（机械制造及其自动化专业论文）基于plc的开放式数控车控制系统研制.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘。要 丌放式数控系统具有模块逻辑独立、接口标准化、柔性和可移植性好的 特点，它满足了制造业对产品多样化的要求，成为数控系统的主要发展趋势。 论文以数控车床控制系统为对象，对开放式数控系统的体系结构进行了 研究，以基于p l c 的开放式数控车系统为切入点，对开放式数控车系统的辅 助功能实现进行了深入研究。 主要有以下几点内容： 1 ) 提出了基于p l c 的开放式数控车系统的总体设计方案。介绍了系统 软件和硬件的系统平台、结构框架、应用的关键技术。规划了数控车 系统的功能，重点论述了p l c 与数控车系统的通讯功能实现过程。 2 ) 阐述了步进电机控制原理，利用运动控制器实现了进给系统的联动控 制，利用p l c 实现了步进电机的点动控制。 3 ) 实现了基于p l c 的开放式数控系统的辅助功能。包括主轴起停和调 速功能、冷却液自动控制功能、卡盘夹紧和松开功能、尾架移动功能 和刀具的自动换刀功能。 4 ) 设计了基于p l c 的_ 丌放式数控车电气控制系统。以p l c 为电气控制 系统的核心设备，简化了一般辅助控制功能的电气线路，使辅助控制 系统实现模块化。 5 ) 制作了基于p l c 的开放式数控车系统的控制面板。白行设计了开放 式数控车控制系统的硬控制面板和软控制面板。 6 1 最后结合c 6 1 6 a 型通用车床为例，阐述了利用自行研制开发的数控 车系统对车床数控改造的过程，并给出了加工仿真实例。 在以上研究过程中，研制了数控车控制系统辅助功能模块，并结合软件 设计部分形成了一套完整的基于p l c 的开放式数控车控制系统。 关键词：p l c ：开放式数控；数控车系统；辅助控制 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t t h eo p e na r c h i t e c t u r en cs y s t e mh a ss o m ea d v a n t a g e ss u c ha s l o g i c i n d e p e n d e n c eo ft h em o d u l e ，i n t e r f a c es t a n d a r d i z a t i o n ，f l e x i b i l i t ya n dp o r t a b i l i t * i tm e e t st h er e q u e s to fv a r i e t yi nm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r ya n db e c o m e st h em a i n t r e n do f t h ed e v e l o p m e n to fn c s y s t e m 1 h k i n gn cl a t h es y s t e ma sa no b j e c t ，t h et h e s j sf o c u so nt h es t r u c t u r eo f o p e na r c h i t e c t u r en cs y s t e ma n dr e s e a r c h e s t h ea c h i e v e m e n to fa u x i l i a r y f u n c t i o no fn c1 a t h es y s t e mb a s e do np l c t h em a i nc o n t e n t sa r ca sf o l l o w e d ： 1 )d e s i g nt h em a i ns c h e m eo fo p e na r c h i t e c t u r en ci a t h es y s t e mb a s e do np l c i n t r o d u c et h e p l a t f o r m s o ft h es o r w a r ea i l dh a r d w a r e s y s t e m ，s y s t e m s t r u c t u r e ，k e yt e c h n i q u e s 卸ds oo n m a l ( ep l a n so fs y s t e mf u n c t i o n ，w 蜘c h f o c u s e so nt h ec o m m u n i c a t i o nb c t 、v e e np l ca n ds y s t e m 2 ) t h ec o n t r o lp r i n c i p l eo fs t e pm o t o ri se x p o s e d ，d r i v ec o n t r o lo ff e e ds y s t e m i sc a r “e do u tb yu s eo fm o t i o nc o n t r o i i e r m e a n w h i l e ，d o tm o t i o nc o n t r o lo f s t e pm o t o li sa l s oc a r r i e do u tb yu s eo f p l c 3 ) a c h i e v et h ea u