1、    基于 PCI總線的并聯(lián)機床運動控制卡設(shè)計引言 并聯(lián)機床（ParallelMachineTool）又稱虛擬軸機床 （VirtualAxisMachineTool）或并聯(lián)運動學機器，是基于并聯(lián)機構(gòu)的新型數(shù)控加工設(shè)備，實質(zhì)上是機器人技術(shù)、機床結(jié)構(gòu)技術(shù)、數(shù)控技術(shù)等相結(jié)合的物，它同時兼顧了機床和機器人的諸多特性，既可以看作是機器人化的機床， 又可以看作是機床化的機器人 。它能夠提供機器人的靈活與柔性，又具有機床的剛度和精度，是集多種功能于一體的新型機電設(shè)備。并聯(lián)機床的結(jié)構(gòu) 并聯(lián)機床結(jié)構(gòu)示意圖引言     

2、并聯(lián)機床（Parallel Machine Tool）又稱虛擬軸機床 （Virtual Axis Machine Tool）或并聯(lián)運動學機器，是基于并聯(lián)機構(gòu)的新型數(shù)控加工設(shè)備，實質(zhì)上是機器人技術(shù)、機床結(jié)構(gòu)技術(shù)、數(shù)控技術(shù)等相結(jié)合的物，它同時兼顧了機床和機器人的諸多特性，既可以看作是機器人化的機床， 又可以看作是機床化的機器人 。它能夠提供機器人的靈活與柔性，又具有機床的剛度和精度，是集多種功能于一體的新型機電設(shè)備。并聯(lián)機床的結(jié)構(gòu)     并聯(lián)機床結(jié)構(gòu)示意圖見圖1，它由伺服（步進）電機1、固定平臺2、支架3、

3、伸縮桿4、動平臺5、銑削頭6、工作臺7等組成。安裝在固定平臺和動平臺之間的伸縮桿由伺服電機（或步進電機） 驅(qū)動，帶動伸縮桿內(nèi)的滾珠絲杠和螺母運動，使伸縮桿的長度發(fā)生變化。由于各伸縮桿（一般為6桿或3桿）的長度發(fā)生變化，使得動平臺的位姿發(fā)生變化，多個伸縮桿共同運動，驅(qū)動動平臺實現(xiàn)上升、下降、翻轉(zhuǎn)等運動，帶動銑削頭實現(xiàn)工作所需的各種運動。各伸縮桿采用相互獨立的伺服驅(qū)動裝置驅(qū)動 。開放式的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)     對于并聯(lián)運動機床來說，其最大特點就是機械結(jié)構(gòu)非常簡單，而控制卻異常復雜。并聯(lián)運動機床的控制系統(tǒng)必須采用開放式結(jié)構(gòu)。目前，國內(nèi)外的開放式數(shù)控系統(tǒng)主要有如下

4、3種結(jié)構(gòu)形式 。  1 專用CNC十PC型即在傳統(tǒng)的非開放式的專用數(shù)控系統(tǒng)中嵌入機，使得整個系統(tǒng)可以共享一些計算機軟硬件資源 。部分完成系統(tǒng)管理等非實時控制任務，實現(xiàn)輔助編程、分析、監(jiān)控和編排工藝等功能；CNC部分負責完成插補計算、伺服控制以及IO控制等一些實時控制任務。這種結(jié)構(gòu)形式的數(shù)控系統(tǒng)其開放性只在機部分，其專業(yè)的數(shù)控部分仍處于封閉狀態(tài)，不能實現(xiàn)CNC內(nèi)核的開放，此類結(jié)構(gòu)形式一般為主流數(shù)控系統(tǒng)廠商所采用。2  PC+運動控制卡這種基于開放式運動控制卡的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是以通用微機為平臺，以標準插件形式的開放式運動控制卡為控制核心。通用PC機實現(xiàn)數(shù)控程序編輯 、人機界

5、面管理、外部通信等功能，運動控制卡負責機床的運動控制和邏輯控制。它支持用戶的二次開發(fā)和自主擴展，既具有PC機的開放性，又具有專用數(shù)控模塊的開放性，可以說它具有上、下兩級的開放性。3  純PC型即全軟件形式的PC機數(shù)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)是指的全部功能均由PC機進行處理， 并通過裝在擴展槽中的伺服接口卡對伺服驅(qū)動等進行控制。其軟件的通用性好，編程處理靈活，但存在著操作系統(tǒng)的實時性、標準統(tǒng)一性以及系統(tǒng)穩(wěn)定性等問題。目前這類系統(tǒng)正處于探索階段，還尚未形成產(chǎn)品，但它代表了數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展方向。如果著眼于經(jīng)濟型數(shù)控并聯(lián)機床控制系統(tǒng)的設(shè)計，選擇PC+運動控制卡的開放式數(shù)控系統(tǒng)是當前最為理想的。以PC機和運

