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高速激光雕刻切割机的研究

第 23 卷   3 期 第 2007 年 6 月

天              津 理 工 大 学 学 报 JO URNAL O F T IANJ IN UN IVERS ITY O F TECHNOLO GY

Vol 23 No. 3 . Jun. 2007

   激光雕刻机是最近几年发展起来的一种光 、 、 电 机一体化新型加工设备 , 该设备可广泛应用于对橡 胶板 、 塑料板 、 亚克力板 、 皮革等非金属材料均能实 现加工 . 目前现有的激光雕刻切割机性能的好坏都 集中体现在数控系统的性能上 , 国内外现有的数控 系统有以下几种 : 1 ) PC +高速运动控制卡 : 此方式 采用通用 PC 机来完成系统实时性要求不高的任务 ; 而插补计算 、 速度控制 、 位置控制等实时控制要求高 的任务由高速运动卡完成 . 但系统中的底层功能模 块必须自行开发 , 工作量大 、 开发周期长 . 2 ) 单片机 等 MCU +高速运动控制芯片 : 该方案利用单片机控 制高速控制芯片完成插补 、 加减速等高速处理 ,但单 片机等无法完成复杂的运算 , 现有运动控制芯片不 能满足激光雕刻时运动定位和激光能量动态补偿控 制 ,对实现高速加工条件下的高精度要求则更不能 满足 . 3 ) 采用 DSP + CPLD / FPGA 构成 : 随微电子
收稿日期 : 2006 206 229.

文章编号 : 1673 2095X ( 2007) 03 20064 204

高速激光雕刻切割机的研究
季秀远 , 张宝峰 , 徐晓明
(天津理工大学 自动化学院 , 天津 300191)

摘   : 介绍了二维激光雕刻机控制系统的设计以及 DSP 的数控系统中 DM642 与 FPGA 组合协调控制 . 且提出 要
DSP /B I S的控制算法和“ O 动态 NURBS曲线 ” 控制技术 ,并将其用于雕刻系统中控制步进电机和 CO2 激光器实现对

不同材料的加工 . 实验结果表明 ,该系统能解决如高速 、 运动平稳性的一些问题 ,设备具有良好的性能 . 关键词 : 雕刻机 ; 控制系统 ; DSP /B I S; NURB S曲线 O 中国分类号 : TP332. 3     文献标识码 : A

Research on cuttin g and carv in g mach in e of h igh speed
J I X iu 2yuan, ZHAN G Bao 2feng, XU X iao 2m ing

( School of Electrical Engineering, Tianjin University of Technology, Tianjin 300191, China)

第一作者 : 季秀远 ( 1978 — ) ,男 ,硕士研究生 .

Abstract: The designing of the control system of two 2dim ension laser carving machine is introduced, w ith equal reference to high speed and stability of moving and has a good perfor mance. Key words: carving machine; control system; DSP /B I S; NURBS curve O

trol algorithm and the control technology of the dynam ic NURBS curves that are app lied to control stepp ing motor and CO2 la2 ser to machine of various materials are p resented. Experim ental results show that this system can solve many p roblem s about

the coordination control of the DM642 and FPGA within the DSP numerical control system. In this paper the DSP /B I S con2 O

技术的进步 ,芯片的制造成本大大降低 ,而功能却大 大增强 , 32 位的嵌入式微处理器和高速数字信号处 理 (DSP )逐渐成为嵌入式工控系统设计的主流 . 由 于 DSP的高速数据处理能力 , 因而在激光雕刻机的 数控系统中可以充分借助 DSP 的强大运算能力 , 把 复杂的算法放到控制系统上完成 , 便于控制算法的 优化和提高 ,使系统的功能和性能得到很大提高
[1]

.

