【正文】 .........13　 CAN 總線技術(shù) ......................................................14　 本章小結(jié) ..........................................................153 電路的運動控制器的硬件設(shè)計 ..........................................16 硬件設(shè)計 ..........................................................16 電路的抗干擾設(shè)計 ..................................................23 本章小結(jié) ..........................................................244 軟件設(shè)計 ............................................................25 系統(tǒng)工作流程 ......................................................25 控制程序特點與編寫 ................................................26　 串口通信 ..........................................................29 本章小結(jié) ..........................................................29結(jié) 論 .................................................................31致 謝 .................................................................32參 考 文 獻 ............................................................33附錄一: 電路原理圖 .....................................................35附錄二: 電路 PCB 圖 .....................................................37 01 緒論制造業(yè)是國民經(jīng)濟的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，制造業(yè)水平的高低是衡量一個國家工業(yè)發(fā)達程度的重要標志。大力發(fā)展先進的制造技術(shù)已成為世界各國最重要的幾大技術(shù)戰(zhàn)略之一，先進制造技術(shù)已經(jīng)是國際競爭與產(chǎn)品革新的一種重要手段。近年來，世界范圍內(nèi)出現(xiàn)了研究應(yīng)用先進制造技術(shù)的浪潮，以機械制造為代表的先進制造技術(shù)己成為當代國際間科技競爭的重點，許多國家制定了相應(yīng)的計劃，其中最具代表性的是美國的先進制造技術(shù)計劃(AMT)、韓國的高級先進技術(shù)國家計劃、日本的智能制造計劃(IMS)和德國制造 2021 計劃等。在我國，先進制造技術(shù)的重要性業(yè)已引起各界的認識和重視，被列為“九五”計劃和 2021 年中長期科研發(fā)展規(guī)劃中的主要關(guān)鍵技術(shù)和重要發(fā)展方向 [5] [6] [44]。數(shù)控機床在整個現(xiàn)代制造系統(tǒng)中處于基礎(chǔ)性的、核心的地位 [5]。因此，在現(xiàn)代制造系統(tǒng)朝著集成化、綜合化和智能化發(fā)展的今天，特別是計算機技術(shù)發(fā)展與普及化，深入研究新一代數(shù)控技術(shù)具有重要的意義和實用價值。 數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展數(shù)控系統(tǒng)(Numerical Control System)是一種控制系統(tǒng)，它能自動完成信息的輸入、譯碼、運算，從而控制機床的運動和加工過程。早期的數(shù)控系統(tǒng)采用數(shù)字邏輯電路構(gòu)成。1952 年誕生的第一代為電子管式，1959 年發(fā)展為第二代晶體管式，1965 年出現(xiàn)了第三代的小規(guī)模集成電路式數(shù)控系統(tǒng)。