（机械制造及其自动化专业论文）基于微机的开放式数控实验系统的研究.pdf

摘要 随着计算机技术、信息技术、网络技术的迅速发展，具有良好柔性和低成本的开放式数控系 统已得到越来越多的制造商和用户的认同，开放式数控技术已成为当前数控领域研究的热点，也 成为未来数控技术的主要发展趋势。 本课题针对数控技术课程的教学和实验研制开发出了一个两轴联动的开放式数控实验系 统，该系统采用典型的“p c + 运动控制器”结构形式。硬件平台主要由通用p c 机、p c i - 1 2 4 0 j 匿动控 制卡、步进电机4 2 b y g 2 5 0 b 和驱动器s h 2 0 4 0 3 以及数控工作台组成，p c 机与运动控制卡之间通 过p c i 总线进行通讯。在系统的软件开发上，以w i n d o w s n r 操作系统为开发平台，以v i s u a l c + + 6 0 为开发工具，以m f c 为软件开发框架，利用面向对象和面向结构的软件思想和方法，设计和实现 了对步进电机及工作台的运动控制及仿真，对n c 代码的读入、识别、刀具轨迹仿真及运行控制， 对运行状态的实时监控等功能。通过使用多线程技术解决了系统的实时性响应及控制问题，实现 了系统的多任务并行处理。开发出的系统已成功通过调试运行及实例验证。 关键词：开放式数控，数控实验系统，运动控制卡，多线程 a b s t r a c t w i t ht h e q u i c kd e v e l o p m e n to ft h ec o m p u t e rt e c h n o l o g y , i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya n dn e t t e c h n o l o g y , t h eo p e nc o m p u t e rn u m e r i c a lc o n t r o l ( c n c ls y s t e mw i t hg o o df l e x i b i l i t ya n dl o wc o s t h a sb e e nw e l c o m e db ym o r ea n dm o r em a n u f a c t u r e sa n dc u s t o m e r s n ”o p e nc n ct e c h n o l o g yh a s b e c o m et h eh o tr e s e a r c hs u b j e c ta n dw i l lb et h em a i nt r e n di nt h ec n ct e c h n o l o g y a n0 p e nc n ce x p e r i m e n ts y s t e mw i t i it h ef u n t c t i o no ft w oa x i sa s s o c i a t i o na c c o r d i n gt ot h e r e q u i r e m e n to f t h ec o u r s ea n dt h ee x p e r i m e n to f c n ct e c h n o l o g yt e a c h i n gw a sd e v e l o p e di nt h i st h e s i s t h es y s t e ma d o p t e dt h et y p i c a l “p c + m o t i o nc o n t r o l l e r s t r u c t u r e i t sh a r d w a r ep l a t f o r mm a i n l y i n c l u d e sac o l l 】t n o np c ，ap c l l 2 4 0c o n t r o l l e r , t w o4 2 b y g 2 5 0 bs t 印m o t o r s ，2s h - 2 0 4 0 3m o t o r d r i v i n gm o d u l e sa n daw o r kp l a t f o r m ，t h ep cc o m m u n i c a t e sw i t ht h em o t i o nc o n t r o l l e rb yp c ib u s i n t h ed e s i g no ft h es o f t w a r e ，t h ew i n d o w sn to p e r a t i o ns y s t e mw a st h eb a s i cp l a t f o r m ，t h ev i s u a lc + + w a st h ep r o g r a m m i n gt o o l ，t h em f cw a st h es o l , w a r es t r u c t u r e a tt h es a m et i m e ，t h eo r i e n t - o b j e c t i d e a sa n dt h em o d u l es t m c