（机械制造及其自动化专业论文）基于pmac多通道组合机床数控系统的研究与开发.pdf

沈阳理工大学硕士学位论文 摘要 多通：道组合机床是大批量生产机械产品的设备，具有高效率和经济性，应用 领域广泛。传统组合机床主要部件运动是靠液压系统驱动，机械结构复杂，加工 品种单一，缺少柔性，而数控组合机床则简化结构，采用参数化编程，不需进行 机械机构的调整，就可以加工不同的产品。现在数控系统国内外己占了主导地位， 但开放式数控系统还很少，国内很少有适合多通道组合机床加工特点的系统，国 外有适合组合机床加工的多轴组数控系统，但价格昂贵，且编程复杂。 本文主要介绍的基于p m a c 多轴运动控制器的开放式数控系统，适合多通道 数控组合机床使用。首先，结合多通道组合机床的特点，搭建i p c 机为上位机， 以p m a c 运动控制卡为核心的下位机的结构，将p c 机与p m a c 相结合形成并行 双c p u 开放式数控系统的硬件结构。同时，借助于高级语言v b 6 o 开发数控系统， 设计一个适合组合机床数控系统特性的人机界面，利用p m a c 自带的p c o m m 3 2 通信驱动程序以及p c o m m 3 2 d l l 动态链接库使上下位机之间通信。其次，为了获得 良好的稳态特性和动态特性，提高组合机床加工精度，建立了组合机床系统的数 字化误差模型，采用p i d 控制器对系统的控制环进行校正和调整。最后，利用通 信m o d b u s 协议读取伺服驱动器的绝对位置数据并赋予加工程序，避免了断电干扰 和开机回零的过程，提高加工效率，实现组合机床的无回零加工。 该基于p m a c 的组合机床数控系统具有参数化零编程功能，提高编程效率和 质量，实现组合机床的自动加工。 关键词：p m a c ；多通道组合机床；p i d 调节；绝对值电机 沈阳理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t m u l t i c h a i u l e lc o i l l b i n a t i o n a lm a c h i n et 0 0 1 si sm a s sp r o d u c t i o no fe q u i p m e n tf o r m e c h a n i c a lp r o d u c t s ，h i 曲e f f i c i e n c ya i l de c o n o m y ，w i d e s p r e a d 印p l i c a t i o n s t h e t r a d i t i o n a lc o n l b i n a t i o n a lm a c h i n et o o l sm a j o rc o m p o n e n t so fm o v e m e n ti sd r i v e nb y t h eh y d r a l 】l i cs y s t e m ，ac o i n p l e xm e c h a n i c a ls t m c t l l r e ，p f o c e s s i n gas i n 哲es p e c i e s ，a l a c ko fn e x i b i l i t y ，b u tac n cc o m b i n a t i o n a lm a c h i n es i m p l i 母m es t m c t u r e ，t l l eu s eo f p a r a m e t r i ：p r o 乒觚吼i n 舀c a l lp r o c e s s i n g o fd i 矗研e n tp r o d u c t sw i m o u tm e c h a i l i c a l a d j u s t m 即to fi n s t i t l l t i o n s c n cs y s t e mh a sn o wp r e d o m i n a t ea th o m ea n da b r o a d ，b u t a l s or a r e l ：y0 p e nc n cs y s t e m ，m e r ei sl i t t l ed o m e s t i cm u l t i c h 锄e lm i xs u i t a b l ef o r m a c h i n i n gc h a r a c t e r i s t i c so ft h es y s t e m ，as u i t a b l ec o m b i n a t i o no ff o r e i g nm u l t i a x i s m a c h i n i n gc n cs y s t e m 黟o u p ，b u te x p e n s i v ea n dp r o 伊舢i n gc o m p l e x i 够 t h i sp a p e rd e s c r i b e st h eo p e nc n cs y s t e mb a s e do nm ep m a c m u l t i a