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上海大学硕士学位论文基于嵌入式系统的开放式多轴数控系统研究姓名：周剑锋申请学位级别：硕士专业：机械电子工程指导教师：张国贤20080101上海大学硕士学位论文摘要多轴联动数控系统是典型的机电一体化系统，涵盖了机械制造、电子电气、计算机技术、控制理论等多学科知识。运动控制器是数控系统中实现多轴联动的核心部件，它的性能是否优异是衡量整个系统性能的重要指标。当前，数控系统大多基于P C 平台，依靠P C 机实现复杂的控制算法，相对于P C 平台的研究模式而言，采用嵌入式体系结构设计开放式数控系统，是一个全新的尝试。本文以此为目标进行了研究，建立了一种适用于数控系统的高性能、低成本、通用化嵌入式运动控制器的软、硬件平台，并制作了实物样机。整个课题主要做了以下几方面工作。首先，提出并比较了几种数控系统机械样机方案，运用计算机三维建模软件设计了虚拟样机，最终确定了以柱面坐标系为参考坐标系的三轴联动系统为本课题机械样机方案，并加工了实物样机。其次，深入分析了D D A 数字积分插补算法在多轴联动数控系统中的应用，提出了基于虚拟长轴的D D A 数字积分插补算法，并结合本课题样机方案，提出了在柱面坐标系下采用纬线方式或经线方式实现空间曲面的插补算法。然后，规划了运动控制器的硬件体系，提出了基于A R M 7 系列芯片S 3 C 4 4 B O X 和F P G A 芯片E P l C 6 的通用多轴联动嵌入式运动控制器硬件方案。执行机构采用步进电机，构成开环控制系统。最后，针对硬件平台，设计了运动控制器的软件，在A R M 平台移植了嵌入式实时操作系统c o s 一1 1，在此基础上实现了与P C 的U S B 数据传输、与F P G A 的总线通信以及液晶显示等任务。应用V e r i l o g H D L 硬件描述语言设计F P G A 内部功能模块，将软件算法在硬件平台加以实现。整个系统结构小巧、精度高、低成本、通用性好，为小型数控系统提供了解决方案。关键词：多轴联动，数控系统，嵌入式系统，A R M，I _ t c o s I I，F P G AV上海大学硕士学位论文A B S T I 认C TT h en u m e r i c a lm u l t i a x l em o t i o nc o n t r o ls y s t e mi sat y p i c a lm e c h a t r o n i c ss y s t e r nw h i c hi n v o l v e sm a n ya s p e c t so fm o d e r nt e c h n o l o g ys u c ha sm e c h a n i c s，e l e c t r o n i c s。c o m p u t e rs c i e n c ea n dc y b e r n e t i c s 啊1 em o t i o nc o n t r o l l e ru s u a l l yd o m i n a t e si nam o t i o nc o n t r o ls y s t e r na n di t sp e r f o r m a n c ei st h em a i nf a c t o rt oe v a l u a t et h ew h o l es y s t e mp e r f o r m a n c e N o w a d a y s，I o t so fn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e r n sa r ed e v e l o p e db a s e do nP Cp l a t f o w i n，b u ti ti san e wa p p r o a c ht od e v e l o pi tb a s e do ne m b e ds y s t e r n T 1 1 em a i na i mo ft h i st h e s i si st 0e s t a b l i s hak i r i do fs o f t w a r ea n dh a r d w a r ep l a t f o n no fl l i 曲p e r f o r m a n c e，l o wC O s ta n dg