硕士学位论文-基于DSP的数控铣床刀补控制研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文基于DSP的数控铣床刀补控制研究姓名：邓忠申请学位级别：硕士专业：通信与信息系统指导教师：信思金20090501武汉理工大学硕士学位论文摘要随着科学技术水平的不断提高，数控机床的使用越来越普遍，发展数控技术是当前机械制造行业技术改造、技术更新的必由之路。嵌入式系统是一种软、硬件可裁减的系统，它可按照不同的加工需要而定制不同的系统。采用高性能、低价格的数字信号处理，作为控制内核，它为数控机床的设计提供了更好性能和更低价格的方案。用这一类运动控制DSP芯片开发的数字控制系统在控制算法的更新和控制结构的改变方面具有很大的灵活性，往往只需要对控制软件做调整即可。因DSP的计算速度的优势，使系统的控制品质大幅度提高，利用高速DSP实时运算复杂控制算法，实现高精度多轴伺服控制已成为21世纪运动控制技术发展的方向。本文分析了国内外数控系统的发展现状和趋势，讨论了嵌入式数控系统的灵活性和稳定性，比较了采用基于DSP的数控系统和采用基于计算机的数控系统的性能，分析了DSP数控系统的硬件环境和主要功模块，对刀具补偿算法进行了详细深入的整理和研究，并应用刀具半径补偿算法在基于DSP的数控系统中，加工出了实物。数控系统中刀具补偿加工工艺模块是数控系统软件中一个重要的功能模块。它负责加工过程中刀具轨迹的的规划、刀具几何参数的补偿以及加工逻辑的设计。刀具补偿处理是插补前必须完成的一项预备处理工作。通过刀具补偿将被加工零件的轮廓轨迹转换为刀具中心轨迹。刀具补偿又分为刀具长度补偿、夹具偏置补偿和刀具半径补偿，本文对刀具补偿算法讨论的重点是基于刀具半径补偿。刀具半径补偿又分为B算法和C算法，B算法虽然较易实现，但其转接角的处理过于简单，会导致工件加工质量偏低难以达到设计者的要求，C算法虽然实现较复杂但在转接角问题上，处理丰富，加工出的工件更符合设计者的要求。本文研究了基于C刀补的二维和三维刀具半径补偿算法，并应用于基于TI公司的DSP芯片TMS320F2812的三轴数控铣床系统中，实现了预定图形的加工。加工的实物基本满足预期的目标。关键字：数控机床，刀具补偿，DSP武汉理工大学硕士学位论文AbstractWiththedevelopmentofscienceandtechnology，theuseofNCmachinetoolsaremoreandmorecommonthedevelopmentofNCtechnologyistheonlywaytomachinerymanufacturingindustryEmbeddedsystemisasoftwareandhardwaresystemthatCanbetrimmed，itCanbeprocessedinaccordance谢mthedifferentneedsofdifferentsystemsHighperance，low-costDSPaSthecontrolcore，itdesignforNCmachinetools、ithbetterperanceandlowerpriceUsingthistypeofDSPinthecontrolofdigitalcontrolsystemandalgorithmtoupdateandthechangesinthestructurehavealotofflexibilityoftenonlytomakeadjustmentsonsoftwarenecessaryAstheadvantagesofspeedofDSPimprovethequalityofNCsystemUsinghi曲一speedDSPrealtimecontrolalgorithmstoachievehigh-precisionmulti-axisservocontrolhasbecometrendofthe21stcenturyInthepapertheauthoranalyzestheNCsystemathomeandabroadofthestatusandtrendsofdevelopment，discussingtheflexibilityandstabilityofembeddedNCsystem，comparingtheuseoftheNCsystembasedonDSPandtheuseofCNCsysteminperance，analyzingthehardwareenvironmentoftheDSPNCsystemandthemainreactivemodule，studyingthecompensationalgorithmofthetoolindetailandapplyingthetoolradiuscompensationaigorithmintheNCsystembasedonDSPandworkingoutsamplesNCtoolcompensationprocessingCNCsoftwaremoduleisanimportantfunction，whichreferstothetoolpathplanning，toolgeometryandprocessingparametersofthecompensationlogicdesignToolcompensationisajobpreparationbeforeinterpolationCompensationthroughthecuttercompensationwillchangeoutlinetocuttercenterpathToolcompensationisdividedintotoollengthcompensation，fixtureoffsetcompensationandtoolradiuscompensation，toolcompensationalgorithminthisarticleismainlybasedonthetoolradiuscompensationToolradiuscompensationalgorithmisdividedintoBandCalgorithm，Balgorithmiseasiertoachieve，buttheswitchingangleishardtodeal谢m，leadingtolowqualityoftheworkpieceanditisdifficulttoachievethe武汉理工大学硕士学位论文requirementsofdesigners，CalgorithmismorecomplicatedtoachievebutswitchingangleisrichtheworkpieceismoretomeettherequirementsofthedesignerThispaperiSmainlybasedontheCcuttercompensationofthetwodimensionalandthreedimensionaltoolradiuscompensationalgorithm，andappliedtoDSPbasedonTIsTMS320F2812chipthree-axisCNCmillingmachinesystemtoachievethetargetofprocessinggraphicsBasicallymeettheneedsofthephysicalprocessingofthetargetssetKeywords：MachineTool，CuRerCompensation，DSP独创性声明本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名：垒垂虚乏日期：塑2：竺：乙学位论文使用授权书本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息服务。(保密的论文在解密后应遵守此规定)研究生(签名)：研移导师(签名)：售龟日期纱7厂乞L武汉理工大学硕士学位论文第1章绪论11课题研究背景及意义111课题的研究背景本课题来源于国家自然科学基金重点项目(项目编号：50675166)：基于资源的网络数字控制新理论及关键技术研究。随着科学技术的飞速发展，机械制造技术也发生了深刻的变化。传统的普通加工设备已难以适应市场对产品多样化的要求，难以适应市场的高效率、高质量的要求。而以微电子技术为基础，将传统的机械制造技术与现代控制技术、传感检测技术、信息处理技术以及网络通信技术有机地结合在一起，构成了高度信息化、高度柔性、高度自动化的制造系统【11。数控技术是机械制造、机器人、柔性制造单元(FMC)、柔性制造系统(FMS)乃至计算机集成制造系统(cMis)和无人自动工厂ffA)等高新技术的基础，是用计算机控制机械制造系统，实现高度自动化的桥梁。发展数控技术是当前机械制造行业技术改造、技术更新的必由之路。目前，在世界著名企业中，数控机床在生产设备中的比例不断提高，如美国波音公司中的数控机床达到约90，GE公司达到约80，日本在1990年的时候，机床的数控化率已经为80。我国是一个机床生产和应用的大国，虽然目前研究和使用数控技术的研究院校和企业不少，并取得了长足的进步，但与世界上发达国家相比，差距仍然很大，数控技术的研究应用水平还很低。这些都严重制约着我国制造水平的提高。高性能的数控设备依赖进口，不仅代价昂贵而且受到技术限制，有时因为经验和认识上的不足，还会受到很大的损失。所以发展民族数控事业，是迫在眉睫的大事。国家在近几个“五年计划”中，都把数控技术的研究列为重中之重。我国正处于工业化的初步阶段，随着科学技术水平的不断提高，数控机床(NCM)使用越来越普遍。如果开发设计和研制高可靠性、高精度、高效率以及使用方便的新一代数控机床(NCM)，在条件各异的各种使用环境中，均能正常可靠运行，对提高加工产品的质量、效率以及提高经济效益都具有重大的意义；武汉理工大学硕士学位论文而提高新一代NCM性能的关键就是设计性能优异的控制系统。因此，智能化机床数字控制系统的研究，以提高传统普通机床的加工精度、可靠性和使用效率，进而提高机械加工水平，提升机械产品的质量，就具有非常大的现实意义，值得我们花时间和精力去研究。112课题的研究目的、意义数控系统是现化制造业的核心技术，是衡量一个国家制造业水平的重要标志之一。