（机械电子工程专业论文）基于双arm的pcb钻床控制器的研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 p c b 钻床是电子工业中重要的生产设备。随着电子工业的飞速发展，p c b 的尺寸越来越小，元器件却越来越多，这对p c b 加工设备提出了更高的要求， 反映在p c b 钻孔加工上为单位面积上的孔的数量大大增加，而孔的尺寸却越来 越小。传统的基于单片机和步进电机的中低档p c b 钻床已经越来越难以满足产 品的加工要求。所以研究新一代的嵌入式p c b 钻床控制器对于提高中档p c b 钻 床性能有着非常重要的意义。 本文结合开发项目“p c b 钻床控制器的设计”，在深入研究机床控制器的性 能要求后，研制了基于双a r m 的p c b 钻床控制器。该控制器功能强大，界面 友好，相对于传统的基于单片机的p c b 钻床控制器，基于双a r m 的p c b 钻床 控制器在性能上有了很大的提高。本文详细讨论了p c b 钻床控制器的设计。 基于双a r m 的p c b 钻床控制器由两个子系统组成：人机交互系统和运动 控制系统。其中人机交互系统采用基于a r m 7 内核的s 3 c 4 4 b o x 芯片控制；运 动控制系统采用基于a r m 7 内核的l p c 2 2 1 4 芯片控制。两个系统之间通过1 2 c 总线进行数据交换。 控制器的软件由人机交互系统软件和运动控制软件组成，人机交互系统程序 复杂，所以人机交互系统软是基于嵌入式实时操作系统pc o s i i 进行设计的， 而运动控制系统的程序设计比较简单，它采用基于时间触发方式进行设计的。 实验表明，采用双a r m 体系结构后，钻床控制器的具有性能稳定，界面友 好，操作方便，加工效率和精度高等优点。 关键词：a r m ，p c b 钻床，l lc o s i i ，时间触发，双a r m 江苏大学硕士学位论文 p c bd r i l lm a c h i n ei si m p o r t a n te q u i p m e n ti nt h ee l e c t r o n i ci n d u s t r y w i mt h e i n c r e a s i n gd e v e l o p m e n to ft h ee l e c t r o n i ci n d u s t r y , t h es i z eo fp c bi sb e c o m i n g s m a l l e r , h o w e v e rw h i c hc o n t a i n sm o r ee l e m e n t sa n dc o m p o n e n t s t h i ss i t u a t i o n d e m a n d sh i g h - p r e c i s i o np c bm a n u f a c t u r ee q u i p m e n t , e s p e c i a l l yi nt h ep c b d r i l l i n g , t h en u m b e ro fh o l e si nt h eu n i ta r e ab e , c o m c sl a r g e r , b u tt h es i z eo ft h eh o l e sb e c o m e s s m a l l e r 硼”c o m m o na n dt r a d i t i o n a lp c bd r i l lm 剐舭b a s e d0 1 1t h es i n g l em c ua n d s t e p p e rm o t o r sc 姐h a r d l ys u i t a b l ef o rt h em a n u f a c t u r i n go fp c b i no r d e rt oi m p r o v e t h ep e r f o r m a n c eo fi n t e r m e d i a t ep o d r i l l e r , i ti ss i g n i f i c a n ti m p o r t a n tt os t u d yo nt h e e m b e d d e dc o n t r o l l e rf o rt h en e w - g e n e r a t i o np c bd r i l l e r b a s e do nt h ep r o j e c t “d e s i g nt h ee m b e d d e dc o n t r o l l e rf o rp c bd r i l l e r w i t h 量u a n a l y z i n ga n ds t u d y i n go nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fm a c h i n et 0 0 1 t h ep c b d r i l l e r c o n t r o l l