嵌入式實時控制三軸數控滑臺實驗平臺的構建

藺鳳琴， 賈瑞哲， 李 擎， 郭 金， 李香泉， 車偉杰

（1.北京科技大學自動化學院，北京 100083；2.景德鎮學院信息工程學院，江西景德鎮 333000）

0 引 言

嵌入式技術以應用為核心，基于計算機技術，適用于軟硬件共存的設備或系統，也是自動化類專業的重要技術課程。但它易于上手，卻難以精通［1-3］。數控滑臺是數控機床中的常見設備，通過編程，鏈接電機、感應裝置等，控制滑臺模組按照軟件設定程序執行運動作業、任務，大大提升了加工精度和生產效率。三軸數控滑臺則構建了三維空間的工件加工，適用于工業中多數的加工場景。隨著機電一體化的推進，嵌入式技術也被廣泛用于數控滑臺上。特別是在組合機床生產控制中，嵌入式技術通用性高、可靠性高、支持復雜指令的優點更為顯著［4-5］。目前，基于二維空間設計的兩軸嵌入式滑臺實驗平臺對于飛速發展的嵌入式技術深層次應用開發顯得力不從心；并且傳統嵌入式數控滑臺的控制系統是針對特定任務而定制、固化的軟件，運行過程中無法實時進行參數優化，難以適應實際設備的快速響應需求；此外，傳統嵌入式系統實驗教學平臺比較單一，一般采用實驗箱、PC終端上位機，授課空間有限、教學效率不高。

鑒于以上原因，本文以三軸數控滑臺為載體，構建了集成實時控制的嵌入式三軸數控滑臺實驗平臺。旨在讓學生對實驗平臺的設計和運行有深入的理解和認識［6-7］，同時基于平臺開展嵌入式編程、電機運動控制、視覺伺服及圖像識別等相關課題的研究。此外，平臺設計與產線實際應用相結合，可實時修改參數進行在線控制，學生除了學習硬件的嵌入式編程，還可以通過軟件對數控滑臺進行在線監控與實時控制［8-10］。

1 實驗平臺設計

1.1 平臺技術目標

實驗平臺主要包含如下技術目標：

（1）C語言嵌入式編程。采用C語言完成滑臺主控器（Advanced RISC Machine，ARM）核芯片的程序，讓學生了解嵌入式編程的特點，體會高級編程語言——C語言對硬件的直接操作能力。

（2）三軸電動機協同運動。采用定時器輸出脈沖頻率來控制電動機運行速度，電動機的加速控制則選用次平滑型S型加速，實現三軸協同運動。此外，三軸圓弧、直線的插補運動設計以完成復雜的滴膠運動，定位精度達（0.01 mm）。

（3）三軸運行時參數實時優化。通過PC 端人機界面（Human Machine Interface，HMI）和移動端APP，在線監控三軸的運行時參數，可實時對各軸的運動方向、是否歸零、步進速度以及步進距離等進行調整，以實現最佳目標運動軌跡。

1.2 總體架構

嵌入式三軸數控滑臺實驗平臺構建了集軟硬件及數據存儲于一體的三維運動滴膠平臺，通過三軸的協同運動完成滴膠，形成既定圖形的產品。滴膠工藝主要用于包裝、商標、冰箱貼和汽車裝飾等工藝品的制作。該平臺由5 部分組成：①三軸的步進電動機及驅動套件，實現各軸獨立運動、插補運動；②控制器為STM32F4（STMicroelectronics）系列的ARM 核芯片，采用C語言嵌入式編程；③配備高清攝像頭以及相應的圖像識別功能，方便學生進行二次開發，如用于實現完善的運動物體目標識別及運動控制；④上位機軟件提供PC終端及手機終端2 種模式的部署，并支持WiFi和藍牙的連接；⑤數據存儲分為兩大類，均部署在PC終端，設備參數及實驗案例歷史數據采用oracle 數據庫，運動中的過程數據以txt文本文件形式存儲?？傮w架構如圖1 所示。

