全軟件型激光切割機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的研究

1、浙江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)系碩士學(xué)位論文全軟件型激光切割機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的研究 姓名:李妮妮申請學(xué)位級別:碩士專業(yè):機(jī)械電子工程指導(dǎo)教師:陳章位20100101浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 摘要 摘要激光切割是激光加工行業(yè)中一項(xiàng)重要的應(yīng)用技術(shù),也是激光加工中應(yīng)用最多 的加工方式。目前激光切割已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于各種機(jī)械制造加工行業(yè)。開放式 數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控系統(tǒng)未來的發(fā)展趨勢。全軟件型數(shù)控系統(tǒng)是最新的開放式數(shù)控系 統(tǒng),提供了一種高度開放的體系結(jié)構(gòu),是當(dāng)前數(shù)控領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。本文開發(fā)全軟件型激光切割機(jī)數(shù)控系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對激光切割主機(jī)工作臺的兩軸 聯(lián)動控制和激光電源系統(tǒng)控制,本文的主要內(nèi)容如下:第一章闡述激光切割機(jī)和數(shù)控技術(shù)

2、在國內(nèi)外的發(fā)展概況,闡述本文的研究目 標(biāo)和意義,提出本文的研究內(nèi)容和研究方法。第二章介紹基于“ARM+CPLD”結(jié)構(gòu)的全軟件型數(shù)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方案, 闡述這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn),根據(jù)硬件設(shè)計(jì)方案,建立硬件系統(tǒng)。第三章介紹數(shù)控系統(tǒng)控制軟件的開發(fā)工具c語言和c_jf|語言的運(yùn)行平臺一 一.NET平臺,并對數(shù)控系統(tǒng)控制軟件進(jìn)行分析與設(shè)計(jì),構(gòu)建控制軟件的相應(yīng)模 塊。第四章介紹數(shù)控系統(tǒng)控制軟件程序編制模塊的實(shí)現(xiàn)方法,設(shè)計(jì)一種激光切割 專用數(shù)控代碼,研究CAD圖形文件導(dǎo)入算法和激光切割路徑規(guī)劃算法。第五章介紹數(shù)控系統(tǒng)控制軟件運(yùn)動控制模塊的實(shí)現(xiàn)方法,闡述數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ) 算法的原理,提出優(yōu)化的數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)法,研

3、究數(shù)控系統(tǒng)的中斷控制算法,并進(jìn) 行運(yùn)動控制實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證運(yùn)動控制的準(zhǔn)確性和重復(fù)性。第六章對全文進(jìn)行總結(jié),對后續(xù)工作進(jìn)行展望。關(guān)鍵詞:激光切割,全軟件型數(shù)控系統(tǒng),cjfj,路徑規(guī)劃,插補(bǔ)算法浙江人學(xué)碩士學(xué)位論文 Abstract AbstractLaser cutting is an important application technology and the most widely used processing method in laser processing industry.Currently laser cutting has been widely used in all kin

4、ds of machinery manufacturing and processing industries.The open CNC system is the development trend of CNC system.The total software CNC system which is the latest open CNC system provides a hi曲degree of open architecture.And it becomes one of the hottest research subjects.The total software CNC sy

5、stem of laser-cutting machine has been developed in this paper,which Can implement twoaxis control of laser-cutting machine and laser monitoring.The following are the main contents of this paper:The first chapter discusses the development of laser-cuRing machine and CNC techonology at home and abroa

6、d,explains research objectives and research significance,proposes researchcontents and research methods.The second chapter describes the hardware designing of total software CNC system based on ARM and CPLD structure,disscusses the characteristics and advantages of this structure,establishes a hardw

7、aresystem according to the hardware designing.The third chapter describes the development tools C sharp language of the control software of CNC system and.NET runtime platform of C sharp language, analysises the control software,and sets up its modules.The forth chapter describes the implementation

8、of programming module of control software,designs a special NC code for laser-cutting,and studies file convertion algorithms of CAD files and path optimal algorithms of laser-cutting. The fifth chapter describes the implementation of motion control module of control software,discusses the theory of

9、sampled data interpolation algorithm, proposes optimal sampled data interpolation algorithm,discusses the interrupt control algorithm,makes experiment about motion control to verify the accuracy of the Ill浙江大學(xué)碩上學(xué)位論文 Abstract motion contr01.The last chapter summarizes this paper and prospectes the fo

10、llowing research.Key words:Laser cutting,Total sofeware CNC system,C sharp,Path planning, Interpolation algorithm.IV浙江大學(xué)研究生學(xué)位論文獨(dú)創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。 除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外,論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成 果,也不包含為獲得逝鎏盤堂或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。與我一 同工作的同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明并表示謝意。學(xué)位論文作者簽名:鷹斫匕增沙 簽

11、字日期:沙,口年少月 日學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解 塹鎏盤堂 有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交本 論文的復(fù)印件和磁盤,允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)逝姿太堂可以將學(xué)位論文的 全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索和傳播,可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段 保存、匯編學(xué)位論文。(保密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)書學(xué)位論文作者簽名:勘緲聊虢肋諺 簽字目期:少,J年;月 日 簽字日期:年 月 日浙江人學(xué)碩上學(xué)位論文 致謝 致謝在論文完成之際,謹(jǐn)此向每一位教導(dǎo)過我的老師,幫助過我的同學(xué)致以最誠摯的感謝! 衷心感謝我的導(dǎo)師陳章位教授。陳老師淵博的專業(yè)知識、豐富的工程經(jīng)驗(yàn)和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目?研態(tài)

12、度讓我留下了深刻的印象,并且在我的科研工作中產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。陳老師不僅在 研究上為我提供了良好的環(huán)境和悉心的指導(dǎo),在生活上特別是職業(yè)規(guī)劃上也給了我很多幫 助和寶貴意見。在此,我謹(jǐn)向陳老師深深的謝意和最誠摯的祝福。這兩年多的研究生學(xué)習(xí)期間,實(shí)驗(yàn)室的各位同學(xué)包括黃靖、王學(xué)孔、陳世澤、陳家焱、 姚英豪、劉娟容等在學(xué)習(xí)和生活上都給予了我很大的幫助和支持,在此感謝這些同學(xué)陪伴 我度過了這兩年多的美好時(shí)光。最后,衷心感謝我的父母多年來在我的求學(xué)道路中給予的支持和鼓勵(lì)。李妮妮 2009年12月于杭州浙江大學(xué)碩上學(xué)位論文 緒論 1緒論1.1引言激光加工過程是激光與材料相互作用的過程,是非接觸、無磨損、無噪聲

