（电工理论与新技术专业论文）快速点磨削成形机开放式数控系统的研究与开发.pdf

南京师范大学硕士研究生学位论文 a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to fas p e c i a lo p e n - a r c h i t e c t u r ec o m p u t e rn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m b a s e do i lp ci sd i s c u s s e di nt h i sa r t i c l e t h i st o p i ci sb r o u g h tu pi nt h er e s e a r c ho ft h e f a s t - p o i n t ( g r i n d i n g ) 一m a c h i n e ，w h i c hi saj i a n g s up r o v i n c en a t u r a la l t i c l e ，t h ea i mi st os o l v e t h ec o n t r o lp r o b l e mr e l a t e d t h i sa r t i c l ed i s c u s s e st h e p r o b l e m o ft h em o t i o nc o n t r o li nt h e f a s t - p o i n t ( g r i n d i n g ) 一m a c h i n e o p e n - a r c h i t e c t u r ec n cs y s t e mw h i c h s e l e c t sa p p r o p r i a t eh a r d w a r e 笛 t h eb a s i si sp r o p o s e da c c o r d i n gt ot h ec n c s y s t e m sd i f f e r e n tr e q u e s t s t h es y s t e mm a i n l y i n c l u d e st h eh a r d w a r ea n dt h es o f t w a r ep a r t s t h eh a r d w a r ep a r tu t i l i z e st h ep ca st h ec o r p u s , w i t ht h em o t i o nc o n t r o lc a r dp l u g g i n gi n t ot h ep c is l o t t h et o t a lh a r d w a r ep a r t sa r e c o m p o s e db yt h es t e p p i n gm o t o rd r i v e rm o l dp i e c ea n dt h es p i n d l em o l dp i e c ee t c t h ep c a c c o m p l i s h e st h ec o m m u n i c a t i o na n dc o n t r o lo f t h ed a t aw i t ht h em o t i o nc o n t r o lc a r dt h r o u g h t h eb u si nl i n e t h er e a lt i m ec o n t r o li sr e a l i z e db yt h ec p uo ft h em o t i o nc o n l r o l d a r d ，i n c l u d i n gt h eh a n d l i n go f t h es p e e d , t h ei n t e r p o l a t i o n , a sw e l la st h ec o n t r o lo f t h el o c a t i o n t h ep ci sr e s p o n s i b l ef o rt h ec o n t r o lp a r t s ，i n c l u d i n gt h ei n p u t o u t p u to ft h es i g n a t , t h e c o m p i l i n go f p r o g r a ma n d t h ed i s p l a yp a r t , t h er c a l - t i m er e q u e s t so fw h i c hi sn o th i # o nt h e b a s i so ft h eh a r d w a r ep a r t , w eu t i l