e rw i t hd o u b l e - a r mi sd e s i g n e di nt h i sp a p e r c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a l p c bd r i l l e rc o n t r o l l e rw i t hs i n g l em c u t h ep e r f o r m a n c eo ft h ec o n t r o l l e rw i t h d o u b l e - a r mh a sb e e ni m p r o v e dl a r g eb e c a u s eo ft h es t r o n gf u n c t i o n sa n daf r i e n d l y i n t e r f a c e 1 1 玲d e s i g np r o c e s so fp d r i l l e rc o n t r o l l e ri sd i s c u s s e di nd e t a i li nt h i s p a p e r 1 1 他p c bd r i l l e rc o n t r o l l e rb a s e do i ld o u b l e - a r mc o n s i s t so ft w os u b s y s t e m s ： m a n - m a c h i n ei n t e r a c t i v es u b s y s t e ma n dk i n e t i cc o n t r o ls u b s y s t e m 田坞m a n - m a c h i n e i n t e r a c t i v es u b s y s t e ma d o p t st h es 3 c 铒b o xc h i pb a s e do na r n 【7i n l l e rc o r e ：t h e k i n e t i cc o n t r o ls u b s y s t e ma d o p t su 胧1 4 c h i pb a s e do na r m 7i n n e rc o r e n ed a m s w a pb e t w e e nt h et w os u b s y s t e m sw i 出t h e1 2c b u s t h es o f t w a r eo ft h ec o n t r o l l e r c o n s i s t so ft h es o f t w a r eo fm a n - m a c h i n e i n t e r a c t i v es u b s y s t e ma n dt h es o f t w a r eo fk i n e t i cc o n t r o ls u b s y s t e m b e c a u s et h e p r o g r a mo fi n t e r a c t i v es u b s y s t e mi sc o m p l e x ，t h es o f t w a r eo fi n t e r a c t i v es u b s y s t e mi s b a s e do nt h ee m b e d d e dr e a l t i m eo p e r a t i o ns y s t e mhc o s b u tt h es o f t w a r eo f k i n e t i cc o n t r o ls u b s y s t e mi sb a s e do nt h et i m e - t r i g g e rw a yf o rt h es i m p l ep r o g r a m t h er e s u l t ss h o wt h ec o n t r o l l e ro fp c bd d l l e th a sas t a b l ep e r f o r m a n c e f r i e n d l y i n t e r f a c e ，e a s yo p e r a t i o n ，h i g hp r o c e s se f f i c i e n c ya n dp r e c i s i o nw i t ht h ed o u b l e - a r m s t r u c t u r e k e y w o r d s ：a r m , p c bd r i l lm a c h i n e ，i lc o s 一玛t i m e - t r i g g e r , d u a l - a r m 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密回。 学位论文作者签名：敬痞抽 2 。