（机械制造及其自动化专业论文）开放式数控系统及其集成状态监测研究.pdf

摘要 随着市场全球化的发展，市场竞争空前激烈，各种先进制造技术对数控系统 的功能和性能提出了更高的要求，传统的专用数控系统已不能适应制造业发展的 需要，研究具有开放性的数控系统已成为个必然趋势。而数控机床由于结构复 杂、技术密集，其状态监测是监测技术的一个重要应用方向。开放式数控系统由 于自身的智能及开放式结构，其状态监测系统在实现形式上又可以有其自身的特 色。本论文所完成的工作正是基于市场对开放式数控系统的需求及其在线监测功 能的实现而展开，主要内容如下： 提出了一种基于a r m 微处理器的数控系统，规划了各模块的功能，分析了 数控系统任务对实时性的要求，利用双微处理器结构和合理的任务划分解决了将 l i n u x 应用到数控系统中的实时性问题。该数控系统具有开放性、模块化、小型 化和网络化特点。 设计了数控系统的m d i 键盘以及m d i 键盘和机床操作面板的控制电路及单 片机程序。编写了l i n u x 下的键盘驱动程序和双端口r a m 驱动程序。 提出了针对本数控系统状态监测功能的集成化实现方法，进行了数据采集卡 的硬件设计。硬件电路包括电源模块、d s p 系统、存储模块、a d 转换模块和双 端口r a m 通讯模块等。此外对数据采集卡的p c b 设计也做了较详细的分析。 该数控系统已经在铣床上成功进行了应用，验证了其可靠性和开放性。数据 采集卡的硬件电路已定型，后续将进行软件和算法的研究。 关键词：开放式、数控系统、a r m 、d s p 、状态监测 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h eg l o b a li z a t i o no fm a r k e m ，c o m p e t i t i o nb e c o m em o r e i n t e n s e h i g h e rr e q u i r e m e n t so fc n cs y s t e m a r ep u tf o r w a r db ym a n yk i n d so f a d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g i e s t h o s ec o n v e n t i o n a ls p e c i a lc n cs y s t e m s c a n t a d a p tt h ed e v e l o p m e n to fm a n u f a c t u r i n g a sar e s u l t ，i ti sn e c e s s a r yt od e v e l o po p e n c n cs v s t e r n o w i n gt ot h ec o m p l e x i t yo fs t r u c t u r ea n di n t e n s i t yo ft e c h n o l o g i e s ， s t a t l l sm o n i t o r i n g f o rc n cs y s t e mi sb e c o m i n gb ni m p o r t a n ta p p l i c a t i o n o t m o n i t o r i n gt e c h n o l o g i e s c o n s i d e r i n gt h ei n t e ll i g e n c ea n do p e na r c h i t e c t u r eo fo p e n c n cs v s t e m ，i t ss t a t u sm o n i t o r i n gs y s t e mc a nb eb u i l ti nam o r e e f f e c t i v ef o r m t h e w o r ka c c o m p l i s h e di nt h i sp a p e ri sa sf o l l o w ： p r o p o s e dac n cs y s t e mb a s e do na r m ，s e tt h e f u n c t i o no fi t sm o d u l e s ， a n a l y z e dt h er e a l t i m er e q u i r e m e n t so fc n cs y s t e mf u n c t i o n s ，r e s o l v e dt h e r e a l t i m e p r o b l e mo fa p p l y i n gl i n u xt oc n cs y s t e mb yu s i n gd u a lm i c r o p r o c e s s o rs t r u c t u r e a n dd i v i s i o no ft a s k s t h i sc n cs y s t e mf e a t u r e so p e n ，m o d u l a r , s m a l l