（机械电子工程专业论文）数控铣削远程控制系统的开发.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 运动控制技术是机电一体化技术的关键组成部分，它随着机电一体化技术 的迅速发展，也得到了广泛应用。国内外各个厂家相继推出运动控制的新产品， 其中包括控制器、执行机构、传动结构和检测元件等。运动控制主要是指对机 械传动装置的计算机控制，即对机械运动部件的位置、速度等进行实时的控制 管理，使其按照预期的轨迹和规定的运动参数完成相应的动作。现今，将运动控 制技术与网络技术有机结合已成为一个新的研究发展方向，通过运动参数及运 动状态的传递，实现对运动控制系统的远程控制和监视，可以解决硬件资源紧 缺等问题，实现多用户异地实时控制，尤其在远程教学、工业控制等环节中具 有重要的意义。 本论文分析了运动控制技术和远程控制技术的主要应用及其发展方向，提 出了控制系统总体方案以及设计框架，即以m p c 0 2 运动控制卡作为主控制器， 以交流伺服电机作为执行元件来实现铣削运动控制功能，以t c p i p 协议实现局 域网范围内的实时控制。 本论文详细叙述了一种基于m p c 0 2 运动控制卡的数控铣削远程控制系统的 软件设计。利用动态链接库技术实现运动控制卡对交流伺服电机的控制；远程 控制部分基于t c p i p 协议，采用了异步套接字并运用d e l p h i 的s o c k e t 控件来 实现。客户端传送运动参数和运行命令给服务器，驱动执行装置；服务器将装 置运行状态返回给客户端，便于客户端监视。该软件系统从功能上主要分成六 个模块：加工文件处理模块、参数设置模块、图形动态显示模块、通信模块、 加工过程管理模块。、状态显示模块。整个软件系统通过六个模块协调工作，共 同完成任务。 实验结果表明，本论文设计的软件系统可以使连接在局域网内的任意客户 端，实时、准确、可靠地实现对数控铣削运动系统的远程控制。 关键词：数控铣削，运动控制卡，t c p f i p 协议，远程控制 一 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 l 页 二二- 二二二二二二r 一二二一一 = ： a b s t r a c t m o t i o nc o n t r o lt e c h n o l o g yi st h ep i v o t a l c o n s t i t u e n tp a r to fm e c h a ：盱o m c s t e c h n o l o g y , i th a sb e e nw i d e l ya p p l i e da l o n gw i t ht h er a p i dd e v e l o p p m e n t o f m e c h a t r o n i c st e c h n o l o g y s o m en e wm o t i o nc o n t r o lp r o d u c t se m e r g ei ns u c c e s s i o n s u c ha sc o n t r o l l e r , a c t u a t o r , t r a n s m i s s i o nm e c h a n i s ma n d d e t e c t i n ge l e m e n t sa n ds o o n m o t i o n c o n t r o lm e a n sm a i n l yt h ec o m p u t e rc o n t r o lo fm e c h a n i c a lg e a r i n g ， w f l l c hl st os a y , t om a k et h em e c h a n i c a lm o v i n g c o m p o n e n tm o v ea c c o r d i n gt ot h e p r e s c r i b e dt r a c ka n dm o v e m e n tp a r a m e t e r sb yc o n t r o l l i n ga n d m a n a g i n gi t sp o s i t i o n a n ds p e e d n o w a d a y s ，an e wr e s e a r c hd i r e c t i o nh a sb e e nt u r n e dt ot h ec o m b i n a t i o n o fm o t i o nc o n t r o la n dn e t w o r k t e c h n o l o g y , at e l e c o n t r o lo fm o t i o nc o n t r o ls y s t e m c a nb er e a l i z e db yt h et r a n s m i s s i o no fm o v e m e n tp a r a m e t e r sa n dm o t i o ns t a t e s w h i c hc a nm e e tt h en e e d so fm u l t i u s e rf r o mo t h e rp l a c e sa