x i l i a r yf i m c t i o no f0 p e na r c h i t e c t u r en c1 a t h es y s t e mb a s e d o np l c ，w h i c hi n c l u d e ss p e e ds e t t i n go fa x i s ，a u t o m a t i cc o n t r o lo fc o o l 】i q u i d ，c h u c kc o n t i l 0 1 ，t a i s t o c km o t i o na 1 1 da u t o m a t i cc h a n g eo f c u t t e r 4 ) a c h i e v et h em o d u l e so ft h ea u x i l i a r yc o n m ) ls y s t e m d e s i g ne l e c t r i cc o n t r o l s y s t e mf o r0 p e na r c h i t e c t u r en cl a t h es y s t e m ，w h i c hu s e sp l ca sak e y m e t h o dt os i m p i i f yt h ee l e c 打i cc i r c u i t so f c o m m o na u x i l i a f yc o n t m l 5 ) m a k eac o n t r o lp a n e lf o ro p e na r c h i t e c t u r en cl a t h es y s t e mb a s e do np l c a n dd e s i g ni t sh a r d w a r ea 1 1 ds o r w a r ec o n t m im o d u l e s 6 )f i n a i l y ， t a k ec 616 ac o m m o nl a t h ea sa n e x a m p l e t oi n t r o d u c e也e t r a n s f o r m a t i o np r o c e s so f n cl a t h eb yu s i n gt h i sa u x i l i a r ys y s t e m a sar e s u i t ，t h ep r o j e c ta c h i e v e st h em o d u l eo fa u x i l i a r yf u n c t i o nt oc a r r yo ma c o m p i e t eo p e na r c h i t e c t u r en c l a t h es y s t e m k e yw o r d s ：p l c ；0 p e na r c h i t e c t u r en c ；n cl a t h es y s t e m ；a u x i l i a r yc o n t r o l 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪沦 1 1 开放式数控系统的发展 数字控制是用数字化信息实现电气传动件控制的一种方法，是近代发展 起来的一种自动控制技术。从1 9 5 2 年世界上第一台数控机床产生开始，数控 系统经过了五十多年的发展，历经了五代数控系统的不断更新和进步。 随着个人计算机( p c ) 技术性能和可靠性不断提高，2 0 世纪8 0 年代末 期开始出现以p c 为基础的c n c ，由于其具有良好的开放性，发展速度很快， 成为数控系统的重要发展方向，从9 0 年代开始不断推出采用p c 的c n c 系 统新产品。 进入2 0 世纪9 0 年代以来，世界上一些研究机构和生产厂商，先后开展 了丌放式数控的研究。欧洲、美国、日本各自成立了开放式数控的研究机构， 它们的发展计划的代号分别为o s e 、o s a c a 、0 m a c 。这3 个计划目前都 已经取得了重大进展，并且公布了部分研究成果。丌放式数控是今后数控系 统的主要趋势。 按照i e e e 对于开放式系统的定义，一个开放式系统具有以下能力：经过 恰当实现的应用程序能够在不同厂商的多个平台上运行，能够与其它系统的 应用程序互操作，并且能够提供一致性的人机交互界面。这个定义是针对信 息技术中的丌放性而言的。该定义不能完全反映制造技术中的开放性概念。 开放式数控应该具有以下特点： 1 出一系列逻辑上独立的构成要素组成； 2 提供系统各个构成要素与系统之间接口的完善的规范和标准，来自不 同厂商的符合规范的构成要素能够构成一个完整的数控系统； 3 能动念改变系统的拓扑结构； 4 能实现与其它自动化系统或软件模块的互操作； 5 能提供一致性好的人机界面( m m i ) 。 我国的丌放式数控系统研究还属于初级阶段，主要存在以下一些问题。 首先，丌放式控制系统的概念不清晰。没有解决开放控制系统的平台问题。 各系统所采用的体系结构并不一致，仍是自成体系，相互之间缺乏兼容性和互 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 换性，而且x 于体系结构的阐述都只限于具体实现层，没有提高到理论的、抽象 的层次上柬，因而各系统软硬件不具备可移植性和互操作性。 