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基于嵌入式平台的三维高速数控雕刻机控制系统设计与实现

作　者: 陈勇
导　师: 李辉
学　校: 电子科技大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 嵌入式数控高速雕刻机 ARM和FPGA 速度和轨迹控制
分类号: TG659
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 343次
引　用: 5次
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内容摘要

随着科技的进步,数字控制技术和机电一体化系统得到了飞速发展,数控雕刻机控制器就是机电一体化系统的典型代表,是现代科技基础上制造系统与技术的基础设备之一,但是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的协调,成为影响国产数控雕刻机市场竞争力的制约因素之一。据此,本文设计了一套基于嵌入式的三维高速数控雕刻机控制系统,以ARM9和FPGA为核心控制器完成了控制系统的开发,并根据工业产品需求将该系统应用到了实际系统开发当中,以优良的控制性能和较低的价格增强国产数控雕刻机市场竞争力。本课题将数控技术与嵌入式系统的应用有机结合起来,提出利用32位ARM9微处理器与FPGA相结合来取代目前市场上主流的单片机与工控机相结合的联机控制,以Windows CE操作系统为平台,由ARM完成速度和轨迹控制计算,FPGA完成驱动脉冲发送,整个控制器一体化完成从原始设计数据读取到最终控制信号的输出,彻底摆脱了对工控机的依赖。通过对待加工轨迹预处理,本文解决了避免过切雕刻和进给电机频繁升、降速之间的矛盾,既保证了雕刻过程的高速和连续也避免了雕刻时行程方向的改变而引起进给速度跳变造成的对电机和机床的冲击。在速度控制中,本课题结合了步进电机的转矩-频率特性和微处理器计算能力,提出了利用直线段拟合指数曲线进行加、减速控制,合理的利用了微处理器的资源,同时使电机的升、降速过程快而且平稳;在轨迹控制中,对普通数字积分插补算法进行改进,运用了快速数字积分插补算法,使控制器对插补过程的运算效率更高,减小了控制器的运算压力。最后将所设计的控制系统进行实际雕刻试验,该控制器有友好的人机界面和强大的辅助功能,同时支持数控常用的G代码和HPGL代码,可完成对装饰品、字牌等复杂图形的雕刻。实际试验证明了本文所提的基于嵌入式三维高速数控雕刻机控制系统设计方案的可行性和可靠性,具有很强的应用价值。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-10
第一章绪论  10-17
  1.1 项目来源  10-11
  1.2 数控雕刻机概述  11-13
    1.2.1 雕刻工艺和数控雕刻机  11-12
    1.2.2 数控雕刻机发展现状  12-13
    1.2.3 数控雕刻机未来发展趋势  13
  1.3 嵌入式系统概述  13-16
    1.3.1 嵌入式技术发展和特点  14-15
    1.3.2 嵌入式技术在数控领域的应用  15-16
  1.4 课题研究的主要内容  16-17
第二章控制系统的总体方案设计  17-21
  2.1 设计需求  17-18
  2.2 面向嵌入式系统开发的要点及基本流程  18-19
  2.3 控制系统总体方案设计  19-21
第三章控制系统硬件设计与实现  21-38
  3.1 微处理器S3C2440 概述  21-23
    3.1.1 ARM 简介  21-22
    3.1.2 微处理器S3C2440 简介  22-23
  3.2 控制系统总体硬件结构  23-24
  3.3 基于S3C2440 最小系统的设计  24-32
    3.3.1 电源电路设计  24-26
    3.3.2 复位和时钟电路设计  26
    3.3.3 JTAG 调试电路设计  26-28
    3.3.4 Flash 接口电路设计  28-30
    3.3.5 SDRAM 接口电路设计  30-32
  3.4 键盘电路设计  32-34
    3.4.1 键盘按键功能设计  32-33
    3.4.2 键盘电路设计  33-34
  3.5 系统接口电路设计  34-38
    3.5.1 进给信号接口电路  35-36
    3.5.2 信号输入、输出接口电路  36-38
第四章嵌入式操作系统平台  38-44
  4.1 嵌入式操作系统比选方案  38-40
    4.1.1 嵌入式操作系统的特点  38-39
    4.1.2 嵌入式操作系统的比选  39-40
  4.2 控制系统应用程序中线程的构架  40-44
    4.2.1 Windows CE 的进程和线程描述  40-41
    4.2.2 应用程序线程构架设计  41-44
第五章雕刻机加工速度控制方法  44-56
  5.1 步进电机加减速控制  45-52
    5.1.1 匀速升降控制方法  45
    5.1.2 S 型曲线升降速控制  45-46
    5.1.3 指数规律曲线的拟合  46-49
    5.1.4 指数规律曲线雕刻实例  49-52
  5.2 速度控制中过切雕刻的避免  52-54
    5.2.1 待加工轨迹预处理原理  53
    5.2.2 待加工轨迹预处理的实现  53-54
  5.3 雕刻过程速度控制  54-56
第六章雕刻机加工轨迹控制方法  56-67
  6.1 插补技术  56-58
    6.1.1 插补的基本概念  56-57
    6.1.2 插补算法的分类及其特点  57
    6.1.3 数据采样插补  57-58
    6.1.4 基准脉冲插补  58
  6.2 雕刻加工的轨迹控制实现  58-67
    6.2.1 逐点比较法  58-60
    6.2.2 数字积分法  60-65
    6.2.3 数字积分法的改进和在本系统中的应用  65-67
第七章课题总结与展望  67-69
  7.1 课题总结  67-68
  7.2 课题展望  68-69
致谢  69-70
参考文献  70-73
附录  73-75
个人简历、攻读硕士期间完成的论文和科研成果  75-76

基于嵌入式平台的三维高速数控雕刻机控制系统设计与实现

内容摘要

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