［摘 要］：本文介紹了一種采用嵌入式操作系統(tǒng)的焊接控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案，該系統(tǒng)采用了高速ARM處理器作為主體，由嵌入式控制系統(tǒng)控制顯示、檢測(cè)、運(yùn)動(dòng)等任務(wù)。
［關(guān)鍵詞］：焊接機(jī)； ARM；UC/OS_II；
［Abstract］：This article presents a kind of jointing system based on UC/OS_II, The system uses high speed ARM MCU and the embedded system to control the display,testing,moving of task.
［Key Words］：the jointing of machine;ARM ; UC/OS_II ;
1引言
焊接技術(shù)是現(xiàn)代化制造技術(shù)的基礎(chǔ)技術(shù)，它在現(xiàn)在機(jī)械、工程建設(shè)、汽車、船舶、電力設(shè)備等各種生產(chǎn)行業(yè)中都有極廣泛的應(yīng)用。隨著生產(chǎn)力的發(fā)展，早期的半自動(dòng)方式的焊接技術(shù)逐漸退出歷史舞臺(tái)，取而代之的是現(xiàn)代化全自動(dòng)焊接技術(shù)?；贏RM與UCOS_II開(kāi)發(fā)的焊接系統(tǒng)，是目前焊接潮流的佼佼者。
2系統(tǒng)組成及工作原理
2.1 組成
焊接控制系統(tǒng)主要由ADT-TS540（深圳眾為興數(shù)控技術(shù)有限公司開(kāi)發(fā)的一款控制器），原點(diǎn)、限位傳感器，Q2BYG403M驅(qū)動(dòng)器、56BYGH630A/B步進(jìn)電機(jī)以及空氣等離子切割發(fā)生器組成，如圖1。
圖1
2.2 工作原理
整個(gè)系統(tǒng)為數(shù)字智能化操作系統(tǒng)。系統(tǒng)可以根據(jù)客戶需求，獨(dú)自設(shè)置自己所需焊接的樣式。ADT-TS540是整個(gè)系統(tǒng)的核心，由嵌入式系統(tǒng)、微電腦芯片、運(yùn)動(dòng)芯片等組成，采用SANSUNG系列的S3C44BOX單片機(jī)（ARM7），主頻64MHZ，內(nèi)含2M NOR FLASH ROM、8M SDRAM以及32M NAND FLASH ROM，可支持USB1.1 接口設(shè)備，現(xiàn)場(chǎng)四軸步進(jìn)/伺服脈沖光耦輸出，最高頻率可達(dá)4MHZ，它內(nèi)含32路光耦輸入，4軸編碼器AB相脈沖輸入，16路光耦輸出，4路脈沖/方向信號(hào)輸出，RS232/485通信模塊，U盤功能，可現(xiàn)場(chǎng)編程。采用單色圖形液晶顯示屏，320x240點(diǎn)陣。
嵌入式控制系統(tǒng)接收到外部啟動(dòng)信號(hào)后，系統(tǒng)根據(jù)客戶預(yù)先設(shè)計(jì)焊接軌跡數(shù)據(jù)，開(kāi)始發(fā)送位置指令給外部步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器功率放大以后，控制電機(jī)作相應(yīng)運(yùn)動(dòng)。系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，可以隨時(shí)暫停，在線調(diào)整參數(shù)，如：速度，加速度 等參數(shù)。在軟件和硬件上都作了抗干擾措施，以防止在程式跑飛了情況下，系統(tǒng)無(wú)限的發(fā)送脈沖給電機(jī)，當(dāng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)到指定位置時(shí)，能立刻停止下來(lái)，以免損壞系統(tǒng)。
3系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)
3.1 前端控制系統(tǒng)
焊接機(jī)采用嵌入式系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，原理如圖2，將操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件存儲(chǔ)在Flash芯片中，嵌入式系統(tǒng)通過(guò)讀取存儲(chǔ)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，發(fā)送到運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)控制步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)以實(shí)現(xiàn)焊接功能，串口可以用來(lái)和遠(yuǎn)端的主機(jī)通信，將當(dāng)前的一些數(shù)據(jù)發(fā)送給主機(jī)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的擴(kuò)展。
圖2
3.2 嵌入式系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)
