（电路与系统专业论文）数控系统的算法仿真及其硬件设计.pdf

_二一 at h e s i sf o rt h ed e g r e eo fm a s t e ri nc i r c u i t sa n ds y s t e m s a l g o r i t h ms i m u l a t i o na n dh a r d w a r ed e s i g no f n c s y s t e m b y g a oj i n w e i s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rw a n gx u n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e z 吣，、 7 一i-k l-ij li， l l】 ， jl i - 囊 l a l 、 ， 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 二e 恧。 学位论文作者签名：高金巍 日 期：加b 岁耳6 月j 2 目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学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、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口 学位论文作者签名：禹售觌 签字日期：2 , 0 口9 耳6 月胗日 | 两年 导师签名：、犯 签字日期：油d 耳e 月胗1 日 ， i 一一 ， ， 气 、 善 东北大学硕士学位论文摘要 数控系统的算法仿真及其硬件设计 摘要 随着现代制造业的飞速发展，数控系统被广泛应用于现代加工业。数控系统是一种 控制系统。它自动输入载体上预先给定的数字量，并将其译码，再进行必要的信息处理 和运算后，控制机床动作和加工零件。 本文首先在p c ( p e r s o n a lc o m p u t e r ) 机上，采用t u r b oc 软件完成了对数控系统基本 功能的模拟。包括对数控语言的翻译、界面的开发、点插补、直线插补、圆弧顺时针插 补、圆弧逆时针插补、坐标的跟踪、主轴正转与反转、车刀进给速度的控制以及最终程 序的退出等等。整个系统通过p c 机显示，控制并口输出高低电平。 然后，在p c 机上仿真并设计了一款以d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 为主控单元的数 控系统。将在p c 机上完成的仿真算法移植到d s p 芯片当中，在芯片中完成界面实现的 相关算法。首先，设计了数控系统的硬件电路，其中包括d s p 的最小系统电路、电源 模块、串口通信模块、外围电路。其中外围电路包括：电机接口电路、译码电路、中断 电路、编码器脉冲差分接收电路、时钟电路。其次，为提高硬件集成度和可靠性，运用 c p l d ( c o m p l e xp r o g r a m m a b l ed e v i c e ) 进行了系统集成性开发，并作为主控芯片外围电路 的核心部件。系统主要运用c p l d 进行原理图设计的方法来完成编码器四倍频鉴向电路 和3 0 位的计数电路的功能，并在q u a r t u si i 中进行了仿真。 结合前面设计的系统以及p c 机界面仿真，针对刀具中心控制存在的刀具半径补偿 问题，本文采用m a t l a b 软件对刀具半径补偿算法进行系统的研究。基于刀具半径补偿原 理，在m a t l a b 中仿真并实现了一种新型的刀具半径补偿算法，该算法能有效剔除在缩短 型刀具半径补偿情况下产生的冗余刀位点。 关键词：数控系统；c p l d ；d s p ；刀具半径补偿 一i i 】 1 ， ， 严 、 - f - 东北大学硕士学位论文 a l g o r i t h m s i m u l a t i o na n dh a r d w a r e d e s i g no f n c s y s t e m a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm o d e mm a n u f a c t u r i n g ，n u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e mh a s b e e nw i d e l yu s e di nm o d e mp r o c e s s i n gi n d u s t r y n c ( n u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) s