（机械制造及其自动化专业论文）精密合成碳膜电位器修刻机数控系统开发.pdf

天滓大学硕士学位论文 摘要 呤成碳膜电位器的修刻技术旨在提高电位器的线性精度于本文通过分析合 成碳膜电位器的输出特性，结合合成碳膜电位器修刻工艺耵特点及其对系统的 功能需求，设计了基于i p c 的修刻机开放式数控系统总体方案。 根据总体方案，对所需硬件进行了精心的选型：通过分析硬件性能，完成 了硬件间的连接：利用采集卡为恒流源提供参考电压，实现了恒流源的程控功 能。 时对总体方案和所选硬件，完成了系统软件设计。其问，进行了大量试验 通过对电位器零位附近电压变化规律的试验、统计、分析，提出了零位搜索算 法，为完成修刻、检测功能奠定了基础。系统采用最小二乘法对修刻成品进行 评价，并在此基础上采用最大绝对偏差极小化的回归方法，有效地提高了电位 器的产品合格率。 咚章还对修刻系统的硬件、软件以及其它因素产生的修刻误差进行了分析， 并提出了相应的误差补偿措施。实际生产证明，这些措施对提高电位器线性精 度是有效的。土 关键词：合成碳膜电位器j 数控系统：线性精度回归分析 垄望查兰堡圭堂垡望兰 一一 _ _ _ _ 一 a b s t r a c t t h e s t u d y o nt h e t r i m m i n gt e c h n i q u e o fs c f p ( t h es y n t h e t i cc a r b o nf i l m p o t e n t i o m e t e r ) i s t o i m p r o v et h el i n e a r i t yo fs c f ef o rt h i so b j e c t ，an cs y s t e m s c h e m ei s g i v e nt h r o u g h t h e a n a l y s i s o ft h e o u t p u tp e r f o r m a n c e o fs c f p t h e t r i m m i n gp r o c e s sa n d i t sf i m c t i o n a lr e q u i r e m e n tt on c s y s t e m h a r d w a r ec h o s e ni sb a s e do nt h es y s t e ms c h e m e a c c o r d i n gt ot h e i rf u n c t i o n t i l e h a r d w a r em o d u l e sa r ec o n n e c t e d t h ec o n s t a n tc u r r e n t s u p p l y i sc o n t r o l l e d b y p r o g r a m ，a n d t h ed a t a a c q u i s i t i o n c a r d p r o v i d e sr e f e r e n c ev o l t a g ef o rt h es u p p l y t s o f t w a r ei sd e s i g n e da c c o r d i n gt ot h es y s t e ms c h e m ea n dt h es e l e c t e dh a r d w a r e t h r o u g he x p e r i m e n t ，s t a t i s t i ca n da n a l y s i s ，t h ec h a n g i n g r u l eo f o u t p u tv o l t a g en e a r z e r oi ss t u d i e da n dt h ea l g o r i t h mo fs e a r c h i n gz e r op o i n ti s p u t f o r w a r d t h e a l g o r i t h mp r o v i d e s t h eb a s i sf o r t r i m m i n g a n dt e s t i n g r e g r e s s i o ni su s e df o r a p p r a i s i n gt h el i n e a r i t y o ft h ep o t e n t i o m e t e r b a s e d0 nt h er e s u l to fl e a s ts q u a r e p r o c e s s i n g ，t h em e t h o do fm i n i m i z i n gt h em a x i m a la b s o l u t ed e v i a t i o ni sa d o p t e di n t h i sd i s s e r t a t i o n e r r o ra n a l y s i si sd o n et ot h ef a c t o r st h a ta f f e c tt h