基于dsp與單片機的激光加工數(shù)控系統(tǒng)的研究

1、2005 年第 12 期設(shè)計與研究 文室縮號 ：1001 - 2265(2005 12- 0035- 02基千 DSP 與單片機的激光加工數(shù)控系統(tǒng)的研究 楊恒宗，傅星，張師偉，邱維寶，耶泳，胡小唐 （天津大學(xué)昔密洌試技術(shù)及儀器國家重點實驗室，天津 300)72)摘要：通過對激光加工特性的研究 ，設(shè)計了基于 DSP 與單片機為核心 的激光加工數(shù)控系統(tǒng)。整個 系統(tǒng)全部采用數(shù)字化設(shè)計， 具有矢量切割、矢量陪刻與位圖雕刻三種加工功能，并經(jīng)過軟件優(yōu)化，實現(xiàn)了較好的加工效果。 關(guān)鍵詞：數(shù)控系統(tǒng)； DSP; 單片機 中圖分類號：1P273文獻標識碼 ：AStudy of DSP & Microcontrol

2、ler B 設(shè) d CNC System for Laser MachiningYANG Heng-zong, Fl ) 出 ng, ZHANG Shi-wei, QIU Wei-bao, WU Yong, HU Xiao-tang(State Key LaboraL00 of 醞 ision Mesuring Technology and 匝 trument , Tianjin University, Tianjin 300072, China) A芯心 ： From the study of I孔叩 r machining, design the CNC system based on t

3、he DSP and the microcontroller. ILs a digital 芍stem, which 加s three worl; models: vector cutting, v釭 Lor carving and bitmap carving. With optimiz嗎 剝 權(quán)are, the 皿 hini吧 r.JJect is en hanced.Key wonls: CNC system; DSP (digital signal proces 沁 r) ; microcontroller備上的人機交互界面，有鍵盤與液晶屏組成。用戶通過鍵盤向 0 引 言 激光加I 以

4、其精度高，速度快 ，不損傷工件表面等優(yōu)良特性，廣泛應(yīng)用寸金展、非金腐材料的切割，打標等加工工藝中，在 國外激光享有“萬能加工工具的美稱。中國國內(nèi)工業(yè)激光市場的起步晚于發(fā)達國家20 年左右。但由丁中國繹濟的迅速發(fā)展， 市場需求帶動了激光加工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展至今，因內(nèi)從事制造 數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出加工等操作命令，并從液晶屏上實時獲得數(shù)擰系 統(tǒng)的各種信息。限位開關(guān)用于保護步進電機，當步進電機帶動的工作平臺運動超界時，限位開關(guān)向數(shù)控系統(tǒng)報警以停止工作。水泵和氣泵用于冷卻激光器與被加工材料。激光加工頭由X 向和Y向兩個步進電機 組成的移動平臺帶動。激光器與步進電機由數(shù)控系統(tǒng)控制，進行激光加工?？梢姡瑪?shù)控系統(tǒng)是激光加

5、L 設(shè) 上業(yè)激光系統(tǒng)的公司超過 100 家，研發(fā)、批晝生產(chǎn)和供、銷、維修 備的核心，是連接設(shè)備各組成部分的紐帶。 服務(wù)體系正逐步形成并日趨完善。 2003 年全國激光加T 設(shè)備產(chǎn)值首次突破16 億元。 激光加上設(shè)備的性能除了受渦性能的激光發(fā)牛器和高精度的機械裝性的影響外，其控制系統(tǒng)的性能具有決定性作用，激光加工 裝置的功能精度加 T 工藝水平等關(guān)鍵性指標主要由其決定2 美 H等國家一直把它列為重，點發(fā)展目標。因此，我們應(yīng)該充分認識到 提高國內(nèi)激光加工控制系統(tǒng)的性能和水平的重要性和必要性，激光加工 數(shù)控系統(tǒng)的研究止成為國內(nèi)該領(lǐng)域研究的重點。 l激光加工設(shè)備 2 數(shù)控系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)是激光加工