y s t e mi sac o n t r o l s y s t e m ；i ti n p u t st h ed i g i t a la u t o m a t i c a l l yw h i c hh a sb e e na s s i g n e di na d v a n c ea n dd e c o d e d a f t e rp r o c e s s i n ga n dc o m p u t i n gn e c e s s a r yi n f o r m a t i o n ，i tc o n t r o l sm a c h i n et op r o c e s sp a r t s f i r s t l y ，t h i sp a p e ra c h i e v e st h eb a s i cf u n c t i o n so fn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e ms i m u l a t i o n u s i n gt u r b ocs o f t w a r eb a s e d o n p c ，i n c l u d i n gn cl a n g u a g e st r a n s l a t i o n , i n t e r f a c e d e v e l o p m e n t ，p o i mi n t e r p o l a t i o n , l i n e a ri n t e r p o l a t i o n , c i r c u l a ri n t e r p o l a t i o nc l o c k w i s e ， c o u n t e r c l o c k w i s ec i r c u l a r i n t e r p o l a t i o n , t r a c k i n gc o o r d i n a t e s ，p r i n c i p a l a x i sr o t a t ea n d r e v e r s a l ，s p e e dc o n t r o l ，e x i t i n gf r o mt h ef i n a lp r o g r a ma n ds oo n t h es y s t e md i s p l a y e db yp c ， a n dp u t so u ts i g n a lf r o mp a r a l l e lp o r t i nv i e wo ft h es i m u l a t i o nb a s eo np c ，d e s i g nn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e mw h o s ec o n t r o l u n i ti sb a s e do nd s p , t r a n s p l a n ta l g o r i t h mi n t od s pf i r s t l y , t h eh a r d w a r eo ft h en cs y s t e mi s d e s i g n e d ，i n c l u d i n gt h em i n i m u ms y s t e md s pc i r c u i t s ，p o w e rm o d u l e s ，s e r i a lc o m m u n i c a t i o n m o d u l ea n dp e r i p h e r a lc i r c u i t sw h i c hi n c l u d ee l e c t r o m o t o ri n t e r f a c ec i r c u i lc o d i n gc i r c u i t ， i n t e r r u p tc i r c u i t , c u r r e n c yi oi n t e r f a c ec i r c u i t ，a n de n c o d e ri m p u l s ed i f f e r e n c ei n c e p tc i r c u i t a n dl o c kc i r c u i t s e c o n d l y , i no r d e rt oi m p r o v et h ei n t e g r a t i o na n dr e l i a b i l i t yo ft h eh a r d w a r e ， c p l di su s e dt od e v