基于ARM的玻璃加工机的控制系统研究与实现

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3.0 陈辉 2024-11-19 6 4 3.31MB 65 页 15积分

目 录
摘 要
ABSTRACT
目 录.................................................................................................................................1
第一章 绪论.....................................................................................................................1
§1.1 研究背景与意义.................................................................................................................1
§1.2 玻璃加工机床的研究现状..............................................................................................1
§1.3 基于 ARM 的嵌入式系统的概况与应用....................................................................2
§1.4 本人所做的工作.................................................................................................................3
§1.5 本论文各章节的主要内容..............................................................................................4
第二章 玻璃加工机控制系统.........................................................................................5
§2.1 项目要求..............................................................................................................................5
§2.1.1 玻璃自动加工机控制系统概述....................................................................5
§2.1.2 玻璃的加工要求及采用的加工方法............................................................7
§2.1.3 玻璃加工的控制系统组成............................................................................8
§2.1.4 自动加工控制系统的要求..........................................................................10
§2.1.5 自动加工控制软件设计要求......................................................................10
§2.2 电机的选用........................................................................................................................10
§2.3 系统整体结构...................................................................................................................11
§2.4 本章小结............................................................................................................................12
第三章 控制系统的硬件设计.......................................................................................13
§3.1ARM 处理器介绍.............................................................................................................13
§3.1.1ARM 微处理器的特点.................................................................................13
§3.1.2ARM9 S3C2410X 微处理器........................................................................13
§3.2 核心硬件设计...................................................................................................................16
§3.2.1 电源及时钟模块..........................................................................................16
§3.2.2 系统复位模块..............................................................................................18
§3.2.3 系统的接口电路..........................................................................................19
§3.2.4 系统的存储模块..........................................................................................21
§3.2.5 伺服驱动电路..............................................................................................23
§3.2.6 信号输入模块..............................................................................................24
§3.2.7 电磁阀驱动电路..........................................................................................25
§3.2.8 QEP 信号反馈电路......................................................................................25
§3.3 硬件系统测试...................................................................................................................26
§3.3.1 I/O 端口的速度测试....................................................................................26
§3.3.2 QEP(正交脉冲编码)电路测试....................................................................27
§3.4 控制系统的抗干扰设计.................................................................................................28
§3.5 本章小结............................................................................................................................28

第四章 嵌入式实时操作系统 μC/OS-II 的概述和移植..............................................29
§4.1 开发环境介绍...................................................................................................................29
§4.2 μC/OS-II 概述...................................................................................................................30
§4.3 μC/OS-II 在S3C2410X 上的移植...............................................................................31
§4.3.1 OS_CPU.H 的移植......................................................................................32
§4.3.2 OS_CPU.C 的移植.......................................................................................34
§4.3.3 OS_CPU.S 的移植.......................................................................................35
§4.4 μC/OS-II 启动...................................................................................................................37
§4.5 本章小结............................................................................................................................38
第五章 控制系统的软件设计.......................................................................................39
§5.1 控制系统的总体架构.....................................................................................................39
§5.2 控制系统的软件模块.....................................................................................................41
§5.2.1 ARM9 S3C2410X 目标板初始化模块........................................................41
§5.2.2 PWM 模块....................................................................................................41
§5.2.3 串口模块......................................................................................................43
§5.2.4 按键模块......................................................................................................45
§5.2.5 通用 I/O 口.................................................................................................47
§5.3 控制系统的任务模块设计............................................................................................47
§5.3.1 μC/OS-II 任务概述.....................................................................................47
§5.3.2 钻削..............................................................................................................49
§5.3.3 磨削..............................................................................................................51
§5.3.4 汽缸的夹紧与放松......................................................................................52
§5.3.5 机械手..........................................................................................................52
§5.3.6 工位转换......................................................................................................53
§5.4 控制系统任务之间的通讯和同步..............................................................................53
§5.5 伺服电机和传动装置的控制系统..............................................................................56
§5.5.1 伺服电机的控制系统概述..........................................................................56
§5.5.2 伺服电机系统的数学模型..........................................................................56
§5.5.3 伺服电机的 PID 控制..................................................................................60
§5.6 本章小结............................................................................................................................63
第六章 全文总结与研究的进一步展望.......................................................................64
参考文献.........................................................................................................................66

