（机械制造及其自动化专业论文）数控系统硬件平台的设计与加工仿真.pdf

摘要 摘要 从数控系统的诞生到现在已经有5 0 多年的历史，本文首先介绍了数控系统 的发展经历的几个主要阶段，以及当前发展的主要趋势和潮流，然后分析了国内 外数控系统发展的现状，并对当前基于计算机的数控系统进行了分类，比较其各 自的优点和缺点，然后针对传统数控系统封闭性等缺点设计了以p c 机和运动控 制卡为基础的数控系统硬件测试平台，并开发了相应的软件。 硬件方面，系统采用了高性能p c 机和运动控制卡相结合的模块化结构，以 通用p c 机作为硬件平台，结合m p c 0 3 运动控制卡良好的控制性能，配以两相 混合式步迸电机，完成经济型配置。这种模式的数控系统提供给用户最大的选择 和灵活性，最大限度的利用了p c 的软硬件资源，价格低廉，适应未来先进制造 技术的要求。 系统软件是基于w i n d o w s 操作系统，采用v i s u a lc 抖6 0 工具以及面向对象、 模块化的设计方法进行开发的，编写了控制、采集、显示和人机交互界面程序。 实现了手动控制、自动加工、数据的采集与显示、运动轨迹仿真等功能。最后通 过利用o p e n g l 技术和计算机动画技术，对数控三维模拟仿真进行了一定的探 索。本系统界面友好自观，操作维护方便。通过调试运行，达到了预期的效果。 关键词数控系统；m p c 0 3 ；运动控制；仿真 北京t 业大学t 学硕士学位论文 a b s t r a c t t h en u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e mh a sm o r et h a n5 0y e a r sh i s t o r y t h em a i ns t a g e so f t h en u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e md e v e l o p m e n tw a si n t r o d u c e da tf i r s t a n dt h ec u r r e n t d e v e l o p m e n tt e n d e n c yw a sa l s om e n t i o n e d t h e nt h en u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m sb a s e d 0 1 1p cw e r ec l a s s i f l c a t i o n e da n dc o n t r a s t e d 1 1 1 et r a d i t i o n a ln u m e r i c a lc o n t r o lh a si t s o w nf l a w s ，s u c ha sc l o s e n e s s b yu s i n gm p c 0 3m o v i n gc o n t r o lb o a r da n dp c ，an e w a n d c h e a p n cp l a t f o r mh a sb e e ns e tu p a n di t ss o t t w a r eh a sb e e nd e s i g n e dt o o 1 1 1 eh a r d w a r ep l a t f o r mo ft h i ss y s t e mi sp ca n dm o t i o nc o n t r o lc a r dm p c 0 3 ，a s w e l la st h ep o w e re q u i p m e n t 1 1 1 i sm o d e lg i v e su s e rm u c ha g i l i t y i tm a k e sg r e a tu s e o fp cs o f t w a r ea n dh a r d w a r er e s o u r c e , a n dt h ec o s ti sl o w t h u st h ea l l - s o f t w a r ec n c i ss u i to ff u t u r ea d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gt e c h n i q u e sr e q u i r e m e n t a sf o rc n c s y s t e ms o f t w a r e , v i s u a lc * i su s e dt o w r i t ep r o g r a m si nw h i c h f u n c t i o n so fm a n u a lc o n t r o l ， a u t o - c o n t r o l ，d a t a - c o l l e c t i n g，s h o w i n g a n d h u m a n - m a c h i n ei n t e