水刀切割控制系统的研究与设计

摘要

水刀切割设备是利用超高压作用于水形成一个极细小的水柱进行冷态切割的机器。由于水刀切割过程中不产生热效应、不会改变原材料的化学性质，并且是一种清洁的切割方式，所以水刀切割的应用范围越来越广泛。运动控制系统作为水刀切割设备的大脑，直接决定了设备的加工速度和精度，因此高速高精度的水刀切割运动控制系统的研究显得特别重要。
　　本文以合作企业的水刀切割设备研制项目为背景，对水刀切割运动控制系统进行深入研究和设计。水刀切割设备的运动控制系统由PCI运动控制卡和上层软件两部分组成，本文主要设计了一款高精度水刀切割控制系统，详细介绍了系统的板卡硬件设计、FPGA逻辑设计和上层软件设计。
　　PCI运动控制卡采用FPGA作为主控芯片，基于FPGA实现了通用型PCI总线接口，取代了传统的利用专用芯片设计PCI通信接口的方式，提高了系统集成度，降低了系统成本；针对编码器信号的特点，在FPGA上设计了一个防信号抖动和干扰的四倍频高精度编码器计数模块，可以精确的反馈设备的切割头移动位置；为了减少设备的冲击和振动，延长设备的使用寿命，设计了S型加减速算法调制脉冲输出模块，有效避免了水刀切割头的急停急起；通过优化逐点比较直线插补和圆弧插补算法，实现水刀的高速和高精度的切割，使得插补步骤更少，插补速度更快，插补精度可达±0.5个脉冲，同时有效减少了FPGA逻辑资源的消耗。
　　上层软件部分是基于MFC框架设计的水刀切割控制程序，用户进行水刀切割之前，在AutoCAD软件设计好切割物品的图形并保存为DXF文件，装载文件至该软件便可直接控制设备完成水刀自动切割。在小段圆弧的加工中软件会根据圆弧的半径自动减速，有利于提高加工精度；在回机械原点过程中可设置高低速回零点模式，提高了机械回零效率和回零精度。
　　最后，本文设计的运动控制系统结合合作企业的水刀切割设备，对瓷砖做了各种形状的切割试验。试验结果表明本文设计的水刀切割运动控制系统具有加工精度高，速度快等优点，切割工件精度小于0.1毫米，完全满足工业产品的要求。

目录

第一章 绪论

1.1课题研究背景

1.2国内外研究现状

1.3论文主要内容与结构安排

第二章 基于PCI运动控制卡的水刀切割系统框架介绍

2.1水刀切割系统的需求分析

2.2硬件总体框架设计

2.3软件总体框架设计

2.4本章小结

第三章 运动控制卡的硬件设计

3.1运动控制卡的功能指标

3.2硬件模块规划

3.3硬件模块原理图设计

3.4运动控制卡PCB设计

3.5本章小结

第四章 运动控制卡的FPGA逻辑设计

4.1 PCI通信模块的FPGA逻辑设计

4.2编码器反馈模块的FPGA逻辑设计

4.3 S型加减速算法的FPGA逻辑设计

4.4直线插补算法的FPGA逻辑设计

4.5圆弧插补算法的FPGA逻辑设计

4.6本章小结

第五章 水刀切割软件设计与加工试验数据分析

5.1 DXF文件

5.2 PCI总线设备驱动程序开发

5.3水刀切割软件设计

5.4水刀切割系统的试验

5.5本章小结

总结与展望

参考文献

攻读学位期间发表论文

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