其次，没有充分利用像w i n d o w s 、u n i x 、o s 2 等新型操作系统。软件开 发思想与技术落后，始终处于甚至低于结构化程序设计的水平。没有充分利用 面向对象、软件重用等软件工程中的新理论、新技术，而这些正是实现开放性 控制系统的关键所在。此外，产品的升级、更新、修改和维修仍然依赖于生产 厂家，没有提供相应的开发工具和环境，用户无法把自己的或任何第三方的思 想或产品融入到系统中去。 靛 1 2 开发式数控系统的体系结构 随着计算机技术、信息技术、网络技术的迅速发展，目前开放式数控系 统基本有3 种结构形式。 ( 1 ) 专用c n c + p c 主板 采用传统数控专用模板嵌入通用p c 机构成数控系统。系统可以共享计算 机的一部分软件和硬件资源，计算机的作用在于进行辅助编程、监控、编排 工艺等工作。与传统的c n c 系统相比，具有硬件资源的通用性以及软件的 再生性。 ( 2 ) 通用p c + 开放式运动控制器 完全以p c 为硬件平台构成数控系统。其主要部件是计算机和运动控制 器，机床的运动控制和逻辑控制功能山独立的运动控制器完成，具有开放性 的运动控制器是该系统的核心部分，它是由p c 硬件插件构成的。运动控制 器以美国d e l t at h u 公司的p m a c ( p r o g r a m m a b l em u l t i p l e a x i sc o n t r o l l e r ) 多 轴运动控制器最具代表性。目前国际上对于这种体系结构的研究最具有代表 性的组织是o s e ( 0 口e ns y s t e me n v i r o n m e n t ) 。 ( 3 ) 完全p c 型 完全采用p c 软件形式构成数控系统。全软件数控以应用软件的形式实现 运动控制。目越国际上对于这种体系结构的研究还处于起步阶段，未形成产 品。其中以o s a c a ( o p e ns y s t e ma r c h i t e c t u r ef o rc o n t r o lw “h i na u t o m a t i o n s v s t e m ) 和o m a c 的影l 啊最大。 系统越丌放，意味着它所需考虑和处理的技术与非技术问题越多。 o s a c a 的平台结构包容性大，具有更强的适应性，但其开发工作量异常大， 因此目前只能是总体构思，分步实施，短期内难以实现其对大部分操作平台 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 的支持。o s 色的“p c + 适配器卡”的方案，则灵活得多，并且可以充分利用 p c 机的价格、资源、技术优势，所以这种体系结构在很长一段时间内仍将处 于主流地位，其研究的意义也是显而易见的。 o s e c 的开放c n c 系统的体系结构包括3 个功能层和7 个处理层( 如图 1 1 ) 。分析如下： ( 1 ) o s e c 的结构属于层次性结构，它将数控系统按功能分层，每一层按照 功能分为若干个模块，层次间具有单向调用或者依赖关系，每一层都在其下层 建立，下层为上层提供所需的服务。同一层的模块问按照一定的接口关系自由 调用。 - - 一簧一一i 。 一丁l 一一1 | 一 一：! 兰璺鬯一_ j。jl 肌l ：t ：过b ! 控制 一一一 轨迹控制离敞小件控制 、ji ? ，一b 轴控制世待拧制 ，il 。! 执行器执行器 一b 。 一：几：。 h 刷 图1 1o s e c 的开放c n c 系统的体系结构 ( 2 ) o s e c 提出了n c 是分布式制造系统的一个服务器的观点，这实际上意 味着从最大粒度一一整个数控系统层次上的对外开放，而这是分布式制造系 统实现的基础。这一观点有借鉴价值。 ( 3 ) o s e c 认为，实现开放式数控有2 种途径：一种是理想的、革命性的，例 如o s a c a ：另一种是现实的、进化性的，o s e c 采用的就是这种方式。o s e c 的系统结构是局限于数控系统的直接描述，适应性不够强。 f 4 ) 0 s e c 的每个处理层都被划分为两部分：n c 基本部分和可变功能部 分。可变功能部分可以用其它可变功能部分替换。这一 丌放粒度比较大，灵活 性较0 s a c a 、o m a c 差。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 在这个结构体系中，运动控制器作为开放式的核心，可以根据用户需求 丌发各利t 功能。p c 机也提供了相对友好的界面，其离散事件控制可由p l c 来实现。 1 3 可编程控制器( p l c ) 在开放式数控系统中的应用 可编程控制器是为了取代传统的继电器接触器控制系统而产生的工业 控制装置。是将微型计算机技术、控制技术及通信技术融为一体，应用到工 业控制领域的一种高可靠性控制器。 p l c 的应用范围通常可分为如下五种类型： ( 1 ) 顺序控制。 ( 2 ) 运动控制。 ( 3 ) 过程控制。 ( 4 ) 数据处理。 ( 5 ) 通信和联网。 针对p l c 的以上功能，在开放式数控系统中，p l c 主要应用于顺序控制、 运动控制和过程控制。根据o s e 的体系结构，p l c 可以应用于开放式数控的 处理层中，管理设备控制。在整个数控体系中，p l c 与p c 机和运动控制器 相互通信，山p c 机统一协调动作过程。p l c 作为一个独立的控制模块，可 以和不同的运动控制器相结合。其独立性、可扩展性、互换性充分的体现了 丌放式数控系统的本质意义。 