开放式全软件数控试验系统研究

XX 工 学 院 毕业设计说明书（论文） 作作 者者: 学学 号：号： 学学 院院:机械工程学院 专专 业业:机械设计制造及其自动化 题题 目目:开放式全软件数控试验系统研究 指导者：指导者： (姓 名) (专业技术职务) 评阅者：评阅者： (姓 名) (专业技术职务) 20xx年5月 毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文）中中文文摘摘要要 本次毕业设计课题为“开放式全软件数控试验系统研究” 。其主要任务是安 装 EMC2 以及分析研究学校现有的 EMC2 数控系统，在 Ubuntu 系统下学习使用 EMC2 软件，详细了解 EMC2 的配置向导过程以及延迟测试，学习 python 语言， 根据 EMC2 中 HAL 底层分析，然后利用 python 语言将 HAL 底层逻辑元件图形化、 以及各个电器模块的图形化并根据规则进行连线。本平台主要是由三轴雕刻机、 驱动器、驱动卡、并口、EMC2 软件组成。由于 python 的底层代码我们看不见， 而通过图形化的好处是可以更直观的让读者了解 python 语言语法，而且各个模 块可以根据规则自由连接。通过这样我们就可以直接的了解三轴雕刻机运动系统 信号的工作流程。 关键词 开放，EMC2，图形化，Ubuntu，HAL，python 毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文）外外文文摘摘要要 Title The Research of soft Numeric Control system Abstract The graduation design task for “The Research of soft Numeric Control system“. The task of principal is to install EMC2 and analysis the existing of EMC2 numerical control system in our school, learning to use EMC2 software under Ubuntu system, detailed understanding of the process and configuration guide EMC2 delay test, study python language, according to the analysis EMC2 and the bottom of the HAL and use python language to make the HAL bottom logic element, and all the graphical electrical module graphical and according to the rules of attachment. This platform is mainly composed of three axis carving machines, drive, driving card, parallel, EMC2 software component. Because we cannot see the bottom of the python code , through the graphical benefits can be more intuitive for readers to understand python language grammar, and each module can according to rules free connection. So we can directly understand of the three axis carving machine movement system signal flow of work. Keywords open，EMC2，graphical，ubuntu，HAL，python 目 录 引言1 1.1 课题简介.1 1.2 开放式全软件数控试验系统的发展现状 1 1.2.1 开放式数控系统概念 .1 .2 开放式数控系统起源与研究目的开放式数控系统起源与研究目的2 2 .3 国内外开放式系统的发展研究动态国内外开放式系统的发展研究动态 2 2 2 开放式全软件数控试验系统.3 2.1 开放式全软件数控试验系统特点优点 .3 2.2 开放式数控系统架构 4 2.3 开放式数控系统存在的问题 .5 3 全软件开放式 EMC2 CNC 技术的研究 5 3.13.1 关于关于 EMCEMC 6 6 3.23.2 计算机配置计算机配置7 7 .1 最小配置最小配置7 7 3.33.3 软件操作平台软件操作平台 UBUNTUUBUNTU 及其安装及其安装8 8 .1 启动启动 UBUNTUUBUNTU 并测试并测试 EMC2EMC2 8 8 .2 安装安装 EMC2EMC2 1010 .3 更新更新 EMC2EMC2 1010 3.43.4 配置过程配置过程1111 .1 