e l o pt h es y s t e ma sac e n t i a lp a r to fp e r i p h e r a lc i r c u i t u s ec p l dt o d e s i g nt h es c h e m a t i cd i a g r a mt of i n i s ht h ec o d e r sf o u rt i m e sf r e q u e n c yc i r c u i ta n d3 0b i t s c o u n tc i r c u i t a tl a s t ，t h es y s t e mi ss i m u l a t e db yq u a r t u si i c o m b i n e dw i t ht h ef o r m e rd e s i g n e ds y s t e ma n ds i m u l a t i o no np c ，a c c o r d i n gt ot h e p r o b l e mo ft o o lr a d i u sc o m p e n s a t i o n ，t h ea l g o r i t h mi sr e s e a r c h e dt h o u g hm a t l a b b a s e do nt h e t h e o r yo f t o o lr a d i u sc o m p e n s a t i o n ，a ni m p r o v e da l g o r i t h mi ss i m u l a t e da n dr e a l i z e di nm a t l a b ， w h i c hc a nr e m o v er e d u n d a n tp o i n t si nt h ec a s eo fs h o r t e n i n gt o o lr a d i u sc o m p e n s a t i o n k e yw o r d s ：c ns y s t e m ；c p l d ；d s p ；t o o lr a d i u sc o m p e n s a t i o n i i i ， ， 东北大学硕士学位论文 目 录 目录 独创性声明i 摘要 a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 数控技术概述1 1 1 1 数控系统发展及现状。l 1 2 数控系统的体系结构及其实现途径2 1 3 刀具半径补偿概述。3 1 4 课题研究的目的及意义4 1 5 论文的内容4 第2 章相关背景知识介绍7 2 1 数控语言7 2 1 1 数控程序的简介及翻译实现。7 2 1 2 数控程序的界面8 2 2 硬件介绍9 2 2 1d s p2 8 1 2 介绍9 2 2 2c p l d 介绍。1 0 2 3 刀具半径补偿介绍。1 2 2 4 本章小结1 3 第3 章系统总体设计概述1 5 3 1 总体结构设计1 5 3 2 人机交互部分1 5 3 3 处理及执行部分1 5 3 4 刀具半径补偿算法1 6 3 5 本章小结1 6 一i v 东北大学硕士学位论文 目 录 第4 章基于p c 机数控系统的仿真1 7 4 1 走刀的模拟1 7 4 1 1 点插补1 7 4 1 2 直线插补18 4 1 3 顺、逆时针圆弧插补2 2 4 1 4 综合应用2 7 4 1 5 坐标跟踪。2 7 i 4 2m 功能的实现以及并口输出2 8 4 3 本章小结3 0 第5 章数控系统的硬件设计3 1 5 1d s p 2 8 1 2 的电路设计3 1 5 2 主控单元的连接。3 4 5 2 1 译码电路3 4 5 2 2 时钟发生电路3 5 5 2 3 定时中断电路3 6 5 2 4 编码器脉冲差分接收电路3 7 5 2 5 常规从) 电路3 8 5 2 6 电机的d a 转换模块3 9 5 2 7 缓冲驱动电路4 2 5 3 本章小结4 3 第6 章复杂可编程逻辑器件集成化研究：4 5 6 1 四倍频鉴向电路及3 0 位计数电路4 5 6 2c p l d 集成开发研究4 5 6 2 1 四倍频鉴向电路4 5， 6 2 23 0 位计数电路的设计。