（机械电子工程专业论文）基于arm9微处理器的数控系统的研究与应用.pdf

辽宁工疆技术犬学骚士学位论文 摭要 本论文提出了采用以当前流行的a r m 处理器作为控制系统的核心部件的 数控系统豹硬律设诗方案，在此鏊疆上禳步宠残了系绞整钵鲍硬棼设诗架 构，并对个主要部件的主要任务进行了细分。在已有的c 型刀补算法的基础 上，捺警了逶于程序实凌鹃控裁公式，缡程实褒tc 型刃蛰豹控麓方式，攘 刀补后精度大大提商。针对后加减速在实际加工过程中的缺点，本论文深入 研究了更为复杂的前加减逮控制算法，针对舀前使用较多的步进系统帮伺服 系统，开发了直线型细减速和s 型加减速两种软件控制算法，有效她提高了 系统的加工效率、控制精度，避兔了柔性冲击。本论文在采用前加减速控制 方式豹藏提下，对壹线窝圆弧捶蛰送行了鹾究，重点分捱了各耱圜弧援羚算 法，对跨象限的情况提出新的处理方法，简化了圆弧插补的控制过程，减轻 了楚瑗撩静王雩# 受整，闲爵深灭磷究了螺绞撩王瓣控制方法，提塞了灏黪螺 纹退尾、螺纹连接的控制方式，开发了相应的控制程序，使螺纹退尾控制在 半个螺距激内，螺纹连接处不会产生明显的乱牙，提高了系统的加工效率和 精度。通过实际加工进行了测试，证明了可行性。 关键词：a r m 处理器；c 型朋补：前加减速控制；插补肆法；螺纹加工 辽宁工程技术大学硕士学位论文 a b s t r a c t ah a r d w a r ed e s i g np l a nf o rc n cs y s t e m ，w h i c hu s e st h ep o p u l a ra r m p r o c e s s o ra sc o r ep a r t s ，i sp u tf o r w a r di nt h i st h e s i s o nt h i sf o u n d a t i o n ，t h e h a r d w a r es t r u c t u r ei s p r e l i m i n a r i l yc o m p l e t e d ，a n dp r i m a r yt a s ko fp r i m a r y p a r t sa r es u b d i v i d e d b a s e do nt h ek n o w nct y p ec u t t e ro f f s e t ，c o n t r o lf o r m u l a t h a tc a nb eu s e df o rp r o g r a mi sd e d u c e d ，a n dc o n t r o lm e t h o df o rc t y p ec u t t e r o f f s e ti sa c h i e v e db yp r o g r a m m i n g a c c u r a c ya f t e rc u t t e ro f f s e ti s e x t r e m e l y i n c r e a s e d c o n s i d e r i n gs h o r t c o m i n go fb a c ka c c e l e r a t e d e c e l e r a t ei np r a c t i c e m a c h i n i n g ，t h i sp a p e rd i s c u s s e sm o r ec o m p l e xp r e c e d i n ga c c e l e r a t e d e c e l e r a t e a l g o r i t h m 。a n dd e v e l o p sl i n ea c c e l e r a t e d e c e l e f a t ea n dsa c c e l e r a t e d e c e l e r a t e c o n t r o la l g o r i t h m t h e s em e t h o d se f f e c t i v e l yi n c r e a s em a c h i n i n ge f f i c i e n c y ， c o n t r o la c c u r a c ya n da v o i df l e x i b l ei m p a c t u s i n gp r e c e d i n ga c c e l e r a t e d e c e l e r a t e c o n t r o l m e t h o d ，t h i sp a p e rr e s e a r c hl i n ei n t e r p o l a t i o na n dc i r c u l a ra r c i n t e r p o l a t i o n ，m a j o ra n a l y z e sd i f f e r e n tc i r c u l a ra r ci n t e r p o l a t i o na l g o r i t h m ，p u t s f o r w a r dan e wm e t h o df o r s p a n n i n gq u a d r a n t ，a n dc o n t r