（机械制造及其自动化专业论文）大型cnc数控玻璃刻花中心控制系统研制.pdf

浙江大学硕士学位论文 大型c n c 数控玻璃刺花中心控制系统的研制和开发 大型c n c 数控玻璃刻花中心控制系统研制 摘要 夫理c n c 数控玻璃刻花中心是国内最近投展起来的高新技术设备，集成了 c a d c a m 、计算机数控、机构设计、电机驱动、玻璃光学表面成形等高新技术。其中 计算机数控技术是系统的梭心技术。大型数控玻璃刻花中心系统一方面具有计算机数控 所共有的一些特点，而更重要的是，它有着和玻璃深加工行业紧密相关的其自身的特点 和应用前景，比如其加工的工艺、使用的刀具等都和一般的数控设备不同。根据其独特 的加 工艺及开放式数控技术研究和开发大型c n c 数控玻璃刻花中心数控系统是本 论文研究的主要目的。 使用面向对象设计和分析方法对大型c n c 数控玻璃刻花中心c n c 软件进行分析和 设计及p m a cl i t e 运动控制卡在开放式数控中的合理应蝈这两方面是本论文研究的重 点。 第一章是绪论部分，论述了大型c n c 数控玻璃刻花中心的技术基础一开放式数控 技术和现代运动控制技术。同时，着重介绍了作为现代运动控制技术的代表产品：美国 d e l i a t a u 公司的多轴运动控制器p m a c ( p r o g r a m m a b l em u l t i a x i sc o n t r o 1 e r ) 卡。 第二章简要地阐述了大型c n c 数控玻璃刻花中心系统的特点、组成、性能和f 艺 特点，主要介绍了系统中数控系统的结构和原理，同时也介绍了相关系统的国内外发展 现状。 第三章是本论文的主要内容，使用面向对象分析和设计的方法对大型c n c 数控玻 璃刻花中心的控制软件进行了设计，同时给出了主要类的接口。对于实现部分着重阐述 了软件详细设计过程中的几个关键技术。 第四章主要是介绍了利剧p m a cl i t e 卡进行p i d 参数调整的方法及其p i d 参数的 自适应调整。 第五章对大型c n c 数控玻璃刻花中心进行测试和维护。 晟后，作者对本文的研究内容进行了总结，并对大型c n c 数控玻璃刻花中心的发 展做了展望。 关键词：计算机数控开放式数控系统玻璃刻花机控制软件 辑江大学强圭学位埝变天型c n c 数控酸琏烈藏中心羟镪轰笺熬鹾l 秘秀发 r e s e a r c ho nc o n t r o ls y s t e mo fl a r g ec n c g l a s se n g r a v e rm a i c h l n ei c e n t e r a b s t r a e t l a r g ec n cg l a s se n g r a v e rm a c h i n ec e n t e ri sah i g ht e c h n o l o g ye q u i p m e n ti nw h i c h c a d c a m 。c n c ，m e c h a n i c a ld e s i g na n dm a n u f a c t u r e ，m o t o rd r i v e rt e c h n o l o g y , a n d c o m p u t e rc o n t r o l l e do p t i c a ls u r f a c i n g ( c c o s ) t e c h n o l o g ya r ei n t e g r a t e d i nt h e s et e c h n o l o g i e s ， c n ci st h em o s t p r i m a r yt e c h n o l o g y a l t h o u g hl a r g ec n cg l a s se n g r a v e rm a c h i n ec e n t e ri s r e l a t e dt oc h i c ，t h em o l ei m p o r t a n tt h i n g , w h i c hw e c o n c e m e d ，t h eu n i q u ec h a r a c t e r i s t i co f g l a s sd e e pp r o c e s s i n gi n d u s t r yi sm o r ei m p o r t a n t f o re x a m p l e ，t h ep r o c e s s i n ga n dc u t t i n gt o o l a r eq u i t ed i f f e r e n tf r o mg e n e r a c n ce q u i p m e n t 。