s c a l e a n d n e t w o r k d e s i g n e dt h em d ik e y b o a r d ，c o n t r o lc i r c u i ta n dp r o g r a m o fm d ik e y b o a r da n d m a c h i n eo p e r a t o rp a n e lo ft h ec n cs y s t e m p r o g r a m m e dt h ek e y b o a r dd r i v e ra n d d u a l p o r tr a m d r i v e ro ft h ec n cs y s t e m p r o p o s e da ni n t e g r a t e ds t a t u sm o n i t o r i n gm e t h o d f o rt h ec n cs y s t e m ，d e s i g n e d t h eh a r d w a r eo ft h ed a t aa c q u i s i t i o nc a r d h a r d w a r ec i r c u i ti n c l u d i n gt h e p o w e r s u p p l ym o d u l e ，d s ps y s t e m s ，m e m o r ym o d u l e s ，a d c o n v e r s i o nm o d u l ea n d d u a l - p o r tr a mc o m m u n i c a t i o nm o d u l e i n a d d i t i o n ，t h ep c bd e s i g no ft h ed a t a a c q u i s i t i o nc a r di sa l s oa n a l y z e d t h es v s t e mi sa l r e a d ya p p l i e do nac n cm i l l i n gm a c h i n e ，w h i c hp r o v e st h e r e l i a b i l i t ya n do p e n n e s so fi t h a r d w a r ed e s i g no f t h ed a t aa c q u i s i t i o nc a r di sf i n i s h e d ， a n ds o f t w a r ei sg o i n gt ob ed e v e l o p e dn e x t k e yw o r d s ：o p e n ，c n cs y s t e m ，a r m ，d s p , s t a t u sm o n i t o r i n g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁盗叁堂或其他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。 学位论文作者签名：蟊密光 签字日期： 。7 年6 月弓日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘茔有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤盗盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：郭瘤杞 导师签 签字日期：。7 年多月乡f - j 签字同 日 第一章绪论 1 1 课题来源及研究意义 1 1 1 课题来源 第一章绪论 课题来源于基于动态监控建模和物理仿真的制造系统智能控制理论与模式 ( 国家自然科学基金支持项目) 和基于监控建模的嵌入式数控系统与装备产业化 攻关( 天津市科委0 6 y f g z g x l 8 2 0 0 ) 。 1 1 2 课题研究背景与意义 制造业是国家工业的基础，随着计算机技术的高速发展，传统的制造业开始 了根本性变革，各工业发达国家投入巨资，对现代制造技术进行研究开发，提出 了全新的制造模式，先进制造技术正向着柔性化、智能化和网络化方向发展。 数控技术【l 】是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术，数控装备 是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电 一体化产品，即所谓的数字化装备，其技术范围覆盖很多领域：( 1 ) 机械制造技 术；( 2 ) 信息处理、加工、传输技术；( 3 ) 自动控制技术；( 4 ) 伺服驱动技术： ( 5 ) 传感器技术；( 6 ) 软件技术等。 数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业 化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，它对国计民生的一 些重要行业( i t 、汽车、轻工、医疗等) 的发展起着越来越重要的作用，因为这 些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。 