嵌入式精密内圆磨削数控系统集成PLC控制研究.pdf

第 9期 2 0 1 3年 9月 组 合 机 床 与 自 动 化 加 工 技 术 M od ul a r M a c h i ne To o l＆ Aut o m a t i c M a nu f a c t ur i ng Te c h ni q ue NO ． 9 Se p．20 1 3 文 章 编 号 1 0 0 12 2 6 5 2 0 1 3 0 901 0 50 3 嵌入式精密内圆磨削数控系统集成 P L C控制研究 谢 鸥 ， 李 华 ， 任坤 1 ． 苏州科技学院 机械工程学院， 江苏 苏州 2 1 5 0 0 9 ； 2 ． 河南工业大学 机电工程学院， 郑J ,i、 】 4 5 0 0 0 7 摘 要 针 对精 密 内圆磨 削加 工控制要 求 ， 提 出 了一 种嵌 入 式 精 密 内圆磨 削数控 系统 P L C集成 控 制 方 案 。 以． 7 -- 业级 触摸屏 作 为 系统人机 交互装 置 ， 共 用嵌 入 式数 控 系统 的 A R M 处 理 器 ， 通过 开发 相 应 的 接 口电路 和 控制 软件 ， 将 P L C控 制功 能集 成 于嵌 入 式数控 系统 中， 提 高 了 系统控 制稳 定性 ， 增 强 了人 机 交 互 性 能 。 关键 词 精 密 内 圆磨床 ； 嵌 入 式 系统 ； P L C ； 触摸屏 中图分 类 号 T H1 6 ； T G 6 5 ； T P 3 6 8 ． 1 文献标 识 码 A Re s e ar c h o n I n t e gr a t e d PLC Co n t r ol o f Em be dd e d Pr e c i s i o n I n t e r n a l Gr i n di n g CNC Sy s t e m XI E Ou ，LI Hu ，REN Ku n 1 ． S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ，S u z h o u U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ，S u z h o u J i a n g s u 2 1 5 0 0 9 ， C h i n a ；2 ． S c h o o l o f Me c h a n i c a l a n d E n g i n e e r i n g ，He n n a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ，Z h e n g z h o u 4 5 0 0 0 7， C h i n a Abs t r a c tAc c o r d i n g t o t h e p r e c i s i on i n t e r n a l g r i nd i n g p r o c e s s c o n t r o l r e q u i r e me n t s ，a d e s i g n f o r e mb e d d e d p r e c i s i o n i n t e r na l g r i n d e r CNC s y s t e m i n t e g r a t e d P LC c o nt r o l wa s p r o p os e d． The i n d us t r i a l - g r a de t o u c h s c r e e n wa s us e d a s t h e Hu ma n - ma c h i n e i n t e r a c t i o n de v i c e，s h a r i ng t he ARM pr o c e s s o r o f e mb e d d e d CNC s y s t e m ．