基于DSP的数控雕刻系统研究及其仿真实现
摘要
数控雕刻在工业生产和人们的日常生活中有着广泛的应用前景,本论文系统分析总结了数控技术和雕刻技术发展现状,讨论了数控雕刻系统的应用特点、组成结构和各部分功能。本论文主要研究了以下几个方面内容:
1.在对传统数控代码执行方式进行深入研究的基础上,提出了一种基于编译执行的方案,有效提高了执行效率。文中介绍了为系统定制目标指令集,并根据计算机编译原理,定义出G代码程序的词法和文法,然后利用Lex&Yacc工具生成分析代码,在VC++环境开下完成编译器的开发,利用该编译器可将G代码编译成目标语言,从而达到编译执行的目标。
2.对传统数控系统上下位机数据传输的方式进行了研究,确定采用USB接口作为数据的传输通道,并利用DSP芯片的HPI接口实现下位机内部数据的快速存取。文中介绍了上位机Windows平台上基于WDM模型的USB驱动程序设计与实现,下位机上由EZ-USB芯片负责实现USB协议并完成数据传输,然后通过EZ-USB芯片的GPIF接口与DSP芯片的HPI接口配合,完成大量数据的快速存取。
3.针对传统数字积分插补算法在三维插补上的不足,及其过象限处理比较繁琐等问题,提出了一种基于矢量的快速数字积分插补算法。该算法充分利用了矢量在计算角度和方向上的优势,实现了任意空间圆弧和直线的快速插补,也实现了自动平滑的过象限处理,使整个插补算法变得更加快速高效。
4.建立了一个数控雕刻机的仿真系统,设计开发了目标指令集上的代码执行器,负责执行编译所得的目标代码,同时开发了基于OpenGL图形技术的虚拟雕刻机模型,用以模拟实际雕刻机的特性及功能。
最后,通过仿真系统的仿真结果,证明了数控代码的编译执行这一方案的可行性,也验证了基于矢量的快速数字积分插补算法的正确性。在实验室条件下的测试表明,文中所采用的数据传输和存取方案,达到了预期的设计目标,是可行有效的。
The CNC engraving system has wide application prospective in both industry manufacture and people's daily life. This paper presents a systemic analysis and summarization on current situation of CNC technology and engraving technology, discusses the application characteristics, composing modules and functions of the CNC engraving system. The main contributions of this thesis are as follows:
1. Study the traditional execution way of NC code, propose an advanced compile–based execution way which is more efficient. In this paper, we customize the target instruction set, define the lexical and syntax rules for G code program according to the computer compile theory, make use of the Lex&Yacc tools to generate analyse code, build up the compiler within VC++ environment, use the compiler to complete translation from G code to target code, execute the target code directly in the end.
2. Study the traditional way of data transportation in the CNC system, choose USB interface as data channel between master and slave machine, use the HPI interface of DSP chip to realize fast storage of mass data within slave machine. In the master machine, develop a Windows dirver based on WDM framework to handle USB data transportation. In the slave machine, use EZ-USB chip to realize USB protocal and handle USB data transportation, and then combine GPIF interface of EZ-USB chip and HPI interface of DSP chip to realize fast storage of mass data.
3. Aim at the insufficiency in 3D interpolation and the complexity in quadrant transition process of tranditional DDA interpolation algorithm, propose a fast DDA interpolation algorithm based on vector. Because of the inherent advantage in angle and direction calculation of vector, this algorithm realizes any 3D arc or line interpolation with high efficiency and a smooth process on quadrant transition, and requires less computer resource then before.
4. Build up a simulation system for the CNC engraver, develop a code decipher on the target instruction set which is responsible for executing the target code generated by compiler, develop a virtual engraver based on OpenGL technology to simulate characteristics and functions of the engraver entity.
