基于USB接口的雕刻机数控系统改造

XX 工 学 院毕业设计说明书（论文）作 者: 学 号：系 (院): 机械工程学院专 业: 机械设计制造及其自动化题 目: 基于 USB 接口的雕刻机数控系统改造指导者： 评阅者： 20XX 年 6 月毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 中 文 摘 要本次毕业设计根据机电一体化产品设计的基本原理、关键技术和研制原则，应用较新的 USB 技术改造原有过时的 ISA 运动控制卡进行控制的雕刻机数控系统，制定基于 USB 接口雕刻机的总体设计方案，详细地分析雕刻机系统的总体布局和结构方案、数控系统的运动方式，以及主运动和进给运动系统选择等。机械系统的设计和实现，包括主运动和进给运动的设计计算；控制系统的设计和实现，包括硬件选用、软件结构；以及插补算法的选择、分析和实现过程，实现了该雕刻机系统的初步优化。关键词 USB 接口技术，运动控制，雕刻机 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 外 文 摘 要Title Transformation of CNC engraving machine based on USB interface AbstractThis graduation design is based on the key technologies and the principles of development, basic principle of mechatronics product design, application of new technology of USB transformation of the original outdated ISA motion control card control engraving machine CNC system, formulate the overall design scheme of USB interface based on the movement of engraving machine, with the overall layout and structure of the program, the analysis of carving system of CNC system, as well as the main movement and feed movement system selection. Design and Realization of the design and calculation of mechanical system, including the main movement and feed movement; control system design and implementation, including hardware selection, software structure; and the choice of interpolation algorithm, analysis and implementation process, to achieve the optimization system of the engraving machine.Keywords CNC，STEP-NC，Turning operation，Bidirectional communication 目录1 引言 111 课题背景 112 CAD/CAM 概述 .113 基于 PC 的雕刻机数控系统 .41.3.1 基于 PC 的数控系统的特点及模式 41.3.2 基于 PC 雕刻机数控系统的通讯总线形式 .514 主要研究内容及安排 62 比较 ISA 运动控制卡和基于 USB 接口雕刻机的优劣 621 ISA 总线 .622 原伺服驱动的说明 72.2.1 基本接线 82.2.2 试机步骤 82.2.3 SET键结束 82.2.4 位置控制方式 823 USB 接口控制优点 1124 USB 驱动的实现 123 系统功能设计 1231 嵌入式技术 1232 嵌入式系统的特点 1333 嵌入式系统在工业控制上的发展 1334 系统插补方案设计 1435 系统总体结构设计 1436 主要模块的功能简要介绍 164 基于 MK1-ZXAUSBCNC 控制板的雕刻机改造 1641 MK1-ZXAUSBCNC 控制板结构 .1842 产品与外围部件的接线 215 软件调试 256 样品 30结 论 33致 谢 34参 考 文 献 3511 引言随着 PC 技术的迅速发展，其在工业控制领域得到广泛应用。用 PC 技术开发的数控系统可以得到强有力的硬件和软件支持，避开专有技术的制约，在较短时间内达到较高水平。USB 自问世以来，就以其速度快、成本低廉等诸多优点逐步占领了 PC 及其外围设备市场。随着大量支持 USB 的个人电脑的普及， USB 逐步成为 PC 机的标准接口已经是大势所趋。11 课题背景数控技术是先进制造技术（如柔性制造系统、计算机集成制造系统等）的基础。要发展先进制造技术，首先必须重视制造单元技术（数控技术、加工单元、柔性制造单元等） 。