基于嵌入式系統(tǒng)的裝模高度監(jiān)測控制器設(shè)計

基于嵌入式系統(tǒng)的裝模高度監(jiān)測控制器設(shè)計

（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)人機交互模塊:觸摸顯示器。(4)電機執(zhí)行模塊:由繼電器輸出卡、光電隔離電路、SSR電路、電機及螺旋升降機組成。該控制器工作過程是一個閉環(huán)控制系統(tǒng),首先由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實時獲取沖床滑塊高度,并與人機交互模塊獲得的輸入裝模信息進行比較,分析設(shè)置參數(shù)與實際位置關(guān)系,控制繼電器卡不同通道輸出繼電器控制信號,通過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電路使電機正傳,另一通道輸出使電機反轉(zhuǎn)。電機控制螺旋升降機使沖床滑塊能夠上下移動。該控制器除電機和升降機機械裝置之外,全部采用軟、硬結(jié)合的設(shè)計方法。軟件、硬件設(shè)計安裝相互配合。2德國開發(fā)沿河探測器的硬件設(shè)計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)計算機總線標準。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)。它的標準機械尺寸是96mm×90mm,總線以“針”和“孔”形式層疊連接,有靈活的可擴展性,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)中震動強度比較大的環(huán)境。4mA的總線驅(qū)動電流,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,縮短軟件開發(fā)成本和周期。該模塊主要完成信息儲存、接收用戶操作信息、控制人機交互模塊顯示信息、接收采集數(shù)據(jù)以及發(fā)出電機控制信號等功能。本文選用威強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擴展槽連接繼電器卡,實現(xiàn)控制信號的輸出。大容量的SDRAM及CompactFlash保證有足夠的數(shù)據(jù)儲存空間。最后安裝操作系統(tǒng)、觸摸顯示器驅(qū)動等軟件。2.2rs—數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計數(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,它通過非接觸式的測控技術(shù)精確地檢測活動磁環(huán)的絕對位置來測量被檢測產(chǎn)品的實際位移值的,精度可以達到5μm。SSI是一種常用的工業(yè)用通信接口,無需通過增加數(shù)據(jù)電纜芯數(shù)來提高編碼器的精度,它通過時鐘和數(shù)據(jù)的串行方式來傳輸信息。SSI接口有一對數(shù)據(jù)線和一對時鐘線,當傳感器從控制器接收到一串脈沖信號時,數(shù)據(jù)被一位一位取出。該接口時鐘信號(CLK)和數(shù)據(jù)信號(DTA)以RS—422/RS—485電氣標準特性傳輸,差分信號驅(qū)動傳輸電路。這樣可以提高抗電磁干擾(EMI),尤其是在工業(yè)環(huán)境中或是長距離的數(shù)據(jù)傳輸。SSI的時序如圖3所示?！皌p”是兩個時鐘序列之間的時間延時,也即兩個數(shù)據(jù)傳輸之間的時間,必須長于21μs?！皌m”表示傳輸暫停,即使編碼器知道數(shù)據(jù)傳輸已經(jīng)完成。當沒有傳輸時,數(shù)據(jù)線保持高電平,在時鐘信號的第一個下降沿來到時,數(shù)據(jù)傳輸開始,數(shù)據(jù)線依舊保持高電平,在第一個時鐘信號上升沿時,最高位數(shù)據(jù)信息被傳輸,之后每個時鐘上升沿都會傳輸一位數(shù)據(jù),當數(shù)據(jù)最低位被傳輸完畢時,下一個時鐘上升沿將會使數(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,準備下一個數(shù)據(jù)傳輸。該過程中時鐘頻率介于50kHz～2MHz,其中最小頻率取決于tm的大小,當tm為(20±1)μs時,時鐘頻率最低為50kHz。SSI是采用RS—485串口通信協(xié)議,主控制器模塊采用RS—232標準,為了正常通信加入MAX490來實現(xiàn)通信信號的轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)采集模塊工作時,傳感器讀出活動磁環(huán)(傳感器自帶)的位置,內(nèi)部電路將其轉(zhuǎn)換成24位二進制的串聯(lián)數(shù)據(jù)保存在內(nèi)部寄存器中,收到同步時鐘信號后,以串聯(lián)方式通過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電機輸出驅(qū)動電機與發(fā)電機的連接方式固態(tài)繼電器簡稱SSR,它是用半導體器件代替?zhèn)鹘y(tǒng)電接點作為切換裝置的具有繼電器特性的無觸點開關(guān)器件,輸入端加上直流或脈沖信號到一定電流值后,輸出端就能從斷態(tài)轉(zhuǎn)變成通態(tài),以微小的控制信號達到直接驅(qū)動大電流負載。