基于pc的雕刻機數(shù)控系統(tǒng)畢業(yè)設計

1、<p><b>　　緒論</b></p><p>　　隨著PC技術的迅速發(fā)展，其在工業(yè)控制領域得到廣泛應用。用PC技術開發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)可以得到強有力的硬件和軟件支持，避開專有技術的制約，在較短時間內達到較高水平。USB 自問世以來，就以其速度快、成本低廉等諸多優(yōu)點逐步占領了PC及其外圍設備市場。隨著大量支持USB的個人電腦的普及， USB 逐步成為PC機的標準接口已經(jīng)是大勢所趨。&l

2、t;/p><p><b>　　1.1 課題背景</b></p><p>　　數(shù)控技術是先進制造技術（如柔性制造系統(tǒng)、計算機集成制造系統(tǒng)等）的基礎。要發(fā)展先進制造技術，首先必須重視制造單元技術（數(shù)控技術、加工單元、柔性制造單元等）。數(shù)控機床在現(xiàn)代加工領域，特別是在發(fā)達的工業(yè)國家（如美國、日本、英國、德國等），已經(jīng)作為主要加工設備而取代傳統(tǒng)加工機床。數(shù)控機床在整個現(xiàn)代制造系

3、統(tǒng)中處于基礎性的，核心的地位。因此，在現(xiàn)代制造系統(tǒng)朝著集成化、綜合化和智能化發(fā)展的今天，特別是計算機技術發(fā)展與普及化，深入研究新一代數(shù)控技術具有重要的意義和實用價值。</p><p>　　1952 年，麻省理工學院研制成功出第一臺三坐標連續(xù)控制的數(shù)控銑床，這標志著數(shù)控機床的誕生。數(shù)控機床一問世就顯示了極大的優(yōu)越性，由此逐步發(fā)展和完善起來。尤其是在70 年代以后，伴隨微電子技術、計算機技術、控制技術和伺服技術的發(fā)展

4、而不斷地發(fā)展演變。數(shù)控技術的應用不但給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來了革命性的變化，使制造業(yè)成為工業(yè)化的象征，而且隨著數(shù)控技術的不斷發(fā)展和應用領域的擴大，對國計民生的一些重要行業(yè)（IT、汽車、輕工、醫(yī)療等）的發(fā)展起著越來越重要的作用，因為這些行業(yè)所需裝各的數(shù)字化己是現(xiàn)代發(fā)展的大趨勢。</p><p>　　1.2 CAD/CAM概述</p><p>　　CAD/CAM是計算機輔助設計/計算機輔助制造（Co

5、mputer Aided Design/Computer Aided Manufacture）的簡稱，是當今世界發(fā)展最快的技術之一。它不僅促使了生產(chǎn)模式的轉變，同時也促進了市場的發(fā)展。 在計算機輔助下進行設計與傳統(tǒng)的以人為核心的設計明顯不同。根據(jù)產(chǎn)品開發(fā)計劃和對產(chǎn)品功能的要求，不再僅僅是依靠設計者個人的知識和能力去設計，而是運用包括設計者本人和存儲在計算機中的多種知識，在CAD系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫的支持下進行工作。這種工作方式設計出的產(chǎn)

6、品大大優(yōu)于單個設計師憑個人腦力和能力設計出的產(chǎn)品；另外，CAD輸出的結果也不僅僅是裝配圖和零件圖，還包括設計、制造過程中應用計算機所需的各種信息。 CAM技術主要是圍繞著數(shù)控編程技術開始發(fā)展的。數(shù)控加工是CAD/CAM發(fā)揮效益最直接、最明顯的環(huán)節(jié)之一。 加工對象的形狀越復雜，加工精度越高，設計更改越頻繁，數(shù)控加工的優(yōu)越性越容易得到發(fā)揮。因此數(shù)控編程技術受到高度重視。然而從制造的全過程看，應用計算機作為輔助手段的不僅僅是數(shù)控編程，

7、還有許多技術和方法歸類于CAM的范疇，如計算機輔助工藝規(guī)劃（CAPP</p><p>　　所以在實際應用中，CAD/CAM是以系統(tǒng)方式出現(xiàn)的，包括商品化CAD/CAM系統(tǒng)和企業(yè)根據(jù)應用目標構件的CAD/CAM系統(tǒng)。系統(tǒng)中包括設計與制造過程的三個主要環(huán)節(jié)，即CAD、CAPP和NCP。其中CAPP和NCP屬于CAM范疇。完善的CAD/CAM系統(tǒng)一般包括產(chǎn)品設計、工程分析、工藝過程規(guī)劃、數(shù)控編程、工程數(shù)據(jù)庫以及系統(tǒng)接口

8、幾個部分。這些部分以不同的形式組合集成就構成各種類型的系統(tǒng)。</p><p>　　我國CAD/CAM軟件不管是從產(chǎn)品開發(fā)水平還是從商品化、市場化程度都與發(fā)達國家有不小的差距。由于國外CAD/CAM軟件出現(xiàn)得較早，開發(fā)和應用的時間也較長，所以它們發(fā)展比較成熟，現(xiàn)在基本上已經(jīng)占領了國際市場。這些國外軟件公司利用其技術和資金的優(yōu)勢，開始大力向我國市場進軍，目前，國外一些優(yōu)秀軟件，如UG、SolidWorks、Pro/E

9、ngineer、CATIA等，已經(jīng)占領了一部分國內市場。</p><p>　　經(jīng)過多年的推廣，我國也出現(xiàn)了一些優(yōu)秀CAD/CAM軟件，例如：高華CAD、CAXA電子圖板和CAXA-ME制造工程師、GS-CAD98、金銀花系統(tǒng)、開目CAD等。另外，CAD/CAM技術可以應用在許多領域，機械制造是最早也是最廣泛應用CAD/CAM技術的領域。隨著CAD/CAM技術的發(fā)展，建筑、電子、化工的領域也開始應用該技術，在這些新

