基于USB接口的雕刻機(jī)數(shù)控系統(tǒng)改造

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XX 工 學(xué) 院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（論文）作 者: 學(xué) 號(hào)：系 (院): 機(jī)械工程學(xué)院專 業(yè): 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化題 目: 基于 USB 接口的雕刻機(jī)數(shù)控系統(tǒng)改造指導(dǎo)者： 評(píng)閱者： 20XX 年 6 月畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書 （ 論 文 ） 中 文 摘 要本次畢業(yè)設(shè)計(jì)根據(jù)機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)的基本原理、關(guān)鍵技術(shù)和研制原則，應(yīng)用較新的 USB 技術(shù)改造原有過(guò)時(shí)的 ISA 運(yùn)動(dòng)控制卡進(jìn)行控制的雕刻機(jī)數(shù)控系統(tǒng)，制定基于 USB 接口雕刻機(jī)的總體設(shè)計(jì)方案，詳細(xì)地分析雕刻機(jī)系統(tǒng)的總體布局和結(jié)構(gòu)方案、數(shù)控系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方式，以及主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)選擇等。機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，包括主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算；控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，包括硬件選用、軟件結(jié)構(gòu)；以及插補(bǔ)算法的選擇、分析和實(shí)現(xiàn)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了該雕刻機(jī)系統(tǒng)的初步優(yōu)化。關(guān)鍵詞 USB 接口技術(shù)，運(yùn)動(dòng)控制，雕刻機(jī) 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書 （ 論 文 ） 外 文 摘 要Title Transformation of CNC engraving machine based on USB interface AbstractThis graduation design is based on the key technologies and the principles of development, basic principle of mechatronics product design, application of new technology of USB transformation of the original outdated ISA motion control card control engraving machine CNC system, formulate the overall design scheme of USB interface based on the movement of engraving machine, with the overall layout and structure of the program, the analysis of carving system of CNC system, as well as the main movement and feed movement system selection. Design and Realization of the design and calculation of mechanical system, including the main movement and feed movement; control system design and implementation, including hardware selection, software structure; and the choice of interpolation algorithm, analysis and implementation process, to achieve the optimization system of the engraving machine.Keywords CNC，STEP-NC，Turning operation，Bidirectional communication 目錄1 引言 11．1 課題背景 11．2 CAD/CAM 概述 .11．3 基于 PC 的雕刻機(jī)數(shù)控系統(tǒng) .41.3.1 基于 PC 的數(shù)控系統(tǒng)的特點(diǎn)及模式 41.3.2 基于 PC 雕刻機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的通訊總線形式 .51．4 主要研究?jī)?nèi)容及安排 62 比較 ISA 運(yùn)動(dòng)控制卡和基于 USB 接口雕刻機(jī)的優(yōu)劣 62．1 ISA 總線 .62．2 原伺服驅(qū)動(dòng)的說(shuō)明 72.2.1 基本接線 82.2.2 試機(jī)步驟 82.2.3 ‘SET’鍵結(jié)束 82.2.4 位置控制方式 82．3 USB 接口控制優(yōu)點(diǎn) 112．4 USB 驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn) 123 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì) 123．1 嵌入式技術(shù) 123．2 嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn) 133．3 嵌入式系統(tǒng)在工業(yè)控制上的發(fā)展 133．4 系統(tǒng)插補(bǔ)方案設(shè)計(jì) 143．5 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 143．6 主要模塊的功能簡(jiǎn)要介紹 164 基于 MK1-ZXAUSBCNC 控制板的雕刻機(jī)改造 164．1 MK1-ZXAUSBCNC 控制板結(jié)構(gòu) .184．2 產(chǎn)品與外圍部件的接線 215 軟件調(diào)試 256 樣品 30結(jié) 論 33致 謝 34參 考 文 獻(xiàn) 3511 引言隨著 PC 技術(shù)的迅速發(fā)展，其在工業(yè)控制領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。用 PC 技術(shù)開發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)可以得到強(qiáng)有力的硬件和軟件支持，避開專有技術(shù)的制約，在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到較高水平。USB 自問(wèn)世以來(lái)，就以其速度快、成本低廉等諸多優(yōu)點(diǎn)逐步占領(lǐng)了 PC 及其外圍設(shè)備市場(chǎng)。隨著大量支持 USB 的個(gè)人電腦的普及， USB 逐步成為 PC 機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)接口已經(jīng)是大勢(shì)所趨。1．1 課題背景數(shù)控技術(shù)是先進(jìn)制造技術(shù)（如柔性制造系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)等）的基礎(chǔ)。要發(fā)展先進(jìn)制造技術(shù)，首先必須重視制造單元技術(shù)（數(shù)控技術(shù)、加工單元、柔性制造單元等） 。數(shù)控機(jī)床在現(xiàn)代加工領(lǐng)域，特別是在發(fā)達(dá)的工業(yè)國(guó)家（如美國(guó)、日本、英國(guó)、德國(guó)等） ，已經(jīng)作為主要加工設(shè)備而取代傳統(tǒng)加工機(jī)床。數(shù)控機(jī)床在整個(gè)現(xiàn)代制造系統(tǒng)中處于基礎(chǔ)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(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展與普及化，深入研究新一代數(shù)控技術(shù)具有重要的意義和實(shí)用價(jià)值。