嵌入式数控机床的设计与实现(通用版)
机床数控系统中嵌入式plc的设计
机床数控系统中嵌入式plc的设计在机床数控系统中，电气设备的控制占有重要的地位。
目前，一般采用可编程控制器（PLC）进行机床电气控制。
PLC可靠性高，使用方便，对于复杂的，控制点数较多的应用场合，可以在PLC基本单元外加上一定数目的扩展单元，实现复杂的电气控制功能。
在数控机床上。
如果采用PLC进行电气控制，必需在PLC与NC 间建立电气联系，否则，NC程序中的MST指令反映不到PLC中，PLC也就不可能做出相应的动作。
目前市场上出售的PLC一般都具有通讯功能，可以利用这种功能在PLC与NC之间建立联系。
由于PLC的通讯方式为串行通讯，通讯速度比较低，对于数控机床的某些实时性要求很强的信号如急停，超程等。
就难以胜任一必需采取其它措施满足这些特殊需要，但这又增加了系统的复杂程度。
为了提高速度，降低戚本。
在数控系统中t可以采用开关量I/O板加外接继电器，配台主机的软件对电气开关进行控制。
但此方案周NC主机要直接参与电气控制逻辑的运算过程。
占用了主机的部分工作时间，增加了软件的复杂程度。
更重要的是。
把过多的功能集中到主机使主机-发生故障的风险加大出于对实时性和可靠性的考虑。
在研制五轴联动数控系统的过程中。
设计了一种嵌入式PLC.在保证实时性的同时。
使故障风险相对分散。
1 嵌入式PLC的硬件结构我们研制的五轴联动数控系统是一种基于工业PC 的多CPU分布式开放化数控系统。
做为其中的一部分，嵌入式PLC的设计也必需遵循开放化的原则。
其硬件是模块化的。
按照标准的工控机插卡进行设计。
目前，工控机的底板总线有两类：ISA总线和PCI总线。
ISA总线的数据转输速率比PCI总线要低得多。
但已完全能够满足一般工业控制的需要，而且ISA 总线对工控机扩展卡的要求比PCI要宽松。
从已有的工业应用经验看。
可靠性也比较高。
因此我们仍选择ISA总线做为嵌入式PLC设计的基础。
嵌入式PLC的组成参图1嵌入式PLC的CPU 采用Intel16 位单片机80C196。
机械电子工程中的嵌入式控制系统设计与实现
机械电子工程中的嵌入式控制系统设计与实现在现代机械电子工程领域中，嵌入式控制系统扮演着至关重要的角色。
嵌入式控制系统是指将计算机技术和电子技术相结合，将控制系统嵌入到被控对象中，实现对其进行监控和控制的系统。
本文将探讨嵌入式控制系统的设计与实现过程。
一、嵌入式控制系统的设计嵌入式控制系统的设计是一个复杂而严谨的过程。
首先，设计者需要明确系统的功能需求和性能指标。
例如，对于一个机器人控制系统，功能需求可能包括路径规划、避障等，性能指标可能包括响应速度、精度等。
在明确需求和指标的基础上，设计者可以选择合适的硬件平台和开发工具。
其次，设计者需要进行系统的架构设计。
系统架构设计包括选择适合的处理器、存储器和输入输出设备等。
处理器的选择要考虑系统的计算需求和实时性要求，存储器的选择要考虑系统的数据存储和程序存储需求，输入输出设备的选择要考虑系统与外部环境的交互方式。
然后，设计者需要进行软件设计。
软件设计包括系统的操作系统选择、驱动程序设计和应用程序设计等。
操作系统的选择要考虑系统的实时性要求和资源限制，驱动程序的设计要考虑硬件的特性和接口要求，应用程序的设计要考虑系统的功能需求和性能指标。
最后，设计者需要进行系统的测试和验证。
测试和验证是确保系统功能和性能的关键步骤。
设计者可以通过仿真和实际测试来验证系统的正确性和稳定性。
在测试和验证过程中，设计者还可以对系统进行优化和调整，以满足实际应用需求。
二、嵌入式控制系统的实现嵌入式控制系统的实现是将设计方案转化为实际的产品的过程。
实现过程中，设计者需要进行硬件的选型和搭建，软件的编写和调试等。
硬件的选型和搭建是实现过程中的重要环节。
设计者需要根据系统的需求和指标选择合适的硬件平台和外围设备。
硬件的搭建要考虑系统的可靠性和稳定性，以及硬件与软件的兼容性。
