（机械工程专业论文）基于twincat的数控转塔冲床开放式控制系统研究.pdf

摘要 冲压成形是现代代工业生产中的一项重要技术，应用范围广泛，数控转塔冲床则是冲 压成形的重要设备，其核心部分数控系统目前大多依靠进口，因此研究转塔冲床的数控系 统具有十分重要的意义。 随着数控系统的不断发展以及各种支撑技术的日益完善，数控系统的开放程度也越来 越高，开放式数控系统以其通用化、开放化以及兼容性高等优点解决了传统数控系统的封 闭问题，很好地适应了现代工业化生产的要求，已经成为数控系统的发展方向。 本文分析了开放式数控系统的的三种主要控制方案，最终采用纯软件式控制方案，基 于t 耐n c a t 平台，充分利用b e c k h o f f 提供的组件，对数控系统进行开发，并对孔群路径 问题进行了相关的研究，旨在提高机床的加工效率。论文主要包括以下几部分内容： 首先，了解数控转塔冲床的硬件组成和工作原理，在此基础上，对各主要组件进行选 型，并且利用现场总线技术，搭建数控系统的硬件部分。 然后，基于t w i n c a t 控制平台，分别对系统的组态和软p l c 程序进行开发，实现数 控系统的软件部分。 接着，对数控系统的上位机程序进行开发，根据生产实际的需要，采用模块化的设计 思想，进行系统功能模块划分，主要实现加工控制、图形仿真、参数设置和故障诊断等功 能，设计出符合要求的上位机人机界面。 最后，从提高生产效率的角度出发，对孔群加工路径进行合理的优化，主要从常规法 和人工智能优化法两个方面进行优化方案设计，这里采用了x 或y 单向优化法、邻近优化 法和混合遗传算法分别进行优化建模，比较优化结果，根据加工环境，选用合适的优化方 案。 关键词：数控转塔冲床；开放式控制系统；t 丽n c a t ；人机界面；孔群路径优化 i i a b s t r a c t i i i t h ep u n c h f o r m i n gt e c h n o l o g yi sav e r yi m p o r t a n tt e c h n o l o g yi nt h em o d e mi n d u s t r i a l p r o d u c t i o na _ i l dh a saw i d er a n g eo fa p p l i c a t i o n a sa ni m p o r t a n te q u i p m e n tu s e di nt h ei p u n c h i n g j t h e ：n u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m , t h eh a r d c o r eo ft h ec n ct u r r e tp u n c hp r e s s ，a l w a y sd e p 锄豳o n i m p o r t i n gb a s i c a l l ya tp r e s e n t ；s ot h es t u d yo nc n cs y s t e mo ft u r r e tp a n c hp r e s si so fi m p o r t a n t s i g n i f i c a n c e w i t ht h ec o n t i n u e sd e v e l o p m e n to fn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e ma n dt h ec o n s u m m a t i o no f v a r i o u ss u p p o r tt e c h n o l o g i e s ，t h eo p e n i n gd e g r e eo ft h en u m e r i c a lc o n t r o ls y s t 。e mi sm o r ea n d m o r eh i g h w i t ht h ec h a r a c t e r i s t i co f g e n e r a l , o p e n i n ga n dc o m p a t i b l e 谢也o t h e r s ，t h eo p e nc n c s y s t e mh a ss o l v e dt h ec l o s e di s s u e so ft r a d i t i o n a lc n cs y s t e mt oa d a p tt ot h em o d e mi n d u s t r i a l p r o d u c t i o nr e q u i r e