6、動控制卡為控制系統(tǒng)核心，直接將系統(tǒng)平臺構(gòu)筑于PC機的軟硬件基礎(chǔ)之上，驅(qū)動元件為步進電機，系統(tǒng)在Windows環(huán)境下用VC+ 語言實現(xiàn)，軟件的設(shè)計采用面向?qū)ο蟮姆椒ā；赑CI總線的并聯(lián)機床運動控制卡設(shè)計并聯(lián)機床運動控制卡通過控制機床各個驅(qū)動桿實現(xiàn)主軸的運動，控制軸數(shù)較多，同時還要得到所要求的刀具運動軌跡。要實現(xiàn)刀具的高速、高精度軌跡控制，運動控制卡和PC機存在著大量的數(shù)據(jù)交互，傳統(tǒng)的方式是采用ISA總線進行，由于ISA總線帶寬限制，數(shù)據(jù)傳輸速度慢，使PC機在數(shù)據(jù)傳輸方面花費的時間較多，從而在其它方面的處理時間相對縮小。本系統(tǒng)實現(xiàn)運動控制卡與PC機通信，能夠達到很高的數(shù)據(jù)傳輸速率，使PC機的處理

7、能力大大增強，從而保證了數(shù)控系統(tǒng)的實時性，并且使開發(fā)相應的基于平臺的數(shù)控軟件更容易，和配套的其它軟件的接口更方便?？刂葡到y(tǒng)硬件組成圖見圖2。該系統(tǒng)采用的是公司的32位定點DSP芯片TMS320VC33 。DSP芯片負責接受PCI局部總線的命令和參數(shù)，然后通過運動控制算法完成對步進電機的精確運動控制，同時芯片還負責將反饋信息傳輸給PCI局部總線，并且控制系統(tǒng)外圍IO模塊。DSP與PC機的通信通過橋接芯片CY7C09449PV實現(xiàn)。    1  CY7C09449PV與PC機的連接總線是目前應用最廣泛、最流行的一種高速同步總線，具有64位總線寬度，工作頻率3

8、3MHz，最大傳輸速率可以達到132Mbs。它可將外設(shè)直接掛到主機CPU局部總線上并以CPU速度運行，可以大大提高外設(shè)的運行速度。DSP與PC機的通信通過連。CY7C09449PV是Cypress 公司提供的符合PCI22總線規(guī)范的功能完善、價格低廉的雙端口RAM 接口芯片。其中，一個端 口是PCI接口，適合與PC機通信；另一端口為本地接口。 它提供主目標接口， 可以同任何通用微處理器連接，片內(nèi)有128雙端口存儲器用于局部處理器與PCI總線數(shù)據(jù)共享。CY7C09449PV與PCI總線的連接見圖3 。2  PCI 總線開發(fā)方案的實現(xiàn)專用芯片CY7C09449PV采用3.3V單 電源供電

9、，兼容3V和5V的PCI信號環(huán)境。電源可由PCI 槽引出，PCI 槽可以提供3.3 V、5V電壓，在PCI 槽需特別注意兩個引腳 P RS NT1 和，這兩個引腳接地和懸空的4種組合直接決定 PCI卡的功率。CY7C09449PV在使用時，某些引腳要加阻值為l kfI 10kfl的下拉或上拉電阻。根據(jù)具體情況， 在該設(shè)計中， SCI 、S DA、AIE、BE 2 、RDY 引腳加上拉電阻， TESTMODE引腳加下拉電阻。      是TI公司新推出的系列新一代浮點DSP，它是在原來浮點DSP的基礎(chǔ)上開發(fā)的一個價格更低的版本，該產(chǎn)品以高速、低功耗、低成本、易于開發(fā)為顯著的特點。由于它采用了內(nèi)部1 . 8 V、外部. 3 V供電 ，因而功耗比原有型號降低了大約一個數(shù)量級，而且能支持高達150 ×10次s的運行速度，是需浮點運算的便攜式產(chǎn)品中的一種理想的DSP器件 。作為控制系統(tǒng)的核心， TMS320VC33主要完成實時中斷的伺服控制程序，包括對各種底層硬件的操作。它采用32 位局部總線接 口方式， 時鐘信號可以是單獨提供的時鐘源，也可以是 CY7C09449PV提供的 PCI 時鐘信號 PCI   KOUT2&