6、設(shè)備的關(guān)鍵部件，其性能直接決定了激光加工的質(zhì)拭，國外的很多優(yōu)秀激光加工設(shè)備主要是依賴千高性能的數(shù)控系統(tǒng)才得以實現(xiàn)各種高質(zhì)址的加了。本設(shè)備設(shè)計的數(shù)控系統(tǒng)是基于DSP 與單片機的核心 ，實現(xiàn)接收上位機的圖形數(shù)據(jù)、進行數(shù)據(jù)處理、控制步進電機與激光器進行激光加I 等功能。DSP 與單片機之問采用雙口 RAM 通訊，兩者作為相對獨立的工作模塊實現(xiàn)各自功能，系統(tǒng)原理圖如圖2 所示。 統(tǒng)數(shù)： 圖2 數(shù)控系統(tǒng)原理圖 切；：im： 收稿日期 2005- 05 - 20基金項目 ：天津市 科技發(fā)展計劃資助項目()431858 11)DSP 采用的是 TI 公司的 TMS320VC33 浮點型 DSP，主要實現(xiàn)以下

7、四個功能； (I ) 負責與上位機通訊。 (2) 對圖形數(shù)據(jù)進行存儲與讀取。作者簡介：楊恒宗(I 覺l - ），男入津入學(xué)精密測試技術(shù)及儀器國 家重點實驗室碩士研究生, (E 叩 ii) w,;t,wn yahoo. corn. en, 35 設(shè)計與研究組合機床與自動化加工技術(shù) (3) 對圖形數(shù)據(jù)進行必要的計算處理，生成符 合單片機工作的加工數(shù)據(jù)格式。(4) 與單片機與進行通訊，提供加工數(shù)據(jù)。訊書20V0 3 是- 款浮點運算的DSP，具有 32 位的定點與浮點數(shù)據(jù)處理能力，24 位的地址 尋址空間，由于浮點運算與定點運算可結(jié)合處理而具有了更高的精度，并且不用顧慮運算的數(shù) 據(jù)溢出問題。 單片機

8、采用了11 公司的M5P4l:lF449 單片機， 它主要的作用是： (1) 通過雙口 RAM 接 收 DSP的 數(shù)據(jù) ，根據(jù)數(shù)據(jù)控制步進電機的運動與激光器的能呈輸出。(2) 與控制面板進行通訊 ，響應(yīng)鍵盤輸入與控制液晶顯示。(3) 響應(yīng)限位開關(guān)的反饋，對步 進電機進行保護。MSP430F449是一款 16 位高性能單片機，內(nèi)部采用精簡指令結(jié)構(gòu)( RISC) ,150ns 指令周期，片內(nèi)多達60KB 的 FLASH 存儲器與多達 2KB 的 RAM 空間，可在線串行編程，不需要外部編程電壓。并帶有 3 個捕獲比較寄存器的 16 位的定時器，該定 時器通過一些簡單的設(shè)置，可產(chǎn)生預(yù)期的方波信號，在

9、控制步進電機時效 果良好。 由于圖形的數(shù)據(jù)量相當大，并考慮到數(shù)據(jù)的讀取速度，過去的一些激光加工設(shè) 備往往采用 SDRAM 內(nèi) 存條來實現(xiàn)數(shù)據(jù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲 ，但由 于 SDRAM 存在掉電 數(shù)據(jù)丟失的缺點，因而對重復(fù)的激光加工帶來 很大不便3 考慮到以上問題 ，數(shù)控系 統(tǒng)采用了 SAMSUNG公司的 NAND- FLASH 作為數(shù)據(jù)存儲器。NAND呤 H 是 一種高性價比的數(shù)據(jù)存儲 器件，它具 有掉電數(shù)據(jù)不丟失的特性，單片 NAND- FLASH 就具有 幾個 C加 的存儲容量， 而 價格卻低于一般的 SDRAM 內(nèi)存條3 這里使用的 NAND FI.ASH 羽號是 K9FI G08UOA，存