1952 年，麻省理工學(xué)院研制成功出第一臺(tái)三坐標(biāo)連續(xù)控制的數(shù)控銑床，這標(biāo)志著數(shù)控機(jī)床的誕生。數(shù)控機(jī)床一問(wèn)世就顯示了極大的優(yōu)越性，由此逐步發(fā)展和完善起來(lái)。尤其是在 70 年代以后，伴隨微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)和伺服技術(shù)的發(fā)展而不斷地發(fā)展演變。數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用不但給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來(lái)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(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，對(duì)國(guó)計(jì)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(lái)越重要的作用，因?yàn)檫@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(shì)。1．2 CAD/CAM 概述CAD/CAM 是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)/計(jì)算機(jī)輔助制造（Computer Aided Design/Computer Aided Manufacture）的簡(jiǎn)稱，是當(dāng)今世界發(fā)展最快的技術(shù)之一。它不僅促使了生產(chǎn)模式的轉(zhuǎn)變，同時(shí)也促進(jìn)了市場(chǎng)的發(fā)展。在計(jì)算機(jī)輔助下進(jìn)行設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)的以人為核心的設(shè)計(jì)明顯不同。根據(jù)產(chǎn)品開發(fā)計(jì)劃2和對(duì)產(chǎn)品功能的要求，不再僅僅是依靠設(shè)計(jì)者個(gè)人的知識(shí)和能力去設(shè)計(jì)，而是運(yùn)用包括設(shè)計(jì)者本人和存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中的多種知識(shí)，在 CAD 系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)的支持下進(jìn)行工作。這種工作方式設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品大大優(yōu)于單個(gè)設(shè)計(jì)師憑個(gè)人腦力和能力設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品；另外，CAD 輸出的結(jié)果也不僅僅是裝配圖和零件圖，還包括設(shè)計(jì)、制造過(guò)程中應(yīng)用計(jì)算機(jī)所需的各種信息。CAM 技術(shù)主要是圍繞著數(shù)控編程技術(shù)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(duì)象的形狀越復(fù)雜，加工精度越高，設(shè)計(jì)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(shù)受到高度重視。然而從制造的全過(guò)程看，應(yīng)用計(jì)算機(jī)作為輔助手段的不僅僅是數(shù)控編程，還有許多技術(shù)和方法歸類于 CAM 的范疇，如計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)劃（CAPP） 、計(jì)算機(jī)輔助生產(chǎn)管理（CAPM） 、生產(chǎn)活動(dòng)控制（PAC）等。其中有些內(nèi)容已經(jīng)超出了制造過(guò)程和間接制造過(guò)程；狹義 CAM 則是指制造過(guò)程中某個(gè)環(huán)節(jié)上應(yīng)用計(jì)算機(jī)。一般我們所講的在制造全過(guò)程的數(shù)控編程環(huán)節(jié)上應(yīng)用了計(jì)算機(jī)，其實(shí)是一種狹義 CAM 的概念。所以在實(shí)際應(yīng)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(yīng)用目標(biāo)構(gòu)件的 CAD/CAM 系統(tǒng)。系統(tǒng)中包括設(shè)計(jì)與制造過(guò)程的三個(gè)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(shè)計(jì)、工程分析、工藝過(guò)程規(guī)劃、數(shù)控編程、工程數(shù)據(jù)庫(kù)以及系統(tǒng)接口幾個(gè)部分。這些部分以不同的形式組合集成就構(gòu)成各種類型的系統(tǒng)。我國(guó) CAD/CAM 軟件不管是從產(chǎn)品開發(fā)水平還是從商品化、市場(chǎng)化程度都與發(fā)達(dá)國(guó)家有不小的差距。由于國(guó)外 CAD/CAM 軟件出現(xiàn)得較早，開發(fā)和應(yīng)用的時(shí)間也較長(zhǎng)，所以它們發(fā)展比較成熟，現(xiàn)在基本上已經(jīng)占領(lǐng)了國(guó)際市場(chǎng)。這些國(guó)外軟件公司利用其技術(shù)和資金的優(yōu)勢(shì)，開始大力向我國(guó)市場(chǎng)進(jìn)軍，目前，國(guó)外一些優(yōu)秀軟件，如UG、SolidWorks、Pro/Engineer、CATIA 等，已經(jīng)占領(lǐng)了一部分國(guó)內(nèi)市場(chǎng)。經(jīng)過(guò)多年的推廣，我國(guó)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(shù)可以應(yīng)用在許多領(lǐng)域，機(jī)械制造是最早也是最廣泛應(yīng)用 CAD/CAM 技術(shù)的領(lǐng)域。隨著 CAD/CAM 技術(shù)的發(fā)展，建筑、電子、化工的領(lǐng)域也開始應(yīng)用該技術(shù)，在這些新的應(yīng)用領(lǐng)域中，國(guó)外軟件的優(yōu)勢(shì)并不明顯。所以，我國(guó)CAD/CAM 軟件在這些方面還是可以與發(fā)達(dá)國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)的，并且隨著 CAD/CAM 技術(shù)應(yīng)用的深入，越來(lái)越多的領(lǐng)域?qū)?huì)使用該技術(shù)，所以，如果能夠緊跟時(shí)代潮流，不斷應(yīng)3用于新的領(lǐng)域，那么國(guó)產(chǎn) CAD/CAM 軟件還是很有前途的。 雕刻加工是一種很傳統(tǒng)的手工工藝，在工藝品、標(biāo)牌、首飾等行業(yè)具有悠 久的歷史。但傳統(tǒng)的雕刻加工一般都是手工工藝，產(chǎn)品的質(zhì)量主要取決于雕刻 師傅的技藝水平，而且勞動(dòng)生產(chǎn)率低，成本價(jià)格高，可重復(fù)性差。隨著市場(chǎng)需 求的不斷擴(kuò)大以及模具工業(yè)的迅速發(fā)展，除首飾、標(biāo)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(dǎo)致了雕刻加工向自動(dòng)化方向發(fā)展。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(jìn)行雕刻加工:另一種是機(jī)械式雕刻系統(tǒng)，它采用傳統(tǒng)的切削式加工方法進(jìn)行 雕刻加工。這兩種雕刻系統(tǒng)各有優(yōu)缺點(diǎn)，應(yīng)用區(qū)域也不盡相同。激光雕刻對(duì)加 工材料有一定的限制，它無(wú)法加工石材的材料，主要應(yīng)用于標(biāo)牌業(yè)和廣告業(yè);而 機(jī)械式雕刻系統(tǒng)加工軟到橡膠硬到石材等各種材料，應(yīng)用范圍也較激光雕刻系統(tǒng)廣泛的多。機(jī)械式雕刻系統(tǒng)又可分為仿形雕刻機(jī)和計(jì)算機(jī)數(shù)控(CNC) 雕刻機(jī)兩大類。機(jī)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(jì)算機(jī)數(shù)控 (CNC)雕刻機(jī)按驅(qū)動(dòng)電機(jī)分類，可分為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的計(jì)算機(jī)數(shù)控雕刻機(jī)和伺服 電機(jī)驅(qū)動(dòng)的計(jì)算機(jī)數(shù)控雕刻機(jī)，后者精度較高，但控制復(fù)雜，成本也較高；按 運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)類型進(jìn)行分類，分為三坐標(biāo) CNC 雕刻機(jī)和五坐標(biāo)雕刻機(jī)；按機(jī)床結(jié)構(gòu) 進(jìn)行分類，分為立式 CNC 雕刻機(jī)、臥式 CNC 雕刻機(jī)和龍門 CNC 雕刻機(jī)等。