沖床自動(dòng)送料機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)【雙輥送料機(jī)構(gòu)】

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外文科技資料翻譯英文原文中文譯文一個(gè)高性能單元數(shù)控系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計(jì)摘要-我們回顧了開(kāi)放架構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)所能選擇的不同設(shè)計(jì)方案。運(yùn)動(dòng)控制軟件目前的趨勢(shì)與較傳統(tǒng)的方法相比，使用一個(gè)單獨(dú)的處理器。而不同的方法相結(jié)合的實(shí)時(shí)活動(dòng)，包括插補(bǔ)和位置的測(cè)量，以及FPGA則是文件的重點(diǎn)。對(duì)于該系統(tǒng)的方法描述是基于在過(guò)去12年間狀態(tài)線結(jié)構(gòu)的一體化，由哥倫比亞省不列顛大學(xué)和忒修斯（一個(gè)由西泰克水療發(fā)展的新的創(chuàng)新的工業(yè)電子公司）所發(fā)展而來(lái)。關(guān)鍵詞開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)，基于FPGA的運(yùn)動(dòng)控制，動(dòng)力系統(tǒng)重構(gòu)，可擴(kuò)展控制。1.序言過(guò)去十年，在數(shù)控設(shè)計(jì)系統(tǒng)方面發(fā)生了變革。絕大部分的商業(yè)數(shù)控系統(tǒng)不得不提供某種類型的接口，使額外任務(wù)及用戶可以修改控制軟件的高次層。而各廠商都用完全不同的方案來(lái)解決這些問(wèn)題，這在很大程度上，反映了他們的經(jīng)驗(yàn)和能力。作者將在本文討論出現(xiàn)的問(wèn)題，從純技術(shù)的觀點(diǎn)出發(fā)是因?yàn)檫^(guò)去在硬件和軟件方面的投資都沒(méi)有問(wèn)題。還應(yīng)該指出，有相當(dāng)多的進(jìn)展標(biāo)準(zhǔn)基于發(fā)展的情況進(jìn)行了協(xié)調(diào)，例如在美國(guó)，（OCAM），歐洲，（OSACA）和日本（OSEC）。見(jiàn)1，2，3，4。早期的開(kāi)放式架構(gòu)系統(tǒng)一般由一個(gè)電腦終端和一個(gè)單獨(dú)的處理器實(shí)時(shí)處理所有活動(dòng)，見(jiàn)5，6，7。這些系統(tǒng)大部分是分層性質(zhì)。近來(lái)的系統(tǒng)主要是PC，但許多早期的系統(tǒng)都是使用摩托羅拉的硬件。硬實(shí)時(shí)活動(dòng)一般安置在一個(gè)或多個(gè)設(shè)備板，這樣反過(guò)來(lái)信息接口板又可以讀合適的位置。通常，可編程邏輯控制器是作為一個(gè)單獨(dú)的處理器，用來(lái)定制并且容納所需要的來(lái)支持各種機(jī)器功能。同時(shí)被作者采取的方法會(huì)有所不同8，9。圖（1），基本狀態(tài)線架構(gòu)圖（1）所示的UBC狀態(tài)限架構(gòu)旨在允許如下條件：A）避免在主機(jī)上必須使用一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。B）盡量減少主機(jī)與從處理器間所需的帶寬。C）在為軸和支配進(jìn)程使用同步機(jī)制的時(shí)候，容許的可擴(kuò)展性的存在。D）允許支配進(jìn)程間進(jìn)行通信。這里的想法是，通過(guò)促進(jìn)落實(shí)先進(jìn)的運(yùn)動(dòng)和過(guò)程控制算法來(lái)實(shí)行一個(gè)高度并行的規(guī)定。 通過(guò)使用一個(gè)雙階段校對(duì)機(jī)和兩條平行的交流渠道來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)10。