x i sm o t i o n c o n t r o l l e r ，s u i t a b l ef o rn m l t i c h a i l e lc o m b i n “o n a lm a c h i n e t o o l su s e d f i r s t l y ，b a s e d o nt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h em u l t i c h a n n e lc o m b i n a t i o n a lm a c h i n et o o l s ，b u i l d i n gm e i p cm a d i i n ef o rp c ，w i t hp m a cm o v e m e n tc o n t r o lc a r d sa st h ec o r eo fam a c h i n e 吼d e rt os t m c t u r e ，p ca n dc o h l b i n i n gp a r a l l e lp m a cf o n l l e dd o u b l ec p uo p e nc n c s y s t c mh a 丽w a r es t m c t u r e a tt h es 踟et i m e ，b ym e a i l so fh i 曲- l e v e l1 趾g u a g e v b 6 ot 0 d e v e l o pr i u m 甜c a lc o n 仃0 1s y s t e m ，d e s i 印as u i t a b l e f o rc o n l b i n a t i o n a lm a c h i n et o o l s n u m 嘶c a 】【c o n t r o ls y s t e mc h a r a c t 嘶s t i c so ft h em a n m a c h i n ei n t e 而c e ，u s ep m a cb m g p c o m m 3 2c o m m u n i c a t i o n d r i v e ra n dp c o m m 3 2 d l ld y n 锄i c l i i l l ( 1 i b r a r y t o c o m m u n i c a t eb e t w e e nm eu p p e ra n dl o w e rm a c h i n e s e c o n d l y ，i no r d e rt oo b t a i n9 0 0 d s t e a d yd l a r a c t 嘶s t i c sa n dd y n 撇i cc h a r a c t 嘶s t i c s ，i m p r o v et h em a c h i n i n ga c c u r a c y c o m b i n a t i o nm a c h i n et 0 0 1 s ，s e tu pt h es y s t 锄o fm o d u l a rm a c h i n et 0 0 1d i 西t a l e 玎o r m o d e l ，u 5 ；i 1 1 9m ep i d c o n t r 0 1 l e ro nt h es y s t 锄sc o n t r 0 11 0 0 pc a l i b r a t i o na 1 1 da d j u s 衄c n t f i n a l l y ，b yu s i n gc o m m u n i c a t i o nm o d b u sa 孕e e m e n tr e a d t h ea b s 0 1 u t es e o 赫v e 1 0 c a t i o nd a t aa n d 垂v ep r o c e s s i n gp r o c e d u r e ，t oa v o i dm e i n t e r f e r e n c ea n db o o tb a c kt o z e r op o w e ro ft l l ep r o c e s s ，i n l p m v ep r o c e s s i n ge m c i e n c ya i l da c 圭l i e v em ec o m b i n a t i o n a l m a c h i n et 0 0 1 so f h a v en ob a c kt oz e r op r o c e s s i n g b a s e do nt h ec o m b i n a t i o no ft h ep m a cn cs y s t e i l lt o p r o v i d eu s e r sw i t h p 觚吼“cz e r op r o 蓼锄m i n g ，t oi n l p r 0 v ep r o 蓼a me 叛c i e n c ya n dq u a l i t y ，t oa c h i 曲ea c o m b i n