r f a c ei sf u l f i l l e d a n di nt h es y s t e mt h ef u n c t i o no fm a n u a l c o n t r o l ，a u t o - c o n t r o ld a t ac o l l e c t i n ga n ds h o w i n g , s i m u l a t i n gw o r kw e l l a n dt h r o u g h o p e n g la n dp cm o t i o nt e c h n i c , t h i ss y s t e mt r i e st or e a l i z et h e3 di m i t a t i o n 1 1 舱 s y s t e mh a sac o n v e n i e n ta n di n t u i t i o n a li n t e r f a c e , a n di ti se x p e d i e n t t ou s e r s k e y w o r d sc n c ；m p c 0 3 ；m o t i o nc o n t r o l ；s i m u l a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽 我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 ， 签聋：垒坠吼盈。矽 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交 论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影 印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 第1 章绪论 1 1 数控技术的发展 第1 章绪论 1 9 5 2 年美国麻省理工学院研制出基于电子管和继电器的机床数控装置用于 控制铣床，它标志着第一代数控系统电子管数控系统的诞生，至今已有5 0 多 年的历史。 数控技术是用数字化信号对机床的运动及其加工过程进行控制的一种方法， 简称数控( n c ) 。它是随着电子技术、计算机技术、自动控制技术以及精密测量技 术的迅速发展而发展起来的，广泛应用于各种机械加工机床和专用生产机械的控 制中，如数控机床、机器人、线切割机床、电火花加工机床、雕刻机、火焰切割 机、贴片机等。数控系统从产生到现在，主要经历了以下几个阶段 1 】： ( 1 ) 第一代数控系统以美国麻省理工学院研制的三座标数控系统为标志， 系统全部采用电子管元件，逻辑运算与控制采用硬件电路完成。 ( 2 ) 第二代数控系统以晶体管元件和印刷电路板广泛应用于数控系统为标 志。 ( 3 ) 第三代数控系统6 0 年代中期，小规模集成电路的出现并开始应用到数 控系统中，使其体积变小，功耗降低，数控系统的可靠性得以迸一步提高。 ( 4 ) 第四代数控系统7 0 年代初，随着微电子技术的发展，小型计算机的价 格急剧下降，小型计算机逐渐取代数控中的专用计算机，使许多控制功能可以依 靠编制的专用程序来完成，实现了软件控制，不必依靠硬件电路，大大提高了数 控系统控制的灵活性和数控设备的可靠性。 ( 5 ) 第五代数控系统2 0 世纪7 0 年代后期，中、大规模集成电路技术逐渐 应用到数控系统中，产生了以微处理器为数控系统核心的第五代数控系统，简化 了c n c 系统的硬件结构，降低了系统的成本。 ( 6 ) 第六代数控系统进入9 0 年代以后，受通用微机技术发展的影响，数 控系统正朝着以个人计算机( p c ) 为基础，向着模块化，可视化，网络化等方面进 一步发展。基于p c 的数控系统由于可以充分利用p c 机丰富的软硬件资源和适 于p c 机的各种先进技术，因此它已成为数控技术的发展趋势和潮流。 1 2 数控系统国外研究现状 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 0 2 ) 的计划 2 1 ，并成立了“美国国家制造科学中 北京工业大学工学硕七学位论文 心( n c m s ) ”，其主要目的是拟订并推进关于新一代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。 1 2 1o 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“开放的模块化体系结构控制 器( 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。其目标要求可以概括为： ( 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； 1 2 2o s a c a 计划 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 rc o n t r o lw i t h i na u t o m a t i o ns y s t e m ) 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 i 岍i 项目计划。