10、儲容盤 128M* 8bit。 單片機與DSP之間的 通訊是使用雙口 RAM 來實現(xiàn)的，選用 CYPRE5.5 公司的 CY7Cl44AV，它是 8K x 8 位的 CMOS型低功秏雙口 RAM。 有兩套相同的地址線和數(shù)據(jù)線，允許兩個 CPU 同時對 存儲器進行訪問 ，最快訪問 速度可達到 15匹，實現(xiàn)DSP 與單片機通訊互不干擾。 CPID 采用的是 ALTERA 公 司的 EPM3064，它主要協(xié)助 DSP 對 NAND- 沮 與 千P 并口進行數(shù)據(jù)讀寫 ，構(gòu)建 各信號線的邏輯連接與時序控制 ，并給 DSP 提供系統(tǒng)時鐘 ， 數(shù)控系統(tǒng)的工作可分為數(shù)據(jù)傳輸與激光加工兩大部分 。 ( I )數(shù)

11、據(jù)傳輸。上位機通過以太網(wǎng)或 SPP并口將臣 形數(shù)據(jù)分成多個數(shù)據(jù)包傳給 DSP,DSP 將 每個數(shù)據(jù)包解析后依次實時存人NAND- Fl 心 H 中，上位機與 D.5P 通訊采用握手模式。DSP 接收完整幅圖形數(shù)據(jù)后，向單片機發(fā)中斷 。單片機在液晶 顯示屏上更新存儲于數(shù)控系統(tǒng)中的圖 形的名稱與編號，并標注新接收的圖形， 等待用戶加工。 (2) 激光加工。當用戶通過鍵 盤發(fā)出加工某一幅圖的指令 后，單片機將加工圖 的編號傳給 DSP, DSP 桉編號從 NAND n心H 中讀取該圖數(shù)據(jù)，并 將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成單片機用于加工的數(shù)據(jù)格式，然后將加工 數(shù)據(jù)通過雙口 RA.M 傳給單片機 。最后，單激光器以點為

12、單位，對被加工表面進行間斷的打點式激光燒蝕， 達到雕刻的效果。 過去的一些以單片機為核心的數(shù)控系統(tǒng)由于缺乏數(shù)據(jù)處理 能力，數(shù)據(jù)處理完全依賴于上位機 ，上位機須要將圖形處理成兒乎可直接加工的數(shù)據(jù)再傳給單片機，往往造成圖形的數(shù)據(jù)猛很 大， 給數(shù)據(jù)的傳輸與存儲帶來很大不便 。而以 DSP 與單片機為核心的 數(shù)控系統(tǒng)可以 發(fā)揮 DSP 強大的數(shù)據(jù)處理能力大大分擔了上位機的數(shù)據(jù)處理任務(wù)。上位機可以將圖形以精簡的數(shù)據(jù)格 式傳輸給數(shù)控系統(tǒng)。激光加工時，由 DSP 將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成單片機控制激光器與步進電機的所需要的加工數(shù)據(jù)。這大大改善了數(shù) 控系統(tǒng)的工作能力。 為了提高激光加工的精度，上位機將數(shù)據(jù)放大一定倍數(shù)再傳

13、給數(shù)控系統(tǒng)。加工時DSP 內(nèi)部使用 浮點格式進行數(shù)據(jù)計算。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成單片機加工的格式后，DSP 將數(shù)據(jù)倍數(shù)縮小還原并轉(zhuǎn)換成定點數(shù)據(jù)，使數(shù)據(jù) 在計算過程中實現(xiàn)了更高的精度。實際工作中，根據(jù)精度要求，將數(shù)據(jù)放大了兩萬倍處理，這樣上位機傳輸?shù)脑紨?shù)據(jù)的分辨率可以達到小數(shù)點后 五位。 二二根據(jù)機械特性，當步進電機運動方向與速度突變時會產(chǎn)生較大振動，從而破壞加工矢量的軌跡 。所以利用軟件優(yōu)化，當判斷到相連矢扯運動方向發(fā)生變化時，在矢董的始末采用速度階梯變 化的方法，使步 進電機在加工中運動平穩(wěn)，原理 如圖3所示。 v-( a)優(yōu)化價 t氣 (b) 優(yōu)化后 圖 3 電機速度優(yōu)化原理圖 當步進電機速度不同時