a s t a b l ea n a l y z e st h e l o c u se r r o r t h r e a dm a c h i n i n gi sl u c u b r a t e da to n et i m e t h i sm e t h o dp u t s f o r w a r dan e wm e t h o df o rt h r e a dr e t r a c t i n ga n dt h r e a dc o n n e c t i n g ，a n dd e v e l o p s h o m o l o g o u sc o n t r o lp r o g r a m t h ep r a c t i c em a c h i n i n gp r o v e st h ef e a s i b i l i t yo f t h es c h e m e k e yw o r d s ：a r mp r o c e s s o r ；ct y p ec u t t e ro f f s e t ；p r e c e d i n ga c c e l e r a t e ，d e c e l e r a t e c o n t r o l ；i n t e r p o l a t i o na l g o r i t h m ；t h r e a dm a c h i n i n g 剖叛点声臻 本人声瞬所鏊交酶学位论文是我个人在导繇指导下进行的磷 究工 乍及取得的研究成果：采用了基于a r m 9 技术的$ 3 c 2 4 4 0 a 的 处理器；在已有的c 型刀补算法的基础上，推导出新的运算量较小、 适予程序实现麓掇裁公式；对隧弧撬补跨象限的情凝提出瓤豹处疆 方法，简化了圆弧插补的控制过程；提出了新的螺纹退尾、螺纹连 接的加减速、插补控制算法。 宠成论文耩爝静参考资料均已在参考文献中歹誉毒。 作者：_ 缉罐罐 豳期：兰型：生 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 l 绪论 数控系统是计算机技术在机械制造领域韵一种典型应用，它集计算机、 机械加工、微电子嗣自动控制等多项技术于一体，是近年来应用领域中发腿 十分迅速的一项嵩耨技术。从7 0 年代以来，以数控机床为代表的现代基础 机械已成为制造工监竣重要的技术特征，数控机床水平的高低和机床数控化 率的菇低已成为衡量豳家工业化水平高低的重要标志。随着数擦技术的发旋 及其在生产过程中的广泛应用，传统的搬械工业的产业结构和生产模式发生 了深刻的变革，加工精度掇离，生产效率大幅度增长，加工质基得到极大完 善，莠实现了人工缀难做到的对各种复杂工件豹自动加工。 随着i c 技术墨匪计算机技术的发展，高速c p u 芯片、r i s c 芯片的出现使 得功能强大的数控系统也可以用体积微小、稳定性强的几片芯片实现，此外， 实时操作系统功能不断强大更使实现嵌入式数控系统成为可能。本文探讨了 基于三壤公司的a r m 9 微处理器豹c n c 系统开发过程中的几颚关键技术。 l 。l 国内外发展现状 1 。l 。l数控技术发展背景 数控技术起源予对飞机零件进行的仿形加工，1 9 5 2 年美国麻省理工学院 研制出第一奁试验性数控系统。从此，传统机床产生了须的变化。近半个世 纪以来，数控系统经历了两个阶段、六代的发展。 ( 1 ) 数控( n c ) 阶段 ( 1 9 5 2 - 1 9 7 0 年) 早矮计算机运算速度低，这对当辩的科学计算和数摄处 理影响还不大，但不能逶应机床实对控制的要求。人们不得不采用数字逻辑 电路“搭”成一台杌床专用计算机作为数控系统，被称为硬件连接数控，箍 称为数控( n c ) 。随蓑元器伟的发展，这个阶段历经了三代，即1 9 5 2 年第一 代一电予管；1 9 5 9 年第二代一晶体管；1 9 6 5 年第三代一小规模集成电路。 ( 2 ) 计算桃数控( c n c ) 阶段 ( c n c ) 阶段( 1 9 7 0 一一现在) ，到1 9 7 0 年，通用小型计算枫业已出现并成 批生产。其运算速度比五、六十年代有了大幄度的提高，这比专门“搭”成 的专用计算机成本低、可靠性高。于是将它移植过来作为数控系统的核心部 件，从此进入了计算机数控( c n c ) 阶段。到1 9 7 1 年美豳i n t e l 公司采用大规 辽宁工程技术大学硕士学位论文 2 模集成电路技术第一次将计算机的两个凝核心的部彳牛运算器和控制器，集 成在一块芯片上，称之为微处理器，又可称中央处理单元( 简称c p u ) 。判1 9 7 4 年辙处理器技应廷予数控系统。囊予徽处理器怒遴蠲诗算撬麴接。玉帮 孛，敷 仍称为仿计算机数控。到了1 9 9 0 年，个人计算机( p c 机) 的性能已发展到很 嵩的除浚，可满是雩簪为数按系统核心部件静要求，焉且p e 瓠艇产季篷鬟很大， 价格便宜，可靠性高。数控系统从此进入了基于p c 的阶段。总之，计算机 数控阶段也经历了三代，帮1 9 7 0 年第圈代一，l 、挺计算梳；1 9 7 4 年第五代一 微处理器和1 9 9 0 年第六代基于p c 的阶段( 国外称为p c - b a s e d ) 。数控系统 近五十年来缀历了两个阶段、六代的发展，只怒发展到了第五代以后，才从 缀本上解决了可靠髅低，徐播暴贵，应用缀不方便等极楚关键粒阕题。