延迟测试（延迟测试（LATENCYLATENCY TESTTEST）1111 .2 SHERLINESHERLINE 机床与机床与 XYLOTEXXYLOTEX 电机驱动电机驱动 1111 .3 机床信息、引脚信息、机械信息机床信息、引脚信息、机械信息1111 3.43.4 配置向导配置向导1212 .1 ENTRYENTRY PAGEPAGE（入口页、功能选择页面）（入口页、功能选择页面）1212 .2 基本信息基本信息1313 .3 延迟测试（延迟测试（LATENCYLATENCY TESTTEST）1414 3.53.5 修改配置修改配置1515 .1 并口配置并口配置1515 .2 轴配置（进给轴配置）并测试轴轴配置（进给轴配置）并测试轴1616 .3 找到最大速度及最大加速度找到最大速度及最大加速度1717 .4 主轴配置主轴配置 SPINDLESPINDLE CONFIGURATIONCONFIGURATION1818 .5 主轴速度控制主轴速度控制1818 .6 主轴同步运动（车床车螺纹）主轴同步运动（车床车螺纹）1818 .7 标定主轴转速标定主轴转速 DETERMININGDETERMINING SPINDLESPINDLE CALIBRATIONCALIBRATION1919 .8 机床配置完成机床配置完成1919 3.63.6 行程、原点、原点开关行程、原点、原点开关1919 .1 行程开关（限位开关）时的操作行程开关（限位开关）时的操作2020 .2 原点开关时的操作原点开关时的操作2020 .3 原点、限位开关接线规则原点、限位开关接线规则2020 3.73.7 运行运行 EMC2EMC2 2121 .1 启动启动 EMC2EMC2 2121 3.7.2 配置选择器 21 4. 在开放性软件 EMC2 中 HAL 的底层分析 22 4.1 HAL 命令 22 4.1.1 LOADRT.22 4.1.2 ADDF 22 4.1.3 LOADUSR.22 4.1.4 NET22 4.1.5 SETP 23 4.1.6 UNLINKP.23 4.2 HAL 数据.23 4.2.1 BIT.23 4.2.2 FLOAT.23 4.2.3 S32 和U32.23 4.3 HAL 文件 23 4.4 HAL 组件.24 4.5 逻辑部件 24 4.5.1 AND2.24 4.5.2 NOT25 4.5.3 OR225 4.5.4 XOR2.26 4.6 HALTCL 文件26 4.7 HALTCL命令.26 4.6 PYTHON语言介绍 .27 4.7 利用PYTHON语言，进行软元件的电气连接.27 4.7.1 MOTION 模块 .27 4.7.2 参数 28 4.7.3 功能 FUNCTIONS29 4.7.4 轴 AXIS29 4.7.5 IOCONTROL 模块 30 4.7.6 PARPDRT 模块 31 4.8 三轴运动控制总体接线图及其工作过程 32 4.9 三轴运动系统的实物图 33 5 开放式全软件数控试验系统未来前景和展望 34 结 论 .35 致 谢 .36 参考文献.37 1 1 引言引言 课题简介课题简介 本次毕业设计课题为“开放式全软件数控试验系统研究” 。其主要任务是分析研究 学校现有的 EMC2 数控软件系统，结合所学知识以及先进控制技术，学习软件从而对三 轴运功控制系统进行控制进行软元件的电气连接。 1 .1 开放式全软件数控试验系统介绍及发展现状开放式全软件数控试验系统介绍及发展现状 全软件数控是指 CNC 系统的各项功能，包括插补，位控和 PLC，均由软件模块来 实现。软件实现的灵活性有利于数控系统实现更高层次的开放性。从 1952 年世界上第 一台数控机床诞生以来，数控技术经过几十年的发展日趋完善，已由最初的硬件数控 （NC）经过计算机数控（CNC） ，发展到以微型计算机为基础的数控（MNC)、直接数控 （DNC）和柔性制造系统（FMS)等，并朝着更高的水平发展。但随着市场全球化的发展， 市场竞争空前激烈，对制造商所生产的产品不但要求价格低,质量好，而且要求交货时 间短，售后服务好，好要满足用户特殊的需要，即要求产品具有个性化。而传统的数 控系统是一种专用封闭式系统，它越来越不能满足市场发展的需要。新的环境要求 CNC 进一步向开放式控制系统转化。 1.1.1 开放式数控系统概念 开放式结构控制器(OPEN ARCHITECTURE CONTROLLER)的概念起源于上世纪 80 年 代美国国防部发起的下一代控制器(NGCNext Generation Controller)的研究计划。 IEEE(美国电气电子工程师协会)关于开放式系统的定义是：能够在多种平台上运行， 可以和其他系统互操作，并能给用户提供一种统一风格的交互方式。通俗地讲，开放 的目的就是使 NC 控制器与当今的 PC 机类似，其系统构筑于一个开放的平台之上，具 有模块化组织结构，允许用户根据需要进行选配和集成，更改或扩展系统的功能以迅 速适应不同的应用需求，而且，组成系统的各功能模块可以来源于不同的部件供应商 并相互兼容。 