基于ARM和CPLD架构的机床数控系统的设计与实现

【摘要】工业装备制造的核心就是数控机床。数控技术发展水平很大程度体现出一个国家的工业制造能力。国外已把数控发展的方向调整到高档数控上面，以保有工业和经济的核心竞争力。我国尚处于数控装备转型期，既要大力发展高端数控，同时，中低档数控机床的发展也不容忽视。本文提出的新型高效低廉的数控机床系统是对国内中低档数控机床的补充。本文所述数控系统是基于ARM+CPLD架构来实现的。主要由控制主板、接口底板和按键板三部分组成。控制主板的主处理器采用STM32F407ZGT6，逻辑器件CPLD采用EPM1270T144C5N，主处理器与CPLD之间基于FSMC的协议实现通信。主板主要用来完成系统的复杂运算，代码解析，任务的调度切换与插补算法等。接口底板则是实现数控对机床各部件的信号驱动、隔离和滤波等。按键板是响应外界按键输入的重要组成部分。本课题所做研究主要有：(1)、分析数控系统的体系结构和工作原理。主要包括数控刀具切削原理，刀具补偿原理和插补原理。提出了常见的的三种插补算法：逐点比较法、数字积分法和最小偏差法，并对这三种方法进行分析。(2)、进行了数控系统硬件的设计与实现。具体设计了数控主板和接口底板。数控主板部分则给出系统硬件框图，并分别对电路原理及实现进行了说明。接口板部分给出了对外接口的电路部分各信号定义，并实现了变频器、编码器、手轮、双轴伺服系统等电气接口的连接。(3)、进行逻辑控制的设计与实现。实现了ARM与CPLD之间的通信协议，对每个寄存器进行自定义，并实现最小误差法的插补算法。接着论述主轴编码器反馈和手轮信号的原理，实现主轴反馈控制和手轮随动控制的逻辑控制代码。最后，经过为期一年多的研发与调试，数控系统已基本实现功能。系统可实现um级插补精度，最高的进给速度可达15m/min。对直线、圆弧、螺纹、抛物线、椭圆等形状加工都已到达工业工艺要求。同时在系统可靠性和持续工作时间等方面均已达机床业工业要求。
【作者】叶基龙；
【导师】高明煜；
【作者基本信息】杭州电子科技大学，电路与系统，2014，硕士
【关键词】ARM；CPLD；硬件插补；最小误差法；数控系统；

【参考文献】
[1]夏文龙.车联网移动云通信网络系统的设计与关键技术研究[D].广东工业大学,模式识别与智能系统,2014,硕士.
[2]杨金锋.轿车车身内部布置的专家系统开发初探[D].燕山大学,车辆工程,2004,硕士.
[3]吕梦南.纯钛单道次ECAP变形织构演化的细观有限元模拟[D].西安建筑科技大学,材料加工工程,2013,硕士.
[4]梁丽婷.网络环境下档案信息服务创新研究[D].安徽大学,档案学,2013,硕士.
[5]陈丁剑.基于中间件技术的电力监控管理系统的研究与实现[D].西北工业大学,计算机软件与理论,2004,硕士.
[6]许力.地方新闻门户网站手机新闻客户端内容研究[D].安徽大学,新闻与传播,2014,硕士.
[7]杨亚娟.早产儿支气管肺发育不良细胞因子水平研究[D].遵义医学院,儿内科,2013,硕士.
[8]刘吉录.选购摄像机注意三大技术指标[J].中国传媒科技.2002(09)
[9]庞北.某联勤机关人事与人力资源信息管理系统分析与设计[D].电子科技大学,软件工程（专业学位）,2012,硕士.
[10]赵天虎,赵培然.克拉玛依油田区域性阴极保护试验[J].油田地面工程.1991(01)
[11]王冰.北二西西区块油藏氮气驱封堵裂缝技术研究[D].吉林大学,高分子化学与物理,2014,硕士.
[12]龚正堂.二苯乙烯苷对早期糖尿病肾病大鼠氧化应激反应的影响[D].黑龙江省中医药科学院,中医内科,2013,硕士.
[13]王浩.SBR生物反硝化的试验研究[D].西安建筑科技大学,环境工程,2004,硕士.
[14]高朋.柴油机排气微粒部分流等动态稀释取样系统开发[D].吉林大学,动力机械及工程,2013,硕士.
[15]李明星,刘翔,胡运权.基于多媒体多智能Agents系统的群体决策支持系统集成化设计研究[J].计算机工程,2001,01:120-121+153.
[16]黄书海.圆柱体侧表面PDF417条码识别方法研究[D].国防科学技术大学,软件工程,2012,硕士.
