基于“PC+CPLD”的激光雕刻機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

吳一川,張 輝,李 方,張 翔,孫 思,張為昭

(1. 清華大學(xué) 機(jī)械工程系,北京 100084;2. 清華大學(xué) 北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100084;3. 清華大學(xué) 汽車(chē)工程系,北京 100084)

基于“PC+CPLD”的激光雕刻機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

吳一川1，2,張 輝1，2,李 方1，2,張 翔1，2,孫 思3,張為昭1，2

(1. 清華大學(xué) 機(jī)械工程系,北京 100084;2. 清華大學(xué) 北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100084;3. 清華大學(xué) 汽車(chē)工程系,北京 100084)

為了使學(xué)生更好地掌握數(shù)控技術(shù)方面的知識(shí),設(shè)計(jì)了一套基于運(yùn)動(dòng)控制板卡的綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)采用PC機(jī)作為人機(jī)交互界面和算法處理單元,以CPLD作為底層運(yùn)動(dòng)控制主芯片,實(shí)現(xiàn)從PC端到機(jī)電端的數(shù)字運(yùn)動(dòng)控制。實(shí)踐表明,該系統(tǒng)有效地鍛煉了學(xué)生理論結(jié)合實(shí)踐的能力,為數(shù)控實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了良好的平臺(tái)。

數(shù)控教學(xué);激光雕刻機(jī);運(yùn)動(dòng)控制卡;CPLD

數(shù)控技術(shù)是機(jī)械加工現(xiàn)代化的重要基礎(chǔ)與關(guān)鍵技術(shù)[1],為了能夠幫助相關(guān)專(zhuān)業(yè)學(xué)生掌握數(shù)控系統(tǒng)的工作原理,增加學(xué)生數(shù)控技術(shù)方法的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),許多院校都自行開(kāi)發(fā)了數(shù)控教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。文獻(xiàn)[2]建立了基于網(wǎng)絡(luò)交互的數(shù)控機(jī)床綜合教學(xué)平臺(tái),文獻(xiàn)[3]構(gòu)建了基于FANUC數(shù)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái),文獻(xiàn)[4]搭建了基于PC機(jī)的數(shù)控實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),前三者側(cè)重點(diǎn)在于讓學(xué)生學(xué)習(xí)和了解G代碼。近年來(lái),以我們自主研制的激光雕刻機(jī)為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)作為清華大學(xué)機(jī)械制造及自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的一門(mén)重要的專(zhuān)業(yè)課程,越來(lái)越受到學(xué)生的歡迎。

在教學(xué)用激光雕刻機(jī)控制系統(tǒng)中,控制器可以采用“PC+高速運(yùn)動(dòng)控制卡”或“DSP+FPGA”構(gòu)成,兩者雖然性能較好,但是對(duì)于教學(xué)來(lái)說(shuō)工作量大、成本高、開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)并且控制復(fù)雜[5-6]。為此,綜合考慮教學(xué)需求,本文給出了“PC+CPLD”的控制方案,構(gòu)建了新的雕刻機(jī)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

基于PC+CPLD的綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的整體如圖1所示,數(shù)控系統(tǒng)主要由5部分組成:上位機(jī)PC、下位機(jī)CPLD運(yùn)動(dòng)控制卡、激光器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器及伺服電機(jī)和機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)。PC機(jī)作為人機(jī)交互界面和算法處理單元,向CPLD運(yùn)動(dòng)控制卡發(fā)送數(shù)據(jù)使其產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào),控制激光器并通過(guò)驅(qū)動(dòng)器控制電機(jī),經(jīng)機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)機(jī)電端的數(shù)字運(yùn)動(dòng)控制。

