微处理器的进步转化为更多的数控机床能力

栏: 数控备用电池设计

通用计算的需求驱动微处理器的发展趋势是一个不可避免的事实。简单的半导体制造经济使得面向大众市场的设计非常便宜，而针对较小细分市场的设计，如CNC，成本过高。

兰花技术工程与咨询公司总裁兼首席技术官保罗·尼克尔斯伯格说:“技术的进步总体上帮助了所有的技术。”www.orchid-tech.com]

任何数控机床核心的潜在“大铁”已经发展了数百年，甚至数千年。基本的车床、铣刀、钻头等，在技术发展初期都是手工设计的。

从20世纪中期开始，此后加速发展，技术发展到用伺服电机代替齿轮轴驱动(数控- NC)，计算机通过从路点插值计算伺服系统的中间数据点(计算机数控- CNC)。随着计算机技术的发展，从真空管到分立晶体管，再到集成电路，最后到微处理器，这些新的发展迅速进入了数控机床。

“微处理器技术的改进，”西门子能源与自动化公司实时软件研发经理罗杰·哈特(Roger Hart)说，[www.sea.siemens.com]“可以为CNC添加更多的功能，并且可以提高CNC的性能。”

博世力士乐(Bosch Rexroth)自动化和机床部门经理卡尔•拉普(Karl Rapp)表示:“这些广泛使用的芯片和微处理器提供了一个非常可扩展的平台，在任何级别上都有足够的性能。”[www.boschrexroth-us.com]“由于软件和固件是为这个平台开发的，CNC oem可以很容易地提供在机器HMI处理器上运行的控制解决方案。”

坏消息是

坏消息是，有时在数控机床技术的需求和通用计算提供的之间存在脱节。例如，Hart报告说，数控机床需要大量的非易失性大容量存储，“但我没有看到数控行业以任何方式或形式推动这一点。我认为它会跟随技术发展，采用PC行业推动的低成本解决方案。”

多核处理器提倡并行处理架构，它允许多个程序线程并行运行而不受干扰

哈特说:“由于这些设备的振动和机械共振，在机器上使用大容量存储有很多犹豫。”

从CNC的角度来看，最有效的大容量存储解决方案是固态硬盘(SSD)，它可以抵抗冲击、振动、极端温度和其他工业环境中的侮辱。它必须是非易失性的，以保存当前状态信息，以避免在进程中断的情况下进行重置。出于同样的原因，它必须承受许多读/写周期。

大众市场青睐闪存作为非易失性可重写存储器。然而，这给CNC带来了一个问题，因为闪存单元只能重写有限的次数。因此，原始设备制造商被迫采用闪存，并使用变通方法来延长内存的使用寿命。

数控的趋势

从控制的角度来看，CNC是运动控制的一个子集。与其他运动控制类型一样，扭矩、速度、精度和其他参数取决于应用需求。对于CNC来说，扭矩往往很高，运动(除了刀具旋转速度，这可能非常高)范围从中等到极慢，精度要求从相当高到极高。

Hart说:“通常，CNC控制器与传统运动控制器之间最显著的区别是机床运动结构之间以及运动结构与CNC零件程序中编程的实际路径之间的同步轴插补和转换。这些是标准运动控制器所不具备的功能，但却是CNC运动控制技术所独有的。”

一般来说，人类程序员向计算机(现在称为“CNC控制器”)提供足够的信息来指定要加工的材料的刀具轨迹。然后，CNC计算机通过几何插值算法，动态计算伺服控制命令，以完成所需的精度切割。

人类程序员正逐渐被计算机辅助设计(CAD)和计算机辅助制造(CAM)数据文件的自动翻译所取代，从而消除了该过程中最繁琐和最容易出错的步骤之一。然而，在安装、维修和维护活动期间，所有CNC系统仍将需要手动控制模式来进行故障排除和测试。

另一个趋势是需要在加工过程中收集数据。在过去，机械师在加工过程中提供零件图纸和检验仪表作为参考。最好的机械师可以阅读图纸，并使用量规来提高他们的操作控制。比较加工操作的进展与他们应该如何进展使得数控机床模仿一个笨拙的机械师和模仿一个专家之间的区别。当然，我们都希望CNC模仿专家!

复制这些专业知识需要大量的计算机能力来实时进行所需的计算。“我们越来越多地看到，cnc希望通过模拟一个过程，然后将其与实际过程中的实时情况进行比较，来进行实时监控和诊断，”Hart说。如果模拟和真实时间不匹配，你就有问题了!”