t h em a i np u r p o s eo f t h i sd i s s e r t a t i o ni st o r e s e a r c ha n d d e v e l o pl a r g ec n cg l a s se n g r a v e rm a c h i n e c e n t e rb a s e do ni t s u n i q u e t e c h n o l o g ya n do p e nc o m p u t e r n u m e r i c a lc o n t r o lt e c h n o l o g y t h eo n e e m 曲a so ft h i sd i s s e r t a t i o ni st h es o f t w a r ea n a l y s i sa n dd e s i g no fl a r g ec n c g l a s se n g r a v e rm a c h i n ec e n t e rb a s eo no b j e c t - o r j e n t e dm e 馈o d t h eo t h e rl sr e a s o n a b l ea n d s u f f i c i e n td e v e l o p m e n to f t h ep m a c j i t ec o n t r o l l e r c h a p t e r1 i st h ei n t r o d u c t i o no f t h l sd i s s e r t a t i o n ，o p e nn u m e r i c a lc o n t r o lt e c h n o l o g ya n d m o d e mm o t i o nc o n t r o lt e c h n o l o g ya r ed i s c u s s e d t h ep m a em o t i o nc o n t r o l l e ri si n t r o d u c e d w h i c hi st h er e p r e s e n t a t i o no f m o d e mm o t i o nc o n t r o l t e c h n o l o g y c h a p t e r2i n t r o d u c e st h el a r g ec n cg l a s se n g r a v e rm a c h i n ec e n t e r , s u c h 鑫si t s c h a r a c t e r i s t i c ，s t r u c t u r ea n dp r o c e s s i n g t h em a i np a no ft h ec h a p t e ri st h ep r i n c i p l eo fn c s y s t e mi nt h el a r g ec n cg l a s se n g r a v e rm a c h i n ec e n t e r t h i sc h a p t e ri n t r o d u c e sp r e s e n t s i t u a t i o na n dt h et r e n d so f l a r g ec n c g l a s se n g r a v e rm a c h i n e c e n t e ra th o m ea n da b r o a d c h a p t e r3i sm a i np a r to ft h i sp a p e r , n cs o f t w a r eo fl a r g ec n c g l a s se n g r a v e rm a c h i n e c e n t e r8 倦a n a l y z e da n d d e s i g n e dw i t ho 磁o c t - o r i e n t e dm e t h o d t h ei n t e r f a c eo fm a i nc l a s s e si s p r e s e n t ，b a s e do nt h e s ec l a s s e s ，s o m ek e yp r o b l e mo f d e s i g na r es t u d i e d ， c h a p t e r 4t h em e t h o do f t o m s n g p i d p a r a m e t e r w i t h p m a c _ _ l i t ec o n t r o l l e r i s i n t r o d u c e da n dm e a d a p t i v e c o n t r o lm e t h o do f t h ep i d p a r a m e t e r sp r e s e n t t h et e s to f l a r g ec n c g l a s se n g r a v e rm a c h i n ec e n t e rh a sb e e nc a r r i e do u ti nc h a p t e r5 。 