我国从1 9 5 8 年开始研制数控机床，2 0 世纪7 0 年代开始生产数控机床，但产量 很低，其功能和可靠性与先进国家相比差距也较大。直n 2 0 世纪8 0 年代初开始， 随着我国改革开放政策的实施，先后从日本、美国、德国等国家引进先进的数控 技术。在引进、消化、吸收国外先进技术的基础上，进行了大量的开发工作，进 而推动了我国数控技术的发展，使我国数控机床在品种、性能上以及水平上均有 了新的飞跃。到1 9 8 9 年底，我国数控机床的可选品种已超过3 0 0 种，其中数控车 床占4 0 ，加工中心占2 7 。这标志着我国数控机床的生产已经建立了以中、低 档数控机床为主的产业体系，为2 0 世纪9 0 年代向着高档数控机床的发展奠定了基 础。目前我国内已有数控厂家1 0 0 多家，主要有华中数控、北京航天机床数控集 团、北京凯恩帝、北京凯奇、沈阳艺天、广州数控、南京新方达、成都广泰等， 第一章绪论 但这些国产数控生产厂家规模都较小，年产都还没有超过3 0 0 4 0 0 套，且数控系 统也主要以中低档为主，可靠性及整体功能还有待进一步提耐2 | 。 目前，国内经济的发展为我国数控系统提供了广阔的市场空间，预计到2 0 1 0 年，国内市场仅金属加工机床总需求就将达到1 0 0 1 2 0 亿美元，其中数控机床需 求将超过l0 7 3 台。此外，航空航天、船舶工业、重大装备制造业、汽车及零部件 制造业、微电子装备制造业对高档数控机床及数控系统的需求也将急剧增j n t 引。 但是，在中国的机床市场，国外数控尤其是高端数控设备长期占据着主导地 位。并且由于国外品牌数控功能相对完善，严重影响了国内开发数控的积极性， 造成国内投资、研发力度不够，可实用产品寥寥无几。而国外数控设备的技术内 核极为封锁，可提供的高端品种也极为有限，甚至对多轴高端数控装备变相禁运 等，制约了我国数控装备的自主研发和功能拓展，严重影响了我国特殊高技术制 造装备的水平提升【4 j 。 基于此，国家对数控系统的自主研发多渠道投入力量进行攻关，积极扶持数 控机床的国产化，培育具有自主知识产权的国产数控品牌机床。国家8 6 3 计划和 十一五攻关计划都将开放式数控技术作为支持国民经济未来高速发展的重大研 究方向。扶持研制高速高精数控机床，鼓励研究高档数控相关设备的专利技术和 标准规范，促进中档数控机床发展，大力研制低成本、先进控制技术及智能控制 技术的数控机床。重点支持面向企业实际应用的开放结构数控技术和产品模式， 支持国内开放数控应用标准体系的建设和支撑市场体系的建设。鼓励产学研联合 进行数控技术的攻关，强调项目成果的产业化。 在这样的政策引导和鼓励下，各档次国产品牌数控系统相继出现，使得国外 品牌诸如法那克、西门子等数控系统的价格大幅下拉，对我国数控技术打破禁运 和不断普及起到了变革性的作用。但是目前的现状是洋品牌依旧占据着我国数控 装备的中高端市场，现有国产品牌在技术含量、可靠性等方面还不足以与洋品牌 的中高端数控产品抗衡。这就更需要真正以数控系统为核心高起点地提升我国的 装备制造业水平，使我国从制造大国快速成为制造强国。同时，数控技术正在发 生重大变革，作为现代制造装备“心脏 的数控系统，正面临着巨大的发展机遇。 以此为契机，力争高起点地自主研发可提升数控制造装备水平的新一代智能化数 控系统，在替代进口设备的同时满足我国制造装备的数控系统需求，可逐步摆脱 对国外技术的依赖，促进国家工业的自主发展进程。 另一方面，作为与现代机械设备息息相关的状态监测及故障诊断技术p j ，是 近2 0 多年来国际上随着电子计算机技术、现代测量技术和信号处理技术的迅速 发展而发展起来的一项新技术。所谓故障诊断就是根据机械设备运行过程中产生 的各种信息来判别机械设备是正常运转还是发生了异常现象，也就是识别机器是 第一章绪论 否发生了故障。状态监测与故障诊断技术在提高生产率、降低成本、节约能源和 人力、减少废品率、保证产品质量等方面起着重要的作用。 由于工业设备的复杂化、连续化和自动化，些关键设备造价相当昂贵，并 且其运行环境也要求这些设备必须在无故障条件下运行，否则将可能导致巨大的 损失，这就要求能实时判别这些设备的技术状态，及时发现异常情况并进行处理。 显然仅依靠传统的定期巡检点监测方法已不能满足这一要求，在线状态监测技术 正是在这种情况下迅速发展起来的，本文所研究状态监测技术即指在线状态监测 技术。利用该技术，可以在设备工作状态下，由监测系统自动获得设备的待检状 态参量，经过数据分析处理即可得到设备的实时运行状态。通过对机器设备进行 实时监测，可以及时发现机器的故障和预防设备恶性事故的发生，有效避免人员 伤亡、环境污染及巨大经济损失。状态监测技术的意义还在于改革设备维修制度。 现在多数工厂的维修制度是定期检修，不论设备是否有故障都按照人为的计划时 间定期检修，造成资源的浪费。利用状态监测技术，在设备正常运转没有故障时 可以不停车，在发现故障前兆时能及时停车，按诊断出故障的性质和部位，可以 有的放矢地进行检修，不但节约了大量的维修费用，而且由于减少了许多不必要 的维修时间，可大大增加机器设备正常运转时间，大幅度地提高生产效率，从而 产生巨大的经济效益。 