t t t mm e t h o d sw e r ea l s ou s e di nt h es o f t w a r ed e s i g n t h es y s t e mc a nf i n i s ht h e f u n c t i o no f t h em o t i o nc o n t r o la n di t ss i m u l a t i o no f t h ep l a t f o r ma n do f t h ei n s p e c to f t h ea x i sr u n n i n g s t a t u s i nt h i ss y s t e m ，t h en c - c o d op r o g r a mf i l ee a t lb er e a d , i d e n t i f i e da n di t ss i m u l a t i o nc a nb e r e a l i z e do r t h es c r e e na n dt h ec o r r e s p o n d i n gm o t i o nc a nb ec a r r i e do u t b 簟u s i n gt h em u l t i - t h r e a d t e c h n o l o g y , t h ep r o b l e mo fr e a l - t i m eq u i c kr e s p o n s ea n dc o n t r o lw e r os o l v e da n dt h ea b i l i t yo f m u l t i - t a s k sp a r a l l e lp r o c e s s i n gw a sr e a l i z e d t l l i sd e v e l o p e ds y s t e mw o r k e dw e l li nt h eh a r d w a r ea n d s o f t w a r et e s t k e y w o r d s ：o p e nc n c ，c n ce x p e r i m e n ts y s t e m , m o t i o nc o n t r o l l e r , m u l t i t h r e a d 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 渺前孳 时间： 伽年石月修日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、 传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名： i 移回弓 时间：加年f 月伊日 别谴轹诵爱卜 时间：彳年莎月巧细 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 开放式数控概述 1 1 1 开放式数控技术的背景 第一章绪论 数字控制州c - n 啪e f i c a lc o n 打o d ，简称数控，是相对模拟控制而言的，是一神自动控制技术， 它是用数字化信号对机床的运动及加工过程进行控制的一种方法。 自1 9 5 2 年美国的麻省理工学院r r ) 伺服机构实验室( s e r v om e c h a n i s ml a b o r a t o r yo f * h e m a s s a c h u s e t t si n s t i t u t eo f t e c h n o l o g y ) 研制出世界上第一台三坐标数控铣床以来，数控系统在制造 业中得以广泛地应用。半个世纪以来，数控技术无论在硬件还是软件方面发展都很迅速。 当今数控技术，正朝着功能上的系统化、柔性化、集成化、智能化，性能上的高速、高精、 高效、高可靠性方向发展。这种发展的动力来自于计算机技术、控制技术和信息技术等相关学科 的快速发展和相互融合。特别是计算机技术的发展，使得蔚度模块化、高度构件化、高度兼容性 成为了以计算机为基础的软硬件产品所应具备的要求，这种要求晟终表现在开放式的系统体系结 构上。反而言之，只有在开放式体系结构下，数控技术才能具备对最新计算机技术、c a d c a m 和 新加工工艺等相关技术的快速反应能力与吸纳性才能使大范围的技术协作成为可能，才能尽可 能满足不断变化的发展需求。 另一方面，数控系统从专用封闭式体系结构向通用开放式体系结构发展，既是为了适应市场 的需求，也是技术发展的必然。1 9 9 0 年以前，由于技术上的限制，数控系统主要以封闭结构的专 用型为主，最具代表的是日本f a n o c 公司产品。随着微电子和计算机技术的迅速发展、数控系 统本身复杂性的不断增长、与第三方软件兼容的要求、开发人员频繁流动及同行之间激烈竞争等 因素的影响，迫使数控系统生产商不断提高系统质量，尽可能缩短产品开发时间。