基于ARM＆FPGA的玻璃刻花機(jī)控制器的設(shè)計(jì)

劉浪，葉伯生，周向東

(華中科技大學(xué)國(guó)家數(shù)控系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，湖北武漢 430074)

0 前言

玻璃刻花機(jī)作為一種高效的數(shù)控自動(dòng)化加工設(shè)備，可以替代傳統(tǒng)的手工加工操作，自動(dòng)完成玻璃刻花。在生產(chǎn)過(guò)程中，玻璃刻花的圖案是通過(guò)磨輪在平板玻璃上加工出各種花樣來(lái)形成的?；又饕筛鞣N基本線條組成，包括直線、圓弧、以及樣條曲線等。在加工時(shí)磨輪與加工線條保持相切，主軸電機(jī)控制磨輪高速旋轉(zhuǎn)即可在一定深度范圍內(nèi)加工出各種類型的線條［1］。

國(guó)外刻花設(shè)備已經(jīng)具備電腦自動(dòng)控制、高速回程、自動(dòng)換刀、刀具自動(dòng)補(bǔ)償?shù)认冗M(jìn)功能，具有代表性的是意大利巴伐朗尼公司 (BAVEL-LONI)及英特馬克公司 (INTERMAC)。目前，國(guó)內(nèi)研制的電腦刻花設(shè)備具備了加工速度高、自動(dòng)換刀、磨損自動(dòng)補(bǔ)償、高的定位精度及重復(fù)定位精度、線性復(fù)雜等功能。但與國(guó)外設(shè)備相比，在速度、功能性能上仍然存在很大的差距［2］。

隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展，ARM等微控制器CPU運(yùn)算速度大幅提高，處理數(shù)據(jù)寬度不斷加大，集成資源越來(lái)越豐富［3］。因此文中采用基于ARM和FPGA的嵌入式數(shù)控技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)玻璃刻花機(jī)控制器。

1 玻璃刻花機(jī)控制需求分析

玻璃刻花機(jī)是典型的五軸四聯(lián)動(dòng)機(jī)床。在生產(chǎn)過(guò)程中，刻花機(jī)能夠加工出比較復(fù)雜的圖案，這要求控制器能夠控制刻花機(jī)完成5個(gè)傳動(dòng)軸的精確運(yùn)動(dòng)，它們分別為X、Y、Y'、Z、C，其中X、Y、Y'、Z控制磨削砂輪的空間位置，Y、Y'共同控制刻花機(jī)橫梁的移動(dòng)，C軸控制砂輪的偏轉(zhuǎn)姿態(tài)角［4］。

在滿足基本數(shù)控功能的同時(shí)，刻花機(jī)控制器的軟硬件應(yīng)考慮和解決以下問(wèn)題:

(1)刻花機(jī)的橫梁比較長(zhǎng)，必須由2個(gè)電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)。控制器必須解決雙電機(jī)同步問(wèn)題;

(2)由于磨輪安裝等因素，實(shí)際加工軌跡與指令軌跡不一致，在多道工序加工時(shí)，嚴(yán)重影響加工效果，需要進(jìn)行安裝誤差補(bǔ)償處理。另外磨輪刀具的磨損，會(huì)造成線條寬度不等，切深減小，影響加工質(zhì)量，需要進(jìn)行砂輪磨損的實(shí)時(shí)補(bǔ)償;

(3)玻璃刻花一般有多道加工工序。針對(duì)玻璃刻花加工工藝的特點(diǎn)，需要對(duì)G代碼進(jìn)行擴(kuò)充，以滿足不同的工序需求，提高生產(chǎn)效率;

(4)系統(tǒng)軟件應(yīng)具有很好的可移植性和可維護(hù)性，以方便系統(tǒng)功能的升級(jí)。

2 玻璃刻花機(jī)控制器總體設(shè)計(jì)

