数控机床命令代码解释器的设计与实现

1、 硕士学位论文目:数控机床命令代码解释器的设计与实现题研 究 生 邱 施 施 专业 电子与通信工程 指导教师 马国进 教授级高工 完成日期 2013 年 12 月 杭州电子科技大学 学位论文原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重声明： 所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得 的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。论文作者签名：日期：年月日学位论文使用授权说明本人完全了解杭州电子科技大学关于保留和

2、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属杭州电子科技大学。本人保证毕业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署位仍然为杭州电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。（保密论文在后遵守此规定）论文作者签名：日期：年月日指导教师签名：日期：年月日 杭州电子科技大学硕士学位论文数控机床命令代码解释器的设计与实现研 究 生： 邱施施指导教师： 马国进教授级高工2013 年 12 月 Dissertation Submitted to Hangzhou Dianzi Uni

3、versityFor the Degree of MasterThe Design and Implementation of order codeInterpreter for CNCCandidate:Qiu ShishiSupervisor:Prof. Ma GuojinDecember，2013 杭州电子随着中国生产工业化的进一步深化，数控机床的市场需求缺口不断加大，市场对数控机床的性能要求日益增加。特别是中高端数控机床的供需关系和技术问题等因素严重制约了我国数控产业的发展。解释器效率、伺服精度、导轨精度都是数控技术的关键。本文将数控代码解释器作为研究对象，针对性的分析了解释器的原理和

4、开发流程，实现了解释器程序的开发，通过实验验证了该程序的完善性和精确性。 本文首先介绍数控技术和解释器的发展；其次介绍数控机床的硬件构架和软件构件，并分析了系统的插补原理和刀具功能，提出了一种基于分段数值 N 的可控性插补算法；接着分析了数控代码，包括 G 代码、M 代码、T 代码及 S 代码等，代码的分析是为解释器的设计做准备；然后根据数控代码的编程原理设计了一种解释器，并对该解释器的运行模式和软件架构进行了介绍，针对性的对解释器程序的输入输出进行分析，着重把握解释器的程序分析，包括系统的测试、初始、复位、读取、解析、功能和界面函数。其能函数是整个程序的关键部分，它主要是分析机床代码中各种切

5、削轨迹运行参数，进而给下一步所调用的函数提供具体参数；最后在数控实物中验证，通过数控代码的输入，实现具体的代码运行，通过实际切削的实物与理论值进行对比，验证该解释器对数控代码解释功能的完备性和精确性。 关键词：数控机床，G 代码，解释器，插补算法，命令代码I 杭州电子科技大学硕士学位论文ABSTRACTWith the further deepening of Chinas industrial production, the demand gap of CNC machine tools market continues to increase, the performance requir

6、ements of the market for CNC machine are increasing. In particular, the relationship between supply and demand and technical problems in the high-end CNC machine tools and other factors severely hampered the development of numerical control industry. One of the constraints of technological developme

7、nt is command code (the main code is G code) Interpreter research and development which is the key technology of CNC machine, the working efficiency of Interpreter is the main factor of the efficiency to a numerical control system. This article take NC code Interpreter as the research subject, targe

8、ted analyzes the principle and the development process of Interpreter, achieve the development of Interpreter programs, verified integrity and accuracy of the program by experiments.At firstly, introduced the current development of CNC technology, particularly make a systematic analysis of the devel

9、opment of Interpreter, comparative analysis of the performance characteristics between interpreter with compiler. Then introduce an interpreter working environment based on CNC machine hardware architecture and software components, while selective analysis of the principles and tools of interpolatio

10、n functions, innovatively proposed a interpolation algorithm based on the controllability of the value of N segments. On this basis, design the interpretation and analysis of Interpreter program based on the principle of CNC code programming, targeted analysis the input and output and the main progr

11、am of the interpreter program. Finally, authenticate the interpreter program through editing input the NC code, compared the results between desired physical and cutting to verify the completeness and accuracy of theinterpreter program.Keywords: CNC machine tools, G code, Interpreter, Interpolation

12、algorithm, Command CodeII 杭州电子科技大学硕士学位论文目录摘要IABSTRACTII第 1 章 绪论11.1 课题来源与背景11.2 数控机床研究现状11.2.1 国外数控发展和研究现状21.2.2 国内数控发展和研究现状31.3 数控命令解释器的发展41.3.1 解释器与编译器41.3.2 数控命令解释器的应用和分类51.4 课题研究的内容和意义61.5 论文安排7第 2 章 数控机床整体构架及其插补算法82.1 数控机床整体设计构架82.1.1 系统的硬件设计102.1.2 系统软件总体构架122.2 数控插补概念与工作原理142.2.1 直线插补152.2.2