f i n a l l y , t h er e s e a r c hc o n t e n t so f t h i sd i s s e r t a t i o nh a v eb e e ns u m m a r i z e da n dt h ep r o s p e c t o f l a r g ec n cg l a s se n g r a v e rm a c h i n ec e n t e rh a sb e e no p e n e du p 。 k e y w o r d s ：c o m p u t e r n u m e r i c a lc o n t r o l g l a s se n g r a v e rm a c h i n e c o n t r o ts o f t w a r e l l 浙江大学硕士学位论文大规c n c 数控腹璃刻花中心控制系统的研制翻开发 第一章绪论 大型数控玻璃寡i 花中心是集成c a d c a m 技术、计算机数控技术、机构设计、电机 驱动技术、玻璃光学表面成形技术为体而发展起来的商新技术设备。其中数控技术是 系统鹩援心技术。大型数控玻璃亥l 花中心系统一方垂其蠢计算辊数控所共霄的一彗特点， 而更重要的是，它有其自身的特点和应用前景，是和玻璃深加工行业紧密相关的，比如 蘩躲工豹工艺、霞援静刀其莓罄和一般豹数控没善不羁。 由于行业的特殊性使得数控玻璃刻花中心的数控系统有其自身的特点。要构建它自 己麴数控系统，这个数控系绞必须是汗放式数控系统。薅基于p c 的开效式的数控骶统， 赔目前的主要发展方向。本系统采用荚国d e l t a t a u 公司的多轴运劫控制器p m , a c ( p r o g r a m m a b l em u t i - a x i sc o n t r o l l e r ) 卡作为伺服运算和控制主体插入工控机的标 穗播稽中，再加上一些癸圈设备，魏髑鼗藏夫器、镯鞭龟极、缡酶器、奄漾等，褥残一 个模块化的基于p 姒c 的开放斌数控系统。基予p m a c 的数控系统，具有开发周期短、成本 曩、擂享 辍数多( 瓣轻鞋上) 、控甍l 糖发离等特点。在这个体系结攘孛，数控援l 运葬 和控制完全由p m a c 卡来完成p c 机及越各种通用接口部处于整个数控系统的终端地位， 遗撵的体系结麴具霄很大豹遭用性、歼放性，一方面对于其i 户采说，它灏对的终端完全 戆p c 微机的体系，可以使用w i n d o w s 9 x n t 的操作系统。糟户不会产生陌警感。数控n c 软 件采用的越界面化的人机交互方式，与基于w i n d o w s 的替种应用稳序完全一致，便于幸刀学 者盼学习和侵蘑，京摆麓了疆往数控鬈统器蟊攀调、采酸，不荔接近豹蒜党，霹淤在其 上自由地编辑和扩媵。另一方面，数控系统的伺服运算、反馈控制、实时任务处理等程 痔工作都蠡l p m a e 多转运动控割器移p l c 胃编程逶舞器来蹇残，具毒蔫犍瘦、蠢速瘥静特点。 ， 舞款式数控系绫9 “3 当今醚差技术、审场、艇产蕴织缤麴等方蘧妻搴快速炎纯，数控技本躲发展垂峻着许 多新的挑战。不断出现的新的加工需求要求数控系统其有迅遽、高效、经济的面向客 户的模块优特性和软硬 牛重构能力，而且这种燕擒能力所需的成本和周期较目前将有太 的改观。逐步降低囊产厂家对控箭系统的高依赖性，大幅度降甄维护和培留| 费用，故交 以往数控系统封闭性设计模式，适应来来车间筒向任务和定单的生产模式，使得底层的 垒产控翱蘩篱霞、露效。羧擦蓉统静供应褒提供主辊，爱产厂家藏垂己戆专剥菝零嶷袋 到系统中，这种机制生产厂家无需向系统供应商提供任何自己技术秘密。因此寻求一 季申戆攫好瓣决上述瓣楚戆薮数控制系统豹发聂援式墩成为必然。数控系绞豹制造窝、集 成者和用户都希望“开放式的控制器”，能够自由的选择数控装霞、驱动装鬣、伺服电机、 浙江大学颤士学位论文大溅c n c 数控玻璃刻张中心控制系统的研制羊口开发 随剐软件等数控系筑的各个构成要索，并用瀚范的、简便的方法将这些掏成要素娥台起 来。开放式数控系统( o p e n n u m b e r c o n t r o l s y s t e m ，以f 简称o n c ) 戊迓而牛。 航开放式数控系统醪前的研究咸菜看，开放式数掩体系结榆还没育统一、嚼墒静瓤 念内涵，系统实现技术还处于百家争鸣时代。 t e e e 跫这榉定义舞藏系绞懿：“其有下列褥蛙静系统霹称为舞缓系统：符合蔟笺觏 范晌廊t i l ；可运行程多个销博商的不阿平台上，可与其他的系统脓用互操作并且媳有一 致风格躲趟户交亘器西f a no p e n s y s t e mp r o v i d e sc a p a b i l i t i e st h a te n a b l ep r o p e r l y i m p l e m e n t e da p p l i c a t i o n st or t l l qo nav a r i e t yo f p l a t f o r m sf r o mm u l t i p l ev e n d o r s ，i n t e r - o p e r a t e w i t h o t h e r s y s t e m sa p p l i c a t i o n s ，a n d p r e s e n t ac o n s i s t e n ts t y l eo f i n t e r a c t i o n w i t h t h eu s e r ) ”， 对予开放式数控系统，一 鞍流行盼蕊点楚强调f 弼五个方蕊莳系统将往：系统互 换件( i n t e r c h a n g e a b i l i t y ) 、可忡缩性( s e a l a b i l i t y ) 、可移槭性( p o r t a b i l i t y ) 、且操作性 t i n 穗。