（机械制造及其自动化专业论文）柔性车削系统数据通讯的研究.pdf

主席： 委员： 导师： 专、夕 孤躔 + 号 八于 员审查，确认符合合肥工业大 单位、职称) 陶巴工业艚、躲) 甾袱锄么删嘲7 、 琢撒织禹务工程岬) 皓7 5 i 巴工迦爝r 丢，荻使) 蛋 ，v 滢 “ _i 寥 学位论文版权使用授权书 得的研究成 人已经发表 学位或证书 中作了明确 本学位论文作者完全了解 金胆王些太堂 有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人 授权 金月巴王些太堂 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：刮挂 签字日期：z 。r 年乒月嗲日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 瑰糙 签字日期：沙f 年午月垆日 电话： 邮编： 随着制造技术和市场需求等方面的快速变化，数控技术的发展面临新挑战， 这就要求数控系统的软、硬件快速可重构，从而能迅速、高效、经济地构成面 向加工对象的开放式数控系统。本文研究了s t a r 2 1 c ( p ) 开放式柔性数控车削 系统的数据通信问题，主要包括以下几方面的内容： 1 总结了数控机床的发展现状及发展趋势，介绍了现场总线技术在数控系 统中的应用。分析了盘类零件柔性车削系统的功能设计需求，对柔性车削系统 的机械结构及其控制系统方案和软硬件结构作了介绍。 2 分析了柔性车削系统对数据通讯要求，提供了基于r s 2 3 2 r s 4 8 5 接口的 控制层通信方案和基于t c p i p 的管理层通信方案，设计了控制层数据通信协 议。研究了p l c 的自由口模式通信原理，编写了p l c 通信程序，研究了工业 p c 机的r s 2 3 2 4 8 5 串口通信的实现和以太网通信实现。 3 分析了现有柔性车削控制系统可改进的地方，引出了将c a n 总线应用于 车削系统的设想，介绍了c a n 总线通信技术的基础知识，并利用c a n 总线数 据通讯的技术优势，提出和设计了一种基于c a n 总线的分布式数控系统。 关键词：柔性车削系统；p l c ；通信；c a n 总线 1 t h ep r e s e n td e v e l o p m e n ts i t u a t i o na n dt r e n do fn u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n e a r es u m m a r i z e d t h ea p p l i c a t i o no ff i e l db u st e c h n o l o g yi nt h en u m e r i c a lc o n t r o l s v s t e mi si n t r o d u c e d t h ed e s i g nr e q u i r e m e n t so ft h ef u n c t i o ni nt h ef l e x i b l ed i s h k i n dp a r t st u r n i n gs y s t e m a r ea n a l y z e d t h eme c h a n i c a l s t r u c t u r ea n dc o n t r o l s y s t e ms c h e m ea n dt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r es t r u c t u r eo ft h et u r n i n gs y s t e m a r e i n t r o d u c e d 2 t h ed a t ac o m m u n i c a t i o nn e e d so ft h et u r n i n gs y s t e m a r ea n a l y z e d t h e c o m m u n i c a t i o ns o l u t i o n sb a s e do nr s 2 3 2 r s 4 8 5i n t e r f a c e si nt h ec o n t r o ll a y e r a n db a s e do nt c p i pm a n a g e m e n tl a y e ra r ep r o v i d e d t h e d a t ac o m m u n i c a t i o n p r o t o c o l si nt h ec o n t r o ll a y e