基于PC104與MCX314運動控制芯片的數(shù)控系統(tǒng)的研究指導老師：皮佑國學生：梁偉林?1.研究目標本課題提出一種基于PC104與運動控制芯片的開放式數(shù)控系統(tǒng)方案。闡述了該方案的硬件和軟件的設(shè)計原理，為經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)提供了實現(xiàn)方法。?2.國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1956年－1974年，專用硬件NC時代1975年－1989年，專用計算機數(shù)控時代1996年至今，開始全PC開放式智能化數(shù)控新階段?3.現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢加工控制的高速化、高精度化智能化、開放化、網(wǎng)絡(luò)化、柔性化和集成化?4.存在的問題：

從數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢看，數(shù)控技術(shù)在現(xiàn)代制造業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，當前制造技術(shù)正在向高速度、高精度、柔性化和智能化方向發(fā)展，而傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)大多采取封閉式設(shè)計，故存在系統(tǒng)兼容性差、功能不易擴展、人機界面不靈活等問題，從而難以滿足用戶的需要。開放式數(shù)控系統(tǒng)解決了以上傳統(tǒng)封閉式數(shù)控存在的問題，正是現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展方向。?5.解決問題的思路基于PC104和運動控制芯片MCX314的數(shù)控系統(tǒng)該方案以PC104作為主CPU，采用了MCX314來實現(xiàn)運動控制的功能，使軟硬件系統(tǒng)具備更強的模塊化，減少了軟硬件設(shè)計，提高可靠性和性能，并減少了開發(fā)周期。為經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)提供了更新更優(yōu)的控制方案，解決了傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)兼容性差、功能不易擴展、人機界面不靈活等問題。這將為嵌入式控制系統(tǒng)的研究與開發(fā)提供有價值的參考，對開放式數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用起到一定的推動作用。?6.數(shù)控系統(tǒng)一般方案比較單片機系統(tǒng)ARM+FPGA系統(tǒng)PC機和專業(yè)運動控制卡?7.運動控制卡常見解決方案基于大規(guī)模集成電路，如8253,8254；基于單片機，如8031，8098；基于數(shù)字信號處理器(DSP)型；基于專用運動控制芯片的運動控制器,如MCX314，PMAC.?8.MCX314運動控制芯片的功能運動控制器基于MCX314芯片，MCX314是日本NOVA電子研制的DSP運動控制專用芯片，性能優(yōu)良、接口簡單、編程方便、工作可靠，可廣泛應(yīng)用于數(shù)控機床、機器人等領(lǐng)域的運動控制。芯片能與8位或16位數(shù)據(jù)總線接口相連，通過命令、數(shù)據(jù)和狀態(tài)等寄存器實現(xiàn)4軸3聯(lián)動的位置、速度、加速度等參數(shù)的運動控制和實時監(jiān)控，實現(xiàn)直線、圓弧和位元三種模式的軌跡插補，輸出脈沖頻率達4MHz。系統(tǒng)每軸都有伺服反饋輸入端、4個輸入點和8個輸出點，能獨立設(shè)置為恒速、線性或S曲線加/減速控制方式，并具有2個32位的邏輯、實際位置計數(shù)器和狀態(tài)比較寄存器，實現(xiàn)位置的閉環(huán)控制。?9.MCX314專用運動控制芯片的原因插補算法、運動控制和位置控制主要由硬件來實現(xiàn)，不需要PC機的干預就能自動完成從起點到終點的插補運動控制，減少了運行過程中與主控制PC機頻繁的數(shù)據(jù)交換，提高系統(tǒng)的運行速度；芯片上集成有專用于運動控制的I/O接口，如硬件限位、急停等，可簡化數(shù)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計，提高系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性；與主控制PC機之間的通訊簡單，易于協(xié)調(diào)，對主控制PC機來說，MCX314更像是一個外圍功能芯片，通過設(shè)置一定的地址和讀寫控制字就能實現(xiàn)對MCX314的控制。?縮短開發(fā)周期。軟件開發(fā)簡單、快速，使用運動控制芯片使我們不再需要研發(fā)運動控制部分，可以由更少的軟件研發(fā)人員花更少的時間完成復雜的運動控制編程，能夠大大縮短項目的研發(fā)時間和工作量。提高控制性能。用專業(yè)高性能運動控制芯片控制，可使電機運動更快、更平穩(wěn)、更安靜、更精確。提高系統(tǒng)可靠性。成熟的運動控制芯片中各項軟硬件功能均己相當成熟，比用戶自己開發(fā)的更為可靠。同時采用此芯片后，控制器的硬件器件大為減少，軟件程序大為縮短，均有助提高可靠性。10.選擇MCX314運動控制芯片的優(yōu)點?11.數(shù)控系統(tǒng)功能描述數(shù)控系統(tǒng)的硬件部分采用了主從式雙結(jié)構(gòu)模式。主CPU為PC機，從CPU為運動控制芯片。采用PC104+運動控制芯片MCX314這種結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)靈活性好、功能穩(wěn)定、可共享計算機的資源。以通用微機為計算平臺，運動控制器的指令輸入、譯碼、運動指令、粗插補以及輸入輸出等都是由PC機產(chǎn)生。在系統(tǒng)運動控制的過程中，通過PC機實現(xiàn)運動的粗插補、實時控制和管理規(guī)劃，由MCX314實現(xiàn)簡單多軸硬件精插補、伺服控制和位置反饋等功能。??12.PC104與運動控制芯片MCX314之間的通訊及接口數(shù)控系統(tǒng)硬件采用了主從式雙CPU結(jié)構(gòu)模式。PC機與運動控制器之間通過PC/104總線傳遞信息。主要有：數(shù)據(jù)總線：D15~D0;地址總線：A2~A1;控制總線：IOR、IOW和RST等。??13.運動控制芯片MCX314與伺服驅(qū)動的通訊及接口

