（机械电子工程专业论文）开放式数控系统下位机软硬件实时控制系统的研究与开发.pdf

开放式数控系统下位机软硬件实时控制系统的 研究与开发 摘要 随着个人p c 、微电子技术及电力电子技术的迅速发展，数控技术发生 了根本性的变革，由此催生了的第六代数控系统叫c 数控系统，又称开 放式数控系统。 本文深入地讨论了基于w in d o w s 平台的实时控制软件的设计方法，在 比较了各方法的优缺点之后，采用“p c + 运动控制卡( d s p ) 力这种双c p u 的 结构来实现下位机软件的实时控制，同时给出了运动控制卡应用开发的要 点以及插补脉冲输出实例。下位机实时控制软件的各功能模块进行了模块 化封装，而且提供了步进、伺服接口，可以满足不同用户的需求。 系统的驱动装置采用全数字交流伺服驱动器，并配合自行设计制作的 电气逻辑控制系统( 包括强电逻辑控制，运动控制卡与交流伺服系统、手 摇脉冲发生器以及工控机操作面板的接口设计) ，完成了对x k 5 0 3 0 型立式 升降台铣床的进给控制，实现了数控系统的实际加工运行。 本课题的研究方法和成果为开发基于p c 机的开放式数控系统提供了理 论依据和实践经验。 关键词：p c 数控系统运动控制卡伺服系统实时控制模块化 r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fr e a l t i m e c o n t r o ls y s t e mi no p e nc n cs y s t e m a b s t r a c t w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n to fp e r s o n a lc o m p u t e r ，m i c r o e l e c t r o n i c s t e c h n o l o g ya n de l e c t r i cp o w e r - e l e c t r o nt e c h n o l o g y ，e s s e n t i a lt r a n s f o r m a t i o nh a s t a k e np l a c ei nn c ( n u m e r a lc o n t r 0 1 ) t e c h n o l o g y ，w h i c hg i v eb i r t ht ot h e6 t h g e n e r a t i o no f n cs y s t e m - - p cn cs y s t e m ，n a m e l yo p e nc n cs y s t e m t h i st h e s i s d e t a i l e d l yd i s c u s s e s o nt h es o f t w a r em e t h o d so fr e a l t i m e c o n t r o ls y s t e mb a s e do nw i n d o w sp l a t f o r m a f t e ra n a l y z i n ga n dc o m p a r i n gt h e d i f f e r e n c e so ft h e m ，d o u b l ec p us t r u c t u r eo f p c + m o t i o nc o n t r o lc a r d ( d s p ) i s a d o p t e di n o u rp r o je c tt oa c c o m p l i s hr e a l t i m ec o n t r 0 1 e m p h a s e sa b o u t e x p l o i t u r ea n de x a m p l e so fo u t p u to fi n t e r p o l a t i o na r ep r e s e n t e di nt h ep a p e r f u n c t i o nm o d u a l si ns y s t e ma r em o d u l a r i z e da n de n c a p s u l a t e d i n t e r f a c e sa b o u t s t e p m o t o ra n ds e r v om o t o ra r ea l s op r o v i d e d ，w h i c hs a t i s f i e sd i f f e r e n t r e q u i r e m e n t so fc o s t o m e r s f e e dm o v e m e n ti sf i n i s h e db yf u l l yd i g i t a ls e r v od r i v e r si nt h i ss y s t e m ；a l s o as e to fe l e c t r i cc o n t r o ls y s t e m ，i n c l u d i n ge l e c t r i c a ll o g i cc o n