一．項(xiàng)目背景

      2001年，我國機(jī)床工業(yè)產(chǎn)值已進(jìn)入世界第5名，機(jī)床消費(fèi)額在世界排名上升到第3位，由于外資在華機(jī)械企業(yè)主要承擔(dān)制造車間的角色，技術(shù)來源主要依靠其母公司，而原本就實(shí)力有限的內(nèi)資企業(yè)在完全開放的市場競爭中堅(jiān)持自行研制開發(fā)將冒很大風(fēng)險(xiǎn)，為了節(jié)省投入，提高產(chǎn)品的形象，多數(shù)內(nèi)資企業(yè)將盡可能與外方合作，采用國際同行的技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)。由于國外企業(yè)將不愿轉(zhuǎn)讓技術(shù)，更愿意通過在華舉辦由他們控制的企業(yè)來與內(nèi)資機(jī)械企業(yè)爭奪中國用戶的訂單，國內(nèi)用戶也有了更多的便利采購?fù)赓Y產(chǎn)品，從而部分處于成長初期的重要產(chǎn)品自主產(chǎn)業(yè)的培育壯大將更困難。
      在這種嚴(yán)峻的形式下，我們必須發(fā)憤圖強(qiáng)，開發(fā)出適合我國國情的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的數(shù)控系統(tǒng)。本文是以廣州數(shù)控與博創(chuàng)合作項(xiàng)目為背景，經(jīng)過一年來不懈的努力，順利完成了研制任務(wù)。

二．嵌入式數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

      通常一個(gè)數(shù)控系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示，由控制系統(tǒng)、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和伺服電機(jī)組成。控制系統(tǒng)生成的坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)指令，由FPGA進(jìn)行細(xì)插補(bǔ)，最后形成脈沖串的形式發(fā)送給伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，最后伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)形成運(yùn)動(dòng)指令控制伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖1 數(shù)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu) 

      本文以一個(gè)三軸開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)為應(yīng)用研究對象，擬設(shè)計(jì)一套基于ARM嵌入式微處理器和FPGA的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)，即圖1 的控制系統(tǒng)部分。
      因?yàn)槲⑻幚砥鞯倪\(yùn)算資源和FPGA的邏輯資源還是有限的，而且微處理器擅長的是串行的數(shù)據(jù)處理，而FPGA擅長的是并行的邏輯處理，因此項(xiàng)目中對功能實(shí)現(xiàn)的軟硬件進(jìn)行了劃分。從硬件設(shè)計(jì)者的角度上去分析，整個(gè)電路板系統(tǒng)可以分為板級系統(tǒng)和芯片級系統(tǒng)。板級系統(tǒng)由微處理器子系統(tǒng)，F(xiàn)PGA子系統(tǒng)，DA轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)，信號隔離與轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)，電源子系統(tǒng)構(gòu)成。結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 板級系統(tǒng)框圖 

      由于篇幅所限，所以本文進(jìn)對微處理器子系統(tǒng)進(jìn)行簡要介紹。微處理器子系統(tǒng)包括ARM子系統(tǒng)、存儲器子系統(tǒng)和LCD接口、通信接口和串行接口，組成框圖如圖3所示。圖中虛框內(nèi)為博創(chuàng)系統(tǒng)核心模塊UP-SOM44B0。

圖3 微處理器子系統(tǒng)框圖

     其中，ARM是一種嵌入式處理器，主要負(fù)責(zé)運(yùn)算，存儲器負(fù)責(zé)程序和數(shù)據(jù)的存儲以及文件系統(tǒng)，通信接口負(fù)責(zé)加工程序的下載和上傳，并行接口實(shí)現(xiàn)與FPGA的通信，串行接口實(shí)現(xiàn)對DA轉(zhuǎn)換器的控制存儲器子系統(tǒng)包括FLASH、SDRAM和NVRAM。FLASH存儲程序和文件，SDRAM存儲系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的程序和數(shù)據(jù)，NVRAM存儲實(shí)時(shí)的系統(tǒng)狀態(tài)。通信接口實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)的基于RS232標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)通信。并行接口實(shí)現(xiàn)與FPGA的數(shù)據(jù)通信，串行接口實(shí)現(xiàn)對DA轉(zhuǎn)換器控制。

三．軟硬件聯(lián)調(diào)和機(jī)床加工試驗(yàn)

      經(jīng)過測試，本系統(tǒng)的IO輸出信號可以驅(qū)動(dòng)機(jī)床一般使用的繼電器。可以實(shí)現(xiàn)如下的功能：主軸正反轉(zhuǎn)和停，冷卻液的開關(guān)控制，潤滑油的開關(guān)控制，正向反向換刀，刀架制動(dòng)，主軸制動(dòng)。卡盤和尾座功能由于機(jī)床沒有裝備，所以沒有進(jìn)行測試。
普通IO輸入信號可以接受機(jī)床的信號有：刀架到位信號，刀架鎖緊信號，減速信號，零位信號，循環(huán)啟動(dòng)信號,主軸轉(zhuǎn)速到達(dá)信號和刀架選通信號等等。

四．展望

      最近5年，中國的數(shù)控機(jī)床無論在產(chǎn)品種類，數(shù)量和質(zhì)量上都取得了長足的進(jìn)步，我國企業(yè)的數(shù)控機(jī)床占有率逐年上升，在大中企業(yè)已有較多的使用，在中小企業(yè)甚至個(gè)體企業(yè)中也普遍開始使用，逐漸占有國內(nèi)市場，并出口多個(gè)國家。隨著我國加入WTO，今后幾年我國機(jī)床出口將實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)、持續(xù)增長。但是，數(shù)控系統(tǒng)這個(gè)關(guān)鍵技術(shù)就目前來講仍然只有少數(shù)幾個(gè)國家掌握，由于國外企業(yè)將不愿也不可能轉(zhuǎn)讓技術(shù)，國內(nèi)用戶只有采購?fù)赓Y產(chǎn)品，從而導(dǎo)致國內(nèi)數(shù)控產(chǎn)業(yè)難以壯大。#p#分頁標(biāo)題#e#
      基于博創(chuàng)嵌入式核心模塊UP-SOM44B0的數(shù)控系統(tǒng)在技術(shù)取得了前所未有的突破，使數(shù)控系統(tǒng)在技術(shù)上已經(jīng)不是不可逾越的高山，為中國的數(shù)控發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)，從此中國擁有了屬于自己的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新一代開放式數(shù)控系統(tǒng)平臺，并在廣州數(shù)控得到了良好的應(yīng)用。相信在不久的將來，我們將用有多種機(jī)床類型的配套數(shù)控系統(tǒng)，我們有信心也有能力做到這一點(diǎn)，對其未來充滿信心。