裝訂膠圈自動卷制機控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

鄭明航 彭來湖 史偉民

摘? 要：針對裝訂膠圈生產(chǎn)效率低下且產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊等問題，設(shè)計了一種嵌入式控制系統(tǒng)，用于實現(xiàn)裝訂膠圈卷圓成型的自動化生產(chǎn)。采用三級階梯式結(jié)構(gòu)將控制系統(tǒng)分為交互級、控制級和執(zhí)行級，各層級之間通過串行通信總線進行數(shù)據(jù)通信?？刂葡到y(tǒng)的硬件包括人機交互模塊、實時控制模塊和執(zhí)行機構(gòu)模塊，根據(jù)每個模塊的功能需求，設(shè)計了相應(yīng)的軟件程序，并采用S形加減速算法控制步進電機實現(xiàn)精準位移。經(jīng)過測試驗證，裝訂膠圈自動卷制機的控制系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性和可靠性，能夠?qū)崿F(xiàn)裝訂膠圈的自動化生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：裝訂膠圈;S形加減速算法;串行通信

中圖分類號：TP311? ? ?文獻標識碼：A

Design and Implementation of the Control System of Automatic

Coiling Machine for Binding Aprons

ZHENG Minghang1， PENG Laihu1，2， SHI Weimin1

（1.Zhejiang Provincial Key Laboratory of Modern Textile Equipment Technology， Zhejiang Sci-tech University， Hangzhou 310018， China;

2.Hangzhou Xuren Automation Limited Company， Hangzhou 310018， China）

zheng_m_h6@163.com; 43233212@qq.com; swm@zstu.edu.cn

Abstract： Aiming at low production efficiency of binding and uneven product quality， this paper proposes to design an embedded control system to realize the automatic production of binding aprons in round forming. A three-level ladder structure is adopted to divide the control system into an interactive level， a control level and an execution level. Data communication between each level is carried out through a serial communication bus. The hardware of the control system includes a human-computer interaction module， a real-time control module and an actuator module. According to the functional requirements of each module， corresponding software program is designed， and S-shaped acceleration and deceleration algorithm is used to control the stepping motor to achieve precise displacement. After testing and verification， the control system of the automatic binding apron coiling machine has high stability and reliability， and can realize the automatic production of the binding apron.

Keywords： binding apron; S-type acceleration and deceleration algorithm; serial communication

1? ?引言（Introduction）

裝訂膠圈是一種文具耗材，用于制作活頁簿，是一種廣泛使用的文本裝訂形式[1]，裝訂膠圈的生產(chǎn)應(yīng)用示意圖如圖1所示。裝訂膠圈的生產(chǎn)需要經(jīng)過多個環(huán)節(jié)，其中最重要的一個環(huán)節(jié)是對梳式膠圈板材進行熱塑加工使其卷圓成型。當前裝訂膠圈的熱塑加工主要是以人工操作為主，機器設(shè)備為輔。這種生產(chǎn)方式有很大的弊端，不僅勞動力需求大，工作強度高，而且由于工人生產(chǎn)經(jīng)驗不同造成產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，增加了質(zhì)檢難度。

針對裝訂膠圈生產(chǎn)過程中存在的問題，本文應(yīng)用嵌入式技術(shù)，設(shè)計了裝訂膠圈自動卷制機的控制系統(tǒng)。通過分析人工生產(chǎn)流程，結(jié)合裝訂膠圈自動卷制機的機械結(jié)構(gòu)，提出裝訂膠圈自動化生產(chǎn)的控制需求和控制策略。采用S形加減速算法控制步進電機精準位移，以滿足電動執(zhí)行機構(gòu)的控制要求[2];采用PWM信號控制電磁閥開閉，以滿足氣動執(zhí)行機構(gòu)的控制需求。控制系統(tǒng)各模塊以ARM微處理器為控制核心，各模塊相互獨立，依靠總線通信，以保證控制系統(tǒng)的實時性和穩(wěn)定性。