ARM處理器的功能強(qiáng)大，帶有各種接口，在執(zhí)行程序、事務(wù)處理和數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)方面能力強(qiáng)大［5］，然而ARM對(duì)數(shù)據(jù)處理的速度不夠高，可用I/O數(shù)量有限，實(shí)現(xiàn)時(shí)序困難;與之相反，現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA具有高速的數(shù)據(jù)處理能力，能夠?qū)崿F(xiàn)精確的定時(shí)，實(shí)現(xiàn)時(shí)序簡(jiǎn)單，具有豐富的I/O接口以及很強(qiáng)的擴(kuò)展能力，正好彌補(bǔ)ARM處理器的不足之處。二者結(jié)合起來(lái)設(shè)計(jì)控制器，將獲得優(yōu)秀的功能和性能，且成本不高。采用這種控制器的玻璃刻花機(jī)系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 玻璃刻花機(jī)系統(tǒng)組成

PC機(jī)上集成了CAD/CAM軟件，用戶利用CAD軟件繪制圖形后自動(dòng)生成加工路徑，經(jīng)過(guò)CAM軟件工藝規(guī)劃后生成G代碼［6］。G代碼由以太網(wǎng)傳送給控制器，控制器讀取加工代碼和控制信息，完成刻花加工任務(wù)［7］。

2.1 玻璃刻花機(jī)控制器硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在以ARM+FPGA為核心架構(gòu)的玻璃刻花機(jī)控制器中，ARM作為主處理器負(fù)責(zé)運(yùn)行數(shù)控系統(tǒng)軟件，讀取加工代碼和控制信息進(jìn)行譯碼、運(yùn)算、邏輯處理，是系統(tǒng)的主控制;FPGA則接收ARM計(jì)算、處理結(jié)果，完成運(yùn)動(dòng)控制、PLC接口刷新等強(qiáng)實(shí)時(shí)性的任務(wù)，減輕ARM控制器的負(fù)擔(dān)［8］。ARM與FPGA之間采用32位高速并行總線連接。控制器的硬件框圖如圖2所示。

圖2 控制器硬件框圖

其中S3C2440作為主控制芯片，外接一片SDRAM和二片NAND Flash作為存儲(chǔ)部分，SDRAM作為操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件運(yùn)行的空間，NAND Flash用來(lái)存儲(chǔ)各種鏡像文件。同時(shí)設(shè)計(jì)了外圍接口LCD、鍵盤、串口等，方便數(shù)控系統(tǒng)的功能擴(kuò)充和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試;網(wǎng)絡(luò)接口用于實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)功能，便于與PC機(jī)進(jìn)行通信和數(shù)控代碼的傳輸;USB接口實(shí)現(xiàn)U盤的讀寫以及外接標(biāo)準(zhǔn)USB鍵盤。

EP2C8Q208作為ARM的輔助處理器，擴(kuò)展數(shù)字輸入輸出、軸控制、模擬量輸入輸出等接口，可實(shí)時(shí)完成數(shù)字輸入輸出的掃描和刷新、模擬輸入輸出的掃描和刷新、編碼器計(jì)數(shù)和產(chǎn)生控制驅(qū)動(dòng)器的PWM波等，F(xiàn)PGA程序框圖如圖3所示。FPGA程序主要包括4個(gè)部分:(1)硬件精插補(bǔ)模塊;(2)ARM通信接口模塊;(3)系統(tǒng)管理模塊;(4)功能模塊。其中功能模塊主要包括脈沖發(fā)送、硬件插補(bǔ)、編碼器反饋計(jì)數(shù)、數(shù)字輸入輸出和模擬量輸入輸出等子功能模塊。由于FPGA并行計(jì)算的特點(diǎn)，這些模塊都是同時(shí)、獨(dú)立工作的，沒(méi)有相互干擾，可以保證系統(tǒng)的精度和速度。

圖3 FPGA程序框圖

S3C2440和EP2C8Q208之間通過(guò)32位高速并行總線通信。它們之間通過(guò)EP2C8Q208內(nèi)部嵌入式雙口RAM交換數(shù)據(jù)。ARM以訪問(wèn)存儲(chǔ)器的方式訪問(wèn)FPGA，極大地減輕了主處理器的負(fù)擔(dān)，提高了系統(tǒng)性能。

