毕业设计（论文）-闭环步进伺服系统螺距误差分析及补偿装置的设计.doc

目录1 绪论21.1数控技术的发展现状和发展趋势21.2毕业论文设计的内容要求32 总体介绍42.1 主要技术参数42.2 总体布局42.3 控制形式42.4 数控装置43 机械部分介绍53.1 滑台53.1.1 导轨53.1.2 丝杠63.1.3 电机83.2 转台83.2.1转台电机83.3 检测元件93.3.1 光栅93.3.2 编码器94 通用运动控制器控制系统的介绍104.1 运动控制器概述114.1.1 运动控制器的构成114.1.2 运动控制器的特点124.1.3通用运动控制技术及运动控制器的发展134.2 pmac运动控制卡164.2.1 pmac运动控制卡介绍164.2.2 pmac运动控制卡应用175基于pmac运动控制卡构建数控系统185.1系统硬件组成185.1.1 工控机（ipc）195.1.2 pmac2a-pc104运动控制卡组205.1.3 i/o板205.1.4 硬件控制系统的结构215.2 系统软件结构215.2.1 概述215.2.2 系统控制软件226数控技术试验台256.1 数控技术试验台总体结构256.2 机械本体256.3 伺服驱动系统276.4 反馈检测装置287 数控技术试验台螺距误差试验307.1 试验台螺距误差补偿307.2螺距误差补偿原因307.3螺距误差的补偿原理307.4螺距误差测量实验步骤35致 谢37参考文献38附录41第28页 共47页1 绪论1.1数控技术的发展现状和发展趋势 在一些精度要求比较高的伺服控制领域中，由于机械传动装置的刚性、摩擦阻尼等非线性因素和传动间隙等都不包括在半闭环伺服系统的位置环内1。大部分传动间隙、弹性变形、滚轴丝杠的误差及滞后得不到补偿，使其位置精度的提高受到了很大的限制。为了克服半闭环伺服系统的这种不足，利用线位移光栅位移传感器安装在机床的工作台上，用以检测机械传动机构中由螺距误差、间隙及各种干扰所造成的传动误差。采用的转角-线位移双闭环位置控制，并进行反馈补偿控制从而提高机床的位置控制精度。同时还能保证全闭环伺服系统具有良好的稳定性。位置伺服控制系统的精度在很大程度上决定了数控机床的加工精度。为了保证有足够的精度，一方面要正确选择系统中开环放大倍数，另一方面要对位置检测元件提出精度要求。因为在闭环控制系统中，对于检测元件本身的误差和被检测量的偏差是很难区分出来的，数控机床的加工精度主要由检测系统的精度决定。位移检测系统能够测量的最小位移量称做分辨率。分辨率仅取决于检测元件本身，也取决于测量线路。在设计数控机床、尤其是高精度或大中型数控机床时，必须量，一般要求比加工精度高一个数量级。总之，高精度的控制系统必须有高精度的检测元件作为保证。所幸，用于数控机床的大量程长度和圆分度传感器已获得了长足的发展，普遍获得应用的光栅、磁栅系统等，其分辨率与精度都有明显的提高。例如：用于数控系统的长度检测元件，其分辨率可在0.15um之间选择。1.2毕业论文设计的内容要求根据位置伺服系统在机床上的应用，研究位置伺服系统的结构特点，位置伺服系统的误差对机床加工精度影响。本课题利用机械学院数控试验台，通过光栅传感器测量位置误差，研究影响位置伺服系统误差的因素，用matlab软件分析误差分布，找出误差与运动之间的规律，设计位置控制器以及误差补偿装置，使位置系统的运动精度达到要求。 具体任务如下：（1） 了解本课题目前有关情况，完成楷体报告和英文翻译。（2） 熟悉机械学院数控试验台的结构和控制系统，绘制数控试验台结构图和控制系统原理图各1张，a0。（3） 测量螺距误差，找出误差规律。绘制误差分布图1张，a3。（4） 设计及误差补偿装置，绘制补偿装置图1张，a1。 （5） 编写设计说明书1份，格式和字数满足学院要求。 2 总体介绍2.1 主要技术参数系统达到的技术指标为：脉冲当量0.01mm，多坐标联动控制，行程400mm，最大移动速度2m/min。螺距p=5mm。确定z向行程400mm，x、y向行程200mm；b、c两个转动轴每脉冲转角不大于5分。z向采用光栅测量位移，分辨率为0.05mm；x、y、z、b、c向电机轴上装编码器，分辨率不大于5分。2.2 总体布局 试验台总体布局如图1.1所示。2.3 控制形式 x、y、b、c向采用半闭环控制；z向即可采用闭环控制，也可采用半闭环控制。2.4 数控装置数控装置采用工控机（ipc）+运动控制器（pmac）数控技术试验台外形(appearance of nc technology experimental bench) 3 机械部分介绍 在现代数控机床中，为得到高速下的平稳运行，并具有较高的定位精度且防止爬行，要求进给系统中的机械传动装置和元件具有较高的灵敏度，低摩擦阻力和动、静摩擦系数之差以及提高寿命等特点，而滚动导轨和滚珠丝杠螺母副能较好地满足要求。因此本实验台的设计采用了滚珠丝杠和滚动导轨的组合。需要根据进给驱动系统的要求进行设计。