数控机床在现代加工领域，特别是在发达的工业国家（如美国、日本、英国、德国等） ，已经作为主要加工设备而取代传统加工机床。数控机床在整个现代制造系统中处于基础性的，核心的地位。因此，在现代制造系统朝着集成化、综合化和智能化发展的今天，特别是计算机技术发展与普及化，深入研究新一代数控技术具有重要的意义和实用价值。1952 年，麻省理工学院研制成功出第一台三坐标连续控制的数控铣床，这标志着数控机床的诞生。数控机床一问世就显示了极大的优越性，由此逐步发展和完善起来。尤其是在 70 年代以后，伴随微电子技术、计算机技术、控制技术和伺服技术的发展而不断地发展演变。数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，对国计民生的一些重要行业（IT 、汽车、轻工、医疗等）的发展起着越来越重要的作用，因为这些行业所需装各的数字化己是现代发展的大趋势。12 CAD/CAM 概述CAD/CAM 是计算机辅助设计/计算机辅助制造（Computer Aided Design/Computer Aided Manufacture）的简称，是当今世界发展最快的技术之一。它不仅促使了生产模式的转变，同时也促进了市场的发展。在计算机辅助下进行设计与传统的以人为核心的设计明显不同。根据产品开发计划2和对产品功能的要求，不再仅仅是依靠设计者个人的知识和能力去设计，而是运用包括设计者本人和存储在计算机中的多种知识，在 CAD 系统和数据库的支持下进行工作。这种工作方式设计出的产品大大优于单个设计师凭个人脑力和能力设计出的产品；另外，CAD 输出的结果也不仅仅是装配图和零件图，还包括设计、制造过程中应用计算机所需的各种信息。CAM 技术主要是围绕着数控编程技术开始发展的。数控加工是 CAD/CAM 发挥效益最直接、最明显的环节之一。 加工对象的形状越复杂，加工精度越高，设计更改越频繁，数控加工的优越性越容易得到发挥。因此数控编程技术受到高度重视。然而从制造的全过程看，应用计算机作为辅助手段的不仅仅是数控编程，还有许多技术和方法归类于 CAM 的范畴，如计算机辅助工艺规划（CAPP） 、计算机辅助生产管理（CAPM） 、生产活动控制（PAC）等。其中有些内容已经超出了制造过程和间接制造过程；狭义 CAM 则是指制造过程中某个环节上应用计算机。一般我们所讲的在制造全过程的数控编程环节上应用了计算机，其实是一种狭义 CAM 的概念。所以在实际应用中，CAD/CAM 是以系统方式出现的，包括商品化 CAD/CAM 系统和企业根据应用目标构件的 CAD/CAM 系统。系统中包括设计与制造过程的三个主要环节，即 CAD、CAPP 和 NCP。其中 CAPP 和 NCP 属于 CAM 范畴。完善的CAD/CAM 系统一般包括产品设计、工程分析、工艺过程规划、数控编程、工程数据库以及系统接口几个部分。这些部分以不同的形式组合集成就构成各种类型的系统。我国 CAD/CAM 软件不管是从产品开发水平还是从商品化、市场化程度都与发达国家有不小的差距。由于国外 CAD/CAM 软件出现得较早，开发和应用的时间也较长，所以它们发展比较成熟，现在基本上已经占领了国际市场。这些国外软件公司利用其技术和资金的优势，开始大力向我国市场进军，目前，国外一些优秀软件，如UG、SolidWorks、Pro/Engineer、CATIA 等，已经占领了一部分国内市场。经过多年的推广，我国也出现了一些优秀 CAD/CAM 软件，例如：高华CAD、 CAXA 电子图板和 CAXA-ME 制造工程师、GS-CAD98、金银花系统、开目CAD 等。另外，CAD/CAM 技术可以应用在许多领域，机械制造是最早也是最广泛应用 CAD/CAM 技术的领域。随着 CAD/CAM 技术的发展，建筑、电子、化工的领域也开始应用该技术，在这些新的应用领域中，国外软件的优势并不明显。所以，我国CAD/CAM 软件在这些方面还是可以与发达国家竞争的，并且随着 CAD/CAM 技术应用的深入，越来越多的领域将会使用该技术，所以，如果能够紧跟时代潮流，不断应3用于新的领域，那么国产 CAD/CAM 软件还是很有前途的。 雕刻加工是一种很传统的手工工艺，在工艺品、标牌、首饰等行业具有悠 久的历史。但传统的雕刻加工一般都是手工工艺，产品的质量主要取决于雕刻 师傅的技艺水平，而且劳动生产率低，成本价格高，可重复性差。随着市场需 求的不断扩大以及模具工业的迅速发展，除首饰、标牌和工艺品的模具制造需 要雕刻以外，很多日常生活用品（如服饰用品、钟表零件）的模具也大量需要 雕刻加工，导致了雕刻加工向自动化方向发展。目前，雕刻系统主要分两种:一种是激光式雕刻系统，他采用激光作为加工 具进行雕刻加工:另一种是机械式雕刻系统，它采用传统的切削式加工方法进行 雕刻加工。这两种雕刻系统各有优缺点，应用区域也不尽相同。激光雕刻对加 工材料有一定的限制，它无法加工石材的材料，主要应用于标牌业和广告业;而 机械式雕刻系统加工软到橡胶硬到石材等各种材料，应用范围也较激光雕刻系统广泛的多。机械式雕刻系统又可分为仿形雕刻机和计算机数控(CNC) 雕刻机两大类。机械式雕刻系统可以完成有互换性要求的雕刻加工和模具雕刻加工。