i z et h ev i s u a lb a s i c6 0t od e v e l o pt h ep r a c t i c a ls o f t w a r e ， b a s e do nt h eo p e r a t i o ns y s t e mo fw i n d o w s t h em a i nf u n c t i o no f t h es o f t w a r ei st oa c c o m p l i s h t h e c o m p u t e r c o n t r o la n dt h e f r i n d l y m a n - m a c h i n ei n t e r f a c eo ft h e f a s t - p o i n t ( g r i n d i n g ) - m a e h i n eo p e n - a r e h i t e e t o r ec n cs y s t e m t h i sa r t i c l ea l s os t u d i e st h em e c h a n i c a l i n t e r p o l a t i o np r i n c i p l eo ft h es y s t e m t h ei n t e r p o l a t i o np r i n c i p l eo ft h ee l l i p s ea n dh y p e r b o l a i nt h i ss y s t e ma r ea l s od i s s c u s s e d k e yw o r d s ：o p e n - a r c h i t e c t u r e ，c n cs y s t e m , m o t i o nc o n t r o l ，v b i i 学位论文独创性声明 本人郑重声明： 1 、坚持以“求实、创新”的科学精神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果。 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构已经发 表或撰写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所傲的贡献均已在论文中作了声明并表示了谢 意 作者签名：篮墨叁 日 期：兰壁玉兰：f ! 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学校有权 保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质 版；有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书 馆被查阅；有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索；有权将学位 论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适用本规定 作者签名：益丞五 日 期：2 盛2 。f ! 南京师范大学硕士研究生学位论文 1 1 课题研究背景 第一章绪论 麻花钻是一种形状复杂的孔加工刀具，其后刀面的刃磨形式在很大程度上决定了其 使用性能。当刀具材料确定后，钻尖几何参数决定性地影响到钻头的切削性能。正是不 同的前、后刀面，构成了不同的刃形，并创立了各种麻花钻的钻型。因此后刀面的刃磨 型式一直受到钻头制造与使用者以及研究人员的普遍重视。早在1 9 7 8 年w d t s a i 和s d w u 已把麻花钻后刀面的数学模型归结为圆锥面、椭球面、双曲面、圆柱面等二次回转 曲面r ”，但长期以来研究人员只不断完善锥面刃磨的数学解析和刃磨机构设计【2 一h 冠 在钻头刃磨理论研究方面显得很单一。群钻的发明者倪志福先生在与国内钻削研究界著 名学者陈壁光先生合著的群钻馄志福钻头( 1 9 9 9 年版) 一书【2 】，在总结前人的 研究成果，预测钻头机械刃磨的发展趋势时指出：“深入研究钻尖后刀面廓形的数学模 型，探索新的刃磨型式，椭球面钻尖、单叶双曲面钻尖、螺旋钻尖、月牙弧面钻尖等， 并逐步创制相应专用钻型的刃磨机床，或改进原来的锥面刃磨方法的通用刃磨机床以扩 大其使用范围。”该文献还简要介绍以椭球面、双曲面等作后刀面的钻型。已查到的国 内外相关研究文献都停留在一般分析上睁7 ，尚没有发现研究非直母线二次曲面钻型刃 磨的报道。因此，研究二次曲面钻型的快速点磨削成形有着重要的学术和实用意义。 1 2 麻花钻后刀面“点磨削成形”原理的提出和研究 1 2 1 麻花钻主要参数及定义 钻头后刀面是选取作为磨削表面的回转型二次曲面的一部分。因此后刀面廓形决定 于回转型二次曲面的形状特点，即决定于参数a 、c 、以及艿的选择。