13、直线插补程序设计152.2.3 圆弧插补162.2.4 圆弧插补程序设计182.3 刀具选择与刀具补偿202.4 本章小结21第 3 章 数控代码分析223.1 数控代码语言的选择223.2 G 代码原理与编程规则233.2.1 G 代码的概念233.2.2 G 代码分析与检测实现243.3 M 代码分析313.4 其他代码分析353.4.1 主轴功能-S 功能35III 杭州电子科技大学硕士学位论文3.4.2 刀具功能-T 功能353.5 本章小结36第 4 章 命令解释程序设计374.1 解释器软件设计的整体构架374.1.1 解释器的运行模式374.1.2 解释器的软件架构374.2 解

14、释器程序的输入输出394.3 解释器的主程序设计及分析404.3.1.系统测试及初始复位函数414.3.2 解释器的核心函数434.3.3.界面函数514.4 本章小结51第 5 章 实验结果525.1 实验环境525.2 实验过程和结果545.3 本章小结57第 6 章 总结与展望586.1 项目总结586.2 课题展望58致谢60参考文献61附录64IV 杭州电子科技大学硕士学位论文第 1 章 绪论1.1 课题来源与背景本课题题目为数控机床命令代码解释器的研究与实现，是基于 GSK928TE 车床数控机床项目的核心部分之一。来自浙江新昌康立自控科技有限公司与本校合作项目1。 在国际化大市场

15、的背景下，小企业快速发展潜在动力越来越依赖于技术创新。技术的优越意味着领先的市场地位，但小企业整体的创新能力与大型企业差距较大，技术更新所需时间长，综合实力比较弱，在这种形式下，越来越多的中小型企业选择和学校这种具备高素质人才的科研机构联合开发产品，以期待能够在最少成本的基础上用最短的时间研发出最新的技术产品。同时学校等研究单位能够通过这种方式获得研发资金，锻炼学者与学生的科研能力，两者的结合是资源的合理分配，是绝对的利大于弊。本项目就是在这种基础上产生的。本课题的技术规格如表 1.1 所示： 表 1.1 课题技术规格其中坐标单位为 mm，精确到小数点后三位，速度单位为 mm/min，容量单位

16、为 KB。1.2 数控机床研究现状近年来，随着全球经济的快速发展，特别是全世界范围内的分工越来越明确，带来工业技术特别是数控加工生产技术快速发展。随着世界化竞争的引入，企业不仅仅面对本国的竞争同时也面临着全世界同领域企业的竞争。未来生产工艺的更新依托在生产设备的不断更新的基础上，这就要求我们在完成当前设备核心技术的同时也要为后续设备的不断升级和更新 提供空间，同时由于不同的生产商具有不同的设计规格，这不能满足用户的复杂需求，因此1可控轴数 两轴 (X、Z 或 U、W)可设定基本坐标单位 0.001最小坐标单位 0.0005（X 轴） 0.001（Z 轴） 编程坐标范围 -8000+8000进给

17、速度范围 015000切削速度范围 5 6000加工程序容量 64可存储程序数 32支持的G 命令 23 种 刀位号和刀补号 1-4(最大可增加至 8 位)补偿方式 刀具、间隙补偿两种 杭州电子科技大学硕士学位论文需要一套固定的语言使不同设备具有一定的兼容性。这是命令代码作为数控机床的数控语言产生的社会背景。 科技时代的到来，特别是航空等高领域行业的快速发展，对其所需的元件精度要求也越来越高。原有粗制的元件已不能满足现有的需求，特别是对数控机床元件的精密度、生产的高效性和环保性、数控系统的智能化和网络化等。现代数控技术产生于 20 世纪 70 年代，它是集计算机技术、数控技术、微电子技术、通信

18、技术等于一体的高科技技术，是制造业快速发展的核心技术之一2。它广泛的应用于汽车、摩托、家电、造船、航天、轨道交通、炼金等产业领域3。数控机床技术具备生产高效性、安全性、先进性、可靠性、实用性和精密性等优点于一身。 数控是计算机数字控制的简称，它是用电脑控制计算机编程，在最早的机床是没有计算机的，等到了计算机技术并入到机床设计中，诞生了数控技术。它大大提高了机床的生产能力，实施对机床的实时监测技术，这样生产商就不需要实时注意机床的运转，实现了数控机床的自动化生产。 数控技术的发展阶段如下图 1.1 所示： 第四代第二代1959年 采用自动控制系统 应用精密测量和计算机技术 控制设备采用晶体管19