t r o la n di n t e r f a c e s b e t w e e nm o t i o nc o n t r o lc a r da n ds e r v od r i v e r ，p u l s ee m t t e ra n do p e r a t i n gp a n e l ， i sd e s i g n e da n dp r o d u c e db yo u r s e l v e s i ti ss u c c e s s f u l l yu s e di nc o n t r o lo f x k 5 0 3 0u p r i g h tm i l l i n gm a c h i n ea n dr e a l i z e sa u t o m a t i cm a c h i n i n g m e a n sa n dp r o d u c t i o n so ft h e p a p e rp r o v i d et h e o r e t i c a lg u i d a n c ea n d p r a c t i c a le x p e r i e n c ef o rr e s e a r c ho fc n cs y s t e mb a s e do np c k e yw o r d s ：c n cs y s t e m ；m o t i o nc o n t r o lc a r d ；s e r v os y s t e m ；r e a l t i m e c o n t r o l ；m o d u l a r i z a t i o n 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文 的研究内容。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究成果，也不包含 本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮助的个人和集 体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名： 编、勃娜7 年多月衫e l 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本： 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务： 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 口即时发布囱舞密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 龇粼：佑、笋新繇围唧年彩月铂 开放式教控系统下位机软硬件实时控制焉统的研究与开裳 第一章绪论 1 1 数控技术的发展历史与开放式数控 数控技术是根据设计和工艺要求，用计算机对产品加工过程进行数字化信息处理与 控制，达到生产自动化、提高综合效益的- f 7 技术。 数控技术的起源可以追溯到2 0 世纪5 0 年代初，迄今已经历了半个世纪六个阶段的 发展历程。 1 9 5 2 年美国麻省理工学院为了解决复杂零件的自动化加工问题，研制出世界上第一 台基于电子管和和继电器的机床数控装置，并用于三轴立式铣床的控制，它标志着第一 代数控系统电子管数控系统的诞生，由此拉开了数控技术发展的序幕。2 0 世纪5 0 年代末，以半导体器件晶体管为核心，通过固定布线方式所构成的第二代数控系统 晶体管数控系统研制成功，取代了昂贵的、易损坏且难以推广的电子管控制装置。1 9 6 5 年出现了第三代数控系统集成电路数控系统，不但使数控系统的可靠性得以有效提 高，而且大幅度降低了市场成本。以上三代数控系统都属于“硬连接”数控，系统的功 能主要由硬件实现，灵活性差，可靠性难以进一步提高。1 9 7 0 年诞生了第四代数控系统 小型计算机数控系统，宣布了硬连接数控时代的结束，使得数控系统的许多功能可 以通过软件来实现，由此开创了计算机数控( c n c ) 新纪元。但由于受到成本等因素的 影响，小型计算机数控系统发展缓慢，实际应用较少。直到1 9 7 4 年，以微处理器为核 心构成的第血代数控系统微型计算机数控系统的出现，才真正使计算机数控得到快 速发展和广泛应用。这主要是由于微处理器实现了计算机核心部件的高度集成，不但可 靠性高、功能强、速度快，而且价格便宜，较好地满足了数控系统等工业控制系统的特 殊要求。到了2 0 世纪8 0 年代，微处理器完成了从1 6 位到3 2 位的过渡，通用化的个人 计算机p c ( p e r s o n a lc o m p u t e r ) 得到迅速发展，开始在全世界范围内普及应用，由此 催生了第六代数控系统开放式数控系统的诞生，开放式数控又称p c 数控。 p c 数控是自数控技术诞生以来最具深远意义的一次飞跃。与第五代数控系统的最大 不同之处在于，p c 数控系统的硬件平台和软件平台是完全通用的。