基于ARM+DSP开放式五轴数控系统相关技术研究

论文摘要

随着先进制造技术的发展，数控技术已经成为衡量一个国家制造业现代化程度的标志。数控系统正朝着柔性化、智能化和网络化方向发展，结构封闭、模块固定的传统数控系统已不在满足现代数控系统的发展要求。本课题的研究目标是建立一个开放的五轴数控系统平台，开放式数控系统最常见的实现方式是基于PC的开放式数控系统。然而，数控系统本身具有很强的实时控制和实时交互等特性，以PC为研究平台的开方式数控系统在结构和性能上存在局限性，而嵌入式系统在软硬件平台上满足了数控系统的实时性要求。针对基于PC的开放式数控系统存在的问题和不足以及嵌入式系统的优势，采用ARM+DSP的硬件平台，在Linux软件平台下开发五轴数控系统，本方案是对低成本的开放式五轴数控系统研究的一种全新的尝试。研究内容分为系统总体方案设计、硬件平台搭建、系统软件模块化设计、数据管理、五轴线性插补研究、基于F28335DSP运动控制卡软件设计。首先，针对数控系统的设计要求，采用基于RT-Linux实时性解决方案，最终确定本系统的总体方案，并重点分析了基于F28335闭环交流伺服控制系统，该系统运用硬件控制策略实现五轴同步运动控制，采用“脉冲+方向”位置控制模式控制伺服电机。其次，构建五轴数控系统硬件平台，对主从CPU的硬件特性进行了详细介绍，并设计基于CAN总线的通信电路及其驱动程序；最后以TMS320F28335为核心处理芯片，辅以电机驱动信号接口电路与编码器接口电路，完成伺服运动控制系统硬件设计及主轴电机接口电路设计。然后，依据五轴数控加工特点，对开放式五轴数控软件进行了模块化设计。针对五轴加工程序数据量大而繁琐的特点，采用嵌入式MYSQL数据库管理加工代码及运动参数；详细分析五轴线性插补原理，采用基于速度前瞻的五轴线性插补算法对系统进行软件开发；设计基于F28335的运动控制系统软件主程序、CAN总线通信程序及插补算法软件，详细介绍ePWM模块和eQEP模块在该系统中的硬件配置及同步输出脉冲的方法。最后，搭建五轴数控实验平台，并对加工代码的数据管理、通信模块进行实例测试；对基于DSP运动控制卡的插补软件进行测试；对主轴电机进行调速测试；对伺服电机进行位置测试。经过大量实验分析，该系统具有良好的可靠性、稳定性、可移植性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的背景
• 1.2 开放式数控系统研究现状
• 1.2.1 国外发展现状
• 1.2.2 国内发展现状
• 1.3 五轴联动数控系统的研究现状
• 1.4 研究的目的及意义
• 1.5 研究的内容及工作安排
• 第二章 开放式五轴数控系统总体设计
• 2.1 开放式五轴数控系统的设计要求
• 2.2 操作系统的选择
• 2.3 数控系统的实时性解决方案
• 2.4 开放式五轴数控系统的总体方案设计
• 2.5 本章小结
• 第三章 开放式五轴数控系统硬件设计
• 3.1 五轴数控系统的硬件总体结构设计
• 3.2 五轴数控系统主从 CPU 简介
• 3.2.1 S3C2410 处理器简介
• 3.2.2 TMS320F28335 简介
• 3.3 ARM 开发板与 DSP 开发板的通信设计
• 3.3.1 CAN 总线硬件电路设计
• 3.3.2 CAN 总线驱动程序设计
• 3.4 基于 DSP 的电路设计
• 3.4.1 电机驱动信号接口电路设计
• 3.4.2 编码器接口设计
• 3.5 主轴电机接口设计
• 3.6 本章小结
• 第四章 开放式五轴数控系统软件设计
• 4.1 开放式五轴数控系统模块化设计
• 4.2 基于嵌入式 MYSQL 的数据管理系统
• 4.3 五轴联动线性插补原理
• 4.3.1 初始化条件给定
• 4.3.2 预处理中相关量的计算
• 4.3.3 插补步长的计算
• 4.4 基于速度前瞻的五轴线性插补算法
• 4.5 运动控制系统软件设计
• 4.5.1 运动控制系统的主程序设计
• 4.5.2 DSP 与 ARM 的通信程序设计
• 4.5.3 插补算法实现
• 4.5.4 ePWM 和 eQEP 配置及软件实现
• 4.6 基于 ARM 的主轴电机调速软件设计
• 4.7 本章小结
• 第五章 五轴数控实验平台搭建及调试
• 5.1 实验平台的搭建
• 5.2 加工代码数据管理实例
• 5.3 通信模块与测试
• 5.3.1 ARM 发送端 CAN 总线软件调试
• 5.3.2 DSP 接收端 CAN 总线软件调试
• 5.4 DSP 运动控制卡插补实例
• 5.5 主轴电机调速实验
• 5.6 伺服电机位置测试实验
• 5.7 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录