19、67年 数控装置采用小型计算机 CNC技术正式发展 始于1952年 系统为三坐标铣床 插补设备采用秒冲乘法器 设备采用真空管 1970年之后 采用微控制器 应用中、大规模集成电路 1965年 应用小规模集成电路降低功耗，缩小体积第一代第五代第三代图 1.1 数控技术发展历程1.2.1 国外数控发展和研究现状第一台商用数控机床是利用穿孔纸带动运行的，建在 1950 年4。为了快速普及数控机床美国购买了 120 台数控机床并将它们租给生产商，加快社会快速数控技术熟知进程和全面了解数控机床的优点。在 50 年代末，数控机床已经非常流行，但缺少统一的开发语言，各个厂家都有自主研发的语言，造成市面上产品

20、的不可兼容，由此诞生了命令代码（以 G 代码为主）语言。 快速的数控技术发展时期在 60 年代。G 代码起源于 1958 年麻省理工学院伺服系统实验2 杭州电子科技大学硕士学位论文室。在 60 年代电子产业联盟将 G 代码定位数控机床标准语言；60 年代 CAD 技术的发展使它替代了纸质图纸和绘图员，推动了数控机床技术的发展5；同时 60 年代一些小型计算机的应用和数据库的开发使得生产的机床功能加大，而价格却更实惠。 国外的数控技术领先于国内，特别是在中高档数控技术上，如中高档数控机床的可靠性和相关设备等方面6。当下国外以西方工业发达国家为代表国家在数控机床的科研、设计、制作和应用上技术不断创

21、新。 现今国外数控技术快速发展，特别是在系统的规范性、网络应用和智能应用等方向不断 创新。美国的 OMAC 系统规范、欧洲的 OSACA 系统规范、日本的 OSEC 系统规范相继出台， 标志着数控技术新的变革时代的到来7。数控机床的网络化装备成为近年来的国际市场上的 一大亮点，其中比较有名的是日本的 CPC、IT plaza 和德国的 OME 产品技术8。数控技术的智能化是简化了数控机床的控制、编程、操作、诊断和监控，新一代的智能 PCNC 闭环控制 体系已经成为时下研究热点。 1.2.2 国内数控发展和研究现状数控机床技术在我国的应用还不是很长，但其对推动我国工业制造的快速发展却是至关重要的

22、，特别是在机械制造上。 我国于 1958 年首次研发出了第一台数控机床，目前国内数控技术发展时间短，基础比较薄弱，在核心技术方面的创新能力不足，主要的生产产品技术含量偏低，生产的主要数控机床基本都是普通机床，而对高精度、高安全性、高效率要求的机床生产能力很有限，高端产品过度依赖进口，产业链也不够发达，突出表现在高端技术上，它远落后与发达工业国家9。然而中国低端数控机床产品的市场占有率非常大，其中以沈阳机床集团为代表，其产量和经营规模更是排名世界第一。 近二十年来，国内数控技术有了一个大幅度的提升，培养了一大批的资深专业人才和研究人员，政府的大力支持，产业扶持政策的落实，在十八届三中全会报告中提

23、出，建设统一开放、竞争有序的市场体系，是使市场在资源配置中起决定性作用的基础，为建立有利于市场竞争的数控产业提供了政治环境基础。同时市场需求旺盛，中小企业的进入和大型企业的战略调整，技术的不断创新和自我研发能力的加强，都为国内数控产业快速发展打下了良好的基础。2012 年我过数控产品出口量跃居世界第一，其中浙江省所占比例更是居全国首位，在出口量的快速增长的驱动下，国内企业更是加大投资力度，然而对数控机床实际的需求量远大于国内的生产量，为应对市场供给需求平衡，同时政府在今年放宽了外资企业在制造业的准入标准同时，在双重利好的环境中，国内大量引进外国先进的机床设备，需求机遇与国外高端市场企业合作，在

24、合作的基础上不断学习先进技术并实时创新。相信在不就的将来国内数控产业不仅仅能在中低端市场占较大份额，同时也将在高端市场分得一杯羹。 现在国内高端数控产品的空缺和国内高端数控产品的过大的需求，虽然主要依靠进口来 3 杭州电子科技大学硕士学位论文满足市场需求，但空缺的存在恰恰是高端数控产业的潜在市场10，我们缺少的是产品而不是市场，只要能生产出符合市场的产品，销售不成问题，所以这种缺口的存在也为国内数控技术发展提供了发展空间。 1.3 数控命令解释器的发展数控命令解释器是将数控命令代码进行逐行读取解析，调用该行代码对应的函数，并将之传输给处理器进行命令执行。它是代码与功能函数之间的对比调用函数，是

