高速高精度五軸口腔修復體加工設備數控硬件平臺研制

翟慶一，曹宇男，葉佩青

（1.山東職業學院 電氣工程系，濟南 250104；2.清華大學 精密儀器與機械學系，北京 100084）

0 引言

以“三維數字化技術”為特征的口腔用CAD/CAM系統，較傳統的口腔診療模式科技含量高、精度高、效率高、診療周期短，省時省力，并已成為義齒行業的發展趨勢。國外自Duret教授1983年研制成功了世界上第一套義齒CAD/CAM系統以來，口腔CAD/CAM技術不斷發展和完善，目前已開發出了如德國 CEREC、KaVo，DentiCAD、Degussa，法國的Sopha、瑞典的 Procera、美國明尼蘇達大學的Rekow、荷蘭的Cicero等十幾種成熟的口腔用CAD/CAM系統。但是我國口腔設備和材料自主研發起步晚，產業核心技術欠缺，先進的口腔診斷，治療軟件、設備、材料均依賴進口，醫療成本很高，無法使社會大眾普遍受益。

國內開展了口腔修復體制造系統的研究開發，取得了一定的進展。如國家自然科學基金項目“牙頜模型三維激光掃描、測量分析系統的研制”、“全口義齒計算機輔助設計與制作”，國家863計劃課題“機器人輔助全口義齒排牙系統的研制”、“數字化口腔修復體制作裝備關鍵技術的研究開發”等[1]。但是，迄今為止國內尚無自主知識產權，適合我國國情的口腔修復個性化設計與快速加工設備?？谇恍迯腕w制造流程如圖1所示，首先使用三維掃描設備對標準牙頜模模型進行掃描，得到數字化牙頜模模型輸入CAD軟件，然后根據患者實際需求修改模型，最后使用專用精密數控加工設備直接加工出口腔修復體成品[2]。對精密數控加工設備來說，由于口腔修復體具有體積小、表面為復雜三維凹凸面、精度高等特點，如圖2（a）；刀具細?。ㄖ睆綖?.5～3 mm），如圖2（b）；切削材料有玻璃陶瓷、初燒結氧化鋯、樹脂等材質，有的脆有的硬，必須制定合理的工藝規程，以最佳切削量和最佳進給速度，才能即確保切削順利完成，又保證較高的加工效率。這就要求數控加工設備要軟硬件緊密配合，統籌優化，同時對數控加工設備硬件的性能提出了很高的要求。

圖1 口腔修復體制造流程流程

圖2 口腔修復體及加工刀具

國家十五期間863課題“數字化口腔修復體制作裝備關鍵技術的研究開發” 研制了一臺樣機，采用基于PC的開放式體系結構，軟件系統采用RTLinux+MiniGUI系統，硬件采用PMAC卡[3]。加工零件程序進入系統要經過4個子過程的處理，分別為：數控代碼編譯及刀補子過程、速度及加減速處理子過程、插補子過程、控制信息輸出子過程。各子過程通過信號燈協調，并行運行，形成數據處理流水線。其中控制信息輸出子過程嚴格按照插補周期間隔將位置控制命令經過當量轉換后輸出到CNC系統底層硬件設備，由硬件設備實現對機床運動軸的控制。由于加工過程需要進行靈活的速度規劃，不方便使用PMAC上的插補模塊，造成資源浪費，且PMAC為ISA接口，數據傳輸速度較低，使整個系統配置不能達到最優。本文從實用角度出發，介紹PCI總線接口的基于FPGA和CAN的五軸數控硬件平臺的研制。

1 系統總體結構設計

國內已經設計了各種數字運動控制系統，王文斌等設計的基于MPC5200處理器和嵌入式Linux系統的數控系統，所有任務處理在一個處理器上實現，系統擴展性差[4]；王典洪等設計的基于ARM和MCX314AS的數控系統，無法實現速度規劃控制[5]；黃迎華等設計的DSP+FPGA的數控系統[6]，劉渙雨等設計的基于NiosⅡ和FPGA的數控系統，沒有使用現場總線技術，擴展性不足[7]。

針對口腔修復體加工設備高速高精的要求，在本文中，數控系統采用IPC（工控機）+RTLinux+運動控制卡的開放式體系結構。此外，我們還提出了運動控制卡采用基于PCI總線，以FPGA為核心，通過CAN總線擴展I/O的硬件平臺方案，如圖3所示。

