非圆零件旋压用嵌入式系统精度细分模块的开发

论文摘要

旋压技术,也叫金属旋压成形技术,是近代金属压力加工中新兴的一种特种成形技术,综合了锻造、挤压、拉伸、弯曲、环压、横轧和滚压等工艺特点的少无切削加工的先进工艺。由于先进的嵌入式数控系统的引入,使得旋压设备的自动化控制水平和加工精度越来越高,一些复杂的非圆横截面空心零件也可以由旋压加工来实现。本研究课题来源于国家自然科学基金项目“非圆截面空心零件旋压成形方法及变形机理研究”（项目编号:50775076）。论文提出一种基于零件轮廓离散轨迹点的直线拟合圆弧的旋压成形方式及其嵌入式系统的控制方案,并对嵌入式系统中的精度细分电路模块的硬件和软件进行了重点开发和研究。主要内容如下:1、本文首先对嵌入式数控旋压设备的国内外研究现状进行比较和分析,然后重点阐述了嵌入式数控系统的研究现状以及精度细分模块的应用。2、提出基于零件轮廓离散轨迹点的直线拟合圆弧的旋压成形方式,并推导出轮廓细分精度与最大拟合误差之间的函数关系;其次对非圆截面零件加工控制方案进行分析,根据几何关系推出旋轮的运动轨迹,选择采用直线电机和“伺服电动机+滚珠丝杠”混合驱动的三轴联动控制方式完成非圆零件的旋压加工。3、基于FPGA内核开发了可控数字变频电路,对该电路倍频和分频系数的优化算法做了分析和研究,并以三边圆弧形零件为对象进行了实例计算;其次对可控数字变频电路的锁相倍频模块和任意数分频模块的硬件设计进行了重点分析;最后通过QuartusⅡ器件测试平台对其进行了电路波形分析和测试。4、采用由FPGA和SRAM集成FIFO缓冲存储器的设计方案,对实现FIFO结构的FPGA内核模块进行硬件编程,并对各个模块的功能和作用做了详细分析和阐述;其次分析了FIFO存储器亚稳态效应的产生及原因,并提出一种对数据存储地址进行格雷编码的解决方案;然后通过QuartusⅡ器件测试平台对其进行了电路波形分析和测试。5、为了对底层编码器反馈信号误差进行校正和补偿,在FPGA内核中开发了PISO误差校正电路。对反馈脉冲误差产生的原因和电路校正补偿原理进行了阐述;其次对PISO误差校正电路的硬件设计进行重点分析;然后通过QuartusⅡ器件电路测试平台和雕刻试验平台对PISO误差校正电路进行了功能验证。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 嵌入式数控旋压设备研究现状
• 1.3 嵌入式数控系统研究现状
• 1.3.1 嵌入式数控系统的特点
• 1.3.2 现场可编程门阵列FPGA 概述
• 1.4 精度细分电路在嵌入式系统中的应用
• 1.5 课题的背景、目的及意义
• 1.6 课题研究内容
• 第二章 非圆零件旋压控制方案设计
• 2.1 引言
• 2.2 基于离散点的非圆截面控制方案
• 2.2.1 非圆截面轮廓轨迹拟合方法
• 2.2.2 非圆截面加工控制方式
• 2.3 嵌入式控制系统精度细分电路架构
• 2.4 基于QuartusII 软件的器件测试平台
• 2.4.1 VHDL 硬件编程语言的应用
• 2.4.2 QuartusII 设计软件概述
• 2.4.3 器件测试平台的设计与搭建
• 2.5 本章小结
• 第三章 可控数字变频电路设计
• 3.1 引言
• 3.2 可控数字变频电路的软件算法设计
• 3.2.1 电路参数优化算法研究
• 3.2.2 三边圆弧形形零件截面轮廓实例计算
• 3.2.3 数据分析
• 3.3 可控数字变频电路的硬件设计
• 3.3.1 可控数字变频电路的架构
• 3.3.2 锁相倍频电路模块设计
• 3.3.3 任意数分频电路模块设计
• 3.4 电路波形测试与验证
• 3.4.1 锁相倍频电路波形测试
• 3.4.2 分频电路波形测试
• 3.4.3 可控数字变频电路整体波形测试
• 3.5 本章小结
• 第四章 FIFO 结构的高速大容量缓冲存储器设计
• 4.1 引言
• 4.2 FIFO 缓冲存储器的硬件设计
• 4.2.1 FIFO 整体架构
• 4.2.2 器件选用
• 4.3 FIFO 缓冲存储器的软件模块设计
• 4.3.1 FPGA 嵌入式内核架构
• 4.3.2 存储地址产生模块
• 4.3.3 内部读写请求产生模块
• 4.3.4 数据读/写模块
• 4.3.5 空满标志产生模块
• 4.4 FIFO 缓冲存储器的亚稳态效应及解决方案
• 4.4.1 亚稳态的产生原因
• 4.4.2 地址数据Gray 编码方案
• 4.5 电路波形测试与验证
• 4.5.1 FIFO 读写时序测试
• 4.5.2 亚稳态效应时序测试
• 4.5.3 FIFO 整体性能测试
• 4.6 本章小结
• 第五章 PISO 误差校正电路设计
• 5.1 引言
• 5.2 精度校正工作原理
• 5.3 PISO 误差校正电路硬件设计
• 5.4 电路波形测试
• 5.5 试验研究
• 5.5.1 试验平台的组成
• 5.5.2 试验方案
• 5.5.3 试验结果分析
• 5.6 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果
• 致谢