（检测技术与自动化装置专业论文）基于dsp的激光雕刻切割机运动控制系统研究.pdf

摘要 激光加工因其非接触加工、加工精度高和使用范围r 等优点，已经越米越多的被应 用于现代工业各领域。目前国内外在激光加：一 中普遍应用的数控系统是一种专用型、封 闭式的系统，难以扩展，价格昂贵，无法适应现代高柔性、低成本的加工要求。冈此， 近年来具有良好的柔性和较低成本的开放式数控系统逐渐成为数控技术研究的热点，也 代表了激光加工数控技术发展的方向。 数控系统足激光雕刻切割机的控制核心，其控制功能的强弱、控制性能的优劣直接 关系着激光雕刻切割的加：i ：质量与加工效率，对整个雕刻切割机的性价比和市场竞争力 都至关重要。针对圈产激光雕刻切割机现状和市场需求，研制开发基于高性能d s p 的新 型雕刻切割机数控系统，以提高幽产激光雕刻机数控系统的性价比和市场竞争力，并为 激光雕刻切割机最终用户改善产品质芾、提高生产效率、节约生产成本提供有效手段。 围绕市场调研提出的激光雕刻切割机数控系统功能和性能要求，拟定了控制系统的 体系结构，完成了控制系统的软硬 ， ：设计丌发。硬件上，采用t i 公司最新推出的 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 型3 2 位定点d s p 作为控制核心，通过c p l d 扩展存储器和外围 o ， 与基于单片机实现的人机界面配合，较好地兼顾了系统的控制性能与制造成本，也提高 了系统设计灵活性和工作可靠性。软件上，采用汇编、c 语言混合编程，用汇编语言完 成实时性控制任务，c 语言编稃构造整个软件的主体框架、实现非实时性任务，既提高 了系统软件的编程效率和。盯维护性，又保证了系统良好的实时性。此外，在运动控制算 法上，应用n u r b s 曲线插补算法，较好地满足了激光切割加工对快速性和加： 平稳性的 要求。样机系统的软硬件联调表明，系统的功能和性能达到了预期设计要求。 关键词：激光加工d s pn u r b s 运动控制单片机c p l d a b s t r a c t l a s e rm a c h i n i n gi sa p p l i e dw i d e l yi nt h ei n d u s t r yf o rn o n c o n t a c t ，h i g hp r e c i s i o na n d w i d ea p p l i c a t i o n ，e t c t h ec o m m o nn u m e r i cc o n t r o l 小c ) s y s t e mt h a ti sw i d e l ya p p l i e di n c u r r e n tl a s e rp r o c e s s i n gb o t hd o m e s t i c a l l ya n di n t e r n a t i o n a l l y , i sak i n do fs p e c i a l i z e da n d c l o s e ds y s t e m d u et oi t sl i m i t a t i o ni ne x p a n s i o na n dh i g hp r i c e ，t h es y s t e mc a n n o tm e e tt h e r e q u i r e m e n t so fh i g hf l e x i b i l i t ya n dl o wc o s ti nt o d a y sp r o c e s s i n gi n d u s t r y t h e r e f o r e ， r e s e a r c ho nn ct e c h n o l o g yi nr e c e n ty e a r sh a sb e e nf o c u s e dm o r ea n dm o r eo nt h eo p e nn c s y s t e mw i t ho u t s t a n d i n gf l e x i b i l i t ya n dl o wc o s t ，w h i c ha l s or e p r e s e n t st h ed e v e l o p i n g d i r e c t i o no fl a s e r - p r o c e s s i n gn c t e c h n o l o g y t h ec n c s y s t e mi st h ec r i t i c a lp a r to fl a s e re n g r a v i n ga n dc u t t i n gm a c h i n es y s t e m t h e q u a l i t ya n de f f i c i e n c yo fl a s e re n g r a v i n ga n dc u t t i n gp r o c e s sm a i n l yd e p e n do nt h ef u n c t i o n s a n dp e r f o r m a n c eo fc n c s y s t e m s ag o o dc n cs y s t e mi si m p o r t