其中a 与c 的比值 ( a c = 增口) 决定了护的大小，表征着回转型二次曲面沿乙轴方向延伸的情况，且口值 决定了在磊= 0 时的矗一弘平面断面廓线的半径。除此之外，钻头后刀面的廓形还决定 于三个定位参数日、s 和盯，它们确定了钻心尖口c 和钻头结构基面在二次曲面上的位 南京师范大学硕士研究生学位论文 置和钻轴的方向。如图1 - 1 、1 - 2 所剥甜。其中，o 一x y 五、o c 一分别为二次曲 面的原始坐标系和钻头结构坐标系。 一 - 武r - - 蓉 女a 旒 一 笱 ，二 。 0 。f 疋 么 ， i l i ，、 图1 - 1 椭球面型钻尖 v 日 ，r = 一、 、j ，、7 i 、- 一 二媳么妄 冀 仇 猫 l 时，由上式可以看出，若仍用上述算法推导，那么y ：+ 。的计算舍入误差是发散 的。在这种情况下，应该先计算a h ，再由双曲线方程式求出a x i 。 将椭圆插补区间按图2 - 4 分域。针对椭圆顺时针和逆时针两种插补方向，同时考虑 四个象限内的不同情况，可以得出椭圆插补四象限通用公式。 南京师范大学硕士研究生学位论文 y v 。+ x 蹲 x l 。一 r 一kx | i 。一。+ 一。一一。j 图2 4 椭圆插补示意图 当k 而ls 防l 时，( 对应下图中实线段椭圆) ，有 缸l = 痨s g n ( s ) 瓣 算f “= 工f + 缸f 。 y l 。= 毛洲y 。) 厩。 匈，。= 乃“一y j 当t 毛 儿时( 对应图中虚线段椭圆) ，有 觚= - # s g n ( s ) 扫而 y = y j + 奶 毛= s g n ( x , ) 归丽 a t , = t + l t 式中，f = 玎：毛= 6 2 a 2 ；如= 6 a 4 ；七3 = b a 。s 代表椭圆插补方向，顺时 针插补时，s = 1 ；逆时针插补时，s = - - 1 。 运用上式进行插补运算，不必进行过象限判别，实现了插补点自动过象限，计算公 式更为简洁，同时，从根本上避免了过象限时由于插补公式切换不及时而引起的表面凸 1 6 南京师范大学硕士研究生学位论文 台现象。为了保证算法的收敛，将整个椭圆按图2 - 4 进行分域。但这种区分要求并不严 格，在区域切换时，插补公式可以有几个周期的滞后，不必像过象限判别那样严格。同 时，在区域切换时对加工表面粗糙度的影响也微乎其微。 2 2 2 双曲线插补基本原理 下面给出自行导出的双曲线插补原理。图2 - 5 所示为第一象限内插补方法为顺时针 的一段双曲线。双曲线方程为 事一等= 吵 一 y 。 l 、舢“卢 。卜 翻2 - 5 双曲线摘补不蒽圈 彳( 毛，只) 为本次插补点，联薯+ l ，只+ i ) 为下次插补点a 以弦长b 代替弧长爿b ，有 p 叫= f t ，其中矿为指令进给速度( 删册j ) ，r 为插补采样时问o ) 从彳点作双曲线切 线与过口点作x 轴垂线交于q ，过4 点作y 轴切线与占q 交于p 点。显然l 一日为本次插 补x 轴坐标增量，l 卅为l ，轴坐标增量匈。由双曲线方程 事一詈= 睁吵 可以得出过a 点的双曲线切线彳q 的斜率为 南京师范大学硕士研究生学位论文 玲鲁 由于插补周期内进给量卜4 目非常小，切线一q 与爿b 几乎重合，因此有 1 4q l * 1 4 叫= ， 所以 缸= m = 一q c o s 口= a q 正五丐= a ，腑 式中，= 隅k = b 4 a 4 由于曰( x 。y 。) 在椭圆上，所以有 x j + l2 + a x ， y j + ：尝蹋 l 2 ：、口一 a y , 2y i “一y t 上述算法中，由于以卜4q i 近似代替陋b | ， 但它们之间相差非常小，在实际切削过程中， 进给速度恒定。 每次插补实际进给的轮廓步长不等于， 完全可以认为轮廓步长保持恒定，即切削 上述推导仅限于本次插补点切线斜率小于1 时成立；当本次插补点切线斜率大于l 时，上述算法的计算舍入误差是发散的。一 以图2 - 5 为例，设a t 的计算舍入误差为e ，t + 。的实际值记为x l + ，以，则有： t + i = 一+ t4 - e y ：“x ，+ 1t 刁m 口= y ，“+ e t a n a t 上述对) ，；+ ，计算的近似，同样是因为插补采样周期内进给量i 一曰f 足够小。 由上式可知，当t a n a 1 时，丸。的计算舍入误差不大于t 的计算舍入误差。也就 是说，当虚轴舍入误差满足精度要求时，实轴的舍入误差也一定满足精度要求。而当 t a n a l 时，由上式可以看出，若仍用上述算法推导，那么y ：+ 的计算舍入误差是发散 的。在这种情况下，应该先计算以，再由双曲线方程式求出a _ 1 8 南京师范大学硕士研究生学位论文 下面根据系统开发需要来讨论双曲线方程为事一吾= 1 ，( 口 o ，6 o ) 在第一、四 象限顺时针插补的情况。 1 、当口6 时 因此 2 、当d b 时 ， v 。 