3.1 滑台 本实验台为五轴数控试验台，行程为x方向200mm，y方向400mm，z方向200mm。其中x、y方向为上下两层运动台，结构相同。所以在滑台设计时，以y方向进行设计，x方向未进行设计计算，参照y方向确定。本实验台为无负载实验台，对y方向来说，工作台重量约200（x方向155n，转台45n）。3.1.1 导轨导轨的功用：本设计的导向机构是导轨，导轨主要是用来支承和引导运动部件沿着一定的轨迹运动。本设计要求其机械系统的各运动机构必须得到安全的支承，并能准确地完成特定方向的运动，这个任务就是由导向机构来完成。导轨的分类和特点:两个作相对运动的部件构成一对导轨副,其中,在工作时固定不动的配合面称为固定导轨或静导轨;相对固定导轨作直线和回转运动的配合面称为运动导轨.根据导轨副之间的摩擦情况,导轨分为滑动导轨和滚动导轨两大类.滚动导轨的优点是摩擦系数小,一般在0.003-0.004,动静系数很接近,低速运动不会产生爬行现象,可以使用油质润滑.滚动导轨的两导轨面之间为滚动摩擦,磨损小,寿命长,定位精度高,灵敏度高,但是结构复杂,几何精度要求高,抗振性较差,防护要求高.制造困难,成本高.它适用于工作部件要求移动均匀、动作灵敏以及定位精度高的场合.滚动导轨因其特有的优点在数控机床在的应用十分广泛,现在常用的有直线导轨副、滚动导轨块和直线滚动导轨副。直线导轨副一般用滚珠作为滚动体，滚动导轨块用滚子做滚动体，滚动导轨副的导轨轴时圆柱体，用合金钢制成，与前两者相比，承载钢球与导轨副之间是两个凸圆之间的点接触，许用载荷小很多。因此。滚动导轨副只能用于轻载场合，并且一般不予加载荷。本实验为无载数控实验装置，所以设计时选用滚动导轨副1） 滚动导轨副y方向承受x方向及转台的重量，约200n。作用于滚动导轨副的载荷 由于导轨只承受重力的作用，所以计算时按照只受重力载荷，不受测向载荷。滚动导轨副受力分析见图2.1。w=200n，=88 =117 =20 =30将已知数据代入上式，有： 98.36n 52.92n 47.08n1.64n载荷呈分段变化则滚动支承所受的径向力=73.77n滚动导套副的额定寿命l=4819.28h 额定动载荷c=501.1n3.1.2 丝杠1 滚珠丝杠副的介绍滚珠丝杠副是螺旋传动元件，它的产生和发展只经历了数十年的历史，然而它具有长寿命、高刚度、高效率、高灵敏度、无间隙的特点，并具有优越的高速特性和耐磨特性及可逆性等特点，这些特点都是普通丝杠副不可能具有的机械传动性能。同时它可以由专业生产厂家组织生产和供应，已实现了标准化、通用化、商品化，用户可根据各自得需要方便地进行选购和订购，因此滚珠丝杠副以其显著的特点而得以广泛应用，成为各类数控机床的主要传动机构。滚珠丝杠副食一种螺旋传动机构，在具有螺旋槽的丝杠和螺母之间装有中间传动元件滚珠。它由丝杠螺母滚珠和返向器等四部分组成，当丝杠和螺母转动时，滚珠沿螺纹滚道滚动，丝杠和螺母之间相对运动时产生滚动摩擦。为防止滚珠从滚道中滚出，在螺母的螺旋槽两端设有回程引导装置，如返向器和挡柱器，它们与螺纹滚道形成循环回路，使滚珠在螺母滚道内既自转又沿滚道循环转动。滚珠丝杠副与普通丝杠副相比较，它用滚道摩擦代替滑动摩擦，具有以下特点：（1）摩擦损失小、传动效率高。由于滚动丝杠副的摩擦损失小，其传动效率可达90-96%，约为普通螺旋机构传动效率的2-3倍；（2）磨损小、寿命长。通常，滚珠丝杠副的主要零件都经过淬硬，表面粗糙度较低，且滚动摩擦的磨损很小，因而具有良好的耐磨性，精度保持性能好，工作寿命长；（3）轴向刚度高。滚珠丝杠副可完全地消除传动间隙，不影响运动的灵活性，从而可以获得较高的轴向刚度，而且可以通过预紧来提高轴向刚度；（4）摩擦阻力小、运动平稳。由于是滚动摩擦，动、静摩擦系数相差极小，其摩擦阻力几乎与速度无关，启动力矩与运动力矩近乎相等。因此灵敏度高，运动较平稳，启动时无颤动，低速传动时无爬行现象；（5）不能自锁。由于滚珠丝杠副没有自锁能力，用于垂直升降传动时必须增设自锁装置或制动装置；（6）具有传动的可逆性。由于滚珠丝杠副摩擦损失小，可以从螺旋运动转换为直线运动，也可以从直线运动转换为旋转运动，即丝杠和螺母都可作为主部件，也可作为从动件。但是，与普通丝杠副相比，滚珠丝杠副尚存在结构复杂，工艺难度大，制造成本高等缺点。根据滚珠丝杠副螺纹滚道法向截面的形状、滚珠的循环方式、消除轴向间隙和调整预紧的方法不同，将滚珠丝杠传动分为以下几种不同的结构型式：（1）螺纹法向截型 螺纹法向截型是指通过滚珠中心的螺旋线的法向平面与丝杠或螺母滚道面的交线的形状。目前，较常用的滚道型面为单圆弧和双圆弧两种。单圆弧滚道型 面的特点是容易得到较高的精度，但接触角不容易控制，因而其传动效率、承载能力和轴向刚度均不够稳定。双圆弧滚道型面的特点是滚道型面的精加工较困难，其传动效率、承载能力和轴向刚度均较稳定。（2）滚珠循环方式 按照滚珠在整个循环过程中与丝杠表面的接触情况，循环方式分为内循环和外循环两种。