ri sp r o v i d e d t h ep a p e r a l s os t u d i e dc o m m u n i c a t i o n p r i n c i p l eo fp l c i nf r e em o d e t h ep l cc o m m u n i c a t i o np r o g r a m sa r ep r a g r a m e d t h er e a l i z a t i o no ft h es e r i a lc o m m u n i c a t i o nw i t h i n d u s t r i a lp c sr s 2 3 2 4 8 5 i n t e r f a c e sa n dt h er e a l i z a t i o no fe t h e r n e tc o m m u n i c a t i o na r er e s e a r c h e d 3 t h ei m p r o v a b l ep o i n t so ft h ee x i s t i n gt u r n i n gc o n t r o ls y s t e ma r ea n a l y z e d t h ei d e ao fa p p l y i n gc a nb u st ot h et u r n i n gs y s t e mi sr a i s e d t h eb a s i ck n o w l e d g e o fc a nb u sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y i si n t r o d u c e d t h e c a nb u sd a t a c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yi st o o ku s eo ft op u tf o r w a r d ak i n do fd i s t r i b u t e d n u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e mb a s e do nc a n b u s k e y w o r d s ：f l e x i b l et u r n i n gs y s t e m ；p l c ；c o m m u n i c a t i o n ；c a n b u s 致谢 在我攻读硕士研究生期间，自始至终得益于我的导师、合肥工业大学c i m s 研究所夏链副教授的谆谆教导和精心指导。夏老师学识渊博、治学严谨，使我 克服了在课题研究过程中的种种困难，我的每一个进步和成功无不凝结着夏老 师的心血。在近三年的研究生学习期间，夏老师不仅教给我知识，更教给我独 立分析问题、解决问题的能力，这一切都将是我一生以资自勉、催人奋进的宝 贵财富。夏老师在学习上和生活上给与的关怀与帮助，我将永远铭记在心! c i m s 研究所的韩江教授和何高清等老师始终给了我无私的指导和热心的 帮助，借此论文完成之际，谨向夏老师、韩老师以及何老师等各位老师致以衷 心的感谢。 衷心感谢所有给我上过课的老师，是他们传授给我了丰富的知识，促使我 能够进一步攀登知识的高峰! 衷心感谢我的同学李虎、黄涛、陈党、王晓明、黄海金、王思国、张韬、 肖扬、肖传清、张忠茫、王国锋、朱念恩，和他们在一起学习和生活的时光永 远值得我纪念! 向论文中引用过文献的作者们表示感谢! 最后还要特别感谢我的父母，是他们不辞劳苦和辛勤付出，使我得以完成 学业。对他们的感激之情无法言表，我只有在今后工作和生活中用辉煌的成就 来汇报他们的殷殷之情。 作者：刘凌全 2 0 11 年4 月l7 日 1 1 3 3 4 5 6 第二章柔性车削系统机械结构以及控制系统设计7 2 1 柔性车削系统的功能要求7 2 2 柔性车削系统的机械结构7 2 3 柔性车削系统数控系统的硬件结构8 2 3 1 工业控制计算机l l 2 3 2p c 1 0 4 总线1 l 2 3 3运动控制卡1 2 2 3 4 i o 模块1 2 2 3 5p l c 模块1 2 2 4 柔性车削系统数控系统的软件结构1 2 2 4 1数控系统软件结构1 3 2 4 2 p l c 程序结构1 3 2 5 本章小结1 4 第三章柔性车削系统数据通讯设计1 5 3 1 柔性车削系统通信内容1 5 3 2 柔性车削系统控制层数据通讯1 6 3 2 1通信协议设计1 7 3 2 2 p l c 通信编程1 8 3 2 3 工业p c 通信编程2 3 3 3 柔性车削系统管理层通信2 7 3 4 本章小结3 