订年6 月f gr 指删嗽：f 醛呔 碉年g 月叶 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：致春柯 日期：2 ，7 年月f 3 日 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 数控技术的历史 1 9 5 2 年，美国帕森斯公司与麻省理工学院伺服机构实验室合作，研制成功世 界上第一台数控机床三坐标数控立铣床。1 9 5 9 年晶体管问世，数控系统中 广泛采用晶体管和印刷电路，数控系统跨入第二代。1 9 6 5 年，出现小规模集成 电路，数控系统进入第三代。前三代数控机床的控制系统均为硬连接数控系统， 即n c ( n u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) 系统。随着计算机技术的发展，出现以小型机代替 专用硬接线装置，以控制软件实现部分或全部数控功能的计算机数控( c n c ) 系 统，数控机床进入第四代。7 0 年代出现微处理器，数控机床进入第五代微 机数控( m i c r o - c o m p u t e rn u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) 系统。9 0 年代计算机技术的发展迅 猛，数控系统进入了第六代基于p c 机平台的开发式数控系统。 1 2 数控技术的现状 我国数控系统的发展始于1 9 5 8 年，经过“六五”、“七五”、“八五”、 “九五”的发展，我国基本上掌握了现代数控技术，初步形成了自己的数控产业。 华中i 型以3 2 位工控机为硬件主体，能进行复杂曲面造型、数控加工规划、n c 程序生成、干涉检验和加工仿真，并实现曲面直接插补功能。此外，还有蓝天i 型、c h 2 0 1 0 等系统，这些高档数控系统的开发成功表明我国具备了开发、生产 高档数控系统的能力。自9 0 年代以来，由于开放式系统的优越性，西方发达国 家提出了向规范化、标准化方向发展的开放式数控系统，如欧盟的0 s a c a 计划， 美国的n g c 和o m a c 计划，日本的o s e c 计划等。数控系统按开放程度分主要有： ( 1 ) 传统数控系统。这是一种专用的封闭体系结构的数控系统。如f a n u co 系统、 m i t s u b i s h im 5 0 系统、s i e m e n s8 1 0 系统等。( 2 ) c n c + p c 主板：把一块p c 主板 插入传统的c n c 机器中，p c 板主要执行人机交互系统任务，c n c 主要执行坐标轴 的运动控制任务，如f a n u c l 8 i 、1 6 i 系统、s i e m e n s 8 4 0 d 系统、a b 9 3 6 0 等数控系 统。( 2 ) p c + 运动控制板：把运动控制板插入p c 机的标准插槽中作实时控制用， 江苏大学硕士学位论文 而p c 机主要进行非实时控制，如美国的p m a c n c 系统、日本的m a z a t r o l6 4 0c n c 系统等。( 3 ) s o f t 型开放式数控系统：这是一种新型的开放体系结构的数控系 统。它的c n c 软件全部装在计算机中，而硬件部分仅是计算机与伺服驱动和外部 i o 之间的标准化通用接口，如美国m d s i 公司的o p e n c n c 、德国p o w e r a u t o m a t i o n 公司的p a 8 0 0 0n t 等。哪嘲 1 3 数控技术发展趋势 1 性能发展方向 1 ) 高速、高精度：采用了高速c p u 芯片、r i s c 芯片、多c p u 控制系统以及 带高分辨率绝对式检测元件的交流数字伺服系统，同时采取了改善机床动态、静 态特性等有效措施，机床的高速高精高效化已大大提高。 2 ) 工艺复合性和多轴化：数控机床的工艺复合化是指工件在一台机床上一 次装夹后，通过自动换刀、旋转主轴头或转台等各种措施，完成多工序、多表面 的复合加工。数控多轴技术，是指数控系统可以同时控制多根进给轴和主轴，例 如西门子8 4 0 系统控制轴数可达2 4 轴。数控系统的多轴控制功能为数控机床的 复合性加工提供了技术保障。 3 ) 柔性化：包含两方面，一方面是指数控系统本身的柔性，数控系统采用模 块化设计，功能覆盖面大，可裁剪性强，便于满足不同用户的需求；另一方面由 多台数控系统组成的柔性制造系统和计算机集成制造系统具有的柔性，同一群控 系统能依据不同生产流程的要求，使物料流和信息流自动进行动态调整，从而最 大限度地发挥群控系统的效能。 4 ) 智能化：在数控技术领域，智能控制的研究和应用正沿着几个主要分支 发展：自适应控制、模糊控制、神经网络控制、专家控制、学习控制、前馈控制 等。 2 体系结构发展方向 1 ) 集成化：采用高度集成化c p u 、r i s c 芯片和大规模可编程集成电路f p g a 、 e p l d 、c p l d 以及专用集成电路a s i c 芯片，提高数控系统的集成度和软硬件运行 速度。 2 ) 网络化：网络的主要任务是通信、共享信息。数控机床的通信范围为： 2 江苏大学硕士学位论文 1 与上级主计算机通信；2 数控装置与数字伺服系统间的通信；3 与现场设备 及i o 装置通信；4 通过因特网与其它工厂交换制造数据；5 通过因特网与服 务中心通信，传递维修数据。 