e n e r a lp u r p o s ee m b e d d e dm o t i o nc o n t r o l l e ra n dr e a l i z et h ep h y s i c a ls y s t e r n T l l i st h e s i sa c h i e v e ss o m et a s k sa sb e l l o w s F i r s t l y,s o m em e c h a n i c a ls t r u c t u r eo fn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e ms a m p l em a c h i n ea r ed e s i g n e du s e dC A Ds o f t w a r e A f t e rc o n s i d e r a t i o nt h es t r u c t u r ew h i c hu s e sc y l i n d e rc o o r d i n a t eb e c o m e st h ef i n a lp r e c e p ta n dt h ep h y s i c a lm a c h i n ei sm a d e S e c o n d l y,t h ed e e p l ya n a l y s i so ft h ep r i n c i p l eo fD D Aa r i t h m e t i ca n di t sa p p l i c a t i o ni nm u l t i a x l em o t i o nc o n t r o ls y s t e mi sd i s c u s s e d T h eo p t i m i z e da l g o r i t h mb a s e do nv i r t u a ll o n ga x i si si n t r o d u c e dl a t e r A sf a ra st h i st h e s i si sc o n c e r n e d，t h el o n g i t u d ea n dl a t i t u d em e t h o do fs p a c i a ls u r f a c ei n t e r p o l a t i o ni sp r o p o s e d T h i r d l y,t h eh a r d w a r ea r c h i t e c t u r eo fm o t i o nc o n t r o l l e ri sp l a n n e do u t T h eh a r d w a r eo fm o t i o nc o n t r o l l e rb a s e do nA R M 7M C US 3 C 4 4 B O Xa n dF P G Ac h i pE P1C 6i sd e s i g n e d S t e p p i n gm o t o ri su s e da se x e c u t i o nc o m p o n e n ta n dt h ew h o l es y s t e mc o m p o s e sa no p e nl o o pc o n t r o ls y s t e m A tl a s t,t h es o R w a r eo fm o t i o nc o n t r o l l e ri sc o m p o s e d I _ t C O S-I It h er e a lt i m eo p e r a t i o ns y s t e mi sr e p l a n t e dt oA R Mp l a t f o r m，t h e n s o m et a s k sa r ed e s i g n e di nR T O Ss u c ha sU S Bd a t at r a n s m i s s i o n,F P G Ac o m m u n i c a t i o na n dL C Dd i s p l a yt a s k A st oF P G Ap l a t f o r m，t h eV e r i l o gh a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g