基于ARM9的多功能数控机床硬件设计.pdf

2 0 1 2年 2月 中国制造业信息化第 4 1卷第 3期 基于 ARM9 l的多功能数控机床硬件设计 汪越 ． 张 甲英 装甲兵工程 院 再制造技术重点实验室 ， 北京1 0 0 0 7 2 摘要 面向再制造需求， 提 出了一 性价比较 高的基 于 AR M9微 处理器的多功能机床 数控 系统。 硬件平台采用模块化设计， 以三主 S 3 C 2 4 4 0 A微 处理器为主控 C P U， A Tme g a 8 8为从 C P U， 实现 零件加工的 自动控制。主控 C P I主要 完成数控程序的输入、 键盘输入 、 L C D显示、 程序的解释 、 粗插补等主要功能； 从 C P U为辅 设备 ， 主要 完成精插补功能 ； 系统外围扩展人机 交互模块， 通 讯模块 ， 显示部分可配 8英寸彩 。 显示屏 ， 完成人机 交互功能和数据 的通讯。该 系统具有功耗 低 、 成本低、 可实现数控车、 铣 、 车 屯 复合、 钻等加工工艺的特点 ， 并且结构 简单 ， 极大地方便 了系 统的维护和升级 ， 在经济型数控才床领域具有广阔的应用前景。 关键词 数控机床 ； 嵌入式系统； C 2 4 4 0 A； AT me g a 8 8 中图分类号 T G 6 5 9 文献栝识码 A 文章编号 1 6 7 2 1 6 1 6 2 0 1 2 0 30 0 5 0 一O 4 数字控制是用数字化信号对机f l 的运动及其 加工过程进行控制的一种方法。计 机数控技术 是先进制造技术 的基础 ， 在 国内外5 到普遍 的重 视， 发展较快。现代数控机床运动控l 4 要求具有高 速运转、 高精度定位、 高分辨率、 主轴 i 高速运转等 能力l 。由于原数控系统无法满 足 制造加工 ， 本文拟设计一种新型数控系统。 1 设计 目标 嵌入式系统主要是指以应用为q心， 以计算机 技术为基础， 并且软颀 件可裁剪， 从 能够适应实 际应用中对功能 、 可靠性 、 成本等有 格要求 的专 用计算机系统_ 2 J 。 系统要求机床可控制 四轴 ， 实j ’ ． 三轴联动功 能， 具有 1 6入 、 1 6出的 I ／ O接 口， 及具有直线 、 圆 弧 插 补 功 能 ， 实 现 最 快 移 动基度 不 低 于 1 2 O 0 0 mm／ mi n 的 目标 ， 并 且 可配 挣 8英 寸彩 色 L C D屏 ， 具有键盘输入 、 手轮输入接等功能。 2 系统总体设计方案 2 ． 1 硬件设 计方案 系统以 3 C 2 4 4 0 A为控制核心 采用双 C P U 结构， 并扩展外围电路， 实现设计目l 。其中， 嵌入 式系统硬件是嵌入式系统软件环境 行的前提， 它 提供了嵌入式软件运行的物理平 和通信接口。 系统的硬件平台主要是由 A RM 最小系统 、 人机交 互模块 、 通信模块 、 I ／ O模块 、 伺服模块等组成 。系 统总体结构框图如图 1 所示。 通信模块 【 l 编码器 键盘、L C D 坍 1 1 手轮 L1 I 进给伺 差 分 电 路F 爿 服电 机 图 1 系统 总 体 结 构框 图 其中 AR M 最小系统是整个 数控系统的控制 核心， 所有加工过程都是围绕此部分展开； 通信模 块负责开发板与上位机 、 U盘等外界设备 的通讯 ； 人机交互模块包括液 晶显示器、 键 盘和手轮 ， 完成 加工过程中人机交互功能； 隔离和转换模块能够保 证信号正常的传输； I ／ 0模块实现开发板与机床之 间的信号传递， 包括刀具定位信息、 机床零点信息、 限位信息及冷却液开关等。 ’ 插补运算在加工过程 中占有重要地位 ， 也是该 设计的难点所在。为减小 A R M 微处理器运行负 荷 ， 保证插补精度和插补速度 ， 系统采用双 C P U模 式 ， 主控部分 ， 即核心板模块完成加工中粗插补 的 计算， 然后将插补数据传给从 C P U， 从 C P U接收 数据后 ， 对数据进一步计算 ， 从而得出精插补的数 收稿 日期 2 0 1 1 0 70 8 作者简介 汪] 1 9 8 8一 ， 男 ， 山东平邑人， 装 i 兵工程学院硕士研究生 ， 主要研究方向为数控技术 。 智能控制技术 汪越张甲英基于 A RM9的多功能数控机床硬件设计 值 ， 进而 实现 电机 的控制。通过 以上数据处理 过 程 ， 机床快速移 动可达 1 2 0 0 0 mm／ mi n ， 满足设计 要求 。 2 ． 2 微 处理 器选择 三星公 司推 出的微处理器 3 C 2 4 4 0 A， 为手持 设备和一般类型应用提供 了低价格 、 低功耗 、 高性 能微控 制器 的解 决方案。 3 C 2 4 4 0 A的杰 出特点 是其核心处理器 ， 该 内核是 A R M 公 司设 计 的 3 2 位 AR M9 2 0 T的 RI S C处理器 。