就数控机床而言，其本身是一种技术含量很高的机电一体化设备，集机、电、 液于一身，在现代机电设备中非常具有代表性，具有技术密集和知识密集的特点。 自1 9 5 2 年美国研制出第一台三坐标数控铣床以来，数控机床就以其卓越的性能， 逐渐成为机床行业的主力军。由于数控机床的结构复杂性、技术先进性，一旦机 床出现了故障，其检查工作量大，涉及技术领域多，现场工作人员或技术人员一 般无力解决，而是需要异地机床生产厂家的技术人员和相关专家的技术支持。通 常情况下，异地机床生产厂家的技术人员或相关专家为检修发生故障的数控设 备，必须了解相关设备的现场信息。而在目前条件下，这些相关人员必须亲自到 达加工现场，这使得除了增加经济及人员负担外，对机床用户来讲，其最大的损 失在于设备故障不能及时排除，大大延误了生产周期，打乱了加工计划，甚至可 能造成合同纠纷；而对于技术人员来讲，由于地域、行业及企业间的相互限制， 彼此之间联系松散，使得实际技术力量显得严重不足，同时又有相当大的潜力没 有得到充分利用。当设备求诊时，由于地域限制，专家或生产厂家技术人员就会 奔波于全国各地，造成资源的严重浪费。因此，一旦数控机床出现了故障，要使 故障源充分暴露或者使故障定位，需要维修人员具有较高的业务水平和丰富的经 验，这就给故障的及时排除带来了许多困难，因此，对数控机床故障诊断技术的 研究提上日型。 第一章绪论 机床故障诊断技术是建立在机械工程、测试技术、信号处理、计算机应用技 术、人工智能等众多理论基础上的新兴综合性科学技术，机械设备故障诊断越准 确及时，对生产安全、避免人员及财产的损失的作用越大。据日本统计，采用故 障诊断技术后，每年设备维护费用可减少2 5 5 0 。统计表明，工业现场中，8 0 的时间用来查找所出现的故障原因，而只有2 0 的时间来解决故障。人工查找故 障费时费力，特别是数控机床的维修更是困难，它已成为制约我国数控技术广泛 应用的主要障碍之一l 岿j 。 同时，随着柔性化、智能化、网络化的发展趋势，数控设备的结构日趋复杂， 在其实现高速、高精、高效及加工自动化的过程中，对加工过程实时可控的要求 越来越高。另一个客观事实是，目前我国数控设备仍严重依赖进口，核心技术的 受限于人成为制约企业独立进行设备故障诊断的一个重要因素。因此，开发具有 自主知识产权的数控系统，同时面向用户集成友好的监测诊断功能，对于促进数 控技术发展、提高加工精度、提升数控设备使用效率等将具有重要意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 开放式数控系统研究现状 随着信息时代的来临以及世界经济一体化水平的不断提高，全球范围内的竞 争不断加剧，人们对产品的性能要求不断提高，产品的规格和形式也日新月异。 传统的工业生产模式已很难满足新时代发展的要求，主要表现为产品形状结构的 复杂化、加工质量的精密化、更新换代的快速化以及产品批量的小型化等，要求 加工制造系统具备良好的柔性和多种加工功能的特征。根据市场发展的客观趋 势，数控机床正在向着模块化、可重构、可扩充的开放式数控系统方向发展一，】川。 与传统数控系统相比，开放式数控系统克服了硬件系统互不兼容、模块间交 互方式和通信机制各不相同以及不同厂家系统相对独立彼此封闭的弊病，从硬件 结构、软件功能、互换性上讲，都有着很大的优越性，因此可以说，开放式数控 系统的发展带来了数控系统的又一次大的变革。 开放式数控系统具有如下特点i l 】 1 2 j ： ( 1 ) 模块化：具有高度模块化的特征，采用分布式控制原则。采用系统、 子系统和模块分级式的控制结构，其构造是可移植和透明的。 ( 2 ) 标准化：“开放”是在一定规范下的开放，并非毫无约束的开放。需要 制定个标准来约束各类机床控制器的研发。 ( 3 ) 可再次开发：允许用户进行第二次开发，根据需要可方便地实现重构、 编辑，从而实现一个系统多种用途。 4 第一章绪论 ( 4 ) 平台无关性：开放式体系结构中各模块相互独立，系统厂、机床厂及 最终用户都能够很容易地独立开发一系列专用功能和其它有特殊要求的模块。为 此要有方便的支持工具，控制程序设计按系统一子系统一模块三级进行，各模 块接口协议要明确。 ( 5 ) 适应网络操作方式：作为开放式控制器应当考虑到迅速发展的网络技 术及其在工业生产领域的应用。要具有一种较好的通信和接口协议，以便各相对 独立的功能模块实现信息交换，满足实时控制需要。 随着微电子技术的发展与通用p c 性能的提高，基于p c 的开放式数控系统 1 3 , 1 4 应运而生。基于p c 的开放式数控系统主要有三种结构： 其一是采用p c + n c 控制卡的形式。这种结构将n c 控制卡插入p c 的标准插槽 中，以工业p c 为主控计算机，组件采用商用标准化模块，总线采用p c 总线形式， 同时以多轴运动轴控制器作为系统从机，进而构成主从分布式的结构体系。运动 控制器通常以p c 硬件插件的形式构成系统，完成机床运动控制、逻辑控制等功 能。p c 作为系统的主处理器，主要完成系统管理、运动学计算等任务。 第二种为c n c + p c 的架构。即把一块p c 主板插入传统的c n c 系统中，p c 将 实现用户接口、文件管理以及通讯功能等，n c 插卡将全面负责机床的运动控制 和开关量控制。 