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《兰州理工大学》 2016年
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基于IPC和FPGA的滚齿加工运动控制系统研究

姚凤伟  
【摘要】:齿轮是机械传动中的重要组件,特别是非圆齿轮,能够实现普通齿轮无法替代的功能。然而传统的滚齿机床对于非圆齿轮的加工,存在加工困难,精度和效率低的问题,另外,目前齿轮加工的数控系统大部分是在机床的配套数控系统基础上实现二次开发,但是不能嵌入自主研发的控制算法,从而限制了系统的控制精度。为解决这些问题,现研究并设计一款用于数控滚切加工非圆齿轮的基于IPC、以PCIE总线连接上下位机、将FPGA作为主控单元的专用运动控制系统。其中,FPGA运动控制卡是连接上位机与伺服机构的重要组成部分,发挥着关键性的作用。本文主要研究内容如下:首先,论文分析了滚齿机床的运动联动关系以及建立了滚齿需要的数学模型,并根据数学模型研究了非圆齿轮在滚切加工时的运动特性,为非圆齿轮在设计阶段对阶数和偏心率的选取提供参考。此外,分析了分齿运动方式,采用了滚刀角速度恒定,工件角速度变化的方案,为电子齿轮箱的设计做准备。其次,论文采用FPGA运动控制卡实现电子齿轮箱功能。在电子齿轮箱的设计过程中,采用主从式结构;为提高齿轮箱的响应精度,采用锁相环和脉冲分频技术;为实现速度、位置等控制精度,采用前馈+PID控制。此外,为缓解FPGA运动控制卡的压力,达到高速、高精度运动控制,在工控机IPC上设计应用程序实现速度、位移等实时数据的预处理(粗插补)。最后,根据功能目标,规划了运动控制卡总体方案,选取了FPGA开发板的型号,并给出了电子齿轮箱部分功能模块的时序仿真;采用了PCIE作为通讯接口总线插入IPC卡槽内;为提高控制卡的硬件集成度和可靠度,设计了FPGA外部接口功能,有编码器接口、D/A转换接口等,并给出了电路图和时序仿真。
【学位授予单位】:兰州理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TG612;TP273

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