翟慶一，曹宇男，葉佩青

（1.山東職業(yè)學院 電氣工程系，濟南 250104；2.清華大學 精密儀器與機械學系，北京 100084）

0 引言

以“三維數(shù)字化技術(shù)”為特征的口腔用CAD/CAM系統(tǒng)，較傳統(tǒng)的口腔診療模式科技含量高、精度高、效率高、診療周期短，省時省力，并已成為義齒行業(yè)的發(fā)展趨勢。國外自Duret教授1983年研制成功了世界上第一套義齒CAD/CAM系統(tǒng)以來，口腔CAD/CAM技術(shù)不斷發(fā)展和完善，目前已開發(fā)出了如德國 CEREC、KaVo，DentiCAD、Degussa，法國的Sopha、瑞典的 Procera、美國明尼蘇達大學的Rekow、荷蘭的Cicero等十幾種成熟的口腔用CAD/CAM系統(tǒng)。但是我國口腔設(shè)備和材料自主研發(fā)起步晚，產(chǎn)業(yè)核心技術(shù)欠缺，先進的口腔診斷，治療軟件、設(shè)備、材料均依賴進口，醫(yī)療成本很高，無法使社會大眾普遍受益。

國內(nèi)開展了口腔修復體制造系統(tǒng)的研究開發(fā)，取得了一定的進展。如國家自然科學基金項目“牙頜模型三維激光掃描、測量分析系統(tǒng)的研制”、“全口義齒計算機輔助設(shè)計與制作”，國家863計劃課題“機器人輔助全口義齒排牙系統(tǒng)的研制”、“數(shù)字化口腔修復體制作裝備關(guān)鍵技術(shù)的研究開發(fā)”等[1]。但是，迄今為止國內(nèi)尚無自主知識產(chǎn)權(quán)，適合我國國情的口腔修復個性化設(shè)計與快速加工設(shè)備。口腔修復體制造流程如圖1所示，首先使用三維掃描設(shè)備對標準牙頜模模型進行掃描，得到數(shù)字化牙頜模模型輸入CAD軟件，然后根據(jù)患者實際需求修改模型，最后使用專用精密數(shù)控加工設(shè)備直接加工出口腔修復體成品[2]。對精密數(shù)控加工設(shè)備來說，由于口腔修復體具有體積小、表面為復雜三維凹凸面、精度高等特點，如圖2（a）；刀具細小（直徑為0.5～3 mm），如圖2（b）；切削材料有玻璃陶瓷、初燒結(jié)氧化鋯、樹脂等材質(zhì)，有的脆有的硬，必須制定合理的工藝規(guī)程，以最佳切削量和最佳進給速度，才能即確保切削順利完成，又保證較高的加工效率。這就要求數(shù)控加工設(shè)備要軟硬件緊密配合，統(tǒng)籌優(yōu)化，同時對數(shù)控加工設(shè)備硬件的性能提出了很高的要求。

圖1 口腔修復體制造流程流程

圖2 口腔修復體及加工刀具

國家十五期間863課題“數(shù)字化口腔修復體制作裝備關(guān)鍵技術(shù)的研究開發(fā)” 研制了一臺樣機，采用基于PC的開放式體系結(jié)構(gòu)，軟件系統(tǒng)采用RTLinux+MiniGUI系統(tǒng)，硬件采用PMAC卡[3]。加工零件程序進入系統(tǒng)要經(jīng)過4個子過程的處理，分別為：數(shù)控代碼編譯及刀補子過程、速度及加減速處理子過程、插補子過程、控制信息輸出子過程。各子過程通過信號燈協(xié)調(diào)，并行運行，形成數(shù)據(jù)處理流水線。其中控制信息輸出子過程嚴格按照插補周期間隔將位置控制命令經(jīng)過當量轉(zhuǎn)換后輸出到CNC系統(tǒng)底層硬件設(shè)備，由硬件設(shè)備實現(xiàn)對機床運動軸的控制。由于加工過程需要進行靈活的速度規(guī)劃，不方便使用PMAC上的插補模塊，造成資源浪費，且PMAC為ISA接口，數(shù)據(jù)傳輸速度較低，使整個系統(tǒng)配置不能達到最優(yōu)。本文從實用角度出發(fā)，介紹PCI總線接口的基于FPGA和CAN的五軸數(shù)控硬件平臺的研制。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

國內(nèi)已經(jīng)設(shè)計了各種數(shù)字運動控制系統(tǒng)，王文斌等設(shè)計的基于MPC5200處理器和嵌入式Linux系統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)，所有任務(wù)處理在一個處理器上實現(xiàn)，系統(tǒng)擴展性差[4]；王典洪等設(shè)計的基于ARM和MCX314AS的數(shù)控系統(tǒng)，無法實現(xiàn)速度規(guī)劃控制[5]；黃迎華等設(shè)計的DSP+FPGA的數(shù)控系統(tǒng)[6]，劉渙雨等設(shè)計的基于NiosⅡ和FPGA的數(shù)控系統(tǒng)，沒有使用現(xiàn)場總線技術(shù)，擴展性不足[7]。