ei su s e dt od e s i g no u tt h ef u n c t i o nm o d u l e T h er e s u l to ff i n a lt e s t si n d i c a t e st h a tt h er e a l i z a t i o np l a no ft h i ss y s t e ma n do p t i m i z e da l g o r i t h ma c h i e v et h ed e s i g np e r f o r m a n c e I tC a nb eu s e dt ol o wc o s tn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e ma n dr o b o tc o n t r o ls y s t e m K e y w o r d s：m u l t i a x l e，n u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m，e m b e ds y s t e m,D D A，A R M，I _ t C O S-I I，F P G AV I上海大学硕士学位论文原创性声明本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名：压垤啦逢E t 期：2 塑窆么主厶甲本论文使用授权说明本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容。(保密的论文在解密后应遵守此规定)I I上海大学硕士学位论文1 1 数控系统概述第一章绪论计算机数控技术(C N C，C o m p u t e rN u m e r i c a lC o n t r 0 1)是2 0 世纪7 0 年代发展起来的机床控制新技术，集机械制造、微电子、计算机、现代控制、传感检测、信息处理和网络通信技术于一体，是现代制造技术的基础。其功能强弱、性能优劣直接影响着数控设备的加工质量和效能发挥，对整个制造系统的集成控制、高效运行、更新发展都具有至关重要的影响。数控技术的广泛使用给制造业的生产方式、产业结构、管理方式带来了深刻的变化，是制造业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础，是振兴国家机床行业、增强制造业国际竞争能力的基础。1 1 1 数控系统的发展历程自从1 9 5 2 年美国麻省理工学院研制出世界上第一台三坐标铣床以来，随着计算机技术，特别是微电子技术的发展，数控技术无论在硬件或软件方面发展都很快，数控系统已经经历了八代，大致可分为四个发展阶段【卜4】。1)硬件数控阶段(1 9 5 2,-,1 9 7 0)早期计算机的运算速度低，远不能适应机床实时控制的要求。人们不得不采用数字逻辑电路“搭成一台专用计算机作为数控装置，被称为硬件连接数控，简称为数控(N C)。世界上第一台数控铣床的数控装置是采用电子管、继电器和模拟电路构成的实验样机，通常称为第一代数控。1 9 5 9 年，晶体管取代了笨重的电子管，缩小了体积，使得工业应用成为可能，诞生了第二代数控系统。1 9 6 5 年出现了小规模集成电路构成的N C，体积更小，功耗更低，提高了可靠性，N C 发展到第三代。这一阶段的数控系统，各种控制功能均由硬件逻辑完成，称为“硬件 数控，其功能简单，灵活性差，设计周期长，系统可靠性低，因而限制了其进一步的发展和应用。2)计算机数控系统的发展和完善阶段(1 9 7 0 -1 9 8 6)上海大学硕士学位论文7 0 年代初，大规模集成电路、半导体存储器、微处理器的问世，通用小型计算机出现并逐渐普及，给数控技术带来了突破性的发展。1 9 7 0 年在美国芝加哥数控展览会上，首次展出了以小型计算机为核心的计算机数控系统(C N C)，标志着数控系统进入了计算机为主体的第四代。再次，原来有硬件实现的功能逐步改由软件完成，从此系统进入“软联接 数控时代。1 9 7 4 年，首次出现了采用微处理器芯片的软联接C N C 系统，象征着数控系统进入了以微机为背景的第五代。这一发展真正实现了机电一体化，进一步缩小了体积，降低了成本，简化了编程和操作，使数控系统达到了普及的程度。2 0 世纪7 0 年代末、8 0 年代初，随着超大规模集成电路、大容量存储器、C R T 的普及应用，C N C 系统进入了第六代。