基于PCI总线的并联机床运动控制卡设计.pdf

第 2期 总第 1 4 7 期 2 0 0 8年 4月 机 械 工 程 与自 动 化 MECHANI CAL ENGI NE ERI NG AUT0MAT1 0N No ．2 Apr ． 文 章 编 号 1 6 7 2 6 4 1 3 2 O O 8 O 2 01 2 0 0 3 基于 P C I总线的并联机床运动控制卡设计 刘 华 ，袁先盎 ，王友林 ，马明明 山东理工大学 机械 工程 学院，山东 淄博 2 5 5 0 4 9 摘要 针对并联 机床数控系统的工作特 点和要求 ， 通过对 T I 公 司 D S P芯片 T MS 3 2 0 VC 3 3和C y p r e s s公司 P C I 接 K I 芯片 C Y7 C O 9 4 4 9 P V 的功能和特点进行分析 ， 设计了一种基 于 P C I 总线的运动控制卡， 能够较好地满足并 联机床数控 系统对运动控制部件 的实 时性 和控制精度的要求 。 关 键 词 并联 机床 ；P CI总 线 ；运 动控 制 卡 中图分类号T P 2 7 3 T G6 5 9 文献标识码 A 0 引言 并联机床 P a r a l l e l Ma c h i n e T o o 1 又称虚拟轴机 床 Vi r t u a l Ax i s Ma c h i n e T o o 1 或 并 联 运 动 学 机 器 P a r a l l e l Ki n e ma t i c s Ma c h i n e ， 是基 于并 联机构 的新 型数控加 工设 备 ，实质上 是机器人 技术 、机床 结构技 术 、数控 技术 等相结合 的产 物 ，它 同时兼顾 了机 床和 机器人 的诸 多特性 ， 既可 以看作是 机器人化 的机 床 ， 又 可以看作是机床化的机器人 。它能够提供机器人 的灵 活与柔性，又具有机床 的刚度和精度，是集多种功能 于一体的新型机电设备。 1 并联 机床 的结构 并联机床结构示意图见图 1 ，它由伺服 步进 电 机 1 、固定平 台 2 、支架 3 、伸缩 杆 4 、动平 台 5 、铣 削 头 6 、工作 台 7等组 成 。 安装在 固定平 台和 动平 台之 间 的伸 缩杆 由伺服 电 机 或步进 电机 驱 动 ，带动伸缩 杆 内的滚珠 丝杠 和螺 母运动 ， 使伸缩杆的长度发生变化。由于各伸缩杆 一 般为 6 杆或 3杆 的长度发生变化， 使得动平台的位姿 发生变化 ，多个伸缩杆共 同运动 ，驱动动平台实现上 升 、下 降 、翻转等 运动 ，带动铣 削头实 现工作 所需 的 各 种运动 。各伸 缩杆采 用相互独 立 的伺 服驱 动装 置驱 动 。 2开放 式的控 制 系统 结构 对于并联运动机床来说 ，其最大特点就是机械结 构非 常简单 ，而控制却 异常 复杂 。并联 运动 机床 的控 制系统必须采用开放式结构。目前 ，国内外的开放式 数 控系统 主要有 如下 3种结 构形式 。 l 一一 伺 服 步进 电机 ；2 一 固定 平 台 ；3一支 架 ； 4 - -- 伸缩杆；5 --动平 台；6 一铣 削头；7 ⋯工作台 图 1 并联机床 结构 示意图 2 ． 1 专 用 CNC十P C 型 即在传统的非开放式的专用数控 系统中嵌入 P C 机，使得整个系统可以共享一些计算机软硬件资源 。 P C部分 完成 系统 管 理 等非 实 时控 制任 务 ，实现 辅 助 编程、分析、监控和编排工艺等功能； C NC部分负责 完成 插补计算 、伺 服控 制 以及 I ／ O控 制等一些 实时控 制任务。这种结构形式的数控系统其开放性只在 P C 机部分，其专业的数控部分仍处于封闭状态 ，不能实 *山东省教育厅科研项 目 J 0 6 B 5 5 收稿 日期 2 0 0 7 0 8 1 6 ；修 回 日期 2 0 0 7 1 2 0 6 作者简介 刈华 1 9 7 7 一 ， 女 ， 河北吴桥人． 硕 士研究生 ． 研究方向 机械装备及 自动化 。 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 0 8年 第 2期 刘华，等 基 于 P C I 总线的并联机 床运动控制卡设计 1 2 1 现 NC内核的开放 ，此类结构形式一般为主流数控系 统厂商所采用 。 