基于Linux的嵌入式数控机床控制系统设计

为了克服传统嵌入式数控系统的局限性，提高系统插补运算和人机交互能力，提出了基于ARM＋FPGA＋DSP＋Linux架构的嵌入式数控系统设计方案，并设计了该系统的软硬件体系结构。为同时满足数控系统的多线程和实时性要求，采用了Linux＋DSP结构，并结合实时性指标，对系统任务进行了详细的实时性分析与划分。为建立系统通讯，采用了模块化设计理念，并对模块间通讯机制的实现方法进行了详细论述。结果表明，基于Linux的嵌入式数控系统的实时性好，性能高，可移植性好。     

步进模式数控系统插补算法的研究及实现

针对传统的单片机控制数控系统的缺陷,提出了基于步进模式的数控系统新的插补算法。算法分为前期数据预处理、DSP插补运算、数据下载、单片机动作实现等步骤;通过搭建基于DSP和单片机的多CPU结构的运动控制卡实验平台和设计上位机软件对算法进行了验证。在多CPU运动控制卡实验平台和数控铣床上完成了实验,实验表明新的算法能够有效地解决传统数控系统加工过程不流畅、加工效率不高、噪声大等问题。该算法为今后基于单片机、FPGA等数控系统的设计提供了参考。     

嵌入式数控系统的体系结构与系统设计

将嵌入式技术与数控系统相结合,研究嵌入式数控系统的体系结构,提出了嵌入式数控系统的六大基本硬件结构模块,和分层次结构的软件体系,具有软硬件可裁剪、结构精简优化、插补控制实时性强、工作可靠的系统.基于OAN现场总线结构,对ARM10嵌入式微控制器芯片进行接口扩展,设计出上下位机多微处理器结构的嵌入式数控系统,适合于控制交流伺服电动机实现多轴联动,用于加工复杂型面.采用FPGA硬件插补技术,设计源码开放的伺服控制软件,实现2ms级的实时信号响应控制,形成开放性的具有自主知识产权的基于ARM微控制器和CAN现场总线结构的多轴联动嵌入式数控系统.     

基于DSP和CPLD的数控插补技术研究

插补算法是数控系统中生成加工轨迹的基本程序，插补算法的优劣直接决定了加工过程中的轨迹规划的效率和精度，直接影响工作的加工质量，简单、实用的插补算法对于数控系统是非常必要的。基于这种考虑，本文对开放式数控系统的插补算法进行了韭的分析和研究，在自行研制的数控系统“银河CNC”上进行了实验，最终确立了一种可行的插补算法实现方案。     

二阶连续的多项式样条插补算法研究

针对计算机数控系统的高级样条曲线直接插补控制问题,建立了笛卡尔空间坐标系下能通过已知多点并在首末端点为给定切矢量的二阶连续的多项式样条曲线的数学模型,基于该模型,提出了相应的插补格式及其C＋＋实现方法,并给出了该样条插补预处理和实时插补计算方法,同时还建立了插补算法的精度和速度计算模型。实例计算表明：所提出的样条插补方法在满足较高进给速度的情况下,逼近精度可达0·5μm。     

球面并联机构实一切

紧密结构基于球面并联机构的数控回转台的开发，以“PMAC＋PC”为硬件平台，开发了球面并联机构实时控制系统。根据并联机构虚实映射的特点，提出在2次（粗、精）插补策略的基础上，采用“双缓存原理”设计开发其实时操作系统。该方法具有一定的通用性。对各类并联机床数控系统的开发具有指导意义。     

基于Windows CE的数控系统中断控制

比较了几种数控系统的开发平台，指出Windows CE是开发开放式数控系统的一个较理想的选择；讨论了怎样设计驱动程序去完成基于Windows CE的数控系统的中断控制；以数控系统实时插补为例，介绍了IPC5387定时器卡中断驱动程序的开发技术。     

一种基于Windows的全软件数控系统

采用Windows操作系统下外围设备的硬件中断并合理运用Windows的抢占式、多线程机制,可以有效地解决全软件数控系统的插补计算及位置控制的实时性问题。介绍了一种基于Windows2000的全软件数控系统,主要阐述了数控系统软件的功能与结构和I/O适配卡的硬件原理。实践证明,这种前后台结构的数控系统的研制是成功的。     

插补算法的误差及实时性研究

插补计算是数控系统最重要的运算工作，如何正确地选用插补算法，以保证插补运算的实时性和精度是开发数控系统的关键；通过对插补误差的分析，提出一种计算插补误差的算法——均差法，建立了均差法的数学模型，并利用均差法计算出DDA插补和时间分割插补的误差及插补计算时间。     

基于PC与运动控制器的开放式数控系统研究与开发

本文对基于PC与运动控制器的开放式数控系统进行了研究,阐述了基于模块化思想构建开放式数控系统软硬件体系的实现方法;针对系统管理软件要求,提出一种继承模块化的同心圆环结构作为系统管理软件的开发模型,开发了具有较高集成度、较低耦合性的系统管理软件;开发了基于运动控制器的二次插补算法,粗插补采用三次B样条曲线等弦长分割插补算法。该数控系统已应用于实际项目中,收到了良好效果。     

基于PLC的开放式数控NURBS插补功能的研究与实现

针对一种基于PLC的开放式数控系统,应用NURBS(Non-Uniform Rational B-Spline)曲线插补技术,对传统的自由曲线插补算法进行改进.同时根据STEP-NC标准对CAD/CAM/CNC一体化的新型数控插补方法进行研究,利用ActiveX技术实现了与CAD系统的数据交换,并在实验数控系统中加以应用.实验结果证明该插补算法可以有效地提高实时插补速度和精度,提高数控系统的工作效率.     

