目前常用的開(kāi)放式數(shù)控結(jié)構(gòu)有:基于單片機(jī)的和基于PC的。前一種方式的優(yōu)點(diǎn)就是簡(jiǎn)單、實(shí)用，它能完成普通的數(shù)控加工，成本和開(kāi)發(fā)費(fèi)用也較低，開(kāi)發(fā)技術(shù)比較成熟。但存在不足和缺點(diǎn):1)單片機(jī)運(yùn)算速度有限，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床的高性能控制，特別是插補(bǔ)算法的實(shí)現(xiàn);2)匯編語(yǔ)言或C語(yǔ)言編程，對(duì)硬件的依賴性比較大，數(shù)控軟件移植比較困難;3)低檔的單片機(jī)資源有限，不適用實(shí)時(shí)性高的操作系統(tǒng)。

　　基于PC的開(kāi)放式數(shù)控，包括PC嵌入NC型,NC嵌入PC型和全軟件CNC型。利用通用Pc豐富的軟件、硬件資源，能夠很快地開(kāi)發(fā)出獨(dú)具特色的軟件系統(tǒng)，具有良好的人機(jī)界面、通用的操作風(fēng)格，二次開(kāi)發(fā)、升級(jí)也比較簡(jiǎn)單。但是，其不足是資源浪費(fèi)比較嚴(yán)重，穩(wěn)定性差，采用通用的Windows操作系統(tǒng)，由于微軟的技術(shù)封鎖，用戶無(wú)法從底層及內(nèi)核對(duì)操作系統(tǒng)進(jìn)行配置，運(yùn)動(dòng)控制卡和操作系統(tǒng)之間很難達(dá)到無(wú)縫連接;另外，專業(yè)性差，Windows是通用操作系統(tǒng)，主要在桌面級(jí)和服務(wù)器級(jí)應(yīng)用.并非為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)的，實(shí)時(shí)性難以達(dá)到保證;最后，整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)的開(kāi)放性也比較差,PC底層硬件層不對(duì)用戶開(kāi)放，用戶無(wú)法對(duì)底層硬件進(jìn)行裁減，運(yùn)動(dòng)控制卡也是對(duì)用戶封閉的，二次開(kāi)發(fā)困難，操作系統(tǒng)對(duì)用戶也不開(kāi)放。

　　隨著ARM和DSP等各種嵌入式系統(tǒng)微處理器的快速發(fā)展，為開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展提供了新的解決方法。ARM具有比較強(qiáng)的事務(wù)管理功能，可以用來(lái)運(yùn)行界面以及應(yīng)用程序等，其優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在控制方面;而DSP主要是用來(lái)計(jì)算的，如各種插補(bǔ)運(yùn)算，它的優(yōu)勢(shì)是強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和較高的運(yùn)行速度，可以實(shí)現(xiàn)高精度多軸伺服控制。

　　本文以ARM和DSP微處理器為數(shù)控系統(tǒng)的硬件平臺(tái)，以源代碼開(kāi)放的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RT-Linux為系統(tǒng)的軟件平臺(tái)，構(gòu)建底層開(kāi)放的數(shù)控系統(tǒng)平臺(tái)。

1 基于ARM的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)

　　1.1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

　　采用雙CPU的主從式結(jié)構(gòu)，以ARM為內(nèi)核的主控板作為主CPU，稱為上位機(jī)〔ARM主控板)，其任務(wù)有:外部數(shù)據(jù)及信息輸入模塊，用戶界面模塊，這兩個(gè)模塊是系統(tǒng)和用戶交互的窗口，上位機(jī)將用戶輸入的信息接受、預(yù)處理，通過(guò)通訊方式以數(shù)據(jù)幀的形式發(fā)送到下位機(jī)。系統(tǒng)管理模塊、存儲(chǔ)模塊、通訊控制模塊、系統(tǒng)維護(hù)模塊都是上位機(jī)系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能模塊。

　　從CPU,稱為下位機(jī)，是采用DSP和復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)技術(shù)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的多軸運(yùn)動(dòng)控制卡。主要負(fù)責(zé)高速插補(bǔ)算法、邏輯計(jì)算及現(xiàn)場(chǎng)信息的采集，因此，插補(bǔ)模塊、可編程機(jī)床邏輯控制(PMC)模塊、參數(shù)采集模塊是下位機(jī)的功能模塊。

　　ARM主控板和DSP運(yùn)動(dòng)控制卡通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接線和交換機(jī)相連接，組成一個(gè)局域網(wǎng)，通過(guò)交換機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和下位機(jī)之間的數(shù)據(jù)通訊，這樣，ARM主控板不但可以對(duì)D5P運(yùn)動(dòng)控制卡進(jìn)行控制、接收DSP運(yùn)動(dòng)控制卡反饋的數(shù)據(jù)，還可以與其他數(shù)控機(jī)床、車間服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)床聯(lián)網(wǎng)，車間服務(wù)器可以對(duì)整個(gè)局域網(wǎng)內(nèi)的數(shù)控機(jī)床進(jìn)行整體監(jiān)控，同時(shí)為網(wǎng)絡(luò)化制造提供設(shè)備層的網(wǎng)絡(luò)鏈接。圖1為開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖。