AR M9 2 0 T实现 了 MMU、 AMB A B US和 Ha r v a r d高速 缓 冲体 系 结 构 ， 这一结构具有独立的 1 6 KB指令和数据高速缓 冲存储器 ， 每个都是 由具有 8字长的行组成 。通过 提供一套完整的通用 系统外设 ， 3 C 2 4 4 0 A无需配 置额外 的组件 ， 从而减少了整体系统成本【 3 l 。 处理器资源主要包括 4路 P WM 定时器 ， l 路 内部 定 时器 ， 1 6 KB的 C a c h e ， 外部 储 存 控 制 器 ， L C D控制器 ， D MA控制器 ， 3路 UR A T，I I C总线 接 口， 3路 US B控制 2路 主机控制 、 1路期 间控 制 ， 8路 1 0位 A DC和触摸屏接 口， 1 3 0个通用 I ／ o等。 系统采用双 C P U模式 ， 主控制器实现数控程序 的输入 、 编辑 、 通讯 、 键盘响应 、 L 【 D显示 、 程序解释 、 粗插补等主要功能， 从 C P U只负责精插补运算， 使 主控制器能够在运动过程中， 有时间响应键盘输入、 L C D显示、 程序预读 、 解释 、 粗插补等工作。 从 C P U采用低成本的 8位机即可满足插补运 算要求。为缩短主机处理时 间， 主从 C P U 之间的 通讯并未采用串行方式 ， 而直接采用并行方式 ， 使 传送插补数据在数个微秒内即可完成。在执行插 补过程 中， 还可将插补运算的结果通过并 口传回主 C P U， 其硬件连接如图 2所示 。 图 2主从 C P U硬件连接 图 2 ． 3 核 心板 基本结构 本系统所有硬件设计都是 围绕系统核心处理 器 3 C 2 4 4 0 A展开的 ， 因此基于 3 C 2 4 4 0 A的最小 系统是整个控制器系统设计的基础 ， 是机床数控系 统的控制核心。最小系统部分主要完成系统启动 、 R AM／ R OM 扩展 、 初 始化 等工作 。最小系统模块 主要包括时钟系统 、 调试测试接 口、 供电系统 、 存储 器和复位系统。 为加快数控系统的开发 ， 同时提高系统的可靠 性和稳定性 ， 本系统采用 了核心板加扩展板的总体 设计思想 ， 利用核心板提供的接 口扩展数控系统所 需 要 的 其 他 模 块。A R M 核 心 板 上 集 成 了 3 C 2 4 4 0 A、 S 【 、 N a n d F l a s h 、 电源系统 、 晶振 等， 并且通过 2 0 0引脚的插卡式连接器与扩展板相连。 核心板基本结构框图如图 3 所示。核心板物理特性 及硬件资 源如下 1 C P U。三 星 3 C 2 4 4 0 A， 主频 4 0 0 MH z 。 2 存 储 设 备。2片 3 2 M 的 S D R A M HY5 7 v5 6 1 6 2 0 ， 1片 6 4 M 的 F l K 9 F 1 2 0 8 。 3 1 个电源指示灯 。 4 振荡电路。 5 在总共 2 0 0条 接口线里面 ， 包含有电源线、 地线、 用户扩展可能要 用到的地址线、 数据线等。 图 3 核 心板基 本结构框 图 2 ． 4人 机 交 互模 块 系统人机交互模块 主要包括 L C D液 晶显示 器 、 键盘和手轮。数控 系统 的实时运行状态通过 L C D显示， 例如 N C代码的输入编 辑／ 显示、 运行 程序显示以及一些机床运转状态显示等； 键盘主要 完成代码输入 ， 机床 主轴正反转 、 急停 等特殊按键 功能 ； 手轮主要用于加工过程中快速移动等人机交 互功能。 ’ 机床人机交互模块中，I 液晶显示器是不 可缺少 的重要部分 ， 核心微处理器 S 3 C 2 4 4 0 A具有 内置 L C D控制器 ， 可提供控制 L C D的全部信号 。 本系统 中， L C D显示屏可配接 8英寸彩色屏 ， 尺寸 较大 ， 显示 内容丰富【 。 键盘采用 88矩阵形式 ， 工作 以循环扫描方 式 ， 配上一个 I ／ O线 ， 可扩展键盘数量至 1 2 8个键 ， 完全满足数控系统按键的要求。 手轮与系统的接 口， 采用差分方式输入， 可判 断手轮转动方向， 并配有倍率选择开关， 满足调试 5 2 2 0 1 2年 2月 中国制造业信息化第 4 1 卷第 3期 或手动加工的需要。 2 ． 5 通信模块 通信模块主要是指 串行接 口、 络接 口和 US B接 口。 通 过 网络 接 口进 行 网 ； ． 文 件 系 统 NF S 的上传 下载 ； 通 过 US B接 口 取 U 盘信 息 ， 实现机床与外界存储设备的通讯 ；臣 过 串行接 口实现开发板与上位机的通讯 ， 其 中 ，亍 接 口采用 电子工业协会推荐的R S 一 4 8 5 标准， 输距离远， 误差小。 2 ． 6 伺服模块 伺服模块主要接收控制模块发 出 l句 电动机伺 服控制信号， 如进给脉冲和方向信号 ， 通过驱动 电路 ， 进行电流环 、 速度环和位置环 的净 } 确控制 ， 驱 动伺服 电动机 ， 实现多轴联动的轨迹拓 割_ 5 J 。 若要实现多轴联动， 控制部分和 暇电机之间 需要相应的接 口电路 ， 保证信号的正常 传输。本系 统伺服模块设计主要包括强 电弱电隔 、 差分输出 电路和 D／ A转换模块。 a ． 差分输出电路。系统与驱动器 艺 间由于传 输距离、 工作环境的影响， 需要对接 口乜 路进行专 门设计， 以提高信号的驱动能力和抗 扰能力。差 分信号具有高速度、 低噪声、 低功耗、 电磁干扰、 低成本等方面的优势 ， 所 以本系统在逆 给信号接 口 将控制信号进行差分处理以后再进行 输 。 b ． D ／ A转换模块 。通过微处 理 S 3 C 2 4 4 0 A 自身的P WM脉宽调制定时器可产生JI c 冲信号， 进 而实现对主轴转速的控制。D ／ A模块 l勺 作用就是 将处理器产生的脉冲信号转换为模拟一’ 号， 通过模 拟量实现对主轴转速的控制L 6 J6。 2 ． 7输 入 输 出模 块 输入输 出模块主要用于数控系统 与 机床之间 的信息传递， 包括 主轴的正、 反转， 主 袖 的启动与 停止， 刀位转动指令与刀位信息， 机床 坚 标零点信 息、 限位信息， 冷却液开关等。输入输 丑 模块通过 光电隔离 、 数据锁存器与主控器数据 戡 相连 ， 如 图 4所示 。 位置检测装置是数控机床的重宝组成部分。 在闭环、 半闭环控制系统中， 它的主要 乍 用是检测 位移和速度， 并发出反馈信号与数控装置发出的指 数据总线 图 4 输入输 出模块结构框 图 令信号进行 比较 ， 若有偏差， 经过放大后控制执行 部件， 使其向消除偏差的方向运动， 直至偏差为零 为止。数控机床的加工精度主要取决于检测系统 的精度， 精密检测装置是高精度数控机床的重要保 证。为了提高数控机床的加工精度， 必须提高位置 检测装置和检测系统的精度。 3 结束语 本文提出的基于 AR M9微处理器 的多功能机 床数控系统可实现车、 铣、 车铣复合、 数控钻等切削 加工工艺。系统采用双 C P U结构形式， 主控部分 采用 3 2位的 A R M9内核的处理器 ， 可 以实现数控 操作所需要的大部分功能， 极大地减小了总体芯片 的面积并降低 了系统的复杂程度。从 C P U 只进行 加工中精插补的运算 ， 可采用 8位 C P U， 降低开发 成本 。该数控系统在要求快速移动和加工速度适 中的经济型数控机床领域有着广阔的应用前景。 参考文献 [ 1 ] 冯习宾 ， 蒋廷彪 ， 刘慧． 基于 AR M 的嵌 入式数控 系统 的研 究[ J ] ． 世界科技研究与发展 ， 2 0 0 8 1 0 5 8 95 9 1 ． [ 2 ] 章坚武 ， 李杰 ． 嵌 入式 系统设 计与开发 [ M] ． 西安 西安 电 子科技大学 出版社 ， 2 0 0 9 1 81 9 ． [ 3 ] 陈勇． 基于嵌入式平台的三维高速数控雕刻机控制系统设 计与实现 [ D] ． 成都 c 电子科技大学 ， 2 0 0 9 1 21 4 ． [ 4 ] ‘杨代华 ， 刘立勋 ． 基于 ARM 的数控雕刻机硬件平 台设计 [ J ] ． 机械 与电子 ， 2 0 0 9 3 2 72 9 ． [ 5 ] 胡 占奇， 杨莉 ． 机床数控技术 [ M] ． 北京 机械工 业出版社 ， 2 0 07 1 5 5 1 5 7． [ 6 ] 刘卫光． 嵌入式 系统原理及应用 [ M] ． 西安 西安 电子科技 大 学出版社 ， 2 0 1 0 1 3 6 1 3 8 ． De s i g n o f M u l t i f L n c t i o n NC Ha r d wa r e S y s t e m Ba s e d o n ARM 9 、 ANG Yu e ，Z HANG J i a y i n g Ac a d e my o f Ar me d F o r c e s E n g i n e e r i n g ， B e i j i n g ，1 0 0 0 7 2 ， C h i n a 智能控制技术 汪越张甲英基于 A R M9的多功能数控机床硬件设计 5 3 Ab s t r a c t I t p u t s f o r wa r d a mu l t i f u n c t i o n a I n u me r i c a l c o n t r o l s y s t e m o n t h e b a s i s o f ARM9 c o r e mi c r o p r o c e s s o r a n d b e t t e r p r i c e r a t i o ．Th e h a r d wa r e p l a t f o r m i s mo d u l a r i t y ．I t t a k e s S a ms u n g 3 C 2 4 4 0 A mi c r o p r o c e s sor a s i t s o p e r a t i o n c o r e a n d ATme g a 8 8 a s t h e wi t h ma i n CP U i n o r d e r t o a u t o ma t i c a l l y o p e r a t e t h e p r o c e s s i n g ．