13、(或 噪聲很小、無切屑(或去除材料時(shí)產(chǎn)生極少量廢屑的,基本上對環(huán)境不造成 污染。激光加工技術(shù)隨著光、機(jī)電、材料、計(jì)算機(jī)、控制技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)逐步發(fā) 展成為一項(xiàng)新的加工技術(shù)。激光加工具有加工對象廣、變形小、精度高、節(jié)省能 源、公害小、遠(yuǎn)距離加工、自動化加工等顯著優(yōu)點(diǎn),對提高產(chǎn)品質(zhì)量和勞動生產(chǎn) 率、實(shí)現(xiàn)加工過程自動化、消除污染、減少材料消耗等有很大幫助【11。激光切割是激光加工行業(yè)中一項(xiàng)重要的應(yīng)用技術(shù),也是激光加工中應(yīng)用最多 的加工方式,占整個(gè)激光加工業(yè)70%以上【21。激光切割-9其他切割方法相比,其 顯著優(yōu)勢是精度高、切縫窄、切割面光滑、切割速度快、切割質(zhì)量好、不損傷工 件、柔性好、無需額外的模

14、具、仿形切割能力強(qiáng)。激光切割可切割碳鋼,不銹鋼、 合金鋼、木材、塑料、橡膠、布,石英,陶瓷、玻璃、復(fù)合材料等【31。目前激光 切割已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于機(jī)床、工程機(jī)械、電氣開關(guān)制造、電梯制造、特種汽車、 石油機(jī)械、航空航天、家用電器制造、大電機(jī)硅鋼片等各種機(jī)械制造加工行業(yè)。1.2激光切割機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢自從第一臺紅寶石激光器于1960年問世以來,激光技術(shù)已被廣泛應(yīng)用到各 行各業(yè),比如:激光打印、CD唱盤與光盤、光纖通信、激光測距和激光掃描條 形碼等。在工業(yè)上,激光被用于四大加工領(lǐng)域:切割、焊接、標(biāo)記與熱處理【41。 20世紀(jì)80年代中期,機(jī)械工業(yè)部濟(jì)南鑄造鍛壓機(jī)械研究所成功研制了國內(nèi) 第一臺數(shù)控激

15、光切割機(jī),實(shí)現(xiàn)了我國在激光切割領(lǐng)域零的突破。進(jìn)入20世紀(jì)90年代后期,隨著企業(yè)體制的多樣化、技術(shù)來源的多元化,我國數(shù)控激光切割機(jī)進(jìn) 入了快速發(fā)展的階段,我國生產(chǎn)數(shù)控激光切割機(jī)的企業(yè)已經(jīng)形成了一個(gè)梯隊(duì),包 括濟(jì)南鑄造鍛壓機(jī)械研究所、濟(jì)南鑄鍛所捷邁機(jī)械有限公司、江蘇金方圓數(shù)控機(jī)床有限公司、上海團(tuán)結(jié)普瑞瑪激光設(shè)備有限公司、江蘇揚(yáng)力集團(tuán)、深圳市大族激 光科技股份有限公司、上海中剪機(jī)床廠等。目前我國擁有的整套的激光切割加工系統(tǒng)不足千臺,而且分布在全國近200家的激光加工部門中,其中90%為二氧化碳激光器。國產(chǎn)激光切割機(jī)數(shù)控系統(tǒng)大多是引進(jìn)FAGOR、FANUC等外國通用數(shù)控系 統(tǒng)。這些系統(tǒng)雖然性能穩(wěn)定,但

16、是沒有與切割工藝相關(guān)的專用功能,使用極為不 便。而美國EDGE切割機(jī)數(shù)控系統(tǒng)價(jià)格較高且使用不便,難以被國產(chǎn)激光切割 設(shè)備所采用。近年來北京機(jī)床研究所、濟(jì)南鑄造鍛壓機(jī)械研究所、北京機(jī)電研究 院相繼推出了國產(chǎn)的數(shù)控激光切割機(jī)。國產(chǎn)數(shù)控激光切割機(jī)的主要特點(diǎn)是,價(jià)格較低,約是進(jìn)口價(jià)格的三分之一; 激光器功率較低,一般為1.5kw以下。與國外切割機(jī)相比切縫寬,表面質(zhì)量、機(jī) 械精度、整機(jī)的穩(wěn)定性、柔性較差【51。上世紀(jì)80年代以來,國際上不少國家都把激光技術(shù)列入國家發(fā)展計(jì)劃。例 如美國的“激光核聚變計(jì)劃”、德國的“激光2000”、英國的“阿維系計(jì)劃”、日 本的“激光研究五年計(jì)劃”等。這些計(jì)劃的實(shí)施,使激光

17、加工技術(shù)得到迅速發(fā)展, 并形成具有勃勃生機(jī)的新興高技術(shù)產(chǎn)業(yè)。國際上目前激光切割數(shù)控系統(tǒng)大多使用32位微處理器,控制精度較高,運(yùn) 算速度快,并且嵌入操作系統(tǒng),操作界面簡易美觀。比如:瑞士百超公司最新開 發(fā)了ByVision數(shù)控系統(tǒng),具有高度集中的用戶界面,使用簡便。在15英寸觸摸 屏上提供了控制器的全部功能,同時(shí),還集成了手動操作裝置【61;意大利普瑞瑪 公司RAPIDO型三維激光切割機(jī)配置便攜式控制器,用戶界面精美,配置手動 轉(zhuǎn)柄【71。隨著Intemet的飛速發(fā)展,網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用越來越廣泛,人們對各種工業(yè)控制設(shè)備 的網(wǎng)絡(luò)功能要求也越來越高。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在激光切割領(lǐng)域也得到廣泛地應(yīng)用。激光 切割機(jī)數(shù)控系

18、統(tǒng)一般都配置以太網(wǎng)模塊,可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸,數(shù)據(jù) 傳送速度較快。經(jīng)過幾十年的發(fā)展,激光切割機(jī)在切割技術(shù)和數(shù)控系統(tǒng)兩方面取得了長足的 進(jìn)步。隨著更多的新技術(shù)的發(fā)展和新工藝的提升,為了應(yīng)對新的市場需求,激光 切割機(jī)正在向以下幾方面發(fā)展【8】:(1高速、高精度激光切割機(jī)大功率激光器光束模式的改善及32位微處理器的推廣,為激光切割設(shè)備的 高速、高精度創(chuàng)造了有利條件。(2厚板切割和大尺寸工件切割的大型激光切割機(jī)隨著可用于激光切割的激光器的功率增大,激光切割正從輕工業(yè)薄板的鈑金 加工向著重工業(yè)厚板切割方向發(fā)展。(3三維立體多軸數(shù)控激光切割機(jī)為了滿足汽車、航空等工業(yè)的立體工件切割的需要,目前已發(fā)展

19、了各種各樣 的五軸或六軸三維激光切割機(jī),數(shù)控軸數(shù)達(dá)到九軸,加工速度快,精度高。目前, 三維激光切割機(jī)正向高效率、高精度、多功能和高適應(yīng)性方向發(fā)展,其應(yīng)用范圍 將會愈來愈大【91。(4激光切割單元自動化和無人化為了提高生產(chǎn)率和節(jié)省勞動力,目前激光切割機(jī)正向著激光切割單元無人 化、自動化方向發(fā)展。發(fā)展這種單元自動化系統(tǒng),必須依賴于先進(jìn)的自動控制、 網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)及計(jì)算機(jī)輔助管理系統(tǒng)技術(shù)等。(5緊湊型和組合一體化數(shù)控激光切割機(jī)隨著激光器體積的縮小和功率的增大,以及輔助裝置的不斷完善,出現(xiàn)了把 激光器、電源、主機(jī)、控制系統(tǒng)和冷卻水循環(huán)裝置等緊密地組合在一起,形成占 地面積小、功能完善的整套緊湊型激光切割