这实际上是第一阶段o s a c a i ，它于1 9 9 4 年结束，完成了o s a c a 规范和应用指南的制定。其第二期工程o s a c a - i i ( e s p r i t9 1 1 5 ) 于1 9 9 6 年4 月结束，主要完成依照o s a c a 规范为其系统平台开发标准、通用的软件模块和 通用的o s a c a 系统平台，建立一个五轴制造系统环境，用以调试、验证、扩展 前一阶段的各种规范。o s a c a 第三阶段为i d a so s a c a ( i n f o r m a t i o n d i s s e m i n a t i o na n da w a r 铋c s sa c t i o n ) 于1 9 9 7 年1 月开始，计赳历时1 8 个月，推 广o s a c a 思想及前期工作的技术成果。同时为了建立一个国际性的标准，而与 日、美的相关机构进行接触。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，故一开始它就将研究范围涵盖了整个自动化领域，并投入了巨大 的入力、物力。 第l 章绪论 1 2 3o s e c 计划 日本的“控制器开放系统环境( o s e c ) ”，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 信息系统公司共同组 建。其目的是建立一个国际性的工厂自动化( f a ) 控制设备标准。o s e c 以日本国 际机器人和工厂自动化研究中- t , ( i r o f a ) 所提出的c n c 系统参考模型为基础， 提出了一个开放体系结构。实现了i r o f a 的参考体系结构，并增加了定制和分 化产品的功能。 基于上述计划，已经有一些研究成果和产品上市。例如，m a n u f a c t u r i n gd a t a s y s t e m s 公司( m d s d 的o p e nc n c ；g ef a n u ca u t o m a t i o n 公司的o p e nc n c 1 6 0 i 1 8 0 i 2 1 0 i 系列，通过高速的通信窗口提供数控系统与个人计算机之间的最 适宜组合，实现数控系统与个人计算机之间的大范围数据传输，利用g ef a n u c 的o p e nc n c ，数控系统集成商可以很容易实现独特的功能和相应的柔性，以满 足用户的需求。 1 3 数控系统国内研究现状 我国的数控技术经过“六五一、“七五 、“八五 到现在2 0 多年的发展，基 本上已经掌握了数控技术中的关键技术，建立了数控开发和数控生产基地，培养 了大批数控人才，初步形成了中国自己的数控产业，并积累了一定的理论和实 践成果。例如，基于实时多任务操作系统和数字伺服现场总线s e r c o s 技术， 国内学者提出了建造多c p u 及双总线结构的数控系统方法。周祖德仍基于 “p c + 适配器硬件平台，提出了面向对象的分层次数控软件系统建模方法。 周凯提出了集成化p c 数控系统的体系结构。国内厂商和科研机构相继开发了基 于d o s 平台的实时任务调度系统和3 2 位工业p c 机的数控系统，如华中i 型、 蓝天i 型、c h 2 0 1 0 1 5 型、中华i 型、航天i 型等系统。其中华中i 型和中华 i 型是将数控专用模板嵌入通用p c 机构成的单机数控系统，航天l 型和蓝天i 型是将p c 机嵌入到数控之中构成的多机数控系统。 目前国内比较有代表性的新型数控系统研究主要有以下几种【3 】： ( 1 ) 基于现场总线技术的数控系统现场总线技术可以将大量的并行信号转 化为串行信号，利用双线电缆或光缆可以在上百台设备之间实时传递上千路的信 号。当前现场总线接口和数据交换大多遵循s e r c o s 协议。基于现场总线技术 的以上特点，可以通过s e r c o s 协议实现工业控制计算机和数字伺服系统、传 感器和可编程控制器加之间的实时通信，形成一种基于现场总线结构数控系统。 其系统软件采用w i n9 x 或w i n d o w sn t 操作系统并进行实时控制功能扩展，使 北京t 业大学t 学硕七学位论文 它能够满足数控系统的实时性要求。c n c 系统软件由n c 内核和p l c 内核组成： 其应用软件向用户提供一个应用环境和一组标准的系统功能函数。用户可以在应 用软件层编写程序，调用n c 内核的控制功能，以自己所要求的方式控制系统的 运行，与自己的产品匹配，满足特殊控制功能要求。也可以在系统上直接运行来 自其他软件开发商的应用程序和开发工具。 ( 2 ) 基于软件芯片的数控系统前华中理工大学提出了一种基于软件芯片的 数控系统的实现模式。