基于ARM9的嵌入式数控铣床控制系统的设计_杨莉.pdf

数控 数显 基于 ARM9的嵌入式数控铣床控制系统的设计 杨 莉 李正明 刘宝森 江苏大学 212013 摘要 传统数控系统硬件大多基于通用计算机或工业控制计算机之上 软件基于 W indo ws平台 文章给出了一 种基于 L inux操作系统 以 ARM9微处理器为硬件平台 向动力驱动装置 即伺服电机和步进电机驱动器提供控制信 号 控制铣刀的旋转和走位的嵌入式数控铣床控制系统的实现方案 经实验表明 本系统在较好地满足传统数控铣 床系统功能要求的前提下 大大降低了成本 节约了资源 关键词 嵌入式 数控铣床 ARM L inux S3C2410X 中图分类号 TP271 文献标识码 B 文章编号 1004 0420 2008 02 0008 04 Design of embedded CNC m illingmachine control system based on ARM9 YANG L i LI Zheng m ing LIU Bao sen Jiangsu University 212013 Abstract M ost traditional hardware of CNC milling machines usually based on general co mputer or industrial control co mputer and softwareW indows as their soft ware platfor m This paper is a progra m aboutan e mbedded CNC milling machine control syste m which is based on Linux operating system andARM9 microprocessor ARM 9m icroprocessor is used for setting up e mbedded hardware platfor m ai med to provide controlsignal for driving device servomotor driver and steppermotor drives and then the control signal is used to control the cutter s rotating and pace The experi ments show that in the pro m ise ofmee t ing the functional requirements of the traditionalCNC m illingmachine better the cost is reduced greatly and saving resources are attained Keywords e mbedded CNC m illingmachine ARM L inux S3C2410X 0 引言 目前国内使用的数控系统通常是在通用计算机或 工控机的基础上加装运动控制卡 使用 W indows操作 系统 并安装昂贵的数控软件构成的 这样的系统软 件成本高 硬件资源浪费 功耗大 而嵌入式产品具有 系统结构精简 功耗低等特点 能弥补传统数控系统的 不足 免费软件 Linux操作系统进军嵌入式领域 更 使得嵌入式产品能够充分发挥廉价 高性价比的优势 本文所述的正是以 L inux 操作系统为软件平台 以 ARM9微处理器为硬件平台 以数控铣床为背景 自主 研发数控硬件及软件的嵌入式数控铣床控制系统 1 系统总体设计 本系统总体设想是参照传统的数控系统模型 以 ARM9为嵌入式数控系统代替以往的 PC机或通用工 业控制机 向动力驱动装置提供控制信号 从而控制机 床铣刀的旋转和走位 以三星公司的 S3C2410X 为核 心构成 ARM 系统主板 配合外围扩展板卡电路 构成 本系统的硬件平台 选用嵌入式 Linux操作系统为软 件平台 编写设备驱动程序 数控算法及图形界面 除 具有最基本的数控功能外 为方便文件传输和远程监 控 系统具备网络功能 利用 ARM 系统主板上多种接 口 为能够外接多种存储器提供了方便 2 系统硬件组成 系统的硬件由 ARM 系统主板和扩展板卡组成 硬件结构如图 1 2 1 ARM 系统主板 根据系统需要 