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1、中国科学技术大学硕士学位论文基于USB总线的开放式数控雕刻机系统设计姓名：王欢申请学位级别：硕士专业：机械电子工程指导教师：竺长安20060601摘要中国科学技术大学手两要通用串行总线U S B ( U n i v e r s a lS e r i a lB u s ) 是近年来应用于P C 领域的一种新型接口技术，当前生产的P C 机几乎都配备了U S B 接口。本文围绕基于U S B 总线传输和控制的数控雕刻机系统的实现方案展开研究，所涉及系统具有良好的开放性和移植性，是数控技术与计算机技术相互结合的产物。该数控系统在硬件上采用“P C + U S B + 步进电机驱动板”的结构，无需外加
2、存储器来存储加工代码，各种插补运算完全在上层客户软件中完成；在软件上采取读入以文本形式提供的N C 代码的方式进行加工，并提供N C 代码编辑、刀路图形化( 3 D ) 、对机床进行监控、加工过程的仿真等功能。本文首先总结了数控系统的发展历史、现状和趋势，分析了开放式数控技术的特点和优势，着重讨论了基于P C 的开放式数控技术的体系结构。本文深入分析了U S B 规范2 0 ，针对本雕刻机系统分析了系统所采用的U S B传输类型和固件中具体的标准设备请求的程序流程。在此基础上，本文研究了系统的硬件结构，采用模块化的设计模式，完成了硬件连接电路的设计。制定了一套可行的、能在上下位机之间进行封装、
3、解读和传输3 路电机的控制信息的协议，并运用这套协议成功编写了主机客户软件中关于封装和发送电机控制信息的接口函数，以及下位机单片机中关于接收和解读电机控制信息并将其付诸实施的固件程序。最后，本文论述了W D M 设备驱动程序模型以及开发U S B 设备驱动程序的方法。按照面向对象的模块化的设计方式，完成了上位机软件中机床控制模块( M a c h i n e C o n t r 0 1 d 1 1 ) 的程序的编制，实现了机床插补功能。关键字：U S B ，开放式数控系统，插补，步进电机驱动，固件，设备驱动程序摘要中国科学技术大学A B S TR A C TU n i v e r s a lS
4、 e r i a lB u si san e wP Ci n t e r f a c et e c h n o l o g yi nr e c e n ty e a r sa n da l m o s te v e r yP Ci sm a n u f a c t u r e dw i t haU S Bi n t e r f a c en o w T h i st h e s i sd i s c u s s e st h er e a l i z a t i o no ft r a n s m i s s i o na n dc o n t r o lo fa nN Cc a r v i
5、n gm a c h i n eb a s e do nU S B T h es y s t e mo ft h eN Cc a r v i n gm a c h i n ew h i c hi sac o m b oo fN Ct e c h n o l o g ya n dc o m p u t e rt e c h n o l o g yi so fg o o do p e n n e s sa n dt r a n s p l a n t a t i o n A “P C + U S B + s t e p p i n gm o t o rd r i v i n gb o a r d
6、s t r u c t u r ei sc h o o s e df o rt h eh a r d w a r eo ft h eN Cs y s t e ma n dn os t o r a g ei sn e e d e dt os t o r et h em a c h i n i n gc o d e sa n da l li n t e r p o l a t i o no p e r a t i o n sa r ec o m p l e t e di nt h eu p p e rc l i e n ts o f t w a r e ；I nt h es o f t w a r
7、 ed e s i g n ，am o d eo fr e a d i n gN Cc o d e si nt e x tf o r m a ti st a k e df o rm a c h i n i n ga n dt h e s ep e r f o r m a n c e sa r es u p p l i e ds u c ha sN Cc o d ee d i t i n g ，3 Dg r a p h i c a lC Ld i s p l a y , m a c h i n et o o lm o n i t o r i n g ，m a c h i n i n gs i m
8、 u l a t i o n ，e t c A tf i r s t ，t h et h e s i ss u m m a r i z e st h eh i s t o r y , a c t u a l i t y , a n dd e v e l o p m e n tt r e n do fN Cs y s t e ma n da n a l y z e st h ec h a r a c t e r i s t i c sa n da d v a n t a g e so fo p e na r c h i t e c t u r eC N Cs y s t e m T h es y
