的高速 处理能力，开发合适的功能软件，完成高速运动控制所需的各种运算和控制任务。虽然该 方案比方案三的开发难度有所增加，但有利于增强系统开发的灵活性，易于多轴联动控制， 还可以提高技术的保密性。另外，此类芯片属于通用芯片，所以价格比较合适。 在分析了p v c 软标机各项性能指标的前提下，考虑所需开发软标机的控制精度不像中 高档数控系统要求那么高，只需建立一个经济型的数控系统就可实现系统要求。在此基础 上，通过对以上4 种高速数控方案的性能、实现难度、工作量和成本的系统比较，可知， 目前国内使用的数控系统通常是在通用计算机或工控机的基础上加装运动控制卡，使用 w m d o w s 操作系统，并安装昂贵的数控软件构成的，这样的系统软件成本高、硬件资源浪 费、功耗大。而嵌入式产品具有系统结构精简、功耗低等特点，恰恰能弥补传统数控系统的 不足。所以本系统采用了第4 种方案，即基于高性能删开发高性价比的p v c 软标机数控 系统。 2 4 2 控制系统的硬件平台架构 基于a r m 的单处理器结构的运动控制系统基本上能实现系统的设计要求，但考虑到所 有的数控功能，如数据存储、插补运算、输入输出控制、显示等都由一个处理器来完成， 因此控制系统的功能将受到微处理器的字长、数据宽度、寻址能力和运算速度的限制。其 次，p v c 软标机所需的输入输出的i o 口较多。因此为了更好的提高处理速度，增强系统功 能，简化外围扩展硬件电路，本系统采用$ 3 c 2 4 1 0 的微处理器。 结合p v c 软标机的功能需求和a r m 的资源与性能，拟定了p v c 软标机运动控制系统的 硬件架构示意图，如图2 3 所示。以$ 3 c 2 4 1 0 为控制核心，将经过运算和处理过的控制信号 输出到各方向的伺服电机驱动器，从而实现p v c 软标机的运动控制。控制系统的硬件部分 主要包括嵌入式数据处理部分、存储模块、通信模块、人机界面、输入输出接口控制模块 和电源模块构成。现对各模块简单介绍如下： 1 嵌入式数据处理部分 s a m s u n g 公司开发的$ 3 c 2 4 1 0 处理器是一款3 2 位r i s c 架构的低成本、低功耗、高性能 微处理器，采用a r m 9 2 0 t 内核，带有1 6 k b 指令、1 6 k b 数据高速c a c h e 和存储器管理单元f 1 5 l 。 该处理器主要进行数控程序段的译码处理和插补运算，并产生伺服驱动所需要的控制信 号，实现速度和位置控制。 1 0 浙江理 二大学硕士学位论文 图2 3p v c 软标机运动控制系统的硬件架构不葸图 2 存储模块 存储器模块包括s d r a mh y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 和n a n df l a s hk 9 f 1 2 0 8 。s d r a m 由于集成精 度高，单片存储容量大，并且读写速度快，因此将其作为主存储器。由于n a n df l a s h 存储 信息的非易失性且数据存储量密度大、写入速度快、价格适中，故该系统中选用n a n df l a s h 作为系统辅助存储器，可用来存储系统的引导代码，以及存储系统应用程序、设定好的参 数、设定的工作模式等。 3 通信模块 上位机通过u s b 接口与低层运动控制系统通信。该通信模块实现了从上位机下载生成的 运动控制数据和文件，或者通过u 盘将数据传送给低层控制系统。 4 人机界面 系统人机界面采用触摸屏的t f t - l c d 模块，触摸屏能提供复杂的操作控制和显示功 能，用来完成当前加工状态、加工位置以及相应的加工参数的显示操作。 5 输入输出控制模块 浙江理工大学硕士学位论文 输入部分主要是对控制对象位置的一些检测信号，通过位置传感器获取检测信号。其 中包括加热平台位置、冷却平台位置、模具平台的起始位等。输出部分主要是对滴注针头 位置、加热平台位置、冷却平台位置、模具平台x 、y 轴运动方向上的准确控制。通过c p u 的控制信号经由光电隔离后驱动控制电机的运转以及驱动电磁阀的开关。 