By d e v e l o pi n g of t h e a pp r o pr i a t e ha r dwa r e a n d s o f t wa r e，t h e P LC c o nt r o l f u n c t i o n wa s i n t e g r a t e d i n t h e e mbe d d e d CNC s y s t e m ．Th e s t a bi l i t y o f t h e s y s t e m wa s i mp r o ve d a n d t h e pe r f o r ma n c e o f t h e hu ma n ma c hi n e i n t e r a c t i o n wa s e n ha n c e d ． Ke y wo r dsp r e c i s i o n i nt e r na l g r i n de r ；e mb e d d e d s y s t e ms；PLC ；t o u c h s c r e e n 0 引言 精密内圆磨床是实现内孔精度要求极 高的零件 加 工 的关 键 设 备 ， 其 主 要 特 点 是 开 关 量 控 制 多 且 控 制精度和实时性要求高。传统的精密 内圆磨床一般 采用继电器 按钮式电气控制系统 ， 线路复杂 ， 故 障频繁 ， 严重影响到生产效率和产 品质量。2 0世纪 9 0年代后 ， 各设备生产厂家开始了数控化改造 ， 主要 有三 种 方案 第 一种 ， 采 用 低 性 能 的单 片 机 作 为控 制 器 ， 外扩接 口电路和开发控制软件 实现对机床 的控 制 1 - 2 ] ， 此方 案 由于单 片 机 运 算 速度 及 硬 件 资 源 的 限 制使 其 无 法 满 足 内 圆 磨 削 加 工 的 精 度 和 实 时 性 要 求 ； 第 二种 ， 采用 国内外 现 有 的数控 系统 外 加 独立 或 内嵌 的硬件 P L C装 置 构 成磨 床 控 制 系 统 ， 此 方 案 虽然满足了内圆磨削控制要求 ， 但系统控制复杂 ， 改 造成 本 昂贵 ， 并 存在 严重 的软 硬件 资源 浪 费 ； 第 三种 ， 采用单一的独立 P L C硬件装置作为 内圆磨床控制系 统 ， 此方 案满足 了精 密 内圆磨 削多开关量 控制 的要 求 ， 然而系统只能完成简单的直线进给运动 ， 无法实现 直孔和锥 孔的联动 加工 ， 缺乏柔性 ， 无 法满足 日益更 新 的产 品加 工要求 。随着嵌入式 技术及人机 交互工程 的 发展 ， 嵌入式系统和触摸屏装置已在机床数字化控制 中获得广 泛 应 用 ， 本 文 提 出基 于 A R M 平 台 的嵌 入 式 系统用 于精密 内 圆磨 削数 控 系统 的开 发 ， 以工 业 级 触摸屏 作 为 系 统 的 人 机 交 互 装 置 ， 重 点 研 究 了 机 床 P L C控制 系统集成 于 嵌入 式数 控 系统 中 的开发 过 程 。 本系统以软件代替硬件进行 P L C功能的集成开发 ， 降 低 了成本 ， 提高 了系统控制 的稳定 性 ， 实现 了人机友 好 交互 ， 符合开放式数控系统开发的要求。 1 嵌入式精 密 内圆磨床 数控 系统硬件结构 1 ． 1 系统硬 件 总体构 成 嵌 入式 精密 内圆磨 床数 控 系 统 硬件 结 构 由 以下 部 分组 成 工 业 级 触 摸 屏 、 嵌 入 式 数 控 装 置 、 进 给伺 服 系统 、 主轴 控 制系统 和 P L C控 制接 口电路 ， 其 原 理 图如图 1 所示 。