基于ARM剪板机数控系统模块化开发VIP

第 1 0期 2 0 1 1年 1 O月 组 合 机 床 与 自 动 化 加 工 技 术 M o d ul a r M a c hi n e Too l Aut o ma t i c M a nu f a c t ur i ng Te c h ni q ue N O 1 O Oc t 2 01 1 文 章 编 号 1 0 0 1 2 2 6 5 2 0 1 1 1 0 0 0 7 2 0 3 基于 A R M剪板机数控系统模块化开发 李 轲 唐 小琦 1 烟 台工 程职 业技 术 学院 山东 烟 台 2 6 4 0 0 6 2 华 中科 技 大 学 国 家数 控 工 程 技 术 研 究 中心 武 汉43 0 0 7 4 摘 要 采 用模 块 化 的设计 原 则 以 A R M 处理 器 和单 片控 制 器为硬 件 平 台 嵌 入 式 L i n u x操作 系统 作 为 软件 平 台 开发 设计 通 用的 剪板机 数控 系统 该 系统 结构 简单 性 能稳 定 开发 成本 低 扩 展 方便 可 根据 需要 配置 不 同类型 的剪板 机 应 用前 景 广 阔 关键 词 剪 板机 数控 系统 A R M 中图分 类号 T H1 6 T G 6 5 文 献标识 码 A M o du l a r De v e l op m e nt o f S he a r i ng M ac hi n e NC S y s t e m Ba s e d on ARM U Ke TANG Xi a o qi 1 Ya n t a i p r o j e c t p r o f e s s i o n a l t e c h n o l o g y i n s t i t u t e S h a n d o n g Ya n t a i 2 6 4 0 0 6 Ch i n a 2 S c h o o l o f Me c h a n i c a l S c i e n c e S L En g i n e e r j n g o f HUS T Hu b e i Wu h a n 4 3 0 0 7 4 C h i n a Ab s t r a c t Us i n g mo d ul a r d e s i gn p r i n c i pl e s d e v e l o p a n d d e s i g n u n i v e r s a l of t h e s he a r i n g ma c h i n e NC s ys t e m ba s e d o n ARM p r o c e s s o r s a n d s i n g l e c h i p c o n t r ol l e r a s t h e h a r d wa r e pl a t f o r m a n d e mb e d d e d Li nu x o p e r a t i ng s y s t e m a s t h e s of t wa r e p l a t f or m The s ys t e m i s s i mp l e p e r f o r ma n c e s t a bi l i t y d e v e l o p me n t o f l o w c o s t e a s y e x p a n s i o n c a n be e q ui p p e d wi t h d i f f e r e n t t y pe s o f s he a r s h a s a wi d e a p p l i c a t i o n p r o s p e c t Ke y wo r ds s h e a r i ng m a c hi n e CNC S ys t e m ARM 0 引 言 数控 系 统是 现 化 制 造 业 的 核 心 技 术 是 衡 量 一 个 国家制 造 业 水 平 的重 要 标 志 之 一 数 控 剪 板 机 是 板材 加工 企 业 的 关 键 生 产 设 备 目前 我 国数 控 剪 板机 年产 量在 3 0 0 0台左 右 但 绝 大 多 数 配置 国外 剪 板机 