基于PC104总线的嵌入式三坐标数控系统的研究

论文摘要

当前,数控系统大多基于PC平台,相对于PC平台的研究模式而言,采用嵌入式体系结构设计开放式数控系统,是一个全新的尝试。数控系统正逐步向着灵活性、组件化、可重构的开放式体系结构方向发展。本文以此为目标进行了研究,构建了基于PC104总线的数控系统平台,可满足实际需要。研究内容主要包括以下几方面:1.分析了数控系统的总体结构,介绍了PC104总线模块,对数控系统的主要硬件部分进行了设计,包括定时(Timer)、多路开关量输入输出(I/O)、数模(D/A)及PC104总线接口电路等。2.对曲面与平面、曲面与曲面交线的插补算法进行了研究。在曲面与平面交线的插补算法中,本文提出了一种新方法,首先将原坐标系下的空间平面通过坐标系旋转的方法变换成新坐标系下的等高平面,然后对等高平面交线方程推导插补算法;在曲面与曲面交线的插补算法中,按照算法的方向和误差法则插补空间曲线,降低了计算的复杂度,并且保证了位置误差不超过一步。3.本文对插补算法进一步推导与拓展,得到一种与传统半径补偿算法不同的平面多项式曲线的半径补偿算法。4.在实时操作系统中,分析了Windows操作系统结构特点和当前在Windows操作系统下实现实时应用的各种方案,根据实时操作系统的原理,搭建了实时操作系统编程模型,结合外部定时中断电路以及核心层VxD设备驱动程序开发,解决了Windows操作系统难于应用于实时控制的难题。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的提出及意义
• 1.2 开放式数控系统的提出
• 1.3 国内外数控系统的发展状况
• 1.3.1 国外数控系统的发展状况
• 1.3.2 国内数控系统的发展状况
• 1.4 国内目前PC104模块的发展状况
• 1.4.1 嵌入式系统的优点
• 1.5 目前存在的不足和想法
• 1.6 本文研究的主要内容
• 第二章 数控系统的总体结构设计
• 2.1 总线的选择
• 2.1.1 PC104总线
• 2.2 系统硬件平台设计
• 2.3 系统的软件模块设计
• 2.4 三坐标CNC的总体设计要求
• 2.5 本章小结
• 第三章 数控系统硬件模块的设计
• 3.1 主板的选择
• 3.2 数控系统多功能卡的设计
• 3.2.1 数字信号I/O电路
• 3.2.2 定时中断电路的设计
• 3.2.3 D/A转换模块
• 3.2.4 译码电路的设计
• 3.2.5 光电隔离信号
• 3.2.6 PCB设计要求
• 3.3 本章小结
• 第四章 三坐标数控系统插补算法的研究
• 4.1 CNC系统软件插补算法
• 4.2 曲面与曲面相交的基本数学类型
• 4.3 空间曲面与平面交线的数字增量插补算法1
• 4.3.1 插补算法原理
• 4.3.2 空间坐标系的变换
• 4.3.3 刀具进给量的计算
• 4.3.4 误差分析
• 4.4 空间曲面与平面交线的数字增量插补算法2
• 4.5 曲面与曲面交线的插补算法
• 4.5.1 曲面与曲面求交的主要算法介绍
• 4.5.2 曲面与曲面相交的脉冲增量插补算法的研究
• 4.6 本章小结
• 第五章 刀具半径补偿的研究
• 5.1 刀具半径补偿的定义
• 5.2 刀具半径补偿的基本性质
• 5.2.1 刀具半径补偿的分类
• 5.2.2 刀具半径补偿的转接类型
• 5.2.3 转接类型的数学判别
• 5.3 平面多项式曲线的刀具半径补偿
• 5.3.1 多项式曲线刀具半径补偿的研究
• 5.3.2 脉冲增量的多项式半径补偿算法
• 5.3.3 刀具半径补偿算法的实例验证
• 5.4 本章小结
• 第六章 WINDOWS系统下实时控制的研究
• 6.1 数控系统实时操作系统概念及实时性要求
• 6.2 数控操作系统开发平台
• 6.3 Windows操作系统的消息机制及实时扩展方法
• 6.4 Windows实时时钟的控制方法
• 6.5 Windows98下VXD的开发及中断实现
• 6.5.1 VxD的实现方法
• 6.5.2 VxD与应用程序的通信
• 6.6 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文