（机械电子工程专业论文）基于ethermc平台的新型围字机控制系统研究.pdf

摘要 摘要 当前，在数控系统研究领域中，开放结构运动控制器技术和现场总线技术在 工业控制中应用广泛。本文分析了典型的开放式控制器体系结构的特点、发展现 状及常见应用，给出了“p c + 以太网接口卡 结构的运动控制方案，通过p c 机软 件程序实现了其在新型围字机设备中的应用。 本文在分析国内外围字机发展状况的基础上，根据新型围字机的结构特点， 给出了其控制系统的功能要求。在新型围字机的自动加工控制中，本文在传统加 工工艺的基础上，采用了改进的工艺规划方法，产品质量和生产效率都得到了很 大提高。 本课题采用基于e t h e r m c ( e t h e r n e tf o rm o t i o nc o n t r 0 1 ) 的开放式数控平台。 p c 与以太网接口卡之间通过标准以太网进行通信。以太网接口卡将所有的驱动器 和i o 联接在一起，它负责将上位机程序发送的控制信号与电机( 或i 0 ) 信号进行 转换，执行实际的机器动作或返回状态信息给上位机；它也负责为上位机程序提 供定时基准，实现对系统的实时和同步控制。 围字机控制系统所有的控制功能都由上位机软件完成，这是本论文的主要部 分。上位机软件是在w i n d o w s 操作系统下利用m i c r o s o f tv i s u a ls t u d i o 开发工 具进行开发。本论文根据功能要求采用了面向对象的模块化设计，给出了各模块 的设计方法，完成了整个控制系统的软件实现。经过调试和实验表明，该系统能 够满足实际工程的需要。 关键词：开放结构；以太网接口卡；围字机；工艺规划 a b s t r a c t a b s t r c t a tp r e s e n t ，t h eo p e nm o t i o nc o n t r o l l e rt e c h n o l o g ya n dt h ef i e l d b u st e c h n o l o g ya r e w i d e l ya p p l i e d i ni n d u s t r i a lc o n t r o l s t h i s p a p e ra n a l y s e s t h e c h a r a c t e r i s t i c s ， d e v e l o p m e n ta n dc o m m o na p p l i c a t i o n s o ft h et y p i c a lo p e na r c h i t e c t u r em o t i o n c o n t r o l l e r , p r e s e n t sac o n t r o lr e s o l u t i o nw i t ht h es t r u c t u r eo f p c + e t h e m e ti n t e r f a c e c a r d ”，a n di m p l e m e n t st h ea p p l i c a t i o no nt h eb e n d i n gm a c h i n ec o n t r o l l e db yp cc o n t r o l s o f t w a r e b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h eb e n d i n gm a c h i n e sc u r r e n td e v e l o p m e n ta th o m ea n d a b r o a d ，t h i sp a p e rg i v e st h e r e s o l u t i o nf o rt h ea u t o m a t i cm a c h i n i n gc o n t r o la c c o r d i n g t o t h ef e a t u r e so ft h en e wb e n d i n gm a c h i n e d u r i n gt h ep r o c e s so ft h ea u t o m a t i c m a c h i n i n g ，o nt h eb a s eo ft r a d i t i o n a lt e c h n i q u e s ，t h ep a p e ra d o p t sa l li m p r o v e dp r o c e s s p l a n n i n gm e t h o dw h i c hh a si m p r o v e dt h eq u a l i t yo fp r o d u c t sa n di n c r e a s e dt h e p r o d u c t i v i t yo ft h e m t h ep l a t f o r mf o rt h i ss u b j e c tu s e st h eo p e nn cs y s t e mb a s e do ne t h e r m c ( e t h e m e t f o rm o t i o nc o n t r 0 1 ) e t h e r n e tb u s t h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e np ca n dt h ee t h e r n e t i n t e r f a c ec a r di si m p