PAGEPAGE9嵌入式數控機床的設計與實現數控技術是各種先進制造技術的奠基石，是一個國家先進制造技術開展的重要根底，也是制造業信息化的重要保證。在科學技術開展的帶動下，數控技術已經隨著制造業的開展，成為衡量一個國家工業現代化的重要標志。本文結合數控技術的開展以及嵌入式數控系統的研究，對嵌入式數控機床的進行了設計和實現。隨著經濟的開展，制造業逐漸成為影響國民經濟的主要行業，而制造技術的先進性那么成為衡量一個國家現代化水平的重要標志。作為各種先進制造技術的根底，數控技術的開展對于社會的開展和穩定起著越來越重要的作用。但是，就目前來看，我國傳統的數控機床還存在諸多的問題，與興旺國家相比存在著較大的差距，需要對相應的技術進行更新，切實提高數控機床的技術水平。數控機床的開展數控機床，是對數值控制機床的簡稱，指一種裝有程序控制系統的自動化機床。其中，數控裝置、檢測裝置以及機床主體是構成數控機床的三個主要局部。數控機床開展歷程與計算機和微電子技術的開展是密不可分的，主要包括以下4個開展階段：硬件數控、計算機數控、高精度CNC以及開放式CNC。在當前的開展形勢下，嵌入式系統的應用使得數控機床有了新的開展。嵌入式數控系統概述2.1.嵌入式系統嵌入式系統，主要是指以計算機技術為根底，以功能應用為中心，可以對軟件和硬件進行裁剪的專用計算機系統優化，具有功能齊全、能耗小、體積小、本錢低、可靠性高等特點，在多個領域都得到了廣泛應用。2.2.嵌入式系統開發數控系統的優勢以當前嵌入式Linux系統為根底，對數控系統進行開發，其主要優點如下：①嵌入式Linux操作系統的源代碼具有開放性的特點，適合開放式數控系統的開發，同時便于更好地對數控系統進行配置和修改，設計出真正意義上開放的數控系統；②系統適用范圍廣，對于硬件資源的依賴性較小；③Linux自身功能模塊化的特點，使得數控系統可以隨時添加新的功能模塊，便于功能的擴展；④自配網絡支持，可以為數控系統的網絡擴展提供便利；⑤嵌入式Linux操作系統自身的功能十分強大，且性能穩定，可以切實保證數控系統開發的順利進行。嵌入式數控機床的設計與實現以某數控機床的嵌入式數控系統的設計為例，對其進行分析和闡述。作為一個多任務和實時性并存的系統，數控機床對于數控系統的要求較高，單純依靠Linux雖然可以滿足系統的多任務操作，但是卻不能滿足其對于實時性的要求，因此，要在系統中添加DSP處理器，同時，為了實現對伺服驅動器的閉環控制，需要實現脈沖量和數字量之間的相互轉換，通常情況下，采用的FPGA實現這一目標。3.1.硬件構架的設計該數控機床的嵌入式系統框架可以分為三個根本模塊，即控制模塊、DSP模塊以及FPGA模塊。為了切實保證系統功能的發揮，使用ARM處理器XScalePXA270作為系統控制模塊的核心，TMS320c6713作為DSP模塊的核心，并通過相應的數據、地址總線等，實現與FPGA的連接，利用FPGA實現對伺服驅動器的閉環控制。3.2.系統實時性分析為了切實滿足數控系統的實時性，為操作人員提供舒適方便、人性化的操作界面，需要在設計時充分考慮系統實時性的分析和劃分問題。在數控機床的系統結構下，軟件的運行環境包括以下三種：3.2.1.基于ARM的Linux環境ARM憑借自身豐富的外圍接口和強大的控制功能，實現對數控系統的控制，而Linux系統雖然可以滿足多任務操作，但是實時性較差，因此在該環境下，適合運行控制軟件，而不是運算量較大的程序。3.2.2.DSP環境DSP具備處理速度快、數據運算效率高的特點，芯片上具有專用的硬件乘法器，在一個指令周期內，就可以完成一次乘法和一次加法。其處理器內部不存在操作系統，因此屬于單任務運行，不存在對于進程的調度問題，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環境FPGA的優點在于具備超高速、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，支持重復編程和邏輯編程，可以執行一些實時性高、邏輯固定以及延遲低的任務和進程。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。在該數控系統中，內部軟件主要包括：控制I／O的軟PLC局部、手輪控制、G代碼譯碼、粗插補和細插補、驅動器脈沖伺服以及反應、圖形用戶界面局部、以及信息通訊局部。其中，控制I／O的軟PLC局部、G代碼譯碼以及圖形用戶界面局部相對簡單，而且對于實時性要求較低，因此可以將其放在一起進行設計，在Linux系統環境下運行。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，因此同樣放置在Linux內核中，且不需要設置輔助程序。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。數據在轉換過程中，為了防止脈沖喪失所引發的失步現象，防止其對于系統正常運行的影響，將驅動器脈沖伺服與反應放在FPGA環境中運行。3.3.通訊功能的實現為了確保不同模塊之間的相互協調和合作，保證系統功能的充分發揮，需要在模塊間建立相應的通訊功能。這里模塊之間的通訊如下：對于用戶而言，可以利用相應的網絡或存儲設備，復制G代碼程度到Linux系統中，通過PXA270處理器，實現對于G代碼的后臺譯碼，從而將其轉換為坐標值和功能號代碼，并進行存儲。ARM在將數據寫給DSP之后，DSP可以利用粗插補和細插補程序，得到脈沖數和相應的脈沖周期，并將之放入DSP緩沖隊列中。當FPGA的時鐘信號觸發DSP中斷時，DSP中的相關程序會將脈沖數和相應的脈沖周期從緩沖隊列中提取，發送給FPGA，而DSP那么根據數據發送的脈沖數，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，并反應給FPGA，對伺服驅動器進行驅動，進而確保數控機床的數控功能可以得到充分發揮。如果用戶選擇手輪驅動伺服電機，那么FPGA會將手輪信息傳輸給DSP，經過快速處理后，將數據轉化而成的脈沖數發回FPGA，進而驅動伺服電機。總之，隨著數控化技術在機床中的應用越來越廣泛，對于數控系統的功能也提出了更高的要求。目前，我國對于嵌入式數控機床的研究尚處于起步階段，與興旺國家存在較大的差距，而數控系統的性能對于實現制造業的自動化、智能化和集成化有著至關重要的作用。因此，加強對于嵌入式數控機床的自主研究和開發，提高數控系統的性能，不僅可以提升我國數控產業的整體水平，還可以提高社會經濟的開展水平，推動社會持續穩定開展。內容總結

〔1〕嵌入式數控機床的設計與實現

數控技術是各種先進制造技術的奠基石，是一個國家先進制造技術開展的重要根底，也是制造業信息化的重要保證

〔2〕在該數控系統中，內部軟件主要包括：控制I／O的軟PLC局部、手輪控制、G代碼譯碼、粗插補和細插補、驅動器脈沖伺服以及反應、圖形用戶界面局部、以及信息通訊局部

〔3〕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

內容總結

（1）嵌入式數控機床的設計與實現

數控技術是各種先