el i n e a r i t yi nt h es y s t e m ，a n dt h e c o r r e s p o n d i n ge r r o rc o m p e n s a t i o n m e t h o d sa r ep u tf o r w a r d t h e s ec o m p e n s a t i o n m e t h o d s p r o v e d e f f e c t i v et oi m p r o v et h el i n e a r i t yo f p o t e n t i o m e t e r k e y w o r d s ：s y n t h e t i c c a r b o nf i l m p o t e n t i o m e t e r , n cs y s t e m ，l i n e a r i t y r e g r e s s i o n i l 天律大学硕上学位论文 第一章绪论 1 1 课题的背景及意义 “精密合成碳膜电位器修刻机数控系统开发”是为某电位器生产厂家提高 产品精度、实现生产高度自动化而进行的科研项目。精密合成碳膜电位器是该 厂的主要产品之一，用于军工企业的导弹发射，因此对产品的精度要求很高。 1 9 9 1 年，该厂曾研制了一台电位器自动修刻机，但由于其控制系统不可靠，始 终未能投入生产，由于年久失修，几乎成为报废设备。多年来，该厂对合成碳 膜电位器的修刻还是靠人工操作完成，精度上难以满足要求，产品实际合格率 只有3 0 左右。特别是海峡两岸紧张局势加剧以后，国防部门对精密电位器韵 需求突然增加，人工修刻无法达到质量标准。另一方面，人工操作又必然导致 生产效率低，工人劳动强度大。在竞争目趋激烈的当今时代，改善产品质量、 实现生产的高度自动化、提高劳动生产率已成为该厂迫在眉睫的问题。 合成碳膜电位器是一种成本较低、适用范围较广的电位器，而且随着电子 技术的发展，其应用将越来越广，对其各项技术指标的要求也将越来越高。随着 中国加入w t o 和国际生产的大转移，在国内生产和组装的电子整机激增，其中 不少跨国大公司和国内较大的通信公司大量出口电子元件为其配套。国内元器件 生产企业正瞄准这些公司的需要，力图在国际市场上寻找商机。而要把产品打进 这些公司，必须靠产品质量，靠规模生产，靠合适价位，靠服务信誉等。因此， 无论是从电位器生产厂家的经济利益，还是从国内经济发展趋势出发，对精密合 成碳膜电位器的修刻控制系统进行研究与开发，缩小与国际先进水平的差距，都 是十分重要和必要的。概括地讲，本文的研究工作具有以下重要意义： 1 ) 改善产品质量，提高产品合格率； 2 ) 提高生产效率，为企业创造经济效益； 3 ) 降低工人劳动强度： 4 ) 为开发更高精度、更多种产品规格的修刻系统作理论与实践的准备。 1 2 合成碳膜电位器修刻技术现状及发展趋势 1 2 1 合成碳膜电位器 ( 1 ) 基本概念 1 ) 电位器 天津大学硕士学位论文 电位器是一种阻值可调的电阻元件，它依靠电刷在电阻体上的滑动，取得与 电刷位移成一定关系的电阻( 或电压) 。 2 ) 合成碳膜电位器 合成碳膜电位器是利用电子学工艺方法将合成碳膜电阻浆料涂覆在绝缘基 体上，并使其牢固地附着在基体表面上，形成厚膜电阻体的电位器。它具有耐 磨性好、分辨率高、阻值范围广、线性精度高、工艺简单、成本低等优点，适 用于计算装置、自动系统中的电压讯号输送。 3 ) 精密合成碳膜电位器 精密合成碳膜电位器是对合成碳膜电位器采用修刻电阻体的方法获得较高 线性精度的电位器。电位器经过修刻后，线性精度可达到o 1 【2 朋。 4 ) 电位器分类 f 通用合成碳膜电位器 i ) 按用途分 精密合成碳膜电位器( + ) l 微调合成碳膜电位器 i i ) 按运动方式分 篓彗萎喜塞鬟莲耄老霎p 一 - 一- ，按输出特性分 羹萎鑫鬈爰蓑晨警差等 图1 。1 旋转式合成碳膜电位器 本文内容是针对输出特性为线性的旋转式精密合成碳膜电位器而展开的，图 1 - 1 为一种典型的旋转式合成碳膜电位器的外形图。 ( 2 ) 电位器的作用原理0 1 电位器在电路中既可以作变阻器使用，也可以作分压器使用。当电位器作变 阻器使用时，它是个两端元件，串接在电路中，如图1 2a ) 所示，通过调节接 触电刷2 在电阻体上的位置，起到调节电路中电阻值大小的作用。当电位器作 分压器用时，它是个四端元件，并接在电路中，如图l 一2b ) 所示，调节驱动装 置操纵接触电刷在电阻体表面上从一端运动到另一端时。能够从输入电压u t 中， 获得线性的输出电压u 。在输出端空载情况下，存在以下关系式： u 。0 x 一 u ，o c 式中：u i 电位器引出端1 与3 之间的输入电压 u 0 。电位器引出端1 与2 之间的输出电压 0 。电位器引出端1 与3 之间的总行程角度 天津大学硕士学位论文 o 。接触电刷的行程变量 输出电压u 。与输入电压u 之比称为输出比，0 。与0 。之比称为行程比。 a ) 作变阻器使用的接线原理b ) 作分压器使用的接线原理 图1 2 电位器作用原理 2 ( 3 ) 电位器的输出特性“” 输出特性是描述电位器的输出比( u 。