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浙江工业大学硕士学位论文 y5 87 40 2 机床开放式数控系统的研究 摘要 数控技术从n c 向c n c 迈进，是机械制造业的一大进步。伴随着生 产的发展，中小批量的产品越来越多，机床的柔性和多功能化成为一种 趋势。机床制造商希望c n c 系统能部分地代替机床设计师和操作者的 大脑，具有一定的智能，并且逐步摆脱对控制系统厂家的依赖，因此 对c n c 系统开放化的要求越来越高。针对于此，实现c n c 系统的开放 化，针对不同的应用要求和应用环境，让用户自由地选择与配置不同 的硬件和软件，并根据实际需要开发适合需求的专用系统是数控技术 发展的必然趋势。 本课题的目的是开发一套基于工业p c 机的开放式数控系统，包括 硬件和软件两大部分。硬件结构利用工业p c 机作为主体，智能运动控 制卡插在其i s a 标准插槽上，通过p c 内部总线实现数据的交换和控制。 外接信号调理板、步进电机驱动模块、主轴变频调速模块、i o 模块等 构成硬件总体结构。软件开发的是一个基于w i n d o w s 操作系统的应用软 件，采用v i s u a lc + + 6 o 作为开发工具。该软件的主要功能是实现数控 加工过程的计算机控制及友好的人机界面。 由于该系统是以w i n d o w s9 x 作为运行平台，界面仿真s i n u m e r i k 8 0 2 c s 数控系统的操作面板，具有良好的人机界面和简便的操作性 能。能自动识别国际标准的数控g 代码并有一定的纠错能力，可根据各 种c a d c a m 软件( 女h m a s t e r c a m 、p r o e 等) 生成的g 代码直接进行加工 及仿真操作。 实践证明该系统可以胜任很多场合的数控加工，但由于系统是基 于p c 机工作，与专用的数控系统相比，系统的稳定性还有待进一步完 善。 关键词：开放式，数控系统，硬件，软件 浙江工业大学硕士学位论文 s t u d yo ft h eo p e na r c h 工t e c t u r en cs y s t e m o ft h em a c h 工n et o o l a b s t r a c t t h en u m e r i c a lc o n t r o l t e c h n i q u ef r o mn ct oc n ci sav a s t p r o g r e s s o ft h em a c h i n e m a n u f a c 七u r i n gi n d u s t r y w i t ht h e p r o d u c t i o nd e v e l o p m e n t ，t h es m a l lb a t c hq u a n t i t yo ft h ep r o d u c t b e c o m e sm o r ea n dm o r e ，t h em a c h i n et o o lw i t h f l e x i b i l i t ya n d m u l t i - f u n c t i o nb e c o m e sak i n do ft r e n d t h em a n u f a c t u r e rh o p e c n cs y s t e mc a np a r t l yr e p l a c et h eb r a i no ft h ed e s i g n e r sa n dt h e o p e r a t o r s t h ec n cs y s t e m sh a v ei n t e l l i g e n c ea n dn o td e p e n do n t h ec o n t r o ls y s t e mf a c t o r y ，t h e r e f o r et h eo p e n r e q u e s to ft h e c n cs y s t e mi sm o r ea n dm o r eh i g h a i ma t t h i s ，a c c o m p l i s ht h e c n cs y s t e mo p e ni nt h ed i f f e r e n t a p p l i c a t i o na n de n v i r o n m e n t ， l e tc u s t o m e rc h o o s et h eh a r d w a r ea n dt h e s o f t w a r ef r e e l y ，a n d t h e d e v e l o p m e n t t os u i tt h e d e m a n d i n ga p p r o p r i a t i o n s y s t e m a c c o r d i n gt ot h eu s e r sd e m a n dw i l lb ea ni n e v i t a b l et r e n do f n ct e c h n