1.在对传统数控代码执行方式进行深入研究的基础上,提出了一种基于编译执行的方案,有效提高了执行效率。文中介绍了为系统定制目标指令集,并根据计算机编译原理,定义出G代码程序的词法和文法,然后利用Lex&Yacc工具生成分析代码,在VC++环境开下完成编译器的开发,利用该编译器可将G代码编译成目标语言,从而达到编译执行的目标。
2.对传统数控系统上下位机数据传输的方式进行了研究,确定采用USB接口作为数据的传输通道,并利用DSP芯片的HPI接口实现下位机内部数据的快速存取。文中介绍了上位机Windows平台上基于WDM模型的USB驱动程序设计与实现,下位机上由EZ-USB芯片负责实现USB协议并完成数据传输,然后通过EZ-USB芯片的GPIF接口与DSP芯片的HPI接口配合,完成大量数据的快速存取。
3.针对传统数字积分插补算法在三维插补上的不足,及其过象限处理比较繁琐等问题,提出了一种基于矢量的快速数字积分插补算法。该算法充分利用了矢量在计算角度和方向上的优势,实现了任意空间圆弧和直线的快速插补,也实现了自动平滑的过象限处理,使整个插补算法变得更加快速高效。
4.建立了一个数控雕刻机的仿真系统,设计开发了目标指令集上的代码执行器,负责执行编译所得的目标代码,同时开发了基于OpenGL图形技术的虚拟雕刻机模型,用以模拟实际雕刻机的特性及功能。
最后,通过仿真系统的仿真结果,证明了数控代码的编译执行这一方案的可行性,也验证了基于矢量的快速数字积分插补算法的正确性。在实验室条件下的测试表明,文中所采用的数据传输和存取方案,达到了预期的设计目标,是可行有效的。
The CNC engraving system has wide application prospective in both industry manufacture and people's daily life. This paper presents a systemic analysis and summarization on current situation of CNC technology and engraving technology, discusses the application characteristics, composing modules and functions of the CNC engraving system. The main contributions of this thesis are as follows:
1. Study the traditional execution way of NC code, propose an advanced compile–based execution way which is more efficient. In this paper, we customize the target instruction set, define the lexical and syntax rules for G code program according to the computer compile theory, make use of the Lex&Yacc tools to generate analyse code, build up the compiler within VC++ environment, use the compiler to complete translation from G code to target code, execute the target code directly in the end.
2. Study the traditional way of data transportation in the CNC system, choose USB interface as data channel between master and slave machine, use the HPI interface of DSP chip to realize fast storage of mass data within slave machine. In the master machine, develop a Windows dirver based on WDM framework to handle USB data transportation. In the slave machine, use EZ-USB chip to realize USB protocal and handle USB data transportation, and then combine GPIF interface of EZ-USB chip and HPI interface of DSP chip to realize fast storage of mass data.
3. Aim at the insufficiency in 3D interpolation and the complexity in quadrant transition process of tranditional DDA interpolation algorithm, propose a fast DDA interpolation algorithm based on vector. Because of the inherent advantage in angle and direction calculation of vector, this algorithm realizes any 3D arc or line interpolation with high efficiency and a smooth process on quadrant transition, and requires less computer resource then before.
4. Build up a simulation system for the CNC engraver, develop a code decipher on the target instruction set which is responsible for executing the target code generated by compiler, develop a virtual engraver based on OpenGL technology to simulate characteristics and functions of the engraver entity.