计算机数控 (CNC)雕刻机按驱动电机分类，可分为步进电机驱动的计算机数控雕刻机和伺服 电机驱动的计算机数控雕刻机，后者精度较高，但控制复杂，成本也较高；按 运动坐标类型进行分类，分为三坐标 CNC 雕刻机和五坐标雕刻机；按机床结构 进行分类，分为立式 CNC 雕刻机、卧式 CNC 雕刻机和龙门 CNC 雕刻机等。413 基于 PC 的雕刻机数控系统图 1.1 实验室所使用的雕刻机1.3.1 基于 PC 的数控系统的特点及模式从上节介绍中可知，数控系统发展到 1995 年以后，基于 PC 的开放式数控 系统成为数控系统发展的主要方向。用 PC 技术开发的数控系统可以得到强有力 的硬件和软件支持，避开专有技术的制约，在较短时间内达到较高水平 8。其主 要特点有：丰富的软件资源，可将现有的各种工厂管理软件、CAD/CAM 软件、通讯 软件等装进系统运行并直接控制机床加工程序。完备的软件开发环境，使系统开发工作量大大减少。标准化的硬件、网络功能以及开放的总线，使系统体系结构具有模块化、 网络化、开放性的特点。以上种种特点，使得它在改善 CNC 系统的数控编程、人机界面、实时仿真、 状态信息监测、网络通讯等功能方面表现出了无可比拟的优势。就结构形式而言，目前基于 PC 的开放式数控系统有 3 种模式：PC 嵌入 NC 模式这种模式无法直接利用通用的 PC，开放性受到限制。 NC 嵌入 PC 模式这种模式是在通用 PC 的扩展槽中插入专用的运动控制 卡，运动控制卡多以 DSP 为核心的多轴运动控制技术，能够充分保证系统的性 能；同时可以充分利用 PC 机丰富的软硬件资源，开放性好；但开发难度较大。Soft 型开放式数控系统模式这种模式的 CNC 功能全部由装在 PC 机中 软件实现，硬件部分仅是计算机与驱动电机和外部 I/O 之间的标准化通用接口， 就像计算机中可5以安装各种品牌的声卡、CD-ROM 和相应的驱动程序一样，因而 提供给用户最大的选择和灵活性。1.3.2 基于 PC 雕刻机数控系统的通讯总线形式目前，在基于 PC 的雕刻机数控系统中， PC 与机床控制接口通讯的常用总线 形式有串口、并口、ISA 总线、PCI 总线和 USB 总线等。串口和并口传输效率低，已不能满足现代雕刻机数控系统的实时性要求， 已逐渐被主流雕刻机数控系统所淘汰。ISA 总线虽然效率比串口、并口有了很大的提高，但随着计算机技术的蓬勃 发展，ISA 总线自身的种种缺陷逐渐显现，在商用 PC 机系统己基本被淘汰。PCI 总线是目前并行总线的主流，速度快、兼容性好。然而，与后续相继推 出的高速出口总线相比，其扩展必须采用板卡形式，不仅安装麻烦，容易受机 箱内环境的干扰，而且受计算机插槽数量和地址、中断资源的限制，挂接设备 数量不能太多。随着 USB 的推出，其优点不断被认识，不仅数据通讯速度高，而且支持外 置的热插拔和即插即用，扩展极为方便，因而得到迅速的普及应用。特别是当 2001 年末Cypress 公司推出第一款集成 USB2.0 的微处理器时，USB2.0 接口在 数据采集和通讯方面得到迅速的应用，并开始成为高速数据通讯的热点。将 USB 总线应用于基于 PC 的数控雕刻机系统，可很好地解决高速数控雕刻 机系统在接口通讯中面临的矛盾，能够易于实现高速、低成本、高可靠性、多 点的数据传输和数据监控等控制系统。雕刻机数控系统的研制目标和设计思想。目前，国产雕刻机使用的数控系统在性能和价格上不能很好地统一，成为 影响国产数控雕刻机市场竞争力的制约因素之一。数控雕刻机是一种典型的机 电一体化设备，研制的总体目标是提高该产品在市场中的竞争能力，研制目标 具体体现在以下几个主要方面：提高可靠性并降低成本，开发基于软件控制的雕刻机数控系统。依靠和发 挥软件技术优势，提高系统性能，降低成本，加快产品的开发周期。提高数控系统的插补运算速度和精度，提高控制速度的平稳性。模块化设计，将雕刻机从软、硬件结构上按功能划分模块，各功能模块相 对独立研究、发展和完善，通过标准接口联成系统。基于以上的研制目标、发展趋势和研究室已有的成果，本文设计的雕刻机数控系统采用“PC + USB2.0 +数字脉冲伺服接口卡”的数控系统体系结构。这种结构利用了 PC 平台的优势，开发简单，易于实现和维护，并对市场的响应快，具有一定的开放性；6利用 USB2.0 高速传输、使用便捷等特点实现海量数据 通讯，突破数据传输的瓶颈；基于 FPGA 实现精插补控制器作为数字脉冲伺服接 口和其它 I/O 接口功能，其速度快、集成度高，在提高性能的同时可降低开发 难度和设计成本。14 主要研究内容及安排本文在充分的市场调研基础上，根据雕刻机数控系统的总体要求，开展数 字脉冲伺服接口卡的研制、USB 总线的开发和上层应用软件开发等工作，主要包 括方案设计、改进，软件编程，数字脉冲伺服接口卡的研制，分系统调试和系 统联合调试等。具体工作如下：USB 通信方案设计、开发和调试掌握 USB2.0 总线协议及特点，完成 USB 固件开发和调试。数字脉冲伺服接口卡的方案设计、改进和调试根据项目总体对精插补驱动脉冲的功能、时序和接口要求，完成基于 FPGA 的数字脉冲伺服接口卡设计。数字脉冲伺服接口卡的硬件研制完成 USB 和 FPGA 的硬件原理图设计，PCB 板调试和测试。精插补控制器模块的 VHDL 编程和仿真测试完成 EZ-USB FIFO 接口驱动电路、DDA 精插补电路等模 块的编程和仿真测试等。应用软件方案的改进和开发完成 USB驱动的开发，数控程序的实时仿真，自动加工、手动加工等数控 操作的软件设计和调试。