我国是一个制造业大国，但数控技术的水平还不是很高，跟欧美、日本还有很大的差距，这严重制约着我国制造业水平的提高。以PC机作为基础的CNC，为我国的CNC开发和应用带来了新的机遇，使得我国数控系统开发商有了一个赶上世界数控技术发展潮流的机遇。然而，在我国蓬勃发展的基于PC的数控系统也有着不足之处。由于PC的体积限制，基于PC的数控系统不能够装入体积严格要求的微型或小型系统内。另外，基于PC的CNC往往功能强大，相对一些功能要求单一的简单系统，就显得有些大材小用，且成本过高，结构复杂，可靠性较低。因此，目前国内中小型的数控系统多采用816位单片机系统，其内部资源有限，一般需要扩展资源且较多采用汇编编程，没有操作系统在其上运行，程序的修改、升级和维护比较困难，并且人机界面及网络功能不是很完善。而嵌入式系统的蓬勃发展，正好解决了这些问题。嵌入式系统为数控技术提供了一种灵活方便的，能够嵌入在工业系统内部，在工业极端环境里能够连续长期稳定可靠工作的微小型廉价的控制系统。目前，嵌入式系统的研究与应用已经成为一个新的潮流，也成为了中小型机床数控系统的发展趋势。刀具在使用过程中不可避免地会存在刀具磨损，使得其半径和长度会发生改变。刀具补偿功能的主要作用就在于简化用户的编程负担，即在编制程序时可以只按零件轮廓进行编制。然而由于基于PC的数控系统存在的种种弊端使得整个数控系统在工业中的应用受到了很大的限制，在采用DSP处理器做控制芯片，可以利用其特殊的硬件结构和特殊的DSP指令解决乘除运算的速度问题，能够取得良好的效果。而解决了速度上的瓶颈问题，对于数控系统的研究发展，有特殊的重要意义。本课题研究基于嵌入式处理器的数控系统，是低成本、高性能数控系统研究的一种新的尝试。2武汉理工大学硕士学位论文12相关领域国内外研究现状121国内研究现状目前基手DSP技术的运动控制器一类的产品在国内应用到工业现场中的还相当少，大部分还处于实验室研究阶段。作为本课题所研究的DSP运动控制器的直接表现形式数控机床计算机数控部分国内现状为：数控技术与装备基本上是“洋货”一统天下，尽管我国机床产量位居世界前5名之列，而档次却居二、三流地位，作为数控机床的核心部件数控系统不得不依靠进口【21。特别是中高档数控机床的数控系统基本上是被国外厂家所垄断，国外五轴以上联动的高端数控系统则限制对中国出口。从数控机床的整体来看，无论是可靠性、精度、生产效率和自动化程度，我国与世界工业化国家相比还存在不小的差距，但这种差距正在缩小。随着我国国民经济的发展、企业设备改造和技术更新的深入开展，各行业对数控机床的需求量将大幅度增加，这将有力促进数控机床的发展。122国外研究现状发达国家对DSP运动控制技术的研究与应用要远远领先于我国。目前发达国家所产数控机床的精度要比我国高一个数量级以上，且早已采用了DSP数控技术。国内市场上中高档数控机床所配数控系统几乎被进口产品所垄断。1995年，Matsui，N研究了基于DSP常规的速度、位置控制，还引入了自适应控制、系统参数在线辩识技术【31；1995年，Kolek，k提出了一种基于总线技术的浮点DSP(TMS320C31)控制器【4】，该控制器增强了系统数据计算与处理的速度及控制的精度；1996年，Hager，GJ研究了应用3264位浮点DSP及PLC技术实现的运动控制器【51；1997年，Larsen，GCetinkunt为了补偿对钻石精整加工过程中由于机械轴摩擦力造成的影响，提出了一种基于小脑模型关节控制器(CMAC)的神经网络自学习伺服控制系统，并在DSP板上给以实现【6】；1997年，Han，SH提出一种用于机器人操纵器的实时补偿、自适应算法的DSP控制器【7】；1998年，Style，AWDiana，G开发了一种基于MathworksSimulinkRealtimeworkshop(RTW)的PCDSP主从式系统，用于运动控制系统的设计、仿真及实时控制器【8】；1999年，Brandstatter，W介绍武汉理工大学硕士学位论文了一种基于DSP的用于步进电机控制系统的方法，为避免电机转速的波动该系统包含了PI电流控制和控制策略补偿等【91；1999年，Moynihan，JF介绍了以DSPADMC40l作为专门的处理单元，用于高精度计算来自位置、速度传感器的信号以及行使必要的补偿和插补运算功能的典型应用【l01。1999年，GukChanI-Ian介绍了一种基于预估插补技术的高速加工算法，用于加工由CADC伽系统获得的3D曲面。最后通过韩国三星公司的数控系统加以验证了该算法的高效性。该CNCS由一个通用64位主处理器和一个32位浮点DSP从处理器(运动控制用CPU)构成【111。13本文的主要工作本论文紧密围绕“基于DSP的数控铣床刀补控制研究”此中心任务开展了全面和系统的工作。首先，论文的第二章分析了基于DSP数控铣床系统的硬件结构和主要功能模块，对基于DSP的数控系统和基于计算机的数控系统的性能进行了比较。然后，在第三、四章中对二维和三维刀具补偿算法进行了深入的整理和研究，并应用于三轴数控铣床系统的加工中，加工出预先设计的图形。最后，第五章对全文进行了总结和展望，就基于嵌入式的数控系统的进一步开发提出自己的观点和想法。