20、機(jī)。此外,激光切割技術(shù)正與激光焊接以及熱處理等各道工序后的質(zhì)量反饋集成 在一起,充分發(fā)揮激光加工的整體優(yōu)勢,向多功能的激光加工中心發(fā)展,進(jìn)一步 提高設(shè)備的利用率【lo】。1.3數(shù)控技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀數(shù)控技術(shù)是用數(shù)字信息對機(jī)械運(yùn)動和工作過程進(jìn)行控制的技術(shù),這是集傳統(tǒng)的機(jī)械制造技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)、傳感檢測技術(shù),網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和 光機(jī)電技術(shù)等于一體的現(xiàn)代制造業(yè)的基礎(chǔ)技術(shù)【11】。自從1952年美國第l臺數(shù)控銑床問世至今已經(jīng)歷了50多個(gè)年頭。數(shù)控技術(shù) 在50多年里經(jīng)歷了2個(gè)階段和6代的發(fā)展。第1階段:硬件數(shù)控(NC。包括3代發(fā)展階段,第1代:1952年的電子 管;第2代:1959年晶體管分離元件

21、;第3代:1965年的小規(guī)模集成電路。 第2階段:軟件數(shù)控(CNC。包括3代發(fā)展階段,第4代:1970年的小型 計(jì)算機(jī);第5代:1974年的微處理器;第6代:1990年基于個(gè)人PC機(jī)(PCBASEO 【12】o隨著科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展,數(shù)控技術(shù)的發(fā)展越來越快,數(shù)控技術(shù)正朝著高性能、 高精度、高速度、高柔性化和模塊化方向發(fā)展,其中最主要的趨勢是開放式數(shù)控 系統(tǒng)。開放式數(shù)控系統(tǒng)屬于開放式系統(tǒng),具有開放式系統(tǒng)的基本特征。IEEE關(guān)于開放式系統(tǒng)的定義是:能夠在不同廠商的多種平臺上運(yùn)行,可以 和其他系統(tǒng)的應(yīng)用程序互操作,并且能夠給用戶提供一致性的人機(jī)交互方式。開 放式數(shù)控系統(tǒng)具有以下基本特征:(1可互操作性

22、。通過提供標(biāo)準(zhǔn)化接121通訊和交互機(jī)制,使不同功能模塊 能以標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用程序接口運(yùn)行于系統(tǒng)平臺上,并獲得平等的相互操作能力,協(xié)調(diào) 工作。(2可移植性。系統(tǒng)功能軟件與設(shè)備無關(guān),即應(yīng)用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式、交互 模型、控制機(jī)理使構(gòu)成系統(tǒng)的各功能模塊可來源于不同的開發(fā)商,并且通過一致 的設(shè)備接t:l,使各功能模塊能運(yùn)行于不同的供應(yīng)商提供的硬件平臺上。(3可伸縮性。系統(tǒng)的功能、規(guī)?？梢造`活設(shè)置,方便修改,即可以增加 硬件或軟件構(gòu)成功能更強(qiáng)的系統(tǒng),也可以裁剪其功能以適應(yīng)低端應(yīng)用。(4可互換性。構(gòu)成系統(tǒng)各硬件模塊、功能軟件的選用不受單一供應(yīng)商的 控制,可根據(jù)其功能、可靠性以及性能要求相互替換,而不影響系統(tǒng)整體的協(xié)

23、調(diào) 性。開放式數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控系統(tǒng)未來的發(fā)展趨勢。全軟件型數(shù)控系統(tǒng)是最新的開浙江人學(xué)碩士學(xué)位論文 緒論 放式數(shù)控系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展為數(shù)控系統(tǒng)的開放奠定了基礎(chǔ)。數(shù)控技術(shù)融入計(jì)算機(jī) 技術(shù),并隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速進(jìn)步而快速發(fā)展。全軟件型數(shù)控系統(tǒng)是一種最新 開放式數(shù)控系統(tǒng)。NC嵌入PC構(gòu)成的數(shù)控系統(tǒng)只是實(shí)現(xiàn)了有限的“開放”,還保留不少專用系 統(tǒng)的痕跡,開放性不足,開發(fā)環(huán)境和支持手段也不足。PC嵌入NC構(gòu)成的數(shù)控系統(tǒng)是目前較為常見的。這種系統(tǒng)的人機(jī)界面和非 實(shí)時(shí)控制部分的定制是開放的,但是其核心部分運(yùn)動控制和伺服控制是由專用控 制芯片完成的,仍是封閉的,還沒有達(dá)到完全開放。全軟件型數(shù)控系統(tǒng)是開放式

24、數(shù)控系統(tǒng)的一個(gè)里程碑。這種系統(tǒng)支持運(yùn)動控制 策略的用戶自定義,其特點(diǎn)是控制軟件全部裝在計(jì)算機(jī)中,而硬件系統(tǒng)是計(jì)算機(jī) 與伺服驅(qū)動、外部I/O之間的標(biāo)準(zhǔn)化通用接口。用戶可在特定平臺上(如Windows NT、Windows CE利用開放的內(nèi)核,開發(fā)所需的各種功能,構(gòu)成各種類型的高 性能數(shù)控系統(tǒng)。它為用戶提供最大的選擇和靈活性。全軟件型數(shù)控系統(tǒng)雖然提供了一種高度開放的體系結(jié)構(gòu),但需要考慮操作系 統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一性和系統(tǒng)穩(wěn)定性等一系列問題,是"-3前數(shù)控領(lǐng)域的研究熱 點(diǎn)之一。1.4研究目的和意義近年來,激光切割技術(shù)發(fā)展很快,國際上每年都以15%一20%的速度增長。 我國自1985年以來,

25、更以每年25%以上的速度增長。據(jù)統(tǒng)計(jì)2006年在全世界共 銷售出輸出功率在1KW以上的激光切割機(jī)約40000臺左右,其中歐洲1600臺、 亞洲約1500臺、美國約900臺。當(dāng)前,我國激光工業(yè)基礎(chǔ)較差,激光加工技術(shù) 的應(yīng)用尚不普遍,因此,在我國激光切割技術(shù)的推廣和應(yīng)用潛力很大。我國激光 切割機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)如數(shù)控裝置大多依靠國外引進(jìn),自行開發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)多以單片 機(jī)為控制核心,運(yùn)行速度較慢,開放性不足。本文以ARM為控制核心,開發(fā)全 軟件型激光切割機(jī)數(shù)控系統(tǒng)。ARM在性能和功能上進(jìn)行了多方面擴(kuò)展,并且嵌浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 緒論 入操作系統(tǒng),使應(yīng)用開發(fā)速度增快。本文的研究內(nèi)容對于發(fā)展和提高激光切割機(jī)