美国政府于 1 9 8 0 年代末率先提出开放式数控系统概念，1 9 9 0 年以来，欧洲、日本积极响应，相继推出并 实施了n g c 计划( n o x tg e n e r a t i o nw o r k - s t a t i o n m a c h i n ec o n t r o l l e r ) 及o m a c 计划( o p e n m o d u l a ra r c h i t e c t u t ec o n t r o l l c r ) 、o s a c a 计划( 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 i 血i n a u t o m a t i o ns y s t e m s ) 、0 s e c 计划( o p e ns y s t e me n v i r o n m e n tf o rc o n l r o l l e r ) 等。 我国数控系统的开发与生产，经过“六五”、“七五”引进、消化和吸收，“八五”规划国家 组织科技攻关对自主版权的开发及“九五”规划国家组织产业攻关等各个阶段实施，开发了具有 我国自主版权的2 个基本系统平台、4 种数控系统及其派生产品。例如，华中i 型( 华中数控公 司) 是基于p c 加数控卡构成硬件平台而进行开发的。航天i 型( 北京航天机床数控系统集团公 司) 是利用p c 机的体系结构设计的与通用p c 机兼容的微机，加上数控通用专用模板，成了单 机数控系统。在这个基础上，再与通用p c 机互连，构成了典型的前后台结构的多机系统。现在， 随着芯片技术及计算机技术的高速发展，利用通用微机系统设计开放式结构的数控系统，把开发 工作转移到软件设计及定制算法上，在上述的儿种数控系统中都有所突破，它们都实现了五轴以 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 i i 上的多轴联动功能。但从机床的整体看，无论可靠性、精度、生产效率和自动化的程度，与国外 相比仍存在不小的差距。它们也还不具备开放式数控系统的本质特征，仍有许多需要改进之处。 比如，开放式数控系统的概念还不清晰，没有很好地解决系统的平台问题。各系统所采用的 体系结构并不一致，仍自成体系相互之间缺乏兼容性和互换性，而且对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，因而各系统软硬件不具备可移植性和互操作 性。另外，软件开发思想与技术落后，大都还处于结构化程序化设计的阶段，没有充分利用面向 对象、软件重用、中间件等新的软件新理论、新技术，而这些正是实现开放式数控系统的关键所 在。此外，产品的升级、更新、修改和维修仍依赖于生产厂家，没有提供相应的开发工具和环境， 用户无法把自己的或第三方的恩想或产品融入到系统中去。 随着基于p c 微机开发数控系统的开放式技术体系的出现和发展，我国数控技术迎来了良好 的发展机遇，把握好这一机遇，可以加速我国数控技术的发展，从而大大推动整个制造业以及工 业的发展。 2 0 0 2 年1 2 月，中国自己的新一代开放式数控系统国家标准获得了批准并正式颁布脚，自2 0 0 3 年1 月1 日开始实施，不过该标准目前只有指导性总则，具体细则目前仍在研究和制定当中。标 准总则部分规定了开放式数控系统( o p e nn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m ，简称：o n c 系统) 的功能及 特征、基本体系结构及通信接口。规定了o n c 系统的模块化拓扑结构及标准化通信接口等方面 的基本要求，制定该标准的目的是：1 ) 能以最少的修改，实现应用程序在不同厂商生产的数控 系统间进行移植；2 ) 能使本地或远程数控系统中的应用程序实现互操作；3 ) 能以方便用户迁移 的方式实现同用户的交互。 1 1 2 开放式数控系统的国内外研究现状 一、国外研究现状 t 9 8 8 年前后，“开救式结构控制器( o p e n 触i t e c 嘛c o n 鸳o l l c r ) ”概念第一次被提出。1 9 8 1 年，美国国防部为了减少军备制造对日本控制系统的依赖性，开始了“下一代工作站机床控制器 ( n g c ) ”计划，1 9 9 0 年美国国防部启动了o a s y s 项目来作为n g c 的后续工作。其后许多相 关研究计划在世界各地相继启动，其中影响较大的有美国的o m a c 计划、欧洲的o s a c a 计划 和日本的o s e c 计划【3 l 。 n g c 的体系结构建立在虚拟机的基础上，通过虚拟机将子系统和模块链接到计算机平台。 n c - c 计划的目的在于为工业应用提供功能性和服务性的定义，如机床包括切削、非切削机床、 机器人和坐标测量机等，最终以开放式体系结构标准规范( s p e c i f i c a t i o nf o r a l lo p e ns y s t e m a r c h i t e c t u r es t a n d a r d ，s o s a s ) 和“设计人员指南”作为开发符合n g c 规范的产品所需的信息， 并引发出n g c 标准化的成果。n g c 于1 9 9 4 年完成，完成了原型研究并转入工业开发应用阶 段，以美国f o r d 、g m 和c h r y s l e r 三大汽车公司为首，在n g c 的指导下，联合提出进一步的 o m a c 开发计划。 