本系統(tǒng)采用ARM744B0X芯片作為硬件平臺(tái)，UC/OS_II作為軟件操作系統(tǒng)。
ARM（Advanced RISC Machines）是微處理行業(yè)的一家知名企業(yè)Samsung公司設(shè)計(jì)的高性能、廉價(jià)、耗能低的RISC處理器，相關(guān)技術(shù)以及軟件技術(shù)具有性能高、成本低和能耗省的特點(diǎn)，適用于多種領(lǐng)域，比如嵌入控制、消費(fèi)/教育類多媒體、DSP和移動(dòng)式應(yīng)用等。ARM744B0X使用ARM架夠體系中較低端的處理器核，也是世界上廣泛使用的32位嵌入式RISC處理器。
UC/OS_II操作系統(tǒng)是一種嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS），是嵌入式開(kāi)發(fā)環(huán)境的關(guān)鍵組成部分，良好的持續(xù)發(fā)展能力，高性能的內(nèi)核以及友好的用戶開(kāi)發(fā)環(huán)境、在嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)領(lǐng)域占據(jù)一席之地。
軟件編寫(xiě)工作主要包括：操作系統(tǒng)的裁減、應(yīng)用程序的編寫(xiě)。
UC/OS_II由一個(gè)體積很小的內(nèi)核以及一些可以根據(jù)需要進(jìn)行定制的系統(tǒng)模塊組成。UC/OS_II內(nèi)核最小可以達(dá)到2.7KB，即便加上其他必要模塊，所占用的空間也很小，且不失其實(shí)時(shí)多任務(wù)的系統(tǒng)特性，由于它的高度靈活性，用戶可以很容易地對(duì)這一操作系統(tǒng)進(jìn)行定制或作適當(dāng)開(kāi)發(fā)，來(lái)滿足系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用需要。
3.3 應(yīng)用系統(tǒng)工藝流程
（1）調(diào)節(jié)好小車行走速度以及焊接電流等等的所有參數(shù)后。
（2）按焊接開(kāi)關(guān)，系統(tǒng)發(fā)出一個(gè)閉合信號(hào)給焊槍啟動(dòng)，然后再按設(shè)定的參數(shù)開(kāi)始焊接及控制小車行走。
（3）當(dāng)小車按設(shè)定的參數(shù)從零點(diǎn)開(kāi)始焊接直到焊接終點(diǎn)后，小車停止，焊接停止，假設(shè)進(jìn)入繼續(xù)運(yùn)行程序，（焊槍升高）小車將延時(shí)0至5秒后，自動(dòng)返回到零點(diǎn)上。
（4）小車停止在零點(diǎn)上后，假設(shè)進(jìn)入繼續(xù)程序時(shí)，（左壓件）汽缸會(huì)自動(dòng)關(guān)閉，左工件松開(kāi)；（右壓件）汽缸自動(dòng)關(guān)閉，右工件松開(kāi)。
（5）當(dāng)兩邊壓件汽缸松開(kāi)后取出工件，動(dòng)作完成。
3.4 應(yīng)用系統(tǒng)任務(wù)結(jié)構(gòu)
應(yīng)用程序采用多任務(wù)結(jié)構(gòu)，任務(wù)劃分如下：
系統(tǒng)顯示任務(wù)：
系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，根據(jù)任務(wù)間的不同標(biāo)志位，顯示不同模式的界面。
信號(hào)檢測(cè)任務(wù)：
此任務(wù)檢測(cè)按鍵信號(hào)以及外部信號(hào)檢測(cè)。
運(yùn)動(dòng)模式任務(wù)：
實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的軌跡，此為焊接機(jī)的核心任務(wù)，它處理的是焊接效果是直線插補(bǔ)，也可以是圓弧插補(bǔ)。
3.5 應(yīng)用系統(tǒng)部分操作流程圖
圖3
3.6 系統(tǒng)焊接軌跡及分析
本系統(tǒng)可以焊接直線和圓弧，可以是開(kāi)環(huán)結(jié)構(gòu)，也可以閉環(huán)結(jié)構(gòu)，現(xiàn)以一簡(jiǎn)單焊接為例，如圖4：
圖 4
在系統(tǒng)運(yùn)行前，系統(tǒng)模擬一坐標(biāo)系，原點(diǎn)為o(0,0),焊接軌跡分為1、2、3、4部分，并且1、2、3、4部分的開(kāi)始坐標(biāo)和終點(diǎn)坐標(biāo)由系統(tǒng)設(shè)置。系統(tǒng)案例從1部分的直線上任意一點(diǎn)開(kāi)始運(yùn)行，開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)可以通過(guò)“小車向前”或“小車向后”運(yùn)動(dòng)尋找開(kāi)始運(yùn)行點(diǎn)，該點(diǎn)可以在1部分的任意，由于焊接現(xiàn)場(chǎng)情況比較復(fù)雜，該起始點(diǎn)的定位由為重要，起始定位不當(dāng)，可能焊接的效果可能不合要求。定位好起始點(diǎn)的xy坐標(biāo)以后，系統(tǒng)自動(dòng)記錄該點(diǎn)的坐標(biāo)，以備運(yùn)行完4部分弧線以后，再?gòu)?部分直線的開(kāi)始坐標(biāo)運(yùn)行到起點(diǎn)坐標(biāo)。