m e n t s i ti sg o i n gt ob et h ed e v e l o p m e n td i r e c t i o n t h i sa r t i c l ea n a l y z e dt h r e ec o n t r o ls c h e m eo fo p e nc n c s y s t e ma n da d o p t e dp u r es o f t w a r e 移p ec o n t r o ls c h e m e i tm a d ef u l lu s eo fc o m p o n e n t sp r o v i d e db yb e c k h o f ft od e v e l o pc n c s y s t e mb a s e do nt w i n c a tp l a t f o r m t o ：i m p r o v et h ep r o c e s s i n ge f f i c i e n c y t h e r ew a sas t u d yo n t h ei s s u eo fh o l e sp a t ho p t i m i z a t i o n t h i sa r t i c l em a i n l yi n v o l v e df o l l o w i n gp a r t s ： f i r s t l y , b a s e do nt h ek n o w l e d g eo ft h eh a r d w a r ec o m p o n e n t sa n dw o r k i n gp r i n c i p l eo ft h e c n ct u r r e tp u n c h , t h em a i nc o m p o n e n t sm u s tb es e l e c t e d a n dt h e ns e tu pt h eh a r d w a r ep a r t so f t h ec n c s y s t e m t h r o u g hf i e l d b u st e c h n o l o g y t h e n ，b a s e do nt h et w i n c a tc o n t r o lp l a t f o r m ，e x p l o i tt h es y s t e mc o n f i g u r a t i o na n dt h es o f t p l c p r o g r a m st oc o m p l e t et h es o f t w a r ep a r t so f _ l ：l l ec n cs y s t e m a n dt h e n ，a c c o r d i n gt ot h en e e d so ft h ep r a c t i c a lp r o d u c t i o n ，e x p l o i tt h ep cp r o g r a m so ft h e c n cs y s t e m i td i v i d e dt h es y s t e mi n t os e v e r a lm o d u l e sw i t hm o d u l ed e s i g nt h o u g h t i tm a i n l y r e a l i z e df u n c t i o n so fp r o c e s s i n gc o n t r o l ，g r a p h i cs i m u l a t i o n ，p a r a m e t e rs e t t i n g sa n df a u l ta l a r m a n ds oo ns oa st od e s i g np ch u m a n - c o m p u t e ri n t e r f a c ec o m p l i e dw i t l lt h er e q u i r e m e n t s f i n a l l y , f r o mt h ep o i n to fv i e wo fi m p r o v i n gp r o d u c t i o ne f f i c i e n c y , o p t i m i z et h e 】：1 0 l e s p r o c e s s i n gp a t hf r o mt h ec o n v e n t i o n a lm e t h o da n da r t i f i c i a li n t e