1 4 论文的主要工作 论文旨在获得功能完备的开放式数控车控制系统，搭建一个开放式的数 控车控制系统平台，基于p l c 实现对数控车系统的辅助功能的控制，具体实 现主轴的起停、冷却液的开关、卡盘的央紧松开、刀具的换刀等自动控制功 能。 具体的主要工作是： ( 1 )通过国内外资料介绍，对丌放式数控系统的本质进行分析，找到 切入点，进行丌放式数控系统的研制。 ( 2 )提出基于p l c 的丌放式数控车系统的总体设计方案，确定系统的 搭建平台，明确系统功能，给出数控车控制系统的总体框架结构。 ( 3 )研究步迸电机联动控制原理，阐述运动控制器对步进电机两轴联 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 动的实现过程，利用p l c 对步进电机进行简单控制。 ( 4 )基于工控机和运动控制器的基础上，利用p l c 设计数控系统辅助 功能模块，使之与自主研发的数控系统相结合，重点解决p c 机与p l c 之问的数据传输问题。 ( 5 )制作基于p l c 的数控面板，并设计完整的电气控制系统。 ( 6 )通过s t e p 一7m i e r o w i n 4 o 软件对p l c 程序进行设计调试。设 计过程确保程序的丌放型和柔性。 ( 7 )以通用车床为例将研制的基于p l c 的开放式数控车控制系统应 用于普通车床的数控改造中。 1 5 小结 对丌放式数控系统进行了总体介绍，深入研究了开放式数控系统的结构 体系，以p l c 在丌放式数控系统中的应用为切入点，规划了课题需要研究的 内容。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 笫2 章基于p l c 的数控车系统总体方案 基于p l c 的开放式数控车控制系统，采用固高公司提供的运动控制器与 通用p c 机为核心，对数控系统进行设计，针对运动控制器进行功能扩展， 采川p l c 完成数控系统的顺序控制和辅助功能控制。 2 1 开放式数控车系统平台 21 1 硬件系统平台 基于p l c 的开放式数控车系统的硬件系统平台主要包括通用p c 机、运 动控制器，p l c 、驱动器、步进电机、变频器、主轴电机、电动刀架、机械 系统、液压系统。 其中p c 机提供了软件的开发平台，主要根据运动控制器提供的函数丌发 自主的软件控制系统，p c 机要求采用奔腾i 以上的主板需带p c i 标准插槽； 运动控制器可以对机床进行多轴的轨迹控制，采用了固高公司生产的 g t - 4 0 0 s v 控制卡，其内部提供了典型的插补算法，如直线插补、圆弧插补 等，运动控制器还提供丁数字量的输入，输出接口，可以与p l c 实现通信； 驰动器通过运动控制器控制步进电机的多轴协调运动；p l c 采用了西门子公 司的s 7 2 0 0 ，c p u 2 2 4 型，作为辅助功能的控制核心实现数控系统的顺序控 制，；变频器采用了两门子公司的m m 4 4 0 通用型，主要实现主轴电机的变频 调速：电动刀架由p l c 控制，实现自动换刀功能：机械系统提供了机床的加 工平台：液压系统主要用米提供一些辅助功能的动力，例如驱动尾架移动、 央具加紧等。 住开放式数控系统的开发中，主要采用“p c 机+ 运动控制器”体系结构， 硬件结构利用工业p c 机作为主体，运动控制嚣插在其p c i 标准插槽上，p l c 辅助控制模块通过输入输出接口与运动控制器相联接。p c 机主要用于非实 时处理，实时轨迹控制由控制卡来承担，实时的辅助控制由p l c 来实现，从 而方便地实现人机界面的开放化和个性化。 而方便地实现人机界面的开放化和个性化。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 2 1 2 软件系统平台 开放式数控车系统的软件系统平台是以通用p c 机为基础，在w i n d o w s 操作系统平台下，采用v i s u a lc + + 6 0 和o p e n g l 作为开发工具。v i s u a lc + + 6 o 作为优秀的可视化开发工具，能充分利用面向对象、软件重用等软件 工程q 的新理论、新技术，而这些j 下是实现开放性控制系统的关键所在。 o d e n g l 是近年发展起来的一个性能卓越的三维图形标准，它与s u a lc + + 相结合，完成数控系统的虚拟仿真建模，使数控系统人机界面更加友好。 运动控制器为软件的开发提供了底层基础，其内部提供了典型的插补算 法，运动控制器的控制程序及相关函数完全向用户开放，软件系统设计主要 致力于在运动控制器的基础上完善各个模块的设计。 p l c 的程序设计是以s t e p7 一m i c r o w i n 3 2 编程软件为工具，进行p l c 的编程、下载、修改和实时监控。s t e p7 m i c r o w i n 3 2 编程软件采用3 o 以 上版本，在w i n d o w s 操作系统平台下，用p c p p i 电缆连接到p l c 的串行通 讯口。 2 2 数控车控制系统总体框架 2 2 1 硬件系统框架 数控车硬件系统采用的“n c 嵌入p c ”的结构模式，即运动控制器与p c 机相结合。运动控制器用束控制实时进给运动，提高了实时控制的可靠性和 稳定性。p c 机用来进行系统的前处理和后处理，充分的应用了计算机的各种 资源。数控车系统中，采用独立c p u 的p l c ，p l c 属于外装型，这种结构 能够减轻系统主c p u 的负担，使系统的响应速度提高。