10、的應用領域中，國外軟件的優(yōu)勢并不明顯。所以，我國CAD/CAM軟件在這些方面還是可以與發(fā)達國家競爭的，并且隨著CAD/CAM技術應用的深入，越來越多的領域將會使用該技術，所以，如果能夠緊跟時代潮流，不斷應用于新的領域，那么國產(chǎn)CAD/CAM軟件還是很有前途的。 </p><p>　　雕刻加工是一種很傳統(tǒng)的手工工藝，在工藝品、標牌、首飾等行業(yè)具有悠 久的歷史[4]。但傳統(tǒng)的雕刻加工一般都是手工工藝，產(chǎn)品的質量主要取

11、決于雕刻 師傅的技藝水平，而且勞動生產(chǎn)率低，成本價格高，可重復性差。隨著市場需 求的不斷擴大以及模具工業(yè)的迅速發(fā)展，除首飾、標牌和工藝品的模具制造需 要雕刻以外，很多日常生活用品（如服飾用品、鐘表零件）的模具也大量需要 雕刻加工，導致了雕刻加工向自動化方向發(fā)展。</p><p>　　目前，雕刻系統(tǒng)主要分兩種:一種是激光式雕刻系統(tǒng)，他采用激光作為加工 具進行雕刻加工:另一種是機械式雕刻系統(tǒng)，它采用傳統(tǒng)的切削式加工方

12、法進行 雕刻加工。這兩種雕刻系統(tǒng)各有優(yōu)缺點，應用區(qū)域也不盡相同。激光雕刻對加 工材料有一定的限制，它無法加工石材的材料，主要應用于標牌業(yè)和廣告業(yè);而 機械式雕刻系統(tǒng)加工軟到橡膠硬到石材等各種材料，應用范圍也較激光雕刻系統(tǒng)廣泛的多。</p><p>　　機械式雕刻系統(tǒng)又可分為仿形雕刻機和計算機數(shù)控(CNC)雕刻機兩大類。機械式雕刻系統(tǒng)可以完成有互換性要求的雕刻加工和模具雕刻加工。計算機數(shù)控 (CNC)雕刻機按驅動電

13、機分類，可分為步進電機驅動的計算機數(shù)控雕刻機和伺服 電機驅動的計算機數(shù)控雕刻機，后者精度較高，但控制復雜，成本也較高；按 運動坐標類型進行分類，分為三坐標CNC雕刻機和五坐標雕刻機；按機床結構 進行分類，分為立式CNC雕刻機、臥式CNC雕刻機和龍門CNC雕刻機等。下面 是雕刻系統(tǒng)的發(fā)展示意圖[5]:</p><p>　　圖1.1雕刻機系統(tǒng)發(fā)展示意圖</p><p>　　1.3基于PC的雕刻

14、機數(shù)控系統(tǒng)</p><p>　　1.3.1基于PC的數(shù)控系統(tǒng)的特點及模式</p><p>　　從上節(jié)介紹中可知，數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展到1995年以后，基于PC的開放式數(shù)控 系統(tǒng)成為數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的主要方向。用PC技術開發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)可以得到強有力 的硬件和軟件支持，避開專有技術的制約，在較短時間內達到較高水平[8]。其主 要特點有：</p><p>　　豐富的軟件資源，可將現(xiàn)有

15、的各種工廠管理軟件、CAD/CAM軟件、通訊 軟件等裝進系統(tǒng)運行并直接控制機床加工程序。完備的軟件開發(fā)環(huán)境，使系統(tǒng)開發(fā)工作量大大減少。標準化的硬件、網(wǎng)絡功能以及開放的總線，使系統(tǒng)體系結構具有模塊化、 網(wǎng)絡化、開放性的特點。以上種種特點，使得它在改善CNC系統(tǒng)的數(shù)控編程、人機界面、實時仿真、 狀態(tài)信息監(jiān)測、網(wǎng)絡通訊等功能方面表現(xiàn)出了無可比擬的優(yōu)勢。</p><p>　　就結構形式而言，目前基于PC的開放式數(shù)控系統(tǒng)有

16、3種模式：PC嵌入NC模式這種模式無法直接利用通用的PC，開放性受到限制。NC嵌入PC模式這種模式是在通用PC的擴展槽中插入專用的運動控制 卡，運動控制卡多以DSP為核心的多軸運動控制技術，能夠充分保證系統(tǒng)的性 能；同時可以充分利用PC機豐富的軟硬件資源，開放性好；但開發(fā)難度較大。</p><p>　　Soft型開放式數(shù)控系統(tǒng)模式這種模式的CNC功能全部由裝在PC機中 軟件實現(xiàn)，硬件部分僅是計算機與驅動電機和外部

17、I/O之間的標準化通用接口， 就像計算機中可以安裝各種品牌的聲卡、CD-ROM和相應的驅動程序一樣，因而 提供給用戶最大的選擇和靈活性。</p><p>　　1.3.2基于PC雕刻機數(shù)控系統(tǒng)的通訊總線形式</p><p>　　目前，在基于PC的雕刻機數(shù)控系統(tǒng)中，PC與機床控制接口通訊的常用總線 形式有串口、并口、ISA總線、PCI總線和USB總線等。</p><p>

18、;　　串口和并口傳輸效率低，已不能滿足現(xiàn)代雕刻機數(shù)控系統(tǒng)的實時性要求， 已逐漸被主流雕刻機數(shù)控系統(tǒng)所淘汰。ISA總線雖然效率比串口、并口有了很大的提高，但隨著計算機技術的蓬勃 發(fā)展，ISA總線自身的種種缺陷逐漸顯現(xiàn)，在商用PC機系統(tǒng)己基本被淘汰。PCI總線是目前并行總線的主流，速度快、兼容性好。然而，與后續(xù)相繼推 出的高速出口總線相比，其擴展必須采用板卡形式，不僅安裝麻煩，容易受機 箱內環(huán)境的干擾，而且受計算機插槽數(shù)量和地址、中斷資源的