软件的编写和调试是实现过程中的关键步骤。
设计者需要根据系统的功能需求和性能指标编写相应的软件代码。
软件的编写要遵循规范和标准，保证代码的可读性和可维护性。
机械电子系统中的嵌入式控制系统设计及实现
机械电子系统中的嵌入式控制系统设计及实现摘要：嵌入式控制系统是机械电子系统的核心组成部分，它为系统提供了实时监测、自动化控制和决策支持的功能。
本研究将深入研究嵌入式控制系统的原理、设计方法以及工程应用，以提高机械电子系统的自动化性能和可靠性。
关键词：机械电子系统，嵌入式控制系统，自动化控制一、嵌入式控制系统原理与架构嵌入式控制系统是专门设计用于特定任务或应用的计算机系统。
其原理和架构以最大程度地满足特定机械电子系统的需求为目标，通常由硬件和软件两个主要组成部分构成。
1.硬件组成：·微处理器/微控制器：嵌入式控制系统的核心是微处理器或微控制器，它是系统的计算和控制引擎。
这些芯片通常具有低功耗、高性能和实时性能特点，以满足特定应用的需求。
·传感器和执行器：传感器用于监测机械系统的状态，如温度、压力、速度等，而执行器用于执行控制命令，例如马达、阀门、电磁继电器等。
这些设备与嵌入式控制系统相互连接，以实现实时数据采集和控制。
·接口和通信模块：嵌入式控制系统通常包括各种接口和通信模块，以便与其他设备、网络或外部系统进行数据交换。
这可以包括以太网、USB、串口、Wi-Fi、蓝牙等。
2.软件组成：·嵌入式操作系统：嵌入式控制系统通常运行在精简的嵌入式操作系统上，如FreeRTOS、VxWorks、或嵌入式Linux。
这些操作系统提供了任务管理、实时调度和硬件抽象层，以便更好地管理硬件资源。
·应用程序：应用程序是嵌入式控制系统的关键组成部分，它们由开发人员编写，根据特定任务或控制需求进行定制。
这些应用程序执行各种任务，如数据采集、控制算法、故障检测等。
·控制算法：控制算法是嵌入式控制系统的核心，它们用于分析传感器数据并采取控制操作以维持系统的状态或实现所需的任务。
这些算法可以涉及PID控制、模型预测控制、模糊逻辑等，具体取决于应用的复杂性。
3.原理与工作流程：嵌入式控制系统的工作原理是不断地采集传感器数据，将其传送到控制算法中，经过处理后生成控制命令，然后通过执行器将命令应用到机械系统。
基于嵌入式Linux数控系统设计与实现
安全性和可靠
软件安全：采用 Linux操作系统， 具有较高的安全 性
可靠性测试：经 过严格的测试和 验证，确保系统 可靠性
实时性分析：对系 统的实时性进行分 析和优化，确保满 足数控加工的要求
实际应用案例分析
嵌入式Linux数控系统在工 业自动化领域的应用
实时性能：保 证系统的实时 性，以满足数 控加工的要求
安全性：提高 系统的安全性， 防止病毒和黑
客攻击
标准化：推动 行业标准化， 促进不同系统 之间的互操作
性和兼容性
行业应用前景与市场机遇
嵌入式Linux数控系 统在智能制造领域的 应用将不断扩大
随着工业4.0的推进， 嵌入式Linux数控系 统的市场需求将持续 增长
嵌入式Linux数控系统的 设计与实现
,a click to unlimited possibilities
汇报人：
目录
01 添 加 目 录 项 标 题 03 嵌 入 式 L i n u x 数 控
系统的硬件设计
05 嵌 入 式 L i n u x 数 控 系统的实现与测试
02 嵌 入 式 L i n u x 数 控 系统概述
嵌入式系统具有 低功耗、小体积、 低成本等特点， 广泛应用于工业 控制、智能家居、 医疗设备等领域。
嵌入式Linux数 控系统是一种基 于Linux操作系 统的嵌入式系统， 用于实现数控加 工、自动化控制 等功能。
数控系统的概念和应用
数控系统是一种用于控制机床的计算机系统，能够实现高精度、高效率的加工。
选择合适的开发工具和软件库，简化软件设计和开发过程，提高开发效率 和软件质量。
驱动程序开发与设备管理
驱动程序的作用： 连接硬件和软件， 实现数据传输和控 制功能
