嵌入式数控机床的设计与实现
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。
数控机床的嵌入式可编程控制器的研究与开发
得到拓扑有序序列的 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8,结合对应的图素功
能 ,得语句表程序如下:
L D X01;
AN D
X0 2;
LD
X0 4;
OR
X0 6;
AN D
X0 5;
L DO RB;
· 1010·
机械科学与技术
第 17卷
AN D
X 03;
LD
X 07;
LDO RB; O U T Y01; 2. 2 编译技术 用户 源程序通过 编译程序 ,将其转 换成计算 机可执 行
图 2
2. 1 PL C编程器 PL C输入源程序最常 用的方式是 梯形图和 语句表。梯
形图 是以图形方 式来表达 源程序的逻 辑关系 ,它与一般 电 气原理图十分接近 ,因此直观明了。语句表是一种 与计算机 汇 编 语 言类 似 的 助 记 符 编 程 表 达式 ,逻 辑 性 强。嵌 入 式 PL C编程器 可以分 别使用 这两 种不同 的输 入方式 对用 户 源程 序进行全屏 幕编辑 ,而且能够 实现二者之 间的相互 转 换 ,以满足不同用户的编程需要。
表示 某些运 算的运 算顺序 ,
故 又 称 无 括 号 表 示 [5]。例
图5
如 ,对 形如 x= A- B /( C+ D)的赋值语句 ,可按后辍式写 成 X ABCD+ /- = 。
在按 后辍表示的 表达式中 ,由于各 种运算总 是依运 算
出现的顺序来执行 ,故它的计算结果很容易实现和获得。为 此 ,从左到右依次扫描表达式中的各个符号 ,将运 算对象依
第 17卷 第 6期 1998年 11月
机械科学与技术 M ECHAN ICAL SCIENCE AND T ECHNO LOGY
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C8051和μC／OS-Ⅱ的数控机床嵌入式执行控制器实现
基于C8051和μC／OS-Ⅱ的数控机床嵌入式执行控制器实现在数控机床系统中，功能模块可分为两大部分：一部分是实时性要求不高的功能，例如人机界面交互管理等；另一部分是实时性要求高的功能，主要有伺服控制、插补计算等。
根据这一特点，该系统采用两级控制结构，利用IPC丰富的软件资源，提供图形化的人机交互环境；利用嵌入式执行控制器的高实时性和稳定性，实现快速、可靠的控制，充分发挥了二者的优点。
两级之间用串行口进行实时通信。
本文主要介绍嵌入式执行控制器的实现。
1 数控机床系统硬件结构数控机床系统硬件结构如图1 所示，IPC 作为上位机，安装有专用软件，实现人机交互；C8051020 芯片及其外围电路构成的嵌入式执行控制器作为下位机，负责实时、可靠的控制。
执行控制器通过串行口接收上位机的命令信息(包括：插补命令、开关量控制命令)，再将这些信息转换成控制信号输送给相应的执行部件。
例如，将插补命令转换成一连串的插补信号，输送给电机控制部件；将开关量控制命令转换成输出信号，通过I／O 驱动隔离接口板输送给相应的开关控制器。
执行控制器同时还有2 个检测任务：一个是刀具是否运动到各轴限位点的检测，另一个是间隙电压的检测。
这两个信息将为运动时的自动调节控制提供依据。
执行控制器还负责将运行中的状态信息组装成帧，实时地传送给上位机。
2 μC／OS-Ⅱ在C8051F020 上的移植要使用μC／OS-Ⅱ，首先就必须把这个内核成功地移植到C805lF020 上。
μC／OS-Ⅱ的移植主要是对OS_CPU．H，OS_CPU_A．ASM 和OS_CPU_ C．C 三个文件进行修改，下面就具体的修改内容做介绍。
2．1 OS_CPU．H 文件的修改OS_CPU．H 包括了。
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。
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
一个典型的嵌入式系统设计和实现[五篇模版]
![一个典型的嵌入式系统设计和实现[五篇模版]](https://img.taocdn.com/s3/m/edd3dce1ab00b52acfc789eb172ded630b1c9812.png)
一个典型的嵌入式系统设计和实现[五篇模版]第一篇：一个典型的嵌入式系统设计和实现关键字：嵌入式系统设计ARM FPGA 多功能车辆总线Multifunction Vehicle Bus在计算机、互联网和通信技术高速发展的同时，嵌入式系统开发技术也取得迅速发展，嵌入式技术应用范围的急剧扩大。