激光雕刻切割机的数控系统采用高速 DSP 和 FPGA 组合控制方式中 DSP 用于高速的数值计算 , 且采用 大规模的 FPGA 来对数控加工系统作精确控制 . 基 于这种结构的设计 , 数控系统 (控制板 ) 便最终可以 完全脱机运行 ,使得数控系统操作方便 . 另外软件方 面通过 VC 等面向对象编程语言编制操作界面实现 了很好的人机交互 . 数据传输采用的是高速 DSP 处 理器 DM642 自带有片上 EMAC 网络接口 ,此对图形 加工数据的传输采用了 TCP /UD P 网络传输 , 这样

2007 年 6 月               季秀远 ,等 : 高速激光雕刻切割机的研究      

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图形加工数据的传输速度将能达到 100 M bp s, 极大 提高了生产效率 . 该系统总体设计使雕刻机状况运 行良好 .

DSP - DM642 和 FPGA 组合控制步进电机和 CO2 激

光器实现对不同材料的加工 ,所设计的数控系统 (控 制板 )最终可以完全脱机运行 , 操作方便 , 极具人性 化. 在激光雕刻切割机系统中是通过 DM642 控制
FPGA 实 现 对 步 进 电 机 和 CO2 激 光 器 的 控 制 , 在 DM642 实现两个缓冲区 ,一个放加工数据 ,另一个为

1  系统原理及总体方案设计
基于以上因素的考虑 , 本课题提出了一种基于 高性能 DSP处理器开发高性价比的激光雕刻切割机 数控系统的方案 . 激光雕刻机的主要工作过程是 PC 中上位端软件读取常用的 DXF、 、 P 等格式的 PLT BM 图形 、 图像文件 ,根据图形和加工材料的不同设定不 同的加工参数 . 再把设定好参数的加工数据通过
TCP 网络或者其他通信接口发送到控制板的 DSP

填充数据 ,利用缓冲区的切换 ,当加工缓冲区的矢量 图形数据加工完之后 , 告知 DM642 可以对当前缓冲 区进行填充 (抛弃原有数据 ) , 同时开始加工另一个 缓冲区内 (原填充区 )的图形数据 ,如此反复 ,这样由 于 DM642 处于多线程的运行状态下 ,为避免 DSP 在 处理其他重要事务时被打断 , 可利用 DSP 的 EDMA 来对 FPGA 进行数据管理 . 这样既可避免 DSP 多线 程被打断 ,同时速度也可以得到保证 . 在管理步进电 机和 CO2 激光器的 FPGA 中主要实现 3 个定时器 T1 、 2 、 3 ,以及 CO2 激光器 (实际是对激光电源 ) 能 T T 量和使能控制 . 整个系统实现的难点在于对激光和
X Y 两个步进电机 ,协调控制 ,系统中通过一块 FPGA

中 ,由 DSP进行进一步的解析并处理生成最终的加 工数据 ,驱动步进电机并控制 CO2 激光器进行加工 . 结合高速激光雕刻切割机的功能需求和 DSP 的 资源与性能 , 拟定了本雕刻机数控系统的总体设计 框图 ,如图 1 所示 . 它由基于 DSP 微处理器的运动控 制主板 、 机和人机界面单元 3 部分组成 . PC

( CPLD )来控制 ,即在 FPGA 中要实现的功能可如图 2 所示 :

图 1  系统总体设计框图
F ig. 1  D ia gram of system s overa ll design

在整个控制系统中 , DSP 主控板是数控系统的 核心 ,主控板用来完成数控系统中的插补运算 、 步进 电机输出脉冲的分配 ,发挥 DSP高速计算性能 ,解决 雕刻切割机运动控制过程中的高速信息问题 . 另外 ,
DSP主控板还需对其它外部设备进行控制 , 如机床

图 2  FPGA 功能实现框图
F ig. 2  D i gram of function rea liza tion a

3  基于 D SP / B I S 的控制算法程序设计 O
DSP /B I S 是 TI 公 司 为 其 T S320C5000 和 O M T S320C6000 系列 DSP 而设计的 、 M 免费的 、 用于复

各轴的限位信号 、 风机和冷却水位等模拟信号 ,并根 据不同的外部信号完成相应的控制操作 . 人机界面 是机床和操作人员的一个纽带 , 主要完成操作按键 的扫描和加工状态及参数的显示 . 本系统中 PC 机主 要用于完成图形加工数据的读取并设定相应参数 , 最终下载到 DSP数控板中 .