由于制造和安装的误差，滚珠丝杠副存在间隙，影响其传动精度并降低了滚珠丝杠副的刚度，因此要采取消除间隙的预加载荷的方法。目前广泛采用的是双螺母调整预紧装置。综上所述，确定本试验台的滚珠丝杠副采用单圆弧、内循环、双螺母螺纹调整方式的结构型式。滚珠丝杠的支承方式主要有四种，我们选用两端支承方式它的优点是可对丝杠进行预拉伸，可承受两个方向的轴向力，保持了丝杠精度。因此，该支承方式只承受拉力，不承受压力，因此不存在压杆的稳定性问题。2.滚珠丝杠副 工作台重量 =30n工作台承重 =200n工作台最大行程 =400mm工作台快速进给速度 =2m/min定位精度 0.05mm重复定位精度 mm1)确定滚珠丝杠副的导程 =5mm 2)滚珠丝杠副的载荷及转速=0.92n =400r/min 试验台选用汉江机床厂的产品,其型号为:gq16 5-p3.3.1.3 电机本实验台是基于pmac运动控制卡实现控制，是一个ipc+pmac型的开放式数控系统，为了使机械本体也具有开放性，在伺服电机的选择上使本试验台的y方向上既可用交流伺服电机也可用步进电机。计算时我们以步进电机来进行。 脉冲当量(所谓脉冲当量是指对应于系统输入端的一个进给脉冲，系统输出端产生的转角或位移。试验台选用的步进电机的型号为:四通步进电机56byg250b,其精转矩为0.65nm,空载启动频率2.7khz。3.2 转台实验台为五轴数控实验平台，其中三个直线移动，两个转动。两个旋转运动由转台实现，结构相同。工作台和分辨率为：工作台直径100mm，分辨率不大于5分，无负载。试验台采用步进电机为执行元件，涡轮蜗杆副减速的装置。3.2.1转台电机试验台转台使用电机为：四通步进电机56byg250b，其静转矩为0.65nm，空载启动频率2.7khz。3.3 检测元件检测系统是机电一体化产品中的一个重要组成部分，用于实现计测功能，检测外部环境及自身状态的各种物理量及其变化，并将这些信号转化成电信号，然后再通过相应的变换、放大、调制解调、运算等电路，将有用信号检测出来，反馈给控制装置或显示，实现这些功能的传感器及其检测电路构成了数控试验台的检测系统。由于检测系统一般是由传感器和若干变换环节组成，为了保证检测过程中能够忠实地把所需信号从信号源通过其载体信号传输到输出端，整个过程既不失真也不受干扰，传感器及其检测系统必须满足下列要求：精度灵敏度和分辨率高，能满足数控试验台对检测精度和速度的要求；线形、稳定性和重复性好，工作可靠；静、动态特性好，测量范围较大；抗干扰能力强。此外，还应体积小，重量轻，价格便宜、安装与维修方便、对环境适应能力强。试验台使用编码器和直线光栅尺分别作为本试验台的速度和位置检测元件。3.3.1 光栅目前，在高精度的位置检测系统中，大量采用光栅作为检测反馈元件，光栅是将机械位移或模拟量转变为数字脉冲的测量装置。常见的光栅从形状上分为长光栅和圆光栅两大类，圆光栅用于检测角位移，常光栅用于检测直线位移，光栅的检测精度较高，可以达到1m。试验台的直线位移最小分辨率为0.005mm，光栅使用的是英国生产的renishaw rgh22 p30d00光栅尺，栅距20m，分辨率5m。 3.3.2 编码器编码器（encoder）是将信号（如比特流）或数据进行编制、转换为可用以通讯、传输和存储的信号形式的设备。其具有高精度，大量程测量，反应快，数字化输出特点；体积小，结构紧凑，安装方便，维护简单。工作可靠。编码器把角位移或直线位移转换成电信号，前者成为码盘，后者称码尺按照读出方式编码器可以分为接触式和非接触式两种接触式采用电刷输出，一电刷接触导电区或绝缘区来表示代码的状态是“”还是“”；非接触式的接受敏感元件是光敏元件或磁敏元件，采用光敏元件时以透光区和不透光区来表示代码的状态是“”还是“”，通过“”和“”的二进制编码来将采集来的物理信号转换为机器码可读取的电信号用以通讯、传输和储存。编码器以测量方式来分，有直线型编码器，角度编码器，旋转编码器。按照工作原理编码器可分为增量式和绝对式两类。增量式编码器是将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小。绝对式编码器的每一个位置对应一个确定的数字码，因此它的示值只与测量的起始和终止位置有关，而与测量的中间过程无关。试验台五个坐标轴都采用编码器进行角位移检测，其中两个转动轴要求最小分辨率不大于5分，考虑pmac控制的兼容性，为降低控制难度，五个轴采用相同的增量式编码器，选用日本nemicon noc s5000-2md编码器,分辨率为5000线,经检测系统4分频后可以满足系统最小分辨率要求.4 通用运动控制器控制系统的介绍运动控制（mc）是自动化的一个分支，它使用通称为伺服机构的一些设备如液压泵，线性执行机或者是电机来控制机器的位置和/或速度。运动控制在机器人和数控机床的领域内的应用要比在专用机器中的应用更复杂，因为后者运动形式更简单，通常被称为通用运动控制（gmc）。运动控制被广泛应用在包装、印刷、纺织和装配工业中。