2 ． 2 P C运动 控 制卡 这种基于开放式运动控制卡的系统结构是以通用 微机为平台，以标准插件形式的开放式运动控制卡为 控 制核 心 。 通用 P C机实 现数 控程序 编辑 、 人机 界面 管 理、外部通信等功能，运动控制卡负责机床的运动控 制和逻辑控制 。 它支持用户的二次开发和 自主扩展 ， 既 具有 P C机的开放性 ， 又具有专用数控模块的开放性 ， 可 以说 它具有 上 、下两 级 的开放 性 。 2 ． 3 纯 P C型 即全软 件形式 的 P C机数控 系统 ，该 系统 是指 C NC的全部功能均 由 P C机进行处理 ， 并通过装在 P C 扩展槽中的伺服接口卡对伺服驱动等进行控制 。其软 件的通用性好 ，编程处理灵活 ，但存在着操作系统的 实时性、标准统一性以及系统稳定性等问题。目前这 类系统正处于探索 阶段 ，还尚未形成产品，但它代表 了数控系统的发展方向。 如果着眼于经济型数控并联 机床控制 系统 的设 计 ， 选择 P C运动控制卡的开放式数控系统是当前最 为理想 的 。 以 P C机 和运 动控 制卡 为控 制系统 核 心 ， 直 接将系统平台构筑于 P C机的软硬件基础之上 ，驱动 P C I总线 元件为步进电机 ，系统在 Wi n d o ws环境下用 VC 语 言实现 ，软件的设计采用面向对象的方法。 3 基 于 P C I总线 的并联 机床运 动控 制卡 设计 并联机床运动控制卡通过控制机床各个驱动杆实 现主轴的运动，控制轴数较多，同时还要得到所要求 的刀具运 动 轨迹 。要实 现刀 具 的高速 、高精 度轨 迹控 制 ， 运动控制卡和 P C机存在着大量的数据交互， 传统 的方式是采用 I S A 总线进行，由于 I S A总线带宽 限 制 ， 数据传输速度慢 ， 使 P C机在数据传输方面花费的 时间较多，从而在其它方面的处理时间相对缩小 。本 系统实现运动控制卡与 P C机通信 ，能够达到很高的 数据传输速率 ， 使 P C机的处理能力大大增强 ， 从而保 证 了数 控 系统 的实 时性，并 且使 开发 相应 的基 于 Wi n d o ws 平 台的数控软件更容易， 和配套的其它软件 的接 口更方便。 控制系统硬件组成图见图 2 。该系统采用的是 TI 公 司的 3 2位定点 DS P芯片 T MS 3 2 0 VC3 3 。 D S P芯片 负责接受 P C I 局部总线的命令和参数，然后通过运动 控制算法完成对步进 电机的精确运动控制 ，同时 D S P 芯片还负责将反馈信息传输给 P C I 局部总线，并且控 制系统外围 i ／ o模块。D S P与 P C机的通信通过 P C I 桥接芯片 C Y7 C 0 9 4 4 9 P V实现_ 1 J 。 伺服 驱动器 l 伺服驱动器 2 伺服驱动器 3 伺服 驱动器 4 伺服驱动器 5 图 2 控 制 系统 硬 件 组成 图 3 ． 1 C Y7 C0 9 4 4 9 P V 与 P C机的连接 内有 1 2 8双端 口存储 器用于局部处理器与 P C I 总线 P C I 总线是 目前应用最广泛 、最流行 的一种高速 数据共享。C Y7 C 0 9 4 4 9 P V与 P C I 总线的连接见图 3 。 同步总线 ， 具有 6 4位总线宽度 ， 工作频率 3 3 MHz ， 最 3 ． 2 P CI 总线开发 方案的实现 大传输速率可以达到 1 3 2 Mb ／ s 。它可将外设直接挂到 专 用 芯 片 C Y7 C 0 9 4 4 9 P V 采 用 3 ． 3 V 单 电源供 主机 C P U局部总线上并 以C P U速度运行 ，可以大大 电，兼容 3 V 和 5 V 的 P C I 信号环境 。C Y7 C 0 9 4 4 9 P V 提 高外 设 的运 行 速 度。D S P与 P C机 的通 信 通 过 的电源可由 P C I 槽引出，P C I 槽可以提供 3 ． 3 V、5 V、 C Y7 C 0 9 4 4 9 P V连接。 C Y7 C0 9 4 4 9 P V是 Cy p r e s s 公司 1 2 V 电压 ， 在 P C I 槽需特别注意两个引脚 P RS NT1 和 提供的符合 P C I 2 2总线规范的功能完善、价格低廉P RS NT 2 ，这两个引脚接地和悬空的 4种组合直接决 的双端口RAM 接 口芯片。