i q u ed e v e l o p t h ed i p l o m ad e s i g np u r p o s ei sd e v e l o p i n gas e to fo p e n s t y l e n cs y s t e mb a s e do n i n d u s t r yp c ，i n c l u d i n gt h eh a r d w a r ea n dt h e s o f t w a r e t h eh a r d w a r ec o n s t r u c t i o nu t i l i z e st h ei n d u s t r yp ca n d a c t sa st h ec o r p u s ，t h ei n t e l l i g e n t s p o r tc o n t r o lc a r dp u t si n i t si s as l o ta n d a c c o m p l i s h e s d a t ac o m m u t a t i o na n d c o n t r o l i i 浙江工业大学硕士学位论文 t h r o u g h t h et o t a ll i n ei np c c i r c u m s c r i b i n g t h e a d j u s t m e n tp l a t e ，s t e p p i n g m o t o rd r i v em o l d p i e c e ，s s 1 a n a 上 p i n d l e i n v e r t e rm o l dp i e c ea n di | 0m o l dp i e c ec o n s t i t u t et h et o t a l h a r d w a r ec o n s t r u c t i o n w h a ts o f t w a r e d e v e l o p s i sa n a p p l i e d s o f t w a r eb a s e do nt h eo p e r a t i n gs y s t e mo fw i n d o w s t h es o f t w a r e a d o p t s v i s u a lc + + 6 0a n da c t sa s d e v e l o p m e n t t 0 0 1 t h em a i n f u n c t i o no ft h es o f t w a r ei st oa c c o m p l i s hc o m p u t e rc o n t r o ld u r i n g n cc o n t r o l p r o c e s s t h e s o f t w a r eh a s f r i e n d l y m a n m a c h i n e i n t e r f a c e s b e c a u s et h e s y s t e mr u n s o nt h ew i n d o w s9 x t e r r a c e ，t h e i n t e r f a c ei m i t a t e sa no p e r a t i o np l a t eo fs i n u m e r i k8 0 2 c sn c s y s t e m t h es y s t e mh a s t h eg o o dm a n m a c h i n ei n t e r f a c ea n dt h e s i m p l eo p e r a t i o nf u n c t i o n i tc a na u t o i d e n t i f yt h es t a n d a r dg c o d ea n dh a st h ea b i l i t yo ff i n d i n go u tm i s t a k e s i tc a np r o c e s s a n di m i t a t ea c c o r d i n gt ot h eb o r n i n ggc o d ea l lk i n d so f c a d c a ms o f t w a r e ( s u c ha sm a s t e r c a ma n dp r o e ) t h er e s e a r c hr e s u lt sh a v ep r o v e dt h a tt h es y s t e mc a nb eu s e d f o ral o to fs i t u a ti o n sn cp r o c e s s b u tb e c a u s et h es y s t e mw o r k s b a s e do np c ，t h es y s t e m ss t a b i l i t ys h o u l db ef u r t h e rp e r f e c t e d t h r o u g hc o m p a r i n gw i t hs p e c i f i cn cs y s t e m k e y w o r d s ：o p e n t y p e ，n u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m ，h a r d w a r e ， s o f t w a r e 1 1 1 浙江工业大学硕士学位论文 第一章开放式数控系统概述 数控机床性能的优劣往往取决于其数控系统，而传统的数控系统，其控制核 心一般采用专用计算机，造成了较强的封闭性，如软硬件的不透明性，先进技术 的难适应性，应用范围的固定性，软件的不可开发性，供应商和用户支持的艰难 性等。