数控弯管机控制系统的研制
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摘 要
管材的弯曲加工，在汽车、石油化工、管道工程、航空航天等工业部门占有
十分重要的地位。数控弯管机广泛应用在管件成型工艺中，是汽车、家电、轻工、
航天等行业重要的加工装备。嵌入式系统已经广泛的应用于科学研究、工程设计、
军事技术、工商业及人们的日常生活，基于 ARM 的各类产品层出不穷。本文研制
的弯管机，在分析了弯管机控制要求和工作原理的基础上，研制出了基于嵌入式
Linux 操作系统的 ARM9 触摸屏控制软件系统，为弯管机提供了良好的人机交互界
面。
本文概述了国内外数控弯管机的发展现状和发展趋势、嵌入式以及 Linux 技术
的发展现状；介绍了数控弯管机结构组成、绕弯工作原理和控制要求，设计出弯
管机控制系统的软硬件系统的整体架构；实现了硬件系统的具体方案，包括时钟
电路、电源电路、复位电路、触摸屏、LCD 显示屏、串口 RS232，NAND Flash 和
外存储器等各部分硬件接口设计；重点介绍软件系统的实现，详细介绍了嵌入式
Linux 操作系统的构建，包括交叉编译工具链的构建、Bootloader 的移植和烧写、
嵌入式 Linux 内核的配置和裁减、根文件系统的构建；完整的实现了将嵌入式 GUI
解决方案--QtopiaCore4 移植到该系统的过程；最终完成了数控弯管机应用控制软
件系统的程序编写与运行调试。
关键词： 弯管机 嵌入式 Linux ARM 人机界面
系统移植 控制系统
ABSTRACT
Pipe bending plays a very important position in the automotive, petrochemical,
pipeline, aerospace and other industrial sectors. The extensive application of The
Numerical Control Bend Pipe machine is the import machining equip,such as
automobile,appliance, light industry,aerospace and hot motive an so on. Embedded
system has a broad application in the field of science research, engineering design,
military technology, industry and commerce, as well as people's everyday life.
Represented with ARM, advanced-performance micro processor is pushing forwards the
embedded system to the era 32-bits processor. A variety of ARM products are seen here
and there.Analysis of control requirements and working principle of the bending
machine.This dissertation developed a touch-screen controlling software system which
bases on ARM9 & embedded Linux operating system. This dissertation worked out a
friendly interactive interface.
This paper outlines CNC bending machine at home and abroad present situation
and development, trend of embedded Linux development status and so on. This paper
describes the design and implementation of industrial touchscreen based on embedded
linux in two ways of software and hardware. The whole architecture realization of
software and hardware is presented at first.And then hardware system scheme is
realized, including hardware interface about clock circuit,power circuit,reset
circuit,touchpad,LCD,RS232, NAND Flash and storage. After that the software
realization is focused on, which describes detailedly the setup of embedded linux
system about cross compile tool-chain, bootloader, kernel, root file system.And the new
GUI solution--QtopiaCore4 translated to this system. At last, completed the
programming and operating and debugging of the application control software for the
Bend Pipe.
Key Words : Pipe Bending, Embedded Linux, ARM，HMI,
OS Porting，Control System
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论.....................................................................................................................1
§1.1 引言...................................................................................................................1
§1.2 国内外数控弯管机发展概况...........................................................................1
§1.3 嵌入式技术的研究现状...................................................................................2
§1.4 Linux 技术及其研究现状 ................................................................................. 3
§1.5 课题目标和主要研究内容...............................................................................4
§1.6 本章小结...........................................................................................................4
第二章 数控系统总体设计.............................................................................................5
§2.1 数控弯管机结构组成及绕弯工作原理...........................................................5
§2.1.1 数控弯管机结构组成.............................................................................5
§2.1.2 绕弯工作原理.........................................................................................6
§2.2 数控弯管机的控制要求...................................................................................7
§2.3 硬件系统方案设计...........................................................................................7
§2.3.1 微处理器选型.........................................................................................7
§2.3.2 S3C2440 片上资源 ..................................................................................8
§2.3.3 硬件系统组成.......................................................................................10