1.1.2 开放式数控系统起源与研究目的 过去日本的 FANUC、德国的 SIEMENS 等大型的 CNC 控制器制造商，为数控机床生产 了全部的配套产品，包括 CNC 数控装置、主轴、进给驱动器和电机，使机床生产厂得 到了满意的服务，也使这种专用的 CNC 系统成为市场上的主导产品，受到了机床生产 厂和用户的欢迎。然而，随着数控系统技术和数控机床的不断发展，对于特定功能的 2 需求以及成本等竞争因素的考虑，开放式的数控系统架构越来越受到机床生产厂家和 数控系统开发商的重视。 研究开放式数控系统的主要目的是解决变化频繁的需求与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，增强数控系统的柔性。 1.1.3 国内外开放式系统的发展研究动态 开放式数控系统较传统数控系统有着全方面的优势（下节会具体介绍） ，这些优势 又决定了其良好的发展趋势，在短短的几年间，世界各国不断投入和进行着大量的研 究、开发和应用，推动着开放式系统技术的迅速发展。其中最为典型的有： 1美国的“下一代控制器计划(NGC)”和“开放式模块化体系结构控制器(OMAC)“ 美国是开放式数控系统的发起人。早在 1987 年就提出了 NGC 计划，其核心在于基于相 互操作和分组式软件模块理念的“开放式系统体系结构标准规范(SOSAS)” 。1994 年又 开始了 OMAC 计划。另外，美国的一些 CNC 厂商对“开放式”也有自己的理解和产品， 比如 Deta Tau 公司的“可编程多轴控制器 PMAC 和 Soft Servo System 公司的 ServoWorks CNC 技术。 2欧共体的“信息技术研究发展战略计划(ESPRIT)“及“开放式控制系统体系结构 (OSACA)“1990 年欧共体发起了 OSACA 计划，关注三个关键问题： (1)参考体系结构； (2)通信系统； (3)配置系统。 3日本的“控制器开放系统环境计划(OSEC)“ 日本是世界上最大的机床出口国，对 开放式数控系统的研究十分重视。OSEC 开始于 1994 年，重点在以下几个技术领域开 展研究： （1）开放控制器的意义和方向； (2)开放式 NC 的基本体系结构； （3)自动工厂的记述语言一 FADL； (4)伺服控制的函数程序库。 4我国的“开放式数字控制系统(ONC)” 虽然目前我国还没有制定出开放式数控系 统的标准规范，但是已经进行了一定的探索，已经开发出来的有华中 I 型数控系统和 蓝天系通。1 2 2 开放式全软件数控试验系统开放式全软件数控试验系统 2.1 开放式全软件数控试验系统特点优点开放式全软件数控试验系统特点优点 开放式数控系统自从 20 世纪 90 年代首次出现以来，就被公认为数控技术最重要的 发展发向。其技术特点突出表现在以下几个方面： 3 1.开放性 开放式系统应当具有平台无关性，不依赖特定的硬件平台和操作系统平台。用户可 以自定义人机界面，系统的功能、规模可以灵活设置，方便修改，既可以增加硬件或 软件构成功能更强的系统，也可以裁减其功能以适应低端应用。 2模块化 模块化的含义有两层，首先是数控功能的模块化，可以根据机床厂的要求选配各个 功能；另一层含义是系统体系结构的模块化，即数控系统内部实现各功能的算法是可 分离的、可替换的。模块化结构使得控制器具有可互操作性和可移植性。可互操作性 是通过提供标准化接口、通信和交互机制，使不同功能模块能以标准的应用程序接口 运行于系统平台之上，并获得平等的相互操作能力，协调工作。可移植性是系统的功 能软件与设备无关，即应用统一的数据格式、交互模型、控制机理，使构成系统的各 功能模块可来源于不同的开发商，并且通过一致的设备接口，使各功能模块能运行于 不同供应商提供的硬件平台之上。 3标准化 标准化包括开发语言以及外部接口的标准化。外部接口包括人机界面接口、 NCPLC 编程接口，与上层系统和下层系统的接口。这些接口应符合国际标准或行业 标准。 4二次开发 开放式控制器应当允许用户进行二次开发。二次开发是具有不同层次的。比较简单 的二次开发可以包括用户根据实际情况调整系统的参数设定和进行模块配置，进一步 的二次开发包括对用户界面的重新设计，更深层的开发应当允许用户将自己按照规范 设计的功能部件集成到系统中去。如表 11，分别在系统结构、软硬件开发、网络、 接口等方面对开放式数控系统与传统数控系统进行比较。 表11开放式数控系统与传统数控系统的比较 名称传统数控系统 开放式数控系统 系统结 硬件、软件专用，扩展性差 基于通用的PC硬件标准和软件标准构 性能特定型号的配置固定，不能修改取决于软硬件配置，可通过核心硬件的更 4 换提高系统性能，软件算法容易升级。 维护性需随着市场竞争的需要，开发生产 专用的硬件 紧跟PC市场，方便更替 软件开发封闭式开发，软件由CNC制造商提 供 开放式软件平台 专用系统开发只能由CNC制造商完成，复杂程度 高 使用高级语言API，用户可以二次开发 联网使用专用硬件和专用通讯技术PC通用联网技术，容易同第三方软件协作 PLC软件使用专用语言，难以移植，要求维 护人员素质高 标准PLC语言，移植性强，容易掌握 接口专用接口，不可互换标准化接口，可与通用伺服和10模块连接 成本CNC制造商根据竞争需求制定，维 修成本虚高 通用性硬件，成本可控 稳定性专用硬件和软件，可靠性高兼容性高，硬件开放，成熟期长 2.2 开放式数控系统架构开放式数控系统架构 从结构上来看，开放式数控系统的实现方式有以下三种基本形式： 1PC 嵌入 NC 型 该类型系统是将 PC 装入到 NC 内部，PC 与 NC 之间用专用的总线连接。