19、限制，掛接設備 數(shù)量不能太多。</p><p>　　隨著USB的推出，其優(yōu)點不斷被認識，不僅數(shù)據(jù)通訊速度高，而且支持外 置的熱插拔和即插即用，擴展極為方便，因而得到迅速的普及應用。特別是當 2001年末Cypress公司推出第一款集成USB2.0的微處理器時，USB2.0接口在 數(shù)據(jù)采集和通訊方面得到迅速的應用，并開始成為高速數(shù)據(jù)通訊的熱點。將USB總線應用于基于PC的數(shù)控雕刻機系統(tǒng)，可很好地解決高速數(shù)控雕刻 機

20、系統(tǒng)在接口通訊中面臨的矛盾，能夠易于實現(xiàn)高速、低成本、高可靠性、多 點的數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)監(jiān)控等控制系統(tǒng)。雕刻機數(shù)控系統(tǒng)的研制目標和設計思想。</p><p>　　目前，國產(chǎn)雕刻機使用的數(shù)控系統(tǒng)在性能和價格上不能很好地統(tǒng)一，成為 影響國產(chǎn)數(shù)控雕刻機市場競爭力的制約因素之一。數(shù)控雕刻機是一種典型的機 電一體化設備，研制的總體目標是提高該產(chǎn)品在市場中的競爭能力，研制目標 具體體現(xiàn)在以下幾個主要方面：</p>

21、<p>　　提高可靠性并降低成本，開發(fā)基于軟件控制的雕刻機數(shù)控系統(tǒng)。依靠和發(fā) 揮軟件技術優(yōu)勢，提高系統(tǒng)性能，降低成本，加快產(chǎn)品的開發(fā)周期。提高數(shù)控系統(tǒng)的插補運算速度和精度，提高控制速度的平穩(wěn)性。模塊化設計，將雕刻機從軟、硬件結構上按功能劃分模塊，各功能模塊相 對獨立研究、發(fā)展和完善，通過標準接口聯(lián)成系統(tǒng)。</p><p>　　基于以上的研制目標、發(fā)展趨勢和研究室已有的成果[9]，本文設計的雕刻 機數(shù)控

22、系統(tǒng)采用“PC + USB2.0 +數(shù)字脈沖伺服接口卡”的數(shù)控系統(tǒng)體系結構。 這種結構利用了 PC平臺的優(yōu)勢，開發(fā)簡單，易于實現(xiàn)和維護，并對市場的響應 快，具有一定的開放性；利用USB2.0高速傳輸、使用便捷等特點實現(xiàn)海量數(shù)據(jù) 通訊，突破數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠款i；基于FPGA實現(xiàn)精插補控制器作為數(shù)字脈沖伺服接 口和其它I/O接口功能，其速度快、集成度高，在提高性能的同時可降低開發(fā) 難度和設計成本。</p><p>　　1.

23、3 主要研究內容及安排</p><p>　　本文在充分的市場調研基礎上，根據(jù)雕刻機數(shù)控系統(tǒng)的總體要求，開展數(shù) 字脈沖伺服接口卡的研制、USB總線的開發(fā)和上層應用軟件開發(fā)等工作，主要包 括方案設計、改進，軟件編程，數(shù)字脈沖伺服接口卡的研制，分系統(tǒng)調試和系 統(tǒng)聯(lián)合調試等。具體工作如下：</p><p>　　USB通信方案設計、開發(fā)和調試掌握USB2.0總線協(xié)議及特點，完成USB固件開發(fā)和調試。

24、數(shù)字脈沖伺服接口卡的方案設計、改進和調試根據(jù)項目總體對精插補驅動脈沖的功能、時序和接口要求，完成基于FPGA 的數(shù)字脈沖伺服接口卡設計。</p><p>　　數(shù)字脈沖伺服接口卡的硬件研制完成USB和FPGA的硬件原理圖設計，PCB板調試和測試。</p><p>　　精插補控制器模塊的VHDL編程和仿真測試完成EZ-USB FIFO接口驅動電路、乒乓FIFO存儲器、DDA精插補電路等模 塊的

25、編程和仿真測試等。應用軟件方案的改進和開發(fā)完成USB驅動的開發(fā)，數(shù)控程序的實時仿真，自動加工、手動加工等數(shù)控 操作的軟件設計和調試。完成FPGA片內模塊及板級聯(lián)調、應用軟件調試和系統(tǒng)聯(lián)調及測試等。</p><p>　　2 比較ISA運動控制卡和基于USB接口雕刻機的優(yōu)劣</p><p>　　2.1 ISA 總線</p><p>　　目前，在基于PC 的數(shù)控系統(tǒng)中，P

26、C 與機床控制接口通訊的常用總線形式有串口、并口、ISA 總線、PCI 總線和USB 總線等。串口和并口傳輸效率低，已不能滿足現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)的實時性要求，已逐漸被主流數(shù)控系統(tǒng)所淘汰。</p><p>　　ISA 總線雖然效率比串口、并口有了很大的提高，但隨著計算機技術的蓬勃發(fā)展，ISA 總線自身的種種缺陷逐漸顯現(xiàn)，在商用PC 機系統(tǒng)己基本被淘汰。ISA插槽是基于ISA總線（Industrial Standard A

27、rchitecture，工業(yè)標準結構總線）的擴展插槽，其顏色一般為黑色，比PCI接口插槽要長些，位于主板的最下端。其工作頻率為8MHz左右，為16位插槽，最大傳輸率16MB/sec，可插接顯卡，聲卡，網(wǎng)卡以及所謂的多功能接口卡等擴展插卡。其缺點是CPU資源占用太高，數(shù)據(jù)傳輸帶寬太小，是已經(jīng)被淘汰的插槽接口。</p><p>　　PCI 總線是目前并行總線的主流，速度快、兼容性好。然而，與后續(xù)相繼推出的高速出口總線