4 8 6 3 仿真研究4 8 6 4 本章小结5 2 第7 章刀具半径补偿算法的研究和实现5 3 一v 一 东北大学硕士学位论文目 录 7 1 改进的c 刀具半径补偿算法模型5 3 7 1 1 刀具半径补偿类型5 3 7 1 2 刀具转接点计算的预处理5 4 7 1 3 刀补转接点的计算5 8 7 1 4 刀补转接点的计算流程6 0 7 2 冗余刀位点的剔除6 l 7 3c 刀具半径补偿算法流程6 4 7 4c 刀具半径补偿的仿真实例6 5 7 5 本章小结6 6 第8 章结论与展望6 9 8 1 结论6 9 8 2 展望6 9 参考文献7 1 致 谢7 5 攻读硕士期间发表和完成的学术论文二7 7 一v i 东北大学硕士学位论文 目录 一v i i i 、 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 随着科学技术的飞速发展，机械制造技术发生了深刻的变化，传统机械制造技术己 无法满足当今市场对产品多样化的需求，难以适应激烈的市场竞争所要求的高质量、高 效率。为此，现代制造技术应运而生，它以微电子技术为基础，将传统的机械制造技术 与现代控制技术、传感检测技术、信息处理技术以及网络通信技术等有机的结合在一起， 构成高度信息化、高度柔性、高度自动化的制造系统。 在现代制造系统中，数控( n u m e r i c a lc o n t r o l 即n c ) 技术是关键技术，它集微电子、 计算机、信息处理、自动检测、自动控制等高新技术于一体，具有高精度、高效率、高 柔性等特点，对制造业实现信息化、网络化、柔性化、集成化、智能化、绿色化方面起 着举足轻重的作用【1 1 。 1 1 数控技术概述 1 1 1 数控系统发展及现状 自从美国麻省理工学院在1 9 5 2 年成功地研制出世界上第一台三坐标联动的实验数 控铣床以来，数控系统得到了迅猛的发展。数控系统的发展大致可分为以下四个阶段。 ( 1 ) 1 9 5 2 年1 9 6 9 年，处于硬连线逻辑数控系统阶段。 ( 2 ) 1 9 7 0 年2 0 世纪8 0 年代初，处于计算机数控( c h i c ) 系统阶段。 ( 3 ) 2 0 世纪8 0 年代中期至今，处于高速、高精度数控系统阶段。 ( 4 ) 2 0 世纪9 0 年代初期至今，处于基于p c 的开放式数控系统阶段【2 】。 经过多年的发展，数控系统的发展体现出以下三个特点： ( 1 ) 开放结构的发展 p c 的引入，不仅为c n c 提供了十分坚实的硬件资源和极其丰富的软件资源，更为 c n c 的开放化提供了基础。 ( 2 ) 软件伺服驱动技术的广泛应用 伺服技术是数控系统的重要组成部分。现代的伺服技术发展方向为直接驱动，如直 线电机和力矩电机，同步双驱动技术的广泛应用，特别是数据总线的引入对控制性能的 提高作用巨大。 ( 3 ) 智能化、集成化、s t e p - n c t a nl i u 等( 2 0 0 5 ) 提出了一种名为取i n c ( i m e g r a t en u m e r i c a lc o n t r o lo ri n t e l l i g e n t n u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) 的新的c n c 体系，i n c 能够实现c a d c a p p c a m 等在c n c 的集成。 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 与此同时，模糊控制柔性制造也被广泛应用在c n c 上。为了实现制造系统各环节和制 造过程各阶段间有效的信息交换，国际标准化组织( i s o ) 发布了产品模型数据交换标准 ( s t a n d a r df o rt h ee x c h a n g eo fp r o d u c tm o d e ld a t a ) 。基于该标准，欧共体发起的o p t i m a l 计划提出了s t e p - n c 的概念，并已形成了部分国际标准草案。在采用s t e p n c 后，数 控加工装备将从“g 、m 代码驱动 转变成为“c a d c a m 模型驱动 ，这样不仅能大幅 度提高数控加工精度，还可有效提高其上游环节效率【3 】。 1 2 数控系统的体系结构及其实现途径 基于p c 的数控系统的体系结构主要由三层构成：最底层是设备层，包括采用可重构 功能模块组成的机床本体，以及具有标准接口的伺服系统、输入输出模块和智能传感器 模块等，设备层中所有设备均采用统一标准接口的模块，所以易实现互换或互用；中间层 是功能层，主要完成数控系统的运动轨迹控制和机床逻辑控制功能；最上层是应用层，是 计算机主流操作系统上的标准应用，负责提供人机界面，n c 程序的处理等。在这三层 次结构中，功能层是实现开放式数控系统的关键，它必须实现两个层次上的开放。即向 下对设备层的开放和向上对应用层的开放，对设备层的开放是指提供一个通用的接口访 问外部控制设备，使功能层具有设备无关性；对应用层的开放是指提供一个通用的数据交 换接口，接受来自应用层的命令并把相关操作和处理后的数据送回到应用层，使功能层 具有应用无关性【4 】。 