4武汉理工大学硕士学位论文第2章基于DSP数控铣床系统的硬件结构分析21嵌入式与PC性能比较PC机系统冗余，体积庞大，稳定性较差适合应用在对稳定性要求不高的场合。嵌入式系统软、硬件可裁减，体积小，稳定性好可以应用在各种对性能要求较高的场合。PC机采用的是冯诺依曼结构，程序空间和数据空间不独立，由于取指令和存取数据要从同一个存储空间存取，经由同一总线传输属于串行执行，因而它们无法重叠执行，只有一个完成后再进行下一个，这使得其实时性大打折扣。嵌入式系统特别是嵌入式DSP系统采用的是哈佛结构，哈佛结构是一种将程序指令存储和数据存储分开的存储器结构。中央处理器首先到程序指令存储器中读取程序指令内容，解码後得到数据地址，再到相应的数据存储器中读取数据，并进行下一步的操作(通常是执行)。程序指令存储和数据存储分开，可以使指令和数据有不同的数据宽度，哈佛结构的微处理器通常具有较高的执行效率。其程序指令和数据指令分开组织和存储的，执行时可以预先读取下一条指令。在嵌入式实时操作系统环境下开发实时应用程序使程序的设计和扩展变得容易，不需要大的改动就可以增加新的功能。通过将应用程序分割成若干独立的任务模块，使应用程序的设计过程大为简化；而且对实时性要求苛刻的事件都得到了快速、可靠的处理。通过有效的系统服务，嵌入式实时操作系统使得系统资源得到更好的利用。数字信号处理(DigitalSignalProcessing)和数字信号处理器(DigitalSignalProcessor)的简称都是DSP，然而其内涵却不同。数字信号处理是指将模拟信号通过采集进行数字化后的信号进行分析、处理，它侧重于理论、算法及软件实现。数字信号处理有一些典型算法，如最常见的快速付立叶变换(FFT)算法。要实现这些算法，特别是要实时地完成某些算法就需要有特殊的硬件支持，这就是数字信号处理器。由于DSP的良好性能非常适用于大数据量的高速采集及实时信号处理和实时控制系统，其应用也从开始的专门数字信号处理、数字滤波等发展到于通信、计算机、遥感、语音和图像处理、电子测量、工业控制和仪武汉理工大学硕士学位论文器仪表等领域的广泛应用，已经是许多产品中不可或缺的基础器件，并成为集成电路中继微处理器(CPU)和微控N器(MCt0之后，又一个引人注目的产品。为了满足不同层次的需要，DSP也朝着两个方向分化一种是专用型，即一种芯片仅完成一种算法，这类器件多出现在工业及消费类电子行业。比如VCD机的处理核心就是一组DSP芯片，它们完成的功能就是解码。另一种是通用型，这类芯片具有较丰富的硬件接口和很强的可编程性，适用于开发和研究。通过以上比较和分析，可以看出基于DSP的数控系统比起基于计算机的数控系统有着非常明显的优势。22硬件工作环境组成图21工作环境组成图卜1为本课题的工作平台组成框图，由图可知它主要包括三大部分：执行部分、信号反馈部分、控制部分。其中执行部分采用的是华中数控四纪星铣床(删C2122M)，该铣床具有X、Y、Z三轴另有一转动轴，可以对平面的和空间的图形进行加工。信号反馈部分采用的是基于单片机8051的IO板，8051单片机具有丰富的外围IO口，可以方便对外界信号进行采集以及对外围设备进行控制，通过8051我们可以实现对机床超程信号的捕捉以及实现了对机床转动6武汉理工大学硕士学位论文轴转速和转动方向的控制。控制部分采用的是基于TI公司的工业控制芯片TMS320F2812的PWM脉冲发生控制板，该控制板主要包含一个PWM输出接口，一个以太网接入口，一个串口等，通过此控制板我们可以很方便的实现PWM的输出、串口通信及以太口通信等。23主要芯片及功能块231TM$320F2812TMS320F2812(F2812)是TI公司的一款用于控制的高性能，多功能，高性价比的32位定点DSP芯片。它既具有数字信号处理能力，又具有强大的事件管理能力和嵌入式控制功能，特别适用于有大批量数据处理的测控场合，如工业自动化控制、电力电子技术应用、智能化仪器仪表及电机、马达伺服控制系统等。该芯片兼容TMS320LF2407指令系统，最高可以150MHz主频下工作，并带有18K16位0等待周期片上SRAM和128K16位片上FLASH。其片上外设主要包括28路12位ADC，2路SCI，1路SPI，1路MCBSP，l路ECAN等，并带有两个事件管理模块(EVA，EVB)，分别包括6路PWMCMP，2路QEP，3路CAP，2路16位定时器(或T)(PWM厂rxCMP)。另外，该器件还有3个独立的32位CPU定时器，以及多达56个独立编程的GPIO引脚，可外扩大于1M宰16位程序和数据存储器。TMS320F2812采用哈佛总线结构，具有密码保护机制可进行双1616乘加和3232乘加运算，因而可兼顾控制和快速运算的双重功能112J。TMS320F2812的片上外设按输入时钟可分为如下4个组：(1)SYSOUTCLK组：包括CPU定时器和eCAN总线，可由PLLCR寄存器动态地修改；(2)SCCLK组：主要是看门狗电路，由WDCR寄存器设置分频系数；(3)低速组：有SCI，SPI，MCBSP可由LOSPCP寄存器设置分频系数；(4)高速组：包括EVAB，ADC，可由HISPCP寄存器设置分频系数。