基于 PCI总线的并联机床运动控制卡设计

引言

      并联机床（Parallel Machine Tool）又称虚拟轴机床 （Virtual Axis Machine Tool）或并联运动学机器，是基于并联机构的新型数控加工设备，实质上是机器人技术、机床结构技术、数控技术等相结合的物，它同时兼顾了机床和机器人的诸多特性，既可以看作是机器人化的机床， 又可以看作是机床化的机器人 。它能够提供机器人的灵活与柔性，又具有机床的刚度和精度，是集多种功能于一体的新型机电设备。

并联机床的结构

     并联机床结构示意图见图1，它由伺服（步进）电机1、固定平台2、支架3、伸缩杆4、动平台5、铣削头6、工作台7等组成。安装在固定平台和动平台之间的伸缩杆由伺服电机（或步进电机） 驱动，带动伸缩杆内的滚珠丝杠和螺母运动，使伸缩杆的长度发生变化。由于各伸缩杆（一般为6杆或3杆）的长度发生变化，使得动平台的位姿发生变化，多个伸缩杆共同运动，驱动动平台实现上升、下降、翻转等运动，带动铣削头实现工作所需的各种运动。各伸缩杆采用相互独立的伺服驱动装置驱动 。

开放式的控制系统结构

     对于并联运动机床来说，其最大特点就是机械结构非常简单，而控制却异常复杂。并联运动机床的控制系统必须采用开放式结构。目前，国内外的开放式数控系统主要有如下3种结构形式 。

　  1 专用CNC十PC型即在传统的非开放式的专用数控系统中嵌入机，使得整个系统可以共享一些计算机软硬件资源 。

　　部分完成系统管理等非实时控制任务，实现辅助编程、分析、监控和编排工艺等功能；CNC部分负责完成插补计算、伺服控制以及I／O控制等一些实时控制任务。这种结构形式的数控系统其开放性只在机部分，其专业的数控部分仍处于封闭状态，不能实现CNC内核的开放，此类结构形式一般为主流数控系统厂商所采用。

　　2  PC+运动控制卡这种基于开放式运动控制卡的系统结构是以通用微机为平台，以标准插件形式的开放式运动控制卡为控制核心。通用PC机实现数控程序编辑 、人机界面管理、外部通信等功能，运动控制卡负责机床的运动控制和逻辑控制。它支持用户的二次开发和自主扩展，既具有PC机的开放性，又具有专用数控模块的开放性，可以说它具有上、下两级的开放性。

　　3  纯PC型即全软件形式的PC机数控系统，该系统是指的全部功能均由PC机进行处理， 并通过装在扩展槽中的伺服接口卡对伺服驱动等进行控制。其软件的通用性好，编程处理灵活，但存在着操作系统的实时性、标准统一性以及系统稳定性等问题。目前这类系统正处于探索阶段，还尚未形成产品，但它代表了数控系统的发展方向。

　　如果着眼于经济型数控并联机床控制系统的设计，选择PC+运动控制卡的开放式数控系统是当前最为理想的。以PC机和运动控制卡为控制系统核心，直接将系统平台构筑于PC机的软硬件基础之上，驱动元件为步进电机，系统在Windows环境下用VC++ 语言实现，软件的设计采用面向对象的方法。

　　基于PCI总线的并联机床运动控制卡设计并联机床运动控制卡通过控制机床各个驱动杆实现主轴的运动，控制轴数较多，同时还要得到所要求的刀具运动轨迹。要实现刀具的高速、高精度轨迹控制，运动控制卡和PC机存在着大量的数据交互，传统的方式是采用ISA总线进行，由于ISA总线带宽限制，数据传输速度慢，使PC机在数据传输方面花费的时间较多，从而在其它方面的处理时间相对缩小。本系统实现运动控制卡与PC机通信，能够达到很高的数据传输速率，使PC机的处理能力大大增强，从而保证了数控系统的实时性，并且使开发相应的基于平台的数控软件更容易，和配套的其它软件的接口更方便。

　　控制系统硬件组成图见图2。该系统采用的是公司的32位定点DSP芯片TMS320VC33 。DSP芯片负责接受PCI局部总线的命令和参数，然后通过运动控制算法完成对步进电机的精确运动控制，同时芯片还负责将反馈信息传输给PCI局部总线，并且控制系统外围I／O模块。DSP与PC机的通信通过桥接芯片CY7C09449PV实现。

    1  CY7C09449PV与PC机的连接总线是目前应用最广泛、最流行的一种高速同步总线，具有64位总线宽度，工作频率33MHz，最大传输速率可以达到132Mb／s。它可将外设直接挂到主机CPU局部总线上并以CPU速度运行，可以大大提高外设的运行速度。DSP与PC机的通信通过连。CY7C09449PV是Cypress 公司提供的符合PCI2—2总线规范的功能完善、价格低廉的双端口RAM 接口芯片。其中，一个端 口是PCI接口，适合与PC机通信；另一端口为本地接口。 它提供主／目标接口， 可以同任何通用微处理器连接，片内有128双端口存储器用于局部处理器与PCI总线数据共享。CY7C09449PV与PCI总线的连接见图3 。

　　2  PCI 总线开发方案的实现专用芯片CY7C09449PV采用3.3V单 电源供电，兼容3V和5V的PCI信号环境。电源可由PCI 槽引出，PCI 槽可以提供3.3 V、5V电压，在PCI 槽需特别注意两个引脚 P RS NT1 和，这两个引脚接地和悬空的4种组合直接决定 PCI卡的功率。CY7C09449PV在使用时，某些引脚要加阻值为l kfI ～10kfl的下拉或上拉电阻。根据具体情况， 在该设计中， SCI 、S DA、AIE、／BE[ 2 ] 、RDY —引脚加上拉电阻， TEST—MODE引脚加下拉电阻。

      是TI公司新推出的系列新一代浮点DSP，它是在原来浮点DSP的基础上开发的一个价格更低的版本，该产品以高速、低功耗、低成本、易于开发为显著的特点。由于它采用了内部1 . 8 V、外部. 3 V供电 ，因而功耗比原有型号降低了大约一个数量级，而且能支持高达150 ×10次／s的运行速度，是需浮点运算的便携式产品中的一种理想的DSP器件 。
　　作为控制系统的核心， TMS320VC33主要完成实时中断的伺服控制程序，包括对各种底层硬件的操作。它采用32 位局部总线接 口方式， 时钟信号可以是单独提供的时钟源，也可以是 CY7C09449PV提供的 PCI 时钟信号 PCI   KOUT[2 0] 中任意的一个。

　　结束语并联机床需要控制的轴数比较多，而且牵涉到并联机构的正逆解运算，运算量比较大，采用基于总线的运动控制卡，整个数控系统的任务就由PC机和运动控制卡来共同承担，在开放式数控系统中能够发挥出理想的运动控制性能。随着数控系统的普及和产品档次的提高，这种运动控制卡将会有广泛的应用前景 。