完成 FPGA 片内模块及板级联调、应用软件调试和系统联调及测试等。2 比较 ISA 运动控制卡和基于 USB 接口雕刻机的优劣21 ISA 总线目前，在基于 PC 的数控系统中， PC 与机床控制接口通讯的常用总线形式有串口、并口、ISA 总线、PCI 总线和 USB 总线等。串口和并口传输效率低，已不能满足现代数控系统的实时性要求，已逐渐被主流数控系统所淘汰。ISA 总线虽然效率比串口、并口有了很大的提高，但随着计算机技术的蓬勃发展，ISA 总线自身的种种缺陷逐渐显现，在商用 PC 机系统己基本被淘汰。ISA 插槽是基于 ISA 总线（Industrial Standard Architecture，工业标准结构总线）的扩展插槽，其颜色一般为黑色，比 PCI 接口插槽要长些，位于主板的最下端。其工作频率为 8MHz 左7右，为 16 位插槽，最大传输率 16MB/sec，可插接 显卡，声卡，网卡以及所谓的多功能接口卡等扩展插卡。其缺点是 CPU 资源占用太高，数据传输带宽太小，是已经被淘汰的插槽接口。图 2.1 ISA 运控卡电路板PCI 总线是目前并行总线的主流，速度快、兼容性好。然而，与后续相继推出的高速出口总线相比，其扩展必须采用板卡形式，不仅安装麻烦，容易受机箱内环境的干扰，而且受计算机插槽数量和地址、中断资源的限制，挂接设备数量不能太多。随着 USB 的推出，其优点不断被认识，不仅数据通讯速度高，而且支持外置的热插拔和即插即用，扩展极为方便，因而得到迅速的普及应用。特别是当 2001 年末Cypress 公司推出第一款集成 USB2.0 的微处理器时， USB2.0 接口在数据采集和通讯方面得到迅速的应用，并开始成为高速数据通讯的热点。将 USB 总线应用于基于 PC 的数控系统，可很好地解决高速系统在接口通讯中面临的矛盾，能够易于实现高速、低成本、高可靠性、多点的数据传输和数据监控等控制系统。22 原伺服驱动的说明图 2.2 伺服驱动82.2.1 基本接线主电源输入采用220V，从 L1、L3 接入（实际使用应参照操作手册） ；控制电源输入 r、t 也可直接接220V电机接线见操作手册第 22、23 页，编码器接线见操作手册第 2426 页，切勿接错2.2.2 试机步骤仅按基本接线就可试机；在数码显示为初始状态r 0下，按SET键，然后连续按MODE键直至数码显示为AF AcL，然后按上、下键至AF-JoG 按SET键，显示JoG -:按住键直至显示 rEAdy按住 键直至显示 SrV-on按住键电机反时针旋转，按V电机顺时针旋转，其转速可由参数 Pr57 设定2.2.3 SET键结束内部速度控制方式（上海太鑫电子科技有限公司提供）COM（7 脚）接1224VDC,COM-（41 脚）接该直流电源地；SRVON（29 脚）接 COM-参数 No.53、No.05 设置为 1：（注此类参数修改后应写入 EEPROM,并重新上电）调节参数 No.53,即可使电机转动。参数值即为转速，正值反时针旋转，负值顺时针旋转。2.2.4 位置控制方式COM（7 脚）接1224VDC,COM-（41 脚）接该直流电源地；SRVON（29 脚）接 COM-PLUS1（3 脚） 、SIGN1（ 5 脚）接脉冲源的电源正极（5V ） ；PLUS2（4 脚）接脉冲信号，SIGN（6 脚）接方向信号；参数 No.02 设置为 0，No42 设置为 3，No43 设置为 1；PLUS（4 脚）送入脉冲信号，即可使电机转动；改变 SIGN2 即可改变电机转向。另外，调整参数 No.46、No.4B(A4 对应 48，4B；A5 对应 009，010),可改变电机每转所需的脉冲数（即电子齿轮） 。 松下数字式交流伺服系统 MHMA 2KW，试机时一上电，电机就振动并有很大的噪声，然后驱动器出现 16 号报警，这种现象一般是由于驱动器的增益设置过高，产生了自激震荡。请调整参数 No.10、No.11、No.12（ A5 系列对应 10 参考使用说明书9中关于增益调整的内容） 松下交流伺服驱动器上电就出现 22 号报警，产生的原因一般有：编码器接线有问题：断线、短路、接错等等，请仔细查对；电机上的编码器有问题：错位、损等，请送修 松下伺服电机在很低的速度运行时，时快时慢，象爬行一样伺服电机出现低速爬行现象一般是由于系统增益太低引起的，请调整参数 No.10、No.11、No.12（A5 系列对应 100，101，102） ，适当调整系统增益，或运行驱动器自动增益调整功能。松下交流伺服系统在位置控制方式下，控制系统输出的是脉冲和方向信号，但不管是正转指令还是反转指令，电机只朝一个方向转，松下交流伺服系统在位置控制方式下，可以接收三种控制信号：脉冲/方向、正/反脉冲、A/B 正交脉冲。驱动器的出厂设置为 A/B 正交脉冲（No42 为 0，A5 对应 007） ，请将 No42 改为 3（脉冲/ 方向信号） 。松下交流伺服系统的使用能否用伺服-ON 作为控制电机脱机的信号，以便直接转动电机轴,尽管在 SRV-ON 信号断开时电机能够脱机（处于自由状态） ，但不要用它来启动或停止电机，频繁使用它开关电机可能会损坏驱动器。如果需要实现脱机功能时，可以采用控制方式的切换来实现：假设伺服系统需要位置控制，可以将控制方式选择参数 No02（A5 对应 001）设置为 4，即第一方式为位置控制，第二方式为转矩控制。