a t i o no fa u t o m a t i c p r o c e s s i n gm a c l l i n e s k e yw o r d ：p m a c ；m u l t i c h 锄e lc o m b i n a t i o n a ln l a c h i n et 0 0 1 s ；p i d a d j u s t i i l e n t ； a b s o l u t ev a l u eo fm em o t o r 第l 章绪论 第l 章绪论 数控技术，简称数控( n u m 嘶c a lc o n t r 0 1 ) 即采用数字控制的方法对某一工作 过程实现自动控制的技术，具有高效率、高精度、柔性自动化等特点，对制造业 的集成化、柔性自动化和智能化起着举足轻重的作用。 1 1 数控技术的发展及其研究现状 1 1 1 数控技术的产生与发展 1 9 5 2 年，美国麻省理工学院成功地研制出了世界上第一台数控机床三坐 标联动的：立式数控铣床。1 9 5 4 年，美国本迪克斯公司在第一台数控机床的基础上 生产了第一台工业用的数控机床，机床控制系统采用的是电子管，因体积庞大， 功耗比较高，仅在一些特殊的军事部门中使用加工形状复杂零件，这就是第一代 数控系统。 1 9 5 9 年晶体管和数字电路板的出现，使机床数控系统进入了第二代。同年可 耐杜列克公司在数控机床上设置刀库，在刀库中装钻头、丝锥、铰刀等多种刀具， 并带自动换刀装置，缩短了刀具的装卸时间和零件定位装卡时间，这种数控机床 被人们成为加工中心。一台数控加工中心就可以进行集铣、钻、镗等加工，为以 后立卧式加工中心、板材加工中心、车削中心、磨削中心等的发展奠下了坚实的 基础。目前，美、曰、德等发达国家的数控加工中心产量几乎占全部数控机床产 量的2 5 以上 2 1 。 1 9 6 5 ：年，数控装置采用了小规模的集成电路，提高了数控机床的性能、可靠 性，减小i r 体积，降低了功耗，使数控系统进入到第三代。前三代数控系统都是 硬件逻辑数控系统( n c ) ，有资料统计到1 9 6 6 年，实际使用的数控机床中，8 5 是点位控制的数控机床，原因是点位控制数控系统要比轮廓控制数控系统简单。 1 9 6 7 ：句三英国的m o l l i nc o 将7 台数控机床用i b m l 3 6 0 1 4 0 计算机集中控制， 组成m o l l i n 2 4 系统，该系统能执行调度程序以及数控加工程序，还具有工件储存、 传送和检验自动化等功能，被称为柔性制造系统( f m s ) ，也就是最早的具有柔性 的数控加二 系统。 沈阳理工大学硕士学位论：艾 伴随计算机技术的快速发展，出现内置小型计算机、具有中规模集成电路的 数控机床，该数控系统称为计算机控制数控系统( c n c ) ，从此数控系统进入第 四代。 2 0 世纪7 0 年代初，微处理机的出现，美、日、德等国快速推出了以微处理 机为核心的数控系统，具有n c 字符显示，故障自诊断功能，这样的数控系统称 为第五代数控系统( m n c ，通称为c n c ) 。微处理：器使用于数控机床，进一步促 进了数控机床的普及与应用以及数控技术的快速发展。 19 7 4 年美国约瑟夫哈林顿博士在c o n l p u t e ri ：n t e 伊a t e dm a n u f a c t 嘶n g 一书 中首先提出了计算机集成制造( c i m ) 的概念，有此理念组成的系统称为计算机 集成制造系统【3 1 ( c i m s ) 。 2 0 世纪8 0 年代，微处理机发展更加迅速，极速促进数控机床向柔性制造单 元( f l e x i b l ema 1 1 u f a c t u r e rc e l l 即f m c ) 、柔性制造系统( f l e x i b l em a n u f a c 锄e r s v s t e m 即f m s ) 方向发展，出现超大规模集成电路，大容量存储器，可编程接口， 遥控接口人机对话，动态图形显示，实时软件精度补偿，适应机床无人化加工要 求，为以后向规模更大、层次更高的生产自动化的数控系统的发展奠定了坚实基 础。 8 0 年代末期，出现了以提高综合效益为主要目的，以人为本主体，以计算技 术为支柱，综合应用信息、材料、能源、环境等高新技术和现代系统高级管理技 术，研究并改造出传统制造过程作用于产品整个生命周期的所有适用技术称 为先进制造技术。 1 9 5 8 年我国开始研制数控机床，主要是一些高等院校、科研单位、企业从采 用电子管研究，在6 0 年代研究出部分样机，1 9 6 5 年开始研制晶体管数控系统， 7 0 年代初研究出一系列机床，非圆插齿机、数控立铣床、数控车床、数控镗床、 数控磨床、加工中心等。这一时期国外技术封锁且国内研究条件有限，产出数控 系统的稳定性、可靠性没有得到很好地解决，也限制了国产数控机床的发展，发 展较为缓慢，该时期称为封闭式发展阶段。 8 0 年代初，由于改革开放和国家的重视，以及发展环境和国际环境的改善， 我国从国外引进技术，消化吸收，建立起国产化体系，开始了批量生产微处理机 数控系统，推动了国内数控机床新的发展高潮，国内开发了立卧式加工中心，数 第1 章绪论 控铣床、立卧式数控车床、数控钻镗床、数控磨床等，同时还在立卧式加工中心 基础上，配置1 0 个工件位置的自动交换工作台，组成柔性制造单元。