基于嵌入式三軸高速雕刻機(jī)控制系統(tǒng)外文文獻(xiàn)翻譯、中英文翻譯、外文翻譯
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基于嵌入式三軸高速雕刻機(jī)控制系統(tǒng)
陳勇,李暉,會員,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。 ARM(高級風(fēng)險機(jī))和FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)被認(rèn)為是在硬件,玉米以及實(shí)時多任務(wù)操作系統(tǒng)作為軟件系統(tǒng)的平臺。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)計數(shù)據(jù)的分析和計算來控制步進(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,這個系統(tǒng)是高精度和普遍性。
引言
近年來,隨著市場的擴(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)動雕刻能滿足要求,基于CNC(計算機(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)時多任務(wù)操作系統(tǒng)為平臺,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,完成整個工作。該控制系統(tǒng)可應(yīng)用于多種場合,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,并刷新了液晶顯示器,以及閱讀,分析和計算的原始數(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),和計算的數(shù)目和時間延遲的脈沖,用于驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)完成軌道控制,并最終完成三軸聯(lián)動的雕刻,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)動器,步進(jìn)電機(jī)和執(zhí)行人將是一個整體雕刻機(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
嵌入式實(shí)時多任務(wù)操作系統(tǒng)被選擇作為控制系統(tǒng)的平臺。是完全搶占式,便攜式和可擴(kuò)展的內(nèi)核。在這個內(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,所有的軟件系統(tǒng)可分為三個模塊: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。在三個模塊,控制雕刻模塊擁有最高的優(yōu)先級,和HCI模塊的優(yōu)先級是最低的。三個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)計數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析和計算速度控制由ARM處理,軌道控制由FPGA處理。
(1)閱讀原始設(shè)計數(shù)據(jù)通過USB接口。一般的數(shù)據(jù)代表各軸的絕對位移,則相對位移通過一個接一個基板相鄰的數(shù)據(jù)而得到,并在同一時間用于下一次計算的數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換為整型。
(2),如果兩個相鄰的線之間的角度程度大,就會有電機(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行的數(shù)目,所有適合這種狀況的行被稱為“S-線”。在一個“S線”上計算每個軸位移的,“SX”,“Sy”和“SZ”,用于表示在x軸,y軸和z軸??的位移。
(3)在每行中計算各軸的速度和加速度。在計算中被認(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給定的不同的情況,計算的脈沖的數(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,它是可用的。
(5) FPGA插ARM三軸聯(lián)動雕刻接收到的數(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,加速度的時間太長。 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)的時刻負(fù)載的電機(jī)為
在表達(dá)式(2),J是轉(zhuǎn)動慣量。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)動脈沖頻率f加快在指數(shù)曲線隨時間t,步進(jìn)電機(jī)在短時間內(nèi)將加快。當(dāng)驅(qū)動脈沖頻率fT,時間的加速度
在實(shí)際應(yīng)用中,它是不可能通過計算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,和時間在相鄰節(jié)是t / N,驅(qū)動脈沖頻率在每一個分開的點(diǎn)作為
假設(shè)是數(shù)量的脈沖在部分k,所以等于,電動機(jī)加速與一個常數(shù)加速度在每節(jié),然后加速在每個部分作為
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)模杀磉_(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)加速從原來的速度,最高的一個是“光照度”的位移,只有在的條件下,電機(jī)可以在一個通過加速,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)動脈沖,步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動脈沖不超過10萬/秒。
當(dāng)ARM雕刻軟件設(shè)計的數(shù)據(jù)分析和計算,需要10條線模仿的指數(shù)曲線的加速和減速,加速和減速是絕對對稱。表1顯示的驅(qū)動脈沖
加速與插補(bǔ)計算由FPGA。
根據(jù)表1,2414正負(fù)加速驅(qū)動脈沖的頻率從100Hz到40000Hz的設(shè)定頻率最高。每個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,速度高的時候,關(guān)閉的整個過程的指數(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)動脈沖的頻率
四??偨Y(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。 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。對步進(jìn)電動機(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??,這個控制器可以完全擺脫對IC的支持,而且分析和獨(dú)立計算的原始數(shù)據(jù)。在雕刻過程中實(shí)現(xiàn)精確的速度和軌道控制,而這個系統(tǒng)是高速雕刻機(jī)一個新的解決方案。
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