2.2 玻璃刻花機(jī)控制器軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制器軟件平臺(tái)以Linux和實(shí)時(shí)子系統(tǒng)Xenomai構(gòu)建的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)為基礎(chǔ)，構(gòu)建基于ARM和實(shí)時(shí)Linux的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)。系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)如圖4所示。其中，程序管理、界面顯示等任務(wù)主要由上位機(jī)負(fù)責(zé)承擔(dān)，控制器主要完成系統(tǒng)的控制任務(wù)?？刂破鞯闹饕δ苣K包括G代碼解釋器、插補(bǔ)器模塊、位置補(bǔ)償模塊、位控模塊、PLC模塊、離散點(diǎn)I/O模塊等。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序使操作系統(tǒng)能夠與底層硬件設(shè)備進(jìn)行通信，進(jìn)而管理硬件設(shè)備，向應(yīng)用程序提供訪問(wèn)硬件設(shè)備的接口［9］。

圖4 控制器軟件框圖

網(wǎng)絡(luò)通信模塊是該系統(tǒng)的重要組成部分，其主要功能是提供系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控和文件參數(shù)管理?？袒C(jī)系統(tǒng)采用基于RCS庫(kù)的NML通訊機(jī)制實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和控制器之間的通訊。在開(kāi)發(fā)過(guò)程中需要移植相應(yīng)的RCS庫(kù)到控制器，并根據(jù)通訊的功能要求設(shè)置相應(yīng)的類和接口函數(shù)。

刻花機(jī)控制器主要用來(lái)控制加工圖形的輪廓，其最重要的就是插補(bǔ)功能。在該系統(tǒng)中，采用FPGA與軟件系統(tǒng)軟硬結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)插補(bǔ)，以保證插補(bǔ)的實(shí)時(shí)性。同時(shí)對(duì)加工代碼進(jìn)行前瞻處理優(yōu)化，避免了數(shù)據(jù)傳輸瓶頸，通過(guò)伺服前饋控制減少跟蹤誤差，可以實(shí)現(xiàn)高速高精加工。

刻花機(jī)控制器的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是采用RTDM實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)模型進(jìn)行開(kāi)發(fā)的，為控制軸、I/O、模擬量等寄存器提供操作接口。在該刻花機(jī)控制器中，將驅(qū)動(dòng)程序編譯為獨(dú)立的模塊，在數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)用程序運(yùn)行時(shí)，通過(guò)Insmod命令向內(nèi)核注冊(cè)，提高了系統(tǒng)的靈活性。

3 玻璃刻花相關(guān)功能設(shè)計(jì)

3.1 雙軸同步控制

電機(jī)的同步控制是玻璃刻花機(jī)控制器控制的重點(diǎn)和難點(diǎn)。在控制器中，采用并聯(lián)式結(jié)構(gòu)并采用半閉環(huán)控制，如圖5所示。主電機(jī)和從電機(jī)的實(shí)際位置是在各自的編碼器中測(cè)量的，運(yùn)行過(guò)程中如果電機(jī)受到擾動(dòng)也會(huì)很快反饋到同步模塊中，消除同步偏差，提高同步精度。

圖5 同步控制原理圖

電機(jī)1作為主電機(jī)控制Y軸的速度，電機(jī)2作為從電機(jī)跟隨電機(jī)1的速度變化，使2個(gè)電機(jī)的速度保持一致。主電機(jī)的功能是按照控制器設(shè)定的指令速度運(yùn)行，從電機(jī)是在控制器設(shè)定的指令速度基礎(chǔ)上，根據(jù)主從電機(jī)編碼器反饋的位移差值Δu，經(jīng)過(guò)控制器的同步模塊處理，調(diào)節(jié)自身的速度，從而達(dá)到同步控制的功能。其控制原理圖如圖6所示。