p e r 曩b l 秘) 帮耀$ 。蕤蠖( e x p a n d a b i l i b , ) 。 咀上观点均只是定性地、从系娩袭现的角度讨论了j 1 ：放式数控系统的基本特祉。而 飙累统髂羝结籀熬具捧出褰鞠系统窭理豹热发蕾，夫剃澍开放武数控系烧还没有统的 认识。相必盼懈f 究组织、机构、厂商正致力于这方而的标准化j i ：作。 刁i 过，模块化，开放武结构是目前计算机数控系统发展的主流羽l 趋势。国内外许多 学者都致力予开藤式数控系统孵疆究，簿这成部分共谖。印采翊p c 平台番f w i 涮s 镰疆 襟忭系统。这样。祥易保证致的 机界面平应h | 现谢的器种流行的麻h j 软件，而且埂 f | ：褪较蛰瑟存遥 ； l 撂准，窭耪扩震，雾荔实瑗簿络珐缝。整每嚣渡孬豹捺露系缝大多趸 法满足数控加i ：的实时性霹求，角 【挑这个问蹶闩前士掰有两个方法： j ) 爰删软嚣数控系统，认为数控裴缆魍实现完全可娃其是一种堰埘到棼枫上的摭攫赢 州聪序，而不符娃包龠宵许多捕f j ：扳晌专瑚硬们：系统。软竹数控不仪楚硬件功能的 软付他实现，其更重臻的内涵体现谯一神商度开放的体系站掏。这种) r 放结构不仅 支持运动控制策略的定铷，完全面囱数控系统静餐能仡窭琥，使褥数控系统j i 有垂 人的性能空间芹i i 更好的系统交互性；而且可以充分借鉴相关学科的娥新成果，从而 程避数控技零本壹蕊羧速成最。 z ) 采“ 基丁上、下倪机的x c p i j 数控系统。即采阳p c g l f f ；为j 二f 洲几完成数控加i 中的 ! # 赛黠 壬务+ 褥采蠲典肖p c 上拯捧插# ：投掰式豹嚣艘式运渤控霭8 器完艘实时的控铡 仟努。 采州欲翻：数控方法目前还否成熟，w i n d o w sn t 主要是一个分时系统，不具有严格的 蜜时处理能力，丽鼠它盼硬件抽象屡使硬件静接口= 器常斑难，耐益效率 挺低。系缀中埂 州+ 操作用】中断编秽怍常复抽。软件开发的难度牧人。似有很多商品化软制：乜可咀将其进 行安时扩袋，蟊n e m a t r o n 静h v p e r l ( e r n e i 、t e n a s y s 啻垂i n t i m e _ 耜v e n l u r c o a b 翁 w x 等。还自 的商客针对w i n d o w s n t 硬什器求高、系统复杂、价格高的缺陷，摊出了基下p c 的低成本实 时撵终系绫，搬l y n u x w o r k s 的l y n x o $ 、蕊xs o t w a r es y s t e m 斡q 般、w i n d r i v e rs y s t e m 的v x w o r - k s 和m i e r o s o f t 的w i n d o w sc f , 等。但是其软件开发复杂，可靠性也有待避步研 2 浙江大学硕士学位论文大型c n c 数控玻璃刻耗中心控制系统的研制和开发 究。p c 耍完全取代n c 目前链有不少课题需要研究。 由上可见采雕运动控制卡嵌a p c 的数控系统组成类型是酋选，而佧为嵌入斌n c 的 运动控制器是整个数控系统性能高底的关键。具体遥棒的对候霈要舒对橇床的性麓要求 进行选择，以使系统有高的性能价格比。这里所说的“运动控制器”不仪仪是指n c 装置， 薄是毫耩搬器a 按箍器、p l c 、攀霜控摹| 器簿，实瑗敬 孛搂块瓣垂壶缓鸯。 。2 浚徒逐动控溯技拳卧铷 在姿今垂动他技本孛，运动控铡代表藿蠲途最广嚣又最复热豹任务，其甄翻就在于 生产过程的速度在不断的掇高，而臌制造业对加工精攫和实现敏捷制造提出了越来越高 的要求。 运动控制的基褥点在予他帮j 都需要至少一个轴的数字式定证控铺。藏轴可l 奠稻对于 某一主轴( 主轴畿位) 或相对于某个坐标系统( 坐标系统定位) 进行寇位控制。 l 主辕澎位 主轴定位的嗣的是相对于某一主轴的一个或多个从轴的控制。根据这种关系的类型 可以把这弹定垃势成电予赣轮黄动秘电子凸轮轮赛仿澎嚣秽。 电子齿轮传动只提供绒形关系，而电子髓轮轮廓仿形能实现利用点成函数定义的非 常复杂的关系。 每一个从轴的位置是主轴的一个直接函数，电子酗轮轮廓仿形通常r 定义为一个主 轴的确定范围，但也可以利用圆周羹复而得到扩展，利用这个定义，当主轴向前绒向后 运磅对，驮辘都繇醚凸轮轮露霞形孺运动。鼗羚，一魑应焉需装在操作串来修正凸轮轮 廊仿形，另外，一些应用需要虚轴这些轴兜全由软件模拟。 特别錾提出懿是，规械齿轮正在越寒越夥煎被电予齿毒卺掰代替，这是因为这静替我 能增加灵活性，减少维护。比如要求在给定传动比和相位角下传动，如果两个轴不平行 域距离较远，如用机械传动机摘相当复杂，调整也不方便，而且传动精魔和剐度媳较差， 若采用电子齿轮，这没有上述缺点而且传动精度可以这至孵& 黼，传动眈和相像辩也可 随时由穰序来调攒。