小型数控切割机嵌入式控制器设计

论文摘要

数控切割机作为许多船厂和大型机械制造企业的主要生产设备之一,近两年的需求量不断上升。然而由于数控系统发展的历史原因,在数控切割领域,切割设备的研究长期以来一直偏向于大型数控切割系统的研发,在小型、经济型应用场合缺少低成本的自动化生产设备。因此,开发应用于中小型钢板切割机的数字控制器是当前数控领域最具有理论和实践意义的研究方向之一。本文基于单片机与DSP,设计了小型数控切割机的嵌入式控制器。实现了对以步进电机为执行器的切割机床的加工运动控制,覆盖了基于专用PC的大型数控切割系统的主要功能,很好地解决了小型切割机的数字控制问题。该课题做了以下几个方面的研究和开发工作:一、针对小型数控切割机体积小、成本低的要求,开发了基于单片机与DSP的控制器硬件,成本仅为大型数控切割系统的1/5至1/10,功能达到设计目标。二、针对传统小型数控界面编程效率低、操作不直观的问题,设计了能够通过U盘读入加工代码、在点阵液晶上跟踪加工图形的用户操作界面。汉字提示,直观易学,有效降低了小型数控切割机的操作复杂程度。三、提出了一种高效的运动插补算法。将数字增量算法改进引入到以步进电机作为执行器的开环控制系统中,解决了应用传统算法时插补速度缓慢的问题,并保证在插补过程中移动部件的运动路径与插补轮廓之间的误差始终保持在一个脉冲当量之内。四、为了缩短插补周期,提高算法效率,在软件中设计了加工代码的解析程序,利用合理的存储结构提高了加工过程中坐标的提取效率,并使得系统能够恢复被中断的加工过程,实现倒车、选段等加工的特殊功能。本文开发的小型数控切割机控制器已经做出实物原型,目前正在多家切割机生产厂进行性能测试。已完成的测试结果表明,系统控制精度高,界面人性化,运行稳定可靠;有效解决了小型切割机的数字化控制问题。对提高制造企业生产效率,提升产品质量提供了技术手段。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 国内外研究现状和发展趋势
• 1.2.1 国内外研究现状
• 1.2.2 数控发展趋势
• 1.3 研究和控制对象-小型切割机介绍
• 1.3.1 切割方式的主要分类
• 1.3.2 小型数控切割机的组成
• 1.3.3 数控切割系统的特点
• 1.3.4 切割机工作过程
• 1.4 主要研究内容
• 1.4.1 基于DSP 的数控切割机控制器开发
• 1.4.2 用于开环步进电机的插补算法设计
• 第二章 系统设计
• 2.1 系统功能要求
• 2.2 系统技术指标
• 2.3 数字控制器的方案设计
• 2.3.1 控制器总体方案设计
• 2.3.2 用户交互单元
• 2.3.3 运动控制与IO 单元
• 2.4 步进电机选型
• 2.4.1 步进电机的类型选择
• 2.4.2 步进电机的最大静态扭矩选择
• 2.4.3 步进电机的控制
• 2.5 本章小结
• 第三章 硬件设计
• 3.1 运动控制处理器的选型与设计
• 3.1.1 运动控制处理器的选择标准
• 3.1.2 控制单元的比较
• 3.1.3 DSP 的选型
• 3.1.4 DSP 的外围电路设计
• 3.2 用户交互单元设计
• 3.2.1 单元的外部总线设计
• 3.2.2 键盘设计
• 3.2.3 USB HOST 设计
• 3.2.4 液晶控制设计
• 3.2.5 坐标参数硬件掉电保存硬件
• 3.3 运动控制器接口设计
• 3.3.1 电机控制输出接口
• 3.3.2 IO 输入输出接口
• 3.4 本章小结
• 第四章 运动控制的数值插补方法
• 4.1 插补方法基础
• 4.1.1 插补方法分类
• 4.2 插补设计
• 4.2.1 应用数字增量插补于开环系统的原理
• 4.2.2 直线插补计算
• 4.2.3 圆弧插补计算
• 4.3 插补误差分析
• 4.3.1 直线插补误差
• 4.3.2 圆弧插补误差
• 4.4 速度插补设计
• 4.4.1 速度插补的原因
• 4.4.2 单段曲线的速度插补
• 4.4.3 曲线段间速度插补
• 4.5 本章小结
• 第五章 软件设计
• 5.1 系统软件功能
• 5.2 切割机运行的软件流程
• 5.2.1 自动运行下的状态机
• 5.2.2 测试空行及倒车状态机
• 5.2.3 手动运行状态机
• 5.3 DSP 插补软件设计
• 5.3.1 长短轴判别
• 5.3.2 脉冲产生
• 5.4 用户交互部分软件
• 5.4.1 USB 模块的读写模式
• 5.4.2 显示图形的绘制
• 5.5 单片机与DSP 通讯设计
• 5.5.1 G 代码的解析
• 5.5.2 大端模式与小端模式的转换
• 5.5.3 模块间通讯协议的制定
• 5.6 特殊功能的软件实现
• 5.6.1 断点保存与恢复
• 5.6.2 参数保护
• 5.6.3 智能预热延时
• 5.7 本章小结
• 第六章 系统测试设计
• 6.1 切割机功能测试
• 6.1.1 基本功能测试
• 6.1.2 G 代码解析与绘图测试
• 6.1.3 断点恢复测试
• 6.2 切割机精度测试
• 6.2.1 重复精度测试
• 6.2.2 速度与加减速测试
• 6.2.3 标准加工测试曲线测试
• 6.3 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 存在的问题与展望
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文