基于ARM剪板機數控系統精確定位設計

張玲

（甘肅工業職業技術學院電信學院，甘肅 天水 741025）

近年來，我國對高精度的金屬器件要求量不斷提升，特別是汽車、電子行業的快速發展，進一步提升了我國自主研發高精度金屬板材的迫切需求。剪板機是用于金屬板材直線剪切的一種最常見的設備，其控制系統關系到金屬剪板機的工作精度，關系到裁剪產品的質量。提升數控系統的控制精度，從結果來看，可以大大提升產品的質量，進一步提高剪切產品的競爭力。因此，本文通過對于機械控制和ARM系統的大量研究提出一種基于ARM的嵌入式剪板機三環串級伺服位置控制系統，其系統執行過程如圖1所示。該系統提升了國產化剪板機的工作質量和工作效率，促進了國產剪板機行業的快速發展，提升了我國國產化剪板機的競爭力。系統執行過程如圖1。

圖1 系統執行過程

1 剪板機數控系統的軟硬件開發

1.1 需求分析

通過對剪板機數控系統的分析，可以了解到該系統需要實現的功能包括：①利用強大的微處理器實現剪板機高速、實時控制，提供良好的人際交互；②提供二次可編程，即提供鍵盤輸入和屏幕顯示系統，讓開發者對控制程序進行二次編程和修正；③實現良好的運動控制，必須可以實現剪板機的精準、平穩控制；④提供信號指示功能，對于剪板機系統運行過程中的各種情況提供不同的信號指示；⑤實現各種速度模式的控制和編程功能，實現多步自動運行功能；⑥對于剪切角度、剪切間隙等實現精準調整。根據剪板機數控系統的硬件需求，可知在設計時應該在ARM處理器上進行，達到高速度、高精度運動控制。

1.2 剪板機數控系統硬件設計

本設計方案以ARM處理器為核心模塊，包括輸入輸出模塊、通信模塊、伺服電機控制模塊、電源模塊、以及硬件watch dog。系統采用光電隔離，以防止干擾信號，同時通過對輸入信號的掃描和輸出信號的控制，實現剪板機剪切過程中的一系列動作及后擋料板的定位，并且配合到位燈和報警燈顯示系統的各種信息和工作狀態。其整體硬件設計框圖如圖2所示。

圖2 剪板機控制系統硬件框架

1.3 各模塊的設計

（1）輸入輸出模塊。隨著我國電子商品的快速發展，各個模塊的集成化程度越來越高。選擇集成化的元器件有利于提升整體設計的集成度，便于單獨模塊的后期迭代和升級。因此本方案在輸入輸出模塊的選擇充分考慮了這些因素，選擇了集成化的輸入輸出模塊，該模塊中既具有了輸入輸出電路，同時還有輸入輸出鎖存電路，大大提升了人機交互的效率。

（2）顯示模塊。考慮到工業生產時不需要過高分辨率的顯示屏幕，因此本設計在選擇屏幕時，一方面選擇的屏幕可以提供較好的顯示效果；另一方面也大大降低了硬件成本。顯示屏同時還具有觸控功能，通過觸控功能可以實現可視化的編程、控制，將控制程序利用屏幕圖像化顯示出來，加強了人機交互，只是一定程度上增加了人機交互界的前期開發工作量，但是提升了產品使用效率和便捷性。同時，系統的運行狀態也可以通過屏幕直觀地實時顯示出來。

（3）伺服電機控制模塊。伺服電機的運行為整個系統提供了動力保障，其精準度直接關系到剪板機剪切質量。利用ARM產生PWM控制波形信號，可以實現伺服電機運轉的精準控制。本設計選擇的ARM芯片產生的PWM控制波形的分辨率可以達到10bit，利用高精度的PWM波形可以讓伺服電機運行的更加精細、準確。本設計中采用的是三環串級伺服位置控制系統，其系統圖如圖3所示，該系統可以將反饋回來的波形送到控制系統中，ARM控制系統將反饋回來的波形與產生的模塊進行比較，利用差值對伺服電機控制波形進一步修正，提高了伺服電機控制的精準度以及剪切定位精確度。整個系統確保了剪切尺寸的精度，提升了整個系統運營的可靠性。

圖3 三環串級伺服位置控制系統圖

（4）通信模塊。我國物聯網發展迅猛，本方案利用無線通信模塊實現了將傳統的剪板機向物聯網化過渡。一方面考慮到控制系統與上位機的有線連接；另一方面，選擇了無線通信模塊，有利于實現遠程控制。在選擇通信模塊時，選擇了基于4G網絡的遠程無線通信模塊作為整個控制系統的通信模塊。上位機可以通過數據線與剪板機控制系統進行連接，實現程序的下載、修訂以及控制系統運行數據的讀取等。同時，利用無線通信模塊也可以實現上位機與剪板機控制系統無線遠程的交互與控制。

（5）電源模塊。電源電路模塊為整個控制單元提供穩定的電壓。為了確保伺服電機的平穩運轉以及控制系統的正常運行，需要利用電源模塊保證輸入電壓的轉換與控制，確保為整個系統提供穩定的電源。同時，需要防止外界干擾造成供電波動等問題。本文選擇的控制電源電路模塊使用了電源穩壓系統，可以較好地控制電源的穩定性。

（6）WITCH DOG。任何通過軟件進行控制的系統都有可能出現死機、異常運行等問題，出現這些異常時需要系統具備自動檢測和自動復位機制。本方案設計選擇控制系統帶有硬件WITCH DOG功能，可以自動監測系統是否發生異常，并且當系統發生異常時，模塊會自動重啟，確保系統恢復到正常運行狀態，將死機異常帶來的損失最小化。

1.4 剪板機數控系統軟件設計

系統采用Microchip公司C18編譯器軟件平臺，使用了C語言和匯編語言混和編程方法。軟件采用模塊化編寫，可提高關鍵程序模塊的執行效率，便于系統的維護和功能擴展，用戶操作控制方便，人機交互界面友好。系統的交流伺服電機由控制系統產生PWM波形進行驅動，檢測器件采用的是2500線的編碼器，滾珠絲杠螺距為5mm，其脈沖當量為0.002mm。系統對可靠性要求很高，后擋料板定位精度需達到±0.01mm，重復定位精度需達到0.02mm，并不允許出現誤動作和飛車現象，因此，選用半閉環控制和增量式PID算法。

2 結語

本文通過設計控制器的軟件、硬件，實現了剪板機運行的智能控制。利用ARM實現剪板機運行的高精度、高性能控制，提高生產效益。