【正文】 標(biāo)準(zhǔn)化。再上一層是控制器硬件平臺(tái)，它是一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，一般采用通用的 PC 機(jī)硬件結(jié)構(gòu)，還應(yīng)提供與機(jī)床底層的接口，如數(shù)字 I/O、可編程控制器 (PLC)、運(yùn)動(dòng)控制卡等。外部程序也運(yùn)行于 Windows 操作系統(tǒng)之上，可以利用 CNC 系統(tǒng)提供的庫函數(shù)開發(fā)相 關(guān)應(yīng)用，并集成到一起 [5]。由于期間本身執(zhí)行速度有限，其位置控制周期、控制軸的數(shù)量及控制精度等都受到限制?？缮炜s性體現(xiàn)在控制系統(tǒng)必須根據(jù)用戶的實(shí)際需求，增加和減少某些系統(tǒng)功能或部件，動(dòng) 態(tài)分析和解析 PC 機(jī) 參數(shù)設(shè)置 位置指令 狀態(tài)信息 反饋信息 運(yùn)動(dòng)控制卡 伺服控制卡 交流伺服電機(jī) 機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 碼盤接口 編碼器 PCI總線 CAN 總線 CNC 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)開發(fā)的設(shè)計(jì) 22 控制系統(tǒng)的軟硬件資源，并友好的向用戶提供系統(tǒng)信息。基于 PC 的開放式 CNC 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)必須全面支持開放式系統(tǒng)的互操作性、移植性、互換性、可擴(kuò)展性等開放理念，有利于系統(tǒng)的集成、更新、維護(hù)和向新技術(shù)的遷移。所以在 CNC 系統(tǒng)中，可供選擇的開放總線主要有工 SA, PCI、及 CAN 等。 PCI 總線在開發(fā)時(shí)預(yù)留了充足的發(fā)展空間，支持 64 位地址 /數(shù)據(jù)多路復(fù)用，可將系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率提高到 264Mbit/so 由此可以提高數(shù)控控制系統(tǒng)的傳輸速度，提高數(shù)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)特性。 PCI總線上所有目標(biāo)設(shè)備對(duì)地址進(jìn)行譯碼，地址對(duì)應(yīng)設(shè)備通過置 DEVSEL信號(hào)有效來響應(yīng)傳送周期。其他總線傳輸協(xié)議不同， PCI 總線不使用單獨(dú)的信號(hào)線和命令來定義突發(fā)方式的進(jìn)行，而是通過 FRAME和 IRDY信號(hào)時(shí)序的變化使單個(gè)數(shù)據(jù)的傳輸自然地轉(zhuǎn)成突發(fā)方式。 4)可以按單個(gè)讀或突發(fā)讀方式操作。其主要特點(diǎn)如下 [7]。在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中，總線的主控設(shè)備和目標(biāo)設(shè)備都可以終止當(dāng)前的總線操作。根據(jù)不同的讀寫操作，將選擇不同的地址空間。這樣用戶可以隨意增添外圍CNC 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)開發(fā)的設(shè)計(jì) 24 設(shè)備 ， 以擴(kuò)充電腦系統(tǒng)而不必?fù)?dān)心在不同時(shí)鐘頻率下會(huì)導(dǎo)致性能的下降。串行總線有 ： 通用串行總線 USB 及各種現(xiàn)場(chǎng)總線，如 CAN 總線，Profibus 總線等。 PCI 控制卡接口 (WDM 驅(qū)動(dòng)程序 )負(fù)責(zé) PC 命令的解釋執(zhí)行，它向服務(wù)程序提供一個(gè)與硬件無關(guān)的接口，將具體的硬件端口操作屏蔽起來。 DSP 采用 TI 公司的 TMS320FL2407，雙口 RAM 采用 IDT7024 (4K ) 。 現(xiàn)代通訊和網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)日新月異，并在人們的生活中占據(jù)越來越重要的位置。接口功能將有利于 CNC 系統(tǒng)和其它系統(tǒng)的連接和集成。其方法有兩種 :首先是固定模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)，預(yù)留插入用戶專用軟件接口 :其次是提供用戶 API 函數(shù)和編程規(guī)范，供用戶創(chuàng)建專用模塊。 系統(tǒng)的控制對(duì)象可以使任何廠家生產(chǎn)的機(jī)床，不限制機(jī)床的加工類型，可以為車、銑、刨床等通用機(jī)床配套，也可以通過加入或者開發(fā)新的功能模塊為特征加工、齒輪加工等專用機(jī)床配套。過去，總認(rèn)為伺服控制系統(tǒng)和步進(jìn)控制系統(tǒng)是兩種完全不同的技術(shù)，而現(xiàn)在它們的差別已開始縮小?？梢娺\(yùn)動(dòng)控制器是運(yùn)動(dòng)控制指令的直接發(fā)出者，在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中處于核心的地位。這種方式能夠迅速 吸收計(jì)算機(jī)技術(shù)的最新成果，具有良好的靈活性和可擴(kuò)展性，可方便的采用新的控制算法，也易于實(shí)現(xiàn)物理設(shè)備和操作系統(tǒng)的更新?lián)Q代。但是現(xiàn)在的 PC的操作系統(tǒng)缺乏實(shí)時(shí)性。為解決系統(tǒng)開放集成上的難題，我們可以采用三種開放途徑，它們的開放層次不同，實(shí)現(xiàn)的難度不等，獲得開放效果也相差很大，如圖 21 所示。CNC 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)開發(fā)的設(shè)計(jì) 13 時(shí)間的開放是針對(duì)軟硬件平臺(tái)及其規(guī)范而言的，以保證平臺(tái)具有適應(yīng)新技術(shù)的發(fā)展、容納新設(shè)備 的能力。由于受到當(dāng)時(shí)國(guó)產(chǎn)電子元器件、加工工藝技術(shù)落后、部門經(jīng)濟(jì)等因素的制約，未能取得較大的發(fā)展，科研和生產(chǎn)基本處于停滯狀態(tài)。