針對口腔修復體加工設(shè)備高速高精的要求，在本文中，數(shù)控系統(tǒng)采用IPC（工控機）+RTLinux+運動控制卡的開放式體系結(jié)構(gòu)。此外，我們還提出了運動控制卡采用基于PCI總線，以FPGA為核心，通過CAN總線擴展I/O的硬件平臺方案，如圖3所示。

硬件平臺由主控卡和I/O控制卡兩部分組成，主控卡是系統(tǒng)核心部件，以PCI總線與IPC連接，采用FPGA產(chǎn)生五軸驅(qū)動信號、同時具有碼盤技術(shù)、定時中斷和通信功能；I/O模塊采用ARM+CPLD結(jié)構(gòu)，以CAN總線實現(xiàn)和主控卡高效通信，完成I/O擴展和模擬量控制功能。整個系統(tǒng)可連接5個電機驅(qū)動器用于五軸數(shù)控機床控制，支持五軸聯(lián)動，同時可連接主軸變頻器、手輪等，并預留多路通用光電隔離輸入接口和繼電器輸出接口。

圖3 系統(tǒng)組成示意圖

圖4 PCI主控卡硬件框圖

2 主控卡設(shè)計

目前即使對普通的IPC也能輕松滿足插補運算的開銷，因此插補運算由IPC軟件完成，這樣更方便算法的優(yōu)化升級，簡化硬件設(shè)計。主控卡核心部件采用Altera的Cyclone III系列FPGA EP3C16Q240C8N，采用PCI總線和IPC接口，接口芯片采用PCI9030，性能可靠、兼容性強。PCI9030支持PCI v2.2規(guī)范，PCI接口32位/33MHz，Burst傳輸模式高達132M字節(jié)/秒，局部總線操作時鐘最高60MHz，為FPGA和IPC搭建起高速數(shù)據(jù)傳輸通道。主控卡組成框圖如圖4所示，其中PCI9030負責將PCI總線轉(zhuǎn)換成局部總線。通過局部總線擴展SJA1000 CAN總線控制器和FPGA。FPGA內(nèi)部由脈沖發(fā)送模塊、串口控制模塊、碼盤計數(shù)模塊、定時器模塊和I/O控制卡組成。CAN BUS和直接輸入信號組成XBUS總線，用于控制系統(tǒng)內(nèi)的擴展連接；RS485/RS422用于與驅(qū)動器、變頻器或PLC通訊。下面重點介紹FPGA內(nèi)部關(guān)鍵模塊的設(shè)計，開發(fā)環(huán)境Quartts II 9.1，采用Verilog HDL語言設(shè)計。

脈沖發(fā)送模塊用于產(chǎn)生指定脈沖頻率和數(shù)量的脈沖，使用FIFO實現(xiàn)連續(xù)輸出不同頻率和數(shù)量要求的脈沖，滿足機床變速連續(xù)控制的需要。脈沖發(fā)送模塊的設(shè)計使用了由Quartus的megaWizard工具設(shè)計的PLL和FIFO。原理框圖如圖5所示。

圖5 脈沖發(fā)送單元的原理框圖

脈沖頻率采用脈沖半周期寬度控制，驅(qū)動脈沖產(chǎn)生方法如圖6所示。先產(chǎn)生高電平指定寬度，再產(chǎn)生低電平指定寬度，TCnt 為脈沖寬度計數(shù)單元，起始值為TCnt_Cur，當TCnt減到為1時，如果剛剛產(chǎn)生完正半周需要產(chǎn)生負半周時或剛產(chǎn)生完負半周（即一個完整脈沖發(fā)送完成）同時NumCnt_Cur不為0時，重新載入TCnt_Cur初值，NumCnt_Cur保存的是以當前脈沖寬度還需要發(fā)送的脈沖個數(shù)，在輸出脈沖的下降沿，NumCnt_Cur減1。

圖6 驅(qū)動脈沖產(chǎn)生方法示意圖

寫入脈沖寬度和個數(shù)后，最快在7個clk_pulse后開始產(chǎn)生脈沖。先產(chǎn)生高電平，再產(chǎn)生低電平，指定的半周期寬度最小值為7，即7個基準時鐘周期。例如，基準時鐘為100MHz，則可以產(chǎn)生最高頻率為100/7/2=7MHz的脈沖。

定時模塊采用開源的定時器軟核（Free IP Core PTC），用于按照插補周期產(chǎn)生精確的計時中斷信號。為提高事件的及時響應能力，對直接輸入信號、編碼器脈沖輸入信號、脈沖發(fā)生器、串行接口模塊均設(shè)置了中斷信號。中斷信號的處理包括中斷允許，中斷標志獲取，中斷事件的建立和清除。設(shè)置中斷允許int_en、中斷事件int_event和中斷標志int_ fl ag三個32位寄存器管理中斷信號。