25、两者之间的中间转化器，能够快速的生成指令集入口，它的指标直接影响数控机床的各项效率，对它的研究是我们深入学习数控技术的一个重要方面11。 1.3.1 解释器与编译器程序一般是由高级语言编写的，而 CPU 要执行程序时需要将其转换为机器代码。这种转换过程可以用一个编译器或者一个解释器来完成。前者产生计算机硬件可以直接执行的二进制代码、机器代码，但编译器通常需要先产生一种中间代码称为目标代码。目标代码包括一个特征属性（名称、标签）和重新定位的二进制模块（过程）。通常，系统会自动建立模块函数并保存在目标代码模块的库里。这些函数库通常会在运行环境中被重置翻译。各种目标文件需要通过一系列链接过程进行整合

26、。在一个解释器中，与小段的高级语言功能类似的二进制模块被预先保存在数据库，解释器调用它的特征属性所指向的指令代码来执行，其中二进制模块的入口或者存储地址通常预先提供给解释器。 运行解释器解释后的程序往往比运行编译过的程序要慢，但在总时间上看，解释器解释 运行解释后的程序所需的总时间比编译器编译运行程序所需时间要节省很多时间。这在应用方面特别重要，如调试代码时，编辑解释调试循环结构要比编辑编译运行调试的循环结构的循环周期短的多。 此外，解释器通常自带一个编辑器，这样源文件可以直接输入，而编译器需要另一个单独的源代码编辑器。但是在解释器中，进程是保存在源代码中的，只有简单的功能才是在上述二进制模块

27、中。 编译器读取源代码（文本文件），解析代码，生成二进制代码和查找表之后再将它们连接起来，而解释器是找到源代码的命令对应的属性，再提取命令序列和定义的操作数，按照一定的序列发送给预先保存的二进制模块，再调用模块。相当于建立一个对应源代码的顺序查找表，这样的过程比编译器直接的全部翻译成二进制，显然在工作量上大大缩减了。在早期的解释器中，源代码都是单行文本输入解释的，但今天的软件更加灵活能够适应多行文本解释。 在软件开发周期中，程序员会经常更改源代码。当使用一个编译器时，每次更改源代码， 他们必须等待编译器翻译改变的源文件并链接所有的二进制代码程序才能执行文件。程序越 4 杭州电子科技大学硕士学位

28、论文长，运行等待的时间也越长。相比之下，使用解释器的程序员就减少很多等待，因为解释器通常只需将正在处理的程序翻译成中间代码（或并不完全翻译），过程的减少与效率提高可以明显降待时间。 1.3.2 数控命令解释器的应用和分类解释器的应用： (1) 程序调用应用：解释器通常被用于执行命令语言和 G 语言，因为命令语言的执行程序是一个复杂调用程序过程。 (2) 自修复应用：代码可以很轻松的用解释语言实现自修复，这涉及到解释器 LISP 语言的起源和人工智能的研究。 (3) 解释器的虚拟化应用：硬件架构的机器代码需要额外可在虚拟机上运行。它的本质也是一种解释器的应用。 (4) Sandbox 应用：解释

29、器或者虚拟机不能强制执行实际中正在被处理的指令源代码。特别是其可以拒绝执行违反后续的任何代码的安全限制。 解释器的分类可分为这几种： 第一种：基于 LISP 的解释器（又称为字节码解释器）开发：第一个数控代码解释器是LISP12。LISP 是 Steve Russell 在 IBM 计算机上首次实现的。Steve Russell 阅读了 John McCarthys 的论文，意识到 LISP 的 eval 函数能用机器代码调用执行。通过实验证实了工作中的 Lisp 解释器能够运行 LISP 程序，更准确的说是将 Lisp 表达式通过字节码直译器转换为另一种 LISP 源代码格式，并且可以用做虚

30、拟机的机器码。 第二种：基于 JIT（实时编译）解释器开发：用解释器自带的编辑器对运行中的高级语言编译成机器代码，直接传输代码给 CPU，CPU 运行编译后得程序。这种技术最早出现在 80 年代，现今被用于广泛用于 JAVA 和 NET 系统。 第三种：基于 RS274/NGC 解释器开发：美国国家标准与技术研究院（NIST）的智能系统部正在开展的增强型机器控制器项目13。该项目的首要目标是建立一个测试平台，用于评估应用程序编程接口标准的开放式架构的机器控制器。第二个目标是展示下一代控制器 （NGC）架构的实现，本课题采用的解释器开发采用的是基于 RS274 标准，解释器解释过程可分为词法分析

