1、DSP和FPGA在大尺寸激光數控加工系統中的運用DSP和FPGA在大尺寸激光數控加工系統中的運用激光切割和雕刻以其精度高、視覺效果好等特性，被廣泛運用于廣告業和航模制造業。在大尺寸激光加工系 統的開發過程中，加工速度與加工精度是首先要解決的問題。解決速度問題的 一般方法是在電機每次運動前、后設置加、減速區，但這會使加工數據總量成 倍增加。除此之外，龐大的數據計算量也需要一個專門的高性能處理器來實 現。FPGA現場可編程門陣列）在并行信號處理方面具有極大的優勢。本DSP和FPGA在大尺寸激光數控加工系統中的運用激光切割和雕刻以其精度高、視覺效果好等特性，被廣泛運用于廣告業和航模 制造業。在大尺寸

2、激光加工系統的開發過程中，加工速度與加工精度是首先要 解決的問題。解決速度問題的一般方法是在電機每次運動前、后設置加、減速 區，但這會使加工數據總量成倍增加。除此之外，龐大的數據計算量也需要一 個專門的高性能處理器來實現。FPGA現場可編程門陣列）在并行信號處理方面具有極大的優勢。本系統采用FPGA乍為加工數據的執行器件。這種解決方案突出的特點是讓運動控制的處理 部分以獨立的、硬件性方式展開，增加系統的性能和可靠性，從而有效地解決 了用單純的MCI或DSP系統處理的帶寬限制，以及用戶系統軟件和運動控制軟 件混雜性的問題。當今國內外市場上已經陸續出現類似的FPGA產品，這些產品大多使用FPGA完

3、 成從原始數據處理到執行的全部工作。此種結構雖然可以簡化FPGA外部的電路設計，但是由于FPGA故復雜數學計算的能力有限，不能對復雜圖形尤其是不規 則圖形做出全面的分析，導致加工速度無法進一步提升。除此之外，這些產品 大多采用寫入一條數據、執行一條數據的工作方式，造成了執行相鄰兩條數據 間的加工停頓，破壞了加工的流暢性，在加工復雜圖形時還會明顯地影響加工 速度。本系統使用數字信號處理器DSP完成復雜的圖形分析計算，這樣既可以對復雜 圖形做出全面的分析又不會喪失系統性能。除此之外，本系統還在FPGA內部采用了雙存儲器交替加工的結構，從根本上消除了相鄰數據間的加工停頓。1系統設計 激光加工系統主要

4、是以切割、 雕刻等工藝完成對金屬、 非金屬的加工。 切割是 指系統在控制工作頭做矢量運動的同時，配合激光在被加工物體上切割出不同 的線條；雕刻是指系統控制激光頭在一定區域內進行往復掃描，以類似打印機 的方式在被加工物體上刻出深淺不一的圖案。本系統采用由計算機獲得圖形并 傳輸至下位機，由下位機保存圖形并脫機加工的結構。圖1為系統的結構示意圖。在 數據傳輸階段，加工數據由計算機通過以太網或 并口，以圖名、圖號為標志傳入DSP( TMS320VC33，DSP將數據按協議解析后 存入FLASH(K9F1G08U0)存儲器。在脫機加工階段，DSP將數據從FLASH存儲 器重新讀出并進行處理、計算，并將最

5、終的加工數據輸入FPGA(EP1C6T144C8內部的加工模塊， 控制FPGA俞出加工信號。 在系統運轉的整 個過程中，DSP還要通過建于FPGA部的通訊模塊和單片機交換數據，獲取有 關人機界面和諸如限位 開關、激光器散熱水泵等保護器件的工作狀態。加工信號預處理電路主要由數模轉換器和 光電隔離器組成。它負責將FPGA俞出 的加工信號進行處理后驅動步進電機和激光器。2 DSP的軟件設計2.1加減速區的分析及計算在待機階段，DSP將從計算機取得原始數據。在加工階段，DSP將對這些數據進行分析并合理分配加、減速區域。圖2為加、減速區示意圖。加減速區是用多 段幅值較小的速度變化代替一次較大的速度變化。