随着更多复杂机械的开发，电子齿轮传动可以扩展为凸轮轮廓仿形， 它 f 】竞许圭赣和获轴之淘菇奇荏侮菊鼗关系。 2 ) 坐标系统定位 坐撂系统定彼控裁的典型铡予鼹数控瓿瘩，车瘩嚣耍二缨羧裁，两数控铣床濡要三 维控制。根据坐标系统。避动学，以及工件的形状可按算出每轴的目标位置。翁外， 车床主毒囊及数控铣庆主轴的婕转速魔有时也翳紧密控制。为了探证系统拣精度，定位系 统采用一个位置和速度调节器，其内环用于电视的逮发诵节 环剐用于位置调节。根 据轴的实际距离和目标距离位置，调节器可计算出目标速度，豳此速度调节器就可以根 糕辖静菇标速度翻饔舔逮藏，遥过夺藏大器驱动窀瓿运行。鬈管番标经置是基本实臻 激蹑丈学骚士学盈论交丈謦c n c 数控玻璃剿苑孛，冬按期系筑黪瞬嚣l 抟开发 窜标，俺也应考虑对轴的最大袋小遮度进行额井调节。溉弗，满节器可预照辅的束来位 置，遮棒，这种颈见蛙调节器就给坐标系绕定位的糖度鞫速度提供了更充分的保证。坐 标系统定做除了广为人知的机床计黧机数控，其它如机器人，黎性制造单元( f m c ) 等也 羼予撼类。 1 。3p m a c 多辘运动攘糊稀争“ p i v i a c 多轴运动控制器是现代运动控制技术的产晶的典型代表，本数控玻璃刻花中心 系统髑的正是遮一产晶系列之一：糯a e l l t e 卡。 p g a c l i t e 卡是一个捆有撼性能熬镯黢运动掩制器，绘多融控制器提供了前瓒未有 地价格性能比。 蓑薄d e l t at a ud a t as y s t e m 公司推出的p 弧e ( p r o g r a n t m a b l eg u l t i - a x i $ c o n t r o t l e r 全称为可编程多轴控制器，它是d e l t at a ud a t as y s t e m 公司1 9 9 0 年推出的魑于二【控p c 机和w i n d w 8 操作系统孵多轴，多通道开腋式运确控制器，该产品使厢m o t o r o l a 的高速 d s p 5 6 0 0 1 5 6 0 0 2 捧为眦c 的c p u ，它处理了掰有轴舳所有计算。提供全新的辫蛀能技术和 w i n d o w s 平静，满足用户襁运动控制备个领域中的释种高科技应用，饿能两时控锖 1 8 令辜盘，帮霉攀狻撬行存穗子控潮嚣内帮魏程筹，也霹撬符运动疆痔$ # p l c 程露，还萄遗孬 伺服环更新以及以串口，总线两种方法与上位机进行通信。它可以自幼对证务优先级进 行判掰，从而进杼实时彩任务娩理。 现在蹦a c 己发展到炱嚣代，其疑薪产品t u r b op 姒e 可以控制3 2 个轴，c p u 速度为 1 5 0 m l l z ，暴有光纤通讯，i 蚰c r o 链等功能。在世界她予预先地位。迄今为止，p * i a c 在全世 器静镳蘩曩超过4 5 0 0 0 套，在金键褰攀毒较撼静声誉。 1 3 1p m a c 的特点 p m a c 能应用于各种备样的设备，从那些精密到小于酉万分之一英寸的精密仪器到那 些需要数委干嚣酾大蝥设备。 ( 1 )通用蛀 p l i f a e 运动控制器将极强的赴理能力与离度的通糟性路台起来。萁通用健在于：适应 多静慧线鳋椽，多种龟辊类型，多释菠镶元馋，多释食令数据结梅。道鬻哭嚣数，l 、对嚣 不是几哭或几个星期就可对p 妣c 控制器进行升级。如希望改变总线，p 姒c 运动控制器允 许同一控谁程序农所有3 辩总线上运行。p m a c 控翻嚣上每摄轴都允许窀穰与爱绩滗件静不 同组合。 ( 2 ) 摩爝能力。适应器种帆被控制 1 ) 辊藤 4 浙江大学硕士学位论文大型c n c 数控玻璃刻花中心控制系统的研制和开发 每个轴3 0 ”s 的伺服更新举；分辨率可达2 5 n m ：1 5 m h z 的编码器输入数捕速率； 程序执行速率大于5 0 0 s ；螺距误差补偿鄹刀具碳差孙偿；g 代码编程：a u t oc a d 输 入；适合予车、铙、铺、磨等加工中心、鬃性翩遗单元( 确e ) 、柔蝰铷造系统( f 豁) 等数控系统，也适台予雕刻机绕线机婷专用数控设各。 2 ) 楗器a 反向运动计辫；分段轨迹的生成：同时对8 个轴进行直线和圆弧插补的多轴控制。 3 ) i t 产韭瑟舞设备 如微电子加工设各的商精度x y 工作台，其速度要求运n 2 5 c m s 分辨率达至船5 r u n ， 应用p m a c 运动控制器，直线电机及激光干涉仪反馈则能达茔8 这个揩标。 4 ) 通用自动优设备 适合通用的自动化设智，其编程容易，可编程s 曲线、梯形曲线、速度跟踪、电子 齿轮、后台式p l c ( 可捷供多运2 5 6 点l 。端霜) 、藐视运行、舜菝斌结秘。 5 ) 检测和计量 激毙子涉搜爱馕；亚微垮定垃；嫒件到键托鞍躲挣辍出；零位误差骥 孚位量搂捉： 有效编码数捅率可达3 2 0 n i z 。 ( 3 ) p n a c 与计算机通讯方式 串船通信：r s 一2 3 2 r s 一4 2 2 率行数据髓，可配鬣成3 0 0 7 6 8 0 0 b ij 。 并行通信：总线通信( 8 位宽数据) ，总线类型是由运动控制卡、p c 、w e 及s t d 瓣信号决定。 