嵌入式精密内圆磨削数控系统集成PLC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 215009;2.河南工业大学机电工程学院，郑州 450007)

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。20世纪90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PLC装置构成磨床控制系统［3］，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PLC硬件装置作为内圆磨床控制系统［4-5］，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［6］，本文提出基于ARM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PLC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PLC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PLC控制接口电路，其原理图如图1所示。触摸屏与嵌入式ARM处理器之间采用RS-232进行通信;采用变频器驱动电主轴作为砂轮主轴，由ARM控制变频器的频率输出;选用三菱伺服电机作为XZ轴的进给驱动装置，通过开发接口电路实现ARM处理器与伺服驱动器的连接。

图1 嵌入式精密内圆磨削数控系统硬件总体构成

1.2 PLC控制接口电路设计

机床的开关量通过接口转换电路直接与ARM处理器的通用I/O口相连，由PLC软件程序进行逻辑运算控制。根据控制信号流向，PLC控制接口电路分为信号输入模块、信号输出模块及公共模块，图2所示为PLC控制接口电路原理图。

图2 PLC接口电路原理图

2 嵌入精密内圆磨床集成PLC软件设计

2.1 软件总体框架

嵌入式精密内圆磨削集成PLC软件设计由三大部分组成：人机交互界面软件设计、MODBUS协议软件设计和PLC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工过程的控制，同时接收数控系统的反馈命令帧用于监测加工过程状态。PLC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。MODBUS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，建立访问机制［7］。系统软件总体框架如图3所示。

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ADP6.0进行开发，基于功能划分的自顶向下开发流程如图4所示。

图4 人机交互界面设计流程

首先对精密内圆磨床的加工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工页面(机床状态调整页面、砂轮修整页面、加工参数设置页面、自动加工页面)［8］;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。精密内圆磨削数控系统的人机交互界面如图5所示。

图5 嵌入式精密内圆磨削人机界面

2.3 MODBUS协议软件开发

MODBUS协议支持 ASCII码和二进制格式(RTU)两种数据的传输，本系统采用ASCII码格式传输，其帧格式如表1所示［9］。本系统中触摸屏设为协议主站，ARM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出错处理，其通信流程如图6所示［10］。ARM对触摸屏发送来的信息采用中断接收方式，从而减轻了ARM处理器的负担，保证了加工的平稳性和实时性。编程设置UART工作在FIFO工作模式下，为防止频繁的中断对加工过程造成影响，可设串口中断触发水平为16个字节。

表1 ASCII码帧格式

2.4 PLC软件设计

本系统PLC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。

图6MODBUS通信流程

图7 PLC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PLC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PLC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PLC系统与数控系统之间的交互信息;O寄存器用于保存PLC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PLC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1－1024，字节地址编址范围为40001－41024，两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。

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PLC控制软件被分为两个通道plc1和plc2。plc1的循环执行周期为16ms称为快速通道，主要用于实时性要求高的开关量信号处理;plc2的循环执行周期为32ms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plc1的通道优先级高于plc2。整个PLC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PLC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PLC接口板进行PLC软件程序的整体联调。实验结果表明此集成PLC控制系统对机床高实时性开关量控制响应速度在20ms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10所示。

图9 PLC执行流程

图10 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PLC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。

［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，1995(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，1998(1)：21－24.

［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，2004(1)：149－150.

［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，2005(8)：48－49.

［5］王俊英，谭红川.基于PLC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，2012(8)：131－133.

［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，2006(6)：89－91.

［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，2010(7)：48－49.

［8］Ou Xie，Hua Li.Design and Research of Human-Machine Interaction System of Embedded Precision CNC Internal Grinder.Advanced Materials Research Vols.230 － 232(2011)：136－139.

［9］谢鸥，李华，李艳.内圆磨床嵌入式数控系统中ARM与触摸屏的通信实现［J］.精密制造与自动化，2008(3)：42－44.

［10］李明伟，郭广峰，黄鸽.PIC单片机与触摸屏串行通信的MODBUS协议实现［J］.电子技术应用，2005(9)：40－42.