虽然第五代数控系统 也称为计算机数控系统，但这种数控系统的计算机是专用的，需由数控系统市场厂家自 开放式敬控系统下位机软硬件实时控制系雄的研究与开戋 行开发和生产，即不仅其硬件系统需由数控系统生产厂家在购买来的微处理器芯片和其 它元器件的基础上自行设计制造，而且连操作系统等基础性软件系统也需根据专用硬件 的特点自行开发。由于开发和制造计算机并不是数控系统生产厂家的强项，因此造成开 发周期长，更新换代慢，性能难以达到最佳，开发和生产成本高等问题。而第六代以p c 为平台的通用计算机数控系统则完全避免了专用计算机数控系统的这些不足，使计算机 数控技术的发展走上了更加坚实、宽广、快速的道路。 1 2p c 数控的技术经济优势 p c 的通用性和高性能给p c 数控技术的发展带来了巨大好处，使其在技术经济方面 体现出以下显著优势： ( 1 ) 易于获得高性能 由于p c 数控系统生产厂家可以站在最新p c 硬件基础上来完成数控系统的开发工 作，因此很容易获得高性能的硬件基础。例如，目前基于6 4 位p e n t i u m 4 、p e n t i u md 、 a t h l o n6 4 、a t h l o n6 4 x2 等处理器的p c 所具有的功能和性能，比一般专用计算机更为 强大。再加上p c 的通用硬件平台可以配上各种成熟的优秀操作系统，因而进一步使硬 件的性能得到最大限度的发挥。此外，在p c 平台上开发的数控系统可以吸收计算机的 许多最新成果。这些不仅使p c 数控系统容易获得性能，而且能持续保持技术优势。 ( 2 ) 可有效降低成本 p c 已成为计算机领域的主流产品。由于市场容量大，进入的厂商多，因而竞争非常 激烈，这就促使p c 产品的性能价格比不断提高。以p c 为基础开发和生产c n c 系统将使 数控系统生产厂商直接从中受益。 ( 3 ) 标准化程度高 在二十多年的发展过程中，p c 的硬件和软件平台已经形成了世界广泛认同的规范和 标准。p c 硬件平台的标准化和互易性非常有利于数控系统的开发，使用和维修，而且为 以p c 为基础的数控系统的标准化、模块化和开放性奠定了硬件基础。 ( 4 ) 有利于提高可靠性 p c 的高度标准化、集成化以及生产的大批量化，不仅有利于进行高可靠性设计和采 用高可靠工艺措施，而且非常有利于生产管理和质量控制，使最终产品获得高指标和可 2 开放式数控幕筑下位机软硬件蜜时控制琴统的研究与r 开；t 靠性。同时，在p c 领域还存在着工业p c ( 包括p c i 0 4 ) 这一分支，为更苛刻的高可靠 性应用提供了p c 兼容的产品来源。 ( 5 ) 软硬件资源丰富 在软件方面，p c 丰富的软件资源和开发工具为数控系统软件的开发提供t - ：l l ；常方便 的平台，可以缩短研制周期、降低开发成本，同时也为c a d c a m c n c 集成创造了良好环 境。在硬件方面，国际市场上符合i s a 、p c i 、u s b 、1 3 9 4 标准的各种插卡和插件随处可 见。这使得数控设备中常用的各种d a 、a d 转换卡、开关量接口卡、脉冲计数卡等完 全不用自制。 ( 6 ) 便于信息集成 由于p c 系统本身具备强大的联网功能，很容易接入i n t r a n e t 和i n t e r n e t ，因此可 方便地实现远程管理、远程控制、远程技术支持和制造资源共享等先进数控功能，为实 现敏捷制造、全球制造奠定基础。此外，通过p c 具有的i s a 、p c i 插槽和u s b 接口等， 可方便地连接现场总线等实时网络系统，从而实现与底层设备( 如伺服驱动器、开关量 执行装置、机床传感器等) 的网络通信，将数控机床和加工过程的控制提高到更高的水 平。 鉴于上述原因，近十几年来p c 数控技术得到了迅速发展，并在世界范围内得到广 泛应用。 1 3p c 数控的当前技术水平 p c 数控所具有的无可比拟的技术经济优势，使国内外众多科研单位和生产厂家不断 投入大量人力物力，进行p c 数控技术及其应用设备的研究、开发和应用，使这一领域 得到了相当高的技术水平。 从国际上看，p c 数控系统的发展，形成了p c 嵌入n c 的“n c + p c ”结构和n c 嵌入 p c 的“p c + n c ”结构两大主要流派。后者又在演变成p c + i 0 的“软件化”结构。 在n c + p c 系统方面，起主导作用的是一些老的数控系统生产大厂。因为他们在数控 系统方面有着深厚的基础，为使所掌握的技术优势与新的p c 化潮流相融合，因此走出 了一条以传统数控平台为基础( 完成实时控制任务) ，以流行p c 为前端( 完成非实时任 务) 的p c 数控系统发展道路，并在商品化方面取得了显著成绩。n c + p c 系统的典型代 3 开放式数控系统下位机软硬件实时控制舔统的研贸，号开袅 表有日本f a n u c 公司的1 8 i 、1 6 i 系统、德国西门子公司的8 4 0 d 系统、法国n u m 的公司 的1 0 6 0 系统、美国a b 公司的9 3 6 0 系统等。 在p c + n c 系统方面，主导公司是一些后起之秀。由于他们没有历史包袱，因此彻 底摆脱了传统n c 的约束，直接站在p c 平台基础上，通过增扩n c 控制板卡( 如基于d s p 的运动控制卡等) 来发展p c 数控系统。