系统数据传 输快，响应迅速，同时，原型 NC 系统也可不加修改就得以利用。这种数控系统尽管具 有一定的开放性，但由于它的 NC 部分仍然是传统的数控系统，其体系结构还是不开放 的。PC 前端将丰富的 PC 硬件软件资源融入数控系统，完成系统的非实时任务；后台 NC 完成系统的实时控制功能，可保留其成熟可靠的性能。采用这种结构的数控系统主 要出自知名 CNC 厂商，在不愿放弃成熟的传统 NC 技术而又需要 PC 的开放性时采取的 一种折衷解决方案。典型代表有日本 FANUC 的 18i 系统、德国 SIEMENS 的 840D 系统、 5 法国 NUM 公司的 1060 系统等。 2.NC 嵌入 PC 型 该类型系统以通用 PC 架构为基本平台，将具有标准 PC 接口(如 ISA、PCI)的 NC 控制板或整个 CNC 单元插入 PC 主板扩展槽中形成开放式数控系统。PC 完成人机界面、 数据通信及 NC 功能调用等非实时任务，NC 扩展卡完成运动控制和 PLC 控制等实时任 务。这种方法能够方便地实现人机界面的开放化和个性化。NC 扩展卡一般选用高速的 DSP 芯片作为 NC 的 CPU，其标准的函数库可供用户在操作系统平台下二次开发所需要 的功能。就开放程度而言，这种方式比 PC 嵌入 NC 式数控系统要高，得到了广泛的应 用。较为典型的系统有日本 MAzAK 公司基于日本 MITSUBISHI 公司 Meldas 64 的 MAZATROL 640 系统和美国 Delta Tau 公司基于 PMAC 多轴运动控制卡的 PMACNC 系统。 3纯软件型 纯软件型开放式 CNC 的全部核心功能(包括插补运算、加减速运算、PLC 等实时任 务)均由运行在 PC 硬件平台上的软件实现。这类系统借助现有的操作系统平台(如 DOS，Windows 等)，在应用软件(如 Visual C+，Visual Basic 等)的支持下，通过对 NC 软件的适当组织、划分、规范和开发，可望实现上述各个层次的开放。并且通过安 装在 PC 主板扩展槽上的通讯接口板与伺服系统或输入输出点进行连接。这种实现形式 的数控系统在软件上基于操作系统编程标准，在硬件上基于通用 PC 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 MDSI 公司的 Open CNC、德国 Power Automation 公司的 PA80000NT、德国 Beckhoff Automation 公司的 TWinCAT 和 本文所介绍的美国 Soft Servo System 公司的 ServoWork。2 2.3 开放式数控系统存在的问题开放式数控系统存在的问题 数控系统要实现开放性结构，主要需要解决以下几个关键性的问题： 1制定一个开放式数控系统的制造协议； 2实现系统硬件的模块化、标准化和系列化； 3构造一种独立于硬件系统的软件平台。 目前看来，大多数开放式数控系统研发和生产厂商都只能完成第三点，尽可能的降 低软件的硬件相关性，在硬件选择上表现开放的态度。然而，由于没有接近成熟的标 准和协议，第一和第二点都只能停留在研讨阶段。只有当第一和第二点逐步走向成熟， 开放式数控系统才能真正得到长足的发展，才能在市场份额和核心竞争力上与传统数 6 控系统一较高低。 3 全软件开放式全软件开放式EMC2 CNC技术的研究技术的研究 3.1 关于关于 EMC EMC（增强机器控制）是一款用来控制机床（铣床、车床等）的计算机软件系统。 EMC 是一款开源的自由软件。 EMC 特点： （1） 提供几种不同的用户界面供选择使用； （2） G 代码解释器（基于 RS-274 机床编程语言） ； （3） 带预处理功能的实时运动规划系统； （4） 可直接操作底层的机床电器如传感器、电机驱动器等； （5） 易于使用的“面包板层” （“breadboard“ layer） ，就像使用“面包板”做 电路实验一样很容易的创建适合机器的独有配置文件； （6） 可用梯形图编程操作的 PLC 软件（指 Classic Ladder） ； （7） 所有这些都集成到一张 Live-CD 上面，易于安装。 它不提供 CAD 和 CAM 功能，不能画图，也不能从图直接导出 G-Code。但可以支持 9 轴联动，支持不同接口。可以实现闭环运动控制，也可以使用开环控制。能够控制 模拟或 PWM 接口的伺服电机。 运动控制特点：刀具半径和长度补偿、路径偏差可限制在给定的误差范围内、车床 车螺纹、多轴联动、自适应进给速度、手动进给覆盖（operator feed override） 、恒 速控制。通过调整运动学模块的参数，可以提供对非笛卡尔运动系统的支持。EMC2 支 持的其他架构包括：六足系统（Stewart 或类似的机器人平台） 、带旋转关节的系统 （通常为 PUMA 或 SCARA 机器人提供运动支持） 。EMC 运行在使用实时扩展模块（RTAI 或者 RTLinux）的 Linux 操作系统中。 