p l c 主要实现辅助 功能的控制。数控面板，用于发送控制信号，通过p l c 的输入模块，将控制 信号输入c p u 运行，运行结果通过p l c 的输出模块输出到设备的驱动装置， 驱动相应的设备动作。硬件系统框架如图2 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 图2 1 硬件系统结构框架 硬件系统中有软控制面板输入和硬控制面板输入两种方式。软控制面板 指p c 机的人机界面输入控制，通过键盘和鼠标对数控系统的人机界面进行 控制，调用运动控制器实现两轴连动。通过i o 接口板与p l c 通讯，实现辅 助功能模块控制。硬控制面板通过主令元件，向p l c 的输入模块发送指令， p l c 根据指令进行运行，c p u 指令通过输出模块分别控制电机驱动器、变频 器、电磁阀、电动刀架等控制设备。在x 轴、茁轴方向装有限位开关，向p l c 和p c 反馈信号，当触发限位开关，则会停止该_ ；l 妇的运动：主辜由上同轴安装 编码器，向p l c 和p c 机反馈主轴的速度和位置信号，用于主轴准停和螺纹 的车削；央具和尾架控制中安装有压力检测装置，向p l c 和p c 机反馈系统 的状态，触发后睨明夹具加紧和尾架到位。 2 2 2 软件系统框架 软件系统模块主要包括：人机界面模块、在线仿真模块、自动加工模块、 离线仿真模块、数据处理模块、代码解释模块和故障诊断模块。 人机界面模块是数控系统的人机交互平台，用于数控系统的任务调度， 显示系统的状态，例如进给位置坐标，加工进度，刀具、尾架等的工作状态， 主轴速度等。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 在线仿真模块根据机床的动作，实时在控制界面上显示系统的加工过程， 显示加工进度，走刀量，切削情况等，使用户对加工过程有直观的认识。 离线仿真模块是根据数控代码仿真实际的加工过程，以验证数控代码的 正确性，包括虚拟场景的交互，虚拟场景中机床、刀具、工件的建模，对加 工仿真过程进行控制，同时对切削过程的工件材料去除进行模拟。 自动加工模块利用运动控制器提供的控制功能实现对数控车床的两轴联 动控制，利用p l c 提供的辅助功能控制功能，实现辅助功能的实时控制。数 控代码执行后，机床将按照代码要求自动加工。 数据处理模块和代码解释模块，可以实现数控加工程序的手动编辑与修 改，从外部导入数控程序，检验数控程序的语法错误，对数控加工程序进行 处理，包括坐标指令、刀具半径补偿指令、辅助功能指令、运动指令等的处 理，最终生成可用来直接控制机床运动的数据。 故障诊断模块，对数据代码进行检验，指出故障的可能性，根据机床参 数校核数据指令的正确性和可行性。出现故障时自动采取措施，停止加工保 护系统和机床的安全，并对用户做出相应的提醒，帮助用户判断故障情况。 软件系统的结构框架如图2 2 。 图2 2 软件系统结构框架 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 2 3 数控车控制系统关键技术 2 3 1 数控车硬件系统关键技术 数控车硬件系统设计主要是基于p l c 的电气控制系统设计，在设计过程 中主要需要以下关键技术： 1 ) 在p c 机和运动控制器的基础上，设计基于p l c 的电气控制系统，使 p l c 代替传统的继电器接触器系统，完成数控系统辅助模块的设计。 2 ) 利用变频器，实现主轴的变频调速，实现变频器与p l c 的通信。 3 ) p l c 与自主开发的数控车系统软件之间的通信。 4 ) 数控系统通过对p l c 的控制，实现对机床运动及整个加工过程的协调 控制。 2 3 2 数控车软件系统关键技术 数控车软件系统设计主要是基于运动控制器的设计，在设计过程中主要 需要以下关键技术： 1 ) 系统总体结构的规划：由于整个系统的结构比较复杂，包括很多功能 子模块，因此必须首先规划好系统包括那些模块和各模块的功能。 2 ) 各个功能模块之间的数掘传输和协调，数据格式的定义：由于g 代码 提供的数据格式并不适合在各个模块之问传输，因此需要重新定义一 种数据格式来表达g 代码的含义并在各个模块问进行传输。 3 ) 自动加工的实时性和各模块之间的同步：加工是整个系统最重要的功 能，所以必须使其实时性得到保证；在加工的过程中，还要执行译码、 仿真、诊断等过程，因此必须要保证各模块间的同步。 4 ) 各种算法的实现：刀补算法、材料去除算法、车削工艺所要求的各种 功能算法( 如循环车削的路径规划) 。 2 4 数控车控制系统功能 作为完备的数控车控制系统，使系统不论在硬件还是软件上都能实现一 般数控车控制系统的功能。 以w i n d o w s 2 0 0 0 为软件运行平台，基于运动控制卡，实现以下具体功能： 1 ) 两轴联动和控制功能： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 川输入。通用数字量输出通过端子板的c n l 4 接出，引脚定义为通用输出， 可通过运动控制器提供的函数控制引脚的电平，将引脚与p l c 的输入模块相 连接，实现数控系统向p l c 的指令传输。引脚的每个点与p l c 的输入点根 据定义要求一一对应，以实现数控系统对p l c 的控制功能。