圖1 嵌入式實時控制三軸數控滑臺實驗平臺總體架構

1.3 軟硬件配置

平臺軟硬件的選取充分考慮了工程實踐的需求，配置見表1 所示。

表1 實驗平臺軟硬件配置

1.4 實驗平臺實物

三軸數控滑臺包含多種結構，3 個移動軸由電動機進行控制，高清攝像頭與滴膠管放置在Z方向的移動軸上，用于捕捉視覺信息并進行滴膠?；_具備串口、USB等多種接口，學生可編寫工程文件并通過接口控制滑臺的運行過程。嵌入式實時控制三軸數控滑臺實驗平臺實物如圖2 所示。

圖2 嵌入式實時控制三軸數控滑臺實驗平臺實物

2 實驗平臺功能設計

2.1 三軸移動設計

三軸數控滑臺的Z軸裝有滴膠管，Y軸可以帶動待滴膠的物體移動，因此滑臺工作時需要3 個軸進行協同運動使得滴膠管和物體達到指定位置。為確保三軸運動的位置足夠精確，本平臺采用定時器模塊來實現該要求，通過輸出脈沖頻率調制波形，控制定時器的輸出頻率，進而控制電動機的運行速度，最后保證電動機的S型加速控制，即將加速度以S 型加速的形式表現。

完全平滑型S型加速雖然維護了變加速到勻加速階段過程的平滑性，但由于加加速度的計算過程復雜，并不適用于速度需要更換的場合，因此在電動機加速上選擇次平滑型S型加速，這種方式雖然犧牲了變加速到勻加速階段的平滑性，但加加速度的計算過程方便［11］。其加速過程如圖3 所示。

圖3 S型加速示意圖

S型加速的具體過程較為復雜，共分為如下4 個步驟：

步驟1 將所有關于速度的單位轉換為頻率的單位，即

式中：f為脈沖頻率，Hz；S為電動機的線速度，m／s；vf為速度頻率轉換系數。

步驟2 電動機加速和減速過程按比例3∶4∶3分為3 部分，同時確認S型加速的加加速度頻率

式中：faa為加加速度頻率，Hz；C為加加速度，m／s3；a為加速度，m／s2；t0.3為加加速的持續時間，s，其中，t0.3＝0.3 ×［（S－Sstart）／a］，S表示最高速度（m／s），Sstart表示初始速度（m／s）。

步驟3 將加速過程分為3 部分，其中加加速部分taa，勻加速部分tua和減加速部分tra的比例為30∶60∶45。同樣，減速過程也分為3 部分，加減速部分tar，勻減速部分tur和減減速部分trr的比例為45∶60∶30。

步驟4 根據速度設置每步的頻率表和脈沖數目表。

2.2 三軸插補設計

在滴膠運行過程中，滴膠管需要進行一些復雜的非直線運動，如圓弧運動。三軸需依據已有參數進行插補，運動插補是一個實時的數據密化過程，基本原理是根據給定的信息進行數值計算，實時輸出參與插補運動各軸的控制參數，如加速度、位移等，繼而驅動各軸電動機進行協同運動，使3 個運動軸按照理想的路線和速度運行［12-13］。平臺采用了直線插補和圓弧插補2 種方式，定位精度為±0.01 mm，達同類產品先進水平。本文僅用XY軸插補進行分析，YZ軸與XZ軸插補同理。

（1）圓弧插補運動。該運動依靠步進電動機逐漸走出一個帶鋸齒的近似圓。其工作原理借助了圓的代數方程X2＋Y2＝R2，由于圓弧插補從實際執行效果上表現為橫向和縱向的累加算法，因此，路徑內／路徑外將代替圓內／圓外。

其中，三點法確認圓心和半徑位置是關鍵，設X、Y軸當前位置為（X0，Y0），目標點位置為（Xθ，Yθ），輔助點位置為（XAssist，YAssist），則圓心與半徑位置計算式為

式中：corex＝（ε×B－K×ω）／（λ ×B－A×ω）；corey＝（A×ε－K×λ）／（A×f－B×λ）。其中：

（corex，corey）為圓心坐標，R為半徑（m）。1／4 圓弧的插補運動程序流程和路徑如圖4 所示。

圖4 1／4圓弧插補運動程序流程和插補路徑

（2）直線插補運動。數控滑臺依據軟件下發的“目標點位（Xθ，Yθ）”“直線插補命令項（XY，YZ，XZ）”和“速度”參數，進行直線插補運動。運動過程流程同圓弧插補運動。程序流程和第一象限直線插補路徑如圖5 所示。

