基于PIC32+DSP构架的五轴数控单元设计（硬件部分）文献综述

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1、文献综述基于PIC32+DSP构架的五轴数控单元设计（硬件部分）1前言部分现代工业自动化系统，现代科学技术和现代军事装备中，控制电机已经成为不可或缺的主要元件。它的应用范围十分广泛，比如舰船方向舵的自动操纵，遥远目标位置的显示，机床加工过程的自动控制和自动显示，阀门的遥控，以及机器人、医疗设备、自动记录仪表、电子计算机、录音录像设备的自动控制系统。对于简单的电机系统，只需单独控制电机的运动，例如阀门的遥控。而对于大型系统，则需要几个电机的协调工作。一般而言，多轴联动的电机数量越多，能够完成的工作越复杂，控制难度也越大。例如多坐标数控机床，有

2、些复杂形状的零件，用三坐标的数控机床还是无法加工，如螺旋桨、飞机曲面零件的加工等，需要三个以上坐标的合成运动才能加工出所需形状。于是出现了多坐标的数控机床，其特点是数控装置控制的轴数较多，机床结构也比较复杂，其坐标轴数通常取决于加工零件的工艺要求。本设计为针对一般的机床的控制卡，所以接下来主要以机床为例进行讲解。在机床的实际加工中，被加工工件的轮廓形状千差万别，各式各样。严格说来，为了满足几何尺寸精度的要求，刀具中心轨迹应该准确地依照工件的轮廓形状来生成。然而，对于简单的曲线，数控装置易于实现，但对于较复杂的形状，若直接生成，势必会使算法变

3、得很复杂，计算机的工作量也相应地大大增加。因此，在实际应用中，常常采用一小段直线或圆弧去进行逼近，有些场合也可以用抛物线、椭圆、双曲线和其他高次曲线去逼近（或称为拟合）。所谓插补是指数据密化的过程。在对数控系统输入有限坐标点（例如起点、终点）的情况下，计算机根据线段的特征（直线、圆弧、椭圆等），运用一定的算法，自动地在有限坐标点之间生成一系列的坐标数据，即所谓数据密化，从而自动地对各坐标轴进行脉冲分配，完成整个线段的轨迹运行，以满足加工精度的要求。一般电机的控制是对电机方向和速度的控制，而复杂的系统则实时控制各个电机的转速，在统一的算法下，

4、使整体协同工作，所以有些机床对控制器处理速度要求比较高。现在举例三轴和五轴加工的特点：在数控机床中，机床直线运动的坐标轴X，Y，Z按照ISO和我国的JB3051—82标准，规定成右手直角笛卡儿坐标系。三个回转运动A，B，C相应的表示其轴线平行于X，Y，Z的旋转运动。X，Y，Z的正向是使工件尺寸增加的方向，即增大工件和刀具距离的方向。通常以平行于主轴的轴线为Z坐标（即Z坐标的运动由传递切削动力的主轴所规定），而X方向是水平的，并且平行于工件装卡面，最后Y坐标就可按右手笛卡儿坐标系来确定。旋转运动A，B，C的正向，相应地为在X，Y，Z坐标正方向

5、上按照右旋螺纹前进的方向。对于五轴控制算法如下所示：根据ISO的规定，采用右手直角坐标系描述数控机床的运动；其中绕X、Y、Z轴的旋转坐标分别为A、B、C，平行于主轴的坐标轴定义为Z轴。各坐标轴的运动可由工作台，也可以由刀具的运动来实现，但方向均以刀具相对于工件的运动方向来定义。通常五轴联动是指X、Y、Z、A、B、C中任意5个坐标的线性插补运动。图2.5轴坐标图　换言之，五轴，指X、Y、Z三个移动轴加任意两个旋转轴。相对于常见的三轴（X、Y、Z三个自由度）加工而言，五轴加工是指加工几何形状比较复杂的零件时，需要加工刀具能够在五个自由度上进行定

6、位和连接。由上述可知，对于多轴复杂系统来说，模型和算法可谓是非常困难，尤其是大型系统，在一定时间的多轴联动控制，计算量十分巨大，所以往常做法都是选用计算机作文控制器。伴随着上世纪九十年代末计算机网络的成熟发展，到二十一世纪，人类进入了所谓的后PC时代。在这一阶段，人们开始考虑如何将客户终端设备变得更加智能化、数字化，从而使得改进后的客户终端设备轻巧便利、易于控制或具有某些特定的功能。为了实现人们在后PC时代对客户终端设备提出的新要求，嵌入式技术（EMBEDDEDTECHNOLOGY）提供了一种灵活、高效和高性价比的解决方案。对于嵌入式系统，

7、其最大的特点是单片化，与计算机相比，体积大大减小，功耗和成本下降，可靠性提高。然而，复杂的插补算法需要处理速度快，运算能力强的控制器。故以前一直使用专用的数控装置或者计算机作为控制器。近年来随着嵌入式系统的飞速发展，使得嵌入式系统代替计算机成为可能。因此基于嵌入式系统的数控单元设计具有重要意义。现今人机界面也日益趋于人性化，比如目前很多控制器都有触摸屏取代按键开关的趋势。尤其是灵敏搞分辨率的触摸屏，不仅是输入变得简单，更加能够节省空间。本设计中配备了4线电阻式触摸屏设计，它有如下特点：①它们都是一种对外界完全隔离的工作环境，不怕灰尘、水汽和

8、油污　　②可以用任何物体来触摸，可以用来写字画画，这是它们比较大的优势③电阻触摸屏的精度只取决于A/D转换的精度，因此都能轻松达到4096*4096。　　基于以上的考虑，电阻式触