p b 2 4 蚺l 2 v b t x o 。 ， i 一 0 卜 旦 ! 咒b tana：笔bbtana 12 - 彳y i n 觚斗绋毗斗印丽1 2 南 v - 1 o 占“ f r 2 上u 2 = 詈厩万 1 9 南京师范大学硕士研究生学位论文 y 。 r b 4 x a n 夕如j 彳a n e x y 一 b 7 ： 、 黑线部分t a n a _ 1 ，此时 蚣南 y t “= 只4 - 觚 = 詈历再s g n ( 铂 缸t = x i n x t 可以看出，利用上面的插补算法，计算公式简洁。为了保证算法的收敛，要将双曲 线进行分域。但这种区分要求并不严格，在分域切换时，插补公式可以有几个周期的滞 南京师范大学硕士研究生学位论文 后。同时在我们所开发的此点磨削开放式数控系统中，a 是小于或等于b 的，因此不必 考虑分域的情况。 2 3 本章小结 本章主要分析控制系统中用到的插补算法。现有的数控系统中一般只有圆弧、直线 插补功能，但椭圆、双曲线、抛物线等非圆二次曲线在加工中经常遇到。我们的快速点 磨削成形机开放式数控系统中就需要用到椭圆、双曲线等的插补。在本系统开发中，椭 圆、双曲线的插补的基本思想是以弦进给代替弧进给。给出了二次曲面后刀面的数学模 型，在此基础上详细介绍了椭圆插补并自行导出了双曲线插补的基本原理。 2 i 南京师范大学硕士研究生学位论文 第三章开放式数控系统概述 3 1 数控系统的发展 1 9 4 6 年在美国诞生了世界上第一台电子计算机。1 9 5 2 年，计算机技术应用到了机 床上，在麻省理工学院( m i t ) 诞生了第一台试验性数控系统。从此，数控系统的发展 日新月异，到今天已经历经了两个阶段共六代：1 9 5 2 1 9 7 0 年为数控( n c ) 阶段，这一 阶段划分为三代，即第一代电子管( 1 9 5 2 年) ；第二代晶体管( 1 9 5 9 年) ：第三代小规 模集成电路( 1 9 6 5 年) 。自1 9 7 0 年起，小型计算机用于数控，数控技术进入计算机数控 ( c n c ) 阶段，这是第四代数控；1 9 7 4 年进入第五代数控，其特征为微处理器用于数 控；2 0 世纪9 0 年代开始后基于p c 的数控( p c n c ) 开始得到迅速发展。 9 0 年代前的c n c ( c o m p u t e rn u m e r i c a lc o n t r o l ，计算机数控) 系统，主要是标准 的数控装置，从控制软件开发发展上看，标准的数控系统没有一个强有力的体系结构予 以支撑，因而软件缺乏持久开发的能力，不能进行高可靠性的软件扩展。 随着制造业的发展，中小批量生产的趋势日益增强，对数控机床的柔性和通用性提 出了更高的要求，希望市场能提供不同加工需求、迅速高效、低成本地构筑面向用户的 控制系统，并大幅度地降低维护和培训的成本，同时还要求新一代数控系统具有方便的 网络功能，以适应未来车间面向任务和定单的生产组织和管理模式。而对于传统数控系 统，如f a n u c0 系统、m i t s u b i s h i m 5 0 系统、s i e m e n s 8 1 0 系统等是一种专用的封闭 体系结构的数控系统，他们自成一体互不兼容，不能适应当前制造业迫切需求的灵活、 功能扩展简便、基于统一的规范和易于实现统一管理的发展需要。而且，进入9 0 年代 以来，由于计算机技术的飞速发展，推动数控机床技术更快的更新换代，各种不同层次 的开放式数控系统应运而生。 3 2 开放式数控的产生与发展 3 2 1 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 南京师范大学硕士研究生学位论文 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 已进入超速发展阶段，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【7 - 2 。 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) 阎。 国家“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 瞄l 。 3 2 2 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、控制技术融入数控技术的产物。根据i e e e ( i n s t i t u t eo f e l e c t r i c a la n de l e c t r o n i c se n g i n e e r s ，电气电子工程师协会) 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 2 4 1 。