杂系统开发与应用的 、 可裁减的多任务实时内核 ,可 以使程序开发者更加专著于功能程序的实现 , 程序 设计者只需要关注控制算法的实现 .
DSP /B I S 是可扩展的组件化的系统服务集 ,用 O

户可以对其所使用的组件进行完全控制 . 当用户开 发应用程序或者把以前的应用程序导入到 DSP /B I2
OS时 ,只选择用户应用程序所需要的那些组件即

2  D SP - DM 642 和 FPGA 组合协调控制
为充分发挥 DSP 的高速数据处理能力和强大的 资源管理能力 ,在数控系统中采用了 TI的新型高速

可 . 并且只有用户所选择的那些组件被包含在用户 的目标应用程序中 ,这就使得 DSP /B I S对内存的使 O

?66?

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用达到最小的程度 . 一般地 ,应用程序使用 DSP /B I S 来配置系统 O 中断向量表和系统内存映像图 . 在开发期间 , 大多数 开发者利用构建在 DSP /B I S中的实时分析功能来 O 对用户应用程序运行时刻的行为进行查看或监控 . 此外 ,人们还利用 DSP /B I S的调度器来优化和管理 O
DSP处理 . 每一个应用程序都可以利用 DSP /B I S中 O

开发人员能够使用支持错误检测与通知 、 数据仿真 以及实时数据捕获等特征的定制检测向量来分析所 开发的算法 ; 利用实时数据交换 ( RTDX ) 特征 , 开发 人员还可以在目标应用程序正在运行时更新参数和 监控结果 ,从而调整自己的算法 . 应用程序逻辑一旦 验证完毕 ,就可以把真实算法添加到最终的目标程 序中去 .

的特征或功能 . 先前的应用程序可以利用 DSP /B I2 OS,以使得向其所支持的 T S320 DSP 的移植更加 M 容易 . DSP /B I S需要知道几个全局系统参数 . 这些参 O 数包括 DSP 设备 、 CPU 时钟速度 、 Endian 模式 、 缓存 设置以及其他一些参数等等 . 与传统的嵌入式开发 不同 ,用户不需要在其程序当中进行初始化或者设 置 ,这些绝大多数的参数初始化或者设置都可以通 过其配 置工 具 ( DSP /B I S Configuration Tool ) 来 完 O 成 . 当然 ,其中有一些用户既可以通过配置工具也可 以在其程序中设置或者配置 , 但由于 DSP /BOS对通 过配置工具生成的代码进行了专门优化 , 因此使用 配置工具使得所生成的代码既短小同时系统资源消 耗又少 . 由于嵌入式资源一般都比较紧张 ,建议尽可 能利用其配置工具静态地生成所使用的系统对象 , 以减少系统资源的开销 . 一般地 , 开发 DSP /B I S应 O 用需要以下几个步骤 : 1 ) 使用配置工具选择和配置目标应用程序所 需的 DSP /B I S运行时刻支持对象 . O 2 ) 使用配置工具指定目标应用程序的线程类 型、 优先级以及激活时所调用的函数 . 3 ) 使用配置工具创建系统内存映像图 . 4 ) 使用配置工具创建中断向量表 . 5 ) 使用配置工具对片上定时器进行编程 . 配置过程结束后 , 开发人员就可以在其程序中 像调用常规数据对象一样来调用 DSP /B I S AP I, 以 O 访问和操作 DSP /B I S的对象 . 由于 DSP /B I S内核 O O 含有实现执行线程和设备无关 I/0 的许多组件 , 因 此从简单的单道信号处理系统到非常复杂的多速率 和多道系统都可以用之来开发 . 另外 ,其提供的内核 对象查看 KOV ( Kernel Object V iew )功能和实时分析 ( RTA )特征 ,使得开发人员在把真实算法附加到程 序中以前 ,就能够快速验证应用程序的执行逻辑 . 例 如 ,通过利用其实时分析特征功能 ,设计师能够快速 地测量使用 DSP /B I S 开发所带来的开销 : 利用其 O RTA 组件 ,开发人员可以对嵌入式应用某一线程在 运行时刻的行为或者状态进行实时监控或者分析 ;