l 第四章基于c a n 总线的柔性车削系统数控系统研究3 2 4 1基于c a n 总线的柔性车削系统的提出3 2 4 2c a n 总线技术基础3 3 4 2 1c a n 技术规范3 3 4 2 2c a n 总线的分层结构和电气特性3 3 4 2 3c a n 总线的报文帧结构3 4 4 2 4c a n 控制器3 8 4 2 5c a n 收发器4 0 4 3 基于c a n 总线的柔性车削系统设计4 0 4 3 1嵌入式系统4 3 4 3 2f p g a 插补技术4 3 4 3 3c a n 通信单元硬件设计4 4 4 4c a n 通信设计4 5 5 6 7 7 8 9 9 9 1 8 2 4 4 4 4 4 4 4 4 5 5 6 4 4 图2 1 车削系统机械结构示意图8 图2 2n c 嵌入p c 型开放式数控系统应用平台典型结构9 图2 3 车削系统架构图1 0 图2 - 4 柔性车削系统硬件系统结构图1 0 图2 5p c m 一3 3 5 0 外观图1 1 图2 - 6 工业p c 机功能模块组成1 2 图2 7 数控系统软件结构1 3 图2 8p l c 程序结构图1 3 图3 1 车削系统通信结构1 7 图3 2 发送缓冲区格式1 9 图3 3 接收缓冲区格式1 9 图3 4 空闲行检测示意图2 0 图3 5 字符间定时器2 1 图3 6 信息定时器2 1 图3 7p l c 通信流程图2 2 图3 8 串行数据格式2 4 图3 9 串口调试助手v 2 2 界面2 7 图3 1 0 基于以太网的d n c 系统结构图j 2 8 图4 1c a n 总线分层结构3 4 图4 2c a n 总线的位电平3 4 图4 3 数据帧的组成一3 5 图4 4 标准格式数据帧与扩展格式数据帧3 6 图4 5c r c 场结构一3 7 图4 6 应答场结构一3 7 图4 7 错误帧的组成3 7 图4 8 过载帧的组成3 8 图4 9m c p 2 5 10 结构框图3 9 图4 1 0 接收缓冲器原理图3 9 图4 1 1m c p 2 5 5 1 引脚图4 0 图4 1 2 基于c a n 总线的柔性车削数控系统结构4 1 图4 1 3 柔性车削系统通信时间分配4 2 图4 1 4 基于c a n 总线的嵌入式车削中心数控系统一4 2 表格清单 4 4 4 6 4 7 4 8 表3 1 通信协议格式1 7 表3 2 数据类型表1 7 表3 38 2 5 0 内部寄存器2 3 。 表3 - 4 奇偶校验和数据位数组合2 4 表3 5 中断允许寄存器各位含义2 5 表4 1 报文帧格式设计4 5 表4 2 分段代码4 6 表4 3 分段标志含义4 6 表4 4s p i 操作指令集4 7 绪论 1 1 数控系统发展概述 在制造行业中，单件与小批量产品占到7 0 8 0 l l j ，这类产品的零件一般 都采用通用机床来加工，而通用机床基本上由人工操作，生产效率不高，产品 质量也难以保证。特别是一些型面复杂的零件，其加工精度和生产效率受到了 很大限制。数控机床就是为了解决上述问题而产生的。 国际信息处理联盟( i n t e r n a t i o n a lf e d e r a t i o no f i n f o r m a t i o np r o c e s s i n g ，i f i p ) 第五技术委员会，对数控机床作了如下定义：数控机床是一种装了程序控制系 统的机床。该系统能逻辑地处理具有使用号码或其它符号编码指令规定的程序 【2 】。定义中的程序控制系统是指数控系统，是用数字化信号对控制对象加以控 制的一种控制系统，该控制系统能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令 规定的程序，并将其译码，从而控制机床动作和加工零件。数控机床是制造业 的加工母机和国民经济的重要基础。 1 9 4 9 年，美国p a r s o n s 公司与美国麻省理工学院( m i t ) 伺服机构研究 室进行合作研究数控机床，并于1 9 5 2 年试制成功第一台由大型立式仿形铣床改 装而成的三坐标数控铣床，它综合应用了电子计算机、自动控制、伺服驱动、 精密检测与新型机械结构等多方面的技术成果，是一种新型的机床，可以用于 加工复杂型面零件。这是制造技术发展的一个重大突破，标志着制造领域中数 控加工时代的开始。数控加工是现代制造技术的基础，这一发明对于制造行业 而言，具有划时代的意义和深远的影响。 随着电子元器件和计算机技术的发展，数控系统性能日益提高，其发展趋 势是：高速度、高精度、高可靠性、多功能、柔性化、智能化、集成化、网络 化及开放性等。 ( 1 ) 高速、高精、高可靠性 高速切削技术是机械加工行业发展的必然趋势，其应用将大幅提升加工效 率和加工质量。