14、，相同激光能晝燒蝕被加工材料的效果也會發(fā)生變化。所以在將速度進行遞變的優(yōu) 化中，能蜇也隨之進行調(diào)整。在速度階級變小時，激光能量在原始值的基礎(chǔ)上減去一定的遞減系數(shù)，使加工效果與勻速時保持一致，原理如 圖4 所示。 wwl吩 ta) 優(yōu)化前 片機根據(jù)接收到的加工數(shù)據(jù)控制步進電機與激光器，進行激光 加工。加工完成后，單片機在液晶顯示屏上顯示加工完成信息 ， W內(nèi)出 : 以 便用戶繼續(xù)加工。 3 數(shù)據(jù)算法激光加工設(shè)備的加工模式主要有矢屋加工與位圖加工兩 種9 矢械加工時 ，激光器以矢址為單位，對被加工表面進行激光燒蝕，根據(jù)加工效果可以分為矢蜇切割與矢址雕刻；位圖加工， 36 (b)優(yōu)化后 圖 4 激光

15、能盤優(yōu)化原理圖 i（下轉(zhuǎn)第 38 頁） 設(shè)計與研究組合機床與自動化加工技術(shù) (2) 將各點在數(shù)組aa 中的值，冉結(jié)合其角度 ，求出各點迪卡爾坐標系中的坐標 并將其放人二 維數(shù)組 bb 100 2 中； 2.2 編程思路編程步驟如下： (I ) 蓮，四個點 建 立四個嵌會括環(huán)，奻外層到最里層的循環(huán)變雖 分別為 l 、J, M 和N，挖 環(huán)變性的取值范圍是從第點到最后一點Q 叫這四個循環(huán)變云中任兩個相同時，則結(jié)束此循環(huán)，進人下俏環(huán)尸 (2) 判斷四個點是否相間只要有一點滿足條件：(l - M) X (l - N) X ( J 一 JW x (J - N) 0(I) 則此四個點不能形成相間，進人下

16、捐 環(huán)。 (3) 求出同心圓的圓心坐標第 1 點和第J點的連線中點( Xl , Yl) 求出第lf 點和第N點的迕線中點 ( X2, f2 ) 。過笫 f點和笫J 點的圓的圓心則在第1點 1995.3 蔡長藝，等機杭 T 程泭世與試驗技術(shù)“： 北 械T 業(yè) ，2004 .4 楊笛 ，等忌小條 件求圓度誤差 信的快速電算 法 j 計址技術(shù)，2001(3) :S- 65 出社平一種用十四度誤差評價的簡化算法 JJ 計丑技術(shù) ，2001(4) :9- 106 甘永立兒何址公差與檢測（第六版）M.上海： 上海科學(xué)技術(shù) ，2004.7 甘永立 兒何品公差 與檢測實 驗指導(dǎo)書（第版）M . 上海：上?？?

17、學(xué)技術(shù)，l貸 9（編輯 趙蓉） （上技第 36 頁） 困 5 是兩幅經(jīng)過算法優(yōu)化后的加工效果圖分別是嗔刻與切書的加工圖。 和笫 J點的連線中點( X1, Y I ) 的法線上，同理，過第，M點和第N 點的圓的圓心 ，則在第 M 點 和 第，V點的連線中點 ( X2，邁）的法線上，因此同心圓的臥心是兩法線的交點，在編制程序時，應(yīng)考慮到節(jié)第 J 點和 第J 點（或第 M 點和第N 點），處十水平狀態(tài)垂有狀態(tài)和其他任忠狀態(tài)時 ，程 序應(yīng)如何處理c求出同心岡的圓心點 ( XO. YO) 的坐標。 (4 判斷包容區(qū)牧 計算 RI 和 R2 分別是第 1 點和第M 點到同心圓的回心點( XO, :rn)