l l i g e n to p t i m i z a t i o nm e t h o d 怕哟 a s p e c t s | ! n l e nl i tt o o kx o ry o n e - w a yo p t i m i z a t i o nm e t h o d ；n e i g h b o r i n go p f i m i z a t i o nm e t h o d a n dh y b r i dg e n e t i ca l g o r i t h mr e s p e c t i v e l yt ob u i l du pm o d e l sa n dc o m p a r ew i t he a c ho t h e r a c c o r d i n gt ot h ep r o c e s s i n ge n v i r o n m e n t ，c h o o s et h es u i t a b l eo p t i m i z a t i o ns c h e m e , k 呵w o r d s ：c n ct u r r e tp t m c hp r e s s ；o p e nc n cs y s t e m ；t w i n c a t ；h m i ；h o l e sp a t h o p t i 矗z a t i o n i v v 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第一章绪论1 1 1 数控冲床概述1 1 1 1 数控冲床的产生背景1 1 1 2 数控转塔冲床的分类1 1 1 3 国内外数控转塔冲床的发展概况2 1 2 数控系统概述3 1 2 1 数控系统的组成3 1 2 2 数控系统的分类3 1 2 3 开放式数控系统的分类。4 1 2 4 开放式数控系统的现状及发展趋势6 1 3 课题背景和意义8 1 4 课题研究的内容8 1 5 本章小结9 第二章控制系统的硬件部分总体设计与技术实现1o 2 1e t - 3 0 0 数控转塔冲床简介1 0 2 1 1 数控转塔冲床的组成结构1 0 2 1 2 数控转塔冲床的工作原理1 1 2 2 控制系统硬件部分的实现技术1 1 2 2 1e t h e r c a t 工业以太网技术简介1 1 2 2 2c a n 总线以及c a n o p e n 通讯协议简介1 2 2 2 3 主从站技术1 4 2 3 控制系统的硬件选型15 2 3 1 伺服电机以及伺服驱动器的选择1 5 2 3 2e t h e r c a t 耦合器和端子模块的选型1 6 2 3 3 从站控制器和端子模块选型1 7 2 3 4i p c 选型1 8 2 4 控制系统硬件部分的连接18 2 5 本章小结1 9 第三章基于t w i n c a t 的下位机程序开发2 0 3 1 基于t 丽n c a t 的下位机程序开发总体设计方案介绍2 0 3 1 1n 洫c a t 工控软件简介一2 0 3 。1 2 软p l c 技术简介2 1 3 1 3t w i n c a tp l c 简介2 2 3 1 4n 汕c a tp l c 开发环境2 2 3 2t w i n c a t 系统组态一2 3 3 2 1p l c 组态2 4 3 2 2i o 组态2 5 3 2 3n c 组态。2 6 3 3p l ci o 变量的定义和地址分配一2 6 3 4p l c 程序的编译以及运行调试2 8 3 5 本章小结3 0 v i 第四章上位机程序开发与人机界面设计一31 4 1 前言31 4 2 系统功能分析31 4 3 功能模块设计3 2 4 3 1 用户登陆模块3 2 4 3 23 n - r 运行模块3 3 4 3 3 程序解释模块3 5 4 3 4 加工过程仿真模块3 6 4 - 3 5 模具库模块3 7 4 3 6 故障报警诊断模块3 8 4 3 7 参数配置模块3 9 4 4 上下位机之间的通讯实现3 9 4 5 本章小结3 9 第五章板材孔群加工路径问题的优化研究一4 0 5 1 前言4 0 5 2x 或y 单向优化法4 1 5 3 邻近优化法4 2 5 3 1 传统邻近优化法4 2 5 3 2 改进的邻近优化法4 3 5 4 基于改进的遗传算法孔群力n - r - 路径优化一4 4 5 4 1 遗传算法简介4 4 5 4 2 遗传算法的基本操作以及实现过程4 5 5 4 3 遗传算法的改进4 6 5 4 4 基于梯度遗传算法的孔群路径优化的建模分析4 7 5 4 5 基于梯度遗传算法路径优化的实现与比较4 9 5 5 各种优化方案的比较和选择51 5 6 本章小结51 第六章总结与展望5 2 6 1 总结5 2 6 2 展望5 2 参考文献5 4 致谢5 7 攻读硕士学位期间主要研究成果5 8 扬州大学学位论文原创性声明和版权使用授权书5 9 王亚鹏：基于t w i n c a t 的数控转塔冲床开放式控制系统研究 1 1 数控冲床概述 第一章绪论 1 1 1 数控冲床的产生背景 当今工业生产，产品周期和生产周期越来越短，对产品的质量要求越来越高，同时产 品的品种也越来越多，而产品的批量越来越小，这对钣金业是一个挑战，因而要求板材加 工设备具有高生产率、高柔性以及较低的生产成本等优点，在这种情况下，数控冲床的产 生适应了钣金加工业对加工设备的要求。 