智能化数控系统中智能数据检测单元的设计与实现

摘要

随着制造技术的快速发展，智能制造进入了重要的发展阶段。数值控制系统

的重点是产品的制造和信息整合。新技术革命的发展给智能数值控制系统带来了

新的挑战。本文分析了智能数据监控单元的智能数字控制系统。可以通过选择不

同的现场总线通信板来支持NCSSSF以太网、Mill、单带ni等各种现场总线。

支持温度、振动、射频识别感知、其他类型的传感渊数据处理。设计智能数据测

试设备的硬件平台。智能NCII基于单波段总线通信协议的测试单元的设计和实

现。

关键词：智能化数控系统；智能数据检测单元；设计

目录

摘要............................................

第1章数控技术的研究背景及发展趋势..................................2

1.1数控技术的研究背景...........................................2

1.2数控技术的发展趋势...........................................2

1.2.1开放性的体系结构......................................2

12.2柔性化..................................................2

1.2.3工艺复合性和多轴化...................................2

1.2.4实时智能化..............................................3

第2章相关理论概述..................................................4

2.1智能化数控系统的内涵.......................................4

2.2智能化数控系统体系结构设计..................!.......4

2.2.1支持多信息融合的可重构硬件平台.........................4

2.2.2智能数据监测单元.........................................5

2.2.3智能化数控系统二次开发平台.............................6

第3章智能数据检测单元硬件平台设计..............................8

3.1智能数据检测单元硬件平台技术指标...........................8

3.1.1处理器模块性能指标....................................8

3.1.2显示模块.................................................8

3.1.3RFID从站模..............................................9

3.1.4现场总线，支持自主知识产权的SSI现场总线...........9

3.2智能数据检测单元硬件平台设计..............................10

3.2.1MCU处理器模块设计...................................10

3.2.2MF-RC500模块设计......................................11

3.2.3现场总线接口模块设计................................12

第4章现场总线的通信协议设计......................................15

4.1智能数据检测单元的数据帧设计................................16

4.2SSBIII总线控制逻辑设计与实现..................................18

4.3现场总线模块与MCU通信设计...................................20

4.4实验验证........................................................21

总结.......................................................................23

参考文献..............................................错

致谢...................................................错

引言

智能再生工作机NC控制单元(NCU)通过选择不同的现场总线通信板，支持

各种现场总线，我们提出了一种基于边带HI现场总线智能设计的具有知识产权

的数据检测设备。通过单边带III总线单元的智能数据检测，支持各种传感器，

例如温度、振动、有线/无线RFID区域干扰、NC机床加工数据感知等。智能数

据测试单元将加工材料的空气湿度传感器、空气温度传感器、温度传感器、机械

振动传感器、噪声传感器连接到设备、传感器网络，收集信息并上传到数字控制

系统。数字控制系统同时基于传感器收集信息。很多高精度机床都有智能补偿。

第1章数控技术的研究背景及发展趋势

1.1数控技术的研究背景

德国在机械方面一直领先。中国强大的电子系统产业和数字控制机床的出口

