【正文】 。 還有 M、 S、 T、 H 強(qiáng)電信號處理和輸出信號處理等。零件加工程序一般是通過鍵盤、磁盤、 DNC 等方式輸入。 (6) 輔助功能處理。在實(shí)際的數(shù)控系統(tǒng)中，通常采用粗、精插補(bǔ)相結(jié)合的方法，即把插補(bǔ)功能分為軟件粗插補(bǔ)和硬件精插補(bǔ)兩部分。 (7) 7 級中斷 本級中斷對測試版進(jìn)行監(jiān)控。 (2) 1 級中斷 1 級中斷主要為插補(bǔ)的正常進(jìn)行做準(zhǔn)備工作。從表中可以看出，第 6 級中斷（位控）有硬時鐘產(chǎn)生，每 4ms 一次，第 6 級中斷請求兩次后，第 4 級中斷（插補(bǔ)）產(chǎn)生一次（由軟件控制）。目前 CNC 系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)模式主要有以下 2 種：前后臺型軟件結(jié)構(gòu)和多重中斷型軟件結(jié)構(gòu)。各個任務(wù)在運(yùn)行中占用 CPU 時間如圖 28（ d） 所示。系統(tǒng)的管理部分包括輸入、 I/O 處理、顯示和診斷。如圖 24 所示： PC 機(jī) DPRAM 運(yùn)動控制卡 (MPC07) 蘭州交通大學(xué)畢業(yè) 設(shè)計（ 論文 ） 10 圖 2 圖 24“ NC 嵌入 PC”式數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) 硬件結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于：將工業(yè) PC 機(jī)的引入大大簡化了數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)，便于數(shù)控系統(tǒng)的技術(shù)更新，保持與 PC 技術(shù)的同步發(fā)展；模塊化的硬件結(jié)構(gòu)，保證了模塊功能的相對獨(dú)立 控制 性和系統(tǒng)整體的可 擴(kuò)展性，也提高了系統(tǒng)的開放性和可重構(gòu)性；多處理器結(jié)構(gòu)，消除了單處理器結(jié)構(gòu)對 CPU 性能的強(qiáng)依賴性以及控制過程中的“瓶頸”現(xiàn)象，為實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)高速度、高精度、多功能和高可靠性提供了堅實(shí)基礎(chǔ)。進(jìn)給軸接口是數(shù)控系統(tǒng)和進(jìn)給伺服系統(tǒng)的橋梁，現(xiàn)階段常用的伺服控制系統(tǒng)， 線 總 嵌入式可編程計算部件 USB 串口 內(nèi)存單元 內(nèi)存 FLASH 進(jìn)給軸接口 主軸接 PLC 顯示接 伺服單元 主軸驅(qū)動單元 I/O 傳感器接口 以太網(wǎng)接 蘭州交通大學(xué)畢業(yè) 設(shè)計（ 論文 ） 9 進(jìn)給控制接口一般有串行式接口、脈沖式接口、模擬式接口等。 本系統(tǒng)著眼于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)的設(shè)計，選擇 NC 嵌入 PC 型進(jìn)行開 放式數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)研究。 開放式數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分類 就結(jié)構(gòu)形式而言，基于 PC 的開放式數(shù)控系統(tǒng)主要有 3 種 [9]： (1) PC 嵌入 NC 型 。 (2) 可移植性 （ portability） ： 功能模塊可運(yùn)行于不同的控制系統(tǒng)內(nèi) 。通常經(jīng)過若干個插補(bǔ)周期后，插補(bǔ)完成一個程序段的加工，也就完成了從程序段起點(diǎn)到終點(diǎn)的“數(shù)據(jù)點(diǎn)密化”工作。系統(tǒng)控制軟件配合系統(tǒng)硬件合理的組織、管理數(shù)控系統(tǒng)的輸入、數(shù)據(jù)處理、插補(bǔ)和輸出信息與控制執(zhí)行部件，使數(shù)控機(jī)床按照操作者的要求，有條不絮的進(jìn)行加工。因此，數(shù)控系統(tǒng)技不僅作為數(shù)控發(fā)展的先導(dǎo)技術(shù)，而且作為制造業(yè)的基礎(chǔ)性戰(zhàn)略技術(shù)，越來越得到世界各國的高度重視和大力發(fā)展。 7 數(shù)控系統(tǒng)硬件的實(shí)現(xiàn) 2 數(shù)控系統(tǒng)的工作原理 作者簽名： 日期： 年 月 日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。 概述了數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀 ,介紹了開放式數(shù)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) ,在此基礎(chǔ)上提出了一套NC 嵌入 PC 型的開放式數(shù)控系統(tǒng) ,并對其軟硬件進(jìn)行了研究 。