嵌入式三轴数控系统的研究与设计

摘要

开放式数控系统是当今数控技术领域研究的热点,嵌入式数控系统是一种新型的开放式数控系统。通过阅读大量国内外相关文献,吸收其中先进理论思想与技术,本文提出了基于嵌入式平台的嵌入式三轴数控系统的设计方案。设计了基于意法半导体Cortex-M3芯片STM32F103ZE和NPM公司的专用运动控制芯片PCL6045B,以及μC/OS-Ⅱ操作系统的嵌入式三轴数控系统。该数控系统将G代码解释、插补、位置设置、速度设置等数控系统的主要功能任务模块化,从而有效解决了数控系统可靠性、实时性的问题。本文的主要研究内容和结果如下:
　　 1、阐述嵌入式三轴数控系统需要实现的功能以及要求,介绍了微处理器STM32F103ZE以及运动控制专用芯片PCL6045B,并提出系统的总体结构与设计方案。
　　 2、介绍系统的硬件设计,包括FSMC静态存储控制器、STM32F103ZE与PCL6045B的总线连接方式,以及电源模块、通信接口模块、总线模块等。
　　 3、编写系统API函数库,PCL6045B芯片的数控功能都是通过配置相应寄存器实现的,系统将这些寄存器操作封装成对应的函数,形成API函数库,这些库函数用于对数控系统的操作,包括基本设置、速度控制、加速度控制等函数。
　　 4、设计一种数控加工程序G代码解释算法,设计一个与数控加工程序相对应的数据结构体,存储G代码信息,并将其作为中间代码存入数据缓冲区,完成了G代码解释模块的软件实现。
　　 5、移植μC/OS-Ⅱ嵌入式实时操作系统于本嵌入式三轴数控系统,并依据数控系统的功能设计了任务模块,实现诸如串口通信任务、速度控制任务、G代码解释任务等的设计,最后设计了任务调度算法对这些任务进行调度。
　　 6、对系统进行了功能测试,包括电路测试、寄存器读写测试、匀速运动测试、直线插补测试和G代码解释模块测试等。