基于pic32+dsp構(gòu)架的五軸數(shù)控單元設(shè)計（硬件部分）【文獻綜述】

1、<p><b>　　畢業(yè)設(shè)計開題報告</b></p><p><b>　　電子信息工程</b></p><p>　　基于PIC32+DSP構(gòu)架的五軸數(shù)控單元設(shè)計（硬件部分）</p><p><b>　　1前言部分</b></p><p>　　現(xiàn)代工業(yè)自動化系統(tǒng)，現(xiàn)代科

2、學技術(shù)和現(xiàn)代軍事裝備中，控制電機已經(jīng)成為不可或缺的主要元件。它的應(yīng)用范圍十分廣泛，比如艦船方向舵的自動操縱，遙遠目標位置的顯示，機床加工過程的自動控制和自動顯示，閥門的遙控，以及機器人、醫(yī)療設(shè)備、自動記錄儀表、電子計算機、錄音錄像設(shè)備的自動控制系統(tǒng)。</p><p>　　對于簡單的電機系統(tǒng)，只需單獨控制電機的運動，例如閥門的遙控。而對于大型系統(tǒng)，則需要幾個電機的協(xié)調(diào)工作。一般而言，多軸聯(lián)動的電機數(shù)量越多，能夠完成

3、的工作越復(fù)雜，控制難度也越大。例如多坐標數(shù)控機床，有些復(fù)雜形狀的零件，用三坐標的數(shù)控機床還是無法加工，如螺旋槳、飛機曲面零件的加工等，需要三個以上坐標的合成運動才能加工出所需形狀。于是出現(xiàn)了多坐標的數(shù)控機床，其特點是數(shù)控裝置控制的軸數(shù)較多，機床結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜，其坐標軸數(shù)通常取決于加工零件的工藝要求。</p><p>　　本設(shè)計為針對一般的機床的控制卡，所以接下來主要以機床為例進行講解。</p>&l

4、t;p>　　在機床的實際加工中，被加工工件的輪廓形狀千差萬別，各式各樣。嚴格說來，為了滿足幾何尺寸精度的要求，刀具中心軌跡應(yīng)該準確地依照工件的輪廓形狀來生成。然而，對于簡單的曲線，數(shù)控裝置易于實現(xiàn)，但對于較復(fù)雜的形狀，若直接生成，勢必會使算法變得很復(fù)雜，計算機的工作量也相應(yīng)地大大增加。因此，在實際應(yīng)用中，常常采用一小段直線或圓弧去進行逼近，有些場合也可以用拋物線、橢圓、雙曲線和其他高次曲線去逼近（或稱為擬合）。所謂插補是指數(shù)據(jù)密化

5、的過程。在對數(shù)控系統(tǒng)輸入有限坐標點（例如起點、終點）的情況下，計算機根據(jù)線段的特征（直線、圓弧、橢圓等），運用一定的算法，自動地在有限坐標點之間生成一系列的坐標數(shù)據(jù)，即所謂數(shù)據(jù)密化，從而自動地對各坐標軸進行脈沖分配，完成整個線段的軌跡運行，以滿足加工精度的要求。</p><p>　　一般電機的控制是對電機方向和速度的控制，而復(fù)雜的系統(tǒng)則實時控制各個電機的轉(zhuǎn)速，在統(tǒng)一的算法下，使整體協(xié)同工作，所以有些機床對控制器處

6、理速度要求比較高。</p><p>　　現(xiàn)在舉例三軸和五軸加工的特點：</p><p>　　在數(shù)控機床中，機床直線運動的坐標軸X，Y，Z按照ISO和我國的JB3051—82標準，規(guī)定成右手直角笛卡兒坐標系。三個回轉(zhuǎn)運動A，B，C相應(yīng)的表示其軸線平行于X，Y，Z的旋轉(zhuǎn)運動。X，Y，Z的正向是使工件尺寸增加的方向，即增大工件和刀具距離的方向。通常以平行于主軸的軸線為Z坐標（即Z坐標的運動由傳遞

7、切削動力的主軸所規(guī)定），而X方向是水平的，并且平行于工件裝卡面，最后Y坐標就可按右手笛卡兒坐標系來確定。旋轉(zhuǎn)運動A，B，C的正向，相應(yīng)地為在X，Y，Z坐標正方向上按照右旋螺紋前進的方向。</p><p>　　對于五軸控制算法如下所示：</p><p>　　根據(jù)ISO的規(guī)定，采用右手直角坐標系描述數(shù)控機床的運動；其中繞x、y、z軸的旋轉(zhuǎn)坐標分別為A、B、C，平行于主軸的坐標軸定義為z軸。各坐

8、標軸的運動可由工作臺，也可以由刀具的運動來實現(xiàn)，但方向均以刀具相對于工件的運動方向來定義。通常五軸聯(lián)動是指x、y、z、A、B、C中任意5個坐標的線性插補運動。</p><p><b>　　圖2.5軸坐標圖</b></p><p>　　換言之，五軸，指x、y、z三個移動軸加任意兩個旋轉(zhuǎn)軸。相對于常見的三軸（x、y、z三個自由度）加工而言，五軸加工是指加工幾何形狀比較復(fù)雜