在该实现模式中，通过对数控软件的标准化与规范化的研 究，运用面向对象的机制，把数控系统的功能进行抽象并进行封装，将数控软件 设计成具有稳定通用的接口、可以重用的软件芯片，每一个软件芯片完成数控系 统的一个独立模块的功能，例如插补功能就由插补芯片来完成、位置控制功能就 由位置控制芯片来完成，并且通过建立一个数控系统软件芯片集成开发环境，数 控系统软件芯片库用来对软件芯片进行管理，用户可以对软件芯片库进行检索、 浏览以及维护，还可以添加自己制作经过测试证明合格的新的软件芯片。用户在 组装数控系统或者进行二次开发的时候，可以将芯片库中检索出的软件芯片按照 自己所要求的功能进行修改或者直接重用，并且与自己新开发的软件芯片一起组 装成目标数控系统，这样开发一套新的数控系统将可以比以前节省比较多的时 间，而且数控系统的总体质量也比以前有大幅度的提高。 ( 3 ) 衍生式数控系统 清华大学提出了一种称为衍生式计算机数控系的模 型。衍生式计算机数控系统( e x t r a c t e dc n cs y s t e m ，简称e c n c ) 是指，采用传统 的专用数控系统作为新系统的一个独立的部件，其结构和功能不变，而系统的网 络和扩充功能则由其它独立的功能部件承担。e c n c 系统充分利用了传统的专用 数控系统和开放式数控系统的优点，并将二者有机结合起来，起到了从专用数控 系统向开放式数控系统演化的桥梁作用。 ( 4 ) 机床数控软件化结构体系西安交通大学提出的机床数控软件化结构体 系模型，其基本思想是用工业p c 机+ 基于p c 的完备数字机床结构，在p c 机上 运行工艺软件，所生成的设备动作信息由串口( 或m o d e m 卡) 传送给完备数字机 床。完备数字机床接受符合i s o 标准的文字地址程序段格式、函数、样条、表格 或逐点给出的伺服系统位置参考信号，它相当于允许用户自由定义插补算法，从 而大大加强了两轴以上的多轴联动设备加工程序编制的灵活性，使数控机床加工 复杂曲线( 曲面) 的能力、速度和精度都有所提高。 1 4 研究内容 传统的数控系统大多采用封闭、专用的体系结构，具有某种专用的功能。这 种类型的数控系统虽然具有结构简单等优点，但随着数控技术的发展，正暴露出 第1 章绪论 越来越多的弊端。如在封闭式结构的系统中，如果要增加用户所需的特殊功能， 一般只能由系统制造商从头开始设计新的系统，不能方便的利用己有的技术；系 统制造商重复研究设计相同或相似的数控软件，造成大量的人力，物力的浪费。 因此，针对传统数控系统的缺点，本课题开发一套经济的、人机界面友好的 数控仿真测试系统。利用个人p c 机和运动控制器为基础设计数控系统，系统能 够实现手动、自动、数据采集及显示、轨迹仿真和实体仿真等功能，具体研究内 容包括以下几点： 第一，系统硬件平台的设计与构建，以及元件之间的连接调试。 第二，在w i n d o w s 环境下，利用v i s u a lc h 开发可视化的人机交互功能， 并对外部数据进行实时采集和显示。 第三，实现各种手动操作功能，通过人机交互界面实现对硬件的控制，并开 发b e z i e r 曲线插补和抛物线插补功能。 第四，实现自动加工功能，通过接收并提取n c 代码编译后的有效数据，使 系统够按照n c 代码的要求自动运行。 第五，为克服传统试切法检验n c 代码的正确性的弊端，开发轨迹仿真功能， 并引入o p e n g l 技术，对实体仿真进行探索和开发。 1 5 研究意义 针对传统数控系统封闭性的缺点，本系统设计时采用了将运动控制卡内嵌到 计算机的构成方式，因此能够充分利用计算机的资源，不但能大大缩短系统的开 发周期，而且升级和集成更容易，更易于满足客户的不同需求。由于个人计算机 价格便宜，速度性能良好，而且升级换代快，而运动控制卡也是标准化模块化产 品，这大大提高了系统的灵活性、扩展性和可移植性，对最终用户而言，则可获 得功能更强大，价格更便宜的c n c 系统。 软件方面，系统中增加了实时数据显示功能，并开发了仿真功能，通过对比 仿真结果与预期的结果，可以减少和避免用户在加工过程中出现的错误，提高了 加工的安全性和经济效益，相对于传统的试切法具有很大的优越性。另外，在系 统中还开发了抛物线插补和b e z i e r 曲线插补功能。在实际应用方面，本系统可以 作为数控教学的平台，或者进行适当的改动作为雕铣机等使用。 北京工业大学工学硕士学位论文 第2 章系统构成概述 2 1 基于p c 的数控系统分类 目前基于p c 的数控系统大致可分为以下三种类型【4 】： ( 1 ) p c 嵌入n c 型【7 j 专用p c 与c n c 之间用专门的总线连接，数据传输快， 响应迅速；缺点开放性受到制，n c 部分仍然是传统的数控系统，这种类型只开放 了非实时控制部分，即p c 部分，但是不能直接利用通用p c ，开放性受到限制。 这类系统主要为一些c n c 控制器制造商所采用，其结构复杂、功能强大，价格 昂贵。例如国内厂商研制的航天i 型和蓝天i 型。 ( 2 ) 纯软件型这种类型的系统中c n c 的全部功能由p c 处理，即各种实时 和非实时任务均由p c 完成。软件通用性好，编程灵活，但是w i n d o w s 操作系统 是非实时性的操作系统，难以保证系统的实时处理性能，通常是引入强实时扩展 软件，以处理强实时任务，这类系统在实时性和稳定性等方面存在一系列的问题， 有待解决。