這三代數(shù)控系統(tǒng)的所有功能均由硬件實現(xiàn)，所以稱為硬件數(shù)控系統(tǒng)。這種數(shù)控系統(tǒng)沒有通用性和靈活性，所以其應(yīng)用范圍受到很大限制，可靠性較低，造價較高。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，1970 年出現(xiàn)了通用小型計算機。于是將它移植過來作為數(shù)控系統(tǒng)的核心部件，出現(xiàn)了第四代數(shù)控系統(tǒng)，即計算機數(shù)控(CNC) 系統(tǒng)。1974年，微處理器被應(yīng)用于數(shù)控系統(tǒng)后，發(fā)展為第五代數(shù)控系統(tǒng)，即現(xiàn)代 CNC 系統(tǒng)。CNC 系統(tǒng)特別是現(xiàn)代 CNC 系統(tǒng)的主要功能，如插補運算、刀具補償、用戶數(shù)控程序的預(yù)處理、刀具加工軌跡仿真等均由軟件實現(xiàn)，所以 CNC 系統(tǒng)又稱為軟件數(shù)控系統(tǒng)。自從出現(xiàn)了現(xiàn)代 CNC 系統(tǒng)以后，才從根本上解決了數(shù)控系統(tǒng)可靠性低、價格昂貴、應(yīng)用不便( 主要是編程困難)等關(guān)鍵問題。到 70 年代末 80 年代初，現(xiàn)代 CNC 系1統(tǒng)進入成熟期，并在工業(yè)化國家形成產(chǎn)業(yè)化，數(shù)控系統(tǒng)及數(shù)控機床開始批量生產(chǎn)和投放市場，數(shù)控技術(shù)在其它領(lǐng)域也得到了普及應(yīng)用。CNC 技術(shù)的應(yīng)用為制造業(yè)帶來異常深刻的變革，但是，隨著現(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展，對 CNC 系統(tǒng)提出了越來越高的要求。從完成功能上看，一方面 CNC 系統(tǒng)必須適應(yīng) DNC、CAD/CAM 及 CIMS 的發(fā)展，能提供一個可以集成不同開發(fā)商提供的軟件并適合聯(lián)網(wǎng)需要的平臺；另一方面，隨著數(shù)控系統(tǒng)在機械制造、冶金、紡織、印刷、軍工等行業(yè)的應(yīng)用日益增多，中小批量生產(chǎn)的趨勢日益增強，必須根據(jù)不同的用戶需求，迅速、高效、低成本地構(gòu)筑面向用戶的數(shù)控系統(tǒng)。這就要求 CNC 系統(tǒng)具有模塊化和重新配置的特點：從使用的角度看，新型 CNC 系統(tǒng)應(yīng)能運用于各種計算機軟硬件平臺上，并提供統(tǒng)一風格的用戶交互環(huán)境，以便于用戶的操作、維護和更新?lián)Q代。還應(yīng)能在普及型個人計算機的操作系統(tǒng)上，簡便地應(yīng)用系統(tǒng)所配置的軟件模塊和硬件運動控制插件卡；機床制造商和用戶能夠方便的進行軟件開發(fā)，追加功能和實現(xiàn)功能的個性化，使 CNC 系統(tǒng)具有 PC 的高速分析運算能力，大容量存儲功能，各種軟件的支撐，圖文顯示的優(yōu)勢以及聯(lián)網(wǎng)的靈活性。顯然，現(xiàn)代的封閉式結(jié)構(gòu)的 CNC 系統(tǒng)根本無法滿足這些要求。數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠商為了保持自己的市場競爭力，必須尋求更好的技術(shù)手段，使他們的專用技術(shù)能夠隨著計算機技術(shù)的更新?lián)Q代而順利的升級，不必為 CNC 產(chǎn)品換代而自己開發(fā)所有的軟、硬件功能模塊。在這種情況下，基于 PC(國外稱為 PCBASED)的第六代數(shù)控系統(tǒng)——開放式結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)便成應(yīng)運而生 [7][9][16] [17]。 開放式數(shù)控系統(tǒng)及其研究現(xiàn)狀進入 90 年代以來，為了適應(yīng)時代的要求，世界上一些研究機構(gòu)和生產(chǎn)廠商先后開展了開放式數(shù)控系統(tǒng)的研究。 開放式數(shù)控系統(tǒng)的概念根據(jù) IEEE 關(guān)于開放式系統(tǒng)的定義：能夠在多種不同的平臺上運行，可以和其他系統(tǒng)的應(yīng)用互操作，并能給用戶提供一種一致風格的交互方式。開放式體系結(jié)構(gòu)普遍采用模塊化、層次化的結(jié)構(gòu)，并通過各種形式向外提供統(tǒng)一的應(yīng)用程序接口，具有可移植性、可擴展性、互操作性和縮放性等特點，即系統(tǒng)組成的內(nèi)部開放化和系統(tǒng)組成各部件之間的開放化 [15][17]。