嵌入式数控机床的设计与实现

 数控技术是各种先进制造技术的奠基石，是一个国家先进制造技术发展的重要基础，也是制造业信息化的重要保证。在科学技术发展的带动下，数控技术已经随着制造业的发展，成为衡量一个国家工业现代化的重要标志。本文结合数控技术的发展以及嵌入式数控系统的研究，对嵌入式数控机床的进行了设计和实现。
    随着经济的发展，制造业逐渐成为影响国民经济的主要行业，而制造技术的先进性则成为衡量一个国家 现代化水平的重要标志。作为各种先进制造技术的基础，数控技术的发展对于社会的发展和稳定起着越来越重要的作用。但是，就目前来看，我国传统的数控机床还存在诸多的问题，与发达国家相比存在着较大的差距，需要对相应的技术进行更新，切实提高数控机床的技术水平。
    数控机床的发展
    数控机床，是对数值控制机床的简称，指一种装有程序控制系统的自动化机床。其中，数控装置、检测装置以及机床主体是构成数控机床的三个主要部分。
数控机床发展历程与计算机和微电子技术的发展是密不可分的，主要包括以下4个发展阶段：硬件数控、计算机数控、高精度CNC以及开放式CNC。在当前的发展形势下，嵌入式系统的应用使得数控机床有了新的发展。
    嵌入式数控系统概述
    2.1.嵌入式系统
    嵌入式系统，主要是指以计算机技术为基础，以功能应用为中心，可以对软件和硬件进行裁剪的专用计算机系统优化，具有功能齐全、能耗小、体积小、成本低、可靠性高等特点，在多个领域都得到了广泛应用。
    2.2.嵌入式系统开发数控系统的优势
    以当前嵌入式Linux系统为基础，对数控系统进行开发，其主要优点如下：
    ①嵌入式Linux操作系统的源代码具有开放性的特点，适合开放式数控系统的开发，同时便于更好地对数控系统进行配置和修改，设计出真正意义上“开放”的数控系统；
    ②系统适用范围广，对于硬件资源的依赖性较小；
    ③Linux自身功能模块化的特点，使得数控系统可以随时添加新的功能模块，便于功能的扩展；
    ④自配网络支持，可以为数控系统的网络扩展提供便利；
    ⑤嵌入式Linux操作系统自身的功能十分强大，且性能稳定，可以切实保证数控系统开发的顺利进行。
    嵌入式数控机床的设计与实现
    以某数控机床的嵌入式数控系统的设计为例，对其进行分析和阐述。作为一个多任务和实时性并存的系统，数控机床对于数控系统的要求较高，单纯依靠Linux虽然可以满足系统的多任务操作，但是却不能满足其对于实时性的要求，因此，要在系统中添加DSP处理器，同时，为了实现对伺服驱动器的闭环控制，需要实现脉冲量和数字量之间的相互转换，通常情况下，采用的FPGA实现这一目标。
    3.1.硬件构架的设计
    该数控机床的嵌入式系统框架可以分为三个基本模块，即控制模块、DSP模块以及FPGA模块。为了切实保证系统功能的发挥，使用ARM处理器XScalePXA270作为系统控制模块的核心，TMS320c6713作为DSP模块的核心，并通过相应的数据、地址总线等，实现与FPGA的连接，利用FPGA实现对伺服驱动器的闭环控制。
    3.2.系统实时性分析
    为了切实满足数控系统的实时性，为操作人员提供舒适方便、人性化的操作界面，需要在设计时充分考虑系统实时性的分析和划分问题。在数控机床的系统结构下，软件的运行环境包括以下三种：
    3.2.1.基于ARM的Linux环境
ARM凭借自身丰富的外围接口和强大的控制功能，实现对数控系统的控制，而Linux系统虽然可以满足多任务操作，但是实时性较差，因此在该环境下，适合运行控制软件，而不是运算量较大的程序。
    3.2.2.DSP环境
    DSP具备处理速度快、数据运算效率高的特点，芯片上具有专用的硬件乘法器，在一个指令周期内，就可以完成一次乘法和一次加法。其处理器内部不存在操作系统，因此属于单任务运行，不存在对于进程的调度问题，可以运行对于实时性要求较高，或者运算量大的软件。
    3.2.3.FPGA环境
    FPGA的优点在于具备超高速、丰富的逻辑资源，以及较为灵活的逻辑功能，可以通过合理配置，应对多样性的逻辑接口功能，适用于灵活多变的场合。FPGA具有极强的可编程能力，支持重复编程和逻辑编程，可以执行一些实时性高、逻辑固定以及延迟低的任务和进程。由于FPGA的运行主要由硬件时序逻辑之间的配合完成，因此运行速度高，实时性强，但是控制功能较差，浮点运算能力也相对较差。
    在该数控系统中，内部软件主要包括：控制I／O的软PLC部分、手轮控制、G代码译码、粗插补和细插补、驱动器脉冲伺服以及反馈、图形用户界面部分、以及信息通讯部分。其中，控制I／O的软PLC部分、G代码译码以及图形用户界面部分相对简单，而且对于实时性要求较低，因此可以将其放在一起进行设计，在Linux系统环境下运行。与外界信息的交流组件，如U盘、SD卡等，由于其信息的存储和读取都需要通过Linux文件实现，因此同样放置在Linux内核中，且不需要设置辅助程序。而粗插补和细插补、手轮控制对于软件的实时性要求较高，其代码在DSP中运行。
    数据在转换过程中，为了防止脉冲丢失所引发的失步现象，避免其对于系统正常运行的影响，将驱动器脉冲伺服与反馈放在FPGA环境中运行。
    3.3.通讯功能的实现
    为了确保不同模块之间的相互协调和合作，保证系统功能的充分发挥，需要在模块间建立相应的通讯功能。这里模块之间的通讯如下：
     对于用户而言，可以利用相应的网络或存储设备，复制G代码程度到Linux系统中，通过PXA270处理器，实现对于G代码的后台译码，从而将其转换为坐标值和功能号代码，并进行存储。ARM在将数据写给DSP之后，DSP可以利用粗插补和细插补程序，得到脉冲数和相应的脉冲周期，并将之放入DSP缓冲队列中。当FPGA的时钟信号触发DSP中断时，DSP中的相关程序会将脉冲数和相应的脉冲周期从缓冲队列中提取，发送给FPGA，而DSP则根据数据发送的脉冲数，对机床加工刀具位置坐标进行计算。将计算出的坐标传输给PXA270，在图形用户界面显示出来，并反馈给FPGA，对伺服驱动器进行驱动，进而确保数控机床的数控功能可以得到充分发挥。如果用户选择手轮驱动伺服电机，则FPGA会将手轮信息传输给DSP，经过快速处理后，将数据转化而成的脉冲数发回FPGA，进而驱动伺服电机。
    总之，随着数控化技术在机床中的应用越来越广泛，对于数控系统的功能也提出了更高的要求。目前，我国对于嵌入式数控机床的研究尚处于起步阶段，与发达国家存在较大的差距，而数控系统的性能对于实现制造业的自动化、智能化和集成化有着至关重要的作用。因此，加强对于嵌入式数控机床的自主研究和开发，提高数控系统的性能，不仅可以提升我国数控产业的整体水平，还可以提高社会经济的发展水平，推动社会持续稳定发展。