它虽然仍以微处理器为基础，但控制功能更为完备，具备了多功能的技术特征，尤其在软件技术方面发展更快，具有了交互式对话编程，三维图形动画显示校验，实时软件精度补偿等功能。在系统体系结构上，开始出现了柔性化、模块化的多处理机结构。数控系统产品也逐渐实现了标准化、系列化。3)高精度C N C 的开发与应用阶段(19 8 6 -)为了实现高速、高精度曲面轮廓精加工，必须提高微轮廓线的解释处理能力和伺服驱动特性。为保证零件程序的传送、插补、加工线速度控制等连续处理，C N C 系统应具有足够高的数据处理速度和能力。3 2 位C P U 以其很强的数据处理能力在C N C 中得到了应用，使得C N C 系统进入了面向高速、高精度的第七代。1 9 8 6 年，三菱电机公司率先推出了C P U 为6 8 0 2 0 的3 2 位C N C，掀起了3 2 位C N C 的热潮，并逐渐成为当今数控系统的主流。4)基于P C 的开放式C N C 的开发与应用(1 9 9 4 -)进入2 0 世纪9 0 年代，个人计算机(P c，P e r s o n a lC o m p u t e r)的性能提高很快，从8 位、1 6 位发展到3 2 位，可以满足作为数控系统核心部件的要求，而且P C机生产批量很大价格便宜，可靠性高。数控系统从此进入第八代基于P C 的C N C系统阶段。1 9 9 4 年，这种基于P C 的C N C 控制器在美国首先亮相市场，并在此后获得了高速发展。P C 的引入，不仅为C N C 提供十分坚实的硬件资源和极其丰富的软件资源，更为C N C 的开放化提供了基础。2上海大学硕士学位论文1 1 2 现代数控系统的发展趋势随着微电子、计算机技术、检测和控制技术的飞速发展，为了满足市场和科学技术发展的需要，满足现在制造技术对数控技术提出的要求，数控系统呈现新的发展趋势，主要表现在以下几个方面 5 7 1：；1)加工控制的高速、高精度高速、高精度技术随着数控加工设备和高性能刀具技术的发展而日益成熟，极大的提高了模具加工速度，减少了加工工序，从而大大地缩短了模具的生产周期。为进一步提高加工速度和精度，数控系统将采用高速C P U 缩短采样周期和程序处理时间，或利用多C P U 结构，使得各C P U 可并行处理数控系统与外围接口通讯、系统调度、伺服控制等，提高加工效率：采用直线电机伺服驱动系统，可以提高加工精度和运动速度；同时一些实时误差补偿技术的应用，进一步提高了数控系统的加工控制精度。2)应用环境的网络化、集成化网络化和集成化技术是制造业适应动态市场需求及产品迅速更新的主要手段，是各国制造业发展的主流趋势，通过研究计算机辅助设计(C A D)、计算机辅助工程(C A E)、计算机辅助工艺过程规程(C A P P)和计算机辅助制造(C A M)等设计自动化技术和网络技术，在综合自动化概念框架下集成C A D C A E C A P P C A M，N E T 的应用，将其功能有机地集合起来，统一组织和管理有关信息提取、交换、共享。其重点：C N C 单机向高精度、高速度和高集成方向发展；数控机床及其构成柔性制造系统能方便地与C A D C A E C A P P 联结，向信息集成方向发展；网络系统向开放、集成和智能化发展。3)结构体系的模块化、开放化为了适应数控机床多品种、小批量的特点，机床结构模块化，数控功能专门化，机床性能价格比显著提高并加快优化。硬件模块化易于实现数控系统的集成化和标准化。采用通用计算机组成总线式、模块化、开放式、嵌入式体系结构，便于裁减、扩展和升级，可以组成不同档次、不同类型、不同集成度的数控系统开放式数控系统将成为新一代数控系统。目前，美国的N G C、欧盟的o S A C A、日本o S E C、中国的o N C 等都对此进行了研究。3上海大学硕士学位论文4)智能化技术的广泛应用人工智能技术的发展与计算机技术的结合，极大的推动了数控系统的智能化发展。在数控系统的运用，智能化主要包括以下几方面：自适应控制技术；数控系统能检测过程中一些重要的信息，并自动调整系统的有关参数，达到改进系统运行状态的目的；专家系统；将熟练工人和专家的经验，加工的般规律和特殊规律存入系统中，以工艺参数数据库为支撑，建立具有人工智能的专家系统；故障诊断系统；如智能诊断、智能监控，方便系统的诊断及维修等；智能化数字伺服驱动装置：可以通过自动识别负载而自动调整参数，使驱动系统获得最佳的运行。