2? ?總體設(shè)計概述（Overview of overall design）

裝訂膠圈自動卷制機控制系統(tǒng)是基于如圖2所示的機械結(jié)構(gòu)進行設(shè)計的，整機可分為四個部分：膠圈圓輥往復(fù)式輸送機構(gòu)、膠圈卷制加工機構(gòu)、膠圈原料送料進給機構(gòu)、膠圈成品退料機構(gòu)。這些機構(gòu)是裝訂膠圈自動卷制機的主要加工機構(gòu)。膠圈圓輥往復(fù)式輸送機構(gòu)用于將無料圓輥輸送至加熱區(qū)加工，以及將帶料圓輥輸送至脫料區(qū)落料，實現(xiàn)圓輥的循環(huán)式輸送;膠圈卷制加工機構(gòu)用于對膠圈板材原料進行卷圓和整形加工;膠圈原料送料進給機構(gòu)用于將膠圈板材原料送至預(yù)定加工區(qū)域;膠圈成品退料機構(gòu)用于將卷圓定型后的膠圈從圓輥上抽離，實現(xiàn)脫料落料。

結(jié)合膠圈卷制加工的工藝流程和機械結(jié)構(gòu)，可將執(zhí)行機構(gòu)的控制需求分為兩種，一種是需要定位控制，執(zhí)行機構(gòu)在加工過程中具有多段位移且每段位移精準可控;另一種是無須定位控制，執(zhí)行機構(gòu)只需簡單位移或開關(guān)控制。執(zhí)行機構(gòu)的控制需求如圖3所示。根據(jù)控制需求可將執(zhí)行機構(gòu)分為電動執(zhí)行機構(gòu)和氣動執(zhí)行機構(gòu)，氣動是指通過電磁閥控制氣路的開閉，進而控制固定在執(zhí)行機構(gòu)上的氣動滑臺或無桿氣缸的開閉，從而實現(xiàn)執(zhí)行機構(gòu)的動作[3];電動是指通過控制電機的正、反轉(zhuǎn)，經(jīng)由聯(lián)軸器和滾珠絲桿螺母實現(xiàn)執(zhí)行機構(gòu)的移動和定位。

3? 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)和硬件設(shè)計（The overall structure and hardware design of the control system）

根據(jù)裝訂膠圈自動卷制機的結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)需求，設(shè)計了三級階梯式結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)，包括交互級、控制級、執(zhí)行級，每個層級對應(yīng)一個硬件模塊，分別是人機交互模塊、實時控制模塊和執(zhí)行機構(gòu)模塊[4]。每個模塊相對獨立，依靠總線進行通信，便于軟件上的編寫。控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。人機交互模塊與實時控制模塊通過RS-485總線進行通信，實時控制模塊與執(zhí)行機構(gòu)模塊通過CAN總線進行通信。

人機交互模塊用于實現(xiàn)人機交互，通過人機交互界面，用戶可以控制裝訂膠圈自動卷制機的啟停，設(shè)置生產(chǎn)參數(shù)或運行參數(shù)，對機器各部分進行測試，也可以查看機器當前的運行狀態(tài)，比如產(chǎn)量計數(shù)、報警信息等。

實時控制模塊用于實現(xiàn)生產(chǎn)流程控制和電機驅(qū)動，采用STM32F205ZGT6微處理器作為主控芯片，內(nèi)部集成浮點運算單元，能夠滿足實時控制模塊的計算要求。實時控制模塊上設(shè)計了多種硬件電路，電源電路提供模塊所需的電源;電動執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動電路輸出差分控制信號，控制相應(yīng)電機的運轉(zhuǎn)，實現(xiàn)電動執(zhí)行機構(gòu)的移動和定位;RS-485通信電路用于接收人機交互模塊下發(fā)的指令和參數(shù)，以及上傳執(zhí)行機構(gòu)限位狀態(tài);CAN通信電路用于與執(zhí)行機構(gòu)模塊進行數(shù)據(jù)通信，傳遞控制指令及運行參數(shù)。

執(zhí)行機構(gòu)模塊主要用于輸出控制和輸入檢測，采用恩智浦公司的KE06作為主控芯片。KE06具有豐富的片內(nèi)資源，能夠滿足裝訂膠圈自動卷制機在工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境下的控制要求，保證設(shè)備可靠運行。執(zhí)行機構(gòu)模塊的硬件電路包括電磁閥輸出控制電路、限位開關(guān)信號檢測電路、CAN通信電路和電源電路。

