0 导言
跟着我国制造业的飞速发展，对机加配件的加工精度和出产功率的要求越来越高，对企业出产进程的主动化程度也提出了很高的要求。棒料是各种模锻件、辊锻件、辗压件出产用的首要原料，而棒料剪断机便是为这些锻压工艺预备坯料的剪切下料设备。前期的剪切体系电气操控遍及选用沟通接触器和继电器进行操控，经过常年运用，部件老化，设备毛病频发。在保护中因为分立元件许多，集成度差，许多毛病不能及时处理，给企业出产带来许多不便。
因为PLC伺服操控体系具有定位精度高、呼应速度快、抗干扰才能强、作业平稳等特性，选用可编程序操控器(PLC)操控体系的高精度主动剪切出产线的运用越来越广泛。但PLC仍是软PLC技能，都有实时性不强的缺陷，很难完结杂乱、快速的时序操控，并且对网络的支撑才能较差，因而，在需求对传感器信号进行高速A/D转化、实时采样以及完结企业出产进程智能化、信息化、网络化办理时，PLC就不适用了。而根据ARM嵌入式体系的呈现，为工业操控供给了更好的开发与运用渠道。它外设资源丰厚，具有各种接口，一起供给可扩展接口，扩展便利;选用嵌入式实时操作体系，具有强壮的软件处理才能，可完结杂乱操控;具有PC机的许多特色，一起又比PC机和工控机价格低;软硬件(包含操作体系)可裁剪、装备灵敏;支撑大屏幕液晶显现，可供给可视化界面显现;具有联网才能，可经过直接经过网口接入本地局域网或长途网，为出产的长途实时监控和办理供给了或许。
根据以上比较，本文提出一种根据ARM的嵌入式棒料剪切出产线数控体系，该体系以ARM处理器为中心，搭载嵌入式Linux操作体系，具有可扩展的输入、输出操控I/O节点及多种现场总线接口、能完结剪切主动操控、挡料器操控、主动翻转送料架操控、进步棒料加工精度;支撑大尺度LCD显现屏，支撑网络和嵌入式数据库，智能性、实时性好，便利出产进程和谐监管、监控，嵌入式数据库能够完结加工数据的有用办理，可主动完结加工轨道的各种调整与操控，完结自适应的模型参数调整。
1 整体规划
整个剪切出产线体系包含中心操控机、切开体系、挡料器和主动翻转送料体系。整体框图如图1所示。
图1 整体框图
实践的电气部件包含操作台按钮、显现灯，各种操控开关及电动机。其间操作台包含旋转编码器、自锁式按钮、一般按钮、钥匙按钮、二方位旋转按钮、转化开关、计数器、显现灯;操控开关包含挨近开关，压力开关，液位开关，行程开关，凸轮开关，光电开关;电磁阀，沟通继电器，沟通接触器;电机包含主电动机、出料电机、挡板电机、光滑电机。此外还有变压器、断路器及噪声滤波器等部件。
2 中控机体系
该中控体系以ARM9中心板为中心，经过GPIO扩展板将有限的输入输出I/O扩展成满意数量的输入输出操控节点，能够接纳体系中各种按钮、凸轮开关、光电开关等输入开关信号;根据程序和预先设定的参数，给出输出开关量，操控电磁阀、继电器、接触器的动作，一起经过高速脉冲输出向伺服驱动器宣布必定数量的脉冲数，操控伺服电机的作业。输入及输出接口都运用光电阻隔模块，既完结了抗干扰的意图，又能够完结对接口部分的电平转化。根据ARM输出端信号，变频器操控电动机的正回转及转速，然后完结对卷料的开释和收回。伺服驱动器根据ARM板高速脉冲输出端宣布脉冲的个数、频率操控伺服电机的滚动方位及速度，然后准确地给出送料长度。选用10英寸液晶显现屏，为用户供给了杰出的人机交互界面，用户能够经过该屏幕直接设定参数，整个剪切体系的作业状况、动作信息能够直观地反映给用户。ARM与变频器、伺服器之间经过RS232串口通讯，完结程序下载、参数设置、状况查询等即时的数据交换，最终使整个出产线设备能够和谐作业。中控机框图如图2所示。
图2 中控机框图
2.1 ARM中心板
ARM中心板根据ARM处理器S3C2410X，选用6层板规划。S3C2410X运用ARM920T核，内部带有全功用的MMU(内存处理单元)，具有高功用、低功耗、接口丰厚和体积小等优秀特性。该芯片集成了许多的功用单元，包含:内部1.8V，存储器3.3V，外部I/O3.3V，MMU;内置外部存储器操控器;LCD操控器，1个LCD专用DMA;4路带外部恳求线的DMA;3个通用异步串行端口，2通道SPI;一个多主IIC总线，一个IIS总线操控器;SD主接口版别1．0和多媒体卡协议版别2．11兼容;2个USBHOST，一个USBDEVICE(V1．1);4个PWM定时器和一个内部定时器;看门狗定时器;117个通用I/O;24个外部中止;电源操控形式:规范、慢速、休眠、掉电;8通道10位ADC和触摸屏接口;16/32位RISC体系结构，运用ARM920TCPU核的强壮指令集。