18、的距離 ，井給出傭環(huán)求出每一點到點( XO, yO) 的 距離R3。只要有一點 滿足條件： ( RJ - Rl) x (R3 - Rl) 0(2)則，此同心圓之間區(qū)域不包容所有的點，進人下一循環(huán)， (5) 計笲圓，度誤差 在程序井始時賦 予變巨 壇 一個非常大的止詛3 若式( 2)不成立 同時滿足條件： 1 陽 RI I 加(3)則 ，應(yīng) I R3 - Rl I 繼 續(xù)徙環(huán)，宜主 循撲結(jié)束 fw. 即為用簸小包容區(qū)歧注求出的閥戊誤差值亡 2.3 設(shè)計程序的流程111 參 見 圖 3,(a) 陪刻3 結(jié)束語 以上方法編制的程序通過一此實驗數(shù)據(jù)的驗證，徐出鉗口的計笲誤總自和輸出的圖形都能得 （開始

19、 輸入數(shù)揆睬 節(jié)飛 立 遞互籃 1閱區(qū)域 4 結(jié)束語(b) 切割圖 5 加工效果圖 到滿意的結(jié)吳，證明最小包容區(qū)域法的編程思路是正確的 3 再以 其計算值15知 皿（見圖 ）與最小 一一乘法計算的閱度誤差值 22. 8篤111/“ 比較，驗證了最小包容區(qū)域法較簸小采法更能準確地反映圓度誤 困 3 程序設(shè)計的流芢圖 通過該數(shù)控系統(tǒng)在激 光加T 設(shè)備上的使 用證明 ，基千 仄？ 與單片機的數(shù)控系統(tǒng)，能夠 實現(xiàn)宮精度的激光加工，具有非常品的穩(wěn)定性與實用性 。利用算法優(yōu)化，使得 激光加 1效 果更加理想，特別是曲線激光切割的平滑度有了很大的改善。 參考文獻 : I US.: TtJlll5 I心 血

20、m曲叩 叩 rat . TMS320C3x U沈 r s G11ide.19982 J 巍小龍.MSP430 系列單片機接 術(shù)及系統(tǒng) 設(shè)計實例 M .差 通過本程序的使用實現(xiàn)f 圓度誤差值的快速、準確地處理心 參考文獻 I : 馮之敬機械制造工程原理 M ， 北京：消 學(xué)， l 切 f 2l 甘永寸- 形狀和位餃誤差檢禎I M 北 械工業(yè) - 38 京：航 空航天大學(xué) :3周 凱，等 基 于陽 平臺的激光加工數(shù)擰系統(tǒng) J j，制迨技術(shù)與機床心江!(12) .:4 馬世典等基于比 并口的激光雕刻機 控制系統(tǒng)的 研究設(shè)計J 機床與液壓，勸熾 12).（編輯 趙容） 基于DSP與單片機的激光加工數(shù)控

21、系統(tǒng)的研究 作者：楊恒宗， 傅星， 張師偉， 邱維寶， 鄔泳， 胡小唐， YANG Heng-zong， FU Xing， ZHANG Shi-wei， QIU Wei-bao， WU Yong， HU Xiao-tang 組合機床與自動化加工技術(shù) 作者單位：天津大學(xué),精密測試技術(shù)及儀器國家重點實驗室,天津,300072 刊名： 英文刊名：MODULAR MACHINE TOOL & AUTOMATIC MANUFACTURING TECHNIQUE 年，卷(期)：2005，(12) 引用次數(shù)：3次 參考文獻(4條) 1.USA:Texastruments Incorporated.TMS32

22、0C3x Users Guide 1998 2. 巍小龍 MSP430系列單片機接 術(shù)及系統(tǒng)設(shè)計實例 3. 周凱.朱傳有 基于PC平臺的激光加工數(shù)控系統(tǒng)期刊論文-制造技術(shù)與機床 2002(12) 4. 馬世典.尹志強.薛峰.黃海鴻 基于PC并口的激光雕刻機控制系統(tǒng)的研究設(shè)計期刊論文-機床與液壓 2004(12) 相似文獻(10條) 1. 期刊論文 姚仲舒.楊成梧.姚望舒 基于DSP的學(xué)習(xí)控制在數(shù)控系統(tǒng)中的應(yīng)用研究 -電氣自動化2001,23(6) 為了滿足數(shù)控系統(tǒng)高速度和高精度的需要,本文提出了一種用高性能的數(shù)字信號處理器(DSP)代替單片機,以提高數(shù)控系統(tǒng)的運行速度,同時介紹了一種迭代學(xué)習(xí)控