可概括为： l 、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。 南京师范丈学硕士研究生学位论文 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 ( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e t ，可编程程序控制器) 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。 3 2 3 国外开放式数控系统的产生与发展 在8 0 年代初，便开始了推广基于p c 的开放式数控系统，但是直到9 0 年代初才得 以实现。世界上许多数控系统生产厂家利用p c 机丰富的软硬件资源开发开放式体系结 构的新一代数控系统。开放式体系结构使数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、扩 展性，并向智能化、网络化方向大大发展，目前正朝标准化开放体系结构的方向前进。 较有代表性的有以下几种嘲： l 、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 n m o d u l a r a r c h i t e c t u r ec o n t r o l l e r ) 。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：可根据用户需要简单有效地构成； 南京师范大学硕士研究生学位论文 ( 4 ) 可靠性：要求软硬件高可靠性，容易维护。 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 ef o r c o n t r o l l e rw i t h i n a 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口6 j 。 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 n s y s t e m e n v i r o n m e n t f o r c 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口刀。 开放化的趋势在全球制造业中己不可逆转，其直接结果将是产生高度模块化的、可 以方便联网集成的、容易进行二次开发的、拥有大量第三方应用软件支持的、价格便宜 的现代数控系统。 。 国外的数控研究已经取得了巨大进展，主要表现在：数控装置性能大为提高，一批 高精度、高效率、具有联网通讯功能的数控系统相继问世并得到应用。数控系统的处理 器完成了从1 6 位向3 2 位( 甚至己经出现了“位机，如日本m a r z a k 公司的f u s i o n 6 4 0 ) 的转变，其伺服驱动也从直流式转向交流全数字式，数控系统体系结构从封闭转向开放， 从而使数控系统可充分利用计算机技术的丰富资源，能根据控制对象的要求迅速、灵活 地更换软硬件，并能及时吸收新技术，使得数控技术发展步伐加快，开发周期大为缩短。 3 2 4 国内开放式数控系统的发展状况 在国内，经过“六五”( 1 9 8 1 1 9 8 5 年) 的引进国外技术，“七五”( 1 9 8 6 - 1 9 9 0 年) 的消化吸收，“八五”( 1 9 9 1 1 9 9 5 年) 国家组织的科技攻关和“九五”( 1 9 9 6 2 0 0 0 年) 国家组织的产业化攻关，数控技术有了质的飞跃。一系列数控产品如华中i 型和中华i 型，产生了巨大的经济效益。航天i 型和蓝天i 型等己在生产中投入，使这些国产数控 系统运行可靠，拥有自主的知识产权，在体系结构上已向基于p c 的第六代数控系统过 渡。， 随着开放式数控系统的进一步研究和开发，最终将导致硬件系统的解除及大量现成 南京师范大学硕士研究生学位论文 应用软件的兼收并蓄，这为我国c n c 的开发和应用带来了新的机遇。就开发开放式控 制系统而言，无论是老牌c n c 制造商还是近几年刚从事开发的新军，大家几乎处在同 一条起跑线上。随着开放体系结构数控系统研究计划的实施，统一开发平台的确立，将 来c n c 系统的高技术附加值将主要体现在软件上。这无疑为提高我国民族工业竞争力 和制造技术的跨越式发展提供了一次绝好的机会。 3 3 本章小结 本章主要介绍了课题的相关背景知识，包括数控系统的发展以及国内外开放式数控 系统的发生与发展情况等。 南京师范大学硕士研究生学位论文 第四章基于p c 的开放式数控系统的设计与实现 近年来，由于p c 机发展迅速，技术日益成熟，软硬件资源越来越丰富，如何充分 利用p c 机的软硬件资源，并将其功能集成到c n c 系统中去，即发展基于p c 的数控系 统( p c n c ) ，己成为世界各国在数控领域研究开发的重点l 勰1 。 