其中，一个端 口是 P C I 接 定 P C I 卡的功率。 C Y7 C 0 9 4 4 9 P V在使用时， 某些引脚 口， 适合与 P C机通信； 另一端 口为本地接 口。 它提供 要加阻值为 l k f I 1 0 k f l的下拉或上拉电阻。 根据具体 P C I 主／ 目标接口， 可以同任何通用微处理器连接 ， 片 情况 ， 在该设计中， S C I 、 S DA、 AI E、／ B E[ 2 ] 、 R DY 一 一 il～ 一 ～ 一 ～ 一 ～ Il～ 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 2 2 机 械 工 程 与 自 动 化 2 0 0 8年第 2期 I N 引脚加上 拉 电阻 ， TE S T MO DE引脚加下 拉 电阻 。 P A R 一 一 ． L O CK P ER R 一 C ／ B E [ 3 0 ] F R A M E I RD 似 一 P CI I D E S E L 总线 C L K C Y 7 C R S T 0 9 4 4 9 P V T RD Y 一 S T O P n D E V S E L ． ． S E R R r I N T 一 A D [ 3 1 0 图 3 C Y7 C0 9 4 4 9 P V 与 P CI总 线 的 连接 T Ms 3 2 O VC 3 3 是 T I 公司新推出的 T Ms 3 2 O VC3 X系列 新一 代浮 点 DS P ，它 是在 原来 T Ms 3 2 O VC3 1 浮点 D S P的基础上开发的一个价格更 低的版本 ，该产品以高速、低功耗 、低成本、易于开 发 为显著 的特点 ] 。由于它采用 了内部 1 ． 8 V、外部 3 ． 3 V供电 ，因而功耗比原有型号降低 了大约一个数 量级， 而且能支持高达 1 5 O 1 0 次／ s的运行速度，是 需 浮点运 算 的便 携 式产 品中 的一 种理 想 的 D S P器件 。 作为控制 系统 的核 心 ， T MS 3 2 O VC 3 3主要 完成实时 中 断 的伺 服控制 程序 ，包括对 各种底 层硬件 的操 作 。它 采用 3 2 位局部总线接 口方式， 时钟信号可以是单独提 供的时钟源，也可以是 C Y7 C O 9 4 4 9 P V提供的 P C I 时 钟信号 P C I KO UT[ 2 O ] 中任意的一个。 4结束语 并联机床需要控制的轴数比较多，而且牵涉到并 联 机构 的正逆解 运算 ，运算 量 比较 大 ，采用基 于 P C I 总线的运动控制卡，整个数控系统的任务就由 P C机 和运动控制卡来共同承担 ，在开放式数控系统中能够 发挥 出理想 的运 动控制性 能 。随着 数控 系统的普及 和 产品档次的提高，这种运动控制卡将会有广泛的应用 前景 。 参考文献 [ 1 ] 施群， 王小椿． 并联机床位置控制卡局部总线接 口设计 [ J ] ． 工业仪表 与 自动化装置 ， 2 0 0 4 3 3 6 3 9 ． [ 2 ] 曹广忠 ， 邱建． 高性能浮点 DS P芯片 T MS 3 2 0 VC 3 3 [- J ] ． 国外电子元器件， 2 0 0 1 1 O 1 4 1 7 ． De s i g n o f M o t i o n Co nt r o l Bo a r d f o r Pa r a l l e l M a c h i n e To o l Ba s e d o n PCI BUS LI U Hu a， YUAN Xi a n y a o， W ANG You l i n， M A M i n g mi n g S c h o o l o f M e c h a n i c a l En g i n e e r i n g， S ha n d o n g Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y． Zib o 2 5 5 0 4 9． China Ab s t r ac t Ac c or di ng t O t he c h ar a c t e r i s