当今技术密集已进人超速发展阶段，而集成的关键是开放式结构。p c 技术 的应用，开始改变了机床的工作方式，把c n c 推向了控制中心而不局限于机床控 制器的范围。开发基于p c 机的数控系统是一种新型的开放式数控系统，可以满足 开发者和用户适应环境改变或新技术出现而要求修改、扩展系统功能的要求，可 以较好地适应现代制造系统发展的需求，甚至可以方便地利用商用p c 机丰富的软 件资源及最新的发展成果，具有联网通讯方便，系统开发周期短的特点。因此， 研究和开发具有高度柔性化的开放式数控系统已成为数控技术的发展方向。 近几年来，由于我国制造业对开放式制造控制系统有巨大的市场需求和国际 市场激烈的竞争压力，国内的开放式控制系统也得到了一定的发展，许多该方面 的科研项目已列入我国8 6 3 计划重点开发项目”1 “”。 国家计划发展委和科技部于1 9 9 9 年7 月1 4 日发布当前国家优先发展的高 技术产业化重点领域指南( 目录) 中第八项“制造”的首项列为：适用先进的数 控机床及开放式数控系统( 第1 1 2 小项) “1 。 匡f 家“机械工业十五规划”要求：今后机械工业结构调整重点内容之一是数 控加工技术应根据数控机床向复合、高速、智能、精密、环保等方向发展的趋势， 完善我国自主知识产权的开放式数控系统平台及技术规范，开发数控机床的智能 化和网络化技术。 1 1 开放式数控系统简介 开放式数控系统是各发达国家在2 0 世纪9 0 年代开始争先发展的新型控制器， 是计算机软、硬件技术、信息技术、控制技术融人数控技术的产物。根据i e e e 的 定义，开放式数控系统为：一个开放式系统应能使各种应用系统有效地运行于不 浙江工业大学硕士学位论文 同供应商提供的平台上，具有与其他应用系统相互操作及用户交换的特点”。”1 。 可概括为： 1 开放性建立开放结构控制器平台，使控制系统具有硬件无关性，用户可根据 需求选用通用p c 机，利用p c 机上w i n d o w s 环境形成良好的人机界面。 2 移植性用户可随意增加或减少控制功能，配置不同的伺服轴数和p l c 点数， 并能配置不同开发商生产的标准软件或自己开发的软件。 3 扩展性通过开放结构控制器平台，可任意添加应用模块。 4 网络化开放式数控系统与机床各驱动部分之间有多种国际标准数字通信接 口( 同轴电缆或光缆) 和通信协议，用于高速通信和网络互连。 开放式结构控制系统的最大特点是它的开放性、移植性和互操作性。不同的 硬件厂商根据统一的标准提供硬件平台。硬件平台上可以安装运行不同的各种系 统软件，构成相应的系统平台。加工企业可根据自己的需要选用支持各种操作系 统的，能实现不同功能的软、硬件模块，来构筑自己的数控系统。那些具有不同 功能的模块都支持某些标准的通讯协议和文件格式，可以互相替代，它们通过标 准化的应用程序接口挂在操作系统平台上，由操作系统统一分配资源，协调工作， 彼此可以相互调用。要增加或减少某些功能时，只需安装和拆卸相应的模块就行。 某些n c 软件甚至允许更为简单、直接的调用方式，可以在会话式编程中调用其他 加工程序”“”。 1 2 开放式数控系统发展现状 较有代表性的有以下几种： i 美国的o m a c 美国把开放式数控系统定义为“开放式模块化体系结构 控制器”o m a c ( o p e nm o d u l a ra r c h i t e c t u r ec o n t r o l l e ro 由克莱斯勒、通用和福 特三大汽车公司于1 9 9 4 年提出。其目标要求： ( 1 ) 开放化一般可利用软硬件在标准环境下集成； ( 2 ) 模块化提供软硬件模块的“即插即用”和高效的控制器重构机制； ( 3 )可调整根据用户需要可简单有效地构成； ( 4 ) 可靠性要求软硬件高可靠性，容易维护。 浙江工业大学硕士学位论文 2 欧盟的o s a c a“自动化系统中的开放式控制系统体系结构”o s a c a ( o p e ns y s t e ma r c h i t e c t u r e f o rc o n t r o l e rw i t h i na u t o m a t i o ns y s t e m ) 是由欧盟2 2 家控制器开发商、机床生产商、控制系统集成商和科研机构联合发起的，前后经 历了三个阶段。o s a c a 的目标之一，是使自己成为自动化领域的通用国际标准”“。 