高速切削加工原理是对传统切削原理认识的突破，当切削速度 提高到一定值后，切削温度随着切削速度的提高而降低。高速切削条件下切削 力较小，工件的加工形变也较小。要实现数控加工的高速化，首先要求数控系 统计算机对数据处理的高速化，其次要求主轴转速、进给率、换刀等各关键部 件实现高速化。 要实现数控机床的加工高精度，一般是减小数控系统的控制误差和采用补 偿技术来达到。提高数控系统的分辨力，提高位置检测精度，以及位置伺服系 统采用前馈控制等方法可以减小数控系统的控制误差。采用丝杆螺距补偿、刀 具补偿和热变形补偿等技术可以提高数控系统的加工精度。 数控机床是一种高技术的设备，用户期望发挥投资效益，要求设备可靠。 现代数控系统的平均无故障工作时间可达到1 0 0 0 0 h 3 6 0 0 0 h 。提高可靠性的措 施有：提高线路集成度以减少元器件数量，精简外部连线和降低功耗；增强故 障自诊断能力和保护功能，数控系统一般具有故障诊断功能，能够对软、硬件 进行故障诊断；建立一套质量保证体系，使数控系统模块化、通用化和标准化， 以便于故障检测和维修；严格筛选元器件，对数控系统的可靠性进行全面检查 考核。 ( 2 ) 多功能、柔性化、智能化 一机多能的数控系统可以最大限度地提高机床的利用率。这类数控系统一 般配有刀具库和机械手，工件一经装夹，可完成工件的多工序加工任务和多部 位加工任务。数控加工中心就属于这类机床。多功能数控系统的优点可以避免 工件由于多次装夹而造成定位误差，减少设备数量，节省车间占地面积和加工 辅助时间。 所谓柔性是相对于刚性自动化而言的，表示有较大的适应性。刚性自动线 是固定不变的自动线，其加工零件尺寸和形状通常都是固定不变的，有很高的 生产率，但很难适应新的不同的加工要求，而柔性制造系统在硬件和软件方面 都能适应不同的加工对象和工艺方法。随着计算机技术和制造技术的不断提高， 柔性化的数控系统将成为无人化制造系统的主要组成部分。 智能化技术主要体现在以下几个方面：自适应控制系统；智能4 m ( 测量 ( m e a s u r e m e n t ) 、建模( m o d e l i n g ) 、加工( m a n u f a c t u r i n g ) 、机器操作 ( m a n i p u l a t o r ) ) 数控系统；加工参数的智能化优化与选择；智能故障诊断； 智能化交流伺服驱动器；模式识别技术( 系统智能辨认图样，智能接收语音命 令) 。 ( 3 ) 集成化、网络化、 1 9 9 7 年欧共体提出了s t e p n c 的概念，该项目已取得了实质性进展， s t e p n c 标准的使用将实现c a d c a p p c a m c n c 的整体集成。现代工厂自 动化规模越来越大，各生产厂家纷纷推出m a p 和以太网工业控制网络，将各 种智能设备连网，促进了生产系统全部信息的集成化与综合化。 为适应制造业的网络化和全球化发展趋势，数控系统的网络化日趋成熟。 在企业内部，具有网络功能的数控系统可以充分实现企业内部的利益最大化， 更加适应未来车间的面向任务的订单的生产发展模式，使得底层更加简便有效 【3 】。网络化数控系统是指c n c 机床在计算机、网络和通信技术的支持下形成网 络化数字制造系统。 ( 4 ) 开放式、嵌入式数控系统 传统的数控系统是一种专用的封闭式系统，存在厂家之间的产品无互换性、 与通用计算机不兼容等缺点，已不能满足市场对数控技术新的要求。针对这种 2 情况，人们提出了开放式数控系统的概念：能够在多种平台上运行，可以和其 他系统相互操作，并能给用户提供一种统一风格交互方式的数控系统【4 】。开放 式体系结构是从硬件到软件的全方位开放，能够使供应商为实现专门应用选择 最佳方案去定制数控系统。人们研究开放式数控系统的目的是建立一个统一的 可重构的系统平台，增强数控系统的柔性。 随着科技术的发展，数控技术面临着众多新的挑战，生产中不断出现新的 加工需求，这就要求数控系统具有快速市场反应能力，迅速、高效、经济地面 向用户的模块化的软硬件可剪裁的结构；要求数控系统改变传统的封闭式结构， 适应未来生产“面向任务和订单”的生产模式和满足“可重构制造系统 的需 求。这样一来，数控系统必须具有可重构、可扩展、可移植和可伸缩等特性， 并允许用户在集成传感器和加工监控系统的基础上方便的实现“智能控制”。 要达到这一目的，最有效的途径是利用嵌入式数控系统。嵌入式系统是一个新 兴的技术发展方向，由i e e e 定义为：“控制、监视或者辅助设备、机器和车 间运行的装置 。嵌入式系统以应用为中心，可根据实际应用裁剪其软、硬件， 它的特点是开放性，响应速度快，实时性好等。 