目前，在开放式数控系统的实现方法上有三种基本的结构形式：n c 嵌入p c 中： p c 嵌入n c 装置中；纯软件n c 。 ( 1 ) n c 嵌入p c 中 以p c 作为系统平台，n c 部分主要是运动控制器，通过i s a 、p c i 、p c 1 0 4 等p c 总线与p c 相连，由p c 机处理一些实时性不强的任务，如：后台计算、在线编程、粗 插补等。细插补，电机控制等则由运动控制器完成。 ( 2 ) p c 嵌入n c 装置中 p c 与n c 通过专用总线连接，但它不能直接使用p c ，n c 的开放程度受到限制。 ( 3 ) 纯软件n c ， 用高性能处理器强大的处理能力，完全使用软件来完成加工中的实时控制任务，用 软件取代n c 硬件模块，通过接口卡对伺服驱动进行控制。由于不依赖于n c 硬件，这 种模式具有高度的灵活性和通用性，但是由于p c 操作系统的实时性不强，且n c 模拟 对软件编制的要求很高，因此目前只有一些大型厂家在进行研究1 5 j 。 一2 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 3 刀具半径补偿概述 ， 数控机床在连续轮廓加工过程中，它所控制的是刀具中心的轨迹，但用户总是按零 件轮廓编制加工程序。因而为了加工所需的零件轮廓，在进行轮廓加工时，刀具中心必 须向刀具相对于加工面的方向偏移一个刀具半径偏置量，如图1 1 所示f 6 1 。 具 c 图1 1 刀具半径补偿示意图 f i g 1 1s c h e m a t i cd i a g r a mo ft o o lr a d i u sc o m p e n s a t i o n 这种根据按零件轮廓编制的程序和预先设定的偏置参数，数控装置实时自动生成刀 具中心轨迹的功能称为刀具半径补偿功能。 ” 主流数控系统中通过g 4 1 ，g 4 2 和g 4 0 指令调用和取消刀具半径补偿。g 4 1 调用为 左刀具半径补偿功能。g 4 2 调用为右刀具半径补偿功能。g 4 0 为取消刀具半径补偿。刀 补算法的类型和实现方式多种多样，但是主要的可以分为b 功能刀具半径补偿和c 功 能刀具半径补偿。 b ( b a s i c ) 刀具半径补偿只能计算出直线终点的刀具中心值，而对于两个程序之间可 能出现的一些特殊情况没有考虑。因此，主流数控系统均采用c ( c o m p l e t e ) z j 具半径补 偿。一般的c 刀具半径补偿算法的基本思想如图1 2 所示。 图1 2 数控系统c 刀具补偿流程图 f i g 1 2t h e f l o wc h a r to fn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e mct o o lc o m p e n s a t i o n 将两段程序读入b s 算出各自的偏置轨迹，然后对其连接方式进行判别，根据判别 结果，确定连接点，最后计算机将其走刀轨迹进行插补运算，运算结果送伺服单元予以 执行【刀。 c 半径补偿对于由直线和圆弧组成的轮廓轨迹，随着前后两端轨迹连接方式不同， 相应有直线与直线转接、直线与圆弧转接、圆弧与圆弧转接，但部分数控系统经过译码 后没有g 0 2 、g 0 3 代码，两端轨迹连接方式只有直线与直线转接。根据两段程序轨迹的 矢量夹角a 和刀具补偿方向的不同有伸长型、缩短型和插入型几种转接过渡方式。c 半 一3 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 径补偿对于特殊类型的轮廓轨迹也能实现，例如对于样条曲线的轮廓轨迹，空间三维的 曲线轮廓轨迹【引。 1 4 课题研究的目的及意义 数控技术是现代制造系统的关键技术，而开放式数控系统则是数控技术的发展方 向。因此本文所研究的关于数控系统的仿真、数控系统硬件的设计以及c 刀具半径补偿 算法均是基于开放式数控系统。 数控系统技术如今的发展已经渐进成熟，但是国内的技术水平还有待于提高，核心 的技术和设备还有赖于国外。研究和实现数控系统对我国的现代制造业有着非常重要的 作用。其次数控系统的界面化、人性化、通用性都需得到更高的发展，已完成在工业生 产中的加工要求。本论文基于p c 机完成了数控系统用作的仿真，并通过并口输出各个 功能的控制信号。之后在前面的仿真情况下，设计并实现数控系统硬件，完成数控系统 的模拟。 由于大部分数控系统都配备有刀具半径补偿模块，普通的刀具半径补偿研究己经相 当成熟。但是普通的数控系统较少考虑到缩短型刀具半径补偿情况下的过切问题，即使 考虑到这种情况，也往往是从选择合适刀具方面考虑，解决方法是主要是报错，停机。 随着现代制造业的发展，越来越多的加工的数据来源于c a m 生成的海量数据，加工路 径往往是由大量的小线段构成，在缩短型刀具半径补偿情况下出现造成过切的刀位点往 往并不是因为刀具选择的不合适。