然后用 C-MODE 来切换控制方式：在进行位置控制时，使信号 C-MODE 打开，使驱动器工作在第一方式（即位置控制）下；在需要脱机时，使信号 C-MODE 闭合，使驱动器工作在第二方式（即转矩控制）下，由于转矩指令输入 TRQ 未接线，因此电机输出转矩为零，从而实现脱机。在我们开发的数控铣床中使用的松下交流伺服工作在模拟控制方式下，位置信号由驱动器的脉冲输出反馈到计算机处理，在装机后调试时，发出运动指令，电机就飞车， 这种现象是由于驱动器脉冲输出反馈到计算机的 A/B 正交信号相序错误、形成正反馈而造成，可以采用以下方法处理：修改采样程序或算法；将驱动器脉冲输出信号的 A+和 A-（或者 B+和 B-）对调，以改变相序在我们研制的一台检测设备中，发现松下交流伺服系统对我们的检测装置有一些干，一般应采取什么方法来消除,由于交流伺服驱动器采用了逆变器原理，所以它在控制、检测系统中是一个较为突出的干扰源，为了减弱或消除伺服驱动器对其它电子设备的干扰，一般可以采用以下办法：A.驱动器和电机的接地端应可靠地接地；10B.驱动器的电源输入端加隔离变压器和滤波器；C.所有控制信号和检测信号线使用屏蔽线。干扰问题在电子技术中是一个很棘手的难题，没有固定的方法可以完全有效地排除它，通常凭经验和试验来寻找抗干扰的措施。伺服电机为什么不会丢步伺服电机驱动器接收电机编码器的反馈信号，并和指令脉冲进行比较，从而构成了一个位置的半闭环控制。所以伺服电机不会出现丢步现象，每一个指令脉冲都可以得到可靠响应。目前，几乎所有日本产交流伺服电机都是三相 200V 供电，国内电源标准不同，所以必须按以下方法解决：A.对于 750W 以下的交流伺服，一般情况下可直接将单相 220V 接入驱动器的 L1，L3端子；B.对于其它型号电机，建议使用三相变压器将三相 380V 变为三相 200V，接入驱动器的 L1， L2， L3.应用最好的，因为其在运动控制方面高速度，高精度和易于控制等特点使得伺服电机在运动控制方面得到完美的应用。伺服电机之前，设备生产厂家都是基本都是采用的步进电机作运动控制的执行单元，但伺服电机的出现，尤其是交流全数字伺服电机的出现，克服了步进电机在运动控制的低频共振，转速慢，高速时扭矩下降等缺点。目前在国内使用的伺服系统可分为三类：日系、欧美、国产。随着伺服系统在国内运动控制行业的普遍应用，伺服电机的生产技术门槛已经不是很高，国内的一些生产常见也已经跨越了这个技术瓶颈，伺服电机有了很多国产品牌，国产伺服因为其优秀的性价比占据了一些底端市场，但是在驱动器控制电机方面和国外的伺服系统相比较而言还是有一些差距。日系的伺服电机和伺服驱动器是一一对应的，而欧美的则是一种型号的伺服电机可以用不同的驱动器甚至是不同品牌的驱动器驱动；还有日系的伺服驱动器基本上都是不带总线控制的，而欧系的大多都是带总线控制的，但是欧美系的品牌也意识到这种带总线的在中国来说并不适应市场，并且又增加的成本，所以现在针对日系的市场也在做一些简化的只有本地控制的伺服驱动器，相应的，日系的伺服为了争夺欧美伺服的市场，也在推出的伺服驱动种类里面推出一些总线控制模式的驱动器。国产品牌伺服应用比较多的是华中伺服、广州数控、南京埃斯顿、和利时电机；11台湾的台达伺服和东元伺服，台系品牌的伺服在价格方面是出于大陆产和日系之间的，在国内运动控制市场基本被欧美和日系占据的今天，国产伺服能在自动化控制领域挣得一份市场实属不易。尤其是在欧美和日系的全面占据市场的局面下，国产伺服开始就是走低价和优质服务的路线，也赢得了一些市场。低价并不是说品质就得不到保证，在印刷包装行业，国产伺服在不同的机型上都有成功的应用，并且和国外产品性能上无差别。可喜的是，国产伺服的品牌这几年如雨后春一样出现了不少，并且相当多的国产伺服在设备上表现出的性能已经和日系的不相上下。23 USB 接口控制优点USB 之所以能得到广泛支持和快速普及，是因为它具备下列的很多特点: 1使用方便 使用 USB 接口可以连接多个不同的设备，支持热插拔，在软件方面，为 USB 设计的驱动程序和应用软件可以自动启动，无需用户干预。 USB 设备也不涉及 IRQ 冲突等问题，它单独使用自己的保留中断，不会同其它设备争用 PC 机有限的资源，为用户省去了硬件配置的烦恼。USB 设备能真正做到“ 即插即用”。 2速度加快 快速性能是 USB 技术的突出特点之一。USB 接口的最高传输率目前可达12Mb s，比串口快了整整 100 倍，比并口也快了十多倍。今后 USB 的速度还将会提高到 100Mbs 以上。 3连接灵活 USB 接口支持多个不同设备的串列连接，一个 USB 口理论上可以连接 127 个USB 设备。连接的方式也十分灵活，既可以使用串行连接，也可以使用中枢转接头 (Hub)，把多个设备连接在一起，再同 PC 机的 USB 口相接。在 USB 方式下，所有的外设都在机箱外连接，不必打开机箱；允许外设热插拔，而不必关闭主机电源。USB采用“级联”方式，即每个 USB 设备用一个 USB 插头连接到一个外设的 USB 插座上，而其本身又提供一个 USB 插座供下一个 USB 外设连接用。通过这种类似菊花链式的连接，一个 USB 控制器可以连接多达 127 个外设，而每个外设间距离(线缆长度)可达5 米。USB 还能智能识别 USB 链上外围设备的接入或拆卸。 