n dt h e r e f o r ei sa g o o d s o l u t i o no ft h ep r o b l e m so fl a c ki nh a r d w a r er e s o u r c e ，i t p l a y sa l li m p o r t a n tr o l e s p e c i a l l yi nt e l e e d u c a t i o na n di n d u s t r i a lc o n t r 0 1 t h i sp a p e rm a i n l yc a r r i e so nt h ei n t r o d u c t i o nt om o t i o nc o n t r o la n d t t e l e c o n t l i o l t e c h n o l o g y , a n a l y s e st h e i rd e v e l o p m e n td i r e c t i o n sa n d a p p l i c a t i o nd o m a i n s a n d t h e np r o p o s e dt h eo v e r a l lp l a na n dt h ed e s i g nf r a m eo ft h ec o n t r o ls y s t e m 。t h e s y s t e mt a k e st h em p c 0 2m o t i o nc o n t r o l l e ra st h em a i nc o n t r o l l e r , r e g a r d sa cs e l w o m o t o ra st h ef u n c t i o n a le l e m e n t st oc o n t r o lt h em i l l i n gm o t i o n , a n dt h er e a l t i m e c o n t r o lf u n c t i o ni nl a ni sc a r r i e do u tb yt h e h e l po ft c p i p t h ep a p e ri n t r o d u c e st h es o f t w a r es y s t e md e s i g no f t h et e l e c o n t r o lo f n u m e r i c 2 l l c o n t r o lm i l l i n gs y s t e mi nd e t a i l ：t h ec o n t r o lo fm p c 0 2m o t i o nc o n 盱0 1 l e rt o a c s e r v om o t o ri sa c h i e v e db yi n t r o d u c i n gd l l t e c h n i q u e ；t h et e l e c o n t r o li sb a s e do n t c p 佃a n dr e a l i z e db yu t i l i z i n gs o c k e tw i d g e to f d e l p h i t h em a i np r o c e s sc a nb e d e s c r i b e di nb r i e fa sf o l l o w s ：t h ec l i e n ts i d es e n d st h em o v e m e n tp a r a m e t e r sa n d c o m m a n d st ot h es e r v e rs i d et od r i v et h er u n n i n gg e a r ；t h es e r v e rs i d es e n d st 1 1 e m o t i o ns t a t e sr e t u r n e df r o mt h er u n n i n gg e a rt ot h ec l i e n ts i d ef b r t l l es u l 弋，e i l l a n c eo f u s e r t h es o f t w a r es y s t e mh a s6f u n c t i o np a r t s ：f i l e sm a n a g e m e n t p a r t , p a r a m e t e r s s e t t i n gp a r t ，p i c t u r e sd i s p l a y i n gp a r t , c o m m u n i c a t i o np a r t , m a c h i n i n gm a n a g e m e n t p a r ta n ds t a t e sd i s p l a y i n gp a r t t h e s e6p a r t sc o o p e r a t ei nh a r m o n yt of i n i s ht h e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 ii 页 p r o c e s s i n gt o g