o m a c 将制造控制系统分为系统基础框架、信息库管理、任务调度、人机接口、运动控制、 传感器接口等模块，并提出由基类、模块、系统结构设计和系统详细设计等组成的系统开发“参 2 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 考模型”。该计划的目的是使控制器生产厂、机床厂和最终用户能够在该“参考模型”结构下， 缩短系统开发周期、降低系统开发费用、简化系统集成和二次开发、简化系统使用和维护。 o s a c a 结构由三个主要部分组成：参考结构( r c 危r c n c ea r c h i t e c t u r e ) 、通信系统 ( c o m m u m c m i o ns y s t e m ) 和配置系统( c o n f i g u r a t i o ns y s t e m ) 。其中通信系统是o s a c a 的核心 部分，它屏蔽了操作系统差异。通信系统是基于客户机服务器机制来实现的。 日本的o s e c 计划是在开放式数控委员会( o p e n n cs c o p ea n d d i r e c f i o n s c o m m i r e e ) 的倡 导下，由三个机床厂( t o y o d a 、t o s h i b a 和m a z a k ) 、一个系统厂( m i 捃u b i s h i ) 和两个信息公司( s m l ， 日本i b m ) 发起的。其目的是开发基于p c 机平台、具有高性价比和开放式体系结构的新一代 数控系统，以适应迅速变化的市场需求。硬件方面o s e c 采用p c + 控制卡( 将n c 专用卡插 到p c 机中) 的结构，利于层次化、模块化、灵活配置的实现。系统方面，在m b c p ( m s a g e b a s e d c o 姗u n i c 撕o n p l a t f o r m ) 和f l ( f 帅c 6 0 n a l l a y e m ) 两种开放式平台的选择中，o s e c 认 为前者定义虽理想，但后者已经过了长期盼检验完善，最终o s e c 选择了以f l 为基础的开放 式平台。 自以上研究计划启动以来，数控系统体系结构从封闭转向开放，可充分利用计算机技术的丰 富资源可根据控制对象要求迅速、灵活地更换软硬件，并能及时吸收新技术，使得数控技术发 展加快，开发周期缩短，装置性能大为提高，涌现了一批高精度、高效率、具有联网通信功能的 开放式数控系统。 国外一些学者对开放式数控系统的研究也十分重视，踟p j r o b o t 等【4 】比较早地研究了基于 p c 微机的开放式数控系统的结构，s 岫g s j kp a r k 等吲研究了中间件技术在数控系统中的应用。 二、国内研究现状 一些研究人员针对具体设备和系统对开放式数控进行了研究。比如胡雪芬”墩控刻楦机，李 为建7 】隼十对仿型铣床，张边【”针对激光加工数控系统，侯树凯“针对数控壁板铣床，郭贵福【1 1 针对 热切割机都进行了一定的研究。 许多学者十分重视开放式数控系统中的结构体系及相关技术的研究。 魏仁选等【”】【”1 研究了基于软件芯片的数控系统的实现模式。在该实现模式中，通过对数控软 件的标准化与规范化的研究，运用面向对象的机制，把数控系统的功能进行抽象，并进行封装， 将数控软件设计成具有稳定通用的接口，可以重用的软件芯片，每一个软件芯片完成数控系统的 一个独立模块功能。 周惠兴等e t a 等提出衍生式计算机数控系统，这种系统将原有系统作为一功能部件，对其进行 衍生式设计，使其具有开放系统的功能和特征。 李斌【“】【“1 等在开放式数控系统研究中引入领域工程思想和基于构架构件的软件复用技术， 并认为数控系统的开放性和可复用性是特定领域中一个问题的两个方面，同时提出了满足开放式 数控系统要求的层次总线构架风格。 此外，w a n g y u h a n 等“1 研究了开放式数控系统内核的可重组模型，周建辉等1 1 研究了u m l 技术在数控系统中的应用，罗华丽等”研究了软件p l c 技术并给出了模型。 在开放式数控实验系统研究方面，一些学者也进行了不少探索，虽然很多系统的开放性都很 不够，但这些实验和探索对于教学和科研都具有积极意义。 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 丁建军【1 ”等的研究是为了模拟铣床加工，系统的硬件采用m c s - 5 i 系列单片机，实现的功能 包括读取键盘常用的数控准备功能指令如g 0 1 、g 0 2 、g 0 3 以及辅助功能指令m 0 3 、m 0 4 、m 0 7 完成相应的指令功能该系统能进行曲线插补，动态坐标输入，完成曲线加工。 唐小会俐等研究了基于p m a c 和i p c 的开放式数控实验系统平台的硬件结构和软件机理，其 功能方面包括参数配置、电机状态信息显示、故障诊断等功能。 谢勇君】及张克华吲等以f a n u c 典型数控系统作为模拟对象，采用p e n t i u m ( 5 8 6 ) 机和众为兴 公司的a d t - 8 3 0 运动控制卡，设计了基于w i n d o w s 9 8 的开放式数控培训系统。 