毕业论文－基于arm和fpga的数控系统的硬件设计(new

毕业论文－基于arm和fpga的数控系统的硬件设计(new内容摘要：

................................................................................63 位置精度试验 .................................................................................................63 转速平稳性试验 .............................................................................................64 最大速度试验 ..................................................................................................64 加工轨迹图画图试验 ................................................................................................64 实际工件加工试验 ....................................................................................................64 系统长时间连续运行试验 ........................................................................................65 结束语 ............................................................ 66 北京航空航天大学学位论文 5 参考文献 ........................................................... 67 攻读硕士期间论文发表情况 ............................................ 68 攻读硕士期间科研与获奖情况 .......................................... 68 致 谢 ............................................................. 69 北京航空航天大学学位论文 6 第一章 绪 论 引言 近年来我国企业的数控机床占有率逐年上升，在大中企业已有较多的使用，在中小企业甚至个体企业中也普遍开始使用。 在这些数控机床中，除少量机床以FMS 模式集成使用外，大都处于单机运行状态，并且相当部分处于使用效率不高，管理方式落后的状态。 2020 年，我国机床工业产值已进入世界第 5 名，机床消费额在世界排名上升到第 3 位，达 亿美元，仅次于美国的 亿美元，消费额比上一年增长25%。 但由于国产数控机床 不能满足市场的需求，使我国机床的进口额呈逐年上升态势， 2020 年进口机床跃升至世界第 2 位，达 亿美元，比上年增长 %。 近年来我国出口额增幅较大的数控机床有数控车床、数控磨床、数控特种加工机床、数控剪板机、数控成形折弯机、数控压铸机等，普通机床有钻床、锯床、插床、拉床、组合机床、液压压力机、木工机床等。 出口的数控机床品种以中低档为主。 据 专家分析预测 ： 数控机床推广应用逐步由经济型为主向普及型为主转变。 据预测分析，到 2020 年我国机床数控化率为 ~%%，到 2020 年将达到 %~%。 在 2020~2020 年，经济型所占比重继续减少，普及型所占比重继续增长，高级型的需求缓慢增长。 数控金切机床的构成比逐渐趋于合理。 数控机床工序集中的加工特点，将使具有复合功能的高效数控机床的需求增长，这将导致数控机床拥有量和市场消费量中各类数控机床的构成比不同于传统的机床构成比。 数控机床的应用由单机向单元（系统）方向发展。 目前欧、美、日等国应用 DNC 已很普遍，柔性制造单元已占数控机床销售量的 30%以上。 