裝訂膠圈自動(dòng)卷制機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

鄭明航 彭來(lái)湖 史偉民

摘? 要：針對(duì)裝訂膠圈生產(chǎn)效率低下且產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種嵌入式控制系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)裝訂膠圈卷圓成型的自動(dòng)化生產(chǎn)。采用三級(jí)階梯式結(jié)構(gòu)將控制系統(tǒng)分為交互級(jí)、控制級(jí)和執(zhí)行級(jí)，各層級(jí)之間通過(guò)串行通信總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信?？刂葡到y(tǒng)的硬件包括人機(jī)交互模塊、實(shí)時(shí)控制模塊和執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊，根據(jù)每個(gè)模塊的功能需求，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的軟件程序，并采用S形加減速算法控制步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)位移。經(jīng)過(guò)測(cè)試驗(yàn)證，裝訂膠圈自動(dòng)卷制機(jī)的控制系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性和可靠性，能夠?qū)崿F(xiàn)裝訂膠圈的自動(dòng)化生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：裝訂膠圈;S形加減速算法;串行通信

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(yè)簿，是一種廣泛使用的文本裝訂形式[1]，裝訂膠圈的生產(chǎn)應(yīng)用示意圖如圖1所示。裝訂膠圈的生產(chǎn)需要經(jīng)過(guò)多個(gè)環(huán)節(jié)，其中最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)是對(duì)梳式膠圈板材進(jìn)行熱塑加工使其卷圓成型。當(dāng)前裝訂膠圈的熱塑加工主要是以人工操作為主，機(jī)器設(shè)備為輔。這種生產(chǎn)方式有很大的弊端，不僅勞動(dòng)力需求大，工作強(qiáng)度高，而且由于工人生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)不同造成產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，增加了質(zhì)檢難度。

針對(duì)裝訂膠圈生產(chǎn)過(guò)程中存在的問(wèn)題，本文應(yīng)用嵌入式技術(shù)，設(shè)計(jì)了裝訂膠圈自動(dòng)卷制機(jī)的控制系統(tǒng)。通過(guò)分析人工生產(chǎn)流程，結(jié)合裝訂膠圈自動(dòng)卷制機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，提出裝訂膠圈自動(dòng)化生產(chǎn)的控制需求和控制策略。采用S形加減速算法控制步進(jìn)電機(jī)精準(zhǔn)位移，以滿足電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制要求[2];采用PWM信號(hào)控制電磁閥開(kāi)閉，以滿足氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制需求?？刂葡到y(tǒng)各模塊以ARM微處理器為控制核心，各模塊相互獨(dú)立，依靠總線通信，以保證控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性。

2? ?總體設(shè)計(jì)概述（Overview of overall design）

裝訂膠圈自動(dòng)卷制機(jī)控制系統(tǒng)是基于如圖2所示的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)的，整機(jī)可分為四個(gè)部分：膠圈圓輥往復(fù)式輸送機(jī)構(gòu)、膠圈卷制加工機(jī)構(gòu)、膠圈原料送料進(jìn)給機(jī)構(gòu)、膠圈成品退料機(jī)構(gòu)。這些機(jī)構(gòu)是裝訂膠圈自動(dòng)卷制機(jī)的主要加工機(jī)構(gòu)。膠圈圓輥往復(fù)式輸送機(jī)構(gòu)用于將無(wú)料圓輥輸送至加熱區(qū)加工，以及將帶料圓輥輸送至脫料區(qū)落料，實(shí)現(xiàn)圓輥的循環(huán)式輸送;膠圈卷制加工機(jī)構(gòu)用于對(duì)膠圈板材原料進(jìn)行卷圓和整形加工;膠圈原料送料進(jìn)給機(jī)構(gòu)用于將膠圈板材原料送至預(yù)定加工區(qū)域;膠圈成品退料機(jī)構(gòu)用于將卷圓定型后的膠圈從圓輥上抽離，實(shí)現(xiàn)脫料落料。