圖1開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖

　　1.2 系統(tǒng)功能模塊劃分

　　根據(jù)用戶需求提出系統(tǒng)的功能需求，并按照功能劃分功能模塊。模塊劃分的原則是藕合弱，內(nèi)聚強(qiáng)。藕合表示模塊之間聯(lián)系的程度。松散藕合表示模塊之間聯(lián)系比較弱，模塊的獨(dú)立性強(qiáng)，可以單獨(dú)開(kāi)發(fā)和維護(hù)。內(nèi)聚表示模塊內(nèi)部各成分之間的聯(lián)系程度。按照邏輯劃分系統(tǒng)的功能模塊，即把處理邏輯相類似的功能劃為同一個(gè)功能模塊。系統(tǒng)的功能模塊如下。

　　1)外部數(shù)據(jù)及信息輸入模塊:外部輸入的信息主要有加工信息、控制信息.這兩種信息的處理邏輯不同，可將它們分成兩個(gè)子模塊。一個(gè)是機(jī)床操作盤輸入子模塊，從這里輸入的信息基本上都是邏輯信息，比如主軸的控制信息，冷卻潤(rùn)滑的開(kāi)關(guān)信息等。這些信息經(jīng)過(guò)系統(tǒng)邏輯處理，輸出到系統(tǒng)的電氣部分。另一個(gè)是通過(guò)控制面板上的按鈕愉入的加工信息，主要指點(diǎn)動(dòng)和手脈加工的輸入信息。這些信息經(jīng)過(guò)處理輸出加工脈沖。

　　2)用戶界面模塊:通過(guò)用戶界面既有信息的輸入也有信息的顯示輸出。輸入的主要有參數(shù)的設(shè)置和程序的編輯。輸出的是加工現(xiàn)場(chǎng)的信息。對(duì)于參數(shù)設(shè)置和零件程序的編輯，都是通過(guò)控制面板上的按鈕在用戶界面中輸入信息，系統(tǒng)將用戶確定的輸入保存，它們的邏輯相似，都?xì)w為用戶界面輸入模塊。用戶通過(guò)界面觀察加工狀態(tài)信息，需要在一定的時(shí)間間隔內(nèi)進(jìn)行刷新，這個(gè)功能由顯示模塊來(lái)完成。在顯示模塊中有三部分的信息:加工現(xiàn)場(chǎng)信息、出錯(cuò)信息以及參數(shù)信息。在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，若出現(xiàn)問(wèn)題，系統(tǒng)會(huì)在用戶界面上顯示系統(tǒng)故障的簡(jiǎn)單提示，需要系統(tǒng)維護(hù)模塊的協(xié)助。

　　3)可編程機(jī)床邏輯控制(PMT)功能模塊:處理系統(tǒng)內(nèi)的邏輯信號(hào)，邏輯信號(hào)有從機(jī)床操作板輸入的，也有加工程序經(jīng)過(guò)預(yù)處理后得到的控制信息。

　　4)自動(dòng)加工功能模塊:包括編譯模塊、預(yù)處理模塊、插補(bǔ)運(yùn)算子模塊。

　　5)通訊控制功能模塊:主要實(shí)現(xiàn)與服務(wù)器和視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的通訊。

　　6)存儲(chǔ)模塊:負(fù)責(zé)加工程序和系統(tǒng)參數(shù)的存儲(chǔ)。

　　7)信息采集模塊和顯示模塊:現(xiàn)場(chǎng)的信息通過(guò)兩模塊在用戶界面上呈現(xiàn)。

　　圖2所示為上述的各個(gè)功能模塊組合起來(lái)的數(shù)控系統(tǒng)功能模塊圖。

圖2數(shù)控系統(tǒng)功能模塊圖

2 開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)硬件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)

　　2.1 基于ARM的主控板

　　上位機(jī)主控板的主處理器選用Hynix公司的

　　HMS30C7202o HMS30C7202是32位RISC微處理器，由ARM720T內(nèi)核和其他一些外圍接口器件組成，具有高性能低功耗的特點(diǎn)，片內(nèi)資源非常豐富，具有很高的集成度。主要的外設(shè)如下。

　　1)電源:系統(tǒng)的主控板采用ATX計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)電源2.01版。

　　2)存貯器:包括Flash ,SRAM ,SDRAM,EPROM，采用存儲(chǔ)啟動(dòng)代碼、操作系統(tǒng)內(nèi)核映像和應(yīng)用程序等。