为了使系统具有较快的工作速度，除了定时器和SCI等少数需要低速时钟的地方，其它外设均可以150MHz时钟工作。7武汉理工大学硕士学位论文一一一F2812MemoryM筇o叮J100X0000000X000r7匿M0，1旺1SARAMtogandData)宰，0 x0008000 x000妇匝PeripheralFrame0口F0)(Dataoray)帅0 x0020000X003髓m晒ZONE0口rogandDa啪车，0 x0040000X005臌汀巧ZONE1四rogandDa啪M呶0060000 x006赶PeripheralFrame1四F1)ataomy)牟灿0X00r70000X00r7臌Peripheral1：tame2四F2)(Dataonly)帅0X0080000 x009髓L0几1SARAMfProgandData)帕0 x080000OxO骶XDfrFZONE2(ProgandData)矾0 x1000000 x17暇mZONE6fProgandD扯a)o0 x3cr78000 x3cr7肚OTP口togandData)丰加0 x3d80000 x3f7髓FLASH(ProgandData)o0 x3f80000 x3f9髓H0SARA奎压(ProgandData)帅0 x3fc0000 x3雠XDn下ZoNE7(弛田NMC=1)口rogandData)丰如0 x3丘D000jc3麟Bo。-工ROMN1C劬(1rogandData)宰厶图2-2F2812内存分布图22所示是TMS320F2812的内部存储空间映射图【l3。其中Oxl000000 x17fl丑用于RAM空间方便程序的调试。FLASH区用于将程序固化在DSP芯片内。TMS320F2812为哈佛结构的DSP，即在同一个时钟周期内可同时进行一次取指令、读数据和写数据的操作。在逻辑上有4M16位程序空间和4M16位数据空间，但物理上已将程序空间和数据空间统一为一个4M16位的存储空间，各总线按优先级由高到低的顺序为：数据写，程序写，数据读，程序读。为了尽可能提高器件的工作速度，在对FLASH寄存器编程使其在较高速度下工作的同时，可将时间要求比较严格的程序，变量各堆栈空间搬移到H0，L0，L1，M0，M1空间来运行。TMS320F2812系列DSP片上都有非常丰富的外设，每个片上外设均可产生1个或多个中断请求。中断由两级组成，其中一级是PIE中断，另一级是CPU中断。CPU中断有32个中断源，包括RESETNMI，EMUINTILLEGL，12个用户定义的软件中断USERlUSERl2和16个可屏蔽中断(INTlINTl4，RTOSINT和DLOG玳T)。所有软件中断均属于非屏蔽中断。由于CPU没有足够的中断源来管理所有的片上外设中断请求，所以在TMS320F2812中设置了一个外设中断扩展控制器(Pm)来管理片上外设和外部引脚引起的中断请求。PIE中断共有96个，被分为12个组，每组内有8个片上外设中断请求，96个片上外设中断请求信号可记为INTxy(x=l，2，：，12；y=l，2，8)。每个组输出一个中断请求信号给CPU，即PIE的输出INTx对应CPU中断输入的AAAAAAAAAAAA风AAAA武汉瑾工大学硕士学位论文INTl一INTl2。TMS320F2812的96令可能的PIE中断源中有45个被利用，其余的被保留作以后的DSP器件使用。用定点芯片实现快速运算的关键是用整数取代浮点数进行处理。用C编译器时，为产生最优化代码，应遵循以下原则【鬈：(1)将除法转换为乘法，尽量使编译器产生MAC指令以充分利用DSP的硬件乘法器资源进行快速运算，且应使MAC的操作数为局部变量以分配到寄存器中。(2)尽可能馊用静态直接插入函数，以节省蘧数调用的额外开销。(3)对FOR循环的上限使用常数或具有常数属性的变量可产生重复指令R。PT232PWMTMS320F2812作为一种运动控制芯片广泛应用在控制领域，它的每一个通用定时器都含有一个计数器和三个寄器，分别为比较寄存器，周期寄存器和控制寄存器瓣弱。控制寄存器用于定时器的工作模式设置和运行控制，通过配置控制寄存器，定时器采用连续增计数模式比较输出采用高有效方式，工作开始比较输出零|脚力低电乎，计数器从0开始，对输入的时钟脉冲进行增量计数，当读数值达到比较寄存器的值时，输出信号发生跳变，当达到周期寄存器的值时，计数器的计数值良动回零并重新开始读数，同时输出信号返回低电平，如此循环往复便产生了一系列连续的脉冲信号如图扣-3所示。CrDpDeO比较输出ir厂几rr图-3PWM产生波形示意9武汉理工大学硕士学位论文显然，在时钟频率固定的情况下，输出脉冲的频率取决于周期寄存器的值Dp，而输出脉冲的占空比决定于比较寄存器的值Dc。设定时器的时钟频率为fcll(，那么输出脉冲的频率fout与周期寄存器的数值Dp之间的关系为fout=fclkDp，所以通过控制周期寄存器的数值Dp，就可以控制输出脉冲的频率fout，将这些脉冲输入到步进电机驱动器，配合方向信号，可以控制步进电机按照期望的速度运行，通过控制输出脉冲的数量，实现步进电机位移量的控制。