嵌入式數(shù)控機床的設(shè)計與實現(xiàn)

摘 要：數(shù)控技術(shù)是各種先進制造技術(shù)的奠基石，是一個國家先進制造技術(shù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)，也是制造業(yè)信息化的重要保證。在科學技術(shù)發(fā)展的帶動下，數(shù)控技術(shù)已經(jīng)隨著制造業(yè)的發(fā)展，成為衡量一個國家工業(yè)現(xiàn)代化的重要標志。本文結(jié)合數(shù)控技術(shù)的發(fā)展以及嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的研究，對嵌入式數(shù)控機床的進行了設(shè)計和實現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：數(shù)控機床 嵌入式系統(tǒng) 設(shè)計 實現(xiàn)

前言：隨著經(jīng)濟的發(fā)展，制造業(yè)逐漸成為影響國民經(jīng)濟的主要行業(yè)，而制造技術(shù)的先進性則成為衡量一個國家 現(xiàn)代化水平的重要標志。作為各種先進制造技術(shù)的基礎(chǔ)，數(shù)控技術(shù)的發(fā)展對于社會的發(fā)展和穩(wěn)定起著越來越重要的作用。但是，就目前來看，我國傳統(tǒng)的數(shù)控機床還存在諸多的問題，與發(fā)達國家相比存在著較大的差距，需要對相應(yīng)的技術(shù)進行更新，切實提高數(shù)控機床的技術(shù)水平。

1.數(shù)控機床的發(fā)展

數(shù)控機床，是對數(shù)值控制機床的簡稱，指一種裝有程序控制系統(tǒng)的自動化機床。其中，數(shù)控裝置、檢測裝置以及機床主體是構(gòu)成數(shù)控機床的三個主要部分。

數(shù)控機床發(fā)展歷程與計算機和微電子技術(shù)的發(fā)展是密不可分的，主要包括以下4個發(fā)展階段：硬件數(shù)控、計算機數(shù)控、高精度CNC以及開放式CNC。在當前的發(fā)展形勢下，嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用使得數(shù)控機床有了新的發(fā)展。

2.嵌入式數(shù)控系統(tǒng)概述

2.1.嵌入式系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng)，主要是指以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，以功能應(yīng)用為中心，可以對軟件和硬件進行裁剪的專用計算機系統(tǒng)優(yōu)化，具有功能齊全、能耗小、體積小、成本低、可靠性高等特點，在多個領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用。

2.2.嵌入式系統(tǒng)開發(fā)數(shù)控系統(tǒng)的優(yōu)勢

以當前嵌入式Linux系統(tǒng)為基礎(chǔ)，對數(shù)控系統(tǒng)進行開發(fā)，其主要優(yōu)點如下：

①嵌入式Linux操作系統(tǒng)的源代碼具有開放性的特點，適合開放式數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)，同時便于更好地對數(shù)控系統(tǒng)進行配置和修改，設(shè)計出真正意義上“開放”的數(shù)控系統(tǒng)；

②系統(tǒng)適用范圍廣，對于硬件資源的依賴性較小；

③Linux自身功能模塊化的特點，使得數(shù)控系統(tǒng)可以隨時添加新的功能模塊，便于功能的擴展；

④自配網(wǎng)絡(luò)支持，可以為數(shù)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)擴展提供便利；

⑤嵌入式Linux操作系統(tǒng)自身的功能十分強大，且性能穩(wěn)定，可以切實保證數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)的順利進行。

3.嵌入式數(shù)控機床的設(shè)計與實現(xiàn)

以某數(shù)控機床的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計為例，對其進行分析和闡述。作為一個多任務(wù)和實時性并存的系統(tǒng)，數(shù)控機床對于數(shù)控系統(tǒng)的要求較高，單純依靠Linux雖然可以滿足系統(tǒng)的多任務(wù)操作，但是卻不能滿足其對于實時性的要求，因此，要在系統(tǒng)中添加DSP處理器，同時，為了實現(xiàn)對伺服驅(qū)動器的閉環(huán)控制，需要實現(xiàn)脈沖量和數(shù)字量之間的相互轉(zhuǎn)換，通常情況下，采用的FPGA實現(xiàn)這一目標。

3.1.硬件構(gòu)架的設(shè)計

該數(shù)控機床的嵌入式系統(tǒng)框架可以分為三個基本模塊，即控制模塊、DSP模塊以及FPGA模塊。為了切實保證系統(tǒng)功能的發(fā)揮，使用ARM處理器XScalePXA270作為系統(tǒng)控制模塊的核心，TMS320c6713作為DSP模塊的核心，并通過相應(yīng)的數(shù)據(jù)、地址總線等，實現(xiàn)與FPGA的連接，利用FPGA實現(xiàn)對伺服驅(qū)動器的閉環(huán)控制。

3.2.系統(tǒng)實時性分析

為了切實滿足數(shù)控系統(tǒng)的實時性，為操作人員提供舒適方便、人性化的操作界面，需要在設(shè)計時充分考慮系統(tǒng)實時性的分析和劃分問題。在數(shù)控機床的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)下，軟件的運行環(huán)境包括以下三種：