圖5 直線插補運動程序流程和直線插補運動路徑

2.3 平臺HMI設計

作為教學實驗平臺HMI的設計，既要覆蓋課程知識點，又要采用先進的現代工具和流行的應用模式，使平臺升級具備可持續性。因此，HMI 設計除基于傳統的PC端部署模式外，還提供了移動端的APP。

（1）PC 端HMI 設計。采用模塊式設計，主要包括控制器連接模塊、參數設置模塊、程序編輯模塊和直線圓弧插補模塊等。HMI 軟件基于Anaconda、PyCharm平臺，采用Python 語言，PC 終端部署環境最低要求：Windows 7 64 bit 操作系統，Intel i5 處理器，4 GB及以上內存。

（2）移動端APP 設計。移動端APP 的設計源于智能手機應用的不斷深入，模塊設計與PC 端一致，APP選用Android Studio 開發平臺，平臺的配置為Windows 7 64 bit操作系統，Intel i5 處理器CPU，8 GB內存，50 GB硬盤，推薦使用固態硬盤及無線網卡、攝像頭、USB、麥克風等。移動端運行環境為安卓系統5.0 以上，下載軟件所需內存10 MB。APP 主界面顯示藍牙連接設置及菜單欄，其中菜單欄如圖6 所示。

圖6 APP系統主界面的菜單欄

用移動端開展實驗時，首先獲取手機的藍牙權限，搜索本機以前配對和未配對的設備，顯示在相應列表。選擇目標設備進行配對后，進入菜單欄。依據實驗需求，進入相應模塊，其中參數設置模塊主要進行各軸行程、原點及速度等參數的編輯，程序編輯模塊可在線讀取、修改和下載程序，如圖7 所示。

圖7 移動端APP程序編輯界面

移動端APP 的開發和應用突破了傳統教學實驗平臺的互動模式，開放的源代碼為學生提供了二次開發和升級的基礎，基于興趣對相關知識點及實踐進行深度探索［14-15］。

3 實時控制

滑臺主控器ARM核芯片的程序主要通過C 語言來實現，讓學生嵌入式編程中體會C 語言對硬件的直接操作能力。除了具備下載特定程序以完成定制運動軌跡外，平臺提供了PC 終端和移動終端2 種上位機模式，對三軸的運行時參數進行實時監控并在線修改。

3.1 與下位機實時通信

通信是數控系統穩定運行的基礎，它將平臺各個部分有機地結合起來，通過信息和數據的傳遞，協同運轉。為使平臺的實驗教學具有普適性，該平臺支持以太網、WiFi和藍牙3 種通信方式。其中藍牙連接采用MODBUS-RTU 協議，其余采用MODBUS-TCP／IP協議［16］。

（1）MODBUS-TCP／IP 協議。在TCP／IP 協議中，一條完整的報文由MBAP 報文頭和幀結構PDU 兩部分構成，如圖8 所示。

圖8 移動端APP采用以太網、WiFi通信的MODBUSTCP／IP報文結構

上位機組件發送報文時，將要發送的數據整合為幀結構PDU，隨后動態形成MBAP 報文頭，將兩者拼接為一條完整的報文并通過以太網或WIFI 發送至下位機。下位機依據報文頭進行解析核對，讀取幀結構中的數據并執行相應的功能，最后向上位機返回響應報文。

（2）MODBUS-RTU 協議?；谒{牙連接的MODBUS-RTU報文結構如圖9 所示。

圖9 移動端APP采用藍牙通信的MODBUS-RTU報文結構

RTU 的連接速度快，但安全性較低，因此需要校驗碼來保證傳輸數據的準確性。當上位機組件發送報文時，將數據信息與通過CRC算法得到的校驗碼組件為完整的報文。當下位機收到后，首先會自行計算校驗碼并對收到的校驗碼進行核對，確認無誤后再執行命令。