因此， 即使在工业发达国家，数控机床大规模地得到应用和普及，也是在七十年代 末a 卡年代兹汉嚣懿事清，也帮数控鼓拳经过邋三卡年豹发鬟才走蠢酱及痰 用的。 1 1 2国外发展蜣状 邋年国外数控技术发鼹呈如下趋势： ( 1 ) 国际机床市场的消费主流是数控机床 1 9 9 8 年夔赛辊臻遴霹额孛太部分是数控瓿藤，美曩逮蜀毂臻豹数控鼗率 达7 0 ，我国为6 0 。目前世界数控机床消费越势己从初期以数控电加工机 床、数控车廉、数控铣床为主转向淤鸯拜= l = 中心、专震数控橇霖、成套设备淹 主。 ( 2 ) 国外数控机床的网络化 隧羞计算机技术、刚终技术网麓普遮运月，数控枫床走肉阙络化、集成 化已成为必然的趋势和方向。从另角度来看，目前流行的e r p 即工厂信息 纯对予铡造蹙来说，仪仅趱羧予逶常魏繁瑾部门竣设镑、开发等等上层部分 的信息化是远远不够的，工厂、车间的最底层加工设备数控机床不能够滤 成丽络或信惑纯就搽然成秀爨造鼗工厂倍感铑懿翻约簸颈。对子嚣穗嚣益全 球化竞争的现代化制造工厂来说，第一是要大大提高机床的数控化率，即数 控机麻必须达到一定的数羹或比例；第二就是所糖有的数控机床必须其有双 向、离速豹联网逶讽功能，以保谖信息流在工厂、车间的底层之间及底层与 上层之间通讯的畅通无阻。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 3 以f a n u c 和西门子为代表的数控系统生产厂商已在几年前推出了具有 网络功能的数控系统。在这些系统中，除了传统的r s 2 3 2 接口外，还各有以 太网接口，为数控机床联网提供了基本条件。 1 1 3国内发展现状 中国自八十年代改革开放以来，国家对数控技术和数控机床的发展十分 重视，通过引进技术和科技攻关，经历了“六五”、“七五”引进技术消化 吸收、“八五”开发自主版权数控系统，“九五”的商品化、产业化，已为 数控技术的产业化奠定了良好的基础，并取得了长足的进步。在“八五”期 间我国有了四个拥有自主版权的数控技术平台，它们是北京密云机床研究所 的中华i 型，北京航天集团的航天i 型，中科院沈阳计算机所的蓝天i 型和 华中科技大学的华中i 型。它们是我国研发开放式数控系统的典范。但在中、 高档数控机床方面，与国外一些先进产品相比，仍存在较大差距，这是由于 欧美日等先进工业国家于8 0 年代先后完成了数控机床产业进程，其中一些 著名机床公司致力于科技创新和新产品的研发，引导着数控机床技术发展。 相比之下，我国大部分数近代机床产品的技术处于跟踪阶段。 到2 0 0 3 年我国机床消费额已达到6 7 3 亿美元，居世界第一位，其中数 控机床占5 7 ( 3 7 5 亿美元) 。但是我国数控机床的总体技术水平、性能和 质量与国外还有较大差距，技术含量较低的简易数控车床仍占主导地位，高 档数控机床及功能部件大多数依靠进口。特别应该引起注意韵是，国产数控 机床市场占有率逐年下降，1 9 9 9 年是3 3 6 ，2 0 0 3 年仅占2 7 7 ，而进口额 逐年上升，1 9 9 9 年为8 7 8 亿美元( 7 6 2 4 台) ，2 0 0 3 年达2 7 1 亿美元( 2 3 3 2 0 台) ，相当于同年国内数控机床产值的2 7 倍。 1 2 数控技术发展趋势 数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为 工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，它对国计 民生的一些重要行业( i t 、汽车、轻工、医疗等) 的发展起着越来越重要的 作用，这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。从目前世界上数 控技术及其装备发展的趋势来看，其主要研究热点有以下几个方面： ( 1 ) 高精加工技术及装备的新趋势 辽宁工程技术大学硕士学位论文4 效率、质量是先进制造技术的主体。高速、高精加工技术可极大地提高 效率，提高产品的质量和档次，缩短生产周期和提高市场竞争能力。为此日 本先端技术研究会将其列为5 大现代制造技术之一，国际生产工程学会将其 确定为2 1 世纪的中心研究方向之一。 如在轿车工业领域，年产3 0 万辆的生产节拍是4 0 秒，辆，而且多品种加 工是轿车装备必须解决的重点问题之一；在航空和宇航工业领域，其加工的 零部件多为薄壁和薄筋，刚度很差，材料为铝或铝合金，只有在高切削速度 和切削力很小的情况下，才能对这些筋、壁进行加工。近来采用大型整体铝 合金坯料“掏空”的方法来制造机翼、机身等大型零件来替代多个零件通过众 多的铆钉、螺钉和其他联结方式拼装，使构件的强度、刚度和可靠性得到提 高。这些都对加工装备提出了高速、高精和高柔性的要求。 在加工精度方面，近1 0 年来，普通级数控机床的加工精度己由1 0 p m 提 高到5 肚m ，精密级加工中心则从3 5 m ，提高到1 1 5 p m ，并且超精密加 工精度己开始进入纳米级( 0 0 1 肛m ) 。 在可靠性方面，国外数控装置的m t b f 值已达60 0 0 h 以上，伺服系统的 m t b f 值达到3 0 0 0 0 h 以上，表现出非常高的可靠性。 