接线如图2 5 ： 图2 5 输入输出点与p l c 输入模块的连接 2 5 2p l c 与数控系统的数字传输 p l c 通过输入模块与运动控制器的通用输出连接，运动控制器对通用输 出点的状态进行控制，进而对p l c 输入模块的信号进行控制，实现对p l c 的信号传输。接口板每个输出点的状态与运动控制器内的一个1 6 位寄存器变 量相对应，当寄存器的变量为1 时，对应的输出点为低电平，寄存器变量为 o 时对应的输出点位高电平，当输出点为低电平时p l c 输入模块的对应点接 通，输出点为高电平时p l c 输入模块的对应点为断开，p l c 根据输入模块的 不同状态，根据内部程序判断输出模块的状态，实现辅助功能的控制。 主机可以通过命令的方式对该输入输出口进行操作。其中通用输入的0 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 情况。在滑台的极限位置安装了位置检测开关，当触发后，开关的信号反馈 到plc 的输入模块，程序将停止步进电机的动作，达到进给的限位。在尾 架的前端和后端均采用了压力继电器柬判断到位，当压力继电器触发，pl c 将控制电磁阀动作，停止尾架运动。夹具的加紧也通过压力继电器判断， 并且与主轴控制相结合，当夹具松开时主轴不能启动，以保证人身安全和加 工安全。 利用p 乙c 代替传统的继电器一接触器控制，很多强电的控制过程均采 用了24v 直流弱电控制，极大的提高了系统的安全性。通过编制plc 的 程序，可以方便的控制自锁、互锁等情况，简化接线，对于提高系统的安全 性及其方便。 2 6 小结 本章详细说明了基于p l c 的开放式数控车控制系统总体方案。介绍了数 控车系统的软件、硬件平台和软件、硬件总体设计框架。规划了开放式数控 车系统的控制功能。列举了数控车系统的关键技术。详细说明了p l c 与数控 系统的通信功能实现方法。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 3 1 步进电机 第3 章进给系统的联动控制 3 1 1 步进电机的原理 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构：当步进驱动器接收 到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度( 称 为“步距角”) ，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲 个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频 率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。 步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差的特点， 广泛应用于各种开环控制。 现在比较常用的步进电机包括反应式步迸电机( v r ) 、永磁式步进电机 ( p m ) 、混合式步进电机( h b ) 和单相式步进电机等。 1 永磁式步进r 【机：一般为两柑，转矩和体积较小，步进角一般为7 5 度或1 5 度； 2 反应式步进电机：一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1 5 度，但噪声和振动都很大。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定 子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。 3 混合式步进电机：混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五 相：两相步进角一般为1 8 度而血相步迸角一般为o 7 2 度。这种步进电机的 应用最为广泛，也是本次细分驱动方案所选用的步进电机。 步进电机的基本参数： 1 电机固有步距角；表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动 的角度。电机出厂时给出了一个步距角的值，如8 6 b y g 2 5 0 a 型电机给出的 值为o 9 0 1 8 。( 表示半步工作时为o 9 0 、整步工作时为1 8 。) ，这个步距角可 以称之为电机固有步距角，它不一定是电机实际工作时的真正步距角，真 正的步距角和驱动器有关。 2 步进电机的相数：指电机内部的线囤组数，目前常用的有二相、三相、 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 四相、血相步进电机。电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步 距角为o 9 。1 8 0 、三相的为0 7 5 。1 5 0 、五相的为0 3 6 。0 7 2 。在没有细分 驱动器时，h 户士要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求。 如果使川细分驱动器，则相数将变得没有意义，用户只需在驱动器上改变 细分数，就可以改变步距角。 3 保持转矩( h o l d i n gt o r q u e ) ：指步进电机通电但没有转动时， 定子锁住转予的力矩。它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低 速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰 减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机 最重要的参数之一。