0 引言

　　精密內圓磨床是實現內孔精度要求極高的零件加工的關鍵設備，其主要特點是開關量控制多且控制精度和實時性要求高。傳統的精密內圓磨床一般采用繼電器按鈕式電氣控制系統，線路復雜，故障頻繁，嚴重影響到生產效率和產品質量。20世紀90年代后，各設備生產廠家開始了數控化改造，主要有三種方案：第一種，采用低性能的單片機作為控制器，外擴接口電路和開發控制軟件實現對機床的控制，此方案由于單片機運算速度及硬件資源的限制使其無法滿足內圓磨削加工的精度和實時性要求；第二種，采用國內外現有的數控系統外加獨立或內嵌的硬件PLC裝置構成磨床控制系統，此方案雖然滿足了內圓磨削控制要求，但系統控制復雜，改造成本昂貴，并存在嚴重的軟硬件資源浪費；第三種，采用單一的獨立PLC硬件裝置作為內圓磨床控制系統，此方案滿足了精密內圓磨削多開關量控制的要求，然而系統只能完成簡單的直線進給運動，無法實現直孔和錐孔的聯動加工，缺乏柔性，無法滿足日益更新的產品加工要求。隨著嵌入式技術及人機交互工程的發展，嵌入式系統和觸摸屏裝置已在機床數字化控制中獲得廣泛應用‘61，本文提出基于ARM平臺的嵌入式系統用于精密內圓磨削數控系統的開發，以工業級觸摸屏作為系統的人機交互裝置，重點研究了機床PLC控制系統集成于嵌入式數控系統中的開發過程。本系統以軟件代替硬件進行PLC功能的集成開發，降低了成本，提高了系統控制的穩定性，實現了人機友好交互，符合開放式數控系統開發的要求。

1 嵌入式精密內圓磨床數控系統硬件結構

　　1.1 系統硬件總體構成

　　嵌入式精密內圓磨床數控系統硬件結構由以下部分組成：工業級觸摸屏、嵌入式數控裝置、進給伺服系統、主軸控制系統和PLC控制接口電路，觸摸屏與嵌入式ARM處理器之間采用RS-232進行通信；采用變頻器驅動電主軸作為砂輪主軸，由ARM控制變頻器的頻率輸出；選用三菱伺服電機作為XZ軸的進給驅動裝置，通過開發接口電路實現ARM處理器與伺服驅動器的連接。

　　1.2 PLC控制接口電路設計

　　機床的開關量通過接口轉換電路直接與ARM處理器的通用I／O口相連，由PLC軟件程序進行邏輯運算控制。根據控制信號流向，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 嵌入精密內圓磨床集成PLC軟件設計

　　2.1 軟件總體框架

　　嵌入式精密內圓磨削集成PLC軟件設計由三大部分組成：人機交互界面軟件設計、MODBUS協議軟件設計和PLC控制軟件設計。人機交互界面軟件獨立于數控系統軟件體系，其通過向嵌入式數控系統發送命令幀實現對加工過程的控制，同時接收數控系統的反饋命令幀用于監測加工過程狀態。PLC程序是實現機床開關量控制的主體，它被封裝為一個軟件構件由嵌入式操作系統周期性循環調用執行。MODBUS協議是連接人機交互界面與嵌入式數控系統的紐帶，為它們提供通信規則，建立訪問機制。

　　2.2 人機交互界面軟件設計

　　人機交互界面軟件采用組態軟件ADP6.0進行開發，基于功能劃分的自頂向下開發流程。

　　首先對精密內圓磨床的加工過程進行功能模塊化分解，將每個功能模塊對應成一個觸摸屏加工頁面(機床狀態調整頁面、砂輪修整頁面、加工參數設置頁面、自動加工頁面)；其次，對各功能模塊頁面進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換為觸摸屏的控制元件實體，并對控制元件進行地址編碼和空間布局；最后，對設計完成的界面軟件進行整體編譯和離線模擬，并將模擬成功的軟件進行在線聯機調試。

　　2.3 MODBUS協議軟件開發

　　MODBUS協議支持ASCII碼和二進制格式(RTU)兩種數據的傳輸，本系統采用ASCII碼格式傳輸，其幀格式如表1所示。本系統中觸摸屏設為協議主站，ARM為從站。主站定時對從站發送請求信息幀，包括請求數據的寫入和讀取，從站在接收到主站的請求信息幀后對數據幀進行譯碼解釋，并校驗正誤，對正確的請求數據幀進行組幀回應而對有誤的請求數據幀進行出錯處理，其通信流程如圖6所示。ARM對觸摸屏發送來的信息采用中斷接收方式，從而減輕了ARM處理器的負擔，保證了加工的平穩性和實時性。編程設置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，可設串口中斷觸發水平為16個字節。

　　2.4 PLC軟件設計

　　本系統PLC程序主要完成人機交互界面與機床開關量之間的信息交互及開關量運算。

　　在數控系統內存中開辟六個寄存器緩沖區：B寄存器用于保存PLC系統與人機交互界面通信的開關量信號；W寄存器用于保存PLC系統與人機交互界面通信的字符型數據；G寄存器用于保存人機交互界面傳送到數控系統的加工G代碼；R寄存器用于保存PLC系統與數控系統之間的交互信息；O寄存器用于保存PLC系統輸出到機床的開關量信號；I寄存器用于保存機床輸入到PLC系統的開關量信號。

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

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

3 實驗系統調試

　　系統調試分為三部分：人機交互界面軟件調試、通信協議程序調試和PLC軟件程序調試。首先基于組態軟件對開發的人機交互界面程序進行編譯，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行測試；接著采用串口助手手動發送和接受命令幀的方式對通信協議程序進行調試；最后連接觸摸屏、數控裝置及PLC接口板進行PLC軟件程序的整體聯調。實驗結果表明此集成PLC控制系統對機床高實時性開關量控制響應速度在20ms以內，且能優先處理實時性要求高的動作，人機交互友好，能有效防止誤操作。實驗調試系統如圖10所示。

4 結束語

　　嵌入式精密內圓磨削數控系統集成PLC系統采用開放式數控系統設計思想，成本低，運行穩定可靠，實時性高，提高了人機交互性能，滿足了精密磨削加工的要求。