基于双CPU的经济型数控车床控制器设计

论文摘要

当前,我国正沿着经济、高速、高精度和高度自动化等几个方向发展数控技术。大力推广经济型数控系统是适合我国国情的重要策略。数控技术涉及多学科领域,其研究可带动其他相关技术的发展研究。本文以经济型数控车床控制器为研究对象,具有较大的理论研究意义和实际应用价值。本文首先讨论了经济型车床的体系结构以及设计方法,针对数控车床的加工特点、工作环境和性能指标要求,提出以TMS320LF2407A及W78E516为控制核心,以步进电机为执行机构,开环控制的经济型控制器。在硬件设计部分,分析系统中DSP及MCU各自承担的任务,详细介绍了两者的外围电路,以及通讯模块的设计;之后,对车床控制的相关理论进行了阐述,讨论步进电机加减速控制、多段加工中的速度平滑处理、插补算法选择、车床加工误差等问题;在软件设计部分,系统采用模块化设计:DSP实现运动控制,完成车床系统中对步进电机的速度位置控制;单片机实现键盘和液晶显示模块,编制了菜单式显示界面,提供U盘接口,实现友好的人机交互;最后,根据用户需求,对系统的性能指标进行了各项测试,整个车床系统具有良好的稳定性和完善的自诊断能力。目前,车床控制器已经完成初步研制,通过实际调试,验证了由DSP和MCU为核心的运动控制系统在功能上能够达到用户要求,精度高,稳定性好,该样机方案可行、设计合理。数控车床控制器的研究已经实现了主要功能模块的设计和开发,正在向产业化方向努力,毕设的研究工作为后续的开发铺平了道路。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 数控车床介绍
• 1.2.1 车床系统的组成
• 1.2.2 数控车床的工作过程
• 1.3 国内外数控技术的现状和发展趋势
• 1.3.1 国内外数控机床的发展和现状
• 1.3.2 数控机床的发展趋势
• 1.4 毕设研究目标
• 1.5 论文的主要研究内容和安排
• 2 系统方案设计
• 2.1 系统设计要求
• 2.1.1 经济型车床的功能特性
• 2.1.2 系统性能指标要求
• 2.2 系统方案
• 2.2.1 电机的选择
• 2.2.2 驱动器的选择
• 2.2.3 主控单元设计
• 3 系统的硬件设计
• 3.1 硬件电路总体概述
• 3.2 DSP 模块的电路设计
• 3.2.1 DSP 芯片选型
• 3.2.2 TM5320LF2407 的性能特点
• 3.2.3 电源供给电路
• 3.2.4 存储器扩展电路
• 3.2.5 I/O 电路
• 3.2.6 脉冲输出电路
• 3.3 用户交互模块硬件设计
• 3.3.1 W78E516 的性能特点
• 3.3.2 存储空间扩展
• 3.3.3 USB 模块
• 3.3.4 键盘模块
• 3.3.5 液晶显示模块
• 3.4 系统通信接口设计
• 3.4.1 双口RAM 通讯电路
• 3.4.2 DSP 与双口RAM 之间的电平转换
• 3.5 实物样机
• 4 运动平滑性理论和插补原理
• 4.1 机床数字控制的原理
• 4.2 插补算法的选择
• 4.2.1 插补算法概述
• 4.2.2 插补方法分类
• 4.2.3 直线插补的原理
• 4.2.4 圆弧插补原理
• 4.2.5 螺纹插补
• 4.3 升降速控制
• 4.3.1 升降速控制概述
• 4.3.2 电机模型分析
• 4.3.3 常用升降速曲线的分析及存在的问题
• 4.4 “前瞻”功能的速度平滑算法
• 4.4.1 多程序段间速度平滑控制
• 4.4.2 段内速度平滑控制
• 4.5 系统误差
• 4.6 补偿功能
• 4.6.1 间隙补偿
• 4.6.2 刀具补偿
• 5 小型数控车床的软件设计
• 5.1 系统软件设计概述
• 5.2 DSP 的软件设计
• 5.2.1 代码预处理
• 5.2.2 速度控制
• 5.2.3 补偿功能模块
• 5.2.4 插补算法的软件实现
• 5.3 MCU 的软件设计
• 5.4 通讯模块的实现
• 5.5 自诊断模块
• 6 系统的性能分析及测试
• 6.1 精度测试
• 6.2 速度测试
• 6.3 补偿功能测试
• 6.4 I/O 测试
• 6.5 自诊断功能测试
• 7 总结与展望
• 7.1 小结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文