第一個(gè)交流渠道（顯示為標(biāo)準(zhǔn)總線，如圖1），用于第一階段通過(guò)插值增量（通常計(jì)算循環(huán)結(jié)束頻率的1/32到1/8），以及高層次的指令和主從關(guān)系單位的狀態(tài)信息。第二通道包括一個(gè)同步線和狀態(tài)限系列（再次顯示在圖1）。狀態(tài)線路允許任何處理器選擇是整體控制還是外部控制來(lái)影響一個(gè)安全的同步方式的移動(dòng)方向。最近一些研究人員和公司推行單數(shù)控軟件11，12。通過(guò)這個(gè)可以推論出填補(bǔ)，循環(huán)結(jié)束和可編程邏輯控制器（PLC）活動(dòng)都可以在電腦中的軟件內(nèi)進(jìn)行，正如圖（2a）中概念性描述的一樣。這些結(jié)構(gòu)隨著電腦電力的增強(qiáng)而出現(xiàn)，而且乍一看這似乎是系統(tǒng)中自然演變的一部分。本文作者不認(rèn)為這是正確的長(zhǎng)期的辦法。CNC軟件結(jié)構(gòu)命令微機(jī)上的實(shí)時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)系統(tǒng)，而且顯然，任何高頻率的監(jiān)測(cè)或控制任務(wù)，例如為了過(guò)程控制，高速輪廓，或監(jiān)測(cè)任務(wù)而添加的，將會(huì)變得難以適應(yīng)?，F(xiàn)在對(duì)公司來(lái)說(shuō)更常用的是用專有網(wǎng)絡(luò)數(shù)字驅(qū)動(dòng)技術(shù)來(lái)包裝這種系統(tǒng)。后者的趨勢(shì)似乎是移回到層次類型的控制，但是這由如何打開(kāi)驅(qū)動(dòng)器技術(shù)本身而定。許多人已經(jīng)對(duì)可開(kāi)放的基本要求作出表態(tài)，然而在有良好開(kāi)放和可擴(kuò)展性意向的背后，構(gòu)造系統(tǒng)的實(shí)際問(wèn)題往往會(huì)被忽視。作者認(rèn)為一個(gè)構(gòu)造良好的，（即符合業(yè)界公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)造和軟件結(jié)構(gòu)），易組裝系統(tǒng)，可以輕松擴(kuò)展及重新配置，是非?？扇〉摹Ｏ到y(tǒng)應(yīng)該有規(guī)范化的接口，并且允許一套單獨(dú)的高質(zhì)量維護(hù)或調(diào)試工具的供應(yīng)。同時(shí)用戶應(yīng)該毫無(wú)保留的被允許對(duì)硬件和軟件做大的變動(dòng)和添加。作者相信這種方法可以包含各種領(lǐng)域連接，并且較好的為提供在盤上的CNC然后允許用戶為設(shè)計(jì)和規(guī)劃硬件安裝負(fù)責(zé)這一概念提供更完善的解答。圖（2a）分級(jí)數(shù)控系統(tǒng)圖（2b）的軟數(shù)控圖(2C)基本UBC結(jié)構(gòu)圖(2D)UBC忒修斯基礎(chǔ)架構(gòu)在下面的章節(jié)的作者將介紹在UBC控制架構(gòu)發(fā)展過(guò)程中的最新成果，以及位于忒修斯模塊化系統(tǒng)的工業(yè)電子產(chǎn)品之下的動(dòng)機(jī)和基本原則。最后，這兩種努力的結(jié)合伴隨著忒修斯框架的高速軸處理器的發(fā)展，將會(huì)被描述。II UBC狀態(tài)線架構(gòu)的最新發(fā)展正如介紹所說(shuō)的，基本UBC架構(gòu)的使用已經(jīng)超過(guò)了10年。在這段時(shí)間內(nèi)，系統(tǒng)發(fā)生一定的變化，并已應(yīng)用到一系列的硬件。目的是提供給研究人員和終端用戶一個(gè)簡(jiǎn)單開(kāi)放的系統(tǒng)，可以進(jìn)行修改和擴(kuò)展，并且在基本運(yùn)動(dòng)控制功能即過(guò)程控制和監(jiān)測(cè)功能保護(hù)他們，以防問(wèn)題干擾。本節(jié)介紹了與硬件和系統(tǒng)固件基礎(chǔ)發(fā)展有關(guān)的最近行動(dòng)。 作為新一代的FPGA，該硬件已經(jīng)向前發(fā)展，為鞏固位置測(cè)量和循環(huán)結(jié)束及第二階段插值提供了一個(gè)機(jī)會(huì)。顯然，這是一個(gè)對(duì)哲學(xué)基礎(chǔ)匹配非常好的的基本架構(gòu)，尤其是當(dāng)多個(gè)軸可被容納時(shí)。