该中心板在尽或许小的板面上集成了64MSDRAM、64MNandFlash、1MBootFlash、RJ－45网卡、音频输入与输出、USBHost、USBSlave、规范串口等设备接口，最为重要的是运用2.0mm插针槽引出CPU的大部分信号引脚，包含体系中没有运用的GPIO引脚。
ARM920T带MMU的先进的体系结构支撑WINCE、EPOC32、LINUX等，文中挑选的是免费开源的嵌入式Linux操作体系。根据该硬件渠道及嵌入式Linux，做了操作体系移植、驱动程序编写和运用程序开发等软件作业。
2.2 操控母板
中控机箱内选用母板+ARM中心板+I/O扩展板办法，母板用来与ARM9板衔接，完结网口USB、串口、电压转化、衔接液晶屏等功用，一起在母板上还包含必定数量的可用的GPIO，包含10个输入，12个输出。I/O输入输出选用DB头接插件，便利衔接。中控机内的开关电源为24V，电流可达4A．电源电路完结24V电压到12V/9V/5V/3.3V的转化，满意不同电路需求，稳压芯片运用LM338。ARM9中心板本身带有3个RS232串行接口，考虑到传输间隔和抗干扰要求，在底板上规划了专门的转化模块将RS232转化为RS485电平。ARM9中心板自带USBHOST，运用USBHUB将其分为多路，别离可供键盘电路和鼠标运用，其他路向外输出。
2.3 GPIO扩展及阻隔
GPIO扩展及阻隔电路被规划到独立的电路板，用来完结I/O端口数量的扩展，可交换。每块扩展板上包含64个输入，64个输出。扩展板放在母板上方，用金属柱支撑，高度能保证二者不干涉即可。扩展板与母板之间以扁平电缆衔接。扩展板的扩展I/O输入输出也选用DB头接插件。GPIO扩展有2种计划。一种是选用CPLD扩展，现在ARM板可运用的I/O口，大约有20个。假如用最简略的扩展办法，运用8个I/O用作数据线，运用4个I/O产生16个译码片选信号，这样可扩展成128个I/O。假如对外部按键选用扫描办法，那么能够节省一部分引脚。该计划只需ARM保证供给必定数量的I/O脚，具有较大可行性。ARM针对一般的I/O口操作既可，编程操控起来较简单，但在CPLD的编程上要花一些时刻。第二种计划为运用专用扩展芯片完结扩展。现有ARM板扩展口中有2种串行总线接口:IIC总线和SPI总线。假如选用现成的I/O扩展芯片，如MAX6957，为IIC接口，一片能够扩展28个I/O，假如用4片就能够扩展到100多个I/O。该计划需求开发ARM的针对IIC设备的驱动程序。文中实践选用的是74HC595及74HC166芯片，多片串联，运用较少的I/O引脚成功完结并入串出和串入并出操控。
GPIO完结扩展后，可供给满意数量的输入I/O和输出I/O。体系中的许多开关或显现灯，作为开关量输入或输出，衔接到这些扩展I/O即可。因为这些开关量的电平值大部分不是TTL电平或CMOS电平，需求进行电平转化;显现灯需求满意的驱动电流，继电器需求必定的驱动电压和电流;并且，体系中有许多的强电信号，为充沛考虑进步体系的抗干扰才能。根据以上考虑，规划了电气阻隔及驱动模块，一般的较慢改换的开关信号选用TLP521阻隔光耦，针对高速脉冲选用高速光耦。
2.4 电机操控
根据ARM板输出端信号，变频器操控电动机的正回转及转速，然后完结对卷料的开释和收回。
对变频器来说，输入操控信号来自于阻隔扩展板，经过设置不同的短路和开路组合，能够完结正转、回转、高速输出及低速输出，其间高速、低速是能够经过速度挑选端口来预设的。其他有关特征、状况的参数能够经过操作面板预设。
3 数控体系软件规划
数控体系软件要完结用户接口、剪切操控、毛病检测、数据库办理、联网等功用，因为体系软件引进嵌入式操作体系，所以各使命能够并行履行，使命间能够经过音讯传递、行列等完结，软件流程图见图3。因为篇幅所限，仅画出用户接口、剪切操控、毛病检测3个使命的流程，省掉数据库办理、联网两个模块。为完结用户接口、剪切操控、毛病检测、数据库办理、联网等功用，需求对嵌入式操作体系及Bootloader移植、驱动程序开发、运用层剪切操控程序软件开发及数据库开发几个部分进行研究，然后支撑整个体系软件流程，完结体系功用。体系软件流程图如图3所示。
图3 体系软件流程图
3.1 嵌入式操作体系及Bootloader的移植
Linux移植便是根据详细方针渠道，对原有Linux的源码进行必要的改写，首要是修正体系结构相关部分，安装到方针渠道，使其正确作业起来。为了引导操作体系，有必要依托Bootloader在上电初始化硬件设备，预备软件环境，因而，在项目中，以ARM9硬件体系为渠道，挑选VIVI作为Bootloader，完结了Bootloader和嵌入式Linux操作体系的移植。