主板上主要包括中央处理器 S3C2410X SDRAM 内存 NAND FLAS H 64 M 串口 CS8900A以太网芯片 10M 网口 LCD显示器接口 USB接口 扩展总线接口等 中央处理器 S3C2410X内部资源十分丰富 包括 1 个 LCD控制器 SDRAM 控制器 3个通道的 UART 4 个具有 PWM 功能的计时器和 1个内部时钟 2个 USB 8 机床电器 2008 2数控 数显 基于 AR M 9的嵌入式数控铣床控制系统的设计 图 1 硬件结构图 主机接口和 1个 USB设备接口等 S3C2410X 处理器 主频最高为 202MH z 内置 16 KB指令高速缓存和 16 KB数据高速缓存 5级指令流水线 带有乘累加运单 元 可以运行起嵌入式 Linux操作系统并能进行较为 复杂的信息处理 基本满足用户对快速性的要求 并 且采用 NAND FLAS H 与 SDRAM 组合来存储数据和程 序 可以获得非常高的性价比 系统采用 10M 的以太网接口芯片 CS8900A 这是 用于嵌入式设备的低成本以太局域网控制器 通过标 准网络接口数控系统可以连接到 Internet或局域网上 2 2 扩展板卡 扩展板卡即把步进电机驱动器控制接口 伺服电 机驱动器控制接口 编码器接口集成在一个板子上 作 为控制数控铣床的控制卡 来控制步进电机和伺服电 机的运转 机床目前设计为 3轴联动 为未来能扩展为 5轴 设计留有 5组接线端子 每组需要两个接线端子与驱 动器相连 采用单脉冲方式 其中一个端子通过导线 连接步进电机驱动器的 CP 提供给步进电机脉冲信 号 控制它转动 另一个接驱动器的 C W 控制电机的 转动方向 使电机可以完成正转 反转和停止动作 对 电机的速度控制是通过软件控制脉冲的输出频率实现 的 经比较决定选择三相混合式步进电机驱动器 BD3SFB 因 BD3SFB驱动器可兼容两相 四相和五相 的工作方式 且有更高的定位精度 可控制电机在任意 细分步数情况下 如 6000步 转时精确定位 电机和驱 动器间仅用 3根线连接 与交流异步电机一样 减少连 线出错的可能性 伺服电机的控制与反馈由驱动器完成 数控系统 只需将指令信号发送至驱动器中 由处理器的通用 I O口产生伺服电机的脉冲信号和方向信号 伺服驱动 器一般需要差分信号作为输入 故采用 26LS31芯片作 为其输出驱动电路 经过光耦的隔离直接连接到伺服 电机驱动器上 对步进电机采用开环控制 但为了将铣刀具体位 置呈现给用户 同时修正控制及运动部分不可预见的 误差 可以在步进电机上安装编码器 通过联轴器将 二者相连 编码器脉冲信号经8253 计数后可得到被测 量的数字信号 然后经地址锁存器连接到扩展总线 由 处理器进行处理 8253复用 8位数据总线表示计数 值 处理器先读低 8位后读高 8位 计数范围是 0 65 535 同时 鉴向器占用数据总线 3位表示各电机 旋转方向 在单脉冲模式下 编码器脉冲由 D触发器 CD4013鉴相 处理器通过判断高低电平得知电机旋转 方向 为了抗干扰和实现电气隔离 在与步进电机驱 动器的脉冲信号和方向信号的端口连接时采用了光电 隔离器件 D触发器鉴相如图 2 图 2 鉴相 3 系统软件设计 传统数控系统的使用流程是先由用户编辑 G 代 码或其它格式的加工文件 数控系统根据该文件中代 码的意义 控制刀具做出相应的动作 所以在软件方 面 系统需要提供文本编辑功能 对加工文件的编译功 能 电机驱动功能等 为了使用户验证加工程序的正 误 系统还要提供仿真功能 将走刀过程展现给用户 为了实现网络功能 本系统还移植了嵌入式浏览器 Konqueror Embedded 这是一款自由软件 由于浏览 器可以访问 HTTP FTP S MTP NNTP等多种不同协议 的服务 故安装浏览器可谓一举多得 移植过程参考文 献 5 软件结构如图 3所示 根据上述规划 软件方面需要完成的工作有 3 1 操作系统平台的搭建 9 数控 数显 基于 ARM9的嵌入式数控铣床控制系统的设计机床电器 2008 2 图 3 软件结构图 由于本系统要求多个外围设备同时工作 运行过 程较为复杂 软件体系面向对象 操作流程可以随机 故需要使用操作系统 嵌入式产品的主要优势之一是 高性价比 因此本系统选用免费的 L inux操作系统作 为软件平台 除免费的优点外 L inux还是发展最快 应用最广泛的操作系统 它具有很高的可靠性和效率 可裁减且容易移植 使 