a n tt ot h ep r i c ea n dt h e m a r k e to fl a s e re n g r a v i n ga n dc u t t i n gm a c h i n e f r o mt h ec u r r e n ts t a t eo fh o m e l a n dl a s e r e n g r a v i n ga n dc u t t i n gm a c h i n ea n da i m i n ga tt h er e q u i r e m e n t so fu s e r s ，t h i st h e s i si n t r o d u c e s an e wt y p ec n c s y s t e mf o rl a s e re n g r a v i n ga n dc u t t i n gm a c h i n eb a s e do nd s rt h et y p eo f c n c s y s t e mc a ni m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fm a c h i n ew i t hl o w e rp r i c ea n dt h ec o m p e t i n go f m a r k e to fl a s e re n g r a v i n ga n d c u t t i n gm a c h i n e ，w h i c hp r o v i d e saw a yt or e f o r mt h ee n g r a v i n g q u a l i t y , t oi m p r o v et h ee f f i c i e n c ya n dt os a v et h ec o s to fp r o c e s s f r o mt h ei n v e s t i g a t i o no ft h em a r k e to fl a s e re n g r a v i n ga n dc u t t i n gm a c h i n e ，t h e a r c h i t e c t u r eo fh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h ec n c s y s t e mi sp l a n n e da c c o r d i n gt ot h er e q u i r e d f u n c t i o n sa n dp e r f o r m a n c eo ft h ec n cs y s t e m i nt h es y s t e m ，a3 2 一b i t sf i x e dp o i n to fd s p t m s 3 20 f 2812i su s e da sc p u ，ac p l di su s e df o rp e r i p h e r a li o sa n dt h ee x t e n s i o no f m e m o r ya n dam c ui su s e dt oi m p l e m e n tt h em a n m a c h i n ei n t e r f a c e w h i c hr e s u l t st h e s y s t e mw i t hg o o dc o n t r o lp e r f o r m a n c e ，l o w e rc o s t ，g o o df l e x i b i l i t y , a n dh i g h e rr e l i a b i l i t y u s i n gcl a n g u a g ea s s i s t e dw i t ha s s e m b l yl a n g u a g ep r o g r a m st h es y s t e m ss o f t w a r e a s s e m b l y l a n g u a g ei su s e dt oc o m p l e t er e a l t i m ec o n t r o lt a s k s a n dcl a n g u a g ec a nb eu s e dt oc o n s t r u c t t h ef l a m eo fs o f t w a r ea n dc o m p l e t et h o s eu n r e a l t i m ec o n t r o lt a s k s ，w h i c hc a nn o to n l y i m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fp r o g r a m m i n ga n dt h em a i n t e n a n c eo ft h ep r o g r a m ，b u ta l s op r o v i d e t h es y s t e mw i t hg o o dr e a l t i m ep e r f o r m a n c e i na d d i t i o n ，t h en u