3 ) 模块化：硬件模块化易于实现数控系统的集成化和标准化。根据不同的 功能需求，将基本模块，如c p u 、存储器、位置伺服、p l c 、输入输出接口、通 讯等模块，做成标准的系列化产品，通过积木方式进行功能裁剪和模块数量的增 减，构成不同档次的数控系统。 4 ) 通用型开放式闭环控制模式：采用通用计算机组成总线式、模块化、开 放式、嵌入式体系结构，便于裁剪、扩展和升级，可组成不同档次、不同类型、 不同集成程度的数控系统。闭环控制模式是针对传统的数控系统仅有的专用型单 机封闭式开环控制模式提出的。加工过程中采用开放式通用型实时动态全闭环控 制模式，易于将计算机实时智能技术、网络技术、多媒体技术、c a d c a m 、伺服 控制、自适应控制、动态数据管理及动态刀具补偿、动态仿真等高新技术融于一 体，构成严密的制造过程闭环控制体系，从而实现集成化、智能化、网络化。 1 4 印制电路板数控钻床现状 近年来我国的数控技术和装备取得了相当大的进步，但是我国的p c b 板数 控钻床与发达国家相比有着较大的差距，特别是小孔加工能力、加工精度和速度 等方面。这个差距主要来自控制系统软硬件上的差距和机床零部件上的差距。国 外数控系统的平均无故障时间在1 0 0 0 0 小时以上，国内自主开发的数控系统为 3 0 0 0 - - - 5 0 0 0 小时；整机平均无故障工作时间国外达8 0 0 小时以上，国内一般只 有3 0 0 小时。目前国内p c b 板数控钻床企业的钻床控制器大都采用工控机加运动 控制卡结构，厂家主要是设计控制系统的软件。但是目前产品的开发没有统一的 平台，控制系统源代码参差不齐。对机床的关键技术没有掌握，比如：定位精度 软件补偿技术，温度变形补偿技术，高速主轴系统的动平衡技术。总的来看我国 印制电路板数控钻床现状为“1 ： 1 ) 加工效率不高。目前0 f i l m 以下的孔径加工，平均每分钟仅能达到1 5 0 个孔，很难满足当前电子工业的生产效率和加工效益的要求。 2 ) 加工精度不高，实际加工精度普遍只能达到0 0 6 m m 以上。盲孔、深孔不 3 江苏大学硕士学位论文 能加工。 3 ) 机床的可靠性不高。国产整机平均无故障工作时问在3 0 0 小时，与国外 平均8 0 0 小时相比有很大差距。 4 ) 机床自动化、智能化程度有待提高。国产机床在自动换刀、自动检测、 远程诊断、实时智能控制、专家知识库的建立等方面尚在完善过程中。 5 ) 机床数据处理能力有待加强。目前，全球化制造模式造成机床系统会面 对世界各地区的数据格式和标准，国产数控系统很难适应和满足这一形势。 6 ) 代表印制电路板数控钻床基本性能水平的微小孔加工能力不强，主要表 现在不能稳定可靠加工m 0 2 m m 以下大小的孔，在加工0 5 m 以下大小的孔时加 工效率低，断刀现象严重，而且孔壁质量差。 1 5 印制电路板孔加工方法比较 目前，加工印制电路板小孔的方法大致有以下几种嘲嘲： ( 1 ) 钻削加工。用印制电路板数控钻床对印制电路板进行多孔加工，这种加 工方法加工效率较高、孔位精度准确，孔壁的质量较高。 ( 2 ) 等离子加工。利用等离子技术烧蚀微孔，通常以上层的铜箔为抗蚀层。 ( 3 ) 感光材料法。利用液态感光材料或干膜绝缘材料作为掩盖层，其作用与 外层阻焊层类似，不同之处在于它们用在内层结构上。 ( 4 ) 激光钻孔。激光钻孔主要靠光热烧蚀和光化学烧蚀除去被加工部分的材 料，实现切除。 用印制电路板数控钻床钻孔是一种成熟的技术，与其它加工方法相比它的加 工范围比较大，在加工通孔和盲孔时它仍然是一种最经济的方法，而且用这种方 法加工出来的孔的表面质量比较好。激光钻孔是一种新兴技术，与数控机械钻孔 相比激光钻孔生产效率高，微小孔加工能力强，但是激光钻孔的孔径公差逊于机 械钻孔，孔壁质量也相对差一些，而且激光钻孔设备比较昂贵。因此，用印制电 路板数控钻床钻孔经济、适用。 4 江苏大学硕士学位论文 1 6 印制电路板数控钻床发展趋势捌嘲 印制电路板数控钻床概括起来有以下的发展趋势： 1 ) 通信功能更加强大。现代的数控钻床已经不再满足于简单的串行通信， 而是将现场总线技术，以太网技术都融合到钻床空控制器中，以适应柔性制造和 计算机集成制造的要求。 2 ) 机床的精度和加工效率不断提高。通过对影响加工精度和效率的物理量 进行检测、建模、提取特征、自动感知加工系统内部状态和外部环境，快速做出 实现最佳目标的决策。现代数控系统中配备编程专家系统、故障诊断专家系统、 参数自动设定和刀具自动管理及补偿等自适应调节系统，在高速加工时的综合运 动控制中引入提前预测和预算功能、动态前馈功能，在压力、温度、位置、速度 控制等方面采用模糊控制，使数控系统的控制性能大大提高，从而达到最佳控制 的目的。 3 ) 自动换刀机构。在一块印制电路板上要加工各种不同孔径的孔，所以在 一次加工中要进行若干次换刀，如果用手动换刀将大大影响加工效率，采用自动 换刀机构能提高加工效率和自动化程度。 4 、高速度、高精度。