e t h e r i ti si n d i c a t e dt h a tt h es o f t w a r es y s t e mc a l lm a k es u r et h a ta n yc l i e n ts i d e c o n n e c t e di nl a nr e a l i z er e a l - t i m e ，e x a c ta n dc r e d i b l et e l e c o n t r o lt ot h en u m e r i c a l c o n t r o lm i l l i n gs y s t e m k e yw o r d s ：n u m e r i c a lc o n t r o lm i l l i n g ，m o t i o nc o n t r o l l e r ，t c p i pp r o t o c o l ， t e l e c o n t r o l 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密函使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：恝互罗 日期：衲苦，h ，o 指导老师签名： 2 畜。 日期：朋占幔t 口 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得 的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文 中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 利用运动控制卡进行控制，即插即用，操作简单方便，精度较高。 2 运用动态链接库技术实现基本功能的函数调用，简化了程序的开发。 3 利用t c p i p 协议与运动控制技术结合实现远程控制。 4 利用o p e n g l 实时显示运动执行装置的三维运动轨迹，实现了远程监视。 5 远程监视避免了视频图像的反馈形式，从而避开了对网络带宽的高要求。 6 软件使用w i n d o w s 界面，操作简便，界面友好。 学位论文作者签名：走f 亚够 日期：舢孑f z , o 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 问题的提出及研究意义 数控技术是发展新兴高新技术产业和尖端工业的使能技术，是制造业实现自 动化、柔性化、集成化生产的基础技术，它不仅是提高产品质量，提高劳动生 产率必不可少的物质手段，而且以它为基础的相关产业是关系到国家战略地位 和体现国家综合国力水平的重要基础性产业，其技术水平高低已成为衡量一个 国家工业现代化的重要标志。当今世界各国制造业已经广泛采用数控技术，目 的是提高制造能力和水平，提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力。甚至 有专家们预言：二十一世纪机械制造业的竞争实质上是数控技术的竞争。总而 言之，大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为世界各国加速经济发 展、提高综合国力和国家地位的重要途径。 随着一些先进制造生产模式在加工制造和生产实际中的应用，底层制造单元 的生产组织方式发生了根本性的变革：以往单一、分离的数控加工单元因其功 能局限性、生产的封闭性已不能满足现代生产需求，研究网络互联背景下的网 络数控系统，为先进生产模式提供最底层的支持，已经成为制造单元发展的必 然结果。 铣削加工是数控技术中最常用和最主要的加工方法之一，它的主要加工对象 是各种零件表面，以及需2 - - 5 坐标联动的各种平面轮廓和立体轮廓，是一种加 工范围广，加工精度高，生产效率高的加工方法，网络化的数控铣削也因此成 为网络数控系统的骨干之一，将会在一定程度上促进现代的生产发展。 1 2 远程控制基础 狭义上讲，远程控制是指管理人员或者使用人员在异地通过网络与目标计算 机进行连接，将其环境显示在自己的计算机上，同时通过本地计算机对其进行 配置等工作，使得对其操作就像在本地计算机上操作一样。 广义上的远程控制系统从功能角度看可以分为三个部分：远程监控终端、数 据传输通道和本地控制系统，三个部分协同工作，共同完成对被控设备的远程 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 控制。远程控制系统模型如图1 1 所示： 1 远程监控终端 远程监控终端是远程控制者与被控设备之间进行交互的界面。它的主要功能 包括输入控制命令及其参数、显示被控设备的反馈信息以及其它必要的操作。 当前，由于计算机的广泛应用及其价格的不断下降，并且用于远程控制的计算 机都远离被控现场，所以基于计算机的远程监控软件技术发展尤其迅速，计算 机成为远程监控终端的主要运行平台。 2 数据传输通道 数据传输通道在远程监控终端和本地控制系统之间传输数据。一方面需要把 远程监控终端发出的控制命令传输到被控现场，实现对被控设备的控制；另一 方面还要把被控设备的反馈信息传回到远程监控终端，以供远程控制者了解被 控设备的运行状态，进而决定下一步要采取的措施。在某些远程控制应用中， 视频图像作为一种反馈形式非常重要。