基于嵌入式系統(tǒng)的裝模高度監(jiān)測(cè)控制器設(shè)計(jì)

基于嵌入式系統(tǒng)的裝模高度監(jiān)測(cè)控制器設(shè)計(jì)

（1）數(shù)據(jù)采集模塊：磁厚線性位移傳感器由rs-232組成，rs-485接口由斯塔勒姆-被俘的線性位移傳感器組成。(2)主控制器模塊:基于PC/104總線的嵌入式單板電腦。(3)人機(jī)交互模塊:觸摸顯示器。(4)電機(jī)執(zhí)行模塊:由繼電器輸出卡、光電隔離電路、SSR電路、電機(jī)及螺旋升降機(jī)組成。該控制器工作過(guò)程是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng),首先由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲取沖床滑塊高度,并與人機(jī)交互模塊獲得的輸入裝模信息進(jìn)行比較,分析設(shè)置參數(shù)與實(shí)際位置關(guān)系,控制繼電器卡不同通道輸出繼電器控制信號(hào),通過(guò)光電隔離電路及固態(tài)繼電器電路,一通道繼電器卡輸出控制SSR電路使電機(jī)正傳,另一通道輸出使電機(jī)反轉(zhuǎn)。電機(jī)控制螺旋升降機(jī)使沖床滑塊能夠上下移動(dòng)。該控制器除電機(jī)和升降機(jī)機(jī)械裝置之外,全部采用軟、硬結(jié)合的設(shè)計(jì)方法。軟件、硬件設(shè)計(jì)安裝相互配合。2德國(guó)開(kāi)發(fā)沿河探測(cè)器的硬件設(shè)計(jì)2.1pc系統(tǒng)研發(fā)模塊該裝模高度控制器采用基于PC/104總線的嵌入式單板電腦作為主控制器。PC/104是一種工業(yè)計(jì)算機(jī)總線標(biāo)準(zhǔn)。它是一種專門為嵌入式控制而定義的工業(yè)控制總線,是一種優(yōu)化的、小型、堆棧式結(jié)構(gòu)的嵌入式控制系統(tǒng)。它的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械尺寸是96mm×90mm,總線以“針”和“孔”形式層疊連接,有靈活的可擴(kuò)展性,增加系統(tǒng)的功能和性能只需要改變相應(yīng)的模塊。層疊式結(jié)構(gòu)有極好的抗震性,適合沖床生產(chǎn)中震動(dòng)強(qiáng)度比較大的環(huán)境。4mA的總線驅(qū)動(dòng)電流,低功耗、有利于減少元件數(shù)量,降低系統(tǒng)溫度,提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。與PC系統(tǒng)兼容的操作系統(tǒng)、開(kāi)發(fā)工具、應(yīng)用軟件,用戶可以利用PC系統(tǒng)豐富的軟件資源,縮短軟件開(kāi)發(fā)成本和周期。該模塊主要完成信息儲(chǔ)存、接收用戶操作信息、控制人機(jī)交互模塊顯示信息、接收采集數(shù)據(jù)以及發(fā)出電機(jī)控制信號(hào)等功能。本文選用威強(qiáng)WAFER—945GSE嵌入式單板電腦,其數(shù)據(jù)傳遞及接口如圖2所示。串口COM1通過(guò)RS—232轉(zhuǎn)RS—485與位移傳感器通信,采集位置數(shù)據(jù),VGA接口與COM2實(shí)現(xiàn)觸摸顯示器的圖像顯示及用戶輸入信息與用戶操作信息。PC/104擴(kuò)展槽連接繼電器卡,實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)的輸出。大容量的SDRAM及CompactFlash保證有足夠的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存空間。最后安裝操作系統(tǒng)、觸摸顯示器驅(qū)動(dòng)等軟件。2.2rs—數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集模塊使用的是康宇公司的KYDM型同步串行接口(SSI)的磁致伸縮線性位移傳感器,它通過(guò)非接觸式的測(cè)控技術(shù)精確地檢測(cè)活動(dòng)磁環(huán)的絕對(duì)位置來(lái)測(cè)量被檢測(cè)產(chǎn)品的實(shí)際位移值的,精度可以達(dá)到5μm。