运动控制主要用于机械传动装置的计算机控制，对机械传动装置中电机的位置、速度进行实时的控制管理，使运动部件按照预期的轨迹和规定运动参数完成相应的动作。运动控制技术包括轨迹控制、伺服控制两大基本技术。是计算机、微电子、传感器与测试、自动控制、电力电子和机电一体化等技术综合应用的产物。运动控制起源于早期的伺服控制。简单地说，运动控制就是对机械运动部件的位置、速度等进行实时的控制管理，使其按照预期的运动轨迹和规定的运动参数进行运动。早期的运动控制技术主要是伴随着数控技术、机器人技术和工厂自动化技术的发展而发展的。早期的运动控制器实际上是可以独立运行的专用的控制器，往往无需另外的处理器和操作系统支持，可以独立完成运动控制功能、工艺技术要求的其他功能和人机交互功能。这类控制器可以成为独立运行的运动控制器。这类控制器主要针对专门的数控机械和其他自动化设备而设计，往往已根据应用行业的工艺要求设计了相关的功能，用户只需要按照其协议要求编写应用加工代码文件，利用rs232或者dnc方式传输到控制器，控制器即可完成相关的动作。这类控制器往往不能离开其特定的工艺要求而跨行业应用，控制器的开放性仅仅依赖于控制器的加工代码协议，用户不能根据应用要求而重组自己的运动控制系统。4.1 运动控制器概述简单的说，运动控制器是通过对以电机驱动的执行机构等设备进行运动控制，以实现预定运动轨迹目标的装置。可以说，只要有伺服电机应用的场合就离不开运动控制器，它以其特有的灵活性和优异的运动轨迹控制能力使许多工业生产设备焕发出勃勃生机。运动控制技术是在以数字信号处理器dsp为代表的高性能高速微处理器及大规模可编程逻辑器件fpga的基础上发展而来的，它是广义上的数控装置。数控技术的发展趋势就是采用运动控制器的开放式的数控系统。随着自动化技术的进一步发展，运动控制器（步进、交流、直流）的应用已走出机械加工行业，越来越多地应用于其它工业自动化设备控制，如电子机械、木工机械、纺织机械、印刷机械等诸多行业。主要数控技术的发展趋势就是采用“pc运动控制器”的开放式数控系统，不仅具有信息处理能力强、开放程度高、运动轨迹控制精确、通用性好等特点，而且还从很大程度上提高了现有加工制造的精度、柔性和应付市场需求的能力。4.1.1 运动控制器的构成cpu（dsp）处理器通信接口i/o 控制存 储 器控制输出反馈输入其他接口底层软件各厂家生产的运动控制器不尽相同，而且，根据不同的应用场合，会有不同的运动控制器。无论哪种运动控制器，都包含如图所示几部分：运动控制器体系结构architecture of motion controller （1）处理器 处理器是运动控制器的核心部分，可以是单片微机、dsp、或者是以dsp为核心的运动控制芯片。主要进行伺服驱动的位置、速度、插补等实时控制。（2）存储器 运动控制器中的存储器有ram、rom，ram一般会有sram、dpram、flashram。sram（零等待ram），主要用于编译程序和用户数据的存储。dpram（双通道ram），它为主机和控制器提供了可以共享的高速内存区，利用dpram可以实现主机和控制器之间的高速不需“握手”的数据交换，dpram为以下数据提供了存储空间：1)主机到控制器的数据：电机的指令位置，电机指令速度，机床在线命令，运动程序中的控制变量值。2)从控制器到主机的数据：电机状态变量，电机的实际位置，电机的实际速度，电机的实际加速度，电机的跟随误差，机床及控制面板的开关量，手摇脉冲发生器的脉冲数值。flashram（闪存），主要用于用户备份。rom主要存储（固化）运动控制器完成实时、多任务控制的底层软件。（3）控制输出 控制输出是向执行元件（电机）发送控制信号的通道，执行元件不同，所需要的信号形式不同，通道也不同，主要有以下几种：1）模拟量正弦波输出，以速度或者力矩方式控制交流伺服电机；2）直接数字pwm输出，以速度或者力矩方式控制直流伺服电机；3）脉冲&方向输出，输出脉冲和方向信号，控制步进电机。上述的几种控制输出形式不一定每种运动控制器都有，有的可能有部分，有的可能全部具有。根据上述控制输出形式，运动控制器可以连接交流伺服电机、直流伺服电机、步进电机、直线电机等。（4）反馈输入 不是所有的运动控制器都带有位置反馈接口的，开环控制系统就不具备反馈输入功能。带有位置反馈接口的运动控制器一般可以接收增量/绝对编码器、正弦编码器、光栅尺、磁栅、旋转变压器、感应同步器、激光干涉仪等数字式或模拟式位置检测元件。（5）i/o控制 运动控制器的i/o控制功能主要完成机器i/o、面板端口等逻辑的控制。（6）通信接口 通信功能是运动控制器必不可少的功能，一般应具备串行通信、总线（pci、pc104、vme等）、以太网接口，有的还带有无线接口和usb接口，通过这些接口与上位机通信。4.1.2 运动控制器的特点与传统的数控装置相比，运动控制器具有以下特点：（1） 技术更新，功能更加强大，可以实现多种运动轨迹的控制，是传统数控装置的换代产品；（2）结构形式模块化，可以方便地相互组合，建立适用不同场合、不同功能需求的控制系统；（3） 操作简单，在pc机上经简单编程即可实现运动控制，而不一定需要专门的数控软件。 