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摘 要
随着科学技术的日益进步，数字控制技术和电子信息技术得到了飞速发展，带动数控雕刻技术在木工、徽章、标牌、模具等加工领域中广泛应用。但目前国产数控雕刻机在精度、性能、成本等方面还有很大的提升空间，为了提高国产雕刻机的性价比和市场竞争力，研制加工速度快、精度高、成本低的数控系统显得尤为重要。
本文在分析国内外数控雕刻机发展现状和研发技术的基础上，设计以ARM9+FPGA 为核心控制器，结合嵌入式系统来设计雕刻机控制系统。ARM9作为主处理器，负责轨迹插补、速度控制以及运行 Windows CE 操作系统；FPGA作为辅处理器，负责发送驱动脉冲，控制步进电机控制器运动。整个系统工作时操作简便，可以一体化地实现从原始数据读取到最后驱动脉冲的发送，从而摆脱对工控 PC 机的依赖。
在轨迹控制方面采用改进的数字积分插补算法（DDA），降低微处理器插补时的运算量，提高插补效率。在速度控制方面，结合步进电机频率-转矩的特性，采用多条离散微线段拟合指数型曲线的方法实现执行机构的加减速控制；另外辅以“大 S”集合算法完成轨迹预处理，解决电机因频繁启停出现的失步问题。
仿真试验进一步验证基于ARM+FPGA雕刻机控制系统方案设计的可靠性和可行性，具有很好的参考和应用价值。
关键词：数控雕刻机；ARM和FPGA；加减速控制算法；插补算法；
Abstract
With the progress of science and technology, digital control technology and electronic information technology have been developing rapidly, driving CNC engraving technology in woodworking, badge, sign, mold and other fields of processing. However, there is still much room for improvement in the accuracy, performance and cost of the CNC engraving machine. In order to improve the price performance and market competitiveness of the home-made engraving machine, it is particularly important to develop CNC system with high speed, high accuracy and low cost.
Based on the analysis of the current situation of the development of research and technology at home and abroad CNC engraving machine, using ARM9+FPGA as the core controller, combined with the embedded system to design the engraving machine control system scheme; the ARM9 as the main processor, is responsible for the interpolation, speed control and running the Windows CE operating system; FPGA as a co processor, is responsible for sending the drive pulse control, stepper motor controller motion. The whole system is easy to operate, and can be integrated to read from the raw data to the last drive pulse, so as to get rid of the dependence on the industrial control PC.
In the aspect of trajectory control, the improved digital integral interpolation algorithm (DDA) is used to reduce the computational complexity of microprocessor interpolation and improve the interpolation efficiency. In speed control, combined with the characteristics of stepper motor torque frequency, speed control by using the method of multiple discrete micro segment fitting exponential curve to achieve the actuator; also with "s" set algorithm to complete the trajectory pretreatment, solve the problems due to frequent start and stop the motor is out of step.
The simulation test further verified the reliability and feasibility of the design of the control system based on ARM+FPGA engraving machine proposed in this paper, which has a good reference and application value.
Keywords CNC engraving machine, ARM and FPGA, Acceleration and deceleration control algorithm, Interpolation algorithm
数控雕刻机是典型数字控制的机电一体化产品[1]。随着市场需求不断扩大和模具工业的迅速发展，数控雕刻机在徽章、标牌、生活用品、模具制作、旅游纪念品等行业中应用广泛[2]。但目前市面上出现的雕刻机，不仅价格非常昂贵，普通的雕刻机都是数万元以上，令一些中小用户望而却步；而且雕刻精度和速度也不满足要求。近年来，模具、装饰品及家具等行业在雕刻方面的需求不断扩大，许多中小雕刻机用户都迫切需要一个成本低、雕刻品质好、操作人性化、维护方便的雕刻机应用方案。20 世纪 90 年代以来，微电子技术的快速发展推动微型计算机在日常生活中的快速普及，也促使雕刻机技术有了质的飞跃[3]。应用微型计算机可以设计出功能全面、性能稳定、价格低廉、灵活精准的雕刻机系统。