再根据输出脉冲频率与周期寄存器的数值及定时器时钟频率的关系便可以将脉冲数与位移联系起来，剩下的便是采用插补算法将产生的PWM用于运动控制了。233RTL8019AS图2-4RTL8019AS引脚图10武汉理工大学硕士学位论文RTL8019AS芯片(兼容NE2000)是一款以太网控制芯片，支持PNP自动检测方式，支持以太网II和IEEE8023，10Base5，10Base2，10BaseT软件兼容8位和16位的NE2000，支持jumper和jumperless模式的即插即用配置，支持fullduples以太网到两倍频带宽，支持到BROM的16K，32K，64K和16Kpage方式，支持BROM删除程序后释放内存，支持存储器瞬时读写等功能。RTL8019AS采用100脚PQFP封装，如图24。其主要引脚功能如下：引脚14，97100，中断控制INT07；引脚33，复位控制；引脚34，使能控制脚AEN，低电平有效；引脚6，7，70，89，数字电源，+5V；引脚14，28，83，86，数字地GND引脚47，57，模拟电源：+5V；引脚44，52，模拟地；引脚713，15，16，1827，ISA地址总线；引脚3643，87，88，90一95，ISA数据总线；引脚31，BootROM读操作控制；引脚32，BootROM写操作控制；引脚62，RX接收数据显示LEDl脚；引脚63，TX发送数据显示LED2脚；引脚58，59，接收数据TPIN+；引脚45，46，发送数据TPOUT+；引脚50，51，外接晶体。RTL8019AS与以太口之间的电路连接是通过带栀流线圈的隔离变压器芯片20F001N实现的，如图25所示：7CO图2一以太口连线图武汉理工大学硕士学位论文234串口通信串口通信的概念非常简单，串口按位(bit)发送和接收字节。尽管比按字节(byte)的并行通信慢，但是串口可以在使用一根线发送数据的同时用另一根线接收数据。它很简单并且能够实现远距离通信。比如IEEE488定义并行通行状态时，规定设备线总常不得超过20米，并且任意两个设备间的长度不得超过2米；而对于串口而言，长度可达1200米。典型地，串口用于ASCII码字符的传输。通信使用3根线完成：地线、发送和接收。由于串口通信是异步的，端口能够在一根线上发送数据同时在另一根线上接收数据。其他线用于握手，但是不是必须的。串口通信最重要的参数是波特率、数据位、停止位和奇偶校验。对于两个进行通信的端口，这些参数必须匹配116J。(1)波特率这是一个衡量通信速度的参数。它表示每秒钟传送的bit的个数。例如300波特表示每秒钟发送300个bit。当我们提到时钟周期时，我们就是指波特率例如如果协议需要4800波特率，那么时钟是4800Hz。这意味着串口通信在数据线上的采样率为4800Hz。通常电话线的波特率为14400，28800和36600。波特率可以远远大于这些值，但是波特率和距离成反比。高波特率常常用于放置的很近的仪器间的通信，典型的例子就是GPIB设备的通信。(2)数据位这是衡量通信中实际数据位的参数。当计算机发送一个信息包，实际的数据不会是8位的，标准的值是5、7和8位。如何设置取决于你想传送的信息。比如，标准的ASCII码是0-127(7位)。扩展的ASCII码是0255(8位)。如果数据使用简单的文本(标准ASCII码)，那么每个数据包使用7位数据。每个包是指一个字节，包括开始停止位，数据位和奇偶校验位。由于实际数据位取决于通信协议的选取，术语“包”指任何通信的情况。(3)停止位用于表示单个包的最后一位。典型的值为1，15和2位。由于数据是在传输线上定时的，并且每一个设备有其自己的时钟，很可能在通信中两台设备间出现了小小的不同步。因此停止位不仅仅是表示传输的结束，并且提供计算机校正时钟同步的机会。适用于停止位的位数越多，不同时钟同步的容忍程度越12武汉理工大学硕士学位论文大，但是数据传输率同时也越慢。(4)奇偶校验位在串口通信中一种简单的检错方式。有四种检错方式：偶、奇、高和低。当然没有校验位也是可以的。对于偶和奇校验的情况，串口会设置校验位(数据位后面的一位)，用一个值确保传输的数据有偶个或者奇个逻辑高位。例如，如果数据是011，那么对于偶校验，校验位为0，保证逻辑高的位数是偶数个。如果是奇校验，校验位位1，这样就有3个逻辑高位。高位和低位不真正的检查数据，简单置位逻辑高或者逻辑低校验。这样使得接收设备能够知道一个位的状态，有机会判断是否有噪声干扰了通信或者是否传输和接收数据是否不同步。串行通信接口SCI是一个双线的异步串口，一般看作是UART。SCI模块支持CPU与采用非返回至0(NI屹)标准格式的异步外围设备之间的数字通信。SCI的接收器和发送器各具有一个16级深度的FIFO，这样可以减少空头的服务。它们还各有自己独立的使能位和中断位，可以在半双工通信中进行独立的操作，或在全双工通信中同时进行操作。为了确保数据的完整性，SCI检查所接收数据的中断检测，极性，溢出和帧错误。位速率可通过编程一个16位的波特率改变寄存器而改变。芯片MAX3232是一款符合RS232标准的芯片，其连线图如图2-6所示。锄lIJB041八l2Q吣6a+一-W-O1042I。