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基于FPGA的硬件可重构数控系统的研制

发布时间:2016/07/19 点击量:

21世纪的制造业环境迫使企业必须提高工厂和对市场的快速响应度,以获得市场竞争优势。为此,人们提出了一种新的制造模式一可重构制造系统它能够通过重组或改变自身部件,快速调整生产能力和功能,以适应新的生产环境需要美国国家研究年制造业挑战设想“的报告,其中将可重构制造系统列为优先考虑的领域之一可见可重构能力将是未来制造系统必须具备的核心能力之一。对一个制造系统来说,要想满足系统重构要求,它的子系统或部件应具有重构能力。所以,作为制造系统的关键单元一一也必须具备重构能力。从重构角度,把能够通过重组或改变自身构件,快速调整控制能力,以适应制造系统整体重构需要的数控系统称作可重构数控系统在可重构数控系统的研究方面,国内外主要采用软件的途径5随着高集成度、高速度和具备硬件重构能力的现场可编程逻辑器件FPGA(FieldProgrammableGatesArray)的出现,利用其构造数控系统的控制内核,并充分利用它的硬件可重构性,可以实现数控系统功能的重构,以及远程升级和维护。这是一条可重构数控系统硬件实现途径本文主要介绍利用FPGA构造可重构数控系统的方法和具体实现该可重构数控系统的软件为1可重构主要完成Yblis仿真时序如图FPGA构造可重构数控系统的方法从系统学的观点,组成系统的个体必然包含系统共性的特征所以,按照M.G.MEHRABI等人对可重构制造系统特征的定义,可重构数控系统也必定具备以下特征:模块化、可集成、可转换、可维护、可定制采用FPGA构造数控系统这些特征能够得到很好的体现模块化可以对数控系统依功能进行模块划分,然后采用硬件描述语言进行逻辑描述,制作成专门的数控IP可集成将自己开发的数控IP和从其它IP供应商购买到的标准IP,利用专门的综合软件集成数控系统描述语言支持参数化,只要模块接口定义开放,也可以通过修改数控IP和整合不同的IP来改变设计,下载不同的配置数据,从而既能够满足目前加工要求,也能适应未来的加工要求的变化可维护FPGA能够实现在系统编程和在系统重构,所以可以通过重新下载配置数据实现本地或远程升级系统和维护。对于具备动态可重构能力的器件,这种维护还能在线进行。

    可定制采用FPGA构造数控系统通过裁减和重整不同的IP,实现功能的定制,满足特定的将工要求,避免大而全,功能冗余。

    FPGA构造数控系统的具体实现3.1基于FPGA的经济型可重构数控系统结构采用基于FPGA的开发技术,进行一经济型可重构数控系统的原型开发该系统采用单片机(MCS-51系列)完成对FPGA的配置和二进制加工数据的收发,并利用FPGA构造数控系统核心(如所示)数控系统核心由扩展DDA圆弧硬插补器IP指数加减速IP限位控制器IP光电编码器四倍频电路IP数据输入接口IP,译码器IP,分频器IP以及主控制器IP组成(如所示),采用大约50000门的Altera公司的AcexlK系列器件即可实现整个系统建立在开放的输入输出接口上,硬件模块充分考虑了可重构性,并且可以通过下载不同的系统配置文件重构FPGA,实现对、车床、和的控制要求FPGA构造的可重构数控系统控制核心3.2数控IP的开发实例在中几个数控IP中,扩展DDA硬圆弧插补器IP尤为关键,而且设计起来也有一定的难度,因此,下面将主要介绍这个IP的设计。

    扩展DDA圆弧插补算法采用弦线逼近圆弧,具有较高的插补精度和插补速度,而且适应面广。将扩展DDA圆弧插补用FPGA器件实现,构造硬插补器,不仅执行速度快,而且可以与运动控制部分的IP很好的集成其扩展DDA圆弧插补的公式如下:-y谷-汶以上插补公式用硬件实现表示如所示硬插补器的输入接口为:符号FLAG,坐标值X和Y,右移位系数K,起动控制信号RST,循环控制信号GOON,及工作频率信号CLK;输出接口为:轴位移方向信号DIRX和DIRY,位置增量DX和DY,及状态反馈信号FIN-ISH;内部功能部件主要有产生指令的PC加“1‘寄存器,右移运算器SHRS加减法运算进行辅助控制的比较器COM,及加减运算器ALU从其结构可以看出硬插补器实际上是一个经裁减后的微处理器。该微处理器与一般的通用处理器的不同点在于没有ROM和RAM,直接利用PC加”1“寄存器的输出来完成对指令的寻址和寄存器的寻址,从而简化了处理过程另外,因为其工作频率为FPGA器件的基准输入频率,所以,处理器能达到很高运算速度其一个插补周期的4总结扩展DDA圆弧硬插补器原理图统一标准的数控程序焚雌揠揠bookmark3系统参数手动配置I磨床数控系统!钻床数控系统1车床数控系统铣床数控系统配置拨码开关统I开放的接口数控系统从封闭式结构发展到开放式结构,目前正向可重构式结构发展随着微电子继续向更小尺寸,更高速度和更经济的方向发展,以及电子设计水平的提高,我们可以采用最新的微电子技术来改造和提升传统产业鉴于此,本文提出了将数控系统功能划分为标准的模块,采用硬件描述语言设计成专门的数控IP,然后,通过IP集成为数控系统,利用改变下载到FPGA中的配置数据实现数控系统重构并以经济型可重构数控系统原型的开发初步验证了实现的可行性。实践证明,可编程逻辑器件FPGA为我们提供了一条解决数控系统重构的硬件实现途径软件模块硬件模块经济型可重构数控系统结构圆弧硬插补器仿真时序

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