相比较传统冲床而言，数控冲床具有以下优势【l j ： ( 1 ) 使用方便。可以通过简单的模具组合，加工出复杂的零件，节省了大量的模具费 用，降低了生产的成本，缩短了生产的周期，生产范围宽，加工能力强，主要适合小批量 生产加工，从而能够适应市场和产品的变化。 ( 2 ) 加工精度高。冲切毛刺小，工件平整度好，后续加工量少，废品率低，成型质量 高，加工尺寸精度一般可达0 1 m m ，产品尺寸的一致性较好。 ( 3 ) 生产效率高。数控冲床的加工效率高，一般的液压式设备冲程率可达5 0 0 , - - 6 0 0 次 分钟，有的甚至高达9 0 0 次分钟，最大定位速度可达1 0 0 0 次分钟。对于大尺寸板材基本 可以一次性加工完成，而不像传统加工需多工序分步完成，这样减少了中间环节，减少了 后处理工序，可以大大提高生产效率，降低成本。 1 1 2 数控转塔冲床的分类 数控冲床是一种用于钣金成型或分离的高端数控加工设备，目前流行的承载模具的方 式为转盘模具库，可实现自动旋转换模，这类冲床称为数控转塔冲床。数控转塔冲床按照 主轴驱动的不同可以分为三类瞄儿3 j ： ( 1 ) 机械驱动式数控转塔冲床：这类冲床是最早出现的一类数控冲床，典型代表有村 田机械( m u r a t e c ) 的c 系列，天田公司( a m a d a ) 的a r i e s 系列、p e g a 系列、c o m a 系列。这类数控转塔冲床主要是通过一个主电机带动飞轮旋转，利用离合器的松合控制冲 压的进行，依靠飞轮的惯性带动连杆机构，从而控制打击头进行冲压。它的优点是结构简 单，成本较低。但是这类机床的缺点也显而易见：首先，加工效率不高。由于机械驱动式 数控转塔冲床的冲压是通过飞轮转动带动连杆机构从而控制打击头冲压模具实现的，飞轮 转一圈，完成一次冲压，其冲压的行程是固定的，而且冲压的速度无法提高，目前最高速 度只有1 8 0 次分钟。其次，不适宜成型冲压。这类机床的冲头行程难以控制，进行成型冲 压时不易控制，必须调节模具才能达到理想成型冲压，而且调节难度较大。另外，也还存 2 扬州大学硕士学位论文 在耗电量大，噪声大等缺点。 ( 2 ) 液压驱动式数控转塔冲床：随着技术的发展，出现了液压驱动式数控转塔冲床。 典型代表有村田机械( m u r a t e c ) 的v 系列，天田公司( a m a d a ) 的v i p r o s 系列，通快 公司( t r u m p f ) 的t c 系列。这类冲床由液压缸驱动打击头，由电液伺服阀进行冲压控制， 相比于机械飞轮式数控转塔冲床，液压驱动式转塔冲床的冲压速度有了明显提高。由于液 压缸行程可以控制，所以可以通过控制冲压头的行程来实现机械驱动式数控冲床所不能实 现的成型冲压，此外，液压驱动式冲床的噪声小。当然，液压驱动式也有以下不足：首先， 这类机床对环境要求较高，这是由于液压油要保持良好的特性，需要环境维持在一定的温 度范围以内，假如温度高于或低于液压油的正常工作温度，都有可能导致机床无法正常工 作，甚至引起故障；其次，液压油需要经常更换，而且液压系统的维护比较困难；还有， 机床的耗电量大，一般都在3 0 k w 以上。 ( 3 ) 伺服电机驱动式数控转塔冲床：随着大功率伺服电机技术的发展，伺服电机已经 可以逐渐满足打击头和运动机构对冲压力、转矩和功率等参数的要求，于是出现了由伺服 电机直接驱动主轴的数控转塔冲床。典型代表有村田公司的m 2 0 4 8 l t ，这类转塔冲床相比 上述两种冲床，具有以下优点：首先，这类冲床不需要液压油，而且在高速冲压( 最高可达 8 0 0 次分钟) 时，借助于伺服电机的特性，可以减少耗电量。其次，由于伺服电机对速度和 位置的完全可控，这类冲床可以用于成型冲压，而且噪声很小。此外，这类机床结构紧凑， 占地面积小，对环境要求不高。 1 1 3 国内外数控转塔冲床的发展概况 数控转塔冲床自问世以来，经历了缓慢起步、趋于成熟、快速发展和日益完善四个阶 段。