基于嵌入式系统的装模高度监测控制器设计

基于嵌入式系统的装模高度监测控制器设计

（1）数据采集模块：磁厚线性位移传感器由rs-232组成，rs-485接口由斯塔勒姆-被俘的线性位移传感器组成。(2)主控制器模块:基于PC/104总线的嵌入式单板电脑。(3)人机交互模块:触摸显示器。(4)电机执行模块:由继电器输出卡、光电隔离电路、SSR电路、电机及螺旋升降机组成。该控制器工作过程是一个闭环控制系统,首先由数据采集系统实时获取冲床滑块高度,并与人机交互模块获得的输入装模信息进行比较,分析设置参数与实际位置关系,控制继电器卡不同通道输出继电器控制信号,通过光电隔离电路及固态继电器电路,一通道继电器卡输出控制SSR电路使电机正传,另一通道输出使电机反转。电机控制螺旋升降机使冲床滑块能够上下移动。该控制器除电机和升降机机械装置之外,全部采用软、硬结合的设计方法。软件、硬件设计安装相互配合。2德国开发沿河探测器的硬件设计2.1pc系统研发模块该装模高度控制器采用基于PC/104总线的嵌入式单板电脑作为主控制器。PC/104是一种工业计算机总线标准。它是一种专门为嵌入式控制而定义的工业控制总线,是一种优化的、小型、堆栈式结构的嵌入式控制系统。它的标准机械尺寸是96mm×90mm,总线以“针”和“孔”形式层叠连接,有灵活的可扩展性,增加系统的功能和性能只需要改变相应的模块。层叠式结构有极好的抗震性,适合冲床生产中震动强度比较大的环境。4mA的总线驱动电流,低功耗、有利于减少元件数量,降低系统温度,提高系统稳定性。与PC系统兼容的操作系统、开发工具、应用软件,用户可以利用PC系统丰富的软件资源,缩短软件开发成本和周期。该模块主要完成信息储存、接收用户操作信息、控制人机交互模块显示信息、接收采集数据以及发出电机控制信号等功能。本文选用威强WAFER—945GSE嵌入式单板电脑,其数据传递及接口如图2所示。串口COM1通过RS—232转RS—485与位移传感器通信,采集位置数据,VGA接口与COM2实现触摸显示器的图像显示及用户输入信息与用户操作信息。PC/104扩展槽连接继电器卡,实现控制信号的输出。大容量的SDRAM及CompactFlash保证有足够的数据储存空间。最后安装操作系统、触摸显示器驱动等软件。2.2rs—数据采集模块设计数据采集模块使用的是康宇公司的KYDM型同步串行接口(SSI)的磁致伸缩线性位移传感器,它通过非接触式的测控技术精确地检测活动磁环的绝对位置来测量被检测产品的实际位移值的,精度可以达到5μm。SSI是一种常用的工业用通信接口,无需通过增加数据电缆芯数来提高编码器的精度,它通过时钟和数据的串行方式来传输信息。SSI接口有一对数据线和一对时钟线,当传感器从控制器接收到一串脉冲信号时,数据被一位一位取出。该接口时钟信号(CLK)和数据信号(DTA)以RS—422/RS—485电气标准特性传输,差分信号驱动传输电路。这样可以提高抗电磁干扰(EMI),尤其是在工业环境中或是长距离的数据传输。SSI的时序如图3所示。“tp”是两个时钟序列之间的时间延时,也即两个数据传输之间的时间,必须长于21μs。“tm”表示传输暂停,即使编码器知道数据传输已经完成。当没有传输时,数据线保持高电平,在时钟信号的第一个下降沿来到时,数据传输开始,数据线依旧保持高电平,在第一个时钟信号上升沿时,最高位数据信息被传输,之后每个时钟上升沿都会传输一位数据,当数据最低位被传输完毕时,下一个时钟上升沿将会使数据线保持低电平,保持(20±1)μs。之后编码器更新数据,数据线变成高电平,准备下一个数据传输。该过程中时钟频率介于50kHz～2MHz,其中最小频率取决于tm的大小,当tm为(20±1)μs时,时钟频率最低为50kHz。SSI是采用RS—485串口通信协议,主控制器模块采用RS—232标准,为了正常通信加入MAX490来实现通信信号的转换。数据采集模块工作时,传感器读出活动磁环(传感器自带)的位置,内部电路将其转换成24位二进制的串联数据保存在内部寄存器中,收到同步时钟信号后,以串联方式通过SSI接口发送数据。经转换成为符合RS—232电气特性的数据,由主控制模块读取。2.3电机输出驱动电机与发电机的连接方式固态继电器简称SSR,它是用半导体器件代替传统电接点作为切换装置的具有继电器特性的无触点开关器件,输入端加上直流或脉冲信号到一定电流值后,输出端就能从断态转变成通态,以微小的控制信号达到直接驱动大电流负载。