第一章绪论

§1.1 研究背景与意义

近年来，很多行业对玻璃的需求增长很快，同时对玻璃的加工质量和加工效

率也有着越来越高的要求[1]。落后的玻璃加工机床严重拖累了产品的加工精度和

影响了生产效益，使得公司的市场竞争力快速下降，不能满足当前市场竞争日益

激烈的需求。为了彻底改变传统的玻璃钻孔磨削方式，降低生产成本，提高加工

精度和生产效率，特别是减少加工过程中玻璃因发生损坏而浪费的现象，实现自

动化生产，为此设计了全自动玻璃加工机。

§1.2 玻璃加工机床的研究现状

玻璃加工机在国外是上世纪九十年代末期发展起来的，目前美国、法国、比利

时、意大利生产的立式钻孔机定位精度高，设备技术成熟，运行稳定可靠；我国

已引进一些进口设备，但是设备价格比较昂贵，每台设备在50-60万元以上。我国

是2001年以后开始发展该项技术，但受加工精度和控制等方面的影响，设备的钻

孔精度及定位精度差些。从调研情况来看立式钻孔机目前仍以进口设备为主，国

产机床尚处于研制开发阶段，其性能与进口设备相比仍有较大差距。随着我国数

控技术的发展迅猛，数控机床的应用越来越广泛，相信我们的设备渐渐地可以替

代进口设备，开发出能够满足国内市场需求的设备。自动玻璃钻孔磨削机是目前

玻璃深加工企业必备设备之一，随着玻璃应用和需求的不断扩大，该设备具有广

阔的市场前景和发展空间[4]。

玻璃钻孔加工采用两面钻削的特殊加工方式，对孔的定位要求很高。目前国

内玻璃钻孔加工设备大多数是普通的玻璃钻孔机床，这类设备的自动化程度很低。

在加工中，对每个玻璃加工孔的定位主要依靠人工操作，加工误差大、工效低、劳

动强度高，而进口国外的玻璃钻孔加工设备，大多数采用高档数控系统，设备造

价非常昂贵。

根据我国机床拥有量大、生产规模小的具体国情，在玻璃加工中采用经济型

数控技术，尤其是对普通设备进行数控改造，具有特别重要意义。

(1) 设备成本价格低。仅数控系统与国外同类型系统相比，国外数控系统需几

十万到上百万元，而经济型数控系统则只需一万到二万元。因此，它特别适合对

玻璃加工行业现有的普通加工设备进行数控改造。[5][6]

(2) 解决复杂加工精度控制，提高产品质量和工效。对数控玻璃钻孔加工来说，

加工精度高，产品一致性好，合格率高。一般来说，加工效率比人工定孔或用模

板定孔可提高10－20倍。尤其对复杂的多孔加工(如矩阵式网孔)，加工工艺所需的

精度和难度越高，越有利于提高工效。

基于 ARM 的玻璃加工机的控制系统研究与实现

(3) 适合于多品种、中小批量产品的自动化加工，对产品的适应性强。对不同的

加工工艺要求，可以通过变换加工程序和更换刀具的方法方便地实现。

(4) 节约工装费用，降低成本，缩短生产准备周期，而且数控玻璃钻孔加工可

以不用工装。

(5)减轻工人劳动强度。

§1.3 基于 ARM 的嵌入式系统的概况与应用

1、概况

从20 世纪 70 年代初出现第一个微处理器开始，嵌入式系统的发展已经有20

余年的历史了。随着计算机技术和产品对其它行业的广泛渗透，以应用为中心的

分类方法变得更为切合实际，也就是按计算机的嵌入式应用和非嵌入式应用将其

分为嵌入式计算机和通用计算机[7]。通用计算机具有计算机的标准形式，通过装配

不同的应用软件，应用在社会的各个方面，其典型产品为 PC；而嵌入式计算机则

是以嵌入式系统的形式隐藏在各种装置、产品和系统中。

嵌入式计算机在应用数量上远远超过了各种通用计算机，一台通用计算机的

外部设备中就包含了5-10 个嵌入式微处理器，键盘、鼠标、软驱、硬盘、显示卡、显

示器、Modem、网卡、声卡、打印机、扫描仪、数字相机、USB 集线器等均是由嵌入式

处理器控制的。在制造工业、过程控制、通讯、仪器、仪表、汽车、船舶、航空、航天、

军事装备、消费类产品等方面均是嵌入式计算机的应用领域。[8]