4独立供电 12普通使用串口、并口的设备都需要单独的供电系统，而 USB 设备则不需要，因为USB 接口提供了内置电源。 USB 电源能向低压设备提供 5V 的电源，因此新的设备就不需要专门的交流电源了,从而降低了这些设备的成本并提高了性价比。 5支持多媒体 USB 提供了对电话的两路数据支持，USB 可支持异步以及等时数据传输,使电话可与 PC 集成,共享语音邮件及其它特性。 USB 还具有高保真音频。由于 USB 音频信息生成于计算机外，因而减少了电子噪音干扰声音质量的机会,从而使音频系统具有更高的保真度。的依据是安装信息文件中注释的设备的标识和自举中的标识是否一致。所以,在进行设备程序驱动时,DRIVER 文件中需要包含两个基本文件 :相关硬件的安装信息文件和固件驱动文件。本系统设计中对于 USB 设备的驱动主要是实现以下的三个功能:1对 USB 设备划设备驱动对象并实现对 USB 设备的初始化; 2实现对 USB 设备电源的管理; 3实现 USB 设备能够即插即用,PC 重启后无需再次驱动。由于本系统中 USB 的驱动程序是即将固化在 EEPROM 中,CY7C68013 的部分引脚的控制是通过 CPLD 扩展来实现,而硬件电路设计中并未设计 EEPROM 程序下载电路,所以必须先通过TMS320F2812 下载 USB 微控制器唤醒程序,然后再将 DSP 通过 USB 连接 PC 实现设备的驱动。24 USB 驱动的实现当一个新的设备通过 USB 与 PC 连接时,设备会对 PC 进行自举,也就是通过 USB插入 PC 时,PC 会发现新硬件设备,当然这个是要建立在设备中已经编入部分程序用来向 PC 操作系统来声明自身的标识。然后 ,设备管理器就会对相关的设备查询是否已经安装了相关的驱动程序,如果没有,就会向用户提示如何安装相关驱动。在安装新的驱动时,设备管理器根据用户提供的安装信息文件(INF)来判断该设备能不能在此驱动下完成于 PC 的连接。3 系统功能设计控制系统硬件电路的设计与分析1331 嵌入式技术嵌入式技术是 21 世纪最富有活力的科技技术之一,是 IT 网络技术之后又一新科技的发展方向。根国际电机工程师协会对于嵌入式系统的定义是:控制、监视或者辅助装置、机器和设备运行装置 15。由于嵌入式系统具有体积小、功能强大、能耗低、稳定性强等突出特点,目前已经广泛应用于国防军事、电子消费品、网络通信、工业控制等各个领域。32 嵌入式系统的特点嵌入式系统在硬件和软件的设计上都是因地制宜、高效的处理速度、采用尽量少的资源实现要求的功能。与上位机系统相比,它具有以下几点优势：(1)稳定性高、资源消耗低、很强的专用性;(2)能耗低、高度集成化、体积小、价格低廉、使用寿命长,因此具有很强的性价比;(3)对于某一型号的芯片都有固定的代码存储在存储器中、工作时能够实现实时多任务操作;(4)有专用的幵发工具和标准化是程序设计方法。33 嵌入式系统在工业控制上的发展嵌入式系统早期的应用只是单片机,但是随着系统控制对象的复杂度越来越高,单片机的使用也不能满足控制需求。随着微电子技术的不断发展,制造工艺的现代化,不仅使得芯片的处理能力越来越强大,而制造成本却大幅度降低。工业控制操作系统在实时处理能力、可靠性、幵放性、可操作性等方面都有严格的要求,而嵌入式系统恰好能够适应这些要求,并在工业控制上体现出了自己独有的优势。(1)实时性:要求处理器在限定的时间内完成要求的任务,并且能都对外部的异步事件作出快速反应。以往的单片机处理速度只是几兆、几十兆,而如今的微处理器通常都能达到上百兆。(2)可靠性:主要是指能够保证控制外部执行件连续稳定的运行和一旦系统出现故障后能够独立处理保证系统安全的能力。14(3)人机交互: 嵌入式操作系统还能够实现与外部进行信息交互,可以将一些重要数据通过图形或者是窗口显示给用户,具有很强的灵活性。(4)开发成本和开发环境:对于开发环境有很高要求,而在工业控制设备上的批量要求不是很高,因此生产商对控制设备的幵发环境有着价格低、方便使用的要求。随着如今嵌入式微处理器的性价比提升,硬件平台的不断完善,软件系统的不断优化,都为嵌入式的应用提供了强大动力。因此嵌入式系统在工业控制领域具有很广阔的应用前景。34 系统插补方案设计在开环结构下提供高性能的插补方案，需要综合考虑系统进给速度、算法 复杂性、脉冲的均匀分配、综合成本几个方面的因素。当前计算机处理能力的 不断提高及价格的大幅度下跌，为将数据采样法(时间分割法)用于开环系统的 插补提供了有力条件。基于数据采样法插补的基本结构是软硬结合的粗精两级 插补结构，由于粗插补可以借助计算机实现复杂的高速插补，这种方案可以有 效解决使用脉冲增量法在速度和算法复杂性方面的矛盾，提高开环系统的插补性能。同时综合成本较低，能以较高的性价比满足经济型和普及型雕刻机数控 系统的需要。两级插补结构中的粗插补是基于软件实现的数据采样插补法。其原理就是 根据进给速度，计算出每个插补周期内的总进给量，然后进行插补运算，求出 插补周期各轴移动的进给增量值。可以采用各种高速高精度的的插补算法，如 直接函数法、双DDA 法、样条插补法等，实现从简单的平面直线到复杂空间曲 线的插补。综合考虑插补性能，本系统中直线、圆弧插补采用的是直接函数法精插补的功能是接收通过粗插补计算得到的一个插补周期内各坐标轴的运 动进给量（微段直线） ，并将其转化成频率均匀的进给脉冲，输出给各轴的位置 伺服电机。