9、 s t e ms t r u c t u r eo fo p e na r c h i t e c t u r eC N Cs y s t e mb a s e do nP Ci se m p h a s i z e d U S BS p e c i f i c a t i o nR e v i s i o n2 0i sa n a l y z e dd e e p l yi nt h et h e s i s T h eU S Bt r a n s m i s s i o nt y p e sa n dt h ef l o w so fs t a n d a r dd e v i c er
10、 e q u e s t si nt h ef i r m w a r ea r ea n a l y z e df o rt h ec a r v i n gm a c h i n es y s t e m A n dt h e n ，t h eh a r d w a r es t r u c t u r eo ft h es y s t e mi sa n a l y z e d T h eh a r d w a r el i n k i n gc i r c u i t sa r ed e s i g n e di nm o d u l em o d e Ap r o t o c o l
11、f o rt h r e e - a x i ss t e p p i n gm o t o r s c o n t r o l l i n gi n f o r m a t i o ne n c a p s u l a t i o n ，t r a n s m i s s i o na n du n s c r a m b l i n gi se s t a b l i s h e d W i t ht h i sp r o t o c o l ，If i n i s ht h ei n t e r f a c ep r o g r a m m i n gi nP Cc l i e n ts
12、 o f t w a r ea n dt h ef i r m w a r ep r o g r a m m i n gi nt h em i c r o p r o c e s s o r A tl a s t ，t h et h e s i sd i s c u s s e st h eW D Md e v i c ed r i v e rm o d e la n dt h em e t h o do fd e v e l o p m e n to fU S Bd e v i c ed r i v e r If i n i s hp r o g r a m m i n go ft h em
13、 a c h i n et o o l Sc o n t r o lm o d u l eu s i n go b j e c to r i e n t e dm o d u l em e t h o da n dt h em a c h i n et o o l Si n t e r p o l a t i o nf u n c t i o ni sr e a l i z e d K e y w o r d s ：U S B ，o p e na r c h i t e c t u r eC N Cs y s t e m ，i n t e r p o l a t i o n ，s t e p
14、p i n gm o t o rd r i v i n g ，f i r m w a r e ，d e v i c ed r i v e r绪论中国科学技术大学第一章绪论随着现代微电子技术的飞速发展，微型计算机在机械制造领域得以广泛应用。计算机技术的应用，把制造业带进了全新的发展时期。在现代制造系统中，数控技术是关键技术，它集机械制造、计算机、现代控制、传感检测、信息处理、网络通信、液压气动、光机电等高新技术于一体，具有高精度、高效率、柔性自动化等特点，对制造业实现柔性自动化、集成化、智能化起着举足轻重的作用n 1 。目前，数控技术正在发生根本性变革，由传统的专用、封闭模式向通用、开放模式发展
15、。现代数控技术水平的高低已成为衡量一个国家工业自动化的重要标志，数控系统技术不仅作为数控发展的先导技术，而且作为制造业的基础性战略技术，越来越受到世界各国的重视和大力发展。1 1 数控技术的发展1 1 1 数控技术的发展历程从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数控铣床，标志着数控技术的诞生，至今已经历了五十多年历程。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，数控系统己经历了八代，可分为四个发展阶段乜3 ：( 1 ) 硬件数控阶段从1 9 5 2 - 1 9 7 0 年为硬件数控( N C ) 阶段，这一阶段经历了三代，即第一代( 1
16、 9 5 2 年) 电子管、第二代( 1 9 5 9 年) 晶体管和第三代( 1 9 6 5年) 小规模集成电路。这一阶段的数控系统，各种控制功能均由硬件逻辑完成。( 2 ) 计算机数控系统的发展和完善阶段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控制的数控机床( C N C ) ，标志着数控系统进入了计算机为主体的第四代。1 9 7 4 年，出现了微处理器直接用于数控系统，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，促进了数控机床的普及应用和数控技术的发展。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。数控系统产品也逐步实现了标准化，系列化。( 3 ) 高速高精度C N C 的开发与应用阶段3 2 位C P U 以其较强的数据处理能力在C N C 中得到了应用，使C N C 系统进入了面向高速、高精度的第七代，并逐渐成为当今数控系统的主流。绪论中国
