基于ARM9的數控銑床系統(tǒng)設計方案

引言

　　目前國內使用的數控系統(tǒng)通常是在通用計算機或工控機的基礎上加裝運動控制卡，使用Windows操作系統(tǒng)，并安裝昂貴的數控軟件構成的。這樣的系統(tǒng)軟件成本高、硬件資源浪費、功耗大。而嵌入式產品具有系統(tǒng)結構精簡、功耗低等特點，能彌補傳統(tǒng)數控系統(tǒng)的不足。免費軟件Linux 操作系統(tǒng)進軍嵌入式領域，更使得嵌入式產品能夠充分發(fā)揮廉價、高性價比的優(yōu)勢。

　　本文所述的正是以Linux操作系統(tǒng)為軟件平臺，以ARM9微處理器為硬件平臺，以數控銑床為背景，自主研發(fā)數控硬件及軟件的嵌入式數控銑床控制系統(tǒng)。

　　1 系統(tǒng)硬件組成

　　系統(tǒng)的硬件由ARM系統(tǒng)主板和擴展板卡組成。

　　硬件結構如圖1。

　　1.1 ARM系統(tǒng)主板

　　根據系統(tǒng)需要，主板上主要包括中央處理器S3C2410X、SDRAM 內存、NAND FLASH （ 64M ）、串口、CS8900A以太網芯片（ 10M 網口）、LCD顯示器接口、USB接口、擴展總線接口等。

　　中央處理器S3C2410X內部資源十分豐富，包括1個LCD控制器、SDRAM 控制器、3個通道的UART、4個具有PWM 功能的計時器和1個內部時鐘、2個USB主機接口和1個USB設備接口等。S3C2410X 處理器主頻最高為202MH z, 內置16 KB 指令高速緩存和16KB數據高速緩存，5級指令流水線，帶有乘累加運單元，可以運行起嵌入式Linux 操作系統(tǒng)并能進行較為復雜的信息處理，基本滿足用戶對快速性的要求。并且采用NAND FLASH 與SDRAM 組合來存儲數據和程序，可以獲得非常高的性價比。

　　系統(tǒng)采用10M 的以太網接口芯片CS8900A, 這是用于嵌入式設備的低成本以太局域網控制器。通過標準網絡接口數控系統(tǒng)可以連接到Internet或局域網上。

　　1.2 擴展板卡

　　擴展板卡即把步進電機驅動器控制接口、伺服電機驅動器控制接口、編碼器接口集成在一個板子上，作為控制數控銑床的控制卡，來控制步進電機和伺服電機的運轉。

　　機床目前設計為3軸聯(lián)動，為未來能擴展為5軸，設計留有5組接線端子。每組需要兩個接線端子與驅動器相連（采用單脈沖方式），其中一個端子通過導線連接步進電機驅動器的CP, 提供給步進電機脈沖信號，控制它轉動，另一個接驅動器的CW, 控制電機的轉動方向，使電機可以完成正轉、反轉和停止動作。對電機的速度控制是通過軟件控制脈沖的輸出頻率實現(xiàn)的。經比較決定選擇三相混合式步進電機驅動器BD3SFB。因BD3SFB驅動器可兼容兩相、四相和五相的工作方式，且有更高的定位精度，可控制電機在任意細分步數情況下，如6000步/轉時精確定位。 電機和驅動器間僅用3根線連接，與交流異步電機一樣，減少連線出錯的可能性。

　　伺服電機的控制與反饋由驅動器完成，數控系統(tǒng)只需將指令信號發(fā)送至驅動器中。由處理器的通用I/O口產生伺服電機的脈沖信號和方向信號。伺服驅動器一般需要差分信號作為輸入，故采用26LS31芯片作為其輸出驅動電路，經過光耦的隔離直接連接到伺服電機驅動器上。

　　對步進電機采用開環(huán)控制，但為了將銑刀具體位置呈現(xiàn)給用戶，同時修正控制及運動部分不可預見的誤差，可以在步進電機上安裝編碼器。通過聯(lián)軸器將二者相連。編碼器脈沖信號經8253計數后可得到被測量的數字信號，然后經地址鎖存器連接到擴展總線，由處理器進行處理。8253復用8 位數據總線表示計數值，處理器先讀低8位后讀高8位，計數范圍是0 ~65 535。同時，鑒向器占用數據總線3 位表示各電機旋轉方向。在單脈沖模式下，編碼器脈沖由D觸發(fā)器CD4013鑒相，處理器通過判斷高低電平得知電機旋轉方向。為了抗干擾和實現(xiàn)電氣隔離，在與步進電機驅動器的脈沖信號和方向信號的端口連接時采用了光電隔離器件。D觸發(fā)器鑒相如圖2。