p c + n c 系统的典型代表有美国d e l t at a u 公司用 p m a c 多轴运动控制卡构造的p m a c - n c 系统、日本m a z a k 公司用三菱公司的m e l d a s m a g i c 6 4 构造的m a z a t r o l6 4 0c n c 系统等。 从目前的情况看，新推出的p c 数控系统已越来越多地采用p c + n c 结构，n c + p c 结构的发展已呈下降趋势。 随着p c 技术水平和数控软件设计水平的提高，p c + n c 结构正逐渐发展成p c + i 0 的软件化结构和p c + 实时网络的分布式结构。在负责大型系统方面，p c 十实时网络的分 布式结构正体现出其优势。软件化系统的典型产品有美国i ) s i 公司的o p e nc n c 、德国 p o w e ra u t o m a t i o n 公司的p a 8 0 0 0n t 等。 在国内，清华大学等单位在2 0 世纪8 0 年代末开始研究开发p c 数控系统，2 0 世纪 9 0 年代初与中国电子器件工业总公司合作，开发出国内首台基于p c + i o 结构的软件化 3 2 位p c 数控系统。该系统以i n t e l8 0 3 8 6c p u + 8 0 3 8 7 数值协处理器为硬件核心，自制 的1 o 板卡只包括电动机驱动接口，反馈信号接口和开关量接口，系统的所有数控功能 均由软件实现。软件系统的上层模块，如入机界面、预处理、图形显示、网络通讯等由 c 语言编写；下层的实时模块，如轨迹插补、位控、p l c 等用3 2 位汇编语言编程，可对 8 0 3 8 6 和8 0 3 8 7 的内部硬件进行直接操作，使p c 平台的能力得到最大程度的发挥，由此 实现了高度软件化的p c 数控系统。 随后几年，基于p c + n c 和p c + i 0 结构的p c 数控系统得到快速发展，逐渐成为国 内p c 数控系统发展的主流。2 0 世纪9 0 年代中以来，多家单位相继推出了各具特色的 p c 数控系统产品，如珠峰数控公司的中华i 型、航天数控公司的航天i 型、华中数控公 司的华中i 型、四开公司的s k y 系列等。 综上，无论国际还是国内p c 数控系统均已进入6 4 位时代，不但可实现高速高精度 轨迹插补，而且可实现数十轴联动控制。p c 数控系统普遍具有联网通讯功能，一些高档 次的系统同时具有联网控制功能。这些新技术加上p c 数控系统独特的软件化开放式体 系结构，正在使p c 数控系统的功能和性能全面超越传统的专用机数控系统。p c 数控已 成为数控领域势不可挡的潮流。 4 r - 西大掌硕士掌位论丈 开放式数控系统下位机软硬件实时控制勇洌的研舅：可开戋 1 4 课题研究的目的和意义 数控机床是现代科学技术的最前沿信息技术与传统机床相结合的产物，反映了 一个国家制造技术的水平和工业水平。一个国家数控化率的高低已经成为衡量其机械工 业技术水平的一个重要指标，在国外数控化率水平已达2 0 3 0 n 1 。随着制造商对产品复 杂程度和精度要求的提高和对产品生产成本的降低，对数控机床提出了更高的要求，而 这种不断增高的要求主要不是针对机械系统的要求，而是对数控机床的控制设备数 控系统提出的挑战。 针对这种挑战，迫切需要一种新的数控系统来满足生产商日益增长的需求，以克服 传统数控系统带来的不便。虽然传统的数控系统已经实现了非常复杂的功能并达到了相 当的精度，但由于传统的数控系统采用专用计算机系统，其实现过程对用户来讲是封闭 的，并且它的各个模块功能固定，各厂商的软硬件互不兼容，用户无法对系统进行重新 定义和扩展，系统与外部缺乏有效的通信功能，这增加了用户的投资风险和成本。为改 变这种状况，迫切需要能开发一种可以方便扩展，并且对用户开放的数控系统，开放式 数控系统便应运而生。 本课题是广西壮族自治区科技厅项目的子课题，其主要目的在于通过该子课题的研 究，实现开放式数控系统的基本功能，达到加工要求，为以后开发出更高性能的数控系 统奠定基础，从而开发出拥有自主知识产权的多功能的数控系统。 本课题是在p c 机的基础上完成数控系统下位机的开发，它将打破传统的以d o s 为 操作平台的模式和克服以往专用型数控系统的缺点，对于开发出具有各自特性，适应不 同用户需求的数控系统具有重大意义。 1 5 论文研究的主要内容 ( 1 ) 在熟悉p c 数控系统的体系结构的基础上，讨论数控机床的组成、工作原理和开 发系统的方法。 ( 2 ) 熟练掌握a d t 8 5 0 控制卡的开发要点，编写下位机的控制程序，并实现下述功能： 控制卡的初始化，以及i 0 接口的具体定义： 对上位机编译后的数控代码进行数据提取； 5 开放式数控系统下位机软硬件实时控制勇敲的研冀弘寸开发 通过对数控代码中各功能的判别，实现直线插补、圆弧插补、速度控制和辅助功 对伺服报警、限位信号等信息的反馈判断和处理； ( 3 ) 在熟悉伺服系统的基础上，开发并制作电气控制系统，以实现下述功能： 伺服驱动器和伺服电机的安装； 主轴控制电路的实现； 冷却液控制电路的实现： 电气控制系统的整体调试； ( 4 ) 运动控制卡与电气控制柜之间接口电路的实现； ( 5 ) 数控系统的联机调试。 