实现开放性、互换性、可移植性和扩展性是运动控制技术的主要研究内容。具有如下特征： （1）能方便地与机床、机器人等被控设备联接； （2）一个运动控制器从硬件上可以实现一到多个坐标轴的位置、速度和轨迹伺服控制，从软件上具有完善的轨迹插补、运动规划和伺服控制功能； （3）用它可以迅速、便捷地建立高层应用程序与机床、机器人等设备的控制、测试及数据交换，开发使用简单； （4） 由于它采用开放化的技术，具有维护、扩展、升级方便的特点。4.1.3通用运动控制技术及运动控制器的发展1 通用运动控制技术的发展现状 运动控制起源于早期的伺服控制（servomechanism）。简单地说，运动控制就是对机械运动部件的位置、速度等进行实时的控制管理，使其按照预期的运动轨迹和规定的运动参数进行运动。早期的运动控制技术主要是伴随着数控（cnc）技术、机器人技术（robotics）和工厂自动化技术的发展而发展的。早期的运动控制器实际上是可以独立运行的专用的控制器，往往无需另外的处理器和操作系统支持，可以独立完成运动控制功能、工艺技术要求的其他功能和人机交互功能。这类控制器可以成为独立运行（stand-alone）的运动控制器。这类控制器主要针对专门的数控机械和其他自动化设备而设计，往往已根据应用行业的工艺要求设计了相关的功能，用户只需要按照其协议要求编写应用加工代码文件，利用rs232或者dnc 方式传输到控制器，控制器即可完成相关的动作。这类控制器往往不能离开其特定的工艺要求而跨行业应用，控制器的开放性仅仅依赖于控制器的加工代码协议，用户不能根据应用要求而重组自己的运动控制系统。通用运动控制器的发展成为市场的必然需求。由国家组织的开放式运动控制系统的研究始于1987 年，美国空军在美国政府资助下发表了著名的“ngc（下一代控制器）研究计划”，该计划首先提出了开放体系结构控制器的概念，这个计划的重要内容之一便是提出了“开放系统体系结构标准规格（osaca）”。自1996年开始，美国几个大的科研机构对ngc 计划分别发表了相应的研究内容，如在美国海军支持下，美国国际标准研究院提出了“emc（增强型机床控制器）”；由美国通用、福特和克莱斯勒三大汽车公司提出和研制了“omac（开放式、模块化体系结构控制器）”，其目的是用更开放、更加模块化的控制结构使制造系统更加具有柔性、更加敏捷。该计划启动后不久便公布了一个名为“omac apt”的规范，并促成了一系列相关研究项目的运行。通用运动控制技术作为自动化技术的一个重要分支，在20世纪90年代，国际上发达国家，例如美国进入快速发展的阶段。由于有强劲市场需求的推动，通用运动控制技术发展迅速，应用广泛。近年来，随着通用运动控制技术的不断进步和完善，通用运动控制器作为一个独立的工业自动化控制类产品，已经被越来越多的产业领域接受，并且它已经达到一个引人瞩目的市场规模。根据arc 近期的一份研究，世界通用运动控制（general motioncontrol gmc）市场已超过40 亿美元，并且有望在未来5 年内综合增长率达到6.3。目前，通用运动控制器从结构上主要分为如下三大类：（1）基于计算机标准总线的运动控制器，它是把具有开放体系结构，独立于计算机的运动控制器与计算机相结合构成。这种运动控制器大都采用dsp 或微机芯片作为cpu，可完成运动规划、高速实时插补、伺服滤波控制和伺服驱动、外部i/o 之间的标准化通用接口功能，它开放的函数库可供用户根据不同的需求，在dos 或windows 等平台下自行开发应用软件，组成各种控制系统。如美国deltatau 公司的pmac 多轴运动控制器和固高科技（深圳）有限公司的gt 系列运动控制器产品等。目前这种运动控制器是市场上的主流产品。（2）soft 型开放式运动控制器，它提供给用户最大的灵活性，它的运动控制软件全部装在计算机中，而硬件部分仅是计算机与伺服驱动和外部i/o 之间的标准化通用接口。就像计算机中可以安装各种品牌的声卡、cdrom 和相应的驱动程序一样。用户可以在windows 平台和其他操作系统的支持下，利用开放的运动控制内核，开发所需的控制功能，构成各种类型的高性能运动控制系统，从而提供给用户更多的选择和灵活性。基于soft 型开放式运动控制器开发的典型产品有美国mdsi公司的open cnc、德国pa（power automation）公司的pa8000nt。美国soft servo公司的基于网络的运动控制器和固高科技（深圳）有限公司的go系列运动控制器产品等。soft型开放式运动控制的特点是开发、制造成本相对较低，能够给予系统集成商和开发商更加个性化的开发平台。（3）嵌入式结构的运动控制器，这种运动控制器是把计算机嵌入到运动控制器中的一种产品，它能够独立运行。运动控制器与计算机之间的通信依然是靠计算机总线，实质上是基于总线结构的运动控制器的一种变种。