r b s i n t e r p o l a t o ra s s i s t e d w i t hg o o da c c e l e r a t i n ga n dd e c e l e r a t i n ga l g o r i t h mi su s e df o rt h es p e e dr e q u i r e m e n to fl a s e r e n g r a v i n ga n dc u t t i n gm a c h i n e s a st h er e s u l t ，t h ed e v e l o p e dp r o t o t y p eo ft h ec n cs y s t e m c a nw o kw i mt h ea n t i c i p a t e df u n c t i o n sa n dp e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：l a s e rm a c h i n i n gd s pn u r b sm o t i o nc o n t r o lm c uc l p d 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取 得的研究成果，除了文巾特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津理工大学或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对奉研 究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 工 学位论文作者签名：钮淳碧签字日期：听年乙月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 叁盗墨墨盘鲎有关保留、使用学位论文 的规定。特授权叁盗墨兰叁望 可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编， 以供查阅和借阅。同意学校向围家有关部门或机构送交论文的复本和电子 文件。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：钮洗莞 签字日期： 年2 月l 日 导师签名：刎易畸 签字日期：彳年2 月巳日 第一章绪论 1 1 激光加工概述 第一章绪论 激光是2 0 世纪的重大发明之一，具有巨大的技术潜力u 引。激光凶具有单色性、相 - 1 | 性、平行性和高能量密度等特点，特别适用于材料加工，被誉为“万能加工工具 。 激光加工是激光应用最有发展前途的领域之一，其应用已遍及各行各业，在航空、 航天、电子、舰船、兵工、汽车、机械和轻工等部门均f 与有重要地位。现在激光加工技 术已从特殊用途的加工技术变成通用的具有多种加：i ：能力的精加工技术。激光对加工对 缘的材质、形状、尺寸、加工环境的自由度都很大，其空问控制性( 射束的方向变化、 旋转、扫描等) 和时间控制性( 开、关、脉冲间隔) 优异，特别适用于自动化j j h - f _ 。激光加 工系统与计算机数控技术相结合构成的高效自动化加工技术，已成为企业实行实时生产 的关键技术，为优质、高效、低成本的力h - r 开辟了广阔的前景。激光在制造领域的应用 标志着一门跨学科、跨行业的新型科学的诞生。 目前探索的激光应用技术有2 0 多种，已成熟的激光加- i ：技术包括：激光快速成形 技术、激光焊接技术、激光打孔技术、激光切割技术、激光扣标技术、激光蚀刻技术、 激光微凋技术、激光存储技术、激咒刻线技术、激光清洗技术、激光热处理和表面处理 技术等。 激光的出现为材料加工提供了一种经济效益十分显著而生产效率又相当商的生产 技术。 1 2 激光f i nn - 技术的特点 激光为无接触加工，其主要特点也就是无惯性，加工速度快、无噪声。由于光束的 能量和光束的移动速度都是可以调节的，因而可以实现各种复杂面型结构的高精度加工 目的。而且加工过程中无刀具磨损，对工件无切削力。 激光光束不仅可以聚焦，而且可以聚焦到亚微米量级，光斑内的能量密度或功率密 度极高，用这样小的光斑，可以进行微区加工，也可以进行选择性加工，特别适应于加 工高馒度、高脆性和高熔点的材料，如钻石打孔、金属切割等。 由于光束照射到物体表面是局部的，虽然加工部位的热量很大，温度很高，但移动 速度快，对非照射的部分没有什么影响，因此其热影向区小。例如，在热处理、切割、 焊接过程中，加工工件摹本无变形，可省去或减少后继加工作业。这一特点也可以成功 地应用于局部热处理和显象管焊接。 第一章绪论 激光加工不受电磁二r 扰。与电子束加工相比，其优越性就在于可以在大气中进行。 在大工件加工中，使用激光加工比使用电子束加j 要方便的多。 激光束易于导向、聚焦和发散。根据加工要求，可以得到不同的光斑尺寸和功率密 度。通过外光路系统可以使光束改变方向，因而可以和数控机床、机器人连接起来，构 成各种加：【系统，这是一种极灵活的柔性加工系统，对于改造传统的机床和机器人是一 种极好的疗法。 1 3 国内外激光加工产业发展与应用 1 3 1 国内激光加工产业发展与应用 从2 0 世纪6 0 年代起，经过4 0 多年来的努力，我国激光技术取得了长足发展。