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。 26 界面具體示意圖 數(shù)控系統(tǒng)的組成和工作原理 數(shù)控系統(tǒng)的組成 機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)主要由幾個部分組成 ： 零件加工程序的輸入、數(shù)據(jù)處理、插補(bǔ)計算和伺服機(jī)構(gòu)的控制。 插補(bǔ)的任務(wù)是在一條已知起點(diǎn)和終點(diǎn)的曲線上進(jìn)行“數(shù)據(jù)點(diǎn)的密化”。 開放式數(shù)控系統(tǒng)的概念和特征 從目前研究來看 開放式數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)還沒有統(tǒng)一、明確的概念 ,實(shí)現(xiàn)技術(shù)還處于百家爭鳴的階段 ，美國電氣電子工程師協(xié)會給出的開放式數(shù)控系統(tǒng)的 定義 是：能夠在多種平臺上運(yùn)行 ， 可以和其他系統(tǒng)相互操作，并能給用戶提供一種統(tǒng)一風(fēng)格的交互方式。 通過更新產(chǎn)品、擴(kuò)充功能、 提供可供選擇的硬軟件產(chǎn)品的各種組合以滿足用戶特殊應(yīng)用要求 ， 給用戶提供一個方法 ， 從低級控制器開始 ， 逐步提高 ， 直到達(dá)到所要求的性能為止 。 CNC 功能全部由應(yīng)用軟件來實(shí)現(xiàn)，硬件部分僅是 PC 與伺服驅(qū)動和外部 I/O 之間的標(biāo)準(zhǔn)化通用接口。 圖 22 嵌入式系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖 平臺通過 USB 主控制器 實(shí)現(xiàn)對 USB 設(shè)備的支持和控制?！?NC 嵌入 PC”式結(jié)構(gòu) 框圖 如圖 23 所示： 輸入任務(wù) 輸出顯示 編碼器輸入 伺服輸出 圖 23 NC嵌入 PC 式結(jié)構(gòu)框圖 NC 嵌入 PC 的開放式數(shù)控系統(tǒng)旨在突破傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)壁壘，建立一種基于 PC 平臺的人機(jī)交互性較好、擴(kuò)展性較好、廉價、易以維護(hù)的開放數(shù)控系統(tǒng)。硬件處理速度較快，軟件設(shè)計靈活，適應(yīng)性 強(qiáng)，但處理速度較慢，因此在 CNC 系統(tǒng)中，軟件、硬件的分配比例通常由其性能價格比決定。這三個任務(wù)的優(yōu)先級從上到下逐步下降，即插補(bǔ)運(yùn)算的最高，位置控制的的其次，背景程序（主要包括實(shí)時性要求相對不高的一些子任務(wù)）的最低。程序性中斷時程序中出現(xiàn)的各種異常情況的報警中斷，如各種溢出、清零等。該控制程序分為 8 級中斷，其中第 7 級中斷級別最高，第 0 級中斷級別最低，位置控制被安排在級別較高的中斷程序中，其原因是刀具運(yùn)動的實(shí)時性要求最高， CNC 裝置必須提供及時的服務(wù)。 在此設(shè)計中，中斷軟件的通信方式采用中斷服務(wù)程序自身的連接 。 4ms 定時計時，具體辦法辦法是：對 4ms 進(jìn)行計數(shù)，每隔 8ms 定時地產(chǎn)生一次第 3 級和第 4 級軟件中斷請求。通常包括刀具長度和半徑補(bǔ)償、反向間隙和絲杠螺距補(bǔ)償、過象 限及進(jìn)給方向判斷、進(jìn)給速度處理、加減速控制及機(jī)床輔助功能處理等。數(shù)控系統(tǒng)將譯碼后的 M、 T 信息適時傳送給 PLC 就可完成諸如主軸啟停、潤滑與冷卻、工件夾緊與放松、換刀、工作臺交換等控制。 (2) 譯碼。速度處理首先要做的工作是根據(jù)合成速度計算各運(yùn)動 坐標(biāo)的分速度，同時按機(jī)床允許的最低速度、最高速度、最大加速度 和最佳升降速度規(guī)律進(jìn)行控制處理。因此通過設(shè)置口狀態(tài)字的位，可以實(shí)現(xiàn)中斷服務(wù)程序內(nèi)部的連接，并不受其他更高級中斷服務(wù)程序的打擾。 多重中斷型軟件結(jié)構(gòu)沒有前后臺之分，除了初始化出現(xiàn)外，根據(jù)各控制模塊實(shí)時的要求不同，把控制出現(xiàn)安排成不同級別的中斷服務(wù)出現(xiàn)，整個軟件是一個大的多重中斷系統(tǒng)，系統(tǒng)的管理功能主要通過各級中斷服務(wù)出現(xiàn)之間的通信來完成。 CNC 系統(tǒng)的多任務(wù)性和實(shí)時性決定了系統(tǒng)中斷成為整個系統(tǒng)必不可少的重要組成部分。并行處理最顯著的優(yōu)點(diǎn)是提高了運(yùn)算速度。用 戶只需根據(jù)控制系統(tǒng)的要求編制人機(jī)界面，并調(diào)用 MPC07 運(yùn)動函數(shù)庫中的指令函數(shù)，就可以開發(fā)出既滿足要求又成本低廉的多軸運(yùn)動控制系統(tǒng)。硬件結(jié)構(gòu)的開放化設(shè)計主要包括兩個方而，即模塊的劃分與總線的選擇。