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基于ARM的带线缝合针打孔机数控系统设计

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２０１２年４月　第４０卷第８期　机床与液压　

ＭＡＣＨＩＮＥ　Ｔ００Ｌ＆ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳ　Ａｐｒ．２０１２　Ｖｏ１．４０　Ｎｏ．８　

ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１—３８８１．２０１２．０８．０４９　

基于ＡＲＭ的带线缝合针打孔机数控系统设计　

边巍　，刘奎武　

（１．江苏财经职业技术学院，江苏淮安２２３００３；２．江苏食品职业技术学院，江苏淮安２２３００３）　

摘要：国内的带线缝合针加工设备仍然以手工加工为主，劳动生产率低，工人劳动强度大，加工精度和质量不高。设　

计出一套自动缝合针打孑Ｌ机系统。该系统分为机械结构部分和自动控制部分。机械结构设计主要包括　、Ｙ向工作台的设计　和主轴的设计；控制系统以ＡＲＭ微控制器为控制核心，采用Ｌｉｎｕｘ嵌入式实时操作系统实现多任务调度和资源管理。软件　系统是以实时嵌入式操作系统Ｌｉｎｕｘ为核心，采用了模块结构化设计方法，将整个控制软件划分为：Ｌｉｎｕｘ实时内核、ＡＰＩ　

函数、数据通信模块、运动控制模块及人机交互模块５个模块，并对这５个模块分别进行设计。　关键词：缝合针打孔机；振动钻削；ＡＲＭ处理器；Ｌｉｎｕｘ嵌入式系统　中图分类号：ＴＰ２３　文献标识码：Ｂ　文章编号：１００１—３８８１（２０１２）８—１３７—３　

Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　Ｍｅｄｉｃａｌ　Ｓｕｔｕｒｅ　Ｎｅｅｄｌｅ　Ｄｒｉｌｌｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＡＲＭ　

ＢＩＡＮ　Ｗｅｉ　．ＬＩＵ　Ｋｕｉｗｕ　

（１．Ｊｉａｎｇｓｕ　Ｆｉｎａｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｈｕａｉａｎ　Ｊｉａｎｇｓｕ　２２３００３，Ｃｈｉｎａ；　

２．Ｊｉａｎｇｓｕ　Ｆｏｏｄ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｈｕａｉａｎ　Ｊｉａｎｇｓｕ　２２３００３，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｄｏｍｅｓｔｉｃ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　ｆｏｒ　ｓｕｔｕｒｅ　ｎｅｅｄｌｅ　ｗｉｔｈ　ｔｈｒｅａｄ　ｉｓ　ｓｔｉｌｌ　ｍａｉｎｌｙ　ｍａｎｕａｌ，ｗｉｔｈ　ｌｏｗ　ｌａｂｏｒ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｖｉｔｙ，　ｌａｒｇｅ　ｌａｂｏｒ　ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ　ａｎｄ　ｐｏｏｒ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ａｎｄ　ｑｕａｌｉｔｙ．Ａ　ｓｅｔ　ｏｆ　ａｕｔｏｍａｔｉｃ　ｓｕｔｕｒｅ　ｎｅｅｄｌｅ　ｐｕｎｃｈｉｎｇ　ｍａｃｈｉｎｅ　ｗａｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｗａｓ　

ｄｉｖｉｄｅｄ　ｉｎｔｏ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｓｅｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ａｕｔｏｍａｔｉｃ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｅｃｔｉｏｎ．Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｉｎｃｌｕｄｅｄ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　，Ｙ　ｄｉｒｅｃ—　