5)数控标准数控标准是制造业信息化发展的一种趋势。数控技术诞生后的5 0 年间的信息交换都是基于1 5 0 6 9 8 3 标准，即采用G，M 代码描述如何(h o w)力n I，其本质特征是面向加工过程，显然，它己越来越不能满足现代数控技术高速发展的需要。为此，国际上正在研究和制定一种新的C N C 系统标准1 5 0 1 4 6 4 9(S T E P N C)，其目的是提供一种不依赖于具体系统的中性机制，能够描述产品整个生命周期内的统一数据模型，从而实现整个制造过程，乃至各个工业领域产品信息的标准化。S T E P N C 的出现可能是数控技术领域的一次革命，对于数控技术的发展乃至整个制造业，将产生深远的影响。首先，S T E P N C 提出一种崭新的制造理念，传统的制造理念中，N C 加工程序都集中在单个计算机上。而在新标准下，N C 程序可以分散在互联网上，这正是数控技术开放式、网络化发展的方向。其次，S T E P-N C 数控系统还可大大减少加工图纸(约7 5)、加工程序编制时间(约3 5)和加工时间(约5 0)。目前，S T E P-N C 成了世界工业化国家研究的热点，其中较具代表性的研究有欧洲的S T E P-N C 项目、美国的S u p e r M o d e l 项目、日本的D i g i t a l M a s t e r 项目等。国内在该领域的研究才开始起步。4上海大学硕士学位论文1 2 嵌入式系统1 2 1 嵌入式系统的发展及其特剧8】嵌入式系统是嵌入到对象体系中的专用计算机系统。以嵌入式计算机为核心的嵌入式系统是继I T 网络技术之后，又一个新的技术发展方向。国内对嵌入式系统定义为：以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。以8 位单片机(或微控制器，M C U)为核心的嵌入式系统早已广泛应用于各个领域，这些应用还处于单机使用的嵌入式低层次阶段。其特点是以M C U为核心，与一些简单的传感器及监测、伺服控制、指示和显示等设备配合，实现一定的测量、显示、信息处理及控制等功能。随着嵌入式设备与I N T E R N E T 的广泛结合，手机、P D A、路由器和调制解调器等复杂的高端应用对嵌入式处理器的性能提出了更高的要求。虽然以8 位单片机为核心的嵌入式技术不断发展，性能也不断提高，但由于其性能的局限性，已无法满足未来高性能嵌入式技术的发展要求。激烈的市场和技术竞争要求不断提高嵌入式系统的性价比；同时，也要求缩短嵌入式系统的开发周期。自从2 0 世纪7 0 年代初出现嵌入式系统的概念以来，嵌入式系统以其高性能、的功耗等特点高速发展。2 0 世纪9 0 年代后，嵌入式系统设计从以嵌入式微处理器D S P 为核心的“集成电路 级设计，逐渐转向“集成系统级设计，提出了片上系统S O C(S y s t e n lo n aC h i p)的基本概念。目前，嵌入式系统已进入以S O C 为核心的设计阶段，并开始逐步实用化和规范化。S O C 为高性能嵌入式系统开发提供了功能丰富的硬件平台，也为实时嵌入式操作系统的广泛使用提供了硬件基础。从2 0 世纪8 0 年代开始，陆续出现了一些嵌入式操作系统，比较著名的有V x W o r k s、W i n d o w sC E、P a l m、I _ t C L i n u x、g C O S-I I 等，但真正广泛应用只是近几年的事情。一方面是因为嵌入式系统软件开发复杂度等价的需求；另一方面是大量高性能、面向实际应用、集成多种系统功能的S O C 芯片成为高端嵌入式应用的硬件核心，为可靠、高效、低成本地运行嵌入式操作系统提供了硬件平台。进入2 l 世纪以后，嵌入式技术，特别是软件技术向着新的方5上海大学硕士学位论文向发展。嵌入式系统设计师们已利用现行嵌入式软件技术和P C 机积累技术迎接新一代嵌入式应用；同时，发展影响深远的若干新件技术。这些技术包括：行业性编程编口A P I 规范，无线网络操作系统和嵌入式J A V A 等。嵌入式计算机系统同通用型计算机系统相比具有以下特点【9】：1)嵌入式系统通常是面向特定应用的嵌入式C P U 与通用型的最大不同就是嵌入式C P U 大多工作在为特定用户群设计的系统中，它通常都具有低功耗、体积小、集成度高等特点，能够把通用C P U 中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化，移动能力大大增强，跟网络的耦合也越来越紧密。