1436剁Q0470C1VO10434Q+Q01580IG02D4-0III5(2-、Ic169j9_05珈104厂一夕L1l141391111aUrSCrD0107卫N瑚1213lIl叫r砌烈sC嗍98蒯112烈M驭3232图26MAX3232电路连线图武汉理工大学硕士学位论文235C8051F020CygnalC8051F系列单片机是真正能独立工作的片上系统，其CPU能有效地管理模拟和数字外设，可以关闭单个或全部外设以节省功耗，FLASH存储器还具有在线重新编程的能力即可用作程序存储器又可用作非易失性数据存储。应用程序可以使用MOVC和MOVX指令对FLASH进行读或改写。其内部含有8。12位多通道ADC，1-2路12位DAC等。片内JTAG仿真电路提供全速的电路内仿真不占用片内用户资源，支持断点单步观察点运行和停止等。C8051F系列单片机指令处理采用流水线结构，机器周期由标准的12个系统时钟周期降为1个系统时钟周期，指令处理能力比MCS51大大提高。CIP51内核70的指令执行是在一个或两个系统时钟周期内完成，只有四条指令的执行需4个以上时钟周期。标准的8051只有7个中断源，CygnalC8051F系列单片机扩展了中断处理，这对于时实多任务系统的处理是很重要的。扩展的中断系统向CIP51提供22个中断源，允许大量的模拟和数字外设中断，一个中断处理需要较少的CPU干预却有更高的执行效率。标准的8051只有外部引脚复位，C8051F系列单片机增加7种复位源使系统的可靠性大大提高，每个复位源都可由用户用软件禁止。CIP51具有标准8051的程序和数据地址配置，它包括256字节的RAM其中高128字节用户只能用直接寻址访问的SFR地址空间，低128字节用户可用直接或间接寻址方式访问，前32个字节为4个通用工作寄存器区，接下来的16字节既可以按字节寻址也可以按位寻址。另外C8051F02X系列除了内部有扩展4K数据RAM外片外还可扩展至64K数据RAM。C8051F系列单片机程序存储器为8K-64K字节的Flash存贮器，该存贮器可按512字节为一扇区编程，可以在线编程且不需在片外提供编程电压，该程序存贮器未用到的扇区均可由用户按扇区作为非易失性数据存贮器使用。CygnalC8051F系列单片机具有标准的8051IO口，除POPlP2P3之外还有更多的扩展的8位IO口，每个端口IO引脚都可以设置为推挽或漏极开路输出，这为低功耗应用提供了进一步节电的能力。C8051F系列内部有一个全双工UARTSPI总线和SMBus12C总线，每种串行总线都完全用硬件实现，都能向CIP51产生中断。这些串行总线不共享定时器中断或IO端口所以可以使用任何一个或全部同时使用。C8051F02x系列14武汉理工大学硕士学位论文MCU内部还有第二个UART这是一个增强型全双工UART具有硬件地址识别和错误检测功能。CygnalC8051F系列单片机设计有片内调试电路与JTAG口可以实现非侵入式在片”调试。Cygnal提供基于Windows集成的在线开发调试环境，包括IDE软件与串口适配器EC2、调试目标板，可实现存贮器和寄存器校验和修改；设置断点、观察点、堆栈；程序可单步运行、全速运行、停止等。在调试时的所有的数字和模拟外设都能正常工作，实时反映真实情况。IDE调试环境可做KeilC源程序级别的调试。对于开发和调试嵌入式应用来说，与用传统的专用仿真芯片、目标电缆及仿真头的仿真器相比，更具优越性能，更能真实“在片”仿真实时信息。Cygnal的调试环境既便于使用又能保证精确模拟外设的性能。CygnalC8051F系列单片机开发工具即突破了昂贵开发系统旧模式，又创立了低价位仿真新思路。为应用技术的开发提供了极大的方便。武汉理工大学硕士学位论文第3章二维刀具半径补偿算法在三维图形力n-r-中的应用数控系统中常用刀具补偿是来修正刀具实际半径或长度与其程序规定的值之差【l71。机床对刀具的控制是以刀架中心为基准的，但零件加工程序却仅给出了零件轮廓轨迹，它们之间的转换就涉及到刀具长度补偿(刀架中心与刀尖圆弧中心间的轨迹转换)及刀具半径补偿(零件轮廓与刀具刀尖圆弧中心间的轨迹转换)【181。本章将详细讨论二维刀具半径补偿算法，并将其应用于三维图形的加工中，加工出预先设计的图形。31刀具半径补偿概述在数控加工中有3种补偿：刀具长度补偿、刀具半径补偿、夹具偏置补偿。这三种补偿基本上能解决在加工中因刀具形状而产生的轨迹问题。本文所有讨论都是基于刀具半径补偿展开的。刀具半径补偿的定义：根据零件轮廓编制的程序和预先设定的偏置参数，数控装置能实时自动生成刀具中心轨迹的功能称为刀具半径补偿功能【19】。如图31所示，实线为用户给定的工件的编程轨迹，虚线为经过补偿过的刀具中心轨迹，刀补功能就是依据实线轨迹和偏置参数计算出刀具中心的轨迹，进行精密加工。图31刀具编程轨迹与刀心轨迹16武汉理工大学硕士学位论文显然若要利用刀具中心轨迹来编程的话，必须先根据所选择的刀具型号的尺寸，算出工件轮廓的等距线，然后依照等距线来编程，采用此方法编程，当材料，工艺变化，或刀具磨损需要更换刀具时，由于刀具尺寸的变化，需要重新计算，重新编写加工程序，工作量极大。此方法一般不被采用。一般情况下是利用工件的轮廓来编写程序，采用这种方法编程十分方便。