28、相比，其擴展必須采用板卡形式，不僅安裝麻煩，容易受機箱內環(huán)境的干擾，而且受計算機插槽數(shù)量和地址、中斷資源的限制，掛接設備數(shù)量不能太多。</p><p>　　隨著USB 的推出，其優(yōu)點不斷被認識，不僅數(shù)據(jù)通訊速度高，而且支持外置的熱插拔和即插即用，擴展極為方便，因而得到迅速的普及應用。特別是當2001 年末Cypress 公司推出第一款集成USB2.0 的微處理器時，USB2.0 接口在數(shù)據(jù)采集和通訊方面得到迅速的

29、應用，并開始成為高速數(shù)據(jù)通訊的熱點。將USB 總線應用于基于PC 的數(shù)控系統(tǒng)，可很好地解決高速系統(tǒng)在接口通訊中面臨的矛盾，能夠易于實現(xiàn)高速、低成本、高可靠性、多點的數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)監(jiān)控等控制系統(tǒng)。</p><p>　　2.2 usb接口控制優(yōu)點</p><p>　　USB之所以能得到廣泛支持和快速普及，是因為它具備下列的很多特點: </p><p><b>

30、;　　1.使用方便 </b></p><p>　　使用USB接口可以連接多個不同的設備，支持熱插拔，在軟件方面，為USB設計的驅動程序和應用軟件可以自動啟動，無需用戶干預。 USB設備也不涉及IRQ沖突等問題，它單獨使用自己的保留中斷，不會同其它設備爭用PC機有限的資源，為用戶省去了硬件配置的煩惱。USB設備能真正做到“即插即用”。 </p><p><b>　　2.

31、速度加快 </b></p><p>　　快速性能是USB技術的突出特點之一。USB接口的最高傳輸率目前可達12Mb／s，比串口快了整整100倍，比并口也快了十多倍。今后USB的速度還將會提高到100Mb／s以上。 </p><p><b>　　3.連接靈活 </b></p><p>　　USB接口支持多個不同設備的串列連接，一個U

32、SB口理論上可以連接127個USB設備。連接的方式也十分靈活，既可以使用串行連接，也可以使用中樞轉接頭 (Hub)，把多個設備連接在一起，再同PC機的USB口相接。在USB方式下，所有的外設都在機箱外連接，不必打開機箱；允許外設熱插拔，而不必關閉主機電源。USB采用“級聯(lián)”方式，即每個 USB設備用一個USB插頭連接到一個外設的USB插座上，而其本身又提供一個USB插座供下一個 USB外設連接用。通過這種類似菊花鏈式的連接，一個USB控

33、制器可以連接多達127個外設，而每個外設間距離(線纜長度)可達5米。USB還能智能識別USB鏈上外圍設備的接入或拆卸。 </p><p><b>　　4.獨立供電 </b></p><p>　　普通使用串口、并口的設備都需要單獨的供電系統(tǒng)，而USB設備則不需要，因為USB接口提供了內置電源。USB電源能向低壓設備提供5V的電源，因此新的設備就不需要專門的交流電源了,從

34、而降低了這些設備的成本并提高了性價比。 </p><p><b>　　5.支持多媒體 </b></p><p>　　USB提供了對電話的兩路數(shù)據(jù)支持，USB可支持異步以及等時數(shù)據(jù)傳輸,使電話可與PC集成,共享語音郵件及其它特性。USB還具有高保真音頻。由于USB音頻信息生成于計算機外，因而減少了電子噪音干擾聲音質量的機會,從而使音頻系統(tǒng)具有更高的保真度。的依據(jù)是安裝信

35、息文件中注釋的設備的標識和自舉中的標識是否一致。所以,在進行設備程序驅動時,DRIVER文件中需要包含兩個基本文件:相關硬件的安裝信息文件和固件驅動文件。</p><p>　　本系統(tǒng)設計中對于USB設備的驅動主要是實現(xiàn)以下的三個功能:</p><p>　　1.對USB設備劃設備驅動對象并實現(xiàn)對USB設備的初始化; </p><p>　　2.實現(xiàn)對USB設備電源的管理

36、; </p><p>　　3.實現(xiàn)USB設備能夠即插即用,PC重啟后無需再次驅動。由于本系統(tǒng)中USB的驅動程序是即將固化在EEPROM中,CY7C68013的部分引腳的控制是通過CPLD擴展來實現(xiàn),而硬件電路設計中并未設計EEPROM程序下載電路,所以必須先通過TMS320F2812下載USB微控制器喚醒程序,然后再將DSP通過USB連接PC實現(xiàn)設備的驅動。</p><p>　　2.3 U

37、SB驅動的實現(xiàn)</p><p>　　當一個新的設備通過USB與PC連接時,設備會對PC進行自舉,也就是通過USB插入PC時,PC會發(fā)現(xiàn)新硬件設備,當然這個是要建立在設備中已經(jīng)編入部分程序用來向PC操作系統(tǒng)來聲明自身的標識。然后,設備管理器就會對相關的設備查詢是否已經(jīng)安裝了相關的驅動程序,如果沒有,就會向用戶提示如何安裝相關驅動。在安裝新的驅動時,設備管理器根據(jù)用戶提供的安裝信息文件(INF)來判斷該設備能不能在此

38、驅動下完成于PC的連接。</p><p><b>　　3 系統(tǒng)功能設計</b></p><p>　　控制系統(tǒng)硬件電路的設計與分析</p><p><b>　　3.1 嵌入式技術</b></p><p>　　嵌入式技術是21世紀最富有活力的科技技術之一,是IT網(wǎng)絡技術之后又一新科技的發(fā)展方向。根國際電