23、制算法以提高系統(tǒng)的精度,并且簡化了程序編寫工作. 2. 期刊論文 徐文斌.劉其洪.XU Wen-bin.LIU Qi-hong 基于DSP的數(shù)控系統(tǒng)兩級插補的設(shè)計與實現(xiàn) -微計算機信息 2009,25(11) 本文闡述了DSP在數(shù)控加工領(lǐng)域中的應(yīng)用,介紹了兩級插補算法的原理及實現(xiàn)過程,探討了兩級插補算法的誤差問題,并在數(shù)控實驗平臺上進行了實驗 .結(jié)果表明,采用兩級插補算法能使數(shù)控系統(tǒng)縮短響應(yīng)時間,提高加工精度和工作效率. 3. 期刊論文 徐躍.王太勇.趙艷菊.董靖川.李波.XU Yue.WANG Tai-yong.ZHAO Yan-ju.DONG Jing-chuan.LI Bo 基于ARM和

24、DSP的可重構(gòu)數(shù)控系統(tǒng) -吉林大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版）2008,38(4) 針對柔性化制造的要求,構(gòu)建了以ARM、DSP為基礎(chǔ)的數(shù)控系統(tǒng)平臺.該平臺集成度高、穩(wěn)定性強,能實現(xiàn)生產(chǎn)過程的高速度、高精度要求;同時巧妙利用SRAM解決了現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)動態(tài)重構(gòu)中的重建時隙問題,實現(xiàn)了基于FOGA的可重構(gòu)設(shè)計,提高了系統(tǒng)的柔性.在硬件基礎(chǔ)上引入嵌入式實時操作系統(tǒng)RT-Linux,采用層次化軟件設(shè)計,提高了數(shù)控系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和任務(wù)調(diào)度的實時性.試驗結(jié)果證明該方案是可行的. 4. 期刊論文 廖永忠.廖.LIAO Yong-zhong.LIAO Yi-fan 基于DSP+CPLD可重構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計

25、 -微計算機信息 2008,24(31) 針對柔性化制造的要求.構(gòu)建了以DSP+CPLD為基礎(chǔ)的數(shù)控系統(tǒng)平臺.該平臺集成度高、穩(wěn)定性強,能實現(xiàn)生產(chǎn)過程的高速度、高精度要求,實現(xiàn)了基于CPLD的可重構(gòu)設(shè)計,提高了系統(tǒng)的柔性.在控制算法上,采用單神經(jīng)元PID及CMAC相結(jié)合的伺服運動控制算法,仿真顯示較常規(guī)P1D控制有更好的動態(tài)特性、控制精度、抗干擾能力. 5. 學(xué)位論文 唐才峰 基于DSP的雕刻機數(shù)控系統(tǒng)研制與開發(fā) 2005 雕刻機的數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控雕刻機的控制核心,其控制功能的強弱、控制性能的優(yōu)劣直接關(guān)系著數(shù)控雕刻機的加工質(zhì)量與加工效率,對整個雕刻機的性 價比和市場競爭力都至關(guān)重要.本文針對國產(chǎn)

26、數(shù)控雕刻機現(xiàn)狀和市場需求,研制開發(fā)基于高性能DSP新型雕刻機數(shù)控系統(tǒng),以提高國產(chǎn)雕刻機數(shù)控系統(tǒng)的性 價比和市場競爭力,并為雕刻機最終用戶改善產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、節(jié)約生產(chǎn)成本提供有效手段.本文圍繞市場調(diào)研提出的雕刻機數(shù)控系統(tǒng)功能和性 能要求,擬定了控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu),完成了控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計開發(fā).硬件上,采用TI公司最新推出的TMS320F2812型32位定點DSP作為控制核心,通過CPLD擴展存儲器和外圍I/O,與基于單片機實現(xiàn)的人機界面配合,較好地兼顧了系統(tǒng)的控制性能與制造成本,也提高了系統(tǒng)設(shè)計靈活性和工作可靠性.軟件上 ,采用匯編、C語言混合編程,用匯編語言完成實時性控制任務(wù),C語言

