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                        雕刻機控制系統開發設計

                        添加時間:2019/01/21 來源:哈爾濱理工大學 作者:任福
                        國內的雕刻機控制器主要有三類:第一類主要以 8 位單片機為內核設計的控制器[12],8 位單片機為內核的雕刻機具有價格低廉、設計簡單且能夠達到一般的設計要求等優點;但也避免不了存在精度低、儲存小、人機交互不理想等缺點。
                        以下為本篇論文正文:

                        摘 要

                          隨著科學技術的日益進步,數字控制技術和電子信息技術得到了飛速發展,帶動數控雕刻技術在木工、徽章、標牌、模具等加工領域中廣泛應用。但目前國產數控雕刻機在精度、性能、成本等方面還有很大的提升空間,為了提高國產雕刻機的性價比和市場競爭力,研制加工速度快、精度高、成本低的數控系統顯得尤為重要。

                          本文在分析國內外數控雕刻機發展現狀和研發技術的基礎上,設計以ARM9+FPGA 為核心控制器,結合嵌入式系統來設計雕刻機控制系統。ARM9作為主處理器,負責軌跡插補、速度控制以及運行 Windows CE 操作系統;FPGA作為輔處理器,負責發送驅動脈沖,控制步進電機控制器運動。整個系統工作時操作簡便,可以一體化地實現從原始數據讀取到最后驅動脈沖的發送,從而擺脫對工控 PC 機的依賴。

                          在軌跡控制方面采用改進的數字積分插補算法(DDA),降低微處理器插補時的運算量,提高插補效率。在速度控制方面,結合步進電機頻率-轉矩的特性,采用多條離散微線段擬合指數型曲線的方法實現執行機構的加減速控制;另外輔以“大 S”集合算法完成軌跡預處理,解決電機因頻繁啟停出現的失步問題。

                          仿真試驗進一步驗證基于ARM+FPGA雕刻機控制系統方案設計的可靠性和可行性,具有很好的參考和應用價值。

                          關鍵詞:數控雕刻機;ARM和FPGA;加減速控制算法;插補算法;

                        Abstract

                          With the progress of science and technology, digital control technology and electronic information technology have been developing rapidly, driving CNC engraving technology in woodworking, badge, sign, mold and other fields of processing. However, there is still much room for improvement in the accuracy, performance and cost of the CNC engraving machine. In order to improve the price performance and market competitiveness of the home-made engraving machine, it is particularly important to develop CNC system with high speed, high accuracy and low cost.

                          Based on the analysis of the current situation of the development of research and technology at home and abroad CNC engraving machine, using ARM9+FPGA as the core controller, combined with the embedded system to design the engraving machine control system scheme; the ARM9 as the main processor, is responsible for the interpolation, speed control and running the Windows CE operating system; FPGA as a co processor, is responsible for sending the drive pulse control, stepper motor controller motion. The whole system is easy to operate, and can be integrated to read from the raw data to the last drive pulse, so as to get rid of the dependence on the industrial control PC.

                          In the aspect of trajectory control, the improved digital integral interpolation algorithm (DDA) is used to reduce the computational complexity of microprocessor interpolation and improve the interpolation efficiency. In speed control, combined with the characteristics of stepper motor torque frequency, speed control by using the method of multiple discrete micro segment fitting exponential curve to achieve the actuator; also with "s" set algorithm to complete the trajectory pretreatment, solve the problems due to frequent start and stop the motor is out of step.

                          The simulation test further verified the reliability and feasibility of the design of the control system based on ARM+FPGA engraving machine proposed in this paper, which has a good reference and application value.

                          Keywords CNC engraving machine, ARM and FPGA, Acceleration and deceleration control algorithm, Interpolation algorithm

                          數控雕刻機是典型數字控制的機電一體化產品[1]。隨著市場需求不斷擴大和模具工業的迅速發展,數控雕刻機在徽章、標牌、生活用品、模具制作、旅游紀念品等行業中應用廣泛[2]。但目前市面上出現的雕刻機,不僅價格非常昂貴,普通的雕刻機都是數萬元以上,令一些中小用戶望而卻步;而且雕刻精度和速度也不滿足要求。近年來,模具、裝飾品及家具等行業在雕刻方面的需求不斷擴大,許多中小雕刻機用戶都迫切需要一個成本低、雕刻品質好、操作人性化、維護方便的雕刻機應用方案。20 世紀 90 年代以來,微電子技術的快速發展推動微型計算機在日常生活中的快速普及,也促使雕刻機技術有了質的飛躍[3]。應用微型計算機可以設計出功能全面、性能穩定、價格低廉、靈活精準的雕刻機系統。