ｔｉｏｎａｌ　ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｓｐｉｎｄｌｅ．Ｉｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ，ＡＲＭ　ｍｉｃｒｏｅｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　ｗａｓ　ｕｓｅｄ　ａｓ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｃｏｒｅ，ｅｍｂｅｄｄｅｄ　ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ　ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　Ｌｉｎｕｘ　ｗａｓ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｒｅａｌｉｚｅ　ｍｕｌｔｉ—ｔａｓｋ　ｓｃｈｅｄｕｌｅ　ａｎｄ　ｒｅｓｏｕｒｃｅ　ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ．Ｉｎ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｓｙｓｔｅｍ，Ｌｉｎｕｘ　ｗａｓ　ｔａｋｅｎ　ａｓ　ｔｈｅ　ｅｏｒｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｍｏｄｕｌｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｗａｓ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｄｉｖｉｄｅ　ｔｈｅ　ｗｈｏｌｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｉｎｔｏ　ｆｉｖｅ　ｍｏｄｕｌｅｓ：Ｌｉｎｕｘ　ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ　ｋｅｒｎｅｌ，ＡＰＩ　ｆｕｎｃ－　ｔｉｏｎｓ，ｄａｔａ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ　ｍｏｄｕｌｅ，ｍｏｔｉｏｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｍｏｄｕｌｅ　ａｎｄ　ｈｕｍａｎ—ｃｏｍｐｕｔｅｒ　ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ　ｍｏｄｕｌｅ．Ｔｈｅ　ｆｉｖｅ　ｍｏｄｕｌｅｓ　ｗｅｒｅ　

ｄｅｓｉｇｎｅｄ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｍｅｄｉｃａｌ　ｓｕｔｕｒｅ　ｎｅｅｄｌｅ　ｄｒｉｌｌｉｎｇ；Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｄｒｉｌｌｉｎｇ；ＡＲＭ　ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ；Ｌｉｎｕｘ　ｅｍｂｅｄｄｅｄ　ｓｙｓｔｅｍ　

医用缝合针是大多数医疗器械厂的常见产品，而　

缝合针的打孔机是缝合针制造过程中的必备设备之　

一。随着国内医用缝合针需求量的增大，医疗器械生　

产企业的不断增加，该设备具有广阔的市场前景和发　

展空间。目前，国内的带线缝合针加工设备仍然以手　

工为主，劳动生产率低，工人劳动强度大，加工精度　

和质量不高。作者通过分析目前国内外打孔机的现状　

及发展趋势，设计了带线缝合针打孔机的系统，目的　

是把手动操作转变为自动操作。系统的设计包括机械　

结构设计和控制系统设计。　

１　缝合针打孔机结构及原理　

缝合针打孔机钻孔属于微４ｑＬ钻削，微小孔的加　

工技术主要有电子束加工、电火花加工等，精度和表　

面质量难以保证，且都存在孔表面有再铸层，严重影　

响孔的表面质量，因此作者采用振动钻削。用于高速　

钻削的有立式和卧式主轴的钻床和龙门式钻床，摇臂　式和升降台式的也可以用做高速切削，但刚性较差。　

微小孔加工通常使用台式钻床，因为台式钻床是可放　

在作业台上，主轴垂直布置的小型钻床，它实质上是　

一种加工小孔的立式钻床，钻孔直径一般在１５　ｍｍ　

以下，最小可加工几百微米的孔。由于加工孔径很　

小，所以台钻的主轴转速往往较高，最高的甚至可达　

每分钟几万转、几十万转。台钻使用方便而且小巧灵　

活，适于加工小型零件上各种ｄｑＬ。　缝合针打孔机是医用缝合针打孑Ｌ的常用设备，其　

实质就是微小孔钻床，是一种比较典型的台式钻床。　

机床机械部分主要由床身、横梁、床脚、　、Ｙ定位　

工作台（十字滑台）、钻削加工进给单元（＝向进　

给）、高速主轴运动单元组成。根据缝合针打孔机的　

结构特点，将其主要部分简化为图１所示的模型。　

在图１中，主轴两端以相同的各向同性轴承支承，　

主轴与钻夹头间用轴颈联接，钻夹头下段夹持着微　

收稿日期：２０１１—０２—２８　基金项目：淮安市科技局０８年科技支撑计划（工业）（ＨＡＧ０８０４３）　作者简介：边巍，硕士，讲师，研究方向为控制工程与应用。Ｅ—ｍａｉｌ：ｂｉａｎｗｅｉ０００８１９＠１２６．ｃｏｍ。