圖6 同步模塊PID控制

其控制規(guī)律為:

式中:e(s)=Y(s)-Y'(s)，kp為比例系數(shù)，ki為積分系數(shù)，kd為微分系數(shù)。

對(duì)控制規(guī)律表達(dá)式進(jìn)行離散化處理后，離散PID表達(dá)式為:

偏差經(jīng)過(guò)PID同步模塊處理后，調(diào)整電機(jī)Y'的輸出脈沖頻率，從而達(dá)到同步效果。

3.2 砂輪磨損的實(shí)時(shí)補(bǔ)償與安裝誤差補(bǔ)償

玻璃刻花加工一般分為粗刻、精刻、拋光。如果加工的線型是粗線條的，就需要精刻工序。在粗刻過(guò)程中，使用的是金剛輪進(jìn)行加工，由于金剛輪不易磨損，不用對(duì)它進(jìn)行補(bǔ)償，計(jì)算時(shí)根據(jù)它的半徑值直接計(jì)算。在拋光過(guò)程中，使用的是砂輪，砂輪磨損比較快，砂輪直徑會(huì)隨著磨削的進(jìn)行而減小，為了保證加工質(zhì)量，系統(tǒng)必須給予設(shè)備刀頭Z軸的補(bǔ)償。在該控制器中，根據(jù)加工分析得到的刀具磨損誤差模型，計(jì)算工件上需要的補(bǔ)償參數(shù)，修改刀具中心的走刀坐標(biāo)，從而減少由刀具磨損引起的加工誤差［10］。刀具補(bǔ)償處理過(guò)程主要包括以下3個(gè)部分。

(1)G代碼經(jīng)過(guò)控制器解釋器處理生成加工路徑。

(2)設(shè)定公差，將加工路徑進(jìn)行分段處理。設(shè)定刀具補(bǔ)償參數(shù)λ。

(3)重新生成軌跡，計(jì)算公式為

式中:l為刀具在水平方向運(yùn)行的長(zhǎng)度，z'和z分別為補(bǔ)償處理前刀具在Z軸方向上的位移。

分段補(bǔ)償?shù)脑韴D如圖7所示。

圖7 刀具磨損動(dòng)態(tài)補(bǔ)償

在加工過(guò)程中，隨著刀具不斷磨損，刀具的直徑減小，刀具切削刃的實(shí)際切削軌跡與理論切削軌跡產(chǎn)生一定的差值，切深減小，部分區(qū)域無(wú)法拋光。經(jīng)過(guò)分段磨損誤差補(bǔ)償后，刀具中心軌跡按照補(bǔ)償量進(jìn)行偏移，即采用補(bǔ)償后的修正刀具中心軌跡進(jìn)行加工，可以抵消在加工過(guò)程中由刀具磨損產(chǎn)生的加工誤差，這樣刀具切削刃的實(shí)際切削軌跡與預(yù)想的軌跡吻合，從而提高加工精度。

刻花機(jī)的砂輪安裝在C軸上，砂輪的垂直中心線應(yīng)該與Z軸的中心線保持在同一條線上。由于實(shí)際加工時(shí)安裝誤差等因素，很難保證以上二條中心線在同一條直線上，這樣會(huì)造成實(shí)際加工軌跡與指令軌跡不符，如圖8所示。因此在控制器中，需要對(duì)這一誤差加以補(bǔ)償。設(shè)某一刻指令為(x，y，z，n?)，考慮機(jī)床的機(jī)構(gòu)參數(shù)，其指令坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為 (x，y，z，c)，對(duì)應(yīng)加工點(diǎn)的坐標(biāo)為 (x'，y'，z'，c')，假設(shè)二條中心線的距離偏差大小為d，Z軸坐標(biāo)與C軸旋轉(zhuǎn)角與安裝偏差無(wú)關(guān)，C軸與加工玻璃平面保持平行，于是實(shí)際加工點(diǎn)的坐標(biāo)與指令坐標(biāo)點(diǎn)的距離和中心線之間的距離相等，即