基于p c 的开放式数控系统硬件平台可理解为由p c 机+ 开放式运动控制卡+ p l c ( 或者d i d o 卡) 组成。p c 机采用普通的工业计算机，运行在通用操作系统平台上， 从而能充分利用其丰富的软硬件资源和强大的网络功能。开放式运动控制卡具有强大的 数值运算、逻辑运算和运动控制能力，并提供一组数控内核a p i ( a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n g i n t e r f a c e ，应用编程接口) 供用户调用以开发所需的数控软件系统。p l c ( 或d i ，d o 卡) 对系统的的量进行分析和处理。 4 1 控制系统方案设计 4 1 1 典型的控制系统方案及特点 基于p c 的数控系统( p c n c ) ，具体地说，就是在p c 机硬件平台和操作系统的基 础上，方便地使用市售的应用软件和硬件板卡，构造出数控系统功能。由于p c 的总线 是一种开放的、标准化的总线，所以这种系统的硬件体系结构就具有了开放式、模块化、 可嵌入的特点，这为机床厂商和数控系统的最终用户通过二次开发给数控系统增加特定 的功能提供了保障。 基于p c 的开放式数控系统能充分地利用计算机的软硬件资源，可使用通用的高级 语言方便地编制程序，用户可将标准化的外设、应用软件进行灵活组态和使用。同时， 使用计算机也便于实现网络化，共享软硬件资源、实现加工文件的远程传输、网络制造 以及系统的远程监控和故障诊断与维护。 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 4 1 ： 1 、“p c 嵌入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。 南京师范大学硕士研究生学位论文 2 、“n c 嵌入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。 4 1 2 拟采用的控制系统方案 “n c 嵌入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。这种系统主要是基于p c ，其中主要部件是计算机和控制运动的控制卡。运 动控制卡通常选用高速d s p 作为c p u ，具有很强的运动控制和p l c 控制能力。它本身 就是一个数控系统，可以单独使用。它开放的函数库供用户在w i n d o w s 平台下自行 开发构造所需的控制系统。因而这种开放结构运动控制卡被广泛应用于制造业自动化控 制各个领域。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，软件 的通用性强且编程处理灵活，是当前最为理想的开放式c n c 系统。 考虑到控制器的诸多优点，以及采用控制器能够达到数控系统实时性能稳定、控制 安全可靠等基本的要求，本次开放式数控系统的实验设计方案采用“p c + 运动控制器” 的模式。采用这种模式，在结构上可以将计算机( p c ) 看成是上层控制部分。p c 机的 主要功能就是根据具体装置的运动控制类型，优化指令形式，属于上层控制，其控制软 件也应是通用的。步进电机就可以看成是下层的执行部件，由它具体完成运动控制。运 动控制器就可以看成是系统的中问层，具有将上层计算机给出的指令及具体的系统类 型，将上层指令转化为控制电机运动的控制信号。了解了这种模式的体系结构和各部分 的功能之后，接下来的工作就是按照这种系统构成方案搭建系统。 4 1 3 系统构建步骤 根据实际的构建工作，总结系统构建的主要步骤如下： 第一步：选择运动控制器 ，( 1 ) 根据要开发设备的工作特点，确定电机的类型； ( 2 ) 确定要控制的电机轴数和电机工作模式； 南京师范大学硕士研究生学位论文 ( 3 ) 确定位置检测、反馈模式，选择采用光电编码器作为位置反馈； ( 4 ) 确定输入输出开关量的数量； ( 5 ) 根据以上内容，选择合适的运动控制器。 第二步：选择电机及驱动器 ( 1 ) 根据设备工作过程的静、动载荷情况，分别计算满足各轴运动所需的最大扭 矩和驱动功率。而后，在考虑一定的安全系数和安装空间的条件下，分别选定各轴电机、 驱动器和相应的减速器； ( 2 ) 对所选定的电机、驱动器和减速器，一般会有多个公司提供相关的标准化产 品，可根据自己的情况进行选购。 第三步：连接运动控制器、驱动器、电机与设备 ( 1 ) 按照运动控制器接线端子排列说明和电机驱动器控制信号接线说明，首先将 控制器与驱动器间的模拟或脉冲控制信号线、编码器反馈信号线妥善连接，然后将设备 各轴的正负向行程开关与控制器接线板相连。必要时还需连接零位开关； ( 2 ) 将操作面板的开关、指示灯与运动控制器接线端子排上的通用数字i o 端子 相连； ( 3 ) 启动运动控制器调试软件，对各轴的电机运动、及数字i ，o 端口的工作状态 进行控制，检验接线的正确性； ( 4 ) 应用调试环境程序中的动态响应测试功能，测试、分析设备各轴的动态响应 特性，选择合理的控制参数。 