第三种为软件c n c 。这种c n c 装置的主体是p c 机，利用p c 机不断提高的计 算速度、不断扩大的存储量和性能不断优化的操作系统，实现机床控制中的运动 轨迹控制和开关量的逻辑控制。 长期以来，国产数控为了打破国外数控系统的垄断，走了一条基于p c 平台 的道路，希望以此作为突破口。可是，多年过去，已有一批p c b a s e 数控系统运 用于生产实际，但起色并不显著，主要原因分析如下【”】： ( 1 ) p c b a s e 数控系统需要工业计算机的捆绑销售，造成资源浪费和成本 的提高。 ( 2 ) p c b a s e 数控系统的硬件结构非常复杂，从而导致系统的整体可靠性 的降低。 ( 3 ) p c b a s e 数控系统的软件操作系统主要有d o s 和w i n d o w s 两种方案， d o s 操作系统过于简陋，导致许多功能实现起来非常困难或者无法实现，如网 络和u s b 功能；而w i n d o w s 操作系统又过于庞大和累赘，系统实时性差，并存 在微软公司的版权问题。 ( 4 ) p c b a s e 数控系统需要设计基于i s a p c i 总线的i o 控制卡和专用的 运动控制卡，造成硬件结构复杂化。 而近年来，随着芯片技术的发展，单个芯片的处理能力越来越强，集成的接 第一章绪论 口也越来越丰富，众多芯片生产厂商已经将注意力集中在这方面。另一方面由于 对产品可靠性、成本、更新换代要求的提高，也使得嵌入式系统逐渐从纯硬件实 现和使用通用计算机实现的应用中脱颖而出，成为令人关注的焦点。作为业内最 为成功的微处理器，a r m 微处理器【l6 1 7 】在高性能和低功耗特性方面提供最佳的 性能。 另一方面，包括嵌入式l i n u x 1 8 2 0 】在内的多款优秀的嵌入式操作系统都可以 在a r m 平台上运行。嵌入式l i n u x 是将日益流行的l i n u x 操作系统进行裁剪修改， 使之能在嵌入式计算机系统上运行的一种操作系统。嵌入式l i n u x 既继承了 i n t e m e t 上无限的开放源代码资源，又具有嵌入式操作系统的特性。嵌入式l i n u x 的特点是性能优异，软件移植容易，而且版权免费，代码开放，有许多应用软件 支持，所以利用l i n u x 开发产品可以缩短研发周期，使新产品迅速上市。 目前a r m 9 系列微处理器已经广泛应用于无线设备、仪器仪表、安全系统、 机顶盒、高端打印机、数字照相机和数字摄像机等。这些成功的运用为将数控系 统软件移植到a r m 9 微处理器奠定了良好的基础，而且基于a r m 9 嵌入式微处理 器和l i n u x 操作系统的数控系统具有开放性、模块化、小型化、网络化和成本低 的特点，符合市场发展的需求【2 m 引。 1 2 2 机床状态监测研究现状 状态监测( c o n d i t i o nm o n i t o r i n g ) 是指对运转中的设备整体或其零部件的状态 进行检查鉴定，以判断其运转是否正常，有无异常与劣化征兆，或对异常情况进 行追踪，预测其劣化趋势，确定其劣化及磨损程度等活动。就监测方式而言，可 分为离散监测和连续监测两种监测功能。所谓离散监测，主要是指对设备运行过 程中的状态进行监测，其离散状态变量包括二进制的数字控制信号，如系统层和 单元层的控制信息及通信信号，数控系统和底层p l c 的控制信息，以及机械辅助 定位机构运行状态的开关传感器信号和一般i o 的信息等。这些信息的共同点是 以数字量的形式出现。所谓连续监测，主要是指测量加工设备及其加工过程物理 状态变量的传感信号，以及从测量工件和刀具轮廓尺寸的传感器中获取的几何数 据等。它们直接关系到设备加工过程的正常运行及加工产品的质量。这些信息的 共同特点是以模拟量的形式出现。有效地获取上述这些信息，正确地使用和分析 融合这些信息可以说是现代机械制造系统监控和诊断的首要任务uo 。 数控机床是一个复杂的系统，在机床运转过程中需要监测的状态量很多，如 刀具、主轴、进给轴、切削液、机床床身、夹具、工件等的工作状态。其中，刀 具监测是先进制造技术中的关键技术。刀具的磨损将直接影响被加工零件的尺寸 精度、形状精度和表面质量，甚至会影响生产安全。刀具的磨损、破损不仅会导 6 第一章绪论 致机床的功能失效，还会构成整个系统的故障。同时，相对于机床、夹具与工件， 刀具状态的监测较为方便、可靠，因此对加工过程的识别其信息来源的主要手段 之一就是对刀具状态加以监测，机床状态监测的研究也主要集中在了对刀具的状 态监测上。 由于在机床运行中，反映各待检状态的物理量往往不只一个，如在刀具磨损 过程中发生变化的参量就有声发射( a e ) 、切削力、振动、主轴及进给轴电机 电流、功率等，相应的也就产生了基于声发射的状态监测技术、基于切削力的检 测技术等。这些检测技术的本质就是对信号特征量进行时域统计分析或频域的谱 分析，在研究思想上，一般力图寻求某一阀值作为状态识别的依据，因此这种方 法需要人工进行判断。但由于阀值在整个生产中的随机性，很难确定其值，因此 进展不大。