基于PC的PCB钻孔机数控系统的研究与开发

中图分类号：TP273论文编号：102870512-S119学科分类号：080202硕士学位论文基于PC的PCB钻孔机数控系统的研究与开发研究生姓名郭钊学科、专业机械电子工程研究方向机电控制及自动化指导教师游有鹏教授南京航空航天大学研究生院机电学院二О一二年一月NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofMechanicalandElectricalEngineeringResearchandDevelopmentofPC-basedCNCforPCBDrillingMachineAThesisinMechanicalandElectricalEngineeringbyGuoZhaoAdvisedbyProf.YouYoupengSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringJanuary,2012承诺书本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。(保密的学位论文在解密后适用本承诺书)作者签名：日期：南京航空航天大学硕士学位论文I摘要随着消费类电子产品更新换代越来越快，PCB市场需求旺盛，对PCB数控钻孔机等相关制造设备的性能要求不断提高。数控系统作为PCB数控钻孔机核心部分，直接影响钻孔机的加工精度、加工效率及可靠性。本文对PCB钻孔机数控系统研发中的若干关键技术展开研究，并开发出一套基于PC的PCB钻孔机数控系统样机。为了便于实现数控系统的开放，采用“PC+运动控制卡”的数控系统结构。通过分析PCB钻孔机数控系统的需求，规划了系统的总体结构，设计了系统硬件，并重点对上位机软件和运动控制DSP软件各主要模块进行了详细设计开发。优化PCB钻孔走刀路径可以缩短PCB钻孔走刀定位时间，提升钻孔加工效率。为此，建立了PCB钻孔最佳走刀路径模型，并提出一种基于聚类分区的蚁群算法，有效解决了PCB钻孔走刀路径优化问题，显著提高了优化效率，具有良好的工程应用价值。为提高机床运动平稳性，保证PCB高速钻孔加工的精度，将S曲线加减速方法应用于PCB钻孔机数控系统，给出了具体实现方法；同时还提出了一种分数次幂多项式加减速算法，能够保证加减速过程中加加速度的连续，进一步改善系统的运动平稳性。在钻孔机上对开发的PCB钻孔机数控系统进行了测试，验证了路径优化算法和加减速控制算法以及系统样机的有效性和正确性。关键词：印刷电路板，钻孔机，数控系统，路径优化，数字信号处理器，加减速规划基于PC的PCB钻孔机数控系统的研究与开发IIABSTRACTWiththereplacementofconsumerelectronicproductsfasterandfaster,PCBmarketdemand,andmaketheperformancerequirementsofPCBdrillingmachineandotherrelatedPCBmanufacturingequipmentcontinuetoincrease.CNCisthecorepartofPCBdrillingmachine,anddirectlyaffectsthemachiningaccuracy,processingefficiencyandreliabilityofthedrillingmachine.Therefore,thepaperhasresearchedonanumberofkeytechnologiesindevelopmentofCNCforPCBdrillingmachineanddevelopedaprototypeofPC-basedCNCforPCBdrillingmachine.InordertoimprovetheopeningofCNC,usethePC+motioncontrolcardarchitecturefortheCNC.ByanalyzingtherequirementsofCNCforPCBdrillingmachine,plannedtheoverallstructureandthehardwareofthesystem,anddesignedthemainmodulesofthehostcomputersoftwareandmotioncontrolDSPsoftwareindetail.PCBdrillingtoolpathoptimizationcanreducethePCBdrillingtoolpathorientationtimeandincreasedrillingefficiency.Tothisend,establishedabesttoolpathmodelofPCBdrilling,andproposedanantcolonyoptimizationalgorithm,whichisbasedonclustering.ThealgorithmisaneffectivesolutiontothePCBdrillingtoolpathoptimization,andcanimprovetheoptimizeefficiencysignificantly.Toimprovethemachinetoolmotionstabilizationandensuretheaccuracyofhigh-speedPCBdrilling,theS-curveaccelerationanddecelerationmethodisappliedtotheCNCforPCBdrillingmachine,giventhespecificimplementation.Inaddition,thepaperproposedafractionalpowerpolynomialaccelerationanddecelerationalgorithm,whichcanensurethecontinuityofjerkintheprocessofaccelerationanddecelerationandfurtherimprovethesmoothmotionofthesystem.TheCNCdevelopedforPCBdrillingmachinewastestedinadrillingmachine,andprovedtheprocessingpathoptimizationalgorithm,theaccelerationanddecelerationcontrolalgorithmandthesystemprototypetobeeffectiveandcorrect.Keywords:Printedcircuitboard(PCB),drillingmachine,computernumericalcontrol(CNC),pathoptimization,digitalsignalprocessor(DSP),accelerationanddecelerationplanning南京航空航天大学硕士学位论文III目录第一章绪论..........................................................................................................................................11.1数控系统的发展历程..............................................................................................................11.2基于PC的数控系统结构.......................................................................................................21.3PCB数控钻孔机的发展与现状..............................................................................................31.3.1国外PCB数控钻孔机的发展现状.............................................................................31.3.2国内PCB数控钻孔机的发展.....................................................................................31.4PCB数控钻孔机发展趋势......................................................................................................41.5研究目的及内容......................................................................................................................51.5.1研究目的.......................................................................................................................51.5.2研究内容.......................................................................................................................5第二章系统总体结构设计...................................................................................................................72.1需求分析.................................................................................................................................72.2系统总体结构设计..................................................................................................................72.3系统硬件规划..........................................................................................................................92.3.1运动控制卡................................................................