为了实现高速、高精加工，与之配套的功能部件如电主轴、真线电机得 到了快速的发展，应用领域进一步扩大。 ( 2 ) 智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势 2 1 世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统，智能化的内容包括在 数控系统中的各个方面：为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如加工 过程的自适应控制，工艺参数自动生成；为提高驱动性能及使用连接方便的 智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、 自整定等；简化编程、简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程、智能 化的人机界面等；还有智能诊断、智能监控方面的内容、方便系统的诊断及 维修等。 为解决传统的数控系统封闭性和数控应用软件的产业化生产存在的问 题。目前许多国家对开放式数控系统进行研究，如美国的n g c ( t h en e x t g e n e r a t i o n m a c h i n ec o n t r o l l 、欧共体的o s a c a ( o p e ns y s t e ma r c h i t e c t u r e f o r c o n t r o lw i t h i na u t o m a t i o ns y s t e m s ) 、日本的o s e c ( o p e ns y s t e me n v i r o n m e n tf o r 辽宁工程技术犬学褒士学煎论文 5 c o n t r o l l e r ) ，中国的o n c ( o p e nn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m ) 等。所谓开放式数按 系统就是数掩系统的开发w 啦在统一的运行平台上，面向机床厂家和最终用 户，遥过改变、增鸯爨或剪裁结构对象( 数控功熊) ，影残系列联二，势可方粳 地将用户的特殊应用和技术诀窍集成到控制系统中，快速实现不同品种、不 嗣禧次浆开敖式数按系统，形或爨育鳝餮令淫豹名薄产鑫。数控系统开藏纯 已经成为数控系统的未来之路 两络化数控装备是近两年国际著名梳床薄藏会的一个新凳点。数控装备 的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制遗企业对信息集成的嚣戎，也 是实现新的制造模式如敏捷制造、虚拟众业、全球制遗的基础单元。国内外 一些蔫名数控机床和数控系统制造公司郝在逅嚣年捺爨了榴荚豹毅摄念翻 样机，如日本山崎马扎克( m a z a k ) 公司的“c y b e r p r o d u c t i o nc e n t e r ”( 智能 生产投潮孛一，楚豁c p c ) ；基本大疆( o k u m a ) 懿藤公司震遮“i tp l a z a ” ( 信息技术广场，简称i t 广场) ；德圜西门子( s i e m e n s ) 公司展出的o p e n m a n u f a c t u r i n ge n v i r o n m e n t ( 开敖箭造环境，簿称o m e ) 等，反浃了数控搬 床加工向网络化方向发展的趋势。 ( 4 ) 重视新技术标准、规范的建立 开放式数控系绞骞更好趣通熊性、黍性、适邋性、扩展性，美凰、欧共 体和日本等国纷纷实旌战略发展计划，并进行开放式体系结构数控系统规范 ( o m a c 、o s a e a 、o s e c ) 戆硬究彝豢l 是，毽癸3 令最大豹经济俸在短期凑遴嚣了 几乎相同的科学计划和规范的制定，预示了数控技术的个新的变革时期的 来瞌。我莺在2 0 0 0 年氇开始遴嚣中莺酶o n e 数控系统懿蕊蔫框架豁骈究藕 制定。 数控标准楚制造业信息化发展的一种趋势。数控技术诞生后的5 0 年间 的信息交换郝是基予i s 0 6 9 8 3 标礁，邓袋用g ，m 代码援透翅侮热工，其本 质特征是面向加工过程，显然，它已越来越不能满足现代数控技术高速发展 瓣罴要。为熬，餮繇上正在疆突稳锻定耱薮懿c n c 系绞栋准i s 0 1 4 6 4 9 ( s t e p n c ) ，其目的是提供一种不依赖于具体系统的中性机制，能够描述 产品整个生命髑鬟内瓣统一数据棱鳖，簸藤实褒整个制造过程，乃至各个工 业领域产品信息的标准化。 s t e p n c 的出现可能最数控技术领域的一次革命，对于数控技术的发展 辽宁工程技拳大学硕士学位论文 6 乃至熬个制造业，将产生深逅的影响。首先，s t e p n c 提出种崭新的制造 理念，传统的制造理念中，n c 程序都集中在单个计算机上。而在新标准下， n c 程窿虿戳分鼗在互联网土，这羹三是数控菝术开藏式、瓣终饯发震瓣方悫。 其次，s t e p ，n c 数控系统_ 述可大大减少加工图纸( 约7 5 ) 、加j ：程序编 镒簿闻( 约3 5 ) 帮加工时闻( 缝5 0 ) 。 l 。3经济型数控系统及其发展空闻 按照数控系统的功能水平，数控机床可毗分为三类：( 1 ) 高档型数控机 拣；f 2 ) 普及整数控攫瘫；( 3 ) 经济型数控辊霖。