中斷事件的設(shè)置和清除相關(guān)代碼如下：

if((cs_int_event == 0) && (wr_n== 0))

//數(shù)據(jù)總線LOCA_D中，要清除的中斷位為1

int_event 〈= (int_event &(～LOCA_D));

else

//根據(jù)中斷標志寄存器的值設(shè)置中斷事件

int_event 〈= int_event | int_ fl ag;

end

中斷請求信號的產(chǎn)生代碼如下：

//若有中斷事件為1，且允許中斷為1，則使中斷請求線=0，與非邏輯

assign FPGA_INT = ((int_event & int_en)==32'h0) ? 1: 0;

3 I/O控制卡設(shè)計

機床有限位信號、對刀儀信號、刀庫控制信號、照明控制信號、門開關(guān)信號、冷卻泵控制信號、電源控制信號等各種開關(guān)量信號，有的還需要模擬量信號，如電火花加工機床。I/O控制卡完成I/O擴展和模擬量控制功能，結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示。I/O控制卡CAN總線與主控卡通訊，相應主機的控制命令，通過ARM處理器操作CPLD內(nèi)的控制寄存器，實現(xiàn)本地信號的采集和輸出。

圖7 I/O控制卡框圖

4 CAN通信設(shè)計

CAN是ISO國際標準化的串行通信協(xié)議，采用短幀結(jié)構(gòu)、仲裁技術(shù)和檢錯措施，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性和高可靠性，適于在數(shù)控機床高干擾環(huán)境下使用[8]。主控卡采用獨立的CAN控制器SJA1000，I/O控制卡采用ARM處理器內(nèi)置CAN總線控制器。主機按照自定義CAN通信協(xié)議和I/O控制卡交換數(shù)據(jù)。

圖8 報文ID格式說明

消息格式采用擴展數(shù)據(jù)幀，即報文ID是29位，報文數(shù)據(jù)0～8字節(jié)。共自定義了12種命令，命令字00H-0BH，每種命令有若干功能，通過功能碼進行區(qū)分。報文ID各位功能說明如圖8所示。以驅(qū)動器輸出信號控制命令為例，伺服驅(qū)動器有開啟（0：SON）、增益切換（1：CDP）、急停（2：EMG）、復位（3：RES）和高速（4：FAST）5個控制信號。命令碼為4；功能碼8位最高位表示位狀態(tài)，0為復位，1為置位，其余7位以二進制數(shù)值表示要控制的信號，比如1000011表示把復位（RST）置1。

為了快速相應主機命令，ARM程序采用中斷處理CAN通信，為了加快命令解析速度，命令碼和功能碼均從0開始連續(xù)編碼，設(shè)置一個命令函數(shù)指針數(shù)組cmd_call[]，數(shù)據(jù)的元素是指向命令函數(shù)的指針；每個命令對應多個功能，均有唯一的功能函數(shù)，為每個命令建立功能函數(shù)指針數(shù)組cmd0_call[]、cmd1_call[]……，數(shù)組元素為指向功能函數(shù)的指針。CAN通信程序通過采用函數(shù)指針數(shù)組能快速解析命令和調(diào)用功能函數(shù)，保證了主控卡和I/O控制卡通信的實時性。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計的數(shù)控硬件平臺，通過軟硬件結(jié)合，統(tǒng)籌優(yōu)化設(shè)計，使口腔修復體專用雕銑機系統(tǒng)性能獲得了整體提高，定位精度達到0.02mm，3D型面切削精度達到0.02mm，最快切削進給速度達到6000mm/min，氧化鋯材料單顆牙齒加工時間小于20分鐘，達到國外同類產(chǎn)品水平。同時采用硬件功能軟件化技術(shù)，降低了系統(tǒng)成本。由于本硬件平臺采用開放式體系結(jié)構(gòu)、模塊化設(shè)計，具有資源豐富、可定制性強、開發(fā)周期短、運行速度快、控制精度高的優(yōu)點，能廣泛應用在同類五軸數(shù)控加工機床上。

[1] Yong-De Zhang,Zhan-Fang Zhao,Pei-Jun Lu,Yong Wang,Ru-Jie Song,and Ji-Lian Lu,＂Robotic System Approach for Complete Denture Manufacturing＂,IEEE/ASME TRANSACTIONS ON MECHATRONICS,2002,7(3):392-396.

[2] M.Y.Lee,C.H.Kuo,C.C.Chang and Y.C.Ku,＂Custom denture fabrication with new abrasive computer tomography and rapid prototyping technologies,＂IEEE International Conference on Systems,Man and Cybernetics,Vol.3,pp.2425－2430,2005.

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[6] 黃迎華,方凱,張耀欣.DSP控制卡在高速數(shù)控雕銑機中的研究實現(xiàn)[J].自動化與儀表,2006.

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[8] 潘月斗,許鎮(zhèn)琳,楊堂勇,徐東桂.一種基于CAN總線的機床數(shù)控系統(tǒng)接口設(shè)計研究[J].中國機械工程,2007,18(2):178-182.