31、和语法分析两部分。 第四种：基于 PLC 技术的解释器开发：解释器不仅可以识别数控命令代码，同时还可以识别 PLC 指令，PLC 可编程控制器(Programmable Logic Controller)是目前市场上最热门的自动控制设备，具有高性能和低成本的产品特性，使用简单适用于复杂自动控制系统，备受市场欢迎，已成为当前国际自控厂商的研究方向，广泛的用于现代机械控制企业。同时其编程语言采用 IEC，该语言被广泛的应用于发达国家，具有典型代表的就是软 PLC（能在 PC 上 实现自动控制功能的软件包）。 5 杭州电子科技大学硕士学位论文解释器识别 PLC 指令为 CNC 系统与 PLC 系统的

32、集成提供了可能，这是两种技术的更新结合。CNC 解释器能够解释 PLC 指令，使系统能够集成 PLC 控制特性，为大型复杂工程提供了可能。同时通过解释器将两种技术进行整合为数控机床生产商缩减成本，用户便于控制及复杂精密工件的生产提供了技术支持。 1.4 课题研究的内容和意义本课题研究的主要内容：核心是设计实现一个基于数控命令代码程序的解释器，并在实际设备中实现解释器的解释功能，最后得到一系列轨迹图和实物图。在设计解释器之前必须对解释器的应用环境即数控机床的软件系统和硬件系统有全方位的了解，并对数控机床的刀具选择、刀具补偿和插补算法（系统通过调用插补函数来实现切削加工）进行简要的分析介绍。数控命

33、令代码特别是 G 代码是解释器的设计基础，所以必须对数控代码进行全方面的分析了解，对各类代码的格式和特定要求都需进行全面分析，便于后期解释器的语法和词法解析。整个研究课题的重点是对解释器程序的设计，并对解释器的输入输出进行具体分析14， 针对性的对解释器的重点程序（包括测试、初始复位、功能、读取解析函数段）进行介绍， 以便读者能够全方位了解解释器的整体程序概况15。最后通过程序代码编辑和运行，将得到的具体实验的结果与理论值进行对比，进而来验证解释器程序的正确性和完善性。 课题研究意义：随着数控机床的快速发展，数控产品的日益增加，对数控机床的要求也越来越高，特别对数控机床高效性和高精度需求也成为

34、了衡量数控机床发展的重要指标。对数控机床解释器的研究能够在较大程度上改善数控机床的效率性，解释器的对数控代码的解析正确性和全面性直接关系到数控机床的精度。通过对解释器的全方位了解，可以看出解释器在数控技术中所具有的的重要性，解释器通过对高级语言的分析和调用库函数来执行程序， 其速度和效率直接关系到数控机床的响应时间16。 本课题的研究有助于我们全面的了解解释器的工作原理、应用环境和整体设计，可以帮助我们进一步加深对数控机床的功能模块分析与了解，解释器的研究可以为我们提高解释器的工作效率和改善解释器的应用功能提供了基础，同时还可以帮助我们进一步的提高数控机床的工作效率以及增强数控机床的功能提供了

35、基础17。同时本课题在研究解释器的同时，还添加了一些其他内容，比如说插补算法、刀具选择和补偿、数控系统硬件设计等内容，可以让我们进一步加深对数控机床的认识，其中点到的一些思路可以为我们进一步研究数控机床提供启示18。 解释器较编译器有众多优点，其中重点使用解释器的机床是直接执行解释调用的源代码， 比编译器产生目标代码再执行减少了许多步骤，缩短了机床的执行运行时间，提高了生产效率，为企业抢先占领市场提供了基础。 6 杭州电子科技大学硕士学位论文1.5 论文安排本次论文的安排是分为下述几大块： (1) 在绪论部分，介绍了课题来源的背景，对整个数控机床国内外研究现状进行粗略的介绍。针对课题研究的目的

36、，重点介绍了当前数控机床解释器的研究与发展，通过对比了解释器与编译器的性能，突出解释器的优点，最后简介的概况了一下整个论文的大致安排和研究的意义。 (2) 在第二章，首先简单的介绍一下数控机床的整体构架，以便全方位的了解解释器所在的操作环境，包括硬件和软件两个方面。为了能够实现整个解释器的功能，特别介绍了系统的硬件设计，为下一步实验做准备。另外介绍了系统软件总体构架，形成对系统软件层次上的整体了解；其次介绍一种比较简单的直线和圆弧插补算法及它们各自的程序设计思路，可以通过编程仿真来验证可操作性和便捷高效性。最后简要介绍了刀具的换刀选择和刀具补偿等要点，刀具的选择直接关系到数控机床的精密度。 (

