基于ARM-CPLD 的可编程金属带锯床控制系统*

2015-11-18朱雅光程志海吴永平

机电工程 2015年12期

朱雅光，程志海，吴永平

(长安大学道路施工技术与装备教育部重点实验室，陕西西安 710000)

0 引言

随着现代制造工业朝着高效、高精度和经济性的方向发展，锯切作为金切加工的起点，已成为零件加工过程中重要的组成环节。锯切可以节约材料、减少二次加工量和提高生产效率。实现金属带锯床［1-3］的自动化是必然发展趋势，而目前自动化技术在向集成化、智能化和网络化方向发展。目前嵌入式技术ARM 已经得到了广泛应用，CPLD 器件也经常用在各行各业，但在金属带锯床目前主要使用的还是传统分散、断续的控制方法，这种控制操作复杂、线路繁琐、精度不高、维修困难，可靠度低，很难适应现在产业的发展。另有一种基于PLC 的控制方法，但其造价昂贵，而且PLC的程序已经集成，编程的灵活性受到限制。

本研究设计的基于ARM-CPLD 的金属带锯床控制系统采用先进的变频电动机驱动、精密光栅定位方式、输入输出光耦隔离，配以基于ARM和CPLD 芯片控制电路，由计算机自动在线监控锯切全过程，锯条速度、进给速度、卡紧力均可做到任意设置、最优化组合，由此来提高锯床的加工精度。

与传统技术相比，本研究设计实现精确化控制，且拥有极高的编程的灵活性，对金属带锯床控制系统的研究有重大意义，同时也具有较大的经济价值［4］。

1 控制系统硬件设计

本研究根据数控切条机控制系统的要求，采用32位ARM+CPLD 为核心架构的新一代锯床控制系统。该控制器管理能力强大，有较强的通信能力，ARM 可方便扩展CAN 工业总线，485 通讯接口，ISP 网络接口，RS232 通信接口，USB 等。CPLD 点数扩展方便，输入/输出点数依需求最高可扩展至100个。

系统结构图如图1 所示。

图1 金属带锯床控制系统结构

图1 中，控制器CPLD 芯片通过2 路光栅［5］、3个限位开关(上限位、下限位、原点限位)、温度传感器、变频器获取锯床工作状态;上位机ARM［6］通过RS232、RS485接口将锯床工作状态传输到LCD 显示并处理，发出应答指令给CPLD;最后由CPLD 输出信号通过光耦传输给电磁驱动器和继电器来控制电机动作，进而控制整个金属带锯床的运作。上位机ARM与控制器CPLD 通过串口USART和SPI 进行数据传输［7-8］。

1.1 主要元器件的选型

该系统以ARM 芯片LPC2368 作为核心控制器，包含了Ethernet MAC、USB 2.0 全速接口、4个UART、2 路CAN 通道、1个SPI接口、2个同步串行端口(SSP)、3个I2C接口、1个I2S接口外围扩展了RS232、485、CAN、JTAG接口、ISP、E2PROM、LCD 等功能模块。以CPLD 芯片EPM1270GT144C5 作为协控制器，解决了I/O 口、4×8 键盘的扩展，并实现了键盘、光电编码器、输入的中断请求［9］。本研究控制器采用的LCD液晶显示屏信号为KNY240128B［10-13］，KNY240128B 是一种图形点阵液晶显示器。它主要采用动态驱动原理由行驱动器、控制器和列驱动器3 部分组成了240(列)×128(行)的全点阵液晶显示。

1.2 电路模块的设计

该系统电源供电模块:外围电路供电PWB2405(C)是隔离稳压模块电源。输入额定电压为24 V，输出电压为±5 V，最大输出电流为±1 000 mA，。核心板供电SPX29150 是1.5 A 低压差稳压器，输出电压为3.3 V，输入电压范围为2.5 V～16 V，静态电路为900 μA，具体电路如图2 所示。

图2 电源供电电路

1.2.1 输入接口电路

该系统通过2 路光栅，准确获取锯架和送料车床的位置及速度，通过光电耦合器HCPL2630 连接CPLD，将数据传给上位机ARM 处理。系统通过3个限位开关，准确判断是否到达锯架的上、限位和车床的原点限位3个极限位置，通过光耦连接CPLD，再将数据传给ARM。

