基于LPC2138的注塑機(jī)控制器設(shè)計

現(xiàn)代注塑機(jī)的發(fā)展重點(diǎn)在于提高控制水平和整機(jī)自動化程度，以及整機(jī)優(yōu)化設(shè)計和加工工藝的改進(jìn)方面，以滿足對于注塑制品質(zhì)量及節(jié)能的要求。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)芯片以集成度高，價格低，性能強(qiáng)大而得到廣泛應(yīng)用。利用32位的ARM處理器實(shí)現(xiàn)注塑生產(chǎn)過程的自動控制，實(shí)時顯示并在線修改各階段的過程參數(shù)，這不僅提高了注塑機(jī)自動化程度，而且大大提高了塑料制品的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

1 注塑機(jī)的組成及其工作過程

1.1 注塑機(jī)的組成

該控制器以電動一液壓相結(jié)合的復(fù)合式注塑機(jī)為控制對象，它是集機(jī)-電-液于一體的典型系統(tǒng)。它主要由液壓油路系統(tǒng)、合模系統(tǒng)、注射系統(tǒng)、加熱冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、安全保護(hù)裝置、監(jiān)測系統(tǒng)及供料等輔助系統(tǒng)組成。注塑機(jī)的各個部分互相牽制、互相協(xié)調(diào)地完成注塑機(jī)的循環(huán)動作。其中電氣控制系統(tǒng)是注塑機(jī)的“中樞神經(jīng)”，它控制著注塑機(jī)的各種程序及動作，對時間、位置、壓力、速度和轉(zhuǎn)速等進(jìn)行有效的控制與調(diào)節(jié)。該控制器實(shí)現(xiàn)注塑機(jī)電氣控制系統(tǒng)的控制功能。

1.2 注塑機(jī)的工作過程

現(xiàn)代注塑機(jī)的控制器主要由注塑機(jī)工藝流程控制、料筒溫度控制、人機(jī)界面等部分組成，能夠?qū)崿F(xiàn)對注塑機(jī)整個工藝流程進(jìn)行控制；對注塑過程中的流量、壓力、位置以及料桶溫度的控制；對注塑工作過程參數(shù)的顯示與在線參數(shù)修改。注塑機(jī)的工作過程其實(shí)就是一個過程控制。當(dāng)要執(zhí)行某一個動作時，控制器必須輸出相應(yīng)的控制信號使相關(guān)的電磁閥通電，否則不能正常工作，而當(dāng)檢測到對應(yīng)的行程開關(guān)或接近開關(guān)的輸入信號后，就可撤除控制信號使電磁閥失電，以結(jié)束該動作，然后根據(jù)工藝要求進(jìn)行下一個動作或停止工作。其工作流程如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計

該控制器由2個控制模塊構(gòu)成，采用主從式結(jié)構(gòu)來控制注塑機(jī)的注塑過程、溫度、人機(jī)界面、通信等工作。兩個控制模塊各由一個處理器來進(jìn)行管理，處理器均采用ARM處理器LPC2138，其中一個處理器負(fù)責(zé)鍵盤及LCD顯示管理，實(shí)現(xiàn)參數(shù)在線設(shè)定及顯示，以提供友好的人機(jī)界面；另外一個處理器負(fù)責(zé)檢測注塑機(jī)的各路輸入情況，并實(shí)現(xiàn)對注塑的過程控制與料筒溫度控制。兩者之間采用RS 232C串行接口進(jìn)行實(shí)時通信以實(shí)現(xiàn)信息與數(shù)據(jù)的交換。系統(tǒng)硬件總體框圖如圖2所示。

鍵盤電路控制器需要實(shí)現(xiàn)注塑機(jī)的各種動作及控制參數(shù)的輸入，因此鍵盤電路必不可少。鍵盤電路采用ZLG7290鍵盤管理器，它可采樣64個按鍵或傳感器，并可檢測每個按鍵的連擊次數(shù)，而且具有鍵盤去抖動處理、雙鍵互鎖處理等功能，因此省去了鍵盤掃描及去抖等相關(guān)處理軟件的編制，這樣不僅節(jié)省了程序空間，而且簡化了編程。每當(dāng)有按鍵按下，ZI．G7290會產(chǎn)生中斷信號，此時LPC2138可通過I2C接口從ZLG7290內(nèi)部讀取鍵值，這樣就可判斷出按鍵的具體位置。