基于PLC的嵌入式数控机床控制系统设计
基于PLC的嵌入式数控机床控制系统设计一、引言随着现代制造业的发展，数控机床在加工领域中的应用越来越广泛。
数控机床的控制系统是数控技术的核心，它直接影响着数控机床的性能和精度。
传统的数控机床控制系统一般采用PC或专用的控制器进行控制，但是由于PC系统的不稳定性和专用控制器的高昂成本，使得这些控制系统在一定程度上受到了限制。
近年来，基于PLC的嵌入式控制系统逐渐受到了广泛关注，它具有稳定性高、成本低等优点，逐渐在数控领域中得到应用。
本文将重点介绍基于PLC的嵌入式数控机床控制系统的设计原理和方法，希望能为相关领域的研究和实践提供一定的参考价值。
1. PLC的基本原理PLC（Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器）是一种专门用于工业控制的计算机，它通过输入输出模块与外部设备进行数据交换，并通过逻辑控制指令对外部设备进行控制。
PLC一般由CPU、输入模块、输出模块、通信模块等部分组成，其中CPU负责处理逻辑控制指令，输入模块负责将外部设备的信号输入到PLC中，输出模块则负责将PLC产生的控制信号输出给外部设备。
2. 嵌入式数控机床控制系统的基本原理嵌入式数控机床控制系统是指将数控系统的控制模块直接嵌入到数控机床的控制器中，与数控机床的其他部件进行紧密结合，以实现对机床的自动控制和运行。
嵌入式数控机床控制系统的基本原理是通过PLC作为控制模块，接收数控程序的指令，运行数控算法，生成控制信号并交给数控机床的执行部件，从而实现对数控机床的精密控制。
1. 总体设计在设计基于PLC的嵌入式数控机床控制系统时，首先需要对数控机床的控制要求进行分析，包括控制精度、速度要求、多轴控制要求等。
然后根据控制要求设计PLC的选型和相关外围设备的选择，确定PLC的输入输出模块、通信模块等。
2. 软件设计在软件设计方面，需要编写数控编程软件，以实现数控程序的输入、编辑和管理。
编写控制算法程序，根据数控程序生成相应的控制信号，实现对数控机床各轴的控制。
基于嵌入式X86的数控系统的设计与实现
（南阳理工学院）薛庆吉
ＸＵＥ Ｑｉｎｇ－ｊｉ
摘要：为了降低开发成本，缩短开发周期，提高系统性能和稳定性．本文采用嵌入式Ｘ８６ ＣＰＵ和嵌入式ＡＲＭ处理器上下位 机的硬件结构形式。按照Ｌｉｎｕｘ操作系统下设备驱动程序开发的一般步骤和基本结构．采用模块化开发的基本思路，对基于
ＡＲＭ处理器嵌入式数控系统运动控制卡驱动程序进行优化开发．保证了嵌入式运动控制卡在Ｌｉｎｕｘ环境下的高可靠性工
２运动控制原理
２．１插补算法 对于一个运动控制系统，除了能够实现被控运动对象的精 确定位之外，还必须实现控制被控运动对象以给定的速度沿着 指定的路径运动，这就是轮廓控制。 被控对象的运动轨迹大部分由直线和圆弧这种简单、基本 的曲线构成。若实际轮廓南其它二次曲线和高次曲线组成，也 可以采用一小段直线或圆弧来拟合，就可满足精度要求．当然 也有需要抛物线和高次拟合的情况。这种拟合的方法就是“插 补”。它是数控装置依据编程时的有限数据，按照一定方法产生 直线、圆弧等基本线形，并以此为基础完成所需要轮廓轨迹的 拟合Ｔ作。 因此，对于轮廓控制系统来说，最重要的功能是插补。插补 的任务就是根据进给速度的要求，在轮廓起点和终点之间计算 出若干个中间点的坐标值。由于每个中问点计算所需的时ｆｓＪ直 接影响系统的控制速度．而插补中间点牮标值的计算精度又影 响到数控系统的控制精度，所以插补算法是整个数控系统控制 的核心。 目前，各种常用的插补算法大致分为脉冲增量插补和数字 采样插补两类。前者丰要应用在步进电机驱动的控制系统；后 者主要用于交、直流伺服电机１５Ｉ《动系统的闭环、半闭环控制系 统，也可用于以步进电机为伺服驱动的开环控制系统。目前所
伺服电机
上轴电机