印制电路板钻床的高速、高精度直接影响印制电路板 的钻孔的质量和加工效率，随着高速切削机理、超硬耐磨长寿命刀具材料、高速 电主轴、高加减速度直线电机驱动进给部件等关键技术的解决，开发新一代的 高性能印制电路板钻床将成为一种趋势。 1 7 课题研究的内容和本文结构 现在国内的p c b 钻床的数控系统大都采用p c 机+ 运动控制卡结构，这种结 构的钻床控制器价格较高，体积大，在数控钻床的总体成本中占有很大的一部分。 而采用单片机为核心的控制器性能低下，无法满足p c b 钻床日益提高的要求。 为此，作者针对p c b 钻床设计了基于嵌入式技术的p c b 钻床专用控制器基 于双a r m 的p c b 钻床控制器：以三星公司生产的s 3 c 4 4 b o x 微控制器为核心 的人机交互系统和以飞利浦公司生产的l p c 2 2 1 4 微控制器为核心的机床运动控 制系统；两个系统通过1 2c 总线连接起来。它既具有基于p c 机+ 运动控制卡结构 5 江苏大学硕士学位论文 的钻床控制器的控制速度高，精度好，人机界面友好的优点特点，也具有基于单 片机钻床控制器的体积小，重量轻，功耗小，价格便宜的优点。可以适用于四进 给轴，四主轴p c b 钻床系统，同时可以扩展到更多轴，是当前中低档数控钻床 的理想控制器。 本论文的主要工作包括如下几个方面： 1 研究了钻床控制器的要求，并对多种数控系统的体系结构进行了探索，最终选 定了基于双a r m 的p c b 钻床数控系统的体系结构。 2 初步完成了钻床控制器的软硬件设计。 3 初步完成了钻床控制器的软硬件的调试。 1 8 课题研究内容 本论文的章节安排为： 第一章绪论。介绍了课题研究的背景，目的和意义。 第二章印制电路板钻床的总体结构。简要介绍了p c b 钻床的机床本体部分。 第三章数控系统整体框架。论述了钻床控制器的体系结构的选择。 第四章系统硬件设计。论述了钻床控制器人机交互系统和运动控制系统的 硬件设计以及钻床接口电路板的硬件设计。 第五章系统软件设计。论述了钻床控制器人机交互系统和运动控制系统的 软件设计。 第六章系统调试。介绍了钻床控制器的调试平台，给出调试的结果。 第七章总结与展望。对钻床控制器的设计进行了工作总结，并展望了将来 的发展方向。 6 江苏大学硕士学位论文 第二章印刷电路板钻床总体结构 印刷电路板钻床的机械本体部分是钻床控制器的控制对象，是钻床整体性能 指标实现的基础和保证，本章简要的介绍了钻床机械部分的结构。 2 1印制电路板钻床的结构 印刷电路板钻床主体主要由床身、横梁、立柱、工作台、伺服传动系统、主 轴系统等组成。机床采用刚度较高的龙门结构：机床的本体上安装y 向导轨， 导轨上安装有工作平台。机床的横梁上安装有x 向导轨，在机床的x 向导轨的 滑台上装有z 1 和z 2 两个z 向导轨，在每个z 向导轨的滑台上安装有两套机床 的主轴系统。机床的运动部件的大都采用铝材料，由于铝的质量较轻，所以惯性 较小，有利于机床的快速定位“1 。 机床的整体结构见图2 - 1 。 1 z 1 轴交流伺服电机； 3 z 1 轴滑台； 5 工作平台； 7 机床床身； 9 x 轴横梁： 1 1 7 _ 2 轴交流伺服电机 誉2 1p c b 恼愿豹整体结构 2 x 轴滚动导轨； 4 _ ) ( 轴交流伺服电机 6 y 轴滚动导轨； 8 y 轴滚珠丝杠； 1 0 轴滑台： 1 2 7 _ 2 轴正向限位器 7 江苏大学硕士学位论文 1 3 x 轴滚动导轨；1 4 z 1 轴正向限位器； 钻床机械部分参数如下： x 轴最大行程：4 0 0 r a m ； z 轴最大行程：2 5 0 m m ； 绝对精度：0 0 1 m m ； y 轴最大行程：4 5 0 m m ： 重复定位精度：0 0 0 5 m m ； 钻床的最高进给速度：1 0 1 3 m n f i n ； 钻床的最高主轴转速：8 0 0 0 0 r r a i n ； 2 2 机床进给系统 印制电路板传动系统主要包括x 、y 、z 1 、z 2 四个方向的进给传动，机床 的传动和导向机构采用日本t h k 精密滚珠丝杠和直线导轨，保证了机床的加工 精度和较高的进给速度嘲。进给驱动电机与丝杠采用弹性连轴器直接进行连接， 由于进给系统没有采用减速机构，所以大大缩短了传动系统的传导路径，降低了 传动系统误差恻”1 同时弹性连轴器可以承受一定的由于电机轴和滚珠丝杠同轴 度误差而带来的饶曲，降低了电机的安装难度，弹性联轴器具有一定的弹性，可 以减小电机对丝杠的冲击，延长机床的使用寿命。 现代数控机床一般采用步进电机或伺服电机作为进给系统动力源。步进电机 结构简单，成本较低，可以采用开环结构进行控制，但是转速较低，力矩也不够 大，适用于低成本场合；伺服电机精度和转速都很高，采用闭环或半闭环结构进 行控制，价格较高，适用于全功能型数控机床和加工中心。伺服电机分为直流伺 服电机和交流伺服电机，随着电子技术和控制技术的发展，交流伺服电机在性能 上有了很大的提高。现在广泛使用的交流伺服电机是永磁同步交流伺服电机。它 具有体积小，过载力矩大，免维护的优点。目前交流伺服系统已实现了全数字化， 全部控制功能都由微处理器完成，使用了先进的i i 馈控制、最优控制、自学习等 先进的控制理论，从而保证了电机具有较高的响应速度和较高的精度。 