其典型产品有美国m d s i 公司的o p 锄c n c 、德国p o w e r a u t o m a t i o n 公 司的p a 8 0 0 0 n t 等。 ( 3 ) n c 嵌入p c 型5 】这种类型的系统是将c n c 卡( 如运动控制卡) 插到通 用p c 的扩展槽中，c n c 卡负责完成实时控制部分，p c 负责非实时控制部分。 这种类型的数控系统，可以充分利用p c 的丰富的软硬件资源，软件开发周期短。 由于其开放性、可扩展性、可移植性，这种类型的数控系统成为近年来比较流行 的一种。例如国内厂商研制的华中i 型和中华i 型，美国d a t at a ud a t as y s t e m 公司用p m a c 多轴运动控制卡构造的p m a c - n c 数控系统等。 2 2 本系统的构成 本系统硬件构成采用的是n c 嵌入p c 的方式，即2 1 节中提到的第3 种类 型。以个人p c 机和运动控制卡为基础构建数控系统的硬件平台。这种构建方式 经济、方便、快捷，因为个人p c 机批量生产，价格便宜，速度性能好，而且升 级换代快，可以满足作为数控系统核心部件的要求，选择个人p c 机可以获得高 标准的硬件结构配置和优异的性价比；同样运动控制卡也是标准化模块化产品， 我们只需根据具体的需求，选配合适的p c 机、运动控制卡、执行部件及辅助单 元，然后进行相应的连接，可快速的建立数控系统的硬件平台。 第2 章系统构成概述 2 2 1 系统硬件部分 本系统是由硬件系统和软件系统两大部分组成，其中硬件系统包括p c 机、 运动控制卡、步进电机、驱动器、光电编码器和各种开关传感器等。p c 机作为 上位机通过p c i 总线对运动控制卡进行控制、监视和协调，并提供软件的开发平 台，根据控制卡动态链接库提供的接口函数来开发软件。而运动控制卡则对机床 的连续轨迹运动进行多轴联动控制，内部提供一定的插补算法，驱动器则负责驱 动电机按照预定的方向转动，电动机驱动机械部件使工具和刀台产生相对运动， 编码器和各种传感器等负责现场信息的产生。 通用p c 机性能近几年得到快速提升，而且生产批量大，价格便宜，将p c 机应用到数控领域，不仅为数控系统提供了十分坚实的硬件资源和丰富的软件资 源，而且为数控系统的开放化提供了基础，便于实现模块化、可重构和可扩充的 数控系统。虽然工控机具有更好的防潮、抗震及稳定性等优点，但考虑到实验室 环境相对于车间要好一些，通用p c 机较容易获得，而且价格更加低廉，因此本 数控系统采用通用p c 机代替工控机。 2 2 2 软件系统部分 软件系统是以w 玳x p 为平台，以v i s u a lc + + 为开发工具，采用面向对象的 方法开发设计的具有可视化界面的控制和仿真测试系统。由于数控系统的复杂 性，传统的面向过程的方法很难满足其开发要求，因此将面向对象的技术引入数 控加工仿真测试系统中，对提高加工质量，仿真效果有很大帮助。软件系统主要 包括管理程序、控制程序、公共服务程序。其中管理程序主要用于输入输出的管 理、显示管理、操作面板服务、故障显示、状态显示、数据处理等；控制程序主 要完成速度控制、位置控制、状态检测、插补运算、故障处理等任务。公共服务 程序则是为整个软件服务的通用子程序，如基本的函数子程序、运算程序、数据 格式转换。 按照功能划分，软件系统主要分为人机交互、控制和仿真三大部分。人机交 互部分，主要实现系统的参数设置、软硬件之间的通讯、外部信息的实时采集与 显示，方便使用者操作。控制部分则以运动控制卡提供的动态库函数为基础，实 现了对三轴电机的手动控制和自动控制功能，并开发了b e z i c r 曲线插补和抛物线 插补功能，以及其他功能，丰富了动态连接库。仿真部分则实现了轨迹仿真来替 代传统的试切法，并且通过引入o p e n g l 技术，对实体仿真进行了一定的探索和 开发。 北京t 业大学t 学硕十学位论文 2 3 本章小结 本章首先对基于p c 的数控系统的进行了分类，并对目前主要的三大分类进 行分析和比较，通过对比提出了本系统的构成方式。接着从总体上阐述了系统硬 件部分的构成，采用的主要部件。最后介绍了软件部分开发平台和开发工具的选 择，以及实现的功能等。 第3 章系统硬件部分 第3 章系统硬件部分 3 1 硬件结构设计 采用p c + 运动控制卡是实现开放性数控系统的比较现实的途径，通过将运动 控制卡内嵌到p c 机中，再添加相应的外围设备，可以方便的进行二次开发。不 同的数控厂商只需往p c 机中插入自己的控制器，并提供c n c 软件即可构成新 的数控系统，而无须设计构成基本计算机系统的专门硬件。 将运动控制卡内嵌到p c 机中实际上是实现了n c 本体功能的插卡化，这样 就能方便的实现与用户的接口，并保持平台的完整性。这样能够充分利用 w i n d o w s 的资源，软件的通用性强，而且编程灵活。 硬件结构采用p c 机为主体，运动控制卡插到p c 机的p c i 插槽上，外接端 子板、i o 接口卡、步进电机驱动器和光电编码器。硬件结构图见图3 1 。 