比如，当人们说2 n m 的步进电机，在没有特殊说明的 情况下是指保持转矩为2 n _ m 的步进电机。 4 d e t e n t t o r q u e ：是指步进电机没有通电的情况下，定子锁住转子 的力矩。由于反应式步进电机的转子不是永磁材料，所以它没有该参数。 3 1 2 步进电机驱动器 步进电机的运行要有一电子装罱进行驱动，这种装置就是步进电机驱动 器，它是把控制系统发出的脉冲信号，加以放大以驱动步进电机。步进电机的 转速与脉冲信号的频率成f 比，控制步进脉冲信号的频率，可以对电机精确 调速：控制步进脉冲的个数，可以对电机精确定位。 步进电机的细分技术可以提高步进电机的运转精度，并且可以减弱或消 除步进l 电机的低频振动。步进电机的电细分驱动是通过对电机励磁绕组电流 进行控制，使步迸电机定子的合成磁场成为按细分步距旋转的磁场，从而带 动转子转动实现的。当两相相邻绕组同时通过不同大小的电流时，各相产生 的转矩之和为零的位置为新的平衡位置。这样就实现了细分。图3 1 所示的 是步进电机电细分驱动的原理。如果将a 相通电时磁场方向定义为起始位 “o ”，从a 相通电变为b 相通电磁场方向旋转了9 0 0 ，这是步进电机整步运行 情况如果a 相、b 相同时通电且通电电流相同，合成矢量方向为图中2 所示 方向，这是步进也机半步运行的情况。若以a 相或b 相单独通电时产生的磁 场大小为半径( 以r 表示) 画四分之一圆( 如图3 1 所示) ，即可算出位置“l ” 时的两分量a l = r s i n 0 1 ，b 1 = r c o s 0 1 ，同理可以算出 a 2 = r s i n 0 2 ， b 2 = r c o s e ：a 3 = r s i n 0 3 ，b 3 = r c o s e 3 。由于步时电机的运行依赖于电机内部定子 绕组产生的磁场，而磁场的大小又依赖于圆绕组中电流i 的大小，步进电机 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 移精度主要取决于步进电机的角位移精度，齿轮丝杠等传动元件的导程或节 距精度以及系统的摩擦阻尼特性。开环进给系统的结构简单，调试、维修、 使用都很方便，工作可靠，可应用于控制精度要求不太高的机床上。 3 2 2 运动控制器的接线 运动控制器对进给系统的控制主要通过专用输入输出接口及控制信号输 出接口实现。 专用输入包括：驱动报警信号、原点信号和限位信号，通过端子板的 c n 5 ( c n 6 、c n 7 、c n 8 ) 、c n l 2 与驱动器及外部开关相连。专用输出包括： 驱动允许，驭动报警复位。专用输出通过端子板c n 5 、c n 6 、c n 7 、c n 8 与 驱动器联接。c n 5 对应l 轴，c n 6 对应2 轴，c n 7 对应3 轴，c n 8 对应4 轴。c n 5 c n 8 的引脚定义相同，见表3 1 ，c n l 2 的定义见表3 2 ，连接方 法见图3 4 。 表3 1 端子板c n 5 ( c n 6 、c n 7 、c n 8 ) 定义 引脚信号说明引脚信号 lo g n d外部电源地1 4o v c c 2a l m 驱动报警 1 5 r e s e t 3 e n a b i j e驱动允许1 6保留 qa 一编码器输入17a 斗 5b 一编码器输入1 8b 十 6c 一 编码器输入 1 9c + 7+ 5 v电源输出2 0g n d 8d a c 模拟输出 2 1 g n d 步进方向输 9d i r +2 2d i r 出 j og n d数字地2 3p u l s e + 步进脉冲输 】1 p u l s e 一2 4g n d 山 1 2保留保留2 5保留 1 3g n d数字她 表3 2 端子板c n l 2 的定义 j引脚信号说明 1h o m e o1 轴原点输入 2 h o m e l2 轴原点输入 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 3h o m e 23 轴原点输入 4h o m e 34 轴原点输入 5l i m i t o 十 l 轴正向限位 6l i m i t 0 1 轴负向限位 7l i m i t l +2 轴正向限位 8 l i m i t l 2 轴负向限位 9l i m i t 2 +3 轴正向限位 1 0l i m i t 2 3 轴负向限位 1 1l i m i t 3 +4 轴负向限位 1 2l i m i t 3 4 轴负向限位 13e x l o通用输入 1 4e x l l通用输入 1 5o g n d外部电源地 1 60 v c c + 1 2 v + 2 4 v 输出 驱动器侧 图3 4 专用输入、输出信号连接图 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 3 页 ( 4 ) 控制输出信号连接方法 s v 卡可以输出两种信号：模拟量信号或脉冲量信号。默认情况下，s v 卡四轴输出模拟量信号。当运动控制卡用于步进电机控制时，可首先将控制 信号输出模式改为脉冲量信号，可通过输出设置指令“g t c t r l m o d e ( 1 ) ”实 现。在脉冲量信号输出方式下，有两种工作模式，一种是脉冲方向信号模式， 另一种是f 负脉冲信号模式。