基于ARM-CPLD 的可編程金屬帶鋸床控制系統*

朱雅光，程志海，吳永平

(長安大學 道路施工技術與裝備教育部重點實驗室，陜西 西安 710000)

0 引言

隨著現代制造工業朝著高效、高精度和經濟性的方向發展，鋸切作為金切加工的起點，已成為零件加工過程中重要的組成環節。鋸切可以節約材料、減少二次加工量和提高生產效率。實現金屬帶鋸床［1-3］的自動化是必然發展趨勢，而目前自動化技術在向集成化、智能化和網絡化方向發展。目前嵌入式技術ARM 已經得到了廣泛應用，CPLD 器件也經常用在各行各業，但在金屬帶鋸床目前主要使用的還是傳統分散、斷續的控制方法，這種控制操作復雜、線路繁瑣、精度不高、維修困難，可靠度低，很難適應現在產業的發展。另有一種基于PLC 的控制方法，但其造價昂貴，而且PLC的程序已經集成，編程的靈活性受到限制。

本研究設計的基于ARM-CPLD 的金屬帶鋸床控制系統采用先進的變頻電動機驅動、精密光柵定位方式、輸入輸出光耦隔離，配以基于ARM和CPLD 芯片控制電路，由計算機自動在線監控鋸切全過程，鋸條速度、進給速度、卡緊力均可做到任意設置、最優化組合，由此來提高鋸床的加工精度。

與傳統技術相比，本研究設計實現精確化控制，且擁有極高的編程的靈活性，對金屬帶鋸床控制系統的研究有重大意義，同時也具有較大的經濟價值［4］。

1 控制系統硬件設計

本研究根據數控切條機控制系統的要求，采用32位ARM+CPLD 為核心架構的新一代鋸床控制系統。該控制器管理能力強大，有較強的通信能力，ARM 可方便擴展CAN 工業總線，485 通訊接口，ISP 網絡接口，RS232 通信接口，USB 等。CPLD 點數擴展方便，輸入/輸出點數依需求最高可擴展至100個。

系統結構圖如圖1 所示。

圖1 金屬帶鋸床控制系統結構

圖1 中，控制器CPLD 芯片通過2 路光柵［5］、3個限位開關(上限位、下限位、原點限位)、溫度傳感器、變頻器獲取鋸床工作狀態;上位機ARM［6］通過RS232、RS485接口將鋸床工作狀態傳輸到LCD 顯示并處理，發出應答指令給CPLD;最后由CPLD 輸出信號通過光耦傳輸給電磁驅動器和繼電器來控制電機動作，進而控制整個金屬帶鋸床的運作。上位機ARM與控制器CPLD 通過串口USART和SPI 進行數據傳輸［7-8］。

1.1 主要元器件的選型

該系統以ARM 芯片LPC2368 作為核心控制器，包含了Ethernet MAC、USB 2.0 全速接口、4個UART、2 路CAN 通道、1個SPI接口、2個同步串行端口(SSP)、3個I2C接口、1個I2S接口外圍擴展了RS232、485、CAN、JTAG接口、ISP、E2PROM、LCD 等功能模塊。以CPLD 芯片EPM1270GT144C5 作為協控制器，解決了I/O 口、4×8 鍵盤的擴展，并實現了鍵盤、光電編碼器、輸入的中斷請求［9］。本研究控制器采用的LCD液晶顯示屏信號為KNY240128B［10-13］，KNY240128B 是一種圖形點陣液晶顯示器。它主要采用動態驅動原理由行驅動器、控制器和列驅動器3 部分組成了240(列)×128(行)的全點陣液晶顯示。

1.2 電路模塊的設計

該系統電源供電模塊:外圍電路供電PWB2405(C)是隔離穩壓模塊電源。輸入額定電壓為24 V，輸出電壓為±5 V，最大輸出電流為±1 000 mA，。核心板供電SPX29150 是1.5 A 低壓差穩壓器，輸出電壓為3.3 V，輸入電壓范圍為2.5 V～16 V，靜態電路為900 μA，具體電路如圖2 所示。

圖2 電源供電電路

1.2.1 輸入接口電路

該系統通過2 路光柵，準確獲取鋸架和送料車床的位置及速度，通過光電耦合器HCPL2630 連接CPLD，將數據傳給上位機ARM 處理。系統通過3個限位開關，準確判斷是否到達鋸架的上、限位和車床的原點限位3個極限位置，通過光耦連接CPLD，再將數據傳給ARM。