6 开放式数控系统下位机软硬件实时控制身溉的研究与开发 第二章p c 数控系统的体系结构 经过近2 0 年的发展，基于p c 的通用计算机数控系统已经发展成多种类型，从体系 结构上看，可以分为以下几类：( 1 ) 专用数控加p c 前端的复合型结构；( 2 ) n c 嵌入p c 型结构；( 3 ) p c + i o 的软件化结构；( 4 ) p c + 功率接口的集成化结构；( 5 ) p c + 实时网络的 分布式结构。 2 1 专用数控加p c 前端的复合型结构 这种结构又称为n c + p c 的复合式结构，是一种由专用数控装置与通用p c 相结合的 双平台复合结构。这类结构的组成框图如图2 一l 所示。 录作面板显示器通用p c 主机前端软件存储器输入装置 p c 总线 信息交换通道 专用计算机数控装置 开关量 l 轴2 轴n 轴主轴 驱动器 驱动器驱动器驱动器驱动器 ilillllli 驱动器l ! 别电动删i 榆测l 隐动j j f l ji 榆测i 随动j j 兀ji 榆测l随动制l 榆测l iililiili 机床主机 图2 - i 复合型p c 数控系统体系结构框图 f i g u r e2 - 1s t r u c t u r eo fc o m p o u n dc n cs y s t e m 复合式结构是将专用n c 和通用p c 通过高速信息交换通道连接在一起，组成一个既 有专用数控特点又具有现代化p c 风格的复合式控制系统。在操作方面，这类系统可以 有一个友好的p c 界面，编程、编辑、操作等做起来很方便；在机床方面，该系统的硬 件接口和连接方式与传统的专用n c 又没有什么差别，熟悉其老产品的用户也感到很方 便。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 7 开放式致控系统下位机敬硬件实时控制系统的研冀舟开发 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。这类系统的最大缺点是开放性有限、开发和生产成本较高、技术升级换代较 慢。 2 2n c 嵌入p c 型结构 这种结构的数控系统是在通用p c 的扩展槽中插入运动控制板或整个c n c 单元所形 成的一种p c 数控系统的典型结构( p c + n c ) 。与n c + p c 结构不同，p c + n c 结构的重心在 p c ，组成系统所需要的其它模块将根据被控对象的要求灵活确定，因而具有很好的开放 性。 该结构的数控系统是利用p c 作为数控系统的软硬件平台，在其标准总线上直接连 接实时控制单元而组成完整的数控系统。这类系统为一种递阶式的体系结构蚴，其总体 框图如图2 - 2 所示。其中第一级为宏控制级，主要利用p c 的软硬件资源，完成数控系 统中上层一些实时性不是很强的任务，如人机交互、动态显示、程序译码、刀补计算等， 并对整个系统的运行进行协调和管理。第二级为运动控制级，由实时控制单元完成数控 系统下层的高实时性控制任务。实时控制单元可以是仅具有运动控制功能的位控卡。一 般实时控制单元包括进给轴运动控制模块、主轴运动控制模块、p l c 模块等功能模块。 各模块可由自己的c p u ，在其上运行各自的控制软件。第三级为驱动控制级，其主要任 务是完成电动机的驱动控制，如对交流伺服电动机进行矢量变换控制、脉冲调制控制等。 由于该级控制对实时性要求很高，目前广泛采用高速d s p 作为控制器。一般驱动控制级 由若干个驱动单元组成，这些单元由专业的厂家生产，但价格较贵。由于递阶式系统具 有较好的开放性，易于采用标准部件( 如各种位控卡、开关量控制卡、伺服系统等) 组 成系统，开发和生产比较方便，成本相对较低，因此得到了国内外许多厂商，特别是中 小厂家的广泛应用。但这类系统也存在一些缺点，最突出的就是系统的组成单元和模块 较多，各单元和模块间，特别是实时控制单元与伺服驱动单元间的信息交换，往往成为 阻碍系统性能提高的瓶顼。 目前将实时控制信息送往伺服驱动单元的方法主要由两种：一种是通过模拟量的形 式进行，主要问题是难以消除零漂、温漂对精度的影响，容易受外部干扰；另一种是通 过脉冲量的形式进行，主要缺点是实时控制单元与伺服驱动单元问需要通过非编码方式 广西夭掌司l 士掌位沦文开放式数控系统卞位机软硬件实时控制勇汨t 的研究与开芸， 直接传递指令脉冲信号，旦丢失脉冲或引入了干扰脉冲，难以进行查错纠错，不易保 证信息传递的高可靠性。 操作面板 主c p u p 嚣层软缸l陋主数控系统上层软件il 。 p c 总线 p l c 模块 p l c c p u p l c 软件 进给轴运动控制模块 轴运动控制c p u 轴运动控制软件 主轴运动控制模块 主轴控制c p u 主轴控制软件 。ii ，iii 轴驱动器li2 轴驱动器iin 轴驱动器ii 主轴驱动器 豸| | 屡f 隰萎篙蒜ff ，驱荔粼剖隰粼擀ff 篙羹盏算 开关量 i1l 轴lii 轴ff2 轴fi2 轴lin 轴iin 轴ii 主轴li 主轴 吨行装置ij 申动机ji 榆测i 随动侧i 榆测ii 电动捌l 榆测li 电动机jl 榆测 机床主机 图2 - 2 递阶式p c 数控系统体系结构框图 f i g u r e2 - 2s t r u c t u r eo f s t e pc n cs y s t e m 2 3p c + i 0 的软件化结构 p c + n c 的递阶式结构虽然较n c + p c 的复合式结构具有更好的开发性，在国内外应用 较多，但这类结构仍然存在硬件规模较大、成本难以进一步降低、可靠性不易进一步提 高等问题。 