图3 - 1 硬件结构图 r i g 3 - 1h a r d w a r es l r u c t u r ed r a w i n g 由图3 1 可知，运动控制卡通过p c i 插槽内嵌到p c 机中，卡上专用c p u 与 p c 机的c p u 构成主从式双c p u 控制模式。p c 机主要负责人机界面、实时监控 和发送指令等系统管理工作，运动控制卡上专用c p u 负责处理运动控制的细节， 例如升降速计算、行程控制、多轴插补等，而且不占用p c 机资源，便于让用户 专注精力解决复杂的运动控制问题。 本系统中p c 机的配置为内存5 1 2 m ，c p u 2 8 g h z ，运动控制卡选择m p c 0 3 f a 型运动控制卡，这是一款4 轴步进电机或数字伺服电机的上位控制器，每轴可输 北京t 业大学工学硕士学位论文 出脉冲和方向信号，用以控制电机的运转。m p c 0 3 f a 运动控制卡内部采用d s p 芯片处理，具有梯形和s 形升降曲线，最高输出频率可达7 5 m h z ，并带有编码 器反馈接口，另外每卡还提供1 6 路输入和1 6 路输出通用i o 接口，所有的输入 输出信号均采用光电隔离，大大提高了运动控制卡的可靠性和抗干扰能力。执行 部件选择步进电机有限公司生产的d m 5 6 7 6 a 型步进电机，驱动器型号为 d m d 4 0 2 ，并为步进电机配置增量式光电编码器，型号为c h a 1 1 0 0 b m g 。 3 2 运动控制卡的使用 3 2 1 m p c 0 3 f a 运动控制卡的整体介绍 m p c 0 3 控制卡是基于p c 机p c i 总线的步进电机或数字式伺服电机的上位 控制单元【1 1 1 。控制卡采用数字信号处理器( d s p ) 结合硬件电路构成，形成一个 独立于p c 的控制单元，从脉冲的产生、运动插补到反馈信号的处理及响应完全 在控制卡上的子系统中进行，p c 机只负责将应用程序发出的指令通过p c i 总线 传送到卡上的缓冲区，并在需要的时候读取卡上的状态信息，因而使得控制卡工 作时对p c 机的c p u 占用达到最低，并且不受w i n d o w s 多任务环境的影响，可 满足许多可靠性和实时性要求比较高的场合的应用。 在基于m p c 0 3 的控制系统中：p c 机完成人机交互界面的管理和控制系统的 实时监控信息的显示等方面的工作( 例如键盘和鼠标的管理、系统状态的显示、 控制指令的发送、外部信号状态的显示等等) ；m p c 0 3 卡完成运动控制的所有细 节( 包括脉冲和方向信号的输出、自动升降速的处理、原点和限位等信号的检测 等等) 。每块m p c 0 3 卡可控制4 轴步进电机或数字式伺服电机；每轴均可输出脉 冲和方向信号，以控制电机的运转；同时，可外接原点、减速、限位等开关信号， 以实现回原点、保护等功能，这些开关信号由m p c 0 3 卡自动检测并作出反应。 另外，m p c 0 3 卡还提供了多达1 6 路输出和1 6 路输入通用i o 接口。 m p c 0 3 卡具有梯形及s 形升降速曲线，最高输出频率可达7 5 m h z ，带有编 码器反馈端口，主要适用于数字式交流伺服系统或闭环的步进电机控制系统。 3 2 2m p c 0 3 f a 运动控制卡的技术特性和使用范围 m p c 0 3 控制卡主要特征有：独立的子系统结构、使用简便、功能丰富、可 靠性高、可扩展性强、使用范围更广等。在硬件方面采用d s p 构成独立结构， 基于p c 机的p c i 总线方式，适用范围广，卡上无需进行任何跳线设置，所有资 源自动配置，在w m d o w s 9 8 2 0 0 0 操作系统中支持即插即用，使用非常方便； m p c 0 3 的接线方式采用s c s i 型插头，可使用屏蔽线缆，并且所有的输入、输出 第3 章系统硬件部分 信号均用光电隔离，提高了控制卡的可靠性和抗干扰能力；在软件方面提供了丰 富的运动控制函数库，以满足不同的应用要求。用户只需根据控制系统的要求编 制人机界面，并调用m p c 0 3 运动函数库中的指令函数，就可以开发出满足各种 要求的多轴运动控制系统。 m p c 0 3 的技术指标主要有： 每轴带有原点、减速和限位开关等接口； 1 6 个通用输入开关信号，1 6 个通用输出开关信号； 可外接编码器位置反馈； 对p c 机的c p u 占用最低，w i n d o w s 环境下驱动程序、动态链接库； d s p 独立运行的子系统 p c i 总线 4 轴步进或数字式伺服控制； 脉冲输出速度可达7 5 m p p s ： 梯形、s 形加减速； 多轴高速线性插补； 直线、圆弧插补； 可输出脉冲方向或双脉冲信号； m p c 0 3 卡的开关量输入信号( 限位、减速、原点和外部报警) ，可以是触点 型开关，也可以是n p n 输出的传感器接近开关等，接线方法如图3 - 2 所示。 ； 光隔电源地 ： 兀响电源飓 ： m p c 0 3 卡；外部信号 图3 - 2 开关接线图 f i g 3 2s w i t c hw i r i n gd i a g r a m m p c 0 3 卡 ： 编码器信号 图3 - 3 编码器接线图 f i g 3 - 3e n c o d e rw i r i n gd i a g r a m m p c 0 3 卡的脉冲方向输出信号，作为步进电机或数字式伺服电机驱动器的 控制信号，脉冲信号的频率决定电机的转速，脉冲信号的个数决定电机的转角。 脉冲和方向信号的接线方法如图3 3 所示。m p c 0 3 卡的编码器反馈输入信号， 用于接收外部旋转式光电编码器或直线光栅尺等的a b 相9 0 。相位差信号和z 北京工业大学工学硕十学位论文 相零位信号。 3 3 控制系统的连接 3 3 1电机与驱动器的连接 步进电机是数控系统执行机构的驱动元件，在本系统中共有x 、y 、z 轴三 个步进电机及相应的驱动器。步进电机型号为d m 5 6 7 6 a ，静转矩为0 0 7 5 n m ， 步距角为1 8 度。步进电机是种将电脉冲信号转换成相应的角位移的执行电机。 即，当步进电机每接收到一个脉冲信号，它就驱动电机按照设定的方向转动一个 固定的角度( 即步距角) 。采用步进电机具有以下优点： 第一，转动角度与驱动器接收到的脉冲个数成正比。 第二，转动速度与驱动器接收到的脉冲频率成正比。 第三，定位准确，无累计误差，适合进行位置控制。 第四，因无电刷，无需特殊保养。 第五，成本低廉。 步迸电机的运行要靠功率放大器( 驱动器) 来驱动，它是把控制系统发出的脉 冲信号放大为使步进电机转子转过一个角位移的电流信号。步进电机的转速与脉 冲信号的频率成正比。步进电机接收一个步进脉冲所转过的角度称为步距角。其 额定值有0 7 5 0 ，0 9 0 ，1 5 0 ，1 8 0 ，3 0 等。现在，大多数驱动器带有细分功能， 通过细分驱动器的驱动，电机步距角比额定值小，如驱动器上作在1 0 细分状态 时，其步距角只为额定值的十分之一。细分功能完全是由驱动器靠精确控制电机 的相电流所产生，与电机无关。驱动器细分后不仅提高了电机的分辨率，而且完 全消除了电机的低频振荡，提高了电机的输出转矩。步进电机的相电流和细分精 度都可以通过步进电机驱动器上的拨位开关来调节。本系统采用的驱动器型号为 d m d 4 0 2 ，共有4 位拔码开关，前三位用于设定电机运动时的电流( 动态电流) ， 第四位用于设定静止时电流( 静态电流) 。前三位拔码开关共可设定8 个级别的 动态电流。 动态电流细分值见表3 1 。 表3 - 1d m d 4 0 2 拔码细分表 t a b l e 3 1d m d 4 0 2s w i t c h o u tt a b l e 电流值s w ls w 2s w 3 0 2 5 a0 no no n 0 5 ao f j fo no n o 7 5 ao no 匿o n 1 o ao 伍o 行o n 1 2 5 ao no no 丘 1 5 ao 伍o no f f 1 7 5 ao no 行。行 2 a0 1 j fo 行。行 步迸电机与驱动器连接时，需将电机的a + ，a ，b + ，b 四个电极接到驱动 器的相应接线柱上。d m d 4 0 2 驱动器各输入信号均采用共阳极接法，在驱动器内 部均经过光电隔离，运动控制卡与一台电机及驱动器的连接原理图如图3 - 4 所 示。 图3 - 4 控制卡与电机及驱动器接线图 f i g 3 _ 4m p e 0 3 ，e l e c t r i c a lm a c h i n e r ya n dd r i v e rw i r i n gd i a g r a m 3 3 2 运动控制卡与端子板及转接板的连接 m p c 0 3 运动控制卡是基于p c 机p c i 总线的步进电机或数字式伺服电机的 上位控制单元。采用6 8 芯s c s i 接口，外接线可采用屏蔽线缆，以提高控制卡的 抗干扰能力。其中开关量信号( 原点、减速、限位等) 采用1 2 2 4 d c v 光电隔 离；脉冲量信号( 脉冲、方向、编码器反馈等) 采用5 d c v 高速光电隔离。m p c 0 3 卡接口定义见表3 2 ： 表3 - 2m p c 0 3 卡接口定义： t a b l e 3 2y p c 0 3c a r dc o n n e c t i o nd e f i n i t i o n 编号名称定义编号名称定义 le a l +编码器a i + 2 e a l 编码器a 1 3e b l +编码器b i +4e b l 编码器b 1 5e z l +编码器a i +6e z l 编码器a 1 7e a 2 + 编码器a 2 + 8e a 2 编码器a 2 9 e b 2 + 编码器b 2 +1 0e b 2 编码器b 2 1 le z 2 +编码器z 2 +1 2e z 2 编码器z 2 1 31 4g n d 5+ 5 v 电源地 1 5p u l l 脉冲1 1 6p u l l +脉冲l + 1 7d u 方向1 1 8d 【l + 方向l + 1 9 p u l 2 脉冲2 2 0p i 1 2 + 脉冲2 + 2 1 d i r 2 方向2 2 2 d i l 匕+ 方向2 + 2 32 4d c v 5+ 电源正 2 5o r g