我 卜科科技部提出的“十j f i 激光项日设想足把握激光技术发展中的新机遇，利用产业结构 调整和科研体制改革带来的有利条件，以激光加工技术为重点，在“攻关键技术、抓示 范应用、建推广体系”这三个有机结合的层次上，重点解决激光产业化的关键技术、重 点制造业中急需的激光加工集成装备以及激光技术推广应用的服务体系等，使我国激光 加工朝高稳定、整体化、智能化、柔性化方f u 发展，进而促进传统产业技术升级和激光 产、f k 的发展。 目前，我幽的激光行业加工机械主要包括各类激光打标机、焊接机、切割机、划片 机、雕刻机、热处理机以及三维成型机等h 引。2 0 0 5 年全球激光产业销售收入呈现出迅 猛增长的态势，达到5 5 8 亿美元，2 0 0 6 年全球激光产业销售收入为5 9 8 亿美元，2 0 0 7 年全球激光产业销售收入将会进一步增加到6 2 亿美元。发达酗家为了在全球竞争环境 中占据t h ：界信息技术的制高点，赢得辛动权，纷纷加紧实施激光产业发展计划，这些计 划的实施，有效推动了全球激光产业进入高速发展阶段。 近年来中国激光市场呈现出稳定、高速增长的念势。自1 9 9 9 年 - - 2 0 0 6 年，中国激 光产品市场销售情况分别为：1 4 1 3 亿、1 9 1 1 亿、3 2 4 亿、2 8 6 2 亿、3 6 8 9 亿、4 2 3 2 亿、4 7 7 5 亿、5 5 亿人民币。在整个中国的激光产业中，激光材料加工近几年的发展势 头强劲，且有很大的空间，激光加工在中国激光产业中占的比例也是同益重大。 四十多年来，以激光器为基础的激光工业在全球发展势头迅猛，现在已经广泛的应 用于工业生产、通讯、信息处理、医疗卫生、军事、文化教育以及科研等各个领域，对 国民经济及社会发展已经做出了重要贡献，今后在国际竞争中的战略地位还将会进一步 提升。 近年来，我国激光市场以1 5 左右的年平均发展速度增长。目前，国内激光产业主 要集中在北京、上海和武汉三个地区m 1 ，全国从事激光器和激光应用产品生产的厂家已 有5 0 0 多家，其中有5 个国家级的激光技术研究中心、1 0 多个研究机构，全国有2 1 个 省、市、地区生产和销售激光产品。其中从事激光加工系统丌发和生产的较有影响的企 业单位有大恒科技、华工科技、电子十一所、湖北楚天、上海激光( 集团) 总公司、大族 公司等。 第一章绪论 1 3 2 国外激光加 j 产业发展与应用 国际上工业发达国家都把激光加工技术作为提高生产效率和竞争能力的手段之一， 将激光2 h i f _ 技术列为重点发展的高技术产业，希望能在光技术全盛u h - 弋的2 l 世纪初期 处于领先地位。2 0 0 0 年，激光在工业应用方面飞速前进，激光系统设备市场销售额突破 3 0 亿美元，其中工_ p 激光超过1 0 亿美元，比上年增加2 3 ，激光在金属加工市场应用 领域比上年增长1 0 - 剐。f 1 前全球有超过4 0 0 0 家的激光加工站，按其销售量分，美国、 日本和欧洲约各占1 3 旧1 。 日本激光加工技术的发展特点是，建立工业界、大学和官方的联合开发体制，在一 些重要领域l 国家选定发展目标，集国家和私人财团的力量加速发展激光加工技术。 1 9 7 8 年日本通产省没立超高性能激光复合生产系统研究项目，1 9 8 5 年又设立了激光柔 性加工系统大型研究项目。仅儿年时间，r 本激光加工技术就进入世界先进行列。9 0 年代末，日本又开发出了半导体激光泵浦的大功率固体激光器及新型高性能装置。大量 引进技术是日本激光产：业高速发展的重要原因之一，例如日本通过巨款收购居世界第三 位的美国鲁莫尼克斯公司，获得了多轴激光加工机床制造等方面的重要技术，迅速发展 了本围的激光加工技术能力。 德国大量投资于商晶化激光加工机的生产线。德国激光加工业成功的发展战略是， 先从研究开发激光加工技术和工艺入手，而不是从丌发硬件入手。德围从7 0 年代就开 始建立了6 个专门的激光应用研究所，集中力量专门从事激光加工技术研究开发和工业 应用。目前在德同很多工科大学都开设激光加工课程并建立激光应用研究所，其主要研 究内容是激光技术在各工业部门的应用，特别强调研究要而向企业与工业部门的需求。 除承担围家的科研项目外，还承接航空航天、汽车、造船等工业部门提出的各种激光加 工课题，通过研究成果充分显示激光加工的优越性并解决工业生产中的许多难题，不断 拓展激光加工市场。例如u 引，德圈奥迪汽车的底板所需的钢板宽度超过市场供应的最大 宽度，采用其它方法焊接会破坏镀锌层，导致防锈性能和冲击性能恶化，而采用激光焊 接不降低铡板韧性，可在焊接后冲压成型；德国奔驰汽车厂用激光焊接车门，与过去传 统方法相比，变形明显减小、焊缝平整，节约大量的打磨和整型时问，每辆汽车节约工 时7 0m i n ，成本降低7 0 马克。随着激光加工技术在德国各工业部门的推广应用，一些 制造大功率激光器的厂家迅速建立并逐步壮大。如德图西门予公司买下美国光谱物理公 司在德罔的分公司，建成洛芬辛纳公司，现在该公司已成为世界上最大的工业激光器厂 商，销售额在世界激光器市场中名列第一。 美冈激光应用已达到很高的水平，对激光应用方面的投资也在逐年增加，1 9 9 2 1 9 9 7 年预算增长幅度约为1 4 ，其中7 0 用于材料加工。