硬件平臺由主控卡和I/O控制卡兩部分組成，主控卡是系統核心部件，以PCI總線與IPC連接，采用FPGA產生五軸驅動信號、同時具有碼盤技術、定時中斷和通信功能；I/O模塊采用ARM+CPLD結構，以CAN總線實現和主控卡高效通信，完成I/O擴展和模擬量控制功能。整個系統可連接5個電機驅動器用于五軸數控機床控制，支持五軸聯動，同時可連接主軸變頻器、手輪等，并預留多路通用光電隔離輸入接口和繼電器輸出接口。

圖3 系統組成示意圖

圖4 PCI主控卡硬件框圖

2 主控卡設計

目前即使對普通的IPC也能輕松滿足插補運算的開銷，因此插補運算由IPC軟件完成，這樣更方便算法的優化升級，簡化硬件設計。主控卡核心部件采用Altera的Cyclone III系列FPGA EP3C16Q240C8N，采用PCI總線和IPC接口，接口芯片采用PCI9030，性能可靠、兼容性強。PCI9030支持PCI v2.2規范，PCI接口32位/33MHz，Burst傳輸模式高達132M字節/秒，局部總線操作時鐘最高60MHz，為FPGA和IPC搭建起高速數據傳輸通道。主控卡組成框圖如圖4所示，其中PCI9030負責將PCI總線轉換成局部總線。通過局部總線擴展SJA1000 CAN總線控制器和FPGA。FPGA內部由脈沖發送模塊、串口控制模塊、碼盤計數模塊、定時器模塊和I/O控制卡組成。CAN BUS和直接輸入信號組成XBUS總線，用于控制系統內的擴展連接；RS485/RS422用于與驅動器、變頻器或PLC通訊。下面重點介紹FPGA內部關鍵模塊的設計，開發環境Quartts II 9.1，采用Verilog HDL語言設計。

脈沖發送模塊用于產生指定脈沖頻率和數量的脈沖，使用FIFO實現連續輸出不同頻率和數量要求的脈沖，滿足機床變速連續控制的需要。脈沖發送模塊的設計使用了由Quartus的megaWizard工具設計的PLL和FIFO。原理框圖如圖5所示。

圖5 脈沖發送單元的原理框圖

脈沖頻率采用脈沖半周期寬度控制，驅動脈沖產生方法如圖6所示。先產生高電平指定寬度，再產生低電平指定寬度，TCnt 為脈沖寬度計數單元，起始值為TCnt_Cur，當TCnt減到為1時，如果剛剛產生完正半周需要產生負半周時或剛產生完負半周（即一個完整脈沖發送完成）同時NumCnt_Cur不為0時，重新載入TCnt_Cur初值，NumCnt_Cur保存的是以當前脈沖寬度還需要發送的脈沖個數，在輸出脈沖的下降沿，NumCnt_Cur減1。

圖6 驅動脈沖產生方法示意圖

寫入脈沖寬度和個數后，最快在7個clk_pulse后開始產生脈沖。先產生高電平，再產生低電平，指定的半周期寬度最小值為7，即7個基準時鐘周期。例如，基準時鐘為100MHz，則可以產生最高頻率為100/7/2=7MHz的脈沖。

定時模塊采用開源的定時器軟核（Free IP Core PTC），用于按照插補周期產生精確的計時中斷信號。為提高事件的及時響應能力，對直接輸入信號、編碼器脈沖輸入信號、脈沖發生器、串行接口模塊均設置了中斷信號。中斷信號的處理包括中斷允許，中斷標志獲取，中斷事件的建立和清除。設置中斷允許int_en、中斷事件int_event和中斷標志int_ fl ag三個32位寄存器管理中斷信號。

中斷事件的設置和清除相關代碼如下：

if((cs_int_event == 0) && (wr_n== 0))

//數據總線LOCA_D中，要清除的中斷位為1

int_event 〈= (int_event &(～LOCA_D));

else

//根據中斷標志寄存器的值設置中斷事件

int_event 〈= int_event | int_ fl ag;

end

中斷請求信號的產生代碼如下：

//若有中斷事件為1，且允許中斷為1，則使中斷請求線=0，與非邏輯

assign FPGA_INT = ((int_event & int_en)==32'h0) ? 1: 0;