随着雕刻机行业的发展，必然导致市场的竞争日益激烈。然而成本是产品立足的根本，应用嵌入式技术在低成本方面具有很大优势[4]。这种优势主要体现在嵌入式微处理器的发展使得硬件成本大大降低，但是硬件成本的可压缩空间已经比较小了，而软件成本的压缩空间还比较大。嵌入式系统完成简单的功能是不需要操作系统的，但是随着后PC时代的到来，嵌入式系统功能越来越复杂，需要控制和监视许多外围设备和任务，以及多任务间的调度和通信，利用嵌入式操作将是不可避免的趋势。尽管从八十年代末以来，相继出现了一些比较着名的嵌入式操作系统，如pSOS、VxWorks等。在商业化领域专用嵌入式操作系统的价格让许多中小型企业望而生畏；而且专业操作系统对源代码的封闭也限制了开发者的积极性。对于企业来说，如果利用商业嵌入式操作系统，不仅需要花费昂贵的购买费用，而且每生产一件产品还需要交纳一份版权费。
Windows CE操作系统在短短的十几年时光中已然发展成为一个具有功能强大设计完善的操作系统[5]；可运行在NEC、X86、ARM、MIPS等多种硬件平台。凭借着稳定的性能及如Windows一致的开发特性得到了众多开发者的认可，在商业应用中越来越普及，已成功应用于商业数字电视、工业控制等智能信息产品中[6]。Windows CE的开发和研究目前已经成为嵌入式操作系统领域的一个热点。工业领域企业和研发机构在Windows CE操作系统的开发和研究上投入了大量的精力，在一些新兴的领域内获得了飞速发展[7]。同时，市场上各类高性能的32 位嵌入式微处理器也层出不穷，凭借处理器杰出的设备支持和强大的功能受到了广泛的重视。
世界上第一台雕刻机是 1938 年在法国“嘉宝”生产问世，而真正意义上支持电动、可缩放比例的雕刻机诞生于 1950 年[8]。目前雕刻机行业中的领导者大多为国外的品牌，如法国“嘉宝”、美国“雕霸”和日本“御牧”等；虽然国外雕刻机的品质好、精度高，但是销售价格十分的昂贵，并且售后服务和使用操作也不友好，不适用于中小企业使用。随着雕刻机的快速发展，国内的雕刻机厂家如北京的“精雕”、上海的“啄木鸟”、南京的“威客”和山东的“宝典”等品牌也陆续的开发具有独立知识产权的雕刻机[9]，在国内占据了一定的市场份额，但是这些品牌的雕刻机在精度和价格方面也不是中小型企业所期望的。所以雕刻机在成本、精度、技术等方面的发展前景和提升空间依旧非常乐观。
目前市场上出现的雕刻机一般都可加工二维平面图形和三维浮雕等模具。常见的加工流程是将要加工的图案经过专业 CAD/CAM 软件生成雕刻路径数据，即将图形轮廓离散化成多条微线段[10]；然后经过插补算法对微线段进行插补。雕刻机控制系统常用的插补算法主要有逐点比较法和数字积分法两大类。为了保证加工速度和精度，还需要进行加减速控制。而国内步进电机速度控制方法一般分为梯形升降速控制方法、S 型升降速控制法和指数型升降速控制法三类[11]。
国内的雕刻机控制器主要有三类：第一类主要以 8 位单片机为内核设计的控制器[12]，8 位单片机为内核的雕刻机具有价格低廉、设计简单且能够达到一般的设计要求等优点；但也避免不了存在精度低、储存小、人机交互不理想等缺点。同时独立工作的能力较弱，对操作人员要求较高。第二类是基于运动控制器+PC 机设计的控制器[13]，这类雕刻机功能较强，且具备较好的实时性；但高成本问题不能避免，同时产品缺少柔性化，开发周期较长，不适合中小型用户。第三类是基于 Windows 系统+PC 机设计的控制器[14]，Windows 并不是实时性很好的操作系统，单独靠系统提供的时间函数只能将进度控制在毫秒级，还不能达到企业高速高精度雕刻的要求。同时 PC 机成本较高，大批量生产时需要为每个雕刻机配备，不符合市场需求。
雕刻机控制系统演示：
系统参数设置图
加工文件选择图
手动操作编程移动图
ARM 向 FPGA 写数据时序图
读写 FIFO 时序图
发送脉冲时序图
分频模块仿真结果图
目 录
摘 要
Abstract
第 1 章 绪 论
1.1 课题研究背景及意义
1.2 数控雕刻机系统
1.2.1 数控雕刻机国内外发展现状
1.2.2 数控雕刻机未来的发展趋势
1.3 嵌入式系统在数控领域的应用
1.4 主要研究内容
第 2 章 控制系统的总体方案设计
2.1 设计需求
2.2 嵌入式系统概述
2.2.1 嵌入式技术发展历程和特点
2.2.2 面向嵌入式系统开发的要点及基本流程
2.3 总体方案设计
2.3.1 结构类型与方案设计
2.3.2 嵌入式处理器选型
2.3.3 嵌入式系统选型
2.3.4 控制系统方案设计
2.4 本章小结
第 3 章 系统硬件设计及实现
3.1 控制系统硬件结构
3.1.1 电源电路
3.1.2 复位和时钟电路
3.1.3 Flash 接口电路
3.1.4 储存电路
3.2 人机界面电路
3.2.1 LCD 显示电路
3.2.2 键盘电路
3.3 FPGA 电路
3.3.1 FPGA 接口电路
3.3.2 FPGA 配置电路
3.3.3 E2PROM 电路
3.4 系统接口电路
3.4.1 USB 接口电路
3.4.2 进给信号接口电路
3.4.3 开关量信号接口电路
3.5 本章小结
第 4 章 数控雕刻机控制方法
4.1 插补原理.
4.1.1 逐点比较法
4.1.2 数字积分法
4.1.3 数控雕刻机插补算法选择与改进
4.2 加减速控制算法
4.2.1 梯形升降控制法
4.2.2 S 型升降速控制法
4.2.3 指数型升降速控制法
4.2.4 指数规律曲线的拟合
4.2.5 速度控制方法 MATLAB 仿真
4.3 速度控制中轨迹预处理
4.3.1 “大 S”集合的查找
4.3.2 “大 S”升降速计算
4.4 轨迹插补和加减速联合控制
4.5 本章小结
第 5 章 控制系统软件设计与实现
5.1 雕刻机控制系统软件总体设计
5.1.1 雕刻机控制系统软件开发环境
5.1.2 雕刻机控制系统软件总体流程
5.1.3 雕刻机控制系统软件功能模块设计
5.2 G 代码文件加工模块
5.2.1 U 盘数据读取程序设计
5.2.2 G 代码文件加工程序设计
5.3 人机交互模块
5.3.1 键盘接口程序设计
5.3.2 界面显示模块
5.4 数据处理单元模块
5.5 FPGA 进给电机控制器设计
5.5.1 FPGA 接口模块
5.5.2 分频器模块设计与仿真
5.5.3 方向设定模块设计及仿真
5.5.4 相位编码模块设计及仿真
5.5.5 进给电机控制器仿真
5.6 本章小结
结论
参考文献
攻读学位期间发表的学术成果
致 谢
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