基于Linux的嵌入式数控系统软件平台设计

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1、第一章绪论随着国民经济不断发展，我国产业结构与生产模式也随之不断调整，机械制造业对自动化、智能化和集成化的要求也越来越高，这其中，数控机床作为现代机械制造业的基础装备，越来越多地被应用于计算机集成制造系统(CIMS)、工厂自动化系统(FAS)和柔性制造系统(FMS)o数控技术作为数控机床的关键技术，综合了计算机、机电一体化、自动控制、测量与监控、机械制造和电气传动等学科领域最新研究成果。随着数控技术不断发展，传统普通机床逐渐被高精度、高速度的数控机床所替代，不断调整着制造业的产业结构与生产模式，极大发展

2、了生产力。数控系统作为数控机床的核心，其性能和水平决定着数控机床的加工性能和水平，更是衡量一个国家技术水平和综合国力的重要标准。1.1数控系统发展现状从数控系统采用核心硬件的角度看，数控技术的发展主要经历了三个阶段：第一阶段称为传统数控(NC),以采用电子管、晶体管以及小规模集成电路进行数字控制为标志；第二阶段称为计算机数控(CNC),以通用小型计算机、微处理器和个人计算机应用于数字控制为标志；第三阶段则是以高性能嵌入式处理器大量应用于数控系统并采用嵌入式实时操作系统为标志的嵌入式数控阶段。随着高性能高

3、速度的微处理器不断推出，给数控系统向更高层次的发展提供了机会，数控系统己逐步向高精度、开放化、智能化、小型化等趋势发展。1.1.1国外数控系统发展现状及趋势当前，国外的数控系统发展、应用已经相当成熟，以西门子、发那科、三菱等为代表的数控系统生产商占据着全球中高档数控系统的绝人部分市场。据2007年数据统计，全球数控系统中西门子占34.6%,FANUC占29.2%,三菱电机则占了12.3%。同时，国外数控机床消费趋势逐渐从初期以数控车床、数控铳床为主的数控单机向以加工屮心、柔性制造系统等为主转变。随着科学

4、技术的发展以及自身的技术积累，开放化、网络化、智能化已成为国外数控系统的发展趋势。1.开放式数控系统。传统数控系统其体系结构、软硕件等都存在相当的封闭性，各厂商生产的数控系统Z间相互不兼容，扩展性差且难以适应先进技术，这些特点严重制约着数控技术的发展。针对以上情况，发达国家在数控领域对开放式体系结构做了大量研究：美国的NGC计划率先提出基于“开放式系统体系结构”的新一代数控概念，旨在建立开放式体系结构数控系统标准规范，该体系结构允许不同的设计人员开发可相互交换和相互操作的控制器部件，其最大优点是外部接口

5、的公共性；在欧洲，集22家数控领域相关厂商联合推出的OSACA计划提出了基于'‘分层的系统平台+结构化的功能单元”体系结构构建新型控制系统，该体系结构保证了应用系统与操作平台的无关系及高开放性。1.智能化数控系统。智能化数控系统的产生主要是为了解决数控加工中的不确定的、需要人干预才能解决的问题，要求系统能充分感知并根据加工设备所处的实时环境，取代或延伸加工过程中人的部分脑力劳动，从而实现加工过程中的决策优化及检测与控制的自动化。不列颠哥伦比亚大学的YusufAltintas教授等根据等级制的控制策略，提

6、出在PC机基础上进行硬件扩展,添加多个DSP板的智能数控系统结构框架，不同的DSP板实现不同的功能，方便地将不同的模块集成在一起实现智能加工。3•网络化数控系统。通过网络(Intcrnct/Intranct),连接制造单元与控制部件或共享制造过程中的所需资源，是网络化数控系统中最大特点。数控系统网络化促进了机械制造业加工设备从点、线开始转向血的发展。1.1.2国内数控系统现状自从1958年北京机床研究所和清华大学等单位联合研制出第一台数控机床至今，由封闭研发到引进消化再到发展自主品牌，我国数控系统的发展

7、取得了巨大的进展。截止到2010年，国内数控系统主要生产企业已有20余家，其中已形成一定规模的有广州数控、华中数控、凯恩帝数控、航天数控以及开通数控等。上述企业生产的数控系统功能使用、价格低廉、可靠性较高，在国内具有相当的竞争优势,且基本占据了国内低端数控系统市场。经过近几年的迅速发展，中高端数控系统的研发和应用也取得了一定成绩，如华中数控、航天数控和上海电气等联合研发的五轴联动数控系统，已成功应用于数控加工中心及数控铳床；武汉重型机床集团有限公司也成功将华中数控系统应用于CKX5680七轴五联动车铳复

8、合加工机床。纵观国内数控系统的发展，可以发现：我国经济型数控与低端数控系统发展较为迅速，但中高端数控系统发展相対较为缓慢，在主要技术指标及可靠性方面上，与国外数控系统先进产品相比还有一定的差距。在具体实现上，国内自主开发的机床数控系统大多釆用双CPU的架构，即所谓的上下位机结构，其中上位机完成人机交互、代码解释、数据处理等任务，下位机通常采用DSP,完成具体的运动控制及数据采集。这种方案有其一定的优点，但是会使开发周期过长，且对数控系统成本