3 日本的o s e c 日本的“控制器开发系统环境”o s e c ( o p e ns y s t e m e n v i r o n m e n tf o rc o n t r o l l e r ) 由东芝机器公司、丰田机器厂和m a z a k 三家机器制 造商和日本i b m 、三菱电子及s m l 信息系统公司共同组建。其目的是建立一个国 际性的工厂自动化控制设备标准“。 4 我国的开放式数控系统目前国内已有的开放式数控系统有四种：华中i 型、中华i 型、航天i 型和蓝天i 型。国内的开放控制系统各有优点，且经过近几 年的攻关，有了较大的提高。但从数控系统的发展趋势看，它们与国外的相比仍 有一定的差距，仍有许多需要完善之处“”。 1 3 开放式数控系统的模式 就工业p c 机与数控系统结构形式而言，当今世界上的开放式数控系统大致可 分为三种类型“”“”】： 1 “p c 嵌人n c ”结构的开放式c n c 系统：把一块p c 主板插入传统的c n c 机 器中，p c 板主要运行于非实时控制，c n c 主要运行以坐标轴运动为主的实时控制。 2 “n c 嵌人p c ”结构的开放式c n c 系统：把智能运动控制板插入p c 机的i s a 标准插槽中作实时控制用，而p c 机主要作非实时控制； 3 纯p c 型开放式c n c 系统：其开放式功能完全由软件实现，这种系统目前 正处于探求阶段，还没有大规模投入到实际的应用中。 “n c 嵌人p c ”结构的开放式c n c 系统，是以软件技术的研究和开发作为主 体，辅之以智能运动控制卡的开发制造，主要硬件设备采用市场流行的工业p c 机 和多轴运动控制器。这种系统的特点是灵活性好、功能稳定、可共享计算机的所 有资源，是当前最为理想的开放式c n c 系统。 浙证工业大学硕士学位论文 1 4 本论文所完成的工作 本论文研究内容来源于衢州市科技局科研项目机床开放式数控系统的技术 研究o 该项目针对原c k 0 6 13 数控车床系统成本高、封闭性强、无法二次开发的 特点，在充分研究原c k 0 6 1 3 数控车床主控单元8 0 2 s 及其七大系统模块基础上， 利用p c 技术和p c l 一8 3 9 智能卡的功能，开发基于p c 技术的开放式c n c 数控机 床。用p c 机和p c l 8 3 9 智能卡取代原8 0 2 sn c 主控单元。在尽量不变动原有外 设的基础上，使数控机床的性能更好，操作更简单、方便且易于软件集成和升级。 1 4 1 系统硬件结构m h 2 2 急停 图1 1硬件结构方案 硬件结构利用工业p c 机作为主体，智能运动控制卡插在其i s a 标准插槽上 4 浙江工业大学硕士学位论文 通过p c 内部总线实现数据的交换和控制。外接输人，输出接口卡、步进电机驱动 模块、主轴变频调速模块等构成硬件总体结构，如图1 1 所示。 1 4 2 系统软件结构 采用p c 机控制的系统设计时尽可能的利用软件代替硬件，以降低成本。软件 拟采用w i n d o w 开发平台，用模块化的设计方法，按功能分成若干模块分别进行设 计，运行后由主程序统一管理。通过键盘和显示器进行人机对话，各功能间通过 屏幕显示的功能选择菜单，按相应的键来实现调用相应的程序模块。2 “。 总之，软件设计目标为具有友好人机交互界面、开放式的数控软件。软件结 构方案见图1 2 所示。 图1 2软件结构方案 1 4 3 研究目标 系统开发完成后，使数控机床定位精度由原来的o o l m m 提高到0 0 0 5 m m ， 加工性能有明显的提高，操作更加方便，且使数控机床的软环境极大改善，可以 充分利用p c 机原有的硬件及软件管理功能、网络功能。从而真正实现 c a d c a m c n c 一体化的目标。 浙江工业大学硕士学位论文 第二章系统硬件结构分析与设计 摘要：本系统采用工业p c 机结合台湾研华科技公司生产的p c l 一8 3 9 智能运动控制卡取代 c k 0 6 1 3 数控车床中现有的西门子8 0 2 s 系统。该系统以w i n d o w9 x 作为操作界面，通过p c 机 输入的具体加工程序经过p c l 一8 3 9 智能卡的处理，转换成t t l 高低电平信号，再经由信号调 理板的综合处理，将其转化为各步进电机驱动器能识别并能执行的信号，然后由各电机驱动 器驱动各轴的步进电机按给定的要求运动，从而达到控制机床精确、稳定加工的目的。 2 1 系统各功能模块分析与设计 原c k 0 6 1 3 数控车床主要由电气模块、换刀模块、系统模块、主轴模块、进 给模块、电源模块、i o 模块以及操作面板和机床控制面板模块等八部分组成。它 们通过c 1 ( 主轴编码器电缆接至系统模块演示板正面的x 4 接口) 、c 2 ( 电器电缆 连接至电器电源模块) 、c 3 ( i o 电缆连接至i o 模块演示板) 、c 4 ( 主轴电缆连接 至主轴模块上变频器的u 、v 、w 端子上) 、c 5 ( 高速口电缆连接至系统模块演示板 的x 2 0 接口) 、c 6 ( x 驱动轴电缆连接至进给模块上x 方向步进电机的相应a + 、a 一、 b + 、b 一端子上) 和c 7 ( z 驱动轴电缆连接至进给模块上z 方向步进电机的相应a + 、 a 一、b + 、b - 端子上) 等电缆接插头和c k 0 6 13 数控车床机械本体连接。