嵌入式数控机床的设计与实现

1、嵌入式数控机床的制定与实现 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制定和实现。 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，数控技术的发展关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

2、应的技术进行更新，切实提升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 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

3、用。 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，合适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，制定出真正意义上"开放'的数控系统； 系统适用范围广，关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，便于功能的扩大； 自配网络支持，可以为数控系统的网络扩大提供便利； 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。 嵌入式数控机床的制定与实现 以某数控机床的嵌入式数控系统的制定为例，对其进

4、行分析和阐述。作为一个多任务和实时性并存的系统，数控机床关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，但是却不能满足其关于实时性的要求，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互相转换，通常状况下，采纳的FPGA实现这一目标。 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FPG

5、A实现对伺服驱动器的闭环控制。 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，需要在制定时充分合计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：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，合适运行控制软件，而不是运算量较大的程序。 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，不存在关于进程的调度问题，可以运行关于实时性

6、要求较高，或者运算量大的软件。 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具有极深的可编程能力，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IO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IO的软PLC部分、G代码译码以及图

7、形用户界面部分相对简单，而且关于实时性要求较低，因此可以将其放在一起进行制定，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、手轮控制关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，避免其关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。 为了保证不同模块之间的互相协调和合作，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： 关于用户而言，可以利用

8、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，实现关于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则依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，进而保证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，关于数控系统的功能也提出了更高的要求。目前，我国关于嵌入式数控机床的研究尚处