但是实时图像信息量大，对传输的质量 要求较高，一般与数据分开传递，分别占用不同的通道、波段或频段。相信随 着互联网带宽和可靠性的不断提高，基于互联网的远程控制的应用将会更为广 泛。 3 本地控制系统 本地控制系统直接控制被控设备。它根据远程监控终端发出的控制命令对被 控设备进行控制，同时监测被控设备的运行状态，进行必要的分析，然后作为 反馈数据通过数据传输通道传输到远程监控终端。 本地控制系统可以是一个以计算机为中心的集现场控制、管理、数据采集为 一体的控制系统，也可以是一个数控机床或其它数控设备，甚至可以是一个机 器人控制系统。 图1 - 1 远程控制系统模型 = 圈 二肴 天一 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 远程控制系统可按照以下两种方式分别分为两种类型： 1 按控制范围分类 ( 1 ) 局域网内的远程控制 局域网内的远程控制系统由一个控制服务器程序和多个工作站程序组成。主 要包括网络控制及网络数据传送两个方面。整个系统一般采用客户机服务器工 作模式。服务器实现对工作站的控制，向客户端进行命令请求并执行客户端下 达的命令；客户端实现对工作站的协调与指挥。在局域网内，由控制系统实现 对工作站的实时控制，控制文件的传输，不但可以提高局域网的管理与控制能 力，而且可以传送数据文件，提高了网络传送的安全性。 ( 2 ) 基于ln t e r n e t 的远程控制 它是由企业现场控制网络、企业内网、i n t e r n e t 三网合一把分布于局部现 场，执行特定功能的计算机、控制器、现场设备互联起来实现控制管理的分布 式网络系统。达到了资源共享、协同工作，是集i n t e r n e t 技术、数据库技术、 网络通信技术、浏览器技术为一体发展的产物。 2 按照客户机和服务器之间的编程模式区分 ( 1 ) c s 模型的远程控制 c s 模型的远程控制是一个两层结构的客户型应用系统。在这两层系统中， 第一层包含一个运行主应用程序的客户工作站，客户端应用程序除了系统所要 求的所有逻辑功能以外，还包含了所有的用户接口功能。即客户端结合了表示 与业务逻辑，负责处理用户的输入和输出并完成事务的逻辑处理；第二层通过 网络结合了数据库服务器或服务程序，它将多个复杂的网络应用的用户交互界 面和业务应用处理与数据访问及处理相分离，服务器与客户端之间通过消息传 递机制进行对话，客户端给服务器发出请求，服务器进行相应的处理后经传递 机制送回客户端的过程。 ( 2 ) b s 模型的远程控制 它是基于h t t p 协议，以w e b 作为通信平台的控制系统，系统一般分为3 个部 分，分别为现场层、中间层、客户端层。现场层由现场监测与控制系统组成； 中间层由数据存储与转发系统组成；客户端层由客户端数据接收与命令发送子 系统组成。现场层主要负责采集各个现场控制节点的运行状况数据，经汇总、 预处理后传递给中间层，它也同时接受中间层转发来的控制命令；中间层一般 由w e b 服务器和实时数据库服务器组成；客户端层是用户直接与之交互的部分， 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 它接受用户的输入，从中间层获取监测数据或向中间层发送控制命令。 目前，在具体的远程控制系统应用中，有将c s 模型和b s 模型相结合而构 建的远程控制系统体系结构。无论是采用哪种控制系统模型，都是在研究了被 控制对象特点的基础上，为实现某种控制目的而采用的控制系统模型。 1 3 国内外研究现状 目前，基于因特网的远程控制国内外都有不同程度的研究，被控对象主要 包括机器人系统、实验仪器和其它数控系统等。相对来说，由于西方国家在信 息技术和计算机控制技术的发展上的优势，他们在研究基于因特网的远程控制 方面相对早一些，而且有些公司有相关的初级产品问世。国内由于因特网的飞 速发展，近几年也开始积极的研究。 国外在基于因特网的远程机器人控制方面的研究相对其它领域要多一些。 例如美国伯克立大学研制的是一个通过因特网远程控制的种植花草的工业机器 人手臂。用户通过机器人一手臂上的摄像机所传输的图像，对这个花园内进行 简单的操作，如种植花草、浇水等，同时可以通过反馈回来的摄像机拍摄的实 时图像来了解植物的生长情况。西澳大利亚大学的远程机器人可以用来搬运和 搭建积木，用户通过在浏览器上输入命令或者在机器人工作区图像上直接点击， 向机器人发送控制指令，服务器端接收用户的指令并与机器人控制服务器和图 像服务器通信，控制机器人的移动并返回移动后的当前位置的图像信息。 国内的一些高校已在远程控制技术的研究和应用方面取得一些先进研究成 果，远程控制技术在工业控制、能源、电力、金融等行业也有应用实例。例如 西安交通大学研制的“大型旋转机械计算机状态监测及故障诊断系统r m m i ) ，它 在状态监测和故障分析的研究基础上，对设备状态进行了在线监测和趋势预测。 华中科技大学开发的“汽轮机工况监测和诊断系统k b g m i ) 和哈尔滨工业大学 的“微计算机化机组状态监视与故障诊断专家系统m m v l d e s 等则着眼于远程监 控制术在设备监测、监视或症断等方面的研究。实际工业领域中基于g p r s 无线 远程监控制统、嵌入式w e b 服务的远程监控制统等正逐步的得到广泛和深入应 用。