根据设计思 路一编码器暂时不做考虑、并用p c l 一8 3 9 卡取代西门子8 0 2 5 系统，故c 1 电缆 各信号可暂时悬空、机床操作面板和控制面板模块将被p c 机上的w i n d o w9 x 2 0 0 0 界面所取代、换刀模块由控制程序取而代之、原有8 0 2 s 系统模块也将被取消，被 采用的模块有电气模块、电源模块、x 和z 轴进给模块、i o 模块和主轴模块等五 部分，这五部分根据设计的需要将做较大的改动”“。 2 1 1 电气模块 c k 0 6 1 3 数控车床原有电气控制原理图如图2 1 所示。根据需要，对上述的电 气原理图做出如图2 2 所示的修改”“。 塑望三些奎兰堡主兰垡堡壅一 a c 2 2 0 v 图2 1 原电气原理图 戈d z id 乙2l c m o ? ， 主 ，、 纂 k a o 器 = k v 1 0 濉审一一蠢 i d z 4 $ 目乳耳* 熹僖 。 ”姜 l 、 o 一。o 耋蓁 = 【p c 机 图2 2 电气原理图 图2 2 中：d z i 空气开关保护主控电路 7 k a o k a o 浙江工业大学硕士学位论文 d z 2 空气开关保护主轴变频器电路 d z 3 空气开关保护进给驱动电路 d z 4 空气开关保护k a 0 控制继电器电路 图2 2 的工作过程是：d z i 、d z 2 、d z 3 、z d 4 和急停开关的常态为闭合状态， 当钥匙开关打到“开”状态时，控制继电器线圈k a 0 得电，使得k a 0 常开触点导 通、接触器线圈k m 0 得电。k m 0 线圈的得电使得k m 0 常开触点导通，这样使得主轴 变频器电路和进给驱动电路同时正常工作，而p c 机电路部分、变压整流电路部分 及2 4 v 直流开关电源部分则是机器一开启就正常工作。 原理： 1 ) a c2 2 0 v 单相电源通过漏电保护开关和接触器常开触点础o ，供主轴变频 器之用； 2 ) a c2 2 0 v 单相电源通过变压器和整流滤波电路，转换成4 0 v 直流电源供 进给驱动器作电源用； 3 ) 开关电源可提供2 4 v 和5 v 直流电源，可直接提供信号调理板工作电压。 2 1 2 电源模块 电源模块没有特殊的要求，为了简便起见，采用原来的线路连接方式。 电源模块的工作特点： 1 ) 开关合上后，2 2 0 v 交流电源进入，将机床上的红色电源开关和钥匙开关 打到“o n ”位置，系统处于正常供电状态； 2 ) 合上2 4 v 或5 v 直流电源开关，将得到2 4 v 或5 v 直流电源，可直接提供 信号调理板工作电压； 3 ) 遇紧急情况时，可按下急停开关来切断2 2 0 v 交流电源，此时需将障碍 排除后，方能再次上电； 4 ) 若有故障使总电源开关跳闸，排除障碍后，需按电源总开关上的兰色按 钮，使其复位后才能上电。 2 1 3 进给模块” 进给模块主要是两个型号为“s h 一2 0 5 0 3 ”的混合式步进电机细分驱动器( 北 8 浙江工业大学硕士学位论文 京四通集团公司生产) ，两个驱动器分别控制x 轴步进电机和z 轴步进电机，从而 达到控制x 轴方向和z 轴方向运动的目的。步进电机是一种将点脉冲转化为角位 移的执行机构，当步进驱动器接受到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的 方向转动一个固定的角度( 即步距角) 。我们可通过控制脉冲个数来控制角度位移， 从而达到准确定位的目的；还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。本系统进给模块中使用步进电动机细分驱动器 s h 2 0 5 0 3 来驱动步进电机。 s h 一2 0 5 0 3 型驱动器用于驱动2 8 、4 2 、4 5 、5 7 、8 6 b y g 系列两相混合式步进电 机，在此我们使用的是5 7 8 6 b y g 两相混合式步进电机。由于采用了先进的控制技 术并实现了电流的精确控制，从而达到了低速运行平稳、步距角度细分均匀、高 速力矩大的效果，是一款高性能、小体积、低成本的驱动器。适合于精密测量、 精密加工运动控制领域。 1 s h 一2 0 5 0 3 型驱动器的功能特点： 1 ) i o v 至4 0 v 直流供电，h 桥双极恒相流驱动； 2 ) 输出驱动电流最大2 a 相，输出电流连续可调； 3j 最大6 4 细分的八种运行模式可选，输入信号经过光电隔离； 4l 可调整运行性能达到最优，具有短路、错相保护功能； 5 ) 提供节能的自动半电流锁定功能； 6 ) 脱机( f r e e ) 保持功能，自动试机功能。 2 s h 一2 0 5 0 3 型驱动器性能指标( 设定工作环境温度t j ：2 5 ) 见表2 1 。 表2 1 性能指标： 说明单位最小值典型值最大值 电源电压 v 1 02 45 0 输出相电流 a一44 逻辑输入电流 a61 0 步进脉冲频率 m _ a01 绝缘电阻m h z 1 0 0 绝缘强度m 0 o 5 3 典型应用”1 浙江工业大学硕士学位论文 具体应用见图2 3 所示： 图2 3 驱动器与步进电机接线原理图 电源供给：采用直流电源供电，由机壳表面的红色指示灯指示，标准值为 2 4 v d c ，电压范围d c i o v 5 0 v 。