6 电机类型的选择 若采用步进电机组成的开环控制系统，具有结构简单、造价低、维修调试方便、运行 维护费用低等优点，但受步进电机矩频特性及精度、进给速度、力矩三者之间相互制约， 性能的提高受到限制f 1 6 】。因此，为了达到系统设计要求，使系统能达到最佳的性价比，系 统最终选用交流伺服电机，采用伺服电机的位置控制模式组成数控系统，既达到系统设计 要求，又提高了进给速度以及控制精度。而且交流伺服因为是正弦波控制滚珠丝杆，有转 矩脉动小的优点。此外，交流伺服电机与步迸电机相比还具有以下优点： 1 ) 控制精度：两相混合式步进电机步距角一般为3 6 0 、1 8 0 。交流伺服电机的控制精 度由电机轴后端的旋转编码器保证。以三菱全数字式交流伺服电机为例，对于带标准2 5 0 0 线编码器的电机而言，由于驱动器内部采用了四倍频技术，其脉冲当量为 3 6 0 10 0 0 0 = 0 0 3 6 0 。 2 ) 低频特性：步进电机在低速时易出现低频振动现象，而交流伺服电机运转非常平 稳，即使在低速时也不会出现振动现象。 3 ) 矩频特性：步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降， 所以其最高工作转速一般在3 0 0 6 0 0 r p m 。交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速 ( 一般为2 0 0 0 r p m 或3 0 0 0 i 心m ) 以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。 4 ) 过载能力：步进电机一般不具有过载能力。交流伺服电机具有较强的过载能力。 它具有速度过载和转矩过载能力，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。 5 ) 速度响应性能：步进电机从静止加速到工作转速( 一般为每分钟几百转) 需要2 0 0 一 4 0 0 毫秒。交流伺服系统的加速性能较好，可用于要求快速启停的控制场合。 2 4 3 数控系统的软件结构模式分析 数控系统软件是一个典型而又复杂的实时多任务系统。从逻辑上讲，这些任务可以看 作一个个功能模块，模块之间存在耦合关系；从时间上讲，各功能模块之间存在一个并发 执行和时序配合的问题。数控系统软件结构模式要解决的问题是如何组织和协调各个任务 执行，使之满足一定的时序配合要求和逻辑关系，以满足c n c ( c o m p u t e r n u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) 1 2 浙江理：r ：大学硕士学位论文 系统的各种控制要求【17 1 。目前，c n c 系统软件的结构模式有如下几种 1 9 - 2 0 】： 1 前后台型软件结构模式 前后台型软件结构模式适用于采用集中控制的单处理器c n c 系统，在这种软件结构 模式中，c n c 系统软件由前台程序和后台程序组成。 前后台型结构采用的任务调度机制是优先抢占调度和顺序调度。前台程序的调度是优 先抢占式的；前台和后台程序内部各子任务采用的是顺序调度。前台和后台程序之间以及 内部各子任务之间的信息交换是通过缓冲区实现的。这种结构在前台和后台程序内无优先 级等级，也无抢占机制，c p u 时间被充分利用，而且由于各非实时任务是轮流执行的，获 得c p u 时间的机率相同，c p u 时间利用的有效性难达到最佳，因而实时性差。 2 中断型结构模式 这种结构模式除了初始化程序外，系统中的所有任务都分别安排在一定中断级别中， 中断级别的高低体现了任务获得c p u 时间的优先度，因而c p u 时间利用的有效性较前后 台型为佳。但由于中断级别较多，系统结构较复杂，各中断程序之问频繁地通信、切换， 会消耗一定的系统时间，而且模块的关系复杂，耦合度大，不利于对系统的维护和扩充。 3 基于实时操作系统的结构模式 实时操作系统( r 1 旧s ) 是操作系统的一个重要分支，它具有任务管理、多种实时任 务调度机制( 如优先级抢占调度、时间片轮转调度等) ，多种任务问的通讯机制( 如邮箱、 消息队