触摸屏与嵌入式 A R M处理 器之间 采用 R S - 2 3 2进行通信 ； 采用变频器驱动电主轴作为 收稿 日期 2 0 1 3 0 11 6 ； 修回 日期 2 0 1 3 0 2 2 1 基金项 目 苏州科技学 院科研基金项 目资助 3 4 1 1 1 1 4 0 3 作者简介 谢鸥 1 9 8 3 一 ， 男， 湖南醴 陵人 ， 苏州科 技学 院机械工 程学院讲 师 ， 博士 ， 研 究方 向为嵌入 式数控 技术 ， E 1 0 6 组合 机床 与 自动 化加 工技 术 第 9期 砂 轮 主轴 ， 南 A R M 控 制 变 频 器 的 频 率 输 m ； 选 用 菱 伺 服 电机作 为 X Z轴 的进 给 驱 动装 置 ， 通 过 开发 接 口电路 实 现 A R M 处理 器与 伺服 驱动 器 的连接 。 主轴 控制 系统 P WS 6 6 0 O f fl 摸肼 A R M 最小系统 S TR 9 1 2 拍硇 伺服 l f z 轴伺服 进给系统 J 【 进给系统 P LC 控制 接 口 电路 图 1 嵌 入 式 精 密 内 圆屠 削数 控 系 统硬 件 总 体 构 成 1 ． 2 P LC控 制接 口电路设 计 机床 的开 关 馒 通 过 接 口转 换 电路 直 接 与 A RM 处理 器 的通 } _H I ／ O 口杆 { 连 ， m P L C软 件 程 序 进 行 逻 辑 运 算控 制 。 根 据 控 制 信 号 流 向 ， P I C控 制 接 口 电 路 分 为信 号输 入模 块 、 信 号 输 } { J 模块 及公 共 模块 ， 2所 示 为 P L C控 制接 口电路 原理 图 信号输入模块 信 ● 光 巾 执 号 电 间 行 输 耦 继 继 m A 电 电 端 公共模块 器 器 器 子 机 电源、 床 地线 信 号输入模块 号 光 冈 入 电 耦 △ 端 器 子 图 2 PI C 接 口 电路 原 理 图 2嵌 入精密 内圆磨床 集成 P L C软件设计 2 ． 1软件 总体 框 架 嵌 入式 精 密 内圆磨 削 集成 P L C软 件 设计 由三 大 部 分 组 成 人机 交 互 界 面软 件设 计 、 MO D B U S协 议 软 件 设计 和 P L C控制 软件 设 计 。人 机交 互 界 面软 件 独 立于数控系统 软件体 系， 其通过 向嵌 入式 数控 系统 发 送命 令 帧 实 现 对 加 T 过 程 的控 制 ， 同 时接 收 数 控 系统 的反 馈命 令 帧用 于 监 测 加 工 过程 状 态 。P L C程 序 是 实现 机床 开 关 量 控 制 的 主 体 ， 它 被 封 装 为 一 个 软 件 构件 由嵌 入 式 操 作 系统 周 期 性 循 环 调 用 执 行 。 M O D B U S协 议 是连 接人 机 交互 界 面 与 嵌 入式 数 控 系 统 的 纽带 ， 为它 们 提 供 通 信 规 则 ， 建 立 济 问机 制 。 系统 软件 总体 框架 如 图 3所示 。 巫耍噩鲴 [ 而 困 图 3 系统软件总体框 架 2 ． 2人 机交 互界 面软 件设 计 人 机交互 界面软 件采用组 态软 件 A D P 6 ． 0进行 开 发 ， 基 于功能划 分的 自顶 向下开发流 稗如 图 4所示 匿亟重圃 _圈■■■一 网 圈圈 匝 圆匿囫 软件编译、离线模拟 硬件连接、存线调试 图 4 人机 交 互 界 面设 计 流 程 首先对 精 密 内圆磨 床 的 加 过 程 进 行功 能模 块 化分 解 ， 将 每 个 功 能 模 块 对 应 成 一 个 触 摸 屏 加 页 面 机床状 态 调 整 贞面 、 砂 轮 修 整 页 面 、 加 工 参 数 设 置 页面 、 自动 加 T页面 ； 其 次 ， 对 各功 能模 块 页面 进 行 过 程 控 制 需 求 分 析 ， 确 定 所需 的控 制 量 ； 然 后 ， 将 各控 制 页面 所需 的 控制 量 转换 为触 摸 屏 的控 制 元 件 实 体 ， 并 对控 制元 件 进 行地 址 编 码 和 空间 布 局 ； 最 后 ， 对 设计 完 成 的界 面软 件 进 行 整体 编 译 和 离 线 模 拟 ， 并将模 拟 成 功 的 软 件 进 行 在 线 联 机 调 试 。