嵌入式系统是根据应用的要求，将操作系统和功能软件集成于计算机硬件系

统之中，从而实现软件与硬件一体化的计算机系统。嵌入式系统是计算机技术、半

导体技术、电子技术和各个行业的具体应用相结合的产物，这就决定了它必然是

一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。

近年来，随着计算机技术、通信技术的飞速发展，特别是互联网的迅速普及

和3C(计算机、通信、消费电子)合一的加速，微型化和专业化成为发展的新趋势，

嵌入式产品成为信息产业的主流。2004 年全球嵌入式软件的销售规模已经达到了

395 亿美元，而嵌入式系统产品的产值己达 200 亿美元，预计全球嵌入式系统产

品潜在的市场将超过1000 亿美元。嵌入式系统能被广泛应用于诸多领域主要是因

为它具有以下特点[9][10][11]。

① 功能适用、够用，价格低，市场竞争力强；

② 可靠性高、抗干扰能力强；

③ 体积和尺寸小、功耗低；

④ 环境适应性强、无须经常更新换代；

⑤ 操作使用人性化、仪表化；

⑥ 有多种类型的软、硬件支持平台；

⑦ 可充分发挥设计者的才能，创造出更好的产品。

二、应用

到目前为止，基于 ARM 的嵌入式系统技术的应用几乎深入到各个领域。[12]

(1)工业控制领域

作为 32 位的 RISC 架构，基于 ARM 核的微控制器芯片不但占据了高端微控

制器市场的大部分市场份额，同时也逐渐向低端微控制器应用领域扩展，ARM

第一章绪论

微控制器的低功耗、高性价比，向传统的 8位/16 位微控制器提出了挑战。

(2)无线通信领域

目前已有超过85%的无线通信设备采用了 ARM 技术，ARM 以其高性能和低

成本的优势，在该领域的地位日益巩固。

(3)网络应用

随着宽带技术的推广，采用 ARM 技术的ADSL 芯片正逐步获得竞争优势。此

外，ARM 在语音及视频处理上行了优化，并获得广泛支持，也对 DSP 的应用领

域提出了挑战。

(4)成像和安全产品

现在流行的数码相机和打印机中绝大部分采用 ARM 技术。手机中的32 位

SIM 智慧卡也采用了 ARM 技术。

§1.4 本人所做的工作

本人在了解当前玻璃自动加工机床国内外研究现状及发展趋势基础上，对玻

璃加工控制系统的总体结构设计、硬件系统设计、软件系统设计和实现等进行了深

入的研究并对控制系统的关键部件进行了系统测试，并且取得了比较好的实验效

果，最后展望了基于 ARM 嵌入式控制系统在未来机床自动化的发展趋势和进一

步完善加工设备所需要做的工作。

本人所做的工作如下：

（1）对玻璃加工系统、基于 ARM 嵌入式控制系统以及伺服控制系统的国内外

研究现状进行了研究；

（2）根据项目要求参与控制系统的总体规划和设计，其中包括：硬件的总体

规划和设计；软件的总体规划和设计；

（3）按照设计原理搭建所需控制系统的硬件电路；

（4）对μC/OS-II 操作系统在 ARM9 S3C2410X 上的移植，并基于 μC/OS-II 和

要求建立所需的加工任务；

（5）利用PID 算法对伺服电机及其传动机构进行控制。

§1.5 本论文各章节的主要内容

本论文共分为六章。

第一章绪论。介绍了课题的研究背景，ARM 嵌入式控制系统和伺服电机驱动

技术的国内外研究现状。

第二章详细阐述了玻璃加工控制系统的控制要求及其执行机构。

第三章控制系统的硬件设计及实现。阐述了控制系统的硬件设计，包括处理

器模块及其周边相应模块的设计，并对一些关键的硬件进行性能测试。

第四章嵌入式实时操作系统 μC/OS-II 的概述和移植。首先简单介绍了 μC/OS-

II，然后实现了 μC/OS-II 在ARM9 S3C2410X 上的移植。

第五章控制系统的软件设计。其中包括：建立钻削、磨削、机械手、工位转换

等任务，并根据实际的伺服系统建立相应的数学模型，利用PID 算法对位置进行

基于 ARM 的玻璃加工机的控制系统研究与实现

控制。

第六章主要对本论文的特色和存在的不足进行了总结和对嵌入式控制系统应

用以及发展趋势做了展望。

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