三維數(shù)控雕刻機(jī)的設(shè)計(jì)含開題及6張CAD圖,三維,數(shù)控,雕刻,設(shè)計(jì),開題,CAD 基于嵌入式三軸高速雕刻機(jī)控制系統(tǒng) 陳勇，李暉，會(huì)員，IEEE，孫永奎，顧智和 摘要：本文提出的基于嵌入式三軸高速雕刻機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 ARM（高級(jí)風(fēng)險(xiǎn)機(jī)）和FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列）被認(rèn)為是在硬件，玉米以及實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)作為軟件系統(tǒng)的平臺(tái)。高速雕刻機(jī)控制系統(tǒng)提供了一種新的解決方案，在同一時(shí)間，本文介紹如何通過步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩 -頻率的原始設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的分析和計(jì)算來控制步進(jìn)電機(jī)的加速和減速的特殊性。該系統(tǒng)已經(jīng)被應(yīng)用在這種高速雕刻機(jī)上，事實(shí)證明，這個(gè)系統(tǒng)是高精度和普遍性。 引言 近年來，隨著市場(chǎng)的擴(kuò)大和模具行業(yè)的發(fā)展，不僅標(biāo)牌和模具工藝，還有日常生活中的家具和裝飾品，都需要雕刻。一般來說，三軸聯(lián)動(dòng)雕刻能滿足要求，基于CNC（計(jì)算機(jī)數(shù)控）三維雕刻機(jī)的應(yīng)用變得越來越廣泛。 眼下，市場(chǎng)上的雕刻機(jī)通常需要8位單芯片微控制器（單片機(jī)）或運(yùn)動(dòng)控制卡結(jié)合IC（工業(yè)電腦）為核心的控制系統(tǒng)。參考文獻(xiàn)[3]提出了一個(gè)解決方案，單片機(jī)AT89C52作為控制芯片。結(jié)合USB通信模塊，運(yùn)動(dòng)控制卡，參考文獻(xiàn)[4]提出了實(shí)現(xiàn)雕刻的控制。雖然這樣的控制系統(tǒng)易于實(shí)現(xiàn)，但這種系統(tǒng)有太多的缺點(diǎn)。它需要支持的IC和系統(tǒng)的成本是很高的。 在本文中，一個(gè)控制系統(tǒng)結(jié)合32位ARM處理器和FPGA為核心，提出了單片機(jī)和集成電路。以實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)為平臺(tái)，ARM處理負(fù)責(zé)速度控制，而FPGA負(fù)責(zé)軌道控制。特殊性的步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩 - 頻率的電機(jī)加速和減速在速度控制中被認(rèn)為是快速和平穩(wěn)的。該控制系統(tǒng)可以擺脫 依賴于IC，從讀取原始數(shù)據(jù)和最終輸出控制信號(hào)，完成整個(gè)工作。該控制系統(tǒng)可應(yīng)用于多種場(chǎng)合，通過用鍵盤設(shè)置不同的參數(shù)雕刻機(jī)床。由該系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中，得到精度高，以及良好的普遍性.. 二.控制系統(tǒng)，借鑒DESIGN A.硬件系統(tǒng) 硬件系統(tǒng)主要包含以下幾個(gè)部分： （1）處理器（ARM）：作為控制器的處理器，被移植在它里面的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)也在HCI（人機(jī)界面）里面工作，ARM應(yīng)該響應(yīng)鍵盤控制信號(hào)，并刷新了液晶顯示器，以及閱讀，分析和計(jì)算的原始數(shù)據(jù)的速度控制，然后把結(jié)果傳輸?shù)紽PGA當(dāng)收到的要求。 （2）FPGA：操作從ARM插值接收到的數(shù)據(jù)，和計(jì)算的數(shù)目和時(shí)間延遲的脈沖，用于驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)完成軌道控制，并最終完成三軸聯(lián)動(dòng)的雕刻，然后FPGA應(yīng)該問ARM要求給出下一組數(shù)據(jù)。 , Fi g。1硬件系統(tǒng) （3）輔助電源：供電電源，主要包括8V，5V和-20V電壓的總控制器。其中的5V和-20V的電壓支持的液晶顯示（LCD），8V的電壓將通過三端穩(wěn)壓設(shè)備滿足ARM與FPGA的需要。 （4）HCI：HCI主要包含鍵盤和LCD。