美国激光加工应用最多的工业 部门有：航空、航天、电子、汽车等，直接或间接从事航空航天工业的3 0 0 0 多家公司 第一章绪论 均采用了激光加工技术，美国空军材料研究所应用6 k w 二氧化碳激光切割铝合金，节约 加工费6 0 - 7 0 ，美国激光加工机床产业在世界上也位居前列，美圉通用汽车公司应用 激光切割系统切割排气管，消除了过去采用传统方法切割，管子变形，且切口毛刺多的 弊病1 。 1 4 激光加工技术的发展趋势 激光加：j 二作为信息时代的一种新弛加二【：工艺，对提高产品质黾、劳动生产率、自动 化、无污染、减少材料消耗等起到了越来越重要的作用，既得到其他高新技术发展的有 力支持，又受到社会经济迅速发展强烈要求的牵引，正保持着强劲的发展势头。预期它 将沿着以下的方向发展“引。 1 、数控化和综合化 把激光与计算机数控技术、先进的光学系统以及高精度和自动化的工件装卸和定位 系统相结合，形成研sj j 矛n 生产加1 ：巾心，已成为激光加：_ 设备发展的一个重要趋势。激 光加 ：中心的特点是，自动化程度高，能完成多种加工，能加工多种材料和多种规格的 产品。 2 、小型化和组合化 美国拧制激光公司研制由计算机控制的高速轴流激光加工中心，利用增压器使c 0 2 气体高速通过激光放电管，然后在形成闭环凹路的热交换器中循环冷却，既加速了冷却 又减少了气体消耗，更重要的是可使激光器占地面积减少到原来的1 1 0 。国外已把激 光切割和模具冲压两种加工方法有机地组合在一台机床上，制成激光冲床。它兼有激光 切割的多功能性和冲压加工的高速高效的特点，可完成切割复杂外形、打细小孔眼、打 标、划线等加工。 3 、高频率性和高可靠性 目前，国外脉冲y a g 激光器的重复频率已达2 0 0 0 h z ，连续二极管泵浦的y a g 激光系 统传输功率已达到i o k w ，i o o w 的器件已经商品化。二极管阵列泵浦的n d ：y a ( ；激光器的 平均维修时问已从原来的几百小时提高到l - - - 2 万小时。 4 、发展用激元激光器的金属加工技术 研究激元激光器用于金属加工是近儿年国外科研的新课题。激光加工的一个主要问 题是普遍采用的c 0 2 红外激光吸收率低，而激元激光器能发射出波长1 5 7 3 5 0n m 的紫 外激光，许多金属对这种激光的反射率很低，即吸收率很高，特别足激光波长小于3 0 0n m 时，铁金属对它的反射率几乎为零。在国外，激元激光器已用于金属加工，很有发展前 途。 1 5 激光雕刻切割机系统设计要求 由于激光加工方式的特殊性，对许多材料采用激光加工方式加工，其优点只有在高 第一章绪论 速下才能体现出米，所以运动速度和定位精度是激光雕刻切割机的主要技术性能。因此， 整个系统的原理方案的确定，将主要从运动控制的两个重要性能指标入手。 1 5 1 运动控制 在运动控制系统中，按机械运动的轨迹分类，可分为点位、直线、轮廓控制等。点 位控制( p o s i t i o nc o n t r 0 1 ) 又称为点到点控制( ( p o i n tt op o i n t c o n t r 0 1 ) ，是一种从某 个位置向另一位置移动时，不管中间的移动轨迹如何，只要最后能到达目标位置的控制 方式。这类控制在移动过程中，对两点问的移动速度及运动轨迹没有严格要求，可以先 沿一个坐标移动完毕，再沿另一个坐标移动，也可以沿多个坐标同时移动。直线控制 ( s t r a i tc o n t r 0 1 ) 又称为平行控制( p a r a l l e lc o n t r 0 1 ) ，这类运动除了控制点到点的 准确4 谚管外，还要保证两点之i j 移动的轨迹是一条直线，而且对移动的速度也要进行控 制。轮廓控制( c o n t o u r i n gc o n t r 0 1 ) 又称为连续轨迹控制( c o n t in u o u sp a t hc o n t r 0 1 ) ， 这类运动能够对两个或两个以上运动坐标的位移及迷度进行连续相关的控制，因而i 叮以 进行曲线或曲面的运动。 在运动控制系统中，按执行部件的类型分类町分为丌环、半闭环和闭环伺服系统。 在激光雕刻机系统中采用的是步进电机驱动的丌环系统，没有位置反馈和校j 下系统，其 位移精度取决于步进电机的步距角及传动机构的精度等。控制系统中采用了高速d s p 处 理器t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 和c p 。d 组合控制步进电机( 激光头) 和c 0 2 激光器在机床平面一卜运 行，实现对材料的加工。 为满足激光加工过程中的速度、精度等一系列问题，必须对加工过程中激光头的运 动与激光发射的时f i i j 同步、配合等问题予以解决，这一方面需要在硬件电路没计中予以 考虑，采用合适的硬件方案；另一方面，软件算法的优劣也是关键，好的算法能充分发 挥硬件潜能，提高机床的稳定性。如果算法设计不成功必将使设备的综合性能有所降低， 针对数控系统中步进电机的运动控制，在控制算法里实现“动态n u r b s 曲线”控制算法、 s 型运动控制曲线等来配合硬件予以解决。 1 5 2 速度控制 运动的快速性是评价一个雕刻机数控系统性能优劣的关键指标之一。因为数控雕刻 机的加工特点是加工速度快、累计运动线路长、启停频繁，不仪要求指令运动速度高， 而且要求快的加减速，以提高雕刻切割加工的平均运动速度，提高加工效率。 综合考虑各种控制要求，最终提出了系统的主要技术与性能指标如下表所示。 