基于ARM的剪切生产线数控系统

0 引言

随着我国制造业的飞速发展，对机加配件的加工精度和生产效率的要求越来越高，对企业生产过程的自动化程度也提出了很高的要求。棒料是各种模锻件、辊锻件、辗压件生产用的主要原料，而棒料剪断机就是为这些锻压工艺准备坯料的剪切下料设备。早期的剪切系统电气控制普遍采用交流接触器和继电器进行控制，经过长年使用，部件老化，设备故障频发。在维护中由于分立元件众多，集成度差，许多故障不能及时处理，给企业生产带来诸多不便。

由于PLC伺服控制系统具有定位精度高、响应速度快、抗干扰能力强、运行平稳等特性，采用可编程序控制器(PLC)控制系统的高精度自动剪切生产线的应用越来越广泛。但PLC还是软PLC技术，都有实时性不强的缺点，很难实现复杂、快速的时序控制，而且对网络的支持能力较差，因此，在需要对传感器信号进行高速A/D转换、实时采样以及实现企业生产过程智能化、信息化、网络化管理时，PLC就不适用了。而基于ARM嵌入式系统的出现，为工业控制提供了更好的开发与应用平台。它外设资源丰富，具备各种接口，同时提供可扩展接口，扩展方便;采用嵌入式实时操作系统，具有强大的软件处理能力，可实现复杂控制;具有PC机的诸多特点，同时又比PC机和工控机价格低;软硬件(包括操作系统)可裁剪、配置灵活;支持大屏幕液晶显示，可提供可视化界面显示;具备联网能力，可通过直接通过网口接入本地局域网或远程网，为生产的远程实时监控和管理提供了可能。

基于以上比较，本文提出一种基于ARM的嵌入式棒料剪切生产线数控系统，该系统以ARM处理器为核心，搭载嵌入式Linux操作系统，具有可扩展的输入、输出控制I/O节点及多种现场总线接口、能实现剪切自动控制、挡料器控制、自动翻转送料架控制、提高棒料加工精度;支持大尺寸LCD显示屏，支持网络和嵌入式数据库，智能性、实时性好，方便生产过程协调监管、监控，嵌入式数据库能够实现加工数据的有效管理，可自动完成加工轨迹的各种调整与控制，实现自适应的模型参数调整。

1 总体设计

整个剪切生产线系统包括中心控制机、切割系统、挡料器和自动翻转送料系统。总体框图如图1所示。

图1 总体框图

实际的电气部件包括操作台按钮、显示灯，各种控制开关及电动机。其中操作台包括旋转编码器、自锁式按钮、普通按钮、钥匙按钮、二位置旋转按钮、转换开关、计数器、显示灯;控制开关包括接近开关，压力开关，液位开关，行程开关，凸轮开关，光电开关;电磁阀，交流继电器，交流接触器;电机包括主电动机、出料电机、挡板电机、润滑电机。此外还有变压器、断路器及噪声滤波器等部件。

2 中控机系统

该中控系统以ARM9核心板为中心，通过GPIO扩展板将有限的输入输出I/O扩展成足够数量的输入输出控制节点，能够接收系统中各种按钮、凸轮开关、光电开关等输入开关信号;根据程序和预先设定的参数，给出输出开关量，控制电磁阀、继电器、接触器的动作，同时通过高速脉冲输出向伺服驱动器发出一定数量的脉冲数，控制伺服电机的运转。输入及输出接口都使用光电隔离模块，既实现了抗干扰的目的，又能够实现对接口部分的电平转换。根据ARM输出端信号，变频器控制电动机的正反转及转速，从而实现对卷料的释放和回收。伺服驱动器根据ARM板高速脉冲输出端发出脉冲的个数、频率控制伺服电机的转动位置及速度，从而精确地给出送料长度。采用10英寸液晶显示屏，为用户提供了良好的人机交互界面，用户可以通过该屏幕直接设定参数，整个剪切系统的工作状态、动作信息可以直观地反映给用户。ARM与变频器、伺服器之间通过RS232串口通信，实现程序下载、参数设置、状态查询等即时的数据交换，最终使整个生产线设备能够协调运行。中控机框图如图2所示。

图2 中控机框图

2.1 ARM核心板

ARM核心板基于ARM处理器S3C2410X，采用6层板设计。S3C2410X使用ARM920T核，内部带有全性能的MMU(内存处理单元)，具有高性能、低功耗、接口丰富和体积小等优良特性。该芯片集成了大量的功能单元，包括:内部1.8V，存储器3.3V，外部I/O3.3V，MMU;内置外部存储器控制器;LCD控制器，1个LCD专用DMA;4路带外部请求线的DMA;3个通用异步串行端口，2通道SPI;一个多主IIC总线，一个IIS总线控制器;SD主接口版本1．0和多媒体卡协议版本2．11兼容;2个USBHOST，一个USBDEVICE(V1．1);4个PWM定时器和一个内部定时器;看门狗定时器;117个通用I/O;24个外部中断;电源控制模式:标准、慢速、休眠、掉电;8通道10位ADC和触摸屏接口;16/32位RISC体系结构，使用ARM920TCPU核的强大指令集。

该核心板在