其根本进程是:
(1)取得VIVI源码并对其进行修正;
(2)取得Linux2．4．18内核源码及该版别针对ARM的补丁，并对源码进行必要的修正;
(3)预备穿插编译环境。穿插编译环境东西链一般包含Binutils东西，ARM－GCC，GLIBC等;
(4)穿插编译Bootloader，生成映像文件并下载;
(5)添加GPIO等外设驱动;
(6)穿插编译Linux内核，生成内核映像文件，并下载内核映像文件。
3.2 驱动程序及通讯程序开发
根据实践需求，以ARM9为中心，研发体系主板，并针对实践需求进行硬件驱动程序开发。其间GPIO驱动程序既包含对按键、LED显现的支撑，也包含对继电器操控等I/O的支撑。在编译内核时，挑选在需求时动态刺进内核，添加灵敏性。针对跨渠道通讯，编制代码转化程序，并对Linux操作体系环境进行装备，完结上位机GB2312编码与下位机AMR9—LinuxQTEUN%&&&&&%ODE编码间代码格局转化;体系软件支撑10英寸DSTNLCD及TFT真彩LCD，选用嵌入式图形体系之Qt/EmbeddedC++进行程序开发，以便于跨渠道移植、便利数据库衔接和开发进程，并添加了产品的可靠性。
3.3 剪切操控程序
3.3.1 体系操控要求
(1)作业办法。出产线各首要设备具有手动/主动两种作业办法。当选用主动作业办法时，体系将按预先设定的工艺流程不间断地循环作业。而手动作业办法是在设备单动、调试和检修阶段运用。
(2)实时显现。体系中各个工序的作业状况、报警信息、送料长度、质量和加工工件数量等信息都要求在屏幕上显现。
(3)毛病检测。体系能够主动检测各个工序的作业是否正常，假如呈现异常，在屏幕上显现过错信息，一起出产线中止作业。毛病免除后按发动按钮出产线持续作业。
(4)紧迫中止。当呈现紧迫状况时，一按下急停按钮，一切正在作业的设备悉数中止。
(5)安全保护。在程序规划进程中，对关键环节设置多重防护，防止人身及设备事端的产生。体系上电后将主动发动。
3.3.2 根本操作
初度作业，将操控台的联机－脱机状况切换至脱机状况，手动按操控台上的定尺+/定尺－，操控挡料器运动到原点。经过体系校零，并输入棒料直径、分量补偿、比重、挡料原点等值后，体系将主动计算出需求剪切的长度值并显现出来。当按下“主动补偿”，体系将调整挡料器方位，当“计算长度”与“实践长度”共一起，宣布“同步信号”，同步输出灯变绿，机床可进行剪切动作了。此外，体系还可经过“分量补偿”，使棒料剪切愈加准确。体系操控开端为正转高速作业状况，当快挨近方针时改为“低速正转”作业状况;体系在作业时，实时监控挡料器的方位，每逢挡料器产生串动后，数控机主动进行调整，并设有“急停”按键，中止机床的作业;体系能够主动滤掉过错操作。
3.4 嵌入式数据库
嵌入式数据库选用联系型数据库的三级形式，支撑规范SQL，支撑数据查询、刺进、更新、删去多种规范的SQL句子，充沛满意嵌入式运用开发的需求;具有业务处理功用，主动保护业务的完整性、原子性等特性;支撑多种通讯协议，备份和康复，过错日志等;具有高的灵敏性、可扩展性及稳定性;一起为嵌入式运用的开发供给了灵敏的运用编程接口:C言语例行程序接口，内存需求低，且具有较高的履行功率。现在许多嵌入式设备是依托数据为中心的，假如只要文件体系，在并发、同享、结构化存取上无结构，全依托操作体系和文件体系，是远远不够的。因而，选用嵌入式数据库，完结工业操控数据的收集、存储，及指令存储与下达，完结操控机便利快捷移动、大数据量存储、当时和历史数据查询。经过收集数控网络体系的数据，完结机床加工程序的实时复原，根据反应信息拟定新的处理计划，为质量办理的剖析供给原始根据。完结了办理信息与操控信息交融。经过JNI的办法调用C/C++编写的数据库驱动—动态衔接库(DLL)进行数据操作，处理嵌入式数据库不供给Java的JDBC数据拜访接口问题。
4 定论
文中选用了高性价比的嵌入式处理器ARM9，替换了旧式工业操控微机，进行了Linux操作体系裁剪移植、自主开发硬件操控驱动程序，选用TCP/IP协议，漂亮高雅的QT用户图形界面以及契合国际规范SQL的嵌入式数据库。运用了该数控技能的剪切体系，具有较强的高速数据收集和多种直接I/O节点操控才能，能够完结恣意设定加工参数，既具有PC数控机床的信息处理、存储、网络传输才能，又满意了精度高、体积小、功耗低的现代工控理念，是对现有的数控技能的一次技能革新。