EMC2 最初是 NIST Enhanced Machine Controller 项目的一个分支，现在它是一个 GPL 的项目，EMC2 目前致力于以下四个目标： （1） 使 EMC2 项目对新手来说更加易于使用，且易于编译与安装。 （2） 为了减少复杂度，决定：除了 X86-Linux 平台以外，EMC2 都不提供支持。 在实时性方面，也只提供 RTAI 或者 RTLinux 的支持。 （3） EMC2 包括了一个硬件抽象层（Hardware Abstraction Layer） ，HAL 使得 7 硬件相关的实时代码更加模块化，从而让外部接口（pins and I/O devices）更易于 配置，这样就提高了软件的灵活性以及适应能力。 （4） 增加了一些功能，包括刚性攻丝和单点线程、增强的轮廓功能、用 Class Ladder 实现的内置 PLC 功能（rigid tapping and single point threading、improved contouring、built-in PLC using Classic Ladder） 等等。 3.2 计算机配置计算机配置 3.2.1 运行软件的最小配置 最小配置要根据具体的应用来确定。因为要求分管线程切换的时间片分配系统 （Stepper systems）要足够快，即要能产生比伺服系统还要快的步进脉冲才行。所 以 CPU 的速度是要越快越好，但 Live-CD 里面提供的 Latency Test 功能也十分重要， Latency Test 可以最终判断目标机器是否适合运行 EMC2 系统。以下给出了一个推荐 的配置。可能不是最好，但可以流畅的运行。700 MHz x86 处理器 (1.2 GHz x86 更 好).384 MB 内存 (512 MB 或 1 GB 更好 ).4 GB 硬盘空间.显卡分辨率最低 800*600， NVidia 或者 ATI fglrx 这样专有的驱动程序不好，集成显卡也不太好， 因为它们会和 CPU 抢内存用。有网络最好，这样可以方便升级，也利于及时从社区里 面查找相关的技术信息。笔记本一般不适于运行 EMC2，当然具体能不能用还是取决于 Latency Test。如果系统安装后，显示器分辨率是 800*600，那多半是 Ubuntu 没能识 别电脑的显卡或显示器。集成显卡通常不适合用于 EMC2 这样的实时系统。 3.3 软件操作平台软件操作平台 Ubuntu 及及 EMC2 安装安装 选择 Ubuntu，是因为它和 EMC2 的开源观点最为契合。而且 Ubuntu 永远不会收费， 也没有“企业版”费用。而且 EMC2 与 Ubuntu 配套已经 3-5 年了，Ubuntu 一直积极提 供技术支持和安全支持。Ubuntu 尽最大努力致力于推广工作，做到了免费软件社区所 能做到的一切，这些都使得越来越多的人使用 Ubuntu。Ubuntu 是遵守自由软件开发原 则的典范，从 /网站可以找到 Live CD 并下载。如果网络条 件不好，可以用 Wget 下载。 如果要安装到电脑上，需要烧录到 CD（700M 容量的 CD）。如果用虚拟机，可以不必烧录，可以直接使用 ISO 文件当光驱使用。 3.3.1 测试 EMC2 把烧录好的 CD 放入光驱，关机，开机，设置 BIOS 从光盘启动，Ubuntu 就启动了。 Live CD 里面包含了 Ubuntu 和 EMC2 的所有文件，而且这样有一个好处，就是可以非 安装运行（类似一个应急启动盘）。但非安装运行即“测试运行”时不能创建用户配 8 置文件、不能修改大部分系统设置。不过这并不影响测试工作，从而确定电脑是否适 合安装 Live CD。 Ubuntu 从光盘启动以后，会有两个分支（参见图 1 光盘启动），此 时单击“Try Ubuntu 10.04 LTS”就可进入测试运行。而另一个分支“Install Ubuntu 10.04LTS”就是把 Ubuntu 和 EMC2 真正安装到机器的硬盘上了。 图1 光盘启动 进入测试运行模式以后，Ubuntu看起来是这个样子（参见图2 光盘启动）。 图2 光盘启动 要体验一下EMC2，就在Ubuntu界面里面依次单击ApplicationsCNCEMC2（参见图 3 光盘启动）， 9 图3 光盘启动 就会进入到选择配置的界面“EMC2 Configuration Selector”，在该界面中要选择一 个模拟配置（sim 那一组的，比如选 simaxis），再点击OK按钮（参见图4光盘启 动）， 图 4 光盘启动 接下来如果有对话框出现就一律选YES或OK，就会出现“Axis Interface”界面（参见 图5 光盘启动）。如果看到了这个界面，那么前面的工作一切顺利，已经对EMC2有一 定的了解了。用Latency Test测试即可知道机器是否适合运行EMC2。 10 图 5 光盘启动 依次单击 Applications-CNCLatency Test 就可以启动这个测试。（在 3.4.3 延迟测试有详细介绍） 3.3.2 安装 EMC2 要是对测试运行的结果满意，只要双击桌面那个唯一的图标“Install Ubuntu 10.04 LTS”就可以了，当然你也可以重新从光盘启动（参见图 1 -光盘启动 1.gif）， 在图 1 那个界面单击“Install Ubuntu 10.04 LTS”按钮同样可以启动 EMC2 安装。 