嵌入式數(shù)控機床的設(shè)計與實現(xiàn)

1、IIf本文檔下載后可任意修改編號：SM-ZD-74864嵌入式數(shù)控機床的設(shè)計實現(xiàn)Orga nize enterp rise safety man ageme nt planning, guida nee, inspection and decisi on-mak ing.en sure the safety status, and unify the overall plan objectives編制:審核:時間:精編安全管理 I SAFETY MANAGEMENT嵌入式數(shù)控機床的設(shè)計與實現(xiàn)簡介：該安全管理資料適用于安全管理工作中組織實施企業(yè)安全管理規(guī)劃、指導(dǎo)、檢查 和決策等事項，保證生產(chǎn)中的

2、人、物、環(huán)境因素處于最佳安全狀態(tài)，從而使整體計劃目 標(biāo)統(tǒng)一，行動協(xié)調(diào)，過程有條不紊。文檔可直接下載或修改，使用時請詳細閱讀內(nèi)容。數(shù)控技術(shù)是各種先進制造技術(shù)的奠基石，是一個國家先進制造技術(shù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)，也是制造業(yè)信息化的重要保證。在科學(xué)技術(shù)發(fā)展的帶動下，數(shù)控技術(shù)已經(jīng)隨著制造業(yè)的發(fā)展， 成為衡量一個國家工業(yè)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志。本文結(jié)合數(shù)控技 術(shù)的發(fā)展以及嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的研究，對嵌入式數(shù)控機床的 進行了設(shè)計和實現(xiàn)。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，制造業(yè)逐漸成為影響國民經(jīng)濟的主要行業(yè)，而制造技術(shù)的先進性則成為衡量一個國家現(xiàn)代化水平的重要標(biāo)志。作為各種先進制造技術(shù)的基礎(chǔ)，數(shù)控技術(shù)的 發(fā)展對于社會的發(fā)展和穩(wěn)定起著越來越重

3、要的作用。但是， 就目前來看，我國傳統(tǒng)的數(shù)控機床還存在諸多的問題，與發(fā) 達國家相比存在著較大的差距，需要對相應(yīng)的技術(shù)進行更新， 切實提高數(shù)控機床的技術(shù)水平。數(shù)控機床的發(fā)展 數(shù)控機床，是對數(shù)值控制機床的簡稱，指一種裝有程序控制系統(tǒng)的自動化機床。其中，數(shù)控裝置、檢測裝置以及機 床主體是構(gòu)成數(shù)控機床的三個主要部分。數(shù)控機床發(fā)展歷程與計算機和微電子技術(shù)的發(fā)展是密不可分的，主要包括以下 4個發(fā)展階段：硬件數(shù)控、計算機 數(shù)控、高精度CNC以及開放式CNC。在當(dāng)前的發(fā)展形勢下， 嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用使得數(shù)控機床有了新的發(fā)展。嵌入式數(shù)控系統(tǒng)概述 2.1.嵌入式系統(tǒng) 嵌入式系統(tǒng)，主要是指以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，以功能應(yīng)

4、用為中心，可以對軟件和硬件進行裁剪的專用計算機系統(tǒng)優(yōu) 化，具有功能齊全、能耗小、體積小、成本低、可靠性高等 特點，在多個領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用。22嵌入式系統(tǒng)開發(fā)數(shù)控系統(tǒng)的優(yōu)勢 以當(dāng)前嵌入式Linux系統(tǒng)為基礎(chǔ)，對數(shù)控系統(tǒng)進行開發(fā)，其主要優(yōu)點如下: 嵌入式Linux操作系統(tǒng)的源代碼具有開放性的特點，適合開放式數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)，同時便于更好地對數(shù)控系統(tǒng)進 行配置和修改，設(shè)計出真正意義上“開放”的數(shù)控系統(tǒng); 系統(tǒng)適用范圍廣，對于硬件資源的依賴性較小; Linux自身功能模塊化的特點，使得數(shù)控系統(tǒng)可以隨時添加新的功能模塊，便于功能的擴展;土冃匕 自配網(wǎng)絡(luò)支持，可以為數(shù)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)擴展提供便利; 嵌入式L

5、inux操作系統(tǒng)自身的功能十分強大，且性能穩(wěn)定，可以切實保證數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)的順利進行。嵌入式數(shù)控機床的設(shè)計與實現(xiàn) 以某數(shù)控機床的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計為例，對其進行分析和闡述。作為一個多任務(wù)和實時性并存的系統(tǒng)，數(shù)控機床對于數(shù)控系統(tǒng)的要求較高，單純依靠Linux雖然可以滿足 系統(tǒng)的多任務(wù)操作，但是卻不能滿足其對于實時性的要求， 因此，要在系統(tǒng)中添加 DSP處理器，同時，為了實現(xiàn)對伺服 驅(qū)動器的閉環(huán)控制，需要實現(xiàn)脈沖量和數(shù)字量之間的相互轉(zhuǎn) 換，通常情況下，采用的 FPGA實現(xiàn)這一目標(biāo)。3.1.硬件構(gòu)架的設(shè)計 該數(shù)控機床的嵌入式系統(tǒng)框架可以分為三個基本模塊，即控制模塊、DSP模塊以及FPGA模塊。為了切