1 2柔性制造系统国内外研究现状 世界各国的制造业对柔性制造的需求趋于逐渐增长的态势，主要原于快速 发展的制造业、新产品、新工艺的需要以及劳动力价值的不断提升也驱使企业 购买可大量节省劳动力的柔性制造产品。柔性自动化制造技术就是在上述背景 下发展起来的。柔性自动化制造技术也称柔性制造技术，它以数控技术为核心， 能实现多品种、小批批量的加工、制造、装配和检测等过程的自动化。柔性制 造系统通常是具有高水平柔性，能自动化地批量切削加工工件的制造系统。 柔性制造系统( f l e x i b l em a n u f a c t u r es y s t e m ) 是指将两台以上的数控机床 或加工中心与物料输送设备通过计算机有机联系起来，形成一个解决多品种、 中小批量工件的自动化加工问题的系统p 】。 1 2 1柔性制造系统国外发展状况 最早提出f m s 概念的是英国m o l i n s 公司的t h e ow i l l i a m s o n 。m o l i n s 公司 于1 9 6 7 年首次建造了f m s ，其主要设备是六台模块化结构的多任务数控机床， 目标无人化2 4 小时连续加工。同年，美国的怀特森斯特兰公司也建成了由八 台加工中心和两台多轴钻床组成的柔性制造系统( o m n i l i n ei 系统) 。日本和 德国等也都在这一时期先后开展了f m s 的研制工作。从此之后f m s 得到了飞 速发展，据统计，1 9 8 5 年世界各国已投入运行的f m s 有4 0 0 套，而l9 9 0 年即 达到了1 5 0 0 余套，年增长率为3 0 以上【6 j 。 1 9 9 1 年全世界对f m s 的投资达到1 4 0 亿美元，其中欧洲占5 0 。已投入 运行的f m s 主要分布在日本、美国、德国、俄罗斯、英国等工业发达国家，使 3 地位。美国最早把f m s 用于实际生产， 日本拥有大量的小规模f m s ，据报道， 0 套的数量发展f m c ，而发展f m s 则 是在9 0 年代才逐渐开始的：德国的f m s 的规模较小，具有较强的柔性，主要 用于中小规模企业。当前国外生产f m s 的著名厂家主要有：美国的c i n e i n n a t i m i l a c r o n 、k e m a e y & t r e e k e r 、s u n d s t u n d 、h i g e r s o l lm i l l i n g 、b e n d x a ；日本的 f a n u c 、山崎、日立精机、丰田工机：德国的s i e m e n s 、b u r k h a r d t & w e b e r 、 w e m e r & k o l b 、h u l l e rh i l l e y 以及s c h a r m a n 等【7 1 。 1 2 2 柔性制造系统国内发展状况 我国的柔性制造技术发展的相对较晚，对f m s 的研究始于1 9 8 4 年，北京 机床研究所在1 9 8 5 年1 0 月开发完成了我国第一台f m s 一一( j c s f m s 1 ) ，它 采用f a n u c 的控制系统，由5 台国产加工中心、日本富士电机公司的a g v 小 车和4 台日本产的机器人组成。j c s f m s 1 的加工对象为数控机床直流伺服电 机的主轴、端盖、法兰盘等零件。 1 9 8 5 后我国对f m s 的研究与应用得到了快速发展，进入了自行开发和部 分进口的阶段。1 9 8 8 年北京机床研究所完全自行开发了加工减速机机座的 j c s f m s 2 系统，标志着我国已具有自主开发f m s 系统的实力。1 9 9 0 年1 0 月， 由5 8 研究所等国内研究机构联合研制成功的f m s 总体技术水平达到了当代国 际水平引。现在f m s 在我国已经全面流行9 】【1 0 】【l 。大连机床集团( d m t g ) 在 c c m t2 0 0 8 上展出的f m c 8 0 0 8 ( 图1 1 ) 柔性加工单元可广泛应用于多品种中 小批量的生产，特别适合新产品试制，在不需要很大投入的状态下得到高精度 的零件。在完成中小批量零件加工的情况下可以一次装夹多个零件实现一人多 机管理和一定程度的无人化生产。江苏新瑞机械有限公司c c m t2 0 0 8 上展出 的具有自主知识产权的最新产品f m s 6 3 柔性制造系统( 图1 2 ) 可加工中小型、 板件、盘类、壳体类精密零件。零件一次装夹后可完成铣、镗、钻、扩、铰、 攻丝等多工序加工。特别适合各类箱体、壳体多孔的中小批量或单件加工。 图1 - 1f m c 8 0 0 8 柔性加工单元图卜2f m s 6 3 柔性制造系统 4 2 0 1 0 年1 2 月3 0 日，云南省科技厅对昆明机床股份有限公司承担的云南省 重点产业创新工程项目“f m s 柔性制造系统研究开发”进行了科技成果鉴定。