　・１３８・　机床与液压　第４０卷　

小钻头…。　

ｆ电　机］　。。。　

Ｉ　：　横梁　Ｉ　ｂ　Ｉ　ｆ－主轴　

Ｉ　￡钻头　

试件　１　

＿７　Ｉ　＝＝ｊ　

Ｉ　１　ｌ　Ｉ　：　ｌ　ｌ　底座　ｌ　Ｉ　主轴　

轴颈　

钻夹头　

微小钻头　

图ｌ　带线缝合针打孔机结构简图　

１．１缝合针打孔机工作台设计　

设计的缝合针打孔机工作台主要由两个步进电机　

控制　、Ｙ方向的运动。　方向的运动：电机Ａ转动　

通过带轮带动同步带，使滑块１沿着光轴导轨Ｉ移　

动，而滑块１与光栅架固定在一起，当步进电机转动　

时，光纤头可作　方向移动。同样在Ｙ方向上装有步　

进电机Ｂ、光轴导轨Ⅱ及滑，，　

块２，移动横梁左端与滑块２　

连接，右端为普通轴承（浮　

动支撑）。这样当步进电机Ｂ　

转动时，通过同步带带动滑　

块２，使移动横梁前后移动，　

完成Ｙ方向的运动。如图２图２带线缝合针打孔　

所示为缝合针打孔机工作台　机工作台结构图　

结构。　

１．２缝合针打孔机主轴设计　

设计时，利用刀柄旋转轴向超声振动钻削装置，　

通过刀柄把振动装置直接连接在打孔机上，使结构紧　

凑、使用方便，如图３所示即为超声波振动主轴结　

构　

ｌ　＼、、　，　、＼、、、　，，，一　！　１；　ｉｉ；　：　一一～～、、、　ｌ　／　＼、　／　＼～一ｌ×　

１　２　３　４　５　６　７　８　９　１０１ｌ　ｌ一键槽２一传动轴３一后匹配块４、６一压电陶瓷５一电极　７一前匹配块８一变幅杆９一集流环１Ｏ一弹性卡套ｌｌ一圆套　

图３超声波振动主轴结构　

其工作原理为：超声波发生器将２２０　Ｖ、５０　Ｈｚ　

的交流电转换成高频电源，用来向系统提供振动能　

量，超声波发生器产生的励振流通过碳刷传到集流环　

上，再通过钎焊在集流环上的导线传递到压电陶瓷换　

能器上，换能器的作用是将高频电源产生的高频振动　

信号转换成高频机械振动，此机械振动经轴向振动变　幅杆将振幅放大后有效地传递给工具系统，这样只须　

将振动加工系统通过刀柄直接装在摇臂钻床的主轴上　

就可进行超声轴向振动钻孔了　。　

２硬件系统的总体设计　

该系统采用模块化设计，主要包括ＡＲＭ核心控　

制模块、人机交互模块和执行机构驱动模块及通信模　

块，如图４所示。　

不。　图４带线缝合针打孑Ｌ机控制系统硬件模块　

带线缝合针打孔机总体硬件平台结构如图５所　

ＩＦｉａｓｈ　ＲＯＭＩ　匝　

匝　

回㈢　ＤＡＣ　Ｉ　主轴　

＝　

翌　Ｉ　竺　——１广～　

ｒ—土Ｌ］　Ｉ制振器１　．瑚步　进电机　Ｊ轴步　进电机　：轴步　进电机　

ＰＣ　

图５带线缝合针打孑Ｌ机嵌入式控制　系统硬件平台具体体系结构　

该控制系统的核心之一是ＡＲＭ９控制板，绝大部　

分控制任务都是由它来完成的，包括数据的处理、数　

据输入输出、人机交互处理等。ＡＲＭ主控制芯片具　

有很高稳定性、可靠性，使系统功能更加强大。该　

ＡＲＭ控制板的硬件部分是以￥３Ｃ２４１０处理器为核心，　

主要包括存储系统、ＪＴＡＧ接口电路、系统复位电路、　

电源电路及时钟电路　。　

通过对系统控制功能要求的分析，主控制模块选　

用￥３Ｃ２４１０，在此基础上需要配备电源电路、晶振电　

路、复位电路、存储器、液晶显示驱动电路、ＪＴＡＧ　