Linux系统顺利运行需要移植 三个部分 Bootloader 内核和根文件系统 移植方法参 见文献 1 3 2 伺服电机和步进电机驱动程序 伺服电机需要的信号是 PWM 波形控制信号 因 此伺服电机驱动程序主要是实现脉宽调制 这个脉宽 调制是利用一个定时器 并根据由 SPWM 算法得到的 延迟时间 控制一个通用 I O 端口高低电平持续时间 得到的 系统产生的 PWM 波形如下图 4所示 图 4 P WM 波形图 而在三个步进电机的设备驱动程序中 向步进电 机发送连续信号定义为写操作 从8253中读数据定义 为读操作 由键盘控制各电机动作作为自定义操作 这些设备使用了用户扩展总线的数据线 需要使用不 同的地址以复用数据总线 与普通单片机不同的是 由于 ARM 的端口是内存映射的 所以不能直接向物理 地址发送数据 而是申请一段虚拟地址 然后使用 iore map函数将此地址与需要的物理地址对应起来 该设 备也使用了一个定时器 以控制发送给步进电机的脉 冲速率 3 3 G代码编译 G代码是国际通用的机床加工代码 其编译的思 想是 首先将 G 代码文件读入流中 逐行分析其意义 并且带有查错功能 当遇到子程序跳转时记录文件指 示出其位置和循环次数时 子程序返回后从记录位置 继续执行 遇到主轴旋转时 在编译文件中写入旋转标 志和 PWM 的脉宽 遇到插补命令时写入脉冲标志和 每步的三坐标脉冲信号 诸如此类 最后生成记录 整套加工步骤的二进制文件 编译流程如图 5所示 图 5 编译流程图 3 4 插补算法与刀补算法 数控铣床控制系统使用逐点比较法实现直线和圆 弧插补算法 以刀的当前位置为起点 以 G 代码给定 位置为终点 在其间的直线或圆弧上插入拟合点 根据 这些点产生一系列三坐标脉冲信号 直线插补算法可 参考文献 2 在圆弧插补算法上 对文献 2 提出的逐点 比较法的缺陷是圆弧插补只能走 x 或 y 方向的正交 线 而缺失了最应该在圆弧插补中出现的由 x y 方向 合成的 45 135 斜线 系统根据圆弧相对于 x 或 y轴 的倾向性 使插补过程中在圆弧的 45 135 附近尽量 使用斜线 使得插补精度更高 步数更少 图 6是由 M atlab仿真得到的改进算法和传统算法的比较 如果 定义理想曲线和拟和曲线的误差为两曲线相夹的面积 图中灰色部分 可看出改进算法的误差较小 编写加工程序时 一般只考虑刀具中心沿零件轮 廓切削 而忽略刀具半径对加工的影响 在实际加工时 10 机床电器 2008 2数控 数显 基于 AR M 9的嵌入式数控铣床控制系统的设计 图 6 圆弧插补算法比较 需要在刀具中心与刀具切削点之间进行位置偏置 补 偿上述影响 这种变换过程即为刀具补偿 系统采用 的是带有过度连接的 C刀具补偿算法 该算法比较复 杂 与许多因素有关 为此定义了一个结构作为刀补函 数的参数 该函数更改插补始末位置 增加过渡曲线实 现刀补功能 参数结构如下 具体方法参考文献 3 structCompensate floatx 3 两条相连曲线始末位置的 x轴坐标 float y 3 两条相连曲线始末位置的 y轴坐标 int side 2 刀补偏向 int interpolation 2 两条相连曲线的插补命令 floatknf r 刀具半径 structCircle floatO 4 两个相连圆各自的圆心坐标 int dir 2 两相连圆各自走向 circle 3 5 仿真及运行程序的编写 仿真程序用来将用户编写的 G 代码以图形的方 式反馈给用户 以检验该 G代码的正确性 在对 G 代 码编译之后 仿真文件读入编译文件 依据动作标志完 成功能 根据三坐标脉冲序列画点连线 仿真界面分 为主视图 左视图 俯视图和轴侧图四种视角 使用户 能全方位看清加工过程 图 8所示的是图 7中工件加 工仿真的轴侧图 该工件的加工代码是文献 2 中的 实例 选择该工件是因为其代码中包含刀补 插补 子 程序 跳转 循环 镜像等环节 可以作为严格的测试程 序 运行程序与仿真程序机理相同 只不过将画图变 成了对电机的控制 加工程序采用了多进程方式 使 得主轴旋转与走刀动作相互独立 同时能够相应键盘 事件 可以使电机在加工过程中停止或继续 以避免意 外事件的发生 同时也允许换刀 4 结论 以 ARM 9微处理器为硬件平台 免费的 Linux操 作系统为软件平台 开发了嵌入式数控铣床 实现了对 步进电机和伺服电机的控制 在对制作的电路板和编 程的系统