4  采用“ 动态 NURBS 曲线 ” 控制步进电机

的运动
   电机的运动控制方式决定了激光雕刻切割机能 否平稳运行 . 在低速情况下要达到平稳运行是比较 容易实现的 , 但速度太低会影响激光雕刻切割机的 整体性能 . 通过大量的试验分析了激光切割雕刻机床和步 进电机的特性参数 , 发现如果采用传统的直线或简 单的曲线加减速控制 , 一方面其速度过渡无法和激 光加工特点密切配合 , 同时也不利于总体上提高机 床的加工速度 . 在加速过程中如果速度在和机床的 固有频率接近时变化太慢 ,就会使机床形成共振 ,使 机床发生抖动 ,在加工的工件上产生“ 毛刺 ”影响加 , 工效果 . 如果使用 NURB S曲线拟合试验分析出来的 一系列适当的速度值 , 同时在和机床固有频率接近 的速度值附近尽量快的过渡 , 就可以实现机床的迅 速加减速 ,并且机床能够平稳运行
[2]

.

NURB S是一种自由曲线 , 它具有曲线的平滑性

还能表现出如椭圆 、 抛物线 、 双曲线那样的二次曲 线 ,其表达式为多项式组合 . NURBS使用控制点 、 节 点矢量 、 3 个变量来表达自由曲线 : 权

p ( t) =

式中  w i 为权因子 ; Pi 为控制点 ; N i, k ( t) 为规范 B 样条的 k 阶基函数 .
N i, 0 ( t) =

1, t ∈ [ ti , ti+1 ] 0, t |
[ ti , ti+1 ] N i, k ( t) + tj+k +1 - t ti+k +1 - ti+1 N i+1, k - 1 ( t)

N i, k ( t) =

t - ti ti+k - ti

( i = 0, 1, …, n; k > 0)

约定

0 =0 0

其中 T = { t0 , t1 , …, tn + k + 1 }称为节点矢量

实时插补的任务是根据给定的进给速度生成插

6

n

N i, k ( t) w i Pi

i =0 n

6

( 1)
N i, k ( t) w i

i =0

( 2)

[3]

.

2007 年 6 月               季秀远 ,等 : 高速激光雕刻切割机的研究      

?6 7 ?

补直线段 ,用以逼近实际曲线 ,当它在超高速加工过 程中 ,加速度过大超出机床允许范围时 ,则按给定的 进给加速度要求及时调整进给加速度 ,令 Δli 为进给 步长 ,雕刻机系统得插补周期为 T , 当前的进给速度 为 Fi ,则当前插补周期的进给步长 Δli = Fi T, 以给定 允许加速度为约速条件 , 计算相应得约束进给步长 Δli1 ,Δli2来代替原来的无约束进给步长 , 得到 Δli =m in {Δli0 ,Δli1 ,Δli2 } 再代入参数曲线插补算法 . 求得的插补轨迹具 有进给速度自适应能力 , 能同时满足插补精度和进 给速度 ,且加速度在给定范围内 . 在所用的插补算法 中 ,每个周期内算法以直线代替曲线会产生弓形误 差 . 其误差大小 : Δ = δ
l
2

全面调研 ,对其运动控制技术进行了深入研究 , 采用 了 DSP 和 FPGA 的相结合方案 , 运用“ 动态 NURB S 曲线 ” 控制技术 、 /B I S 的控制算法研制出一款 DSP O 具有多功能运动控制卡 , 使雕刻机运动速度达到
2 000 mm / s,保证了定位精度为 0. 01 mm 的设计要

