0 引言

　　精密內(nèi)圓磨床是實(shí)現(xiàn)內(nèi)孔精度要求極高的零件加工的關(guān)鍵設(shè)備，其主要特點(diǎn)是開關(guān)量控制多且控制精度和實(shí)時性要求高。傳統(tǒng)的精密內(nèi)圓磨床一般采用繼電器按鈕式電氣控制系統(tǒng)，線路復(fù)雜，故障頻繁，嚴(yán)重影響到生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。20世紀(jì)90年代后，各設(shè)備生產(chǎn)廠家開始了數(shù)控化改造，主要有三種方案：第一種，采用低性能的單片機(jī)作為控制器，外擴(kuò)接口電路和開發(fā)控制軟件實(shí)現(xiàn)對機(jī)床的控制，此方案由于單片機(jī)運(yùn)算速度及硬件資源的限制使其無法滿足內(nèi)圓磨削加工的精度和實(shí)時性要求；第二種，采用國內(nèi)外現(xiàn)有的數(shù)控系統(tǒng)外加獨(dú)立或內(nèi)嵌的硬件PLC裝置構(gòu)成磨床控制系統(tǒng)，此方案雖然滿足了內(nèi)圓磨削控制要求，但系統(tǒng)控制復(fù)雜，改造成本昂貴，并存在嚴(yán)重的軟硬件資源浪費(fèi)；第三種，采用單一的獨(dú)立PLC硬件裝置作為內(nèi)圓磨床控制系統(tǒng)，此方案滿足了精密內(nèi)圓磨削多開關(guān)量控制的要求，然而系統(tǒng)只能完成簡單的直線進(jìn)給運(yùn)動，無法實(shí)現(xiàn)直孔和錐孔的聯(lián)動加工，缺乏柔性，無法滿足日益更新的產(chǎn)品加工要求。隨著嵌入式技術(shù)及人機(jī)交互工程的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)和觸摸屏裝置已在機(jī)床數(shù)字化控制中獲得廣泛應(yīng)用‘61，本文提出基于ARM平臺的嵌入式系統(tǒng)用于精密內(nèi)圓磨削數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)，以工業(yè)級觸摸屏作為系統(tǒng)的人機(jī)交互裝置，重點(diǎn)研究了機(jī)床PLC控制系統(tǒng)集成于嵌入式數(shù)控系統(tǒng)中的開發(fā)過程。本系統(tǒng)以軟件代替硬件進(jìn)行PLC功能的集成開發(fā)，降低了成本，提高了系統(tǒng)控制的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)友好交互，符合開放式數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)的要求。

1 嵌入式精密內(nèi)圓磨床數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

　　1.1 系統(tǒng)硬件總體構(gòu)成

　　嵌入式精密內(nèi)圓磨床數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)由以下部分組成：工業(yè)級觸摸屏、嵌入式數(shù)控裝置、進(jìn)給伺服系統(tǒng)、主軸控制系統(tǒng)和PLC控制接口電路，觸摸屏與嵌入式ARM處理器之間采用RS-232進(jìn)行通信；采用變頻器驅(qū)動電主軸作為砂輪主軸，由ARM控制變頻器的頻率輸出；選用三菱伺服電機(jī)作為XZ軸的進(jìn)給驅(qū)動裝置，通過開發(fā)接口電路實(shí)現(xiàn)ARM處理器與伺服驅(qū)動器的連接。

　　1.2 PLC控制接口電路設(shè)計

　　機(jī)床的開關(guān)量通過接口轉(zhuǎn)換電路直接與ARM處理器的通用I／O口相連，由PLC軟件程序進(jìn)行邏輯運(yùn)算控制。根據(jù)控制信號流向，PLC控制接口電路分為信號輸入模塊、信號輸出模塊及公共模塊。

2 嵌入精密內(nèi)圓磨床集成PLC軟件設(shè)計

　　2.1 軟件總體框架

　　嵌入式精密內(nèi)圓磨削集成PLC軟件設(shè)計由三大部分組成：人機(jī)交互界面軟件設(shè)計、MODBUS協(xié)議軟件設(shè)計和PLC控制軟件設(shè)計。人機(jī)交互界面軟件獨(dú)立于數(shù)控系統(tǒng)軟件體系，其通過向嵌入式數(shù)控系統(tǒng)發(fā)送命令幀實(shí)現(xiàn)對加工過程的控制，同時接收數(shù)控系統(tǒng)的反饋命令幀用于監(jiān)測加工過程狀態(tài)。PLC程序是實(shí)現(xiàn)機(jī)床開關(guān)量控制的主體，它被封裝為一個軟件構(gòu)件由嵌入式操作系統(tǒng)周期性循環(huán)調(diào)用執(zhí)行。MODBUS協(xié)議是連接人機(jī)交互界面與嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的紐帶，為它們提供通信規(guī)則，建立訪問機(jī)制。