本设计中选用了全数字式松下m i n a s 系列m s d a 0 4 2 d i a 交流伺服系统“。松 下m i n a s 系列交流伺服系统具有位嚣精度高，响应速度快，过载能力强的优点。 松下交流伺服系统的交流伺服电机的尾端装有光电编码器，用于检测电机的当前 位置，所以交流伺服系统本身就构成半闭环控制。印刷电路板钻床就采用这种半 闭环的结构。当然，为了提高机床的整体精度系统可以采用光栅或感应同步器构 8 江苏大学硕士学位论文 成全闭环系统。松下m i n a s 交流伺服系统具有3 种工作模式：速度模式，位置模 式和力矩模式。位置模式是通过脉冲来控制伺服电机的运动，即伺服电机的角位 移取决于脉冲的数量，伺服电机的转速取决于脉冲的频率。伺服电机的转动方向 由方向信号控制。 2 3 主轴系统 现代数控机床主轴向高速高精度方向发展。为了降低主轴系统的制造成本和 难度，要求尽量缩短主轴系统的传动路径，这样出现了一种零传动路径的主轴系 统电主轴。电主轴是最近几年在数控机床领域出现的将机床主轴与主轴电机 融为一体的新技术，它包括电主轴、高频变频装置、油雾润滑器、冷却装置、内 置编码器、换刀装置等。电主轴有结构紧凑、高转速、高精度、高效率、振动小、 噪声低、运行平稳等优点“。目前我国的洛阳轴研科技股份有限公司已开发生 产8 大类，2 0 个系列，2 0 0 多种电主轴产品，额定转速从1 5 0 0 r r a i n 到1 5 0 0 0 0 r m i a 。 我们的机床选用的是洛轴产的8 0 0 0 0 f r a i n 的电主轴。 本章小结 本章主要介绍了印制电路板钻床的主要结构和钻床的传动系统、主轴系统的结构 与功能。钻床床身采用高刚性的龙门结构，采用交流伺服系统作为迸给电机，采 用滚珠丝杠和滚动导轨作为机床的进给传动系统：同时采用电主轴作为机床的主 轴电机。因此，机床的机械部分具有很高的性能，这为机床的整体性能提供了有 效的保障。 9 江苏大学硕士学位论文 第三章控制系统总体结构设计 钻床控制器的总体结构设计是指机床采用何种体系结构。控制器的体系结 构直接决定了控制器所能达到的性能。本章详细介绍了数控系统的各种体系结 构，并进行对比，最终选定基于双c p u 的控制器结构。 3 1 机床控制要求 根据当前国内印制电路板钻床的现状，本课题从低成本高性能出发，拟定钻 床控制器所要实现的功能如下： 1 x 轴最大行程4 0 0 r a m ，y 轴最大行程4 5 0 m m 。 2 四个主轴，最高转速8 0 0 0 0 r r a i n ，8 档速度调节。 3 钻孔频率为3 次m i n 。 4 重复定位精度o 0 0 5 m m 5 1 2 把刀具，钻孔直径为啪2 口1 6 5 m m ，具有自动换刀功能。 6 驱动系统采用松下交流伺服电机及驱动器。 7 加工孔数量最大值为8 0 0 0 - - 9 9 9 9 。 8 具有自动加工和手动加工功能。 9 具有液晶，可以完整地的显示机床的加工过程以及加工信息。 1 0 系统能够实现对各种机械信号的处理，包括原点信号、限位信号、停止信 号等，能够处理机床的各种异常( 机床断刀处理，机床的进给轴超限) 。 1 1 具有通信接口，数控系统能接收上位机的加工信息。 1 2 运动控制部分具有四进给轴控制能力，实现对四个轴的位置控制。 3 2 控制要求分析 机床的x 轴最大行程为4 0 0 r a m ，y 轴的最大行程为4 5 0 m m ，z l 轴和z 2 轴 行程较小。机床选用5 m m 螺距的滚珠丝杠。松下交流伺服系统工作在位置方式， 为了达到要求的精度，我们设定脉冲当量为o 0 0 5 m m 脉冲。机床整个行程的最 大脉冲数为9 00 0 0 。而3 个字节可以表示的数为的范围是：一8 3 8 8 6 0 8 - - + 8 3 8 8 6 0 7 ， l o 江苏大学硕士学位论文 足够表示机床的整个行程了。 机床要求钻孔速度为3 0 0 孔，m i n ，要求平均每个孔的加工时间小于2 0 0 m s 。 机床的运行时间是由控制器运算时间与机械运动时间组成。由于控制器运算时间 与机械运动时间相比非常短，可以忽略不计，所以孔加工时间近似于机床的机械 运动时间。机床机械加工过程如下：机床先x 和y 进给到指定位置，然后z 1 轴和z 2 轴快进，接着z 1 轴和z 2 轴工进，最后z 1 轴和z 2 轴快退，一个孔加工 结束。假设每个孔x 和y 方向上要进给1 0 m m ，z 1 轴和z 2 轴快进2 m m ，工进3 m m ， 快退5 m m 。其中x 轴和y 轴可以同时运动，z 1 轴和z 2 轴可以同时运动。设定 机床快进和快退速度为3 0 0 0 r m i n ，进给速度为2 5 0 m m s ；工进为6 0 0 r r a i n ，进 给速度为5 0 m m s 。那么一个孔的加工时间为：1 0 2 5 0 + ( 2 + 5 ) 2 5 0 + 3 5 0 = 0 0 2 + 0 0 2 8 + 0 0 6 = 0 1 4 8 秒，实际加工时，一般加工路径都要小于假设 值，并且考虑到进给系统加减速，机床在理论上基本满足要求。 