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 1 4 本论文主要任务 本论文的主要任务是利用m p c 0 2 运动控制卡实现对执行装置的控制并在局 域网内实现它的远程监视控制。将运动控制卡嵌入服务器连接执行装置，通过 软件设计实现设置运动参数，返回装置设备状态，驱动执行装置等功能；同时 利用t c p i p 协议，使连接在i n t e r n e t 两端的服务器和客户端可以进行数据交 流，并通过三维图象的形式表现出来，从而实现远程控制的目的。具体工作如 下： 1 运用自顶而下的结构化系统分析方法一i d e f 方法对整个系统进行功能 研究，划分出基本功能模块，绘制出功能模型图。 2 使用d e l p h i 作为开发工具，运用动态链接库技术m p c 0 2 运动控制卡基 本功能的函数调用，对执行装置进行控制。 3 提取出一般形式的g 代码中的信息，加工出其所描述的数字或图形。 4 利用d e l p h i 的s o c k e t 控件，应用t c p i p 协议传输数据，完成c s 模 型的远程控制。 5 采用d e l p h i 的t i m e r 控件实现数据的实时传输。 6 利用o p e n g l 跟踪绘制执行装置三个轴的轨迹，实现了铣削图形的三维 显示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第2 章系统总体设计 2 1 系统设计方案考虑 软件系统设计方案的优劣决定了整个控制系统的成败。因此，深入进行详细 的系统分析十分必要。在充分考虑和查阅资料的基础上，进行控制系统总体方 案的详细设计；包括开发工具的选择、远程控制系统类型的选择，实时性的实 现措施以及对执行装置监视的处理方案等等。 2 1 1 开发工具的选择 系统在w i n d o w s 下开发和运行，主要使用了d e l p h i 进行编写和调试。d e l p h i 是一种可视化软件开发工具，使用了m ic r o s o f tw i n d o w s 图形用户界面的许多 先进特性和设计思想，采用了弹性可重复利用的完整的面向对象程序语言，完 全满足本系统对图形界面设计的要求。和v c 相比，d e l p h i 更简单、更易于掌握， 而在功能上却丝毫不逊色；和v b 相比，d e l p h i 则功能更强大、更实用。可以说 d e l p h i 同时兼备了v c 功能强大和v b 简单易学的特点。 d e l p h i 具有以下的特性：基于窗体和面向对象的方法，高速的编译器，强 大的数据库支持，与w i n d o w s 编程紧密结合，广泛地使用控件来编写应用程序。 控件的使用大大节省了程序员的开发时间，提高了编程效率。选择一些控件并 定义它们的相互作用，在很多情况下就是d e l p h i 程序员所要做的工作。d e l p h i 的控件完成了下面的工作： 1 封装了数据和数据的访问方法。 2 从父类中继承了数据和方法。 3 利用多态技术可以交替操作同一父类的不同派生对象。 另外，用户不但可以使用d e l p h i 已有的控件，还可以自定义开发新的控件， 可以根据需要，开发出功能更强大，使用更方便的应用程序。 2 1 2 远程控制系统类型的选择 由绪论部分介绍可知，远程控制按控制范围分为局域网内的远程控制和基于 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 i n t e r n e t 的远程控制，按照客户机和服务器之间的编程模式分为c s 模型的远 程控制和基于w e b 结构的b s 模型远程控制。远程控制类型应该根据各个类型 的特点和实际情况需要来选择。 对于基于i n t e r n e t 的远程控制，客户端可以位于i n t e r n e t 网上的任何位置， 可以通过不同形式的网络平台( 基于t c p i p 协议) 登录到服务器上进行远程监 控，局域网的远程控制主要是为校园内的师生提供远程控制服务。由于i n t e r n e t 网是公共信道，存在着带宽较窄、网络通讯不稳定、时延较大等问题，要实现 质量较好的远程控制尤其是传输数据量大的实时控制是有相当难度的，目前许 多人试图寻找一种在高时延、低带宽、低可靠性的硬件线路上实现可靠的实时 控制的方法，实际上很难从根本上解决问题，因为这是由i n t e r n e t 本身固有的 特点决定的。而在局域网中，带宽很高，网络通信稳定，时延较小，可以传输 占用高带宽的多媒体监控数据信息和大量的输出数据信息。因此在i n t e r n e t 中 存在的很多问题，在局域网中都可以很好地解决。对于本系统，客户端传入的 控制命令或者及时修改参数不允许大时延，同时运行结果也必须通过服务器实 时传回客户端。因此，高速局域网可以保证其性能和效果，下文所讨论的系统 将主要应用于局域网上，由于程序中网络协议的通用性，系统也可以在i n t e r n e t 网上运行，其性能也会随着i n t e r n e t 网络带宽的加大和稳定而越来越好。 对于基于h t t p 协议的w e b 编程和基于t c p 协议的c s 编程，前者使用微软 统一的i e 浏览器为客户端，后者使用专用的客户端菜单界面。两者各有优点缺 占 、 1 从协议上来说，c s 方式采用w i n s o c k 编程，是基于t c p 或者u c p ，考虑 到传输的可靠性，一般采用t c p 协议的w i n s o c k 组件。