三维数控雕刻机的设计含开题及6张CAD图

三维数控雕刻机的设计含开题及6张CAD图,三维,数控,雕刻,设计,开题,CAD 基于嵌入式三轴高速雕刻机控制系统 陈勇，李晖，会员，IEEE，孙永奎，顾智和 摘要：本文提出的基于嵌入式三轴高速雕刻机控制系统的设计。 ARM（高级风险机）和FPGA（现场可编程门阵列）被认为是在硬件，玉米以及实时多任务操作系统作为软件系统的平台。高速雕刻机控制系统提供了一种新的解决方案，在同一时间，本文介绍如何通过步进电机的转矩 -频率的原始设计数据的分析和计算来控制步进电机的加速和减速的特殊性。该系统已经被应用在这种高速雕刻机上，事实证明，这个系统是高精度和普遍性。 引言 近年来，随着市场的扩大和模具行业的发展，不仅标牌和模具工艺，还有日常生活中的家具和装饰品，都需要雕刻。一般来说，三轴联动雕刻能满足要求，基于CNC（计算机数控）三维雕刻机的应用变得越来越广泛。 眼下，市场上的雕刻机通常需要8位单芯片微控制器（单片机）或运动控制卡结合IC（工业电脑）为核心的控制系统。参考文献[3]提出了一个解决方案，单片机AT89C52作为控制芯片。结合USB通信模块，运动控制卡，参考文献[4]提出了实现雕刻的控制。虽然这样的控制系统易于实现，但这种系统有太多的缺点。它需要支持的IC和系统的成本是很高的。 在本文中，一个控制系统结合32位ARM处理器和FPGA为核心，提出了单片机和集成电路。以实时多任务操作系统为平台，ARM处理负责速度控制，而FPGA负责轨道控制。特殊性的步进电机的转矩 - 频率的电机加速和减速在速度控制中被认为是快速和平稳的。该控制系统可以摆脱 依赖于IC，从读取原始数据和最终输出控制信号，完成整个工作。该控制系统可应用于多种场合，通过用键盘设置不同的参数雕刻机床。由该系统在实际应用中，得到精度高，以及良好的普遍性.. 二.控制系统，借鉴DESIGN A.硬件系统 硬件系统主要包含以下几个部分： （1）处理器（ARM）：作为控制器的处理器，被移植在它里面的嵌入式实时操作系统也在HCI（人机界面）里面工作，ARM应该响应键盘控制信号，并刷新了液晶显示器，以及阅读，分析和计算的原始数据的速度控制，然后把结果传输到FPGA当收到的要求。 （2）FPGA：操作从ARM插值接收到的数据，和计算的数目和时间延迟的脉冲，用于驱动步进电机完成轨道控制，并最终完成三轴联动的雕刻，然后FPGA应该问ARM要求给出下一组数据。 , Fi g。1硬件系统 （3）辅助电源：供电电源，主要包括8V，5V和-20V电压的总控制器。其中的5V和-20V的电压支持的液晶显示（LCD），8V的电压将通过三端稳压设备满足ARM与FPGA的需要。 （4）HCI：HCI主要包含键盘和LCD。关于雕刻的几乎所有的信息显示在液晶显示器上和键盘的设置如机床的脉冲当量，最高速度和加速度以及特殊的控制键盘推杆在雕刻过程中。 （5）USB接口：原始数据被从这个USB接口发送到ARM。在蓝色虚线回路是控制系统的核心，这增加了的辅助电源。将红总控制器用虚线环圆圈表示。结合控制器与驱动器，步进电机和执行人将是一个整体雕刻机。原型的外观图，如图2所示。 A:辅助电源 B:ARM C:FPGAD:液晶 E:键盘 F:驱动的步进电机 G:步进电机 图2硬件 B.软件系统 1、软件系统的平台 嵌入式实时多任务操作系统被选择作为控制系统的平台。是完全抢占式，便携式和可扩展的内核。在这个内核中应该创建一些功能模块根据雕刻机控制功能系统应设置的优先级，所有的软件系统可分为三个模块：HCI模块，USB通信模块和控制雕刻模块。等待键盘命令和刷新液晶显示器是HCI模块的主要功能。 USB通信模块负责读取原始数据。雕刻控制模块通过雕刻速度和轨道控制来引导雕刻，ARM和FPGA之间的通信也被该模块管理。在三个模块，控制雕刻模块拥有最高的优先级，和HCI模块的优先级是最低的。三个模块之间的通信的接口程序，由操作系统管理。 图3软件系统 2。雕刻机控制模块的应用流程 在控制系统中，原始设计数据进行了分析和计算速度控制由ARM处理，轨道控制由FPGA处理。 （1）阅读原始设计数据通过USB接口。一般的数据代表各轴的绝对位移，则相对位移通过一个接一个基板相邻的数据而得到，并在同一时间用于下一次计算的数据类型转换为整型。 （2），如果两个相邻的线之间的角度程度大，就会有电机的速度跳跃，当这两条线连续。就需要找到雕刻有没有速度跳跃时行的数目，所有适合这种状况的行被称为“S-线”。在一个“S线”上计算每个轴位移的，“SX”，“Sy”和“SZ”，用于表示在x轴，y轴和z轴​​的位移。 （3）在每行中计算各轴的速度和加速度。在计算中被认为是操作员的轴线与综合位移方向之间的角度所设定的速度和加速度。 （4）判断速段线属于那个给定的不同的情况，计算的脉冲的数量和原始频率为加速，减速和稳定的速度部分。之后，传输到FPGA的结果时，它是可用的。 （5） FPGA插ARM三轴联动雕刻接收到的数据，然后要求新的数据组。 图4为雕刻控制模块的应用程序流程图 III。加速和减速的控制 有3个广义的步进电机的加速和减速的方法： 1、常数加速度：加速度从未在整个过程中改变，因此这种方式是很容易实现的，但是，加速度的时间太长。 2、加速指数曲线：以这种方式，快速和平稳的加速和减速，是适合的系统，该系统拥有高的操作能力，并且需要高质量的加速和减速。 假设步进电机的步距角为M，如果驱动脉冲的数量为N，电机的旋转角度，然后=MN，和旋转速度 电机的输出转矩是电磁转矩TM和阻力TL之间的分散体。 假设恒定的扭矩是K,阻力扭矩电机是,因此函数的时刻负载的电机为 在表达式(2),J是转动惯量。当初始条件为零,解决表达式(2) 根据表达式(1),该频率的驱动脉冲输出的控制器成表达式(3),和它的变化 在表达式(4)和它是最高的驱动脉冲频率的步进电机。根据表达式(4),在条件驱动脉冲频率f加快在指数曲线随时间t,步进电机在短时间内将加快。当驱动脉冲频率fT,时间的加速度 在实际应用中,它是不可能通过计算t表达式(5)仍在继续,所以采取几行模仿指数曲线。分离指数曲线成N段均匀,和时间在相邻节是t / N,驱动脉冲频率在每一个分开的点作为 假设是数量的脉冲在部分k,所以等于,电动机加速与一个常数加速度在每节,然后加速在每个部分作为 在表达式(7),f0应该最初的频率。 图5两加速度的比较 图6加速度 图5显示出频率的驱动脉冲之间的比较，由表达式（4）和表达式（6）加速，红色的是前者和蓝色的是后者。在图5中，原来的频率为零，且参数N是5，在表达式（6）中。 根据图5，只要参数N是适当的，由表达式（6）所示的加速度，能够满足系统的要求，相同的方式可以应用来完成减速。加速和减速的过程中是对称的，因此加速和减速脉冲的数目是相同的。以X轴为例，假定步进电机加速从原来的速度，最高的一个是“光照度”的位移，只有在的条件下，电机可以在一个通过加速，稳定的速度部分和减速S-线“。否则，当，位移没有足够的电机加速到最高速度，所以后一半Sx加速，应该在休息半减速电机。 四。实际应用 在实际雕刻中，机床的脉冲当量是每脉冲0.0025毫米。最高雕刻速度为100毫米/秒，加速度设置为500mm/s2。原来的频率是100Hz的驱动脉冲，步进电机的驱动脉冲不超过10万/秒。 当ARM雕刻软件设计的数据分析和计算，需要10条线模仿的指数曲线的加速和减速，加速和减速是绝对对称。表1显示的驱动脉冲 加速与插补计算由FPGA。 根据表1，2414正负加速驱动脉冲的频率从100Hz到40000Hz的设定频率最高。每个部分的频率的加速度逐渐减小，而脉冲数增加。 AERA的加速度在低转速高，而加速度低，速度高的时候，关闭的整个过程的指数曲线。加速度满足要求特殊性的步进电机的转矩 - 频率和加速度的时间是小于0.2秒。也有稳定的速度段的减速后2414脉冲。 表1、输出加速度通过FPGA驱动脉冲的频率 四。总结： 本文提出了一种三轴高速雕刻机控制系统基于嵌入式系统的设计。 ARM和FPGA为核心的硬件系统和操作系统的被移植作为软件系统平台。对步进电动机的转矩 - 频率特殊性的考虑，是为了使加速和减速快速平稳。它证明​​，这个控制器可以完全摆脱对IC的支持，而且分析和独立计算的原始数据。在雕刻过程中实现精确的速度和轨道控制，而这个系统是高速雕刻机一个新的解决方案。 引用 [1] Qingsong Wang, The CNC engraving control system in object oriented technology [J]. 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