41．3 基于 PC 的雕刻機(jī)數(shù)控系統(tǒng)圖 1.1 實(shí)驗(yàn)室所使用的雕刻機(jī)1.3.1 基于 PC 的數(shù)控系統(tǒng)的特點(diǎn)及模式從上節(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(shù)開發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)可以得到強(qiáng)有力 的硬件和軟件支持，避開專有技術(shù)的制約，在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到較高水平 [8]。其主 要特點(diǎn)有：豐富的軟件資源，可將現(xiàn)有的各種工廠管理軟件、CAD/CAM 軟件、通訊 軟件等裝進(jìn)系統(tǒng)運(yùn)行并直接控制機(jī)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(biāo)準(zhǔn)化的硬件、網(wǎng)絡(luò)功能以及開放的總線，使系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)具有模塊化、 網(wǎng)絡(luò)化、開放性的特點(diǎn)。以上種種特點(diǎn)，使得它在改善 CNC 系統(tǒng)的數(shù)控編程、人機(jī)界面、實(shí)時(shí)仿真、 狀態(tài)信息監(jiān)測(cè)、網(wǎng)絡(luò)通訊等功能方面表現(xiàn)出了無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。就結(jié)構(gòu)形式而言，目前基于 PC 的開放式數(shù)控系統(tǒng)有 3 種模式：PC 嵌入 NC 模式這種模式無(wú)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(kuò)展槽中插入專用的運(yùn)動(dòng)控制 卡，運(yùn)動(dòng)控制卡多以 DSP 為核心的多軸運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)，能夠充分保證系統(tǒng)的性 能；同時(shí)可以充分利用 PC 機(jī)豐富的軟硬件資源，開放性好；但開發(fā)難度較大。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(jī)中 軟件實(shí)現(xiàn)，硬件部分僅是計(jì)算機(jī)與驅(qū)動(dòng)電機(jī)和外部 I/O 之間的標(biāo)準(zhǔn)化通用接口， 就像計(jì)算機(jī)中可5以安裝各種品牌的聲卡、CD-ROM 和相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序一樣，因而 提供給用戶最大的選擇和靈活性。1.3.2 基于 PC 雕刻機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的通訊總線形式目前，在基于 PC 的雕刻機(jī)數(shù)控系統(tǒng)中， PC 與機(jī)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)代雕刻機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求， 已逐漸被主流雕刻機(jī)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(jì)算機(jī)技術(shù)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(jī)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(kuò)展必須采用板卡形式，不僅安裝麻煩，容易受機(jī) 箱內(nèi)環(huán)境的干擾，而且受計(jì)算機(jī)插槽數(shù)量和地址、中斷資源的限制，掛接設(shè)備 數(shù)量不能太多。隨著 USB 的推出，其優(yōu)點(diǎn)不斷被認(rèn)識(shí)，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(kuò)展極為方便，因而得到迅速的普及應(yīng)用。特別是當(dāng) 2001 年末Cypress 公司推出第一款集成 USB2.0 的微處理器時(shí)，USB2.0 接口在 數(shù)據(jù)采集和通訊方面得到迅速的應(yīng)用，并開始成為高速數(shù)據(jù)通訊的熱點(diǎn)。將 USB 總線應(yīng)用于基于 PC 的數(shù)控雕刻機(jī)系統(tǒng)，可很好地解決高速數(shù)控雕刻 機(jī)系統(tǒng)在接口通訊中面臨的矛盾，能夠易于實(shí)現(xiàn)高速、低成本、高可靠性、多 點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)監(jiān)控等控制系統(tǒng)。雕刻機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的研制目標(biāo)和設(shè)計(jì)思想。目前，國(guó)產(chǎn)雕刻機(jī)使用的數(shù)控系統(tǒng)在性能和價(jià)格上不能很好地統(tǒng)一，成為 影響國(guó)產(chǎn)數(shù)控雕刻機(jī)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的制約因素之一。數(shù)控雕刻機(jī)是一種典型的機(jī) 電一體化設(shè)備，研制的總體目標(biāo)是提高該產(chǎn)品在市場(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)能力，研制目標(biāo) 具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)主要方面：提高可靠性并降低成本，開發(fā)基于軟件控制的雕刻機(jī)數(shù)控系統(tǒng)。依靠和發(fā) 揮軟件技術(shù)優(yōu)勢(shì)，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(bǔ)運(yùn)算速度和精度，提高控制速度的平穩(wěn)性。模塊化設(shè)計(jì)，將雕刻機(jī)從軟、硬件結(jié)構(gòu)上按功能劃分模塊，各功能模塊相 對(duì)獨(dú)立研究、發(fā)展和完善，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)接口聯(lián)成系統(tǒng)。基于以上的研制目標(biāo)、發(fā)展趨勢(shì)和研究室已有的成果，本文設(shè)計(jì)的雕刻機(jī)數(shù)控系統(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(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)利用了 PC 平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)，開發(fā)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)和維護(hù)，并對(duì)市場(chǎng)的響應(yīng)快，具有一定的開放性；6利用 USB2.0 高速傳輸、使用便捷等特點(diǎn)實(shí)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(shí)現(xiàn)精插補(bǔ)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(shí)可降低開發(fā) 難度和設(shè)計(jì)成本。1．4 主要研究?jī)?nèi)容及安排本文在充分的市場(chǎng)調(diào)研基礎(chǔ)上，根據(jù)雕刻機(jī)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(yīng)用軟件開發(fā)等工作，主要包 括方案設(shè)計(jì)、改進(jìn)，軟件編程，數(shù)字脈沖伺服接口卡的研制，分系統(tǒng)調(diào)試和系 統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試等。具體工作如下：USB 通信方案設(shè)計(jì)、開發(fā)和調(diào)試掌握 USB2.0 總線協(xié)議及特點(diǎn)，完成 USB 固件開發(fā)和調(diào)試。