第２３卷第１期 机电产品开崖与 斩 Ｖｏ１．２３．ＮＯ．１ ２０１０年１月 Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ＆Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ ｏｆ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ＆Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ Ｊａｎ．，２０１０ 文章编号：１００２—６６７３（２０１０）Ｏ１—１７３—０３ 基于ＡＲＭ＋ＰＭＡＣ结构的数控系统设计 戴朝永 （广州数控设备有限公司，广东广州５１０１６５） 摘 要：主要阐述ＡＲＭ＋ＰＭＡＣ的数控系统的硬件体系架构、ＡＲＭ（ｔｘＣ／ＯＳ）与ＰＭＡＣ之间的通讯的 实现、ＡＲＭ与ＰＭＡＣ数控系统软件结构，这种结构思路能够开发出高速高精的数控系统。 关键词：ＡＲＭ；ＰＭＡＣ；高速高精；数控系统 中图分类号：ＴＧ６７ 文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００２—６６７３．２０１０．０１．０６９ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ＣＮＣ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＡＲＭ＋ＰＭＡＣ ＤＡＩＣｈａｏ－Ｙｏｎｇ （ＧＳＫ ＣＮＣ ＥＱＵＩＰＭＥＮＴ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ ５１０１６５，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｔ ｍａｉｎｌｙ ｅｘｐｏｕｎｄｓ ｔｈｅ ｈａｒｄｗａｒｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ＣＮＣ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ ＡＲＭ＋ＰＭＡＣ，ｔｈｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ＡＲＭ（￣Ｃ／ＯＳ）ａｎｄ ＰＭＡＣ，ａｎｄ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ＣＮＣ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ ＡＲＭ ａｎｄ ＰＭＡＣ，ｔｈｉｓ ｃｏｎｃｅｐｔｉｖｅ ｃａｎ ｄｅｖｅｌｏｐ ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ＣＮＣ ｓｙｓｔｅｍ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＡＲＭ；ＰＭＡＣ；ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ；ＣＮＣ ｓｙｓｔｅｍ ０引言 板。在ＣＰＵ板上运行以Ｉ￣Ｃ／ＯＳ多任务实时控制操作系 统中的ＣＮＣ数控系统，其对界面控制、ＰＬＣ控制、译 当前数控系统的发展都是以模块化，集成化和开放 码、刀补，及译码或刀补后的指令转换成ＰＭＡＣ指令接 化为发展趋势，在这样的环境中产生ＡＲＭ＋ＦＰＧＡ＋ 口；在ＰＭＡＣ中要实现对各轴的插补，并用其本身的 ＰＭＡＣ结构的数控系统的设想。