而h t t p 协议是基于t c p 协议上的一种超文本协议，客户端浏览器和服务器之间建立一个或多个t c p 连 接，客户端提交简单的命令，服务器返回h t m l 文档、g i f 图像或者无格式文件， 传输的数据量要大于单纯的t c p 协议。 2 从实时性上来讲，基于t c p 协议的c s 传输数据的时延小于基于h t t p 协议的w e b ，因为远程数据经过t c p 层先要转换成h t t p 层的数据，格式转换消 耗了一些传输时间，因此，从实时性上来讲，c s 方式优于b s 。 3 从编程的灵活性来说，在c s 方式下，客户端和服务器的通信协议可以 完全以第三方组件的方式进行定义，编程比较灵活，与网络数据库的对接也十 分方便。而b s 方式则要结合w e b 等技术。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 4 从界面显示来看，c s 方式可以以传统的菜单方式显示，而b s 方式以 通用浏览器显示，后者的界面比前者美观和通用，但表单切换不方便。 5 从软件的获得形式来看，c s 方式的客户端需要专门的授予，获得形式 不方便，但安全性好。b s 方式不需要专门授予，在任何地方登录都可以进行远 程操作，获得形式方便，但此举有可能迫使i e 浏览器的安全级别降低。 6 从软件维护来看，c s 方式要同时维护客户端和服务器端软件，程序发 生改变时，客户端软件需要重新安装( 即软件升级) 。b s 方式维护工作只要在服 务器上进行。 综合上述区别，权衡利弊，作者认为基于t c p 协议的c s 编程更适合于远程 实时控制项目，这主要从它的数据传输量小、实时性好、协议定义灵活这几方 面来考虑，由于处于局域网内，系统安全性也比较好。因此，为了实现实时高 速的通信，考虑到通信数据的特点，本文作者选取基于t c p i p 协议的c s 编程 模式进行远程实时控制。 2 1 3 实时性的实现 实时性是远程控制系统的一个比较重要的性能指标。如果远程控制者的控制 命令不能马上由被控设备执行，造成设备动作的不连续，就会影响控制系统的 正常运行；另一方面，如果被控设备的反馈数据不能及时传送回远程监控终端， 也会导致远程控制者在判断被控设备运行状态时出现偏差。这些情况都会直接 造成远程控制系统的性能不可靠。 通常用“响应时间 来描述系统的实时性。响应时间是指某一系统对远程控 制者的输入做出响应所需的时间。响应时间越短，表示系统的实时性越好。远 程控制系统需要传输多种数据，其中对实时性产生影响的主要是远程控制终端 发送到本地控制系统的控制命令和本地控制系统发送回远程控制终端的反馈信 息。若传输滞后，则滞后时间通常包括处理时间、传输时间和作用时间三个部 分。 处理时间是指在控制命令或反馈信息交给数据传输通道进行传输之前进行 的预处理所用的时间。对于控制命令处理时间来说，是指远程监控终端在接受 到远程控制者的输入命令后，对其进行必要的处理，形成一种系统特定的数据 格式所需的时间；而对于反馈信息处理时间来说，则是指本地控制系统对收集 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 到的设备运行状态信息进行必要的处理，形成一种系统可辨识、易于传输和处 理的数据格式所需要的时间。 传输时间是指数据传输通道传输数据所需的时间。传输时间取决于所用的传 输介质以及传输方式。高速的数据传输介质和优化的传输方式都可以缩短控制 命令传输时间和反馈信息传输时间。 作用时间是指控制命令和反馈信息被接收后所做的必要处理所需的时间。具 体来说，对于控制命令作用时间，是指控制命令通过数据传输通道被传送到本 地控制系统后，被转换成被控设备的控制指令，以便对被控设备进行控制所需 的时间；而对于反馈信息作用时间，则是指反馈信息到达远程监控终端后，被 转化成远程控制者可理解的数据表示方式并显示出来所需的时间。 针对以上因素，本系统选择的局域网内的基于t c p i p 协议的c s 编程模式 就已经大大减少了传输时间。本系统中的控制命令处理时间主要是指客户端读 取加工代码文件中的g 代码信息的时间，相对来说描述图形或汉字的g 代码都 不是很多，文件不大，这个时间很短；反馈信息处理时间则是将反馈回的各轴 的位置响应地显示在e d i t 控件内的时间，几乎是收到之后立刻执行。本系统的 控制命令作用时间指服务器收到命令后调用m p c 0 2 库函数的时间，这个时间只 是用来调用一些库函数；反馈信息作用时间指将e d i t 控件内的数据用o p e n g l 画布三维显示的时间，三维图形几乎是与数据同时更新的。 本系统选用了d e l p h i 的t i m e r 控件，每3 0 0 m s 就检查一次系统的状态，上 述时间是完全小于这3 0 0 m s 的，系统设计保证了实时性。 2 1 4 对执行装置的监视 通常来说，为完成监视的功能，很多远程控制系统采用了视频图形作为反馈 形式。但是实际上实时图像信息量大，对传输的质量，网络的带宽和可靠性要 求都很高，也同样需要视频监视设备。 考虑到需要监视的执行装置的状态主要是各个轴的当前位置和装置正常与 否，数据量较小，本系统采用利用画布反馈各轴位置，状态栏信息反馈装置正 常与否的方案。