嵌入式超聲振動擠壓加工裝備數(shù)控系統(tǒng)的研究與開發(fā)

汪幫富，殷 振，謝 鷗

（蘇州科技學院機械學院，江蘇 蘇州215009）

超聲振動擠壓（超聲壓光）工藝是在傳統(tǒng)的壓光工藝基礎上發(fā)展起來的一種新工藝。超聲振動擠壓（超聲壓光）加工原理為：在擠壓加工時，工具頭在預壓彈簧的作用下與工件表面相接觸，在超聲波發(fā)生器的驅(qū)動下,工具頭產(chǎn)生縱向超聲振動,對旋轉(zhuǎn)工件的表面進行光整加工。在工具頭靜壓力和高頻沖擊力的作用下,工件表面的微觀峰谷被壓平,同時表層金屬產(chǎn)生塑性變形強化,形成壓應力,提高了零件表面的耐疲勞強度。與傳統(tǒng)的壓光工藝相比，其具有彈性壓力小、摩擦力小、表面粗糙Ra值進一步降低、表面更加平滑、表面耐磨性增加等一系列優(yōu)點，因而日益受到人們的重視。

為了充分發(fā)揮超聲振動擠壓加工的優(yōu)越性，通過分析超聲振動擠壓加工的控制特點，本文提出了一種基于嵌入式技術(shù)來構(gòu)建超聲振動擠壓加工數(shù)控系統(tǒng)的設計方案。此系統(tǒng)總體性能穩(wěn)定，開發(fā)成本低，具有強實時性，符合開放式數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展方向，具有很強的市場競爭力和廣泛的應用前景。

1 總體方案設計

數(shù)控超聲振動擠壓加工機床的機械結(jié)構(gòu)用臥式結(jié)構(gòu)，機械結(jié)構(gòu)類似臥式車床，與車床最大區(qū)別在于刀架備置不是刀具，而是超聲振動擠壓加工系統(tǒng)，如圖1所示。主軸控制接口連接數(shù)控系統(tǒng)與主軸驅(qū)動單元，其包含兩個部分：主軸速度控制輸出和超聲波發(fā)生器的控制輸出。由于超聲振動擠壓的數(shù)控系統(tǒng)本身的特點要求，系統(tǒng)伺服電機選用Panasonic MSDA043A1A交流伺服電機和驅(qū)動器，而整個機器的傳動和導向機構(gòu)則采用日本THK精密的滾珠絲杠和直線導軌。上述各功能模塊接口通過標準總線連接，實行統(tǒng)一的總線接口規(guī)范。該體系結(jié)構(gòu)中有些功能模塊不是每一個嵌入式數(shù)控系統(tǒng)都必須的，可根據(jù)具體要求裁減。

圖1 超聲振動擠壓加工系統(tǒng)機床本體結(jié)構(gòu)示意圖

在嵌入式超聲擠壓數(shù)控裝置的設計過程中，超聲振動擠壓裝置是實現(xiàn)超聲加工的關鍵部件。超聲振動擠壓裝置的整體結(jié)構(gòu)（如圖2所示），其由超聲波電源、壓力顯示器、測力系統(tǒng)、支撐部件、滾珠保持架和超聲主軸等組成，其中包括工具頭、超聲振子、主軸套筒、前后蓋等部件。

2 基于嵌入式技術(shù)的數(shù)控硬件平臺的設計

在嵌入式微處理器中，ARM占據(jù)十分重要的位置，ARM內(nèi)核處理器具有高性能、低功耗、低成本、低開發(fā)難度等一系列優(yōu)點，是測控系統(tǒng)由8位機升級到32位機的理想選擇。在本次設計中，以嵌入式數(shù)控系統(tǒng)作為數(shù)控機床的控制核心，由硬件層、操作系統(tǒng)層及軟件層三個層次構(gòu)成。硬件以ARM處理器和復雜可編程邏輯器件CPLD為核心，并配以系統(tǒng)所需的外圍模塊組成完整的硬件平臺；軟件以μC/OS-Ⅱ為內(nèi)核來構(gòu)建實時嵌入式操作系統(tǒng)，并開發(fā)系統(tǒng)所需的底層驅(qū)動和應用軟件；采用μC/OS-Ⅱ使得嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的控制軟件劃分明確、模塊化，并且使系統(tǒng)具有多任務處理能力及良好的實時性。軟件層主要是數(shù)控系統(tǒng)匹配軟件，包括設備驅(qū)動程序、相關的API函數(shù)、數(shù)控各任務模塊等。