u i ) 随行程比( 0 x 0 。) 变化的一个 基本特性，它分为理论输出特性和实际输出特性。 1 ) 理论输出特性 由上述的分压器作用原理可知，线性电位器的输出特性是一条斜率为l ，截 距为o 的直线，这是一种绝对理想的理论直线( 见图卜3 ) ，称为绝对理论直线。 但由于电阻体结构和接触电刷形状、大小所造成的端电阻等的影响，这种绝对 理想的状态是难以达到的，因而线性电位器的理论输出特性用数学表达式表示 为如下形式： 一u o x ；k 坚+ b u i0 e 式中：k 、b 待定系数 由于端电阻等因素的影响，k 1 ，b o ，这种形式下的理论直线( 如图1 3 所示) 称为独立理论直线。 2 ) 实际输出特性 在规定行程上，当行程比从0 变到l 时，与各行程比所对应的实际输出比 各点的连接线，称为实际输出特性。对于每一只电位器，实际输出特性为一条 曲线，它并不完全与理论输出特性相重合，而具有复现理论输出特性的随机变化 偏差( 如图l 一4 所示) 。 3 ) 线性和线性精度 线性电位器的线性就是实际输出特性和理论输出特性之间的符合性；线性 天津大学硕士学位论义 精度是指实际输出特性与理论输出特性之间的偏差。从图i - 4 中可以看出，在不 同的行程比处，偏差也不同。其中最大偏差( 图i - 4 中的c 。a x ) 称为这只电位器 的线性精度，它不应超过允许的偏差范围，线性精度通常用下式表示： c ：j 划1 0 0 lu i 式中：c 线性精度 u 。f 实际输出电压 u o 。理论输出电压 u i 输入总电压 本文的最终目标就是通过修刻使电位器实际输出特性最大限度地逼近理论 输出特性，提高产品的线性精度。 u o x u i 1 0 0 u o x 旷 1 0 0 0 51 0 0 x 吒 图卜3 理论直线示意图图1 - 4电位器输出特性 1 2 2 国外电位器修刻技术现状及发展趋势 电位器的生产技术在国外已经非常成熟，尤其在日本，例如，著名的企业 a l p s 、松下、村田、三洋等公司，都具备了先进的生产设备和技术水平，电位 器年产量均在数亿以上，且产品精度高，可靠性高【6 】。按照电子商品向轻、薄、 短、小、高可靠、实用、方便发展的原则，电位器的发展趋势仍是小型化、高 可靠、高精度。美国、日本、德国、法国等国家都在研究更为先进的生产技术， 但由于其具体加工工艺及使用的加工设备和加工原理一般都对外保密，因而难 以获得这些国家关于加工电位器特别是加工精密合成碳膜电位器的技术资料。 1 2 3 国内电位器修刻技术现状 据不完全统计，全国生产电位器的厂家已有近百家，以生产合成碳膜电位 天津大学硕上学位论文 器为主的厂家至少2 0 多家。1 9 9 9 年电位器的总产量为7 0 5 亿只左右，出口3 0 4 亿只，其中合成碳膜电位器有4 2 9 亿只，出口2 9 8 亿只1 7 j 。目前，我国电位器 生产能力不断增强，增长速度较快，产品精度和可靠性水平也有较大提高，但 与国际先进水平相比，仍有很大差距。一些厂家依靠与国外企业合资，引进国 外先进设备和技术来提高产品质量( 例如，辽宁电位器总厂与日本a l p s 公司合 资) 【6 】。专业生产合成碳膜电位器的武进市华宇电位器厂、无锡市电位器厂以及 上海环球电位器有限公司等，用自行研制的生产设备生产出了高质量的产品， 但其技术是保密的。在众多的资料中，有很多关于合成碳膜浆料的配制及涂覆 工艺的文章，但对于修刻技术基本上没有介绍。不过，浆料的配制方法和涂覆 工艺对修刻精度有着直接的影响。 从掌握的资料看，目前合成碳膜电位器的修刻技术主要有以下几种： ( 1 ) 电桥法 电桥法修刻原理如图卜5 所示i 射。 c r 4 b r 5 r 。 a d f r x ：被修刻电阻体：r 、r z ：精密电阻箱：r 。、r ，：电阻箱： r ，：多圈电位器：y ：光点指零表：z ：五位数字电雎表 图卜5 电桥法修刻原理 此修刻原理是根据电桥平衡，逐点切换精密电阻箱的阻值，同时逐点修刻电 阻体，使阻值分布均匀。具体修刻步骤是： 1 ) 将待修刻电阻体安装在转台上，测得其有效行程角e 。； 2 ) 假设刻线分辨率为c 1 ，修刻前与修刻后阻值之差为r 欧姆，则预先设定 各电阻值为：r ，= o ，r 2 - - ( o 。q ) l o o 欧姆，r 。一( 1 3 ) r 。，r 。= r ： 天津大学硕士学位论文 3 ) 加电压调节r 。使y 为零，即电桥平衡； 4 ) 调前零位补偿：使电刷处于前零位上，调r 。及凡，使z 、y 都指零； 5 ) 调后零位补偿：一般凭经验在r ：上加适当的补偿值； 6 ) 修刻：电刷前移a 度，r 。增1 0 0 欧姆，r ：减1 0 0 欧姆，控制修刻刀头进 行修刻，同时减少r 5 ，使y 指示为零，并观察z 的指示，控制其为某一 定值，即当z 指示为该定值时，修刻刀停止，转台转到下一位置继续修 刻，直至在有效行程范围内修刻完毕为止。 这是应用较为普遍的一种方案，但是这种电桥法修刻原理调整较为麻烦，不 适于自动化生产。因此，靠人工修刻来提高线性精度的电位器生产厂家多采用 这种方法，对电位器品质的改善很有限，往往不能达到规定的精度要求。 ( 2 ) 匣流法 恒流法修刻原理如图卜6 所示”1 ： 图1 - 6 恒流法 e 此原理是在标准分压器和被修刻电位器w 之间连接一精密电流计a ，对电 位器w 进行逐点修刻。标准分压器由电源e 提供基准电压u b ：恒流源i 给电位 器提供电源。当对某一点修刻到所需阻值时，电位器的a 点电压u 。与u h 相等， 电流计的读数为零，然后调节标准分压器，再进行下一点的修刻。 用此方法的问题主要在于i 和e 难以达到协调，而且i 、e 很难达到稳定， 因此目前这种方法很少被采用。 ( 3 ) 改进的恒流法 改进的恒流法是在上述恒流法的基础上加以改进，利用微机技术克服了恒 流法存在的缺陷。其工作原理如图1 - 7 所示： 该系统有效提高了电位器的线性精度，但存在如下问题： ( 1 ) 时代条件的限制，采用a p p l ei i 微型计算机，运算速度慢； ( 2 ) a d c 、d a c 、误差放大器、恒流源等硬件部分为自行设计，可替代性 差，被损坏的内部元件难以购置，最终导致整个系统无法工作。 天津大学硕士学位论文 ( 3 ) 保护措施不利，容易出现短路现象。 图1 7 改进的恒流法 1 3 本文的主要研究内容和最终目标 某电位器生产厂家和天津大学签署的精密合成碳膜电位器修刻机数控系 统的开发协议书规定的具体技术指标和参数如下： 1 刻线分辨率：每1 。一修刻，每5 。一检测； 2 自动辨识有效角度( 起始点和终点) ； 3 输出全汉字报告，包括产品型号、日期、有效电气角度、回归曲线及 数据： 4 以w h j l 电阻体为例，修刻后不离线检测，线性精度为5 1 0 0 0 0 至 2 1 0 0 0 的电阻体达到8 0 。 据此，本文主要内容包括： i 进行数控系统的总体方案设计； 2 硬件的选型； 3 系统软件开发； 4 通过大量试验，多方面总结规律，进一步完善系统。 本课题所研制的数控系统主要是使用微机来自动控制精密合成碳膜电位器 的修刻与检测，以达到提高电位器的线性精度，改善产品质量的目的。课题完 成后，应能使系统实现电位器的修刻、检测、线性回归三大功能，并达到协议 书规定的各项指标要求。 天津大学硕士学位论文 第二章数控系统总体方案设计 针对修刻机对控制系统的要求，本章分析了数控系统的发展趋势和开放式 数控系统的特点与现状。结合合成碳膜电位器的修刻工艺，拟定了修刻机开放 式数控系统的总体方案。 2 1 引言 计算机数控技术( c n c ) 已经有了四十多年的历史，曾为制造业带来了深刻 的变革。但是传统的数控系统都是封闭式结构的，它们采用专用的计算机硬件 系统和专用的软件系统，数控技术全部掌握在生产商手中，对于用户来说是一 个黑匣子，不同厂商的产品之间从软件、硬件都不兼容，使得数控系统无法使 用最新的计算机技术。另外，其开发费用高，升级能力和可扩展能力都比较差。1 。 这些都直接限制了数控技术的发展。 随着多品种中小批量生产的趋势日益增强，以及数控系统在军工、信息、 汽车、冶金、纺织、印刷等行业应用的r 益增多，必须根据不同的用户需求， 迅速、高效、低成本地构筑面向用户的控制系统。这就要求c n c 系统具有模块 化和可重新配置的特点。从使用角度看，新型c n c 系统应能运用于各种计算机 软硬件平台上，并提供统一风格的用户交互环境，以便于用户的操作、维护和 更新换代“。新一代数控系统开放式c n c 系统的提出正是适应了数控技术 这一发展的需要。 开放式c n c 具有如下特点： ( 1 ) 可以用高级语言编程( c 语言、v c 、v b 等) ； ( 2 ) 软件模块化，提高c n c 性能无需改写软件，而且可与流行软件相结 合： ( 3 ) 机械制造商和用户可以容易地开发具有个性的应用软件： ( 4 ) 采用标准化接口，可灵活选用电机，驱动装置和反馈元件： ( 5 ) 操作简单，易于使用和维护。 经过对国内外电位器修刻现状的调研，并结合修刻工艺特点以及数控系统 的发展趋势，按照修刻机数控系统所要实现的功能，开放式c n c 符合本文研究 开发的目标要求。所以，本文采用开放式数控系统的开发方案。 天津大学硕：e 学位论文 2 2 开放式数控系统的研究现状 2 2 1 开放式数控系统的定义与特征 从开放式数控系统目前的研究成果看，开放式数控体系结构还没有统一、 明确的概念内涵，系统还处于百家争鸣的时代”。一种观点认为，n c 开放化 是指基于p c 的开放式数控系统1 。具体地说，就是要能够在普及型个人计算机 的操作系统上，轻松地使用系统所配置的软件模块和硬件运动控制卡；用户能 够方便地进行软件开发，能够追加功能和实现功能的个性化。在这里，传统的 c n c 系统结合了p c 的高速分析运算能力，大容量存储功能，各种软件的支撑等， 这样，传统的c n c 就具备了开放的模式。按照i e e e 的定义，开放式数控系统应 该是具有下列特征的系统：符合系统规范的应用程序可运行在多个销售商的不 同平台上，可与其它的系统应用程序实现互操作，并且具有一致风格的交互界 面1 。 对于开放式数控系统，一种比较流行的观点是强调以下几个基本特征： 可互操作性：通过提供标准化接口、通信和交互机制，使不同功能模块能 以标准的应用程序接口运行于系统平台之上，并获得平等的互操作能力，协调 工作。 