2)嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体应用相结合后的产物。这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。3)嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余，力争在同样的硅片面积上实现更高的性能，这样才能在具体应用中对处理器的选择更具有竞争力。4)嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产品同步进行，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期。5)为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片中，而不是存贮于磁盘等载体中。6)嵌入式系统本身不具备自举开发能力，即使设计完成以后用户通常也是不能对其中的程序功能进行修改的，必须有一套开发工具和环境才能进行开发。1 2 2 嵌入式系统在工业控制上的应用嵌入式系统在工业控制上应用起源于2 0 世纪8 0 年代单片机的使用。单片机技术已经渗透到各个领域，且与人们的日常生活密不可分，给人们生活和工业生产带来极大方便。单片机的功能强大，从信号采集、处理到传输都能由单片机来完成。但是，随着网络时代的来临，许多电子设备需要联网和更智能化、更强的计算能力，比如音频、视频的数据采集、处理和传输；丰富的图形界面6上海大学硕士学位论文等。单片机越来越不能满足应用对象的需求，开发工作也变得越来越复杂、庞大。随着微电子技术的进步，芯片的制造成本大大降低，而功能却大大增强，3 2 位的嵌入式微处理器逐渐成为嵌入式系统设计的主流。工业控制操作系统需要严格的实时处理功能，高可靠性，良好的开放性，对人机界面、开发环境、可操作性、成本等也有特别的要求。而嵌入式系统顺应了这一要求，在工业控制中体现了以下的优判1 0】：1)实时性实时性是指能够在限定时间内执行完规定的功能，并对外部的异步事件作出反应的能力。实时性的强弱以完成规定功能和作出响应时间的长短来衡量。嵌入式3 2 位的微处理器通常是几十、几百M，甚至是上G 的处理速度，对比单片机几M、十几M 的速度不可同日而语。除了提高硬件的处理能力可以在一定程度上提高控制系统的实时性，当硬件确定以后，控制系统的实时性能还由操作系统来决定。无论从汽车制造到工业自动化，还是从电子通信到交通运输，大多数嵌入式操作系统均可为具备确定性响应能力的应用程序提供内建实时支持。2 1 可靠性工业控制系统对可靠性要求很高，计算机控制系统发生故障或死机对于企业安全高效生产带来不利的影响。可靠性主要包含两个方面的含义：一是控制计算机本身要连续稳定运行，二是系统检查出故障后要有保持安全状态的能力。在硬件方面，由于嵌入式处理器本身集成了常用的接口控制模块，如L C D、U S B接口的控制模块，所以较单片机在外部扩展接口芯片，大大增强了抗干扰的能力。除了软硬件抗干扰技术、热冗余技术可以在一定程度上提高工业控制系统的可靠性，操作系统的可靠性也进一步保证了工业控制系统的正常运行。3)人机界面不同对象对工业控制系统的人机界面H M I(H u m a nM a c h i n eI n t e r f a c e)要求差别很大。在传统的单片机操作系统中，图形功能弱，大都依靠L E D 和数码管进行显示，没有更强的图形界面功能。嵌入式操作系统不仅支持图形和窗口，具有多媒体功能，而且还可以利用丰富灵活的控件库。例如在W i n d o w sC E 环7上海大学硕士学位论文境下可以为嵌入式应用建立各种图形用户界面。因此，嵌入式操作系统完全可以满足工业控制系统对人机界面的要求。4)开放性随着I n t c r n e t 的飞速发展，网络应用越来越广泛，对各种工业控制设备的网络功能要求也越来越高。当前的要求是希望工业控制设备能够支持T C P I P 以及其它I n t e m e t 协议，从而能够通过用户熟悉的浏览器查看设备状态、设置设备参数，或者将设备采集到的数据通过网络传送到W i n d o w s 或U n i x L i n u x 服务器上的数据库中。这就要求工控系统必须具备两方面的功能：一是要在现场完成复杂的测控任务，因为通常一些任务都具有一定的实时性要求；二是要求测控系统能够与某一类型的控制网相连，以实现远程监控。