在这种情况下，数控系统拥有剔除冗余刀位点的能力 就显得相当重要【9 】。 综上所述，本课题研究的开放式数控系统的仿真及其硬件实现和刀具半径补偿研究 具有一定的理论意义和实际应用意义。 1 5 论文的内容 本章首先对数控系统的背景及国内外发展现状整体叙述，之后对数控系统的仿真及 其硬件设计及其相关算法进行了概述。并介绍了数控系统、刀具半径补偿原理。确定了 论文的主要研究工作。 本论文共分为8 章。 第l 章绪论：介绍了数控系统以及刀具半径补偿的背景及意义。 第2 章相关背景知识介绍：介绍了相关知识背景和相关芯片。 第3 章系统总体设计概述：对本论文所设计的数控系统给出了总体上的设计框图， 从整体上说明了数控系统的设计流程。 一4 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第4 章基于p c 机数控系统的仿真：在p c 机上，实现了包括对数控语言的翻译， 以及完成相关算法以及功能的实现。最终从并口输出了控制脉冲。 第5 章数控系统的硬件设计：主要完成了系统硬件的设计与p c b 的设计。 第6 章复杂可编程逻辑器件集成化研究：采用c p l d 集成了四倍频鉴向电路与3 0 位的计数功能电路。并通过在q u a r t u si i 环境中进行了仿真实验。 第7 章刀具半径补偿的算法研究和实现：提出了一种改进式的刀具半径补偿。 第8 章总结与展望：总结了论文研究的结果，并展望需要完善的地方。 一5 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 ， ， 东北大学硕士学位论文 第2 章相关背景知识介绍 第2 章相关背景知识介绍 2 1 数控语言 2 1 1 数控程序的简介及翻译实现 程序段，是为了完成某一动作需要所需的功能“字”的组合。“字”是表示某一功能的 一组代码符号，如x 3 4 0 0 为一个字，表示x 方向尺寸位3 4 0 0 ；f 2 0 0 为一个字，表示进 己速度为2 0 0 。一个程序段对应着零件的一段加工，它由三部分组成，起始是序号字， 中间是数据字，结尾是程序段结束符l f 。例如：n 0 1g 4 1x 1 5 2y - 7 0f 9 9m o ol f 。这个 程序段又序号n 0 1 、五个数据字及程序段结束符l f 组成。每个数据字的第一个字母成 为地址，他的作用是指明后续的一串数字的意思，同时也是这一串数字应去的寄存器地 址。g 代表准备功能，x ，y 代表在各轴上正负方向的移动量，f 代表进给速度功能， m 代表辅助功能。另外还有t 代表刀具功能。 ( 1 ) g 准备功能字 g 准备功能字以地址符g 为首，后跟两位数字( g 0 0 g 9 9 ) 组成，分别代表不同的准 备功能。g 0 0 为快速点定位，g 0 1 为直线插补，g 0 2 位顺时针圆弧插补，g 0 3 为逆时针 圆弧插补。 ( 2 ) 坐标功能字 坐标功能字( 又称为尺寸字) 用来设定机床各坐标之位移量。它一般使用x 、y 、z 、 u 、v 、w 等地址符为首，在地址等后紧跟着“+ ，( 正) 或“”( 负) 及一串数字。该数字以系 统脉冲当量位单位( 如0 0 1 m m 脉冲) 或以毫米为单位，数字前的正负号代表移动方向。 ( 3 ) f 进给功能字 进给功能字用来指定刀具相对工件运动的速度。其单位一般为r a m r a i n 。在进给速 度与主轴转速有关，如车螺纹、攻螺纹时使用的单位m n l r 。进给功能字以地址符“f ” 为首，其后跟一串数字代码。 ( 4 ) t 刀具功能字 在系统具有换刀功能时，刀具功能字用以选择替换的刀具。刀具功能字由地址符t 为首，其后一般跟两位数字，代表刀具的编号。 ( 5 ) m 辅助功能字 辅助功能字以地址符m 为首，其后跟两位数字( m o o m 9 9 ) 分别代表不同辅助功能。 m o o 为程序停止，m 0 2 为程序结束，m 0 3 为主轴顺时针方向转，m 0 4 为主轴逆时针方 向转，m 0 5 为主轴停止，m 0 6 为换刀，m 1 0 为夹紧，m l l 为松开，等等【i o l 。 一7 一 东北大学硕士学位论文 第2 章相关背景知识介绍 程序段格式是指一个程序段中各字的排列顺序及其表达形式。常用的程序段格式有 三种，即固定程序段格式，具有分割符号固定顺序的程序段格式和字地址的程序段格式。 目前使用最多的就是字地址程序段格式，也正是本论文所采用的格式。以这种格式表示 的程序段，每个字之前都标有地址码以识别地址。因此对不需要的字或与上一程序段相 同的字都可以省略。一个程序段内的名字也可以不按顺序排列。采用这种格式虽然增加 了识别的复杂性，但是编程直观灵活，便于检查，可缩短穿孔带，广泛用于车、铣等数 控机床。