圖1 系統(tǒng)整體示意圖

2 上位機(jī)控制

2.1 插補(bǔ)算法

本實(shí)驗(yàn)機(jī)械工作平臺(tái)只有X、Y,需要直線(xiàn)和圓弧插補(bǔ)器來(lái)實(shí)現(xiàn)或逼近各種各樣的加工軌跡。插補(bǔ)器既可以由硬件電路實(shí)現(xiàn)，也可以由計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn),即分為硬件插補(bǔ)器和軟件插補(bǔ)器[7-8]。對(duì)于硬件插補(bǔ)器,其邏輯電路結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,所需的元件較多,造價(jià)高,但可靠性差[9];對(duì)于軟件插補(bǔ)器,則完全借助于計(jì)算機(jī)編程指令來(lái)完成插補(bǔ)運(yùn)算,不必改動(dòng)硬件,根據(jù)插補(bǔ)公式采用不同的插補(bǔ)程序就能獲得不同的插補(bǔ)功能,也可以插補(bǔ)橢圓、拋物線(xiàn)等比較復(fù)雜的函數(shù)曲線(xiàn),學(xué)生更容易操作和學(xué)習(xí),使教學(xué)具有較高的靈活性。

為幫助學(xué)生理解數(shù)控插補(bǔ)算法,本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)提供了利用計(jì)算機(jī)編程的逐點(diǎn)比較法。采用此方法既能加工直線(xiàn)輪廓,又能加工圓弧曲線(xiàn)軌跡，簡(jiǎn)化算法程序。直線(xiàn)插補(bǔ)的流程圖如圖2所示,其中Xe和Ye分別代表加工終點(diǎn)相對(duì)于起始點(diǎn)的橫縱坐標(biāo),n總步數(shù)。學(xué)生可根據(jù)需要,自行編寫(xiě)其他的插補(bǔ)算法,最終通過(guò)觀(guān)察加工軌跡終點(diǎn)的準(zhǔn)確性和軌跡跟蹤誤差等,比較不同插補(bǔ)算法的優(yōu)缺點(diǎn)。

圖2 直線(xiàn)逐點(diǎn)比較法算法流程圖

2.2 編譯環(huán)境和人機(jī)交互界面

實(shí)驗(yàn)所用的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境是VC++6.0,采用C語(yǔ)言編程。向?qū)W生提供軟硬件接口,由MFC生成的人機(jī)交互界面包含4個(gè)按鈕、2個(gè)靜態(tài)文本框和1個(gè)編輯文本框,如表1所示。在實(shí)驗(yàn)中,要求學(xué)生在按鈕控件背后添加功能函數(shù),靜態(tài)文本框里的參數(shù)設(shè)置成電機(jī)速度和激光強(qiáng)度,編輯文本框里用以命名工程,以便保存。

表1 軟硬件接口

3 下位機(jī)控制

3.1 主控芯片

下位機(jī)主控制芯片選用的是可編程邏輯器件,該系統(tǒng)既可以通過(guò)FPGA，也可以通過(guò)CPLD來(lái)實(shí)現(xiàn)功能,兩者均具有系統(tǒng)體積小、實(shí)時(shí)性強(qiáng)和能同步控制多路并行信號(hào)的特點(diǎn)[10]。為使系統(tǒng)的構(gòu)建簡(jiǎn)單方便,本設(shè)計(jì)選擇無(wú)需附加專(zhuān)門(mén)的數(shù)據(jù)重載器和相關(guān)電路的CPLD作為主控芯片。可編程器件CPLD采用乘積項(xiàng)技術(shù),內(nèi)含多個(gè)可以實(shí)現(xiàn)“與”、“或”功能的邏輯宏單元,在編程燒錄以后通過(guò)可編程連線(xiàn)陣列將宏單元連接,采用邏輯關(guān)系乘積及求和的方式組成邏輯,完成所需功能[11]。在Quartus Ⅱ編譯環(huán)境中采取硬件描述語(yǔ)言Verilog HDL編寫(xiě)程序,編譯通過(guò)后,生成RTL級(jí)圖,RTL級(jí)圖表達(dá)了CPLD內(nèi)部實(shí)際的各種門(mén)電路、觸發(fā)器和各個(gè)管腳的邏輯組合情況[12-13]。因此每次對(duì)CPLD的編程燒錄都相當(dāng)于重新連接芯片內(nèi)部的微小電路,改變了內(nèi)部的硬件,獲得一組符合工作要求的真實(shí)存在的邏輯電路,具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)和能夠同步控制信號(hào)的特點(diǎn)。