求 ,同时图形加工数据的传输速度达到 100 M bp s 该 . 系统对激光雕刻切割加工系统中的一些问题 , 如高 速、 运动平稳性 、 实时控制以及多轴联动等 , 提供了 行之有效的解决方案 ,己经成功地运用于服装皮革 、 广告工艺 、 包装印刷 、 模具模型 、 首饰工艺等行业 ,应 用前景广阔 . 参      : 考 文 献
[ 1 ] 任丽香 , 马淑芬 , 李方慧 . T S320C6000 系列 DSP 的 M

8r

=

V ( t) T 8r

( 3)

原理与应用 [M ]. 北京 : 电子工业出版社 , 2000.
[2]  马世典 , 尹志强 ,薛   ,等 . 基于 PC并口的激光雕刻 峰

由 ( 3 )式可看出曲率半径越大 , 进给速度越小 、 插补周期越短则误差越小 ,加工精度越高 . 但是当曲 率很大时 ,用直线代替曲线会产生很大的误差 . 尽管 如此 ,本插补算法能够满足加工精度要求 ,能够大大 提高运算时间
[4]

机控制系统的研究设计 [ J ]. 机床与液压 , 2004 ( 12) :
[ 3 ]     , 叶友东 . 高速加工 NURBS曲线插补技术分析 王 雅 [4]  边玉超 , 张莉彦 , 戴莺莺 , 等 . CNC 系统中 NURBS曲 59 261. 36 239.

.

5    结 论
在研究中对激光雕刻切割机的数控系统进行了

(上接第 25 页 )
表 2  21 - 碘化物溶液光照放置 HPLC 测定数据表
Tab. 2  The HPLC da ta of 21 - iod ide solution on sun light

[ 2 ]  Popper T L , Gentles M J, KUNG T T, et al Structure . activity relationship s of a series of novel top ical corticoste2 an efficient synthesis of mometasone 17 2furoate [ J ]. Tet2 roids[ J ]. J. Steroid B iochem , 1987, 27 ( 4 26 ) : 837 2843. rahedron, 1999, 55 (11) : 3355 23364. [ P ]. 1984 209 218.

避光放置 时间 /m in
0 10 60

停留时 间 /m in
23. 061 23. 116 23. 206

HPLC 测定

分解率
/% 38. 06 99. 61

值 /%
99. 625 9 61. 711 6 0. 392 1

由以上实验可以看出 , 为使下步反应的收率较 高 , 21 - 碘化物应固态避光保存 . 若将其存于溶剂 中 ,则立即进行下一步反应以减少其分解 . 参      : 考 文 献
[1] eroaroyl Esters of corticosteroids 2, 11 2Hydroxy Series . Shap iro E L , Gentles M J, Tiberi R L , et al 17 2 2 . Het

[ 3 ]  D raper R W , Hu B , M cphail A T, et al Vnusual hydroxy2 . [ 4 ]  Schering Corporation. Process for the p reparation of 17 2es2 WO , 9800437 [ P ]. 1998 201 208. US, 5886200 [ P ]. 1999 203 223. ol217 2aromatic Heterocycle carboxylates: US, 4472393 [ 5 ]   Schering Corporation. Process for the p reparation of 17 2 [ 6 ]   Schering Corporation. 3, 20 2 ioxo 21, 4 2p regnadiene217 2 D

γ2 sultone byp roducts of steroid 21 2methanesulfonylation.

与应用 [ J ]. 煤矿机械 , 2004 (9) : 74 276.

线实时插补算法研究 [ J ]. 机械制造与研究 , 2003 ( 6) :

β α esters of 9 , 21 2dihato 2p regnane 211 , 17 diol220 2 ones:

β α ters of 9 , 21 2dihato 2p regnane211 , 17 diol220 2ones:

[ J ]. J. M ed. Chem , 1987, 30: 1581 21588.