已經(jīng)進(jìn)行了一系列的練習(xí)來(lái)實(shí)施這一系統(tǒng)，當(dāng)前練習(xí)的最高階段是需要為忒修斯系統(tǒng)設(shè)計(jì)并實(shí)施兩軸模塊。在作者們檢測(cè)基本運(yùn)動(dòng)控制軟件嵌入的同時(shí)，檢查提供簡(jiǎn)單強(qiáng)大配置工具的方法被發(fā)現(xiàn)有用。這些工具允許終端用戶接口新的模塊和真正的設(shè)計(jì)自己的模塊，其他人便可以使用。A.基于FPGA的軸控制在規(guī)模和當(dāng)前一代FPGA的速度性能以及正交解碼和插值活動(dòng)之間存在著明顯的匹配。UBC活動(dòng)始于大約4年前,同時(shí)調(diào)查為正交解碼而使用的FPGA，以及所有軸從動(dòng)裝置納入活動(dòng)已取得重大進(jìn)展。所需的各種功能參考模型如圖（3）。如圖（3）所示的功能在一個(gè)簡(jiǎn)單的2萬(wàn)門的Xilinx FPGA 10內(nèi)部已取得。如圖（3）所示的各種元素的虛擬軸控制器，被形容為使用VHDL和運(yùn)作在一個(gè)相對(duì)低的同步高速芯片（時(shí)鐘速度12MHz）的狀態(tài)機(jī)。循環(huán)結(jié)束頻率為4kHz，芯片含所有必需的功能包括一個(gè)PWM信號(hào)放大器輸出和數(shù)字濾波正交信號(hào)輸入。為了系統(tǒng)緩沖，從那時(shí)起第一階段的增量都存儲(chǔ)在主內(nèi)存板上。通過(guò)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的并行端口到電腦主機(jī)接口。圖（3）基于FPGA的軸控制器的參考模型。隨著在UBC對(duì)這一系統(tǒng)進(jìn)行初步測(cè)試，卡默萊昂控制中心利用UBC的實(shí)驗(yàn)所提供的基本構(gòu)建塊設(shè)計(jì)并建成了數(shù)字控制訓(xùn)練系統(tǒng)。在這種情況下操作界面更為發(fā)達(dá)，并且在一個(gè)現(xiàn)代化的基于Windows的Forth系統(tǒng)（SwiftForth）的基礎(chǔ)上，組合成一種高層次運(yùn)動(dòng)/工藝/監(jiān)測(cè)的語(yǔ)言，稱為CamScript。該系統(tǒng)表示如圖（4）。相同公司在為了高性能的控制多個(gè)軸，而繼續(xù)審查更大容量和更高速度的FPGA的使用。該活動(dòng)的結(jié)果說(shuō)明在文件的最后部分。圖（4）開(kāi)發(fā)基于FPGA的伺服系統(tǒng)B.打開(kāi)配置系統(tǒng)和協(xié)議作者還納入了“像打開(kāi)固件“接近有參考架構(gòu)的高級(jí)元素配置。 基本計(jì)劃在圖（5）由奧爾德諾和Yellowley 10描繪。 系統(tǒng)調(diào)用可以是依賴硬件或無(wú)須硬件。無(wú)須硬件的調(diào)用由每個(gè)對(duì)象類的方法定義 直接處理（如軸線，可編程控制器，過(guò)程監(jiān)控）。另一方面，依賴硬件的方法由一個(gè)稱為綁定表的軟件處理。綁定表將這些引用轉(zhuǎn)換為適當(dāng)?shù)姆椒?，用于連接物理硬件。用于接口的物理硬件。舉個(gè)例子，用于軸控制器中最常見(jiàn)的硬件相關(guān)方法實(shí)現(xiàn)如下：輸入增量；讀取位址；讀取速度；中斷輸入脈沖；等等。 該方法通過(guò)實(shí)施配置系統(tǒng)包括存儲(chǔ)在每個(gè)設(shè)備標(biāo)記化的配置流，這種方法在15中，進(jìn)行詳細(xì)的介紹，它相當(dāng)于一個(gè)開(kāi)放軟軟硬件方法的動(dòng)態(tài)擴(kuò)展，1314標(biāo)識(shí)貨化的配置流首先轉(zhuǎn)換為FORTH代碼。在FORTH進(jìn)行譯碼后，該裝置就已被登記，對(duì)旬進(jìn)行通信的方法已定義，它們都是其后通過(guò)綁定表來(lái)綁定到虛擬機(jī)上的方法。圖(5)虛擬機(jī)床顯示綁定表技術(shù)III、一個(gè)嵌入式應(yīng)用的高度模塊化的發(fā)展歷程A、序言大多數(shù)監(jiān)測(cè)和控制應(yīng)用在較高的層次上來(lái)說(shuō)，存在著許多共性。