26、數(shù)控技術(shù)有一定的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。1.5課題的研究內(nèi)容及研究方法本文開發(fā)全軟件型激光切割機(jī)數(shù)控系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對激光切割主機(jī)工作臺的兩軸 聯(lián)動控制和激光電源系統(tǒng)控制。研究內(nèi)容主要包括以下幾個(gè)方面:(1數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)研究。(2數(shù)控系統(tǒng)控制軟件開發(fā)。數(shù)控系統(tǒng)控制軟件主要包括激光器控制參數(shù) 設(shè)置與分析、CAD圖形文件的導(dǎo)入與轉(zhuǎn)換、加工圖形編譯、數(shù)控代碼編譯和加 工路徑規(guī)劃等功能。(3數(shù)控系統(tǒng)運(yùn)動控制研究。激光切割機(jī)的運(yùn)動控制是指工作臺的兩軸聯(lián) 動控制,需要進(jìn)行插補(bǔ)技術(shù)研究和實(shí)時(shí)控制研究。(1設(shè)計(jì)數(shù)控代碼。數(shù)控系統(tǒng)常用的數(shù)控代碼是G代碼和M代碼。然而這 些通用的數(shù)控代碼無法滿足激光切割的特有加工工藝要求

27、,如激光控制、定時(shí)控 制等。本文設(shè)計(jì)一種新的數(shù)控代碼,借鑒G代碼和M代碼的優(yōu)點(diǎn),增加激光切 割機(jī)數(shù)控系統(tǒng)所需的加工功能。(2加工路徑規(guī)劃研究。加工路徑規(guī)劃包括加工路徑的初步規(guī)劃與優(yōu)化。 加工路徑初步規(guī)劃是指根據(jù)加工輪廓繪制順序確定加工順序,加工輪廓之間以直 線連接過渡,確定激光的切入點(diǎn)等。加工路徑優(yōu)化問題可歸結(jié)為旅行商問題。旅 行商問題的算法有很多,如最近鄰算法、插入法、遺傳算法和螞蟻算法等,這些 算法都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。針對激光加工的特點(diǎn)和現(xiàn)有算法的優(yōu)缺點(diǎn),對最近插入 法進(jìn)行改進(jìn),提出新的路徑優(yōu)化算法。(3插補(bǔ)算法研究。插補(bǔ)是數(shù)控系統(tǒng)一個(gè)極其重要的功能模塊,其算法的 選擇將直接影響系統(tǒng)的精度,

28、速度及加工能力范圍等。從插補(bǔ)計(jì)算輸出的數(shù)值形 式來分,主要有脈沖增量插補(bǔ)和數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)。脈沖增量插補(bǔ)算法比較簡單,通浙江大學(xué)碩七學(xué)位論文 緒論 常僅需幾次加法和移位操作就可完成,比較容易用硬件實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)算法 就是使用一系列首尾相連的微小直線段來逼近給定曲線。這些線段是按一定的時(shí) 間周期來進(jìn)行分割?，F(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)一般使用數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)法。本文也采用數(shù)據(jù)采 樣插補(bǔ)算法。(4DXF圖形文件格式轉(zhuǎn)換。CAD圖形文件格式有很多種,其中DXF (Drawing Exchange Format是一種繪圖交換文件,是Autodesk公司開發(fā)的 用于AutoCAD與其它軟件之間進(jìn)行CAD數(shù)據(jù)交換的CAD數(shù)據(jù)

29、文件格式, 是一種基于矢量的ASCII文本格式。本文對DXF文件格式進(jìn)行研究,實(shí)現(xiàn) DXF圖形文件的導(dǎo)入與轉(zhuǎn)換。(5控制軟件開發(fā)。數(shù)控系統(tǒng)控制軟件運(yùn)行平臺是Windows CE 5.0。在 Windows CE操作系統(tǒng)上應(yīng)用程序常用開發(fā)工具有EVC(Embedded Visual c+ 和c椒C Sharp。根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)硬件平臺基礎(chǔ)和控制軟件的功能需求,考慮到市 場開發(fā)、程序的兼容性及網(wǎng)絡(luò)功能的擴(kuò)展,采用Cjfj為主要編程工具,進(jìn)行數(shù)控 系統(tǒng)控制軟件的設(shè)計(jì)與開發(fā)。1.6小結(jié)本章主要分析了激光切割機(jī)和數(shù)控技術(shù)在國內(nèi)外的發(fā)展概況,闡述了本文的 研究目標(biāo)和意義,在此基礎(chǔ)上提出了研究內(nèi)容和研究方法。2

30、全軟件型數(shù)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方案2.1激光切割技術(shù)簡介激光的單色性好,并且具有很小的發(fā)散角,在理論上可聚焦到尺寸與光波波 長相近的小斑點(diǎn)上,其焦點(diǎn)處的功率密度可達(dá)107W/鋤210¨W/em2,溫度可 高至上萬攝氏度,因此,它是一種理想的切割熱源。激光切割是基于激光的特性, 利用聚焦的高功率高密度激光束照射工件,激光束的能量以及切割過程所附加的 化學(xué)反應(yīng)熱功當(dāng)量能全部被材料吸收,能量的高度集中能夠迅速局部加熱,由此 引起激光作用點(diǎn)的溫度急劇上升,達(dá)到沸點(diǎn)后材料開始?xì)饣?并形成孔洞,隨著 激光束與工件的相對運(yùn)動,最終使材料形成切縫,切縫處的熔渣被輔助氣體吹除 131-【181。激光切割裝

31、置示意圖見圖2.1。切割面圖2.1激光切割裝置示意圖動方向(1切割速度對給定的激光功率密度和材料,切割速度符合一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式,只要在閾值以 上,材料的切割速度與激光功率密度成正比,即增加功率密度可提高切割速度。切割速度與被切材料的密度和厚度成反比。當(dāng)其他參數(shù)保持不變時(shí),提高切割速度的因素是:提高功率(在一定范圍內(nèi)500-2000w 改善光束模式(如從高階模到低階模直到TEMoo減小聚集光斑尺寸(如采用短焦距透鏡聚焦切割低起始蒸發(fā)能的材料(如塑料、有機(jī)玻璃等切割低密度材料(如白松木等切割薄型材料(2焦點(diǎn)位置由于激光功率密度對切割速度影響很大,透鏡焦長的選擇是個(gè)重要問題。激 光束聚焦后光斑大小與透鏡

32、焦長成正比,一般來說,激光束經(jīng)短焦距透鏡聚焦后 光斑尺寸很小,焦點(diǎn)處功率密度很高,對材料切割很有利;但它的不利之處是焦 深很短,調(diào)節(jié)余量小,一般比較適于高速切割薄型材料。長焦長透鏡有較寬焦深, 只要具有足夠的激光功率密度,就可用來切割厚工件。在確定使用何種焦長的透鏡以后,焦點(diǎn)與工件表面的相對位置對保證切割質(zhì) 量尤為重要。由于焦點(diǎn)處功率密度最高,在大多數(shù)情況下,切割時(shí)焦點(diǎn)位置剛好 處在工件表面,或稍微在表面以下。在整個(gè)切割過程中,確保焦點(diǎn)與工件相對位 置恒定是獲得穩(wěn)定的切割質(zhì)量的重要條件。當(dāng)焦點(diǎn)處于最佳位置時(shí),切縫最小, 效率最高,最佳切割速度可獲得最佳切割結(jié)果。在大多數(shù)應(yīng)用情況下,光束焦點(diǎn) 調(diào)