SSI是一種常用的工業(yè)用通信接口,無(wú)需通過(guò)增加數(shù)據(jù)電纜芯數(shù)來(lái)提高編碼器的精度,它通過(guò)時(shí)鐘和數(shù)據(jù)的串行方式來(lái)傳輸信息。SSI接口有一對(duì)數(shù)據(jù)線和一對(duì)時(shí)鐘線,當(dāng)傳感器從控制器接收到一串脈沖信號(hào)時(shí),數(shù)據(jù)被一位一位取出。該接口時(shí)鐘信號(hào)(CLK)和數(shù)據(jù)信號(hào)(DTA)以RS—422/RS—485電氣標(biāo)準(zhǔn)特性傳輸,差分信號(hào)驅(qū)動(dòng)傳輸電路。這樣可以提高抗電磁干擾(EMI),尤其是在工業(yè)環(huán)境中或是長(zhǎng)距離的數(shù)據(jù)傳輸。SSI的時(shí)序如圖3所示。“tp”是兩個(gè)時(shí)鐘序列之間的時(shí)間延時(shí),也即兩個(gè)數(shù)據(jù)傳輸之間的時(shí)間,必須長(zhǎng)于21μs。“tm”表示傳輸暫停,即使編碼器知道數(shù)據(jù)傳輸已經(jīng)完成。當(dāng)沒(méi)有傳輸時(shí),數(shù)據(jù)線保持高電平,在時(shí)鐘信號(hào)的第一個(gè)下降沿來(lái)到時(shí),數(shù)據(jù)傳輸開(kāi)始,數(shù)據(jù)線依舊保持高電平,在第一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)上升沿時(shí),最高位數(shù)據(jù)信息被傳輸,之后每個(gè)時(shí)鐘上升沿都會(huì)傳輸一位數(shù)據(jù),當(dāng)數(shù)據(jù)最低位被傳輸完畢時(shí),下一個(gè)時(shí)鐘上升沿將會(huì)使數(shù)據(jù)線保持低電平,保持(20±1)μs。之后編碼器更新數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)線變成高電平,準(zhǔn)備下一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸。該過(guò)程中時(shí)鐘頻率介于50kHz～2MHz,其中最小頻率取決于tm的大小,當(dāng)tm為(20±1)μs時(shí),時(shí)鐘頻率最低為50kHz。SSI是采用RS—485串口通信協(xié)議,主控制器模塊采用RS—232標(biāo)準(zhǔn),為了正常通信加入MAX490來(lái)實(shí)現(xiàn)通信信號(hào)的轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)采集模塊工作時(shí),傳感器讀出活動(dòng)磁環(huán)(傳感器自帶)的位置,內(nèi)部電路將其轉(zhuǎn)換成24位二進(jìn)制的串聯(lián)數(shù)據(jù)保存在內(nèi)部寄存器中,收到同步時(shí)鐘信號(hào)后,以串聯(lián)方式通過(guò)SSI接口發(fā)送數(shù)據(jù)。經(jīng)轉(zhuǎn)換成為符合RS—232電氣特性的數(shù)據(jù),由主控制模塊讀取。2.3電機(jī)輸出驅(qū)動(dòng)電機(jī)與發(fā)電機(jī)的連接方式固態(tài)繼電器簡(jiǎn)稱SSR,它是用半導(dǎo)體器件代替?zhèn)鹘y(tǒng)電接點(diǎn)作為切換裝置的具有繼電器特性的無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)器件,輸入端加上直流或脈沖信號(hào)到一定電流值后,輸出端就能從斷態(tài)轉(zhuǎn)變成通態(tài),以微小的控制信號(hào)達(dá)到直接驅(qū)動(dòng)大電流負(fù)載。SSR電路如圖4,當(dāng)輸入端A路獲得信號(hào),電機(jī)正轉(zhuǎn),B路獲得信號(hào),電機(jī)電源端其中兩相改變接線方式,電機(jī)反轉(zhuǎn)。