在直線焊接時(shí)，可以根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置方便可用直線插補(bǔ)運(yùn)行方式也可單軸運(yùn)行方式，這兩個(gè)方式運(yùn)行出的結(jié)果都可以實(shí)現(xiàn)相同的軌跡。在運(yùn)行完1部分直線以后2部分開(kāi)始之前，這兩個(gè)軌跡間有個(gè)拐角，如果系統(tǒng)要求精度高的，那么可以先運(yùn)行完1部分然后減速停止以后再接著開(kāi)始焊接2部分弧線，這樣的效果好，但是運(yùn)行的效率比較低，其中就浪費(fèi)了一些時(shí)間，換言之就是以時(shí)間作為代價(jià)獲得好的焊接效果。根據(jù)MCX314運(yùn)動(dòng)芯片資料，我們可以從另一方案得到這樣的焊接軌跡，不過(guò)焊接的效果可能會(huì)出現(xiàn)有所偏差，但是運(yùn)行速度明顯比方案一的快，如圖5：
圖5
方案一速度的變化為： 直線速度停止速度圓弧速度
方案二速度的變化為： 直線運(yùn)行快到終點(diǎn)的時(shí)，速度慢慢下降，在達(dá)到終點(diǎn)時(shí)，速度在圖5的虛線部分，此時(shí)開(kāi)始運(yùn)行圓弧運(yùn)動(dòng)。這就節(jié)約了從停止開(kāi)始加速到虛線位置的時(shí)間。3、4部分焊接與1、2部分類似，只是運(yùn)動(dòng)的方向有所改變。實(shí)際生產(chǎn)中，根據(jù)需求從中選擇所需合理方案。
3.7 系統(tǒng)任務(wù)分配程序
void Task_DISP(void *Id)
{
for(;;)
{
system_menu_disp();
OSTimeDly(100);
}
}
void Task_KEY(void *Id)
{
for(;;)
{
system_key_input();
OSTimeDly(100);
}
}
void Task_RUN(void *Id)
{
for(;;)
{
run();
OSTimeDly(200);
}
}
/******************************************************************************
【功能說(shuō)明】主任務(wù)，在本任務(wù)中啟動(dòng)系統(tǒng)定時(shí)器并創(chuàng)建其他任務(wù)
******************************************************************************/
void Main_Task( void *Id )
{
INT8U err;
Uart_Printf("nEnter Main_Task...n");
ARMStartTimer();
OSStatInit();
Inital_File(); //初始化文件夾以及個(gè)人參數(shù)
//主任務(wù)
OSTaskCreate( Task_RUN, (void *)0, (OS_STK *)&Task_STOP_Stack[TASK_STACK_SIZE*2-1], Task_STOP_PRIO ) ;
OSTaskCreate( Task_DISP, (void *)0, (OS_STK *)&Task_DISP_Stack[TASK_STACK_SIZE-1], Task_DISP_PRIO ) ;
OSTaskCreate( Task_KEY, (void *)0, (OS_STK *)&Task_KEY_Stack[TASK_STACK_SIZE-1], Task_KEY_PRIO ) ;
for( ; ; )
{
OSTimeDly(10000);
OSSemPend(UART0_SEM, 0, &err) ;
Uart_Printf( "n+++++++++" ) ;
Uart_Printf( "OSCPUUsage = %d n", OSCPUUsage ) ;
OSSemPost(UART0_SEM) ; //置起指定的信號(hào)量
}
}
其中主任務(wù)為Main_Task( void *Id )，該任務(wù)是創(chuàng)建3個(gè)任務(wù)，分別為：Task_RUN（）、Task_DISP（）、Task_KEY（）。此三個(gè)任務(wù)在3.4 應(yīng)用系統(tǒng)任務(wù)結(jié)構(gòu)中分別有介紹。
4結(jié)束語(yǔ)
該焊接機(jī)控制系統(tǒng)采用高性能的MCX系列的運(yùn)動(dòng)芯片，可以輸出脈沖高達(dá)4MHZ，且脈沖丟失率低，又是基于UC/OS_II的嵌入式系統(tǒng)的使用，大大加快了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性，該系統(tǒng)的建立有效的提高工業(yè)焊接的生產(chǎn)率，它必將成為將來(lái)中小型工業(yè)控制系統(tǒng)的手選。
5參考文獻(xiàn)
[1] 吳明暉 . 基于ARM的嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用。[M] 人民郵電出版社，2006.6
[2] 田 澤 . 嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用。[M] 北京航空航天大學(xué)出版社，2005.1
眾為興數(shù)控 0755-26722719-317
（轉(zhuǎn)載）