可以安装不 同工件，用软件控制工作台的任选交换，识别工件，并根据工件自动调出相应的 加工程序，建造了规模较大的f m s 。 8 0 年代末期和9 0 年代，我国进入实施产业化的研究的市场竞争阶段，国产 数控装备的产业化取得了实质性进步。目前国内一部分普及型数控机床的生产已 经形成了一定的规模，产品技术性能指标也较为成熟，价格合理，在国际市场上 也具有了一定的竞争力。国内还加强了自主知识产权数控系统的研究工作，并取 得一定的成绩，如在五轴联动数控系统( 分辨率0 0 2 岬) 、数字仿形系统、高精 度车床数控系统、低中高档数控系统等方面都取得了很好的效果，国内数控机床 行业所掌握的五轴联动数控技术较成熟，并已有成熟产品走向市场。同时，我国 也已进入世界高速数控机床生产国和高精度精密数控机床生产国的行列。 1 1 2 数：控技术的发展趋势 当代，数控技术的典型应用是f m c c i m f m s ，其趋势是向高速化、高精度 化、多功能、高效加工、复合化和智能化方向发展，其主要发展动向是研制开放 式全功能通用数控系统 4 1 。 ( 1 ) 向高速度、高精度方向发展 随着数控机床的高速度、高精度发展的需要，数控装置要能高速处理输入的 指令数据并计算出伺服机构的位移量，而且要求伺服电机能高速度地做出相应的 动作。高速、高精加工技术可极大地提高效率，提高产品的质量和档次，缩 短生产周期和提高市场竞争能力。 ( 2 ) 数控系统的硬件技术在快速发展 微处理器芯片的快速发展，为数控系统采用高速处理技术提供了发展的保障。 随着集成电路以及电子计算机技术的快速发展，数控技术不断更新换代，现代数 控系统采用了一些超大规模集成电路、专用芯片和数字信号处理技术，高速高性 能的存储技术，如闪烁存储，移动存储等技术极大地吸引了和方便了用户。作为 数控系统核心的处理器广泛采用了高速r i s cc p u ，保证高速、高精度的数控加 工。 ( 3 ) 柔性化、工艺复合性和多轴化 沈阳理工大学硕士学位论：艾 柔性化主要包含两方面：一方面是数控系统本身的柔性，采用模块化设计， 可裁剪性强，功能覆盖面大，便于满足不同用户的需求：另一方面是群控系统的 柔性，同一群控系统能依据不同的要求，使信息流和物料流进行自动动态调整， 从而可以最大程度地发挥群控系统的功能【5 】。数控机床工艺复合化是指工件在一 台数控机床上一次装夹之后，通过自动换刀、旋转主轴头或转台等措施，来完成 多工序、多表面的复合加工。复合加工可以减少工序、辅助时间等，而且正朝着 多轴组、多系列控制功能的方向发展。 ( 4 ) 用户界面的图形化 用户界面是数控系统与使用者之间的对话接口：，由于不同的数控机床可能需 要不同的用户界面，所以对于用户界面的人性化设计是比较困难的工作。当前 i n t e r n e t 、科学计算可视化及多媒体等技术对用户界面也提出了高要求。简易 图形的用户界面极方便了不同用户者的使用，他们可以通过界面中的窗口和菜单 进行操作，便于快速编程、图形模拟、三维立体动态图形的显示、图形动态跟踪 和仿真、不同方向的视图和局部显示比例缩放等功能的实现。 ( 5 ) 科学计算的可视化 科学计算的可视化可以用在高效率地处理数据和解释数据，可直接利用图形、 图像、动画等可视信息，使信息的交流不仅仅局限在用语言和文字描述【6 】。可视 化技术与虚拟环境技术的结合，进一步拓宽了无图纸设计、虚拟样机技术等应用 领域，对缩短产品的设计周期、提高产品的质量、降低产品的成本都有非常重要 意义。在数控技术领域，可视化技术用在自动化编程设计、参数化设定、刀具自 动补偿和刀具数据管理的动态处理、显示及加工过程的可视化加工仿真等方面【刀。 ( 6 ) 体系结构的集成化、模块化、智能化、网络化 采用高度集成化c p u 和大规模的可编程集成电路e p l d 、f p g a 、c p l d 以 及专用的集成电路a s i c 芯片，提高了数控系统的集成度和软硬件运行速度。硬 件模块化易于实现数控系统的集成化和标准化。根据不同的功能需求，将基本模 块如c p u 、存储器、p l c 模块、输入输出模块、通讯模块等，作成标准的系列化 产品，通过裁剪和模块数量的增减，组成高低不同档次的数控系统，实现数控系 统的集成化和标准化f 8 。数控装备则是有一定智能化的系统，智能化主要包括 在数控系统中的各个方面：为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如加 第1 章绪论 工过程的自适应控制，工艺参数的自动生成；为提高驱动性能及使用连接方 便的智能化，如前馈控制、电机参数的自动识别负载、自适应运算、自动选 定模型、自整定等；简化编程、简化操作方面的智能化，如智能化的编程、 智能化的人机交互界面等；还有智能监控、智能诊断方面的内容、方便系统 的诊断及维修等。数控装备的网络化在很大程度上满足生产线、制造企业、 制造系统对信息集成的需求，实现新的制造模式如虚拟企业、全球制造的基 础单元。