2 0 世纪9 0 年代以来，智能制造技术逐渐成为制造业中的关键技术，人 工神经网络( a n n ) 因其并行分布式处理、联想记忆、自组织及自学习能力和极强 的非线性映射能力而特别适合于复杂的模式识别问题。基于神经网络的智能监 测、故障诊断、识别、设计和优化等技术日趋受到重视，通过提取待检状态的多 元参量实现基于人工神经网络的状态识别技术成为一个新的研究课题。根据这种 技术，由多个传感器分别检测不同的物理参量信号，提取各信号的特征量并送入 经过学习训练的神经网络作为网络输入。经过网络的非线性映射( 识别过程) ， 可有效判断出这些物理参量值所对应的状态。 目前对于数控机床的状态监测，c n c 系统本身只是利用软件程序或内部p l c 对系 统本身的c p u 、存贮器、参数状态、加工程序、或一些离散状态量如机床限位信 号、i o 开关量等信息进行监测或判断。而对于外部部件在运行中的连续变化状 态如刀具磨损等系统一般不作监测控制。对这些连续变化信号的检测，通常需要 针对某一特定目的建立一套与c n c 系统独立的监测系统，或是利用一些信号分析 仪对检测信号进行分析，以此间接直观判断机床待检部件运行是否正常。这样就 导致在需要进行状态监测的情况下系统的集成度低，对于多套数控设备，就需建 立多套专门的监测系统，既增加了成本，造成资源浪费，同时由于监测终端( 多 为p c 机) 通常放置于微机室，导致布线长度的增加，同时也增大了可实际操作 的难度，不利于现场操作人员及时、有效地掌握设备状态信息u 卜川j 。 1 3 课题研究内容 我国是制造大国，在世界产业转移中要尽量接受前端而不是后端的转移，即 要掌握先进制造核心技术，否则在新一轮国际产业结构调整中，我国制造业将进 一步“空芯 。我们以资源、环境、市场为代价，交换得到的可能仅仅是世界新 经济格局中的国际“加工中心”和“组装中心”，而非掌握核心技术的制造中心 第一章绪论 的地位，这样将会严重影响我国现代制造业的发展进程。因此，掌握核心技术， 开发具有自主知识产权的新一代数控系统具有重要的意义。 基于a r m 微处理器和嵌入式l i n u x 的开放式数控系统运算能力强、成本低， 凭借其开放性、网络化等优势，能及时方便地纳入新技术、新方法。同时，由于 传统的机床状态监测需在加工现场建立一套独立的监测系统，造成资源浪费并增 加了实际操作难度。对此，本文提出了在开放式数控系统基本构架的基础上，集 成状态监测模块的方法来实现对数控加工的实时状态监测与故障诊断。 课题具体研究框架如下： ( 1 ) 研究基于a r m 的开放式数控系统，完善硬件电路 ( 2 ) 对数控系统的任务进行分析，讨论其实时性的实现方案，开发数控系 统的设备驱动程序 ( 3 ) 提出开放式数控系统的集成状态监测方案，开发数据采集卡 8 第二章基于a r m 的开放式数控系统研究 第二章基于a r m 的开放式数控系统研究 2 1 数控系统基本原理 数控机床实现自动加工离不开对电机的控制。为了达到加工工件所需要的精 度、粗糙度和效率，需要对电机的位置、速度、加速度、转矩等实现精确控制。 为此，现代数控机床广泛采用电机伺服控制系统。 电机的伺服控制系统主要由控制电路、位置和速度检测传感器、功率放大器 和伺服电机组成。控制电路产生的弱电信号经过功率放大，驱动伺服电机。同时， 控制电路通过检测位置和速度的反馈信号改变控制信号，实现闭环控制【3 。 伺服 电机齿轮箱 图2 1 半闭环伺服系统 伺服 电机齿轮箱 图2 - 2 闭环伺服系统 电机的伺服控制系统包括闭环伺服系统( 图2 2 ) 和半闭环伺服系统( 图2 1 ) 。 闭环伺服系统的机床上安装有检测装置，直接对工作台的位移量进行检测。当数 控装置发出指令进给信号后，经伺服驱动使工作台移动时，位置检测装置将工作 第二章基于a r d v i 的开放式数控系统研究 台的机械位移量变成电参量，反馈到数控装置。数控装置通过与指令信号进行比 较，将比较结果进行处理和放大，再驱动工作台向减小差值的方向移动，直到差 值为零。由于将机床工作台纳入了位鼍控制环，所以闭环系统可以消除包括工作 台传动链在内的误差，从而获得很高的精度。但是，由于有很多机械传动环节包 括在闭环控制的环路内，各部件的摩擦特性、刚性以及间隙等都是非线性量，直 接影响伺服系统的调节参数。因此，闭环系统的设计和调整困难，系统容易不稳 定，主要用于一些精度要求很高的机床。 半闭环系统则通常不直接测量工作台的位移量，而是通过测量电机或丝杠等 的旋转角度间接获得工作台的位置信息。因此，半闭环系统只能对检测环节前的 误差进行补偿。但是，由于把惯性质量较大的工作台安排在反馈环之外，所以其 稳定性较好，系统调整较为容易。由于半闭环系统的结构简单，安装方便、成本 较低，只要适当提高丝杠、螺母等传动机构的精度，采用适当的误差补偿措施， 使用半闭环系统是较为合理的。因此，绝大多数数控机床采用半闭环伺服系统。 在本设计中，采用了半闭环伺服系统。 2 2 开放式数控系统的定义 所谓开放式数控系统，i e e e ( 国际电气和电子工程师协会) 的定义是：开 放式系统具有这样的功能，它们完全能使应用程序在不同厂商的各种平台上运 行，能支持与其它应用程序的交互操作。根据此定义，开放式数控系统应具有以 下的特点： ( 1 ) 开放性：提供标准化的基础平台和接口，允许集成不同功能和不同开 发商的软硬件模块。 ( 2 ) 可移植性：不同应用程序模块可在不同供应商提供的系统平台上运行； 系统平台也可在不同类型、不同性能的硬件平台上运行。 ( 3 ) 扩展性：系统功能的扩充仅仅表现为特定功能模块的装载与卸载。 ( 4 ) 互操作性：提供标准化的接口、通讯和交互模型。不同应用程序模块 通过标准化的应用程序接口进行交互，保持平等的相互操作能力，能协调地工作。 2 3 基于a r m 的开放式数控系统硬件结构 系统采用双c p u 的主从式结构。a r d v i 为主c p u ，基于它的数控系统主控制 板称为上位机。d s p 3 2 a c e u ，基于它的多轴运动控制卡称为下位机。数控系 统在开放式结构的基础上还集成了状态监测模块。其总体硬件结构如图2 3 所示。 1 0 第二章基于a r m 的开放式数控系统研究 a r m 主控制板运动控制模块 双口d s p 基于 - - i 编码器n t e m e t 卜+一- -h - c p l d r a m 模块 的可 - q p w m 键盘、l c 。f - 重构 a r m 串口、c a nh + +主控 1 功能 p 数字i 0 模块 制板 f l a s hi - 双口数据信号振动 刊 h 一 h 一 r a m 采集卡调理器传感器 s d r a m _ 状态监测模块 图2 3 基于a r m 的开放式数控系统硬件结构 上位机的任务有：接收外部输入的数据及信息、系统管理、数据存储、用户 界面管理、译码、通讯控制、系统维护等。用户通过输入设备和用户界面与上位 机进行交互，上位机将信息和控制信号，通过双端口r a m 以数据块和控制字的 方式发送到下位机，并读取下位机的状态参数。 下位机的任务有：运算高速插补算法、逻辑计算等。因此，插补模块、可编 程机床逻辑控制( p m c ) 模块是下位机的功能模块。 状态监测模块的数据采集卡采用d s p 和现场可编程门阵列( f p g a ) 技术设 计，主要负责模数转换、基本的数据处理和数据存储。 a r m 主控板与运动控制卡和数据采集卡之间均通过双端口r a m 连接，硬 件接口电路简单，与并行通信、串行通信以及d m a 通信方式相比，具有更大的 吞吐能力和更高的数据传输效率。 2 4 基于a r m 的数控系统主控板 2 4 1a r m 微控制器的特点 本次设计使用的a r m 芯片是完全围绕a r m 9 2 0 ta r mt h u m b 处理器构建 的系统。它有丰富的系统与应用外设及标准的接口，为低功耗、低成本、高性能 的计算机宽范围应用提供了一个单片解决方案。 它包括一个高速片上s r a m 工作区及一个低等待时间的外部总线接口 ( e b i ) ，以完成应用所要求的片外存储器和内部存储器映射外设配置的无缝连 接。e b i 有同步d r a m ( s d r a m ) 、b u r s tf l a s h 及静态存储器的控制器，并设计 了专用电路以方便与s m a r t m e d i a 、c o m p a c t f l a s h 及n a n df l a s h 连接。 第二章 基于a r m 的开放式数控系统研究 高级中断控制器( a i c ) 通过多向量，中断源优先级划分及缩短中断处理传 输时间来提高a r m 9 2 0 t 处理器的中断处理性能。 外设数据控制器( p d c ) 向所有的串行外设提供d m a 通道，使其与片内或 片外存储器传输数据时不用经过处理器。这就减少了传输连续数据流时处理器的 开销。包含双指针的p d c 控制器极大的简化了它的缓冲器链接。 并行i o ( p i o ) 控制器与作为通用数据的i o 复用外设输入输出口线，以 最大程度上适应器件的配置。每条口线上包含有一个输入变化中断、开漏能力及 可编程上拉电阻。 电源管理控制器( p m c ) 通过软件控制有选择的使能禁用处理器及各种外 设来使系统的功耗保持最低。它用一个增强的时钟产生器来提供包括慢时钟( 3 2 k h z ) 在内的选定时钟信号，以随时优化功耗与性能。 集成了许多标准接口，包括u s b2 0 全速主机和设备端口及与多数外设和在 网络层广泛使用的1 0 1 0 0b a s e t 以太网媒体访问控制器( m a c ) 。此外，它还 提供一系列符合工业标准的外设，可在音频、电信、f l a s h 卡、红外线及智能卡 中使用。 为完善性能，集成了包括j t a g i c e 、专门u a r t 调试通道( d b g u ) 及嵌入 式的实时追踪等一系列的调试功能。这些功能使得开发、调试所有的应用特别是 受实时性限制的应用成为可能【1 5 1 7 1 。 