嵌入式数控机床的设计与实现详细版Word文件下载.docx

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嵌入式觀空机床的设计与实现详细

版

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数控技术是各种先进制造技术的奠基石,是一个国家先进制造技术发展的重要基础,也是制造业信息化的重要保证。

在科学技术发展的带动下，数控技术已经随着制造业的发展,成为衡量一个国家工业现代化的重要标志。

本文结合数控技术的发展以及嵌入式数控系统的硏究,对嵌入式数控机床的进行了设计和实现。

随着经济的发展，制造业逐渐成为影响国民经济

的主要行业,而制造技术的先进性则成为衡量一个国家现代化水平的重要标志。

作为各种先进制造技术的基础,数控技术的发展对于社会的发展和稳定起着越来越重要的作用。

但是,就目前来看，我国传统的数控机床还存在诸多的问题,与发达国家相比存在着较大的差距,需要对相应的技术进行更新,切实提高数控机床的技术水平。

数控机床的发展数控机床,是对数值控制机床的简称,指一种装

有程序控制系统的自动化机床。

其中,数控装置、检

测装置以及机床主体是构成数控机床的三个主要部分。

数控机床发展历程与计算机和微电子技术的发展是密不可分的,主要包括以下4个发展阶段:

硬件数控、计算机数控、高精度CNC以及开放式CNC。

在当前的发展形势下，嵌入式系统的应用使得数控机床有了新的发展。

嵌入式数控系统概述

2丄嵌入式系统

嵌入式系统,主要是指以计算机技术为基础,以

功能应用为中心,可以对软件和硬件进行裁剪的专用计算机系统优化,具有功能齐全、能耗小、体积小、成本低、可靠性高等特点,在多个领域都得到了广泛

应用。

22嵌入式系统开发数控系统的优势

以当前嵌入式Linux系统为基础,对数控系统进

行开发,其主要优点如下:

1嵌入式Linux操作系统的源代码具有开放性的

特点,适合开放式数控系统的开发,同时便于更好地对数控系统进行配置和修改,设计出真正意义上〃开放〃的数控系统；

2系统适用范围广，对于硬件资源的依赖性较

小；

3Linux自身功能模块化的特点，使得数控系统可以随时添加新的功能模块，便于功能的扩展;

4自配网络支持，可以为数控系统的网络扩展提供便利；

5嵌入式Linux操作系统自身的功能十分强大,

且性能稳定,可以切实保证数控系统开发的顺利进行。

嵌入式数控机床的设计与实现

以某数控机床的嵌入式数控系统的设计为例，对其进行分析和阐述。

作为一个多任务和实时性并存的系统,数控机床对于数控系统的要求较高,单纯依靠Linux虽然可以满足系统的多任务操作，但是却不能满足其对于实时性的要求,因此,要在系统中添加DSP处理器,同时,为了实现对伺服驱动器的闭环控制,需要实现脉冲量和数字量之间的相互转换,通常情况下，采用的FPGA实现这一目标。

3.L硬件构架的设计

该数控机床的嵌入式系统框架可以分为三个基本模块，即控制模块、DSP模块以及FPGA模块。

为了切实保证系统功能的发挥，使用ARM处理器XScalePXA270作为系统控制模块的核心zTMS320C6713作为DSP模块的核心z并通过相应的数据、地址总线等，实现与FPGA的连接,利用FPGA实现对伺服驱动器的闭环控制。

3.2•系统实时性分析

为了切实满足数控系统的实时性,为操作人员提供舒适方便、人性化的操作界面,需要在设计时充分考虑系统实时性的分析和划分问题。

在数控机床的系统结构下,软件的运行环境包括以下三种:

321•基于ARM的Linux环境

ARM凭借自身丰富的外围接口和强大的控制功能,实现对数控系统的控制,而Linux系统虽然可以满足多任务操作，但是实时性较差,因此在该环境下，适合运行控制软件,而不是运算量较大的程序。

3.22DSP环境

DSP具备处理速度快、数据运算效率高的特

点,芯片上具有专用的硬件乘法器,在一个指令周期内，就可以完成一次乘法和一次加法。

其处理器内部不存在操作系统，因此属于单任务运行，不存在对于

进程的调度问题,可以运行对于实时性要求较高,或者运算量大的软件。

3.2.3.FPGA环境

FPGA的优点在于具备超高速、丰富的逻辑资

源,以及较为灵活的逻辑功能，可以通过合理配置,应对多样性的逻辑接口功能，适用于灵活多变的场

合。

FPGA具有极强的可编程能力，支持重复编程和逻辑编程，可以执行一些实时性高、逻辑固定以及延迟低的任务和进程。

由于FPGA的运行主要由硬件时序逻辑之间的配合完成,因此运行速度高,实时性强，但是控制功能较差,浮点运算能力也相对较差。

在该数控系统中,内部软件主要包括:

控制I/

O的软PLC部分、手轮控制、G代码译码、粗插补和细扌香补、驱动器脉冲伺服以及反馈、图形用户界面部分、以及信息通讯部分。

其中，控制I/O的软PLC部分、G代码译码以及图形用户界面部分相对简单,而且对于实时性要求较低,因此可以将其放在一起进行设计,在Linux系统环境下运行。

与外界信息的交流组件，如U盘、SD卡等，由于其信息的存储和读取都需要通过Linux文件实现,因此同样放置在Linux内核中,且不需要设置辅助程序。

而粗插补和细插补、手轮控制对于软件的实时性要求较高,其代码在DSP中运行。

数据在转换过程中，为了防止脉冲丢失所引发的失步现象,避免其对于系统正常运行的影响，将驱动器脉冲伺服与反馈放在FPGA环境中运行。

3.3•通讯功能的实现

为了确保不同模块之间的相互协调和合作，保证系统功能的充分发挥，需要在模块间建立相应的通讯功能。

这里模块之间的通讯如下：

对于用户而言,可以利用相应的网络或存储设

备,复制G代码程度到Linux系统中,通过

PXA270处理器z实现对于G代码的后台译码,从

而将其转换为坐标值和功能号代码，并进行存储。

ARM在将数据写给DSP之后,DSP可以利用粗插补和细插补程序,得到脉冲数和相应的脉冲周期，并将之放入DSP缓冲队列中。

当FPGA的时钟信号触发DSP中断时zDSP中的相关程序会将脉冲数和相应的脉冲周期从缓冲队列中提取,发送给FPGA,而

DSP则根据数据发送的脉冲数,对机床加工刀具位

置坐标进行计算。

将计算出的坐标传输给PXA270z在图形用户界面显示出来,并反馈给FPGA,对伺服

驱动器进行驱动，进而确保数控机床的数控功能可以

得到充分发挥。

如果用户选择手轮驱动伺服电机，则

FPGA会将手轮信息传输给DSPz经过快速处理后z

将数据转化而成的脉冲数发回FPGA,进而驱动伺服

电机。

总之,随着数控化技术在机床中的应用越来越广泛，对于数控系统的功能也提出了更高的要求。

目前,我国对于嵌入式数控机床的研究尚处于起步阶段,与发达国家存在较大的差距,而数控系统的性能

对于实现制造业的自动化、智能化和集成化有着至关重要的作用。

因此，加强对于嵌入式数控机床的自主硏究和开发,提高数控系统的性能,不仅可以提升我国数控产业的整体水平，还可以提高社会经济的发展水平,推动社会持续稳定发展。

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