9、的零件時，需要加工刀具能夠在五個自由度上進行定位和連接。</p><p>　　由上述可知，對于多軸復(fù)雜系統(tǒng)來說，模型和算法可謂是非常困難，尤其是大型系統(tǒng)，在一定時間的多軸聯(lián)動控制，計算量十分巨大，所以往常做法都是選用計算機作文控制器。</p><p>　　伴隨著上世紀九十年代末計算機網(wǎng)絡(luò)的成熟發(fā)展，到二十一世紀，人類進入了所謂的后PC時代。在這一階段，人們開始考慮如何將客戶終端設(shè)備變得更加

10、智能化、數(shù)字化，從而使得改進后的客戶終端設(shè)備輕巧便利、易于控制或具有某些特定的功能。為了實現(xiàn)人們在后PC時代對客戶終端設(shè)備提出的新要求，嵌入式技術(shù)（Embedded Technology）提供了一種靈活、高效和高性價比的解決方案。對于嵌入式系統(tǒng)，其最大的特點是單片化，與計算機相比，體積大大減小，功耗和成本下降，可靠性提高。</p><p>　　然而，復(fù)雜的插補算法需要處理速度快，運算能力強的控制器。故以前一直使用

11、專用的數(shù)控裝置或者計算機作為控制器。近年來隨著嵌入式系統(tǒng)的飛速發(fā)展，使得嵌入式系統(tǒng)代替計算機成為可能。</p><p>　　因此基于嵌入式系統(tǒng)的數(shù)控單元設(shè)計具有重要意義。</p><p>　　現(xiàn)今人機界面也日益趨于人性化，比如目前很多控制器都有觸摸屏取代按鍵開關(guān)的趨勢。尤其是靈敏搞分辨率的觸摸屏，不僅是輸入變得簡單，更加能夠節(jié)省空間。</p><p>　　本設(shè)計中配

12、備了4線電阻式觸摸屏設(shè)計，它有如下特點：</p><p>　?、?它們都是一種對外界完全隔離的工作環(huán)境，不怕灰塵、水汽和油污</p><p>　　②可以用任何物體來觸摸，可以用來寫字畫畫，這是它們比較大的優(yōu)勢</p><p>　　③電阻觸摸屏的精度只取決于A/D轉(zhuǎn)換的精度，因此都能輕松達到</p><p>　　4096*4096。 </

13、p><p>　　基于以上的考慮，電阻式觸摸屏比電容屏更加適合在工業(yè)場合使用。</p><p><b>　　2主題部分</b></p><p>　　裝備制造業(yè)是一國工業(yè)之基石，它為新技術(shù)，新產(chǎn)品的開發(fā)和工業(yè)生產(chǎn)提供了主要的手段，是不可或缺的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)。即使在發(fā)達工業(yè)化國家，也無不高度重視。近年來，隨著我國國民經(jīng)濟的飛速發(fā)展，和國防建設(shè)的需要，對高檔的

14、數(shù) 控機床提出了大量要求。</p><p>　　現(xiàn)代的伺服系統(tǒng)對精度和速度的要求不斷增加。為了滿足全球競爭，更快，更便宜，更好的電機控制系統(tǒng)也是必需的。近年來，基于靈活性強，高效高性能的數(shù)字信號處理器（DSP）的運動控制器已經(jīng)出現(xiàn)。需要大量的實時計算的先進電機控制系統(tǒng)已經(jīng)成功地在DSP控制器上實現(xiàn)了。</p><p>　　而且嵌入式電機控制器近幾年發(fā)展迅速，它以其體積小，靈活性強等特

15、點，在機床控制方面越來越受到重用。因此嵌入式電機控制器的性能也要不斷增加。</p><p>　　隨著DSP控制器性能的不斷提高，算法的不斷成熟，對于電機控制器的推陳革新起到了至關(guān)重要的作用。</p><p>　　多軸加工準確地說應(yīng)該是多坐標聯(lián)動加工。當前大多數(shù)控加工設(shè)備最多可以實現(xiàn)五坐標聯(lián)動，這類設(shè)備的種類很多，結(jié)構(gòu)類型和控制系統(tǒng)都各不相同。</p><p>　　控

16、制核心在于多軸的算法，尤其在高速運轉(zhuǎn)的情況下。</p><p>　　對于多軸電機的協(xié)調(diào)工作還在于算法的測試，對于不同的機床系統(tǒng)，精度要求的不同，控制器可驅(qū)動器也完全不會一樣。對于控制器的研發(fā)，主要的精力在于測試，而構(gòu)建一個如此龐大的系統(tǒng)，測試時間更是難以計算。</p><p>　　多軸聯(lián)動加工中心有高效率、高精度的特點，工件1次裝夾就可完成5面體的加工。如配置上5軸聯(lián)動的高檔數(shù)控系統(tǒng)，還可

