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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$ J8 t$ A% W6 ?: Q/ Z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
. \% _; N& {& E! [% F; F, o9 D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
* k) }- W: e; @% D$ b: e2 [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
% [5 M, W' s( g/ l9 ?0引言
  ~# L) V- Q! A4 t1 T, ~以激光切割和激光雕刻为代表的各种激光加工手段
8 Q( k$ }( ]" ?9 N凭借其较高的加工速度和良好的视觉效果被广泛运用于.
各种行业。如在航模制造业中,激光切割被大量用于各种
6 Q1 n5 M5 b( f机体部件的切割成形。由于激光切割具有切割痕迹整齐、
& S+ X( o1 e* ?+ y9 z8 [' o" l: t无毛刺等特点,免去了对部件边缘打磨、抛光的过程。而.
! q. [5 q2 c8 v+ h* [: 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
+ T  ^% V# h* K# T表面雕刻出深浅不一的图案,这是传统的机械加工手段很
& H9 e1 _2 v- n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
7 k- J& b* |6 j# N# A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
' ]! n- K. s9 y& [
加、减速区,但这会使数据的运算量成倍的增加。
5 I: z: T( ]% q早期系统常常采用一块单片机来完成从数据处理到
4 L0 X0 Q* _( \; x8 p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
6 K9 C4 y6 G4 H! w. T# U/ A力往往达不到要求，限制了性能的发挥。而后一种做法，
, a4 ~8 u; Y9 P8 Y! |; B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
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
" c% q: ~( Z9 E理、单片机负责支持人机界面和加工信号产生的结构。此
" e$ n1 i6 |# ~# D: T种设计虽然得到了很好的加工效果,但是由于单片机的各
# X8 k& C. I, U方面能力有限,限制了加工速度的提升,也制约了DSP 性
8 _( ~& s$ @; Z7 z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