该 项目是昆明机床股份有限公司自主创新研制的f m s 柔性制造系统，由7 台双工 位精密卧式加工中心、3 0 块最大承重为8 0 0 0 k g 的工作台和物流线组成，3 0 块 工作台任意交换的重复定位精度达4 - 0 0 0 5 m m 。可实现单机或群控运行模式，具 有3 种工艺并行，5 类零件混线加工的任意组线控制，能满足大、中型精密箱 体类、盘套类、板类等多品种复杂零件的单件或批量生产制造，在工件一次装 夹后，可完成铣、钻、镗、铰、攻丝和轮廓、空间曲面的加工。鉴定委员会认 为，该柔性制造系统技术先进、功能齐全完备、运行可靠稳定，是国内规格最 大、精度最高、结构最复杂的f m s 柔性制造系统。项目的研发成功，使我国在 大、重型精密柔性制造系统的关键技术实现了重大突破，缩短了与国外产品的 差距，可替代同类产品的进口，取得了良好的经济和社会效益。该柔性制造系 统技术水平处于国内领先、国际先进。 1 3c a n 现场总线技术在数控系统及柔性制造系统中的应用 现场总线( f i e l d b u s ) 发展于上个世纪八、九十年代的，用于自动化领域 的现场智能设备互连通讯。它作为工厂数字化的基础，实现生产现场及控制设 备之间及其与控制管理层之间的联系，已成为自动化技术发展的热点。现场总 线设备的工作环境处于制造系统的底层，要求具有通信协议简单、容错能力强、 可靠性好、实时性好、成本低等特点。在我国各种现场总线应用广泛，一些世 界主要的现场总线组织，如：c a n 、f o u n d a t i o nf i e l d b u s 、l o n w o r k s 、p r o f i b u s 和w o r l d f i p 等都在中国都设立了分支机构【l 引。相比其它几种现场总线，c a n 总线通信在速度、可靠性、价格、易于实现等表现突出。 c a n 总线是一种新兴的现场总线【13 | ，其全称为c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ，即 控制器局域网，c a n 总线是国际上应用最广泛的现场总线之一。c a n 总线是 德国b o s c h 公司为控制汽车发动机点火、注油及刹车、抗锁定刹车系统等而设 计的，已用于各种汽车上。由于c a n 具有可靠性高、实时性好等特点，因而 非常适合工业过程监控设备互连【m 】，现在广泛应用于自动控制、航空航天、过 程工业、纺织机械、农用机械、机器人、数控机床等方面。 传统数控机床的信号传递依靠模拟信号单向传递，信号在传递过程中易受 干扰，系统难以迅速进行故障诊断。c a n 总线中采用双向数字通信，将传感测 量、工程量处理与上位机的控制管理等功能集成到一起，可随时诊断设备的运 行状态。将c a n 总线应用于数控系统能大大提高机床的高速、高效以及高可 靠加工性能，具有广阔的发展前景。国内很多高校已有这方面的研究，如：上 海交通大学研究了将c a n 总线应用于全分布式数控系统中p c 与自治式控制单 元的数据通讯 15 】；中南大学研究了基于c a n 总线的多轴数控磨床中c a n 总线 5 在数字交流伺服系统与运动控制中的应用 1 6 1 。将c a n 总线应用于以多台数控 系统为核心的柔性制造系统，将显著提高系统的通信效率和可靠性，有利于柔 性制造系统的智能化、网络化和集成化。 1 4本文的课题来源及主要内容安排 本论文的课题来源于合肥工业大学c i m s 研究所承担的浙江省玉环县科技 计划项目“盘类零件全自动柔性数控车削系统s t a r 一2 1 p 的研制刀。本论文是 作者在研究生学习期间参加上述课题的技术总结。 该“s t a r 2 1 p 柔性数控车削系统 是为玉环隆中机车零部件有限公司生 产大批量制动盘等盘类零件而开发的。由于国内外市场竞争日趋激烈，对产品 质量和生产效率提出了更高的要求，目前采用的加工方式自动化率不高，零件 的装夹和上下料都需要人工完成，工人劳动强度大，生产效率不高，严重影响 现代企业的市场竞争力。为改进制动盘的车削加工方式，设计了一种盘类零件 的全自动柔性数控车削系统，此系统能够适应盘类零件的多品种大批量生产， 可以实现自动上下料、自动换刀，实现工件的连续多工序加工。零件的全自动 柔性化加工能够提高机床利用率，节省工时及人力成本，保障生产的高效率和 连续性，提高公司经济效益。 本文是作者在参与研制数控车削系统的过程中的技术总结，并根据实际问 题提出一种适用于基于c a n 总线的数控系统方案。论文主要内容如下： 第一章绪论部分综述了数控系统的发展过程和趋势、国内外柔性数控系统 的发展概况，以及现场总线技术在柔性制造数控系统中的应用。 