結(jié)合膠圈卷制加工的工藝流程和機(jī)械結(jié)構(gòu)，可將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制需求分為兩種，一種是需要定位控制，執(zhí)行機(jī)構(gòu)在加工過(guò)程中具有多段位移且每段位移精準(zhǔn)可控;另一種是無(wú)須定位控制，執(zhí)行機(jī)構(gòu)只需簡(jiǎn)單位移或開(kāi)關(guān)控制。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制需求如圖3所示。根據(jù)控制需求可將執(zhí)行機(jī)構(gòu)分為電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，氣動(dòng)是指通過(guò)電磁閥控制氣路的開(kāi)閉，進(jìn)而控制固定在執(zhí)行機(jī)構(gòu)上的氣動(dòng)滑臺(tái)或無(wú)桿氣缸的開(kāi)閉，從而實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作[3];電動(dòng)是指通過(guò)控制電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)，經(jīng)由聯(lián)軸器和滾珠絲桿螺母實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的移動(dòng)和定位。

3? 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)和硬件設(shè)計(jì)（The overall structure and hardware design of the control system）

根據(jù)裝訂膠圈自動(dòng)卷制機(jī)的結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)需求，設(shè)計(jì)了三級(jí)階梯式結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)，包括交互級(jí)、控制級(jí)、執(zhí)行級(jí)，每個(gè)層級(jí)對(duì)應(yīng)一個(gè)硬件模塊，分別是人機(jī)交互模塊、實(shí)時(shí)控制模塊和執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊[4]。每個(gè)模塊相對(duì)獨(dú)立，依靠總線進(jìn)行通信，便于軟件上的編寫(xiě)?？刂葡到y(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。人機(jī)交互模塊與實(shí)時(shí)控制模塊通過(guò)RS-485總線進(jìn)行通信，實(shí)時(shí)控制模塊與執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊通過(guò)CAN總線進(jìn)行通信。

人機(jī)交互模塊用于實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，通過(guò)人機(jī)交互界面，用戶可以控制裝訂膠圈自動(dòng)卷制機(jī)的啟停，設(shè)置生產(chǎn)參數(shù)或運(yùn)行參數(shù)，對(duì)機(jī)器各部分進(jìn)行測(cè)試，也可以查看機(jī)器當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)，比如產(chǎn)量計(jì)數(shù)、報(bào)警信息等。

實(shí)時(shí)控制模塊用于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)流程控制和電機(jī)驅(qū)動(dòng)，采用STM32F205ZGT6微處理器作為主控芯片，內(nèi)部集成浮點(diǎn)運(yùn)算單元，能夠滿足實(shí)時(shí)控制模塊的計(jì)算要求。實(shí)時(shí)控制模塊上設(shè)計(jì)了多種硬件電路，電源電路提供模塊所需的電源;電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電路輸出差分控制信號(hào)，控制相應(yīng)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的移動(dòng)和定位;RS-485通信電路用于接收人機(jī)交互模塊下發(fā)的指令和參數(shù)，以及上傳執(zhí)行機(jī)構(gòu)限位狀態(tài);CAN通信電路用于與執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，傳遞控制指令及運(yùn)行參數(shù)。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊主要用于輸出控制和輸入檢測(cè)，采用恩智浦公司的KE06作為主控芯片。KE06具有豐富的片內(nèi)資源，能夠滿足裝訂膠圈自動(dòng)卷制機(jī)在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下的控制要求，保證設(shè)備可靠運(yùn)行。執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊的硬件電路包括電磁閥輸出控制電路、限位開(kāi)關(guān)信號(hào)檢測(cè)電路、CAN通信電路和電源電路。

4 控制系統(tǒng)核心程序開(kāi)發(fā)（Core program development of control system）

4.1? ?電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

實(shí)時(shí)控制模塊通過(guò)向電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中發(fā)送脈沖來(lái)控制電機(jī)的運(yùn)行，為了防止步進(jìn)電機(jī)的失步和過(guò)沖，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位，需要在電機(jī)啟動(dòng)和停止過(guò)程中進(jìn)行加減速控制。常用的電機(jī)加減速控制有三種，分別是梯形加減速、指數(shù)型加減速和S形加減速[5]。