ＰＭＡＣ（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ＰＬＣ功能实现回零功能。ＰＭＡＣ卡能过各轴控制信号以 Ｍｕｌｉ—Ａｘｉｓ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）是多轴运动控制器，是目前世界 及ＣＰＵ板的Ｉ／０信号都通过Ｉ／Ｏ板与机床、伺服及电机 上功能最强的运动控制器之一，不仅有相当高的轨迹跟 控制柜的连通形成一个回路。结构如图１所示。 踪能力，而且有运算快、精度高的能力。ＡＲＭ是在工 控业应用成熟的一款ＣＰＵ，加上源码开放性、高稳定性 和高可靠性的ＩｘＣ／ＯＳ多任务实时操作系统结合。只要这 种ＡＲＭ＋ＰＭＡＣ的结构在具备以上条件就能够开发出一 款高性能的数控系统。 １硬件体系架构 ＰＭＡＣ运动控制器选用ＰＭＡＣ２一ＰＣ１０４（４０ＨＭＺ） 型，能控制１－８轴，在插补时有前瞻的功能。整个硬件 图１硬件结构图 Ｆｉｇ．１ Ｈａｒｄｗａｒｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｐａｔｔｅｒｎ 结构由三层组成：ＡＲＭ为ＣＰＵ的线路结构板为一层 （简称ＣＰＵ板）；ＰＭＡＣ卡为一层；输入输出电路板为一 层（简称Ｉ／０板）。ＣＰＵ板与Ｉ／０板连接，ＰＭＡＣ也与Ｉ／Ｏ ２ ＡＲＭ与ＰＭＡＣ通讯的实现 板连接，ＣＵＰ板与ＰＭＡＣ卡通讯是以ＩＳＡ总线方式，外 ＡＲＭ与ＰＭＡＣ之间的通讯稳定性很重要，选择 部Ｉ／０信号通过Ｉ／０板分别可发送到ＰＭＡＣ卡和ＣＰＵ ＰＭＡＣ２一ＰＣ１０４（４０ＨＭＺ）型，其具有ＩＳＡ总线和ＲＳ２３２ 两种通讯方式。我们采用ＩＳＡ总线通讯方式，首先实现 收稿日期：２００９—１１—２７ 作者简介：戴朝永（１９７７一），男，江西大余县人，大学专 ＣＵＰ板与ＰＭＡＣ卡的ＩＳＡ总线之间的硬件连接，实现通 科。研究开发数控铣床系统。 过ＦＰＧＡ中提供一个基地址与ＰＭＡＣ的ＩＳＡ总线的基地 １７３ ・数控机床世界・ 址映射起来，然后实现低层的（ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｓｈｏｒｔ ａｄｄｒｅｓｓ） 以０ＤＯＡ（回车换行）结束一行， 与ｏｕｔｐｏｒｔ（ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｓｈｏｒｔ ａｄｄｒｅｓｓ，ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｃｈａｒ ｄａｔａ）两 ｆｌａｇ＝Ｐｍａｃ＿ＳｅｎｄＣｈａｒ（ｏｕｔｃｈａｒ［ｉ］）； 个基础通讯函数实现如下： ｉｆ（ｆｌａｇ）ｆ ＃ｄｅｆｉｎｅ ＦＰＧＡ＿ＩＳＡＲＥＡＤＹ （ｖｏｌａｔｉｌｅ ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｓｈｏｒｔ ） ｓｐｒｉｎｆｆ ｆｔｍｐＧｅｔＬｉｎｅＢｕｆ，”Ｓｅｎｄ Ｔｉｍｅ Ｏｕｔ＝％ｓ”， ０ｘ２０００００３Ｃ）／／写数据映射地址 ｏｕｔｅｈａｒ）； ＃ｄｅｆｉｎｅ ＦＰＧＡ（ （ｖｏｌａｔｉｌｅ ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｓｈｏｒｔ ） ＵａｒｔＰｒｉｎｔｆ（ｔｍｐＧｅｔＬｉｎｅＢｕｆ）； ＿ＩＳＡＲＥＡＤ０ｘ２０００００３Ｅ）Ｈ读数据映射地址 ｝ ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｃｈａｒ ｉｎｐｏｒｔ（ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｓｈｏｒｔ ａｄｄｒｅｓｓ）ｆ，／读取数据 ｉ＋＋： ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｓｈｏｒｔ ｉｎ ＩＳＡａｄｄｒｅｓｓ； ） —ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｓｈｏｒｔ ｉｎｔ ｉＴｉｍｅ＝Ｏ； Ｐｍａｃ—ＳｅｎｄＣｈａｒ（１３）； ＩＳＡ＿ａｄｄｒｅｓｓ＝（ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｓｈｏｒｔ ｉｎｔ ）（（ａｄｄｒｅｓｓ＜＜１）＋（ｕｎ— ｒｅｔｕｒｎ ０： ｓｉｇｎｅｄ ｉｎｔ）０ｘ２０００３０００）； ） ＦＰＧＡＩＳＡＲＥＡＤＹ＝ ＩＳＡａｄｄｒｅｓｓ； ｉｎｔ ＰＭＡＣ—ＧｅｔＬｉｎｅ（ｃｈａｒ ｌｉｎｅｂｕｆ）｛ ——ｗｈｉｌｅ（（（ＦＰＧＡ＿ＩＳＡＲＥＡＤＹ＆ＯｘｒＶ）！＝０ｘ５５）＆＆（（ｉＴｉｍｅ＋＋） ｃｈａｒ ｉｃ＝０； ＜１０００））； ｉｎｔ ｉ＝０，ｎｃ＝０； ｉｆ（ｉＴｉｍｅ＜１０００）ｒｅｔｕｒｎ（（ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｃｈａ０（ＦＰＧＡ＿ＩＳＡＲＥＡＤ ｉｆ（ａｂｌｅ ｔｏ ｔａｌｋ）（ ＆０ｂ（ＦＦ））； ｗｈｉｌｅ ｒｉ＋＋＜ＰＭＡＣ ｔｉｍｅｏｕｔ＆＆ｉｃ！＝１３＆＆ｎｅ＜ ｅｌｓｅ ｒｅｔｕｒｎ ０： ２５５） ｝ ｉｆ（（ｉｎｐｏｔｒ（ｃｏｍｂａｓｅ＋２）＆１）＝＝１）｛ ｖｏｉｄ ｏｕｔｐｏｒｔ（ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｓｈｏｔｒ ａｄｄｒｅｓｓ，ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｃｈａｒ ｄａｔａ） ｉｃ＝ｉｎｐｏｒｔ（ｃｏｍｂａｓｅ＋７）； ｌｌ『写入数据 ｌｉｎｅｂｕｆ［ｎｃ＋＋】＝ｉｃ； ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｓｈｏｒｔ ｉｎｔ ＩＳＡａｄｄｒｅｓｓ； ｉ：０： ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｓｈｏｒｔ ｉｎｔ ｉＴｉｍｅ＝０； ｝ ＩＳＡａｄｄｒｅｓｓ＝（ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｓｈｏｒｔ ｉｎｔ ）（（ａｄｄｒｅｓｓ＜＜１）＋（ｕｎ－ ｉｆ（ｉ＞＝ＰＭＡＣ—ｔｉｍｅｏｕｔ）｛ ＿ｓｉｇｎｅｄ ｉｎｔ）０ｘ２０００３０００）； ｌｉｎｅｂｕｆ［ｎｃ］＝０； ＩＳＡ＿ａｄｄｒｅｓｓ＝（ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｓｈｏｒｔ ｉｎｔ）ｄａｔａ； ｒｅｔｕｒｎ（ｏ）； ｗｈｉｌｅ（（ｆ ＰＧＡ—ＩＳＡＲＥＡＤＹ＆０ｘＦＦ）！＝０ｘ５５）＆＆（（ｉＴｉｍｅ＋＋） ） ＜１０Ｏ０））； ｌｉｎｅｂｕｆ【ｎｃ】＝０； ） ｒｅｔｕｒｎ（ｎｃ）； 实现以上两个函数后．