數(shù)字脈沖伺服接口卡的方案設(shè)計(jì)、改進(jìn)和調(diào)試根據(jù)項(xiàng)目總體對(duì)精插補(bǔ)驅(qū)動(dòng)脈沖的功能、時(shí)序和接口要求，完成基于 FPGA 的數(shù)字脈沖伺服接口卡設(shè)計(jì)。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(shè)計(jì)，PCB 板調(diào)試和測(cè)試。精插補(bǔ)控制器模塊的 VHDL 編程和仿真測(cè)試完成 EZ-USB FIFO 接口驅(qū)動(dòng)電路、DDA 精插補(bǔ)電路等模 塊的編程和仿真測(cè)試等。應(yīng)用軟件方案的改進(jìn)和開發(fā)完成 USB驅(qū)動(dòng)的開發(fā)，數(shù)控程序的實(shí)時(shí)仿真，自動(dòng)加工、手動(dòng)加工等數(shù)控 操作的軟件設(shè)計(jì)和調(diào)試。完成 FPGA 片內(nèi)模塊及板級(jí)聯(lián)調(diào)、應(yīng)用軟件調(diào)試和系統(tǒng)聯(lián)調(diào)及測(cè)試等。2 比較 ISA 運(yùn)動(dòng)控制卡和基于 USB 接口雕刻機(jī)的優(yōu)劣2．1 ISA 總線目前，在基于 PC 的數(shù)控系統(tǒng)中， PC 與機(jī)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(shí)時(shí)性要求，已逐漸被主流數(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(jì)算機(jī)技術(shù)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(jī)系統(tǒng)己基本被淘汰。ISA 插槽是基于 ISA 總線（Industrial Standard Architecture，工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)總線）的擴(kuò)展插槽，其顏色一般為黑色，比 PCI 接口插槽要長(zhǎng)些，位于主板的最下端。其工作頻率為 8MHz 左7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(kuò)展插卡。其缺點(diǎn)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。圖 2.1 ISA 運(yùn)控卡電路板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(kuò)展必須采用板卡形式，不僅安裝麻煩，容易受機(jī)箱內(nèi)環(huán)境的干擾，而且受計(jì)算機(jī)插槽數(shù)量和地址、中斷資源的限制，掛接設(shè)備數(shù)量不能太多。隨著 USB 的推出，其優(yōu)點(diǎn)不斷被認(rèn)識(shí)，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(kuò)展極為方便，因而得到迅速的普及應(yīng)用。特別是當(dāng) 2001 年末Cypress 公司推出第一款集成 USB2.0 的微處理器時(shí)， USB2.0 接口在數(shù)據(jù)采集和通訊方面得到迅速的應(yīng)用，并開始成為高速數(shù)據(jù)通訊的熱點(diǎn)。將 USB 總線應(yīng)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(shí)現(xiàn)高速、低成本、高可靠性、多點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)監(jiān)控等控制系統(tǒng)。2．2 原伺服驅(qū)動(dòng)的說(shuō)明圖 2.2 伺服驅(qū)動(dòng)82.2.1 基本接線主電源輸入采用～220V，從 L1、L3 接入（實(shí)際使用應(yīng)參照操作手冊(cè)） ；控制電源輸入 r、t 也可直接接～220V電機(jī)接線見(jiàn)操作手冊(cè)第 22、23 頁(yè)，編碼器接線見(jiàn)操作手冊(cè)第 24～26 頁(yè)，切勿接錯(cuò)2.2.2 試機(jī)步驟僅按基本接線就可試機(jī)；在數(shù)碼顯示為初始狀態(tài)‘r 0’下，按‘SET’鍵，然后連續(xù)按‘MODE’鍵直至數(shù)碼顯示為‘AF－ AcL’，然后按上、下鍵至‘AF-JoG ’按‘SET’鍵，顯示‘JoG -’:按住‘^’鍵直至顯示 ‘rEAdy’按住‘ ’鍵直至顯示 ‘SrV-on’按住‘^’鍵電機(jī)反時(shí)針旋轉(zhuǎn)，按‘V’電機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速可由參數(shù) Pr57 設(shè)定2.2.3 ‘SET’鍵結(jié)束內(nèi)部速度控制方式（上海太鑫電子科技有限公司提供）COM＋（7 腳）接＋12～24VDC,COM-（41 腳）接該直流電源地；SRV－ON（29 腳）接 COM-參數(shù) No.53、No.05 設(shè)置為 1：（注此類參數(shù)修改后應(yīng)寫入 EEPROM,并重新上電）調(diào)節(jié)參數(shù) No.53,即可使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。參數(shù)值即為轉(zhuǎn)速，正值反時(shí)針旋轉(zhuǎn)，負(fù)值順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。2.2.4 位置控制方式COM＋（7 腳）接＋12～24VDC,COM-（41 腳）接該直流電源地；SRV－ON（29 腳）接 COM-PLUS1（3 腳） 、SIGN1（ 5 腳）接脈沖源的電源正極（＋5V ） ；PLUS2（4 腳）接脈沖信號(hào)，SIGN（6 腳）接方向信號(hào)；參數(shù) No.02 設(shè)置為 0，No42 設(shè)置為 3，No43 設(shè)置為 1；PLUS（4 腳）送入脈沖信號(hào)，即可使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)；改變 SIGN2 即可改變電機(jī)轉(zhuǎn)向。另外，調(diào)整參數(shù) No.46、No.4B(A4 對(duì)應(yīng) 48，4B；A5 對(duì)應(yīng) 009，010),可改變電機(jī)每轉(zhuǎn)所需的脈沖數(shù)（即電子齒輪） 。 松下數(shù)字式交流伺服系統(tǒng) MHMA 2KW，試機(jī)時(shí)一上電，電機(jī)就振動(dòng)并有很大的噪聲，然后驅(qū)動(dòng)器出現(xiàn) 16 號(hào)報(bào)警，這種現(xiàn)象一般是由于驅(qū)動(dòng)器的增益設(shè)置過(guò)高，產(chǎn)生了自激震蕩。請(qǐng)調(diào)整參數(shù) No.10、No.11、No.12（ A5 系列對(duì)應(yīng) 10 參考《使用說(shuō)明書》9中關(guān)于增益調(diào)整的內(nèi)容） 松下交流伺服驅(qū)動(dòng)器上電就出現(xiàn) 22 號(hào)報(bào)警，產(chǎn)生的原因一般有：編碼器接線有問(wèn)題：斷線、短路、接錯(cuò)等等，請(qǐng)仔細(xì)查對(duì)；電機(jī)上的編碼器有問(wèn)題：錯(cuò)位、損等，請(qǐng)送修 松下伺服電機(jī)在很低的速度運(yùn)行時(shí)，時(shí)快時(shí)慢，象爬行一樣伺服電機(jī)出現(xiàn)低速爬行現(xiàn)象一般是由于系統(tǒng)增益太低引起的，請(qǐng)調(diào)整參數(shù) No.10、No.11、No.12（A5 系列對(duì)應(yīng) 100，101，102） ，適當(dāng)調(diào)整系統(tǒng)增益，或運(yùn)行驅(qū)動(dòng)器自動(dòng)增益調(diào)整功能。松下交流伺服系統(tǒng)在位置控制方式下，控制系統(tǒng)輸出的是脈沖和方向信號(hào)，但不管是正轉(zhuǎn)指令還是反轉(zhuǎn)指令，電機(jī)只朝一個(gè)方向轉(zhuǎn)，松下交流伺服系統(tǒng)在位置控制方式下，可以接收三種控制信號(hào)：脈沖/方向、正/反脈沖、A/B 正交脈沖。驅(qū)動(dòng)器的出廠設(shè)置為 A/B 正交脈沖（No42 為 0，A5 對(duì)應(yīng) 007） ，請(qǐng)將 No42 改為 3（脈沖/ 方向信號(hào)） 。松下交流伺服系統(tǒng)的使用能否用伺服-ON 作為控制電機(jī)脫機(jī)的信號(hào)，以便直接轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)軸,盡管在 SRV-ON 信號(hào)斷開時(shí)電機(jī)能夠脫機(jī)（處于自由狀態(tài)） ，但不要用它來(lái)啟動(dòng)或停止電機(jī)，頻繁使用它開關(guān)電機(jī)可能會(huì)損壞驅(qū)動(dòng)器。