对于标准总线的计算机模块，这种产品采用了更加可靠的总线连接方式（采用针式连接器），更加适合工业应用。在使用中，采用如工业以太网、rs485、sercos、profibus 等现场网络通信接口联接上级计算机或控制面板。嵌入式的运动控制器也可配置软盘和硬盘驱动器，甚至可以通过internet进行远程诊断。例如美国adept公司的smartcontroller，固高科技公司的gu 嵌入式运动控制平台系列产品等。我国在运动控制器产品开发方面相对落后，1999 年固高科技（深圳）有限公司在深圳成立，她是国内第一家专业开发、生产开放式运动控制器产品的公司。其后，国内又有其他几家公司进入该领域，但实际上，大多是在国内推广国外生产的运动控制器产品，真正进行自主开发的公司较少。“八五”期间，我国广大科研工作者也成功开发了两种数控平台和华中型、蓝天型、航天型、中华型等4 种基本系统，这些系统采用模块化，嵌入式的软、硬件结构。其中以华中型较具代表性，它采用工业pc 机上插接口卡的结构，运行在dos平台上，具有较好的模块化、层次化特征，具有一定扩展和伸缩性。但从整体来说这些系统是数控系统，不是独立的开放式运动控制器产品。目前，我国是世界上经济发展最快的国家，市场上新设备的控制需求、传统设备技术升级、换代对运动控制器的市场需求越来越大。另外由于市场日益竞争的压力，系统集成商和设备制造商要求运动控制系统向开放式方向发展。同时，经济型数控市场占有率正在逐渐减小。在这样的形势下，我国可以抓住这一机遇，研制出具有自主知识产权，具有高水平、高质量、高可靠性的开放式运动控制器产品。2 通用运动控制器在国内的应用及发展自20 世纪80 年代初期，通用运动控制器已经开始在国外多个行业应用，尤其是在微电子行业的应用更加广泛。而当时运动控制器在我国的应用规模和行业面很小，国内也没有厂商开发出通用的运动控制器产品。目前，国内的运动控制器生产厂商提供的产品大致可以分为三类。（1）以单片机或微处理器作为核心的运动控制器，这类运动控制器速度较慢，精度不高，成本相对较低。在一些只需要低速点位运动控制和对轨迹要求不高的轮廓运动控制场合应用。（2）以专用芯片（asic）作为核心处理器的运动控制器，这类运动控制器结构比较简单，但这类运动控制器大多数只能输出脉冲信号，工作于开环控制方式。这类控制器对单轴的点位控制场合是基本满足要求的，但对于要求多轴协调运动和高速轨迹插补控制的设备，这类运动控制器不能满足要求。由于这类控制器不能提供连续插补功能，也没有前瞻功能（look ahead），特别是对于大量的小线段连续运动的场合，如模具雕刻，不能使用这类控制器。另外，由于硬件资源的限制，这类控制器的圆弧插补算法通常都采用逐点比较法，这样一来圆弧插补的精度也不高。（3）基于pc 总线的以dsp 和fpga 作为核心处理器的开放式运动控制器。这类开放式运动控制器以dsp 芯片作为运动控制器的核心处理器，以pc 机作为信息处理平台，运动控制器以插卡形式嵌入pc 机，即“pc+运动控制器”的模式。这样将pc 机的信息处理能力和开放式的特点与运动控制器的运动轨迹控制能力有机地结合在一起，具有信息处理能力强、开放程度高、运动轨迹控制准确、通用性好的特点。这类运动控制器充分利用了dsp 的高速数据处理功能和fpga 的超强逻辑处理能力，便于设计出功能完善、性能优越的运动控制器。这类运动控制器通常都能提供板上的多轴协调运动控制与复杂的运动轨迹规划、实时的插补运算、误差补偿、伺服滤波算法，能够实现闭环控制。由于采用fpga 技术来进行硬件设计，方便运动控制器供应商根据客户的特殊工艺要求和技术要求进行个性化的定制，形成独特的产品。以上第一类运动控制器由于其性能的限制，在市场上所占份额较少，主要应用于一些单轴简单运动的场合，往往还面临同plc 厂商提供的定位控制模块的激烈竞争。第二类运动控制器因其结构简单、成本较低，占有一定的市场份额，但由于其专用芯片（asic）能提供运动控制的基本功能，用户可以利用该芯片设计专用的控制器而分薄了这类运动控制器的市场份额。第三类运动控制器是目前国类运动控制器产品的主流，目前国外开放式运动控制器产品已经开始大量进入中国；固高科技（深圳）有限公司相继开发出go、gt、gh 和gu 系列基于dsp 的开放式运动控制器产品，有近150 个品种可供用户选择；应用也从传统的机床数控扩展到了如激光加工、服装、纺织、印染、电子加工等多个领域，市场规模也有较大的增长。4.2 pmac运动控制卡实验台使用pmac运动控制卡，pmac（programmablemultiaxescontroller）是美国deltatau公司九十年代推出的开放式多轴运动控制器，它提供运动控制、离散控制、内务处理、同主机的交互等数控的基本功能。是当今世界上最先进的、功能最强、计算速度最快、质量可靠的运动控制产品，是开放式基于pc的运动控制器之一。