§2.4 软件系统方案设计.........................................................................................10
§2.4.1 软件系统设计方法...............................................................................10
§2.4.2 软件系统开发流程...............................................................................11
§2.5 本章小结.........................................................................................................................12
第三章 硬件系统设计...................................................................................................13
§3.1 核心电路设计.................................................................................................13
§3.1.1 时钟晶振电路.......................................................................................13
§3.1.2 复位电路...............................................................................................13
§3.1.3 电源电路...............................................................................................14
§3.2 LCD 显示接口设计 .........................................................................................16
§3.3 NAND Flash 接口设计 ................................................................................... 18
§3.4 外存储器接口设计.........................................................................................19
§3.5 RS232 串口接口设计 ......................................................................................20
§3.6 输入输出 I/O 接口电路................................................................................. 21
§3.7 电机的选型.....................................................................................................21
§3.8 本章小结.........................................................................................................................22
第四章 构建嵌入式 Linux 系统 ................................................................................... 23
§4.1 嵌入式 Linux 系统的结构 ............................................................................. 23
§4.2 Bootloader 引导加载程序 ...............................................................................24
§4.2.1 Bootloader 的概念 .................................................................................24
§4.2.2 U-Boot 简介 ...........................................................................................25
§4.2.3 U-Boot 常用命令 ...................................................................................26
§4.2.4 U-Boot 移植 ...........................................................................................27
§4.3 Linux 内核移植 ............................................................................................... 28
§4.3.1 内核版本及其结构特点.......................................................................29
§4.3.2 内核的配置及交叉编译.......................................................................29
§4.3.3 内核镜像烧录.......................................................................................31
§4.4 建立 Linux 根文件系统 ................................................................................. 32
§4.4.1 根文件系统的概述...............................................................................32
§4.4.2 根文件系统的构建...............................................................................32
§4.5 应用程序.........................................................................................................34
§4.6 本章小结.........................................................................................................35
第五章 开发工具及交叉编译环境...............................................................................36
§5.1 GUI 开发工具的选择 ..................................................................................... 36
§5.2 交叉开发环境的建立.....................................................................................37
§5.3 解压及编译触摸屏软件.................................................................................40
§5.4 编译及安装 ARM 版本的 QT ....................................................................... 40
§5.5 移植 QT 到mini2440 上................................................................................ 41
§5.6 应用程序运行方式.........................................................................................42
§5.7 本章小结.........................................................................................................44