第四步：进行应用软件开发 ( 1 ) 设计各轴工作过程控制流程图： ( 2 ) 选择合适的操作系统和合适的控制软件开发平台； ( 3 ) 开发应用程序，根据装置在工作时的运动轨迹和速度、位置等运动参数，通 过对运动控制器a p i 函数的调用实现所需的运动要求。 4 2 系统硬件方案设计 本点磨削快速成形机开放式数控系统是以p c 机+ 运动控制器为控制系统核心。这 个系统中计算机( p c ) 的主要功能是根据具体的运动控制类型，优化指令形式，属于上 南京师范大学硕士研究生学位论文 层控制，主要作非实时控制。步进电机是主要的执行部件，完成具体的运动控制。运动 控制器是根据上层计算机给出的指令，将指令转化为步进电机的运动。运动控制器是计 算机与步进电机的连接桥梁。 系统硬件主要包括p c 机、步进电机、步进电机驱动器、运动控制器几个部分。硬 件总体组成框图如图4 _ l 所示： 步进 p c 机 运动 弋 电机 入步进机械 叫 控制卡 电机 装置 驱动器 4 2 i 系统主要硬件选型 图4 i 硬件总体框图 l 、运动控制器选型 运动控制器，就是利用高性能微处理器( 如d s p ) 及大规模可编程器件实现多个电 机的多轴协调控制，具体就是将实现运动控制的底层软件和硬件集成在一起，使其具有 电机控制所需的各种速度、位置控制功能。这些功能通过计算机方便地调用。 目前开放式运动控制器主要有美国d e l t at a u 公司生产p m a c 系列运动控制器、美 国d a l i l 公司的d m c 系列运动控制器、国内深圳固高科技公司g e 、g t 系列运动控制 器等。 经过比较，我们选择了深圳固高公司生产的g e - 3 0 0 - s g - p c i 运动控制卡，g e 系列 连续轨迹运动控制器是该公司针对需要高速高精度连续轨迹运动场合自主开发的一类 经济型运动控制器，它可以同步控制三个运动轴，实现复杂的多轴协调运动。其核心由 d s p 和f p g a 组成，可以实现高性能的控制计算。它适用于广泛的应用领域，包括机器 人、数控机床、木工机械、装备生产线、电子加工设备、激光加工设备等。 2 、步进电机和驱动器选型 本系统采用“n c 嵌入p c ”的结构模式来构建开放式数控系统。硬件结构利用p c 机作为主体，将运动控制卡插在其p c i 标准插槽中，外接步进电机驱动模块、主轴模块 等构成硬件总体结构。 南京师范大学硕士研究生学位论文 步进电动机是一种将电脉冲信号转换成角位移的执行元件，可在宽广的范围内调 速。在负载能力范围内，其输出转角定位精度无积累误差，特别适合于开环数控系统。 系统丝杠导程为4m m ，x 、y 、z 三个轴的脉冲当量为1 0 0 0 p u l s e m m 。选用步进电 机伫9 1 时考虑到步距角岛要满足系统最小位移量氏。( 即脉冲当量) 的要求，即见e 岫， 同时在正常工作状态下，起动转矩必须大于折算到电动机轴上的负载转矩。为了可靠稳 定，还应有一定的安全系数，即吮( 2 3 ) m 。式中肘。为步进电动机的电磁转矩， 帆一为最大负载力矩。综合考虑起动频率和工作频率等要素，我们选用南京希曼得自 动化设备有限公司生产的型号为9 0 b y g 3 5 0 1 步进电动机。9 0 b y g 3 5 0 1 型步进电动机为 三相混合式步进电动机，步距角为0 6 。，驱动电压为6 0 矿，相电流为3 a ，转动惯量为 2 5 k g c m 2 。 步进电机的运行性能与它的驱动器有密切的联系，相对于其他的驱动方式，细分驱 、 动方式不仅可以减小步进电机的步距角，提高分辨率，而且可以减少或消除低频振动， 使电机运行更加平稳均匀。本系统采用m s 3 h 0 9 0 m 步进电机驱动器，通过驱动器上拨 位开关i 一4 位来设定电机的细分数，来使步迸电机实际工作时的步距角为0 0 9 。，从而 使得电动机的脉冲当量为3 6 0 9 。4 脚册即1 0 0 0 p u l s e m m ，满足系统要求。 4 2 2 系统硬件结构及工作原理 我们开发的快速点磨削成形机开放式数控系统采用p c 机+ g e 3 0 0 s g - p c i 运动控 制器的结构。g e 3 0 0 s g p c i 运动控制器实现前台实时控制( 如：插补运算等) 和外部 接口部件控制，p c 机实现后台管理及人机界面接口的开放式、模块化数控系统。为了 实现运动控制卡的多轴运动控制功能，需要在运动控制器上扩展相应的步进电机驱动 器、步进电机等，最终形成完整的数控系统。 l 、硬件结构图嗍 3 l 南京师范大学硕士研究生学位论文 ：) 1 f： 7 i 运动控制卡 i 掣掣鸯型 离离麈；l 主轴控制l 步翌机lj 步避机ll 步巍机i 图4 - 2 硬件结构图 传统基于专用计算机的c h i c 系统，大部分功能的实现是由硬件来实现的。