SSR电路如图4,当输入端A路获得信号,电机正转,B路获得信号,电机电源端其中两相改变接线方式,电机反转。在A、B端设有光电隔离电路,减少系统共模干扰。系统所用电机为三相齿轮减速电机,三相连接方式输出1720RPM,在电机的输出端有一个5∶1的减速器,降低滑块移动速度,电机内部设置刹车系统,确保定位精度。电机输出驱动升降机内蜗杆旋转,蜗杆驱动蜗轮减速旋转,蜗轮与蜗杆的减速比为16∶1,蜗杆输入一转丝杠运行0.25mm,900mm行程上的导程误差为0.1mm,传感器磁环与升降机下端法兰盘固定在同一水平面上。运行时,法兰盘带动磁环一起上下移动。人机交互模块使用触摸显示器,用户通过软件实现对该控制器的必要操作,如信息输入、信息显示和其它功能的实现。3usb软件设计该控制器软件采用MicrosoftVisualC++集成开发环境,开发Windows应用程序,主要包括以下几个方面内容:数据库管理、继电器输出控制、串口通信、软键盘的实现和界面美化。数据库管理主要用于管理员信息管理、冲床信息管理和模具信息管理等部分,采用MFCODBC对数据库进行访问,数据库采用MicrosoftAccess2003。在程序中新建不同的类,设置基类为CRecordset分别关联对应的表。利用CRecordset类下的函数对不同的表进行添加、修改、删除等操作。继电器输出部分应用接口函数,在程序中添加动态链接库,在软件运行时首先对继电器卡进行初始化,在控制时使用函数ART2525_SetDeviceDO对继电器卡进行开关控制。串口通信使用CSerialPort类,该类的函数开放透明,只需编写数据接收函数。CSerialPort类中有多个串口消息可以响应,在该软件中只需处理WM_COMM_RXCHAR消息,人工添加消息处理函数,根据数据格式,整理接收数据,获得传感器位移信息。软键盘通过VC宏命令产生一系列的BUTTON控件,在程序内部模拟键盘按键消息,不同的BUTTON对应不同的按键,实现虚拟键盘功能。通过重写OnCtlColor、OnPaint函数和利用外部美化按钮类等方法对界面进行美化。除了上述内容之外,该软件还设计一报警系统,主要通过比较采集数据是否在控制器已存储的安全数据范围内,判断冲床是否工作正常。如出现异常,立刻关闭系统,并报警。4控制器动态调整特性装模高度控制器完成后,在一冲床实验台上对其进行了功能与性能的测试。图5为测试现场照片,图片中指出了各个部分的名称。开始测试时,打开控制器,输入模具编号查找装模高度,或者直接输入装模高度,点击自动调整按钮,当磁环到达装模高度时,控制器发出停止信号,由于电机在高度运转中突然停止惯性的因素,会过冲0.2mm—0.35mm的距离,延时2s待电机稳定。根据对实时位置与目标位置的比较,控制电机朝反方向运行(0.1—03)s,(磁环位移数据如表1)重复以上动作,直至达到目标位置。如调整10次仍不能达到目标位置,控制器停止调整,显示进行手动操作。每点击一次上、下按钮,电机运行0.1s。为测试该控制器的精度及运行状况,设置3组模具装模高度信息,测试结果如表2。表2显示,在允许误差0.05mm范围内,三种目标装模高度均能在10次内完成自动调整。大量实验验证其自动调整控制精度可达0.05mm,运行稳定。如配合手动调整,可以有更高的精度,完全满足国内小型冲压机械装模位置0.1mm精度的要求。为了测试控制器报警功能,人为移动传感器磁环位置使其超出冲床允许行程,以模拟可能出现的机械故障。此时,控制器立刻停止运行,开始报警。经过一系列的测试以及实验表明该控制器达到了设计要求。5基于ssi接口数据的控制器本文设计了一种基于嵌入式计算机系统的装模高度监测控制器。该控制器由PC/104总线主控制器、SSI接口数据采集系统、人机交互和电机控制模块组成,可实现对模具信息管理,装模高度监测及控制等功能。经测试,该控制器具有功耗小、成本低、稳定性强,精度高等特性,将应用于实际工业生产中。本文研发的冲床装模高度监测控制器由四大功能模块组成,如图1所示。1生产安全生产设备本文应用PC/104总线嵌入式计算机系统设计方法,控制精度可达0.05mm,成本降低,硬件平台扩展性好,信息储存能力强大。软件设计人性化,显示信息全面,多功能界面,操作简单,建立模具信息数据库,方便管理,而且增加报警功能,提高生产安全性。冲床是一种广泛应用于工业生产的机械加工设备,小型冲床的装模调模过程全部都由人工操作,效率低、精度差,生产中会经常更换模具,这会浪费大量时间。而且由于手工操作,相同产品不同批次也会产生质量差