不幸的是，傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)概念往往不利用這人優(yōu)勢(shì)，而是著手建立從下向上的新組件和軟件工具等系統(tǒng)。這種方式非常用浪費(fèi)開(kāi)發(fā)時(shí)間和資源，當(dāng)然，這也導(dǎo)致小批量且成本較高。前些時(shí)候，sitek SPA開(kāi)始設(shè)計(jì)一種在模塊本身里封裝一個(gè)復(fù)雜設(shè)計(jì)活動(dòng)時(shí),能夠捕捉到在高層上共同控制和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所需特性的靈活模塊化系統(tǒng)。一系列標(biāo)準(zhǔn)塊將讓嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)員在沒(méi)有廣泛硬件軟件技術(shù)支持下能輕松地使用系統(tǒng)。顯然，在少數(shù)規(guī)范化下能使體積變小花費(fèi)降低，而且還能為最終用戶保持靈活性。這種由些產(chǎn)生的系統(tǒng)，就稱為忒修斯，包括一系列硬件和軟件設(shè)置的功能模塊，（FB）。這些模塊中每個(gè)模塊都能在不擾這復(fù)雜系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)下進(jìn)行改變或升級(jí)。這導(dǎo)致了雙方的可擴(kuò)展性和更新性。B、架構(gòu)忒修斯系統(tǒng)（見(jiàn)圖6），是由一個(gè)或多個(gè)靠連接一條高速高可靠性的串行總線進(jìn)行通途的FBS組成，這通信總線叫TPwire，將在后面章節(jié)對(duì)其詳細(xì)描述。每個(gè)忒修斯系統(tǒng)必須包含一個(gè)主模塊，最多可有126個(gè)子模塊。FBS的硬件有標(biāo)準(zhǔn)尺寸（40mm70mm15mm)和標(biāo)準(zhǔn)接口。只有帶電負(fù)載和I/O通信是必須的，這將根據(jù)客戶的規(guī)格，以更好地適應(yīng)應(yīng)用的需求來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。TPwire允許雙方重新配置和動(dòng)力系統(tǒng)熱插件。圖6忒修斯硬件體系結(jié)構(gòu)每個(gè)忒修斯F.B.S都包含一個(gè)FPGA的基本功能，例如電源管理和通訊接口。該FPGA通常被設(shè)計(jì)來(lái)執(zhí)行I/O指令，從簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)I/O（濾波，輸入脈沖，PWM輸出）到復(fù)雜的模擬測(cè)量功能和軸控制（閉環(huán)控制和插值）。FPGA數(shù)據(jù)庫(kù)也能由VHOL語(yǔ)言來(lái)作進(jìn)一步定義。該FPGA譯碼為離散模塊，可以在不切斷系統(tǒng)模塊重寫。圖7-FPGA的遠(yuǎn)程升級(jí)忒修斯模塊化的核心在于TPwire。這是單線主與菊花鏈結(jié)構(gòu)，使從串行總線，幾乎無(wú)限的節(jié)點(diǎn)數(shù)目。控制每一個(gè)串行幀的電路設(shè)計(jì)保證了TPwire的可靠性.每個(gè)從屬的F.B在上電時(shí),在總線上為其分配相應(yīng)的硬件地址,所以主機(jī)能給邏輯實(shí)體一個(gè)標(biāo)識(shí)的硬件地址。這方面就如TPwire允許“熱插拔式”。菊花鏈結(jié)構(gòu)可以在添加或刪除一個(gè)或多個(gè)FBS操作中改變。主機(jī)將會(huì)通過(guò)重組系統(tǒng)來(lái)檢測(cè)到任何硬件配置的變化和反應(yīng)。該主機(jī)能從內(nèi)部的F.B非易失性內(nèi)存的低層次驅(qū)動(dòng)代碼中讀出。這些特點(diǎn)與高層次的軟件相結(jié)合，允許開(kāi)放式配置系統(tǒng)能像UBC那樣實(shí)施。圖開(kāi)放結(jié)構(gòu)忒修斯的智能是由三層處理器來(lái)提供的。最低層次，8至32位處理器堆棧，（四機(jī)），在FGA內(nèi)部運(yùn)行。