圖8 安裝偏差對(duì)加工軌跡的影響

在順時(shí)針加工時(shí)，刀具中心實(shí)際在Z軸中心外側(cè)，導(dǎo)致加工軌跡向外偏離;如果按指令軌跡返回時(shí)，刀具中心在Z軸中心內(nèi)側(cè)，導(dǎo)致加工軌跡向內(nèi)偏離。因此，在順時(shí)針加工時(shí)，給指令軌跡一個(gè)向內(nèi)大小為d的補(bǔ)償，在逆時(shí)針加工時(shí)，給指令軌跡一個(gè)向外大小為d的補(bǔ)償，使實(shí)際加工軌跡與指令軌跡重合。

由用戶編制的G代碼生成最后的插補(bǔ)指令，中間要經(jīng)過(guò)控制器多次處理，其過(guò)程如圖9所示。

圖9 數(shù)控系統(tǒng)的G代碼處理

其中G代碼經(jīng)過(guò)解釋器譯碼處理后依次經(jīng)過(guò)安裝誤差補(bǔ)償和刀具磨損動(dòng)態(tài)補(bǔ)償處理，生成插補(bǔ)軌跡。最終的結(jié)果就是將玻璃加工程序轉(zhuǎn)化成各進(jìn)給軸的位移指令、主軸轉(zhuǎn)速指令和輔助動(dòng)作指令，控制刻花機(jī)的軌跡運(yùn)動(dòng)和邏輯動(dòng)作。

3.3 磨削工藝的控制

所設(shè)計(jì)的玻璃刻花機(jī)控制器主要用于細(xì)線條的加工，只需要經(jīng)過(guò)粗刻和拋光2個(gè)工序。拋光加工路徑是基于粗刻加工路徑計(jì)算的。該控制器支持粗刻和拋光分開(kāi)進(jìn)行加工，也支持二者連續(xù)進(jìn)行，無(wú)需手動(dòng)切換。在不支持自動(dòng)換刀的刻花機(jī)系統(tǒng)中，粗刻加工完成之后，用戶需手動(dòng)換刀，然后進(jìn)行拋光加工。如果系統(tǒng)支持自動(dòng)換刀，粗刻加工完成之后，拋光工序可以自動(dòng)運(yùn)行。這個(gè)功能主要是通過(guò)宏代碼的條件轉(zhuǎn)移來(lái)實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)將宏變量設(shè)置成不同的值，在G代碼中進(jìn)行條件判斷，執(zhí)行不同的子程序。如設(shè)置系統(tǒng)宏變量#520來(lái)控制這一工藝。具體的流程圖如圖10所示。

圖10 刻花機(jī)加工工藝流程圖

開(kāi)發(fā)人員在軟件里定義了相應(yīng)宏的功能，方便用戶對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。用戶在操作界面設(shè)定了相應(yīng)宏的值后，控制器根據(jù)該值開(kāi)始運(yùn)行指定工序。具體的G代碼如下所示。

其中子程序%0010為粗刻工序，子程序%0011為拋光工序，子程序%0012為粗刻后自動(dòng)換刀進(jìn)行拋光工序。

4 結(jié)束語(yǔ)

作為一種中低端專用數(shù)控裝置，基于ARM+FPGA的玻璃刻花機(jī)控制器能夠較好地滿足玻璃刻花加工的功能要求。針對(duì)玻璃刻花數(shù)控系統(tǒng)的特點(diǎn)，利用嵌入式數(shù)控技術(shù)來(lái)完成從底層硬件到上層軟件的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，使系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性。圖11是以設(shè)計(jì)的玻璃刻花機(jī)控制器為核心連接了伺服驅(qū)動(dòng)、電機(jī)、繼電器和機(jī)械本體等組裝成的一套完整的玻璃刻花機(jī)，能夠達(dá)到實(shí)際加工要求。

圖11 數(shù)控玻璃刻花機(jī)

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