脈沖發(fā)送部分代碼：

always @(posedge CLK) begin if(num >0) begin IRQ <= 1; if (clk_cnt1 == 1000) begin clk_cnt1 <= 0; if(pulse==1) begin pulse <=0; num <=num-1; pre_pulse <=1; end else begin pulse <=1; pre_pulse <=0; end end else begin pre_pulse <= pulse; clk_cnt1 <= clk_cnt1 +1; end end else begin IRQ <= 0; clk_cnt1 <=0; pulse <=0; end D[7] <= pulse & move_x; D[6] <= pulse & move_y;

if (num==0) D[3] <=0; end

3.2 數(shù)據(jù)解析

學(xué)生把規(guī)劃好的軌跡用指令寫(xiě)入到上位機(jī)編譯環(huán)境中,通過(guò)插補(bǔ)算法生成數(shù)據(jù)后將數(shù)據(jù)發(fā)送至下位機(jī)CPLD。CPLD解析數(shù)據(jù)并輸出實(shí)時(shí)控制信號(hào),信號(hào)經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)裝置,使兩軸機(jī)械平臺(tái)配合激光工作,在工件上雕刻出軌跡。將經(jīng)過(guò)上位機(jī)插補(bǔ)運(yùn)算后的數(shù)據(jù)按照順序排列成一個(gè)八位數(shù)組,通過(guò)中斷響應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳送過(guò)程,底層程序流程見(jiàn)圖3。每當(dāng)CPLD接收一個(gè)字節(jié),則需要立即解析該數(shù)據(jù),解析后由CPLD輸出控制信號(hào),使電機(jī)和激光配合加工,數(shù)據(jù)解析如圖4所示。

圖3 底層程序流程圖

4 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

學(xué)生了解整個(gè)系統(tǒng)后,自行搭建圖5所示的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。10 W的CO2激光器出束口距離加工平臺(tái)上表面約為20 cm，做好后在上位機(jī)中輸入規(guī)劃的軌跡,執(zhí)行加工操作。在激光出束過(guò)程中,注意自身安全。

圖5 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一套基于“PC+CPLD運(yùn)動(dòng)控制卡”結(jié)構(gòu)的數(shù)控教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái),完成了硬軟件方面的搭建。系統(tǒng)成本較低,充分利用PC的人機(jī)界面方便用戶(hù)使用及邏輯運(yùn)算能力強(qiáng)的特點(diǎn),依靠CPLD的高速、低成本、實(shí)時(shí)同步強(qiáng)和開(kāi)發(fā)靈活的優(yōu)勢(shì),為學(xué)生建立了優(yōu)良的綜合訓(xùn)練平臺(tái),達(dá)到了讓學(xué)生深入理解數(shù)控系統(tǒng)的目的。

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Design of a teaching experimental platform of laser engraving machine based on “PC+CPLD”

Wu Yichuan1，2,Zhang Hui1，2,Li Fang1，2,Zhang Xiang1，2,Sun Si3,Zhang Weizhao1，2

(1. Department of Mechanical Engineering,Tsinghua University,Beijing 100084,China;2. Beijing Key Laboratory,Tsinghua University,Beijing 100084,China; 3. Department of Automotive Engineering,Tsinghua University,Beijing 100084,China)

Under the demand of the teaching background to make the students grasp the numerical control technology and knowledge better,a new set of motion control board hardware and software platform is designed. The whole system adopts the PC as a man-machine interface and algorithm processing unit,and the CPLD as the main underlying motion control chip,realizing motion control which is from PC to mechatronical terminal. Practice shows that the students’ ability to combine theory with practice is improved effectively,which provides a useful platform for the NC teaching.

numerical control teaching;laser engraving machine;motion control card;CPLD

2014- 05- 28

清華大學(xué)自主項(xiàng)目“數(shù)控立柱移動(dòng)立式銑車(chē)床關(guān)鍵零部件的剛度保證技術(shù)研究重大專(zhuān)項(xiàng)”(2009ZX04002-021)

吳一川(1990—),男，四川自貢,碩士,主要研究方向?yàn)闄C(jī)械電子

E-mail：wu-yc13@mails.tsinghua.edu.cn

張輝(1969—),女,山東威海,博士,副研究員,主要研究方向?yàn)橄冗M(jìn)制造裝備及自動(dòng)化.

E-mail：wwjj@tsinghua.edu.cn

G484;TG665

A

1002-4956(2015)1- 0087- 04