3 I/O控制卡設計

機床有限位信號、對刀儀信號、刀庫控制信號、照明控制信號、門開關信號、冷卻泵控制信號、電源控制信號等各種開關量信號，有的還需要模擬量信號，如電火花加工機床。I/O控制卡完成I/O擴展和模擬量控制功能，結構框圖如圖7所示。I/O控制卡CAN總線與主控卡通訊，相應主機的控制命令，通過ARM處理器操作CPLD內的控制寄存器，實現本地信號的采集和輸出。

圖7 I/O控制卡框圖

4 CAN通信設計

CAN是ISO國際標準化的串行通信協議，采用短幀結構、仲裁技術和檢錯措施，保證數據傳輸的實時性和高可靠性，適于在數控機床高干擾環境下使用[8]。主控卡采用獨立的CAN控制器SJA1000，I/O控制卡采用ARM處理器內置CAN總線控制器。主機按照自定義CAN通信協議和I/O控制卡交換數據。

圖8 報文ID格式說明

消息格式采用擴展數據幀，即報文ID是29位，報文數據0～8字節。共自定義了12種命令，命令字00H-0BH，每種命令有若干功能，通過功能碼進行區分。報文ID各位功能說明如圖8所示。以驅動器輸出信號控制命令為例，伺服驅動器有開啟（0：SON）、增益切換（1：CDP）、急停（2：EMG）、復位（3：RES）和高速（4：FAST）5個控制信號。命令碼為4；功能碼8位最高位表示位狀態，0為復位，1為置位，其余7位以二進制數值表示要控制的信號，比如1000011表示把復位（RST）置1。

為了快速相應主機命令，ARM程序采用中斷處理CAN通信，為了加快命令解析速度，命令碼和功能碼均從0開始連續編碼，設置一個命令函數指針數組cmd_call[]，數據的元素是指向命令函數的指針；每個命令對應多個功能，均有唯一的功能函數，為每個命令建立功能函數指針數組cmd0_call[]、cmd1_call[]……，數組元素為指向功能函數的指針。CAN通信程序通過采用函數指針數組能快速解析命令和調用功能函數，保證了主控卡和I/O控制卡通信的實時性。

5 結束語

本文設計的數控硬件平臺，通過軟硬件結合，統籌優化設計，使口腔修復體專用雕銑機系統性能獲得了整體提高，定位精度達到0.02mm，3D型面切削精度達到0.02mm，最快切削進給速度達到6000mm/min，氧化鋯材料單顆牙齒加工時間小于20分鐘，達到國外同類產品水平。同時采用硬件功能軟件化技術，降低了系統成本。由于本硬件平臺采用開放式體系結構、模塊化設計，具有資源豐富、可定制性強、開發周期短、運行速度快、控制精度高的優點，能廣泛應用在同類五軸數控加工機床上。

[1] Yong-De Zhang,Zhan-Fang Zhao,Pei-Jun Lu,Yong Wang,Ru-Jie Song,and Ji-Lian Lu,＂Robotic System Approach for Complete Denture Manufacturing＂,IEEE/ASME TRANSACTIONS ON MECHATRONICS,2002,7(3):392-396.

[2] M.Y.Lee,C.H.Kuo,C.C.Chang and Y.C.Ku,＂Custom denture fabrication with new abrasive computer tomography and rapid prototyping technologies,＂IEEE International Conference on Systems,Man and Cybernetics,Vol.3,pp.2425－2430,2005.

[3] 楊更更,葉佩青,楊開明,游華云.基于PC+NC型體系結構的高性能數控系統的研究[J].機床與液壓,2003.

[4] Wenbin Wang,Tao Yu,and Tan Liu,＂A research on recon fi-gurable numerical controller based on embedded system＂,IEEE 3rd International Conference on Mechatronics, Shanghai,China,pp.189-193,July 2006.

[5] Dianhong Wang,and Xiaoyong Ni,＂Design of small reconfigurable embedded numerical control system＂,The 2008 International Conference on Embedded Software and Systems,Chengdu,China,pp.415-421,July 2008.

[6] 黃迎華,方凱,張耀欣.DSP控制卡在高速數控雕銑機中的研究實現[J].自動化與儀表,2006.

[7] 劉煥雨,葉佩青,趙彤,郭允.基于NiosⅡ和FPGA的數字運動控制系統研制[J].機床與液壓,2010,38(5):59-63.

[8] 潘月斗,許鎮琳,楊堂勇,徐東桂.一種基于CAN總線的機床數控系統接口設計研究[J].中國機械工程,2007,18(2):178-182.