MCX314輸出驅(qū)動脈沖經(jīng)過差分驅(qū)動后輸出給伺服驅(qū)動；編碼器信號、手輪脈沖信號及外部反饋信號經(jīng)差分接收器輸入。?MCX314與伺服驅(qū)動器的輸入與輸出信號?I/O輔助控制輸入與輸出信號?（1）輸出脈沖定義：來自MCX314芯片的輸出脈沖有兩種形式，一個是正/負脈沖形式，另一個是脈沖/方向形式。

?（2）編碼器信號接口：反饋的編碼器信號，將nECAP，nECAN，nECBP，nECBN，nINOP，nINON分別連接到編碼器的A，/A，B，/B，Z，/Z信號輸出。差動脈沖反饋在設(shè)置輸入脈沖模式后有效。?本論文主要內(nèi)容：1.對上位機控制、運動控制卡及其行業(yè)現(xiàn)狀進行調(diào)研，資料搜集和深入研究。2.在對運動控制技術(shù)深入學習的基礎(chǔ)上，比較幾種常用的運動控制方案，確定采用PC104總線和運動控制芯片MCX314的設(shè)計方案，并規(guī)劃系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)。

3.設(shè)計基于運動控制芯片MCX314運動控制卡的硬件電路。針對本系統(tǒng)的情況和需要設(shè)計外圍電路。設(shè)計PC/104與MCX314的接口電路；根據(jù)光電隔離原理設(shè)計數(shù)字輸入/輸出電路。4.對整個嵌入式運動控制系統(tǒng)進行系統(tǒng)測試。5.最后總結(jié)研制過程中的得失，并展望數(shù)控的發(fā)展趨勢。?