在A、B端設(shè)有光電隔離電路,減少系統(tǒng)共模干擾。系統(tǒng)所用電機(jī)為三相齒輪減速電機(jī),三相連接方式輸出1720RPM,在電機(jī)的輸出端有一個(gè)5∶1的減速器,降低滑塊移動(dòng)速度,電機(jī)內(nèi)部設(shè)置剎車系統(tǒng),確保定位精度。電機(jī)輸出驅(qū)動(dòng)升降機(jī)內(nèi)蝸桿旋轉(zhuǎn),蝸桿驅(qū)動(dòng)蝸輪減速旋轉(zhuǎn),蝸輪與蝸桿的減速比為16∶1,蝸桿輸入一轉(zhuǎn)絲杠運(yùn)行0.25mm,900mm行程上的導(dǎo)程誤差為0.1mm,傳感器磁環(huán)與升降機(jī)下端法蘭盤固定在同一水平面上。運(yùn)行時(shí),法蘭盤帶動(dòng)磁環(huán)一起上下移動(dòng)。人機(jī)交互模塊使用觸摸顯示器,用戶通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)該控制器的必要操作,如信息輸入、信息顯示和其它功能的實(shí)現(xiàn)。3usb軟件設(shè)計(jì)該控制器軟件采用MicrosoftVisualC++集成開(kāi)發(fā)環(huán)境,開(kāi)發(fā)Windows應(yīng)用程序,主要包括以下幾個(gè)方面內(nèi)容:數(shù)據(jù)庫(kù)管理、繼電器輸出控制、串口通信、軟鍵盤的實(shí)現(xiàn)和界面美化。數(shù)據(jù)庫(kù)管理主要用于管理員信息管理、沖床信息管理和模具信息管理等部分,采用MFCODBC對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行訪問(wèn),數(shù)據(jù)庫(kù)采用MicrosoftAccess2003。在程序中新建不同的類,設(shè)置基類為CRecordset分別關(guān)聯(lián)對(duì)應(yīng)的表。利用CRecordset類下的函數(shù)對(duì)不同的表進(jìn)行添加、修改、刪除等操作。繼電器輸出部分應(yīng)用接口函數(shù),在程序中添加動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù),在軟件運(yùn)行時(shí)首先對(duì)繼電器卡進(jìn)行初始化,在控制時(shí)使用函數(shù)ART2525_SetDeviceDO對(duì)繼電器卡進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制。串口通信使用CSerialPort類,該類的函數(shù)開(kāi)放透明,只需編寫(xiě)數(shù)據(jù)接收函數(shù)。CSerialPort類中有多個(gè)串口消息可以響應(yīng),在該軟件中只需處理WM_COMM_RXCHAR消息,人工添加消息處理函數(shù),根據(jù)數(shù)據(jù)格式,整理接收數(shù)據(jù),獲得傳感器位移信息。軟鍵盤通過(guò)VC宏命令產(chǎn)生一系列的BUTTON控件,在程序內(nèi)部模擬鍵盤按鍵消息,不同的BUTTON對(duì)應(yīng)不同的按鍵,實(shí)現(xiàn)虛擬鍵盤功能。通過(guò)重寫(xiě)OnCtlColor、OnPaint函數(shù)和利用外部美化按鈕類等方法對(duì)界面進(jìn)行美化。除了上述內(nèi)容之外,該軟件還設(shè)計(jì)一報(bào)警系統(tǒng),主要通過(guò)比較采集數(shù)據(jù)是否在控制器已存儲(chǔ)的安全數(shù)據(jù)范圍內(nèi),判斷沖床是否工作正常。如出現(xiàn)異常,立刻關(guān)閉系統(tǒng),并報(bào)警。4控制器動(dòng)態(tài)調(diào)整特性裝模高度控制器完成后,在一沖床實(shí)驗(yàn)臺(tái)上對(duì)其進(jìn)行了功能與性能的測(cè)試。圖5為測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)照片,圖片中指出了各個(gè)部分的名稱。