董爱梅口3 】等研究的系统使用通用p c 机，编程采用d e l p h i 嵌套汇编语言，实现的功能主要包 括：参数调节，手动，点动，模拟显示和自动进给功能。 1 1 3 开放式数控系统的特征 开放式数控的概念最先出于二十世纪八十年代末，它产生的直接动力是各国、各企业对国际 市场的竞争。到目前为止，开放式系统规范尚未统一。但可以认为开放式数控系统应具备以下特 点口”： ( 1 ) 开放性：提供标准化环境的基础平台，允许不同功能的模块介入。 ( 2 ) 互操作性：提供标准化的接口、执行模块、通讯和交互装置。 ( 3 ) 可移植性：不同应用程序模块能运行于不同厂商生产的系统平台上，同时系统的软件 平台也可运行于类型和特性不同的硬件平台上。 ( 4 ) 易扩展性：通过特定的功能模块的装载和卸载为用户系统增添和减少功能。 ( 5 ) 互换性：允许不同性能、不同可靠性和不同执行能力的功能模块互相替代。而不影响 系统的协调运作。 1 2 课题研究意义 我国已经是世界上的著名的“制造大国”。但还不是“制造强国”。目前国家对于先进制造技 术和高级制造专业入才都十分急需。 数控技术是先进制造技术的基础，也是制造业实现自动化、柔性化、集成化、信息化的出发 点。开放式数控系统是对传统封闭式数控结构的根本突破。是当今数控技术的发展主流和研究热 点，更是新一代数控的关键技术。采用开放体系结构的控制系统，对于控制系统开发者，可在共 同的标准平台上建立广泛的合作，实现厂家的协作式开发，这将大大缩短系统的开发周期，减少 投资，增强产品竞争力；对于机床生产厂，不仅可以根据需要配置最合适的控制系统，而且可将 自己独特的软件集成到控制器中，形成自身产品的特色；对最终用户来说，可以最大限度地按照 自己的需要选择产品，配备合适的功能部件，实现系统的集成和扩展：其体系结构开放有利于数 控技术能持续不断地吸收新的计算机软硬件成果，也使得系统的操作、维护更为方便。 开放式数控系统的体系结构普遍采用模块化、层次化的结构，采用通用p c 机组成总线式、 模块化、开放式、嵌入式体系结构，便于裁剪、扩展和升级，可组成不同档次、不同类型、不同 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 集成程度的数控系统。加工过程中采用开放式通用型实时动态全闭环控制模式，易于将计算机实 时智能技术、网络技术、多媒体技术、c a d c a m 技术、伺服控制、自适应控制、动态数据管理 及动态刀具补偿、动态仿真等高新技术融于一体，构成严密的制造过程闭环控制体系，从而实现 集成化、智能化、网络化。 由此可见，掌握开放式数控的核心技术以及培养高层次的高级数控人才对于企业界以及教育 界来说都是一个巨大的挑战。 本课题旨在研制开发一个两轴联动的开放式数控实验系统以用于数控技术的教学和实验，通 过学生在该平台上的实验和实践，达到让学生学习和了解数控系统中的直线插补原理、圆弧插补 原理、n c 代码的编程及其在数控系统中的软硬件实现机理等内容，同时通过对数控实验系统中 涉及到的机械、电子电气、自动控制、计算机软件等知识的了解，进一步达到培养学生机电一体 化综合思维能力的目的。 1 3 研究目标和内容 通过对前面关于开放式数控技术文献的分析及调研，结合本校实际情况，确定本课题的研究 目标是：从软硬件底层构建一个两轴联动的开放式数控实验系统。 研究内容是： 1 进行系统总体方案设计，搭建系统软硬件平台； 2 实现步进电机及精密工作台的运动控制； 3 实现n c 文件数控代码的读入、编辑、识别，并在本系统上实现其相应的运动及仿真； 4 完成运行状态监控、点动控制及人机界面模块的程序编制，进行系统软硬件的测试及优化。 5 中国农业大学硕士学位论文第二章系统总体方案设计 2 1 方案比较及选择 2 1 1 硬件系统 第二章系统总体方案设计 在p c 机( p e r s o n a lc o m p u t e r , 个人计算机) 还没有普及的时代，数控系统的技术被一些发达 国家的厂商所占据，他们开发自己的专用总线和芯片，实行技术保密，如f a n u c 公司和s i e m e n s 公司等等。随着p c 机的普及和数控技术的公开化，越来越多的新公司也加入了数控系统开发的 行列，这也使得进入数控系统开发领域的难度不断降低。c n c 硬件中最重要的是微处理器，近几 年，计算机的硬件系统性能不断提高、c p u 的时钟频率提高十分明显制约计算机整体速度的 c p u 和存储器之间的速度不匹配的问题也可以通过增加一到两级高速缓存( c a c h e ) 得到改善。其 他如加接口、通讯功能、显示技术等都得到了很大的发展。这些都为p c 机进入数控领域提供了 重要的基础。 同时，p c 机性价比高，基于p c 机的控制系统具有丰富的软硬件资源，为c n c 的开放化提 供了基础，也易于实现网络化和智能化，从而使其性能和功能得到大幅提升，因此基于p c 机的开 放式数控系统已成为当今世界数控技术发展的方向，其常见的实现方案包括o ”： ( 1 ) p c 嵌入n c 方式 图2 - 1 p c 嵌入n c ”结构的开放式数控系统 这种方式的系统将p c 嵌入n c 。