专用 数控 系 统 因 此 迫切 需 要 开 发 实用 有 自主 知识 产权 的剪板 机 专 用数 控 系统 本 文 从 剪 板 机 的 结构 工 作 原 理 剪板 机 数 控 系 统 的设 计 要 求 硬 件 和 软件平 台设计 等 方 面 采 用模 块 化 的方法 介 绍 剪 板 机数 控系 统 的开发 设计 l 数控 系统 设计要求 1 1 剪板 机 结构 及 工作原 理 剪 板 机结 构 剪板 机 种 类 繁 多 后 档 料 闸 式 剪 板 机 代 表 剪 板 机 的发展 方 向 其 结构 简 图 如 图 1所 示 剪 板 机是 借 于运 动 的 上 刀 片 9 和 固定 的下 刀 片 3 采 用 合 理 的 刀 片 间 隙 对 各 种 厚 度 的金 属 板 材 1 施 加 剪 切 力 使 板 材 按 所 需 要 的 尺 寸 断 裂 分 离 1 0 口 1 板材2 工 作 台 3 F 4 托 料 架 5 后 档 料 6 联 轴 器 7 侧 服 电 机 8 滚珠 丝杠 9 上刀 1 0 压料块 图 1剪 板 机 结 构 工作原理 通 电开 机后 数 控 系统 检 测 各工 作 机 构 的状 态 机床 后 档料 首 先 自动 寻 参 考 点 上 刀 架 回到 上 死 点 可 以通 过 操 作 面 板 选 择 或 编 辑 程 序 按 启 动 按 收 稿 日期 2 O 1 l一 0 6 0 1 作者简介 李轲 1 9 7 3 一 男 山东烟 台人 烟台工程 职业技术学 院副教授 研究 方向为机 械制造 E 2 0 1 1年 1 O月 李 轲 等 基于 A R M 剪板机数控系统模块化开发 7 3 钮 运行程序进行 自动剪切 也可以手动剪切操作 在执 行程 序过 程 中 数 控 系 统 通 过预 读 程 序 首 先 自动 计 算 剪 切 角 度 剪 切 行 程 调 整 刀 口间 隙 剪 切力 丝杠 移 动被剪 切材 料 到 达规 定 位置 由伺 服 电 机实 时反 馈调 整位 置尺 寸 夹 钳 按数 控 系 统计 算 的 压力 压紧铁 板 压 紧信 号 到达 后 剪 刀 按计 算 或 设 定 的剪程 剪 断板料 剪 切 完成 后 剪 刀 快 速后 退 至 上 死 点 同时夹钳松 开 系统计数并与设定值 进行 比较 决定下步的执行情况 1 2剪 板机 数控 系统 设计 要求 根 据剪 板 机 结 构 及 工 作 原 理 结 合 剪 板 机 的 工 作 特点 要 开发设 计 高 档 的剪 板 机数 控 系 统 除 了具 有 常备 功能 外 应 具有 以下 主要 功能 控制功能 剪板 机数 控 系统 控制 功 能 包 括 后档 料 X轴 控 制 剪切 角度 剪切 行程 退 让 功 能 后 档 料伺 服 双 速 电机或 带方 向控 制 单 极 性输 出控 制 方 式 轴 剪 切角 刀 口间隙 压力非线性修正表 单双边定位等 编程功能 剪板机数控系统具有数据编程 后档料位置 退 让功 能 角 度 编 程 间 隙 编 程 剪 切 行 程 重 复 次 数 材料类 型 板材 厚 度 剪切 计 数 板 材位 置 轴 速 度 等 功能 计算功能 剪板机数控系统可以对 轴 自动计算剪切角 刀口间隙 剪切行程 压力 夹紧压力 剪切压力 等 自动计算 2剪板机数控 系统总体设计 由于剪 板 机 种 类 很 多 为 满 足 不 同类 型 剪 板 机 的需要 须 开发设 计 具 有通 用 性 的剪 板 机 数 控 系统 为 此 我 们 以 A R M 为 剪 板 机 数 控 系 统 的硬 件 平 台 以源代码开放 的实时操作系统 L i n u x为软件平台 采 用开放式 体系结构 按模块式进行标准化 通用化 系列 化 研 发 构 建 剪 板 机 数 控 系 统 平 台 剪 板 机 数 控 系统 总体 结构模 式 如 图 2示 3硬件 平台结构 设计 硬件平台的设计是 以 A R M 3 C 2 4 4 0 A 4 0 0 MH z 为 C P U主控板 E P 2 C 8 Q 2 0 8 C 8 N作为 I O和伺服轴 控制 A R M 和 F P G A通 过 1 6位 数 据 地 址 总 线 通 信 构成 剪 板机数 控 系 统 的硬 件 开发 平 台 数 控 系 