机床嵌入式数控系统中模拟量I/O单元研究

发布时间：2021-01-09 11:52

　　数控系统作为数控机床的核心,是决定数控机床性能、功能、可靠性和成本的关键因素。嵌入式数控系统具有专用性强、稳定性好、可靠性高、灵活性强等优点,广泛应用于各类数控机床中。现有机床嵌入式数控系统通常没有辅助设备的控制功能,液压润滑等辅助功能通常由独立的PLC完成,这种结构既有不合理之处,又很难满足对机床前后设备和环境进行控制的发展趋势需求。本文首先在嵌入式数控系统及其发展的基础上,分析了当今机床数控系统的组成结构和不合理的地方,明确了开发全嵌入式机床数控系统的必要性,并提出了既能克服传统机床数控系统不足,又能满足发展需求的全嵌入式机床数控系统方案。该方案将人机接口、运动控制器、各类I/O作为网络站点并构成网络,实现对数控机床、辅助设备、前后设备和环境设备的控制。本文重点研究上述方案中的模拟量输入和输出模块。分析了系统所需完成的功能和所需的资源后,对比各种嵌入式方案,确立了以“STM32+FPGA”为核心的系统架构,完成对模拟量信号输入和输出（8路输入,8路输出）的控制。系统以STM32为主控芯片,完成A/D、D/A转换和产生控制信号功能,以FPGA作为数据处理核心,完成数据的缓存和传输功能... 

【文章来源】：华南理工大学广东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：83 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

传统的机床数控系统结构

图 2-1 全嵌入式机床数控系统方案Fig.2-1 The scheme of total embedded CNC system2.3AI 和 AO 模块方案设计所设计的 AI、AO 模块除了要作为机床嵌入式数控系统的一个站点外，还应具有下特点：1、具有嵌入式系统体积小，低成本，低功耗，数据处理能力快等优点；2、完成 8 路模拟量的输入和 8 路模拟量的输出，输入电压范围为 0～10V，输出压范围为 0～5V；3、具有较高的可靠性和精度；4、与上位机的数据传输具有较高的传输速率。鉴于此，系统采用基于主控芯片加 FPGA 的组合。主控芯片需要符合嵌入式设计高性能、低成本、低功耗等要求，内部需集成有 ADC、DAC 等模块，且要有丰富的设和接口以保证与 FPGA 的通信。FPGA 基于纯硬件电路，内部程序可以并行运行，

11图 2-2 AI、AO 模块总体框图Fig.2-2 The overall block diagram of AI and AO module为了充分利用系统资源，将 AI、AO 部分集成到一个系统版上，故主要包含三个功能模块：模拟量信号输入模块，模拟量信号输出模块和信号处理模块。模拟量信号输入模块包括隔离电路、STM32 内部的 ADC 等。负责对 8 路模拟量信号采集，提供给 AD做 A/D 转换，得到数字量信号。模拟量输出模块包括 STM32 内部的 DAC、模拟开关电路、隔离电路和采样保持电路等。负责接收数字量信号，提供给 DAC 做 D/A 转换输出模拟量对 8 路负载进行控制。信号处理模块包括 STM32 的 FSMC 模块，FPGA 内部电路和 RS422 电路等。负责将相关数据转换成符合通信协议规定的格式传输给上位


本文编号：2966600