33、整到剛處于噴嘴下。噴嘴與工件表面間距一般為1.5ram左右。(3輔助氣體壓力一般情況下,材料切割都需要使用輔助氣體。輔助氣體的類型和壓力對切割 質(zhì)量有影響。通常,輔助氣體與激光束同軸噴出,保護(hù)透鏡免受污染并吹走切割區(qū)底部熔 渣。對非金屬材料和部分金屬材料,使用壓縮空氣或惰性氣體,清除熔化和蒸發(fā) 材料,同時(shí)抑制切割區(qū)過度燃燒。對于大多數(shù)金屬激光切割則使用活性氣體(主 要是氧氣,活性氣體可與熾熱金屬發(fā)生氧化放熱反應(yīng),這部分附加熱量可提高 切割速度1/31/2。在確定輔助氣體類型的前提下,氣體壓力大小是個(gè)極為重要因素。當(dāng)高速切 割薄形材料時(shí),需要較高的氣體壓力以防止切口背面粘渣。當(dāng)材料厚度增加或切浙

34、江大學(xué)碩士學(xué)位論文 全軟件型數(shù)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方案割速度較慢時(shí),則氣體壓力宜適當(dāng)降低。為了防止塑料切邊霜化,使用較低氣體 匿如為瓷。(4激光輸出功率對連續(xù)波輸出的激光器來說,激光功率大小和模式都會對切割發(fā)生重要影 響。實(shí)際操作時(shí),常常設(shè)置最大功率以獲得高的切割速度,或用以切割較厚材料。 但光束模式有時(shí)顯得更重要,而且當(dāng)提高輸出功率時(shí),模式常隨之稍有變壞191。 綜上所述,雖然影響激光切割的因素較為復(fù)雜,但切割速度、焦點(diǎn)位置、輔 助氣體壓力和激光功率及模式結(jié)構(gòu)是四個(gè)最重要的因素。2.2數(shù)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方案圖2.2激光加工系統(tǒng)示意圖工作臺數(shù)控激光切割機(jī)由激光切割機(jī)主機(jī)、激光器、激光電源系統(tǒng)、外光

35、路系統(tǒng)、 冷卻系統(tǒng)和數(shù)控系統(tǒng)等組成,如圖2.2所示。其中激光器及外光路系統(tǒng)是數(shù)控激 光切割機(jī)關(guān)鍵部件,其性能指標(biāo)直接影響激光切割質(zhì)量。而激光切割機(jī)主機(jī)是實(shí) 現(xiàn)激光切割的載體。激光切割機(jī)主機(jī)由機(jī)床底座、工作臺、橫梁、z軸隨動機(jī)構(gòu)、 切割頭、運(yùn)動機(jī)構(gòu)等部分組成。10*江大學(xué)砸+學(xué)位論土 e杖件g數(shù)檸系統(tǒng)衄件*計(jì)方棠 22.2實(shí)驗(yàn)平臺本文的實(shí)驗(yàn)平臺是如圖23所示的一臺金屬激光切割機(jī),其主要技術(shù)參數(shù)詳 見表21。圈2.3盎屬激光切割機(jī) 表2.1,i-g教光切割機(jī)主要技術(shù)參數(shù)表 切割材料金屬、陶瓷等(切割.打孔 激光冷卻系統(tǒng)采用獨(dú)i外循環(huán)水冷卻 激光波長l 06gm 激光脈沖寬度 01-2ms分級可調(diào)(

36、Olms/step連續(xù)工作時(shí)問>24小時(shí) 聚焦光斑直徑聚焦調(diào)節(jié)范圍切割扳厚激光工作物質(zhì) YAG晶體激光平均功率工作臺控制最統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)控制聚焦工作距離 根據(jù)表21,該激光切割機(jī)的運(yùn)動機(jī)構(gòu)是工作臺。工作臺由步進(jìn)電機(jī)控制. 為了完成一定軌跡的激光切割,工作臺的運(yùn)動和激光出光閉光必須緊密配合。因 此數(shù)控系統(tǒng)必須同時(shí)完成對工作臺的運(yùn)動控制和激光電螺系統(tǒng)的控制。該激光切 割機(jī)運(yùn)動控制要求為:連續(xù)拷機(jī)一個(gè)工作日(28小時(shí)工作臺的定位精度達(dá)到 0.08mm數(shù)控系統(tǒng)并不直接控制激光電辣,澈光電源系統(tǒng)由一塊獨(dú)正板卡控制, 嚴(yán)禚囂 C黼瓣 國這塊板卡稱為“主控板”。主控板控制激光電源的出光閉光、脈沖頻率、脈沖

37、寬 度和工作電壓等。數(shù)控系統(tǒng)向主控板發(fā)送激光控制參數(shù),由主控板根據(jù)控制參數(shù) 對激光電源進(jìn)行直接控制。同時(shí),主控板向數(shù)控系統(tǒng)發(fā)送激光電源系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)。 由此,數(shù)控系統(tǒng)間接實(shí)現(xiàn)對激光電源系統(tǒng)的監(jiān)控。目前的數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu),無論是專用系統(tǒng)還是基于PC機(jī)的結(jié)構(gòu),基本都采用 軟硬件結(jié)合的體系結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的專用系統(tǒng)大多采用封閉、專用的體系結(jié)構(gòu),是一 種封閉式的結(jié)構(gòu)。這種數(shù)控系統(tǒng)控制算法采用專用的硬件或者多CPU實(shí)現(xiàn),對 用戶全封閉。這種類型的數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,成本較低,但隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展, 暴露出越來越多的弊端,比如硬件系統(tǒng)復(fù)雜,修改困難等。而數(shù)控軟件的開發(fā)還 一直沿用傳統(tǒng)的面向過程的軟件開發(fā)方法,使得數(shù)控軟

38、件的可讀性、可維護(hù)性和 可重用性沒有得到根本的改觀。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,PC逐漸進(jìn)入數(shù)控領(lǐng)域,Pc以其特有的開放性成為 開放式控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)?；诠I(yè)PC的開放式數(shù)控系統(tǒng)已得到廣泛運(yùn)用。這種 類型的數(shù)控系統(tǒng)利用PC機(jī)的豐富資源,在通用的操作系統(tǒng)平臺上,利用標(biāo)準(zhǔn)的 應(yīng)用開發(fā)環(huán)境能夠很快地開發(fā)出獨(dú)具特色的軟件系統(tǒng)。其控制軟件具有較好的移 植性、互操作性、互換性和伸縮性,展現(xiàn)了良好的開放性;而其硬件的可重構(gòu)性、 可重用性也有了很大的提高。這種類型的數(shù)控系統(tǒng)雖然有一定程度的開放性,但 是對于數(shù)控系統(tǒng)的核心部分位置控制和插補(bǔ)運(yùn)算則還是通過硬件插板完成,對用 戶仍是封閉的。另外這種類型的數(shù)控系統(tǒng)資源利用