第一阶段为机械驱动，三轴控制，模位数较少，通常在3 0 以下，辅助功能较少；第 二阶段采用四轴控制，模位数增加，并带两个旋转模位，辅助功能增加，开始出现液压主 传动的转塔冲床；第三阶段主要采用液压驱动，四轴或五轴控制，辅助功能更加完善；第 四阶段出现了伺服电机直接驱动的结构形式。 目前，国外生产数控转塔冲床的主要厂家有三十多家，以日本的a m a d a 、m u r a t a 、 k o m a t s u 、a i d a 和n i s s h i n b o ，德国的t r u m f ，比利时的l v d ，荷兰的f i n n p o w e r , 意大利的s a l a v g n i n i 、i t e k 和r a i n e r ，西班牙的d a n o b a t 为代表。我国从2 0 0 0 年起， 先后与日、德、美等国家进行合作，采用国外先进产品配置，学习国外先进技术，由此产 品在品种上技术上产量上提高较快，得到了较大的成绩。目前，国内有十几家专业钣金数 控设备制造企业，可以制造出先进的数控转塔冲床，如江苏金方圆的e t - 3 0 0 、v t - 3 0 0 、 r t - 3 0 0 系列，江苏扬力集团的m p 系列。例如，江苏亚威机床有限公司和日本合作生产的 m o 3 0 4 8 型数控液压转塔冲床，该机上下转盘由两个数控轴分别驱动，上转盘有换模缺口， 开式机身，厚转盘长导向模具库，y 轴双丝杠驱动，提高了进给动态特性。从总体上来看， 国产数控转塔冲床的品种已经更加多样化，技术性能指标和制造水平也有了很大的进步， 王亚鹏：基于t w i n c a t 的数控转塔冲床开放式控制系统研究 借助国外配套部件，国产“百米千次”的数控转塔冲床已经商品化，并能满足绝大多数用 户的需要。但是，我国的数控转塔冲床行业起步较晚，技术水平低，同国际知名厂家的产 品相比，技术水平差距较大，主要表现在自主创新不强，且机床品种不够多，技术性能指 标低，制造水平有限，很多关键技术如数控系统、大功率伺服电机等还依赖于进口，主要 以德国的哈雷液压系统、日本f a n u c 的数控系统以及电机等配套产品为主，因此国内的 数控技术研究还处于发展完善阶段。 1 2 数控系统概述 1 2 1 数控系统的组成 计算机数控( c o m p u t e r i z e d n u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) 系统能够按照零件加工程序的数值信息 指令进行控制，使机床完成工作动作并且加工零件，它是数控机床的控制核心。一般整个 数控系统由三大部分组成，即控制系统，伺服系统和位置检测系统。控制系统按加工工件 程序进行插补运算，发出控制指令到伺服驱动系统；伺服驱动系统将控制指令放大，由伺 服电机驱动机械执行机构完成指定操作；检测系统检测机械运动位置或速度并反馈到控制 系统，通过比较来修改控制指令，这三部分有机结合起来构成闭环控制的数控系统。控制 系统主要由总线、c p u 、电源、存储器、操作面板和显示屏、位控单元、可编程序控制器 逻辑控制单元以及数据输入输出接口等组成。伺服系统主要包括伺服驱动器和电机。位置 测量系统主要采用长光栅或圆光栅的增量式位移编码器。 1 2 2 数控系统的分类 数控系统根据硬件的不同结构可以分为两大类： ( 1 ) 传统专用型数控系统这类数控系统的硬件由数控系统厂家自行开发，具有很强的 专用性，经过了长时间的使用，质量和性能稳定可靠，目前还占领着制造业的大部分市场， 但由于其采用一种完全封闭的体系结构，往往存在以下缺点：a 用户的应用、维修以及操 作人员培训依赖厂家，维护费用高；b 系统功能的扩展以及更新，完全依赖公司的技术水 平，周期较长；c 大量通用软硬件在专用数控系统上无法使用，功能比较单一。随着开放 式体系结构数控系统的不断发展，这种传统专用型数控系统的市场正在受到挑战。 ( 2 ) 开放型数控系统开放式数控系统采用开放式体系结构，主要由p c 和配套模块构 成。传统的数控系统是一种专用的封闭式数控系统，存在着不同厂家的产品兼容性差，维 修升级困难，灵活性差，适应能力不强等诸多问题。为了解决系统模块变换频繁的需求和 封闭控制系统之间的矛盾，从而建立一个统一的可重构的系统平台，提高数控系统的连接 性，增强数控系统的柔性和集成性，开放式数控系统应运而生【4 j 。 4 扬州大学硕士学位论文 1 2 3 开放式数控系统的分类 利用p c 的高速处理能力，可以将原来由硬件完成的n c 功能全部由应用软件实现， 并且借助于p c 技术，可以方便显示图形界面，实现网络通讯，紧跟计算机技术的发展而 升级换代，有良好的开放性，因此采用工业p c 作为控制核心已经成为数控系统的主流趋 势。