第六章 弯管机的人机界面开发...................................................................................46
§6.1 人机界面开发.................................................................................................46
§6.2 控制系统功能模块分析.................................................................................47
§6.2.1 总体模块框架.......................................................................................47
§6.2.2 参数设定模块.......................................................................................48
§6.2.3 自动运行设定模块...............................................................................49
§6.2.4 模式设定模块.......................................................................................50
§6.2.5 手动运行模块.......................................................................................50
§6.3 软件流程及界面设计......................................................................................50
§6.4 本章小结.........................................................................................................53
第七章 总结与展望.......................................................................................................54
§7.1 总结.................................................................................................................54
§7.2 展望.................................................................................................................54
参考文献.........................................................................................................................56
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果.............................................59
致 谢...............................................................................................................................60
第一章 绪论
1
第一章 绪论
§1.1 引言
弯曲属于冲压工艺中的一种成形工序，其中冷冲压是一种先进的金属加工方
法，它建立在金属塑性变形基础上，利用冲压设备和模具对板料加工，以获得需
要的零件尺寸和形状[1]。弯曲成形就是将金属材料弯成一定角度、曲率和形状。弯
曲成形在冲压生产中占有十分重要的地位。弯曲可在压力机上使用弯曲模压弯，
也可在弯板机、弯管机、滚弯机和拉弯机上进行。弯曲材料有板料、棒料、管材
和型材[2]。
管材的弯曲加工，在汽车、石油化工、管道工程、航空航天等工业部门占有
十分重要的地位。用管材制造的弯曲零件，无论是平面弯曲件，还是空间弯曲件，
除大量应用于气体、液体的输送管路外，在金属结构中的应用也十分广泛[3]。弯管
质量的好坏，将直接影响到这些行业产品的结构合理性、安全性和可靠性。
§1.2 国内外数控弯管机发展概况
数控机床水平和装备的数控化程度是一个国家综合国力的集中体现，装备的
数控化是振兴我国制造业的重要基础。数控机床按其功能类型大致分为金属切削
加工类机床(如车、铣、镗、磨、加工中心、切齿设备等)、金属成形类机床(如冲
床、弯管、折弯、剪边等)和特种加工类机床(如激光加工类机床、电加工类机床
等) [4]。金属成形类机床的数控化起步相对较晚，发展迅速。其中数控弯管机广泛
应用在汽车、家电等行业，是汽车行业重要的加工装备，各种类型的数控弯管机
工艺对象和工艺过程不同，单个品种数量不多，其核心数控系统尚未形成完整的
系列产品，品牌比较杂而少。
在国内，塑性成形设备的特点是小批量多品种，其数控系统除了有跟一般金
切机床相同的共性外，还有自己的独有的特性(如成形工艺的复杂性、控制对象的
多样性、生产过程的非线性等)。由于国外塑性成形设备的数控系统一般采用专用
结构，给系统的维护和升级带来很大困难，且成本昂贵。数控弯管机作为塑性成
形设备之一，其应用广泛。但是，目前在国内主要弯管机生产厂家：长治锻压机
床厂、江阴机械厂、上海常青机械厂、上海嘉定弯管机厂、中山市科力高自动仪
设备有限公司、上海颁新弯管设备有限公司等，大多为液压半自动弯管机，数控
弯管机品种批量较少，很多产品数控系统均是在工业PC基础上自主开发或者主要
是国外非主流品牌数控系统，针对性强、通用性差。国外弯管机主要生产厂家：
英国ADDISON公司、意大利BLM集团、日本大洋株式会社、瑞典HERBER公司和
数控弯管机控制系统的研制
2
美国伊顿公司等，主要生产数控弯管机，且数控系统均是自己公司开发配套产品。
国外产品(相当STAR一03W弯管机)均在200万以上，国内产品约在80--120万元之
间。
§1.3 嵌入式技术的研究现状
随着后 PC 时代的到来以及 3G 技术的迅猛发展，嵌入式系统已渗入到信息家
电、消费电子、医疗仪器、工业控制、航空航天等社会生产和生活的各个领域。
手机、PDA、机顶盒、电冰箱、空调、汽车、航天飞机等等，都是嵌入式系统应
用的典型代表，可以说，嵌入式系统的发展与普及是计算机时代的一次新的革命，
为全球的信息化注入了新的活力，为人们的工作与生活带来了更多的便利和乐趣。
嵌入式系统[5]是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软件硬件可裁剪，
适应于对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。它是
先进的计算机技术、半导体技术、电子技术和各个行业的具体应用相结合后的产
物，这一点就决定了他必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的
知识集成系统。嵌入式系统的主要特点如下：
(1)嵌入式系统面向用户、面向产品、面向应用，是与应用紧密结合的，具有
极强的专用型，必须结合实际系统需求进行合理的裁减利用。嵌入式系统和具体
应用有机结合，嵌入式产品一旦进入市场，具有较长的生命周期；
(2)其处理器各方面均受到应用要求的制约，系统内核小、功耗低、实时性好；
(3)系统软硬件度结合度高；
(4)具有多种通讯接口；
(5)嵌入式处理器的发展也体现出稳定性。
嵌入式系统主要由硬件系统和软件系统两部分组成，这两部分面向应用、协
同工作，实现特定的功能。
嵌入式系统的硬件部分决定了嵌入式系统的先天功能，比如运算速度和扩展
功能等。一个好的嵌入式系统都需要一个完整的硬件规划作为其实现系统功能的
条件，不同的应用有不同的硬件环境，硬件平台的多样性是嵌入式系统的一个主
要特点。而嵌入式系统的软件部分就像是嵌入式系统的灵魂，决定了所有硬件的
操作模式，通过优异的操作系统以及应用程序，可以将已有的硬件装置的功能发
挥到极致[6]。
嵌入式处理器[7]作为嵌入式系统的硬件核心具有极大的影响力，从 CISC 到
RISC 结构，从 8位发展为 32 位乃至 64 位，从单纯的中央处理器到目前流行的整
合型处理器，嵌入式处理器的性能越来越高，接口资源和功能模块越来越丰富，
摘要：
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摘要管材的弯曲加工，在汽车、石油化工、管道工程、航空航天等工业部门占有十分重要的地位。数控弯管机广泛应用在管件成型工艺中，是汽车、家电、轻工、航天等行业重要的加工装备。嵌入式系统已经广泛的应用于科学研究、工程设计、军事技术、工商业及人们的日常生活，基于ARM的各类产品层出不穷。本文研制的弯管机，在分析了弯管机控制要求和工作原理的基础上，研制出了基于嵌入式Linux操作系统的ARM9触摸屏控制软件系统，为弯管机提供了良好的人机交互界面。本文概述了国内外数控弯管机的发展现状和发展趋势、嵌入式以及Linux技术的发展现状；介绍了数控弯管机结构组成、绕弯工作原理和控制要求，设计出弯管机控制系统的软硬件...
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