基于嵌入式网络的雕刻机数控系统研究与实现

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1、1绪论1绪论1.1雕刻机数控系统的研究背景及意义技术性要求很高的传统手工雕刻技艺，因为其重复性差、高成本、低劳动生产率等缺点，已经不能满足人们对雕刻加工所需的市场要求，所以势必会朝着自动雕刻系统发展，并与自动化数控系统“碰撞”而产生加工制造业的“新型火花”——数字自动控制雕刻[1]系统。计算机数字控制系统（CNC，ComputerNumericalControl）是1970年后发展起来的用于控制机床的技术系统，它是当前新型制造业的基础，它整合应用了机械制造技术、信息融合处理技术、微型电子电路技术、网络通讯技术、传感器测量技术、现代控制理论。制造系统从管理的模式、产业的

2、结构到生产的方式都深受CNC系统普及的影响。加工行业的生产集成化、加工柔性化、过程自动化的基石是数字控制技术，同时制造业[2]国内外竞争优势的增强和国家机床行业的振兴都离不开它。美国空军于1948年委派帕森斯公司设计制作一种模型加工设备，用来加工查验直升飞机的螺旋桨叶片轮廓模子的模具。但是该轮廓模子不仅具有繁杂的形状，而且还要求高精度的加工。所以一般常规的加工设备难以满足要求，因此采用数字脉冲信号来控制机床的想法应运而生。MIT于1952年选用电子管元件研制出了世界上第一台具备三个坐标轴运动的铣床，完成了采用数字信号来控制机床的计划。随后，计算机技术的发展从软硬件两个

3、方面加快了数字控制技术的发展，总结起来略约有四个阶段八代产品[2-4]：麻省理工学院于1952年制作的数控铣床是第一代数控装置。第二代是1959年出现的能够自动换刀的数控加工中心，该数控中心的装置是由印刷的电路板和晶体管元件等制成的。第三代是1965年泛起的具有价格低、体积小、功率低和较高可靠性特征的数字控制装置，其控制电路采用集成式设计。被定义为群控系统的直接数字信号控制系统(DNC)在1969年末呈现，他的特征是多数台机床被一台数字计算机直接控制。第四代数控装置是于70年代出现的计算机数字控制系统(CNC)，他的特质是以小型计算机为控制器。第五代数字控制装置是19

4、74年呈现的微型计算机数控装置(MNC)，半导体储存器和微控制器芯片首次被应用到该装置中。1980年初，具有自动编程和人机交互功能的数控装置出现了。1990年以后出现了采用PC机为系统硬件、在PC机上运行NC应用软件的智能数控系统，这种模式的数控系统不仅易于维护，而且能够实现制造业的网络化[3-5]扩展。在制造业中，数控系统完成的是对加工材料的“加法”或“减法”操作。减法操作——1万方数据西安科技大学硕士学位论文计算机数字信号控制（CNC）雕刻系统，是传统雕刻技术和现代数字控制技术的结晶，它传承了传统雕刻机灵动自若的操作特色，同时融合了自动控制技术。在雕刻行业中，目前

5、最流行、最先进的雕刻设备是CNC雕刻机，它整合了计算机辅助设计、计算机辅[6]助制造、数控技术、精密制造技术。不管数控系统进行的是“减法”操作—数控雕刻，还是“加法”操作—3D打印机，前提是数控系统能按照控制程序代码进行高速度、高精度地工作。数字控制设备的加工效率高低和质量好坏、以及整个加工系统的集中控制性能和发展更新速度，都受控制系统性能好坏和系统功能齐全的制约。从硬件数控（NC）开始，数控系统经过计算机数字控制（CNC）、微处理器数字控制（MNC)、直接数字信号控制（DNC）等几个阶段发展到柔性制造系统（FMS)，而且还朝着更复杂的智能数控系统发展。可是竞争激烈的

6、市场全球化发展，给制造商提出了更高的生产要求，不仅要求产品性价比高，而且还要保证良好的售后服务，同时要满足用户对成品个性化的特别需求。所以封闭的专用传统数控设备越来越不能适应市场的需[7]求。在新的雕刻市场环境下，CNC势必会朝着开放式的控制系统发展。目前，数控系统的开放性越来越重要，所以对基于实时操作系统的CNC应用软件的研究是很有必要的。数控系统应用软件的设计开发必将受到进来发展迅速的嵌入式实时操作系统的影响。开放式数控系统的主要发展方向，就是采用一个能够挂载代码解释、轨迹插补、运动控制等数控应用软件的嵌入式实时操作系统，最后演变成合意客户特殊[7]需求的私人定制

7、型CNC系统。综上所述，关于开放式数控系统的研究具备一定的理论指导意义和实践利用价值。本课题将以西安科技大学嵌入式实验室的三维雕刻机的数控系统为研究对象，对该系统的数控装置、控制算法、数控G代码的自动编程三个方面进行分析研究，为3D打印机的普及做一点工作。论文重点内容包括：基于CAN总线的多电机控制系统、基于GGA算法的数控雕刻路径优化算法、基于MATLAB和VC混合编程的数字控制自动编程方法。1.2雕刻机数控系统的国内外研究现状本文对数控雕刻系统的研究，主要涉及内容包括数控雕刻系统的硬件装置、加工轨迹的插补控制方法、加工代码的自动编程技术、加工路径