根据n c 与p c 功能作用的不同，可以将基于p c 的开放式数控系统可以分为以下3 类： ( 1 ) p c 嵌入n c 式 这种数控系统是在传统的n c 系统中简单的插入p c 技术，采用总线式模块化的体系结 构，将与n c 配套的p c 板卡插入到n c 系统的插槽中，其中p c 只是提供前端人机界面， 利用p c 的存储及通讯功能进行前台的编程操作，后台则依靠n c 系统实现机床的控制 5 ，6 】。 这种数控系统的优点是保持原来的c n c 的强大功能，又具有数控传送速度快、系统响应 时间短的特点，缺点是不能充分发挥p c 的功能，开放性有限，其核心技术还是封闭的。 ( 2 ) n c 嵌入p c 式 这种数控系统是将控制核心插卡化，并且插入p c 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【6 】。这种数控系统以工 业p c 为主控核心，选用合适的功能模块，如运动控制卡、多轴控制卡等构成完整的控制 系统。这种数控系统相比较p c 嵌入n c 式已经有了较大的改进，但其部分软硬件仍然是 专用的，其开放程度有一定的局限性，并且可靠性和稳定性都不是很理想。 ( 3 ) 纯p c 式 这种数控系统采用纯p c 软件实现传统硬件控制的功能，可以极大地降低硬件成本， 充分利用不断发展的计算机技术以及机电技术、控制技术、机电伺服技术等支撑技术，具 有极强的开放性、灵活性，但存在实时性、稳定性、标准一致性等问题，因此还处于探索 发展阶段。 与前两种数控系统相比，这是一种最新型的开放式体系结构的数控系统，所有的数控 功能( 包括插补、位置控制等) 全部由计算机软件来实现，这种实现形式的数控系统在软件 上是基于操作系统编程标准，在硬件上是基于通用p c 硬件标准，所以在理论上可以实现 完全开放。目前典型的产品有：美国m d s i 公司的o p e nc n c 、美国s o f ts e r v os y s t e m 公 司的s e r v ow o r k 、德国p o w e ra u t o m a t i o n 公司的p a 8 0 0 0 0 n t 、n u m 公司的n u m l 0 2 0 系 统以及本课题中所采用的德国b e c k h o f f a u t o m a t i o n 公司的t w i n c a t 。 按照开放途径可以分为以下三类【_ 7 叫： ( 1 ) 开放人机接口这种方式使得系统内部、系统与外部设备之间，系统与通讯网络之 间，本系统与其它系统之间实现互通，并且可以在保持原有数控基础上充分发挥各厂家专 用芯片的特殊功效，但是人机接口的开放只是为用户提供了按自己需求灵活指定操作界面 的途径。 ( 2 ) 开放控制内核层接口这种方式能够根据具体应用情况确定系统部件的组成，并可 王亚鹏：基于t w i n c a t 的数控转塔冲床开放式控制系统研究 按接口协议集成自己的控制软件模块。它能够充分发挥p c 机的作用，利用它完成一些实 时性不强或非周期性的任务，而强实时性的控制任务可由n c 或p l c 来完成。 ( 3 ) 控制内核层全开放这种方式是一种彻底的开放方案，它实际上是一种d n c 结构， 即用光缆将数字伺服与基于p c 机的n c 装置相连，组成一个可靠性高、实时性强、完整 的c n c 系统。它允许用户按照开放式结构的标准和规范自行开发特殊应用领域中的软件 模块和硬件模块，或者按需配置系统功能而不依赖于任何一个系统生产商和开发商。 根据操作系统的不同，可以将开放式数控系统分为以下三类【1 0 1 3 j ： ( 1 ) 采用d o s 操作系统d o s 操作系统的实时性好，技术成熟，过去曾一度流行为c n c 系统的操作平台，但由于其界面制作繁琐，内存有6 4 0 k b 的“瓶颈”限制，网络功能欠缺， 缺乏保护机制，没有充分利用8 0 x 8 6 体系的硬件资源，软件开发工具也相对落后，使得开 发者花费大量时间和精力在界面制作和适应系统上。因此，其可移植性差，开放程度有限， 适用于中、低档数控系统的开发。 ( 2 ) 采用l i n u x 操作系统由于l i n u x 操作系统具有很好的实时性，这种方式适用于高 档多轴同步场合的应用，再加上l i n u x 操作系统是开放源代码的，与开放式数控系统的特 征十分吻合，因而能更好地对系统进行配置和修改，从而设计出真正开放的数控系统。 ( 3 ) 采用w i n d o w sc e 操作系统w i n d o w sc e 是面向小内存3 2 位模块化实时嵌入操作 系统，它将w i n d o w s 兼容性与应用程序服务与多c p u 结构支持和内建网络通信选项相结 合，为创建多种类型产品提供了一个功能丰富的可伸缩开放式平台。