p c + i o 软件化结构式采用功能更强大的p c 硬件平台和更有效的实时程序设计技 术，将p c + n c 系统中n c 部分的控制功能纳入到p c 中，由p c 的主c p u 来完成，从而减 少p c 数控系统的硬件规模，使p c 数控的硬件系统仅为p c 硬件平台+ 少量的i 0 接口， 形成p c + i 0 替代p c + n c 的软件化数控系统结构口】。 在p c + i o 的软件化数控系统中，p c 数控装置的主要数控功能全部由软件来实现， 因此可有效消除自制硬件带来的可靠性差、成本高等问题。 p c + i o 软件化数控系统的基本结构如图2 - 3 所示。 9 开放式数控采统下位机软硬件实时控制系娩的研究与开文 操作面板 主c p 阢u 翟软件lf 习降主数控系统软件li ii p c 总线 开关量控制 i 0 接口 t r 麴肉 进给轴运动控制 1 , 1 0 接口 ! 一毽1i 。! 一翌。ll 旦篓 主轴运动控制模块 芝鬲 才巷芝l1 i 轴 ll 上毽il 婴n | i 曼毽ii 奠塑i l 奠篓ll 主塑ll 妄塑 机床主机 图2 - 3p c + i o 软件化数控系统体系结构框图 f i g u r e2 - 3s t r u c t u r eo fp ca n di on cs y s t e m 2 4p c + 功率接口的集成化结构 根据p c + i o 结构的思想，如果进一步将数控系统底层的所有信息处理和控制功能 纳入到p c 中，由p c 的主c p u 来完成，则p c 数控系统的外部硬件规模将减至最小，即 只剩下执行装置连接的功率接口，由此形成p c + 功率接口的高度集成化的p c 数控系统结 构。 在集成化数控系统中，所有数控功能全部由软件来实现，彻底消除了各子系统的冗 余硬件及连接各子系统的硬件接口和通讯线路，并有效简化软件接口和软件结构。因此， 集成化p c 数控系统中“集成的含义，不仅仅是一般意义下的信息集成，而是从硬件、 软件到信息的全面集成弛1 。 实现集成化数控系统的前提条件有两条：一是要有能满足集成控制要求的高性能硬 件平台；二是要有能在实时多任务环境下高效运行的数控系统软件。目前，由于一种新 型高性能c p u ( 如高频p e n t i u md 、新代6 4 位c p u 等) 可以代替数十个以往在数控系 统中常用的普通c p u ，因此，在基于高性能c p u 的p c 硬件平台上实现集成化数控系统已 不存在问题。在软件方面，以优秀的实时操作系统内核为平台，通过c 与汇编语言相结 合开发的可对硬件进行直接操作的高效p c 数控软件，以及p c 伺服软件和p c 化p l c 软 件，完全可以胜任集成化数控系统的所有控制任务。 集成化p c 数控系统的总体结构如图2 - 4 所示。其核心是高性能p c 系统平台和运行 1 0 开放鞋敏缝最高i 下位机软硬件蔷 时控制舞敞的研究与开鬟 于其上的集成化数控系统软件，主要包括数控操作系统、信息处理、轨迹生成、伺服控 制、开关量控制等模块。 集成化p c 数控系统的硬件规模比普通数控系统大为缩小，除p c 平台外，剩下的主 要是功率接口和反馈接口。由于功率接口的功能只是将计算机产生的弱电控制信号转换 为驱动电动机的强电信号，并不需要完成复杂的信息处理和控制功能，因此其结构比较 简单，仅需采用标准的智能功率模块加光电耦合隔离模块等印可组成。 系统中的反馈接口可连接高精度编码器、光栅、感应同步器等多种检测装置，从而 可根据用户需要构成半闭环或全闭环控制系统，以保证被控机床具有高的加工精度。 系统的开关量接口的功能与p c + i o 系统相同。 高性能p c 系统平台 i 输入装置 网络接口操作面板 i 集成化数控系统软件ll p c 总线 i 开关量 进给轴功率接口进给轴反馈接口 主轴主轴 接口反馈接口功率接口 fillliilll i l 行装置i 吲电动制i 电动机ji 电动初ji 榆测ii 榆测l i 检测i电动机ii 榆测i illliilil 机床主机 图2 - 4集成化p c 数控系统的总体结构框图 f i g u r e2 - 4s t r u c t u r eo fi n t e g r a t e x lc n cs y s t e m 2 5p c + 实时网络的分布式结构 基于上述各类结构的p c 数控系统虽然各自具有自身独特的优势，但这些结构也存 在连线复杂、通讯效率低、难以灵活扩展等问题，特别是在构成结构复杂、规模较大的 系统时显得不太方便。因为在大系统中，一方面由于执行装置的数量较多，将大幅度增 加控制器与执行装置阳j 的连线数量：另一方面由于控制器与执行装置问的距离，以及各 执行装置之间的距离均较远，采用常规z o 的通信方式将难以满足通信距离的要求。这 些问题不仅影响系统的性能，而且将影响系统的可靠性。p c + 实时网络的分布式结构的 出现，为解决上述问题开辟了新的途径。 