39、率不高,體積較大,攜帶不方 便。近年來ARM、CPLD和DSP等微處理器的快速發(fā)展,為開放式數(shù)控系統(tǒng)的 發(fā)展提供了新的實(shí)現(xiàn)方法【201。本文采用“ARM+CPLD”的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)激光切割機(jī) 的數(shù)控系統(tǒng)。ARM處理器核因其卓越的性能和顯著優(yōu)點(diǎn),已成為高性能、低功耗、低成 本嵌入式處理器核的代名詞,占據(jù)了絕大部分32位、64位高端嵌入式處理器的 市場。優(yōu)良的性能和廣泛的市場定位也極大地豐富了ARM的資源,加速了基于 ARM處理器面向各種應(yīng)用的系統(tǒng)芯片的開發(fā)和發(fā)展,使得ARM技術(shù)獲得更加廣泛的應(yīng)用,確立了ARM技術(shù)在市場的領(lǐng)先地位。工業(yè)控制如數(shù)控激光切割需要硬實(shí)時(shí)性、高可靠性和良好開放性,另外對人 機(jī)界

40、面、開發(fā)環(huán)境、可操作性、成本等也有特別的要求?；贏RM的嵌入式系 統(tǒng)在工業(yè)控制中體現(xiàn)了以下的優(yōu)勢【211:(1實(shí)時(shí)性ARM使用了流水線技術(shù),使得處理和存儲系統(tǒng)能連續(xù)工作;采用了 ARM/Thumb雙指令集,能很好地兼容8位/16位器件;擁有37個(gè)32位寄存器, 采用了異常模式寄存器;采用了局部總線,AMBA高性能總線AHB和外設(shè)總線 VPB相結(jié)合的方式管理片內(nèi)資源,這些都大大提高了其工作效率【221。32位嵌入 式微處理器處理速度一般為幾十至幾百M(fèi)Hz,甚至達(dá)到GHz,而單片機(jī)的速度 只有幾MHz至幾十MHz。當(dāng)硬件確定以后,控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能由操作系統(tǒng)決定。大多數(shù)嵌入式操作 系統(tǒng)均可為具備

41、確定性響應(yīng)能力的應(yīng)用程序提供內(nèi)建實(shí)時(shí)支持。(2可靠性ARM嵌入式處理器本身集成了常用的接口控制模塊,如LCD、USB接口的 控制模塊,集成A/D、D/A轉(zhuǎn)換器等,無需擴(kuò)展外圍芯片,大大增強(qiáng)了抗干擾的 能力【231。另外操作系統(tǒng)的可靠性也進(jìn)一步保證了工業(yè)控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行。 (3人機(jī)界面在傳統(tǒng)的單片機(jī)中,圖形功能弱,大都依靠LED和數(shù)碼管進(jìn)行顯示,沒有 更強(qiáng)的圖形界面功能。ARM芯片獲得了許多嵌入式操作系統(tǒng)供應(yīng)商的支持,比 責(zé)口Windows CE、Linux、QNX、VxWorks、Nucleus、EPOC、tC/OSII、BeOS 等。嵌入式操作系統(tǒng)不僅支持圖形和窗口,還有豐富的控件庫。例如

42、在Windows CE環(huán)境下可以為用戶創(chuàng)建美觀友好的圖形界面。(4開放性CPLD(Complex Programmable Logic Device復(fù)雜可編程邏輯器件,是從浙江大學(xué)碩。t學(xué)位論文 全軟件型數(shù)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方案PAL和GAL器件發(fā)展出來的器件,相對而言規(guī)模大,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,屬于大規(guī) 模集成電路范圍,是一種用戶根據(jù)各自需要而自行構(gòu)造邏輯功能的數(shù)字集成 電路。其基本設(shè)計(jì)方法是借助集成開發(fā)軟件平臺,用原理圖、硬件描述語言 等方法,生成相應(yīng)的目標(biāo)文件,通過下載電纜(“在系統(tǒng)”編程將代碼傳 送到目標(biāo)芯片中,實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的數(shù)字系統(tǒng)。CPLD主要是由可編程邏輯宏單元 (Macro Cell匪l繞中心

43、的可編程互連矩陣單元組成。其中Macro Cell結(jié)構(gòu)較復(fù) 雜,并具有復(fù)雜的I/O單元互連結(jié)構(gòu),可由用戶根據(jù)需要生成特定的電路結(jié) 構(gòu),完成一定的功能。由于CPLD內(nèi)部采用固定長度的金屬線進(jìn)行各邏輯塊 的互連,所以設(shè)計(jì)的邏輯電路具有時(shí)間可預(yù)測性,避免了分段式互連結(jié)構(gòu)時(shí) 序不完全預(yù)測的缺點(diǎn)。CPLD具有編程靈活、集成度高、設(shè)計(jì)開發(fā)周期短、適用范圍寬、開發(fā) 工具先進(jìn)、設(shè)計(jì)制造成本低、對設(shè)計(jì)者的硬件經(jīng)驗(yàn)要求低、標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品無需測 試、保密性強(qiáng)、價(jià)格大眾化等特點(diǎn),可實(shí)現(xiàn)較大規(guī)模的電路設(shè)計(jì),因此被廣 泛應(yīng)用于產(chǎn)品的原型設(shè)計(jì)和產(chǎn)品生產(chǎn)(一般在10000件以下之中。幾乎所有 應(yīng)用中小規(guī)模通用數(shù)字集成電路的場合均可

44、應(yīng)用CPLD器件。CPLD器件已 成為電子產(chǎn)品不可缺少的組成部分,它的設(shè)計(jì)和應(yīng)用成為電子工程師必備的 一種技能?；贏RM的嵌入式系統(tǒng)在工業(yè)控制中具有實(shí)時(shí)性好、可靠性高、人機(jī) 界面友好和開放性好等優(yōu)點(diǎn)?！癆RM+CPLD”結(jié)構(gòu)是以ARM為控制核心, CPLD作為控制信號輸出擴(kuò)展板。在ARM芯片上移植通用嵌入式操作系統(tǒng)。 在嵌入式操作系統(tǒng)的平臺上,利用標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用開發(fā)環(huán)境開發(fā)控制軟件?？刂?軟件不僅完成人機(jī)交互、運(yùn)動顯示等任務(wù),還可完成插補(bǔ)運(yùn)算和位置控制等 核心任務(wù)。由于ARM芯片上嵌入操作系統(tǒng)占用了較多資源,因此由CPLD 承擔(dān)控制信號輸出任務(wù)以及提供擴(kuò)展IO。CPLD僅提供通用接口,根據(jù)ARM