3.2 三軸移動在線控制

三軸協同運動是滑臺的基本運動，控制電動機使各軸快速而準確地到達相應位置是關鍵。通過參數設置界面確定各軸的脈沖當量和加速度，上位機與控制器連接后，該界面以在線參數進行初始化，可以對各參數進行修改并寫入控制器，實時觀察參數對各軸運動控制的影響。此外，為使學生能夠更深入地參與三軸協同運動調試過程，獲得最佳運動軌跡，加強對電動機運動原理的理解，HMI 提供了手動操作界面，用于實時調整各軸運行參數，如各軸的運動方向、是否歸零、手動速度以及步進距離等，三軸電動機控制界面如圖10 所示。

圖10 三軸電動機控制界面

3.3 三軸插補在線控制

滴膠過程中，為實現復雜非直線運動軌跡，需通過三軸插補來完成。在直線圓弧插補界面，修改各軸位置、插補速度以及各軸段點和終點位置，來完成某2 軸的直線或圓弧插補運動。電動機運動軌跡的過程數據以文本形式輸出并保存，便于后期比對分析。X、Y軸圓弧插補參數及運動軌跡數據如圖11 所示。

圖11 三軸插補界面

4 應用效果

某實驗案例要求、步驟及結果如下：

（1）實驗要求。通過HMI 配置串口參數并連接控制器，根據指定的起始、終點坐標，實時修改各軸運行時參數，三軸協同快速、準確到達終點位置進行滴膠。其起始坐標：X、Y、Z（0.000，0.000，0.000），終點坐標：X、Y、Z（100.000，0.000，50.000）。

（2）實驗步驟。具體的實驗步驟如下：

步驟1 配置串口參數并連接控制器。配置文件保存末次連接成功的串口及其參數，如圖12 所示，根據需要修改參數并連接控制器。

圖12 串口及其參數配置圖

步驟2 各軸復位。設置各軸回原點的速度為100 mm／s，設置各軸回原點的方向，并啟動回原點。

步驟3X軸獨立運動。確認各軸復位后，設置X軸運動參數：獨立運動速度為10 mm／s，加速度為50 mm／s，運動距離為100 mm，參數寫入控制器。耗時2 ～3 s 后，X軸停止運動，此時X、Y、Z的坐標為（100.008，0.005，－0.007）。X、Y、Z各軸定位精度分別為＋0.008 mm、＋0.005 mm、－0.007 mm。

步驟4Y、Z軸圓弧插補運動。起點坐標為（0.000，0.000），終點坐標為（0.000，50.000），圓弧某中點坐標為（25.000，25.000），速度為25 mm／s，參數寫入控制器。耗時2 ～3 s 后，Y、Z的坐標為（0.009，50.006）。Y、Z各軸定位精度分別為＋0.009、＋0.006 mm。

至此，X、Y、Z終點坐標為（100.008，0.009，50.006），耗時4 ～5 s，各軸定位精度分別為＋0.006、＋0.009 和＋0.006 mm。平臺的實時性滿足三軸快速定位的需求，各軸的定位精度均在（0.01 mm，滿足三軸協同運動的精準要求。

5 結 語

本文構建了以三軸數控滑臺為載體，采用C 語言嵌入式編程完成主控器ARM 核芯片程序，并集成在線控制學習系統的實驗平臺。通過教學實踐表明：控制對象具有普適性，即三軸數控滑臺構建了三維運動空間工件的加工，適用于工業數控加工領域普遍的應用場景；控制過程具有實時性，即集成在線控制學習系統，實時監控三軸運行時參數，并進行在線修改，實現過程的精準控制；開發工具具有先進性，即基于C 語言嵌入式編程、Anaconda3 、PyCharm（2017.3.2）、Android Studio（3.4.1，內置1.8 版本JDK）開發平臺，采用Python 語言（3.6）、IntelliJ IDEA 的Java 語言，結合Oracle（12Cc 標準版）數據庫完成平臺構建。

該平臺已在本校自動化專業的實驗教學中應用，提升了學生在硬件、嵌入式編程方面能力；還促進學生轉變思維，從用戶的角色出發，設計在線控制軟件、激發其學習興趣，以實際產線需求來促進相關課程的教學效果。同時，提高學生畢業后角色轉變的效率，滿足培養社會緊缺技能型人才的需求。