引言
目前國內(nèi)使用的數(shù)控系統(tǒng)通常是在通用計(jì)算機(jī)或工控機(jī)的基礎(chǔ)上加裝運(yùn)動控制卡，使用Windows操作系統(tǒng)，并安裝昂貴的數(shù)控軟件構(gòu)成的。這樣的系統(tǒng)軟件成本高、硬件資源浪費(fèi)、功耗大。而嵌入式產(chǎn)品具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)精簡、功耗低等特點(diǎn)，能彌補(bǔ)傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)的不足。免費(fèi)軟件Linux 操作系統(tǒng)進(jìn)軍嵌入式領(lǐng)域，更使得嵌入式產(chǎn)品能夠充分發(fā)揮廉價(jià)、高性價(jià)比的優(yōu)勢。
本文所述的正是以Linux操作系統(tǒng)為軟件平臺，以ARM9微處理器為硬件平臺，以數(shù)控銑床為背景，自主研發(fā)數(shù)控硬件及軟件的嵌入式數(shù)控銑床控制系統(tǒng)。
1 系統(tǒng)硬件組成
系統(tǒng)的硬件由ARM系統(tǒng)主板和擴(kuò)展板卡組成。
硬件結(jié)構(gòu)如圖1。
1.1 ARM系統(tǒng)主板
根據(jù)系統(tǒng)需要，主板上主要包括中央處理器S3C2410X、SDRAM 內(nèi)存、NAND FLASH （ 64M ）、串口、CS8900A以太網(wǎng)芯片（ 10M 網(wǎng)口）、LCD顯示器接口、USB接口、擴(kuò)展總線接口等。
中央處理器S3C2410X內(nèi)部資源十分豐富，包括1個(gè)LCD控制器、SDRAM 控制器、3個(gè)通道的UART、4個(gè)具有PWM 功能的計(jì)時(shí)器和1個(gè)內(nèi)部時(shí)鐘、2個(gè)USB主機(jī)接口和1個(gè)USB設(shè)備接口等。S3C2410X 處理器主頻最高為202MH z, 內(nèi)置16 KB 指令高速緩存和16KB數(shù)據(jù)高速緩存，5級指令流水線，帶有乘累加運(yùn)單元，可以運(yùn)行起嵌入式Linux 操作系統(tǒng)并能進(jìn)行較為復(fù)雜的信息處理，基本滿足用戶對快速性的要求。并且采用NAND FLASH 與SDRAM 組合來存儲數(shù)據(jù)和程序，可以獲得非常高的性價(jià)比。
系統(tǒng)采用10M 的以太網(wǎng)接口芯片CS8900A, 這是用于嵌入式設(shè)備的低成本以太局域網(wǎng)控制器。通過標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)接口數(shù)控系統(tǒng)可以連接到Internet或局域網(wǎng)上。
1.2 擴(kuò)展板卡
擴(kuò)展板卡即把步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器控制接口、伺服電機(jī)驅(qū)動器控制接口、編碼器接口集成在一個(gè)板子上，作為控制數(shù)控銑床的控制卡，來控制步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。
機(jī)床目前設(shè)計(jì)為3軸聯(lián)動，為未來能擴(kuò)展為5軸，設(shè)計(jì)留有5組接線端子。每組需要兩個(gè)接線端子與驅(qū)動器相連（采用單脈沖方式），其中一個(gè)端子通過導(dǎo)線連接步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的CP, 提供給步進(jìn)電機(jī)脈沖信號，控制它轉(zhuǎn)動，另一個(gè)接驅(qū)動器的CW, 控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向，使電機(jī)可以完成正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止動作。對電機(jī)的速度控制是通過軟件控制脈沖的輸出頻率實(shí)現(xiàn)的。經(jīng)比較決定選擇三相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器BD3SFB。因BD3SFB驅(qū)動器可兼容兩相、四相和五相的工作方式，且有更高的定位精度，可控制電機(jī)在任意細(xì)分步數(shù)情況下，如6000步/轉(zhuǎn)時(shí)精確定位。 電機(jī)和驅(qū)動器間僅用3根線連接，與交流異步電機(jī)一樣，減少連線出錯(cuò)的可能性。
伺服電機(jī)的控制與反饋由驅(qū)動器完成，數(shù)控系統(tǒng)只需將指令信號發(fā)送至驅(qū)動器中。由處理器的通用I/O口產(chǎn)生伺服電機(jī)的脈沖信號和方向信號。伺服驅(qū)動器一般需要差分信號作為輸入，故采用26LS31芯片作為其輸出驅(qū)動電路，經(jīng)過光耦的隔離直接連接到伺服電機(jī)驅(qū)動器上。
對步進(jìn)電機(jī)采用開環(huán)控制，但為了將銑刀具體位置呈現(xiàn)給用戶，同時(shí)修正控制及運(yùn)動部分不可預(yù)見的誤差，可以在步進(jìn)電機(jī)上安裝編碼器。通過聯(lián)軸器將二者相連。編碼器脈沖信號經(jīng)8253計(jì)數(shù)后可得到被測量的數(shù)字信號，然后經(jīng)地址鎖存器連接到擴(kuò)展總線，由處理器進(jìn)行處理。8253復(fù)用8 位數(shù)據(jù)總線表示計(jì)數(shù)值，處理器先讀低8位后讀高8位，計(jì)數(shù)范圍是0 ~65 535。同時(shí)，鑒向器占用數(shù)據(jù)總線3 位表示各電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向。在單脈沖模式下，編碼器脈沖由D觸發(fā)器CD4013鑒相，處理器通過判斷高低電平得知電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向。為了抗干擾和實(shí)現(xiàn)電氣隔離，在與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的脈沖信號和方向信號的端口連接時(shí)采用了光電隔離器件。D觸發(fā)器鑒相如圖2。
