基于雙STM32+FPGA的桌面數控車床控制系統(tǒng)設計

文杰棱 韓震宇 王詠麒 田海林

(四川大學制造科學與工程學院，四川 成都610065)

桌面數控設備對小尺寸零件加工在成本、功耗和占地面積等方面有著巨大優(yōu)勢。桌面數控設備大致有3種實現(xiàn)方案：第一種為微型機床搭配傳統(tǒng)數控系統(tǒng)，但是桌面數控設備對成本敏感；第二種為基于PC的數控系統(tǒng)軟件及其相應接口卡控制微型機床[1]，由于軟件設置復雜，很難針對不同需求進行修改，結果表現(xiàn)為精度差、穩(wěn)定性不高；第三種方案為在一定硬件平臺下，自行完成數控系統(tǒng)設計。

方案三中，根據硬件平臺的不同，可分為基于PC[2-3]和基于嵌入式芯片[4-7]。基于PC的數控系統(tǒng)可簡化在任務調度和通信等方面的工作，實現(xiàn)仿真加工、軌跡顯示等復雜的人機交互功能。但是引入PC不僅增大體積和成本，同時由于通用操作系統(tǒng)不滿足數控系統(tǒng)實時性要求，需要增加實時性內核補丁或者使用硬件實現(xiàn)數控系統(tǒng)中高實時性任務[8-9]。嵌入式芯片在單個芯片上高度集成了CPU、RAM、ROM以及豐富的外設，在體積、功耗和成本上相對與PC有巨大的優(yōu)勢。STM32是基于Cortex?-M內核開發(fā)的一系列32位微處理器，主頻從32 MHz到480 MHz，可以平衡嵌入式數控系統(tǒng)對CPU實時計算能力和成本的要求。因此本設計采用STM32完成數控系統(tǒng)設計，使用FPGA輔助STM32控制具體執(zhí)行器，并設計桌面車床[10]進行驗證。

1 數控車床控制系統(tǒng)模式分類

傳統(tǒng)數控系統(tǒng)模式邊界模糊，易使初學者混淆。對這些模式的功能及其實現(xiàn)方式分析可概括為兩種模式：手動加工和自動加工。

合理的功能分類有助于理清任務內容，降低使用門檻。在具體實現(xiàn)中，兩模式存在實現(xiàn)方式的重疊，部分硬件和軟件可以共用。依據客戶機-服務器設計模式(Client-Server(C/S))，將數控車床控制系統(tǒng)劃分為客戶機和服務器兩部分?？蛻魴C主要完成人機交互類工作，服務器主要完成參數修改、動作執(zhí)行以及數控系統(tǒng)的核心功能，G代碼執(zhí)行。兩部分主要通過自定的不對稱通信協(xié)議實現(xiàn)服務器接收執(zhí)行客戶機指令，并返回執(zhí)行結果，協(xié)同實現(xiàn)兩種加工模式。

2 硬件設計

硬件是數控系統(tǒng)的基礎，硬件設計要滿足數控系統(tǒng)在數據處理能力、多軸聯(lián)動同步性、存儲能力和抗電磁干擾等方面的要求。限于篇幅，這里不對具體電路原理圖展開，僅從需求角度對數控系統(tǒng)硬件部分進行分析設計。

2.1 客戶機部分硬件設計

客戶機部分的主要任務是人機交互，而屏幕顯示和虛擬按鍵是人機交互的主要設備。為了降低工作量，提高開發(fā)效率，許多嵌入式設計采用串口屏實現(xiàn)人機交互[4,11-12]，但是設計受限且串口屏面向一般工業(yè)應用場景，不滿足坐標顯示等高實時要求。因此在客戶機硬件設計中采用STM32F429+觸摸屏自行進行人機交互開發(fā)。同時充分利用STM32豐富的外設，增加USB、SD接口用于U盤、鍵盤以及SD卡等外部G代碼輸入；使用Flash實現(xiàn)G代碼板內存儲；添加32MB的SDRAM拓展STM32F429內存，同時作為顯示屏顯存；拓展手輪接口用于外接電子手輪；預留以太網、RS485接口增加系統(tǒng)開放性以及功能可拓展性。