引文
[1] 杨有君,数控技术,机械工业出版社,2005
[2] 娄锐,数控应用关键技术,电子工业出版社,2005
[3] 王永章,机床的数字控制技术,哈尔滨工业大学出版社,1995
[4] 冯勇,现代计算机数控系统,机械工业出版社,1996
[5] Kenneth C.Louden,编译原理及实践,机械工业出版社,2004
[6] 张幸儿,计算机编译原理:编译程序构造实践,科学出版社,2005
[7] M.E.Lesk & E.Schmidt,Lex - A Lexical Analyzer Generator
[8] Stephen C. Johnson,Yacc: Yet Another Compiler-Compiler
[9] 王成儒等,USB2.0 原理与工程开发,国防科技出版社,2004
[10] 许永和等,USB 外围设备设计与应用,中国电力出版社,2003.6
[11] Chris Cant,Windows WDM 设备驱动程序开发指南,机械工业出版社,2000
[12] 武安河,Windows 2000/XP WDM 设备驱动程序开发,电子工业出版社,2005
[13] 钱峰,EZ-USB FX2 单片机原理、编程及应用,北京航空航天大学出版社,2006
[14] 江思敏,TMS320C6000 DSP 应用开发教程,机械工业出版社,2005
[15] 唐才峰,基于 DSP 的雕刻机数控系统研制与开发,硕士论文,南京航空航天大学,2005
[16] 彭丹丹,高速高精度数控雕刻机控制技术的研究,硕士论文,合肥工业大学,2005
[17] 段朴斌,面向虚拟雕刻设计的五轴加工设备的研制,硕士论文,清华大学,2005
[18] 谢万德,基于 DSP 的多轴运动控制器的研究,硕士论文,浙江大学,2002
[19] 孙秀斌,立体雕刻机 CNC 系统的软件开发,硕士论文,电子科技大学,2001
[20] 张昱,三维机械雕刻机的研制,硕士论文,合肥工业大学,2002
[21] 刘兵,基于 DSP 的开放式数控系统开发,硕士论文,哈尔滨理工大学,2005
[22] 廖永中,基于 DSP 运动控制卡及控制算法的设计与研究,硕士论文,湖南师范大学,2006
[23] 江巍,基于 USB 的运动控制系统设计,硕士论文,山东大学,2005
[24] 苏厚胜,基于网络的远程运动控制系统的设计和研究,硕士论文,武汉理工大学,2005
[25] 王军平,高性能运动控制及在数控系统中的应用,硕士论文,西北工业大学,2002
[26] 杨天文,基于 COM 组件技术的开放式数控系统设计与研究,硕士论文,电子科技大学,2005
[27] 张克华,数控加工模拟实验台的研制,硕士论文,广西大学,2004
[28] 徐志明等,Windows 平台上三轴联动数控雕刻机的开发,制造技术与机床,2002 年第4 期,Pg.16-18
[29] 伍抗逆等,面向开放式数控系统平台的 NC 代码解释器开发,中国机械工程,2006 年第 17 卷第 2 期,Pg.168-171
[30] 陈刚著,基于 WDM 的通用串行总线驱动程序的开发,机电工程技术,2006 年第 35卷第 3 期,Pg.54-56
[31] 焦斌亮等,基于 EZ_USB FX2 实现的高速数据采集系统,仪表技术与传感器,2005 年第 7 期,Pg.21-22
[32] 龙玲等,USB2.0 微控制器 CY7C68013 的 GPIF 接口设计,单片机与嵌入式系统应用,2006 年第 10 期,Pg.47-49
[33] 李亭等,GPIF 与 FIFO 接口设计,电测与仪表,2006 年第 6 期第 43 卷,Pg.56-59
[34] 刘春斌等,基于 DSP 的数控雕刻机控制系统的设计与实现,组合机床与自动化加工技术,2002 年第 10 期,Pg.43-47
[35] 詹泳等,五轴数控机床空间圆弧插补,华中理工大学学报,2000 年第 5 期,Pg.4-6
[36] 杨树莲,快速数字积分插补算法及其实现,机床与液压,2002 年第 3 期,Pg.118-119
[37] 李梵著,基于 OpenGL 的船载特种起重机仿真系统设计,自动化技术与应用,2006 年第 25 卷第 7 期,Pg.47-49
[38] 吴滔等,用 VC 实现数控雕刻机加工过程仿真,机床与液压,2003 年第 5 期,Pg.130-131
[39] 郭爱斌等,OpenGL 实现数控加工刀具轨迹实时仿真研究,机械科学与技术,2002 年第 21 卷增刊,Pg.126-128
[40] 沙智华等,基于 LEX&YACC 数控代码编译技术研究,组合机床与自动化加工技术,2002 年第 11 期,Pg.50-51.55
[41] 王玉琳等,步进电机的软件脉冲分配,制造技术与机床,2006 年第 7 期,Pg.23-25