统硬 件 结构 如 图 3所 示 剪 板 机 硬 件 系 统 分 电 源模 块 A R M 最 小 系统 A R M 外设 伺 服 轴 模 块 I O模 块 A D D A模 块 A R M F P G A通信等模块 进行研发设计 剪板机控制应用程序 执 行 应 用 程 序 i f 调 用 函 数 嵌人式文件系统 f 函数库 l 加 载 文 件 系 统 彳 f l 系统调用接口 嵌 入 式 n u x 内 核 j l 设备驱动 传 递 鏖 堑 妻 数 加 载 内 核 l I B o o t l o a d e r 硬件中述 初始化 访问设 7 硬件设备 统调用 图 2 系 统 总 体 结 构 模 式 A R M最 小 系统模 块 主要包 括 C P U S 3 C 2 4 4 0 A 时 钟 1 2 M S D R A M 2 3 2 M F L A S H 6 4 M 以及 J T A G接 口 A R M 外 设 模 块 包 括 S P I 接 口 U S B 接 口 S D卡 接 口 以太 网接 口和 L C D接 口 伺 服 轴 模 块 由编码 器输 入 脉 冲输 出 以及 驱 动 器 控 制 I O组 成 A D D A模 块包 括 4路 模 拟 输 入 1 2位 和 4路 模拟输出 通过 A D 5 3 2 4将 F P G A产生 的数字信号转 换为 模拟信 号 输 出 通过 A D 7 9 2 3将 外 部输 入 的模 拟 信 号转 换 为 1 2位 的数 字信 号送 F P G A处 理 A R M F P G A通信模块 主要包括双 口 R A M 编址 模 块 时钟 管理 模块 F P G A读写 R A M 模块 F P G A读 写 管 理模块 以及 复 位管 理模 块 等 A R M F P G A通 信 模块功能 是将数据采 集模块 采集 的数据 上传 到在 A R M 中运 行 的数 控 系 统 中 将 数 控 系统 发 出 的 指 令 发送到数据输 出模块 对 数据 传输 的过程 进行 控 制 防止数据 的丢失或者错误 确 保数据传输稳 定 高 速进 行 4数控 系统软件平台设计 因 L i n u x 具 有 开放 源代 码 内核 小 功 能强 大 易 于定 制裁 减 运行 稳 定 系 统健 壮 效 率 高 等优 点 为 此我们采用 L i n u x为软件平台开发剪板机数控系统 剪板 机 数控 系统 软件平 台结 构如 图 4示 剪 板机数 控 系 统 软 件 平 台 主要 包 括 主 控 制 器 剪切 管理 系 统维 护 网络接 口等 模块 主控 制器 模 块 对 系 统 进 行 初 始 化 实 现 各 分 支 模块间的数据通信 以及参数传递功能 处理软件 硬 件中断信号 协调各个模块 剪切管理模块包括 剪切 准备 参数输入 参数确认 定位 剪 切 退让 刀架返 回 系统 维 护 包 括 管 理 参 数 设 置 实 现 所 有 部 件 自 检 剪板 机工 作 中 的管理 和故 障 显示 负责 整 个 系 统 备 份 和升级 管 理 网络接 口 留有 R S 2 3 2 T C P I P U S B 等接 口 实现数据传 输 其应用程序 的详 细控 制如 图 5示 7 4 组 合机 床 与 自动化 加工 技术 第 1 O期 图 3 剪板机数控 系统硬件 结构 图 4剪板机数控软件平 台示意 图 图 5应 用 程 序 详细 框 图 5 结 束 语 将嵌 入式 技 术 应 用 于 开 放 式 数 控 系 统 中 采 用 A R M9处 理 器和单 片控制 器 为硬件 平 台 基 于 开 源 的 L i n u x操作 系 统 作 为 软 件 平 台 开 发 结 构 开 放 模 块 化 的数控 系统 加 工平 台 该 数 控 系 统硬 件 结 构 简 单 软件 开发 资 源丰 富 开 源 系统 性 能 稳 定 健 壮 开发 成本 低 扩充 功能 模 块 方便 有广 阔 的应 用 前 景 通 过对 数控 系 统 的一 些 功 能进 行 模 拟 测 试 和试 验 基 本达 到 了预 期 效 果 为 剪 板 机 数 控 系统 的 最 终 完 成 奠定 了基 础 参考文献 1 彭建声 冷冲压技术 问答 第 2版 M