隨著我國沖壓行業的發展,沖壓設備性能與世界的接軌,沖壓生產自動化程度的進一步提高,對沖壓生產的送料技術也提出了越來越高的要求,以滿足與沖壓設備的配套。
1 嵌入式數控沖床送抖系統
根據目前自動送料系統存在的一些不足,提出了一種基于ARM的嵌入式數控沖床送料系統。從大體上看,嵌入式計算機系統主要有以下優點:
1)專用性。嵌入式系統通常是面向特定應用,因此嵌入式CPU大多供特定用戶群設計的系統中,通常具有低功耗、體積小、集成度高等特點。
2)實時響應。按照嵌入式系統的定義,它用于某種技術過程的核心處理環節,滿足技術過程的時限要求,自然具有實時處理的特性。
3)健壯可靠。嵌入式產品的使用人員多為非計算機專業人士,使用環境條件較為惡劣,其健壯性及可靠性是該類產品的必備條件。
2 伺服電機的選擇
系統采用直線電機來驅動X、y軸進給。在機床進給系統中,采用直線電動機宜接驅動與原旋轉電動機傳動的更大區別是取消了從電動機到工作臺(拖板)之間的一切機械中間動環節,把機床進給傳動鏈的長度縮短為零(這種傳動方式被稱為“零傳動”)。這種“零傳動”方式,帶來了原旋轉電動機驅動方式無法達到的性能指標和優點
1)高速響應。由于系統中直接取消了一些響應時間常數較大的機械傳動件(如絲杠等).使整個閉環控制系統動態響應性能大大提高,反應異常靈敏快捷。
2)高精度。直線驅動系統取消了由于絲杠等機械機構產生的傳動間隙和誤差,減少了插補運動因傳動系統滯后帶來的跟蹤誤差。通過直線位置檢測反饋控制,即可大大提高機床的定位精度。
3)高傳動剛度。由于“直接驅動”避免了啟動、變速和換向時因中間傳動環節的彈性變形、摩擦磨損和反向間隙造成的運動滯后現象,同時也提高了其傳動剛度。
4)速度快、加減速過程短。直線電動機用在機床進給驅動中,要滿足其超高速切削豹更大進給速度(要求達60—100 m/min或更高)是沒有同題的。也由于上述“零傳動”的高速響應性,使其加、減速過程大大縮短,可以實現起動時瞬間達到高速,而且高速運行時又能瞬間停止。可獲得較高的加速度,一般可達2一1Og。而滾珠絲杠傳動的更大加速度一般只有0.1一0. 5g。
5)行程長度不受限制。在導軌上通過串聯直線電器機,就可以無限延長其行程長度。
6)運動安靜、噪聲低。由于取消了傳動絲杠等部件的機械摩擦,且導軌又可采用滾動導軌或磁墊懸浮導軌(無機械接觸).其運動時噪聲將大大降低。
7)效率高。由于無中間傳動環節,消除了機械摩擦時的能量損耗,傳動效率大大提高。
3 系純硬件設計
改進后的系統硬件結構框圖如圖l所示。上位機為PC機,通過串口與下位機ARM通信,下位機控制觸摸屏和直線電機。
控制部分采用低成本、高性能、低功耗的微處理器S3C2410為核心控制器。它是一款32位RISC架構的低成本、高性能、低功耗徽處理器,主頻為200MHz,內含1個LCD控制器(支持STN和’rFT帶有觸摸屏的液晶顯示器)、SDRAM控制器、3個通道的ART、4個通道的DMA、4個具有PWM功能的計時器和1個內部時鐘、8通道的10位ADC、觸摸屏接口等。S3C24J O商集成度簡化了應用系統硬件設計,提高了應用系統可靠性和穩定性。操作部分以觸摸屏為操作單元,人機交互直觀方便、界面友好、操作簡單,實現送料自動、手動、啟動、停止等操作以及一些系統參數的設置。運動部分X、y軸均選用Kollmorgen公司DDL系列無鐵芯式的直線伺服電機,電機的定子采用U型結構,轉子采用無鐵芯式設計。直線電機結構簡單,工作安全可靠,同時省去了中間機械環節,定位精度比較高,位置檢測元件選用光柵尺,檢測精度較高。整個系統采用閉環控制,大大提高了系統精度。
4 系統軟件設計
系統軟件主要包括上位機軟件和下位機軟件兩部分,如圖2所示。上位機軟件主要負責NC代碼生成、翻譯以及與下位機和其它PC機通信;下位機軟件主要包括5大模塊:基本控制模塊、數據通信模塊、運動控制模塊、人機交互模塊及事務處理模塊”1。
整個軟件系統中,下位機軟件為整個系統核心。我們選擇選用源碼公開、可移植性好、簡單易學的Linux實時操作系統作為軟件運行環境,由它來完成對5大任務模塊的管理調度,結合系統的硬件設備實現送料系統的各項功能。基本控制模塊管理系統的一些基本操作,包括設備驅動程序的管理、系統硬件初始化設置的管理等;數據通信模塊負責數據的接收以及適當的數據處理;運動控制模塊包括插補運算、電機的加減速控制與位置控制,是系統控制的核心;人機交互模塊包括液晶顯示和觸摸屏輸人等,本文界面設計使用基于Qt的嵌入式圖形庫開發工具Qt/Embedded.它是用戶應用程序和內核之間的一個圖形庫框架;為了保證系統的完整性,設置事務處理模塊來管理報警以及一些異常事務。
5大模塊之間的通信與調度均在操作系統的管理下完成。系統中規定每個模塊為一個具體的任務,即通常所說的線程方式或進程方式。嵌入式操作系統的作用就是決定在特定的某一時刻系統應該運行哪一個進程。一般系統中的進程有3種狀態:運行狀態(Running)、就緒狀態(Ready)及等待狀態(Waitting),這些狀態之間的切換是通過操作系統提供的消息機制諸如郵箱、信號量、消息隊列等來完成,模塊之間并無其它耦合。如果系統功能需增減,只要在相應的任務中進行模塊的添加與刪除,便可實現系統多功能和多樣化,從而使系統具有開放性和可擴充性。
從控制器和伺服驅動兩個方讖分析了現有數控轉塔沖床送料系統的現狀,并根據這些送料系統的不足,提出了一種額的幕于ARM的嵌入式系統方案,采用直線電機作為X、y軸控制電機,節約了人力資源,節約了原材料,可靠性得到改善,控制精度和現代化程度得到大大提高。