關(guān)于雕刻的幾乎所有的信息顯示在液晶顯示器上和鍵盤的設(shè)置如機(jī)床的脈沖當(dāng)量，最高速度和加速度以及特殊的控制鍵盤推桿在雕刻過程中。 （5）USB接口：原始數(shù)據(jù)被從這個(gè)USB接口發(fā)送到ARM。在藍(lán)色虛線回路是控制系統(tǒng)的核心，這增加了的輔助電源。將紅總控制器用虛線環(huán)圓圈表示。結(jié)合控制器與驅(qū)動(dòng)器，步進(jìn)電機(jī)和執(zhí)行人將是一個(gè)整體雕刻機(jī)。原型的外觀圖，如圖2所示。 A:輔助電源 B:ARM C:FPGAD:液晶 E:鍵盤 F:驅(qū)動(dòng)的步進(jìn)電機(jī) G:步進(jìn)電機(jī) 圖2硬件 B.軟件系統(tǒng) 1、軟件系統(tǒng)的平臺(tái) 嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)被選擇作為控制系統(tǒng)的平臺(tái)。是完全搶占式，便攜式和可擴(kuò)展的內(nèi)核。在這個(gè)內(nèi)核中應(yīng)該創(chuàng)建一些功能模塊根據(jù)雕刻機(jī)控制功能系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置的優(yōu)先級(jí)，所有的軟件系統(tǒng)可分為三個(gè)模塊：HCI模塊，USB通信模塊和控制雕刻模塊。等待鍵盤命令和刷新液晶顯示器是HCI模塊的主要功能。 USB通信模塊負(fù)責(zé)讀取原始數(shù)據(jù)。雕刻控制模塊通過雕刻速度和軌道控制來引導(dǎo)雕刻，ARM和FPGA之間的通信也被該模塊管理。在三個(gè)模塊，控制雕刻模塊擁有最高的優(yōu)先級(jí)，和HCI模塊的優(yōu)先級(jí)是最低的。三個(gè)模塊之間的通信的接口程序，由操作系統(tǒng)管理。 圖3軟件系統(tǒng) 2。雕刻機(jī)控制模塊的應(yīng)用流程 在控制系統(tǒng)中，原始設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析和計(jì)算速度控制由ARM處理，軌道控制由FPGA處理。 （1）閱讀原始設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)通過USB接口。一般的數(shù)據(jù)代表各軸的絕對(duì)位移，則相對(duì)位移通過一個(gè)接一個(gè)基板相鄰的數(shù)據(jù)而得到，并在同一時(shí)間用于下一次計(jì)算的數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換為整型。 （2），如果兩個(gè)相鄰的線之間的角度程度大，就會(huì)有電機(jī)的速度跳躍，當(dāng)這兩條線連續(xù)。就需要找到雕刻有沒有速度跳躍時(shí)行的數(shù)目，所有適合這種狀況的行被稱為“S-線”。在一個(gè)“S線”上計(jì)算每個(gè)軸位移的，“SX”，“Sy”和“SZ”，用于表示在x軸，y軸和z軸??的位移。 （3）在每行中計(jì)算各軸的速度和加速度。在計(jì)算中被認(rèn)為是操作員的軸線與綜合位移方向之間的角度所設(shè)定的速度和加速度。 （4）判斷速段線屬于那個(gè)給定的不同的情況，計(jì)算的脈沖的數(shù)量和原始頻率為加速，減速和穩(wěn)定的速度部分。之后，傳輸?shù)紽PGA的結(jié)果時(shí)，它是可用的。 （5） FPGA插ARM三軸聯(lián)動(dòng)雕刻接收到的數(shù)據(jù)，然后要求新的數(shù)據(jù)組。 圖4為雕刻控制模塊的應(yīng)用程序流程圖 III。加速和減速的控制 有3個(gè)廣義的步進(jìn)電機(jī)的加速和減速的方法： 1、常數(shù)加速度：加速度從未在整個(gè)過程中改變，因此這種方式是很容易實(shí)現(xiàn)的，但是，加速度的時(shí)間太長(zhǎng)。 2、加速指數(shù)曲線：以這種方式，快速和平穩(wěn)的加速和減速，是適合的系統(tǒng)，該系統(tǒng)擁有高的操作能力，并且需要高質(zhì)量的加速和減速。 假設(shè)步進(jìn)電機(jī)的步距角為M，如果驅(qū)動(dòng)脈沖的數(shù)量為N，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度，然后=MN，和旋轉(zhuǎn)速度 電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩是電磁轉(zhuǎn)矩TM和阻力TL之間的分散體。 假設(shè)恒定的扭矩是K,阻力扭矩電機(jī)是,因此函數(shù)的時(shí)刻負(fù)載的電機(jī)為 在表達(dá)式(2),J是轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。