表1 - 1 系统主要技术与性能指标 指标名称项目实施后可以达到的指标 最人9 h a - 面积 1 2 0 0 6 0 0m m 最大加t 速度6 4 0 0 0m m m in 激光强度1 0 0 级可分 激光器及功率c 0 27 0 w 第一章绪论 定位精度 0 0 1f i l m 网纹精度 3 0 0 d p i 扫描精度 2 5 0 0 d p i 电源2 2 0 v ，5 0 h z ，1 0 a 最小成型文字 2 5 * 2 5 m m ( 黑体) 1 0 1 o m m ( 英文字符) 接门模 =u s b 模式 运动控制支持赶线插补、曲线捅补 控制方式完全脱机 1 6 系统总体方案 系统总体方案规戈, j t j c j 任务是围绕系统的设计r 标，拟定系统的硬件、软件体系结构、 确定系统的硬软件划分和开发策略，为系统的具体丌发提供指导。总体方案制定得合理 与否不仪将直接影响到系统是否能够达到预期的性能指标，还将影响到系统的工作可靠 性、开发周期与成本以及系统的后续叮维护性、可扩展性等众多方面。 分析系统的没计指标可知，其目标是要设计开发一套皇b c , j 雕亥e j s j l 的控制特点、能满 足各利i 力口：【：控制需求并具有高性价比的激光雕刻切割数控系统。为此，系统首先需从速 度方面入手，重点要解决好运动的快速性和可靠性问题，同时兼顾系统的制造成本，使 硬件造价控制在预期的范围内。可见，系统的处理速度和成本控制是系统方案没计应考 虑的重点。 目前现有的激光雕刻切割机性能的好坏都集中体现在数控系统的性能一卜，国内外现 有的数控系统有以下几种： 1 ) p c + 高速运动控制卡：此方式采用通用p c 机来完成系统实时性要求不高的任务； 而插补计算、速度控制、位置控制等实时控制要求高的任务出高速运动卡完成。但系统 中的底层功能模块必须自行开发，工作量大、开发周期长。另外，高速： 控运动板卡价 格昂贵，且不能脱机运行，从而影响系统的整体性价比。 2 ) m c u + 高速运动控制芯片：该方案利用单片机控制高速控制芯片完成插补、加减 速等高速处理，但单片机等无法完成复杂的运算，现有运动控制：签片不能满足激光雕刻 时运动定位和激光能最动态补偿控制，对实现高速加工条件下的高精度要求则更不能满 足，此外，高速运动控制芯片价格过于昂贵，所以尚不易推广。 3 ) 采用d s p + c p l d 构成：随微电子技术的进步，芯片的制造成本大大降低，而功能 却大大增强，3 2 位的嵌入式微处理器和高速数字信号处理( d s p ) 逐渐成为嵌入式工控 系统设计的主流。由于d s p 的高速数据处理能力，因而在激光雕刻机的数控系统中可以 充分借助d s p 的强大运算能力，把复杂的算法放到控制系统上完成，便于控制算法的优 化和提高，使系统的功能和性能得到很大提高。 基于以上因素的考虑，提出了一种基于高性能d s p 处理器t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 开发高性价 比的激光雕刻切割机数控系统的方案。 第一章绪论 结合高速激光雕刻切割机的功能需求和t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的资源与性能，拟定了雕刻机 数控系统的总体设计框图，如图1 - 1 所示。它由基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 微处理器的运动控制 主板、p c 机和人机界面单元三部分组成 图卜1 系统总体殴计框图 在整个控制系统中，d s p 主控板是数控系统的核心，主控板用米完成了数控系统中 的插补运算、步进电机输出脉冲的分配，发挥d s p 高速计算性能，解决雕刻切割机运动 控制过程中的高速信息问题。另外，d s p 主控板还需对其它外部设备进行控制，如机床 各轴的限位信号、风机和冷却水位等模拟信号，并根据不同的外部信号完成相应的控制 操作。人机界面是机床和操作人员的一个纽带，主要完成操作按键的扫描和；h i l m 状态及 参数的显示。系统中p c 机主要用于完成图形加工数据的读取并设定相应参数，最终下 载到d s p 数控板中进行进一步加工处理。 在p c 端的控制软件中，主要任务是把p l t 、d x f 等格式转换成系统自有的数据格式， 并对图元进行复制、移动、缩放等编辑操作，设置雕刻区及其他的加工参数，形成初步 的加工数据经u s b 传输至d s p 控制板进行进一步处理。而基于嵌入式d s p 实现的雕刻切 割机的控制系统是重点要阐述的，所以以下章节将主要对基于嵌入式d s p 数控系统的硬 件实现与系统软 f ：b # r - 发予以详细阐述。 1 7 研究意义及内容安排 1 7 1 研究意义 激光雕刻机的数控系统是激光雕刻机的控制核心，其控制功能的强弱、控制性能的 优劣直接关系着数控雕刻机的加工质量与加工效率，对整个雕刻机的性价比和市场竞争 力都至关霞要。但目前国产雕刻机使用的数控系统在性能和价格上不能很好地统一，成 为影响国产数控雕刻机市场竞争力的制约因素之一。为此，研究开发具有良好性价比的 第一章绪论 雕刻机数控系统很有意义。 