在目前应用的大多数测控系统中，系统的硬件采用的是8 1 6 位单片机；软件多采用汇编语言编程，由于这些程序仅包含一些简单的循环处理控制流程。因此，单片机与单片机或上位机之间的通信通常通过R S 2 3 2、R S 4 8 5 来组网。这些网络存在通信速度慢、联网功能差、开发困难等问题。工业以太网已逐步完善，在工业控制领域获得越来越多的应用。工业以太网使用的是T C P I P 协议，因而便于联网，并具有高速控制网络的优点。如今，业界已经达成共识：在中高端工业控制领域中，嵌入式操作系统取代单片机系统，网络协议取代串口通讯是大势所趋。5)开发成本和开发环境工业控制设备的生产批量小，开发环境所占比重大，所以易用、廉价的开发环境对控制设备生产商十分关键。现在，3 2 位嵌入式C P U 价格的下降和性能指标的提高，为嵌入式系统的广泛应用提供了可能。那么，限制嵌入式系统发展的瓶颈就突出地表现在软件方面。尽管从上世纪八十年代末开始，已经陆续出现了一些嵌入式操作系统(比较著名的有V x W o r k s、p S O S、N o c u l e u s 和W i n C E 等)，但这些专用操作系统都是商业化产品，其高昂的价格使许多生产低端产品的小公司望而却步；而且，源代码的封闭性也大大限制了开发者的积极性。嵌入式系统需要的是一套高度简练、界面友善、质量可靠、应用广泛、易开发、多任务，并且价格低廉的操作系统。如今，业界已经达成共识：即嵌入式L i n u x、p C O S I I 等开放源代码的免费操作系统是大势所趋。嵌入式L i n u x、上海大学硕士学位论文p C O S I I 等操作系统以价格低廉、功能强大、易于移植等特点而正在被广泛采用，并已成为一种新兴力量。从上述的几个观点，不难得出以下结论：随着3 2 位嵌入式C P U 价格的下降和性能指标的提高，嵌入式硬件平台不断的完善和发展，嵌入式操作系统的升级和优化，技术支持的不断拓宽，为嵌入式系统的广泛应用提供了可能。因此嵌入式系统在工业控制领域有着很好的应用前景。1 3 本课题的研究意义和主要内容本课题旨在通过方法创新，在充分研究和学习嵌入式系统技术和多轴联动数控系统控制技术的基础上，将两者加以结合，配合改进的控制算法，设计一种开放式的、响应时间短、控制精度高，同时成本低廉、适应于各种应用场合的小型多轴联动数控系统。本课题是一个典型的机电一体化项目，在课题的进行过程中，先后完成了系统的总体设计、机械结构样机设计与加工、控制器平台搭建、嵌入式操作系统移植、控制算法的设计、硬件电路搭建等多方面工作。大致归结为以下几项：1)充分利用C A D 建模技术，设计了多轴联动系统机械部分虚拟样机，并最终加工了实物；2)完成了运动控制器的总体方案设计和器件选型：3)对多轴联动控制算法原理进行了研究并加以改进；4 1 使控制算法在样机运动控制器上得以实现；5)移植并测试了嵌入式实时操作系统p C O S I I；6 1 完成了控制算法在F P G A 平台的实现，编写了大量V e d l o g 代码。9上海大学硬士学位论文第二章多轴数控系统机械样机设计2 1 总体方案简介在本章节中，将着重介绍本系统多轴运动数控系统的机械结构部分的设计思路和方法。在前期结构设计阶段，提出了两种设计方案，并进行了对比。两种方案均采用模块化设计思路，力求结构简单、易加工、便于维护“1。方案一采用四轴进给机构，幽x Y z 三直线轴加转盘轴d 组成如图2 1 所示。此方案主要由四个模块组成：纵向运动机构、横向运动机构、垂向运动机构以及带动工作圆盘转动的转盘机构。采用三维直角坐标系在空间定位上比较精确，软件实现比较简单，但此结构横向及垂向运动机构是通过两侧的立柱支承在纵向运动机构上，整体运动时上部质量较大且零件结构复杂，不利于加工。圈 1 方案一方案二采用三轴进给机构，由径向r 轴、高度h 轴及转盘轴组成，在坐上海大学硕学位论文标定位上实现柱面坐标系，如图2-2 所示。此方案由三个模块组成：径向运动机构、高度方向运动机构及转盘运动机构。与方案一比较，该方案零件数量少且易加工，整体尺寸小，结构紧凑，拆装也比较方便。缺点是使用柱面坐标系，在空间坐标定位上增加了软件计算的复杂度，需采用合适的算法加以优化。围2-2 方案二通过上述两种方案的比较，最终选定方案二为本系统样机的机械结构形式，并制作了机械实物。在方案的设计阶段，使用了主流的C A D 工具S o l i d w o r k s进行建模，它操作简便，人机界面友好，强大的三维表现能力可以使我们在加工实物之前就能仔细观察各个零件的干涉关系，对结构加以改善，提高了工作效率。