使得数控系统可以享用p c 的部分资源( 主要是存储器、 显示器等) ，p c 机主要用于大容量存储、通信、图形等后台操作，n c 系统完成加工过程的实时 6 中国农业大学硕士学位论文 第二章系统总体方案设计 控制。这种方式只是实现了有限的“开放”，而且保留有不少专用系统的痕迹，开放性不够，开 发环境和支持手段也不足，要作为用户方便地进行二次开发的开放程度还远未达到：同时系统配 置和成本较高，处理能力较强可用于较复杂的加工控制系统。如图2 l 所示。 ( 2 ) n c 嵌入p c 方式 这种方式的系统将n c 作为专用卡嵌入p c 。n c 卡直接完成加工过程中高实时性的任务，其 它任务则由运行于通用操作系统下的软件完成。该方式以通用微机为计算平台，以p c 机上的标 准插件形式的开放式运动控制器为控制核心。伺服控制和机床逻辑控制均由运动控制器完成，运 动控制器可编程。与前一种结构相比，这种系统结构紧凑，成本较低，且可以随系统配置情况、 加工要求灵活配置处理器的功能和性能，如图2 - 2 所示。 田2 - 2 n c 嵌ap c 结构的开放式数控系统 以上两种结构的数控系统，都是将加工过程中的控制与管理任务分为实时性任务和非实时性 任务两部分，它们分别由不同的系统单元来完成，从而在利用p c 机资源、价格、性能等优势的 基础上，完成加工过程的实时控制，实现数控系统不同程度的开发。 根据本实验室的条件，选择第二种方案的设计，即采用“n c 嵌入p c ”结构。其中，p c 机 采用通用p c 机，n c 卡采用研华公司生产的p c i 1 2 4 0 运动控制卡，p c 机与运动控制卡之间通过 p c i 总线进行数据交换。 2 1 2 软件系统 软件设计需要选择合适的操作系统和软件开发工具。目前使用的较多的操作系统很多，比如 d o s ，w i n d o w s ，l i n u x 等。d o s 操作系统的优点是可以直接操纵控制硬件端口和中断，可以比较 容易地实现实时控制，但是开发图形界面困难。系统开放性不高( 对第三方软件兼容性差，联网 不方便) 。l i n u x 操作系统的应用虽然日渐升温，但是其具有的优缺点与d o s 操作系统类似，所 以本课题选择w i n d o w s 系列中的w i n d o w s n t 操作系统作为开发平台。 一7 中国农业大学硕士学位论文第二章系统总体方案设计 w i n d o w sn t 操作系统具有许多特点和优点：比如人机界面友好；稳定性高；内存管理效率 高：由于运用了s h e ( 结构化异常处理) 特性，可以方便地进行错误的修复：d l l 动态连接库使 得系统的发展非常方便；多线程，多进程，便于性能改进；文件系统管理出色，便于用户可靠处 理数据。 目前计算机软件的飞速发展，使得软件开发工具也种类繁多，如：v i s u a lc + + b o r l a n dc + + ， b m l d e lv i s u a lb i c ，d e p m 等。其中，v i s u mc + + 作为功能强大的可视化应用程序开发工具，是 计算机领域公认的优秀应用开发工具，适用于作各类系统软件。它是m i c r o s o f i 公司的d e v e l o p e r s t i l d i 0 工具集的重要组成部分，其基本类库m f c 使得开发w i n d o w s 应用程序变得很容易，它提 供了一个高度集成的工具集，使得在开发应用程序的全过程中都保证了较高的效率。集成化便于 程序的开发，开发者可以同时在诸如编辑、建立、调试等不同任务之间快速切换，甚至可以同时 执行。因此，本课题选择v i s u mc h 作为系统的开发工具，它除了体现了面向对象的思想外，还 具有许多具体的实际应用特性：( 1 ) 功能十分强大，能胜任各种w i n d o w s 应用程序的开发：( 2 ) 在编写面向底层的应用程序方面最为合适，特别适用于端口操作；( 3 ) 相对于其它可视化工具。 v i s u a lc h 七0 编译后得到的可执行文件运行效率非常高；( 4 ) 编程灵活，容易处理程序的细节 问题；( 5 ) 易于实现与其它语言( 比如与硬件紧密相关的汇编语言) 混合编程。 2 2 方案总体说明 本课题所研究的系统结构示意图如图2 - 3 图2 - 3 系统总体结构示意图 其数控系统是在普通p c 平台基础上，采用p c i 1 2 4 0 多轴运动控制卡构成控制中心，p c 机 - 8 - 中国农业大学硕士学位论文 第二章系统总体方案设计 与p c i 一1 2 4 0 运动控制卡构成主从式结构，二者之间通过p c i 总线进行通信，p c 机负责系统管 理和大部分的控制功能，包括人机交互、n c 代码的读入、编辑、识别、刀具轨迹仿真显示、运 动控制及状态监控等。p c i 一1 2 4 0 运动控制卡主要实现对工作台的x 、y 轴运动信息以及行程开 关i o 量的实时监测。 2 3 本章小结 本章首先分析比较了两种基于p c 微机的常用硬件方案，然后选定了p c + 运动控制卡的系统 硬件方案接着确定系统软件采用w i n d o w n t 操作系统作为软件开发平台以及选择v i s u a l c + 叶6 0 作为软件开发工具的软件方案。