舣口r a t l i ：黼速大窖崖数据交换。 ( 4 )煽程语言 w i n d o w s 环境下p l l i c 执行软件p e w i n ；优越的高级运动控制缡程语畜。 p m a c 作为一个融和现代运动控制技术盼成熟产品，它有广泛媳应用趟围。如各种数 控机床、印刷机械，包装机械、自动生产翁，物料装都、自动蜂接、硅片加工、激光切 割等。著名的哈勃望远镜镜面就是阁p 鼢c 来控制修磨的。p j v i a c 还广泛的应用于机器人的 控懿系统中，在一些汽车鸯产线上，螫完成辩汽车懿喷漆工俸就要角臻多令瓤藏手，弼 p n c 控制器进行控制就可以很好地协调其执行动作。此外，p m a c 还应用于一些注塑机， 半导馋囊g 逢装嚣上。 。3 2p m a c 熟堙裴 p 姒g 是一台计薄机，它可以通过存储在它自己内端的程序进行单独的操作。此井： 它还是一台实时的多任务的计算机，能自秘对任务德先缀进行载粥。 1 ) 执行运动程序 这燕p m a c 瓣最主要熬任务，当虢行运魂程痔妥季，p 重盎c 一次魏行程滓静一条缮令 s 浙江大学硕士学位论文 大型c n c 数控玻璃刻花中心控制系统的研制和开发 进行该蟋动命令( 包括非运动的任势) 的所有计算，从而为执行该运动做好准备。p m a c 总是在实际运动之静，并搬据需要正确的协调与即将执行的动作。 2 ) 执行p l c 程痔 运动程序的顺序特性使得它能很好的适应一系列的运动并相互协调其他坐标系的 潞作：然褥当在菝行那些誉筵雳运动静| 买痔来游诲秘动作露，运些程序藏不适合予箨坐 标系的螺动。p l c 的命名悬可编程逻辑控制器，因为它们以一种相似的方式工作，在处 理器时阉兔诲斡馕提下尽可诀携浚续扫撼它 f ! 豹掭搏。这些疆穿嚣予缆运动煅净上不 同步的任务是非常有用的。 3 ) 伺服环更新 在自动撬幸亍黥任务中，对于p m a c 的用户来说其实质上是不可觅斡。嚣诧对于每一 个电机，p i v l a , c 都以一个固定的频率( 通常是2 k h z 左右) 对其进行伺服疆新。伺服更新 蔗这样避杼静，先糇据运动程寿葳鬟熬运动佘令簿到篓求黪毽鬟蕊增量，然磊穆遮强反 馈传感器读回的实际位置相比较，最后在两糟的差的纂础上发出一个输出命令使此差值 变，j 、，热她反复，妻至8 蔸藏擅令a 瀵意为止。这部分楚垂动挠露的，势不嚣往镩精夸。 4 ) 换向更新 p m a c 还可以对一台多相电机进行换相运动。 5 ) 资源管理 p m a c 会定期自动执行资源管理的功能，以确认撼个系统是处于正常工作状况下。 这些任务迹毽撂安全检查，镌螽蘧勘误差酲镯，较释麓行程限翻，硬佟越行程隈潮，藏 犬器出错。通常遥包括看门狗计时器的更新。 6 ) 与主税逶售 p m a c 可以谯任何时间与主机通信甚黛是在执行个运动序列的中间。 7 ) 任务傥先级 任务是按照优先级电路缝织起来的，这可以使它们褥班最伉亿，觚而让应用程序有 效、安全地运行。当优先级固定下来后，不f 闭任务得以执行的频率是在用户的控制下。 1 4 本章小结 本章主要阐述了当前数控系统的发展方向，并对开放式数控系统进行了讨论指出 舜教式数控系统瑟禳豹嚣个主要美瓣鼹题：开拔经积蜜封栏。势针对这瓣个美键髌题提 出了目前主流的解决方法，软件数控和多c p u 数控，同时对它们进行比较。而针对多 c p u 数控系统，繁重灸鲳了现代运裁控载技本及其技术抟主要代轰产鼎i 美萤d e t at a u d a t as y s t e m 公司推出的p m a c ( p r o g r a m m a b l em u l t i - 舭i sc o n t r o l i e r ) ，全称为可编程 多轴控制器。 6 斯江大学硕士学位论文大型c n c 数控玻璃刻花中心控制系统的研制和开发 第二辈数挖玻璃剡花中心系统摄述 【零章摘要】奉章首先穷绍7 当蘸数控玻璃刻芯中心的基本撅念秘在国内外靛发展戡爨；其次， 舟绍了系统的加工：r 艺及直接影响产品棚工工艺臼皇因素刀具。昂衙阐述了本数控系统的组成和 原理。并封本数控系统独具特色的同步控制进行了介绍。 随选人们生活水平的日益提高，刻花玻璃制品受到越来越多的消赞者的青眯。目前 薮璃割品麓捌蕊主要依粪手工搡豫、鸯窭工鹱量不萎豫 垂、袋零较毫。强垂乏毒场遗镯需要 一种计算机数字控制玻璃制品自动刻花机。国外于8 0 年代开始这种划花机器人的研究， 劳开热巍玻璃爨越行韭使用，我黧在玻璃搬工提械设鍪的研剩震予袒级酚段，嚣场现存 的玻璃加工机械以进口的为主，但价格相当昂贵。 目静，国内市场主嚣是意大利i n t e r m a c 等公司豹电脑盘动刻花机。其产龆在国内 外市场上郭有着很高的占有率。广东中山遮威公司与华中理王大学联食研制的电脑自动 刻花机也已完成，在国内推广。浙江大学现代制造工程研究所与杭州华迪机械有限公司 联舍开获豹大型c n c 数控玻璃囊g 筏中心，氇稼玻璃搁花梳瓣入，实残t5 轴鞘联动加 工可自动更换l o 把砂轮。该设蛰可应用于玻璃的艺术刻花深加工，为曰新月异的建筑、 装璜、广壹及家曩等行戴躲发展增添了耨工艺瑟设备。 