可移植性：系统的功能软件与设备无关，即应用统一的数据格式、交互模 型、控制机理，使构成系统的各功能模块可来源于不同的开发商，通过一致的 设备接口，使各功能模块能运行于不同供应商提供的硬件平台之上。 档次皆宜性：c n c 系统的功能、规模可以灵活设置，方便修改，既可以增加 硬件或软件构成功能更强的系统，也可以裁减其功能以适应低端应用。 可互补性：构成系统的各硬件模块、功能软件的选用不受单一供应商的控 制，可根据其功能、可靠性及性能要求相互替换，而不影响系统整体的协调运 行。 摩托罗拉公司一直和美国犹他州的c i n m e t r i x 公司联合开发基于标准化的、 丌放体系结构的控制器。其副总裁s k s o r e n s e n 为开放体系结构的控制器给出 了更具体的定义u ”： 它必须采用标准的计算机结构，如v m e 或i s a 总线结构，以及标准的微处 理器，如m o t o r o a 6 8 0 x o 、p o w e r p c 或i n t e lx 8 6 p e n t i u m 系列芯片；必须基于 标准的操作系统，如d o s 、u n i x 或w i n o w sn t 等；必须可以用标准的编程语言， 如m i c r o s o f tv i s u a lc + + 、v i s u a lb a s i c 或x w i n d o w s m o t i f 环境下的c c + + ； 其控制软件必须是开放和可扩充的，从而让生产商和用户都可以在其上面集成 定制专门的控制算法。 天津火学硕士学位论文 通用汽车( g m ) 的制造控制部，o m a c 计划的拟定者c j y e n 则将开放式结 构简单定义为“基于p c 的用户接口加上基于s e r c o s ( s e r i a l r e a l t i m e c o m m u n i c a t i o ns p e c i f i c a t i o n ) 的电机驱动接口”。这在很大程度上反映了工 业界对开放式控制系统的要求。 2 2 2 国外研究现状 开放式数控系统的概念在8 0 年代初就已出现1 。早在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，开始了名为“下一代控制器 ( n g c ) ”的计划，并成立了“美国国家制造科学中心( n c m s ) ”，其主要目的是 拟订并推进关于新一代开放式控制系统的详细分析与规范。作为n g c 的后续工 作，美国国防部启动了o a s y s 项目，其目的是建立并安装8 套控制器，并在6 种不同场所对其进行测试。其后有许多相关的研究计划在世界各国相继启动， 其中影响较大的有美国的o m a c 、欧洲的o s a c a 和日本的o s e c 等计划。这三个计 划的实现基本上代表了开放性数控的发展现状“2 ”1 。 ( 1 ) o m a c 计划 美国的汽车工业为解决自身发展过程中碰到的一系列问题，由克莱斯勒、 福特和通用三大汽车公司于1 9 9 4 年开始了一项名为“开放式、模块化体系结构 控制器( 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 r ，o m a c ) ”的计划“。该计划 的目标是降低控制系统的投资成本和维护费用，缩短产品开发周期，提高机床 利用率，提供软硬件模块的“即插即用”和高效的控制器重构机制，简化新技 术到原有系统的集成，从而使系统易于更新换代，尽快跟上新技术的发展，并 适应需求的变化。 ( 2 ) o s a c a 计划 o s a c a ( 自动化系统中控制的开放系统体系结构) 计划是1 9 9 0 年由欧共体 国家的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，并于1 9 9 2 年5 月正式得到欧盟的认可，纳入欧盟e s p r i t - h i 项目计划“。 目前已进入第三阶段。 o s a c a 系统是以p c 为标准平台，加上能自由组合的软件模块，构筑成“不依 赖于特定卖主的开放型控制器”的结构。系统平台由系统硬件和系统软件组成， 系统软件包含有核心部分，如操作系统、通讯系统和可选的应用程序。系统平 台通过应用程序接口( a p i ) 对外提供服务。a p i 是结构功能单元( a o ) 访问系 统平台的唯一途径，它保证了系统平台的硬件无关性和操作系统的无关性。通 常，有5 个a o ：h m c ( 人机界面) 、l c ( 逻辑控制) 、m c ( 运动控制) 、a c ( 轴控) 天津大学硕士学位论文 和p c ( 过程控制) 。 ( 3 ) o s e c 计划 o s e c ( o p e ns y s t e me n v i r o n m e n tf o rc o n t r o l l e r s ，控制器开放系统环境) 计划是由东芝机器公司、丰田机器厂和m a z a k 公司三家机床制造商和日本i b m 、 三菱电子及s m l 信息系统公司于1 9 9 5 年共同组建的，其目的是建立一个国际性 工厂自动化( f a ) 控制设备标准“”。