　　2 系統(tǒng)軟件設計

　　傳統(tǒng)數控系統(tǒng)的使用流程是先由用戶編輯G代碼或其它格式的加工文件，數控系統(tǒng)根據該文件中代碼的意義，控制刀具做出相應的動作。所以在軟件方面，系統(tǒng)需要提供文本編輯功能、對加工文件的編譯功能、電機驅動功能等。為了使用戶驗證加工程序的正誤，系統(tǒng)還要提供仿真功能，將走刀過程展現(xiàn)給用戶。

　　為了實現(xiàn)網絡功能，本系統(tǒng)還移植了嵌入式瀏覽器Konqueror/Embedded, 這是一款自由軟件。由于瀏覽器可以訪問HTTP、FTP、SMTP、NNTP等多種不同協(xié)議的服務，故安裝瀏覽器可謂一舉多得，移植過程參考文獻。軟件結構如圖3所示。

　　2.1 操作系統(tǒng)平臺的搭建

　　2.2 伺服電機和步進電機驅動程序

　　伺服電機需要的信號是PWM 波形控制信號，因此伺服電機驅動程序主要是實現(xiàn)脈寬調制。這個脈寬調制是利用一個定時器，并根據由SPWM 算法得到的延遲時間，控制一個通用I /O 端口高低電平持續(xù)時間得到的。系統(tǒng)產生的PWM 波形如下圖4所示。

　　而在三個步進電機的設備驅動程序中，向步進電機發(fā)送連續(xù)信號定義為寫操作； 從8253中讀數據定義為讀操作； 由鍵盤控制各電機動作作為自定義操作。

　　2.3 G代碼編譯

　　G代碼是國際通用的機床加工代碼，其編譯的思想是： 首先將G代碼文件讀入流中，逐行分析其意義，并且?guī)в胁殄e功能。當遇到子程序跳轉時記錄文件指示出其位置和循環(huán)次數時，子程序返回后從記錄位置繼續(xù)執(zhí)行；遇到主軸旋轉時，在編譯文件中寫入旋轉標志和PWM 的脈寬； 遇到插補命令時寫入脈沖標志和每步的三坐標脈沖信號諸如此類。最后生成記錄整套加工步驟的二進制文件。編譯流程如圖5所示。

　　2.4 插補算法與刀補算法

　　數控銑床控制系統(tǒng)使用逐點比較法實現(xiàn)直線和圓弧插補算法。以刀的當前位置為起點，以G代碼給定位置為終點，在其間的直線或圓弧上插入擬合點，根據這些點產生一系列三坐標脈沖信號。逐點比較法的缺陷是圓弧插補只能走x 或y 方向的正交線，而缺失了最應該在圓弧插補中出現(xiàn)的由x、y 方向合成的±45/135°斜線，系統(tǒng)根據圓弧相對于x 或y 軸的傾向性，使插補過程中在圓弧的±45 /135°附近盡量使用斜線，使得插補精度更高、步數更少。圖6 是由M atlab仿真得到的改進算法和傳統(tǒng)算法的比較，如果定義理想曲線和擬和曲線的誤差為兩曲線相夾的面積（圖中灰色部分） , 可看出改進算法的誤差較小。

　　編寫加工程序時，一般只考慮刀具中心沿零件輪廓切削，而忽略刀具半徑對加工的影響，在實際加工時需要在刀具中心與刀具切削點之間進行位置偏置，補償上述影響。這種變換過程即為刀具補償。系統(tǒng)采用的是帶有過度連接的C刀具補償算法，該算法比較復雜，與許多因素有關，為此定義了一個結構作為刀補函數的參數，該函數更改插補始末位置、增加過渡曲線實現(xiàn)刀補功能。參數結構如下，

　　3 結論

　　以ARM9微處理器為硬件平臺，免費的Linux操作系統(tǒng)為軟件平臺，開發(fā)了嵌入式數控銑床，實現(xiàn)了對步進電機和伺服電機的控制。 在對制作的電路板和編程的系統(tǒng)程序實驗的基礎上表明，與傳統(tǒng)數控系統(tǒng)相比，嵌入式數控系統(tǒng)發(fā)揮了其耗能少、成本低、體積小等優(yōu)勢。