在充分调研分析国产数控雕刻机现状和市场需求的基础上，与某雕刻机生产厂家合 作，以最新高性能d s p 为核心研制开发新型雕刻机数控系统，以进一步提高国产雕刻机 数控系统的性价比，以优良的控制性能和较低的价格进一步增强国产雕刻机的市场竞争 力，并为雕刻机最终用户改善产品质量、提高! e 产效率、节约生产成本提供有效手段。 主要研究工作包括： ( 1 ) 分析激光雕刻切割的原理，对影响困内外激光雕刻切割系统性能指标的原因作 了深入探讨与研究，并从系统结构设计、控制算法设计等方面给出了实际的解决思路： ( 2 ) 根据提出的设计要求，提出彳 0 ，其余w 0 。 第二章n u e b s 曲线插补技术 b 样条基函数的推导公式为 b i k ( z ，) 2 f 0 b i , o ( u ) i 1 u - u i u i + k 一甜ib i , k - 1 ( “) + 瓦u i + k 鬲+ 1 - u ( “) 节点列u = ，u n m ， ，对于非周期n u r b s 曲线将两端点的重复度取为k + 1 ，即 u 02u l2 。u k 甜n + l2 甜25 2u 女+ i 。 由上可推出，v ：= v ，= ( z ，+ 一) ，v ；= ( + ：一) ，v ；= ( “m - - 4 ，) 依次类推，特别 的v ：= 0 。对于节点列“，生成眈= v 。，v 1 ，一，v 。) ，对于玎 珥，+ 。 ， 令 ， 则t 【o ，1 】。 n u r b s 曲线的次数越高，曲线越光滑，但曲线与控制点构成的特征多边形的逼近程 度也越差，同时计算量也相对增大，因此一般工程中常使用三次插补。下面给出三次 n u r b $ 曲线第，段递推公式： 弓( f ) 2 【l ff 2 f 3 哆 w 氏 匕+ l 呜+ 1 w i + 2 1 气+ 3 d f + 3 h-_。 匕 【l ，2f 3 m 心+ 1 w f + 2 w f + j m = z m 11 m 2 1 m 3 1 m 4 1 ( v ， v 乙l v 3 _ 2 m 1 2 m 2 2 2 m 4 2 m 1 3 晚3 鸭3 m 4 3 m 1 4 毪4 4 7 4 3 m i1 3 ( m 11 - m 2 3 ) 3 m 1 13 ( m l l _ 3 ) ( 0 ，1 ；i = 0 ，1 ，n 一3 ) 一m 11m 11 一m 4 3 一聆4 4 这恰与b 样条基函数的性质吻合。 - 1 0 - ( v f 1 ) z v 互l v 五l 3 v i v i 1 v 互l v 3 - l 3 v i v i 1 v 2 - l v 3 _ l 一 孚+ w 矗 o o 0 ( v ， v e v 3 jf ( 2 3 ) ，o 厶 一 c 、厶 ，l ，余：壬其 甜 单片机功能模块； 控制系统中的主要器件有d s p 、单片机与c p i 。d 三个可编程器件。d s p 进行与上位机 的握手通信、数据存储以及数据处理、控制激光加工以及连接d s p 与单片机的通信：单 片机实现设备的人机交互；c p l 。d 为d s p 与外罔器件及通信设备间构建逻辑与时序上的连 接。 3 2t m s 3 2 0 f 2 8 12 特点脚列 c p u 是整个控制系统的核心，它的选择直接决定着整个系统运行处理速度的性能指 标，还直接影响着系统硬件电路设计的复杂程度以及系统的性价比等。因此c p u 的选择 是硬件电路设计的首要任务。而系统其它硬件都是围绕着c p u 来进行扩展设计的。针对 系统的性能和功能要求，经过广泛调研、反复比较，系统最后采t i 公司的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 第三章系统硬什电路设计 作为中央处理器。t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 是美国德州仪器公司推出的集d s p 与m c u 功能于一体的 数享处理器。最高运算速度可达每秒1 5 0 m i p s ，并- 月提供8 级深度的流水线作业模式。 因此它呵用于对速度要求很高，对实时性要求非常严格的控制系统中，对系统这样典型 的高速实时控制系统非常合适。 与现有的d s p 或m c u 芯片相比，它具有以下特点： l 、t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 是一款3 2 位定点d s p ，它不仅拥有数字处理器在运算方而的优势， 同时还提供了与一般微处理器( m c u ) 类似的系统外设集成能力与易用性。 2 、t m s 3 2 0 f 2 8 12 具有大容量的高速闪存，高速闪存支持可达8 5 m i p s 的程序执行速 度，设计人员能够迅速而实时的访问大量可编程数据，其存储龟最高可达1 2 8 k 字( 具 有重要专用算法的代码安全保护功能，可防止偷窃或篡改) 。同时片内r a m 为1 8 k 字， 支持要求更快访问的时间紧迫的代码或数据。 3 、t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 具有高效c 语言编译器，使得编译的程序可读写性好。同时 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 由独特的工q 数学函数库提供支持。