遵循 OSACA 規(guī)范的控制器產(chǎn)品將提供更強(qiáng)的客戶定制功能，縮短新產(chǎn)品開發(fā)的周期，降低產(chǎn)品的開發(fā)、維護(hù)、培訓(xùn)和文檔建立的 費(fèi)用。 開放式數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的研究 開放式數(shù)控系統(tǒng)的研究發(fā)展 控制系統(tǒng)采用開放式體系結(jié)構(gòu)將導(dǎo)致新一代控制器的產(chǎn)生，并成為制造業(yè)的一大支柱。 (1970 一 1986) 70 年代初，大規(guī)模集成電路、半導(dǎo)體存儲(chǔ)器，微處理器的問世，通用小型計(jì)算機(jī)出現(xiàn)并逐漸普及，給數(shù)控技術(shù)帶來了突破性的發(fā)展 。因?yàn)殚_放計(jì)劃的實(shí)施，把世界上所有的數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)商推到了同一起跑線上。柔性的工作方式，能充分適應(yīng)多品種、小批盆的現(xiàn)代生產(chǎn)方式，從而大大提高了對(duì)現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)需求的適應(yīng)能力。許多生產(chǎn)企業(yè) (例如汽車、拖拉機(jī)、家用電器等制造廠 )已經(jīng)采用了自動(dòng)機(jī)床、組合機(jī)床和專用自動(dòng)生產(chǎn)線。s flexibility, and enablethe systems to be redeveloped. As a result, CNC systems can be responsive to the marketquickly and economically. In this thesis, some key aspects and technology on the design of openarchitecture CNC systems are researched, including system architecture analysis. openhardware structure design, driver developing, curve interpolation technology in motioncontrol, etc. Following are the main works and results: thefeatures and drawbacks of current architecture, and why and how for CNC systems to be principles and a concept model for open architecture systems are proposed which canbe used as the guidance of detailed design of the software and hardware. Design methods of the modular system and its function modules base on CANbusand PCIbus are presented in details. Keyword: CNC Openarchitecture CANbus PCIbus CNC 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)開發(fā)的設(shè)計(jì) 3 目 錄 前言 ……………………………………………………………… 6 ………………………………………… … 6 …………………………… … 6 課題的來源和研究意義 …………………………………… … 7 ……………………………………………… 8 數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展歷史 ……………………………………… 9 開放式數(shù)控系統(tǒng)的研究 …………………………………… 9 開放式數(shù)控系統(tǒng)的研究發(fā)展 ………………………… 9 國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展 …………………………… 12 ……………………………… 12 開放式數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu) ……………………………… … 12 開放體系結(jié)構(gòu)的概念 …………………………………… 12 開放式數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的開放途徑 ……………… … 13 基于 PC 的開放式體系結(jié)構(gòu) …………………………… 14 運(yùn)動(dòng)控制器原理 ………………………………………… …… 15 開放式 CNC 系統(tǒng)的概要設(shè)計(jì) ……………………………… … 17 CNC 系統(tǒng)的需求分析 …………………………… 17 CNC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則 ………………… … 18 PC 的開放式數(shù)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu) ……………… 19 CNC 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)開發(fā)的設(shè)計(jì) 4 運(yùn)動(dòng)控制卡的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ………………………… … 20 軟件整體規(guī)劃 ………………………………………… … 21 本章小結(jié) ………………………………………………………… … 22 ……………… 23 …………………… … 23 標(biāo)準(zhǔn)化總線技術(shù) …………………………………… …… 23 CAN 總線原理與特點(diǎn) ……………………………… …… 26 DSP 芯片原理 ………………………………………… … 29 接口的模塊化設(shè)計(jì) …………………………………… … 31 基于 PC的開放式設(shè)計(jì) ……………………………… … 31 基于 PC的開放式 CNC 系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制卡的硬件設(shè)計(jì) … …… 