3.2.1.基于ARM的Linux環(huán)境

ARM憑借自身豐富的外圍接口和強大的控制功能，實現(xiàn)對數(shù)控系統(tǒng)的控制，而Linux系統(tǒng)雖然可以滿足多任務(wù)操作，但是實時性較差，因此在該環(huán)境下，適合運行控制軟件，而不是運算量較大的程序。

3.2.2.DSP環(huán)境

DSP具備處理速度快、數(shù)據(jù)運算效率高的特點，芯片上具有專用的硬件乘法器，在一個指令周期內(nèi)，就可以完成一次乘法和一次加法。其處理器內(nèi)部不存在操作系統(tǒng)，因此屬于單任務(wù)運行，不存在對于進程的調(diào)度問題，可以運行對于實時性要求較高，或者運算量大的軟件。

3.2.3.FPGA環(huán)境

FPGA的優(yōu)點在于具備超高速、豐富的邏輯資源，以及較為靈活的邏輯功能，可以通過合理配置，應(yīng)對多樣性的邏輯接口功能，適用于靈活多變的場合。FPGA具有極強的可編程能力，支持重復(fù)編程和邏輯編程，可以執(zhí)行一些實時性高、邏輯固定以及延遲低的任務(wù)和進程。由于FPGA的運行主要由硬件時序邏輯之間的配合完成，因此運行速度高，實時性強，但是控制功能較差，浮點運算能力也相對較差。

在該數(shù)控系統(tǒng)中，內(nèi)部軟件主要包括：控制I/O的軟PLC部分、手輪控制、G代碼譯碼、粗插補和細插補、驅(qū)動器脈沖伺服以及反饋、圖形用戶界面部分、以及信息通訊部分。其中，控制I/O的軟PLC部分、G代碼譯碼以及圖形用戶界面部分相對簡單，而且對于實時性要求較低，因此可以將其放在一起進行設(shè)計，在Linux系統(tǒng)環(huán)境下運行。與外界信息的交流組件，如U盤、SD卡等，由于其信息的存儲和讀取都需要通過Linux文件實現(xiàn)，因此同樣放置在Linux內(nèi)核中，且不需要設(shè)置輔助程序。而粗插補和細插補、手輪控制對于軟件的實時性要求較高，其代碼在DSP中運行。

數(shù)據(jù)在轉(zhuǎn)換過程中，為了防止脈沖丟失所引發(fā)的失步現(xiàn)象，避免其對于系統(tǒng)正常運行的影響，將驅(qū)動器脈沖伺服與反饋放在FPGA環(huán)境中運行。

3.3.通訊功能的實現(xiàn)

對于用戶而言，可以利用相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)或存儲設(shè)備，復(fù)制G代碼程度到Linux系統(tǒng)中，通過PXA270處理器，實現(xiàn)對于G代碼的后臺譯碼，從而將其轉(zhuǎn)換為坐標值和功能號代碼，并進行存儲。ARM在將數(shù)據(jù)寫給DSP之后，DSP可以利用粗插補和細插補程序，得到脈沖數(shù)和相應(yīng)的脈沖周期，并將之放入DSP緩沖隊列中。當FPGA的時鐘信號觸發(fā)DSP中斷時，DSP中的相關(guān)程序會將脈沖數(shù)和相應(yīng)的脈沖周期從緩沖隊列中提取，發(fā)送給FPGA，而DSP則根據(jù)數(shù)據(jù)發(fā)送的脈沖數(shù)，對機床加工刀具位置坐標進行計算。將計算出的坐標傳輸給PXA270，在圖形用戶界面顯示出來，并反饋給FPGA，對伺服驅(qū)動器進行驅(qū)動，進而確保數(shù)控機床的數(shù)控功能可以得到充分發(fā)揮。如果用戶選擇手輪驅(qū)動伺服電機，則FPGA會將手輪信息傳輸給DSP，經(jīng)過快速處理后，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化而成的脈沖數(shù)發(fā)回FPGA，進而驅(qū)動伺服電機。

結(jié)語

總之，隨著數(shù)控化技術(shù)在機床中的應(yīng)用越來越廣泛，對于數(shù)控系統(tǒng)的功能也提出了更高的要求。目前，我國對于嵌入式數(shù)控機床的研究尚處于起步階段，與發(fā)達國家存在較大的差距，而數(shù)控系統(tǒng)的性能對于實現(xiàn)制造業(yè)的自動化、智能化和集成化有著至關(guān)重要的作用。因此，加強對于嵌入式數(shù)控機床的自主研究和開發(fā)，提高數(shù)控系統(tǒng)的性能，不僅可以提升我國數(shù)控產(chǎn)業(yè)的整體水平，還可以提高社會經(jīng)濟的發(fā)展水平，推動社會持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展。

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作者簡介：

邢美峰（1973—），男，民族蒙，籍貫內(nèi)蒙古，學歷大學本科，職稱講師 ，工作單位包頭職業(yè)技術(shù)學院 ，研究方向：機電一體化，數(shù)控加工。