圖2 超聲振動擠壓裝置的總體結(jié)構(gòu)圖

2.1 嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的硬件組成

嵌入式微處理器選用ARM7系列的、恩智浦半導體（NXP）公司的LPC2220芯片，其是32位的高性能、低成本的嵌入式RISC微處理器，具有數(shù)據(jù)處理能力強，穩(wěn)定可靠，可支持操作系統(tǒng)，低功耗和低成本的特點。在嵌入式數(shù)控系統(tǒng)中主要負責數(shù)據(jù)處理、運算和對外設（LCD、RAM、FLASH、鍵盤等）的控制等管理調(diào)度部分；大規(guī)?？删幊踢壿嬁刂破骷﨏PLD主要用在較短的時間內(nèi)完成復雜的運動控制、碼盤反饋和實現(xiàn)I/O控制等。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 嵌入式數(shù)控硬件結(jié)構(gòu)圖

2.2 嵌入式數(shù)控系統(tǒng)軟件的結(jié)構(gòu)

嵌入式數(shù)控系統(tǒng)軟件由嵌入式實時多任務操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ及其相應的應用軟件組成。μC/OS-Ⅱ?qū)崟r操作系統(tǒng)支持多任務管理，采用基于占先式的實時內(nèi)核，可以把任務的調(diào)度時間控制在毫秒級內(nèi)，滿足系統(tǒng)實時性的要求。但μC/OS-Ⅱ僅提供了一個任務調(diào)度的實時內(nèi)核，沒有提供相應的標準API函數(shù)，因而需要自行開發(fā)一系列與系統(tǒng)運行相關的設備驅(qū)動程序、API函數(shù)以及應用軟件。數(shù)控系統(tǒng)按功能可劃分為以下五個模塊：

（1）人機界面管理模塊。人機界面管理模塊主要實現(xiàn)人機交互，為數(shù)控超聲振動擠壓機的工作提供所需的數(shù)據(jù)和信息，反饋機床的運行狀態(tài)，監(jiān)控整個加工過程。

（2）邏輯處理模塊。本方案中對機床開關量的控制是通過在ARM處理器上運行軟PLC程序來實現(xiàn)的。

（3）運動位置控制模塊。運動位置控制主要是對機床位移、速度、加速度的控制。本系統(tǒng)位置執(zhí)行部件用的是交流伺服電機/驅(qū)動器，采用位置控制方式，ARM處理器經(jīng)插補運算后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為指令脈沖信號，實時發(fā)出的脈沖與方向信號分別輸出至驅(qū)動器。微處理器的輸出口通過中間電路控制驅(qū)動器的伺服ON接通，而輸入口也通過中間電路讀入驅(qū)動器輸出的伺服信號。

（4）主軸控制模塊。主軸控制模塊主要就是控制主軸伺服電機和超聲波發(fā)生器。

（5）數(shù)據(jù)處理模塊。該模塊主要根據(jù)輸入的數(shù)控加工程序的語法規(guī)則對用戶編寫的零件程序進行語法、語義檢查，并進行譯碼工作，將零件程序以程序段為單位進行處理，把其中各種零件輪廓信息、加工信息和其他輔助信息按照一定的語法規(guī)則解釋成計算機能夠識別的數(shù)據(jù)形式，并以一定的數(shù)據(jù)格式存放在指定的緩沖區(qū)中，等待其它模塊的調(diào)用。

2.3 嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的調(diào)試

軟件調(diào)試是系統(tǒng)中相當重要的步驟，調(diào)試的過程是一個較為艱辛的過程，它往往占用整個項目約60%的開發(fā)周期。嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的調(diào)試可分為模塊調(diào)試和系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。

在本系統(tǒng)中，系統(tǒng)的模塊調(diào)試主要通過串口打印。打印調(diào)試的優(yōu)點是軟件開發(fā)人員不需要中斷程序的運行即可跟蹤程序，了解程序的執(zhí)行結(jié)果和狀態(tài)，是程序調(diào)試過程中的一種常用調(diào)試方法。為了方便打印調(diào)試的開啟和關閉，本系統(tǒng)中在系統(tǒng)頭文件中定義如下宏：

#undef DEBUG

//#define DEBUG

#ifdef DEBUG

#define UARTINTF(x...)PrintString("lathe:"##x)

#else

#define UARTINTF(x...)