一般輸入 CNC 系統(tǒng)的有關(guān)零件加工程序、控制參數(shù)和補(bǔ)償數(shù)據(jù)因輸入設(shè)備而異，有多種輸入方式：紙帶輸入、鍵盤輸入及計算機(jī)通信輸入等。因此，用戶無法介入數(shù)控系統(tǒng)的核心。 開放式數(shù)控系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn) 正是開放式數(shù)控系統(tǒng)的特性 ,使其具有傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)無法比擬的優(yōu)點(diǎn) ,成為數(shù)控技術(shù)發(fā)展的方向 。聯(lián)機(jī)診斷是指 CNC 系統(tǒng)中的自診斷程序，脫機(jī) 診斷是指系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)條件下的診斷。通常，通常零件程序是以零件輪廓軌跡來編程。 組成伺服驅(qū)動電路的位置、速度和電流控制環(huán)節(jié)部分實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，甚至以單片微機(jī)或高速數(shù)字信號處理器為硬件基礎(chǔ)，進(jìn)行全數(shù)字化控制，與 CNC 系統(tǒng)的計算進(jìn)行雙向通信聯(lián)系，就避免了零點(diǎn)漂移，提高了位置與速度控制的 精度和穩(wěn)定性。 18 NC 嵌入 PC 型開放式數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu) 9 MPCO7 運(yùn)動控制卡簡介 5 開放式數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分類 1 數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展 Hardware。 Motion control card。圖表整潔，布局合理，文字注釋必須使用工程字書寫，不準(zhǔn)用徒手畫 3）畢業(yè) 論文須用 A4 單面打印，論文 50 頁以上的雙面打印 4）圖表應(yīng)繪制于無格子的頁面上 5）軟件工程類課題應(yīng)有程序清單，并提供電子文檔 1）設(shè)計（論文） 2）附件：按照任務(wù)書、開題報告、外文譯文、譯文原文（復(fù)印件）次序裝訂 蘭州交通大學(xué)畢業(yè) 設(shè)計（ 論文 ） 6 目 錄 第一章 緒論 35 網(wǎng)絡(luò)通信及其接口 與通常的模擬伺服系統(tǒng)相比，數(shù)字伺服系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量從 1um 減小到，進(jìn)給速度仍能 達(dá)到 10m/min。 刀具補(bǔ)償包括刀具半徑補(bǔ)償和刀具長度補(bǔ)償。 蘭州交通大學(xué)畢業(yè) 設(shè)計（ 論文 ） 4 診斷功能分聯(lián)機(jī)診斷和脫機(jī)診斷。 只有這樣才能保證機(jī)床廠、 用戶對系統(tǒng)作補(bǔ)充、擴(kuò)展或者修改 。但由于它的 NC 部分仍然是傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)，其體系結(jié)構(gòu)還是不開放的。 CNC 系統(tǒng)對機(jī)床進(jìn)行自動控制所需的各種外部控制信息及加工數(shù)據(jù)都是通過輸入CPU 總 線 EPROM COMSROM或磁泡存儲器 MDI/CRT 接口 I/O 接口 讀帶機(jī)接口 穿孔機(jī)和電傳機(jī)接口 位置控制 PLC 接口 讀帶機(jī) 紙帶穿孔機(jī) 電傳機(jī) 機(jī)床 數(shù)控面板 CRT 速度控制單元 M 蘭州交通大學(xué)畢業(yè) 設(shè)計（ 論文 ） 8 設(shè)備送入 CNC 裝置的存儲器中，作為控制的依據(jù)。因此，嵌入式體系結(jié)構(gòu)硬件應(yīng)該是以總線和網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的模塊化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 MPC07的特征體現(xiàn)在硬件和軟件兩個方面：在硬件方面采用 PC 機(jī)的 PCI 總線方式，適用范圍廣，卡上無需進(jìn)行任何條線設(shè)置，所以資源自動配置，在 Windows9 Windows20xx 及WindowsXP 操作系統(tǒng)中支持即插即用，使用非常方便 ； MPC07 的接線方式采用 DB37型插頭，所以的輸入、輸出信號均用光電隔離，提高了控制卡的可靠性和抗干擾能力；在軟件方面提供了豐富的運(yùn)動控制函數(shù)庫，以滿足不同應(yīng)用要求。下面給出 CNC 系統(tǒng)的任務(wù)分解圖和任務(wù)并行處理關(guān)系圖 （ 見圖 25） ，雙箭頭表示兩個模塊之間有并行處理關(guān)系 [7]: 程序 輸入 預(yù) 處理 插補(bǔ)運(yùn)算 位置控制 速度控制 伺服控制 軟件 硬件 位置檢測 軟件 軟件 軟件