基于ARM9的數(shù)控銑床系統(tǒng)設計

引言

目前國內(nèi)使用的數(shù)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(shù)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(chǎn)品具有系統(tǒng)結構精簡、功耗低等特點，能彌補傳統(tǒng)數(shù)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(chǎn)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(shù)控銑床為背景，自主研發(fā)數(shù)控硬件及軟件的嵌入式數(shù)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(jù)系統(tǒng)需要，主板上主要包括中央處理器S3C2410X、SDRAM 內(nèi)存、NAND FLASH （64M ）、串口、CS8900A以太網(wǎng)芯片（10M 網(wǎng)口）、LCD顯示器接口、USB接口、擴展總線接口等。

中央處理器S3C2410X內(nèi)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(nèi)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202MHz，內(nèi)置16KB指令高速緩存和16KB數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)和程序，可以獲得非常高的性價比

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

1.2 擴展板卡

擴展板卡即把步進電機驅(qū)動器控制接口、伺服電機驅(qū)動器控制接口、編碼器接口集成在一個板子上，作為控制數(shù)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(qū)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(qū)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(qū)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(jīng)比較決定選擇三相混合式步進電機驅(qū)動器BD3SFB。因BD3SFB驅(qū)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(shù)情況下，如6000步/轉時精確定位。電機和驅(qū)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(qū)動器完成，數(shù)控系統(tǒng)只需將指令信號發(fā)送至驅(qū)動器中。由處理器的通用I/O口產(chǎn)生伺服電機的脈沖信號和方向信號。伺服驅(qū)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(qū)動電路，經(jīng)過光耦的隔離直接連接到伺服電機驅(qū)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(jīng)8253計數(shù)后可得到被測量的數(shù)字信號，然后經(jīng)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(shù)據(jù)總線表示計數(shù)值，處理器先讀低8位后讀高8位，計數(shù)范圍是0~65535。同時，鑒向器占用數(shù)據(jù)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(qū)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(shù)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(shù)控系統(tǒng)根據(jù)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(qū)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(wǎng)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(qū)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(qū)動程序主要是實現(xiàn)脈寬調(diào)制。這個脈寬調(diào)制是利用一個定時器，并根據(jù)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(chǎn)生的PWM波形如下圖4所示。

而在三個步進電機的設備驅(qū)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(shù)據(jù)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(shù)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(shù)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(jù)這些點產(chǎn)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(jù)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(shù)更少。圖6是由Matlab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(shù)的參數(shù)，該函數(shù)更改插補始末位置、增加過渡曲線實現(xiàn)刀補功能。參數(shù)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(shù)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?qū)嶒灥幕A上表明，與傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)相比，嵌入式數(shù)控系統(tǒng)發(fā)揮了其耗能少、成本低、體積小等優(yōu)勢。

來源：互聯(lián)網(wǎng)