                          隨著雕刻機行業的發展,必然導致市場的競爭日益激烈。然而成本是產品立足的根本,應用嵌入式技術在低成本方面具有很大優勢[4]。這種優勢主要體現在嵌入式微處理器的發展使得硬件成本大大降低,但是硬件成本的可壓縮空間已經比較小了,而軟件成本的壓縮空間還比較大。嵌入式系統完成簡單的功能是不需要操作系統的,但是隨著后PC時代的到來,嵌入式系統功能越來越復雜,需要控制和監視許多外圍設備和任務,以及多任務間的調度和通信,利用嵌入式操作將是不可避免的趨勢。盡管從八十年代末以來,相繼出現了一些比較著名的嵌入式操作系統,如pSOS、VxWorks等。在商業化領域專用嵌入式操作系統的價格讓許多中小型企業望而生畏;而且專業操作系統對源代碼的封閉也限制了開發者的積極性。對于企業來說,如果利用商業嵌入式操作系統,不僅需要花費昂貴的購買費用,而且每生產一件產品還需要交納一份版權費。

                          Windows CE操作系統在短短的十幾年時光中已然發展成為一個具有功能強大設計完善的操作系統[5];可運行在NEC、X86、ARM、MIPS等多種硬件平臺。憑借著穩定的性能及如Windows一致的開發特性得到了眾多開發者的認可,在商業應用中越來越普及,已成功應用于商業數字電視、工業控制等智能信息產品中[6]。Windows CE的開發和研究目前已經成為嵌入式操作系統領域的一個熱點。工業領域企業和研發機構在Windows CE操作系統的開發和研究上投入了大量的精力,在一些新興的領域內獲得了飛速發展[7]。同時,市場上各類高性能的32 位嵌入式微處理器也層出不窮,憑借處理器杰出的設備支持和強大的功能受到了廣泛的重視。

                          世界上第一臺雕刻機是 1938 年在法國“嘉寶”生產問世,而真正意義上支持電動、可縮放比例的雕刻機誕生于 1950 年[8]。目前雕刻機行業中的領導者大多為國外的品牌,如法國“嘉寶”、美國“雕霸”和日本“御牧”等;雖然國外雕刻機的品質好、精度高,但是銷售價格十分的昂貴,并且售后服務和使用操作也不友好,不適用于中小企業使用。隨著雕刻機的快速發展,國內的雕刻機廠家如北京的“精雕”、上海的“啄木鳥”、南京的“威客”和山東的“寶典”等品牌也陸續的開發具有獨立知識產權的雕刻機[9],在國內占據了一定的市場份額,但是這些品牌的雕刻機在精度和價格方面也不是中小型企業所期望的。所以雕刻機在成本、精度、技術等方面的發展前景和提升空間依舊非常樂觀。

                          目前市場上出現的雕刻機一般都可加工二維平面圖形和三維浮雕等模具。常見的加工流程是將要加工的圖案經過專業 CAD/CAM 軟件生成雕刻路徑數據,即將圖形輪廓離散化成多條微線段[10];然后經過插補算法對微線段進行插補。雕刻機控制系統常用的插補算法主要有逐點比較法和數字積分法兩大類。為了保證加工速度和精度,還需要進行加減速控制。而國內步進電機速度控制方法一般分為梯形升降速控制方法、S 型升降速控制法和指數型升降速控制法三類[11]。

                          國內的雕刻機控制器主要有三類:第一類主要以 8 位單片機為內核設計的控制器[12],8 位單片機為內核的雕刻機具有價格低廉、設計簡單且能夠達到一般的設計要求等優點;但也避免不了存在精度低、儲存小、人機交互不理想等缺點。同時獨立工作的能力較弱,對操作人員要求較高。第二類是基于運動控制器+PC 機設計的控制器[13],這類雕刻機功能較強,且具備較好的實時性;但高成本問題不能避免,同時產品缺少柔性化,開發周期較長,不適合中小型用戶。第三類是基于 Windows 系統+PC 機設計的控制器[14],Windows 并不是實時性很好的操作系統,單獨靠系統提供的時間函數只能將進度控制在毫秒級,還不能達到企業高速高精度雕刻的要求。同時 PC 機成本較高,大批量生產時需要為每個雕刻機配備,不符合市場需求。