如果需要實(shí)現(xiàn)脫機(jī)功能時(shí)，可以采用控制方式的切換來(lái)實(shí)現(xiàn)：假設(shè)伺服系統(tǒng)需要位置控制，可以將控制方式選擇參數(shù) No02（A5 對(duì)應(yīng) 001）設(shè)置為 4，即第一方式為位置控制，第二方式為轉(zhuǎn)矩控制。然后用 C-MODE 來(lái)切換控制方式：在進(jìn)行位置控制時(shí)，使信號(hào) C-MODE 打開，使驅(qū)動(dòng)器工作在第一方式（即位置控制）下；在需要脫機(jī)時(shí)，使信號(hào) C-MODE 閉合，使驅(qū)動(dòng)器工作在第二方式（即轉(zhuǎn)矩控制）下，由于轉(zhuǎn)矩指令輸入 TRQ 未接線，因此電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩為零，從而實(shí)現(xiàn)脫機(jī)。在我們開發(fā)的數(shù)控銑床中使用的松下交流伺服工作在模擬控制方式下，位置信號(hào)由驅(qū)動(dòng)器的脈沖輸出反饋到計(jì)算機(jī)處理，在裝機(jī)后調(diào)試時(shí)，發(fā)出運(yùn)動(dòng)指令，電機(jī)就飛車， 這種現(xiàn)象是由于驅(qū)動(dòng)器脈沖輸出反饋到計(jì)算機(jī)的 A/B 正交信號(hào)相序錯(cuò)誤、形成正反饋而造成，可以采用以下方法處理：修改采樣程序或算法；將驅(qū)動(dòng)器脈沖輸出信號(hào)的 A+和 A-（或者 B+和 B-）對(duì)調(diào)，以改變相序在我們研制的一臺(tái)檢測(cè)設(shè)備中，發(fā)現(xiàn)松下交流伺服系統(tǒng)對(duì)我們的檢測(cè)裝置有一些干，一般應(yīng)采取什么方法來(lái)消除,由于交流伺服驅(qū)動(dòng)器采用了逆變器原理，所以它在控制、檢測(cè)系統(tǒng)中是一個(gè)較為突出的干擾源，為了減弱或消除伺服驅(qū)動(dòng)器對(duì)其它電子設(shè)備的干擾，一般可以采用以下辦法：A.驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)的接地端應(yīng)可靠地接地；10B.驅(qū)動(dòng)器的電源輸入端加隔離變壓器和濾波器；C.所有控制信號(hào)和檢測(cè)信號(hào)線使用屏蔽線。干擾問(wèn)題在電子技術(shù)中是一個(gè)很棘手的難題，沒(méi)有固定的方法可以完全有效地排除它，通常憑經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)來(lái)尋找抗干擾的措施。伺服電機(jī)為什么不會(huì)丟步伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接收電機(jī)編碼器的反饋信號(hào)，并和指令脈沖進(jìn)行比較，從而構(gòu)成了一個(gè)位置的半閉環(huán)控制。所以伺服電機(jī)不會(huì)出現(xiàn)丟步現(xiàn)象，每一個(gè)指令脈沖都可以得到可靠響應(yīng)。目前，幾乎所有日本產(chǎn)交流伺服電機(jī)都是三相 200V 供電，國(guó)內(nèi)電源標(biāo)準(zhǔn)不同，所以必須按以下方法解決：A.對(duì)于 750W 以下的交流伺服，一般情況下可直接將單相 220V 接入驅(qū)動(dòng)器的 L1，L3端子；B.對(duì)于其它型號(hào)電機(jī)，建議使用三相變壓器將三相 380V 變?yōu)槿?200V，接入驅(qū)動(dòng)器的 L1， L2， L3.應(yīng)用最好的，因?yàn)槠湓谶\(yùn)動(dòng)控制方面高速度，高精度和易于控制等特點(diǎn)使得伺服電機(jī)在運(yùn)動(dòng)控制方面得到完美的應(yīng)用。伺服電機(jī)之前，設(shè)備生產(chǎn)廠家都是基本都是采用的步進(jìn)電機(jī)作運(yùn)動(dòng)控制的執(zhí)行單元，但伺服電機(jī)的出現(xiàn)，尤其是交流全數(shù)字伺服電機(jī)的出現(xiàn)，克服了步進(jìn)電機(jī)在運(yùn)動(dòng)控制的低頻共振，轉(zhuǎn)速慢，高速時(shí)扭矩下降等缺點(diǎn)。目前在國(guó)內(nèi)使用的伺服系統(tǒng)可分為三類：日系、歐美、國(guó)產(chǎn)。隨著伺服系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)運(yùn)動(dòng)控制行業(yè)的普遍應(yīng)用，伺服電機(jī)的生產(chǎn)技術(shù)門檻已經(jīng)不是很高，國(guó)內(nèi)的一些生產(chǎn)常見(jiàn)也已經(jīng)跨越了這個(gè)技術(shù)瓶頸，伺服電機(jī)有了很多國(guó)產(chǎn)品牌，國(guó)產(chǎn)伺服因?yàn)槠鋬?yōu)秀的性價(jià)比占據(jù)了一些底端市場(chǎng)，但是在驅(qū)動(dòng)器控制電機(jī)方面和國(guó)外的伺服系統(tǒng)相比較而言還是有一些差距。日系的伺服電機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)器是一一對(duì)應(yīng)的，而歐美的則是一種型號(hào)的伺服電機(jī)可以用不同的驅(qū)動(dòng)器甚至是不同品牌的驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)；還有日系的伺服驅(qū)動(dòng)器基本上都是不帶總線控制的，而歐系的大多都是帶總線控制的，但是歐美系的品牌也意識(shí)到這種帶總線的在中國(guó)來(lái)說(shuō)并不適應(yīng)市場(chǎng)，并且又增加的成本，所以現(xiàn)在針對(duì)日系的市場(chǎng)也在做一些簡(jiǎn)化的只有本地控制的伺服驅(qū)動(dòng)器，相應(yīng)的，日系的伺服為了爭(zhēng)奪歐美伺服的市場(chǎng)，也在推出的伺服驅(qū)動(dòng)種類里面推出一些總線控制模式的驅(qū)動(dòng)器。國(guó)產(chǎn)品牌伺服應(yīng)用比較多的是華中伺服、廣州數(shù)控、南京埃斯頓、和利時(shí)電機(jī)；11臺(tái)灣的臺(tái)達(dá)伺服和東元伺服，臺(tái)系品牌的伺服在價(jià)格方面是出于大陸產(chǎn)和日系之間的，在國(guó)內(nèi)運(yùn)動(dòng)控制市場(chǎng)基本被歐美和日系占據(jù)的今天，國(guó)產(chǎn)伺服能在自動(dòng)化控制領(lǐng)域掙得一份市場(chǎng)實(shí)屬不易。尤其是在歐美和日系的全面占據(jù)市場(chǎng)的局面下，國(guó)產(chǎn)伺服開始就是走低價(jià)和優(yōu)質(zhì)服務(wù)的路線，也贏得了一些市場(chǎng)。低價(jià)并不是說(shuō)品質(zhì)就得不到保證，在印刷包裝行業(yè)，國(guó)產(chǎn)伺服在不同的機(jī)型上都有成功的應(yīng)用，并且和國(guó)外產(chǎn)品性能上無(wú)差別。可喜的是，國(guó)產(chǎn)伺服的品牌這幾年如雨后春一樣出現(xiàn)了不少，并且相當(dāng)多的國(guó)產(chǎn)伺服在設(shè)備上表現(xiàn)出的性能已經(jīng)和日系的不相上下。2．3 USB 接口控制優(yōu)點(diǎn)USB 之所以能得到廣泛支持和快速普及，是因?yàn)樗邆湎铝械暮芏嗵攸c(diǎn): 1．使用方便 使用 USB 接口可以連接多個(gè)不同的設(shè)備，支持熱插拔，在軟件方面，為 USB 設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用軟件可以自動(dòng)啟動(dòng)，無(wú)需用戶干預(yù)。 USB 設(shè)備也不涉及 IRQ 沖突等問(wèn)題，它單獨(dú)使用自己的保留中斷，不會(huì)同其它設(shè)備爭(zhēng)用 PC 機(jī)有限的資源，為用戶省去了硬件配置的煩惱。USB 設(shè)備能真正做到“ 即插即用”。 2．速度加快 快速性能是 USB 技術(shù)的突出特點(diǎn)之一。USB 接口的最高傳輸率目前可達(dá)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(huì)提高到 100Mb／s 以上。 3．連接靈活 USB 接口支持多個(gè)不同設(shè)備的串列連接，一個(gè) USB 口理論上可以連接 127 個(gè)USB 設(shè)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(zhuǎn)接頭 (Hub)，把多個(gè)設(shè)備連接在一起，再同 PC 機(jī)的 USB 口相接。