限位信號輸入電路如圖3 所示。

圖3 限位信號輸入電路

1.2.2 輸出接口電路

ARM 發出指令，CPLD 通過3個光耦與12個繼電器連接［14-15］，驅動電磁驅動板來使電機做出相應動作。其中，2個接口如圖4 所示。

圖4 CPLD 輸出電路

實物接線如圖5 所示。

圖5 控制器PCB 電路板

2 控制系統軟件設計

2.1 上位機軟件系統

本研究采用ARM 芯片LPC2368 作為上位機，通過USART 串口和SPI 串口與下位機CPLD 相連傳輸數據。一方面作為鋸床運行狀態監控的人機交互界面，另一方面對監測的數據進行分析處理，控制機器的運行。

該控制器界面采用16.7 M 色7 寸真彩觸摸液晶屏，集成了觸摸屏操作與按鈕操作。主控界面主要完成一些主要參數的設定以及主要實時參數的顯示，并且一些系統重要檢測的開關也設定在該界面。如鋸刀的上限位和下限位指示燈、送料原點和無料檢測指示燈、斷帶檢測和原點開關指示燈、當前鋸輪速度、鋸切位置、當前料架位置、刀具補償、完成數量、任務數量等參數，以及油泵開關、回原點、總停等按鈕。主控界面如圖6 所示。在選擇自動模式且配置好加工尺寸、加工數量等參數后，鋸床可自動運行切割直至完成所設定數量。

圖6 主控界面

2.2 控制系統工作流程

本研究通過一定的掃描時間對CPLD 的狀態進行掃描，當送料車和刀架完成相應動作后，CPLD 會有相應的一個狀態位，ARM 通過SPI 掃描CPLD 的狀態位，對狀態位進行置位處理，并發命令使CPLD 中的相應控制位改變，控制鋸床下一步的動作及狀態。

(1)通過光柵1 來掃描送料車床位置，將位置信號由CPLD 傳給上位機ARM，判斷送料車是否在機械原點，如果在，由CPLD 控制電磁驅動板使送料車床后退;

(2)如果送料車退回設定位置，就通過ARM 發送命令給CPLD 控制電磁驅動板使后鉗口夾緊;

(3)通過ARM 的定時器TIMER1 設定后鉗夾緊時間，如果夾緊時間到達，則產生中斷位，由ARM和CPLD 發送指令使送料車床前進;

(4)如果送料車前進到原點處，原點開關LED0 閃爍，驅動前鉗夾緊，后鉗松開;

(5)由ARM 的定時器TIMER1 設定后鉗松開時間，如果松開時間到達，則產生中斷，控制送料車后退;

(6)當送料車后退至設定距離，通過ARM 發送命令至CPLD 控制繼電器驅動電磁驅動板使后鉗夾緊;

(7)如果后鉗夾緊時間到，通過ARM 發送命令給CPLD 控制電磁驅動板使鋸架下降，同時用光柵2 掃描鋸架位置，并將位置信息傳送到ARM 中;

(8)如果鋸架到達下限位置，下限位LED1 發光，ARM 發送命令給CPLD 控制鋸架上升;

(9)如果鋸架到達上限位置，上限位LED2 發光，ARM 發送命令給CPLD 控制前鉗松開;

(10)由ARM 中的定時器TIMER2 設定前鉗松開時間，如果到達，則產生中斷，送料車床后退至設定位置，形成循環控制?？刂葡到y工作流程圖如圖7 所示。

3 實驗及結果分析

圖7 控制系統工作流程圖

本研究測試進行直徑100 mm，總長5 m 金屬棒料的連續切割，選擇自動模式，配置鋸條偏移距離1.5 mm，額定報警電流10 A，切割速度0.5 mm/s，加工尺寸5 組、分別為1 mm，3 mm，5 mm，10 mm，150 mm，對應的加工數量為10，5，2，1，1。結果表明，整個過程系統運行穩定，各接觸開關按時開啟關閉，各定時功能定時準確。ARM 與CPLD 通訊精確無誤。上位機顯示正確，界面響應快速無滯后。測試鋸床用于粗加工，整個測試過程切割距離誤差不超過0.01 mm，且重復精度高，若精確測量鋸條偏移距離可用于要求較低的精加工。對金屬帶鋸床系統界面經過反復調試，其運行穩定，數據無丟失，無溢出。而且，該控制器預留有CAN 總線接口，可用于擴展拓撲結構多機聯合加工，能全自動進行切割工作，操作簡單。

4 結束語

本研究提出了一種基于ARM-CPLD 的可編程金屬帶鋸床控制系統，該控制系統以ARM +CPLD 為核心，完成了對微機主控制板的軟硬件設計，通過ARM實時顯示鋸床的運行狀態，通過CPLD 驅動電磁驅動板控制送料距離及切頻率從而來控制系統送料速度。

切條試驗結果表明，該控制系統人機交互界面簡潔，操作簡單，界面響應快速無滯后，運行可靠穩定，金屬帶鋸床的切條距離控制在要求范圍內，具有一定的工程使用價值。

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