目前主要取得的成就是：提出了开放性数控 系统的参照模型，并将其具体化为实装模型；开发了基于p c 的人机接口系统： 提出并开发了新的n c 语言o s e l ：开发了用于机床控制的接口及语言处理器。 o s e c 的结构虽然有它的独到之处，但到目前为止，它与其它开放系统结构 一样，也只是处于试验阶段，并未形成商业化的产品。 2 2 3 国内研究现状 在我国数控技术的发展进程中，“八五”数控科技联合攻关，开发了具有自 主版权的开放式数控系统，特别是提出开发中华i 型和航天i 型两个基本系统 及系列化产品，并利用基本系统发挥我国的软体优势，实施平台战略，发展我 国的数控软件，其意义是十分重要的，是我国数控技术发展史上的个转折点。 随着微电子技术和硬件设计技术的发展，尤其是通用p c 机的硬件技术在市 场的激烈竞争中表现出强大的优势，它为软件的开发和运行创造了良好的支撑 环境。目前，国内已有的开放式数控系统有4 种型号，即华中i 型、中华i 型、 航天i 型和蓝天i 型。与o s e c 计划相同，这四个品牌都采用不同的途径利用p c 机的现有研究成果。如珠峰公司和华中理工大学，利用i p c + 控制卡构成硬件平 台，开发了中华i 型和华中i 型数控系统；与此同时，航天数控集团公司利用 通用p c 的体系结构，设计了通用p c 机加数控通用专用模板的单机数控系统， 作为普及型推向市场，并以此为基础与通用p c 机互联构成了典型的前后台结构 的多机系统，完成了“八五”数控科技攻关任务，并为今后的发展奠定了基础。 蓝天是在原7 5 0 0 系列的基础上，通过二次集成缩小化设计后与通用p c 机构成 了8 5 0 0 系列的多机系统。 四大开放结构的数控系统有着各自的优点，但从数控系统的长远发展看还 有许多要改进的地方，如相互之间兼容性，对体系结构的阐述都局限于具体的 现实层面，没有提高到一种理论的抽象的层面。同时各个系统虽然模块化了， 但没有标准化、层次化，没有用到国际上新的技术，与国外相比在开发思想上 还存在一定的差距。”。 图2 1 给出了华中理工大学开发和生产的华中i 型数控系统，它是采用工 业p c 机配上运动控制卡( i o 板、位置板等) 组成开放式结构的系统o “。这种 天津大学硕士学位论文 系统模块化、层次化较好， 其可扩展性、伸缩性好( 可 根据需要升级和简化) 。系 统品种可减少，便于批量 生产，提高可靠性，降低 成本。它的开放性体现在： 向未来技术开放：标准化 的人机界面和编程语言， 方便用户使用；向用户特 殊要求开放。 操作哂扳 廷觋t l i q 主轴竹元 嘲 | ! f 2 一l 华i t i 型数控系统榧嘲 其它执i 堑墨堡i 主轴电村l 伺服l 电机l 2 3 修刻机数控系统的方案设计 基于上述分析和电位器实际生产需要，本节的主要任务是拟定修刻机开放 式数控系统方案。该数控系统利用微机自动控制合成碳膜电位器的修刻与检测， 以达到提高电位器的线性精度，改善产品质量的目的。因而系统拟以微机为核 心，并具有运动控制模块、数据采集模块、电源模块等。 2 3 1 系统平台的确定 根据上一节中的分析可知，以p c 机( 包括工业p c 机) 为基础的c n c 系统 代表了数控技术的发展趋势。由于工业p c 机( i p c ) 具有通用p c 机的各种优点， 因而，本文选择i p c 体系结构作为修刻机数控系统的硬件平台。这种选择出于 以下几点考虑： 第一，i p c 机产量大，价格便宜且可靠性高，因此，以i p c 作为数控系统的 硬件平台可以大幅度提高数控系统的性能价格比。 第二，可以充分利用计算机领域已有的软硬件资源，如大容量的存储器、 高分辨率彩色显示器、多媒体信息交换、联网通信等。 第三，设计的技术难度低，见效快，而且能达到开放的目的。 第四，软件的开发比硬件更能带动产品的设计周期，i p c 机具有庞大的软 件工具为后援，包括各种操作系统、器件驱动程序、程序库、设计语言及调试 等。 第五，抗干扰能力强，可以长期稳定地运行于各种恶劣的环境，在工业现 场获得广泛的应用。 目前，利用p c 机设计开放型数控系统有2 种典型的结构1 ： ( 1 ) p c - b a s e d 的形式 这种形式是将专用模板插到p c 机中构成的单机数控系统。其中，p c 机主要 天津大学硕士学位论文 完成数控系统上层中一些实时性不是很强的任务并对全系统进行协调和管理， 而实时控制单元可以是带轨迹插补计算、位置控制、开关量控制( p l c ) 等完整 的c n c 单元，如图2 - 2 a 所示。这里的位置接口板是专用的模板，通过它可以构 成开环或闭环控制。由于这类系统结构简单，易于实现开放性，成本较低，因 此得到了国内外许多厂商，特别是中小厂家的广泛采用。 ( 2 ) p c - n c 的形式 这种形式是将通用p c 机与n c 连接在一起构成的前后台结构，形成多机、 多过程数控系统，如图2 2 b 所示。这类系统的优点是可以保持原有数控基础， 发挥厂家在以硬件专用芯片实现特殊控制功能等方面的优势，且技术上容易保 密，因此多为一些老的数控厂商或实力较强的厂家所采用。