裝訂膠圈自動卷制機控制系統的設計與實現

2021-10-09 23:26鄭明航彭來湖史偉民
軟件工程 2021年10期

鄭明航 彭來湖 史偉民

摘? 要:針對裝訂膠圈生產效率低下且產品質量參差不齊等問題,設計了一種嵌入式控制系統,用于實現裝訂膠圈卷圓成型的自動化生產。采用三級階梯式結構將控制系統分為交互級、控制級和執行級,各層級之間通過串行通信總線進行數據通信。控制系統的硬件包括人機交互模塊、實時控制模塊和執行機構模塊,根據每個模塊的功能需求,設計了相應的軟件程序,并采用S形加減速算法控制步進電機實現精準位移。經過測試驗證,裝訂膠圈自動卷制機的控制系統具有較高的穩定性和可靠性,能夠實現裝訂膠圈的自動化生產。

關鍵詞: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],裝訂膠圈的生產應用示意圖如圖1所示。裝訂膠圈的生產需要經過多個環節,其中最重要的一個環節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,機器設備為輔。這種生產方式有很大的弊端,不僅勞動力需求大,工作強度高,而且由于工人生產經驗不同造成產品質量參差不齊,增加了質檢難度。

針對裝訂膠圈生產過程中存在的問題,本文應用嵌入式技術,設計了裝訂膠圈自動卷制機的控制系統。通過分析人工生產流程,結合裝訂膠圈自動卷制機的機械結構,提出裝訂膠圈自動化生產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,以滿足電動執行機構的控制要求[2];采用PWM信號控制電磁閥開閉,以滿足氣動執行機構的控制需求。控制系統各模塊以ARM微處理器為控制核心,各模塊相互獨立,依靠總線通信,以保證控制系統的實時性和穩定性。

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

裝訂膠圈自動卷制機控制系統是基于如圖2所示的機械結構進行設計的,整機可分為四個部分:膠圈圓輥往復式輸送機構、膠圈卷制加工機構、膠圈原料送料進給機構、膠圈成品退料機構。這些機構是裝訂膠圈自動卷制機的主要加工機構。膠圈圓輥往復式輸送機構用于將無料圓輥輸送至加熱區加工,以及將帶料圓輥輸送至脫料區落料,實現圓輥的循環式輸送;膠圈卷制加工機構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用于將膠圈板材原料送至預定加工區域;膠圈成品退料機構用于將卷圓定型后的膠圈從圓輥上抽離,實現脫料落料。

結合膠圈卷制加工的工藝流程和機械結構,可將執行機構的控制需求分為兩種,一種是需要定位控制,執行機構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,執行機構只需簡單位移或開關控制。執行機構的控制需求如圖3所示。根據控制需求可將執行機構分為電動執行機構和氣動執行機構,氣動是指通過電磁閥控制氣路的開閉,進而控制固定在執行機構上的氣動滑臺或無桿氣缸的開閉,從而實現執行機構的動作[3];電動是指通過控制電機的正、反轉,經由聯軸器和滾珠絲桿螺母實現執行機構的移動和定位。

3? 控制系統總體結構和硬件設計(The overall structure and hardware design of the control system)

根據裝訂膠圈自動卷制機的結構和生產需求,設計了三級階梯式結構的控制系統,包括交互級、控制級、執行級,每個層級對應一個硬件模塊,分別是人機交互模塊、實時控制模塊和執行機構模塊[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。控制系統的硬件結構圖如圖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,實時控制模塊與執行機構模塊通過CAN總線進行通信。

人機交互模塊用于實現人機交互,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,設置生產參數或運行參數,對機器各部分進行測試,也可以查看機器當前的運行狀態,比如產量計數、報警信息等。

實時控制模塊用于實現生產流程控制和電機驅動,采用STM32F205ZGT6微處理器作為主控芯片,內部集成浮點運算單元,能夠滿足實時控制模塊的計算要求。實時控制模塊上設計了多種硬件電路,電源電路提供模塊所需的電源;電動執行機構驅動電路輸出差分控制信號,控制相應電機的運轉,實現電動執行機構的移動和定位;RS-485通信電路用于接收人機交互模塊下發的指令和參數,以及上傳執行機構限位狀態;CAN通信電路用于與執行機構模塊進行數據通信,傳遞控制指令及運行參數。