液晶顯示 LCD模塊選用320×240圖形點(diǎn)陣型液晶顯示模塊，主機(jī)設(shè)計有與LCD模塊模塊的接口，可以將其介入，這樣就可實(shí)現(xiàn)對注塑機(jī)工藝參數(shù)的實(shí)時監(jiān)視、各個關(guān)鍵參數(shù)的在線修改以及命令輸入提示。

數(shù)字量輸入／輸出電路 數(shù)字量的輸入與輸出均通過光耦隔離電路，以將控制器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)在電氣上進(jìn)行隔離，防止高壓產(chǎn)生干擾破壞處理器程序的運(yùn)行。輸入信號經(jīng)整形后送往數(shù)據(jù)總線共ARM處理器讀取。輸出數(shù)字量通過功率放大電路后直接驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作。

位移檢測電路 設(shè)計有3路位移檢測電路，分別實(shí)現(xiàn)對螺桿位置、開關(guān)模位置和托模機(jī)構(gòu)的位置檢測，檢測出的位移量作為切換壓力和速度的一個依據(jù)。位移檢測采用的傳感器是位移電子尺，位移電子尺給出的信號是模擬信號經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換器ADS7844得到相應(yīng)的數(shù)字量，LPC2138可以通過SPI口讀取ADS7844的轉(zhuǎn)換結(jié)果。

比例閥控制電路 控制器設(shè)計有2路比例閥控制電路，以提供流量和壓力的控制。比例閥的控制采用PWM技術(shù)，PWM信號直接由硬件電路產(chǎn)生，PWM信號經(jīng)過三極管放大后通過達(dá)林頓管去驅(qū)動比例閥工作。

料筒溫度檢測和加熱控制電路 此電路位于從機(jī)部分，是本控制器的設(shè)計重點(diǎn)，因?yàn)榱贤矞囟葘χ破返馁|(zhì)量有直接的關(guān)系。由于加溫系統(tǒng)存在大慣量，加上電源電壓波動等環(huán)境因素的影響，往往難以獲得理想的品質(zhì)因素，因而需要采取相應(yīng)的軟硬件措施，以獲得穩(wěn)定、可靠的溫度控制效果?？刂破髟O(shè)計有6路溫度檢測通道，溫度檢測傳感器采用K型熱電偶，其測溫范圍為0～400℃。熱電偶信號經(jīng)過儀表放大器AD620放大后，再將其進(jìn)行V／F轉(zhuǎn)換，以實(shí)現(xiàn)模／數(shù)轉(zhuǎn)換。采用V／F轉(zhuǎn)換電路是因?yàn)轭l率信號的抗干擾能力強(qiáng)，且實(shí)現(xiàn)模／數(shù)轉(zhuǎn)換的性價比高。6路溫度檢測的切換采用繼電器控制，以減小導(dǎo)通電阻帶來的溫度測量誤差，且能夠?qū)崿F(xiàn)信號與系統(tǒng)的隔離。加熱控制電路也采用繼電器控制，繼電器的輸出可直接驅(qū)動電磁繼電器或固態(tài)繼電器以控制加熱裝置的電源開關(guān)。另外熱電偶的冷端補(bǔ)償采用集成溫度傳感器來實(shí)現(xiàn)。具體的溫度測量電路如圖3所示。

3 軟件設(shè)計

控制器的軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計。主機(jī)部分的軟件分主要包括鍵盤、顯示、通信和實(shí)時時鐘模塊。從機(jī)部分的軟件相對比較復(fù)雜，主要有通信模塊、溫度檢測控制模塊、比例閥控制模塊、位移檢測模塊、工藝流程控制模塊等。