37、3) 在第三章，诠释各种代码的概念和意义，对数控机床的命令代码语言进行分析，指明主要的代码格式、程序的模拟运行和代码检查重点。解释器的开发依赖于代码的解释和分析， 所以针对数控代码或者说 G 代码的分析（重点）是解释器的一个重点。 (4) 第四章是全论文的核心，介绍解释器的整体构架和设计思路。针对解释器程序的输入输出和解释器程序的运行模式做简明介绍。本课题研究的目的是设计一个基于车床数控系统的解释器，用于对数控代码进行词法检查和语法检查。故着重对解释器的主要程序进行分析， 着重选取几个功能程序，如语法检查及解释函数、测试函数等，进行程序设计思路分析。 (5) 第五章是提供全论文的实验结果，将设

38、计的解释器程序导入实际的设备中，通过圆弧切削代码运行得到的实际工件及实时轨迹图与理论结果进行对比分析，进而印证解释器程序的可行性、精确性。接着用螺纹切削进一步验证解释器的完备性和精确性。 (6) 第六章就整个研究简要归纳总结同时讨论了本课题的研究展望。 7 杭州电子科技大学硕士学位论文第 2 章 数控机床整体构架及其插补算法数控机床是根据加工产品的轮廓，通过加工代码的编写用高精度的直线切削技术来有限地逼近理想图形，进而制作数控产品。详细地来解释就是通过代码的编程输入或者导入，将信息传输给机床运算控制部分，通过解释器进行代码检测、解释和调用库函数，将主轴信息、加工速度、刀具选择和刀具进给等信息的

39、提取出来，然后将信息发送给伺服系统和执行单元， 进而控制设备的运行，实现工件的切削和加工。 2.1 数控机床整体设计构架为使全方位地了解解释器所处的操作环境，便于我们更好的了解解释器的功能，接下来对解释器所处的数控机床的整体构架进行设计介绍。 数控机床系统主要包括 G 命令程序输入、存储器、数控系统、伺服系统、反馈系统和硬 件设备等。 数控系统驱动系统伺服系统反馈系统图 2.1数控系统结构图G 代码程序是根据加工原件的轮廓进行数控 G 代码程序编写，再传输至数控机床。代码程序中包含着零件加工路径、主轴运转和位移数据等信息。数控命令程序输入方式有两种， 一种是在机床通过显示器在编译器上直接编写，

40、另一种是将外部的数控命令程序文件导入数 控系统。 数控系统是机床的运算和控制的核心，它包括处理器、逻辑控制模块、存储器、液晶显示模块和信息传输模块。其中处理器是整个系统的最核心的模块。 8内部存储器液晶显示模块处理器 外设存储接口模块 外部存储器 G命令程序 逻辑控制模块 数控机床硬件设备 传输模块 外部信息 杭州电子科技大学硕士学位论文数控机床提取 G 命令程序文件将其传输至解释器，解释器将 G 代码进行解析分析，然后提取库函数中 G 代码对应的插补函数和刀具命令等函数传输给外围设备的驱动软件，驱动再通过控制数控机床的设备来实行加工的，最终完成了整个实际的加工过程。其中操作系统能 够通过对数

41、控软件进行程序的构建、同步和提取。图 2.2 是系统软件架构。 操作系统构建提取同步应用软件 （G代码解释器等软件）调用调用调用图 2.2系统软件架构逻辑控制模块也是机床的关键部分，数控代码程序通过解释器解析后，系统得到的参数及控制指令并将它们传输给逻辑操控部件，最终控制机床设备的运行，其中具体操作包括刀具的切换及冷却液的开关等逻辑命令19。 内部存储器保存着输入的 G 代码程序或者传输的 G 代码程序，是操作系统的数据存储模块。外部存储器是用来存储系统外设(SD 卡等)传输给机床的全部信息。外设存储接口模块是机床内部系统与外部设备之间的数据传输通道。传输通道是用于外部用户信息（如键盘输入信息

42、）的信息输入。 LCD 显示模块是数控机床人机交互的平台，用户可以根据实时显示的数据进行对加工数据的监控，还可以在机床调试过程中对系统进行诊断了解，判断哪些参数出现错误，以便用户及时修改，同时用户可以在界面上进行数控代码的直接编写输入，它是用户在机的重要平台。它能显示操作人员设置的定量和实时的加工坐标等信息。 操作驱动模块是由伺服和反馈两个结构相互作用构成的20。伺服系统是机床的执行单元，它是由伺服驱动电动机和伺服驱动组合构成的21。其基本 作用是接受逻辑控制模块的指令脉冲信号，控制每个执行部分的进给速度、方向和位移矢量。 9驱动软件和外设 GUI驱动 插补程序 驱动 函数文件系统 驱动 杭州