本文介绍了一种基于ARM和FPGA，从软件到硬件完全自主开发多功能车辆总线(Multifunction Vehicle Bus)MVB??B嵌入式系统的设计和实现。
系统设计和实现通常来说，一个嵌入式系统的开发过程如下：1. 确定嵌入式系统的需求；2. 设计系统的体系结构：选择处理器和相关外部设备，操作系统，开发平台以及软硬件的分割和总体系统集成；3. 详细的软硬件设计和RTL代码、软件代码开发；4. 软硬件的联调和集成；5. 系统的测试。
一、步骤1：确定系统的需求：嵌入式系统的典型特征是面向用户、面向产品、面向应用的，市场应用是嵌入式系统开发的导向和前提。
一个嵌入式系统的设计取决于系统的需求。
1、MVB总线简介列车通信网（Train Communication Network,简称TCN）是一个集整列列车内部测控任务和信息处理任务于一体的列车数据通讯的IEC国际标准（IEC－61375-1）, 它包括两种总线类型绞线式列车总线(WTB)和多功能车厢总线(MVB)。
TCN在列车控制系统中的地位相当与CAN总线在汽车电子中的地位。
多功能车辆总线MVB是用于在列车上设备之间传送和交换数据的标准通信介质。
附加在总线上的设备可能在功能、大小、性能上互不相同，但是它们都和 MVB总线相连，通过MVB总线来交换信息，形成一个完整的通信网络。
在MVB系统中，根据IEC－61375－1列车通信网标准，MVB总线有如下的一些特点：拓扑结构：MVB总线的结构遵循OSI模式，吸取了ISO的标准。
支持最多4095个设备，由一个中心总线管理器控制。
数控机床嵌入式远程测控系统设计及实现
数控机床嵌入式远程测控系统设计及实现随着数控机床的广泛应用，对于机床的监控管理也越来越重要，传统的机床在生产过程中存在很多不稳定性，需要不断通过人工干预来维护机床的正常运行。
这些问题严重影响了机床的可靠性、稳定性和效率。
随着嵌入式系统的开发，人们可以通过嵌入式远程测控系统实现对于数控机床的远程监控，从而解决了传统机床所存在的问题。
数据采集与传输数控机床嵌入式远程控制系统的核心是数据采集与传输，即通过传感器实时获取机床的状态信息，并将采集到的数据通过无线网络传输到总控制中心进行分析和处理。
该嵌入式远程测控系统的采集指标包括工作温度、耗电量、坐标位置、刀具负荷、生产效率等指标。
这些采集指标可以通过不同的传感器来获取，传感器的种类按照功能可以分为温度传感器、压力传感器、光学传感器、电感传感器等。
对于数据传输来说，传输的方式可以通过有线传输和无线传输来实现。
有线传输一般采用以太网或串口的方式，通常选择以太网进行数据传输。
无线传输一般通过Wi-Fi或蓝牙进行数据传输，无线传输的最大优势在于传输范围大，方便接入。
数据处理与分析数据处理与分析是数控机床嵌入式远程测控系统的关键环节，它所处理的是从机床上获取的数据，需要对其进行分析和处理。
处理这些数据的主要任务是实现对于机床的预警及诊断，从而提高机床的生产效率。
系统采用的技术主要包括数据挖掘、信号处理、数学建模及神经网络等方法，可以对机床的状态进行预判，这有利于提高机床的使用寿命和工作效率。
管理与优化嵌入式远程控制系统的优点在于它能够进行实时的监控和管理，及时收到机床的传感器数据并进行有针对性的处理。
基于这些数据，机床管理人员可以对机床运行状态进行实时监控，并及时采取措施进行优化，从而保证机床的稳定性和生产效率。
系统的操作界面可以在PC端、手机端等多种设备上进行访问，这有利于在不同的场合场景下进行数据访问。
总结数控机床嵌入式远程测控系统设计和实现，可以解决传统机床所存在的很多不足之处，它具有实时性和远程控制功能，可以实现对于生产过程的实时监控与管理，使得机床的运行状态更加安全、稳定和高效。
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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
精编范本，实用简洁安全管理编号：LX-FS-A20835 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。
请在该处输入组织/单位名称
Please Enter The Name Of Organization / Organization Here
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