即利用服务器得到装置的状态，在服务器画布和状态栏上显示 的同时，将这些数据传送给客户端，使客户端也能同步显示装置状态，同样能 使远程控制者就像置身服务器前一样。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 为完成三维显示，画布是利用o p e n g l 做成的控件。o p e n g l ( o p e ng r a p h i c s l i b r a r y ) 是s g i 公司i r i sg l 图形工作站的一个分支，是一个工业标准的三维 计算机图形软件接口，本质上，它是一个极其快速并可以方便移植的三维图形 和建模库。其本身与硬件和操作系统以及窗口系统的底层软件无关，是一种高 性能的开放式图形库技术，可以运行在支持o p e n g la p i 标准的任何硬件上。 o p e n g l 应用程序具有广泛的移植性，已成为目前的三维图形开发标准。 o p e n g l 中的坐标系为笛卡尔正交坐标系统，默认y 轴向上，z 轴垂直子x ， y 轴，正方向垂直于屏幕指向观察者，空间任意一点都可以由它在x ，y ，z3 个坐标轴上的位移来表示。在o p e n g l 中，整个三维处理过程都是依靠这样的坐 标系统来实现的。 作为图形硬件的软件接口，o p e n g l 由几百个指令或函数组成，这些指令允 许用户对二维或三维几何对象进行说明，允许用户对对象实施操作以便把这些 对象渲染到帧缓存( f r a m eb u f f e r ) 上。它具有强大的三维建模功能及帧缓存 动画技术，使得动态仿真过程呈现三维立体显示，可实现实时交互操作。 o p e n g l 的核心图形函数功能强大，带有很多可选参数，这使得源程序显得 非常紧凑；o p e n g l 可以利用已有的其它格式的数据源进行三维物体建模，大大 节省了开发时间，提高了软件开发效益；采用o p e n g l 技术，开发人员几乎可以 不用了解硬件的相关细节，便可以利用o p e n g l 开发照片质量的图形应用程序。 2 2 硬件总体结构 本系统硬件组成如图2 - 1 所示，大致可分为以下几个组成部分 1 机械部分：完成数控工作台那样的目标轨迹和动作。 2 执行装置：驱动机械部分运动。 3 传感器：对机械运动结果进行测量、控制和反馈。 4 控制装置：对控制信号和来自传感器的反馈信号进行处理，向执行装置 发出指令。 5 服务器：接受客户端的命令和加工参数，将执行装置运行状态返回给客 户端。 6 客户端：用户界面，传送命令和加工参数给服务器，接收服务器端返回 的状态参数。 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 图2 - 1 系统硬件组成 工作台是许多数控加工设备和电子加工设备的基本部件，它集成有运动控制 卡、电机及其驱动、电控箱、运动平台等部件。系统部件采用相对独立模块式 设计，机械部分是一个采用滚珠丝杠传动的模块化十字工作台，用于实现目标 轨迹和动作。执行装置具有x 、y 轴和z 轴的伺服电机，来进行工作台定位。x 、 y 、z 轴可以联动，可以分开运动。在x 、y 和z 轴的极限位置上，有限位开关， 能够进行限位控制。 执行装置根据驱动和控制精度的要求分别选用交流伺服电机，一般伺服电机 和驱动器组成一个速度闭环控制系统，用户则根据需要可通过运动控制器构造 一个位置( 半) 闭环控制系统。交流伺服电机采用富士电机的产品，安装在电 机轴上的光电码盘充当位置传感器，用于间接测量机械部分的移动距离。控制 装置由p c 机( 此时充当服务器的角色) 、运动控制卡和相应驱动器等组成。运 动控制卡接受p c 机发出的位置和轨迹指令，进行规划处理，转化成伺服驱动器 可以接受的指令格式，发给伺服驱动器，由伺服驱动器进行处理和放大，输出 给执行装置。 控制装置和电机之间的连接示意如图2 - 2 所示。 本系统的服务器采用的是一台工控机，相对于执行装置来说，称之为上位机。 它内嵌l 般c 0 2 运动控制卡，利用运控卡控制电机。进行本地控制时，工控机软 件负责人机交互界面的管理和控制系统的实时监控等控制的工作：上位机和下 位机之间能够进行通信，上位机能够向下位机发送加工任务、加工参数等信息； 进行远程控制时，上位机作为服务器，则充当了客户机和下位机的消息传递者 的角色，传递客户端的加工命令和下位机返回的系统状态。 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 m p c 0 2 卡 驱动器 r y c 2 0 1 d 3 - 、w 2 l f 蜊厂 l r _ s i g l 图2 2 运动控制器( 半) 闭环控制连接示意图 本系统的客户机采用的是一台工控机，它是整个运行系统的信息处理中心， 与服务器建立连接进行通信后，由它来负责人机交互界面的管理和控制系统的 实时监控等控制的工作。服务器与客户机的配置为： 1 、c p u ：i n t e rp e n t i u m42 8 g h z ： 2 、内存：1 g ； 3 、网络适配器：1 0 0 m 网卡； 4 、显示器：1 7 寸液晶显示器： 5 、操作系统：w i n d o w s2 0 0 0 ； 6 、软件开发环境：d e l p h i 。 2 3 软件总体介绍 从软件上来说，系统分成两个部分，服务端程序和客户端程序，它们的界 面分别如图2 - 3 和图2 4 所示。 