国内外著名数控系统和数控机床制造商都在近几年推出了新概念和 样机，反映了数控机床加工向网络化方向发展的趋势。 1 1 3 国内外数控系统的研究现状 目前国内外数控系统主要有以下几种结构形式 9 - 】： “p c 嵌入n c ”结构的开放式数控系统，即在传统的专用数控系统中嵌入p c 主板，这种结构形式的数控系统其开放性只在p c 部分，其数控部分仍处于封闭 状态，不能实现n c 内核的开放，该结构形式一般为传统的数控系统采用。 “n c ! 嵌入p c ”结构的开放式数控系统，以p c 为平台，以开放式运动控制 器为控制核心。它支持用户的二次开发，既具有p c 微机的开放性，又具有专用 数控系统的开放性。这种运动控制器是以美国d e l t a l a u 公司p m a c 多轴运动器为 典型代表，它不仅拥有自身的c p u ，同时开放包括通信端口、存储结构等地址空 间，具有灵活性好、性能稳定、可共享等特点，高校和研究所多采用此类结构形 式的开放式数控系统。 s o f r 型开放式数控系统，即全软件形式的p c 机数控系统，由于存在系统稳 定性等很多问题，目前这类系统正处于研究探索阶段，未能形成产品，但这表明 了数控系统的发展方向。现最满足我们的开放式数控系统为“n c 嵌入p c 结构 的开放式数控系统，n c 构筑在p c 机的软硬件基础之上，充分利用微机的软硬件 资源，使得系统性能可靠、开发简单。该开放型数控系统包括人机接口的完全开 放和系统内核的部分开放，用户可以将一些软硬件的功能模块加到预留内核的接 口上，满足系统用户是的性能使用要求。 当前的数控系统正在朝着开放结构、智能应用和网络分布的方向迅速发展， 组合机床数控系统也不例外。开放结构要求系统平台本身不仅具备模块化，还要 在更广泛的范围内兼容现有的软硬件系统，兼容现有的数据格式和接口形式，从 沈阳理工大学硕士学位论文 _ - - 一一 而形成结构平台的统一化和通用化。智能化应用要求彻底改变传统的单向人机交 互模式，最大限度体现c n c 系统的人性化设计和控制过程中的引导特征，将先 进策略和算法及时地应用到系统的控制结构中去。由此可见，数控技术目前正在 经历着自诞生以来的一次重要变革，这种变革由相关的控制技术、通信技术、人 工智能技术来驱动，以要求进行运动控制的机械为应用对象，旨在实现高精度、 高柔性、高效率和高可靠性的目标。 1 2 开放式数控系统 1 2 1 开放式数控系统的发展现状 在我国，长期以来，传统的封闭式数控系统体系结构是主流。变量在加工过程 中是以固定的参数事先设定的，这就要求操作者有长久累积的经验。实际加工之 前，要编制加工程序，采用手工编制或c a d c a m 系统自动生成。这种传统的封 闭式数控系统，其加工参数无法适时地通过外部干扰和随机因素进行调整，更不 可能去修正初始设定量，对c n c 的工作效率和产品加工质量有很大的影响i 陀】。 由此可知，具有固定过程控制模式的传统c n ( ：系统，由于其体系结构的封 闭性，限制了c n c 的发展，无法适应加工过程日益复杂且加工量日趋增加的制 造过程，因此，必须要对数控技术进行改革。 我国的数控系统经过了将近2 0 年的发展，初步形成了自己的数控系统产业。 其代表产品有华中i 型、中华i 型、航天i 型、蓝天i 型等。它们均是以p c 为平 台构建的嵌入式、总线式、多通道的结构【1 3 】。这些国内的开放式数控系统都各有 各的优点，但是从数控系统的长远发展趋势来看，它们还没有具备开放式数控系 统的本质特征，仍然有很多需要改进的地方，主要问题是开放式数控系统的平台 问题没有得到解决。这些系统采用的体系结构仍然是自成体系，相互之间缺乏互 换性与兼容性，没有充分利用面向对象、软件重用等新技术、新理论，而这些方 面与技术正是实现数控系统开放性的关键所在 1 4 。5 1 。 对开放式控制系统的研究将会直接导致新一代控制器的产生，欧美及日本等 发达国家相继进行了大量的投入和开发研究。早在1 9 8 7 年，为了拟定并推行关于 新一代开放式数控系统的详细分析及规范，美国国防部开始了名为“下一代控制 器( n g c ) 的计划，针对当时的数控系统均是基于专门设计的基础上完成的，n g c 第1 章绪论 试图通过实现基于相互操作与分级式软件模块的“开放式系统的体系结构标准规 范( s o s a s ) 找到解决方法，并成立了“美国国家制造科学中心( n c m c ) ”。继 而，相关的研究在世界各国均被列成计划提出，影响深远一些的有0 m a c 计划， o s a c a 计划和o s e c 计划，它们分别是由美国、欧洲和日本提出的【1 6 。刀。 1 2 2 开放式数控系统的特征 一个开放式体系结构使得数控系统构筑于一个开放的平台之上，具有模块化 的组织结构。组成系统的兼容来源于不同的供应商的各功能模块，用户根据需要 进行选择使用，更改、扩展系统的功能以迅速适应不同的应用需求。开放式数控 系统具有可互操作性、可配置性、可互补性、可移植性等特点 1 8 j9 1 。 1 3 课题研究的主要内容及来源意义 1 3 1 课题的国内外背景 现在数控系统国外己占了主导地位，但开放式数控系统还很少。