27、編程構(gòu)造整個軟件的主體框架、實現(xiàn)非實時性任務(wù),既提高了系統(tǒng)軟件的編程效率和可維護性,又保證了系統(tǒng)良好的實時性.此外,在運動控制算法上,應(yīng)用比較積分法插補與良好的升降速控制算法結(jié)合,較好地滿足了雕刻加工對快速性和加工平穩(wěn)性的要求.樣機系統(tǒng)的軟硬件聯(lián)調(diào)表明,本系統(tǒng)的功能和性能達到了預(yù)期設(shè)計要求. 6. 學(xué)位論文 魏立軍 基于DSP和FPGA的數(shù)控系統(tǒng)研究與開發(fā) 2008 隨著數(shù)控系統(tǒng)的通用化和小型化，以數(shù)字信號處理器（DSP）和現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）為核心的數(shù)控系統(tǒng)正成為當前數(shù)控系統(tǒng)的重要發(fā)展方向。一方面，以DSP作為數(shù)控系統(tǒng)的核心處理器，能夠發(fā)揮其高速運算和編程靈活的特長，便于實現(xiàn)復(fù)雜的實

28、時運動控制算法，提高系統(tǒng)的控制性能；另一方面，采用FPGA將大量的邏輯控制功能和外圍接口電路集成在其中，可有效減小系統(tǒng)體積，提高數(shù)控系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。本文在對不同硬件平臺數(shù)控系統(tǒng)進行比較研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計開發(fā)了一款以DSP和FPGA為主控單元的四軸閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)平臺。首先，在需求分析的基礎(chǔ)上規(guī)劃設(shè)計了數(shù)控系統(tǒng)硬件方案，對DSP和FPGA外圍電路、數(shù)字脈沖輸出電路、模擬量輸出電路、編碼器信號采集電路、通用I/O接口電路等實現(xiàn)方法進行了詳細討論 ，完成了系統(tǒng)硬件的設(shè)計制作。為提高數(shù)控系統(tǒng)的硬件集成度和可靠性，通過對FPGA的編程設(shè)計，在FPGA中實現(xiàn)了具有S形加減速的高速平穩(wěn)運動控制、硬件精插補

29、器、主軸轉(zhuǎn)速控制DAC接口、編碼器信號處理電路、手脈信號處理電路、數(shù)字I/O信號處理電路和雙端口RAM等功能模塊，并通過了調(diào)試 、測試。最后，基于上述硬件平臺，采用模塊化程序設(shè)計方法和C語言編程完成了數(shù)控系統(tǒng)的部分軟件設(shè)計，包括DSP端的運動控制模塊測試程序和人機界面單片機控制軟件，并完成系統(tǒng)主要功能的硬軟件聯(lián)調(diào)。 7. 期刊論文 劉全秀.朱志紅.唐曉琦.田文超 數(shù)控系統(tǒng)中DSP運動控制卡的設(shè)計與實現(xiàn) -機械工程師2001(10) 針對數(shù)控系統(tǒng)中實時性要求較高的運動控制(插補、位置控制、開關(guān)量I/O控制)部分,設(shè)計了一種基于ISA總線的DSP運動控制卡,并就該運動控制卡的硬件以及軟件設(shè)計的實現(xiàn)

