基于DSP、FPGA和单片机的大尺寸激光数控加工系统的软硬件设计

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$ b1 m" B* P$ n( X9 j摘要:为了满足大尺寸激光加工的精度和速度要求,本文设计了以DSP、FPGA和单片机为核心的数控系统。系统
使用单片机控制人机界面、使用DSP对加工数据进行处理并由FPGA输出加工信号,从硬件上保证了系统的高速运
8 ^; B( {% c0 X, t- M7 B算和精密加工。此外系统将加工数据保存于非易失性存储器中,使得系统拥有脱机加工的能力。通过对以DSP和
3 |0 A6 }9 D) F4 vFPGA为核心的加工控制部分的软、硬件进行优化,该系统达到了设计目标并取得了令人满意的加工效果。
关键词:数控加工;激光; DSP; FPGA;单片机
0引言
; v* y/ `0 F% l以激光切割和激光雕刻为代表的各种激光加工手段
凭借其较高的加工速度和良好的视觉效果被广泛运用于.
- L8 v0 D" R) a+ Z$ z  m+ O! d- M各种行业。如在航模制造业中,激光切割被大量用于各种
4 h- u) ?9 l. l机体部件的切割成形。由于激光切割具有切割痕迹整齐、
无毛刺等特点,免去了对部件边缘打磨、抛光的过程。而.
# y  u8 P: v3 z1 Y# {, N/ i激光雕刻则可以通过控制激光的出光功率在被加工物体
, K6 j7 X2 B  Y6 }6 q表面雕刻出深浅不一的图案,这是传统的机械加工手段很
. y) X/ J$ A+ r& P2 v难做到的。
在大尺寸激光加工系统的设计中,一般采用步进电机
& H; G3 K$ u4 T6 G8 C: z# g作为驱动部件。受限于驱动部件的驱动能力,加工速度和
6 \3 @* C+ k7 P$ W, Z9 ^+ k  O加工精度- -直是开发大尺寸加工系统要解决的首要问题。
解决速度问题的一般方法是在电机每次运动前、后设置

加、减速区,但这会使数据的运算量成倍的增加。
1 ~9 Y3 |) y2 C+ e$ J早期系统常常采用一块单片机来完成从数据处理到
8 l7 g5 r' ^# D( g加工信号产生的全部工作,或者由计算机生成加工信号直
接驱动加工部件。对于前一种做法,单片机的数据处理能
: Q, T- s4 p1 d4 m( p/ g1 L2 @力往往达不到要求，限制了性能的发挥。而后一种做法，
3 e, C% |/ ^7 X+ {6 y' c由于每台设备都必须连接一台计算机,加工不便,不利于
2 W+ ^4 }5 [4 d" z) o大规模生产。
  h' G" x3 N9 b. X9 r数字信号处理器的出现使嵌人式处理器的数据运算
能力达到了一个很高的水平,其数字处理能力是普通单片
机的数倍。在前期设计中系统采用了由DSP负责数据处
理、单片机负责支持人机界面和加工信号产生的结构。此
: {8 y& c9 o1 s9 [0 c& t$ Z种设计虽然得到了很好的加工效果,但是由于单片机的各
' ~4 L4 V. t6 L3 M6 W' p+ K4 N$ {方面能力有限,限制了加工速度的提升,也制约了DSP 性
能的发挥。另外,由于单片机只能在加工间歇时读人由
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由于激光切割具有切割痕迹整齐、 无毛刺等特点,免去了对部件边缘打磨、抛光的过程