開放式系統(tǒng)具有以下基本特征：（1）開放性。提供標準化環(huán)境的基礎(chǔ)平臺，允許不同功能和不同開發(fā)商的軟硬2件模塊介入。（2）可互操作性。通過提供標準化接口、通信和交互機制，使不同的功能模塊能與標準的應(yīng)用程序接口運行于系統(tǒng)平臺之上，并獲得平等的相互操作能力，協(xié)調(diào)工作。（3）可移植性。系統(tǒng)的功能軟件與設(shè)備無關(guān)，即應(yīng)用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式、交互模型、控制機理，使構(gòu)成系統(tǒng)的各個功能模塊可來源于不同的開發(fā)商提供的硬件平臺之上。（4）可擴展性。CNC 系統(tǒng)的功能、模塊可以靈活設(shè)置，方便修改，既可以增加硬件或軟件構(gòu)成功能更強的系統(tǒng)，也可以裁減其功能以適應(yīng)低端應(yīng)用。（5）可互換性。不同性能、不同可靠性和不同能力的功能模塊可以相互替代，而不影響系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運行。具有上述基本特征的數(shù)控系統(tǒng)可以稱為開放式數(shù)控系統(tǒng)，這種開放式控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)并不是現(xiàn)有控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的簡單集合，而是在博采眾長的基礎(chǔ)上，反映控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)未來發(fā)展的產(chǎn)物，它將引導(dǎo)開放式控制系統(tǒng)產(chǎn)品的發(fā)展，并對技術(shù)的發(fā)展起一定的指導(dǎo)作用。在該體系結(jié)構(gòu)中，提供的是概念性和功能性的結(jié)構(gòu)，而不是系統(tǒng)設(shè)施和標準細節(jié)的精確定義。　開放式數(shù)控系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀國際上與開放性數(shù)控的項目相關(guān)的項目比較多，早在 80 年代，為了擬訂并推進關(guān)于新一代開放式控制系統(tǒng)的詳細分析與規(guī)范，美國國防部就開始了名為“下一代控制器(NGC) ” 的計劃。目前最具影響力的是分別由歐洲各國、美國及日本進行的OSACA、OMAC、OSE，因而這三個計劃的發(fā)展現(xiàn)狀基本上代表了開放性數(shù)控的發(fā)展現(xiàn)狀。與國際先進水平相比，我國國內(nèi)的開放式數(shù)控系統(tǒng)的研究還處于初級階段，主要采用在工業(yè) PC 或普通 PC 的總線插槽上插入運動控制卡和 I/O 卡，配以自行開發(fā)的控制軟件來完成數(shù)控系統(tǒng)的基本功能。目前己有的開放性數(shù)控系統(tǒng)主要有四種：華中 I 型、中華 I 型、航天 I 型和藍天 I 型?？刂葡到y(tǒng)的開放式結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)將導(dǎo)致新一代控制器的產(chǎn)生，并成為未來制造業(yè)的一大支柱?？刂破鹘Y(jié)構(gòu)的開放性為數(shù)控技術(shù)能持續(xù)不斷地吸收日新月異的計算機硬軟件最新成果創(chuàng)造了條件，有利于數(shù)控產(chǎn)品自身的更新?lián)Q代，提高性能，增強競爭力，這正是開放式 NC 控制器之所以被各發(fā)達國家視為重要的戰(zhàn)略技術(shù)、紛紛投入研究的重要原因。制造業(yè)第三次革命的開3放式控制系統(tǒng)的研究，為我國數(shù)控產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來了新的契機。我們應(yīng)該抓住這一大好時機，迅速開展并深化我國的開放性控制系統(tǒng)的研究，縮小我國制造業(yè)水平與發(fā)達國家之間的差距 [18] [19] [36]?！≌撐闹饕ぷ髂壳?，由于以 DSP 為代表的高速高性能專用微處理器的出現(xiàn)和 PC 機的廣泛普及，采用運動控制器的數(shù)控系統(tǒng)將成為新一代數(shù)控技術(shù)發(fā)展潮流，運動控制器將成為未來數(shù)控系統(tǒng)的核心。