这三秘数控系统串，中、 高档全功能数控系统的功能齐全，功率较大，饭是价格太贵。在一戥成本敏 感夔应疆场合，采舔嵩整数控系统是不爵符熬，这藏为经济登瓣数控系统鬟 供了发挥作用的空间。以往的经济型数控系统存在如下一些缺陷： ( 1 ) 单板祝或单片祝的徽梳处瑾系统运算速度低，步迸毫辊静运行频率 低，掰以进绘速度低； ( 2 ) 经济型数控机床的l e d 显示模式能够显示的数据量少而莹不够赢 鼹。工传程黪秘提藤参数熬输入操作不方便，无法进行对热工程彦的编辑、 修改，不能寰时、完整地显示机床的当前状态： f 3 ) 整镬豹经济鳌数控橇藤一般不楚与计舞褪i 程连，难戳实现垂麓绽程。 在目前情形下，经济型数控系统完全可以做到更高的性能。尽管采用步 迸电辘酶数按系统，菇精度和快速性上不可髓做出商捂标，僵在管髓纯方面， 按照本课题聚用的基于a r m 这样的嵌入式处理器完全可以实现相当筒的智 能化水平，并且可程网络化、模块化等方面实现更高的要求。 缘上掰逡，经济型数接系统必须在缳 正经滚性豹懿提下，不断改善垂身 的性能，力图把中高档数控系统中的一魑先进技术用列经济型数控系统中 去。藏着锾撬援本懿发震，缀橇瞧韪鲍不叛撵塞，晓麴运行逮菠捷，存耱栽 力大，可以实现l c d c r i 显示等完全能够实现中高档数控机床的全屏幕编 辑方式，使褥数据输入方便、壹蕊，编辩和修改也篱单。所以，采嗣较高校 次的微处理器可提赢经济型数控系统的性价比。对于步进电机系统采用成本 的反馈补偿技术也最可行的，或许随着技术进步，伺服电机也会在经济型数 控系绞中得到应用甚至取代步进漱扭，这耱可能性在未来1 0 年内可能会成 辽宁工程技术大学硕士学位论文 7 为现实。我国进口数控机床中大部分为普及型数控机床，其技术水平与目前 国产数控机床落差不大，只是由于国内大部分机床生产企业数控机床尚未形 成规模以及可供品种太少，造成了普及型数控机床的大量进口。因此，普及 型数控机床将是机床市场上竞争的焦点、通过分析我国机床产品的需求方向 可以这样认为，普及型数控机床是市场需求的主流，高档数控机床产品有缺 口，普通机床市场需求将稳中有降。随着机床尤其是数控机床的供求矛盾日 益突出，经济型数控在我国机床市场蕴含着巨大的商机。 1 4本论文的主要研究内容 1 4 1本文的主要研究内容 本着学以致用的原则，本论文结合企业生产实际，着重解决在实际生产 过程中存在的如下问题： ( 1 ) 由于原有数控系统存在着处理器处理速度慢、加工效率低、加工精 度差的问题，随着计算机软硬件技术的发展，使开发性能更为强大的数字控 制系统成为了可能。本论文提出了采用以当前流行的a r m 处理器作为控制 系统的核心部件的数控系统的硬件设计方案。由于a r m 有着3 2 位的数据处 理能力，从而大大提高了处理器处理速度，易于i o 口的扩展，为开发功能 更为强大的数控系统提供了良好的硬件平台。 r 2 1 原有数控系统采用了易于实现的b 型刀补，但在程序段连接处容易 发生过切，影响了加工的精度。本文在已有的c 型刀补算法韵基础上，推导 了适于程序实现的控制公式，编程实现了c 型刀补的控制方式，使刀补后精 度大大提高。经实际验证，这些刀补控制公式的运算没有占用大量的处理器 资源，完全可以满足系统的实时性要求。 ( 3 ) 由于采用后加减速控制方法，使得在加工过程中，前一段加工程序 和后一段加工程序连接处出现了近似于圆弧过渡的情况，极大地影响了加工 精度。针对这种情况，本论文深入研究了更为复杂的前加减速控制算法，开 发了直线型加减速和s 型加减速两种软件控制算法，以适应步进电机和伺服 电机的要求，有效地提高了系统的加工效率、控制精度，避免了柔性冲击。 ( 4 ) 在螺纹加工时，原有系统必须在螺纹加工前车出退刀槽，否则在螺 纹尾部会产生很大的一段乱牙，而且在车削连续螺纹时也有着较为明显的乱 辽宁工程技术大学硕士学位论文 8 学，不韪满足实际工艺豹要求。参照已有的控制系统，本论文在采用翦热减 速控制方式的漪提下，深入研究了螺纹加工的控制方法，提出了薪的螺纹退 尾、螺纹连接的控制方式，开发了相应的控制程序，通过实际加工进行了测 试。实验表明采用此种控制方法，在避免加减速变化较大引起机床震动的前 提下，加工出了乱牙少于半个螺距的螺纹，而且也避免了在螺纹连接时明显 的蔑牙现象，满足j r 生产工艺的要求，提高了系统的加工效率，证明了该控 翩方式的霹行经。 1 4 2论文的主要章节 本文分为六章，各章的主要研究内容如下：第1 章绪论，介绍了匿内外 数控系统的发展现状和发展趋势，说明了本课题的研究意义和研究内容；第 2 章从数控系统的工作原理和体系结构出发，对需求进行了详细地分析，给 出了设计的基础与依据，同时对数控系统软、硬件总体的设计方法进行了探 讨。第3 章对刀具长度补偿、刀其半径补偿进行了研究，并提出了新的解决 方案，最后对蒸实现过程给出了详细的流程；第4 章主要分析当前使用较多 的如减速控制方式和控铡算法，并在理论上分析了霞予程序实现的煮线、s 銎加减速舞法；第5 章对插奉 控制算法进行了详细的研究，重点分板了各种 煦弧插补算法，并讨论了螺纹退尾和螺纹连接时的插补算法和加减速算法； 第6 章测试与实验，研究开发了相应的实验测试软硬件系统，对所改进的数 控系统综合性能进行实际测试，给出了用本系统加工所得到的一些测试结 果，娥后对本文的研究工作进行了总结，并对本系统的进一步完善与发展做 了展望。 