基于USB通讯的PC-ARM9数控系统设计

设计一种基于USB通讯的PC-ARM9数控系统,采用"上位机+下位机"结构模式。PC机作为上位机负责G代码文件的生成和管理、G代码译码、界面的搭建等任务;以"ARM+CPLD+FPGA"构建的运动控制器作为下位机,负责粗精插补和开关量I/O管理等任务。重点介绍了系统的硬件架构和软件流程。     

An interpolation method for the open CNC system based on EPM

A typical open computer numerical control (CNC) system should own the capability of being redeveloped easily and effectively, and any improvements of interpolation algorithm or machining technique could be put into practice by users conveniently. However, this is not always available in the current open CNC systems. To solve this problem, an interpolation method based on external profile mode (EPM) is introduced to improve the universality and the performance of an open CNC system in this paper. The method is realized with a rough interpolation in the PC host and a fine interpolation in the slave motion controller. With this method, various interpolation algorithms can be easily realized in the rough interpolation when machining complex contours. Meanwhile, the machining parameters during each interpolation cycle can be wholly determined by the host, so a real-time adjustment of machining parameters can be accomplished during the interpolation. The working principal of EPM is presented in this paper, and the realization of interpolation algorithms with the proposed method is described. A look-ahead algorithm for determining the machining parameters of each segment is implemented based on the length of segments in the rough interpolation. An acceleration/deceleration strategy with confined jounce is proposed in the look-ahead algorithm. The experimental results of specific profile interpolation show that the interpolation method based on EPM can make the open CNC system more universality and high performance.     

基于USB数据总线数控系统的研究与开发

设计与研究了基于USB接口进行数据传输和控制的数控系统。系统的软件基于.NET Framework框架,采用C#语言编译,并提出Ribbon风格的图形界面。在Linux系统中嵌入RTAI内核,开发实时控制程序,其主要功能包括伺服的PID位置控制、IO控制、轨迹规划及样条曲线插补等。数控系统采用PIC18F4550芯片搭建系统的硬件平台,经实践证明该系统稳定可靠,能满足实际加工的需要。     

A control strategy with motion smoothness and machining precision for multi-axis coordinated motion CNC machine tools

The advanced manufacture technology requires that multi-axis coordinated motion computer numerical control (CNC) machine tools have the capability of high smoothness and high precision. At present, the study of the motion smoothness mainly concentrates on the acceleration and deceleration control method and the look-ahead process of velocity planning in the interpolation stage. The control strategy of the contouring error mainly focuses on tracking error control, cross-coupling control, and optimal control. In order to improve the motion smoothness and contouring precision for multi-axis high-speed CNC machine tools, a multi-axis modified generalized predictive control approach was presented in this paper. In the control strategy, the estimation models of tracking error, contouring error, velocity error, and acceleration error were structured separately. A new improved quadratic performance index was proposed to guarantee the minimum of these errors. Generalize predictive control was also introduced, a multi-axis generalized predictive control model was deduced for motion smoothness and machining precision for multi-axis coordinated motion CNC system, and an approved multi-axis generalized predictive controller based on the model was designed in this paper. The proposed predicted control approach was evaluated by simulation and experiment of circular, noncircular, and space line trajectories, respectively. These simulative and experimental results demonstrated that the proposed control strategy can significantly improve the motion smoothness and contouring precision. Therefore, the new position control method can be used for the servo control system of multi-axis coordinated motion CNC system, which increases motion smoothness and machining precision of CNC machine tools.     

基于STEP-NC的CNC系统中插补技术研究

STEP-NC是一个新的数控编程接口,基于STEP-NC的CNC系统是未来数控技术发展方向之一.在该系统中不但具有直线和圆弧插补功能,而且还具有样条曲线插补功能.开发了一个统一的 基于NURBS样条曲线插补的通用插补器,推导出一个简洁的NURBS几何数据预处理算法,详细论述了基于等弧长的插补技术和插补原理.最后,通过仿真和实例加工验证了上述算法的有效性和可靠性.     

齿轮加工数控系统体系结构的研究

对齿轮加工数控系统体系结构进入深入研究,分析了非全功能齿轮加工数控系统,基于软件插补的全功能齿轮加工数控系统和基于硬件控制的全功能齿轮加工数控系统的体系结构,特点及其适用范围,最后,分析了齿轮加工数控系统体系结构的发展趋势。     

基于环形补偿参数曲线插补算法

对于数控加工中参数曲线的加工,提出了一种新的插补算法,该算法利用泰勒展开对曲线方程进行重构,引入误差补偿思想,对插补过程中产生的误差反复补偿,从而满足目标要求,通过仿真和实际切削实验,表明该算法简单实用、通用性强、算法精度高,能够保证参数曲线的光滑性,有利于提高参数曲线加工质量和加工效率.     

一种适合于超精密加工的特殊精密曲线插补算法

针对超精密车床提出一种新型的插补计算方法,将特殊精密曲线的插补功能集成到数控系统内部,并提出双圆弧逼近的误差的通用估计准则和生成程序段数目的估计算法。     

基于Newton-Rapson迭代法的NURBS插补算法的研究

一阶、二阶Taylor展开式求解NURBS曲线插补坐标点ui+1,存在计算量大、插补时间长等问题,该文提出了一种基于Newton-Rapson迭代法的NURBS插补算法。仿真和实验结果表明:该算法计算过程简单有效,具有可行性和实用性,可以减少插补计算量和插补时间,提高插补精度和加工效率,满足了数控系统实时、高速、高效率插补的要求,对其他数控插补的过程具有很强的借鉴意义。