囡马 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 图2 - 3 系统服务器界面 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 图2 - 4 系统客户端界面 表面上看，二者界面相似，功能相仿。实际上服务器可根据选择远程控制 或者本地服务两种工作方式，前者由客户端通过局域网实现远程控制，整个系 统总体功能模块划分如图2 - 5 所示，客户端完成加工文件处理，参数设置，加 工过程管理，通信，图形动态显示，和状态显示六个模块的功能，服务器则只 需完成其中的后三个功能模块；后者则由上位机本身( 即服务器) 实现本地控 制，此时不存在客户端，服务器完成除通信模块外的其他模块功能。 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 图2 - 5 通信状态下系统软件功能示意图 1 加工文件处理模块： ( 1 ) 处理加工文件内的g 代码，提取出每次的走刀距离，将其存入另外的 文件中； ( 2 ) 读取上一步骤产生的文件。 2 参数设置模块： ( 1 ) 可根据实际情况设置脉冲和运动系统类型( 两轴或三轴) ； ( 2 ) 可设置点位运动或者连续运动方式： ( 3 ) 可设置直线或者梯形速度变化类型； ( 4 ) 可设置加工速度和加工位移等参数； ( 5 ) 可设置加工零点。 3 图形动态显示模块： ( 1 ) 把接收到的数据在视图中以三维图形方式显示出来，以跟踪执行装置 三个轴的轨迹； ( 2 ) 图形界面支持视角变换，使操作者可以从各个角度观察图形； ( 3 ) 可根据实际需要随时调整图形显示比例，甚至清除图形。 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 4 通信模块： ( 1 ) 在服务器开启远程加工时，客户端可通过其i p 地址和端口号与其建立 连接； ( 2 ) 客户端向服务器发送命令和加工参数； ( 3 ) 服务器向客户端发送机械部分的状态参数和各轴位置。 5 加工过程管理模块： ( 1 ) 远程通信的连接和断开； ( 2 ) 可在加工过程中调节机械部分的运行速度； ( 3 ) 能够暂停加工、暂停后再继续加工和结束) j 日q - 。 6 状态显示模块： ( 1 ) 显示客户端与服务器的连接状态； ( 2 ) 显示运动控制卡的初始化状态； ( 3 ) 显示三个轴的运动状态； ( 4 ) 显示当前时间。 表2 1 列出了系统中主要控件及其功能说明。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 表2 - 1 主要控件及其功能说明 控件名控件类型功能说明 c 1ie n t s o c k e tt c lie n t s o c k e t 客户端 s e r v e r s o c k e tt c l ie n t s o c k e t服务器 d r a w p a n el t o p e n g l p a n e l三维显示执行装置位置 ( 自定义控件) t i m e r lt t i m e r定时返回执行装置位置，更新显示图形 e d t h o s t e d t p o r tt e d i t服务器i p 端口号 e d t 2 c o n s p e e d e d t t e d i t加工速度参数 2 l o w s p e e d e d t1 c u r p o st e d i t 执行装置各轴当前位置 e d t1 f i n a lt e d i t点位运动最终位置 e d t1 m a ic h o n gt e d i t脉冲当量 e d t f a c t o r t e d i t 图形显示比例 b t n c o n n e ct t b u t t o n 打开断开套接字连接 b t n d is c o n n e c t b t n x p o s b t n x n e g t b i t b t n x 轴正负方向运行 b t n l z e r o t b i t b t n回机械零点到加工零点 b t n l s t a r t p o i n t b t n 2 e x e b t n 2 st o pt b i t b t n开始加工停止加工暂停加工图形 b u t t o n 2 s t o p r g r o u p 2 t y p e s p e e d t r a dio g r o u p运行速度类型选择 r g r o u p lt y p e m o v e t r a dio g r o u p运行方式类型选择 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 第3 章硬件部分介绍 3 1m p c 0 2 运动控制卡 3 1 1 运动控制技术 运动控制主要用于机械传动装置的计算机控制，对机械传动装置中电机的位 置、速度进行实时的控制管理，使运动部件按照预期的轨迹和规定运动参数完 成相应的动作。 在运动控制系统中，按机械运动的轨迹分类，可分为点位、直线、轮廓控 制等。点位控制又称为点到点控制，是一种从某一位置向另一位置移动时，不 管中间的移动轨迹如何，只要最后能正确到达目标位置的控制方式。这类控制