采用较低的电源电压会使电机高速运行下的力矩下 降，但有助于驱动器降低温升和增加低速时的运行平稳性。 控制信号：采用单脉冲控制方式。所有控制信号从上层端子输入，并通过光 耦隔离，采用共阳极接法。为确保内置光耦能可靠导通，要求控制信号提供至少 6 m a 的驱动电流。对应v c c 为+ 5 v 电平，驱动器内部各信号端口已串入光耦的限流 电阻3 3 0 f l ，当v c c 电压较高时，可根据需要在各控制信号端口( v c c 端除外) 外 串电阻进行限流。例如v c c = 2 4 v 时，应在每个控制信号端子上串联2 k n 左右电阻。 s t e p 一步进脉冲信号( 与t t l 电平兼容) ，最大通过频率为i m h z 。为了避免干 扰，本驱动器完成次步进，需用一个脉冲的双沿触发，即下降沿触发光耦导通， 下一个上升沿到来后电机才对本次脉冲进行响应。脉冲的低电平时间应大于 5 0 0 n s 。为了在驱动器上电后电机处于锁定状态，用户应保证控制机上电初始化时 s t e p 端处于高电平。 d i r 一方向控制信号。该端电平变化控制电机运转方向。为保证可靠响应，方 向信号应先于s t e p 信号至少5 0 u s 建立。电机的初始运行方向与电机的接线有关， 互换两相可以改变初始运行的方向。 f r e e 一脱机控制信号。脱机控制端外加低电平时，驱动器将切断电机各相绕 0 浙江工业大学硕士学位论文 组电流使电机轴处于自由状态，此时步进脉冲将不能被响应。此状态可有效降低 驱动器和电机的功耗和温舟。当不需用此功能时，f r e e 端可悬空。 m s 0 、m s l 、m s 2 一运行模式控制信号。用于控制机控制驱动器改变细分运行模 式。端子信号与细分模式的对应关系可参见s h 一2 0 5 0 3 型驱动器面板上“细分模式 选择表”，n 1 一表示高电位，0 ，表示低电位。使用m s 0 m s 2 端子控制细分数时将 面板上拨码开关s w 0 s w 2 全置于下方! 当整个运行过程无需改变步距角，只需按 某固定细分模式运行时，可使用拔码开关s w 0 s w 2 进行设定。 2 1 4 主轴模块 该模块的核心部件是型号为“日立l 1 0 0 - - 0 0 7 n f e ”的变频器调速系统。 1 变频器调速原理”2 1 在机床主轴驱动中，交流电动机已占据绝对优势，交流变频调速技术已是开 放式数控系统的潮流。对交流电动机实现变频调速的装置叫变频器，其功能是将 电网电压提供的恒压恒频交流电变换为变压变频交流电，变频伴随变压，对交流 电动机进行调速，目前普遍采用的交一直一交变频器是把频率固定的交流电整流 成直流电，再把直流电逆变戒频率连续可调的三相交流电。由于把直流电逆变成 交流电的环节较易控制，因此，在频率的调节范围以及改善变频后电动机的特性 等方面都具有明显的优势。另外，从电压的调制方面看，主要采用脉宽调制( p w m ) ， 即变频器输出的电压的大小可通过改变输出脉冲的占空比来进行调制。在调节频 率时，不改变直流电压的幅值，而是改变输出电压脉冲的占空比，可以实现变频、 变压的效果。在进行脉宽调制时脉冲系列的占空比按正弦规律来安排，就是正弦 波脉宽调制( s p w mo 在s p w m 脉冲系列中，各脉冲的宽度以及相互间的间隔宽度 是由正弦波( 调制波) 和等腰三角波( 载波) 的交点来决定的”“。如图2 4 所示 是常用的双极性$ p w m 法，这样，以正弦波为调制波对等腰三角形为载波的信号进 行“调制”就可以形成不同频率的正弦波。 浙江工业大学硕士学位论文 a ) b ) c ) ff fif i f j! lijl i ill fliiji 【1 ll | l l|l【】| ll | _ jl【l 11 【jl ju l jl j l l j 图2 4 双极性s p w m 法原理图 2 本系统工作过程”“ 如图2 5 所示为基于p c 及眦8 3 9 卡的开放式数控系统的主轴控制结构图。 p c l 一8 3 9 卡的外接口信号是由电脑发出电平信号通过输出口( o u t ) ，经数据线 至信号调理板，然后通过变频器的控制囤路来控制变频器。变频器输入电压是恒 定的而输出电压随着频率的变化而变化。输出电压通过c 4 口接人机床。 图2 5 系统主轴控制结构图 1 2 浙江工业大学硕士学位论文 3 多段速度预置 变频器控制回路实现电机的点动、急停、复位、报警、多段速度等。其中多 段速度是通过控制回路中若干个触点的不同组合来设定的。根据设置的四个触点 实现( 变频器的外接输入电路中x t x 2 、x 3 、x 4 的状态) 24 = 1 6 段工作频率。以不同程 序段得到设置的转速。本系统采用了日立l 1 0 0 变频器，下面说明如何进行多段速 度的设置，其它类型变频器也类似。如图2 6 所示为该变频器的智能输入端及开关。 3 3 3 3 j | l 5正 3己 】p 2 4 图2 6 智能输入端及开关 其中p 2 4 是2 4 v d c 电源，l 为频率指令公共端，1 - 5 端子是用户自己设定的。