當(dāng)初始條件為零,解決表達(dá)式(2) 根據(jù)表達(dá)式(1),該頻率的驅(qū)動(dòng)脈沖輸出的控制器成表達(dá)式(3),和它的變化 在表達(dá)式(4)和它是最高的驅(qū)動(dòng)脈沖頻率的步進(jìn)電機(jī)。根據(jù)表達(dá)式(4),在條件驅(qū)動(dòng)脈沖頻率f加快在指數(shù)曲線隨時(shí)間t,步進(jìn)電機(jī)在短時(shí)間內(nèi)將加快。當(dāng)驅(qū)動(dòng)脈沖頻率fT,時(shí)間的加速度 在實(shí)際應(yīng)用中,它是不可能通過計(jì)算t表達(dá)式(5)仍在繼續(xù),所以采取幾行模仿指數(shù)曲線。分離指數(shù)曲線成N段均勻,和時(shí)間在相鄰節(jié)是t / N,驅(qū)動(dòng)脈沖頻率在每一個(gè)分開的點(diǎn)作為 假設(shè)是數(shù)量的脈沖在部分k,所以等于,電動(dòng)機(jī)加速與一個(gè)常數(shù)加速度在每節(jié),然后加速在每個(gè)部分作為 在表達(dá)式(7),f0應(yīng)該最初的頻率。 圖5兩加速度的比較 圖6加速度 圖5顯示出頻率的驅(qū)動(dòng)脈沖之間的比較，由表達(dá)式（4）和表達(dá)式（6）加速，紅色的是前者和藍(lán)色的是后者。在圖5中，原來的頻率為零，且參數(shù)N是5，在表達(dá)式（6）中。 根據(jù)圖5，只要參數(shù)N是適當(dāng)?shù)?，由表達(dá)式（6）所示的加速度，能夠滿足系統(tǒng)的要求，相同的方式可以應(yīng)用來完成減速。加速和減速的過程中是對(duì)稱的，因此加速和減速脈沖的數(shù)目是相同的。以X軸為例，假定步進(jìn)電機(jī)加速?gòu)脑瓉淼乃俣?，最高的一個(gè)是“光照度”的位移，只有在的條件下，電機(jī)可以在一個(gè)通過加速，穩(wěn)定的速度部分和減速S-線“。否則，當(dāng)，位移沒有足夠的電機(jī)加速到最高速度，所以后一半Sx加速，應(yīng)該在休息半減速電機(jī)。 四。實(shí)際應(yīng)用 在實(shí)際雕刻中，機(jī)床的脈沖當(dāng)量是每脈沖0.0025毫米。最高雕刻速度為100毫米/秒，加速度設(shè)置為500mm/s2。原來的頻率是100Hz的驅(qū)動(dòng)脈沖，步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)脈沖不超過10萬(wàn)/秒。 當(dāng)ARM雕刻軟件設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)分析和計(jì)算，需要10條線模仿的指數(shù)曲線的加速和減速，加速和減速是絕對(duì)對(duì)稱。表1顯示的驅(qū)動(dòng)脈沖 加速與插補(bǔ)計(jì)算由FPGA。 根據(jù)表1，2414正負(fù)加速驅(qū)動(dòng)脈沖的頻率從100Hz到40000Hz的設(shè)定頻率最高。每個(gè)部分的頻率的加速度逐漸減小，而脈沖數(shù)增加。 AERA的加速度在低轉(zhuǎn)速高，而加速度低，速度高的時(shí)候，關(guān)閉的整個(gè)過程的指數(shù)曲線。加速度滿足要求特殊性的步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩 - 頻率和加速度的時(shí)間是小于0.2秒。也有穩(wěn)定的速度段的減速后2414脈沖。 表1、輸出加速度通過FPGA驅(qū)動(dòng)脈沖的頻率 四。總結(jié)： 本文提出了一種三軸高速雕刻機(jī)控制系統(tǒng)基于嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 ARM和FPGA為核心的硬件系統(tǒng)和操作系統(tǒng)的被移植作為軟件系統(tǒng)平臺(tái)。對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩 - 頻率特殊性的考慮，是為了使加速和減速快速平穩(wěn)。它證明??，這個(gè)控制器可以完全擺脫對(duì)IC的支持，而且分析和獨(dú)立計(jì)算的原始數(shù)據(jù)。在雕刻過程中實(shí)現(xiàn)精確的速度和軌道控制，而這個(gè)系統(tǒng)是高速雕刻機(jī)一個(gè)新的解決方案。 引用 [1] Qingsong Wang, The CNC engraving control system in object oriented technology [J]. 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