粗精两级插补结构中的关键环节，就是精插补的设计和脉冲均匀分 配的方法，它对产生脉冲的频率及其稳定性有很大影响。在众多的插补算法中，脉冲乘法器、逐点比较法和数字积分法等都可以用 于粗精两级插补结构的精插补中。但是数字积分法与其它的插补算法相比，数 字积分法具有设计简单，可由简单的硬件电路实现，使系统可以达到较高的加 工进给速度。此外，数字积分法设计成本低，各轴精插补脉冲分配相互独立， 易于实现多轴联动，所以数字积分法在数控系统中有广泛的应用。 本系统即采用数字积分法来实现精插补功能。1535 系统总体结构设计本雕刻机数控系统的目标是要设计开发一套针对雕刻机的控制特点，功能 要求和性能指标介于经济型和普及型雕刻机数控系统之间，具有经济型雕刻机通过市场调研，对待开发的雕刻机数控系统归纳出如下功能：1程序管理功能可现场输入、编辑和修改加工程序，记录程序使用情况，高亮度显示数控 加工程序指令字。它处理的对象是标准数控代码文件，得到的是此代码文件经 编译后得到的命令集和数据集以及一些加工信息。命令和数据集以一定的数据 结构形式保存在内存中供其他模块调用，是整个软件的数据来源和数据基础。2参数管理功能实现系统参数的设置、记忆、调用等。管理的参数有 USB 传输参数、图形 显示参数、工件零点、电机性能参数、加减速、刀具补偿等参数。并且对某些 参数进行密码保护，只有高级用户才能修改。3加工控制功能具有自动加工、手动连续或增量移动各坐标轴、暂停/继续加工、手动设置 对刀坐标系和返回机床参考点、急停、主轴控制和冷却液控制等功能。系统根 据加工控制指令和所设置的参数，进行粗插补计算。计算得出的插补量，将作 为 USB 通信和图形仿真的数据来源。4USB 总线通信功能通过 USB2.0 总线，实现上位 PC 机和数字脉冲伺服接口卡高速及时的数据 通讯。一方面将粗插补量和控制信息传递给机床接口卡，以控制电机的运动； 另一方面反馈机床状态信息和加工信息至 PC 机。5仿真功能在仿真模式下，具有仿真验证数控加工程序插补轨迹的功能；在加工过程 中，能实时显示刀具中心点运动轨迹。6.图形管理功能按照用户要求，对所显示的刀具中心点运动轨迹图形进行视图变换操作， 如俯视图、东南等轴侧视图等共 9 种视图模式。此外可进行放大、缩小、旋转、 移动和还原等图形变换操作。16信息采集及显示功能.根据接口卡反馈的机床状态信息和加工信息，PC 进行数据处理和显示。36 主要模块的功能简要介绍PC：实现多线程的调度，数控加工文件的管理和处理，实现仿真、参数设 置和状态显示，完成粗插补和数控加工过程控制功能。USB：实现 USB 批量传输和信息采集控制。串口：辅助 USB 固件开发和调试。EEPR0M：实现 USB 的启动，从 EEPROM 获取 VID/PID/DID 和 USB 固件，并自 动装载到 USB 的片内 RAM 中。RAM：临时数据存储空间，配合对系统的调试。机床 I/O 量：系统的输入/输出开关量信号经光耦隔离、抗干扰、电平转换 等处理后，由 FPGA 控制处理，提高了系统的抗干扰能力和可靠性。考虑到 FPGA 有限的I/O 资源，部分实时性要求不高的开关量采集直接由 USB 控制器控制。 为提高系统应用的灵活性，系统输出采用了普通电平输出和差分输出两种方式， 具体方式可由操作人员具体设定。FPGA：由 FIFO 接口驱动模块、DDA 精插补控制器、三态总线模块和时钟管理模块组成。实现跨时钟域的数据传输、缓冲、处理以及产 生精插补数字脉冲功能。复位电路：产生 USB 控制器和 FPGA 上电复位和手动复位所需信号。FPGA 配置电路：完成程序下载、器件配置和嵌入式逻辑分析仪（Embedded SignalTap II Logic Analyzer)对系统的测试。电源：为提高系统的灵活性，电源输入采用了 USB 自供电和外部电源供电 两种方式，并对输入电压滤波和稳压，获取板卡所需的+1.5V、+3.3V 电压。电机驱动接口模块：电机 X、Y、Z 坐标轴的驱动脉冲经本模块抗干扰、电 平转换等处理后输出。4 基于 MK1-ZXAUSBCNC 控制板的雕刻机改造MK1-ZXAUSBCN 为国内外目前市面功能最强，性能最稳定的 MK1 硬件平台。 本产品集成了国外原厂以下几个产品：171. MK1 主板图 4.1 MK1 主板2输出板图 4.2 输出板3信号接线板图 4.3 信号接线板4注册的 MCU. CONTROLLERS18图 4.4 注册的 MCU. CONTROLLERS它全面支持雕刻机、雕铣机，广泛应用于工业模具、标牌、名牌、建筑模型、印章、广告切字、艺术品、PCB 板等产品的计算机辅助设计和加工代码生成。形成一个开放式数控系统。此设备结构科学合理，具有体积小、占地少、功能强等特点。可以帮助学生从系统整体角度去认识系统各组成部分，从而掌握机电控制系统的组成、功能及控制原理。利用它，可以从事简单的文字和图像雕刻制造。41 MK1-ZXAUSBCNC 控制板结构1强大的电源架构。最宽的电源输入范围：输入为 15-50VDC.还配备了保险丝与防接反功能。还预留 了 5V，12V 电源输出接口，供外围部件使用。参见下图：图 4.5 电源架构2所有输入输出信号全部光藕隔离。更有效的保证了系统的稳定性。主控芯片也19做门做了保护处理。 