17、以對復(fù)雜的空間曲面進行高精度加工，更能夠適宜汽車零部件、飛機結(jié)構(gòu)件等現(xiàn)代模具的加工。機床從來都被視為裝備制造業(yè)的工作母機，而數(shù)控系統(tǒng)則被譽為數(shù)控機床的“大腦”。而我國多數(shù)搞精密機床加工產(chǎn)品還需要國外的技術(shù)支持。</p><p>　　據(jù)了解，發(fā)達國家直到現(xiàn)在還在限制5軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)對中國的出口；如果用戶使用國外的數(shù)控系統(tǒng)，就必須簽署嚴格的定向使用協(xié)定，并受到檢查。國內(nèi)的5軸聯(lián)動系統(tǒng)還處于實驗階段，目前還沒有實現(xiàn)大規(guī)

18、模產(chǎn)業(yè)化，可見我國在此方面的研究還處于一個起步階段。</p><p>　　本設(shè)計名為5軸控制單元，該設(shè)計方案在硬件設(shè)計的理論上可以實現(xiàn)低精度的5軸聯(lián)動控制器。但考慮到設(shè)計難度，暫時可以將其應(yīng)用到將3軸聯(lián)動系統(tǒng)，用以實現(xiàn)如植毛機等機床控制，2軸是只有2個主動軸XY就是平面移動，3軸多一個Z軸可以完成三維移動，5軸是有2個虛擬軸，所以5軸在配合過程中，可 以完成高難度的全方位移動。</p><

19、p>　　現(xiàn)在國內(nèi)多數(shù)的電機控制系統(tǒng)以2軸，3軸控制為主，嵌入式控制卡多種多樣，本項目擬設(shè)計一種PIC32+DSP構(gòu)架的五軸數(shù)控控制單元，能輸出五路步進電機和交流伺服電機驅(qū)動信號，大屏幕液晶屏觸摸控制，基于知識的設(shè)計界面。</p><p>　　配備的觸摸屏設(shè)備加上傳統(tǒng)的按鍵，實現(xiàn)更人性化的控制，隨著科技的進步，觸摸屏技術(shù)的成熟，其在在工業(yè)控制的人機界面上的應(yīng)用已經(jīng)成為趨勢。</p><p&

20、gt;　　PIC32系列單片機是Michip公司推出的32位單片機，抗干擾能力強，特別適合工業(yè)控制。相較于其他系列單片機，功能更強大，處理速度更快，甚至可以移植多種操作系統(tǒng)。因為PIC系列單片機兼容性非常強，所以對于芯片更新?lián)Q代引起的問題，處理簡單。</p><p>　　DSP芯片選用TMS2812芯片，它是TI公司推出的32位定點數(shù)字處理器，不僅具有數(shù)字信號處理能力，又具有強大的事件管理能力和嵌入式控制能力，在

21、電機、馬達伺服控制系統(tǒng)、智能化儀器儀表、電力電子技術(shù)應(yīng)用、工業(yè)自動化控制等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　現(xiàn)在TMS2812同系列芯片也在不斷升級，其性能也越來越強，但是2812的學習和應(yīng)用資料更多，所以以此為入門，確實是研究的好方法,而且隨著算法技術(shù)的成熟，將來可以更方便的介入。</p><p>　　FPGA技術(shù)是一個實現(xiàn)手段在這個領(lǐng)域，F(xiàn)PGA因為具備接口，控制，功能IP，內(nèi)

22、嵌CPU等特點有條件實現(xiàn)一個構(gòu)造簡單，固化程度高，功能全面的系統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計將是FPGA技術(shù)應(yīng)用最廣大的市場，F(xiàn)PGA在本次設(shè)計中負責PWM的擴展，DSP和單片機之間的連接，其中FPGA本身就可以做電路升級，電路擴展等，對于此電路的升級帶來巨大好處。</p><p>　　對于大型系統(tǒng)來說，多種不同種類的嵌入式系統(tǒng)相互配合，各自發(fā)揮其特點勢必會發(fā)揮更大作用，也已經(jīng)成為現(xiàn)代復(fù)雜嵌入式控制系統(tǒng)的趨勢。</p>

23、<p><b>　　3總結(jié)部分</b></p><p>　　后PC時代，是嵌入式系統(tǒng)迅速發(fā)展的時代，它以其獨特的優(yōu)勢，在日趨專業(yè)化的工業(yè)控制系統(tǒng)中占有一席之地，在某些大型系統(tǒng)中，有取代計算機的趨勢。</p><p>　　以本5軸控制單元為例，普遍復(fù)雜的機床控制系統(tǒng)都是計算機，當然計算機完全勝任此項任務(wù)。但是如果一個同樣的系統(tǒng)可以用嵌入式系統(tǒng)代替，將會有更多

24、的好處，比如說，體積大大縮小，因為是專用的電機控制器，所以工作效率和開發(fā)效率會大大提高，耗能更少，可靠性也更高。現(xiàn)在，很多一部分高端的微控制器比如PIC32也都可以兼容操作系統(tǒng)，所以代碼編寫的工作量也將大大降低。嵌入式系統(tǒng)中專門數(shù)字信號處理器（DSP）可以快速地實現(xiàn)復(fù)雜算法，隨著嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展，在多軸電機控制方面能完成的工作也將越來越多，效率也將大大提高。</p><p><b>　　4參考文獻<

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