Th e c o n t r o l c e n t e r p l a y s t h e p a r t o f i n p u t t i n g t h e d i g i t a l c o n t r o l p r o g r a m ，k e y b o a r d i n p u t t i n g，L CD d i s p l a y i n g， t h e e x p l a n a t i o n o f t h e p r o g r a ms ．c r u d e i n t e r p o l a t i o n s a n d s o o n．Th e a u x i l i a r y CP U r e a l i z e s f i n e i n t e r po l a t i o n ，t h e h u ma n i n t e r f a c e a n d c o mmu n i c a t i o n mo d u l e ，a n d a n 8一i n c h e d mu l t i c o l o r d i s p l a y s c r e e n r e a l i z e s t h e h u ma n i n t e r f a c e a n d c o mmu n i c a t e ．Th i s s y s t e m i s l o w i n po we r c o n s u mp t i o n a n d c o s t ，c a n r e a l i z e ma n y o p e r a t i o n s s u c h a s d i g i t a l o p e r a t i o n ，c o mb i n g s h i n i n g me t a l a n d ma c h i n e t o g e t h e r ，p r o b i n g a n d s o o n ．Th e s t r u c t u r e o f t h e s y s t e m i s a l s o s i mp l e f o r t h e ma i n t e n a n c e a n d u p g r a d i n g ． Ke y wo r d s Nu me r i c Co n t r o l ；Emb e d d e d S y s t e m； 3 C 2 4 4 0 A；ATme g a 8 8 上接第 4 6页 [ 4] Ma r t i n J o e l Os k a r ， J o n s mn ． E n e r g y a b mr p t i o n o f t r e e s in a r o c k f a ll p r o t e c t i o n f o r e s t [ D] ． S we d e n Ro y a l I n s t i t u t e o f T e c h n o lo g Y S t o c k h o l m， 2 0 0 7． [ 5 ] 阎谨瑜． 压电效应及其 在材料方面的应用 [ J ] ． 数字技术 与应 用 ， 2 0 1 1 1 1 0 01 0 1 ． Th e Dy n a mi c An a l y s i s o f Pn e u ma t i c Gu n’ s Ne e dl e As s e mb l y Ba s e d o n LSDYNA WENG J i nx u e ，Z HANG Qi a of a n g，P ENG W e i Z h e j i a n g Un i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， Z h e j i a n g Ha n g z h o u ， 3 1 0 0 1 4 ， C h i n a Ab s t r a c t Ba s e d o n t h e n o n一1 i n e a r d y n a mi c c o mme r c i a l Sof t wa r e L SDYNA，i t s i mu l a t e s t h e wo r k p r o c e s s o f t h e n e e d l e a s s e mb l y ，a n d u s e s t h e d y n a mi c d a t a a c q u i s i t i o n s y s t e m t o me a s u r e t h e d y n am i c s t r a i n o f t h e n e e d l e a s s e mb l y d u r i n g wo r k i n g．