在 USB 方式下，所有的外設(shè)都在機(jī)箱外連接，不必打開機(jī)箱；允許外設(shè)熱插拔，而不必關(guān)閉主機(jī)電源。USB采用“級(jí)聯(lián)”方式，即每個(gè) USB 設(shè)備用一個(gè) USB 插頭連接到一個(gè)外設(shè)的 USB 插座上，而其本身又提供一個(gè) USB 插座供下一個(gè) USB 外設(shè)連接用。通過(guò)這種類似菊花鏈?zhǔn)降倪B接，一個(gè) USB 控制器可以連接多達(dá) 127 個(gè)外設(shè)，而每個(gè)外設(shè)間距離(線纜長(zhǎng)度)可達(dá)5 米。USB 還能智能識(shí)別 USB 鏈上外圍設(shè)備的接入或拆卸。 4．獨(dú)立供電 12普通使用串口、并口的設(shè)備都需要單獨(dú)的供電系統(tǒng)，而 USB 設(shè)備則不需要，因?yàn)閁SB 接口提供了內(nèi)置電源。 USB 電源能向低壓設(shè)備提供 5V 的電源，因此新的設(shè)備就不需要專門的交流電源了,從而降低了這些設(shè)備的成本并提高了性價(jià)比。 5．支持多媒體 USB 提供了對(duì)電話的兩路數(shù)據(jù)支持，USB 可支持異步以及等時(shí)數(shù)據(jù)傳輸,使電話可與 PC 集成,共享語(yǔ)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(jì)算機(jī)外，因而減少了電子噪音干擾聲音質(zhì)量的機(jī)會(huì),從而使音頻系統(tǒng)具有更高的保真度。的依據(jù)是安裝信息文件中注釋的設(shè)備的標(biāo)識(shí)和自舉中的標(biāo)識(shí)是否一致。所以,在進(jìn)行設(shè)備程序驅(qū)動(dòng)時(shí),DRIVER 文件中需要包含兩個(gè)基本文件 :相關(guān)硬件的安裝信息文件和固件驅(qū)動(dòng)文件。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中對(duì)于 USB 設(shè)備的驅(qū)動(dòng)主要是實(shí)現(xiàn)以下的三個(gè)功能:1．對(duì) USB 設(shè)備劃設(shè)備驅(qū)動(dòng)對(duì)象并實(shí)現(xiàn)對(duì) USB 設(shè)備的初始化; 2．實(shí)現(xiàn)對(duì) USB 設(shè)備電源的管理; 3．實(shí)現(xiàn) USB 設(shè)備能夠即插即用,PC 重啟后無(wú)需再次驅(qū)動(dòng)。由于本系統(tǒng)中 USB 的驅(qū)動(dòng)程序是即將固化在 EEPROM 中,CY7C68013 的部分引腳的控制是通過(guò) CPLD 擴(kuò)展來(lái)實(shí)現(xiàn),而硬件電路設(shè)計(jì)中并未設(shè)計(jì) EEPROM 程序下載電路,所以必須先通過(guò)TMS320F2812 下載 USB 微控制器喚醒程序,然后再將 DSP 通過(guò) USB 連接 PC 實(shí)現(xiàn)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)。2．4 USB 驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)當(dāng)一個(gè)新的設(shè)備通過(guò) USB 與 PC 連接時(shí),設(shè)備會(huì)對(duì) PC 進(jìn)行自舉,也就是通過(guò) USB插入 PC 時(shí),PC 會(huì)發(fā)現(xiàn)新硬件設(shè)備,當(dāng)然這個(gè)是要建立在設(shè)備中已經(jīng)編入部分程序用來(lái)向 PC 操作系統(tǒng)來(lái)聲明自身的標(biāo)識(shí)。然后 ,設(shè)備管理器就會(huì)對(duì)相關(guān)的設(shè)備查詢是否已經(jīng)安裝了相關(guān)的驅(qū)動(dòng)程序,如果沒(méi)有,就會(huì)向用戶提示如何安裝相關(guān)驅(qū)動(dòng)。在安裝新的驅(qū)動(dòng)時(shí),設(shè)備管理器根據(jù)用戶提供的安裝信息文件(INF)來(lái)判斷該設(shè)備能不能在此驅(qū)動(dòng)下完成于 PC 的連接。3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)與分析133．1 嵌入式技術(shù)嵌入式技術(shù)是 21 世紀(jì)最富有活力的科技技術(shù)之一,是 IT 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之后又一新科技的發(fā)展方向。根國(guó)際電機(jī)工程師協(xié)會(huì)對(duì)于嵌入式系統(tǒng)的定義是:控制、監(jiān)視或者輔助裝置、機(jī)器和設(shè)備運(yùn)行裝置 [15]。由于嵌入式系統(tǒng)具有體積小、功能強(qiáng)大、能耗低、穩(wěn)定性強(qiáng)等突出特點(diǎn),目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于國(guó)防軍事、電子消費(fèi)品、網(wǎng)絡(luò)通信、工業(yè)控制等各個(gè)領(lǐng)域。3．2 嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)嵌入式系統(tǒng)在硬件和軟件的設(shè)計(jì)上都是因地制宜、高效的處理速度、采用盡量少的資源實(shí)現(xiàn)要求的功能。與上位機(jī)系統(tǒng)相比,它具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：(1)穩(wěn)定性高、資源消耗低、很強(qiáng)的專用性;(2)能耗低、高度集成化、體積小、價(jià)格低廉、使用壽命長(zhǎng),因此具有很強(qiáng)的性價(jià)比;(3)對(duì)于某一型號(hào)的芯片都有固定的代碼存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中、工作時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)多任務(wù)操作;(4)有專用的幵發(fā)工具和標(biāo)準(zhǔn)化是程序設(shè)計(jì)方法。3．3 嵌入式系統(tǒng)在工業(yè)控制上的發(fā)展嵌入式系統(tǒng)早期的應(yīng)用只是單片機(jī),但是隨著系統(tǒng)控制對(duì)象的復(fù)雜度越來(lái)越高,單片機(jī)的使用也不能滿足控制需求。隨著微電子技術(shù)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(lái)越強(qiáng)大,而制造成本卻大幅度降低。工業(yè)控制操作系統(tǒng)在實(shí)時(shí)處理能力、可靠性、幵放性、可操作性等方面都有嚴(yán)格的要求,而嵌入式系統(tǒng)恰好能夠適應(yīng)這些要求,并在工業(yè)控制上體現(xiàn)出了自己獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)。(1)實(shí)時(shí)性:要求處理器在限定的時(shí)間內(nèi)完成要求的任務(wù),并且能都對(duì)外部的異步事件作出快速反應(yīng)。以往的單片機(jī)處理速度只是幾兆、幾十兆,而如今的微處理器通常都能達(dá)到上百兆。(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(yùn)行和一旦系統(tǒng)出現(xiàn)故障后能夠獨(dú)立處理保證系統(tǒng)安全的能力。14(3)人機(jī)交互: 嵌入式操作系統(tǒng)還能夠?qū)崿F(xiàn)與外部進(jìn)行信息交互,可以將一些重要數(shù)據(jù)通過(guò)圖形或者是窗口顯示給用戶,具有很強(qiáng)的靈活性。(4)開發(fā)成本和開發(fā)環(huán)境:對(duì)于開發(fā)環(huán)境有很高要求,而在工業(yè)控制設(shè)備上的批量要求不是很高,因此生產(chǎn)商對(duì)控制設(shè)備的幵發(fā)環(huán)境有著價(jià)格低、方便使用的要求。隨著如今嵌入式微處理器的性價(jià)比提升,硬件平臺(tái)的不斷完善,軟件系統(tǒng)的不斷優(yōu)化,都為嵌入式的應(yīng)用提供了強(qiáng)大動(dòng)力。因此嵌入式系統(tǒng)在工業(yè)控制領(lǐng)域具有很廣闊的應(yīng)用前景。3．4 系統(tǒng)插補(bǔ)方案設(shè)計(jì)在開環(huán)結(jié)構(gòu)下提供高性能的插補(bǔ)方案，需要綜合考慮系統(tǒng)進(jìn)給速度、算法 復(fù)雜性、脈沖的均勻分配、綜合成本幾個(gè)方面的因素。當(dāng)前計(jì)算機(jī)處理能力的 不斷提高及價(jià)格的大幅度下跌，為將數(shù)據(jù)采樣法(時(shí)間分割法)用于開環(huán)系統(tǒng)的 插補(bǔ)提供了有力條件?