l e m e n t e dv i as t a n d a r de t h e r n e t t h ee t h e m e ti n t e r f a c ec a r dl i n k sa l l d r i v e r sa n di ot o g e t h e r i ti sr e s p o n s i b l ef o rs i g n a lc o n v e r s i o nb e t w e e nt h eu p p e r c o m p u t e r ss o f t w a r ea n dt h em o t o ro ri o ，t oe x e c u t ea c t u a lm a c h i n i n gm o v e m e n t so r r e t u r nt h es t a t ei n f o r m a t i o n i ti sa l s or e s p o n s i b l ef o rp r o v i d i n gat i m i n gc l o c kf o rt h e u p p e rc o m p u t e r ss o f t w a r e ，t o f u l f i l lt h er e a l t i m ea n ds y n c h r o n o u sc o n t r o lo ft h e s y s t e m a l lc o n t r o lf u n c t i o n so ft h eb e n d i n gm a c h i n ea r ei m p l e m e n t e di nt h eu p p e r c o m p u t e r ss o f t w a r e t h i si sa l s ot h em a i np a r to ft h ep a p e r t h eu p p e rc o n t r o ls o f t w a r e i sd e v e l o p e du s i n gt h em i c r o s o f tv i s u a ls t u d i ot o o li nw i n d o w so p e r a t i n gs y s t e m t h i s p a p e ra d o p t sm o d u l ed e s i g n sa n do b j e c t - o r i e n t e dm e t h o d sa c c o r d i n gt o f u n c t i o n a l d e m a n d s ，g i v e so u tt h ed e s i g n i n gm e t h o do fe a c hm o d u l e ，a n dt h e nf i n i s h e ss o f t w a r e i m p l e m e n t a t i o n s t h er e s u l ti n d i c a t e st h a tt h i ss y s t e mc a l lm e e tn e e d so fa c t u a lp r o j e c t s i i i b yd e b u g g i n ga n dt e s t i n g i v 【i j 东大学硕十学位论文 k e y w o r d s ：o p e na r c h i t e c t u r e ；e t h e m e ti n t e r f a c ec a r d ；b e n d i n gm a c h i n e ；p r o c e s s p l a n n i n g 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：二西上睢 日 期：一2 翌卫尘业 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人 授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：塑啤导师签名：磕叠扯日 第1 章绪论 1 1 课题背景 第1 章绪论 制造业是国民经济发展的支柱产业，制造业的竞争力源于先进制造技术。数 控技术作为先进制造技术的基础和核心，以前所未有的深度和广度深刻影响着制 造业领域的发展方向，正在给制造业带来革命性的变化。而数控技术的核心是数 控系统，随着数控技术的不断发展，传统数控系统由于其采用专用的、封闭式的 体系结构，导致不同的系统互不兼容，同一系统各模块间的交互方式、通讯机制 也各不相同。随着科技的进步，市场竞争的加剧，传统体系结构的数控系统越来 越暴露出其固有的缺陷。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。 开放式数控系统是制造技术领域的革命性飞跃，开放式体系结构使数控系统 有更好的通用性、柔性、适应性和扩展性，其硬件、软件和总线规范都是标准的、 对外开放的，满足了数控系统模块化、标准化和网络化的要求。因此，开放式数 控系统将逐渐取代传统的封闭式数控系统，成为数控系统发展的主流。国内外许 多研究机构、大学和企业都开展了在该领域的研究心1 。 本文对开放式数控系统进行了研究，并将其应用到围字机自动加工控制系统 中。围字机是户外广告行业中发光字生产的关键设备之一，国内户外广告业发展 极其迅速，但围字机系统的发展却非常缓慢。目前绝大部分围字机系统仍处于手 工或半自动状态，生产效率低，成型质量也不尽如人意，严重制约着该行业的发 展。 