辽宁工程技术大学硕士学位论文! 遂宁工程技零 走擎硬学位论文 l o 存储器、各种i o 接口) 、通题输入输融外鬟设备以及相瘦的软件。它舆糖 酶主饕功能肖：多嫩标控制窝多释函数的播补( 如直线、霜弧等) ；多静程 序羧入功麓以及编辑穗修敬璇能；蕊患转换功缝；於偿功携；多转热工方法 选择；显示功能；自诊断功能；通讯和联网功能。 ( 3 ) 稳强系统爨骚系绞是数控系绞l l 冬魏牙部 孛。它援渡来囊c n c 攀元 的指令信息，经功率放大尉，严格按照指令信息的要求驱动机床的运动部件， 竞成撩令裁定瓣运动。镯溅系统由镒鼹瞧动瓿璐及驱动羟铡肇嚣缀藏。它与 数控机床的遴给枫械部件构成避给饲服系统，一般泉说数控机床的伺服系 统，要求育好的快速瓣应馁能帮灵敏囊，麓准确薅跟踩指令功能。 f 4 ) 氆麓测量反馈系统位凝测量反馈分为数控搬床执行部件瓣转角饿 移反馈和直线位移反馈两种。运动部分通过传感器将上述角位移或直线位移 转换残毫藏号，簸送绘c n c 单元，与搬令位鬟避嚣毙较，劳垂c n c 攀元发 出指令，纠正所产嫩的误麓。 ( 5 ) 璇璐控镪装登辕韵捺键装甏斡主要雅耀是接收c n c 摹元辕i 彗懿 主运溯换向、变速、启停，刀具的选择灏交换，以及其它辅助装篷鹚作等指 令信号，经过必要酌编译、遂辚潮爱、运算帮渤率放大后鸯缓驱动糨应黪邀 器，带动机床极城郏 牛、波眶气动等辅助装置瓮成指令规定媳动作。机床上 的限位开关等开关信号经辅助控制装鬣处理后送c n c 单元进行处理。由于 霹鬃疆控刳鹣( p l c ) 矮蠢螭建抉、蠖熊霹豢、易于使爝、貔程移修凌，并 可直接驱动机床电器，现融广泛作为数控机脒的辅助控制装麓。 2 1 2数控系统功麓分析 数控系统加工零件是按照事先编制好的加工程序单来进行豹。嚣先成分 析零件鹰样，根掇潮样中辩材料和尺寸、形状、船工精度 鬟教热处壤等的骚 求亲确定工茫方案，进嚣工艺始毽帮数壤诗算。在毖簇懿上，攫据数控系统 规定的功能指令代码和程序段格式编笃数控加工程序单。 穰摇摇王程旁攀懿逡骞，麓鑫凄雾魏糗利作控制夯壤( 雾嚣纸带) ，瀵 过读带装置将穿孔带的代码逐段输入到数控装麓，也w 以用键盘输入方式将 加工程孝擎漆容誊缓输入数控装嚣。 数控装鼷将输入搬令进行译硝、寄襻哥硇遴冀瑶，翔系统备个坐檬的伺服 系统发出指令信号，缀雅渤电路静放大处理，驱动饲暇毫动 楗输懑麓位移耧 逆宁工程技术夫学颈士学熊论文 1 l 囊速疲，若邋避执行部份熬传动繇绞转换为工作台豹藏线位移，实臻避绘遴 动。同时，数扮装糍通过强魄控制装簧一可编程控制器( p l c ) 实觋系统其 它必囊熬辕黝魂佟，翔鑫动变速、冷却濑潺滚的自动开簿、王磐熬囊动松夹 以及刀具的囱动更换等，酣合进缩运动完成零件的自动加工。 2 2 系统硬辩设计 2 2 。l 控制系统总体设计 图2 2系统硬件框豳 c n c 懿馁麓与徐格在缀大程发上与谈心c p u 黪稳麓与徐耩藕美，毒稳 能低价格c p u 的出现和运用，使褥指令的执行速度和效率大大提商，特别 是集成众多片内资源的m p u 的使用，能使c n c 的往价魄大幅提高。c p u 字 长豹臻燕，馒褥较大范銎斑熬数壤运算遴发大大热坟，截魏3 2 醢税霹议程 个掰令周翘内完成整型数豹胡减法髅黧乘法遮算，掰基前许多r i s c 结构 静c p u 懿一个接令瘸裁裁蹩一个聪镑溺嬲；爻提离c n c 数携後魄，疆准程 廉价熬础上遗求搿性能的目标，本系统硬件平台采用了三星公司的 $ 3 c 2 4 4 0 a 佟惫c n c 静较，涤控裁器，辍3 2 位c p u ( a r m 9 2 0 t ) 十f p g a 湾控铡 辽宁工程按米大学碾士学位论文 1 2 按心，将主按板、位控板、p l c 叛集成农一起。$ 3 c 2 4 4 0 a 和f p g a 的两者 互为补充，相互配合。$ 3 c 2 4 4 0 a 以低成本提供了良好的用户界面和数学运 舞麓力，瑟f p g a 裂挺供了耀于彀机接铡获蓑要的$ 3 c 2 4 4 0 a 不其备靛逻辑 资源。在本系统中，$ 3 c 2 4 4 0 a 负责擅长的插补避算和l c d 控制，键斑控制、 缩撬 耪i o 控糕甏宙f p g a 实繇。采爝较斧遴行程撬牵 、魏减速运算，裁 用大规模可编程器件( f p g a 、c p l d ) 硬件进行精插补、速度平滑处理等，以 实现高速、离精度耩秤控制耱加减速处遴。系统硬件淼瑾如图2 2 蕊示。 1 1 ) 核心控制郯件 主要包括三星$ 3 c 2 4 4 0 ar i s c 处理器，时钟、复位和扁动配鬣电路、 r t ( 实霹对镑) 电鼹，嚣个r s 2 3 2 接口及箕电平转换惫路，j t a g 邋试接日 电路，l c d 接口。此外，还有a d c ( a d 转换器输入) 备用接口，属于预留 犊目。 s a m s u n g 公司推出的1 6 3 2 位r i s c 处理器$ 3 c 2 4 4 0 a 为手持设备和 般应丽提供了商佳价院的徽控隶l 辩解决方案。为了降低成本，$ 3 c 2 4 4 0 a 掇 供了丰富的内置部件。 $ 3 c 2 4 4 0 a 使用a r m 9 2 0 t 内桉，采用了0 1 3 o n c m o s 工艺制遗。它的 低功糕帮全黪态竣诗特别适合矮子对成本_ 靼功耗敏感豹应耀。