；跀?shù)據(jù)采樣法插補(bǔ)的基本結(jié)構(gòu)是軟硬結(jié)合的粗精兩級(jí) 插補(bǔ)結(jié)構(gòu)，由于粗插補(bǔ)可以借助計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的高速插補(bǔ)，這種方案可以有 效解決使用脈沖增量法在速度和算法復(fù)雜性方面的矛盾，提高開環(huán)系統(tǒng)的插補(bǔ)性能。同時(shí)綜合成本較低，能以較高的性價(jià)比滿足經(jīng)濟(jì)型和普及型雕刻機(jī)數(shù)控 系統(tǒng)的需要。兩級(jí)插補(bǔ)結(jié)構(gòu)中的粗插補(bǔ)是基于軟件實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)法。其原理就是 根據(jù)進(jìn)給速度，計(jì)算出每個(gè)插補(bǔ)周期內(nèi)的總進(jìn)給量，然后進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算，求出 插補(bǔ)周期各軸移動(dòng)的進(jìn)給增量值?？梢圆捎酶鞣N高速高精度的的插補(bǔ)算法，如 直接函數(shù)法、雙DDA 法、樣條插補(bǔ)法等，實(shí)現(xiàn)從簡(jiǎn)單的平面直線到復(fù)雜空間曲 線的插補(bǔ)。綜合考慮插補(bǔ)性能，本系統(tǒng)中直線、圓弧插補(bǔ)采用的是直接函數(shù)法精插補(bǔ)的功能是接收通過(guò)粗插補(bǔ)計(jì)算得到的一個(gè)插補(bǔ)周期內(nèi)各坐標(biāo)軸的運(yùn) 動(dòng)進(jìn)給量（微段直線） ，并將其轉(zhuǎn)化成頻率均勻的進(jìn)給脈沖，輸出給各軸的位置 伺服電機(jī)。粗精兩級(jí)插補(bǔ)結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，就是精插補(bǔ)的設(shè)計(jì)和脈沖均勻分 配的方法，它對(duì)產(chǎn)生脈沖的頻率及其穩(wěn)定性有很大影響。在眾多的插補(bǔ)算法中，脈沖乘法器、逐點(diǎn)比較法和數(shù)字積分法等都可以用 于粗精兩級(jí)插補(bǔ)結(jié)構(gòu)的精插補(bǔ)中。但是數(shù)字積分法與其它的插補(bǔ)算法相比，數(shù) 字積分法具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，可由簡(jiǎn)單的硬件電路實(shí)現(xiàn)，使系統(tǒng)可以達(dá)到較高的加 工進(jìn)給速度。此外，數(shù)字積分法設(shè)計(jì)成本低，各軸精插補(bǔ)脈沖分配相互獨(dú)立， 易于實(shí)現(xiàn)多軸聯(lián)動(dòng)，所以數(shù)字積分法在數(shù)控系統(tǒng)中有廣泛的應(yīng)用。 本系統(tǒng)即采用數(shù)字積分法來(lái)實(shí)現(xiàn)精插補(bǔ)功能。153．5 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本雕刻機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的目標(biāo)是要設(shè)計(jì)開發(fā)一套針對(duì)雕刻機(jī)的控制特點(diǎn)，功能 要求和性能指標(biāo)介于經(jīng)濟(jì)型和普及型雕刻機(jī)數(shù)控系統(tǒng)之間，具有經(jīng)濟(jì)型雕刻機(jī)通過(guò)市場(chǎng)調(diào)研，對(duì)待開發(fā)的雕刻機(jī)數(shù)控系統(tǒng)歸納出如下功能：1．程序管理功能可現(xiàn)場(chǎng)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(duì)象是標(biāo)準(zhǔn)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(jié)構(gòu)形式保存在內(nèi)存中供其他模塊調(diào)用，是整個(gè)軟件的數(shù)據(jù)來(lái)源和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。2．參數(shù)管理功能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置、記憶、調(diào)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(diǎn)、電機(jī)性能參數(shù)、加減速、刀具補(bǔ)償?shù)葏?shù)。并且對(duì)某些 參數(shù)進(jìn)行密碼保護(hù)，只有高級(jí)用戶才能修改。3．加工控制功能具有自動(dòng)加工、手動(dòng)連續(xù)或增量移動(dòng)各坐標(biāo)軸、暫停/繼續(xù)加工、手動(dòng)設(shè)置 對(duì)刀坐標(biāo)系和返回機(jī)床參考點(diǎn)、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(shè)置的參數(shù)，進(jìn)行粗插補(bǔ)計(jì)算。計(jì)算得出的插補(bǔ)量，將作 為 USB 通信和圖形仿真的數(shù)據(jù)來(lái)源。4．USB 總線通信功能通過(guò) USB2.0 總線，實(shí)現(xiàn)上位 PC 機(jī)和數(shù)字脈沖伺服接口卡高速及時(shí)的數(shù)據(jù) 通訊。一方面將粗插補(bǔ)量和控制信息傳遞給機(jī)床接口卡，以控制電機(jī)的運(yùn)動(dòng)； 另一方面反饋機(jī)床狀態(tài)信息和加工信息至 PC 機(jī)。5．仿真功能在仿真模式下，具有仿真驗(yàn)證數(shù)控加工程序插補(bǔ)軌跡的功能；在加工過(guò)程 中，能實(shí)時(shí)顯示刀具中心點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡。6.圖形管理功能按照用戶要求，對(duì)所顯示的刀具中心點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡圖形進(jìn)行視圖變換操作， 如俯視圖、東南等軸側(cè)視圖等共 9 種視圖模式。此外可進(jìn)行放大、縮小、旋轉(zhuǎn)、 移動(dòng)和還原等圖形變換操作。16信息采集及顯示功能.根據(jù)接口卡反饋的機(jī)床狀態(tài)信息和加工信息，PC 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和顯示。3．6 主要模塊的功能簡(jiǎn)要介紹PC：實(shí)現(xiàn)多線程的調(diào)度，數(shù)控加工文件的管理和處理，實(shí)現(xiàn)仿真、參數(shù)設(shè) 置和狀態(tài)顯示，完成粗插補(bǔ)和數(shù)控加工過(guò)程控制功能。USB：實(shí)現(xiàn) USB 批量傳輸和信息采集控制。串口：輔助 USB 固件開發(fā)和調(diào)試。EEPR0M：實(shí)現(xiàn) USB 的啟動(dòng)，從 EEPROM 獲取 VID/PID/DID 和 USB 固件，并自 動(dòng)裝載到 USB 的片內(nèi) RAM 中。RAM：臨時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，配合對(duì)系統(tǒng)的調(diào)試。機(jī)床 I/O 量：系統(tǒng)的輸入/輸出開關(guān)量信號(hào)經(jīng)光耦隔離、抗干擾、電平轉(zhuǎn)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(shí)時(shí)性要求不高的開關(guān)量采集直接由 USB 控制器控制。 為提高系統(tǒng)應(yīng)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， 具體方式可由操作人員具體設(shè)定。FPGA：由 FIFO 接口驅(qū)動(dòng)模塊、DDA 精插補(bǔ)控制器、三態(tài)總線模塊和時(shí)鐘管理模塊組成。實(shí)現(xiàn)跨時(shí)鐘域的數(shù)據(jù)傳輸、緩沖、處理以及產(chǎn) 生精插補(bǔ)數(shù)字脈沖功能。復(fù)位電路：產(chǎn)生 USB 控制器和 FPGA 上電復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位所需信號(hào)。FPGA 配置電路：完成程序下載、器件配置和嵌入式邏輯分析儀（Embedded SignalTap II Logic Analyzer)對(duì)系統(tǒng)的測(cè)試。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(duì)輸入電壓濾波和穩(wěn)壓，獲取板卡所需的+1.5V、+3.3V 電壓。