30、方案進行了深入的討論,闡述了實現(xiàn)中的一些技術(shù)方法.實踐表明該控制卡能滿足運動控制部分的精度及速度要求. 8. 學(xué)位論文 王玉國 基于DSP的數(shù)控系統(tǒng)的研制 2007 數(shù)控機床是一種靈活性極強、高性能、自動化的加工機床.隨著生產(chǎn)的發(fā)展、科技的進步,數(shù)控機床的使用越來越普遍.數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機床的控制核 心,其功能的強弱、控制性能的優(yōu)劣直接關(guān)系著數(shù)控機床的加工質(zhì)量與加工效率,對整個數(shù)控機床的性價比和市場競爭力都至關(guān)重要.本文介紹了一臺基于DSP的全數(shù)字化的機床數(shù)控系統(tǒng)的研制開發(fā).該系統(tǒng)采用高性能、低價格的數(shù)字信號處理(DSP)芯片-TI公司的TMS320LF2407A作為控制內(nèi)核 ,為數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計

31、提供了更能和更低價格的方案.論文首先概述了數(shù)控技術(shù)的發(fā)展史、數(shù)控技術(shù)的特點、研究對象及發(fā)展趨勢;然后介紹了數(shù)控系統(tǒng)的組成、插補原理,DSP芯片在電動機控制上的應(yīng)用原理;永磁同步電動機的矢量控制原理,無刷直流電動機的DSP控制理論基礎(chǔ);接著進行了系統(tǒng)方案設(shè)計,系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計,包括:伺服電機及其驅(qū)動器的選擇、上、下位機的選擇,單片機與DSP芯片的接口,單片機與鍵盤、顯示器的接口,DSP芯片、單片機的電源、晶振、復(fù)位電路、電平轉(zhuǎn)換電路等的設(shè)計,以及其它的外圍電路設(shè)計;系統(tǒng)的軟件設(shè)計:軟件結(jié)構(gòu)、插補算法、DSP初始化程序及控制過程的基本的子程序設(shè)計等:最后對本文的研究內(nèi)容進行了總結(jié),提出了對本課題

32、做進一步工作的建議,并對將來的發(fā)展做了展望.本論文來源于實際需要,應(yīng)用于實際,是典型的機電一體化項目,對于從事數(shù)控系統(tǒng)的研究開發(fā)人員有一定的參考價值. 9. 學(xué)位論文 張得禮 基于DSP和PC的數(shù)控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究與開發(fā) 2006 數(shù)控技術(shù)是一個國家現(xiàn)代基礎(chǔ)工業(yè)的支柱，因此，加大數(shù)控技術(shù)的研究對我國制造業(yè)的發(fā)展是十分必要和有意義的。本文針對數(shù)控系統(tǒng)軟硬件、數(shù)控插補、加工運動控制和加工過程可視化等關(guān)鍵技術(shù)進行了研究，主要研究內(nèi)容和成果如下：研究了DSP、FPGA、VHDL語言等相關(guān)先進硬件技術(shù) ，提出了用高性能的DSP和大容量的FPGA來架構(gòu)運動控制卡的方法。該方法大大提高了系統(tǒng)硬件的集成度和可

33、重構(gòu)性。利用高速的PCI總線實現(xiàn)運動控制卡和PC的通信。軟件上，提出了一種快速讀取雙端口RAM的軟件實現(xiàn)方法。利用高效、高精度智能數(shù)學(xué)庫實現(xiàn)了定點DSP的浮點運算。應(yīng)用速度和加速度前饋+反饋的控制策略實現(xiàn)高精度的位置控制。在此基礎(chǔ)上，研制了基于DSP的三軸聯(lián)動運動控制卡。研究了梯形加減速和S形曲線加減速規(guī)律的動力學(xué)特性，采用等效的梯形加減速規(guī)律實現(xiàn)了S形曲線加減速規(guī)律的加減速實時精確的速度分析。該方法克服了用常規(guī)的查表法來近似計算S形曲線加減速速度的缺點。給出了圓弧段數(shù)控加工運動的控制方法；對兩相鄰兩直線或圓弧加工段的速度銜接提出了兩種參數(shù)可調(diào)的方法：假設(shè)圓弧過渡法和基于最小沖擊法。利用超前分析的方法，根據(jù)減速所需的最大距離提出了一種多程序段運動速度自適應(yīng)平滑算法