分布式结构系统的基本思想是将组成数控系统的下层予系统( 如数字式伺服系统、 广。西大掌硕士掌位论文 开放式数控系统下位机软硬件实时控制勇蘸的研究与开文 主轴驱动系统、p l c 等) 通过以光缆等为介质的实时网络与p c 数控装置连接起来，组成 完整的高性能数控系统。这类系统的典型结构如图2 5 所示。 l 操作面板i p c 系统平台 i 输入装置f il 主c p u 数控系统上层软件 il p c 总线 实时网络接口 实时网络 实时州络接口实时网络接 j实时网络接口实时网络接口实时网络接口 ip l c 模块 l 轴驱动器 2 轴驱动器n 轴驱动鼯主轴驱动器 ip l cc p u 驱动控制d s p驱动控制d s p驱动控制d s p驱动控制d s p ip l c 软件 驱动控制软件驱动控制软件驱动控制软件驱动控制软件 l l 。开关妾l 轴l 轴 i2 轴 2 轴 in 轴 n 轴 主轴主轴 i执行装置电动机榆测k 动机榆测随动机榆测 电动打枪测 i 机床主机 图2 - 5 分布式p c 数控系统体系结构框图 f i g u r e2 - 5s t r u c t u r eo fd i s t r i b u t e dc n cs y s t e m 图中各进给轴驱动器和主轴驱动器均为全数字化结构，其控制核心广泛采用高速 d s p ，以实现位置控制、速度控制、矢量变换控制、直接转矩控制等复杂控制算法。另 外，一般要求各子系统自身带有实时网络接口，以免去用户加装网络接口的麻烦。由于 这种系统采用分布式计算和控制，并通过具有高可靠性和高实时性的网络进行通信和协 调，因而可以最大限度地发挥各子系统的能力，并减轻p c 主机负担，易于使这个数控 系统具有较高的性能。同时，由于采用一根光缆即可实现控制器与所有执行装置间的连 接，因而非常有利于构成复杂大系统，以解决重大装备和复杂系统的控制问题。此外， 分布式结构非常有利于数控系统的扩展，例如，要为数控系统增加两个坐标轴控制功能， 只需要将驱动器接入已有网络即可，不必增加接口卡和相应的连线。 目前，由于这类系统的技术难度较大且成本高，在国内还未得到普及应用。 1 2 舞放式数控系统下位机软硬件实时控靠勇i 洎电的研究与开发 2 6g x u - o n c s 数控系统组成及平台简介 计算机数控系统是一种包含计算机在内的数字控制系统。它是一种位置控制系统， 主要用于控制刀具和工件之间的相对位置。数控系统的主要工作过程是根据输入的信息 ( 加工程序) ，进行数据处理( 刀具长度和半径补偿) 和插补运算( 确定刀具或工件的 运动轨迹) ，从而获得理想的运动轨迹信息。 2 6 1g x u - o n c s 数控系统前端p c 前端p c 可以是普通p c ，也可以是工业p c ，主要完成的是上位机非实时操作任务。 工业p c 系统多采用无源底板+ 独立插卡的结构，无源底板固定于高强度机箱中，主机的 硬件电路，如c p u 、输入输出电路、应用模块等做成独立板卡，插接于无源底板上，并 通过机箱中的紧固装置予以固定。工业p c 的机箱及其供电系统均采用高抗干扰设计， 进出风口还采取了特殊的防尘措施，有的甚至采用全封闭结构，通过空调系统进行冷却。 此外，为保证硬盘、光驱等装置在工业现场可靠运行，机箱中还采取特殊的抗振措施船1 。 本设计中的前端p c 采用的是工业p c ，它的操作面板如图2 - 6 所示，包括按钮、状 态灯、按键阵列( 功能与计算机键盘一样) 和显示器等。 图2 - 6g x u - o n c s 操作面板 f i g u r e2 - 6g x u o n c so p e r a t i n gp a n e l 2 6 2g x u - o n c s 数控系统n c 装置 n c 装霄是数控系统进行实时控制的核心，它的作用是将位置指令转化为脉冲信号， # n t n # * 女 m * 然后输出到相应的执行部件( 伺服单元、驱动装置和p l c 等) 。整个过程需要由前端p c 和n c 装置内协调配合，合理组织，使整个系统有条不紊地进行工作。 g x u o n c s 数控系统的n c 装置选用众为兴数控技术有限公司的生产的a d t s g o 运动控 制卡，它是基于p c i 总线的高性能四轴伺服步进控制卡，提供伺服接i z 信号如编码 器信号，到位信号( i n p o s ) ，报警信号( a l a r m ) ，伺服开启( s e r v oo n ) 等。并提供直 线、s 曲线加减速，非对称直线加减速运动等多种速度拉制方式。该控讳0 卡支持d o s 、 w i n d 0 w s 9 5 9 8 n t 2 0 0 0 x p 等操作系统，可用v c + + 、v b 、b c 十+ 等软件进行开发。 a d t s 5 0 运动控制卡如图2 7 所示。 图2 7a d t 8 50 运动控制卡 f i g u r e2 - 7 m o t i o nc o n t r o lc a r do f a d t 8 5 0 2 6 3g x u - o n g s 数控系统进给伺服系统 进给伺服系统是计算机数控系统的重要组成部分，也是数控系统与机械传动部件联 系的环节，其性能直接决定和影响数控加工的快速性、稳定性和精确性。