梯形加減速和指數(shù)型加減速在起始或結(jié)束階段存在速度突變，可能會(huì)造成失步和過(guò)沖，影響控制精度和動(dòng)態(tài)性能，適用于控制精度不高，且對(duì)升降速度要求不高的場(chǎng)合。S形加減速算法是通過(guò)改變加速度的導(dǎo)數(shù)來(lái)消除加速度跳變的情況，從而使電機(jī)運(yùn)行的各個(gè)階段平滑過(guò)渡，因此適合控制精度較高的場(chǎng)合[6]。一般來(lái)說(shuō)，S形加減速曲線劃分為七個(gè)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(gè)階段，減速段分為加減速、勻減速和減減速三個(gè)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(fù)雜度和計(jì)算復(fù)雜度。考慮到電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)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(jiǎn)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(guò)渡。

設(shè)為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位移量，即脈沖數(shù)量;為電機(jī)速度;為加速度;為加速度的導(dǎo)數(shù)，即加加速度;設(shè)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(jù)上述公式，在滿足電機(jī)控制精度的情況下，為了降低運(yùn)算復(fù)雜度，在實(shí)際計(jì)算時(shí)進(jìn)行簡(jiǎn)化。除勻速階段外，設(shè)定其他各階段的運(yùn)行時(shí)間相等，即，電機(jī)的啟動(dòng)速度和停止速度均為0，則其他各階段的加速度的絕對(duì)值均相等。設(shè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)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(gòu)成，則[8]。設(shè)為勻速階段的速度值，若要計(jì)算和，則需要考慮如下兩種情況：

（1）當(dāng)時(shí)，即電機(jī)可以加速到，由式（1）得：

（4）

則

（5）

由式（1）可得：

（6）

（2）當(dāng)時(shí)，即沒(méi)有勻速段，電機(jī)不能加速到，。由式（1）得：

（7）

根據(jù)以上不同情況計(jì)算得出和，進(jìn)而可求出各階段所需的脈沖數(shù)。

4.2? ?通信程序設(shè)計(jì)

人機(jī)交互模塊與實(shí)時(shí)控制模塊之間通過(guò)RS-485總線連接，采用Modbus協(xié)議，數(shù)據(jù)傳輸模式為Modbus-RTU模式。在該模式下，沒(méi)有規(guī)定開(kāi)始和結(jié)束標(biāo)記，因此協(xié)議規(guī)定每一幀數(shù)據(jù)中的兩個(gè)字符間的空閑時(shí)間不能超過(guò)3.5 個(gè)字符周期，否則報(bào)文幀將被識(shí)別為不完整而被丟棄[9]。當(dāng)主機(jī)向從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，從機(jī)端進(jìn)入相應(yīng)的串口接收中斷，讀取數(shù)據(jù)并打開(kāi)定時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)，若在計(jì)時(shí)結(jié)束前串口再次收到數(shù)據(jù)，則讀取數(shù)據(jù)并重新計(jì)時(shí);若在計(jì)時(shí)結(jié)束后仍未收到數(shù)據(jù)，則判定一幀數(shù)據(jù)結(jié)束并處理該幀數(shù)據(jù)。對(duì)于這一幀數(shù)據(jù)，首先判斷地址碼是否正確，若正確則進(jìn)行CRC校驗(yàn);若不正確，則清除該幀數(shù)據(jù)。若CRC校驗(yàn)通過(guò)，則根據(jù)功能碼進(jìn)入相應(yīng)數(shù)據(jù)處理程序分支;若CRC校驗(yàn)失敗，則向主機(jī)返回CRC校驗(yàn)失敗的報(bào)文。實(shí)時(shí)控制模塊接收數(shù)據(jù)幀的流程圖如圖7所示。

實(shí)時(shí)控制模塊與執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊之間使用CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，支持CAN 2.0B通信協(xié)議[10]。采用擴(kuò)展幀的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，表1給出了標(biāo)識(shí)符ID包含的信息，其中，發(fā)送方ID和接收方ID用于識(shí)別發(fā)送端和接收端，指令代碼用于指示不同的數(shù)據(jù)類(lèi)別，功能代碼用于指示指令代碼下的相應(yīng)功能。在仲裁段定義指令代碼和功能代碼，則在數(shù)據(jù)段只需2 個(gè)字節(jié)即可滿足系統(tǒng)的傳輸需求，提高了通信效率。