同时，它保持m i c r o s o f t 开发工具的功能和w i i l 3 2 编程的熟悉界面，因此，w i n 3 2 非常适合于开放式数控系统。 ( 4 ) 采用w i n d o w s 操作系统w i n d o w s 操作系统的优势在于：界面友好，人机交互性 强，用户数量多，几乎垄断了整个p c 机市场，开发工具齐全而完善。但它的弱实时性对 于实时控制系统是不利的，因此适用于对同步性要求不高的场合。但若能采用独立运算的 运动控制器或灵活利用c p u 的高速运算性能或w i n d o w s 多任务和虚拟内存机制，扬长避 短，是能够胜任中、高档数控系统要求的。 根据控制模式的不同，可以分为两大类： ( 1 ) 单机控制模式在这种控制模式下，整个控制系统的由一台工控机和多个控制卡来 共同构成，软件控制上一般表现为在某一特定时间，向某一控制模块的某一地址读取或写 入数据。这种模式的优点是硬件成本低，但是软件开发较为复杂，特别是如果选用w i n d o w s 平台，由于w i n d o w s 系统的特性，实时性难以得到保证。 ( 2 ) 上下位机控制模式在这种模式下，上位机一般采用工业计算机，而所谓的下位机 则通常为单片机或d s p 芯片开发的运动控制卡，现在也出现了软件式的下位机。两者都能 够在上电的情况下单独工作，上下位机之间的通讯一般通过p c 机的串口或并行口，也可 以直接将下位机做成控制卡，插入到p c 机的i s a 或p c i 插槽中，通过p c 总线进行通信。 6 扬州大学硕士学位论文 1 2 4 开放式数控系统的现状及发展趋势 近年来，随着电子技术、微电子技术、计算机技术、控制技术、机电伺服技术等支撑 技术的发展，数控系统正在由专用型封闭式开环控制模式向通用型开放式实时动态闭环控 制模式方向发展，开放式数控系统在经历了二十几年开发研究中，也取得了较大的成果， 具体体现在以下几方面【1 4 1 6 j ： ( 1 ) 模块化集成化 模块化和集成化是对立统一的，模块化的设计思想是对系统功能进行分块，功能块分 得越细，系统的开放性和灵活性也就越好，但功能块如果分得太细就会影响系统的集成度， 从而降低系统的整体性能。因此，为了兼顾模块化和集成化的优缺点，取长补短合理对系 统进行分块就显得很关键，现在一般按功能对控制系统进行分块：a 硬件模块。硬件模块 主要包括c n c 模块、伺服驱动模块、执行模块和反馈模块等，每个功能模块都能独立完 成特定的任务，是相对独立的。各厂家的不同产品可以相互兼容，各个模块高度集成化， 只要是实现这一功能的都要集成进去。b 软件模块。为了适应数控系统的发展趋势，软件 部分也采取模块化的设计思想，对要实现的控制功能模块进行分块，做到最大程度的开放， 有利于产品的升级和模块的更换，降低二次开发的难度。 ( 2 ) 开放式网络化 数控系统的网络化是通过网络、i n t e r n e t i n t r a n e t 或者现场总线将执行部件与控制部件 连接起来并且承载数据的传输，或将d n - c 过程所需的资源( 如加工程序、机床、工具检测 监控仪器等) 共享。网络化主要包括内外部网络两个方面：a 内部网络。所谓的内部网络是 指数控系统中c n c 单元与伺服驱动及i o 逻辑控制等控制单元单元通过现场总线进行连接 通讯。b 外部网络。所谓的外部网络指的是数控系统和系统以外的其它控制系统或者外部 上位机通过各种网络连接起来，从而进行控制系统之间的数据通讯。通过开放式网络，可 以实现对加工设备的远程监控，实现无人化操作，同时还可以实现加工程序的远程传输、 远程诊断和远程维修，从而提高机床的使用效率，更加适应生产实际的要求。 ( 3 ) 智能化 智能化是数控系统未来的发展方向，主要包括控制智能化、接口智能化以及故障诊断 智能化等，它是数控系统实现高度开放化的必要要求。随着人工智能技术的不断发展和完 善，智能控制已经成为现代控制领域的一个重要分支。目前，实现智能控制的有效途径有 三种：基于人工智能的专家系统、基于模糊集合理论的模糊控制和基于人工神经网络的神 经控制。接口智能化可以实现各种硬件的相互兼容，能够使用户在较大范围内选配硬件， 根据需要对系统进行功能的扩展，符合相应的国际标准和行业标准。故障诊断智能化是当 系统运行出现故障或者报警时，能够分析并找出故障的原因，并给出故障排除的方法，在 没有人或是很少有人参与的情况下可以实现系统的自我修复。目前的数控系统还只能够提 供相应的报警提示，还不具备自我修复功能。 王亚鹏：基于t w i n c a t 的数控转塔冲床开放式控制系统研究 7 ( 4 ) 柔性化软件化 柔性是指机床适应加工对象变化的能力，是开放式系统的具体体现。