4.2.1 pmac运动控制卡介绍pmac运动控制卡借助于motorola的dsp56系列数字信号处理器，cpu主频从20mhz到160mhz可选，具有很大的灵活性，可以同时操纵1-8根轴，允许每一个轴都是完全独立的，最多可以有16片pmac板完全同步的联系到一起使用，控制总共128根轴的联动和独立运动，其具有四种硬件形式：pmac-pc、pamc-lite、pmac- vme、pmac-std。当dsp主频为20mhz时伺服更新率为55s/轴；总线形式有isa、pci 、pc104、vme，具有rs232/422串口、usb或网口通讯；36位位置计数范围；16/18位dac模拟量输出分辨率；20/40mhz编码器采集频率；可控制交/直流伺服电机、有刷/无刷力矩电机和步进电机；程序执行率大于500程序块/秒；具有点位、直线、圆弧、样条和pvt插补功能；直线/s曲线加减速；内置pid加notch滤波和前馈滤波；内置固定程序缓冲区和旋转缓冲区，适宜超大程序的加工；内置plc；可选a/d采集功能；位置计算精度达1count（脉冲当量）；速度精度为0.005%或0.001%（选高精度晶振）；具有电子齿轮、随动功能、位置捕捉功能；可选look ahead前瞻计算功能。4.2.2 pmac运动控制卡应用随着中国汽车、机械、电子、军工等产业的飞速发展，pmac多轴运动控制卡在中国的制造业和自动化产业中的应用越来越广泛。它的多种用途包括：在半导体制造业中，用作晶片处理、分割以及引线接合法；航空宇宙方面，用于飞行仿真、航空宇航制造等；加工制造业中用于各类数控装备（包括金切机床、研磨、电火花、水切割、激光切割等）、装配线、自动缠绕设备等；医学设备中可用于m.r.i机械、激光眼科手术、光学表面研磨等；原材料处理过程中用于混合、分离、包装、同步运输等；自动控制领域用于分布生产、精确位置控制、机器人技术、遥控、飞剪、自动化车间、网络控制等；在航天领域用于天线定位控制，空间摄影控制，激光跟踪控制，天文望远镜等； 在食品加工领域用于食品包装，家禽修整加工，精密切肉机等；在机床领域用于无心磨床，edm机床，激光切割机床，铣床，冲压机床，快速成型机，靠模铣床，螺纹机床，超声焊接机，水射流切割等；在产业制造领域用于粘胶配料，软管纺织机，绕线机，光纤玻璃拉伸机，龙门式输送臂，玻璃净化炉，高速标签印刷机，标签粘贴机，包装机械，飞剪等；在材料输送设备领域用于纸板运送，输送机驱动，核反应棒拆卸搬运，包装系统，码垛机等；在医疗器械领域用于人工咀嚼仿真器，血液分析仪，cat扫描仪，dna测试仪，测步仪，医疗成像声纳，尿样测试仪等。在半导体测试及加工领域用于晶片自动输送，盒带搬运，电路板特型铣，ic插装机，晶片抛光机，晶片探测机，晶片切割机，引线焊接机等；在测试及测量领域用于座标检验，齿轮检验，键盘测试，来料检验，显微仪定位，pcb测试，焊点超声扫描检查等；在纺织机械领域用于自动织袋机，地毯纺织机，珩缝机，纱绽卷绕机等；在军事领域用于自行火炮，坦克等武器的火控系统，车（船）载卫星移动通信，飞机的机载雷达等。5基于pmac运动控制卡构建数控系统5.1系统硬件组成cpu+内存总线（isa/pci/pc104）ipc（工业微机）i/o卡系统i/o运动控制卡反馈系统轴运动控制ipc+运动控制卡ipc & motion control cardpmac运动控制卡的开放式数控系统采用ipc+pmac的形式，其总体结构如图所示。图中表示基于pmac运动控制卡构建的数控系统，其中工控机为上位机，负责完成系统管理等非实时性任务，实现系统资源的有效合理分配，信息传递快。运动控制卡实现运动轴的实时控制和各轴测量信息的采集，i/0卡完成各种开关量信号的输入/输出等实时任务。软件基于windows系统，设计成通用性较高的可编程控制方式，使整套控制系统软、硬件具有较强开放性。构建控制系统的具体配置为：工控机plk-450，主基板pmac2a-pc104，acc-1p（扩展4通道，本项目需要控制5个轴），acc-2p-opt3（数字i/o通信扩展），acc-2p-opt2（双端口ram）等。5.1.1 工控机（ipc）工控机（industrial personal computeripc）是一种加固的增强型个人计算机，它可以作为一个工业控制器在工业环境中可靠运行。能和工业对象的传感器、执行机构直接接口、完成测控（包括管理）任务的微型计算机系统。它可以用于生产现场，完成生产过程的实时数据采集、实时处理及实时控制任务。也可以作为机械设备的一个有机组成部分，完成机械设备的控制任务。工控机是计算机技术与自动控制技术结合的产物，与信息处理计算机相比，不仅具有pc机性能稳定，运算速度快等优点，工控机具还具有以下主要特点：（1）高可靠性对机械设备、生产过程的控制，要求有经济效益和社会效益，控制必须可靠。它涉及到电气部件、机械部件、连接器以及配套的外围设备的可靠性。（2）环境适应性强工业环境恶劣，存在如振动、冲击、噪声、高频信号、电磁波、高湿度、高温度、油、水、粉尘等各种不利条件，要求工控机有极强的抗干扰能力和环境适应能力。 