硬件一旦 做好，基本不能再动，这样就很难更新系统功能。基于p c 机的c n c 系统大部分任务在 p c 机上以软件编程的方法实现的，而软件模块化的更新相对简便，这样既降低了系统的 生产成本，又提高了系统的的灵活性，使c n c 的开放更易实现。n c 嵌入p c 系统可以通 过软件安装和硬件插卡的方法迅速将一台普通的p c 机变成c n c 的控制计算机。同时由于 p c 机用户在世界范围内的日益增长，使基于p c 的c n c 系统具有更广阔的应用前景；而 ， 且p c 机上形形色色的绘图和网络等软件，更有利于c n c 系统的扩展与集成。 p c 机进入数控系统。可以产生深远的影响，主要表现为： ( 1 ) 可以方便地解决人机界面问题。采用p c 机作为硬件平台后可以方便地实现图 形人机界面、汉字显示三维动态仿真等功能； ( 2 ) 便于对c a m ( c o m p u t e ra i d e dm a n u f a c t u r e ，计算机辅助制造) 等软件择优并 直接用于数控系统； ( 3 ) p c 机的通信、联网、电子邮件、语言、视频等功能可由附加的扩展槽方便地 实现； ( 4 ) 可以及时地应用p c 技术的最新软、硬件发展成果，使系统功能扩展和升级更 加方便，可以减少开发基础支持平台的人机界面的开发以缩短产品的研制周期，从而可 以充分提高系统的可靠性和通用性； ( 5 ) 便于联网，组成f m c ( f l e x i b l e m a n u f a c t u r i n g c e l l ，柔性制造单元) 和f m s 南京师范大学硕士研究生学位论文 ( f l e x i b l em a n u f a c t u r i n gs y s t e m ，柔性制造系统) 乃至c i m s ( c o m p u t e ri n t e g r a t e d m a n u f a c t u r i n gs y s t e m ，计算机集成制造系统) 等； ( 6 ) 便于向智能型数控系统发展。 基于p c 机的数控系统作为一种高性能数控系统，具有高速度、高精度、多功能、系 统化等特征要求。因而基于p c 机的数控系统应具有实时多任务处理的能力，以便能充分 发挥数控系统的硬件资源和软件资源，实现较强的多功能，提高整个数控系统的性能价 格比。可以说数控系统的实时多任务处理能力关系到整个数控系统的先进性。 2 、g e - 3 0 0 s g p c i 运动控制卡f 3 0 】 g e 3 0 0 s g - p c i 运动控制卡可以同步控制三个运动轴，实现复杂的多轴协调运动。 其核心由d s p 和f p g a 组成，可以实现高性能的控制计算。具有如下的技术特点： ( 1 ) 采用高性能d s p 和f p g a 技术； ( 2 ) 可控制3 个伺服步进轴，实现三轴联动的连续轨迹插补运动； ( 3 ) 伺服采样周期为2 0 0 微秒，用于管理速度规划，不影响插补精度； ( 4 ) 运动方式：直线插补、圆弧插补、手脉输入跟随( 可指定任意轴跟随手脉速 度和位置变化) ； ( 5 ) 插补速度可稳定工作在2 5 6 k h z ； ( 6 ) 圆弧插补的径向误差在o 5 p u l s e 之内； ( 7 ) 用户可通过命令取消运动控制器对报警信号和限位信号的管理： ( 8 ) 底层循环程序缓冲区( 8 k ) 存储用户运动信息，提高通讯效率； ( 9 ) 用户可编程坐标偏移，便于缓冲区运动方式下坐标的重新建立； ( 1 0 ) 多段预处理功能，合理协调轨迹运动的速度和精度，实现良好的连续轨迹插 补运动； ( 1 1 ) 可设置起跳速度和最大速度，保证运动安全高效地进行； ( 1 2 ) 运动过程中可根据需要修改速度倍率调整目标速度； ( 1 3 ) 硬件捕获原点开关和编码器i n d e x 信号，实现高精度高速位置锁存，具有良 好的重复定位精度。 g e 3 0 0 s g - p c i 运动控制器以i b m - - p c 及其兼容机为主机，基于标准的p c i 总线。 同时提供r s 2 3 2 串行通讯和p c i 0 4 通讯接口，方便用户配置系统。g e - 3 0 0 s g - p c i 运 动控制卡的运动控制功能主要取决于运动函数库。运动控制器提供了c 语言函数库和 3 3 南京师范大学硕士研究生学位论文 w i n d o w s 动态连接库，实现复杂的控制功能如单轴运动、多轴独立运动、多轴插补运动 等。用户能够将这些控制函数和动态连接库与自己控制系统所需的数据处理、界面显示、 用户接口等应用程序模块集成在一起，构造符合特定应用要求的控制系统，以适用各种 应用领域的要求。 g e 3 0 0 一s g p c i 运动控制器将三轴电机控制集成在同一运动控制器上，具有功能强、 性能高、价格低、使用方便的特点，适