2 4 2 数控系统主控板的硬件结构 中央处理器 a r m 9 主频1 8 0 m ( 可稳定超频到2 4 0 m h z ) ，工业级； 外部存储器 1 6 k 字节c 接口的e e p r o m ，用于存储上电时的引导程序b o o t ； 一4 mb y t e sn a n d f l a s h ； 一4 m b y t e ss d r a m ( 2 片1 6 位的s d r a m 芯片组成3 2 位接口) ； 2 d 图形加速器 外部扩展的2 d 图形加速引擎，具有独立的2 m 字节显示存储器； 一个标准v g a 接口，最大支持1 6 b p p 模式8 0 0 6 0 0 分辨率： 一个t f t 液晶屏接口，最大支持1 6 b p p 模式8 0 0 x 6 0 0 分辨率； 串口 一个串口为标准三线r s 2 3 2 接口； 另一个为标准9 线r s 2 3 2 接口，可接m o d e m ； r s 4 8 5 接口 1 2 第二章基于a r m 的开放式数控系统研究 一个r s 4 8 5 通讯接口 网口 一个1 0 0 m 网口( a t 9 l r m 9 2 0 0 内部m a c + 外部p h y ) ，带发送、接受和 联接指示灯； u s b 接口 一个u s bh o s t ( u s b 2 0 f u l ls p e e d ) 接口； 一个u s bd e v i c e ( u s b 2 0 f u l ls p e e d ) 接v i ； s p l 接口 一个s p i 接口，配置为主模式，用来与键盘进行通讯； c a n 总线接口 一个c a n 总线接口，全面支持c a n 2 0 a 和c a n 2 0 b 协议； 存储卡接口 一个m m c s d 卡接口，可支持2 g 的s d 卡。s d 卡由于掉电数据不丢失， 成本低，更换方便，用来保存系统的参数、加工程序和状态信息等需要保存和经 常读写的数据。而f l a s h 由于成本高，更换困难，读写次数有限，用来保存操 作系统、根文件系统等日常运行下不需要修改的数据。这样f l a s h 工作在只读 状态，增加了寿命，降低了系统的运行成本； 扩展接口 一个扩展接口，用来与运动控制卡和数据采集卡进行通讯； 其他 - r t c 实时时钟，由锂电池供电； 一个带功率驱动的蜂鸣器； 四个接在g p i o 口线上的高亮l e d ； 四个接在g p i o 口线上的小按键： 一个复位按键，采用专用芯片进行复位； 电源接口 数字部分电源供电，输入直流电压5 v ，带电源指示灯； 通讯部分电源供电，输入直流电压5 v ，带电源指示灯。 2 5 基于d s p 的运动控制卡 2 5 1d s p 的特点 d s p 3 4 1 ( d i g i t a ls i g n a l sp r o c e s s o r 数字信号处理器) 在体系结构上与通用微 处理器有很大的区别，下面是几个关键的不同点： 第二章基于a r m 的开放式数控系统研究 单周期指令：大多数d s p 都拥有流水结构，它可以在一个时钟周期内执行 一条语句。 快速乘法器：信号处理算法往往大量用到乘加( m u l t i p l y a c c u m u l a t e ，m a c ) 运算。d s p 有专用的硬件乘法器，它可以在一个时钟周期内完成m a c 运算。硬 件乘法器占用了d s p 芯片面积的很大一部分。( 与之相反，通用微处理器采用一 种较慢的、迭代的乘法技术，它可以在多个时钟周期内完成一次乘法运算，但是 占用了较少了硅片资源) 。 多总线：d s p 有分开的代码和数据总线( 一般用术语“哈佛结构 表示) ， 这样在同一个时钟周期内可以进行多次存储器访问。这是因为数据总线也往往有 好几组。有了这种体系结构，d s p 就可以在单个时钟周期内取出一条指令和一个 或者两个( 或者更多) 的操作数。 地址发生器：d s p 有专用的硬件地址发生单元，这样它可以支持许多信号处 理算法所要求的特定数据地址模式。这包括前( 后) 增( 减) 、环状数据缓冲的 模地址以及f f t 的比特倒置地址。地址发生器单元与主a l u 和乘法器并行工作， 这就进一步增加了d s p 可以在一个时钟周期内可以完成的工作量。 硬件辅助循环：信号处理算法常常需要执行紧密的指令循环。对硬件辅助循 环的支持，可以让d s p 高效的循环执行代码块而无需让流水线停转或者让软件 来测试循环终止条件。 数据格式：除了标准的整数型格式外，d s p 一般支持定点和( 或) 浮点数。 本系统的运动控制卡采用t i 公司的d s p ，其既具有数字信号处理能力，又 具有强大的事件管理能力和嵌入式控制功能，特别适用于有大批量数据处理的测 控场合。它的c p u 具有精简指集计算功能、微控制器结构、固件及工具装置等。 其时钟周期为6 6 7 n s ，有18 k 的片上s r a m 、1 2 8 k 的片内f l a s h 、外部存储器 接口、事件管理器和各种通讯接口等丰富的硬件资源。 2 5 2 基于d s p 的运动控制卡的功能 ( 1 ) 4 轴控制：运动控制板可进行四轴控制，并能允许多达3 轴联动。 ( 2 ) 脉冲输出：既可输出固定的脉冲数，又可连续输出脉冲。输出脉冲模 式有脉冲方向电平模式和正向脉冲负向脉冲两种模式。 ( 3 ) 恒速控制：恒速控制功能允许在不同的插补轴进行改换时保持运动速 度不变。 ( 4 ) 速度控制：可以为每一个轴设置为单独的s 曲线或梯形加减速。输出 脉冲频率从1 h z 到4 m h z ，输出脉冲频率精度小于士0 1 。 ( 5 ) 位置控制：每一个轴都包含1 个3 2 位的逻辑位置计数器和1 个3 2 位 的实际位置计数器。逻辑位置计数器记录输出的位置脉冲，而实际位