43、电子科技大学硕士学位论文它有开环、闭环和半闭环之分。反馈系统主要是反馈机床运行部件实时的进给信息，以便对加工中的设备进行检测及修正加工信息。 开始结束图 2.3伺服控制驱动器控制 Z 轴速度框图本实验所采用的伺服系统是利用一个闭环的反馈信号来控制机床的位置和速度等操作， 伺服电机驱动装置在接收反馈指令后，同时将其与脉冲指令进行比较，从而构成了一个位置的半闭环控制，使被控系统工作在设定状态，现代数控机床采用永磁同步电机和 SVPWM 控制方式来同步高性能交流伺服系统22，交流伺服电机结构简单，容易维护，适合在各种环境下工作，而且动态响应好，转速高且容量大，基本都已实现全数字化，即全部控制算法，补

44、偿及自学习、辅助功能都可以用软件实现，使其性能更加优越，这些优点为速度控制插补的 实现提供了良好的条件。 伺服控制驱动器具有定位精度高与快速响应特点，它能够快速回应收到的信号。数控系统在启动、制动时，为使速度在最小的时间内达到指定数值要求加速度足够大，这样可以大大缩减系统进给时的预备时间，减小工件加工时的过渡误差。这些良好的特性很 大程度上提升了插补的效率和精度，为插补算法的实现提供了良好的软件基础。 伺服电机控制器中的速度控制器是根据由计算得到的速度来反馈控制电流控制器，从而产生相应的脉冲频率，进而达到 Z 轴的速度控制，实现整个插补控制。控制流程如图 2.3 所示。 2.1.1 系统的硬件

45、设计解释器的验证实现是在实物模块上通过代码运行实现的，为了能够得到实验结果，就需要一个硬件实物来承载解释器程序，所以接下来就要介绍一下系统的硬件设计。这就需要分析硬件模块上各功能模块的具体功能，特别是承载插补算法、刀具控制、速度控制等功能的硬件模块。 10Z轴速度 速度计算 伺服电机驱动器 产生脉冲频率信号 速度驱动器 电流控制器 速度控制器 杭州电子科技大学硕士学位论文本课题设计的解释器是依托于以 STM32 与 CPLD 为核心的硬件设计上的23。该硬件系统包含处理器、CPLD 逻辑控制模块、存储模块和接口模块四大类。 (1)处理器模块 该硬件设计的处理器是采用嵌入式 STM32F407Z

46、GT6(Cortex-M4)，ARM Cortex-M4 处理器采用 ARM 微控制器软件接口标准(CMSIS)。这种接口标准使得该处理器的硬件抽象层与供应商无关，很好的兼并了各种类型的外设接口，改善了以往设计中接口不兼容的缺点。同时该标准提高了程序代码的重复使用率，减去了部分兼容研发时间，提高了研发效率，进而生产商能比竞争对手的更早的将产品投入市场，更快的占领市场，抢夺市场先机24。另外在软件移植或者后续拓展开发过程中，通过该接口标准可以使研发变得简单，非常有利于移植和拓展工作的开展。ARM Cortex-M4 处理器是 ARM 公司最新开发出来的嵌入式处理器，是为满足在高标准高效率控制（或

47、者混合信号控制）中所需的高处理效率的市场需求。选择该处理器能够有效结合其高运行效率特性与 Cortex-M 处理器系列典型的低耗能及低成本等特 点，对新兴嵌入式工业自动化控制的研发提供了良好的研发条件。 输入开关量四倍频、鉴相 26L S3 1输出开关量CPLD(EPM1270T144C5N)O四倍频、鉴相 类SRAM16bit FSMC BUS插补算法26LS32图 2.4CPLD 逻辑图11Z轴伺服系统 高速光耦 X轴伺服系统 MCU (STM32F407)手轮编码器 主轴正反转卡盘松开、夹紧 刀架正反转冷却泵开关加机油开关急停、暂停 主轴转速编码器 IX、Z轴减速回零X、Z轴负象限位主轴

48、进给/保持信号用户输入/夹紧到位刀位号 杭州电子科技大学硕士学位论文(2) CPLD 逻辑控制模块及存储模块 该硬件设计的 CPLD 选用为 Altera 公司的 EPM1270T144C5N。 它主要用于控制实现，包括：插补算法的硬件运算、对交流伺服的方向、进给速率、转速反馈编码脉冲倍频计数、手轮脉冲计数、手轮脉冲进给、刀具选择、机油和润滑油等的控制，同时对机床的外围设备如伺服控制器、变频器等的监控信号实现实时，用于及时发现安全隐患确保设备运行的安全性。另外处理器与 CPLD 传输在实时性上因采用了高速并行总线 FSMC（并行读写速度高达 60Mb/S）得到了全方位的实现。 存储模块介绍：随