第二章主要介绍了柔性车削系统的总体机械结构以及数控系统的软、硬件 结构和原理。 第三章研究了柔性车削系统各个模块数据通信设计，详细介绍了数控系统 中控制层以及管理层的数据通信的工作原理和技术实践。 第四章分析了c a n 总线应用于柔性车削系统的技术优势性，设计了一种 基于c a n 总线的分布式柔性车削数控系统，研究了新设计的柔性车削系统中 的c a n 总线数据通信流程和针对车削系统的c a n 总线应用层协议。 第五章对全文工作进行了总结，并对研究柔性车削系统的下一步工作做了 展望。 6 计 2 1柔性车削系统的功能要求 制动盘产量大、品种多，制动盘的机加工工艺中车削加工占大多数工时， 为提高效益，需要一种柔性化的，针对盘类零件的柔性车削加工系统。柔性车 削系统功能设计如下： ( 1 ) 车削系统由两台相同的双刀架立式数控车床及其工件配送系统组成，并 且配置存储工件的物料库。 ( 2 ) 车床采用双刀架，即两个刀架同时加工的方式，能缩短工时，提高生产 效率，在批量生产中得到应用。工件可以在一台机床上进行外圆、内孔的车削， 也可以同时进行端面的车削。 ( 3 ) 实现工件的自动上下料及自动装夹。工件的抓取和送料由机械手完成， 工件在主轴上的装夹由气胀式卡盘完成，夹具具有柔性，适合装夹不同尺寸规 格的盘类工件。 ( 4 ) 具备生产能力柔性。当需要组成更高能力的柔性制造系统时，可以利用 对称性模块化结构和网络技术，经过少量软、硬件修改，提高设备利用率。 2 2柔性车削系统的机械结构 车削系统的机械结构如图2 1 所示，主要由床身、主轴箱、立柱、立柱托 板、刀架、运料小车和料库几大构件组成。车床各模块采用对称结构，两台机 床及其各自的送料机构完全相同，减少了机械设计任务量和机械结构加工成本。 两台机床都有各自的自动送、下料机构，共同构成全自动的柔性车削系统。每 台机床床身主要由中间的主轴箱与其两侧的底座以及左右侧立柱焊接而成。 车削系统由机械结构完全对称的两台相对独立的车床组成，这决定了车削 系统能够实现两种模式的车削加工工艺： ( 1 ) 两台数控车床之间协调控制，完成连续加工同一工件的两个工作面的 功能。机床l 的两料库用于存放未加工工件，机床2 的两料库用于存放己加工 工件。送料机构将未加工工件从料库取出送到机床1 ，完成工件一面的加工， 机床1 加工完成后，运料小车将未加工完的工件翻转1 8 0 。后送进到机床2 ，完 成工件另一面的加工，然后借助送料机构将工件存储到机床2 的料库。这种加 工模式其工艺过程连续，提高制动盘生产过程的自动化程度，这是设计制造车 削中心的主要目的，是车削中心工作时的主要模式。 ( 2 ) 两台数控车床之间不产生联系，每台车床配合各自的送料机构自成一 体，完成单独工序。每台车床的料库有两个储料空间，一个用于存放待加工工 件，一个用于存放已加工工件。 7 图2 1 车削系统机械结构示意图 2 3 柔性车削系统数控系统的硬件结构 车削系统由两台机械结构和控制系统都完全相同的独立车削数控系统组 成一个多机柔性化自动加工系统。本章以机床1 为例作说明。柔性车削系统数 控系统采用基于p c 的开放式体系结构。基于p c 的开放式数控系统具有如下特 点【1 7 】： ( 1 ) p c 机的软、硬件平台己经形成了标准，具有良好的可移植、可扩展、 可缩放、可互操作等性能。 ( 2 ) p c 作为世界范围内的标准化产品，集成了不同高技术生产商的功能部 件，基于p c 的总线结构使得用户可以将技术优势集中在功能部件、系统软件 和总体结构上。 ( 3 ) p c 的生产批量大，可靠性高，因此以p c 为基础的数控系统的性价比 较高。 ( 4 ) p c 丰富的软件资源和开发工具使用户可使用大量p c 通用软件，缩短 数控系统的研制周期，降低开发成本，同时也为c a d c a m c i m s 的集成创造 了良好的条件。 ( 5 ) 基于p c 平台的网络设备可以方便地接入到i n t e r n e t ，这样为数控系统 的集成化、网络化奠定了软硬件基础。 8 c 的通用计算机数控系统可分为以下几 种类型【撼】【1 9 儿2 0 1 ： ( 1 ) p c 嵌入型n c 。该类型系统是将p c 装入到n c 内部，专用n c 和通用 p c 通过高速信息交换通道连接到一起，组成一个复合式的数控系统。从操作方 面看，这类数控系统有一个友好的人机界面，人与系统的交互更容易；从机床 方面看，该数控系统的硬件接口和连接方式和专用n c 基本一样。典型产品有 f a n u c1 8 1 和1 6 1 系统、s i e m e n s8 4 0 d 系统 2 ，n u m l 0 6 0 【2 2 】系统等。这类系 统的最大缺点是开放性有限、开发成本高、技术难以升级。 ( 2 ) n c 嵌入p c 型。该类型系统是在通用p c 的扩展槽中插入n c 模块( 如 运动控制卡) 组成的。这类系统的重心在p c ，组成系统所需的其它模块可根据 实际应用的要求灵活确定，具有良好的开放性。典型产品有美国d e l t at a u 公司 p m a c 数控系统，采用p m a c ( p r o g r a m m a b l em u l t i a x i sc o n t r o l l e r ) 多轴运动控 制卡【2 3 1 。图2 2 所示为n c 嵌入p c 型的开放式数控系统应用平台的典型结构。 图2 - 2n c 嵌入p c 型开放式数控系统应用平台典型结构 ( 3 ) p c + i o 的全软件型。随着p c 硬件技术的进一步发展和数控软件设计水 平的提高，p c + i o 的软件化数控系统逐渐发展起来。此类型的数控系统的基 本思想是，采用功能更强大的p c 硬件平台和更有效的实时软件技术，将数控 系统的n c 控制功能纳入到p c 平台中，从而减小p c 数控系统的硬件规模。典 型产品有美国s o f ts e r v o 公司的s o f ts e r v ol0 0 t ，德国p o w e ra u t o m a t i o n 公司的 p a 8 0 0 0 n t 等 2 钔。p c + i o 的全软件型数控系统可有效降低数控系统的开发成 本。 上述三种类型的开放式数控系统都己应用到实际生产中，但n c 嵌入p c 型数控系统技术成熟，是目前研究与开发的主流。s t a r 柔性车削系统采用n c 嵌入p c 型的开放式数控系统，实现对盘类零件的柔性制造。柔性车削系统数 控系统的结构组成如图2 3 。 9 通信越循 嚣p l c 2p l cl_ - “ 工业p c ii ”士业p c 2 7 j 运水承 承水 垂 车 料 友右 皿 平 左右 平平 车 童 床小 辩料料料 惫悬床 主 蕈 盔车 生 车 库库 悬悉 痒库臀 轴平 床床廉床 升升 臀臂 车玺车 坌 臀髓 主 ，移 x lz l慰z 2降 降 旋平 床床床床 升升翻 转移 x 1 z 1 x 2 z ?降 降 旋平轴 轴轴轴轴，辘轴轴轴 转移 转 ， ， s p ， pq ， pq ，s 矿 轴 wuv 辘轴 u t、，l 轴 w 辘 轴鞭 轴翱 轴 t二z ， 轴辘。 l ：一一燮! 一一：一一型墼一一： 图2 3 车削系统架构图 在图2 3 所示的车削系统架构图中我们可以看到，整个系统由两台相同硬件 结构的独立机床借助数据通信技术形成一个柔性加工系统。柔性车削系统中包 括x l 、z 1 、x 2 、z 2 、x l 、z 1 、x 2 、z 2 八个伺服运动轴，p 、q 、u 、v 、w 、 p 、q 、u 、v 、w 十个辅助机构运动轴，以及s p 、s p 两个主轴。图2 4 表示其 中一台机床的硬件系统结构。 图2 - 4 柔性车削系统硬件系统结构图 图2 - 5p c m - 3 3 5 0 外观图 工业控制计算机选用台湾研华公司生产的p c m 3 3 5 0 f g o a l 嵌入式工控 主板，图2 5 为p c m 一3 3 5 0 外观图，其主要特性包括：板载低功耗a m d g x l 3 0 0 m h z 处理器；p c 1 0 4 系统总线，可方便地扩展系统其它功能模块；支 持c f 卡固态电子硬盘解决方案，可扩展到1 2 8 m b 的s d r a m ；简单且可靠的 无风扇运行；支持w i n d o w sc e ；1 0 1 0 0 b a s e t 高速以太网接口；支持1 8 位t f t l c d ( 分辨率1 0 2 4 x 7 6 8 ) 。 2 3 2p c 1 0 4 总线 p c 1 0 4 是一种专门为嵌入式控制而定义的工业控制总线，在嵌入式应用和 工业控制领域有着广泛的应用。p c 1 0 4 相当于微型版的i e e e p 9 9 6 ( p c a t ) 总线 【2 5 1 。p c 1 0 4 总线接口有1 0 4 个信号，该总线最大传输率达8 m b s ，支持8 位和 1 6 位数据传输，i o 地址空间为0 1 0 0 h - - 一0 3 f f h ，寻址空间达1 6 m b 。p c 1 0 4 总线产品和p c a t 在软件上完全兼容，与普通p c 总线控制系统相比，p c 1 0 4 总线产品尺寸结构小，标准模块的机械尺寸是9 6 9 0 m m ：p c 0 4 总线以“针”和 “孔”形式层叠连接，这种层叠封装有极好的抗震性，这种特性在工业控制环境中 应用时非常重要；4 m a 总线驱动即可使模块正常工作，减少了元件数量和电源 消耗。 本系统中p c 1 0