对于地址格式的程序段常常可以用一般形式来表示。 所谓的程序翻译就是完成把输入的数控系统程序中的功能字识别出来，并相应的提 取其后面的数字实现相应的功能。本论文采用t u r b oc 编译器实现对数控系统的模拟。 把程序段分别放到数组中，检测m 、g 、x 、y 、t 、n 等功能字。之后提取其后的数字 进入各自的功能子函数。最后根据程序的指令执行相应的显示模拟以及并i ；3 输出控制脉 冲【1 1 1 。 2 1 2 数控程序的界面 数控系统的基本的界面设计如图2 1 所示。 图2 1 ：数控系统的基本界面 ： f i g 2 1n c b a s i ci n t e r f a c e 数控系统的界面完成的基本功能包括：程序段输入的显示；各种走刀的模拟；坐标 的跟踪；换刀、主轴进给、速度控制等m 功能的模拟，以及人机交互界面的设计。数 控系统的工作工程包括： ( 1 ) 输入 一8 一 东北大学硕士学位论文第2 章相关背景知识介绍 输入给数控系统的有零件加工程序、控制参数和补偿数据。 ( 2 ) 译码 斡j 小二3 “ 叼 输入的程序段含有零件的轮廓信息( 起点、终点、直线还是圆弧等) 、要求的加工速 度以及其他的辅助信息( 换刀、换挡、冷却液开关等) 。计算机依靠译码程序来识别这些 符号，将加工程序翻译成计算甲内部能识别的语言。 ( 3 ) 数据处理 数据处理程序一般包括刀具半径补偿、速度计算和辅助功能的处理。刀具半径补偿 是把零件轮廓轨迹转化为刀具中心轨迹。速度计算是解决该加工数据数据段以什么样的 速度运动的问题。辅助功能如换刀、换挡等亦在这个程序中实现。 ( 4 ) 插补 即根据给定的曲线类型( 如直线、圆弧或高次曲线) 、起点、终点以及速度，在起点 和终点之间，进行数据点的密化。计算机数控系统的插补功能主要是由软件来实现，目 前的主要方法有两类：一是脉冲增量插补，他的特点是每次插补运算结束产生一个进给 脉冲；二是数字增量插补，他的特点是插补运算在每个插补周期进行一次，根据指令进 给速度计算出一个微小的直线数据段。 ( 5 ) 伺服控制。、 将计算机送出的位置进给脉冲或进给速度指令，经变换和放大后转化为伺服电机 ( 步进电机或交、直流电机) 的转动，从而带动机床工作台移动。 (6)管理程序露3幢 当一个数据段开始插补时，管理程序即着手准备下一个数据段的读入、译码、数据 处理【1 2 1 。 2 2 硬件介绍 2 2 1d s p2 8 1 2 介绍 由于数控系统能够正常的运作完成指定的车削工作，需要很强大的处理芯片，这样才 能完成其中不同种类的算法，不同功能的切换，不同波形的输出。其次数控系统的实时 性要求很高，因为这将直接影响到整个数控系统的性能，所以单片机已经不能满足当今 数控系统的要求。而需要的是更快的处理速度，更小的运算周期，更大的存储空间。 t m s 3 2 0 c 2 8 x 系列是t i 公司最新推出的d s p 芯片，是目前国际市场上最先进、功 能最强大的3 2 位定点d s p 芯片。它既具有数字信号处理能力，又具有强大的事件管理 能力和嵌入式控制功能，特别适用于有一大批量数据处理的测控场合，如工业自动化控 一9 一 东北大学硕士学位论文第2 章相关背景知识介绍 制、电力电子技术应用、智能化仪器仪表及电机、马达伺服控制系统等【1 3 】。t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 是c 2 8 x 系列的主要片种之一。本系统就是选择f 2 8 1 2 进行系统设计，它的主要性能如 下： ( 1 ) 具有高性能的静态c m o s ( s t a t i cc m o s ) 技术，工作时钟周期6 6 7 n s ，低功耗( 核 心电压1 8 v ，i o 口电压3 3 ，f l a s h 编程电压3 3 v ，支持j t a g 边界扫描( b o u n d a r y s c a n ) 。 ( 2 ) 具有高性能的3 2 位中央处理器( t m s 3 2 0 c 2 8 x ) ，1 6 位1 6 位和3 2 位x 3 2 位乘且 累加操作功能，哈佛总线结构( h a r v a r db u sa r c h i t e c t u r e ) ，迅速的中断响应和处理能力， 统一的寄存器编程模式，可达4 m 字的线性程序地址和数据地址。 ( 3 ) 内设有8 k x1 6 位的f l a s h 存储器，l k x1 6 位的o t p 型只读存储器，两块4 k x1 6 位的单口随机存储器( s a r a m ) l 0 和l 1 ，一块8 k x1 6 位的单口随机存储器h 0 ，两块 l k x l 6 位的单口随机存储器m 0 和m 1 。 ( 4 ) 支持动态的改变锁相环的频率，具有片内振荡器，3 个3 2 位的c p u 定时器及 看门狗定时器模块。 ( 5 ) 三个外部中断及外部中断扩展( p i e ) 模块：可支持9 6 个外部中断，当前仅使用 了4 5 个外部中断。 ( 6 ) 两个事件管理器模块e v a 和e v b ：两个增强的事件管理器模块提供了一整套 用于运动控制和电机控制应用的功能和特性。每个事件管理模块包括通用定时器( g p ) 、 比较单元、捕获单元、以及正交编码脉冲。 ( 7 ) 具有串行外围接i z i ( s p i ) ，两个串行通信接i ：l ( s c i s ) ，改进的局域网络( e c a n ) 以 及多通道缓冲串行接i z i ( m c b s p ) 1 4 】。 ( 8 ) 具有1 6 通道1 2 位的a d c ，2 x8 通道的输入多路选择器以及两个采样保持器， 单个的转换时间2 0 0 n s ，单路转换时间6 0 n s 。 ( 9 ) 最多有5 6 个独立的可编程、多用途通用输入输出( g p i o ) 引脚。 ( 1 0 ) 代码高效( 用c c + + 或汇编语言) ，同时支持t m s 3 2 0 c 2 4 x 2 4 0 x 的指令。本系 统中，主要用到了d s p 2 8 1 2 的事件管理器单元( e 、，) 、模数转换器( a d c ) p a 及串行通信模 块，s p i 串口模块等【1 5 】1 5 。 2 2 2c p l d 介绍 随着计算机数控技术的发展，要求系统的集成化程度越来越高，因此一披专用的电 子集成电路芯片不断出现。可编程逻辑器件( p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) 应运而生，它是 8 0 年代的集成电路发展的成果。用户可通过对p l d 芯片编程，来实现所需要的硬件功 一1 0 东北大学硕士学位论文第2 章相关背景知识介绍 能。使用p l d 来开发数字电路，可以大大缩短设计时间，减少p c b 面积，提高数控系 统的可靠性。典型的p l d 由一个“与门和一个“或”门阵列组成，而任意一个组合逻 辑都可以用“与，或”表达式来描述。 随着大规模集成电路的发展，p l d 在内部资源与内部连线能力方面渐渐不能满足用 户的要求。为了能够提高集成度，生产厂商将若干个p l d 的功能模块和实现互连的开 关矩阵集成在同一芯片上，这样就形成了所谓的c p l d 。复杂的可编程逻辑器件( c p l d ) 是c o m p l e xp l d 的简称。由于其独特的功能，c p l d 在数控系统设计中可完成多种有用 的功能。它是一种整合性较高的逻辑元件。由于具有高整合性的特点，可使得数控系统 性能大大提升，可靠度大大增加，p c b 面积大大减少及成本下降等优点【1 6 1 。在本数控系 统内采用了a l t e r a 公司的e p m 7 1 2 8 s l c 8 4 1 5 c p l d 芯片对四频鉴向电路与3 0 位计数 电路进行了集成化研究。c p l d 芯片如图2 2 所示。 图2 2c p l d 芯片 f i g 2 2c p l dc h i p a l t e r a 公司生产的e p m 7 1 2 8 s l c 8 4 。1 5 具有8 4 个i o 引脚，内部集成有1 2 8 宏单元 8 个逻辑阵列和2 5 0 0 个门电路，引脚分布为方形【1 7 1 。其中1 、2 、8 3 、8 4 引脚为全局输 入引脚，下面分别叙述如下：c l k ( 8 3 ) ：全局时钟输入引脚，这个脚的驱动能力最强， 到所有的逻辑单元的延时基本相同，所以如系统有外部时钟输入，建议定义此脚为时钟 输入脚。在本数控系统的设计中定义了此脚为四倍频鉴向电路的时钟输入。g o e ( 8 4 ) , 全局输出使能，如有三态输出，建议由此脚来控制( 也可由内部逻辑产生输出使能信号) ， 一1 1 东北大学硕士学位论文第2 章相关背景知识介绍 o e 2 c j c l k z ( 2 ) ：全局输出使能全局时钟脚，两者皆可，但该脚也可以作为输入使用。 在本设计中，该脚悬空未用到。 2 3 刀具半径补偿介绍 。刀具半径补偿方法主要分为b 刀具半径补偿和c 刀具半径补偿。b 刀具半径补偿由 于不能解决程序段之间的过渡问题，已经逐渐被淘汰。现有的数控系统所用的刀具半径 补偿大多是c 刀具半径补偿，简称c 刀补。c 刀补能够根据相邻轮廓段的信息自动处理 两个程序段刀具中心轨迹的转换，并在转接点处插入过渡直线，从而避免了刀具振荡现 象的发生。 本文图1 2 已经介绍了一般的c 刀补的工作方式，采用了增设缓冲区存储程序段信 息，对刀具轨迹进行修正，以保证刀补的实现。 在切削过程中，刀具半径补偿的执行过程分