这类系统最大的缺 点是开放性有限，开发和生产的成本较高，技术升级换代较慢。 c p u 模 扳 键盘c r t 软硬盘串，井口 瑞i 啐 a p c - b a s e d 形式b p c - n c 形式 图2 2 两种基于p c 机的数控系统 从课题的实际要求、研制成本以及开发周期出发，本文选择p c - b a s e d 的数 控系统开发方案，即采用“工业p c 机+ 运动控制卡”形式。 2 3 2 进给系统方案的确定 数控机床的位置控制系统按有无位置检测与反馈可以分为开环进给系统、 闭环进给系统和半闭环进给系统三种。 开环进给系统一般选择步进电机作为伺服驱动装置，由c n c 系统送出的指 令脉冲，经驱动电路控制和功率放大后，使步进电机转动，带动传动机构驱动 执行部件，如图2 3 所示。开环系统没有位置检测装置因此也没有反馈信号， 所以开环系统的位移精度取决于步进电机的角位移精度、传动机构的精度，以 及系统的摩擦阻尼特性。开环系统的结构简单，系统性能稳定，调试方便，但 是这种控制系统的精度较低。”。 闭环、半闭环进给系统如图2 4 所示，它一般采用直流伺服电机和交流伺 睦 儿接口卡 堂一伸 天津大学硕士学位论文 服电机作为伺服驱动装置。这类系统与开环系统的最大区别是：安装在执行部 件或其他传动元件上的位置检测装置，将执行部件的实际位移量转换成脉冲后， 反馈到输入端并与输入指令信号比较，将两者的差值放大和变换，控制伺服驱 动装置驱动执行部件以给定的速度向消除偏差的方向运动，直到指令位置与反 馈位置的差值等于零为止。闭环进给系统的位置检测装置安装在末端的执行部 件上，实测它的位置或位移量( 如图2 4 中c 所示) ，因此，闭环系统的精度较 高。闭环系统的缺点是系统复杂，成本较高，另外，由于机械传动机构的部分 或全部包含在系统之内，机械传动机构的固有频率、阻尼、间隙将成为系统的 不稳定因素，因此系统的设计与调试比较困难。半闭环系统是将位置检测装置 安装在驱动电机的端部或传动丝杠的端部，间接测量执行部件位置的系统。半 闭环系统的精度较闭环系统低，但是它的结构与调试较为简单，尤其是将角位 移与速度检测元件和伺服电机做成一个整体的半闭环系统( 如图2 4 中虚线a 、 b 所示) ，使机床制造厂家无需考虑位置检测装置的安装问题，在现代中高档数 控机床中得到广泛应用。 爵霹 图2 - 3 开环进给系统 位曩控速度控 图2 - 4 闭环、半闭环进给系统 综合考虑加工精度、成本等因素，本文选择步进电机作为驱动装置，构成 开环控制系统。 2 3 3 系统的总体方案 ( 1 ) 工况分析 由第一章对合成碳膜电位器输出特性的分析可知，c 。越小，表明电位器 的线性精度越高，因而在修刻过程中应将理论输出特性作为修刻的参考直线， 天津大学硕士学位论文 控制实际输出比u 。u 。( u 。为电位器l 、 2 端间的实际输出电压值) ，使其逼近理论输出 比u 。u 。电位器的修刻过程如图2 5 所示， “ 在修刻机机械装置上，以转台作为工作台，装 夹待修刻电位器。修刻首先从前端点l 开始， 每转1 。修刻一次。在某一行程角处，修刻刀 向下运动，当满足精度条件时，修刻刀停止运 动并返回，转台再转1 。，进行下一位置的修 刻。数控系统应该控制机械装置实现上述运动， 图2 - 5 修刻示意图 并保证一定的精度。系统应实现的主要功能有：采集电位器输出端1 和2 之间 的电压信号；对采集信号进行比较计算；控制修刻刀上下运动；控制转台转动。 ( 2 ) 系统总体方案 根据上述分析和电位器生产厂家对精密电位器修刻机数控系统的技术参数 和性能指标的要求，制定系统的总体方案如图2 - 6 所示。 图2 - 6 系统总体方案框图 该系统主要由工业控制机( i p c ) 、运动控制卡、步进驱动系统、数据采集 卡和恒流源等模块组成。为了提高系统的可靠性及易维护性，各功能模块均采 用商品化部件，各模块之间的接口也符合标准化要求。其原理如图2 7 所示。 该系统可实现修刻和检测两个过程： 1 ) 修刻过程： 首先由恒流源为电位器l 、3 端间提供输入电压u 。，然后通过搜索零位算法 确定修刻的起始点和终止点( 即确定有效角0e ) ，并确定修刻的目标直线 天津大学硕士学位论文 旦旦= k 生十b 。工控机发出指令，使控制卡输出脉冲，通过步进驱动装置和蜗 u 良 杆蜗轮传动副使转台转至待修刻位置0 ，这时控制卡发出脉冲数p ，使修刻刀 向下运动。数据采集卡采集电位器1 、2 端间的输出电压u 。，并传输到工控机 内与该转角位置处理论输出电压u 。( 由修刻目标直线计算得到) 比较。如果不 满足精度条件，修刻刀继续在p 个脉冲下向下修刻；反之，转台转到下一个修 刻位置重复刚才的工作，直到在整个有效角oe 内修刻完毕为止。 2 ) 检测过程： 由恒流源为电位器提供输入电压u ，并通过搜索零位算法确定检测的起始点 和终止点( 即有效角oe ) 。按照检测要求，转台在有效角范围内，每隔5 。由数 据采集卡采集一次电压u 。并保存，用数学方法将保存的数据进行分析处理， 从而确定电位器的线性精度。 2 4 小结 图2 7 系统原理 开放式数控系统具有很大的发展潜力，代表了国内外数控系统的发展趋势。 