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1、基于80486的铣床数控系统 设计与实现 软硬件的调试 数控技术的发展 n数控技术主要分为基于PC机的开放式数 控系统和非PC模式的专业数控 n基于单片机的数控系统运算能力差 并 行处理能力弱 功能少 n基于嵌入式软硬件技术的数控系统具备 优秀的实时性与稳定性 满足高精加工 国外数控系统发展现状 德国的西门子 SIEMENS 公司 从经济型的802S到高端全功能的 840D 810T M的硬件以80186为主 810D和840D的硬件以80486为主 国内发展现状 n广州数控设备有限公司 GSK980Ti 基于Linux和PC104总线 GSK928TE GSK980TA 基于16位CPU F
2、PGA CPLD n北京凯恩帝数控技术有限责任公司 K1000 采用32位处理器ARM7 FPGA 与K100和日本发那科系统兼容 n国内中档数控系统大多是采用16 32位处 理器与CPLD FPGA相结合的硬件结构 n70 以上的中高档系统依赖进口 结构 封闭 价格昂贵 n使用嵌入式系统代替传统的单片机系统 是研制具有自主知识产权 低成本和 高性能数控系统的一种新尝试 主要工作 n采用微处理器80486 大规模可编程逻辑 器件FPGA的两级控制结构开发出嵌入式 铣床数控系统 n系统可完成四轴联动直线插补和任意两 轴圆弧插补 实现I O口的输入 输出控 制 具有PLC功能 提供良好的人机交互
3、接口 性能指标 n插补周期为2ms 具有自动加减速功能 n8路差分输出 频率达2MHz 12路编码 器反馈输入 n最大快速移动速度120m min 移动倍率 四级可调 最大切削速度60m min 进 给倍率六级可调 n48路数字输入 24路数字输出 主轴模 拟输出的电压范围为0 10V n中文菜单 为用户提供方便 优化的操 作界面 简单的图形模拟功能 系统硬件设计 n硬件系统可分为五个模块 主控制模块 输入 输出模块 人机交互模块 模拟输出模块 电源模块 系统硬件总体设计框图 主控制模块 n核心CPU选用深圳蓝宇公司80486系列的 SOM 2386嵌入式控制模块 n通过精简ISA总线和用户片
4、选信号扩展相关的 功能模块 I O端口 名称 功能及应用描述 510H 51FH CS1 FPGA片选 高电平有效 520H 52FH CS2 LCD片选 低电平有效 530H 53FHIDE CS1 CPLD和DAC片选 低电平有效 500H 50FHIDE CS0 用于IDE电子盘 n中断资源的分配 提供4个中断源 IRQ2 IRQ3 IRQ5 IRQ6 且均为精简ISA总线扩展中断 部分中断源与GPIO口复用端口 根据中断源的优先级 分别用于 外部 中断 精插补中断 键盘0中断和键盘1中 断 数字信号输入 输出模块 人机交互模块 n显示模块 LCD控制器 EPSON公司的SED1335系
5、列 LCD驱动器 日本OPTREX公司的图形点阵液晶显 示模块DMF50840 人机交互模块 n键盘模块 键盘分布图 n键盘模块 系统至少需要86个按键 采用北京炜煌公司的WH8280键盘芯 片 扩展两个键盘芯片 模拟输出模块 n系统提供0 10V范围内的主轴模拟控制 信号 n核心是数模转换芯片TLC7524和运算放 大器LM358 电源模块 n系统稳定可靠工作的前提条件 n开关电源效率高 体积小 输入电压范 围宽等特点 同时也可以很好地排除电 机启停对电源产生的干扰 5V 12V 和24V n采用LM1117系列电压转换芯片由5 0V得 到3 3V和2 5V的电压 可编程逻辑器件 根据系统的
6、总体设计要求 nAltera公司MAX7000系列的CPLD EPM7128SLC84 nAltera公司ACEX1K系列的FPGA EP1K50QC208 n内部电路功能是在MAX PLUS 软件平 台上通过VHDL语言编程实现 CPLD内部电路功能模块 nCPLD控制FPGA的配置过程 n采用被动串行配置方式 PS nEPROM根据FPGA的配置文件大小来选择 n实现部分I O信号的处理 FPGA内部电路功能模块 n实现DDA精插补运算 nFPGA实际输出脉冲波形 FPGA内部电路功能模块 n从双端口RAM中读取各轴的进给量及进 给方向 n控制开关量的输入 输出 n处理光电编码器的反馈信号
7、 硬件的制作 n硬件原理图的绘制和印刷电路板的制作 系统软件设计 n嵌入式操作系统 商业型 VxWorks Windows Embedded 等 免费型 Linux C OS DOS等 n系统采用DOS操作系统 以Borland C 为编程环境 以C 为系统开发语言 CPU主控软件 n控制软件 用户程序译码 粗插补运算 加减速 控制等 n管理软件 程序和程序段的编辑 刀具轨迹的模 拟 诊断 参数设置等 系统控制软件 n程序译码 程序段格式 Nxxxx Gxx Xxxx Yxxx Zxxx Mxx Sxx Txx 加工流程图 译码方式 解释方式 加减速控制 n采用前加减速控制 对合成速度进行控
8、制 不影响位置精度 n线性加减速算法 粗插补运算 n粗插补采用时 间分割法 其 中圆弧插补算 法不仅可实现 顺逆圆的插补 还具有自动 过象限功能 系统管理软件 n液晶显示 n键盘扫描 n人机界面 键盘扫描 n通过4个双向可编程数字I O口实现与键 盘芯片的通讯 通过编程实现SPI接口协 议 在串行时钟的控制下发送读键盘指 令和读取按键值 n程序扫描方式和中断扫描方式 n返回键值的范围在0 3FH之间或相差一 个相对值 液晶显示 n在系统中嵌入各种字符信息 数字 英 文字母 汉字 标点符号等 n字模提取工具 n字符点阵数据在CPU中以数组的方式存储 n为防止液晶显示速度过快 实时加工过 程中坐标
9、值分块显示 人机界面模块 n编辑界面 n手动加工和自动加工界面 n参数设置和刀补设置界面 n诊断和模拟界面 软硬件的调试 总结 n采用微处理器80486 FPGA的两级控制 结构开发出嵌入式铣床数控系统 n以Borland C 为集成开发环境实现粗 插补运算 加减速控制 按键控制 提 供良好的人机界面 nFPGA实现DDA硬插补 集成大量的逻辑 功能和外围电路 CPLD控制FPGA配置过 程 增强了系统保密性和安全性 增加 系统I O口数量 n完成了样机制作和调试 测试结果表明 该系统达到了预期的性能与功能指标 要求 知识回顾知识回顾 Knowledge Knowledge ReviewReview