[42] 陈学军等,步进电机细分驱动控制系统的研究与实现,电机与控制应用,2006,33(6),Pg.48-50
[43] 郭卫等,基于 UG/ISV 的数控加工仿真系统的设计,组合机床与自动化加工技术,2006年第 9 期,Pg.4-6
[44] 桂贵生等,直接函数算法在数控雕刻机中的应用,控制与检测,2005 年第 7 期,Pg.67-69
[2] 娄锐,数控应用关键技术,电子工业出版社,2005
[3] 王永章,机床的数字控制技术,哈尔滨工业大学出版社,1995
[4] 冯勇,现代计算机数控系统,机械工业出版社,1996
[5] Kenneth C.Louden,编译原理及实践,机械工业出版社,2004
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[7] M.E.Lesk & E.Schmidt,Lex - A Lexical Analyzer Generator
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[9] 王成儒等,USB2.0 原理与工程开发,国防科技出版社,2004
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[13] 钱峰,EZ-USB FX2 单片机原理、编程及应用,北京航空航天大学出版社,2006
[14] 江思敏,TMS320C6000 DSP 应用开发教程,机械工业出版社,2005
[15] 唐才峰,基于 DSP 的雕刻机数控系统研制与开发,硕士论文,南京航空航天大学,2005
[16] 彭丹丹,高速高精度数控雕刻机控制技术的研究,硕士论文,合肥工业大学,2005
[17] 段朴斌,面向虚拟雕刻设计的五轴加工设备的研制,硕士论文,清华大学,2005
[18] 谢万德,基于 DSP 的多轴运动控制器的研究,硕士论文,浙江大学,2002
[19] 孙秀斌,立体雕刻机 CNC 系统的软件开发,硕士论文,电子科技大学,2001
[20] 张昱,三维机械雕刻机的研制,硕士论文,合肥工业大学,2002
[21] 刘兵,基于 DSP 的开放式数控系统开发,硕士论文,哈尔滨理工大学,2005
[22] 廖永中,基于 DSP 运动控制卡及控制算法的设计与研究,硕士论文,湖南师范大学,2006
[23] 江巍,基于 USB 的运动控制系统设计,硕士论文,山东大学,2005
[24] 苏厚胜,基于网络的远程运动控制系统的设计和研究,硕士论文,武汉理工大学,2005
[25] 王军平,高性能运动控制及在数控系统中的应用,硕士论文,西北工业大学,2002
[26] 杨天文,基于 COM 组件技术的开放式数控系统设计与研究,硕士论文,电子科技大学,2005
[27] 张克华,数控加工模拟实验台的研制,硕士论文,广西大学,2004
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[32] 龙玲等,USB2.0 微控制器 CY7C68013 的 GPIF 接口设计,单片机与嵌入式系统应用,2006 年第 10 期,Pg.47-49
[33] 李亭等,GPIF 与 FIFO 接口设计,电测与仪表,2006 年第 6 期第 43 卷,Pg.56-59
[34] 刘春斌等,基于 DSP 的数控雕刻机控制系统的设计与实现,组合机床与自动化加工技术,2002 年第 10 期,Pg.43-47
[35] 詹泳等,五轴数控机床空间圆弧插补,华中理工大学学报,2000 年第 5 期,Pg.4-6
[36] 杨树莲,快速数字积分插补算法及其实现,机床与液压,2002 年第 3 期,Pg.118-119
[37] 李梵著,基于 OpenGL 的船载特种起重机仿真系统设计,自动化技术与应用,2006 年第 25 卷第 7 期,Pg.47-49
[38] 吴滔等,用 VC 实现数控雕刻机加工过程仿真,机床与液压,2003 年第 5 期,Pg.130-131
[39] 郭爱斌等,OpenGL 实现数控加工刀具轨迹实时仿真研究,机械科学与技术,2002 年第 21 卷增刊,Pg.126-128
[40] 沙智华等,基于 LEX&YACC 数控代码编译技术研究,组合机床与自动化加工技术,2002 年第 11 期,Pg.50-51.55
[41] 王玉琳等,步进电机的软件脉冲分配,制造技术与机床,2006 年第 7 期,Pg.23-25
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[43] 郭卫等,基于 UG/ISV 的数控加工仿真系统的设计,组合机床与自动化加工技术,2006年第 9 期,Pg.4-6
[44] 桂贵生等,直接函数算法在数控雕刻机中的应用,控制与检测,2005 年第 7 期,Pg.67-69