“这在几个方面对工厂很重要，”他继续说，“比如碰撞检测和工具破损。根据定义，自适应控制必须实时完成，所以你不能像在离线计算机系统中那样考虑有限元模型和高阶仿真。”

Hart总结道:“随着我们在CNC上的多核高性能处理器的发展，我们对加工过程进行建模并动态调整控制的能力将得到增强。”

最后，但并非最不重要的是，CNC系统，像所有的运动控制应用，必须处理安全问题。这对CNC计算机硬件的影响最大的是其随机存取存储器(RAM)的非易失性。为了安全起见，CNC计算机必须不断跟踪其当前位置，以及运动的速度和方向。在过程中断的情况下，特别是控制系统电源故障，该信息必须以非易失性形式存储。

紧跟消费趋势

消费类电子产品可以提供比零件价格更低更多的优势。Rapp说:“更多标准的实时操作系统、开发和调试工具可用于最新的英特尔兼容系统，加快了CNC解决方案的上市时间。”“较小格式的标准PC板，如ETX，可用于控制器硬件。这些PC板具有更广泛的cpu，提供了更长的生命周期，最大限度地减少了时间和精力，以跟上用户的性能和产品可靠性以及生命周期需求。车载程序存储的内存不再是昂贵的选择。”

串行处理通过将单个重复的程序分解成多个部分，每个部分在单独的CPU核心上运行，从而加快计算机的运行速度。

与CNC应用一样，消费电子产品也在向固态硬盘发展。便携式设备，如手机和便携式媒体播放器，具有与CNC系统相同或更糟的温度、冲击和振动问题。他们已经转向Flash技术来满足非易失性存储器的需求。因此，闪存设备的价格被压低了，而它们的容量却上升了——上升了很多!

CNC OEM要做什么?为什么，他们跟随消费电子产品的潮流，采用闪存来满足他们的SSD需求，就是这样。Rapp指出:“使用闪存ssd可以为最苛刻的控制系统应用提供足够的内存。

问题是闪存单元可以处理有限数量的重写周期。现在，对于你十几岁的女儿的iPod来说，10万次写入擦除周期的限制可能不是问题，她会在几个月后用一个“新的和改进的”型号来替换它，但对于生产机械车间的数控铣床来说，这是另一回事，因为它有望在几十年内全天候运行。在SSD内存中不断更新机器当前状态可以在任何时间内通过100,000个周期燃烧，平坦!

然而，可替代的SSD技术并不是便携式媒体播放器和手机人群的宠儿，它们的产量根本无法达到与Flash相比具有成本竞争力的水平。像磁性RAM (MRAM)和电池支持的动态RAM (DRAM)这样的东西，甚至像铁电RAM (FRAM)这样的外来技术，尽管它们在技术上可能要优越得多，但在不久的将来，它们不会取代闪存作为CNC控制器存储器。与此同时，oem厂商必须采取不太理想的策略，例如在超大的闪存块中进行磨损平衡，以将CNC非易失性存储器扩展到可接受的水平。

在微处理器方面，通用计算需求与CNC需求更加一致。通用计算总是在寻找更大的马力，像英特尔和AMD这样的公司已经从简单地通过在更小的空间内压缩更多的晶体管来提高性能来提高时钟速率的策略转向使用多核设备进行并行处理。

倍福自动化(Beckhoff Automation)工业PC产品经理米洛•格里卡(Milo Grika)表示:“拥有更强大的处理器，可以运行更多的应用程序。”［www.beckhoffautomation.com我们的一些客户在同一个系统上运行他们的CAD软件，所以他们可以设计要切割的部件;他们有一个人机界面，所以他们可以控制切割装置;他们有CNC软件来进行切割。

多核

本质上，多核芯片在单个封装中提供多个独立的处理器。由于它们可以并行工作，四核芯片的四个处理器可以实现几乎在1 GHz下运行的性能，就像一个处理器在4 GHz下运行一样，但不会产生更高时钟速度下的功耗损失(功耗随时钟频率非线性增加)。Rapp说:“多核为CNC应用提供了更好的性能-例如，每1000个PLC指令只有5μ-sec。

较低的功耗减少了供电需求，但更重要的是减少了散热问题。如果微处理器A在5v电压下吸收5a，它就会产生25w的热量，这些热量肯定会流向某个地方。多核处理器B获得相同的计算能力，电流消耗为2a，意味着冷却需求降低到10w，这使得IC封装，电路板，外壳和冷却风扇更小。虽然这些功能只适用于台式电脑，但它们对移动消费电子产品至关重要。它们对生产机械车间产生了影响，在那里，数十台数控机床将数百千瓦的电力转化为热量，然后必须通过空调机组将热量抽出工厂。