安装过程中只需回答几个问题即可：语言、地理位置（时区） 、键盘布局、硬盘分区、 姓名用户名密码等。其中的用户名密码需要记住，因为以后登录要用到，其他的选择 默认即可。安装过程不会有什么问题。安装完毕、重新启动后，还可以用更新管理器 （update manager）升级需要升级的软件。 第一次打开 EM2 看到的界面就是“Axis Interface”，其实这个“Axis Interface” 只是 EMC2 的默认界面（参见图 5 光盘启动），当然还可以选择其他的界 面使用。 3.3.3 更新 EMC2 正常安装成功以后，Update Manager 会通知并帮助更新 EMC2 到最新版本，即使没 有 Linux 知识也没关系。但是要注意，不推荐升级 Ubuntu 到新的版本（比如从 8.04 11 到 8.10），可能会有兼容性的问题。如果一定要升级，不如选一个新版本的 Live CD 彻底重新安装。现在可以用 Live CD 把 Ubuntu 和 EMC2 安装到计算机上了。此时最好 能连接到互联网，然后等待 update manager 自动弹出来，让 update manager 自动把 要打的补丁装上，这样既可以升级成中文版本 参见图 6 图 6 3.4 EMC2 配置过程配置过程 3.4.1 延迟测试 可以判断计算机 CPU 对请求响应速度的快慢程度。当一台 CNC 机床运行时，有些硬 件可能会中断 CPU 的运行，从而导致丢步的情况发生，所以，计算 CPU 的实际响应时 间就尤为重要。因此第一件要做的事情就是执行延迟测试。 3.4.2 Sherline 机床与 Xylotex 电机驱动 EMC2 有一些合作伙伴，Sherline 和 Xylotex 就属于这一类，所以这两家的产品被 EMC2 支持的比较完善。Sherline 的机床直接有预定义的配置，只要启动 EMC2 时选择 一下就可以直接使用了，根本无需配置。Xylotex 电机驱动，虽然也要配置一下，但 并不需要收集信息什么的，在配置向导 stepconf 里面就可以直接快速配置了。 机床信息：收集机床所使用的各个轴（电机或电机驱动）的信息（单位是纳秒）。 这些信息应该可以由电机或电机驱动的供应商提供。 3.4.3 机床信息、引脚信息、机械信息 引脚信息：收集机床和 PC 计算机并口的连接信息，确定并口各引脚的功能。而且 不用的引脚要设成“Unused”。如果需要，这些设置都可以用配置向导随时修改。 1 E-Stop Out 10 Both Limit & Home X 2 X Step 11 Both Limit & Home Y 12 3 X Direction 12 Both Limit & Home Z 4 Y Step 13 Both Limit & Home A 5 Y Direction 14 Spindle CW 6 Z Step 15 Probe In 7 Z Direction 16 Spindle PWM 8 A Step 17 Amplifier Enable 9 A Direction 表 1 机械信息：收集机械传动过程中相关的传动比信息。这些信息最终会被换算成单位 长度所需的步进脉冲数保存到.ini 文件的 SCALE 项里面，供 EMC2 使用。 Steps per revolution：电机转一圈需要发出的脉冲数量 Micro steps：电机转一步 需要发出的脉冲数量 Motor & Leadscrew Teeth：电机齿轮齿数和丝杠齿轮齿数之比 Leadscrew pitch：工作台移动单位长度需要的丝杠转动圈数。如果是英制，就是工作 台移动一英寸丝杠转的圈数；如果是公制，就是丝杠转一圈工作台移动多少毫米。 3.5 配置向导（配置向导（Sherline 机床为例）机床为例） 配置向导只是 EMC2 的一个比较基本的配置功能。EMC2 可以通过许多不同的硬件 接口控制许多不同类型的机器设备。当机器设备使用并口和 PC 机连接，且可以用“脉 冲信号+方向信号”控制时，选择使用 Stepconf Wizard 生成配置文件。Stepconf Wizard 在安装 EMC2 时被自动安装了，可以在 CNC 菜单中找到。Stepconf Wizard 会 在 emc2/config 文件夹下放置一个文件存储在运行向导过程中创建或选择的各种配置 信息，文件的后缀是.stepconf，以后想修改时可以找到它。Stepconf Wizard 需要至 少 800*600 的屏幕分辨率，否则底部的按钮可能会看不到。如下图所示 Sherline 机床： 图 Sherline 机床 13 3.4.1 Entry Page（入口页、功能选择页面） Create New ：创建一个新的配置。 Modify ：修改一个旧的配置。选择此项后，接下来的页面就是一个文件选择页面 （如果是新建一个配置，就不会出现这个文件选择页面），在此页面，你可以选择要 修改的配置文件（.stepconf 后缀）。