笔 者采用四个端子1 、2 、3 、4 作为速度设定端。端子5 为正转和反转设定端，由1 、2 、 3 、4 端子可得到】6 段速度。可以在变频器显示屏上设定端子命令- 如下： c 0 1 对应端子1 c 0 2 对应端子2 c 0 3 对应端子3 c 0 4 对应端子4 c 0 5 对应端子5 此时可根据要求通过端子l 、2 、3 、4 的状态决定，设定状态0 表示触点断开， 状态l 表示触点闭合。然后分别用f u n c 设定所需的频率值，例3 女1 0 0 1 的值设为2 5 等， 每步都应, 睡i s t r 键保存。1 6 段速度都设定好以后，变频器处于待命状态，需要什 么速度只要在电脑上输入速度值，相当于给变频器脉冲命令，使其按照设定的转 速驱动电动机。 当另一种加工需要另外速度段时可重复上述设定步骤即可。( 频率的最低值需 根据电动机来确定) 。 2 2 c k 0 6 1 3 数控车床机械主体结构”8 灏显工业文学硬士学媲论文 c k 0 6 1 3 数控车床机械主体上有x 轴步进电机、z 轴步进电机、主轴电机，而 刀架步进电机可根疆需要配置，车床上还有各种电源开关、钥匙开关、急停按钮、 限位羚关、减速开关秘接近拜关等。橇庆蜚露愆毒c l e 7 七个窀；缆接矮头，其 中c 1 原是连接编码器和控制筒板的电缆，由于编码器我们可暂不考虑，故可以将 c 1 舀浚隽刀絮步送毫狡痞号麴箍入埝爨蠢。嚣j 遨瑰在备毫缆豹痿号蟊下：( e 2 霹 保持现状) 簸： 1 # o r g x 2格da+ 3 # o r g d 4 # o r g z 5#dh+ d b 一 7 #d a 一 ( 注：d 裘示乃蘩，a + 、a 一、b + 、b - 努翔震示力繁多遘电杭的a + 穰、a 一栩、 b + 相和b 一相，o r g 为原点开关) c 3 ：1 #v c c ( 2 4 v 电源) 2 #i o 7 机床报警 5 #1 1 1 ( z - 限位) 6 # i i 4 ( x 参考点减速牙关) 7 # i i 5 ( z 参考点减速开关) 8 # i l ，7 ( 象簿) 9 # m ( 接地端) ( 冀余悬空) c 4 ：1 #u 2 #w 3 #v 4#pe ( u 、v 、w 为主麓三裰交流奄撬懿三据，p e 为接遮麓) c j ： ”h i 一3 ( z 轴参考点脉冲) 3 棼h i 一1 ( x 鞫参考点滁薛) 1 4 浙江工业大学硕士学位论文 4 #m ( 接地端) c _ 6 ： 1#x a + ( x 方向驱动电机的a + 相) 2#xa一 3#xb一 4#xb+ c _ 7 ： 1 # z a + ( z 方向驱动步进电机的a + 相) 2 #z a 一 3 #z b + 4 #z b 一 上述是c k 0 6 1 3 车床机械主体上c 1 c 7 七个电缆接插头的所有信号。 根据设计的需要，分别对c k 0 6 1 3 车床的各部分信号进行了实地测量，其测量 结果为： 1 ) 步进电机驱动器部分： 脉冲： 方向 使能： 2 ) 步进电机x a 、x b 、z a 、z b 4 u s 3 ) 脉冲编码器部分( x 4 ) ： a ： b ： z ： 4 ) x 2 0 高速口部分： 1 5 幅值：3 v 一3 5 v 周期：0 2 m s 一0 3 m s 幅值：4 v 左右 周期：4 m s 幅值：3 v 幅值：4 0 v 周期：1 0 u s 幅值：3 v 周期：1 5 u s 幅值：3 v 幅值：4 v 浙江工业大学硕士学位论文 h i l ： h i 一3 ： r d y 一1 ： r d y 一2 ： 5 ) i o 部分： 1 1 4 一x 参考点减速开关： 1 1 5 一z 参考点减速开关： i o 0 - 0 5 一刀架位置码： q 0 o 、q 0 1 一主轴正反转： o o 4 一刀架正转： q o 5 一刀架反转： 2 3 p c l 一8 3 9 智能运动控制卡”4 幅值：2 4 v 蝠值：2 4 v 幅值：2 4 v 幅值：2 4 v 常态2 4 v ，到达减速点时降为o v 常态2 4 v ，到达减速点时降为o v 当处于相应刀位时，电压2 4 v ，否则为o v 2 4 v 运行时处于0 v ，停止时为 2 4 v 运行时处于0 v ，停止时为 2 4 v p c l 一8 3 9 卡是一块智能运动控制卡，是用于步进电机控制的高速步进三轴电机 控制卡，可以提高步进电机的陛能。 2 3 1 p c l 一8 3 9 智雏运动控制卡的特点 1 ) 有自己的c p u ，有三个独立的脉冲发生器，能同时单独控制三根轴； 2 ) p c l 一8 3 9 卡的应用程序为步进电机的控制设计了友好的用户接口，使得它 的应用程序编写简单； 3 ) 它提供了包含设备驱动的c 库函数，那里有步进电机常用到的些指 令；在用v h 或v c 编写应用程序时，可以直接调用这些库函数，为编程者提供了 极大的方便。 