Grika说:“在下一代处理器中，我们能够将原本独立的电源转移到主板上。”“所以，现在还是3.5英寸。主板将包括一个电源，这将意味着我们的个人电脑本身将更小。此外，对风扇的需求也减少了，这意味着我们可以更容易地创建不需要移动部件的系统。”

Hart说:“对于如何正确地利用多核技术，我们还在摸索表面。”简单的解决方案是能够运行过去在三个处理器上运行的软件，例如微软Windows处理器上的用户界面，以及可能在微控制器中运行的PLC，以及在第三个处理器上运行运动规划的NC内核。”

微控制器

另一个计算机架构趋势是片上系统(SOC)技术，它来自智能恒温器、汽车发动机控制模块和计算机控制的微波炉等嵌入式控制领域。soc可以将微处理器核心与重要的外围电路(如通信驱动器，数字信号处理器(dsp)，非易失性存储器和显示驱动器)组合成称为微控制器的设备，这被证明对CNC应用很有用。这些不同的功能体现在称为知识产权(IP)块(或简称块)的模块化电路描述中，SOC制造商将其结合起来创建他们的设计。由于IP块是可重复使用的，因此SOC技术允许以相对适度的非重复工程(NRE)成本创建复杂、复杂的设计。

兰花科技公司的Nickelsberg指出:“微处理器就是计算机本身，没有花哨的东西，它本身并没有多大用处，因为它需要周围很多支持才能成为一个系统。微控制器是带有内置外部外设(如UARTs、USB端口或定时器)的单个设备。”

虽然微控制器的市场只有微处理器的四分之一左右，并且被各种各样的设计分散，但微控制器的产量仍然足够大，可以提供规模经济，特别是针对需要一系列与CNC需求相一致的功能的应用的设计。

微控制器应用往往对功耗非常敏感，因此微控制器制造商投入了大量精力来最小化其设计的功耗需求。同样，这与CNC应用需求非常吻合。总之，这些特点使得基于精心挑选的微控制器设计的数控控制器非常有吸引力。

对于制造CNC系统的原始设备制造商来说，具有多处理器核心、先进通信能力(特别是仪表/控制总线模块，如以太网)和显示驱动程序的微控制器尤其具有吸引力。协处理器，如数字信号处理(DSP)块，对于CNC应用也很重要。一些微控制器甚至具有板载现场可编程门阵列(FPGA)块，这为oem提供了创建现场可升级CNC控制器的机会。

Nickelsberg说:“一些微控制器的处理器性能中等，外设很多，比如定时器和脉冲宽度调制器，这些都是针对运动控制行业的，而不是电信行业。”

未来:4美元的马达控制器?

利用消费电子技术的这些趋势，oem可以设计出性能更强、成本更低、功耗更低的CNC控制系统。Nickelsberg说:“我们收到了超便宜的直流无刷电机控制器的请求。“当我说‘超级便宜’时，我的意思是最多3-4美元!另一方面，相对于8位微控制器，大功率系统中的运动控制已经向DSP发展了一段时间。如果你超过几个瓦特，DSP看起来非常有吸引力的控制电机。当然，在50瓦以上，低端DSP是控制电机的好方法。”对于这些应用，SOC微控制器与DSP内核提供了一个经济的选择。

哈特指出:“尽管微处理器在不断发展，并获得更高的性能和更多的并行性，但总有需要更多计算能力的应用。”在未来，我看到了对多核技术的更优利用。我还看到，在CNC行业中，如何使用定期出现的有线和无线高速通信将继续发展。”

用于建模和诊断的实时建模仍然受到计算的限制。哈特说:“我们仍在关注微处理器的改进，以解决其中一些计算限制。”今天，这比以前要困难得多。”

作者信息

C.G. Masi是控制工程。通过电子邮件联系他charlie.masi@reedbusiness.com．

数控备用电池设计

博世力士乐指出，cnc可以提供8mbyte或更多的SRAM，由锂电池支持，用于实时变化的易失性数据的可靠数据存储。诊断通知提前几周更换电池，所有易失性数据可以很容易地备份到硬盘或其他媒体。存储在Flash或SSD中的实时变化数据较少。博世力士乐表示，这种采用智能单元写入技术的设计，可以在机车、军事、汽车信息和导航系统以及类似应用中使用非常长的记忆寿命。

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