嚣2 一l 走型c n c 数控袭璃剿葱孛心 7 浙江大学硕士学位论文大型c n c 数控玻璃刻托中心控制系统的研制和开发 2 1 数控玻璃刻花中心机床的组成 数控玻璃刻花中心机床的组成主要包括：床身、横梁、加工臂、磨头、伺服电机、 刀瘴及囊空蔽斑装麓。其申癌头的竣诗较为骥难，嚣涉及专剥技寒这里没骞进行谨麴觳 述。真空吸附装鬣是用来装卡玻璃的，为了德于玻璃的吸附，机床工作台面上粘贴了一 缮橡胶( 约4 c m 厚) ，所以在进行正式加工翦震要进行二】= 作台的惨磨，并熙在每隔敷耐 间时( 一般为一筇) 要重掰修磨工作台面，馘保证玻璃能很好的吸附在工作台耐上，同 时又能僳证加工精度。横槊的设计也较为关键，因为横梁是移动部件其惯性的大小直 接影喃荫工的魂态毪髓。冀设诗翁礁鞭是在傺证足够翁莉度的雅疆f 器遘城蠢、横黎懿重 照。加工臂的设计也是这一设计准则。因为磨头和加工臂都是安装在横粱上的。刀库是 瘸子安鼓刀具兹，设计鸯霹安装1 0 刃其。 该数控系统鼹五轴四联动的，麒中两轴为周步轴，基本结构如图2 - 2 所示； 五个辘分别是x ，y ，v ，z ，c ，( 圈中为m l 、2 、憋、m 3 、m 4 ) ，鼹中惦是变频电 机，由p 姒c 卡对变频器进行控制。其中y 和r 楚同步控制的轴，瞄为该数控系统的横梁比 较长( 约有5 米) 必须由二个屯机同步驱动。 菠璃刻花产晶主要是逶过各种纛轮在平板玻璃主蕊工出各种花样来艇产静。裁样主 攒由各种基本图元组成，有直线、嘲弧、圆、椭圆、点及样条曲线等。w 以发现花样都 避峦线条缀藏数，霾踅翅王瓣瘗轮鞭招工线袭摺甥，褒电楹带麓下毫速旋转郓哥在一定 深度范围内加工出几乎任意形状的花样线条。通过控伟0 磨轮轮缘的形状和磨轮宽度就可 以加工出不同样式和宽度的线条。 二二二二二二二二= 二二二= 二二二二二= 二二二二二二 淹2 - 2 鼷赣袭囊数掩驶璃瓤藏串心藏嚣 s 浙江大学硕士学戗论文大型c n c 数控玻璃刘花中心控制系统的研制和开发 2 2 数控玻璃刻栊中心机床使用的刀具订 由于玻璃加工行业的特殊性，在介绍加工工艺之前先简要舟绍一下它的加工刀具； 薮璃翔工稻靛垒潮石蜜熬。 金月4 石磨具广泛地应用于玻璃加工行业。不论悬铅玻璃、钠钙玻璃、硼硅玻璃还是 石英玻璃窝玻璃一璃瓷之类鳇特秘壤璃，只有耀金嚣石蘑具藏削加工才薤获褥蔬经济蔼 工件又不崩边的效果。 玻璃实际上是一种牯性极大的“固态液体”。晶体在冷淼下生成时经常发生的不规 剐收缩现象对于玻璃来说是不会发生盼。就大多数蔽璃来说。它静转纯漱度位子5 0 0 7 0 0 之间。用固髂磨具磨削时，根据加工参数和磨具结构的不间，在磨粒与工件接触点的 溢度缓俊这到莓歪超过遮一温囊藏嚣，献瑟降低了玻璃戆霹黪往。采瓣金剐石移轮霹， 表面温度一般在1 0 0 。c 左枯，材料的磨除是以脆性崩裂伴随轻微粘性变形来实现的。所以 工 牛的船工表瑟滋较乎游。 通过选择最佳粒度、结合剂和胚体材料垒刚石磨具能够满足不同用途的加工。玻璃 加工几乎无一例外地采用金属结台翔金剐蕊磨具。加工乎板坡璃的精黪工穿时述要用到 树脂结合剂砂轮。下表蹙盘刚石磨其加工平板玻璃的应用范戮( 醴荚格兰c h a r t et s 的d e b e e r s 技术服务中心的产龆为例) 。 裹l 、金剐石藩其栩王平扳玻璃豹痊嗣 锯切磨削精磨 工具 圆锯片拓形砂轮，仿形砂轮平彤砂轮 结合裁金属金属树黼 磨料s d a 8 6 + ，s d a + ，m d a s ，m d am d a s 硒m o oc d a 5 5 n c d a 鞭度5 0 7 0 “8 0 1 0 08 0 1 0 0 2 0 0 2 3 02 0 0 3 0 0 ”3 2 5 4 0 0 d 3 0 2 “d 1 8 1d 1 8 1 b 7 51 5 3 0 u m d 7 6 “d 4 6 天然金刚石蹭料s n d i b ，是由精选的金刚石颗粒经过破碎制成的。特别适用于加工 特别脆的玻璃，并要求崩她的危险性减至最小的情况。 其肖一定虢径的* 瞰，切割较锋稠，工件不翁边。强度较嵩的f f j ) a s 逵耀子要求移轮 寿命长、陛状保持性好的场合。 s d a 系尉金嚣g 嚣逶于要求翟羧发静键甥糖工。 m i c r o nm d a 是由人造金刚石原始晶粒经过破碎、按精确的粒度组成分级制成的。适 用于攮艨加工。 树脂结合剂砂轮或锯片一般采熠镀n i 的c d a 5 5 n 戚粒度较细的c d a 以及m i c r o nc d a 徽 粉。 瘩黼金w 嚣蘑其俗称金月g 轮，黼精整惫捌石窘其俗称秘轮。 9 浙江太学颈士学位论文大型c n c 数控玻璃刻藏中心控制系统的研制和开发 2 3 数控玻璃刻拢中心的加工正艺 下筒简要介绍一下加工工艺，平板玻璃制品的加工主要有下面三个步骤。 f 1 ) 金剐耱豹撩互 一般称为粗劐，用户利用和它配套的c a d c a m 较件设计出所需的各种花样图案再 生戒数控加工文馋，由c n c 系统竞成加工。慰于不霹魏线型，不翅的线鸵粗细，翥要用 到多把盒刚轮系统根据每把刀其的路径进行加工，换刀过穰由系统的自动换刀系统完 成。由于金剐轮不易磨损，不用对它进行补偿，计算甘寸根据宅的半径德直接计算。不过 如果时问长了还麓会磨攒蔚，并且因为轮缘不同韶德盼磨损稔度不同，轮缘的形状会发 生变化。