45、 的指令輸出相應(yīng)控制信號?；凇癆RM+CPLD”結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)其控制軟件 完成了數(shù)控系統(tǒng)的插補(bǔ)運(yùn)算和位置控制等核心任務(wù),而硬件系統(tǒng)如ARM和 CPLD僅提供標(biāo)準(zhǔn)化的通用接口。用戶可在特定的嵌入式操作系統(tǒng)平臺上利 用開放的控制軟件內(nèi)核,開發(fā)所需的各種功能,構(gòu)成各種類型的數(shù)控系統(tǒng)。 通用的嵌入式操作系統(tǒng)平臺、標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用程序開發(fā)環(huán)境、控制軟件的高性能浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 全軟件型數(shù)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方案和硬件接口標(biāo)準(zhǔn)化證明這種結(jié)構(gòu)屬于全軟件型數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu),決定了這種結(jié) 構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)具有較高的開放性。2.3硬件方案的實(shí)現(xiàn)(1ARM。采用SAMSUNG公司的￥3C2410。￥3C2410是SAMSUNG

46、公 司基于ARM公司的ARM920T處理器核,采用o.18um制造工藝的32位微 控制器。該處理器擁有:獨(dú)立的16KB指令Cache和16KB數(shù)據(jù)Cache,MMU, 支持TFT的LCD控制器,NAND閃存控制器,3路UART,4路DMA,4路帶PWM的Timer,I/O 12,RTC,8路24位ADC,Touch Screen接12,IIC.BUS 接口,IIS.BUS接12,USB主從口,SD主機(jī)和MMC接口,2路SPI。￥3C2410處理器最高可運(yùn)行在203MHz。￥3C2410內(nèi)部資源豐富,可嵌入Windows CE 操作系統(tǒng),并進(jìn)行復(fù)雜的信息處理。系統(tǒng)以LCD和640x480的觸摸屏

47、為人機(jī)交 互裝置,采用10M的以太網(wǎng)接口芯片CS8900A,可連接到Internet或局域網(wǎng)。 在PC機(jī)上生成的CAD文件通過以太網(wǎng)或SD卡輸入到ARM處理器中。系統(tǒng)采 用NANDFLASH來存儲數(shù)據(jù)和程序。(2CPLD。采用ALTERA公司FLEX6000系列的EPF6016。EPF6016是 ALTERA公司為大容量設(shè)計(jì)提供的一種低成本可編程交織式門陣列,共有16000個(gè)可用門、1320個(gè)邏輯單元,117個(gè)I/O引腳,每個(gè)I/O引腳都有獨(dú)立的三態(tài)輸 出使能控制。EPF6016接收ARM的插補(bǔ)指令輸出相應(yīng)控制信號,并采集限位開 關(guān)零點(diǎn)開關(guān)等狀態(tài)信號。ARM芯片獲得了許多嵌入式操作系統(tǒng)供應(yīng)商的

48、支持,比較知名的有: Windows CE、Linux、QNX、VxWorks、Nucleus、EPOC、gC/OS.II、BeOS等。 本文采用Windows CE嵌入式操作系統(tǒng)。Windows CE是一個(gè)32位的,支持多線程、多任務(wù)的,可搶占式的嵌入 式操作系統(tǒng)。它采用和Windows兼容的API方式,延續(xù)了Windows的外部15浙江人學(xué)碩士學(xué)位論文 傘軟件型數(shù)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方案 特征,與Windows具有良好的兼容性。同時(shí),它采用模塊化設(shè)計(jì),支持強(qiáng)大 的通訊和圖形顯示功能,能夠適應(yīng)廣泛的應(yīng)用要求。它的內(nèi)存保護(hù)功能可以 滿足數(shù)控系統(tǒng)的高可靠性要求。Windows CE是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),其

49、實(shí)時(shí)性體現(xiàn)在以下六個(gè)方面:(1具有256個(gè)線程優(yōu)先級級別。更多的優(yōu)先級賦予開發(fā)者在控制系統(tǒng)高 度方面更大的靈活性;(2應(yīng)用程序可以控制提供給每個(gè)線程的時(shí)間片,計(jì)時(shí)器精確到一毫秒;(3優(yōu)先級倒置處理機(jī)制。阻塞的低優(yōu)先級線程可以繼承高優(yōu)先級,改進(jìn) 響應(yīng)時(shí)間;(4全面支持嵌套中斷。允許高優(yōu)先級的中斷立刻被服務(wù),而不用等待低 優(yōu)先級別的中斷服務(wù)例程;(5中斷延遲時(shí)間短;(6更細(xì)粒度的內(nèi)存管理控制。Windows CE的獨(dú)特體系結(jié)構(gòu)和運(yùn)行機(jī)制使其能夠快速響應(yīng)外部中斷要求, 及時(shí)調(diào)度相關(guān)的應(yīng)用程序進(jìn)行處理,因此它能夠很好的滿足數(shù)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要 求。Microsoft近年來更進(jìn)一步加強(qiáng)了Windows C

50、E的網(wǎng)絡(luò)功能和對.NET體系結(jié) 構(gòu)的支持。從通用性、開發(fā)工具的豐富性、資源易獲性以及成本等方面考慮, Windows CE是開放式數(shù)控系統(tǒng)的一種較理想的開發(fā)平臺。硬件系統(tǒng)主要框架如圖2.4所示圖2.4硬件系統(tǒng)框圖在運(yùn)動控制過程中,CPLD向ARM發(fā)送中斷信號,ARM接收到中斷信號后 向CPLD傳送運(yùn)動指令,并讀取CPLD監(jiān)測限位開關(guān)狀態(tài)信息。因此ARM與 CPLD之間的數(shù)據(jù)傳輸必須及時(shí)和準(zhǔn)確。ARM與CPLD之間可采用CAN總線等 方式實(shí)現(xiàn)連接,但是需要增加相應(yīng)硬件元件,較為復(fù)雜。將CPLD直接連接到 ARM的存儲總線上,如圖2.5所示,這種連接方式較為簡單,并且數(shù)據(jù)傳送速 度較快,因此采用這

51、種方式。如圖2.5所示,ARM與CPLD之間連接著24位數(shù) 據(jù)總線和8位地址總線。￥3C2410可以通過存儲器指令訪問EPF6016,提高通訊 效率。S3C2410與EPF6016之間的總線連接還包括了片選信號線、讀寫控制信 號線和中斷信號線等。中斷信號由CPLD產(chǎn)生,ARM接收到外部中斷信號后即 向CPLD傳送運(yùn)動指令,從而保證運(yùn)動的連續(xù)性和平穩(wěn)性。系統(tǒng)的中斷控制將在 第五章詳細(xì)介紹。2.4小結(jié)nWE WRNnOE RDNNGCS奉 CsNExINT拳 TNGPIO BUSYNARM s3C2410cPLD EPF6016圖2.5ARM與CPLD連接圖本章重點(diǎn)介紹基于“ARM+CPLD”結(jié)構(gòu)