開(kāi)始測(cè)試時(shí),打開(kāi)控制器,輸入模具編號(hào)查找裝模高度,或者直接輸入裝模高度,點(diǎn)擊自動(dòng)調(diào)整按鈕,當(dāng)磁環(huán)到達(dá)裝模高度時(shí),控制器發(fā)出停止信號(hào),由于電機(jī)在高度運(yùn)轉(zhuǎn)中突然停止慣性的因素,會(huì)過(guò)沖0.2mm—0.35mm的距離,延時(shí)2s待電機(jī)穩(wěn)定。根據(jù)對(duì)實(shí)時(shí)位置與目標(biāo)位置的比較,控制電機(jī)朝反方向運(yùn)行(0.1—03)s,(磁環(huán)位移數(shù)據(jù)如表1)重復(fù)以上動(dòng)作,直至達(dá)到目標(biāo)位置。如調(diào)整10次仍不能達(dá)到目標(biāo)位置,控制器停止調(diào)整,顯示進(jìn)行手動(dòng)操作。每點(diǎn)擊一次上、下按鈕,電機(jī)運(yùn)行0.1s。為測(cè)試該控制器的精度及運(yùn)行狀況,設(shè)置3組模具裝模高度信息,測(cè)試結(jié)果如表2。表2顯示,在允許誤差0.05mm范圍內(nèi),三種目標(biāo)裝模高度均能在10次內(nèi)完成自動(dòng)調(diào)整。大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其自動(dòng)調(diào)整控制精度可達(dá)0.05mm,運(yùn)行穩(wěn)定。如配合手動(dòng)調(diào)整,可以有更高的精度,完全滿足國(guó)內(nèi)小型沖壓機(jī)械裝模位置0.1mm精度的要求。為了測(cè)試控制器報(bào)警功能,人為移動(dòng)傳感器磁環(huán)位置使其超出沖床允許行程,以模擬可能出現(xiàn)的機(jī)械故障。此時(shí),控制器立刻停止運(yùn)行,開(kāi)始報(bào)警。經(jīng)過(guò)一系列的測(cè)試以及實(shí)驗(yàn)表明該控制器達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。5基于ssi接口數(shù)據(jù)的控制器本文設(shè)計(jì)了一種基于嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的裝模高度監(jiān)測(cè)控制器。該控制器由PC/104總線主控制器、SSI接口數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、人機(jī)交互和電機(jī)控制模塊組成,可實(shí)現(xiàn)對(duì)模具信息管理,裝模高度監(jiān)測(cè)及控制等功能。經(jīng)測(cè)試,該控制器具有功耗小、成本低、穩(wěn)定性強(qiáng),精度高等特性,將應(yīng)用于實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中。本文研發(fā)的沖床裝模高度監(jiān)測(cè)控制器由四大功能模塊組成,如圖1所示。1生產(chǎn)安全生產(chǎn)設(shè)備本文應(yīng)用PC/104總線嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法,控制精度可達(dá)0.05mm,成本降低,硬件平臺(tái)擴(kuò)展性好,信息儲(chǔ)存能力強(qiáng)大。軟件設(shè)計(jì)人性化,顯示信息全面,多功能界面,操作簡(jiǎn)單,建立模具信息數(shù)據(jù)庫(kù),方便管理,而且增加報(bào)警功能,提高生產(chǎn)安全性。沖床是一種廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的機(jī)械加工設(shè)備,小型沖床的裝模調(diào)模過(guò)程全部都由人工操作,效率低、精度差,生產(chǎn)中會(huì)經(jīng)常更換模具,這會(huì)浪費(fèi)大量時(shí)間。而且由于手工操作,相同產(chǎn)品不同批次也會(huì)產(chǎn)生質(zhì)量差