即将超过美国。现在，数字控制技术的发展经历了半个多世纪。NC控制技术在

中国起步很慢。但是，1980年代以来，中国实施了改革开放政策，大力支持机

床行业。国内数字控制技术的研究和应用迅速发展。现在我们的数控技术比较成

熟。

1.2数控技术的发展趋势

1.2.1开放性的体系结构

目前大多数数控控制系统的封闭的体系结构或专用体系结构，这种体系结构

导致统一性和可扩展性的数字控制系统的功能不是很好，不能适应日益多元化处

理需求的用户可以添加自己的特殊功能。应用于方便。一般情况下，数控控制系

统的发展应该有以下特点。（1）移植。（2）扩展的可能性。提供加载和卸载的功能。

⑶兼容性。（4）对方。（5）开放。允许参与不同的功能块。

1.2.2柔性化

可以根据不同的物料流和信息流自动进行动态调整。柔性自动化技术迅速更

新制造产品，适应市场变化的新技术趋势，其核心是提高数字控制系统的可靠性

和实用性，重视加强单位的发展和完善技术和CAD,CMA,MTS,连接到CAPP信息

集成的全面发展。

1.2.3工艺复合性和多轴化

复合过程是指工件在机器上自动更换很多次，调整切削方向，操作旋转转动

轴夹，完成多个进程，多个表面复合处理。减少生产过程和时间长度和优化生产效

率。前5轴联动加工3d表面部分，技术限制五轴联动机床的发展，电主轴技术使

用上帝现在，您可以使用最好的刀具切割的形状。

1.2.4实时智能化

数控控制系统内部的任务，通过适当的调度簧略，实时保证期满之前可以完

成任务。随着科学技术的发展，人工智能技术是成熟的，自适应控制，工艺参数自

动生成的，用于提高加工效率和质量。智能诊断系统的数字控制系统智能监控、

故障诊断和修复是非常有用的。

第2章相关理论概述

2.1智能化数控系统的内涵

智能数字控制产品的主要特征如下。监控和优化的函数处理行动。加工质量

的统计分析和评估函数。瑞士米克・朗认为，智能功能，人们之间的互动，应该通

过网络技术系统的信息交互，加工过程的优化。日本压铸锌合金公司认为，智能机

器可以满足的综合分析处理信息的能力，实现加工的优化效果。

尽管国际智能机器的内涵还没有统一，但据说感知、分析、适应、维护，学习，

和其他功能，实现智能优化的过程，完成智能控制的过程。从系统配置，智能数字

控制系统主要是智能控制系统硬件平台，智能控制系统软件的二次开发平台，包

括智能数据检测单元三个部分。本文主要关注智能数据检测单元的设计和实现。

2.2智能化数控系统体系结构设计

2.2.1支持多信息融合的可重构硬件平台

为了提高NC控制系统的开放性，实现系统的再现性。硬件平台采用分层设

计。系统构造和技术特征如下：

(1)智能数控系统的网络结构

利用互联网的网络结构实现设备互联和数据共享，可以实现管理功能、二次

开发和智能调试，也可以使用远程服务器云管理功能，所有总线设备可用于控制

和同步设备的正确运行。实时传感器设备动作和状态反馈。图27显示了网络结

构。

图2-1智能化硬件平台网络化体系结构

(2)实现可重构硬件平台的技术特点

制造商是国际主流的数字控制系统，通过智能NC系统的开发，智能NC系统

采用了M:n控制模式。根据机械控制的需要，采月m人机接口单元或信息终端来

实现控制系统的顶级水平和交互。支持信息终端和机床的通用通信接口协议、网

络管理服务信道、第三方设备、软件集成。控制单元使用现场总线技术支持N

系列的主要单元。同时，压缩技术支持系统可以集成和小型化。

2.2.2智能数据监测单元

由于各种复杂因素的共同作用，控制诸如自我和外部随机因子的影响，非线

性动力学等将变得复杂。通过收集传感器数据和智能NC控制，实现智能感知的

前提。从传感器收集的数据中包含位移、加速度、振动、温度、噪音、切削力、

扭矩等物理量。在上述数据输入过程中控制的数字控制系统为了满足上述数量，

需要进行位置传感器、力传感器、温度传感器等数据采集。机械零件位置传感器

的当前实时位置信息。钳位力和切削力由力传感器实现，保证NC车床的正常动

作。温度传感器监视主轴承等重要部件的温度，控制数字控制机床的非线性误差

补偿和相关数字控制机床的故障自我诊断功能。另外，数字控制机器的智能控制

数据融合了多传感器信息，实现了NC控制机器的可靠状态评价和故障警报，在

海外的制造商中，可以将智能传感器等安装到主轴单元上，同时测量温度、振动

和其他物理量。实时处理参数优化。

2.2.3智能化数控系统二次开发平台

(1)二次开发平台结构

智能数字控制系统不仅提供了高性能、高效率的处理能力，也有智能系统控

制功能，多个平台，样件的分析，CAD/CAM技术，设计、加工步骤、刀具管理维修

计划，满足机床控制，数字控制技术的应用，如诊断和维护要求。动态编程，加工环

境感知、智能通讯和维护机械诊断等功能。通过开发先进的适应能力和自我调节

能力的智能软件开发平台，通过这个平台可以实现可扩展的，可扩展的，并且可以

开发一个便携式智能数字控制系统应用程序。图2.2显示了智能数字控制系统的

二次开发平台的层次结构。

图2.2智能化数控系统二次开发软件平台

(2)基于二次开发平台进行智能应用技术的开发

基于智能控制功能的产品需求、智能硬件平台和网络平台、智能控制技术的

智能控制系统研究、数字控制器的智能协调控制、制造方法和工具等的数字空制

革新研究。

第3章智能数据检测单元硬件平台设计

智能数据测试单元的低耗电嵌入式平台结构图如下所示：

