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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& Z  W5 f9 Q3 }- y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
) G- k0 j+ e9 p- S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
FPGA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
# m8 ~* f0 X9 w  S! [% F* L% g以激光切割和激光雕刻为代表的各种激光加工手段
0 t- k/ s$ ]9 Q8 a凭借其较高的加工速度和良好的视觉效果被广泛运用于.
' R% F" w; _  B, h  e" f- h各种行业。如在航模制造业中,激光切割被大量用于各种
机体部件的切割成形。由于激光切割具有切割痕迹整齐、
) y8 O" z! J$ E无毛刺等特点,免去了对部件边缘打磨、抛光的过程。而.
5 _/ O3 }: b/ w* I$ g8 U激光雕刻则可以通过控制激光的出光功率在被加工物体
表面雕刻出深浅不一的图案,这是传统的机械加工手段很
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
作为驱动部件。受限于驱动部件的驱动能力,加工速度和
$ v! H3 s* Y7 \- \9 }' m加工精度- -直是开发大尺寸加工系统要解决的首要问题。
/ _- o* o5 N) z$ W5 i0 o; T  _解决速度问题的一般方法是在电机每次运动前、后设置
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( z3 k8 P: G& |! m- E2 v5 B加、减速区,但这会使数据的运算量成倍的增加。
* W* C9 {$ O- {& J  x早期系统常常采用一块单片机来完成从数据处理到
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
7 m$ B/ @+ s9 y! Z6 B8 B* S6 g力往往达不到要求，限制了性能的发挥。而后一种做法，
; Q) {2 H8 e" a: S' a; N由于每台设备都必须连接一台计算机,加工不便,不利于
大规模生产。
数字信号处理器的出现使嵌人式处理器的数据运算
& I, b3 [$ U6 j( _. b1 Z" y能力达到了一个很高的水平,其数字处理能力是普通单片
' r: f) D3 P' t1 t5 l9 O' s机的数倍。在前期设计中系统采用了由DSP负责数据处
! `# Z5 t. c! R  n理、单片机负责支持人机界面和加工信号产生的结构。此
种设计虽然得到了很好的加工效果,但是由于单片机的各
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