4 控制系統(tǒng)核心程序開發(fā)（Core program development of control system）

4.1? ?電動執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動程序設(shè)計

實時控制模塊通過向電機驅(qū)動器中發(fā)送脈沖來控制電機的運行，為了防止步進電機的失步和過沖，實現(xiàn)精準定位，需要在電機啟動和停止過程中進行加減速控制。常用的電機加減速控制有三種，分別是梯形加減速、指數(shù)型加減速和S形加減速[5]。

梯形加減速和指數(shù)型加減速在起始或結(jié)束階段存在速度突變，可能會造成失步和過沖，影響控制精度和動態(tài)性能，適用于控制精度不高，且對升降速度要求不高的場合。S形加減速算法是通過改變加速度的導(dǎo)數(shù)來消除加速度跳變的情況，從而使電機運行的各個階段平滑過渡，因此適合控制精度較高的場合[6]。一般來說，S形加減速曲線劃分為七個階段，除了勻速段外，加速段分為加加速、勻加速和減加速三個階段，減速段分為加減速、勻減速和減減速三個階段[7]，其曲線如圖5所示。

由于七段S形加減速曲線劃分情況較多，大大增加了程序復(fù)雜度和計算復(fù)雜度?？紤]到電動執(zhí)行機構(gòu)的每段位移都比較短，可以將七段S形加減速曲線的勻加速段和勻減速段去除，簡化為五段S形加減速。五段S形加減速曲線如圖6所示，從圖中可以看出五段S形加減速的各階段也能平滑過渡。

設(shè)為執(zhí)行機構(gòu)的位移量，即脈沖數(shù)量;為電機速度;為加速度;為加速度的導(dǎo)數(shù)，即加加速度;設(shè)定，。

位移量的公式為：

（1）

速度的公式為：

（2）

加速度的公式為：

（3）

根據(jù)上述公式，在滿足電機控制精度的情況下，為了降低運算復(fù)雜度，在實際計算時進行簡化。除勻速階段外，設(shè)定其他各階段的運行時間相等，即，電機的啟動速度和停止速度均為0，則其他各階段的加速度的絕對值均相等。設(shè)執(zhí)行機構(gòu)的位移量由加速段位移量、勻速段位移量和減速段位移量構(gòu)成，則[8]。設(shè)為勻速階段的速度值，若要計算和，則需要考慮如下兩種情況：

（1）當時，即電機可以加速到，由式（1）得：

（4）

則

（5）

由式（1）可得：

（6）

（2）當時，即沒有勻速段，電機不能加速到，。由式（1）得：

（7）

根據(jù)以上不同情況計算得出和，進而可求出各階段所需的脈沖數(shù)。

4.2? ?通信程序設(shè)計

人機交互模塊與實時控制模塊之間通過RS-485總線連接，采用Modbus協(xié)議，數(shù)據(jù)傳輸模式為Modbus-RTU模式。在該模式下，沒有規(guī)定開始和結(jié)束標記，因此協(xié)議規(guī)定每一幀數(shù)據(jù)中的兩個字符間的空閑時間不能超過3.5 個字符周期，否則報文幀將被識別為不完整而被丟棄[9]。當主機向從機發(fā)送數(shù)據(jù)時，從機端進入相應(yīng)的串口接收中斷，讀取數(shù)據(jù)并打開定時器開始計時，若在計時結(jié)束前串口再次收到數(shù)據(jù)，則讀取數(shù)據(jù)并重新計時;若在計時結(jié)束后仍未收到數(shù)據(jù)，則判定一幀數(shù)據(jù)結(jié)束并處理該幀數(shù)據(jù)。對于這一幀數(shù)據(jù)，首先判斷地址碼是否正確，若正確則進行CRC校驗;若不正確，則清除該幀數(shù)據(jù)。若CRC校驗通過，則根據(jù)功能碼進入相應(yīng)數(shù)據(jù)處理程序分支;若CRC校驗失敗，則向主機返回CRC校驗失敗的報文。實時控制模塊接收數(shù)據(jù)幀的流程圖如圖7所示。

實時控制模塊與執(zhí)行機構(gòu)模塊之間使用CAN總線進行數(shù)據(jù)通信，支持CAN 2.0B通信協(xié)議[10]。采用擴展幀的方式進行數(shù)據(jù)傳輸，表1給出了標識符ID包含的信息，其中，發(fā)送方ID和接收方ID用于識別發(fā)送端和接收端，指令代碼用于指示不同的數(shù)據(jù)類別，功能代碼用于指示指令代碼下的相應(yīng)功能。在仲裁段定義指令代碼和功能代碼，則在數(shù)據(jù)段只需2 個字節(jié)即可滿足系統(tǒng)的傳輸需求，提高了通信效率。