39、機工程師協(xié)會對于嵌入式系統(tǒng)的定義是:控制、監(jiān)視或者輔助裝置、機器和設備運行裝置[151。由于嵌入式系統(tǒng)具有體積小、功能強大、能耗低、穩(wěn)定性強等突出特點,目前已經(jīng)廣泛應用于國防軍事、電子消費品、網(wǎng)絡通信、工業(yè)控制等各個領域。</p><p>　　3.2 嵌入式系統(tǒng)的特點</p><p>　　嵌入式系統(tǒng)在硬件和軟件的設計上都是因地制宜、高效的處理速度、采用盡量少的資源實現(xiàn)要求的功能。與上位機系

40、統(tǒng)相比,它具有以下幾點優(yōu)勢：</p><p>　　(1)穩(wěn)定性高、資源消耗低、很強的專用性;</p><p>　　(2)能耗低、高度集成化、體積小、價格低廉、使用壽命長,因此具有很強的性價比;</p><p>　　(3)對于某一型號的芯片都有固定的代碼存儲在存儲器中、工作時能夠實現(xiàn)實時多任務操作;</p><p>　　(4)有專用的幵發(fā)工具和

41、標準化是程序設計方法。</p><p>　　3.3嵌入式系統(tǒng)在工業(yè)控制上的發(fā)展</p><p>　　嵌入式系統(tǒng)早期的應用只是單片機,但是隨著系統(tǒng)控制對象的復雜度越來越高,單片機的使用也不能滿足控制需求。隨著微電子技術的不斷發(fā)展,制造工藝的現(xiàn)代化,不僅使得芯片的處理能力越來越強大,而制造成本卻大幅度降低。工業(yè)控制操作系統(tǒng)在實時處理能力、可靠性、幵放性、可操作性等方面都</p>

42、<p>　　有嚴格的要求,而嵌入式系統(tǒng)恰好能夠適應這些要求,并在工業(yè)控制上體現(xiàn)出了自己獨有的優(yōu)勢。</p><p>　　(1)實時性:要求處理器在限定的時間內完成要求的任務,并且能都對外部的異步事件作出快速反應。以往的單片機處理速度只是幾兆、幾十兆,而如今的微處理器通常都能達到上百兆。</p><p>　　(2)可靠性:主要是指能夠保證控制外部執(zhí)行件連續(xù)穩(wěn)定的運行和一旦系統(tǒng)出現(xiàn)故

43、障后能夠獨立處理保證系統(tǒng)安全的能力。</p><p>　　(3)人機交互:嵌入式操作系統(tǒng)還能夠實現(xiàn)與外部進行信息交互,可以將一些重要數(shù)據(jù)通過圖形或者是窗口顯示給用戶,具有很強的靈活性。</p><p>　　(4)開發(fā)成本和開發(fā)環(huán)境:對于開發(fā)環(huán)境有很高要求,而在工業(yè)控制設備上的批量要求不是很高,因此生產(chǎn)商對控制設備的幵發(fā)環(huán)境有著價格低、方便使用的要求。隨著如今嵌入式微處理器的性價比提升,硬件

44、平臺的不斷完善,軟件系統(tǒng)的不斷優(yōu)化,都為嵌入式的應用提供了強大動力。因此嵌入式系統(tǒng)在工業(yè)控制領域具有很廣闊的應用前景。</p><p>　　3.4 系統(tǒng)插補方案設計</p><p>　　在開環(huán)結構下提供高性能的插補方案，需要綜合考慮系統(tǒng)進給速度、算法 復雜性、脈沖的均勻分配、綜合成本幾個方面的因素。當前計算機處理能力的 不斷提高及價格的大幅度下跌，為將數(shù)據(jù)采樣法(時間分割法)用于開環(huán)系統(tǒng)的

45、 插補提供了有力條件。基于數(shù)據(jù)采樣法插補的基本結構是軟硬結合的粗精兩級 插補結構，由于粗插補可以借助計算機實現(xiàn)復雜的高速插補，這種方案可以有 效解決使用脈沖增量法在速度和算法復雜性方面的矛盾，提高開環(huán)系統(tǒng)的插補 性能。同時綜合成本較低，能以較高的性價比滿足經(jīng)濟型和普及型雕刻機數(shù)控 系統(tǒng)的需要。</p><p>　　兩級插補結構中的粗插補是基于軟件實現(xiàn)的數(shù)據(jù)采樣插補法。其原理就是 根據(jù)進給速度，計算出每個插補周期內

46、的總進給量，然后進行插補運算，求出 插補周期各軸移動的進給增量值。可以采用各種高速高精度的的插補算法，如 直接函數(shù)法、雙DDA法、樣條插補法等，實現(xiàn)從簡單的平面直線到復雜空間曲 線的插補。綜合考慮插補性能，本系統(tǒng)中直線、圓弧插補采用的是直接函數(shù)法</p><p>　　精插補的功能是接收通過粗插補計算得到的一個插補周期內各坐標軸的運 動進給量（微段直線），并將其轉化成頻率均勻的進給脈沖，輸出給各軸的位置 伺服電機。

47、粗精兩級插補結構中的關鍵環(huán)節(jié)，就是精插補的設計和脈沖均勻分 配的方法，它對產(chǎn)生脈沖的頻率及其穩(wěn)定性有很大影響。</p><p>　　在眾多的插補算法中，脈沖乘法器、逐點比較法和數(shù)字積分法等都可以用 于粗精兩級插補結構的精插補中。但是數(shù)字積分法與其它的插補算法相比，數(shù) 字積分法具有設計簡單，可由簡單的硬件電路實現(xiàn)，使系統(tǒng)可以達到較高的加 工進給速度。此外，數(shù)字積分法設計成本低，各軸精插補脈沖分配相互獨立， 易于實現(xiàn)

48、多軸聯(lián)動，所以數(shù)字積分法在數(shù)控系統(tǒng)中有廣泛的應用。 本系統(tǒng)即采用數(shù)字積分法來實現(xiàn)精插補功能。</p><p>　　3.5 系統(tǒng)總體結構設計</p><p>　　本雕刻機數(shù)控系統(tǒng)的目標是要設計開發(fā)一套針對雕刻機的控制特點，功能 要求和性能指標介于經(jīng)濟型和普及型雕刻機數(shù)控系統(tǒng)之間，具有經(jīng)濟型雕刻機通過市場調研，對待開發(fā)的雕刻機數(shù)控系統(tǒng)歸納出如下功能：</p><p>&