工控机（ipc）的技术特点： 1、采用符合“eia”标准的全钢化工业机箱，增强了抗电磁干扰能力。 2、采用总线结构和模块化设计技术。cpu及各功能模块皆使用插板式结构，并带有压杆软锁定，提高了抗冲击、抗振动能力。 3、机箱内装有双风扇，正压对流排风，并装有滤尘网用以防尘。 4、配有高度可靠的工业电源，并有过压、过流保护。 5、电源及键盘均带有电子锁开关，可防止非法开、关和非法键盘输入。 6、具有自诊断功能。 7、可视需要选配i/o模板。 8、设有“看门狗”定时器，在因故障死机时，无需人的干预而自动复位。 9、开放性好，兼容性好，吸收了pc机的全部功能，可直接运行pc机的各种应用软件。 10、可配置实时操作系统，便于多任务的调度和运行。 11、可采用无源母板（底板），方便系统升级。数控试验台配置的是4u工控机plk-450工业控制计算机。plk-450工业控制计算机配置赛扬lg cpu、128m内存、40g硬盘，采用fsc-1621vd主板，具有标准长卡isa总线、pci总线，能方便嵌入pmac卡，同时具备rs232总线和usb接口，pmac卡与工控机分装时可以通信。5.1.2 pmac2a-pc104运动控制卡组由于系统需要控制5个轴，而一块pmac2a pc-104可以控制4个轴，必须进行扩展。本试验台以一块pmac2a pc-104运动控制卡作为主卡，以acc-1p轴扩展板作为副卡，来扩展另外4个通道，构成8轴运动控制系统，其外形图如图所示。其中，主卡的4个轴分别控制x、y、z三个直线运动轴和一个旋转轴b；副卡控制另外一个旋转轴c，同时接入一路光栅尺（y轴）反馈，占用两个通道，剩余两个通道可以作为开发的预留通道。pmac2-pc/104基板acc-2pacc-1p8通道pmac运动控制卡组8 channels pmac cards group5.1.3 i/o板就运动控制系统而言，其执行的不单纯是运动程序，往往伴随着逻辑控制程序。在一个数控系统中，其处理的逻辑变量主要有原点、限位、主轴功能、换刀功能以及一些辅助功能（如工件夹紧、冷却液开关等），一般由可编程逻辑控制器（plc）完成。因此，在一段数控程序中既包含运动程序，又包含plc程序。基于pmac运动控制卡的开放式数控系统主卡可以实现各轴的原点和限位处理；而其他逻辑控制需要扩展i/o板，用acc-2p通信扩展板和acc-34aa光电隔离串行i/o 扩展板扩展32输入/32 输出的系统i/o，用于外部i/o控制。5.1.4 硬件控制系统的结构如上所述，数控系统硬件采用“nc嵌入ipc”的形式，以plk-450工业控制计算机为基础，在ipc的isa总线插槽上接入isa转pc104转接卡来适配pmac-pc104运动控制卡，这样ipc的cpu与pmac运动控制卡的cpu就形成主从式结构。当然，工控机与pmac运动控制卡也可以通过rs232c串口来实现实时通信。为实现pmac的多轴控制（数控）功能，pmac板卡上扩展了上述相应的附件，构成的数控系统的硬件结构如图所示。工控机上的cpu与pmac的cpu(dsp560001/dsp560001)构成主从式双微处理器结构，pmac主要完成对试验台五轴运动（输出控制量以及检测实际运动量并反馈）和开关量（原点限位等）的控制，工控机则主要实现系统的管理功能。外部i/o控制 ipc（工控机）外设isapc104pc104pmac2a-pc104（运动控制器主卡）acc-1p（轴扩展板）acc-2p（通信扩展板）acc-34aa（32in/32out）反馈输入x y z b反馈输入c y (光栅) 控制输出x y z b控制输出cpcm5151（isa-pc104）基于pmac数控系统的硬件结构hardware structure of cnc based on pmac5.2 系统软件结构5.2.1 概述数控系统的控制系统软件是数控系统重要的组成部分，特别是现代数控系统，完成数控系统大部分的控制功能。数控系统的控制软件主要包括以下关键技术：（1）选择合理高效的软、硬件开发平台软、硬件开发平台是支撑软件数控系统的前提基础。搭建一个既能满足系统功能要求，又能提供丰富的开发资源，便于系统二次开发和升级换代的软、硬件开发平台是开发中的首要任务。本项目中，硬件平台已经构建完成，软件开发平台以windows2000为操作系统平台，利用pmac提供的动态链接库为开发资源。（2）应用高速高精度的插补算法目前机床轨迹控制均采用粗精两级插补的策略，由于受硬件提供的插补采样频率制约，该方法只适于中、低速场合，无法满足高速高精度加工的需要。为此，机床的运动控制特点采用高速高精度的插补算法成为现代高速数控机床的关键技术。pmac执行软件中集成了高效直线、圆弧以及样条曲线的插补算法。（3）实现性能优良的软件伺服控制伺服控制是数控系统实现控制目标的最终执行部分，对保证数控机床的加工精度和速度起着关键性的作用，因此如何通过软件实现伺服控制是控制系统软件中极为里要的一项研究内容。pm