同样遗， $ 3 c 2 4 4 0 a 还采用了一种新的总线结构，即a m b a 。$ 3 c 2 4 4 0 a 的杰出特性 楚它静c p u 痰孩，燕由a r m 公懿设诗瓣1 6 3 2 位a r m 9 2 0 , t 处理嚣。它惫 括了存储器管理单元m m u ，a m b a 总线，1 6 k b 的指令c a c h e 和1 6 k b 的数 撵c a c h e 。 $ 3 c 2 4 4 0 a 通过提供全颟的、道用的片上外设大大减少了系统中除处瑕 器以外的元器件配制，从而使系统的成本大为降低。$ 3 c 2 4 4 0 a 上集成的备。 糖片上弦戆主要趣撂以下内容： 一a r m 9 2 0 t 内核，标称工作频率4 0 0 m h z ，带有1 6 k b 的指令c a c h e 鞠1 6 k b 嚣鼗疆c a c h e ； i l l 外部存储控制器( 用于s d r a m 控制和片选择逻辑) ； - 带有专糟d m a 的l c d 控铺器( 最大支持4 k 色s t n 稆2 5 6 k 色t f t ) ； - 4 个外设用d m a ，具有外部请求弓l 脚； - 3 通道u a r t 带有掇手协议( 支持i r d a l 0 ，具有6 4 - b y t et xf i f o ， 辽宁工理技术大学硕士学位论文 1 3 6 4 一b y t er xf i f o ) ； _ 1 个i i c 总线控制器，支持4 0 0 k b p s 快速及多主模式； - 1 个u s b 设备控制器； _ 2 通道主机控制器； 一4 个p w m 定时器和l 通道内部定时器： - 看门狗定时器； 8 通道1 0 披a d c ： 一触摸屏接口； 一具有日历功能的r t c ； 13 0 个通用i o 嗣； - 2 4 个外部中断源； 一电源管理：正常、低速、空闲和睡眠模式； _ 片上p l l 时钟产生器。 $ 3 c 2 4 4 0 a 是系统的控制核心，负责送行控剩软件。捧为一个独立的数 控系统的加工工作，包括加工程序的输入，控制参数、幸b 偿数据的录入，然 后是加工程序的译码，接着进行数据处理，计算刀具半径补偿量，进给速度， 最后是进行粗插补，把粗插补后的数据通过总线送到f p g a 进行脉冲均匀化 处理，结果通过驱动器接口电路，直接送到驱动器。 图2 - 3 c n c 存储系统 a r m 存储系统酶体系结构适应不同豹嵌入式系统的需要差剐很大。对 于数控系统这样数据量使用很大豹应擐系统来说，$ 3 c 2 4 4 0 a 鑫身所带的存 储器根本无法满足实际应用的需求，为了满足嵌入式系统的不同筹求，使数 控系统达到很高的性价比，在我们的系统中包含了多种类型的存储器件，如 n o rf l a s h 、s d r a m 、n a n df i a s h 和n v r a m ，图2 3 所示为系统的存储系统。 辽宁工程技术大学颈士学位谂文 l 毒 “蜒弦 p 蕊嚣量转 p 曩最鑫篓薹p ”蜒辐器妒 羲g 嚣姜和。 嬲勰r 。 酸器；一_ 辊q g s 旺一“ 图2 - 4 系统篾位后的存储器映射表 系统中矫健蘑鹃存储嚣包括； 线性f l a s h a m 2 9 l v t 6 0 b ，2 m b y t e ，用于存储扁动代码，该代码完成对$ 3 c 2 4 4 0 a 鹣初始化，然螽将主程序从自身或学非线性f l a s h 中复利入s d r a m 中。 由于s 3 c 4 4 8 0 x 复位后自动从o x 0 0 0 0 0 0 0 0 开始之行，所以该f l a s h 使用了 转a n k e 。 s d r a m h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 ，3 2 m b y t e ，矮子存德运行簿熬未程彦耪霉量。由予 $ 3 c 2 4 4 0 a 的限制，只有b a n k 6 和b a n k 7 可以使用s d r a m ，所以，该芯 片使用b a n k 6 ，起始遗址怒o x c 0 0 0 0 0 0 0 。 非线性f l a s h k 9 f 2 8 0 8 u ，1 6 m b y t e ，用于存储文件和资源，使用b a n k l 。由予非线 性f l a s h 麴糁点，不是壹接戆总线访| 、蠢，瑟悬类似骥盘豹命令访翅，辑以 还用4 个i o 阴用于控制。 n v r a m 辽宁二程薤术大学硬士擎璧埝文 1 5 u l 6 3 5 h 2 5 6 s c ，3 2 k b y t e ，用于存鼹运行对麴变爨，醛止突然捧电对摄 失数据。u l 6 3 5 h 2 5 6 s c 怒8 位数据总线，3 2 k b y t e 。 【一 臻统复位游毒德空闻欧辩螽鼹2 - 4 掰示。 $ 3 c 2 4 4 0 a 的艇位电路没有使用普通的阻容复 藏，采用复位专用芯片 i m p 8 l l ，该蕊冀其霄窀莲簸凌巍手凄复继狻天臻麓，焚链邀辩辩鋈2 - 5 掰示。 图2 - 5蒸佼电路 实慰对钵r t c 粟用羚郝3 2 。7 6 8 k h z 茏源晶体作为r t c 时钟。r t c 电路 在系统掉电时通过电池维持$ 3 c 2 4 4 0 a 内部时钟电路的遮行，该电路可以为 累统瓣供毽确熬楚对鞋窝。 ( 2 ) f p g a 部分 a c e x i k 蹩a | t e r a 公霹懿鍪予s r a m 蓑拳瓣，霞予低臻旋焉翡蔫牲贽魄 f p g a ，分为l k l 0 、1 k 3 0 、1 k 5 0 和1 k 1 0 0 ，容爆分别为l 万、3 万、5 万、 1 0 万f - j ，虽然容量不海，裰是在榴褥封装鲍情况下管糯兼容。我锯篌耀的蹙 1 k 5 0 ，2 0 8 镣脚，1 4 7 个鼹户可用i o 。 f p g a 内部逻辑结构主要由以下8 大部分组成： ( 1 ) 慧绫按蜀模块一掇供f p g a 蠹郝臻麓模块与a r m 舞罄惑线耱接翻； ( 2 ) 复位控制模块一为f p g a 内部功能模块提供复位信号： 3 ) 孛聚控镶模浚一热遥f p g a 悫帮臻爱模块戆中瓣基号； ( 4 ) 定时器模块一为脉冲发生器提供定时信号； ( s ) l o 控髓模浃一控科赣序麓潮1 0 ； ( 6 ) 键蠢扫描模块一控制1 0 1 0 键盘趣扫撼； ( 7 ) 编码器计数器模块用于检测主轴和手轮的碍盘信母； ( 8 驱动爨控裁器模块强予产皇、挺溪奄褪驱动器茨猿号等。 f p g a 配置芯片和下载配置电路用于使用专用的下溅线一 b y t e b l a s t e r m v 薄弱嚣苍嚣避雩亍溪譬，露f p g a 避嚣褒线嚣鬟亵嚣鬟芯片对 辽宁工程技术大学硕士学1 1 ：7 = 论文 1 6 f p g a 进行配置。其中b y t e b l a s t e r m v 对配置芯片进行烧写和对f p g a 进行 在线配置使用的是串行j t a g 链，而配置芯片对f p g a 进行配置使用的是专 用的配置电路。这样，可以在不改变硬件的情况下同时对配置芯片和f p g a 进行控制，也可以在烧写配置芯片以后在上电时由配置芯片配置f p g a ，大 大方便了调试和使用。配置芯片使用的是e p c 2 ，通过j t a g 接口进行烧写。 f p g a 在很大程度上减轻了s 3 c 2 4 4 0 a 的工作负担，缓解了$ 3 c 2 4 4 0 a 资源有限的矛盾，其主要作用是实现几个逻辑电路，插补脉冲均匀化处理逻 辑( 精插补逻辑) ，对c p u 送来的粗插补数据进行精插补，键盘扫描以及 一些i o 处理。另外一个作用就是接收手轮脉冲计数器的计数。另外，还有 一个3 2 位的计数器，对主轴码盘信号计数，供螺纹插补时使用。图2 - 6 为 f p g a 子系统框图。 p c 机 c p u 信号隔离与转换 键盘 图2 - 6f p g a 子系统框图 本系统采用的主要硬件接口方案如下： ( 1 ) f p g a 插幸 脉冲均匀化处理之后的脉冲以及方向信号，在经过高速光 耦隔离之后，使用2 6 l s 3 1 进行差分输出，差分电路可以提高脉冲传输的抗 干扰能力，并且可以提高传输距离。电路如图2 7 所示。 图2 7差分电路 电机控制信号除了脉冲和方向信号之外，每轴还有一个伺服使能信号， 逆宁工程技术大学硕士学位论文 饲鼹报警漳除信号输出，弗魁每辘零点信号、驱动器报警信号输入，便于系 统完成回零操作以及检测驱动器的工作状态。 ( 2 ) 系统的主轴编码器线数w 以软件设定，主轴编码器信号由f p g a 接 收并进行初步处理。主轴码盘输出信号由a 、b 、z 三路组成，其中a 、b 是 两个相差9 0 度的脉冲信号，主轴码盘每转动一圈a b 两路信号输出一个固定 的脉冲个数即线数，例如2 5 0 0 p p r ，称作2 5 0 0 线。z 相信号是圈信号，码盘 每转动一豳，z 相发一个脉冲。a b z 三信号都是遥过差分信号输入豹。对鹞 盘三相信号进行适当处理之后就可以得到主轴的转速以及主轴的相对位置 信息，为螺纹插於提供必要的数据。 a a # = 匹 f p g a 光耦2 吼s 3 2 b差分 = 匠 计数 b隔离_ 1 接收 _z z # 刊区二 图2 8码盘信号处理电路 ( 3 ) 手轮接口，当系统处于手动操作时，使用手轮可以方便、较准确魄 移动槐床，当选定移动轴之岳就霹以转动手轮移动机床了。接口电路鸯拜图2 - 9 所示。 匿2 - 9 手轮接e l 电路 ( 4 ) 数控系统的i o1 2 1 包括枫床i o 由内要式软4 牛- p l c 控制；p l c 梯图珥 在线编辑发实粒诊断显示。系统所有的i o 日必须进行蠢效的电蹑离，最綦 本的隔离措施是采用光电隔离，而且为了提高输出口的电流驱动能力，本设 计采用了u l n 2 8 0 3 达林顿管，使得输出电流达到了5 0 0 m a 。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 图2 - 10光电隔离电路 2 2 2外设及接口规划 r 1 1l c d ：l c d 接1 ：3 由s 3 c 2 4 4 0 a 的l c d 驱动信号、系统复位信号和两 路p w m 信号、两路1 0 信号、i i c 信号组成。l c d 驱动信号是主要的控制信 号，其中v f r a m e 是帧同步信号，v l i n e 是线同步脉冲信号，v c l k 是像 素时钟信号。这三个是必须的控制信号，v m 是一个可选交流信号，v d 0 一 v d 7 是数据信号，根据l c d 屏的不同使用v d