仿真调试接口电路等　。　

３控制系统软件总体设计　

将整个控制软件划分为：Ｌｉｎｕｘ实时内核、ＡＰＩ　

函数、数据通信模块、运动控制模块及人机交互模块　

５个大的模块，图６即为控制系统软件的总体结构　

图。由Ｌｉｎｕｘ操作系统内核统一对这些模块进行协　

调、调度和管理，结合硬件电路进行钻孔加工　。　

数据通信模块负责加工代码的读取翻译以及数据　

的发送与接收，运动控制模块包括如步进电机、旋转　

电机以及制振器等部件的运动控制，是控制系统的核

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基于ARM处理器的钻孔机械臂控制系统.

基于ARM处理器的钻孔机械臂控制系统.

基于ARM处理器的钻孔机械臂控制系统

工业机械臂是近代自动控制领域中出现的一项新技术,作为多学科融合的边沿学科,它是当今高技术发展最快的领域之一,并已成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分。所谓工业机械臂是一种能按给定的程序或要求自动完成物件(如材料、工件、零件或工具等)传送或操作作业的机械装置,它能部分地代替人的手工劳动。较高级型式的机械臂,还能模拟人的手臂动作,完成较复杂的作业。本课题所研究的机械臂是用于在工业生产上钻孔的机械设备。它可根据预先给定的任务,用编程的方式规定好机械臂要行进的路线,自动完成其行为控制,完成整个生产过程中的钻孔工作。本论文中的主要工作涉及以下方面:(1)以钻孔机械臂为研究对象,进行了以LPC2138为主控制器的嵌入式系统硬件平台设计,以及LPC2138与伺服驱动电路、液晶显示电路、键盘扫描电路等的接口设计,且着重对机械臂执行机构交流伺服电机的驱动进行了设计研究;(2)针对μC/OS-II操作系统精小、稳定、可靠、易移植等特点,对μC/OS- II操作系统进行修改,并移植到主控制系统的处理器中。在操作系统之上,将机械臂的任务模块划分为:主程序模块、键盘扫描和液晶显示任务模块、传感器采集和控制信号发送任务模块、脉冲指令与方向信号发送任务模块,并设计出应用程序,将各部分整合到一起完成机械臂定位和钻孔工作。(3)论文中应用模糊控制算法,用于控制和调节机械臂的钻孔工作。且对常规PID控制与模糊控制进行了仿真对比,选择了最优控制方案,使系统提升钻孔定位的响应时间,快速到达钻孔的目标,同时移动速度快且不超调。在论文的最后,给予了简要的总结和展望。

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武屹. 嵌入式系统在家居智能领域的应用' [J]. 科技创新导报.

2009.(19)

[2].

张腾飞,顾亦然,王瑾. 电气类专业嵌入式实践教学内容与方法的改革探索' [J]. 中国电力教育. 2009.(14)

基于ARM+FPGA的嵌入式数控系统

基于ARM+FPGA的嵌入式数控系统

基于ARM+FPGA的嵌入式数控系统

朱晓洁;舒志兵

【期刊名称】《机床与液压》

【年(卷),期】2008(036)007

【摘 要】针对现有CNC系统中存在的一些问题,提出了一种基于ARM+FPGA结构的嵌入式数控系统,并采用μC/OS-Ⅱ实时操作系统,详细介绍了这种系统的硬件结构和软件设计.