第二層，（忒修斯的主級(jí)層），使用到許多32 位 MIPS處理器，最終常應(yīng)用于運(yùn)行像LINUX典型商業(yè)操作系統(tǒng)，WINDOWS或CE，奔騰基礎(chǔ)和MIPS 64位可用處理器（這些功能通常在SiteK已據(jù)EXOR命名的市場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)中的MMU找到。圖9典型忒修斯CPU架構(gòu)。內(nèi)存儲(chǔ)器，低層，忒修斯軟件是基于多任務(wù)操作系統(tǒng)ECOS的真正時(shí)間。所有硬件資源的組織和操作系統(tǒng)的支持都是通過(guò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。廣泛API支持C和C+編程的硬件與軟硬件完全控制。附加標(biāo)準(zhǔn)編程工具有TpForth和SoftPLC。Tporth是一個(gè)由Sitek發(fā)展的完全集成四編程環(huán)境，自然功率和每四語(yǔ)言的靈活性使得在不用匯編語(yǔ)言的情況下，還能容易地對(duì)低層次的硬件進(jìn)行控制，一個(gè)JavaScript擴(kuò)展FpForth的出現(xiàn)允許了高層次的面向?qū)ο缶幊獭Ｓ捎谶匏怪饕欠植际綉?yīng)用程序設(shè)計(jì)，通訊就最有最高的優(yōu)先權(quán)。智能型F.B.S包含高達(dá)3個(gè)的標(biāo)準(zhǔn)異步串行線，以太網(wǎng)接口和內(nèi)置的CAN控制器，價(jià)格低廉的FPGA僅CAN FBS能用來(lái)驅(qū)動(dòng)遠(yuǎn)程I/O子系統(tǒng)和特殊的FBS可與其它標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線接口。C、忒修斯和數(shù)控系統(tǒng)一個(gè)聯(lián)合項(xiàng)目在sitek,UBC和控制整合stateline的cameleon和忒修斯框架模式的開(kāi)放模型之間展開(kāi)。一個(gè)如下面圖所示的典型系統(tǒng)。圖（10）典型數(shù)控裝置如圖（10）所示元件和圖（11）所示的架構(gòu)是一種典型的數(shù)控裝置，其具有下列組件。a）一個(gè)基于EXOR奔騰MMI的系統(tǒng)。這種系統(tǒng)工程通常在windows CE或NTE上運(yùn)行且適應(yīng)操作界面和一些高層次的運(yùn)動(dòng)功能（如轉(zhuǎn)化）。它還允許數(shù)控裝置與公司寬帶的整合。b）一個(gè)基于運(yùn)行PLC基礎(chǔ)上和第一階內(nèi)插值的TPwire主控件的MIPS。c）基于2 軸FPGA的模塊系列，其包括正交解碼，第一階內(nèi)插值和循環(huán)結(jié)束。d)標(biāo)準(zhǔn)系列I/O板卡。此時(shí)所有模塊除軸板處都是可用的，那軸控制器軟件包還在開(kāi)發(fā)測(cè)試階段，并將于年底完成，原始的操作軟件是用在UBC開(kāi)放架構(gòu)并在以前出版物中描述的那些。圖（11）在忒修斯中典型高水平CNC組件。由于系統(tǒng)模塊化以及去耦功能，這使得有可能毫不費(fèi)力地建立一個(gè)廣泛的控制系統(tǒng)。只用圖（11）單元中所示的TPwire部分，就有可能建立含有限編程能力及接口的低成本系統(tǒng)。也有可能如圖（13）所示，采取基于FPGA軸控制單元和接口直接進(jìn)入Htvll面板。圖(12)分布式數(shù)控系統(tǒng)在另一端復(fù)雜性規(guī)模下，通過(guò)共享在如圖（12）所示（請(qǐng)注意系統(tǒng)是圍繞著非常低的通訊速度要求）的一個(gè)單一人機(jī)界面的CAN總線面板上，構(gòu)建出的大型機(jī)器或生產(chǎn)線的分布式數(shù)控系統(tǒng)。最后，這將有利于有能力去如圖（13）所示的將工廠以太網(wǎng)接口。圖(13) 打開(kāi)全機(jī)械范圍自動(dòng)化。IV 致謝我們非常感謝加拿大（NSERC）自然科學(xué)和工程研究理事會(huì)對(duì)就Sateline架構(gòu)開(kāi)放配置方法完成的原創(chuàng)項(xiàng)目TPP計(jì)劃的支持。