#endif

當系統(tǒng)需要跟蹤調(diào)試時使用#define DEBUG語句預定義DEBUG，當系統(tǒng)不需要跟蹤調(diào)試時使用#undef DEBUG語句去掉對DEBUG的定義。這樣就實現(xiàn)了對跟蹤調(diào)試的開關控制[4]。其調(diào)試的原理如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)的打印調(diào)試原理

在各個功能模塊單獨調(diào)試完畢后，便進入系統(tǒng)聯(lián)調(diào)的階段。這一調(diào)試階段的主要目的是將各個獨立的功能模塊整合起來，形成有機整體的數(shù)控系統(tǒng)。

由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜、功能較多，雖然各功能模塊先前已經(jīng)調(diào)試通過，但在聯(lián)調(diào)過程中也不可避免地出現(xiàn)其它的問題，如各模塊優(yōu)先級分配不當、CPLD數(shù)據(jù)不能及時處理等，以下舉例說明一些調(diào)試過程中需要注意的問題：

（1）在系統(tǒng)聯(lián)調(diào)階段，應該規(guī)劃好各模塊間的信號量的使用和數(shù)據(jù)規(guī)模的大小。由于各個模塊在單獨調(diào)試的過程中，不會出現(xiàn)長時間等待數(shù)據(jù)的問題，而在系統(tǒng)聯(lián)調(diào)中，各模塊處于相互依賴甚至互鎖的關系，這個時候容易造成系統(tǒng)死機現(xiàn)象。這要求在調(diào)試前應該規(guī)劃好各模塊間數(shù)據(jù)的流向和信號量的傳遞，以保證整個系統(tǒng)的順暢運行。

（2）各模塊之間具有相關性。要注意優(yōu)先級和運行周期的合理分配。系統(tǒng)各模塊都是實時性的，同時各模塊間又相互依賴。模塊之間通常也不是完全獨立的，一般存在時序約束、資源約束等約束關系。要保證加工過程的順利進行，防止在加工過程中出現(xiàn)停機現(xiàn)象，應合理分配各模塊的優(yōu)先級，同時根據(jù)各模塊的任務量和插補周期分配好各周期任務的運行周期。

（3）在同精插補器的硬件聯(lián)調(diào)過程中，通過ARM外部總線傳遞和接收數(shù)據(jù)時，容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)讀不到或數(shù)據(jù)無法傳下去的問題。這時，需要對軟件中使用的端口操作函數(shù)進行修改。同時還要對精插補器CPLD中的程序進行修改。此時可利用示波器對精插補器和ARM總線上各信號進行測量，以保證數(shù)據(jù)的正確性。

經(jīng)過反復多次的調(diào)試，基于ARM的運動控制系統(tǒng)硬件工作正常，多任務劃分較為合理，運行穩(wěn)定可靠，達到預期的要求。

3 結(jié)束語

總而言之，ARM微處理器是一個綜合處理器，使用單一的處理器內(nèi)核就可以實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)所需要的大部分功能，極大地減小了總體芯片的面積和系統(tǒng)的復雜程度。由ARM微處理器和u C/OS-II為操作系統(tǒng)構(gòu)成的嵌入式系統(tǒng)，以LCD顯示器進行顯示，并配有輸入鍵盤、程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器以及多種數(shù)據(jù)通訊接口，具有控制精度高，成本低，體積小，界面友好,易于擴展和升級等特點，是傳統(tǒng)機床的數(shù)控化改造和經(jīng)濟型數(shù)控機床的升級開發(fā)的理想選擇。本文的創(chuàng)新之處就是設計了一個基于PLC2100的嵌入式超聲振動擠壓加工數(shù)控系統(tǒng)，為傳統(tǒng)機床的數(shù)控化改造和經(jīng)濟型數(shù)控機床升級開發(fā)提供了一種可行而實用的設計思路。

[1]限部淳一郎.精密加工一振動切削基礎和應用[M].北京：機械工業(yè)出版社，1985.

[2]李 華，陸 瑛，孟 逵.超聲振動擠壓加工系統(tǒng)的優(yōu)化設計[J].制造技術(shù)與機床，1999（3）：32-34.

[3]謝 鷗，李 華，殷 振，等.基于ARM的嵌入式超聲振動內(nèi)圓磨削數(shù)控系統(tǒng)研究[J].制造技術(shù)與機床，2010（6）：36-39.