3 。它接受n c 装置插补计算产生的进给脉冲信号，经变换和功率放大后驱动各坐标轴带动工作台和刀 具运动，通过若干坐标轴的联动，使刀具相对工件产生各种复杂的机械运动，从而实现 各种轮廓形状的加工。 g x u o n c s 数控系统的伺服系统选用众为兴数控技术有限公司的生产的a c s 系列交 流伺服电机配a c 4 系列交流伺服驱动器。a c s 系列伺服电机具有高速大力矩、平稳性好、 低噪音、低震动、高精度等特性。a c 4 系列交流伺服系统是全数字交流伺服系统，采用 国际最新数字信号处理器( d s p ) 、太规模可编程门阵列( c p l d ) 和m i t s u b i s h i 智能化 功率模块( i p m ) 集成度高、体积小、保护完善、可靠性好、采用最优p i d 算法完成p 枷 控制，性能己达到国外同类产品水平。 伺服电机配和伺服驱动器如图2 - 8 所示 目2 - 8 伺服电机和伺服驱动嚣 f i g u r e2 - 8s e r v oe l e c t r o m o t o ra n d d r i v e r 264g x u - o r c s 数控系统机床本体 它是数控机床的主体，是实现制造加工的执行部件，其组成包括主运动部件、进给 运动部件( 工作台、拖板以及相应的传动机构) 、支承件( 立柱、床身等) 咀及特殊装 置( 刀具自动交换系统，工件自动交换系统) 和辅助装置( 如排屑装置等) 。 g x u o n c s 数控系统的床身选用桂林机床股份有限公司生产的x k 5 0 3 0 型数控立式升 降台铣床。机床工作台的工作面积为1 1 2 0 m m 3 0 0 m m 2 5 0 m ，主轴转速范围为4 0 1 6 5 0 r m i n ，可进行1 8 级调速，该机床适用于钢、铸铁及有色金属材料的中小型零件的 各种铣削加工，可以进行普通铣削和硬质合金刀具的高速铣削。在机床标明的功率范围 内配备不同档次的数控系统可以成为不同档次功能的数控机床。 以上介绍了g x u o n c s 系统各部分的组成，其总体框图如图2 - 9 所示。 图2 - 9g x u - o n c s 数拉表兢的总体框图 f i g u r e2 - 9 g e n e r a l $ 1 r u c i u mo f o x u o n c s 广西大学硕士学位论文开放式数控系娩下位机软硬件实时控制系统的研究与开裳 第三章g x u - o n c s 实时控制软件系统开发 3 1g x u - o n o s 软件系统简介 系统的上位机采用v i s u a lc + + 6 0 作为开发工具，为了发挥p c 机开放性的优点，系 统采用了模块化的设计方法。根据具体功能划分为数控程序编译模块、人机界面模块、 加工运行模块、状态监控模块、仿真模块、远程监控模块和参数显示修改模块。软件系 统结构框图如图3 - 1 所示。 图3 - 1 软件系统结构框图 f i g u r e3 - 1c h a r to fg x u - o n c ss o f t w a r e ( 1 ) 系统操作界面简介 系统的操作界面包括主界面和系统设置界面两个部分。主界面如图3 - 2 所示，分为 主窗口、右窗口和功能选择栏。主窗口用于显示当前使用的坐标系和工件坐标；右窗口 用于显示相对坐标、运行模式、当前功能、进给速度和加工倍率等状态；主界面下方为 功能选择栏，点击按钮就会进入相应功能的二级界面。系统设置界面可以设置系统的一 些参数，主要设置选项有加工参数设置刀具半径、工件坐标系参数设置、远程监控 用户账户设置和i o 状态显示等。刀具半径设置用于修改当前刀具半径，其中共放有刀 号为d o l d 9 9 的9 9 把刀具半径值。工件坐标系设置中包含有g 5 4 一g 5 9 六个坐标系，用 t 6 开箍式矗垃雁n 下伫 摹罐件密时燕m 靛研r 与* 毫 户根掘实际需要选择相应的坐标系。远程监控用户账户设置可设置用户名、密码及用户 权限，用户权限为“l ”的用户拥有远程监视和控制的权利，为“2 ”的用户只拥有远程 监视的权利，不能控制机床端。刀具半径设置界面如图3 - 3 所示。 图32 敷控系统操作的王界面 f i g u m 3 - 2o p e n i n gi m e r f a c eo f g x u - o n c s ( 2 ) 数控程序编译模块简介 程序编译主界面如图3 4 所示。该模块功能为手动输入加工代码提供输入界面( 也 。i 打丌硬盘中的加工文件) ，能对输入的代码进行基本文本操作，并把n c 文件存入p c 机 硬盘中的指定位置。该模块另一功能为程序的编译当用户在人机界面中按下“编译” 按钮时，该模块对打开的n c 程序先进行查锗，无误后逐行提取加工信息( 查错结果在文 本显示时以“红色”表示，也会在按下“编译”按钮时弹出对话框进行显示，如图6 代 码“g 儿”不合规则) 。当出现刀补指令时进行二次编译，按刀补类型及刀具半径重新修 改提取的信息，并存入系统目录下相应加工文件名的 o u t 文件中供加工和仿真时使 用。像模块还提供u 盘操作，可把u 盘中的加工文件拷八系统硬盘中，也可将硬盘中的加 工文件存入u 盘。 开托式戢拉施下位帆鞋礓r 岳时控