就可以根据ｉｎｐｏｒｔ０与ｏｕｔｐｏｒｔＯ可 ）ｅｌｓｅ｛ 以实现发送一个字符串指令和接收一个字符串功能的函数 ｌｉｎｅｂｕｆ［０】＝０； ｉｎｔ Ｐｍａｃ—ＳｅｎｄＬｉｎｅ（ｃｈａｒ＊ｏｕｔｃｈａｒ）、ｉｎｔ Ｐｍａｃ—ＳｅｎｄＣｈａｒ（ｃｈａｒ ｒｅｔｕｒｎ（０）； ｏｕｔｃｈａｒ）与ｉｎｔ Ｐｍａｃ—ＧｅｔＬｉｎｅ（ｃｈａｒ ｌｉｎｅｂｕｆ），实现代码如下： ｝ ｉｎｔ Ｐｍａｃ＿ＳｅｎｄＣｈａｒ ｃｈａｒ ｏｕｔｃｈａｒ）ｆ ） ｉｎｔ ｉ－０： 可根据以上基本的函数实现ＰＭＡＣ初始化配置函数 ｗｈｉｌｅ（（ｉ＜ＰＭＡＣ—ｔｉｍｅｏｕｔ）＆＆！（ｉｎｐｏｒｔ（ｃｏｍｂａｓｅ＋２）＆ ｃｏｎｆｉｇ＿ｃａｒｄ＿ｆｏｒ（ｖｏｉｄ），偏移量地址为：０Ｘ２１０实现如下： ２））｛ｉ＋＋；｝ ｅｏｍｂａｓｅ＝０Ｘ２１０； ｉｆ（ｉ＜ＰＭＡＣ＿ｔｉｍｅｏｕｔ）ｏｕｔｐｏｒｔ（ｃｏｍｂａｓｅ＋７，ｏｕｔｃｈａｒ）； ＰＭＡＣｔｉｍｅｏｎｔ＝７ ｓｐｅｅｄ ｌ００；／／通讯的超时时间 —ｅｌｓｅ ｒｅｔｕｒｎ １： ｏｕｔｐｏｔｒ（ｅｏｍｂａｓｅ＋５，０）； ｒｅｔｕｒｎ（０）； ｏｕｔｐｏｒｔ（ｃｏｍｂａｓｅ＋６，０）； ｝ 以下是实现检查ＰＭＡＣ卡是否存，实现函数ｉｍ ｉｎｔ ＰｍａｃＳｅｎｄＬｉｎｅ（ｃｈａｒ ｏｕｔｃｈａｒＣａｒｄｓ一０ｎ—Ｌｉｎｅ（ｖｏｉｄ），当返回是１表示卡已成功找到已连接． ＿）｛ ｉｎｔ ｉ＝Ｏ．ｉｎｔｆｌａｇ＝０； 实现代码如下： ｃｈａｒ ｔｍｐＧｅｔＬｉｎｅＢｕ玎５００］； ｉｎｔ ｉ＝０，ｎ＝０； ｗｈｉｌｅ（ｏｕｔｃｈａｒ［ｉ］！＝０）｛ ａｂｌｅ—ｔｏ—ｔａｌｋ＝１； ｉｆ（ｉ＞２５５）ｒｅｔｕｒｎ ０；／／退出 ｗｈｉｌｅ ｎ＜３＆＆ｉ＜１１）｛ ｉｆ（ｏｕｔｃｈａｒ［ｉ】＝＝１Ｏ）ｂｒｅａｋ；，／换行符 ＰＭＡＣ＿ＳｅｎｄＬｉｎｅ（”ＲＨＬ：￥７２０”）； ｅｌｓｅ ｉｆ（ｏｕｔｃｈａｒ［ｉ】＝＝１３）ｂｒｅａｋ；／／回车符（文本文件是 ｉ＝Ｐｍａｃ—ＧｅｔＬｉｎｅ（ＰＭＡＣ ＩｎｐｕｔＢｕｆ）； ｎ＋＋；ｌ １７４ ・数控机床世界・ ｉｆ（ｊ＞１１＆＆ｊ＜１７）｛／嘁功找到已连接 Ｕａ札Ｐｒｉｎｔｆ（”Ｆｏｕｎｄ ＰＭＡＣ…＼ｒ＼ｎ”）； ｗｈｉｌｅ ｒ＇ｍａｃ—ＧｅｔＬｉｎｅ（ＰＭＡＣ—ｌｎｐｕｔＢｕｆ））；，半清除ＰＭＡＣ 的输出缓冲 ， ｒｅｔｕｒｎ（１）； ｝ｅｌｓｅ｛ ＵａｒｔＰｒｉｎｔｆ ｆ”Ｎｏ ＰＭＡＣ ｆｏｕｎｄ！＼ｒ＼ｎ”）； 图２软件结构图 Ｆｉｇ．２ Ｓｏｆｔｗａｒｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｐａｔｔｅｒｎ ａｂｌｅｔｏｔａｌｋ＝０； ——ｒｅｔｕｒｎ（ｏ）； ｝ 以上ｃｏｎｆｉｇｃａｒｄｆｏｒ ０与Ｃａｒｄｓ—Ｏｎ—Ｌｉｎｅ ０就能够实 ＿＿ＮＣ参数、ＰＬＣ到机床参数诊断；参数设置可以设置各 轴反向误差补偿、快速进给速度、空运行速度、轴的方 向，正反向限位等，使数控系统应用到各种机床，在参 现卡的配置与连接。还有一个重要的ＰｍａｃＧｅｔＲｅｓｐｏｎｓｅ 数界面中还有ＰＩＤ调试功能，修改相对应轴的ＰＩＤ参数 来调整电机的理论位置与实际位置的跟随误差与钢性： 补偿是刀具半径、长度、螺距、间隙的设置：报警是当 系统出现异常时报警，如果这种报警是内容报警则暂停 （ｃｈａｒ ｒｅｓｐｏｎｓｅ，ｊｎ￡ｒｅｔｌｅｎ，ｃｈａｒ ｃｏｍｍａｎｄ）函数要实现，这 １ 个函数可以实现ＰＭＡＣ的指令和Ｇ、Ｍ、ｓ、Ｔ指令发送， Ｉ 都是以字符形式发送，返回的表示当前指令是否执行成功， ！ ｒｅｓｐｏｎｓｅ指针表指令执行后返回数据信息，ｃｏｍｍａｎｄ执行的 ： 指令代码，实现代码如下： ｃｈａｒ ｔｍｐＲｅｓＰｏｎｓｅ［５０００］＝… ； ｉＪ 运行并显示报警否则只显示报警信息，并且保存报警信 Ｊ 息。