52、的全軟件型數(shù)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方 案,闡述了這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn),詳細(xì)地從硬件元件選型、嵌入操作系統(tǒng)和硬 件元件連接等方面闡述方案的實(shí)現(xiàn)方法。根據(jù)硬件設(shè)計(jì)方案,建立了硬件系統(tǒng), 為后面的控制軟件提供了開發(fā)平臺。浙江大學(xué)碩+:學(xué)位論文 數(shù)控系統(tǒng)控制軟件的分析與設(shè)計(jì) 3數(shù)控系統(tǒng)控制軟件的分析與設(shè)計(jì)數(shù)控系統(tǒng)控制軟件的開發(fā)平臺是Windows CE 5.0嵌入式操作系統(tǒng)。 Windows CE操作系統(tǒng)應(yīng)用程序常用開發(fā)工具有EVC(Embedded Visual c+和 c群(c Sharp。根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)硬件平臺基礎(chǔ)和控制軟件的功能需求,考慮到市場開 發(fā)、程序的兼容性及網(wǎng)絡(luò)功能的擴(kuò)展,采用c撐為主要編程工

53、具,進(jìn)行數(shù)控系統(tǒng) 控制軟件的設(shè)計(jì)與開發(fā)。.NET平臺是c撐語言的支撐平臺。.NET平臺是由Microsoft推出的全新的應(yīng) 用程序開發(fā)平臺,可用來構(gòu)建和運(yùn)行新一代Microsoft Windows和Web應(yīng)用程 序。它建立在開放體系結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)之上,集Microsoft在軟件領(lǐng)域的主要技術(shù)成就 于一身。.NET平臺包括以下4種核心技術(shù):.NET Framework、.NET企業(yè)服務(wù) 器、構(gòu)建模塊服務(wù)、Visual Studio。其中,.NETFramework是.NET平臺的核心, 它為.NET平臺下應(yīng)用程序的運(yùn)行提供基本框架。.NET企業(yè)服務(wù)器是Microsoft 為企業(yè)單位提供的技術(shù)服務(wù)中的一

54、部分。構(gòu)建模塊服務(wù)主要是Microsoft提供的 COM+組件服務(wù)和XMLWeb服務(wù)技術(shù),利用構(gòu)建模塊服務(wù)開發(fā)應(yīng)用程序模塊, 可迅速地組裝一個(gè)功能完備的軟件。Visual Studio是.NET平臺的主要開發(fā)工具。 .NET平臺的基本原理如圖3.1所示。在系統(tǒng)的底層是硬件,操作系統(tǒng)負(fù)責(zé) 與系統(tǒng)硬件之間的交互。操作系統(tǒng)之上的部分即.NET的相關(guān)內(nèi)容。.NET的基礎(chǔ) 類庫建立在公共語言運(yùn)行時(shí)基礎(chǔ)之上,其上還有一些其他的組件。cj!j以及其他 被.NET支持的語言由各種語言規(guī)范所定義。浙江人學(xué)碩士學(xué)位論文 數(shù)控系統(tǒng)控制軟件的分析與設(shè)計(jì)在.NET平臺誕生之前,雖然Intemet已經(jīng)出現(xiàn),但很少有應(yīng)用程

55、序能運(yùn)行 在各種不同類型的客戶端上,也不能和其他應(yīng)用程序進(jìn)行無縫集成。這種局限性 導(dǎo)致開發(fā)人員花費(fèi)大量的時(shí)間去改寫應(yīng)用程序,以保證它們能在各種客戶端和平 臺上運(yùn)行。.NET Framework的最大特色就在于它為應(yīng)用程序開發(fā)人員提供了一 個(gè)真正與平臺無關(guān)的開發(fā)環(huán)境。使用.NET Framework開發(fā)應(yīng)用程序有以下四個(gè) 優(yōu)點(diǎn):(1基于Web的標(biāo)準(zhǔn)。.NET Framework完全支持現(xiàn)有的Internet技術(shù), 包括HTML、HTTP、XML、SOAP、XSLT、XPath和其他Web標(biāo)準(zhǔn)。(3便于開發(fā)人員使用。在.NET Framework中,代碼被組織在不同的命名 空間和類中,而命名空間采

56、用樹形結(jié)構(gòu),以便開發(fā)人員引用。(4可擴(kuò)展類。.NET Framework提供了通用類型系統(tǒng),它根據(jù)面向?qū)ο蟮?思想把一個(gè)命名空間或類中代碼的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)隱藏,開發(fā)人員可以通過繼承來訪問 類庫中的類,也可以擴(kuò)展類庫中的類,甚至可以構(gòu)建自己的類庫【25】-【281。20一一浙江火學(xué)碩士學(xué)位論文 數(shù)控系統(tǒng)控制軟件的分析與設(shè)計(jì) 3.2c捍簡介及特點(diǎn)C是一種最新的、面向?qū)ο蟮木幊陶Z言。作為專門為.NET設(shè)計(jì)的語言,c撐 不但結(jié)合了c+強(qiáng)大靈活性和Java語言簡潔性,還吸取了Delphi和Visual Basic 所具有的易用性。因此,C社是一種使用簡單、功能強(qiáng)大、表達(dá)力豐富的全新語 言。C群使C/c+程序員

57、可以快速地進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)開發(fā),同時(shí)也保持了開發(fā)者所需的 強(qiáng)大性和靈活性。cj!j自推出以來,已得到不斷的改進(jìn)和優(yōu)化,它通常同.NET Framework一起, 隨Visual Studio.NET一同發(fā)布。目前,比較流行的cj!l主要有3個(gè)版本,分別是 C#10、Cjfj2.0、C拌3.0.c撐具有如下優(yōu)點(diǎn):(1c撐是一種精確、簡單、類型安全、面向?qū)ο蟮恼Z言。(2c群具有生成持久系統(tǒng)級組件的能力,提供COM+或其他技術(shù)平臺支持, 提供垃圾回收和類型安全,提供內(nèi)部代碼信任機(jī)制。(3c利用.NET Framework的通用類型系統(tǒng)能夠與其他程序設(shè)計(jì)語言交 互操作。(4Cj!I支持MSMQ(微軟消息隊(duì)列服

58、務(wù)、COM+組件服務(wù)、XML Web 服務(wù)和.NET Framework。(5c掙語言允許自定義數(shù)據(jù)類型,以擴(kuò)展元數(shù)據(jù)。(6cfj增強(qiáng)了開發(fā)效率,同時(shí)也致力于消除編程中可能導(dǎo)致嚴(yán)重結(jié)果的錯(cuò) 誤。Visual Studio是c程序的主要集成開發(fā)環(huán)境。Visual Studio是微軟公司出品 的一款大型應(yīng)用軟件。Visual Studio是一套完整的開發(fā)工具集,可用于生成Web 應(yīng)用程序、桌面應(yīng)用程序、ASP.NET和Windows CE應(yīng)用程序等。目前使用較多浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 數(shù)控系統(tǒng)控制軟件的分析與設(shè)計(jì) 的Visual Studio有3個(gè)版本,分別是Visual Studio 2003、Visual Studio 2005和Visual Studio 2008。Visual Studio 2003自帶.NE