　　3)通訊模塊:以太網(wǎng)接口用于與下位運(yùn)動(dòng)控制卡的通訊及服務(wù)器和視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的通訊，串口主要用于ARM主控板調(diào)試，可以用于在數(shù)控系統(tǒng)中傳輸加工程序。USB接口主要用于文件系統(tǒng)的燒寫傳輸。

　　4)系統(tǒng)的輸入輸出接口:系統(tǒng)的輸入設(shè)備接口主要有PS/2鍵盤接口、觸摸屏。

基于ARM7202的卞控板全貌圖如圖3所示。

圖3主控板實(shí)物圖

　　2.2 基于pSP的運(yùn)動(dòng)控制器

　　在高速、高精度的數(shù)控機(jī)床中，由于要做大量復(fù)雜的運(yùn)算，因此傳統(tǒng)的單片機(jī)已經(jīng)不能滿足系統(tǒng)的要求，而DSP由于使用靈活，在用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)量大、計(jì)算復(fù)雜、實(shí)時(shí)性要求高的數(shù)字信號(hào)處理任務(wù)時(shí)，與一般微處理器相比，其速度更快，效率更高，可滿足這一需求。本文提出一種硬件上基于D5P+CPI刀的運(yùn)動(dòng)控制器。

　　選用TM5320C24x子系列的TMS320Lh2407ADSP作為運(yùn)動(dòng)控制器的主控制器，選用Altera公司的EPM7128AETC100-10型CPLD來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制器的部分功能。主控制器是運(yùn)動(dòng)控制器的核心部分，是由DSP及外圍電路組成的一個(gè)DSP的最小系統(tǒng)，該模塊由四部分組成,BSP主控芯片、電源、晶振和外擴(kuò)存儲(chǔ)器。CPLD主要實(shí)現(xiàn)地址譯碼、開(kāi)關(guān)量輸入/輸出、編碼器反饋信號(hào)和手輪脈沖輸入處理、DSP側(cè)并行通訊的邏輯處理等功能。

　　數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的進(jìn)給位移和速度指令，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換和功率放大后，作為伺服驅(qū)動(dòng)裝置的輸入信號(hào)，并控制電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生某一速度和角度的位移，從而驅(qū)動(dòng)執(zhí)行部件實(shí)現(xiàn)給定的速度和位移量。本文設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)控制器采用脈沖輸出方式，同時(shí)，為抑制長(zhǎng)距離信號(hào)傳輸中可能引入的千擾信號(hào)，輸出至驅(qū)動(dòng)器的脈沖和方向信號(hào)采用差動(dòng)輸出方式。圖4所示為運(yùn)動(dòng)控制器實(shí)物圖。

圖4運(yùn)動(dòng)控制器實(shí)物圖

3 開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)軟件平合實(shí)現(xiàn)

　　3.1 主控板軟件

　　圖5所示為數(shù)控軟件平臺(tái)示意圖。該數(shù)控系統(tǒng)采用典型的上/下位機(jī)模式。ARM主控板、嵌入式Linux操作系統(tǒng)以及MiniGUI圖形系統(tǒng)構(gòu)成了數(shù)控系統(tǒng)上位機(jī)的硬件、軟件平臺(tái)，而網(wǎng)絡(luò)通訊、圖形系統(tǒng)等各個(gè)功能模塊，是數(shù)控軟件系統(tǒng)的主體，兩部分共同構(gòu)成整個(gè)上位機(jī)。

圖5數(shù)控軟件平臺(tái)示意圖

　　數(shù)控軟件的軟件功能模塊主要可以分成兩大類，實(shí)時(shí)性要求不高的軟件功能模塊和實(shí)時(shí)性要求非常高的軟件功能模塊。實(shí)時(shí)性要求高的軟件功能模塊主要包括如下內(nèi)容。

　　1)總控模塊:是整個(gè)系統(tǒng)的核心，主要負(fù)責(zé)各控制任務(wù)的調(diào)度和各功能模塊的集成和通訊，包括系統(tǒng)初始化、進(jìn)程創(chuàng)建、任務(wù)調(diào)度以及數(shù)據(jù)流的緩存等，同時(shí)還負(fù)責(zé)將控制過(guò)程的信息及時(shí)向人機(jī)界面反饋。整個(gè)總控模塊是通過(guò)嵌入式Linux內(nèi)核和MiniGUI線程實(shí)現(xiàn)的。

　　2)網(wǎng)絡(luò)通訊模塊:在該模塊中，主要完成的工作有如下三個(gè)部分:(1)ARM主控板和DSP運(yùn)動(dòng)控制卡的網(wǎng)絡(luò)通訊;(2) ARM主控板和仿真服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)通訊;(3)ARM主控板和車間服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)通訊。