2.2 服務器部分硬件設計

由于服務器承擔自動加工中絕大部分任務，所以服務器硬件需要滿足數控系統(tǒng)實時性、同步性以及穩(wěn)定性要求。采用主頻高達216 MHz、支持浮點運算的STM32F767以達到數控系統(tǒng)的實時性要求。采用EP4CE15F484同步發(fā)送各軸運動指令到電機驅動器。添加SDRAM拓展內存，提高最大G代碼行數避免系統(tǒng)死機；使用FMC進行STM32和FPGA的主從通信；由于FPGA直接與執(zhí)行器和傳感器連接，增加光耦隔離避免外部信號干擾等。

2.3 總體硬件設計

雖然通過兩個MCU完成客戶機和服務器任務，但是考慮到體積和安裝，將兩部分集成在同一塊PCB電路中，共用必需的電源、時鐘、急停、指示燈等模塊。數控系統(tǒng)整體的硬件架構如圖1所示：

3 軟件設計

軟件設計主要對客戶機功能、服務器任務進行分析設計。限于篇幅，且有許多文獻[13-16]對譯碼、刀補和插補等進行介紹，這里不對所有子功能模塊詳細闡述。

3.1 客戶機軟件設計

emWin是針對嵌入式平臺開發(fā)的圖形軟件庫。使用emWin控件可以如同搭積木一般完成界面編輯，再由STM32的LTDC控制器驅動顯示屏實現(xiàn)界面顯示。emWin支持觸摸屏，周期性檢測觸摸交互，并獲取屏幕坐標系下的點擊位置坐標，通過點擊位置與界面控件位置比較判斷是否該控件被操作，在控件回調函數中編寫響應函數實現(xiàn)虛擬按鈕功能。通過對不同按鈕類控件編碼，在按鈕控件回調函數中將對應編碼寫入內存即可完成標準G代碼或者其他類型數據的虛擬按鍵輸入。傳統(tǒng)數控車床支持使用電子手輪，相對于按鈕，電子手輪可以實現(xiàn)靈活微進給，根據搖動速度控制電機進給速度，為對刀等操作提供極大便利。FatFs是針對嵌入式系統(tǒng)設計的文件系統(tǒng)模塊，F(xiàn)atFs根據扇區(qū)信息完成數據讀寫，并做必要的數據保護，對不同的存儲介質提供泛型操作?？蛻魴C與服務器之間使用4Mbps串口通信，以滿足大數據指令響應的實時性。服務器返回的結果類型較多，串口接收中斷解析可能會導致客戶機系統(tǒng)有較大的時間抖動，所以需要將除顯示實時性要求高的(如坐標)結果使用FIFO緩沖區(qū)暫時存儲，待其他任務完成后再對結果解析。觸摸檢測、屏幕顯示和結果解析在宏觀上是并行任務，因此借用嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅲ進行任務調度，同時emWin和FatFs亦可以使用操作系統(tǒng)提供的信號量等共享資源保護機制進行資源保護。

3.2 服務器軟件設計

限于服務器內存大小需要將譯碼、刀補和插補等模塊并行執(zhí)行以降低對緩沖區(qū)需求，因此帶來任務調度、共享資源管理問題。隨著硬件的發(fā)展，MCU片上RAM大小增加，而且可以外擴RAM增加系統(tǒng)內存，因此許多并行任務可以轉為串行執(zhí)行，從而簡化設計，降低系統(tǒng)耦合，增加系統(tǒng)魯棒性。

由于服務器被動響應客戶端指令，所以在服務器空暇時，應該不停查詢是否存在指令通過數據通信送達，根據指令內容通過函數指針調用執(zhí)行參數修改、動作執(zhí)行、G代碼執(zhí)行等服務類任務。參數修改任務不僅提供對刀數據等自動加工時必需參數修改，也可以修改電機參數(最大速度、加速度等)以及機床參數(最大行程、前/后置刀架、螺距等)，提高數控系統(tǒng)柔性。動作指令發(fā)送的先后必然破壞聯(lián)動的同步性，所以動作執(zhí)行任務僅需考慮同一時間下單軸動作，即對應手動加工模式。

