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石材雕刻机数控控制系统硬件部分设计

通过对石材雕刻机数控系统控制原理及功能的分析和总结,采用模块化的设计方法对石材雕刻机数控系统进行了模块划分,其总体设计框架图如图4.1所示，控制系统的硬件主要由主控制模块、进给系统驱动模块、主轴驱动模块、电源模块以及辅助模块五大模块构成。下面我们将对各模块进行详细的介绍和分析:

1、主控制模块设计

主控制模块是控制系统的核心部分,雕刻加工代码的分析处理、整个石材雕刻机系统的控制管理都由该模块完成。该模块中CPU是整个控制系统的核心，它的选择直接决定着整个系统运行处理速度的性能指标，还直接影响着系统硬件电路设计的复杂程度以及系统的性价比等。因此CPU的选择是硬件电路设计的首要任务。系统的其它硬件都是围绕着CPU来进行扩展设计的。针对本系统的性能和功能要求，经过广泛调研、反复比较，本系统最终采用Philips公司的LPC2214作为中央处理器，LPC2214结构框图如图4.2所示。它可用于对速度要求很高，对实时性要求非常严格的控制系统中，非常满足于雕刻机数控系统对高速、实时的要求。

图4.2 LPC2214结构框图

2、电源模块设计

由4.1节得，本系统采用Philips公司的LPC2214作为中央处理器。

设计中采用两组独立的电源。为了获得更稳定的电源，前级电路中选用了LM2575开关电源芯片，提供5V的稳压电源。其电路原理图如图4.3所示。然后再使用LDO芯片(低压差电源芯片)稳压输出3．3V及1．8V电压，LDO芯片选用Sipex公司的SPXlll7M-3.3和SPXlll7M-1.8芯片向LPC2214提供两组3．3V电源和两组1．8V电源。其电路原理图如图4.4所示。

图4.3 5V电源电路一LM2575

图4.4 系统电源电路

3、主轴驱动模块设计

主轴驱动模块是数控机床的核心部件之一,其输出性能对数控机床的整体水平影响较大。主轴驱动不同于一般工业驱动,不仅要求具有较高的转速、精度以及动态刚度,还要求具有连续输出高转矩的能力以及较宽的恒功率运行范围。

    由第三章计算得，主轴电机是交流变频调速电机，其驱动器是与之相配套的变频调速控制器，LPC2214提供驱动器所需的控制信号，经光电隔离后，输出给驱动器放大处理后驱动电机运转。数控系统与交流变频调速器之间的控制信号有：

(1)正转信号FC_P，该信号允许驱动器启动电机正转；

(2)反转信号FC_N，该信号允许驱动器启动电机反转；

(3)制动信号Break，该信号禁止驱动器输出；

(4)调速信号SVC，该信号有效值(O～10VDC)大小决定电机的转速。

4 、辅助电路模块设计

石材雕刻机数控系统除了主控制模块、进给系统驱动模块、主轴驱动模块以及电源模块这些主要的部分之外,还有一些辅助的模块,如存储模块、通讯模块、输入／输出接口模块等。

4.1  存储模块设计

本系统加工是有两种途径获得加工数据(NC程序)，一是通过RS232或USB总线进行数据传输；另外一种途径是调用系统内部已经存储的加工数据。LPC2214虽然内部有256KB FLASH，但是用来存储数据显然是不够的，所以需要扩展FLASH存储器。此外，由于FLASH的读取速度较慢，在系统进行加工的时候，不可能每条数据都从FLASH内读取，否则会影响系统的运行速度。为了提高系统的运行速度，设计思路是在加工前尽可能多的将加工数据读入SRAM中，LPC2214片内只有16KB的SRAM，为此系统还需扩展SRAM存储器。

LPC2214单片机具有外部存储器接口，通过外部存储器控制器（EMC)可以扩展4个Bank的寄存器（Bank0-Bank3)，每个存储器空间大小为16M字节。通常使用16位总线宽度的存储器具有较高的性价比。根据实际要求，通常一个普通的雕刻机程序小于1M的存储空间，而在系统内部还需保存若干个常用的加工程序代码，本数控系统最多可达16个。因此，需扩展16M×l6bit的FLASH存储器和4M×l6bit的SRAM存储器，数据的存取和读取都是16位字宽。

4.2  通信模块设计

本系统采用的是PC机通过USB接口与数控系统通信方式。通用串行总线USB属一种轮讯方式的总线，主机控制端口初始化所有数据传输。每一个执行动作最多传送三个数据包。按照传输前制定好的原则，在每次传送开始时，主机控制器发送一个描述传输运作的种类、方向、USB设备地址和终端号的USB数据包，这个数据包通常称为标志包(token packet)。USB设备从解码后的数据包的适当位置取出属于自己的数据，有标准包来标志数据的传输方向，然后发送端开始发送包含信息的数据包或表明没有数据传送。接受端也要相应发送一个握手的数据包表明是否传送成功。发送端和接受端之间的USB数据传输，在主机和设备的端口之间，可视为一个通道。