而我国FMC、 FMS 和 FML 的拥有量不足 50 套，相当于日本 80 年代的水平 ，占数控机床消费额不到 5%。 出口前景良好。 1998 年及前几年我国机床工具的出口额徘徊在 5 亿美元北京航空航天大学学位论文 7 左右， 2020 年上升到 亿美元，随着东南亚经济复苏和我国出口多极化市场的形成和巩固，以及我国加入 WTO，今后几年我国机床出口将实现平稳、持续增长。 预计到 2020 年出口创汇可达到 12 亿美元。 研究背景及国内外发展现状 研究背景 加入 WTO 后，外资对我国机械工业 会产生 结构性 的 冲击 ， 主要表现在以下几点： 部分行业发展主导权有可能受到冲击。 在以下行业将表现得更为突出：一是在国 内处于市场成长期、外方掌握专有技术并处于垄断地位的技术密集型行业，如燃气轮机、直流输电关键设备、半喂入式水稻联合收割机、机电一体化的汽车发动机附配件等；二是单靠有限市场难以发挥企业生产能力、迫切需要全球市场支撑的行业，如高压开关、大型变压器、高档科学仪器、高档数控系统、智能化工业控制系统等；三是国内外制造成本相差较大、外方享有明显的品牌优势、在华设厂可以在世界市场获取丰厚利润的劳动密集型或易于流通的装配型产品行业，如照相机、复印机、部分工业和民用仪表、高品质低压电器等。 工程成套行业将面临更严峻的竞争。 随着服务贸易领域对外开放，实力雄厚的国外公司可能更积极地到国内举办由其控制的、以工程承包为主要业务的工程公司，以其母公司产品为后盾，以熟悉国内情况的中方雇员为业务骨干，与我内资企业展开激烈的竞争。 我国机械工业自主技术创新的积极性有可能被抑制。 由于外资在华机械企业主要承担制造车间的角色，技术来源主要依靠其母公司，而原本就实力有限的内资企业在完全开放的市场竞争中坚持自行研制开发将冒很大风险，为了节省投入，提高产品的形象，多数内资企业将尽可能与外方合作，采用国际同行的技术进行生产。 处于幼稚期的自主产业 的成长环境趋于严峻。 由于国外企业将更加不愿转让技术，更愿意通过在华举办由他们控制的企业来与内资机械企业争夺中国用户的订单，国内用户也有了更多的便利采购外资产品，从而部分处于成长初期的重要产品自主产业的培育壮大将更困难。 北京航空航天大学学位论文 8 在这种严峻的形式下，我们必须发愤图强，开发出适合我国国情的具有自主知识产权的数控 系统。 国外发展状况 国际机床市场的消费主流是数控机床。 1998 年世界机床进口额中大部分是数控机床，美国进口机床的数控化率达 70%，我国为 60%。 目前世界数控机床消费趋势已从初期以数控电加工机床 、数控车床、数控铣床为主转向以加工中心、专用数控机床、成套设备为主。 国外数控机床的网络化。 随着计算机技术、网络技术日益普遍运用，数控机床走向网络化、集成化已成为必然的趋势和方向，互联网进入制造工厂的车间只是时间的问题。 从另一角度来看，目前流行的 ERP 即工厂信息化对于制造业来说，仅仅局限于通常的管理部门（人、财、物、产、供、销）或设计、开发等等上层部分的信息化是远远不够的，工厂、车间的最底层加工设备 —— 数控机床不能够连成网络或信息化就必然成为制造业工厂信息化的制约瓶颈，所谓的ERP 就比较“虚”没有能够真 正地解决制造工厂的最关键的问题。 所以，对于面临日益全球化竞争的现代制造工厂来说，第一是要大大提高机床的数控化率，即数控机床必须达到起码的数量或比例；第二就是所拥有的数控机床必须具有双向、高速的联网通讯功能，以保证信息流在工厂、车间的底层之间及底层与上层之间通讯的畅通无阻。 以 FANUC 和西门子为代表的数控系统生产厂商已在几年前推出了具有网络功能的数控系统。 在这些系统中，除了传统的 RS232 接口外，还备有以太网接口，为数控机床联网提供了基本条件。 由于国外企业的发展水平，数控机床的网络接口功能被定义为 用于远程监控、远程诊断。 国内研究现状 新产品开发有了很大突破，技术含量高的产品占据主导地位。 例如：全长 33 公里的上海磁悬浮快速列车线，是“十五”期间国家重点建设项目，其中组成列车线的 2550 根轨道梁是整个工程的最关键部分，对加工轨道梁的精度提出了相当高的要求。 