G代碼任務包括譯碼、刀補、速度規(guī)劃、G代碼解釋等子任務[16]。通過FatFs讀入系統(tǒng)的文本文件是以字符數組保存的，如果在G代碼解釋時再尋找指令，無法滿足加工速度提出的實時性要求。因此，譯碼需要預先從字符數組中提取并檢查指令及其數據。刀具長度補償是指當刀具長度因為換刀、磨損導致切削不到工件時，補償這部分缺失而不需要重新對刀，節(jié)省時間；速度控制主要指加減速控制，也有針對連續(xù)微小線段進行速度前瞻控制[17]，G代碼中描述的軌跡，都是從零速度開始，零速度結束。根據牛頓定律，必然存在加速和減速過程，對于步進電機，在啟動頻率之下，加工精度要求不高，可以不考慮加減速。頻繁的啟停影響加工效率，速度前瞻控制引入轉接速度避免電機啟停。G代碼解釋將G代碼轉換為具體指令驅動執(zhí)行器運動。對于簡單執(zhí)行器，如冷卻液、照明等，只需控制FPGA產生相應的高低電平；對于單個復雜執(zhí)行器，如直流無刷電機，控制FPGA產生相應的使能、方向電平信號以及速度脈沖信號序列發(fā)送給直流無刷驅動器；對于多個復雜執(zhí)行器聯(lián)動，使用逐點比較插補分解出各軸位移，再控制FPGA產生相應的方向電平信號以及包含位移速度信息的脈沖序列發(fā)送給步進電機驅動器。

急停用于危急情況下機床的緊急停止，如果急停僅僅給主回路斷電，存在急停復位后電機繼續(xù)運動的可能性，所以急停信號同時需要提供給數控系統(tǒng)，用于控制停止電機，對于主軸這種大慣量部分，必要時適當反轉電磁力矩或者增加機械抱死裝置。綜上所述，服務器部分的參考模型如圖2所示。

客戶機服務器模式下的系統(tǒng)本質上是主從系統(tǒng)，這決定了相互之間通信協(xié)議具有不對稱性?？蛻魴C需要按照服務器協(xié)議調用服務器提供的服務，由于G代碼數據具有不確定性，如果服務器采用不定長方式接收數據，時間抖動較大，為了實現(xiàn)定長接收需要客戶機先發(fā)送一個指令告訴服務器G代碼長度，然后在下一個指令發(fā)送對應長度G代碼。

4 實驗驗證

為了驗證修改本嵌入式數控系統(tǒng)，分別采用了兩臺機床，其一為南京翼馬ET100-ZT數控裝調實訓車床，選配電機和刀具后完成切削實驗；其二為自設計機床。使用如圖3所示零件圖進行車削實驗。

加工成果圖如圖4、圖5所示，加工零件數據如表1所示。

表1 實驗數據 mm

自設計機床X軸剛度較差，導致零件在X軸方向的尺寸精度相對較差且加工表面質量不如ET100-ZT。

5 結語

傳統(tǒng)數控系統(tǒng)使用PLC完成大部分輸入輸出信號處理，如數控面板編譯、限位信號采集以及主軸換刀控制等，本系統(tǒng)通過FPGA和觸摸屏替代PLC完成相關工作，使用STM32F4驅動觸摸屏完成人機交互，使用STM32F7解釋執(zhí)行操作員指令。減少在PLC、數控面板以及PC等部分的開銷，同時在A4大小的PCB板中集成所有硬件，滿足桌面機床體積要求。實驗證明本嵌入式數控系統(tǒng)滿足一般自動化加工要求，達到桌面數控車床在成本和體積上的要求。但是，由于在設計階段多方取舍，本數控系統(tǒng)必然存在許多不足：采用基于Cortex .-M內核的MCU犧牲了部分人機交互功能，如軌跡顯示、仿真加工；同時在客戶機端采集電子手輪脈沖必然存在電機執(zhí)行滯后于手輪一個采集周期問題，這可能帶來安全隱患，將在后續(xù)設計完善。