在 PCB 设计时也作了电气隔离带。实现了真正意义上的隔离。这是市面上任一款同类板所不同的，这使得本产品的抗干扰能力与系统稳定性达到了另一个级别。参见下图：图 4.7 输入输出信号细节图3与电脑相连的 USB 接口特别设计了一套接口电路：图 4.8 USB 接口特别设计图4配一条质量过硬的 1.5 米 USB 线。USB 线上已配备抗干扰磁环。DVD 光盘内有很多教学资料与使用 说明书等资料。参见下图：图 4.9 产品主要配件图20图 4.10 产品图图 4.11 主电路板图图 4.12 端口标示图21图 4.13 典型应用示意图42 产品与外围部件的接线图 4.14 外部端口接线图1电源接线部分。A 供电输入。可以使用开关电源供电，也可以使用常规的方型或环型变压器经整流滤波后给控制板供电。供电压范围为 DC15-50V.功率容量大于 5W 即可。图中上面的端子为正电源输入，下面的端子为 GND.B 供电输出。本控制板还可以为外部用电器件提供 5V，12V 两种稳定的电压输出。5V 输出的最大电流为 200MA，12V 输出的最大电流为 100MA.可以给接近开关等器件供电。22图 4.15 电源接线图注意：使用常规的方型或环型变压器经整流滤波后给控制板供电的话，由于这种供电方式受电网的影响很大， 所以如果选用此供电方式的话电压不要超过 36V2电脑接线部分本运动控制器通过一个 USB2.0 接口与电脑相联接。板上接口为 USB 标准 B 型口。USB 的线的长度不能大于 3 米。建议用 1.5 米的。注意：电脑的 USB 口必须是 2.0 的才可以。很多老式电脑上的 USB 口是 1.1 的，这种非 2.0 标准的 USB 口是不能用于接本控制器的。当本控制器与电脑第一次通过 USB 联接时，电脑会发现新硬件，并提示安装驱动程序。图 4.16 电脑接线图A.常使用状态下，控制板上的系统指示灯会不不停闪烁。 电机(主轴，坐标轴)接线部分。控制主轴相关的部分有 3 个继电器控制或 2 个继电器加一个 0-10V 调速控制，两种控制方式。 这两种控制方式通过电脑软件设置与板上的跳针结合来实现选择哪种控制方式。3 个继电器外接的 6 个端 口相当于 3 个常开开关。各个继电器有吸合指示灯。当指示灯亮时，就表示指示灯旁边的继电器吸合，对 应的两个继电器的接线端子接通。继电器可以控制主轴的开关，油泵，电磁阀等器件的工作状态。三个跳 针全插上时为 3 个继电器输出控制状态。在 3 个继电器控制时，不能同时控制 0-10V 输出。B.坐标抽 X，YZ，4 各油的接线。各个运动控制抽是以方向（ DIR，CW/CCW)，23脉冲（PUL/CLK)方式来控制电 机精确定位的。玎以支持步进驱动器与伺服驱动器的共阴或共阳接法。输出电平为 5V.驱动电流为 14MA， 最高频率为 25KHZ.注意：共阴或共汩接法软件的设置不一样。如果发现你的机器走的数据与电猫对不上 31,玎以改_个软件 的共阴或共汩接法设置试一下.共阴接法：各油驱动器的 PUL-/CLK-与 DIR-/CW/CCW-接在一起，接到控制板的GND.驱动器的接好线后要在软件设置。否则电机走的数会与电脑显示的数不对。图 4.17 外部电源示意图序号 颜色 原作用 现接口 是18 白 输入口 119 青绿 输入口 220 草绿 输入口 321 白绿 输入口 422 深紫 输入口 523 白红 输入口 624 白黑 输入口 725 淡紫 输入口 826 白灰 输入口 939 灰棕 GND 外部 5V接地GNDV-40 白蓝 GND 外部 24V接地GNDV-41 橙 外部+24V，给I/O 口供电15-50V2442 棕 外部+24V，给I/O 口供电15-50V43 深蓝 脉冲 144 浅蓝 方向 145 黑 脉冲 246 墨绿 方向 247 明黄 脉冲 348 淡黄 方向 351 红 外部 5V52 白棕 外部 5V图 4.18 线图前后改变原件1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 4243 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 6262 插口排序已布线插口 18-21 22-26 39-42 43-48 51 52图 4.19 线头排列原件25图 4.20 接线方式5 软件调试1. X 油正方向限位开关，XL-表示 X 抽反方向限 位开关。在开关处接一个常开关装在机器上特定的位置。 （_条线接 GND,_条线接 XL+/XL-).其它各油 也做一样的接线W 玎-接好线后要在软件设置。否则开关就算发电脑也不会做出相应的动作。USBCNC软件对刀换刀很方便，软件的使用单位.脉冲亳米数.速度.方向都要先调试设置好，才能正営工作.下面以 3 抽雕刻机为例介绍软件的 0 原位和和对刀操作。机器以配备 5 个限位关（最少也要 3 个，X-.Y_,Z+)，当然不安装限位也以使用，但不安全使用也不方便。第一件事，我( 丨1 用限位开关定义机器工作范围大小。先确定限位开关接线正确并且是被压 T 机器就会停止运动。数字棍显示红色。2手动对刀手动机器的位置到你开始切刀的地方(开始切削的地方并不是在最左下角） 。通常是在附近。就是离开 X- Y-限位开关位置。当然你也以去别的地方。我设置是 X 右 10.