本章根据电位器实际生产需要，制定了修刻机数控系统方案，取得了如下成果： 选用工业控制机( i p c ) 作为系统平台，采用p c b a s e d 形式的典型结构， 即利用i p c 配上运动控制卡组成开放式结构的系统。该系统具有模块 化、层次化特点和良好的可扩展性。 进给系统选用开环控制方式，在保证系统精度的前提下，使系统性能稳 定，结构简单。 制定了总体方案，分析了系统实现的修刻、检测过程，为进行硬件选型 以及软件开发奠定了良好的基础。 天津大学硕士学位论文 第三章数控系统硬件选型 本章内容是课题研究的重要组成部分之一，主要任务是：根据系统方案完成 硬件选型，并分析硬件性能；进行各硬件模块之间的连接；依据系统功能需求 正确设置硬件参数 3 1 硬件选型及硬件性能 系统硬件设计要遵循开放式数控系统标准化、模块化要求的原则，各硬件模 块之间必须完全兼容，否则会影响到整个系统的性能稳定。因此，本系统硬件 设计的出发点是：按照系统总体方案和开放式c n c 的设计原则，在满足精度要 求的前提下，考虑工作过程的稳定性和可靠性，同时兼顾其经济性。 系统的主要硬件包括：工业控制机( 显示器、鼠标、键盘等) 、运动控制卡、 数据采集卡、恒流源、步进电机、驱动器。 3 1 1 工业控制机( 1 p c ) 工业控制机在经历了几十年的发展之后，其性能和品种不断得到完善，而且 集成化程度越来越高，从早期的单板控制到现在高运算能力的工业用计算机以 至更为先进的工业一体化工作站，这为选择工业控制机提供了充足的余地。 工业控制机( i p c ) 是本数控系统的核心部件，它的作用是对数据采集卡采 集到的数据经过运算和判断，控制执行机构的运动。因此工业控制机的品质将 直接影响到整个系统的性能。由于这套系统要实现的是较为简单的数据运算和 运动控制功能，并从系统的研究成本出发，选用了北京研祥公司生产的普通箱 式工业控制机i p c 8 1 0 。 i p c 8 1 0 的基本配置是：i p c 6 1 1 4 p 3 底板，p e n t i u m2 6 6c p u ，v p h c d d 型 主板，p s 一2 7 0 电源，3 5 ”软盘驱动器，6 4 m 内存，1 0 g 硬盘。内设8 个i s a 插槽，6 个p c i 插槽。在c n c 系统中，可供选择的开放总线有i s a 、s t d 、v m e 、 p c i 、c o m p a tp c i 以及u s b 等。本系统采用i s a 总线，工控机内设有8 个i s a 插槽，作为与板卡的接口。 3 1 2 步进电机睁”1 步进电机是一种将电脉冲信号变为相应直线位移或角位移的数模转换器 天津大学硕士学位论文 ”“。步进电机由于控制方便、工作可靠、价格便宜等优点，在机械、电子、纺 织、轻工等领域都得到了广泛的应用。 ( 1 ) 选型 合理选择步进电机对系统设计至关重要。通常从步进电机本身的角度来讲， 希望步进电机的输出力矩大、启动和运行频率高、步距角小、性能价格比高； 从机构角度，希望移动分辨率高、负载大、定位时间短等。但增大转矩与快速 运动存在一定矛盾，高性能与低成本存在着矛盾。因此实际选用时必须全面考 虑。 1 ) 步进电机种类的选择 步进电机种类很多，通常分为三种类型：永磁式、反应式、混合式，其性 能对比如表3 1 所示： 表3 - 1步进电机性能对比表 断电时启动、运 类型功耗步距角适用场合 定位转矩行频率 断电后要求负载保持在固定位 永磁式较小有大较低 置，精度和速度要求不高的场合 精度和动态性能要求高的开环控 反应式大无小高 制系统 断电后要求具有静态定位转矩、 混合式 小 有 小 较高精度和动态性能要求高的控制系 统 由于修刻机数控系统的开发旨在提高产品的线性精度，系统各硬件也应具 有较高的精度，因而不考虑选择永磁式。反应式步进电机功耗较大，相同负载 转矩下，反应式比混合式体积庞大，正逐渐被淘汰。通过各项对比，本系统选 用混合式步进电机。 2 ) 相数的选择 选择相数应兼顾电机和驱动器两方面的经济和技术指标。通常随着相数的 增加，电机的步距角变小，启动和运行频率响应提高，稳定性好，但驱动器复 杂，成本高。在本系统中，决定选用两相步进电机。 3 ) 步距角的选择 选择步距角时，应考虑脉冲当量6 和机械传动系统的传动比，兼顾系统的 精度和速度的要求。脉冲当量小，可提高精度，但脉冲当量太小，要求的减速 比大，而最高速度将受到步进电机的最高运行频率限制。 根据系统要求以及电位器厂家的生产经验，修刻分辨率达到5 即可，为便 天津大学硕士学位论文 于功能扩展，选取6 = 1 。步进电机是通过蜗杆蜗轮传动副带动转台转动的， 传动比仁1 8 0 ，所以选择步距角口s 磊熹f 3 6 0 。，即日s 3 。 步距角o s 与转子的齿数乃、控制绕组的相数m 和通电方式之间存在以下关 系： ：堡(3-1s )= ) m z c 式中，c 为通电状态系数( 单拍方式时，c = l ；单、双拍方式时，c t 2 ) 。 m = 2 、c = l 时，为保证o s t 6 0 ； m = 2 、c = 2 时，应选取z ， 3 0 。 4 ) 最大静转矩的选择 选用步进电