精 密 内 网磨 削数 控 系统 的人 机交互 界 面如 图 5所 示 。 图 5嵌 入 式 精 密 内圆 厝 削 人 机 界 面 2 ． 3 MoD B US协 议软 件开 发 MO D B U S协 【 义支 持A S C I I码 和 二 进 制 格 式 R T U 两种 数 据 的传 输 ， 本 系 统 采 用 A S C I I码 格 式 传 输 ， 其 帧格 式 如 表 1所 示 。本 系统 中触 摸 屏 设 为协议 主站 ， A R M 为从 站 、 主 站定 时 对 从 站 发 送 请 求 信 息帧 ， 包括 请求 数 据 的 写 入和 读 取 ， 从站 在 接 收 到主站 的请 求 信 息 帧 后 对 数 据 帧 进 行 译 码 解 释 ， 并 校 验 正误 ， 对 正 确 的请 求 数 据 帧 进 行 组 帧 回应 而 对 有 误 的请求 数据 帧进 行 } H 错 处理 ， 其 通信 流 程 如图 6 所 示 ⋯。A R M 对 触摸 屏 发送 来 的 信 息 采 用 中断 接 收方 式 ， 从 而 减 轻 了 A R M 处 理 器 的 负担 ， 保 证 了加 T 的平 稳性 和 实时性 编程设 置 U A R T T作 在 F I F O T作模 式 下 ， 为 防 止频 繁 的 中 断 对 加 丁 过 程 造 成影 响 ， 可设 串 口 巾断 触发 水平 为 1 6个字 节 表 1 AS CI I码 帧 格 式 起 始 帧 l 从 设 备 地 址 功 能 码 数 据 1 L C R 校 验1 结 束 帧 2个字 符 2个字符 N个字符 2个字符 C R I F 2 ． 4 P L C软 件设 计 本 系统 P L C程序 主要 完成 人机 交 互 界面 与 机床 开关 量之 间 的 信 息 交互 及开 关 量 运 算 ， 其 逻 辑 结 构 如 图 7所 示 。 2 0 1 3年 9月 谢 鸥 ， 等 嵌入 式精 密 内圆磨 削数控 系统 集成 P L C控 制研 究 1 0 7 图 6 MODBUS通 信 流 程 图 7 P LC 逻 辑 结构 在数控系统内存中开辟六个寄存器缓冲区 B寄 存 器 用 于保存 P L C系 统与 人机 交 互界 面 通信 的开关 量 信 号 ； W 寄存 器 用 于 保存 P L C系 统 与 人 机交 互 界 面通 信 的字 符 型 数 据 ； G 寄存 器 用 于 保 存 人 机 交 互 界面传送到数控 系统的加 工 G代码 ； R寄存器用于 保存 P L C系统与数控系统之间的交互信息 ； O寄存 器用于保存 P L C系统输出到机床的开关量信号 ； I 寄 存器用于保存机床输入到 P L C系统的开关量信号。 人机 交互 界 面 上 的 元 件 分 为 两 种 位 地 址 元 件 和字 节地 址元 件 ， 位 地 址 元 件 编 址 范 围为 11 0 2 4 ， 字 节 地址 编址 范 围 为 4 0 0 0 14 1 0 2 4 ， 两 种 元 件 采 用 顺 序 编址 且不 能 重 复 ， 字 节 地 址 元 件 如 果 采 用 双 字 节方式则应该隔位编址。位地址和字节地址分别对 应到数控系统的 B寄存器和 w 寄存器 ， 其地址映射 关系 如 图 8所 示 。 电 堡典堡 B [ 1 】 B [ 2 】 罄 凳 箨 址 正堕 亘匝菡 图 8地址映射 根据开关量信 号控制对实时性要 求 的不 同， 整 个 P L C控 制 软件 被 分 为 两个 通 道 p l c l和 p l c 2 。p l c l 的循 环执 行周 期 为 1 6 m s 称 为 快 速通 道 ， 主要 用 于 实 时性要求高 的开关 量信号处理 ； p l c 2的循环执 行周 期 为 3 2 ms 称 为 慢速 通道 ， 主要 用 于 实 时性 要 求 低 的 开关量信号 处理 ， 且 p l c l的通 道优 先级 高于 p l c 2 。 