l原点12 6o r g 2 原点2 2 7e l l + 正向限位1 2 8e l 2 + 正向限位2 2 9 甩1 负向限位1 3 0e l 2 负向限位2 3 1 s d l + 正向减速1 3 2s d 2 + 正向减速2 3 3s d l 负向减速13 4s d 2 负向减速2 3 5e a 3 +编码器a 3 +3 6e a 3 编码器a 3 3 7 e b 3 + 编码器b 3 + 3 8e b 3 编码器b 3 3 9 e z 3 + 编码器z 3 + 4 0e z 3 编码器z 3 4 1 e a 4 + 编码器a 4 + 4 2e a 4 - 编码器a 4 - 4 3e b 4 +编码器i m +4 4e b 4 _编码器弹 4 5e z 4 +编码器z 4 +4 6阱编码器弥 4 7 g n d 2 4 + 2 4 v 电源地4 8 4 9p u l 3 脉冲3 5 0p u l 3 +脉冲3 + 5 ld b 方向3 5 2d b + 方向3 + 5 3p 姒脉冲4 _5 4 p i i 斛 脉冲针 5 5d 雕方向4 5 6d i r 4 +方向针 5 7d c v 2 4 + 2 4 v 电源正 5 8a l m 外部报警输入 5 90 r g 3 原点3 6 0o l u 斟 原点4 6 1 e l 3 + 正向限位36 2e l 4 + 正向限位4 6 3e l 3 负向限位3 6 4e l 4 负向限位4 6 5s d 3 +正向减速36 6 s d 4 + 正向减速4 6 7s d 3 负向减速36 8s d 禾负向减速4 表3 2 中除通用输入输出信号外，信号名称中的1 、2 、3 、4 分别对应m p c 0 3 卡上的第l 、2 、3 、4 轴。各接口信号的详细说明见表3 3 。 表3 3 接口信号说明 t a b l e 3 3c o n n e c t i o ne x p l a n a t i o n 类型 功能编号说明 脉冲厂方向信号与步进电机驱动器或数字式伺服电机驱 动器相连以控制其运转。 脉冲肪向信号为光电隔离的差分式输出信号，以提高 1 5 2 2 其抗干扰能力。对于仅需要单端式信号的驱动器，只 脉冲方向要接该差分信号的正端即可( 参见接线方法) ；对于接 4 9 - 5 6 收双脉冲信号的驱动器，p u l 端为正转( c w ) 脉冲输 出端，d i r 端为反转( c c w ) 脉冲输出端( 这种情况 脉 下，应调用s e t 设置 卡的脉冲输o u t p u t m o d em p c 0 3 冲 出模式，参见s e to u t p u tm o d e 函数说明) 。 量编码器反馈输入接口用于接收外部旋转式光电编码器 信或直线光栅尺等的躺相0 相位差信号和z 相零位信 号号。 编码器反 l 1 2 m p c 0 3 卡的编码器反馈输入采用光电隔离的差分接收 馈 3 5 - 4 6方式。对于单端输出的编码器信号，将m p c 0 3 卡的信 号正端( + ) 接编码器电源( 应为+ 5 v 电源，若不是+ 5 v 请与供应商联系) 的正极，信号负端( ) 接编码器的 单端信号。 + 5 v 光电隔离电源。为脉冲方向提供光电隔离和差分 光隔电源 1 4 、2 4 信号的驱动。该电源由外部提供。 2 7 、2 9m p c 0 3 卡上每个控制轴有两个限位输入信号( e l + 和 2 8 、3 0e o ) 。在m p c 0 3 卡发送脉冲时，如果接收到相应的限 限位 6 1 、6 3位信号，m p c 0 3 卡将立即停止发送脉冲。 6 2 、6 4 3 1 、3 3m p c 0 3 卡上每个控制轴有两个减速输入信号( s d + 和 开减速 3 2 、3 4s d - ) 。在m p c 0 3 卡执行快速指令发送脉冲时，如果接 关 6 5 、6 7收到相应的减速信号，m p c 0 3 卡将以设定的加速度减 量 6 6 、6 8速至低速。 信 2 5 、 m p c 0 3 卡上每个控制轴有一个原点输入信号( o r g ) 。 2 6 、 在m p c 0 3 卡执行回原点指令发送脉冲时，如果接收到 号原点 5 9 、 相应的原点信号，即表示已到达原点，m p c 0 3 卡将立 6 0 即停止发送脉冲。 5 8 m p c 0 3 卡有一个共用的外部报警输入信号，当m p c 0 3 外部报警 卡接收到该信号时，卡上的各轴将立即停止发送脉冲。 5 7 、 1 2 - 2 4 d c v 的光电隔离电源，该电源由外部提供，为所 光隔电源 4 7 有开关量信号提供光电隔离的驱动。 在系统中若不需要减速、限位、原点，通过设置后可将其作为通用i o 使用。 北京t 业大学t 学硕十学位论文 系统中控制与i o 板及控制箱连接原理图如图3 5 所示： 图3 5i o 连接图 f i g 3 - 5i ow i r i n gd i a g r a m 为了保证安全，在插接运动控制卡时，应先关掉p c 机，并切断电源，然后 将运动控制卡插入p c 机的扩展槽中，再将运动控制卡与电机驱动器等外围设备 连接。 3 3 3光电编码器及各种传