t i c s an d r e qui r e me nt s o f p a r a l l e l ma c hi ne t o ol ’ s NC s ys t e m ， t hi s pa p e r d e s i gn s a ki nd of mo t i on c ont r o l bo a r d b a s e d o n PCI bus b y a na l y z i ng t h e f un c t i on s a n d f e at ur e s o f TI Cor p o r a t i on’ s DS P c hi p TM S3 2 0 VC33 a nd Cypr e s s Cor p or a t i o n’ s PCI CY7 C0 9 44 9 PV．I t c a n we l l me e t p a r a l l e l ma c hi ne t oo l ’ s d e ma nd s i n r e a l t i me a nd c on t r ol a c c ur a c v t o mo t i o n c ont r ol pa r t s ． Ke y wo r ds p ar a l l e l ma ch i n e t o ol ； PCI b us； mot i o n c o nt r ol h o ar d llllll mllll mlll lll lll lll lll mll l’lll lll llllll lllll llll mmlll ，lll lll mmlll lll m， I- 接 第 1 1 9页 De s i g n o f El e v a t o r M o ni t o r i ng Sy s t e m Ba s e d o n W i nCC a n d S 7 2 0 0 PLC XU Le i ， YU Ha i s he n g， LI U Hua bo， ZHANG Li a ng Qi n g d a o Un i v e r s i t y． Qi n g d a o 2 6 6 0 71 ， Ch i n a Abs t r a c t Bas e d on t h e p e r f or man c e c ha r a ct e r i s t i c s o f e l ev a t o r s， t hi s p ap e r r e a l i z e s a ut o mat i c s u pe r vi s i o n of f ou r l a y e r e l e v a t or by u s e o f S i e me n s S 7 2 0 0 s e r i e s PL C a n d W i n CC c o n f i g u r a t i o n s o f t wa r e ． M a k i n g u s e o f S7 2 0 0 PC Ac c e S S OP C 0I E f o r Pr o c e s s Co n t r o 1 S e r v e r c a r r i e s O u t t h e c o mmu n i c a t i o n b e t we e n S 7 2 0 0 P LC a n d t h e W i n CC c o n f i g u r a t i o n s o f t wa r e ．The s v s t e m i s c o n f i r me d t O a c h i e v e s t a b i l i t y a n d r e a l t i m e p e r f o r ma n c e ， a n d t h e r e q u i r e me n t o f mo n i t o r a n d c o n t o r l i s me t ． Ke y wo r ds PLC； c on f i g ur at i o n s o f t wa r e； e l e va t or s 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m