Co mp a r i n g e x p e r i me n t a l r e s u l t s wi t h s i mu l a t i o n ，t h e r e s u l t i s r e a son a b l e c o i n c i d e n c e ．Th i s d e mo n s t r a t e s t h a t t h e s i mu l a t i o n r e s u l t s i s v a l i d a n d p r o v i d e s po we r f u l b a s i s f o r i mp r o v i n g t h e c o n s t r u c t i o n o f t h e n e e d l e a s s e mb l y ． Ke y wo r d s Ne e d l e Asse mb l y；Co n t a c t ～i mp a c t ；S i mu l a t i o n An a l y s i s ；P n e u ma t i c Na i l Gu n 上接第 4 9页 Th e An a l y s i s a n d M o d e l i n g o f Po we r P AN W e i rui n g ， W EI Mi n g ． W U Ho n g o p e r a t ed Hi g h s p e e d Pr e c i s i o n Ch u c k t a o 2 ，YA NG Xi a ol o n g 2 ，TI AN Z h i x i a n g 2 1 ． Wu x i J i a n h u a Ma c h i n e T o o l Ac c e s s o r i e s Gr o u p Co ．L t d ． ， J i a n g s u Wu x i ， 2 1 4 0 4 4 ， C h i n a 2 ． Na n j i n g Un i v e r s i t y A e r o n a u t i c s a n d A s t r o n a u t i c s ， J i a n g s u Na n i i n g ，2 1 0 0 1 6 ， C h i n a Ab s t r a c t I t i s d i f f e r e n t f o r p o we r o p e r a t e d h i g h s p e e d p r e c i s i o n c h u c k t o me e t t h e r e q u i r e me n t s s u c h a s e - n o u g h l o a d ， s ma l l d e f o r ma t i o n ， h i g h s a f e t y c o e f f i c i e n t ．Ai mi n g a t t h i s p r o b l e m， i t e s t a b l i s h e s t h e h i g hj a w c h u c k f o r c e mo d e l o f t h e p o we r o p e r a t e d h i g hs p e e d p r e c i s i o n c h u c k u n d e r t h e a c t i o n o f t h e c u t t i n g ，a n a l y z e s t h e c h u c k b o d y s t r u c t u r e wi t h c e n t r i f u g a l f o r c e c o mp e n s a t i o n，p u t s f o r wa r d t h e p r e c i s i o n o f t h e c l a mp i n g f o r c e 1 o s s mo d e l o f t h e s y mme t r i c a l s t i f f n e s s c h u c k．Th i s me t h o d p r o v i d e s a n i mp o r t a n t t h e o r e t i c a l r e f e r e n c e for t h e o p t i mi z a t i o n o f p o we r o p e r a t e d c h u c k d e s i g n． Ke y wo r d s Hi g h S p e e d ；P o we r o p e r a t e d J a w c h u c k；Cu t t i n g；Cl a mp i n g F o r c e