（配置向导在新建配置时，除了在 emc2/config 文件夹下放置一个.stepconf 后缀的文件以外，还在该文件夹下新建了一个文件夹 my- mill，里面有六个文件 custom.hal, custom_postgui.hal, my-mill.hal, my- mill.ini, README, tool.tbl，“my-mill”是 Stepconf Wizard 默认的一个名字，可 以在向导中修改成随意的名字）。选择 Modify 功能后所做的修改将覆盖到 my- mill.hal 和 my-mill.ini 文件中，“覆盖”意味着如果曾用其它编辑工具（如 vim） 对这两个文件做了手动修改，那么经过使用 Stepconf Wizard 的 Modify 功能后，这些 修改都会丢失。而 custom.hal 和 custom_postgui.hal 则不会受到影响，Stepconf Wizard 的 Modify 功能对它们不起作用。 3.4.2 基本信息 如图 7 所示以下为图 7 的具体解释： Machine Name ：机床名称。只能用“大小写英文字母、数字、-、_ ”组成； Axis Configuration ：轴配置。只能是 XYZ (Mill), XYZA (4-axis mill) or XZ (Lathe)三者之一； Machine Units ：机床尺寸单位，英制或公制。该向导后面的参数设置将根据这个 选项的值做相应调整； Driver Type ：电机驱动器类型。如果在下拉列表框中能找到自己电机驱动器型号， 就选择它，接下来的四个时间参数也就不用填了。否则，要从电机驱动器的参数表里 面找到这四个时间参数，还要注意把所有的时间参数都换算成纳秒。 另外，有些信号条件或隔离条件也会影响这些时间参数（比如分线板、转接板上面 的光耦、RC 滤波电路），用时间参数进行微调来适应这些电机驱动器以外的影响因素。 Step Time ：步进脉冲的宽度，t3，纳秒； Step Space ：步进脉冲之间的宽度，t4，纳秒； Direction Hold ：电机方向切换后保持的时间，这个时间以后才能发步进脉冲， t7，纳秒； Direction Setup ：步进脉冲发完后，应保持这个时间，才能切换方向，t6，纳秒； 14 First Parport ：通常保持默认的 0X378 就可以了； Second Parport ：并口 2、并口 3。如果想使用更多的并口，就填写它们的地址，选 择它们的类型。 图 7 Base Period Maximum Jitter ：Latency Test 的测试结果就用到这里。在这个页 面里有一个“Test Base Period Jitter“按钮，可以直接启动 Latency Test； Max Step Rate ：向导会根据录入的参数自己计算，无需干预； Min Base Period ：向导会根据录入的参数自己计算，无需干预； Onscreen Prompt For Tool Change ：如果选中这个选项，EMC2 在遇到 M6 指令时， 会暂停并提醒换刀。除非想通过修改 custom.hal 文件实现自动换刀操作，否则应当选 中这个选项。 3.4.3 延迟测试 延迟测试时，应当尽量让计算机运行：移动窗口、网上冲浪、拷贝大文件、听音 乐、运行类似 glxgears 的 3D 软件等等，总之就是要测出电脑满载情况下的时间参数。 在延迟测试时不能运行 EMC2 。 延迟测试至少要运行几分钟，时间越长效果越好。这是针对计算机的测试，所以 不需要把其它的硬件接到计算机上。“延迟”是指 PC 机需要多长时间才能停下它正在 做的事情，转而响应一个外部的请求。延迟测试时，请求就是一个周期性的心跳，每 一跳都是一个步进脉冲的时序参考点。延迟时间越短，心跳就可以越快，也就意味着 步进脉冲可以更快更平稳。“延迟”是最后综合的结果，比 CPU 的速度更重要。因为 CPU 不是决定“延迟”的唯一因素，主板、显卡、USB 接口等等好多因素都影响着“延 15 迟”。 在延迟测试界面上，最重要的是“max jitter”对应“Base Thread”的数字，记下这 个数字并把它填到“Base Period Maximum Jitter”那个编辑框里面。如果 Max Jitter 小于 15000-20000 纳秒，那么 EMC2 会运行的相当好。如果这个值在 35000- 50000 之间，EMC2 运行还行，但是“maximum step rate”这个参数会不太好，尤其是 使用微步脉冲或者使用一个细牙丝杠的时候。如果这个值超过了 100 微秒，那么这个 计算机已经不建议使用了。如果超过了 1 毫秒，那么无论什么情况，都不应当使用这 台计算机跑 EMC2 了。下图 8 结果即为我自己电脑测试所得： 图 8 3.5 修改配置修改配置 配置向导可以新建一个新的配置，也可以修改一个旧的配置。启动配置向导 （Stepconf Wizard）以后，选择“Modify a configuration.”，然后就可以挑一 个旧的配置文件（.stepconf后缀的文件）进行修改了。文件的头部可以了解这个文件 是否允许手工修改。 3.5.1 并口配置 EMC2的并口有17个引脚可用。