4 ) 指令提供了对p c 卜8 3 9 卡的指令设置功能； 5 ) 它有单机编译系统，并提供了p r o g 8 3 9 e x e 编译软件，这是一个单机的非 常驻程序的编译软件，可不用编程而直接用于控制步进电机： 5 ) 它提供了1 6 个用于数据输入输出的普通接口； 71 有独立的保护措施； 1 6 浙江工业大学硕士学位论文 8 ) 8 3 9 卡的脉冲方向输出和5 个限位开关与p c 机是独立的； 9 ) 它有两种操作模式双脉冲( + 、一脉冲) 式和单脉冲( 定向脉冲) 式； 1 0 ) 可编程的步进率达1 1 6k p p s ( p u l s e sp e rs e c o n d ) ； 1 1 ) 具有可缔囝翻嫩速度、终止速度、持续日搁以及自动执行带劲砌鼯圣嗄。 2 3 2 硬件安装及接口分布 根据控制要求对p c l 一8 3 9 卡输入输出口基地址的设置、限位开关的类型、限 位开关极性的设置以及中断级的选择。 1 硬件安装 p c l 一8 3 9 智能控制卡安装在p c 机的i s a 插槽上，通过内部数据总线实现与p c 机的数据交换。 2 p c l 一8 3 9 卡的针脚接口如图2 7 所示： d i r - d i r 忙h a ) e x t , v c cr c h a ) n c d i r - d i r ( c r i b ) e x t v c c ( c r i b ) n c d i r 输入，打开刚才保存的n c 文件，成功的输入了加工文件后 按凰行使能启动( 不使能启动的话其他按钮将蒯，单击圈返回参 厂= j n 考点，接着进行对刀。对刀时可以使用增量点动，点击l - 墅己k 钮，使当前的进 刀方式是增量点动，并且屏幕显示区进入“零点”子菜单。连续的按动此按钮， 点动的增量值将从1i n c 到1 0 0 0i n c 循环。1i n c 代表o 1 m m ，1 0i n c 代表1 m m ， 1 0 0 斟c 代表1 0 m m ，选择了适合的点动增量后，按下l - ：三墨k 按钮，机床将沿着 相应的方向运动，运动的距离为选择的点动增量。当到达对刀点后，按下“对刀” 命令，则屏幕上的x z 值将变为对刀点的机床坐标。此时对刀过程完成。 4 3 浙江工业大学硕士学位论文 3 对刀完成后，就可以进行加工了。确认当前的加工方式为“自动加工”后 再单击按钮启动自动加工，直至加工完成。加工过程中可以暂停，按下 按钮，可以暂停当前加工过程。暂停后将从当前加工位置抬刀，主轴停止 转动。如要继续加工，可以再次按下按钮，恢复加工过程。 如果在加工过程中出现了问题或者其他问题需要停止加工，可以按下 按钮，系统将弹出如下对话框，提示加工过程已经被中断。停止加工后程序将复 位，如要继续加工必须重新开始。 在加工过程当中，你可以随时通过下面的旋转按钮调节主轴速度和进给速度 加工完成后，将弹出对话框提示加工已经完成。 4 最后完成加工工件如图4 5 所示 浙江工业大学硕士学位论文 4 3 本章小结 图4 5 加工工件 由于软件运行在w i n d o w s 平台下，兼容性强，界面高度仿真西门子s i n u m e r i k 8 0 2 c s 数控系统的操作面板，具有良好的人机界面和简便的操作性能。实践证明 系统可以胜任很多场合的数控加工，并根据各种c a d c a m 软件( 女n m a s t e r c a m ，p r o e 等软件) 生成的g 代码直接进行加工及仿真操作。系统本身的定位精度和重复定位 精度可以达到o 0 0 5 m m ，与原系统的0 0 1 m m 相比有了较大的提高，同时操作和编程 也更加方便。 浙江工业大学硕士学位论文 第五章结束语 通过对衢州市科技局科研项目机床开放式数控系统的技术研究的研制， 本人对基于w i n d o w s 平台的数控系统设计有了一个很深刻的理解。首先，对当前国 内外开放式数控系统的现状有较深的了解。其次，在系统软、硬件结构设计过程 中，使本人更进一步掌握了p c 机的总线工作原理，以及对开环方式下控制的数控 车床整体电路和软件设计有较全面的认识，而且在模块设计上做了新的尝试。 本论文的内容对机床开放式数控系统的技术研究项目作了较为全面的书 面总结，最终完成的数控系统在加工性能及使用方面达到了理想的效果，归纳起 来主要有以下几方面的特点： i 项目采用“n c 嵌入p c ”的结构模式，利用p c 机和p c l 8 3 9 智能运动控 制卡本身功能强大的c p u 实现控制，在结构上更加灵活和开放，所开发的系统能 适用于各种不同类型的机床，对机床本身的加工、尺寸范围等没有严格的要求。 突出表现在整个系统模块化、嵌入式、智能化的特点。 2 系统控制软件融合了许多软件技术中的先进技术，通过工业p c 机完成管 理部分的任务，如信号的输入，输出、程序编辑、显示、故障诊断等；通过智能控 制卡上的c p u 完成实时控制任务，如译码、刀具补偿、速度处理、插补、位置控 制等，因此系统具有良好的动态实时响应性能。 3 系统在软件结构上提供了w i n d o w s 平台下的驱动程序，可以在高级编程语 言如c ”、v b 、d e l p h i 等编程环境下调用这些动态链接库，应用软件运行在w i n d o w s 平台下，兼容性强，用户只需对软件进行适当的变更，便可应用于各种使用场合。 4 系统基于p c 机控制，可充分享用p c 机丰富的软硬件资源，包括网络资源， 为进一步