由于微控制器LPC2214没有USB接口，所以在扩展USB接口选择了Philips公司的PDISUBDl2 USB控制器芯片，它与微处理器配合使用，性价比很高。

采用PDIUSBDl2 USB标准组件与LPC2214接口，减少了开发的时间、风险以及费用，是最快捷、最经济的方法实现LPC2214扩展USB的解决方案之一。

PDIUSBDl2使用LPC2214外部存储控制的Bank2部分，数据地址为0x82000000，命令地址为0x82000001。RST_USB、SUSP为LPC2200的输出引脚，PDIUSBDl2中断输入信号，且为外部中断0。C1、C2和x1为PDISUSDl2提供工作所需的时钟输入。发光二极管Good Link在正常通信时闪烁。PDIUSBDl2的ADO连接到LPC2214的A0，当LPC2214在A0引脚输出1时，表示输出到PDlUSBDl2数据总线DO-D7上的数据为命令字；当A0引脚输出为0时，表示输出到PDIUSBDl2数据总线D0-D7的数据为数据字。

4.3  输入／输出接口模块设计

LPC2214是系统电压为3．3V的微处理器，驱动能力比较弱。由于本系统外接输出负载比较多，考虑到信号的驱动能力以及主控制板设计灵活性，所有的输出信号都要经过EPM7128SLC84进行二次设计后输出。LPC2214采集信号后计算出步进电机运转所需的控制信息后，再传给EPM7128SLC84，EPM7128SLC84把接收到的信息转换成步进电机实际的控制信号(运转方向、运转速度)输出给电机的驱动电路。这样做的好处是LPC2214与EPM7128SLC84各行其足，LPC2214专注于处理输入信号与输出信息之间的转换等复杂的算法，不必占用过多的CPU资源去直接控制电机，也减少了由此引入干扰的可能性：EPM7128SLC84只需把单片机送过来的信息转换成电机的控制信号，充分发挥LPC2214和CPLD两者的优点。

使用EPM7128SLC84器件使电路的设计变得十分简洁，只需要把EPM7128SLC84的I/O脚引出来，接上相应的外围器件就可以了。EPM7128SLC84与专用的数字芯片的一个重要区别是其I／O口的功能呵任意在软件上设定，这样在硬件设计中便可考虑电源线与地线的分布，以减少高频电流噪声对数据传输的影响。

在设计EPM7128SLC84电路时，电源、时钟以及I/O与目标芯片都可通过接插件进行连接。最后在管脚锁定的时候把EPM7128SLC84的I／O分别与单片机和电机部分相连就可以了，这样使电路的安装调试更加方便。

4.4  开关量输入输出接口设计

按照系统性能要求，系统共设计有6路开关量输出和16路开关量输入。此处的开关量输出主要来驱动继电器实现一些强电设备的启动和停止的操作。值得注意的是，此处输出的开关量信号驱动能力较弱，还不能直接驱动继电器，还需增加驱动器。本系统选用的是Q2HB44A(B)等角度恒力矩细分型驱动器，驱动电压DCl2-40V，适配6或8出线电流4A以下，外径42-86mm的各种型号的二相混合式步进电机系统中的16路开关量主要反应机床的当前状态。应用中的开关量输入类型包括机械式行程触点开关、槽式光电开关和普通按钮式开关等。为了保证系统的适应性，不仅提供了必要的开关量输入，还设计了便于以后扩展的备用开关量输入，具体的开关量定义如表4.1所示。

表4.1 开关量输入信号表

5、进给系统驱动模块设计

目前石材雕刻机进给系统主要有步进电机驱动系统和交流伺服电机系统两种方式：

步进电机是将脉冲信号转换为角位移的执行元件,电机绕组每接收到一个脉冲,转子就会转过一个相应步距角,通过对脉冲数和脉冲频率的控制即可实现对步进电机的控制。由于步进电机没有累计误差,且控制性能好,因此在数控系统中被广泛应用随着技术的不断发展,交流伺服系统逐渐发展成熟并越来越多的应用到数控系统中,它与步进电机在控制方式上十分相似,但实用性能和应用场合却有较大的差异。

交流伺服电机进给系统在许多性能方面都要优于步进电机进给系统,但在控制要求不是很高的场合,选用步进电机作为进给系统更符合经济实用的原则。所以在本课题所设计的石材雕刻机数控系统中,选用步进电机作为进给系统。