对Stepconf Wizard来说，有12个输出引脚+5个输入 引脚。在这个并口配置页面能做的是为每个引脚选择功能（输出引脚有23种功能可选， 输入引脚有 40种功能可选，具体选哪个要参考和并口连接的硬件了）。如果信号电平 是反的（0V代表true/active，而5V代表false/inactive），那就要把该引脚的 “invert”选项勾上。 Output pinout presets ：Sherline机床和Xylotex驱动的并口顺序都是固定的，所以 EMC2在这个页面为它们准备了两个快捷键，可以自动设置第2-9脚。 Inputs and Outputs ：不用的输入引脚或输出引脚都要设成“Unused”。 External EStop ：外部急停开关，要设在某一个输入引脚上。典型的急停开关回路应 16 使用常闭触点实现。 Homing & Limit Switches ：原点和限位开关，要设在某一个输入引脚上。 Charge Pump ：电荷泵，有的驱动板需要一个电荷泵信号输入。这时可以选一个输出 引脚把它设成电荷泵功能，再把该引脚接到驱动板的电荷泵输入端就可以了。 Stepconf会把电荷泵输出和base thread关联起来，电荷泵输出的频率将是“maximum step rate”的一半。 3.5.2 进给轴配置并测试轴 Motor Steps Per Revolution ：电机转一圈需要的脉冲数。如果是步进电机而且知 道电机的步距角也可以算脉冲数，用360除以步距角就可以得到脉冲数。 Driver Microstepping :驱动器细分数，如果是2细分，此处就填2。 Pulley Ratio ：传动比。如果用皮带轮连接电机和丝杠，就在此处填上传动比，如 果电机直接驱动丝杠，就填1:1 。 Leadscrew Pitch ：丝杠和工作台之间的传动比。（注意英制inch和公制mm的不同） 如果选的是inch为单位，此处应填工作台每走1英寸丝杠转的圈数（比如填8就表示 8TPI（Turns Per Inch）。多头丝杠也是一样，只不过要自己换算一下。如果选的 是mm为单位，此处应填丝杠每转一圈工作台走的毫米数（比如填 2 就表示2mm/rev） （单头丝杠就是螺距，多头丝杠就是导程）。如果在测试这个轴时，发现工作台走的 方向反了，那么有两个办法可以纠正过来。一是可以在此处输入一个负数，二是可以 把并口相关的方向引脚的配置启用“invert”选项。 Maximum Velocity ：最大转速。单位：inch/s 或 mm/s 。 Maximum Acceleration ：最大加速度。和最大转速一样，这两个参数都只能通过 实验的方法获得， Home Location ：原点的位置，就是在该轴上执行原点复归操作后工作台在该轴所 处的位置。没有原点开关时，需要机床操作员把工作台手动移到某个位置，然后按 “Home”按钮确定原点。如果你组合使用原点和限位开关功能，你必须让原点位置和 原点开关位置不同，否则会出现“joint limit”错误。 Table Travel ：工作台行程。 不允许G代码超过这里规定的行程。原点位置也必须在这个行程范围内。尤其注意，把 原点位置刚好设在工作台行程的某一端也是不对的。 Home Switch Location ：原点开关的位置。原点复归操作经过这个位置时，将产 生压下、释放原点开关的动作。只有在并口配置页面里面选择了相应轴的原点开关选 17 项时，本参数和以下的两个参数才会出现，否则它们是灰的，不可用。如果组合使用 原点和限位开关功能，必须让原点位置和原点开关位置不同，否则会出现“joint limit”错误。 Home Search Velocity ： 原点复归速度。原点复归操作时，工作台向原点开关运 行时的速度。如果原点开关距离行程终点很近，就应当设定一个适当的复归速度，使 工作台可以减速停止，以免超出行程。即使原点开关距离行程终点有一段距离，但如 果不能保证原点开关从被压下时起一直到行程终点都处于压下状态，也应当设定一个 适当的复归速度，使工作台可以减速停止，而且要确保原点开关不在工作台运行方向 上被释放，还要确保每一次原点复归操作都是从原点开关的同一侧开始的。如果原点 复归操作时，工作台运行的方向反了，把这个原点复归速度设成负数即可解决问题。 Home Latch Direction ：最终确定原点的方式。工作台压下原点开关以后，如果 选“Same”，则工作台会退回一点，重新以一个非常慢的速度再次接近原点开关，原 点开关再次闭合时，工作台停止，原点确定；如果选“Opposite”，则工作台非常慢 的退回，原点开关释放时，工作台停止，原点确定。 加速时间、加速距离、最大速度对应脉冲频率、单位长度脉冲数量（Axis SCALE）： 这几个参数都是EMC2利用你输入的参数自动计算出来的。EMC2控制的几个轴的“最大 速度对应脉冲频率”可能不一样，其中最大的那个决定了EMC2的基准周期 （BASE_PERIOD），这个值不能太大，大于20000Hz时可能使计算机变慢甚至死机（当 然这最终取决于你计算机的能力）。“单位长度脉冲数量”被用在“ ini”文件里面， 被赋值给一个叫做“SCALE”