默认情况下，控制器输出脉冲，方向信号模式。 用户可以通过命令“g ts t e p p u l s e ”，转换为正，负脉冲信号模式；亦可通过 命令“g ts t e p d 矿切换为脉冲方向信号模式。 脉冲，方向输出信号通过端子板的c n 5 ( c n 6 、c n 7 、c n 8 ) 的引脚9 、2 2 、 2 3 、1 1 输出。连接方法见图3 5 。在脉冲方向信号模式下，引脚2 3 、1 l 输 出差动的脉冲控制信号，引脚9 、2 2 输出差动的运动方向控制信号。在正 负脉冲模式下，引脚9 、2 2 输出差动的正转脉冲控制信号，引脚2 3 、儿输出 差动的反转脉冲控制信号。如果驱动器需要的信号不是差动信号，将相应信 号接于上述差动信号输出的正信号端( 即引脚9 、2 3 ) ，负信号端悬空。 控制器侧 驱动器侧控制器侧驱动器侧 m + l 旦一一一b 骂一m d i r 0 - 卜_ 一d i r -d w 一 _ - 一* 一l 旦一一+ 一+ l 磐一一 p 皿。一卜一r 5 e p v l 皿0 - 卜 、_ 征_ 一 篙目裟目l p u l s e d i r 双端方式 fj p 皿s e + p u l s e 双端方式 j 图3 5 脉冲量控制输出信号接线图 3 。2 3 联动控制的实现 运动控制器可以实现两种轨迹的多轴协调运动：直线插补、圆弧插补。 描述复杂的多轴协调运动轨迹的最简单的方法是利用坐标系，在坐标系内能 够方便地描述运动对象的运动轨迹。因此，多轴协调运动又称为坐标系运动； 多轴协调运动模式又称为坐标系运动控制模式。 运动控制器通过坐标映射将控制轴由单轴运动控制模式转换为坐标系运 动控制模式。在坐标系运动控制模式下，可以实现单段轨迹运动，多段轨迹 连续运动。运动控制器丌辟了底层运动数据缓冲区，可以实现多段轨迹快速、 稳定的连续运动。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 4 页 ( 1 ) 运动坐标系与控制轴的映射 运动控制器利用一个四维坐标系( x ，y ，z ，a ) ，描述直线、圆弧插 补轨迹。对于数控车系统只需要利刖二维( x ，y ) 坐标系来描述运动轨迹。 通过调用g t _ m a p a x i s ( ) 命令将在坐标系内描述的运动通过映射关系映射 到相应的轴上。从而建立各轴的运动和要求的运动轨迹之间的运动学传递关 系。运动控制器根据坐标映射关系，控制各轴运动，实现要求的运动轨迹。 调用g tm a p a x i s ( ) 命令时，所映射的各轴必须处于静止状态。 坐标腆射命令函数原型是：s h o r tg tm a p a x j s ( s h o r ta x i sn u m ，d o u b l e + m a p _ c o u n t ) ，其中，a x i s - n u m 为轴号( 1 、2 、3 或4 ) ，调用坐标映射命令 以后，泼轴工作于坐标运动模式。该轴的实际位置记为a x i sn ，单位是脉冲。 数组m a pc o u n t 包括五个元素，顺次记为c x 、c y 、c z 、c a 、c ，坐标轴x 、 y 、z 、a 所对应的相应坐标记为x 、y 、z 、a 。上述函数描述的映射关系能 够简单地描述成如下公式： a x 括一n = cx x x + cv x y + c ；x z + c 。x n + c 简单的坐标映射代码如下所示： v o j dm a p a x i s ( ) fs h o r tr t n ； d o u b l ec n t l 【5 1 = l ，o ，o ，0 ，0 ) ； 根据系统设置坐标映射数组+ d o u b l ec n t 2 5 = 0 ，1 ，0 ，0 ，0 ；p 根据系统设置坐标映射数组+ f t n ：g t _ m a p a x i s ( 1 ，c n t l ) ；e r r o r ( r f n ) ；，幸映射第1 轴到x 轴+ n n = g t _ m 印a x i s ( 2 ，c n t 2 ) ；e r r o r ( r t n ) ；p 映射第2 轴到y 轴+ ) 如果控制轴1 和控制轴2 所对应的运动方向由于某种原因不垂直。为了 利用直角坐标系x o y 描述运动轨迹，可以通过简单的变换得到如下的坐标 映射关系： l 号轴= x + y t a l l 2 号轴= y c o sd 使用上述映射关系，可以方便地直接在直角坐标系下描述运动轨迹。运 动控制器自动地完成倾斜补偿运算。坐标映射代码如下： v o i dm 印a x i s ( ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 5 页 s h o nr t n ； d o u b l ec n “ 5 】= l ，o ，0 ，o ，o ； d o u b 】ec n t 2 【5 】_ o ，o ，o ，o ，0 ) ； c n t l 1 _ t a n ( 3 ) ，c n t 2 1 - 1 c o s ( 3 ) ；严这里倾斜角度为3 04 n n = g t - m a p a x i s ( 1 ，c n t l ) ；e r r o r ( r t n ) ； r t n = g t - m a p a x i s ( 2 ，c n t 2 ) ；e r r o r ( n n ) ； ) 以次类推，坐标平移、坐标旋转、坐标比例变