電機(jī)驅(qū)動(dòng)接口模塊：電機(jī) X、Y、Z 坐標(biāo)軸的驅(qū)動(dòng)脈沖經(jīng)本模塊抗干擾、電 平轉(zhuǎn)換等處理后輸出。4 基于 MK1-ZXAUSBCNC 控制板的雕刻機(jī)改造MK1-ZXAUSBCN 為國(guó)內(nèi)外目前市面功能最強(qiáng)，性能最穩(wěn)定的 MK1 硬件平臺(tái)。 本產(chǎn)品集成了國(guó)外原廠以下幾個(gè)產(chǎn)品：171. MK1 主板圖 4.1 MK1 主板2．輸出板圖 4.2 輸出板3．信號(hào)接線板圖 4.3 信號(hào)接線板4．注冊(cè)的 MCU. CONTROLLERS18圖 4.4 注冊(cè)的 MCU. CONTROLLERS它全面支持雕刻機(jī)、雕銑機(jī)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)模具、標(biāo)牌、名牌、建筑模型、印章、廣告切字、藝術(shù)品、PCB 板等產(chǎn)品的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和加工代碼生成。形成一個(gè)開放式數(shù)控系統(tǒng)。此設(shè)備結(jié)構(gòu)科學(xué)合理，具有體積小、占地少、功能強(qiáng)等特點(diǎn)?？梢詭椭鷮W(xué)生從系統(tǒng)整體角度去認(rèn)識(shí)系統(tǒng)各組成部分，從而掌握機(jī)電控制系統(tǒng)的組成、功能及控制原理。利用它，可以從事簡(jiǎn)單的文字和圖像雕刻制造。4．1 MK1-ZXAUSBCNC 控制板結(jié)構(gòu)1．強(qiáng)大的電源架構(gòu)。最寬的電源輸入范圍：輸入為 15-50VDC.還配備了保險(xiǎn)絲與防接反功能。還預(yù)留 了 5V，12V 電源輸出接口，供外圍部件使用。參見(jiàn)下圖：圖 4.5 電源架構(gòu)2．所有輸入輸出信號(hào)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19做門做了保護(hù)處理。 在 PCB 設(shè)計(jì)時(shí)也作了電氣隔離帶。實(shí)現(xiàn)了真正意義上的隔離。這是市面上任一款同類板所不同的，這使得本產(chǎn)品的抗干擾能力與系統(tǒng)穩(wěn)定性達(dá)到了另一個(gè)級(jí)別。參見(jiàn)下圖：圖 4.7 輸入輸出信號(hào)細(xì)節(jié)圖3．與電腦相連的 USB 接口特別設(shè)計(jì)了一套接口電路：圖 4.8 USB 接口特別設(shè)計(jì)圖4．配一條質(zhì)量過(guò)硬的 1.5 米 USB 線。USB 線上已配備抗干擾磁環(huán)。DVD 光盤內(nèi)有很多教學(xué)資料與使用 說(shuō)明書等資料。參見(jiàn)下圖：圖 4.9 產(chǎn)品主要配件圖20圖 4.10 產(chǎn)品圖圖 4.11 主電路板圖圖 4.12 端口標(biāo)示圖21圖 4.13 典型應(yīng)用示意圖4．2 產(chǎn)品與外圍部件的接線圖 4.14 外部端口接線圖1．電源接線部分。A 供電輸入?？梢允褂瞄_關(guān)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.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 輸出的最大電流為 200MA，12V 輸出的最大電流為 100MA.可以給接近開關(guān)等器件供電。22圖 4.15 電源接線圖注意：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(guò) 36V2．電腦接線部分本運(yùn)動(dòng)控制器通過(guò)一個(gè) USB2.0 接口與電腦相聯(lián)接。板上接口為 USB 標(biāo)準(zhǔn) B 型口。USB 的線的長(zhǎng)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(biāo)準(zhǔn)的 USB 口是不能用于接本控制器的。當(dāng)本控制器與電腦第一次通過(guò) USB 聯(lián)接時(shí)，電腦會(huì)發(fā)現(xiàn)新硬件，并提示安裝驅(qū)動(dòng)程序。圖 4.16 電腦接線圖A.常使用狀態(tài)下，控制板上的系統(tǒng)指示燈會(huì)不不停閃爍。 電機(jī)(主軸，坐標(biāo)軸)接線部分?？刂浦鬏S相關(guān)的部分有 3 個(gè)繼電器控制或 2 個(gè)繼電器加一個(gè) 0-10V 調(diào)速控制，兩種控制方式。 這兩種控制方式通過(guò)電腦軟件設(shè)置與板上的跳針結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)選擇哪種控制方式。3 個(gè)繼電器外接的 6 個(gè)端 口相當(dāng)于 3 個(gè)常開開關(guān)。各個(gè)繼電器有吸合指示燈。當(dāng)指示燈亮?xí)r，就表示指示燈旁邊的繼電器吸合，對(duì) 應(yīng)的兩個(gè)繼電器的接線端子接通。繼電器可以控制主軸的開關(guān)，油泵，電磁閥等器件的工作狀態(tài)。三個(gè)跳 針全插上時(shí)為 3 個(gè)繼電器輸出控制狀態(tài)。在 3 個(gè)繼電器控制時(shí)，不能同時(shí)控制 0-10V 輸出。B.坐標(biāo)抽 X，YZ，4 各油的接線。各個(gè)運(yùn)動(dòng)控制抽是以方向（ DIR，CW/CCW)，23脈沖（PUL/CLK)方式來(lái)控制電 機(jī)精確定位的。玎以支持步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器與伺服驅(qū)動(dòng)器的共陰或共陽(yáng)接法。輸出電平為 5V.驅(qū)動(dòng)電流為 14MA， 最高頻率為 25KHZ.注意：共陰或共汩接法軟件的設(shè)置不一樣。如果發(fā)現(xiàn)你的機(jī)器走的數(shù)據(jù)與電貓對(duì)不上 31,玎以改_個(gè)軟件 的共陰或共汩接法設(shè)置試一下.共陰接法：各油驅(qū)動(dòng)器的 PUL-/CLK-與 DIR-/CW/CCW-接在一起，接到控制板的GND.驅(qū)動(dòng)器的接好線后要在軟件設(shè)置。否則電機(jī)走的數(shù)會(huì)與電腦顯示的數(shù)不對(duì)。圖 4.17 外部電源示意圖序號(hào) 顏色 原作用 現(xiàn)接口 是18 白 輸入口 119 青綠 輸入口 220 草綠 輸入口 321 白綠 輸入口 422 深紫 輸入口 523 白紅 輸入口 624 白黑 輸入口 725 淡紫 輸入口 826 白灰 輸入口 939 灰棕 GND 外部 5V接地GNDV-40 白藍(lán) GND 外部 24V接地GNDV-41 橙 外部+24V，給I/O 口供電15-50V2442 棕 外部+24V，給I/O 口供電15-50V43 深藍(lán) 脈沖 144 淺藍(lán) 方向 145 黑 脈沖 246 墨綠 方向 247 明黃 脈沖 348 淡黃 方向 351 紅 外部 5V52 白棕 外部 5V圖 4.18 線圖前后改變?cè)? 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 4243 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 6262 插口排序已布線插口 18-21 22-26 39-42 43-48 51 52圖 4.19 線頭排列原件25圖 4.20 接線方式5 軟件調(diào)試1. X 油正方向限位開關(guān)，XL-表示 X 抽反方向限 位開關(guān)。在開關(guān)處接一個(gè)常開關(guān)裝在機(jī)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(shè)置。否則開關(guān)就算發(fā)電腦也不會(huì)做出相應(yīng)的動(dòng)作。USBCNC軟件對(duì)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(diào)試設(shè)置好，才能正営工作.下面以 3 抽雕刻機(jī)為例介紹軟件的 0 原位和和對(duì)刀操作。機(jī)器以配備 5 個(gè)限位關(guān)（最少也要 3 個(gè)，X-.Y_,Z+)，當(dāng)然不安裝限位也以使用，但不安全使用也不方便。第一件事，我( 丨'1 用限位開關(guān)定義機(jī)器工作范圍大小。先確定限位開關(guān)接線正確并且是被壓 T 機(jī)器就會(huì)停止運(yùn)動(dòng)。數(shù)字棍顯示紅色。2．手動(dòng)對(duì)刀手動(dòng)機(jī)器的位置到你開始切刀的地方(開始切削的地方并不是在最左下角） 。通常是在附近。就是離開 X- Y-限位開關(guān)位置。當(dāng)然你也以去別的地方。我設(shè)置是 X 右 10.