謝謝大家！?數(shù)控機床編程及加工機械工程實驗教學中心實驗?zāi)康耐ㄟ^數(shù)控機床的加工程序編制，掌握編程的方法及技巧；將在計算機上用OpenSoftCNC軟件模擬顯示加工過程校驗程序，然后在數(shù)控機床上對工件進行加工；結(jié)合機械加工工藝，實現(xiàn)最優(yōu)化編程，提高加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率。機械工程實驗教學中心數(shù)控編程的基本原理數(shù)控編程的目的；數(shù)控編程的內(nèi)容；編程步驟。機械工程實驗教學中心數(shù)控編程的基本原理所謂編程，就是把零件的圖形尺寸、工藝過程、工藝參數(shù)、機床的運動以及刀具位移等內(nèi)容，按照數(shù)控機床的編程格式和能識別的語言記錄在程序單上的全過程。這樣編制的程序還必須按規(guī)定把程序單制備成控制介質(zhì)如程序紙帶、磁帶等，變成數(shù)控系統(tǒng)能讀懂的信息，再送入數(shù)控機床，數(shù)控機床的CNC裝置對程序經(jīng)過處理之后，向機床各坐標的伺服系統(tǒng)發(fā)出指令信息，驅(qū)動機床完成相應(yīng)的運動。機械工程實驗教學中心數(shù)控編程的目的數(shù)控編程的基本原理①分析零件圖紙，確定加工工藝過程；②計算走刀軌跡，得出刀位數(shù)據(jù)；③編寫零件加工程序；④制作控制介質(zhì)；⑤校對程序及首件試加工。機械工程實驗教學中心數(shù)控編程的內(nèi)容數(shù)控編程的基本原理機械工程實驗教學中心數(shù)控編程的步驟零件圖紙分析零件圖紙制定工藝規(guī)程數(shù)學處理編寫程序文件制作控制介質(zhì)程序校驗及試切數(shù)控機床OpenSoftCNC軟件介紹OpenSoftCNC軟件包括數(shù)控車床模擬仿真和數(shù)控銑床模擬仿真系統(tǒng)，由軟件+標準硬件系統(tǒng)構(gòu)成，不要求專用硬件或運動控制卡，所有數(shù)控功能和邏輯控制功能均由軟件完成，操作界面由系統(tǒng)操作和機床控制兩大部分組成。機械工程實驗教學中心OpenSoftCNC軟件介紹機械工程實驗教學中心為例，軟件提供下列指令：以數(shù)控車床模擬仿真系統(tǒng)（OpenSoftCNC01T）組別指令功能編程格式模態(tài)

1G00快速線性移動G00X(U)_Z(W)_√G01直線插補G01X(U)_Z(W)_√G02順時針圓弧插補G02I_K_X(U)_Z(W)_√G03逆時針圓弧插補G03I_K_X(U)_Z(W)_√G32恒螺距公制螺紋插補G32X(U)_Z(W)_K_I_H√G33恒螺距英制螺紋插補G33X(U)_Z(W)_K_I_H√G27X軸返回程序零點G27

G28Z軸返回程序零點G28

G92定義絕對坐標系G92X_Z_√2G04延時G04E_

3M00暫停M00

M02程序結(jié)束M02

4M03主軸正轉(zhuǎn)M03√M04主軸反轉(zhuǎn)M04√M05主軸停M05√5M08開冷卻液M08√M09關(guān)冷卻液M09√

6M97程序跳轉(zhuǎn)M97P_

M98子程序調(diào)用M98P_L_

M99子程序返回M99

7M20自定義開關(guān)1有效M20√M21自定義開關(guān)1無效M21√8M22自定義開關(guān)2有效M22√M23自定義開關(guān)2無效M23√9S主軸轉(zhuǎn)速控制S00～S07；S0000～S9999√10T指定刀具T00～T05√11F指定速度F12～F4000√OpenSoftCNC軟件介紹在程序管理界面下，可進行有關(guān)數(shù)控加工程序文件的各種操作，如讀入程序、編輯修改及查錯編譯等。每一個工件程序由若干個程序段組成；每一個程序段完成一個加工步驟；每一個程序指令有程序段號和若干個指令代碼組成，指令代碼在程序段中的位置可以是任意的，同組指令在同一程序段中不能重復使用；最后一個程序段由指令代碼M02作為程序結(jié)束標志。機械工程實驗教學中心OpenSoftCNC軟件介紹

在運行加工程序之前，必須通過參數(shù)設(shè)置對機床和刀具進行調(diào)整，使其與加工要求相符，這樣才能正確地進行加工或模擬加工。OpenSoftCNC軟件系統(tǒng)的參數(shù)主要有以下內(nèi)容：①基本設(shè)置設(shè)置可修改的基本參數(shù)。②刀具設(shè)置設(shè)置刀具編號、類型和刀具補償?shù)葏?shù)。③軸參設(shè)置設(shè)置和查看坐標軸參數(shù)。④工件坐標設(shè)置設(shè)置G54—G59等工件坐標系的原點坐標。⑤PLC設(shè)置用于查看PLC緩沖區(qū)配置、PLC程序梯形圖及PL