限位信号输入电路如图3 所示。

图3 限位信号输入电路

1.2.2 输出接口电路

ARM 发出指令，CPLD 通过3个光耦与12个继电器连接［14-15］，驱动电磁驱动板来使电机做出相应动作。其中，2个接口如图4 所示。

图4 CPLD 输出电路

实物接线如图5 所示。

图5 控制器PCB 电路板

2 控制系统软件设计

2.1 上位机软件系统

本研究采用ARM 芯片LPC2368 作为上位机，通过USART 串口和SPI 串口与下位机CPLD 相连传输数据。一方面作为锯床运行状态监控的人机交互界面，另一方面对监测的数据进行分析处理，控制机器的运行。

该控制器界面采用16.7 M 色7 寸真彩触摸液晶屏，集成了触摸屏操作与按钮操作。主控界面主要完成一些主要参数的设定以及主要实时参数的显示，并且一些系统重要检测的开关也设定在该界面。如锯刀的上限位和下限位指示灯、送料原点和无料检测指示灯、断带检测和原点开关指示灯、当前锯轮速度、锯切位置、当前料架位置、刀具补偿、完成数量、任务数量等参数，以及油泵开关、回原点、总停等按钮。主控界面如图6 所示。在选择自动模式且配置好加工尺寸、加工数量等参数后，锯床可自动运行切割直至完成所设定数量。

图6 主控界面

2.2 控制系统工作流程

本研究通过一定的扫描时间对CPLD 的状态进行扫描，当送料车和刀架完成相应动作后，CPLD 会有相应的一个状态位，ARM 通过SPI 扫描CPLD 的状态位，对状态位进行置位处理，并发命令使CPLD 中的相应控制位改变，控制锯床下一步的动作及状态。

(1)通过光栅1 来扫描送料车床位置，将位置信号由CPLD 传给上位机ARM，判断送料车是否在机械原点，如果在，由CPLD 控制电磁驱动板使送料车床后退;

(2)如果送料车退回设定位置，就通过ARM 发送命令给CPLD 控制电磁驱动板使后钳口夹紧;

(3)通过ARM 的定时器TIMER1 设定后钳夹紧时间，如果夹紧时间到达，则产生中断位，由ARM和CPLD 发送指令使送料车床前进;

(4)如果送料车前进到原点处，原点开关LED0 闪烁，驱动前钳夹紧，后钳松开;

(5)由ARM 的定时器TIMER1 设定后钳松开时间，如果松开时间到达，则产生中断，控制送料车后退;

(6)当送料车后退至设定距离，通过ARM 发送命令至CPLD 控制继电器驱动电磁驱动板使后钳夹紧;

(7)如果后钳夹紧时间到，通过ARM 发送命令给CPLD 控制电磁驱动板使锯架下降，同时用光栅2 扫描锯架位置，并将位置信息传送到ARM 中;

(8)如果锯架到达下限位置，下限位LED1 发光，ARM 发送命令给CPLD 控制锯架上升;

(9)如果锯架到达上限位置，上限位LED2 发光，ARM 发送命令给CPLD 控制前钳松开;

(10)由ARM 中的定时器TIMER2 设定前钳松开时间，如果到达，则产生中断，送料车床后退至设定位置，形成循环控制。控制系统工作流程图如图7 所示。

3 实验及结果分析

图7 控制系统工作流程图

本研究测试进行直径100 mm，总长5 m 金属棒料的连续切割，选择自动模式，配置锯条偏移距离1.5 mm，额定报警电流10 A，切割速度0.5 mm/s，加工尺寸5 组、分别为1 mm，3 mm，5 mm，10 mm，150 mm，对应的加工数量为10，5，2，1，1。结果表明，整个过程系统运行稳定，各接触开关按时开启关闭，各定时功能定时准确。ARM 与CPLD 通讯精确无误。上位机显示正确，界面响应快速无滞后。测试锯床用于粗加工，整个测试过程切割距离误差不超过0.01 mm，且重复精度高，若精确测量锯条偏移距离可用于要求较低的精加工。对金属带锯床系统界面经过反复调试，其运行稳定，数据无丢失，无溢出。而且，该控制器预留有CAN 总线接口，可用于扩展拓扑结构多机联合加工，能全自动进行切割工作，操作简单。