　　3)通信數(shù)據(jù)幀編碼譯碼模塊:是整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)中信息流的重要組成部分，完成從文本信息、控制信息、狀態(tài)信息等信息之間的相互轉(zhuǎn)換。信息流主要有下面幾個(gè)部分:(1)ARM主控板下發(fā)數(shù)據(jù)幀信息的編碼;(2)ARM主控板對(duì)DSP上傳信息的譯碼;(3)ARM主控板對(duì)仿真服務(wù)器下發(fā)信息的譯碼;(4) ARM主控板上傳仿真服務(wù)器信息的編碼。

　　4)G代碼解析模塊:用來(lái)完成數(shù)控程序的解釋，它是數(shù)控系統(tǒng)中不可缺少的一個(gè)組成部分，包括預(yù)處理和G代碼解析。

　　5)人機(jī)界面模塊:采用廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域的MiniGUi圖形系統(tǒng)，主要完成機(jī)床狀態(tài)信息的顯示、ARM主控板和DSP運(yùn)動(dòng)控制卡或者其他網(wǎng)絡(luò)數(shù)控設(shè)備的通訊信息顯示、數(shù)控加工代碼的顯示以及其他輔助信息的顯示等。圖6所示為本系統(tǒng)人機(jī)界面。

圖6人機(jī)界面

　　3.2 DSP運(yùn)動(dòng)控制器底層控制

　　運(yùn)動(dòng)控制器上運(yùn)行的底層控制程序?qū)?shí)時(shí)性要求很高，需要在一個(gè)插補(bǔ)周期內(nèi)完成插補(bǔ)運(yùn)算、電動(dòng)機(jī)進(jìn)給控制、終點(diǎn)判別和編碼器讀數(shù)等任務(wù)，同時(shí)還要處理開(kāi)關(guān)量輸入輸出和通訊管理等任務(wù)。底層控制程序的大部分代碼采用G語(yǔ)言編寫，部分對(duì)底層I/O地址的操作采用匯編語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)。底層控制程序框圖如圖7所示。

圖7底層控制程序框圖

4 聯(lián)機(jī)調(diào)試

　　本文以廣州數(shù)控設(shè)備廠生產(chǎn)的。CNC6135型數(shù)控車床作為控制對(duì)象，用開(kāi)發(fā)的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)替代原有的數(shù)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)和機(jī)床本體的連接，完成開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)對(duì)機(jī)床本體的基本控制。圖8所示為整個(gè)系統(tǒng)連接示意圖，其中運(yùn)動(dòng)控制部分本文未予介紹。

圖8數(shù)控系統(tǒng)與機(jī)床本體連接示意圖

　　4.1 手動(dòng)模式測(cè)試

　　對(duì)點(diǎn)動(dòng)模式下的各種控制指令進(jìn)行全面測(cè)試，都能對(duì)機(jī)床進(jìn)行相應(yīng)的控制，結(jié)果正確。

　　4.2 自動(dòng)模式測(cè)試

　　在自動(dòng)模式下，可以完成G代碼文件的解析、通訊數(shù)據(jù)幀的編碼以及數(shù)據(jù)幀的下發(fā)，實(shí)現(xiàn)工件的自動(dòng)加工。數(shù)控系統(tǒng)啟動(dòng)后，機(jī)床操作人員發(fā)出控制命令后，自動(dòng)讀取加工代碼文件、調(diào)用G代碼解析模塊完成代碼解析，調(diào)用網(wǎng)絡(luò)通訊模塊發(fā)送通訊數(shù)據(jù)幀。對(duì)自動(dòng)模式下連續(xù)運(yùn)行功能進(jìn)行了各種測(cè)試(主要是直線插補(bǔ))，能對(duì)機(jī)床進(jìn)行相應(yīng)的控制，結(jié)果正確。

圖9外圓切削工件圖

5 結(jié)語(yǔ)

　　本文將嵌入式技術(shù)應(yīng)用于開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的研究中，構(gòu)建了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的、結(jié)構(gòu)開(kāi)放的數(shù)控系統(tǒng)加工平臺(tái)。整個(gè)系統(tǒng)由ARM+DSP的硬件平臺(tái)和RT-Linux+MiniGilI的軟件系統(tǒng)構(gòu)成，軟/硬件底層完全開(kāi)放。本文提出的開(kāi)放式系統(tǒng)增加了系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)功能，為網(wǎng)絡(luò)制造的末端輔平了道路，底層設(shè)備信息可以方便地遠(yuǎn)程訪問(wèn)與控制。最后，完成了開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)和機(jī)床本體的硬件連接，替代原有的數(shù)控系統(tǒng)，對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的一些功能進(jìn)行測(cè)試和試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期效果，為我國(guó)開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的研究做出了一些有益的探索。