基于RTOS的伺服压力机数控系统

　　在金属压力加工领域，传统机械曲柄压力机的运动特性固定，对工艺的适应性很差，而伺服压力机通过计算机可以精确地控制压力机滑块的位置和速度，能适应不同冲压工艺的要求，代表了当前压力机的发展方向。由于基于嵌入式软硬件技术的数控系统具备优秀的实时性、稳定性与开放性，基于当前市场主流ARM芯片和实时操作系统，设计了一种高性价比的精密伺服压力机数控系统，能适应不同冲压工艺要求，具有高效率、高精度、良好的实时性、稳定性与开放性。

1 压力机改造

　　目前国内外普遍使用的压力机大多是基于曲柄滑块运动原理的传统机械式曲柄压力机，这种压力机已成功应用几十年，具有结构简单、性能可靠、生产率高等优点，应用非常广泛。

　　传统曲柄压力机主要由曲柄滑块机构、离合器、飞轮、普通交流电机等组成。交流电机通过带传动带动飞轮高速旋转，储存一定的动能在飞轮上，离合器每闭合一次，飞轮就带动曲柄轴旋转一周，完成一个冲压工作周期。

　　由于飞轮转动惯量很大，加之普通交流电动机额定滑差率很小，位于飞轮之后的曲柄的转速在一个工作周期中近似不变，导致滑块运动曲线固定不变。通过这种传动系统要实现滑块变速难度很大，压力机的工艺适应性差，只适合于薄板冲裁和浅拉深，不能适应深拉深及拉延工艺。为了能够适应于不同的冲压工艺要求，压力机的滑块必须能够实现动态调速。

　　文中给出了传统曲柄压力机改造为伺服压力机的改造方案：采用交流伺服电机取代普通交流电机，拆除原来传统曲柄压力机的飞轮和离合器，通过减速器将伺服电机与曲柄轴直接连接起来，通过改变伺服电动机的控制参数就可以实现对滑块运动速度、位置的调节，实现滑块的多种运动曲线，适应多种冲压工艺要求。

2 硬件设计

　　目前数控系统主要分为基于PC机模式的开放型数控系统和非PC模式的专用数控。基于PC机模式的开放数控系统主要基于Windows操作系统，此类数控系统虽然具有良好的开放性与人机界面，但却难以保证数控系统的实时性与稳定性及高速、高精度控制。随着LSI技术与软件技术的不断发展，基于嵌入式软硬件技术的数控系统在具备优秀的实时性与稳定性、满足高精加工的同时也具备了良好的开放性与人机界面。

　　根据交流伺服电机的控制特点及伺服压力机的工作特性要求，采用了嵌入式硬件平台来构建伺服压力机的控制系统，采用基于ARM7架构的NXP微控制器LPC 2468芯片作为控制核心。

　　LPC 2468微控制器具有512 kB片内高速Flash存储器，该Flash存储器具有特殊的128位宽度的存储器接口以及加速器架构，可以使CPU以高达72 MHz的系统时钟速度来按顺序执行Fl鹳h存储器的指令。该芯片片内集成支持STN和TFT显示的LCD控制器，1个10／100 M以太网访问控制器、98 kB HAM(包括64 kB局部SRAM，16 kB以太网SHAM，16 kB通用DMA SHAM和2 kB电池供电SRAM)。

　　硬件方案如图1所示，控制系统由LPC2468和若干外围电路模块构成。

图1伺服压力机硬件框图

　　微处理器LPC2468是整个控制系统的控制核心，通过移植实时操作系统和第三方组件，构成了伺服压力机控制系统的运行平台。

　　按钮开关模块负责将压力机上各种控制按钮的状态提供给微处理器，主要按钮有：伺服开关、制动开关、光电保护开关、左手按钮、右手按钮、急停按钮、预控按钮、连续停止按钮等。

　　信号检测模块为微处理器提供压力机各个故障检测传感器的检测信号，主要有：润滑检测、制动检测、光电检测、气压检测、压力检测、通讯枪测等。

　　以太网模块为压力机提供通讯功能。网络化CNC是当前数控机床的发展方向，作为先进数控技术代表的伺服压力机有必要提供这一功能。本模块实现机床参数的远程配置、远程诊断、远程监控等功能。

　　触摸屏模块提供用户操作界面，用户可对压力机各种工作参数、系统参数进行配置，同时可观察压机的当前运行状态(滑块位置、故障信息等)。LPC 2468片内集成支持STN和TFr显示的LCD控制器，本文选用640×480像素的TFT-LCD作为主显示器。

　　伺服模块根据微处理器提供的控制信号，对交流伺服电机进行实时控制，实时性要求很高。

　　液压泵模块为伺服压力机的输出操作模块，负责压力机各个输出液压泵的控制任务。