[17]钟梦莹.成都皮影视觉语言在土特产包装中的应用研究[D].西南交通大学,工业设计工程,2014,硕士.
[18]李璐.韩国政治转型的路径依赖研究[D].辽宁大学,政治学理论,2012,硕士.
[19]刘梅招,辛焕海,甘德强.计及广域阻尼控制的PSS均匀通信时滞极限计算[J].电力系统自动化,2007,22:16-20.
[20]侯峻.中小民营企业薪酬管理改进研究[D].安徽大学,工商管理,2013,硕士.
[21]黄爱霞.一氧化氮在绿豆下胚轴不定根发生过程中的作用研究[D].陕西师范大学,植物学,2004,硕士.
[22]张晓玲.太原市农产品加工科技园建设运行、扶持政策的问题探究[D].西北农林科技大学,农业资源利用,2012,硕士.
[23]边小勇,张晓龙.基于数据挖掘的OLAP分析技术及应用[J].现代电子技术,2004,02:69-71+74.
[24]高山.问答型虚拟社区用户满意度影响因素研究[D].安徽大学,情报学,2013,硕士.
[25]赵博.乙酸盐型微生物燃料电池阳极优化及产电性能研究[D].桂林理工大学,2012.
[26]胡伟芳,章文龙,张林海,陈晓艳,林伟,曾从盛,仝川.中国主要湿地植被氮和磷生态化学计量学特征[J].植物生态学报,2014,10:1041-1052.
[27]刘铭.纳米氧化物的盐助溶液燃烧合成与表征[D].南昌大学,2014.
[28]李南.宫颈癌介入化疗前后TS、TP的表达及临床意义[D].青岛大学,妇产科学,2013,硕士.
[29]曲新峰.合同法的撤销权对保险不可抗辩条款的完善[D].山东大学,法律（专业学位）,2012,硕士.
[30]理查德·布罗海德,尼古尔·洛克耶,杨玉良.当代大学与政府的关系[J].世界教育信息,2014,05:15-20.
[31]张志远.GIS开关操作对电子式互感器的影响研究[D].哈尔滨工业大学,电气工程,2013,硕士.
[32]刘凌思.莆仙方言中声母发音方式同化、重叠、边擦清音变化及其在优选论框架下的解释[D].上海外国语大学,英语语言文学,2013,硕士.
[33]刘亚蒙,汤银河,刘玲.我国碳交易市场成熟度研究[J].中国市场,2015,13:172-174.
[34]魏俊斌.Bezier曲线中优化问题的研究[D].杭州电子科技大学,计算机技术,2011,硕士.
[35]杨易.人民法院案件质量评估体系优化研究[D].厦门大学,公共管理,2014,硕士.
[36]王志伟.黄连、生地及其配伍对胰岛素抵抗脂肪细胞脂联素、瘦素与抵抗素分泌及mRNA表达的影响[D].华中科技大学,中西医结合临床,2013,硕士.
[37]刘恒.农业测土配方施肥技术传播研究[D].南京大学,环境科学,2013,硕士.
[38]宋斌,于萍,罗运柏,文习山.基于灰关联熵的充油变压器故障诊断方法[J].电力系统自动化,2005,18:76-79.
[39]魏冬妮.低幼阶段儿童心理与绘本视觉形式研究[D].北京服装学院,设计艺术学,2012,硕士.
[40]张望刚.盐酸丙卡特罗舌下滴丸的研制[D].浙江大学,药学,2010,硕士.
[41]赵华.河北省高新技术企业自主创新能力的测度与分析[D].河北大学,数量经济学,2014,硕士.
[42]石诗.教育惩罚的实质及其实现[D].湖南师范大学,教育学原理,2013,硕士.
[43]吴威.增值税转型对我国上市公司成长性影响的实证[D].浙江财经学院,会计学,2012,硕士.
[44]肖玉凤.中美食品企业社会责任报告对比分析及借鉴[D].首都经济贸易大学,会计学,2013,硕士.
[45]何良林.基于有源RFID的集装箱电子关锁系统的设计与实现[D].东北大学,计算机应用技术,2010,硕士.
[46]尹大志.多模态磁共振成像数据分析方法研究与应用[D].华东师范大学,无线电物理,2014,博士.
[47]赵忠兴.高分子比电解质在铝工业的应用及节能效果研究[D].兰州理工大学,材料工程,2013,硕士.
[48]管叶君.松辽盆地三肇地区储集层研究[J].石油地球物理勘探,1989,01:55-67+118.
[49]李兰芳.基于EMD的我国高技术产业创新能力分析[D].安徽大学,技术经济及管理,2014,硕士.
[50]龚颖珍.元宝草总呫酮的抗抑郁活性研究[D].福建中医药大学,中药学,2014,硕士.