實時控制模塊的CAN報文接收和發(fā)送的流程圖如圖8所示，CAN初始化完畢后，等待FIFO緩沖器的接收中斷，當接收到數(shù)據(jù)時，進入中斷并清除相應(yīng)標志位，之后判斷緩沖器中是否有中斷掛起。若有中斷掛起，則保存數(shù)據(jù);若沒有中斷掛起，則返回繼續(xù)等待接收中斷。當發(fā)送數(shù)據(jù)時，首先將待發(fā)送的指令或數(shù)據(jù)存入緩存區(qū)，然后等待空閑的郵箱，當有空閑郵箱時，則將緩存區(qū)的數(shù)據(jù)按幀存入郵箱中。數(shù)據(jù)發(fā)送時，先進入發(fā)送中斷，然后判斷當前是否還有未發(fā)送的數(shù)據(jù)，若沒有則將該幀數(shù)據(jù)發(fā)送出去，若有則將該幀數(shù)據(jù)緩存在空郵箱中。

5? ?測試驗證（Test validation）

5.1? ?電動執(zhí)行機構(gòu)功能測試

電動執(zhí)行機構(gòu)由電機驅(qū)動，實時控制模塊的主控芯片發(fā)出的脈沖信號經(jīng)過差分芯片轉(zhuǎn)換為差分控制信號，差分信號輸出至電機驅(qū)動器中實現(xiàn)電機的控制。在實時控制模塊差分信號輸出端口測得波形如圖9所示，由圖9可知，輸出的差分信號正常，符合控制要求。

5.2? ?通信測試

人機交互模塊與實時控制模塊之間通過RS-485總線進行通信，采用Modbus-RTU模式，數(shù)據(jù)以幀為單位傳輸，每幀數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)由功能碼決定，數(shù)據(jù)通信的波特率為115，200 Baud。傳輸一包指令，在RS-485總線的A、B端之間測得波形如圖10所示，對圖中的數(shù)據(jù)進行分析，實際發(fā)送的數(shù)據(jù)與程序設(shè)計一致，每個字節(jié)的傳輸時間也與理論計算值基本吻合。

實時控制模塊與執(zhí)行機構(gòu)模塊之間通過CAN總線通信，采用CAN通信協(xié)議。本系統(tǒng)CAN報文中的數(shù)據(jù)幀采用擴展幀格式，傳輸波特率設(shè)置為1 MB/s。傳輸測試時，在CAN收發(fā)器的CAN_H和CAN_L上測得波形如圖11所示。分析圖11中的數(shù)據(jù)可得，顯性和隱性電平相差2 V左右，符合CAN總線電氣特性，傳輸時間也符合理論計算值。

6? ?結(jié)論（Conclusion）

本文通過對裝訂膠圈生產(chǎn)現(xiàn)狀和生產(chǎn)工藝的分析，結(jié)合裝訂膠圈自動卷制機的機械結(jié)構(gòu)，設(shè)計了裝訂膠圈自動卷制機的控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了裝訂膠圈的自動化生產(chǎn)?？刂葡到y(tǒng)由三個模塊組成：操作簡便的人機交互模塊;用于生產(chǎn)流程控制和電機驅(qū)動的實時控制模塊;用于輸出控制和輸入檢測的執(zhí)行機構(gòu)模塊。三個模塊之間依靠通信總線傳輸數(shù)據(jù)，模塊化的設(shè)計便于控制系統(tǒng)的開發(fā)和維護。設(shè)計完成后，搭建控制系統(tǒng)的測試平臺，完成各模塊的功能測試，之后在現(xiàn)場進行整機裝配調(diào)試，結(jié)果表明該系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性，可以實現(xiàn)裝訂膠圈的自動化生產(chǎn)。

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作者簡介：

鄭明航（1996-），男，碩士生.研究領(lǐng)域：智能檢測與應(yīng)用.

彭來湖（1980-），男，博士，副教授.研究領(lǐng)域：智能裝備與嵌入式控制技術(shù)，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通信.

史偉民（1965-），男，博士，教授.研究領(lǐng)域：紡織機械自動控制，輕工機械.