3 3 控制器结构设计 机床的进给轴较多，速度很高，机床的实时性要求很强，控制器必须选用较 高性能的处理器和较好的构架。 控制器的控制任务分成两类：一类是负责人机交互的任务。另一类是负责机 床运动系统的控制的任务。人机交互任务实时性要求比较低，但是数据的处理量 很大，而机床运动系统控制任务数据处理量不大，但是实时性要求很高。 对于比较简单的c n c 系统，一般采用单微处理器结构外扩一些功能电路来 实现。对于功能比较复杂的数控系统多采用多微处理器结构或是微处理器加上专 用的控制芯片的结构。多微处理器c n c 装置多采用模块化结构，每个微处理器 分管各自的任务，形成特定的功能单元。多微处理器c n c 装置的运算速度与单 微处理器c n c 装置相比有了很大的提高，更适合于多轴控制，高精度，高效率 的数控要求。1 。 在选择控制机的体系结构中，作者对三种结构都进行了探索，并且做出了相 应的对比。 1 单处理器加外围的功能电路结构：主c p u 采用s 3 c 4 4 b o x ，外围电路采用8 2 5 4 芯片和8 2 5 5 芯片进行扩展。其中8 2 5 4 用于产生用于控制电机的脉冲，每片8 2 5 4 1 1 江苏大学硕士学位论文 有三个1 6 位定时器，每两个定时器可以控制电机的位移和速度“”。8 2 5 5 芯片用 于进行i o 的扩展。由于8 2 5 4 和8 2 5 5 都是5 v 供电的芯片，而s 3 c 4 4 b o x 的1 0 口只能承受3 3 v 电平，所以两者之间采用3 3 v - 一5 v 相互转换专用三态门芯 片7 4 l v c 4 2 4 5 “。该种结构成本比较低，但是机床的控制的策略比较单一，不 利于将来机床的性能的提升。单处理器加外围的功能电路的杰构简图如图3 1 。 实物图请参考图3 - 2 。 7 4 l v c 4 ， 8 2 5 4 接 8 3 2 4 51 入 口 c 4 、r 4 b 电 0 x 路 7 4 l 板 v c 4 2 4 5 8 2 5 5 。 r 图3 - 1 单c p u 加功能电路结构简图 图3 - 2 单c p u 加功能电路实物图 江苏大学硕士学位论文 2 对于单处理器加专用芯片结构，作者也进行了探索。机床的体系结构采用的 是s 3 c 4 4 b o x 加c p l d 芯片结构。c p l d 采用e p m 7 1 2 8 芯片“。采用唧，语 言编写了一个交流伺服系统专用控制电路。该电路类似一个可编程芯片，c p u 与 c p l d 采用地址总线，控制总线和数据总线相连。使用时，只要c p u 对该芯片 的对应的寄存器进行读写，芯片就能自动控制伺服系统的运动。由于使用c p l d 控制伺服电机是属于硬件直接控制的方式，所以速度非常快，但是c p l d 的门数 较少，需要扩较多的芯片，而采用f p g a 的成本过高，与控制器的设计原则相背。 单处理器加专用芯片结构简图参见图3 3 。实物请参考图3 4 。 国一圉 图3 3 单处理器加专用芯片结构简图 图3 _ 4 单处理器加专用芯片结构实验装置 3 采用多c p u 结构，把数据的处理量大，但是实时性要求比较低的人机交互任 务交由一个c p u 芯片来处理，而数据处理量小，但是实时性要求高机床运动系 统控制任务交由另一个c p u 芯片来处理，具体是指将人机交互系统的任务交由 s 3 c 4 4 b o x 芯片进行处理，而运动控制任务交由l p c 2 2 1 4 芯片进行处理。这种 结构价格适中，结构清晰，便于软件设计，而且可以采用软件的方法该进控制策 略，达到很好的效果，这也是控制机最终采用的方法。 江苏大学硕士学位论文 3 4 双c p i j 之间的信息传输m 控制器的人机交互系统的控制信息要传输给机床运动控制系统进行执行，而 机床运动控制系统的状态信息要传输给人机交互系统进行显示和处理。这就涉及 双c p u 之间的通信。机床的多c p u 之间的通信可以采用共享存储器或共享总线 方式来实现。在信息传输上，作者对两种传输方式进行了实际对比： 1 采用共享存储器方式。作者采用i d t 公司生产的i d t 7 1 3 2 双端口r a m 进行 数据的交换，其特点是交换的效率非常高，适合于数据传输量大的场合。但是， i d t 7 1 3 2 的价格较高，而且使用地址总线，数据总线和控制总线，这样会减少i o 口 的数量。采用双端口r a m 的双c p u 实验系统结构图如图3 5 所示，实验系统如 图3 - 6 所示。 图3 5 双a r m + x x 端口r a m 芯片结构简图 置暮千鞭墙口r 蝴职嗍信 b 欲簟口矗 i 嚏僵鬟 1 s 3 c t 唰并发板2 鞭口椭擅篡3 u 2 2 1 4 并发扳 3 - 8 薹千蕊r l r 俎i i t j 瑕嗍健 1 4 江苏大学硕士学位论文 2 采用共享总线方式进行数据的传输。传输的速度比双端口r a m 低，但是价格 非常便宜，适合于数据交换较少的应用中。 钻床是属于点位控制系统，信息传输量比较少，负载较轻，所以控制器采用 简单可靠的串行总线f c 总线作为双c p u 之间的通信的桥梁。p c 是飞利蒲 公司设计的板级串行总线。