国外系统主 要有德国的西门子和法国的n u m 公司以及日本法那克公司的系统。它们仍然采 用普通数控机床的g 代码编程，很少有适合于组合机床加工特点的参数化自动编 程功能。法国n u m 公司的数控系统中，有一类是适合组合机床加工的多轴组数 控系统，但价格昂贵，且编程复杂，国内鲜有应用，如八工位的组合机床配备的 八轴组控制系统需几十万元。另外一种是采用国外专用伺服与专用触摸屏的固定 组合，但通讯速度慢，且不能完成特殊复合工位的插补运动，应用也受到限制。 国内从事及制造数控系统的企业与院校主要有北京凯恩帝、广州数控、华中 理工大学等。但大部分为经济型数控系统，功能简单，不太适合多工位组合机床 上。总的说来，国产高档数控系统的发展尚处于起步阶段，而组合机床的专用数 控系统目前国内研发方面还没有形成成熟的产品。所以开发一种高柔性、高效率、 高可靠性的组合机床的专用数控系统是非常必要的。 组合机床是大批量生产机械产品的设备，具有高效率和经济性生产，应用领 域广泛，它的技术性能及自动化水平决定生产效率和产品的质量，最终影响产品 在市场上的竞争力。目前国内多数企业都采用的是传统组合机床，主要部件液压 转台、液压滑台、机械变速动力箱等的运动是靠液压系统驱动的，虽然技术比较 成熟，但是机械结构比较复杂，可靠性差，加工品种单一，没有柔性，为适应多 沈阳理工大学硕士学位论文 中产品的生产，必须提高组合机床的柔性【2 0 】。数控组合机床则采用调速电机和滚 珠丝杠等传动部件，简化了结构，缩短生产的节拍，只需改变数控程序就可以改 变加工行程、切削参数及加工位置等，不需要进行机械方面的调整和改装，就可 以加工不同的产品。产品加工的多工序决定了组合机床的多工位，则需多个轴口 的c n c 系统，同时系统还需具有多个轴组来实现对各个伺服驱动系统的控制， 才能完成多个工位的同时加工，国内系统很难满足要求，多数用进口的c n c 系 统，这样就使机床的制造成本大大增加。 1 3 2 课题研究的主要内容 本课题所研究和开发的是基于p m a c 的多通道开放式组合机床数控系统，采 用p m a c 多轴控制卡，利用v b 开发符合用户需求的人性化界面，实现参数化零 编程，根据p c o m m 3 2 通信函数库及其相应的驱动程序，调用p m a c 的动态链接 库p c o m m 3 2 硼，建立通信，完成机床的逻辑控制及加工运动，使组合机床的自 动化加工。适用于各类加工机床的数控系统配套和普通组合机床的数控改造，通 过进一步开发，使之适用高档数控系统的多轴组需求。 1 3 3 课题来源及研究意义 该课题来源于辽宁省科技厅攻关项目“组合机床专用数控系统的研究与开 发”。我国企业使用的组合机床大多为普通组合机床，尤其对中小企业而言更没有 能力购买价格昂贵的数控组合机床。由于产品的更新换代日益频繁，精度、效率 要求也越来越高，而普通组合机床在加工上没有柔性，精度、速度也难已满足要 求，不能适应高速发展的需求。由于国外数控组合机床和国内企业采用国外数控 系统的数控组合机床价格相当昂贵，一般从几十万到几百万，使得不少企业不得 不采用普通组合机床进行加工。我国作为制造业大国，中小企业众多，目前对数 控组合机床的需求很大。因此，我们开发出的基于p m a c 的多通道组合机床数控 系统价格比国外数控系统便宜，又避免了专用伺服与专用触摸屏固定组合的通讯 速度慢，不能完成特殊复合工位的插补运动等缺点，所以在性能和经济价值上都 是可行的。 我国目前组合机床市场的情况，开发出具有自主知识产权的专用组合机床数 控系统，从功能和价格等方面解决现有的矛盾，这样的数控系统和配备该数控系 坠巡 一一一 统的组合机床在国内将会有非常重要的意义。 沈阳理工大学硕士学位论文 第2 章基于p m a c 构建组合机床数控系统硬件结构 2 1p m a c 多轴控制卡 p m a c 是美国d e l t a t a u 公司推出的基于数字信号处理器( d s p ) 的可编程多 轴运动控制器，可以说是在功能上最强的运动控制器之一，具有精度高、开发周 期短、响应速度快、编程及操作简单的特点【2 l 】，多数发达国家大量运用在数控机 床、机器人等多轴控制的高精度的伺服装置上。它具有m o t o r o l a 的 d s p 5 6 0 0 1 5 6 0 0 2 的数字信号处理器，可以同时控制l 8 个轴，能够对内部的存储 程序进行独立的运算，执行p l c 程序、运动程序、伺服环更新，并可以选择串口 或总线任一种方式与主机进行通讯。并且还可以自动判断任务的优先等级，从而 进行实时的多任务处理，使得它在任务切换和处理时间方面可以大大减轻主机和 编程器的负担，提高了整个控制系统的运行速度和控制精度。 2 1 1p m a c 的介绍 p m a c 运动控制卡借助于m o t o r o l a 的d s p 5 6 系列数字信号处理器，c p u 主 频2 0 m h z 到1 6 0 m h z 可选，具有很大的灵活性，可以同时操纵1 8 根轴，允许 每个轴是完全独立的，最多可以有1 6 片p m a c 板完全同步的联接到一起使用， 控制总共1 2 8 轴的联动和独立运动，其具有四种硬件形式：p m a c p c 、 p am c l i t e 、p m a c v m e 、p m a c s t d 。