　　2.2 人機(jī)交互界面軟件設(shè)計

　　人機(jī)交互界面軟件采用組態(tài)軟件ADP6.0進(jìn)行開發(fā)，基于功能劃分的自頂向下開發(fā)流程。

　　首先對精密內(nèi)圓磨床的加工過程進(jìn)行功能模塊化分解，將每個功能模塊對應(yīng)成一個觸摸屏加工頁面(機(jī)床狀態(tài)調(diào)整頁面、砂輪修整頁面、加工參數(shù)設(shè)置頁面、自動加工頁面)；其次，對各功能模塊頁面進(jìn)行過程控制需求分析，確定所需的控制量；然后，將各控制頁面所需的控制量轉(zhuǎn)換為觸摸屏的控制元件實(shí)體，并對控制元件進(jìn)行地址編碼和空間布局；最后，對設(shè)計完成的界面軟件進(jìn)行整體編譯和離線模擬，并將模擬成功的軟件進(jìn)行在線聯(lián)機(jī)調(diào)試。

　　2.3 MODBUS協(xié)議軟件開發(fā)

　　MODBUS協(xié)議支持ASCII碼和二進(jìn)制格式(RTU)兩種數(shù)據(jù)的傳輸，本系統(tǒng)采用ASCII碼格式傳輸，其幀格式如表1所示。本系統(tǒng)中觸摸屏設(shè)為協(xié)議主站，ARM為從站。主站定時對從站發(fā)送請求信息幀，包括請求數(shù)據(jù)的寫入和讀取，從站在接收到主站的請求信息幀后對數(shù)據(jù)幀進(jìn)行譯碼解釋，并校驗(yàn)正誤，對正確的請求數(shù)據(jù)幀進(jìn)行組幀回應(yīng)而對有誤的請求數(shù)據(jù)幀進(jìn)行出錯處理，其通信流程如圖6所示。ARM對觸摸屏發(fā)送來的信息采用中斷接收方式，從而減輕了ARM處理器的負(fù)擔(dān)，保證了加工的平穩(wěn)性和實(shí)時性。編程設(shè)置UART工作在FIFO工作模式下，為防止頻繁的中斷對加工過程造成影響，可設(shè)串口中斷觸發(fā)水平為16個字節(jié)。

　　2.4 PLC軟件設(shè)計

　　本系統(tǒng)PLC程序主要完成人機(jī)交互界面與機(jī)床開關(guān)量之間的信息交互及開關(guān)量運(yùn)算。

　　在數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)存中開辟六個寄存器緩沖區(qū)：B寄存器用于保存PLC系統(tǒng)與人機(jī)交互界面通信的開關(guān)量信號；W寄存器用于保存PLC系統(tǒng)與人機(jī)交互界面通信的字符型數(shù)據(jù)；G寄存器用于保存人機(jī)交互界面?zhèn)魉偷綌?shù)控系統(tǒng)的加工G代碼；R寄存器用于保存PLC系統(tǒng)與數(shù)控系統(tǒng)之間的交互信息；O寄存器用于保存PLC系統(tǒng)輸出到機(jī)床的開關(guān)量信號；I寄存器用于保存機(jī)床輸入到PLC系統(tǒng)的開關(guān)量信號。

　　人機(jī)交互界面上的元件分為兩種：位地址元件和字節(jié)地址元件，位地址元件編址范圍為1—1024，字節(jié)地址編址范圍為4000141024，兩種元件采用順序編址且不能重復(fù)，字節(jié)地址元件如果采用雙字節(jié)方式則應(yīng)該隔位編址。位地址和字節(jié)地址分別對應(yīng)到數(shù)控系統(tǒng)的B寄存器和W寄存器。

　　根據(jù)開關(guān)量信號控制對實(shí)時性要求的不同，整個PLC控制軟件被分為兩個通道plcl和ple2。plel的循環(huán)執(zhí)行周期為16ms稱為快速通道，主要用于實(shí)時性要求高的開關(guān)量信號處理；ple2的循環(huán)執(zhí)行周期為32ms稱為慢速通道，主要用于實(shí)時性要求低的開關(guān)量信號處理，且plel的通道優(yōu)先級高于ple2。

3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)調(diào)試

　　系統(tǒng)調(diào)試分為三部分：人機(jī)交互界面軟件調(diào)試、通信協(xié)議程序調(diào)試和PLC軟件程序調(diào)試。首先基于組態(tài)軟件對開發(fā)的人機(jī)交互界面程序進(jìn)行編譯，排除語法和元件地址配置錯誤，采用離線模擬的方式對軟元件功能進(jìn)行測試；接著采用串口助手手動發(fā)送和接受命令幀的方式對通信協(xié)議程序進(jìn)行調(diào)試；最后連接觸摸屏、數(shù)控裝置及PLC接口板進(jìn)行PLC軟件程序的整體聯(lián)調(diào)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明此集成PLC控制系統(tǒng)對機(jī)床高實(shí)時性開關(guān)量控制響應(yīng)速度在20ms以內(nèi)，且能優(yōu)先處理實(shí)時性要求高的動作，人機(jī)交互友好，能有效防止誤操作。實(shí)驗(yàn)調(diào)試系統(tǒng)如圖10所示。

4 結(jié)束語

　　嵌入式精密內(nèi)圓磨削數(shù)控系統(tǒng)集成PLC系統(tǒng)采用開放式數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計思想，成本低，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，實(shí)時性高，提高了人機(jī)交互性能，滿足了精密磨削加工的要求。