                          雕刻機控制系統演示:

                        系統參數設置圖
                        系統參數設置圖

                        加工文件選擇圖
                        加工文件選擇圖

                        手動操作編程移動圖
                        手動操作編程移動圖

                        ARM 向 FPGA 寫數據時序圖
                        ARM 向 FPGA 寫數據時序圖

                        讀寫 FIFO 時序圖
                        讀寫 FIFO 時序圖

                        發送脈沖時序圖
                        發送脈沖時序圖

                        分頻模塊仿真結果圖
                        分頻模塊仿真結果圖

                        目 錄

                          摘 要
                          Abstract
                          第 1 章 緒 論
                            1.1 課題研究背景及意義
                            1.2 數控雕刻機系統
                              1.2.1 數控雕刻機國內外發展現狀
                              1.2.2 數控雕刻機未來的發展趨勢
                            1.3 嵌入式系統在數控領域的應用
                            1.4 主要研究內容
                          第 2 章 控制系統的總體方案設計
                            2.1 設計需求
                            2.2 嵌入式系統概述
                              2.2.1 嵌入式技術發展歷程和特點
                              2.2.2 面向嵌入式系統開發的要點及基本流程
                            2.3 總體方案設計
                              2.3.1 結構類型與方案設計
                              2.3.2 嵌入式處理器選型
                              2.3.3 嵌入式系統選型
                              2.3.4 控制系統方案設計
                            2.4 本章小結
                          第 3 章 系統硬件設計及實現
                            3.1 控制系統硬件結構
                              3.1.1 電源電路
                              3.1.2 復位和時鐘電路
                              3.1.3 Flash 接口電路
                              3.1.4 儲存電路
                            3.2 人機界面電路
                              3.2.1 LCD 顯示電路
                              3.2.2 鍵盤電路
                            3.3 FPGA 電路
                              3.3.1 FPGA 接口電路
                              3.3.2 FPGA 配置電路
                              3.3.3 E2PROM 電路
                            3.4 系統接口電路
                              3.4.1 USB 接口電路
                              3.4.2 進給信號接口電路
                              3.4.3 開關量信號接口電路
                            3.5 本章小結
                          第 4 章 數控雕刻機控制方法
                            4.1 插補原理.
                              4.1.1 逐點比較法
                              4.1.2 數字積分法
                              4.1.3 數控雕刻機插補算法選擇與改進
                            4.2 加減速控制算法
                              4.2.1 梯形升降控制法
                              4.2.2 S 型升降速控制法
                              4.2.3 指數型升降速控制法
                              4.2.4 指數規律曲線的擬合
                              4.2.5 速度控制方法 MATLAB 仿真
                            4.3 速度控制中軌跡預處理
                              4.3.1 “大 S”集合的查找
                              4.3.2 “大 S”升降速計算
                            4.4 軌跡插補和加減速聯合控制
                            4.5 本章小結
                          第 5 章 控制系統軟件設計與實現
                            5.1 雕刻機控制系統軟件總體設計
                              5.1.1 雕刻機控制系統軟件開發環境
                              5.1.2 雕刻機控制系統軟件總體流程
                              5.1.3 雕刻機控制系統軟件功能模塊設計
                            5.2 G 代碼文件加工模塊
                              5.2.1 U 盤數據讀取程序設計
                              5.2.2 G 代碼文件加工程序設計
                            5.3 人機交互模塊
                              5.3.1 鍵盤接口程序設計
                              5.3.2 界面顯示模塊
                            5.4 數據處理單元模塊
                            5.5 FPGA 進給電機控制器設計
                              5.5.1 FPGA 接口模塊
                              5.5.2 分頻器模塊設計與仿真
                              5.5.3 方向設定模塊設計及仿真
                              5.5.4 相位編碼模塊設計及仿真
                              5.5.5 進給電機控制器仿真
                            5.6 本章小結
                          結論
                          參考文獻
                          攻讀學位期間發表的學術成果
                          致 謝

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