在本章的后面几节将对此方案的各模块做详细介绍。2 2 直线运动副比较直线运动副在多轴数控系统中十分常见在机构选用上通常有丝杆螺母副(滑动螺旋)、滚珠丝杆螺母副(滚动螺旋)和同步齿形带带轮副(同步带)三上海大学硕士学位论文种n。表2-1 进行了三种机构原理和有缺点的比较。丝杆螺母副滚动丝杆螺母副同步齿形带带轮副结构简单，加工方便，承摩擦阻力小，传动效率兼有带传动、齿轮传动和载能力大，行程长，行程高，具有传动可逆性，工链传动的优点，无相对滑比大，可产生较大的轴向作稳定，无爬行，反向时动，齿形带强度高、厚度优点力，有较高的降速比，易无空行程，定位精度高，小、无需特别张紧，作用于自锁并有很高的轴向刚度，磨在轴和轴承上的载荷小损小、噪音低、寿命长重量较轻重轻刚度高高低摩擦力大小大小小传动精度低高较高运动间隙有无无传动效率3 0 8 5 9 8 9 3 9 8 结构复杂度简单较复杂复杂自锁能力有无无加工难度易难易传动速度中低速高速高速爱2-1 直线运动副对比从本系统样机采用的结构方案考虑，r 轴移动距离较长，需要快速的往复直线运动，可考虑采用滚珠丝杆与同步带传动，但滚珠丝杆成本较同步带高出许多，故选用同步带传动加直线轴承导向的传动方式，这种方式结构简单、易加工，兼顾了运动速度与传动精度。h 轴与r 轴类似，也采用同步带传动加直线轴承导向的传动方式，虽然同步带无自锁能力，但步进电机的静扭矩足以克服由h 轴滑块重力产生的扭矩。矽轴转盘采用同步带减速传动，实现圆周方向的细分旋转，与齿轮传动相比，结构紧凑，精度足以满足要求。2 3 二维进给机构设计整个二维进给机构包括沿径向r 轴方向运动的径向运动机构和沿高度h 轴方向运动的高度方向运动机构。如前所述，水平与高度方向运动机构采用的都是同步带加直线轴承导向的传动方式，这两部份结构大致相同。下面分别对两部份机构设计加以说明。1 2 3 径向运动机构在设计径向运动机构时，需要注意几下几个方面：1)径向驱动力由同步带提供，直线轴承及导轨不仅要起到导向作用，同时1 2上海大学硕士学位论文还要承载整个高度方向运动机构及其驱动步进电机。为保持受力平衡，导轨在同步带两侧对称布置。并且，同步带上平面高度与直线轴承的上平面持平，这样受力才平衡，不致于产生反转力矩。2)两条直线导轨长度和间隔距离应在保证设计要求情况下尽量减小，避免大跨距造成导轨变形。3)直线导轨安装时应保证平行度，确保直线轴承滑动顺畅。4)导轨需要限制轴向和周向自由度。5)同步带需要考虑安装方便，且具有调节张紧力的功能，带轮两侧要有挡边限制同步带偏移。6)带轮直径不宜过大，以尽量减小机构尺寸。7)带轮在轴上要考虑轴向定位问题。8)带轮轴主要负责带动带轮转动，所受轴向力小，在功能得到实现的前提下，轴长度尽量短，可选用轻型材质。综合考虑上述设计要点及本系统样机的设计要求，具体设计参数如下表2 2所示：同步带类型梯形齿同步带同步带型号2 3 0 X L节距5 0 8 m m节线长5 8 4 2 0 6 l m m宽度1 0 m m带轮齿数1 6带轮节圆直径2 5 8 7 m m带轮轴直径8 m m导轨直径1 2 m m导轨长度2 2 0 m m直线轴承型号S C S l 2 U U表2-2 径向运动机构设计参数同步带选用梯形齿同步带，其传动比准确，轴向压力小，结构紧凑，耐油、耐磨性较好。同步带通过压板与支承板契合，在压板上加工出与同步带同样的齿形，以便和同步带完全契合。在压板与支承板可加入垫圈调节压紧力。直线导杆采用直径1 2 m m 的圆导杆，配合直线轴承滑块起到导向作用，导杆材料是4 5 号淬火钢，表面经热处理，轴向刚度高，摩擦系数小，可防止大跨上海大学士学位论文度弯曲。导杆两端的轴端支座通过缩进螺栓限制了导杆的轴向和周向自由度。由于带轮传动的力矩不是很大所以，同步带轮与带轮轴的轴向和周向定位使用简单的螺钉结构，结构简单，易于加工。同时，螺钉结构对带轮轴的强度影响很小。轴承座以简支粱的形式支撑带轮轴。通过分析，同步带带轮轴受轴向力较小，主要是承受径向力，园此我们选用深沟球轴承。轴承座尺寸依据轴承尺寸自行设计。虽然同步带传动不需要张紧机构，但为了保证主动轴与从动轴的轴间距安装准确，底板上轴承支座的安装螺 L 是可变的。步进电机与主动轴问通过金属弹性联轴器相连接，弹性联轴器缓冲减振能力强，工作可靠，径向尺寸小，具有较好的补偿综合位移的能力。整个径向运动机构如图2-3