整 个 P L C控制 的执 行 过程 如 图 9所 示 。 3实验 系统调试 系统调试分为三部分 人机交互界面软件调试 、 通 信 协议 程序 调试 和 P L C软 件程 序 调试 。首先 基 于 组 态 软件对 开 发 的人机 交互 界 面程序 进行 编译 ， 排除 语法 和元件 地址配 置 错误 ， 采用 离 线模 拟 的方 式对 软 元件功能 进行测试 ； 接 着采 用 串 口助手 手 动发送 和 接 受命令帧的方式对通信协议程序进行调试 ； 最后连接 触 摸屏 、 数控 装置及 P L C接 口板进行 P L C软 件程序 的 整体联调。实验结果表明此集成 P L C控制系统对机 床 高实 时性 开关量控 制响应速度 在 2 0 m s以内 ， 且 能优 先处 理实 时性要求高 的动作 ， 人机交 互友好 ， 能有效 防 止误 操作 。实验调试 系统如 图 1 0所示 。 图 9 P LC 执 行 流 程 图 1 O调 试 实验 平 台 4 结束语 嵌入 式精 密 内 圆磨 削数 控 系 统集 成 P L C系 统采 用开 放式 数 控 系 统 设 计 思 想 ， 成 本 低 ， 运 行 稳 定 可 靠 ， 实时性高 ， 提高 了人机交互性能 ， 满足了精 密磨 削加 工 的要求 。 [ 参考文献] [ 1 ]唱江盛 ， 孙德 有 ， 部争 光 ， 等．轴承 内 圆磨 床单 片机控 制 系统 [ J ] ．组合机床与 自动化加工技术 ， 1 9 9 5 1 2 5 ． [ 2 ]陈富安．双 工位 精密 内圆磨 床单 片 机控 制 系统 的研 制 [ J ] ．机床电器 ， 1 9 9 8 1 2 1 2 4 ． [ 3 ]李勇波 ， 杨代华 ， 何王勇 ， 等．高精度内圆磨床的数控改造 及安全 问题 的研究[ J ] ．机床 与液压 ， 2 0 0 4 1 1 4 91 5 0 ． [ 4 ]沙杰 ， 常晓玲 ， 吴剑峰 ．基于人机界面 的高精度数 控内圆 磨床控制系统设 [ J ] ．组合机床与 自动化加工 技术 ， 2 0 0 5 8 4 84 9 ． [ 5 ]王俊英 ， 谭 红川．基 于 P L C和触摸屏的高精度 内圆磨床控 制系统改造设计 [ J ] ．制造业 自动化 ， 2 0 1 2 8 1 3 1 1 3 3 ． [ 6 ]汤季安．加快发展嵌入式中高档数控系统， 提高企业的核心 竞争力[ J ] ．世界制造技术与装备市场 ， 2 0 0 6 6 8 9 9 1 ． [ 7 ]李跃华 ， 冯 习宾 ．嵌入式数控 系统 的设计 和实现 [ J ] ．制 造 业 自动化 ， 2 叭O 7 4 8 4 9 ． [ 8 ]O u X i e ，H u a L i ．D e s i g n a n d R e s e a r c h o f Hu m a n Ma c h i n e I n t e r a c t i o n S y s t e m o f Embe d d e d P r e c i s i o n CNC I n t e r n a l Gr i n de r ． Ad v a nc e d Ma t e r i a l s Re s e a r e h Vo l s ．23 0 23 2 2 0 1 1 1 3 61 3 9 ． [ 9 ]谢鸥， 李华 ， 李艳．内圆磨床嵌入式数控系统中 A R M与触摸 屏 的通信实现[ J ] ．精密制造与自动化 ， 2 0 0 8 3 4 2 4 4 ． [ 1 0 ]李 明伟 ， 郭 广峰 ， 黄鸽 ．P I C单 片机 与触 摸屏 串行 通信 的 M O D B U S协议 实 现 [ J ] ．电子技 术 应用 ， 2 0 0 5 9 4 04 2 ． 编辑李秀敏