它有如下特征“8 ： 1 只要求两条总线线路：一条串行数据线( s d a ) ；一条串行时钟线 ( s c l ) 。 2 每个连接到总线的器件都可以通过唯一的地址和一直存在的主机 从机关系软件设定地址来寻址。主机可以作为主机发送器或主机接 收器。 3 1 2 c 是一个真正的多主机总线，如果两个或更多主机同时进行初始 化，传输可以通过冲突检测和仲裁防止数据被破坏。 4 串行的8 位双向数据传输位速率在标准模式可达1 0 0 k b i t s ，快速模 式可达4 0 0 k b i t s ，高速模式下可达3 4 m b i t s 。 5 片上的滤波器可以滤除总线上的毛刺波，保证数据的完整。 不需要设计总线接口，1 2 c 总线接口已经集成到芯片上。 6 集成的寻址和数据传输协议允许系统完全由软件定义。 7 在系统中增删i c 不会影响总线的其他电路。 8 故障诊断和调试都很方便，故障可以被立即寻址。 控制器的人机交互系统的微控制器采用三星公司生产的a r m 7 芯片 s 3 c 4 4 8 0 x ，机床运动控制系统的微控制器选用飞利蒲公司生产的a 删7 芯片 l p c 2 2 1 4 。这两个微控制器都自带p c 控制器，无需扩展任何硬件就可直接进行 通信。每加工一个孔，s 3 c 4 4 8 0 x 就传输给l p c 2 2 1 4 一组控制指令。控制指令长 度为2 0 字节，而l p c 2 2 1 4 每隔0 0 5 秒就传输给s 3 c 4 4 8 0 x 一组机床运动控制系 统的状态信息，状态信息长度为1 5 个字节。1 2c 总线速率为4 0 0 k h z ，传输时间约 为2 毫秒，大大小于机床运动系统的执行时间，控制器完全可以接受。 3 5 控制器的具体工作过程 控制器的人机交互系统打开已经存储在其内的加工文件，读取加工指令，生 江苏大学硕士学位论文 成机床运动控制系统的控制命令，通过1 2 c 传输给机床运动控制系统，机床运动 控制系统通过处理，控制机床各个进给轴和主轴的运动，同时，每隔0 1 秒，把 机床运动控制系统的状态信息通过1 2c 传输给人机交互系统进行处理显示。 本章小结 本章对钻床控制器的各种结构进行了深入的探索，并把各种体系结构进行对 比，最终选定了基于双c p u 的体系结构：一个a r m 芯片负责控制人机交互系 统，另一个a r m 芯片负责控制机床的运动控制系统。这两个系统用1 2c 总线进 行信息传输。 江苏大学硕士学位论文 第四章控制器的硬件设计 钻床控制器的硬件是钻床的控制器的基础，钻床控制器的功能的 强弱，钻床控制器的稳定性等都是于钻床控制器的硬件有密切的关 系。本章详细介绍了钻床控制器的硬件设计。 4 1 控制的总体硬件结构 钻床控制器按硬件功能可以分成两部分：一部分是钻床控制器的控制部分，另一 部分是钻床控制器与机床电气系统之间的接口电路部分。钻床控制器的控制部分 电路是控制器的核心，它的属于弱电电路，电压和功耗都很低，抗干扰性差；接 口电路的电压和电流较大，并且接口电路直接和机床的电气系统进行连接，干扰 和功耗都很大。为了提高控制器的稳定性，并且便于维修，控制器被分成两块电 路板进行设计。一块是控制器的系统板，是控制器的核心，另一块是控制器的接 口电路板。钻床控制器总体结构如图4 - 1 所示： 宁 u i , j t o i 圈圆 l p c 挖1 4 l 中 副万吲il 器 l 薹霉ll 荔裴l l 口攫ll 块 鬯 l j 南控制器系统板 图4 1 控制器结构图 4 2 控制器系统板的设计 控制器的系统板包含两个子系统：一个是人机交互系统，另一个是机床运动 控制系统。人机交互系统的任务特点是信息处理量大，任务之间有较多的信号传 1 7 江苏大学硕士学位论文 递，要求处理器有较高的处理速度和较好的人机交互接口。机床运动控制系统直 接控制着机床的运动，它要求微控制器有较强的控制功能和较高的运算速度，以 满足机床的实时性要求。在选择硬件就必须充分考虑这些特点。 4 2 1 控制器c p u 的选择 a r m 是a d v a n c e dm s cm a c h i n e s 的缩写，是微处理器行业的一家知名企 业。a r m 公司是专门从事基于r i s c 技术芯片设计开发的公司，a r m 公司本 身不直接从事芯片生产，而是靠转让设计许可由合作公司生产各具特色的芯片。 世界各大半导体生产商从a r m 公司购买其设计的a r m 微处理器核，根据各自 不同的应用领域，加入适当的外围电路，从而形成自己的a r i d 微处理器芯片进 入市场。所以基于a r m 内核的微控制器种类非常丰富，a r m 芯片用于工业控 制领域，无线通讯领域，网络应用，消费类电子产品，成像和安全产品等领域。 a r m 微处理器目前包括下面几个系列：a r m 7 系列，a r m 9 系列，a r m 9 e 系列，a r m l 0 e 系列，s e c u r c 0 r c 系列，i n t e r 的x , a l e ，i n t e r 的s u o n g a r m 。其 中，柚t m 7 、a 】r m 9 、a 删9 e 和a r m l o 为4 个通用处理器系列，每一个系列提 供一套相对独