49、着功能的扩展，系统自身的存储空间不能再满足实际应用需要时，可以通过外围扩展来弥补， 包括 RAM 与 FLASH 存储扩展。 本系统选取型号为IS 61 WV 102516 ALL 的 SRAM 来增加硬件结构的RAM 空间，选用型号为 W25X64 的Spi-flash 来增加硬件结构 FLASH 空间。这一模块至关重要，特别是在系统进一步升级中， 所需的存储空间也直线上升，同时随着切削技术的提升，解释器调用的库函数（包括各种插补函数和刀具轨迹控制路径）也随之大量增加，这些方面的要求就需要存储空间的扩展。CPLD 结构图如图 2.4 所示。 (3) 接口模块 该设计的接口模块包括：JTAG/

50、SW 调试接口、U 盘 SD 卡接口。 JTAG/SW 调试接口是 STM32 设定的在线调试的方式之一，该系统串口调试接口采用 SW-DP。U 盘 SD 卡接口是为了便于外部数据的传递，其中 U 盘主要使用了传输外部的数控命令代 码，使得编程变得更加便捷，易于数据之间的交换。 它们的共同特点是高速的传递速率和易于扩充的容量，同时及其便于携带，增加了系统的灵活性和效率性。 其中 U 盘是 CH376DS 来控制管理的。U 盘需要 USB 进行数据传输，而 CH376 自带 USB 协议，它的各个功能可以很快的通过简单的外围电路来实现整个系统和 U 盘之间的连接和数据传输。 2.1.2 系统软件

51、总体构架解释器是数控系统的软件部件，要想对解释器有全方位的功能了解，就需对系统的整体软件架构进行分析。 数控机床软件系统设计结构如图 2.5 所示，驱动软件需要通过调用数据库函数来控制系统的外围硬件。驱动软件是由 CPLD 驱动、FLASH 驱动、CH376 驱动、液晶驱动和串口驱动等结构组成的，它们分别对应插补、FLASH 文件、操作界面、uC/OS-II 和 uC/GUI。应用软件层由编辑器、解释器、操作界面、按键检测和打印信息组成。 驱动软件组件各功能块的作用如下：CPLD(EPM120T144C5)驱动软件是用来读写 CPLD来控制机床设备的运行， FLASH(W25X16) 驱动软件

52、的功能是控制并读写 FLASH 芯片12 杭州电子科技大学硕士学位论文W25X16，它可以通过 FLASH 底层抽象函数对其进行调用。CH376 驱动软件是通过文件管理控制芯片 CH376 来驱动外部存储设备。液晶驱动软件用于高级函数调用的液晶底层函数25。 应用软件部分各模块的作用如下：编译器是用于直接用于 G 代码程序的编写和修改，用户可以直接在编译器上编写以便用来测试操作中的机床，对于大型的 G 代码程序一般是通过外围导入。解释器是将对编译过的 G 代码进行词法和语法的分析，同时提取具体的进给速度、刀具路径等数据调用指定的函数。操作界面是用户人机交互的平台，可以输出让用户直观观察的具体数

53、据。按键检测软件是随时响应用户所需操作的检测程序，可以用于切换界面、输 入字符数字、快速选择主轴运转等操作。 图 2.5数控机床软件系统设计结构图 2.6uC/OS-II 工作原理图13调用构建 UC/OS-II工作原理 驱动软件 （CPLD、FLASH等） 插补软件、UC/GUI 、FLASH文件 调用 应用软件 （操作界面、解释器等） 调用 调用 UC/OS-II同步 STM32外设 STM32固件库 驱动软件 应用软件 按键检测和打印信息 液晶驱动 FLASH驱动 CPLD驱动 UC/GUIFLASH文件 US/OS-II插补软件 操作界面 编辑器 解释器 串口驱动 CH376驱动 杭州电子科技大学硕士学位论文插补软件通过插补算法来实现刀具运行轨迹的控制，插补软件的选择直接决定着数控机床的运行的精确性。FLASH 文件系统软件是根据自定义 FLASH 文件系统结构来管理 FLASH 文件。uC/GUI 能够为液晶显示提供图像显示的接口函数。 uC/OS-II 是数控系统软件的运行平台，主要是用于任务的构建、同步和调用。是整个软件系统的管理机构，直接管理着所有的应用软件的运行和选择。其主要结构示意如 2.6 下： 2.2 数控插补概念与工作原理解释器是针对各种插补函数的调用来控制驱动器驱动机床设备进行工件的加工，所以为进一步了解工件的加工步骤，就需要对数控系统的插补