基于嵌入式三軸高速雕刻機控制系統(tǒng)外文文獻翻譯、中英文翻譯、外文翻譯

基于嵌入式三軸高速雕刻機控制系統(tǒng)外文文獻翻譯、中英文翻譯、外文翻譯,基于,嵌入式,高速,雕刻,控制系統(tǒng),外文,文獻,翻譯,中英文 基于嵌入式三軸高速雕刻機控制系統(tǒng) 陳勇，李暉，會員，IEEE，孫永奎，顧智和 摘要：本文提出的基于嵌入式三軸高速雕刻機控制系統(tǒng)的設計。 ARM（高級風險機）和FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）被認為是在硬件，玉米以及實時多任務操作系統(tǒng)作為軟件系統(tǒng)的平臺。高速雕刻機控制系統(tǒng)提供了一種新的解決方案，在同一時間，本文介紹如何通過步進電機的轉矩 -頻率的原始設計數據的分析和計算來控制步進電機的加速和減速的特殊性。該系統(tǒng)已經被應用在這種高速雕刻機上，事實證明，這個系統(tǒng)是高精度和普遍性。 引言 近年來，隨著市場的擴大和模具行業(yè)的發(fā)展，不僅標牌和模具工藝，還有日常生活中的家具和裝飾品，都需要雕刻。一般來說，三軸聯(lián)動雕刻能滿足要求，基于CNC（計算機數控）三維雕刻機的應用變得越來越廣泛。 眼下，市場上的雕刻機通常需要8位單芯片微控制器（單片機）或運動控制卡結合IC（工業(yè)電腦）為核心的控制系統(tǒng)。參考文獻[3]提出了一個解決方案，單片機AT89C52作為控制芯片。結合USB通信模塊，運動控制卡，參考文獻[4]提出了實現(xiàn)雕刻的控制。雖然這樣的控制系統(tǒng)易于實現(xiàn)，但這種系統(tǒng)有太多的缺點。它需要支持的IC和系統(tǒng)的成本是很高的。 在本文中，一個控制系統(tǒng)結合32位ARM處理器和FPGA為核心，提出了單片機和集成電路。以實時多任務操作系統(tǒng)為平臺，ARM處理負責速度控制，而FPGA負責軌道控制。特殊性的步進電機的轉矩 - 頻率的電機加速和減速在速度控制中被認為是快速和平穩(wěn)的。該控制系統(tǒng)可以擺脫 依賴于IC，從讀取原始數據和最終輸出控制信號，完成整個工作。該控制系統(tǒng)可應用于多種場合，通過用鍵盤設置不同的參數雕刻機床。由該系統(tǒng)在實際應用中，得到精度高，以及良好的普遍性.. 二.控制系統(tǒng)，借鑒DESIGN A.硬件系統(tǒng) 硬件系統(tǒng)主要包含以下幾個部分： （1）處理器（ARM）：作為控制器的處理器，被移植在它里面的嵌入式實時操作系統(tǒng)也在HCI（人機界面）里面工作，ARM應該響應鍵盤控制信號，并刷新了液晶顯示器，以及閱讀，分析和計算的原始數據的速度控制，然后把結果傳輸到FPGA當收到的要求。 （2）FPGA：操作從ARM插值接收到的數據，和計算的數目和時間延遲的脈沖，用于驅動步進電機完成軌道控制，并最終完成三軸聯(lián)動的雕刻，然后FPGA應該問ARM要求給出下一組數據。 , Fi g。1硬件系統(tǒng) （3）輔助電源：供電電源，主要包括8V，5V和-20V電壓的總控制器。其中的5V和-20V的電壓支持的液晶顯示（LCD），8V的電壓將通過三端穩(wěn)壓設備滿足ARM與FPGA的需要。 （4）HCI：HCI主要包含鍵盤和LCD。關于雕刻的幾乎所有的信息顯示在液晶顯示器上和鍵盤的設置如機床的脈沖當量，最高速度和加速度以及特殊的控制鍵盤推桿在雕刻過程中。 （5）USB接口：原始數據被從這個USB接口發(fā)送到ARM。在藍色虛線回路是控制系統(tǒng)的核心，這增加了的輔助電源。將紅總控制器用虛線環(huán)圓圈表示。結合控制器與驅動器，步進電機和執(zhí)行人將是一個整體雕刻機。原型的外觀圖，如圖2所示。 A:輔助電源 B:ARM C:FPGAD:液晶 E:鍵盤 F:驅動的步進電機 G:步進電機 圖2硬件 B.軟件系統(tǒng) 1、軟件系統(tǒng)的平臺 嵌入式實時多任務操作系統(tǒng)被選擇作為控制系統(tǒng)的平臺。是完全搶占式，便攜式和可擴展的內核。在這個內核中應該創(chuàng)建一些功能模塊根據雕刻機控制功能系統(tǒng)應設置的優(yōu)先級，所有的軟件系統(tǒng)可分為三個模塊：HCI模塊，USB通信模塊和控制雕刻模塊。等待鍵盤命令和刷新液晶顯示器是HCI模塊的主要功能。 USB通信模塊負責讀取原始數據。雕刻控制模塊通過雕刻速度和軌道控制來引導雕刻，ARM和FPGA之間的通信也被該模塊管理。在三個模塊，控制雕刻模塊擁有最高的優(yōu)先級，和HCI模塊的優(yōu)先級是最低的。三個模塊之間的通信的接口程序，由操作系統(tǒng)管理。 圖3軟件系統(tǒng) 2。雕刻機控制模塊的應用流程 在控制系統(tǒng)中，原始設計數據進行了分析和計算速度控制由ARM處理，軌道控制由FPGA處理。 （1）閱讀原始設計數據通過USB接口。一般的數據代表各軸的絕對位移，則相對位移通過一個接一個基板相鄰的數據而得到，并在同一時間用于下一次計算的數據類型轉換為整型。 （2），如果兩個相鄰的線之間的角度程度大，就會有電機的速度跳躍，當這兩條線連續(xù)。就需要找到雕刻有沒有速度跳躍時行的數目，所有適合這種狀況的行被稱為“S-線”。在一個“S線”上計算每個軸位移的，“SX”，“Sy”和“SZ”，用于表示在x軸，y軸和z軸??的位移。 （3）在每行中計算各軸的速度和加速度。在計算中被認為是操作員的軸線與綜合位移方向之間的角度所設定的速度和加速度。 （4）判斷速段線屬于那個給定的不同的情況，計算的脈沖的數量和原始頻率為加速，減速和穩(wěn)定的速度部分。之后，傳輸到FPGA的結果時，它是可用的。 （5） FPGA插ARM三軸聯(lián)動雕刻接收到的數據，然后要求新的數據組。 圖4為雕刻控制模塊的應用程序流程圖 III。加速和減速的控制 有3個廣義的步進電機的加速和減速的方法： 1、常數加速度：加速度從未在整個過程中改變，因此這種方式是很容易實現(xiàn)的，但是，加速度的時間太長。 2、加速指數曲線：以這種方式，快速和平穩(wěn)的加速和減速，是適合的系統(tǒng)，該系統(tǒng)擁有高的操作能力，并且需要高質量的加速和減速。 假設步進電機的步距角為M，如果驅動脈沖的數量為N，電機的旋轉角度，然后=MN，和旋轉速度 電機的輸出轉矩是電磁轉矩TM和阻力TL之間的分散體。 假設恒定的扭矩是K,阻力扭矩電機是,因此函數的時刻負載的電機為 在表達式(2),J是轉動慣量。當初始條件為零,解決表達式(2) 根據表達式(1),該頻率的驅動脈沖輸出的控制器成表達式(3),和它的變化 在表達式(4)和它是最高的驅動脈沖頻率的步進電機。根據表達式(4),在條件驅動脈沖頻率f加快在指數曲線隨時間t,步進電機在短時間內將加快。當驅動脈沖頻率fT,時間的加速度 在實際應用中,它是不可能通過計算t表達式(5)仍在繼續(xù),所以采取幾行模仿指數曲線。分離指數曲線成N段均勻,和時間在相鄰節(jié)是t / N,驅動脈沖頻率在每一個分開的點作為 假設是數量的脈沖在部分k,所以等于,電動機加速與一個常數加速度在每節(jié),然后加速在每個部分作為 在表達式(7),f0應該最初的頻率。 圖5兩加速度的比較 圖6加速度 圖5顯示出頻率的驅動脈沖之間的比較，由表達式（4）和表達式（6）加速，紅色的是前者和藍色的是后者。在圖5中，原來的頻率為零，且參數N是5，在表達式（6）中。 根據圖5，只要參數N是適當的，由表達式（6）所示的加速度，能夠滿足系統(tǒng)的要求，相同的方式可以應用來完成減速。加速和減速的過程中是對稱的，因此加速和減速脈沖的數目是相同的。以X軸為例，假定步進電機加速從原來的速度，最高的一個是“光照度”的位移，只有在的條件下，電機可以在一個通過加速，穩(wěn)定的速度部分和減速S-線“。否則，當，位移沒有足夠的電機加速到最高速度，所以后一半Sx加速，應該在休息半減速電機。 四。實際應用 在實際雕刻中，機床的脈沖當量是每脈沖0.0025毫米。最高雕刻速度為100毫米/秒，加速度設置為500mm/s2。原來的頻率是100Hz的驅動脈沖，步進電機的驅動脈沖不超過10萬/秒。 當ARM雕刻軟件設計的數據分析和計算，需要10條線模仿的指數曲線的加速和減速，加速和減速是絕對對稱。表1顯示的驅動脈沖 加速與插補計算由FPGA。 根據表1，2414正負加速驅動脈沖的頻率從100Hz到40000Hz的設定頻率最高。每個部分的頻率的加速度逐漸減小，而脈沖數增加。 AERA的加速度在低轉速高，而加速度低，速度高的時候，關閉的整個過程的指數曲線。加速度滿足要求特殊性的步進電機的轉矩 - 頻率和加速度的時間是小于0.2秒。也有穩(wěn)定的速度段的減速后2414脈沖。 表1、輸出加速度通過FPGA驅動脈沖的頻率 四。總結： 本文提出了一種三軸高速雕刻機控制系統(tǒng)基于嵌入式系統(tǒng)的設計。 ARM和FPGA為核心的硬件系統(tǒng)和操作系統(tǒng)的被移植作為軟件系統(tǒng)平臺。對步進電動機的轉矩 - 頻率特殊性的考慮，是為了使加速和減速快速平穩(wěn)。它證明??，這個控制器可以完全擺脫對IC的支持，而且分析和獨立計算的原始數據。在雕刻過程中實現(xiàn)精確的速度和軌道控制，而這個系統(tǒng)是高速雕刻機一個新的解決方案。 引用 [1] Qingsong Wang, The CNC engraving control system in object oriented technology [J]. 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