執行機構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具有豐富的片內資源,能夠滿足裝訂膠圈自動卷制機在工業現場環境下的控制要求,保證設備可靠運行。執行機構模塊的硬件電路包括電磁閥輸出控制電路、限位開關信號檢測電路、CAN通信電路和電源電路。

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

4.1? ?電動執行機構驅動程序設計

實時控制模塊通過向電機驅動器中發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、指數型加減速和S形加減速[5]。

梯形加減速和指數型加減速在起始或結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數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,大大增加了程序復雜度和計算復雜度。考慮到電動執行機構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。

設為執行機構的位移量,即脈沖數量;為電機速度;為加速度;為加速度的導數,即加加速度;設定,。

位移量的公式為:

(1)

速度的公式為:

(2)

加速度的公式為:

(3)

根據上述公式,在滿足電機控制精度的情況下,為了降低運算復雜度,在實際計算時進行簡化。除勻速階段外,設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。設執行機構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成,則[8]。設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)

(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。

4.2? ?通信程序設計

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協議,數據傳輸模式為Modbus-RTU模式。在該模式下,沒有規定開始和結束標記,因此協議規定每一幀數據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]。當主機向從機發送數據時,從機端進入相應的串口接收中斷,讀取數據并打開定時器開始計時,若在計時結束前串口再次收到數據,則讀取數據并重新計時;若在計時結束后仍未收到數據,則判定一幀數據結束并處理該幀數據。對于這一幀數據,首先判斷地址碼是否正確,若正確則進行CRC校驗;若不正確,則清除該幀數據。若CRC校驗通過,則根據功能碼進入相應數據處理程序分支;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據幀的流程圖如圖7所示。

實時控制模塊與執行機構模塊之間使用CAN總線進行數據通信,支持CAN 2.0B通信協議[10]。采用擴展幀的方式進行數據傳輸,表1給出了標識符ID包含的信息,其中,發送方ID和接收方ID用于識別發送端和接收端,指令代碼用于指示不同的數據類別,功能代碼用于指示指令代碼下的相應功能。在仲裁段定義指令代碼和功能代碼,則在數據段只需2 個字節即可滿足系統的傳輸需求,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,當接收到數據時,進入中斷并清除相應標志位,之后判斷緩沖器中是否有中斷掛起。若有中斷掛起,則保存數據;若沒有中斷掛起,則返回繼續等待接收中斷。當發送數據時,首先將待發送的指令或數據存入緩存區,然后等待空閑的郵箱,當有空閑郵箱時,則將緩存區的數據按幀存入郵箱中。數據發送時,先進入發送中斷,然后判斷當前是否還有未發送的數據,若沒有則將該幀數據發送出去,若有則將該幀數據緩存在空郵箱中。

5? ?測試驗證(Test validation)

5.1? ?電動執行機構功能測試

電動執行機構由電機驅動,實時控制模塊的主控芯片發出的脈沖信號經過差分芯片轉換為差分控制信號,差分信號輸出至電機驅動器中實現電機的控制。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,數據以幀為單位傳輸,每幀數據的字節數由功能碼決定,數據通信的波特率為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,對圖中的數據進行分析,實際發送的數據與程序設計一致,每個字節的傳輸時間也與理論計算值基本吻合。

實時控制模塊與執行機構模塊之間通過CAN總線通信,采用CAN通信協議。本系統CAN報文中的數據幀采用擴展幀格式,傳輸波特率設置為1 MB/s。傳輸測試時,在CAN收發器的CAN_H和CAN_L上測得波形如圖11所示。分析圖11中的數據可得,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? ?結論(Conclusion)

本文通過對裝訂膠圈生產現狀和生產工藝的分析,結合裝訂膠圈自動卷制機的機械結構,設計了裝訂膠圈自動卷制機的控制系統,實現了裝訂膠圈的自動化生產。控制系統由三個模塊組成:操作簡便的人機交互模塊;用于生產流程控制和電機驅動的實時控制模塊;用于輸出控制和輸入檢測的執行機構模塊。三個模塊之間依靠通信總線傳輸數據,模塊化的設計便于控制系統的開發和維護。設計完成后,搭建控制系統的測試平臺,完成各模塊的功能測試,之后在現場進行整機裝配調試,結果表明該系統具有較高的穩定性,可以實現裝訂膠圈的自動化生產。

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作者簡介:

鄭明航(1996-),男,碩士生.研究領域:智能檢測與應用.

彭來湖(1980-),男,博士,副教授.研究領域:智能裝備與嵌入式控制技術,工業互聯網通信.

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

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