图13-1低功耗、嵌入式的硬件平台框图

3.1智能数据检测单元硬件平台技术指标

3.1.1处理器模块性能指标

微处理器性能高，耗电低。8位微处理器，采用RISC结构。主要的表达如

下。（1）和133件订单。（2）具有通用动作328和外部设定控制寄存器。（3）完

成静态工作。（4）工作频率8MHz。（5）为了完成硬件乘法器，只需要两个时钟

循环。（6）具有非易失性程序和数据存储部：根据功能要求，128K字节的存储

部芯片包括闪存、EPm4k字节的存储区域、4K字节的存储区域、64K字节的外部

存储区域。⑺JTAG接口伽日149.1标准）：遵循标准JTAG边界扫描功能。扩

展支持。

3.1.2显不模块

显示模块的主要功能是对实时数据进行测试。Cm12864-2是由两部分组成

的线驱动器/列LCD图形网格，支持128*64LCD屏幕显示。对应图形显示功能，

8*4对应汉字显示（16*16分）。接口模块的主要技术参数和性能。（1）电源、

VDD:+5V。模块和负压TOV用于LCD驱动电压。（2）显示内容：128*64。⑶显

示方式：黄色胶卷、灰色胶卷、蓝色胶卷、黑白胶卷。（4）使用全屏点屏。（5）

背光功能：LCD背光（黄、绿、蓝、白、红）。⑹：耗电和负压模块。⑺CPU

接口采用8位数据总线，采用并行输入输出、8路径。责任比1/64（8）（9）工

作温度:T0℃”+55℃,保温温度：-20℃〜+70℃。

3.1.3RFID从四

Mf-crc500芯片isotcc4443typca多层应用支持。芯片内部电路发送方不需

要添加额外的活跃，可以直接驱动电路关闭行动，最大通信距离可达100毫米。接

收电路部分主要提供兼容ISOTEC4443typca应答机信号交流的强大和有效的解

调电路。数据处理部分主要用于水010。4443输入数据帧和CRC校验等功能，支

持加密算法对非接触式读卡器系列产品进行校验。mf-rm5OO芯片可以直接连接

到任何8位微处理器。这个产品给顾客的读卡器/终端的设计带来了很大的灵活

性和便利性。图3-2显示了12vif基本“-crc500功能框图。

0Crypto密钥存储器

数据总线

带FIFO—>模拟电

状志和控制单元路包

匚控制］）级冲指括集

7

的并行成解调

敞控制46数据处理单元，包括井

器接门7f器和输

行伸行转换、生成CRG出驱动

奇偶和校验、帧生成和

班而.改彳，

I校验、位编码和泽码

图3-2MF-RC5OO功能框图

3.1.4现场总线，支持自主知识产权的SSI现场总线

（1）31.25PS和多个周期性通信是周期性的。（2）对应于坡大254个站连

接；（3）支持基于传输时间同步机制的计算，并且可以确保抖动误差小于0。5.

□S同步（4）通过PCI总线连接到计算机主机设备，并且支持周期性数据传输

的中断和中断触发处理。（5）支持开始数据集的传送的通用帧（车载）的数据传

输/处理，接收来自站的数据帧的头部并识别，传输？接收处理可以实现高速数

据传输过程。（6）使用冗余数据总线，站对每个数据帧进行传输，并在同一时间

帧内发送两个相同的数据。（7）总线支持基于ccit.Crc32的数据冗余检查机构。

3.2智能数据检测单元硬件平台设计

智能数据测试设备采用低功耗嵌入平台作为计算平台，根据应用程序的需要

优化平台，确保使用寿命长、耗电高、耗电低。智能数据测试装置与各种传感器

相连，如温度、振动、噪声、RFID、功能性数控加工控制现场数据传感等。智能

数据测试部的功能结构如图3-3所示。

图3-3面向智能数据检测单元的低功耗嵌入式平台

3.2.1MCU处理器模块设计

智能数据测试单元MCU处理器的硬件电路包括主CPU芯片、对接控制电路、

实时时钟输入电路、a/D和D/a电路、光电离子化输入收集电路、图3示出了包

括电源电路和射频电路的一部分的现场总线接口电路ATmcgal28的处理器模块

电路图。如4所示。

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3(ADX3

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图3-4ATmegal28处理器模块原理图

3.2.2MF-RC500模块设计

射频模块电路的主要联系RFC读者的核心组件，包括射频芯片MF减法器63;

RM500[«l路、RF天线电路等。ATmegal28微处理器控制mf脉冲63。crc500的驱

动天线。完成后，用于读写操作的射频电子标签通过并行端口进行通信，电子标

签数据通过现场总线控制模块与微处理器进行读取，并发送到数字控制系统。图

3-5是射频芯片mf-50crc模块的示意图。

李

图3-5RF模块设计原理图

3.2.3现场总线接口模块设计

现场总线接口模块与单片机通信处理器通过数控系统实现数据处理功能的

感知，将温度、湿度、振动、噪音等传感器数据二传到现场。现场总线接口模块

采用Altera公司的ep3c10逻辑芯片单侧频带HI总线协议芯片，分别与具有自

主知识产权的单侧频带三总线协议IP核心连接。传感器数据在sssbiii之后的

现场总线协议芯片中封装，并经由dp83848iphone芯片总线数据发送到数字控

制系统。SSIH总线数据的上行沟通功能。图3-6显示了示意图单边带III总线

接口芯片。

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