6、 X、Y、Z轴电机控制设计

雕刻加工时，控制器读取雕刻加工文件，用加减速控制算法和插补算法等特定算法将其中的路径信息转化为一系列驱动步进电机的进给脉冲信号，这些脉冲经过步进电机驱动器放大、细分后，分别控制X、Y和Z轴的步进电机，从而控制雕刻机X、Y、X三个轴的走刀轨迹。其中插补算法决定了雕刻加工的走刀路径，而加减速控制算法决定了步进电机的运行速度，它们与雕刻加工的精度、表面质量和效率等有着密切的关系

6.1步进式开环控制系统原理

石材雕刻机采用的是以步进电机为驱动元件的步进式开环控制系统，它的结构和控制原理简单，而且控制为全数字化。图4.5为步进式开环控制系统用于石材雕刻机的工作原理框图。驱动器接收控制器发出的进给脉冲信号，并把此信号转换为控制步进电机各定子绕组依次通、断电的信号，使步进电机运转。即步进电机将进给脉冲转换成一个具有一定方向、大小和速度的机械角位移，从而带动石材雕刻机的移动。

图4.5 步进式开环控制系统原理框图

6.2 插补法的确定

插补就是在所需加工的路径或轮廓上的两个已知点间，根据进给速度的要求，确定其中多个中间点位置坐标值的运动过程。目前普遍采用的插补算法有脉冲增量插补和数据采样插补两大类。脉冲增量插补适用于以步进电机为执行机构的开环数控系统，这类插补算法实现简单，每次插补仅产生一个行程增量，并以一个个脉冲的方式输出给步进电机。而数据采样算法适用于以直流或交流伺服电机为执行机构的闭环或半闭环数控系统。由于本石材雕刻机是以步进电机为执行机构，所以在此采用脉冲增量插补算法。

6.3 加减速控制方法的确定

石材雕刻机的进给速度与加工精度、表面质量以及生产效率有着密切的关系，它的进给速度要求稳定，并具有一定的调速范围，启动要求快速而不失步，停止的时候位置准确不超程。所以石材雕刻机控制器必须要具有加减速的控制功能。目前国内外对步进电机的加减速控制方法主要有直线型加减速、S型加减速和指数型加减速三种。

（1） 直线型加减速控制石材研习社（微信号stone5A）

直线型加减速控制就是使机床启动时，其速度沿一定斜率的直线上升，而在停止时，速度沿一定斜率的直线下降。如图4.6所示。

图4.6 直线加减速控制图

由图中可以看出，由于直线的斜率是一定的，所以这种方式的加速度是恒定的。该方法计算简单，资源消耗小，但是没有充分考虑步进电机的输出力矩随着速度变化的特性，从而导致步进电机在高速时会发生失步。而且在加速、匀速以及减速过程中不能光滑地过渡。而这将影响步进电机的运行质量和机械系统的使用寿命，所以这种加减速控制方法主要适用于那些处理速度较慢，且对升降速要求不高的控制系统。

（2） S型加减速控制

在S型加减速控制方法中，速度按照S型的曲线规律进行控制，如图4.7所示。它的整个运动过程会经历加加速、加速、减加速以及匀速、加减速、减速、减减速七个运动阶段。

图4.7 S型加减速控制图

从曲线中可以看出，S型曲线加减速在启动和停止时的加速度很小，即曲线的起点D和停止点C的切线斜率很小。在加加速阶段，曲线的切线斜率不断增加，其加速度是不断增加的。加速阶段斜率基本是不变的，可以认为加速度是恒定的。而在减加速阶段，曲线的切线斜率不断减小，所以其加速度也是不断减小的。减速过程的加速度变化刚好与加速过程的加速度变化相反，由此可知，S型加减速过程能光滑过渡，运行平稳，所以主要适用于对加减速平稳性要求较高的控制系统。但是这种方法的计算量很大且复杂，要求控制器有极强的运算能力。

（3） 指数型加减速控制

指数加减速控制方法就是以指数规律进行速度的控制，如图4.8所示。

图4.8 指数型加减速控制图

加速阶段指数曲线的切线斜率是不断减小的，在起始阶段，加速度很大，所以能在很短的时间里加速到较高的速度，随着速度的提高，其加速度也越来越小，所以在高速的情况下其速度的变化也越小。而在减速阶段，一开始速度降得很快，随着速度的降低，减速过程也趋缓。指数加减速过程符合系统的固有规律，升降速的过程快速而平稳，适合于对处理速度快且对升降速过程要求高的控制系统。它的快速性是最好的。

综上所述，石材雕刻机控制器对X、Y、Z轴电机采用指数型加减速控制。

石材雕刻机总体结构和原理

石材雕刻机机械部分设计

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