SSR電路如圖4,當輸入端A路獲得信號,電機正轉(zhuǎn),B路獲得信號,電機電源端其中兩相改變接線方式,電機反轉(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)所用電機為三相齒輪減速電機,三相連接方式輸出1720RPM,在電機的輸出端有一個5∶1的減速器,降低滑塊移動速度,電機內(nèi)部設(shè)置剎車系統(tǒng),確保定位精度。電機輸出驅(qū)動升降機內(nèi)蝸桿旋轉(zhuǎn),蝸桿驅(qū)動蝸輪減速旋轉(zhuǎn),蝸輪與蝸桿的減速比為16∶1,蝸桿輸入一轉(zhuǎn)絲杠運行0.25mm,900mm行程上的導程誤差為0.1mm,傳感器磁環(huán)與升降機下端法蘭盤固定在同一水平面上。運行時,法蘭盤帶動磁環(huán)一起上下移動。人機交互模塊使用觸摸顯示器,用戶通過軟件實現(xiàn)對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現(xiàn)。3usb軟件設(shè)計該控制器軟件采用MicrosoftVisualC++集成開發(fā)環(huán)境,開發(fā)Windows應(yīng)用程序,主要包括以下幾個方面內(nèi)容:數(shù)據(jù)庫管理、繼電器輸出控制、串口通信、軟鍵盤的實現(xiàn)和界面美化。數(shù)據(jù)庫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對數(shù)據(jù)庫進行訪問,數(shù)據(jù)庫采用MicrosoftAccess2003。在程序中新建不同的類,設(shè)置基類為CRecordset分別關(guān)聯(lián)對應(yīng)的表。利用CRecordset類下的函數(shù)對不同的表進行添加、修改、刪除等操作。繼電器輸出部分應(yīng)用接口函數(shù),在程序中添加動態(tài)鏈接庫,在軟件運行時首先對繼電器卡進行初始化,在控制時使用函數(shù)ART2525_SetDeviceDO對繼電器卡進行開關(guān)控制。串口通信使用CSerialPort類,該類的函數(shù)開放透明,只需編寫數(shù)據(jù)接收函數(shù)。CSerialPort類中有多個串口消息可以響應(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對應(yīng)不同的按鍵,實現(xiàn)虛擬鍵盤功能。通過重寫OnCtlColor、OnPaint函數(shù)和利用外部美化按鈕類等方法對界面進行美化。除了上述內(nèi)容之外,該軟件還設(shè)計一報警系統(tǒng),主要通過比較采集數(shù)據(jù)是否在控制器已存儲的安全數(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),并報警。4控制器動態(tài)調(diào)整特性裝模高度控制器完成后,在一沖床實驗臺上對其進行了功能與性能的測試。圖5為測試現(xiàn)場照片,圖片中指出了各個部分的名稱。開始測試時,打開控制器,輸入模具編號查找裝模高度,或者直接輸入裝模高度,點擊自動調(diào)整按鈕,當磁環(huán)到達裝模高度時,控制器發(fā)出停止信號,由于電機在高度運轉(zhuǎn)中突然停止慣性的因素,會過沖0.2mm—0.35mm的距離,延時2s待電機穩(wěn)定。根據(jù)對實時位置與目標位置的比較,控制電機朝反方向運行(0.1—03)s,(磁環(huán)位移數(shù)據(jù)如表1)重復以上動作,直至達到目標位置。如調(diào)整10次仍不能達到目標位置,控制器停止調(diào)整,顯示進行手動操作。每點擊一次上、下按鈕,電機運行0.1s。為測試該控制器的精度及運行狀況,設(shè)置3組模具裝模高度信息,測試結(jié)果如表2。表2顯示,在允許誤差0.05mm范圍內(nèi),三種目標裝模高度均能在10次內(nèi)完成自動調(diào)整。大量實驗驗證其自動調(diào)整控制精度可達0.05mm,運行穩(wěn)定。如配合手動調(diào)整,可以有更高的精度,完全滿足國內(nèi)小型沖壓機械裝模位置0.1mm精度的要求。為了測試控制器報警功能,人為移動傳感器磁環(huán)位置使其超出沖床允許行程,以模擬可能出現(xiàn)的機械故障。此時,控制器立刻停止運行,開始報警。經(jīng)過一系列的測試以及實驗表明該控制器達到了設(shè)計要求。5基于ssi接口數(shù)據(jù)的控制器本文設(shè)計了一種基于嵌入式計算機系統(tǒng)的裝模高度監(jiān)測控制器。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)、人機交互和電機控制模塊組成,可實現(xiàn)對模具信息管理,裝模高度監(jiān)測及控制等功能。經(jīng)測試,該控制器具有功耗小、成本低、穩(wěn)定性強,精度高等特性,將應(yīng)用于實際工業(yè)生產(chǎn)中。本文研發(fā)的沖床裝模高度監(jiān)測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總線嵌入式計算機系統(tǒng)設(shè)計方法,控制精度可達0.05mm,成本降低,硬件平臺擴展性好,信息儲存能力強大。軟件設(shè)計人性化,顯示信息全面,多功能界面,操作簡單,建立模具信息數(shù)據(jù)庫,方便管理,而且增加報警功能,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)的機械加工設(shè)備,小型沖床的裝模調(diào)模過程全部都由人工操作,效率低、精度差,生產(chǎn)中會經(jīng)常更換模具,這會浪費大量時間。而且由于手工操作,相同產(chǎn)品不同批次也會產(chǎn)生質(zhì)量差