但由于伺服电机控制的是刀具中心点的运动，而刀具中心点的运动轨迹并不等于需要的工件轮廓轨迹，因此，必须在插补运算之前增加对刀具的补偿功能。根据ISO标准，当刀具中心轨迹在程编轨迹前进方向的左边时，称左刀补，用G41表示，当刀具中心轨迹在程编轨迹前进方向的右边时，称左刀补，用G42表示。刀具半径补偿中的转接方式总的可有两种，一种是采用圆弧进行转接，也称B刀补；另一种是采用直线进行轨迹转接，也称为C刀补。以圆弧进行轨迹转接(B刀补)有两个缺点，一是当遇到加工零件外轮廓是尖角时，由于轮廓尖角处始终处于切削状态，尖角的加工工艺性就比较差，在磨削加工时尤其突出，所需要加工的尖角往往被加工成圆角；二是对转接角小于等于900的编程无法加工，需要编程人员人为地插入一段过渡圆弧，这就增加了编程的工作量。本论文研究采用C机能刀具半径补偿。刀具半径补偿的用途可归纳为以下两点：实现根据编程轨迹对刀具中心轨迹的控制，可避免在加工中由于刀具半径的变化(如由于刀具损坏而换刀等原因)而重新编程的麻烦，只须修改相应的偏置参数即可；减少粗、精加工程序编制的工作量，由于轮廓加工往往不是一道工序能完成的，在粗加工时，均要为精加工工序预留加工余量。加工余量的预留可通过修改偏置参数实现，而不必为粗、精加工各编制一个程序。32刀具半径补偿中BC算法分析常见的刀具半径补偿算法有B刀补和C刀补算法，详细分析如下所述。321BC刀补算法概述在介绍刀补(如没有特别说明，本论文中指刀具半径补偿，下同)算法之17武汉理工大学硕士学位论文前，给出刀补转接角定义：本系统中指两编程轨迹在交点处非加工侧的夹角a，如图32所示。非加工侧加工侧刀具中心轨迹一一一一一图3_2刀补转接角定义示意图如图33所示，B刀补的思路是：读一段数控工件加工程序段后，马上解释执行之；C刀补的思路是：预读一段(或多段)加工程序段，执行上一加工程序段。B刀补C刀补图3-3BC刀补算法逻辑示意图图34显示了在具体编程实现时，两种算法在编程语言中的大致流程。其中，左边的为B刀补流程，右边的为C刀补流程，中间是为说明方便引入的过度说明。18武汉理工大学硕士学位论文图34BC刀补算法编程示意图两种刀补的处理方法是有很大区别的：B刀补法在确定刀具中心轨迹时，采用的是读一段，算一段，再走一段的处理方法。这样，就无法预计到由于刀具半径所造成的下一段加工轨迹对本段加工轨迹的影响。于是，对于给定的加工轮廓轨迹来说，当加工内轮廓时，为了避免刀具干涉，合理地选择刀具的半径以及在相邻加工轨迹转接处选用恰当的过渡圆弧等问题，就不得不靠程序员来处理。为了解决下段加工轨迹对本段加工轨迹的影响问题，C刀补采用的方法是，一次对两段进行处理，即先预处理本段，然后根据下一段的方向来确定其刀具中心轨迹的段间过渡状态，从而便完成了本段的刀补运算处理，然后再从程序段缓冲器再读一段，用于计算第二段的刀补轨迹，以后按照这种方法进行下去，直至程序结束为止。322BC刀补算法比较为使问题突出明了，以工件加工程序段各运动段之间的过度情况为例做比较(为简单起见，图例为直线段间的过度)，具体比较情况如下所示：19武汉理工大学硕士学位论文图3一加工凹角时BIC刀补过渡比较示意图如图3_5所示，当加工凸角工件时的过度分析如下：B刀补：(1)v点做垂线，在此垂线上求一点A，使得IAv|_|r|(r为刀具半径，下同)；(2)刀具中心从上一个运动段的终点0运动到此运动段的终点A点；(3)读入下一段运动段，计算刀补转接角，如果需要过度处理，则用同样的方法计算B点的坐标；(4)由A点到B点插入一段圆弧过度；重复上面的B刀补过程。C刀补：读入一段加工程序段，如果发现需进行过度处理，则有如下步骤：(1)分别在适当的一侧做编程轨迹的平行线，求出其交点F；(2)过点v做垂线，在此垂线上求一点A，使得IAvl=lrl；(3)用同样的算法求点B的坐标；(4)分别在AF线段上和BF线段上求得点D，E两点，使得IADI=Irl，IBEI=Irl；(5)则得到当前刀具中心应走的轨迹为：OA，AD，DE，EB；重复上面的过程。似缺点比较：B刀补算法简单，此段代码的执行不依赖于下一运动段；但在过度时，虽然刀具中心的轨迹为圆弧AB，但是刀具的边缘点一直和待加工件的尖端点V接触，刀具在运动过程中，不可避免的要有轻微的震动，所以，采用上述的圆弧过度会对工件的尖端点产生埙伤，容易在V点产生一个小的圆弧；C刀补过度处理相对比较复杂，但是很好的处理了尖端点V的加工问题，对武汉理工大学硕士学位论文工件的尖端点不会产生埙伤；非非侧图3-6加工凹角时BC刀补过渡比较示意图当加工凹角并需要过度时，由图3一可知，当采用B刀补算法时，当刀具中心从O点向A点运动时，在A点附近就会对工件产生过切，影响加工精度；而采用C刀补就可以避免此种情况的过切产生。小结：B刀补算法对加工轮廓的连接都是以园弧进行的，其缺点是：在外轮廓尖角加工时，由于轮廓尖角处，始终处于切削状态，尖角的加工工艺性差；在内轮廓尖角加工时容易产生过切。由上面的分析可知，B刀补算法虽然流程简单、易实现，但存在明显的缺点，不能满足精密加工的需求，所以，现在的数控系统中一般都采用C刀补算法。33二维刀具半径补偿算法331刀具半径补偿算法的几个基本概念1方向矢量方向矢量是指与运动方向一致的单位