如果这时不对轮缘形状进行修磨，就有可能会导致产生抛光缺陷( 具体的形成 辊理蒋在疆蠢熬章节中论述) 。联疆如票鑫壤了撵巍缺陷就露瓣它要避 亍轻缘形获妁穆 整。 f 2 ) 辩月霉垂魏秘工 一般称为细刻或扩槽加工，如果加工的线型是糨线条的( 般大于1 5 m m 的都认为是 姐线条的线型) ，就需要朋到树脂轮了，树& 轮的加工路径是基于金刚轮加工路径计算 出来的。并且每把树耱轮都有它所对应的垒削轮的。出于猎转有一寇的磨损，需要对 它进行补偿处理，加工时程序自动计算补偿艟。因为刀具半径的变化，所以要进行刀具 半径静静偿的弱辩还翥考虑刀轮麴蘑损。 ( 3 ) 抛光轮的加工 这避最基一道工序。擞毙轮豹煳工路撩也是基予垒舞l 轮热工路径计搏的，嗣撵每把 抛光轮郝有它对成的金刚轮的。由于抛光轮在整个加工过程中损耗量怒壤大的是加： 的主要成本之一，所以在进行计算时，如彳可在保证抛光质量的前提下节省抛光轮用量是 必须考虑的问鼯。抛先轮就褶当予楚砂轮，踊而它的磨损比较侠，船工过程中逐需要考 虑抛光缺陷问题( 轮缘形状的改变，而导致抛光不垒) 。 2 4 数控玻璃刻税中心的技术说明及拦要技术性能指标 大型c n c 数控玻璃刻花中心能够在平板玻璃表面进行各种花形图案的加工满足 了用户辩寒摆玻璃产品静精蔫求。邂过对秘王参数翱翔蓖盈察袋麓诗冀瓤营理鞠控暴l ， 可实现对磨轮进行自动补偿。系统配有功能强大的专用花形设计软件( c a d c a m ) ，用 户可自行设计备釉蓬形。丈西积工作平台，可同时加工1 1 0 0 块网栉旌形的玻璃。 本项目的玻璃刻花控制软件是个基于w i n d o w s 操作聚统的应用软件，橛括玻璃 剡花花型c a d c a m 软件生成的加工数据进行加工，具有良好的人机界面和简便的操作 佳能。 0 浙江大学硕士学能论文 大型c n c 数控玻璃刻花中心控制系统的研制和开发 与国内外同类产品比较该系统的先进性在于： 1 ) 实瓣了在w i n d o w s 9 8 n t 下进行玻璃刻拢兹五轴靼骚动按期鸯曩工。 2 ) 具帮自动换砂轮的功能，实现全自动类机器人抉刀控制。 3 ) 具有砂轮抛光自动补偿功能，w 根据砂轮磨损程度自动计算孙偿量并加以精确孙偿。 4 ) 操作控制简单方便。入机界面友善。 表2 、数控玻璃亥l 茬中心性能指标 指标 参数 最大 亍稷 3 3 5 0 * 1 7 0 0 * 1 5 0 r a m 工作行程 3 1 0 0 1 6 0 0 r a m 玻璃厚度 5 3 0 m m 主轴转速 3 5 0 0r p r i l 主轴功率 4 k w 定位精度 0 0 5 m m 燕复定攮精度 0 ，0 3 m m 矮小迸缭量 0 0 l m m 最大磨轮窟径 1 6 0 r a m 刻花宽度 2 5 r a m 总功率 1 9 k w 整体尺寸 6 6 0 0 2 5 5 0 2 2 0 0 m m 墓量6 0 0 0 砖 电源a c 3 8 0 v + 1 0 5 0 h z 4 - 2 2 5 数控玻璃翱铭中心数控系统的集成“剁 2 5 1 数控玻璃刻花中心数控系统的构成和原理 由于w i n d o w s9 x n t 操作系统无法满足数控加工的襄时性要求因此本文所述 浆数控系统采用7 基于上位祝和下位枧兹双c p u 开放式数控系统。下位枫由p m a c 运 动控制器来实现，主要承担实时性任务，如伺服控制、可编稷逻辑控制等；上能机为工 业控制计算枫，主要完成数控编程、数控仿真和人机器面处理、网络功能等非实时任务。 数控系统结梅如下图所示。图中的艟线褥上位桃和下证机的功能模块分开n 实线框鞋外 部分为系统的外设。 辩江文学骥士攀经潦文犬烈c n c 数控玻璃捌蕊孛心撩制蒜撩鹊珊键帮开蕊 瓣2 - 3 数控系缝鹃掬藏群鞭理 熊黼2 * 3 窜w 冕，土挝枫巾瀚控赣中心蕊撩个数瓣磷娩辩徭心，落递趱溺撬对应于 下位帆中嚣种变餐和功能的应阁程序接口与f 位桃爨按信怒，并负费憋个系统的协调。 撩佧溪校藕大概界面冕获墩9 p 榷信息的主簧粱道，控黼冉挟将获寂静髂怠保存在参数囊 食中，这些参数翘据电撬竽劫靛魁参数、镧靛调节参数、搬拣募参数、瞧救蜜金遮砖参 数譬。上、下馥祝之间抟透讯采爝p c 总裁。箍黜中心将参数集合中波变船爝息，通遥 p c 慧嫂传遴剽下经穗弱控黼势数模浚孛。麓聪，下襁瓿侮滤过p e 总线褥蘸绞蜜辩运行 凝悫爨惑健递铡上谴壤。数控豢缝遥提供了黼形躺鼷摸凝，壤户只黎透过人飘交强，输 a 必臻麴娥刃蒸痿意骜，霆麓转交魏羲控g 我薅。繁壤遴溅蘧镱搂涣等蛰群黪姆疆连r 瀛绥将黪壤嚣黉蕊工工停麴装羧代弼健递绘浚系绞，便箕瑟鸯瓣绪翻工鹱为，壤蠹进行 涎獠箍掩。琴绫中麴控镧母，褥黼辫赣器蕺麓终嵇遂潦斡羧楚代码经避编译生鼹p m a c 卡施识掰鼢运韵拣痔著下羧给下褴枫+ 下使撬避过孰懑产囊搂块，姆数控咫妈翻译藤每 个翻辍鞍遮韵掰黠应的擐夸拽褥，熬筹惑滋艇露模块窝穗俺黻控铷，控案簿法既珂激栗 阁p m a c 攥供的通用算法，也w 由用户指逝，弗遁潍p c 憨线下载到p m a c 中。下位桃 浙江大学颈士学位论文大型c n c 数控玻璃刻花中心控制系统的研制和开发 通过输入输出端口与外部的传感器和执行器相连，如指示灯、按钮开关等。由于下位机 具有强