49、lt;b>　　1.程序管理功能</b></p><p>　　可現(xiàn)場輸入、編輯和修改加工程序，記錄程序使用情況，高亮度顯示數(shù)控 加工程序指令字。它處理的對象是標準數(shù)控代碼文件，得到的是此代碼文件經(jīng) 編譯后得到的命令集和數(shù)據(jù)集以及一些加工信息。命令和數(shù)據(jù)集以一定的數(shù)據(jù) 結構形式保存在內存中供其他模塊調用，是整個軟件的數(shù)據(jù)來源和數(shù)據(jù)基礎。</p><p><b>　　

50、2.參數(shù)管理功能</b></p><p>　　實現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)的設置、記憶、調用等。管理的參數(shù)有USB傳輸參數(shù)、圖形 顯示參數(shù)、工件零點、電機性能參數(shù)、加減速、刀具補償?shù)葏?shù)。并且對某些 參數(shù)進行密碼保護，只有高級用戶才能修改。</p><p><b>　　3.加工控制功能</b></p><p>　　具有自動加工、手動連續(xù)或增量移動各

51、坐標軸、暫停/繼續(xù)加工、手動設置 對刀坐標系和返回機床參考點、急停、主軸控制和冷卻液控制等功能。系統(tǒng)根 據(jù)加工控制指令和所設置的參數(shù)，進行粗插補計算。計算得出的插補量，將作 為USB通信和圖形仿真的數(shù)據(jù)來源。</p><p>　　4.USB總線通信功能</p><p>　　通過USB2.0總線，實現(xiàn)上位PC機和數(shù)字脈沖伺服接口卡高速及時的數(shù)據(jù) 通訊。一方面將粗插補量和控制信息傳遞給機床接口

52、卡，以控制電機的運動； 另一方面反饋機床狀態(tài)信息和加工信息至PC機。</p><p><b>　　5.仿真功能</b></p><p>　　在仿真模式下，具有仿真驗證數(shù)控加工程序插補軌跡的功能；在加工過程 中，能實時顯示刀具中心點運動軌跡。</p><p><b>　　6.圖形管理功能</b></p><

53、;p>　　按照用戶要求，對所顯示的刀具中心點運動軌跡圖形進行視圖變換操作， 如俯視圖、東南等軸側視圖等共9種視圖模式。此外可進行放大、縮小、旋轉、 移動和還原等圖形變換操作。</p><p>　　信息采集及顯示功能.根據(jù)接口卡反饋的機床狀態(tài)信息和加工信息，PC進行數(shù)據(jù)處理和顯示。</p><p>　　3.6 主要模塊的功能簡要介紹如下：</p><p>　　P

54、C：實現(xiàn)多線程的調度，數(shù)控加工文件的管理和處理，實現(xiàn)仿真、參數(shù)設 置和狀態(tài)顯示，完成粗插補和數(shù)控加工過程控制功能。</p><p>　　USB:實現(xiàn)USB批量傳輸和信息采集控制。</p><p>　　串口：輔助USB固件開發(fā)和調試。</p><p>　　EEPR0M:實現(xiàn)USB的啟動，從EEPROM獲取VID/PID/DID和USB固件，并自 動裝載到USB的片內R

55、AM中。</p><p>　　RAM:臨時數(shù)據(jù)存儲空間，配合對系統(tǒng)的調試。</p><p>　　機床I/O量：系統(tǒng)的輸入/輸出開關量信號經(jīng)光耦隔離、抗干擾、電平轉換 等處理后，由FPGA控制處理，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力和可靠性?？紤]到FPGA 有限的I/O資源，部分實時性要求不高的開關量采集直接由USB控制器控制。 為提高系統(tǒng)應用的靈活性，系統(tǒng)輸出采用了普通電平輸出和差分輸出兩種方式， 具

56、體方式可由操作人員具體設定。</p><p>　　FPGA:由FIFO接口驅動模塊、乒乓FIFO存儲器、DDA精插補控制器、三態(tài)總線模塊和時鐘管理模塊組成。實現(xiàn)跨時鐘域的數(shù)據(jù)傳輸、緩沖、處理以及產(chǎn) 生精插補數(shù)字脈沖功能。</p><p>　　復位電路：產(chǎn)生USB控制器和FPGA上電復位和手動復位所需信號。</p><p>　　FPGA配置電路：完成程序下載、器件配置

57、和嵌入式邏輯分析儀（Embedded SignalTap II Logic Analyzer)對系統(tǒng)的測試。</p><p>　　電源：為提高系統(tǒng)的靈活性，電源輸入采用了 USB自供電和外部電源供電 兩種方式，并對輸入電壓濾波和穩(wěn)壓，獲取板卡所需的+1.5V、+3.3V電壓。</p><p>　　電機驅動接口模塊：電機X、Y、Z坐標軸的驅動脈沖經(jīng)本模塊抗干擾、電 平轉換等處理后輸出。<

58、;/p><p>　　4 基于MK1-ZXAUSBCNC控制板的雕刻機改造</p><p>　　MK1-ZXAUSBCN為國內外目前市面功能最強，性能最穩(wěn)定的MK1硬件平臺。 本產(chǎn)品集成了國外原廠以下幾個產(chǎn)品：</p><p><b>　　1. MK1主板</b></p><p><b>　　2.輸出板</b

59、></p><p><b>　　3.信號接線板</b></p><p><b>　　3</b></p><p><b>　　.</b></p><p>　　4.注冊的MCU. CONTROLLERS</p><p>　　它全面支持雕刻機、雕銑機，廣