图１嵌入式数控系统硬件结构图 上位机硬件由嵌入式主板和外围设备构成，其中嵌入式 主板需包括：嵌入式ＣＰＵ、电子盘／ＣＦ卡、内存，ＬＣＤ接口、ＵＳＢ 接口、以太网接口、键盘接口；而外围设备主要包括：ＰＬＣ接口 板、数控系统专用键盘能够提供５Ｖ、１２Ｖ、２４Ｖ电源、显示器、可 提供机床操作 必需的按钮开关和指示灯的机床操作面板。 下位机硬件由运动控制卡和伺服接口板构成．其中运动控 制卡为基于嵌入式ＡＲＭ处理器的具有运动控制功能的设备 卡．Ｉ仃『伺服接口板需提供模拟量输出和编码器反馈接口和伺服 使能信号。 上下位机通讯硬件南通讯接口卡和通讯线构成．其中通讯 接口卡负责上下位机信息传输转换，通讯线作为数据信息的通 讯介质，可采用双绞线，光缆等等。
数控机床嵌入式远程测控系统设计与实现
关键 词 ： 控 机床 ； 入 式 系统 ； 数 嵌 远程 测控 ；ａａ Ｃ Ｉ Ｊｖ ；Ｇ
中图分类号 ：Ｐ７ ：０ ２— ８ １ ２０ ）０— １０— ３ １０ １４ （ ０８ １ ０ ０ ０
Ｄｅ ｉ ｎ ａ ｄ Ｒｅ ｌ ａ ｉ ｎ ｏ ｓｇ ｎ ａ ｉ ｔｏ ｆＥｍ ｂ ｄ ｄ Ｒｅ ｏ ｅ ｚ ｅ ｄｅ ｍ ｔ
Ｍ ｅ ｓ ｅ ｃ ｎｔｏ ｙ ｔｍ ０ ａ ｕｒ ． ｏ ｒ ｌＳ ｓｅ ｆ ｒ ＮＣ ａ ｈｉ ｅ Ｔｏ ｌ Ｍ ｃ ｎ ｏ
基于嵌入式技术的数控系统开发设计
基于嵌 入式技 术的数控 系统开发设计
文／卜 伶俐
断发展，网络化的数字控制系统技术也在逐渐 目前 由于科 学技 术 的快速 发 展 使 制 造 业 及 机 械 加 工 业 中 各 类 设备 机 械也 得 到 了快速 的发 展 ， 目前 在 机床 应用 中其 数控 系统 的 开发及设 计都得 到 了极 大的进 步。 在机 械 加 工制造 业 中进 行数 控 系 统 的开 发与 设计 主要 是 为 了提 高 机 械 自动化 水平 ，通 过 控制 程序 来 实现 标 准化 、智 能化 作 业。 虽 然数控 系统开发 与设 计 已经得 到 了不错 的发 展 ，但是 在 实 际应 用 中其仍 然存 有 一 定的 局 限， 为此 以下 则对 嵌入 式技 术 在数控 系统 中应 用 的特 点及 优 势进行 分 析， 探讨 其在实际 中的应 用价值 。 成 为未来数控 系统的主要发展方向 。
３嵌入式数控 系统 总体结构设计
一
个专 用 系统在 开发 时 其过程 主要 是 以 （ １ ）要先对 嵌入式数控 系统 的需求进行
１数控系统的特点
数 字控 制 （ Ｎｕ ｍｅ ｒ ｉ ｃ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ， 简 称 ＮＣ） 是 随着 我 国计 算机 技术 变革 ， 以微 处理 器发
５ 嵌入 式技术 数控 系统 应用开 发中 的硬 件 设 计
数控 系统 中的嵌入 式技 术通 常使 用 的硬 件 结 构 为 ＡＲ Ｍ＋ ＤＳ Ｐ双 Ｃ Ｐ Ｕ 结 构 ，ＡＲ Ｍ 通
常使用３ ２位 ＲＩ Ｓ Ｃ 芯 片 ，Ｓ ３ Ｃ２ ４ １ ０ ，ＤＰ Ｓ通
常使用 ３ ２位 高 性 能 的 ＭＣ Ｘ３ １ ４ Ａｓ 运 动 控 制 类 的专 用 芯片 。为 了方便 开发 ，可采 用相 关 的￥ ３ Ｃ ２ ４ １ ０微 处 理 器 的 Ｓ ＢＣ ． ２ ４ １ ０ Ｘ 开 发 板 为 主 要 的 控 制 板 ，在 精 简 的 版 面 中 （ 大 约
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嵌入式数控机床的设计与实现
(通用版)
Safety management is an important part of production management. Safety and production are in
the implementation process
嵌入式数控机床的设计与实现(通用版)
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。
云博创意设计
MzYunBo Creative Design Co., Ltd.。