嵌入式数控机床的设计与实现

嵌入式数控机床的设计与实现嵌入式数控机床的设计与实现 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研究 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嵌入式数控系统概述 2 1 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 2 2 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 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 系统适用范围广 对于硬件资源的依赖性较小 linux 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 自配网络支持 可以为数控系统的网络扩展提供便利 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 1 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 tms320c6713 作为 dsp 模块的核心 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 3 2 1 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 2 2 dsp 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 粗插补和细插补 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 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 dsp 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 pxa270 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 dsp 经过快速处 理后 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