60、泛應用于工業(yè)模具、標牌、名牌、建筑模型、印章、廣告切字、藝術品、PCB板等產(chǎn)品的計算機輔助設計和加工代碼生成。</p><p>　　形成一個開放式數(shù)控系統(tǒng)。此設備結構科學合理，具有體積小、占地少、功能強等特點?？梢詭椭鷮W生從系統(tǒng)整體角度去認識系統(tǒng)各組成部分，從而掌握機電控制系統(tǒng)的組成、功能及控制原理。利用它，可以從事簡單的文字和圖像雕刻制造。</p><p>　　3.1 MK1-ZXAU

61、SBCNC控制板結構 </p><p>　　1.強大的電源架構。最寬的電源輸入范圍：輸入為15-50VDC.還配備了保險絲與防接反功能。還預留 了 5V，12V電源輸出接口，供外圍部件使用。參見下圖：</p><p>　　2.所有輸入輸出信號全部光藕隔離。更有效的保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。主控芯片也做門做了保護處理。 在PCB設計時也作了電氣隔離帶。實現(xiàn)了真正意義上的隔離。這是市面上任一款

62、同類板所不同的，這 使得本產(chǎn)品的抗干擾能力與系統(tǒng)穩(wěn)定性達到了另一個級別。參見下圖：</p><p>　　3.與電腦相連的USB接口特別設計了一套接口電路：</p><p>　　4.配一條質量過硬的1.5米USB線。USB線上已配備抗干擾磁環(huán)。DVD光盤內有很多教學資料與使用 說明書等資料。參見下圖：</p><p><b>　　產(chǎn)品圖片:</b>

63、;</p><p><b>　　端口標示圖：</b></p><p><b>　　典型應用示意圖:</b></p><p>　　4 產(chǎn)品與與外圍部件的接線。</p><p><b>　　外部端口：</b></p><p><b>　　1.電源接

64、線部分。</b></p><p>　　A供電輸入?？梢允褂瞄_關電源供電，也可以使用常規(guī)的方型或環(huán)型變壓器經(jīng)整流濾波后給控制板</p><p>　　供電。供電壓范圍為DC15-50V.功率容量大于5W即可。圖中上面的端子為正電源輸入，下面的端子為GND.</p><p>　　B供電輸出。本控制板還可以為外部用電器件提供5V，12V兩種穩(wěn)定的電壓輸出。5V輸

65、出的最大電流為 </p><p>　　200MA，12V輸出的最大電流為100MA.可以給接近開關等器件供電。如下圖：</p><p>　　注意：使用常規(guī)的方型或環(huán)型變壓器經(jīng)整流濾波后給控制板供電的話，由于這種供電方式受電網(wǎng)的影響很大， 所以如果選用此供電方式的話電壓不要超過36V</p><p><b>　　2.電腦接線部分。</b><

66、/p><p>　　本運動控制器通過一個USB2.0接口與電腦相聯(lián)接。板上接口為USB標準B型口。USB的線的長度不能大于3 米。建議用1.5米的。注意：電腦的USB 口必須是2.0的才可以。很多老式電腦上的USB 口是1.1的，這種非 2.0標準的USB 口是不能用于接本控制器的。當本控制器與電腦第一次通過USB聯(lián)接時，電腦會發(fā)現(xiàn)新硬件，并提示安裝驅動程序。</p><p>　　A.常使用狀態(tài)

67、下，控制板上的系統(tǒng)指示燈會不不停閃爍。電機(主軸，坐標軸)接線部分。控制主軸相關的部分有3個繼電器控制或2個繼電器加一個0-10V調速控制，兩種控制方式。 這兩種控制方式通過電腦軟件設置與板上的跳針結合來實現(xiàn)選擇哪種控制方式。3個繼電器外接的6個端 口相當于3個常開開關。各個繼電器有吸合指示燈。當指示燈亮時，就表示指示燈旁邊的繼電器吸合，對 應的兩個繼電器的接線端子接通。繼電器可以控制主軸的開關，油泵，電磁閥等器件的工作狀態(tài)。三個跳 針

68、全插上時為3個繼電器輸出控制狀態(tài)。在3個繼電器控制時，不能同時控制0-10V輸出。</p><p>　　B.坐標抽X，YZ，4各油的接線。各個運動控制抽是以方向（DIR，CW/CCW)，脈沖（PUL/CLK)方式來控制電 機精確定位的。玎以支持步進驅動器與伺服驅動器的共陰或共陽接法。輸出電平為5V.驅動電流為14MA， 最高頻率為25KHZ.</p><p>　　注意：共陰或共汩接法軟件的

69、設置不一樣。如果發(fā)現(xiàn)你的機器走的數(shù)據(jù)與電貓對不上31,玎以改_個軟件 的共陰或共汩接法設置試一下.</p><p>　　共陰接法：各油驅動器的PUL-/CLK-與DIR-/CW/CCW-接在一起，接到控制板的GND.驅動器的接好線后要在軟件設置。否則電機走的數(shù)會與電腦顯示的數(shù)不對。</p><p><b>　　原件：</b></p><p>&

70、lt;b>　　1.線圖前后改變：</b></p><p><b>　　線頭排列：</b></p><p><b>　　接線方式：</b></p><p><b>　　5 軟件調試</b></p><p>　　1. 外接對刀，原點，限位開關部分限位幵關為低電平觸

71、發(fā)。電平為5V.板上反面有絲印標出XL+表示</p><p>　　X油正方向限位開關，XL-表示X抽反方向限 位開關。在開關處接一個常幵幵關裝在機器上特定的位置。（_條線接GND,_條線接XL+/XL-).其它各油 也做一樣的接線W玎-接好線后要在軟件設置。否則開關就算發(fā)電腦也不會做出相應的動作。USBCNC軟件對刀換刀很方便，軟件的使用單位.脈沖亳米數(shù).速度.方向都要先調試設置好，才能正営工作.下面以3抽雕刻機