去年年初，沈阳机床集团机床股份有限公司中捷友谊厂以工北京航空航天大学学位论文 9 期 6 个月、标的 6200 万元在磁悬浮轨道专用数控机床项目公开招标中折桂，并于 8 月底将一次性验收合格的 8 台数控镗铣床组成的轨道梁生产线一次试车成功，目前这套铣镗加工中心已加工出轨道 梁 1100 根，确保了轨道梁的加工精度和速度，为实现今年年底试车打下了良好的基础。 数控机床产量大幅度增长，数控化率显著提高。 2020 年国内数控金切机床产量已达 万台，比上年增长 %。 金切机床行业产值数控化率从 2020年的 %提高到 2020 年的 %。 数控机床发展的关键配套产品有了突破。 近年来通过政府的支持，数控机床配套生产得到了快速发展。 如北京航天机床数控系统集团公司建立了具有自主知识产权的新一代开放式数控系统平台；烟台第二机床附件厂开发了为数控机床配套的多种动 力卡盘和过滤排屑装置；济南第二机床集团公司的数控龙门镗铣床、数控落地镗铣床及数控锻压设备等 30 多个系列 100 多个品种的数控配套产品。 本论文课题来源和研究内容 课题来源 本课题来源于国家 863 项目“嵌入式机电控制 系统及 应用 ” （编号：2020421130）。 研究内容 本文针对嵌入式机电控制系统 底层关键技术 ，以数控系统作为 对象， 设计 了一套 基于 ARM 和 FPGA 的开环数控系统 ， 对 基于 ARM和 FPGA 的开环数控系统 硬件体系结构 、 FPGA 在数控系统中的应用 、 基于 ARM 和 FPGA 的开环数控系统的硬件结构设计 及 与 基于实时操作 系统 C/OSII 的软件设计 等关键技术进行了深入研究。 论文结构安排 本文共分为七章。 第一 章为绪论， 说明本课题的研究意义和研究内容。 第二章 先 描述整个数控系统的体系结构， 然后对要求进行拆分、分析， 确定软硬件所北京航空航天大学学位论文 10 需要实现的功能 ，着重说明硬件 所需要实现的功能 ，对功能进行划分，确定各个模块的作用。 第三 章阐述电路板设计， 包括设计原则、性能分析、各个子系统的详细设计。 第 四 章阐述 FPGA 的逻辑设计，包括 FPGA 的介绍、开发流程、各个功能的实现方法，最后 总结了使用 HDL 进行 FPGA 设计的注意事项。 第五 章阐述 C/OSII 操作系统的 特点，软硬件接口的具体实现。 第六 章阐述硬件部分的调试过程，以及在调试中出现的问题及其解决方法。 第七 章记录了 软硬件联调的情况，测试的结果和结论 北京航空航天大学学位论文 11 第 二 章 嵌入式数控系统 体系结构设计 数控系统体系结构 通常 一个 数控系统的总体框图如图 所示 ， 由控制系统 、 伺服 驱动 系统 和伺服电机组成。 控制系统生成的坐标轴运动指令，由 FPGA 进 行细插补，最后形成脉冲串的形式发送给伺服 驱动 系统，最后伺服 驱动 系统形成运动指令控制伺服电机运转。 控 制 系 统伺 服 驱 动 系 统伺 服 电 机 图 数控系统的总体结构 技术要求 本文以一个三轴开环数控系统为应用研究对象， 拟设计一套基于 ARM 嵌入式微处理器和 FPGA 的 嵌入式数控系统，即图 的控制系统部分。 三轴开环数控系统要求如下： 北京航空航天大学学位论文 12 主要性能指标 可控制轴数 3 轴（ X轴、 Z轴、第 3轴 [可定义为 Y或 C]） 联动轴数 直线 3 轴，圆弧 X、 Z两轴 运动轴信号输出方式：脉冲＋方向 （两组信号均为差分输出） 脉冲宽度≥ 1μ s（上升 /下降沿 s） 最小指令单位 X 轴 ， Z轴 最小移动单位 X 轴 ， Z轴 最大编程尺寸 177。 最大快速移动速度 ≥ 30000mm/min（对应脉冲输出频率为 512KHz） 切削进给速度范围 1～ 15000mm/min（对应脉冲输出频率为 256KHz） 快速移动倍率 F0、 25%、 50%、 100%四级 ，可实时调整（手动 /自动方式有效） 切削进给倍率 0～ 150%十六级可实时调整（按 10%递增） 自动加减速 线性 /S 型曲线（加速、减速时间常数设置范围： 0—4000ms） 单步进给增量值 100、 1000 手轮进给增量值 100、 1000 电子齿轮变比范围 1/255～ 255 螺纹导程范围 公制： ～ 500mm ，英制： — 254000 牙 /英寸 公 /英制单头多头直螺纹、锥螺纹，螺纹退尾长度可设定 螺纹加工最高主轴转速 ≥ 3000rpm（螺纹加 工最高进给速度≤ 15000mm/m。