實(shí)時(shí)控制模塊的CAN報(bào)文接收和發(fā)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(dāng)接收到數(shù)據(jù)時(shí)，進(jìn)入中斷并清除相應(yīng)標(biāo)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(shù)據(jù);若沒(méi)有中斷掛起，則返回繼續(xù)等待接收中斷。當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，首先將待發(fā)送的指令或數(shù)據(jù)存入緩存區(qū)，然后等待空閑的郵箱，當(dāng)有空閑郵箱時(shí)，則將緩存區(qū)的數(shù)據(jù)按幀存入郵箱中。數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，先進(jìn)入發(fā)送中斷，然后判斷當(dāng)前是否還有未發(fā)送的數(shù)據(jù)，若沒(méi)有則將該幀數(shù)據(jù)發(fā)送出去，若有則將該幀數(shù)據(jù)緩存在空郵箱中。

5? ?測(cè)試驗(yàn)證（Test validation）

5.1? ?電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)功能測(cè)試

電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，實(shí)時(shí)控制模塊的主控芯片發(fā)出的脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)差分芯片轉(zhuǎn)換為差分控制信號(hào)，差分信號(hào)輸出至電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中實(shí)現(xiàn)電機(jī)的控制。在實(shí)時(shí)控制模塊差分信號(hào)輸出端口測(cè)得波形如圖9所示，由圖9可知，輸出的差分信號(hào)正常，符合控制要求。

5.2? ?通信測(cè)試

人機(jī)交互模塊與實(shí)時(shí)控制模塊之間通過(guò)RS-485總線進(jìn)行通信，采用Modbus-RTU模式，數(shù)據(jù)以幀為單位傳輸，每幀數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)由功能碼決定，數(shù)據(jù)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(cè)得波形如圖10所示，對(duì)圖中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，實(shí)際發(fā)送的數(shù)據(jù)與程序設(shè)計(jì)一致，每個(gè)字節(jié)的傳輸時(shí)間也與理論計(jì)算值基本吻合。

實(shí)時(shí)控制模塊與執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊之間通過(guò)CAN總線通信，采用CAN通信協(xié)議。本系統(tǒng)CAN報(bào)文中的數(shù)據(jù)幀采用擴(kuò)展幀格式，傳輸波特率設(shè)置為1 MB/s。傳輸測(cè)試時(shí)，在CAN收發(fā)器的CAN_H和CAN_L上測(cè)得波形如圖11所示。分析圖11中的數(shù)據(jù)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(shí)間也符合理論計(jì)算值。

6? ?結(jié)論（Conclusion）

本文通過(guò)對(duì)裝訂膠圈生產(chǎn)現(xiàn)狀和生產(chǎn)工藝的分析，結(jié)合裝訂膠圈自動(dòng)卷制機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了裝訂膠圈自動(dòng)卷制機(jī)的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了裝訂膠圈的自動(dòng)化生產(chǎn)?？刂葡到y(tǒng)由三個(gè)模塊組成：操作簡(jiǎn)便的人機(jī)交互模塊;用于生產(chǎn)流程控制和電機(jī)驅(qū)動(dòng)的實(shí)時(shí)控制模塊;用于輸出控制和輸入檢測(cè)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊。三個(gè)模塊之間依靠通信總線傳輸數(shù)據(jù)，模塊化的設(shè)計(jì)便于控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和維護(hù)。設(shè)計(jì)完成后，搭建控制系統(tǒng)的測(cè)試平臺(tái)，完成各模塊的功能測(cè)試，之后在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行整機(jī)裝配調(diào)試，結(jié)果表明該系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性，可以實(shí)現(xiàn)裝訂膠圈的自動(dòng)化生產(chǎn)。

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作者簡(jiǎn)介：

鄭明航（1996-），男，碩士生.研究領(lǐng)域：智能檢測(cè)與應(yīng)用.

彭來(lái)湖（1980-），男，博士，副教授.研究領(lǐng)域：智能裝備與嵌入式控制技術(shù)，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通信.

史偉民（1965-），男，博士，教授.研究領(lǐng)域：紡織機(jī)械自動(dòng)控制，輕工機(jī)械.