根据机床所需功能要求选择p m a c p c 卡。 p m a c p c 运动控制卡的主要性能参数【2 2 】： p c i 总线标准4 0 m h zd s p 主时钟，可选6 0 8 0 m h z ； 1 2 8 kx2 4 静态的带后备电源的r a m ； 1 2 8 kx8 固件储存的记忆卡p r o m ； 2 kx8 变量储存的记忆卡e e p r o m ； r s 4 2 2 串口，i s a ( p c ) 总线通信； 1 6 位d a c 模量输出分辨率； 8 路b 正交编码器反馈； 第2 章基于p m a c 构建组合机床数控系统硬件结构 i o 点等都采用拔插式的模块化设计： 可控制交直流伺服电机、有刷无刷力矩机和步进电机； 内置p i d + n o t c h 滤波和前馈滤波； 具有点位、直线、圆弧、样条和p v t 补功能； 直线s 曲线加减速； ：具有电子齿轮、随动功能、位置捕捉功能； 内置固定程序缓冲和旋转缓冲区，适宜超大程序的加工； 每轴都配有专用l i m i t ( 限位) ，h o m e ( 回零) ，f a u l t ( 伺服报警) 和a e n a ( 伺服使能) 输入输出信号； 最新的被发布的固件版本升级； p m a c p c 又分为p m a c lp c i + 0 p t l 和p m a c 2p c i + o p t l 两种卡，通讯方 式都为p c i 总线或r s 2 3 2 串口8 或1 6 路1 2 为分辨率( o p t l 2 o p t l 2 a ) ，不同 的是p m a c l 控制信号形式是士l o v 模拟量控制，p m a c 2 则是数字量控制。根据 控制信号形式不同，采用p m a c lp c i + o p t l 卡，所选附件d t c 3 2 i n ( 3 2 i ni o 光电隔离板1 5 v 0 2 4 v 电压可选) 、d t c 3 2 0 u t ( 3 2 0 u ti 0 光电隔离板1 5 v - 2 4 v 电压可选) 、a c c 一8 p ( i 型控制通道转接板) 。 p m a ci 型卡的主要接口及其接线图如图2 1 ： _ - i i 一 p m a c p c 图2 1p m a ci 卡主要接口接线图 j m a c h i n e l j 1 与l q 轴黄口 一一 f 一一一 沈阳理工大学硕士学位论文 j e x p ：p m a c 卡的并行接口，可接并行i o 或反馈输入板，d p 洲双端口 r a m 。 儿( j d i s p ) ：p m a c l 型卡的显示接口，可与其相应的附件连接而实现液晶显 示或真空荧光显示，使用d i s p l a y 命令可在显示器上看到运动程序或p l c 程序 的显示文本和变量值，可连接的附件有a c c l 2 系列的l c d 显示等。 j 2 ( j p a n ) ：操作控制面板接口，可外接一个控制板，可连接的附件有a c c l 8 ， 当1 2 = 1 时，该接口的输入及输出可作为通用i o 点使用( 1 4 个输入和5 个输出 i o 点) 。 j 3 ( j t h w ) ：可接手轮脉冲接收器、多路i ，0 点的扩展接口，该接口本身可提 供8 点输入及8 点输出，还可与下属附件连接a c c 3 4i o 扩展板，可提供3 2 i n 3 2 0 u t 输入及输出等。 j 4 ( j r s 4 2 2 ) ：p m a c 卡的串行接口，可接r s 2 3 2 瓜s 4 2 2 口。 j 5 ( j o p t o ) ：光电隔离i o 插槽，有8 i n 8 0 u t 通用i o 接口。 j 6 ( j x i o ) ：i ，0 扩展口，多卡应用时的接口。 j 7 ( j m a c h 2 ) ：5 8 轴插槽口，提供辅助信号接口，包括：模拟量输出、编码 其反馈、正负限位及回零信号、伺服使能和报警、卡的看门狗报警、卡的电源供 给等。 j 8 ( j m a c h l ) ：1 4 轴插槽口，同j 7 。 2 1 2p m a c 卡的基本跳线设置 p m a c 是一种非常灵活的控制器，它可与各种类型的上位机，伺服放大器， 电机一起完成各种类型的功能。因此使用者必须按特定的应用需要，为特定的功 能对其进行设置，以使它能正常的工作。针对我们的多通道组合机床的电气控制 要求，首先要对p m a c 的e 跳线进行设置，以下为部分跳线设置情况： ( 1 ) 卡号跳线设置：对于p m a c p c ，跳线e 4 0 e 4 3 都应在闭合位置，卡号跳 线是很重要的，原因：首先，当许多卡以菊花链的方式在串口串联起来使用时， 它将决定用哪一个卡发送命令和接收命令。其次，o 号卡产生自己的伺服时钟信 号，其它的所有卡都将从外部接收伺服时钟信号作为同步信号。 ( 2 ) p c 总线地址跳线设置：跳线e 6 6 、e 7 1 断开；跳线e 6 7 e 7 0 、e 9 l e 9 2 闭合，设置p m a c 与p c 总线通信所用地址设为5 2 8 ( 2 1 0 h ) 。 