最后给出了整个开放式数控实验系统的总体结构图并进t ? y 说 明。 9 中国农业大学硕士学位论文 第三章系统硬件平台构建 第三章系统硬件平台构建 随着p c 技术的迅猛发展，把p c 机母板和市场提供的运动控制板连接起来已成为可能，这 为解决系统成本问题提供了一条途径。生产基于p c 微处理器及其体系结构的控制系统，利用成 熟的p c 硬件来组成控制系统，可以节省开发专用硬件的费用，从而大大降低系统的成本。同时， 由于p c 机的系统总线是一种开放性的总线，这样的系统硬件体系结构就具有了开放性、模块化 和可嵌入的特点。 基于以上考虑，在进行硬件设计时，尽量使用模块化、标准化的扳级模块，在系统硬件方面 采用p c 机和运动控制卡相结合的方式，运动控制卡插在p c 机的p c i 总线扩展槽上，相互之间 采用共享总线的通讯方式。 本系统采用p c 机和运动控制卡相结合，通过步进电机驱动器驱动步进电机，从而带动x y 工作台运动，这样构成了步进电机的开环控制系统，如图3 - 1 所示。 j i 脉冲 尊 霪i 徽糯i 雾 信号 寰 罐- i 瓤 蠢c p c i 嚣雾 i ：聪j 方向 u 薯 信号 | _ 3 1 系统硬件组成 圈3 - 1 步进电机开环控制系统示意图 圈3 - 2 系统硬件实物图 本课题的所研究的开放式数控实验系统硬件主要是由五大部分组成：p c 机、p c i - 1 2 4 0 四轴 1 0 中国农业大学硕士学位论文 第三章系统硬件平台构建 运动控制卡( 位于p c 微机内) 、电机驱动器、步进电机( 位于x - y 精密运动工作台上) 和x - y 精密运动工作台，其：亡作部分实物如图3 - 2 ，其中的黑色电缆连接向p c 机( 其中的一个p c i 插 槽中安装的是p c i - 1 2 4 0 运动控制卡) 。 3 1 1p c 机 主p c 机是数控系统的核心，它提供了数控系统的用户界面、管理键盘和鼠标、模拟刀具的 切削运动轨迹，协调、监控运动控制器等功能。 本系统采用方正公司的p c 机及相应的显示器、键盘、鼠标等附件，其主c p u 为p e n t i u m ( r ) 4 c p u 主频为2 6 g h z ，内存为5 1 2 m 内存。 在本系统中，p c 微机作为上位机，p c i 一1 2 4 0 运动控制卡作为下位机，二者之间的通信通过 p c i 总线进行。p c i 总线结构通过p c i 桥路( 局部总线控制器) 将一些高速外设如图形加速器、 硬盘控制器等挂到c p u 芯片总线上，可支持高速f o 与c p u 并行工作。p c i 桥路还将p c i 信号 转换为i s a 。e i s a 或m c a 的总线标准，以便与 s a ，e i s a 或m c a 的总线设备相连。p c i 局部总 线适应了w i n d o w s 的普及对提高图形显示速度的要求，以及高速硬盘要求高速数据传输的需要， 目前使用非常广泛。 3 1 2 运动控制卡 运动控制卡采用的是研华公司生产的p c i - - 1 2 4 0 四轴步进脉冲型伺服电机控制卡( 如图 3 - 3 ) ，该卡是一款基于p c i 总线的高速4 轴联动控制卡，能简化步进极脉冲型伺服电机的控制， 提高电机的性能。该卡所应用的n o v a m c x3 1 4 芯片能提供各种运动控制函数，例如：2 3 轴 线性插补、2 轴圆弧插补、t s 曲线加减速等。m c x 3 1 4 是一个用于实现轴运动控制的集成电 路。通过这个集成电路可以控制步进电机或脉冲性伺服电机驱动的4 轴位置、速度和插补。 p c i - 1 2 4 0 运动控制卡完成运动控制的所有细节( 包括脉冲和方向信号的输出、自动加减速的处理、 原点和限位信号的检铡等等) 。 p c i 一1 2 4 0 运动控制卡的结构是开放式的，该卡插在p c 机p c i 扩展槽内使用，同时使用控制 卡的数量和各卡上的控制轴数可方便地配置。 中国农业大学硕士学位论文第三章系统硬件平台构建 囤3 - 3p c i 1 2 4 0 运动控制卡实物围 z 轴 p o e 号 u 轴 l o 信号 田3 1 4m c x 3 1 4 功能框图 p c i 1 2 4 0 运动控制卡提供以下功能1 2 6 ：( 1 ) 、可编程序t s 曲线加减速控制：( 2 ) 、直线和 圆弧插补；( 3 ) 、强大的位置控制功能；( 4 ) 、速度控制；( 5 ) 、连续插补；( 6 ) 、恒线速度控制：( 7 ) 、 实时监控。 p c i 1 2 4 0 运动控制卡的核心为日本n o v a 电子有限公司研制的d s p 运动控制专用芯片 1 2 中国农业大学硕士学位论文 第三章系统硬件平台构建 m c x 3 1 4 ，其功能口1 如图3 4 。该芯片的所有功能都是通过由特定的寄存器控制的，例如命令寄 存器、数据寄存器、状态寄存器和配置寄存器等。 m c x 3 1 4 输出脉冲有两种模式：定长脉冲输出模式，连续脉冲输出模式。主机c p u 通过设 置m c x 3 1 4 中的特定寄存器来选择脉冲输出模式。 