Ｉ （２）由ＰＬＣ控制的功能：编辑是对本地程序进行添 Ｉ ｎｔ ｌｅｎ＝０，ｉｌｅｎ＝０；ｉｔｍｅｓ＝１００００； ＿ＰＭＡＣＳｅｎｄＬｉｎｅ（ｃｏｍｍａｎｄ）； 加、删除、修改然后保存；自动是能够载人本地的ＮＣ ｗｈｉｌｅ（ｉｔｍｅｓ一＞Ｏ）｛ ｌｅｎ：ＰＭＡＣ—Ｉ 程序文件，能够连续运行，在加工过程中实时显示当前 点理论位置、实际位置以及跟随误差等加工状态：在运 ｌ 助锁、暂停；录入是能够进行单段程序、单个Ｇ、Ｍ、： ＧｅｔＬｉｎｅＬｏｎｇ（ｔｍｐＲｅｓＰｏｎｓｅ）； ｍｅｍｃｐｙ（ｒｅｓｐｏｎｓｅ＋ｉｌｅｎ，ｔｍｐＲｅｓＰｏｎｓｅ，ｓｉｚｅｏｆ（ｔｍｐＲｅｓＰｏｎｓｅ））； ｌ 行过程中还可以执行跳段、单段、空运行、机床锁、辅 ｓｔｒｅｐｙ（ｔｍｐＲｅｓＰｏｎｓｅ， ）； ｊｆ（（ｊｌｅｎ＋１ｅｎ）＞＝Ｉｅ＿￡１ｅｎ）ｒｅｔｕｒｎ ｒｅｔｌｅｎ； Ｓ、Ｔ指令；回零是可以实现回到机床的零点位置，可 ｝ｉｌｅｎ＝ｉｌｅｎ＋ｌｅｎ； ｉｆ（１ｅｎ＜４９９９）ｂｒｅａｋ；｝ ｉｆｉｔｉｍｅ＞０）ｒｅｔｕｒｎ ｉｌｅｎ； ｌ 以三轴同时进行回零和也可以单个轴单独回零；单步是 Ｉ ： 指每次运行指定的长度；手动是指能够连续对各个轴移 动：手轮是通过对档位调节使各轴精确定位到某个位 置；ＤＮＣ与自动方式有基本相同，区别在于它所调用的 ｅｌｓｅ ｒｅｔｕ１３３ ０； ｐｏｒｔ ０两个基本的函数来实现。 ｉ ｆ 其它函数可根据自己的需要．能过ｉｎｐｏｒｔ ０与ｏｕｔ— ｊ 文件是ＵＳＢ存储器中的文件或通过串口传人的数据， 不能执行Ｍ９９功能。 ３ ＡｌｌＭ与ＰＭＡＣ数控系统软件结构 １ ４总结 为了实现数控系统的模块化和集成化，根据传统的 ｆ 根据以上提出的数控系统控制方案中。采用了基于 ＡＲＭ的ＣＰＵ板的硬件控制平台和基于￣Ｃ／ＯＳ多任务实 时操作系统上开发的传统数控软件系统平台．结合 ＰＭＡＣ多轴运动控制器的高速高精的插补功能。为快速 ｌ 数控系统的结构与功能可分为非ＰＬＣ控制功能方式和 ＰＬＣ控制功能方式。非ＰＬＣ控制功能方式主要是针对图 Ｉ 形界面的控制，而ＰＬＣ控制功能方式是针对不同的编 Ｊ 辑、运行控制方式。其结构如图２所示。 ｉ （１）非ＰＬＣ控制的功能：设置、位置、图形、参 ： 的开发ＡＲＭ＋ＰＭＡＣ硬件结构数控系统提供了一种模式， 目前该模式的数控系统已在广州数控设备有限公司的 ２１８ＭＡ系统上得到了良好应用。 数、诊断、补偿、报警的界面在任何时候都能够相互的 ｌ 切换。设置功能包括：基本设置的中英文件设置和使用 Ｉ 位置主要包括显示相对坐标、绝对坐标、跟随误差、进 串口还是ＵＳＢ接口设置，开关控制参数是否可以修改； ｌ 参考文献：［１】ＰＭＡＣ／ＰＭＡＣ２ Ｓｏｆｔｗａｒｅ Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ Ｍａｎｕａ１．ＤＥＬＴＡ ＴＡＵ Ｄａｔａ Ｓｙｓ－ ｔｅｒｎｓ，２００６． 给速度、实际速度、主轴正反转和速度以及Ｇ代码模 ｊ 或三维的图形；程序是显示当前加工或编辑的ＮＣ程序 ： 的界面；诊断是对Ｉ／Ｏ信号、ＣＮＣ到ＰＬＣ参数、ＰＬＣ到 Ｉ 态；图形是显示当前加工工件的加工轨迹，可以以二维 ｉ ［３］ＰＭＡＣ２Ａ－ＰＣ／１０４ ＨＡＲＤＷＡＲＥ Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ Ｍａｎｕａ１．ＤＥＬＴＡ ＴＡＵ Ｄａｔａ Ｓｙｓｔｅｍｓ，２００６． ［２］ＰＭＡＣ Ｕｓｅｒ＇ｓ ＭＡＮＵＡＬ．ＤＥＬＴＡ ＴＡＵ Ｄａｔａ Ｓｙｓｔｅｍ，２００４． １７５