1 第2 章基于p 1 i l a c 构建组合机床数控系统硬件结构 ( 3 ) 通信波特率跳线设置：该机床是通过总线方式通信的，这些跳线是不重要 的，所以保持出厂设置就可，e 4 4 和e 4 7 跳线断开，e 4 5 和e 4 6 跳线闭合， ( 4 ) 编码器跳线设置：p m a c 即可从p m a c 接收单端输入( 单端a ，b ，c ) ， 也接收差动输入( a ，b ，b ，c ，c ) 。出厂设置为单端输入编码器模式，跳线 e 1 8 e 2 1 和e 2 4 e 2 7 的每个e 跳线的1 ，2 针都被连上主信号被一个4 7 0 欧姆的 电阻上拉至+ 5 v ，辅助信号被一个1 千欧姆的电阻限制在+ 2 5 v ，给主信号提供一 个稳定的比较点。本系统选用差动输入，因此跳线e 1 8 e 2 1 、跳线e 2 4 e 2 7 的2 、 3 针连上即可。 ( 5 ) 模拟电路跳线：在p m a c 中，外部的模拟电路与内部的数字逻辑电路应 被光电隔离开，目的是为减少噪声，设置跳线e 8 5 、e 8 7 、e 8 8 断开。 ( 6 ) 光电隔离设置：在光电隔离起作用时，有必要为外部模拟电路提供独立的 电源，在j m a c h 接口上接上，+ 1 5 v 模拟电源接在5 9 针上，1 5 v 接在6 0 针上， 而模拟地( a g n d ) 接在5 8 针。跳线e 8 9 必须闭合，e 9 0 连在1 ，2 针上允许+ 1 5 v 加在限位开关以及那些p m a c 需要用来控制运动的光电隔离输入上。 其它跳线保持出厂设置的默认情况，就能满足本系统的要求。 2 1 3p m a c 卡的各种变量 p m a c 有4 种变量，即i 变量、m 变量、p 变量、q 变量。变量由一个字母 ( i ，m ，p 或q ) 后面接数字o 1 0 2 3 ( n o nt u 而o ) 组成，不同类型的变量占用各自的 地址。 p m a ( ：的i 变量决定某个给定功能的控制特性，被预先定义并放在内存固定 的位置上，有固定的含义，有一部分影响整个卡，有一部分只针对电机，有一部 分只针对坐标系，有一部分只针对编码器，共1 0 2 4 个如表2 1 所示。这些i 变量 一旦设定，便存储在可靠的e a r o m 中( 用s a v i ! 命令) ，每次加电p m a c 将 e a r o m 中的1 变量值载入r a m 中，使p m a c 可一直正常的工作。 m 变量可以直接存取一些重要的内存和i o 。m 变量用于访问p m a c 内存和 i 0 点的地：吐指针，m 变量没有预先定义，用户必须自己定义。m 变量通过减号 和大于号组成的( ) 来定义，由于定义后将被存在r a m 或闪存内，一般只需 要在线命令定义。 沈阳理工大学硕士学位论文 表2 1p m a ci 变量的含义 i 变量功能( x 为1 8 ) i o 1 7 5 1 7 6 1 9 9 b 【o o h 8 6 k 8 7 一k 9 9 1 9 0 0 1 9 0 4 1 9 0 5 1 9 0 9 1 9 l o 1 9 1 4 1 9 7 5 1 9 7 9 1 9 8 0 i 1 0 2 3 系统设置( 全局) 双速旋转：变压器设置 电机x 设置 坐标系x 设置 编码器1 设置 编码器2 设置 编码器3 设置 编码器1 6 设置 待用 m 变量定义的地址前缀，有下列类型： x ：x 内存的l 2 4 位固定的地址位； y ：y 内存的1 2 4 位固定的地址位； d ：同时占有x 、y 内存的4 8 位的固定的地址位； l ：同时占有x 、y 内存的4 8 位的浮点的地址位： d p ：具有双端口r a m 的3 2 位的固定的地址位； f ：具有双端口r a m 的3 2 位的固定的地址位： m 变量是通过提供字的地址，偏置( 起始的位号) ，宽度( 可以是1 ，4 ，8 ，1 2 ，1 6 ，2 0 o r2 4 和格式( 缺省u 无方向，也可以设为有方向s ) 来定义的。许多m 变量有 缺省的设置，与某些输入和输出相匹配，如m 1 1 = ：1 到m 8 被分配给输出1 到8 ( m 0 1 m 0 8 ) ，而m 1 1 到m 1 8 被分配给输入1 到8 ( m 1 1 m 1 8 ) ，例： m 1 1 一 y ：f f c 2 ，o ，1 ( 输入1 ：偏置o ，宽度1 ) m 1 一 y f f c 2 ，8 ，1 ( 输出1 ：偏置8 ，宽度1 ) p 、q 都是通用用户变量，区别是p 变量为全局变量，p 变量在编程时有两个 作用，一个是计算，如p 2 0 0 = p 2 0 1 半( c o s ( 3 0 ) ) ；另一个是软件触发，如i f ( m 1 1 = 1a n d p 1 2 = o ) ；q 变量为坐标系变量，多坐标系时可以用q 变量来进行管理，q 变量在 不同坐标系中的物理地址是不一样的，可以用同一个q 变量访问不同的物理内存 第2 章基于p m a c 构建组合机床数控系统硬件结构 地址。q 变量的特殊用途：r e a d 命令可在读入值的前面加字母a z ，分别放到