2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)的使用流程是先由用戶編輯G代碼或其它格式的加工文件，數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)該文件中代碼的意義，控制刀具做出相應(yīng)的動作。所以在軟件方面，系統(tǒng)需要提供文本編輯功能、對加工文件的編譯功能、電機(jī)驅(qū)動功能等。為了使用戶驗(yàn)證加工程序的正誤，系統(tǒng)還要提供仿真功能，將走刀過程展現(xiàn)給用戶。
為了實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能，本系統(tǒng)還移植了嵌入式瀏覽器Konqueror/Embedded, 這是一款自由軟件。由于瀏覽器可以訪問HTTP、FTP、SMTP、NNTP等多種不同協(xié)議的服務(wù)，故安裝瀏覽器可謂一舉多得，移植過程參考文獻(xiàn)。軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。
2.1 操作系統(tǒng)平臺的搭建
2.2 伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動程序
伺服電機(jī)需要的信號是PWM 波形控制信號，因此伺服電機(jī)驅(qū)動程序主要是實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制。這個(gè)脈寬調(diào)制是利用一個(gè)定時(shí)器，并根據(jù)由SPWM 算法得到的延遲時(shí)間，控制一個(gè)通用I /O 端口高低電平持續(xù)時(shí)間得到的。系統(tǒng)產(chǎn)生的PWM 波形如下圖4所示。
而在三個(gè)步進(jìn)電機(jī)的設(shè)備驅(qū)動程序中，向步進(jìn)電機(jī)發(fā)送連續(xù)信號定義為寫操作； 從8253中讀數(shù)據(jù)定義為讀操作； 由鍵盤控制各電機(jī)動作作為自定義操作。
2.3 G代碼編譯
G代碼是國際通用的機(jī)床加工代碼，其編譯的思想是： 首先將G代碼文件讀入流中，逐行分析其意義，并且?guī)в胁殄e(cuò)功能。當(dāng)遇到子程序跳轉(zhuǎn)時(shí)記錄文件指示出其位置和循環(huán)次數(shù)時(shí)，子程序返回后從記錄位置繼續(xù)執(zhí)行；遇到主軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，在編譯文件中寫入旋轉(zhuǎn)標(biāo)志和PWM 的脈寬； 遇到插補(bǔ)命令時(shí)寫入脈沖標(biāo)志和每步的三坐標(biāo)脈沖信號諸如此類。最后生成記錄整套加工步驟的二進(jìn)制文件。編譯流程如圖5所示。
2.4 插補(bǔ)算法與刀補(bǔ)算法
數(shù)控銑床控制系統(tǒng)使用逐點(diǎn)比較法實(shí)現(xiàn)直線和圓弧插補(bǔ)算法。以刀的當(dāng)前位置為起點(diǎn)，以G代碼給定位置為終點(diǎn)，在其間的直線或圓弧上插入擬合點(diǎn)，根據(jù)這些點(diǎn)產(chǎn)生一系列三坐標(biāo)脈沖信號。逐點(diǎn)比較法的缺陷是圓弧插補(bǔ)只能走x 或y 方向的正交線，而缺失了最應(yīng)該在圓弧插補(bǔ)中出現(xiàn)的由x、y 方向合成的±45/135°斜線，系統(tǒng)根據(jù)圓弧相對于x 或y 軸的傾向性，使插補(bǔ)過程中在圓弧的±45 /135°附近盡量使用斜線，使得插補(bǔ)精度更高、步數(shù)更少。圖6 是由M atlab仿真得到的改進(jìn)算法和傳統(tǒng)算法的比較，如果定義理想曲線和擬和曲線的誤差為兩曲線相夾的面積（圖中灰色部分） , 可看出改進(jìn)算法的誤差較小。
編寫加工程序時(shí)，一般只考慮刀具中心沿零件輪廓切削，而忽略刀具半徑對加工的影響，在實(shí)際加工時(shí)需要在刀具中心與刀具切削點(diǎn)之間進(jìn)行位置偏置，補(bǔ)償上述影響。這種變換過程即為刀具補(bǔ)償。系統(tǒng)采用的是帶有過度連接的C刀具補(bǔ)償算法，該算法比較復(fù)雜，與許多因素有關(guān)，為此定義了一個(gè)結(jié)構(gòu)作為刀補(bǔ)函數(shù)的參數(shù)，該函數(shù)更改插補(bǔ)始末位置、增加過渡曲線實(shí)現(xiàn)刀補(bǔ)功能。參數(shù)結(jié)構(gòu)如下，
3 結(jié)論
以ARM9微處理器為硬件平臺，免費(fèi)的Linux操作系統(tǒng)為軟件平臺，開發(fā)了嵌入式數(shù)控銑床，實(shí)現(xiàn)了對步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)的控制。 在對制作的電路板和編程的系統(tǒng)程序?qū)嶒?yàn)的基礎(chǔ)上表明，與傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)相比，嵌入式數(shù)控系統(tǒng)發(fā)揮了其耗能少、成本低、體積小等優(yōu)勢。