【总页数】3页(P311-313)

【作 者】朱晓洁;舒志兵

【作者单位】南京工业大学自动化学院运动控制研究所,江苏,南京,210009;南京工业大学自动化学院运动控制研究所,江苏,南京,210009

【正文语种】中 文

【中图分类】TP273

【相关文献】

1.基于ARM+FPGA的高开放性数控系统研究 [J], 谭会生;黎敦科

2.一种基于ARM+FPGA 新型数控系统硬件设计 [J], 王其飞;刘敬猛;凌有铸

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5.基于ARM+FPGA的嵌入式安全PLC设计 [J], 李明时;马跃;尹震宇

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智能缝纫机控制系统的设计

智能缝纫机控制系统的设计

智能缝纫机控制系统的设计

陈志锦;赵毅忠;马艳

【摘 要】针对智能缝纫机逐渐向高精度、高速度的专业化发展需求,设计了一款基于ARM+SOC智能缝纫机控制系统,该方案集成了系统电源、运动控制板、交流伺服驱动器、三轴合一步进驱动器、ARM主板等功能模块.该控制系统综合应用A]RM、SOC等嵌入式技术,实现了对智能缝纫机的高速、高精度运动控制,具有扩张功能快捷、操作方便、性价比高等优点,主要技术指标达到国际先进水平.

【期刊名称】《机电产品开发与创新》

【年(卷),期】2015(028)005

【总页数】4页(P104-106,41)

【关键词】智能缝纫机;运动控制板;SOC;交流伺服驱动器;步进驱动器

【作 者】陈志锦;赵毅忠;马艳

【作者单位】中国兵器工业第58研究所,四川绵阳621000;中国兵器工业第58研究所,四川绵阳621000;中国兵器工业第58研究所,四川绵阳621000

【正文语种】中 文

【中图分类】TN06

智能缝纫机主要包括花样机、平头锁眼机、套结机、圆头锁眼机、模板机等机型，国内研发及生产主要企业有58所、大豪、斯迈迪、鲍麦克斯、星火等，国际上主要有日本三菱、兄弟、重机等。日本三菱、兄弟、重机等国外品牌只销售整机，在技术积累、产品稳定性、品牌等方面有较大优势，功能齐全，结构框架稳定，是高端用户的首选。国内产品主要是以仿制国外的产品为主，缺乏自主创新能力；对于一些急需突破的缝纫机关键技术，均是借鉴国外现有技术，没有形成自己的核心技术，智能化程度较高的智能化缝制设备都依赖进口［1～3］。

控制系统为开放式、模块化的软硬件结构，采用上位机+下位机结构，上位机为人机界面，采用液晶触摸屏或数码管按键屏；下位机包括电源板、运动控制板、主轴驱动器、进给轴驱动器等；I/O接口板在控制箱外部单独配置。

其核心是基于ARM、SOC硬件架构和以WINCE为软件平台。SOC芯片作为控制处理器，主要完成各种运动控制算法和各种运动控制接口、系统开关量以及系统内部各种逻辑控制；ARM芯片通过RS232协调、调度SOC工作，共同构建智能化缝制设备控制系统的核心单元。控制系统原理框图如图1所示。

基于ARM+CPLD的选针器控制系统设计

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基于ARM+CPLD的选针器控制系统设计

乔辉;张团善;胥光申;高术森;刁先举;刘凯

【摘 要】针对针织机械中选针器控制装置提花效率低、实时性差和维修成本高等问题,以提花小圆机为研究对象,通过分析压电式选针器的工作原理,采用ARM+CPLD的二级控制结构,完成选针器控制系统硬件电路设计及软件设计.选针器控制系统中主控制器ARM通过CAN总线与上位机进行通信,ARM通过自定义的ISA总线将选针数据发送到辅助控制器CPLD进行逻辑运算,输出选针数据到光耦驱动电路,从而驱动选针器每级选针刀片稳定动作,并将控制系统应用到提花小圆机的选针装置上.结果表明,所设计的选针器控制系统稳定,可以使织针高效、稳定地进行提花动作.%Dut to the problems of low efficiency,poor real-time

performance and high mainte-nance cost of the needle selection control

device in knitting machinery,taking j acquard small circular machine as the

research obj ect,the working principle of piezoelectric needle selector is

analyzed,and the needle control system hardware circuit and software

design is completed by adopting the secondary control of ARM+CPLD

structure.In the selector system,the main controller ARM communicates

with the host computer through the CAN bus the needle selec-tion data is