6、實保證系統(tǒng) 功能的發(fā)揮，使用ARM處理器XScalePXA270作為系統(tǒng)控制模塊的核心，TMS320C6713 作為DSP模塊的核心，并通過相應(yīng)的數(shù)據(jù)、地址總線等，實現(xiàn)與FPGA的連接，利用FPGA實現(xiàn)對伺服驅(qū)動器的閉環(huán)控制。32系統(tǒng)實時性分析 為了切實滿足數(shù)控系統(tǒng)的實時性，為操作人員提供舒適方便、人性化的操作界面，需要在設(shè)計時充分考慮系統(tǒng)實時 性的分析和劃分問題。在數(shù)控機床的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)下，軟件的運 行環(huán)境包括以下三種:3.2.1.基于ARM的Linux環(huán)境ARM 憑借自身豐富的外圍接口和強大的控制功能，實現(xiàn)對數(shù)控系統(tǒng)的控制，而 Linux系統(tǒng)雖然可以滿足多任務(wù)操 作，但是實時性較差，因此在該環(huán)

7、境下，適合運行控制軟件， 而不是運算量較大的程序。322.DSP 環(huán)境DSP具備處理速度快、數(shù)據(jù)運算效率高的特點，芯片上具有專用的硬件乘法器，在一個指令周期內(nèi)，就可以完成 次乘法和一次加法。其處理器內(nèi)部不存在操作系統(tǒng)，因此屬 于單任務(wù)運行，不存在對于進程的調(diào)度問題，可以運行對于 實時性要求較高，或者運算量大的軟件。323.FPGA 環(huán)境FPGA的優(yōu)點在于具備超高速、豐富的邏輯資源，以及較為靈活的邏輯功能，可以通過合理配置，應(yīng)對多樣性的邏輯接口功能，適用于靈活多變的場合。FPGA具有極強的可 編程能力，支持重復(fù)編程和邏輯編程，可以執(zhí)行一些實時性高、邏輯固定以及延遲低的任務(wù)和進程。由于FPGA的運

8、行 主要由硬件時序邏輯之間的配合完成，因此運行速度高，實 時性強，但是控制功能較差，浮點運算能力也相對較差。在該數(shù)控系統(tǒng)中，內(nèi)部軟件主要包括：控制1/O的軟PLC部分、手輪控制、G代碼譯碼、粗插補和細插補、驅(qū)動 器脈沖伺服以及反饋、圖形用戶界面部分、以及信息通訊部 分。其中，控制I/O的軟PLC部分、G代碼譯碼以及圖形 用戶界面部分相對簡單，而且對于實時性要求較低，因此可以將其放在一起進行設(shè)計，在Linux系統(tǒng)環(huán)境下運行。與外 界信息的交流組件，如 U盤、SD卡等，由于其信息的存儲和讀取都需要通過Linux文件實現(xiàn)，因此同樣放置在Linux 內(nèi)核中，且不需要設(shè)置輔助程序。而粗插補和細插補、手輪

9、控制對于軟件的實時性要求較高，其代碼在DSP中運行。數(shù)據(jù)在轉(zhuǎn)換過程中，為了防止脈沖丟失所引發(fā)的失步現(xiàn)象，避免其對于系統(tǒng)正常運行的影響，將驅(qū)動器脈沖伺服與 反饋放在FPGA環(huán)境中運行。33通訊功能的實現(xiàn) 為了確保不同模塊之間的相互協(xié)調(diào)和合作，保證系統(tǒng)功能的充分發(fā)揮，需要在模塊間建立相應(yīng)的通訊功能。這里模 塊之間的通訊如下:對于用戶而言，可以利用相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)或存儲設(shè)備，復(fù)制G代碼程度到Linux系統(tǒng)中，通過PXA270處理器，實現(xiàn)對 于G代碼的后臺譯碼，從而將其轉(zhuǎn)換為坐標(biāo)值和功能號代碼， 并進行存儲。ARM在將數(shù)據(jù)寫給 DSP之后，DSP可以利用 粗插補和細插補程序，得到脈沖數(shù)和相應(yīng)的脈沖周期，并將

10、 之放入DSP緩沖隊列中。當(dāng)FPGA的時鐘信號觸發(fā) DSP中 斷時，DSP中的相關(guān)程序會將脈沖數(shù)和相應(yīng)的脈沖周期從緩 沖隊列中提取，發(fā)送給FPGA，而DSP則根據(jù)數(shù)據(jù)發(fā)送的脈 沖數(shù)，對機床加工刀具位置坐標(biāo)進行計算。將計算出的坐標(biāo)傳輸給PXA270，在圖形用戶界面顯示出來，并反饋給FPGA，第8頁/總8頁對伺服驅(qū)動器進行驅(qū)動，進而確保數(shù)控機床的數(shù)控功能可以得到充分發(fā)揮。如果用戶選擇手輪驅(qū)動伺服電機，則FPGA會將手輪信息傳輸給 DSP，經(jīng)過快速處理后，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化而 成的脈沖數(shù)發(fā)回FPGA，進而驅(qū)動伺服電機。總之，隨著數(shù)控化技術(shù)在機床中的應(yīng)用越來越廣泛，對于數(shù)控系統(tǒng)的功能也提出了更高的要求。目前，我國對于嵌 入式數(shù)控機床的研究尚處于起步階段，與發(fā)達國家