32 運(yùn)動(dòng)控制卡微處理器的選擇 ……………………… …… 32 運(yùn)動(dòng)控制卡和上位機(jī)通訊設(shè)計(jì) …………………… …… 32 DSP 和計(jì)算機(jī)通訊設(shè)計(jì) …………………………… …… 34 DSP 和 CAN總線的通訊設(shè)計(jì) ……………………… …… 34 數(shù)控系統(tǒng)其他硬件模塊設(shè)計(jì) ………………………… …… 35 伺服接口模塊設(shè)計(jì) ………………………………… …… 35 PMC 模塊設(shè)計(jì) ……………………………………… …… 35 操作面板 I/O 模塊設(shè)計(jì) …………………………… …… 36 本章小結(jié) ………………………………………………… ……… 36 … ……………………………………………… 37 結(jié)論 ………………………………………………………… … 37 CNC 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)開發(fā)的設(shè)計(jì) 5 展望 ………………………………………………………… 38 參考文獻(xiàn) ……………………………………………………… … 38 致謝 ……………………………………………………………… 39 CNC 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)開發(fā)的設(shè)計(jì) 6 基于 PC 的數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 前言 科學(xué)技術(shù)和社會(huì)生產(chǎn)的不斷發(fā)展，對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)率提出了越來越高的要求。數(shù)控機(jī)床就是將加工過程所偏的各種操作 (如主軸變速、松夾工件、進(jìn)刀與退刀、開車與停車、選擇刀具、供給冷卻液等 )和步驟，以及刀具與工件之間的相對(duì)位移 t 都用數(shù)字化的代碼來表示，通過控制介質(zhì) (如穿孔紙帶或磁帶 )將數(shù)字信息送人專用的或通用計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)對(duì)輸人的信息進(jìn)行處理與運(yùn)算，發(fā)出各種指令來控制機(jī)床的伺服系統(tǒng)或其它執(zhí)行元件，使機(jī)床自動(dòng)加工出所需要的工件。 我國(guó)是一個(gè)機(jī)床生產(chǎn)和應(yīng)用的大國(guó) 。縮小了體積，使得工業(yè)應(yīng)用成為了可能，誕生了第二代數(shù)控系統(tǒng)。 1986 年，三菱電機(jī)公司率先推出了以 CPU 為 68020 的 32 位，掀起了 32 位 CNC 的熱潮，并逐漸成為當(dāng)今數(shù)控系統(tǒng)的主流。該計(jì)劃分為三個(gè)階段，其中第一階段和第二階段均已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，主要完成了 規(guī)范、應(yīng)用指南， 并依照 OSACA 規(guī)范并開發(fā)了標(biāo)準(zhǔn)的通用系統(tǒng)平臺(tái)和軟件模塊。如今， OSEC 己發(fā)展到由 18 家公司和一個(gè)團(tuán)體參與的具有較大影響力的組織。 對(duì)于一個(gè)開放式數(shù)控系統(tǒng)來說，也應(yīng)遵循這些基本要求。 與傳統(tǒng)的封閉式專用數(shù)控系統(tǒng)相比，開放式數(shù)控系統(tǒng)的主要優(yōu)勢(shì)在于 :建立一種新型的模塊化、可重構(gòu)、可擴(kuò)充的控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，以增強(qiáng)數(shù)控系統(tǒng)的功能和性能柔性，在體系結(jié)構(gòu)上給用戶留有進(jìn)行二次開發(fā)更多的余地，能夠快速而有效的響應(yīng)新的加工需求。 PC 具有豐富的支持軟件來改善 CNC 系統(tǒng)的用戶界面、圖形界面、動(dòng)態(tài)仿真、數(shù)控編程、故障論斷、網(wǎng)絡(luò)通訊等功能。這類系統(tǒng)借助現(xiàn)有的操作系統(tǒng)平臺(tái)，在應(yīng)用軟件的支持下，通過對(duì) CNC 軟件的適當(dāng)組織、劃分、規(guī)范定義和開發(fā)，可望實(shí)現(xiàn)上述各個(gè)層次的開放。家用電器中的空調(diào)機(jī)、洗衣機(jī)、 CD 機(jī)等的控制 .總之，只要存在對(duì)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行精確控制的任務(wù)，就離不開運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)得到了各個(gè)國(guó)家的重視，已經(jīng)成為一個(gè)專門的技末領(lǐng)域。 根據(jù)運(yùn)動(dòng)控制器的核心技術(shù)方案來分，主要可分為基于大規(guī)模集成電路型、基于微處理器型、基于專用集成電路 (ASIC )型和基于數(shù)字信號(hào)器 (DSP)型的運(yùn)動(dòng)控制器。同時(shí)，用戶可根據(jù)需求定制界面，例如可以改變仿真形式、增加顯示內(nèi)容、擴(kuò)展遠(yuǎn)程監(jiān)視等功能。這就要求本系統(tǒng)的規(guī)范不依賴于特定的軟硬件平臺(tái) .本系統(tǒng)要求所定義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、命名習(xí)慣、用戶接口外觀等有利于不同系統(tǒng)平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)。外部接口模塊提供 CAD/CAM 接口、 MIS 系統(tǒng)接口、專家系統(tǒng)接口、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)接口等。采用 DSP 技術(shù)使得 232 軸的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)能夠濃縮到一塊 PC 的 PCI 控制卡上。 PC 機(jī)所完成的任務(wù)是將插