定长脉冲输出模式：当主机c p u 将一个脉冲数写进m c x 3 1 4 以实现定长脉冲驱动并且配置 加减速比率以及速度等以后，m c x 3 1 4 将产生脉冲并自动输出。当输出脉冲数等于命令脉冲数时， m c x 3 1 4 将停止输出。如图3 5 所示： 运行速度 初始速度 o 脉冲突跳 止速度 时间 图3 5 定长脉冲输出 连续脉冲驱动输出：当主c p u 将脉冲输出模式设置在连续驱动状态时，m c x 3 1 4 将一直以 特定的速度驱动脉冲输出直至接收到停止命令或者是外部中断信号。如图3 - 6 所示： m c x 3 1 4 的速度控制能够被设置为线性加减速、恒速、或者s 曲线加减速。 速度 运行速度 初始速度 图3 - 6 连续脉冲输出 运动控制卡p c i - - 1 2 4 0 的输出脉冲( n p + p ，n p + n ，l l p p ，n p n ) 有两种形式，种 是正负脉冲模式，一种是脉冲方向模式。n p + p 是n p + n 的差动输出，同时，i l p p 是n p n 的 差动输出。系统复位之后，n p + p 和l l p p 是低电平。其反逻辑输出n p + n 、l l p n 是高电平。 接v i 定义如表3 1 ：其中n 表示x 、y 、z 和u 轴中的一个。 - 1 3 - 表3 - 1p c i 1 2 4 0 的i o 脉冲输出接口定义 p c i 一1 2 4 0 控制卡缺省模式为差动输出，为适应本实验系统的单一输出使用，特别是本实验系 统所需的驱动器为共阳极，其公共端应接输入信号的电源正极，p c i 一1 2 4 0 某一管脚需输出+ 5 伏电压。驱动器为共阳极，则输入信号应为高电平有效，因此，改变跨接器儿，j 3 到+ 5 v ，如图 3 - 7 ，则p c i 一1 2 4 0 的x p + p ，y p + p 输出+ 5 v 。 m c x 一3 1 4 n p p 舢 t l l o + l 一一( 11 n p l v ，d i r 锸if 跳线前 m c x 3 1 4 n p i 仲l s 蓠if n p m ，d i r弗j + s v ；卜一 j 跳线后 图3 7 改变跳线前后脉冲输出原理围 1 4 n p + n n p + p n p - n n p p n p 计q n p + p n p - n r i p - p 中国农业大学硕士学位论文第三章系统硬件平台构建 表3 - 2p c i 1 2 4 0 跳线 跳线j p lj p 2j p 3j p 4j p 5j p 6j p 7j p 8 输出信号x p + px p - py p + py p - pz p + pz p - pu p + pu p p l c 输出p i n 2 和p i n 3 短接 + 5 v 输出p i n l 和p i n 2 短接 p c i - 1 2 4 0 运动控制卡有三个输入信号( n l n l 、n i n 2 、n i n 3 ) 可以使电机驱动器减速或者停止 3 0 o 每个轴有4 个输入信号i n 0 - - i n 3 ，其中i n 0 用于接受编码器的z 信号，n i n l 、n i n 2 、n i n 3 用于 接受机械原点附近的输入信号。如果一定运行模式下这些信号有效，驱动脉冲将终止输出。减速 发生在加减速过程中，且它在连续驱动过程中立即停止。所有这些信号在复位后均失效。例如： 当设置x w r l 寄存器的d 7 为1 和d 6 为0 ( i n 3 低电平有效) ，当限位开关合上且x i n 3 为0 的情况下将 终止控制脉冲，此外，这些输入口可用于一般信号的输入，因为用户通过读输入寄存器状态( r r l 和r r 5 ) 得到电平。由于光电耦合器和r c 滤波器的延迟，此电路的响应时间将会延迟0 2 一o 4 m s ， 其时序如图3 8 所示。 n p t p 厂 厂 厂 厂 i 厂厂 厂 图3 - 8 外部减速停止讯号时序田 p c i 1 2 4 0 运动控制卡带有的接线附件包括a d a m - - 3 9 5 2 接线端子和p c l 一1 0 2 5 1 电缆。其 中a d a m - - 3 9 5 2 是一个5 0 管脚的通用d i n 导轨安装接线端子，可通过5 0 - p i ns c s i i i 孔式接头 与p c i 一1 2 4 0 连接，另一端与驱动器的连接用螺丝端子可简单可靠的固定。p c l 一1 0 2 5 1 电缆专 门为p c i - 1 2 4 0 设计，可以避免商电阻产生噪声。为了得到较好的信号质量，信号线以双绞线方 式缠绕，以减少来自其它信号源的噪声和干扰。 3 1 。3 步进电机 步进电机可以定义为：是一种用电脉冲信号进行控制，将电脉冲转换成相应的角位移或线位 移的执行机构。即：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( 及步距角) 。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。 本系统的步进电机为精密工作台所带，该电机为北京和利时公司生产，其型号为： 4 2 b y g 2 5 0 b ，步距角：1 g ，相数：2 ，电流：1 5 a