72、為例介紹軟件的0原位和和對刀操作。機器玎以配備5個限位關（最少也要3個，X-.Y_,Z+)，當然不安裝限位也以使用，但不安全使用也不方便。第一件亊，我(丨'1用限位幵關定義機器工作范圍大小。先確定限位開關接線正確并且是被壓T機器就會停止運動。數(shù)芋棍顯示紅色。</p><p><b>　　2手動對刀</b></p><p>　　手動機器的位置到你經(jīng)営開始切釗的地

73、方(幵始切釗的地方并不是在最左下角）。通常是在XY角附近。也</p><p>　　就是離開 X- Y-隈位開關位置。當然你也玎以去別的地方。我設置是X右10. Y前20的地方。設置好后軟件會顯示三維圖， 其中棕色錐體是原點X0Y0.也就是切釗幵始點.黃色鍵體是刀具位置。</p><p>　　在工作中不要隨便手動改變電機位置，不要隨便済零數(shù)芊，坐標如果改變以后對刀，換刀就不知道自已在什么地方

74、 T.保持正確的f絕對位置是至關重要的。</p><p>　　如何才能樹立IE確的絕對位置？這就是K原點"。歸原點過程就是確定機器的絕對位置I</p><p>　　原點按鈕：1，軟件后用回原點后才顯示這個圖標</p><p>　　順序：是禿z抽正方向，然后XY軸負方向運動。過程是Z抬刀壓到Z+限位后，XY電機向負方向運動.壓XY限位 后回走X10Y20,

75、 Z向下走50,最后顯示Z是20.這個Z20是臺面到刀的距離，我們的刀長短不一，雕刻的材料®薄 不一樣，這個距離不是實際距離。</p><p>　　2：手動對刀（移動傳感器對刀）</p><p>　　軟件玎以用手執(zhí)對刀塊在任意地方對Z的刀.還玎以用固定在一個地方的對刀塊。（確定刀具傳感器應該是翱譯 錯誤.應該是固定刀具傳感器）刀具傳感器后用后.圖標才能顯示。</p>

76、<p>　　設置：大?。菏堑兜闹睆?，4抽接□板用不上，不管。高度：就是覆銅板的厚度。距離：宿回+返回距離+高度=21.6</p><p>　　對刀I：具：一般用單面覆銅板，焊根線，接在接□板的Z-上，用個帶夾頭的線接在接□板負上，夾子夾在刀具上， 覆銅板放在刀下方。</p><p>　　運行對刀按鈕后，Z向下，碰T對刀塊（覆銅板），數(shù)宇'済零，Z向上走21. 6，偏移量

77、T顯示勾起。意思是刀具偏 移原點21.6,直接運行g代碼加r,軟件會自已禿反向運行偏移量到加I：面進行加工。</p><p>　　2.固定刀具傳感器對刀</p><p>　　固定刀具傳感器對刀有許多優(yōu)點，如傳感器不荽經(jīng)常翕上拿下，特別是對換刀很方便。不論什么方式對刀，先荽運行回原點后才能進行.不然找不到固定的對刀塊</p><p><b>　　設置固定對刀

78、按鈕</b></p><p>　　固定對刀塊玎以安裝在機器的任何地方（雕刻范圍內）.并且要知誼與原點的距離.再設置在軟件中，如我設置在 Y油32處。灰色的錐體是對刀位置。</p><p>　　固定對刀塊是有高度的.雕刻的物也有高度.對刀的目的就是要確定z對雕刻面的偏移距離。如果對刀塊高度是固 定的，那雕刻物的高度就要知誼并且經(jīng)過汁算設置在軟件中的"位置設定Z"

79、;中。</p><p>　　雕刻物與對刀塊一樣高，^位置設定Z”就設置0.，運行對刀后顯示對刀偏移T，Z20,這個20是在抽3 ”移動 到"定義的距離?！?零”后也顯示20,這兩個一樣數(shù)不是一個距離的。T,Z20是相對雕刻平面的距離，沒有T的 是相對雕刻機臺面的距離，這個距離也不一定是實際的（刀長短不同），因為換T不同長度的刀距離就不一樣。有 T的距離不管刀具長短，對刀后刀尖到雕刻面距離就是20.只有顯

80、示TTZ20,運行G程序后會自動抵消這偏移距離的。</p><p>　　B.雕刻物體比對刀塊ft。如：雕刻物咼是25，對刀塊是14，14 —25=—11,在“位置設定Z”中就設置-11， 就是對刀塊高度減去雕刻物高度。設置好后灰色錐體在零位下方。運行對刀后顯示也是T20。這個距離就是雕刻面到刀的距離。直接運行G代碼 程序就可以了。</p><p>　　C：雕刻物比對刀塊低。如對刀塊高度是1

81、4，雕刻物高是4，14-4=10，在“位置設定Z”中就設置10，</p><p>　　設置好后灰色錐體在零位上方。運行對刀后顯示也是T 20。這個距離就是雕刻面到刀的距離。</p><p><b>　　樣品</b></p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　在此次畢業(yè)設計過程

82、中，本人始終得到了指導老師許軍教授的悉心指導。在設計過程中，我遇到了許多自己不清楚的問題，而經(jīng)過自己的努力仍不能獲得答案的情況下，許軍老師給予了我很大的幫助和指導，使我很快明確了問題的實質，理清了思路。在設計和論文編寫期間，許軍老師給我提供了很多思路，他的一絲不茍、刻苦鉆研的精神給我留下了深刻的印象。我衷心地感謝許軍老師，因為他對學生的嚴格要求，使學生懂得一絲不茍、刻苦鉆研、獨立自主的意義。同時，我還要感謝許軍老師以及我同組的同學李超，

83、感謝他們在這幾個月里給予我的幫助。最后感謝機械工程系領導、老師和同學在我學習期間給予的關心、支持和幫助！</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　1 葛友華.CAD/CAM技術.北京：機械工業(yè)出版社，2004</p><p>　　2 寧汝新，趙汝嘉.CAD/CAM技術.北京：機械工業(yè)出版社，1999</p&g

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