6、對于大尺寸或高速運動平臺 來說，電機的加、減速過程必不可少。由原理可知，兩圖所圍面積大小相等， 即工作頭移動距離相等。在以往的步進電機驅動算法的設計中，大多采用簡單的二次曲線進行速度擬 合。此種擬合方式雖然簡單，但在大型運動平臺上并不能夠充分考慮到機械部 件間的靜摩擦力和旋轉部件的轉動慣量等因素，其運行效果并不理想。本系統在加、減速區的計算過程中，通過將速度和加速時間的關系與“S形曲線進行擬合來得到加速區速度，通過將速度和減速時間的關系與反“S形曲線進行擬合得到減速區速度。圖3為加、減速區速度-時間擬合曲線，曲線的斜率 代表工作頭移動的加速度。從圖3可見，加、減速區所使用的擬合曲線并不相 同，

7、減速區曲線更為“陡峭”。這是由于減速過程中受機械系統摩擦力等因素 的影響，電機負荷較小，可以承受更快的減速過程。使用“S形曲線進行擬合的優點主要有：(1)電機從靜止狀態過渡到行進狀態的過程中，由于各機械部件之間存在靜摩擦 力，可使電機較為平緩地啟動，避免了撞擊或丟步現象的發生。(2)電機進入平穩運行階段時，可以使用較大的加速度進行速度提升。但是，隨 著速度的增加，電機的剩余 功率將不斷減小，此時應不斷減緩加速進程。(3)電機從行進狀態過渡到靜止狀態的減速過程中，此種擬合方法可以使電機平 穩過渡，避免發生撞擊。2.2復雜圖形的分析在一幅復雜圖形中往往存在很多不連續、不規則的矢量，如果每條矢量的末

8、尾 都減速到零，勢必會影響加工速度。所以，在分析此類圖形時要連帶分析當前 矢量的前、后圖形情況，計算出各矢量的夾角以確定加工此矢量的初始速度及 終止速度。表1為工作頭進行不同角度轉彎時的極限速度。3 FPGA的內部邏輯設計 從DSP的角度看，FPGA加工模塊類似于一個存儲器，DSP只需將計算結果寫入 此存儲器中，以后的工作將全部由FPGA來完成。在FPGA加工模塊中主要采用 了不同類別數據并行讀取和雙存儲器組交替工作的技術。3.1數據并行讀取傳統的數據存儲器受限于處理器的單任務特性，通常采用單片大容量存儲單 元，這種結構使得系統需要耗費多個讀取周期才能得到一組完整的數據。而FPGA勺并行工作特

9、性可以突破這種傳統的設計形式，將不同類別數據存放于獨 立的存儲單元中。只要在定義數據時將地址對齊就可以在一個讀取周期中獲得 全部數據。運用這種方式可以在讀數時間最小化的同時簡化編程，也可以使整 體程序的結構更加明了。3.2雙存儲器交替工作市場上已有的同類FPGA產品大多采用寫入1條數據、執行1條數據的工作方 式，這將在數據傳輸時產生停頓。本系統雖然采用了存儲器作為加工數據的緩 存，但僅僅依靠這種方式仍然不能解決問題，在DSP寫入數據時依然會造成加 工停頓。圖4為雙存儲器組結構示意圖，當系統在執行其中一組存儲器中的數據時，DSP可將計算結果寫入另一組存儲器。由于DSP的運算速度遠遠高于加工速度，

10、所 以雙存儲器架構可以保證加工不被間斷。圖5為FPGA加工程序流程圖。可見，在地址對齊的前提下更換存儲器組需要改 變存儲器組選擇信號并將地址 計數器清零。此時，FPGA還將用中斷的形式通知DSP使得DSP可以填充新的數據。4實驗結論實驗中使用幅面為1.2mX1m的二維工作臺，X、丫軸步進電機采用雷塞公司的57HS22并配以M860驅動器。57HS22的步距角為1.8度， 額定電流為4A,保持 轉矩為2.2N.m，定位轉矩為700g.cm,電機接法采用并聯形式以突出高速性 能。電機轉子的轉動經減速后由齒形帶帶動工作頭做直線運動，轉子每旋轉一 周使工作頭移動24mm在實驗中分別對PLT文件、DXF文件以及BMP文件作了大量測試，其中PLT文 件和DXF文件用于切割測試，BMP文件用于雕刻測試。圖形文件由PC機軟件傳送至本系統，隨后脫機加工，在切割模式下，長矢量的 加工速度可以平穩超過20000mmmin，在雕刻模式下加工速度可以超過30000mm/