这种组合使得设计人员能够在短短的 几分钟内就町将浮点算法连接到定点处理器，远远优于传统定点设备中冗长而又费时的 数学算法转换。 除此之外，t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 还集成了以下片内功能： 1 、片上集成了1 6 路1 2 位模数转换器( a d c ) ，其吞吐量高达每秒1 2 5 0 万次采样， 并具有双采样保持功能，从而能够快速响应紧密的控制环路； 2 、两个事件管理模块，包括4 个1 6 位事件定时器、1 2 路脉宽调制p w m 输f 甘通道和 6 路片内光电编码接口电路； 3 、片上集成2 路串行通信接口； 4 、基于锁相环的时钟发生电路； 5 、片内集成3 个3 2 位通用定时器； 6 、看门狗定时器模块。 此外，片内还有l 路m c b s p 同步串口、l 路s p i 同步串口和1 路e c a n 总线。 图3 2 功能框图 第三章系统硬件电路设计 3 3 电源电路设计 随着现代高速超大规模集成电路尺寸不断减小、功耗不断降低以及电器和电子产品 朗着更轻、更小的方向发展，低功耗已成为现代单片机、数字信号处理器及各类器i c 件所追求的一个目标。传统的译片机、数字信号处理器组成的控制系统，工作电压为5 v 。 各生产厂家为适应发展趋势，不断推出低电压供电芯片，t i 公司推出的数字信号处理器 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 要求3 3 v 和1 8 v 双电压供电，这样在降低功耗的同时也在一定程度上提 高了数据处理速度。因此，低电压二l 作芯片的发展对供电电源提出了新的要求。课题设 汁了以t i 公司的t p s 7 6 7 d 3 0 1 为核心的电源系统，提供了种高效、可靠的电源方案。 3 。4 存储模块设计 图3 - 3 电源电路图 系统加工时有两种途径获得加工数据，一是通过上位机下载数据；另一种途径是调 用系统内部已经存储的加工数据。t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 虽然内部有1 2 8 kf l a s h ，但是这用来存 储加工数据显然足不够的，所以要扩充f i 。a s h 存储器。此外，由于f l a s h 的读取速度较 慢，在系统进行加工的时候，不可能每条数据都从f i a s h 内读取，否则会影响系统的运 行速度。为了提高系统的运行速度，设计思路是在加工前尽可能多的将加： 数据读入 s r a m 内，为此系统还需扩展s r a m 存储器。 3 4 1 存储器的选定 根据实际要求，通常一个普通的雕刻机程序小于1 m 存储空间，而在系统内部还需 保存若干个常用的加工程序代码，系统最多可达8 个。因此，系统需扩展1 2 8 m 8 b i t 的f l a s h 存储器和l m 1 6 b i t 的s r a m 存储器。其中采用1 6 b i t 字宽是因为尽管 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 是3 2 位定点d s p 处理器，其数据的存储和读取都是1 6 位字宽。 系统设计时，扩展了两片i s s i 公司的6 1 l v 5 1 2 1 6 静态读写存储器来构成1 6 m b i t 的 s r a m 。如图3 - 4 所示，6 1 l v 5 1 2 1 6 是一种低压低功耗的s r a m ，可以用系统3 3 电压直接 供电；另外，此芯片的读写周期最大不超过1 2 个n s ，与d s p 之间无需插入等待周期便 可进行读写操作。系统扩展的1 2 8 mx8 b it 的f l a s hj 蓉片是三星公司的k 9 f 1 g 0 8 u o a 快擦 第二章系统硬什电路设计 写町编程存储器。具体的存储器电路框图如图3 5 所示。 v c c v s s v 5 1 2 1 6 图3 4 存储器扩展电路框图 3 4 2d s p 对n f l a s h 的读写3 2 1 图3 ，5k 9 f 1 g 0 8 u o a 功能框图 u 0 0 而7 1 n f l a s t t 介绍 n f l a s h 是一种高性价比的数据存储器件，它具有掉电数据不丢失的特性，单片 n f l a s h 就具有几g b i t 的存储容量，而价格却低于一般的s d r a m 内存条。这里使用的 2 0 攀 一e e e 8 7 6 5 4 3 2 ，o p 湛j 6 5 矗3 2 _ ：d一睨一雌一旺舢棚舶小心们舭川舢似躺肿筋”斛躬舵m鹪 第二章系统硬什电路设计 n f l a s h 型号是s a m s u n g 公司的k 9 f 1 g 0 8 u o a ，存储容量1 2 8 m 8 b i t s 。它足通用8 位数 据总线与两个地址命令标志信号线组合的方式，发送需要存储的命令和地址信息，并读 写数据的汹3 。 对n f l a s t t 操作时，通过写命令，写地址和读写数据的连接过程，完成对n i ? l a s i t 的 各功能操作。片内地址分为行地址与列地址，形成地址矩阵，从而扩火片内地址空间。 器件为3 3 v 供电，与所连接的c p l d 引脚电平匹配，使用很方便，表3 1 为器件的引 脚。 表3 一lk 9 f 1 g o s u o a 引脚 名称数培 状态 说明