在本設(shè)計中，我們選用日本 NOVA 電子有限公司研制的 DSP 運動控制專用芯片 MCX314。 MCX314 由硬件來實現(xiàn)復(fù)雜的運動控制算法，使得編程方便，接口簡單，工作可靠，給運動控制帶來極大方便，可廣泛應(yīng)用于數(shù)控機床、機器人等領(lǐng)域的運動控制?；?MCX314 運動控制器具有處理能力強、開放程度高、運動軌跡控制準確、通用性好的特點。論文的內(nèi)容包括：（1）數(shù)控技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢，確定課題方案。（2）AT91FR40162+MCX314 運動控制器的硬件設(shè)計。（3）運動控制器的測試軟件設(shè)計，包括一些基本的功能函數(shù)和測試例程。（4）總結(jié)和后期展望。42 運動控制關(guān)鍵技術(shù)分析及方案制定 運動控制系統(tǒng)運動控制的實質(zhì)是根據(jù)預(yù)定的方案，將上位控制系統(tǒng)做出的決策命令變成某種期望的機械運動，以得到確定的位置、速度、加速度或特定的運動形式。一個完整的運動控制系統(tǒng)通常由上位控制器、驅(qū)動器、執(zhí)行電機、機械傳動機構(gòu)和位置檢測元件等組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖 21 所示 [26] [35]。 圖 21　運動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖上位控制器將分析、計算所得出的決策命令以數(shù)字脈沖信號或模擬電壓信號的形式送到電機驅(qū)動器中，驅(qū)動器進行功率變換，并驅(qū)動伺服電機根據(jù)上位指令轉(zhuǎn)動。電機通過傳動機構(gòu)帶動機械結(jié)構(gòu)運動，便可以得到預(yù)期的運動參數(shù)和運動形式。上位控制器通常是運動控制卡、具有運動控制功能的 PLC、數(shù)控系統(tǒng)(CNC)或單片機系統(tǒng)等。數(shù)字化執(zhí)行電機的受控性能較好，已在運動控制系統(tǒng)中普遍應(yīng)用，如步進電機或數(shù)字式交流伺服電機等。位置檢測裝置有脈沖編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、光柵、磁尺及激光干涉儀等。基于以上對運動控制系統(tǒng)的簡要分析，可對其作如下定義：運動控制系統(tǒng)是集機械、電子、計算機技術(shù)于一體的軟硬件系統(tǒng)，它根據(jù)預(yù)定的方案，將上位控制系統(tǒng)做出的命令變成某種期望的機械運動，使控制目標得到精確的位置、速度、加速5度，或具有特定規(guī)律的運動形式。 步進電機運動控制系統(tǒng)不管是那一種類型的步進電機，其運動控制系統(tǒng)都是相似的。如圖 22 是典型的步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，主要由步進電機運動控制器、步進電機驅(qū)動器和步進電機三部分組成 [35][39][40]。 圖 22　步進電機控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖 步進電機驅(qū)動器主要包括環(huán)形分配器和功率放大器兩部分。其中環(huán)形分配器又稱脈沖分配器，它根據(jù)運行指令按一定的邏輯關(guān)系分配脈沖，通過功率放大器加到步進電機的各相繞組，使步進電機按一定的方式運行；并實現(xiàn)正、反轉(zhuǎn)控制和定位控制。由于輸出的功率極小，只有幾毫安電流，而步進電機相繞組一般需要幾安至十幾安的電流( 脈沖電流幅值直接影響步進電機的轉(zhuǎn)矩大小)，所以脈沖分配器不能直接驅(qū)動步進電機工作，必須通過功率放大器進行放大，才能給步進電機各相繞組提供足夠的電流。此外，步進電機驅(qū)動器在相數(shù)、通電狀態(tài)、電壓、電流上要符合所控制的步進電機的技術(shù)參數(shù)要求。步進電機運動控制器則是控制系統(tǒng)的核心部分，它根據(jù)控制要求提供給步進電機驅(qū)動控制信號，該控制信號包括脈沖信號、脈沖方向信號、控制方式信號。運動控制器提供給步進電機的驅(qū)動信號是標準的信號，不論哪種驅(qū)動器都接受這樣的標準信號，從而為開放式的控制提供了標準接口。這樣為步進電機設(shè)計的運動控制器就可根據(jù)不同的需要與不同的驅(qū)動器連接使用。為了控制的方便，步進電機一般可以有兩種不同的控制模式可供選擇?？刂颇Ｊ骄褪怯煽刂品绞叫盘杹碓O(shè)置的。一種是方向/脈沖模式，在這種控制模式下，脈沖6信號控制的是步進電機的運動，脈沖方