传统的自动化设 备和生产线，由于是机械或刚性连接和控制，当被加工对象发生变换时，调整很困难，只 能全部更新或更换，而开放式数控系统对满足加工对象变换有很强的适应能力。柔性化的 实现是通过硬件的柔性化和软件的柔性化来实现的。硬件方面采用可编程器件，如d s p 、 f p g a 等，只要改变程序就可以改变硬件的功能。软件式控制系统的主要部分，以前是通 过硬件来实现的，现在逐步用软件来实现，大大减少了硬件电路，增强了系统的柔性。 综上所述，在集成化的基础上，开放式数控系统实现了自动加工生产线向小型化、简 易化方向发展；在智能化的基础上，综合了计算机、控制、通信和人工智能等多学科领域 技术，实现了高速、高精、高效控制，加工过程中自动调整、修正和补偿各项参数，实现 在线故障诊断和智能化处理功能；在网络化的基础上，c a d c a m 与数控系统集成一体， 实现生产加工的网络化、远程化等。 目前，开放式数控系统较之前的数控系统已经有了很大的进步，但其开放性还有一定 的局限性，尚未做到真正意义上的完全开放，还有很长一段路需要去探索和研究，具体说 来，开放式数控系统的发展有如下趋势【16 】： ( 1 ) 性能发展 由于采取了高速c p u 芯片、r i s c 芯片、多c p u 控制系统以及高分辨率绝对式检测元 件的交流伺服控制系统，使得机床的高速高效高精度等性能指标得到大大的提高；由于采 用了模块化的设计方式，可满足不同用户的要求，便于扩展和裁剪，同时，由于数控系统 能根据不同的生产过程的需要而进行各种动态调整，从而实现了数控系统本身和数控系统 群体两个方面的柔性化；由于各种开放式运动控制卡可同时、实时实现多轴控制，因而制 造业正朝着多表面、多工序的一次性加工，大大提高了加工效率；利用人工智能领域的最 新发展成果，应用到数控系统中，实现智能化的实时控制，例如应用自适应控制、专家控 制、神经网络、学习控制、模糊控制等控制领域的最新技术，实现数控系统的在线诊断和 智能故障处理，还有其中的模糊控制，对运动速度、加工时间等进行模糊处理，最终实现 最优控制。 ( 2 ) 功能发展 由于现代的i n t e m e t 、虚拟现实、科学计算可视化以及多媒体等新技术的要求，对用户 界面提出了更高的要求，人们可以通过窗口和菜单进行操作，便于蓝图编辑和快速编程、 三维动态图形显示、图形模拟、图形动态跟踪和仿真等。科学可视化技术的应用，使得数 据处理和解释数据变得更为高效，使信息交流不再限制于用文字和语言表达，而可以直接 使用图形、图像、动画等各种可视化信息，与此同时，将可视化技术和虚拟技术结合起来， 使得其应用范围进一步拓宽。 ( 3 ) 体系结构的发展 采用高度集成化c p u 、r i s c 芯片和大规模可编程集成电路f p g a 、e p l d 、c p l d 以 扬州大学硕士学位论文 及专用集成电路a s i c 芯片，可提高数控系统的集成度和软硬件的运行速度，应用先进的 封装和互连技术，将半导体和表面安装技术融为一体，使得数控系统高度集成化。根据不 同的功能需求，将基本模块做成标准化的系列产品，通过积木式进行功能的扩展和模块数 量的增减，充分实现数控系统各功能部件的模块化和标准化。数控系统上有多个通讯接口 和多级通讯功能，能够满足进线和联网的不同需要，使之不仅具有串口、d n c 等点对点的 通讯，还支持制造自动化协议( a p i ) 以及以太网等多种通用和专用的网络操作，应用网络 技术，建立一个带网络通信功能并具有统一软件、硬件平台结构的开放式系统，实现网络 制造、远程诊断、异地制造等功能【l7 1 。 1 3 课题背景和意义 随着现代数控技术的不断发展，传统数控系统已经不能适应当今制造业市场的变化与 竞争，也不能满足现代制造业向信息化、敏捷模式发展的需要，这就迫切需要开发具有开 放性、性能稳定、价格低廉的新型数控系统。当前，数控系统多采用“p c + 运动控制卡” 的控制模式，该技术已经比较成熟，而且应用广泛，开放程度较高，但并没有实现完全意 义上的开放，而且很大程度上依赖于厂家生产的控制卡，不能满足未来开放式系统发展的 需要。在这种情况下，本课题中采用纯p c 全软件式控制系统，以德国倍福公司开发的t w i n c a t 自动化软件为平台，组建新型控制系统，以全软件形式来实现硬件功能。 本课题为扬州大学与江苏某数控机床有限公司合作的开发项目，主要从事e t - 3 0 0 数控 转塔冲床的数控系统以及相关问题的研究。通过改进其控制系统，增加系统的稳定性的同 时，降低生产成本和二次开发的难度。 1 4 课题研究的内容 本课题主要研究e t 系列数控系统的研究与改进，采用基于t w i n c a t 平台的纯p c 全 软件式控制方案，主要包括控制系统