本课题的围字机控制系统采用“p c + 以太网接口卡 的控制方案，上位机软件 负责完成全部的控制功能，以太网接口卡负责信号的转换和提供定时时钟，两者 互相配合，共同完成围字机系统的自动加工控制。其中上位机软件部分是本论文 的重点。本系统采用先进的加工控制算法，实现了产品的自动加工，提高了生产 效率和加工质量，解决了传统围字机系统中存在的问题，对于提高我国在这一行 业的竞争力具有较大的意义。 山东大学硕+ 学佗论文 1 2 开放式数控系统概述 从1 9 5 2 年美国麻省理工学院研制出第一台试验性数控系统以来，数控技术经 过几十年的发展已日趋完善。数控系统由最初的分立式晶体管，经过小规模集成 电路、大规模集成电路、小型计算机、超大规模集成电路，发展到了今天的微机 式数控系统。2 0 世纪7 0 年代中期数控装置由n c 转向c n c ，到8 0 年代c n c 装置开 始向人工智能化方向发展，驱动装置也向交流、数字化方向发展，通信功能增强， 数控系统的可靠性不断提高。进入2 0 世纪9 0 年代以来，随着计算机技术的飞速 发展，数控技术正朝着更高的水平迈进口1 。 近年来，随着微机式数控系统的成熟和普及，数控技术从传统的应用领域扩 展到各种专用机床和其他机械设备，传统的封闭式数控系统越来越暴露出其固有 的缺陷。 传统的封闭式数控系统的缺点如下h 1 ： ( 1 ) 系统硬件是专用的，各厂家的主板、伺服电路板专门设计，厂家之间产 品无互换性； ( 2 ) 系统软件结构是专用的，无可移植性，也无伸缩性，由不同的生产厂商 独立设计，导致不同厂商的数控系统在内部结构、实现方法和表现风格上存在或 多或少的差异，形成了各自独立的标准和规范体系； ( 3 ) 数控加工系统功能非常单一，结构固定，不能满足产品快速转型和短期、 小批量加工的要求； ( 4 ) 系统升级和维护困难，市场上难以找到可替换的配件，致使部件损坏不 能及时修复而导致整个设备不能正常运行； ( 5 ) 专用封闭式的数控系统无法应用最新的计算机软硬件技术，从而严重影 响数控技术的发展、进步和普及。 传统数控系统的上述缺点严重制约着数控技术的发展，不能满足市场与先进 制造技术对数控技术新的要求。为了解决这些问题，许多数控系统研究机构和生 产厂家已经致力于对开放式数控系统的研究。 2 第1 章绪论 1 2 1 开放式数控系统的概念及特征 i e e e ( 国际电气电子工程师协会) 定义开放式系统为：能够在多种不同的平台 上运行，可以和其他系统的应用互操作，并能给用户提供一种一致风格的交互方 式踌1 。开放式体系结构构筑于一个统一的、开放的平台上，普遍采用模块化、层次 化的结构，向外提供统一的应用接口，具有可移植性、可互换性、可互操作性和 可扩展性等特点，即系统组成的内部开放化和系统组成各部件之间的开放化。开 放式系统具有以下基本特征砸刮： ( 1 ) 可移植性。系统的功能软件与厂商设备无关，即应用统一的数据格式、 控制方式，并且通过一致的设备接口，使各功能模块能运行于不同的硬件平台之 上。 ( 2 ) 可互换性。构成系统的各硬件、软件的选用不受单一供应商的限制，可 根据功能、可靠性、性能要求对功能模块进行替换，不影响系统整体的协调运行。 ( 3 ) 可互操作性。拥有标准化接口、通信和交互模型，使不同的功能模块能 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。 ( 4 ) 可扩展性。提供标准化平台，允许不同功能模块的介入。c n c 系统的功能 ， 模块可以灵活配置，既可以增加硬件或软件模块构成更复杂的系统，也可以裁减 模块以适应低端的简单应用。 1 2 2 国内外开放式数控系统的研究现状 现在，国外与开放式数控研究相关的项目比较多，典型的有美国的n g c 和o m a c 计划、欧洲的o s a c a 计划和日本的o s e c 计划睁1 。 ( 1 ) 美国的n g c 和o m a c 计划 n g c ( n e x tg e n e r a t i o nc o n t r o l l e r ) 计划旨在制定一套新一代开放式控制系统 的规范，开发符合下一代控制器规范的产品，提供n g c 标准化的成果。n g c 的体系 结构是在虚拟机械的基础上把子系统和模块链接到计算机平台上。n g c 是一个实时 加工控制器和工作站控制器，要求适用于各类机床的c n c 控制和周边装置的过程 i i i 东大学硕十学何论文 控制。n g c 计划已于1 9 9 4 年完成了原型研究，并转向工业上的开发应用。与此同 时，美国的三大汽车公司( 通用、福特、克莱斯勒) 为解决自身发展中碰到的问题， 在n g c 计划的指导下，联合提出了o m a c ( o p e nm o d u l a ra r c h i t e c t u r ec o n t r o l l e r ) 开发计划，由政府支持实施。o m a c 的目的是开发一种模块化的可重构控制系统， 能适应新技术的发展和满足用户需求，随时可纳入或集成模块化软件与硬件，使 之重构成一个高效的控制器，以实现具有低成本、开发周期短、更新快等特点的 控制系统。 ( 2 ) 欧盟的o s a c a 计划 o s a c a ( o p e ns y s t e ma r c h it e c t u r ef o rc o n t r o lw it h i na u t o m a t i o ns y s t e m ) 计划，来源于欧洲e s p r i ti i i 项目，旨在建立一个与制造商无关的开放式控制系 统结构。它以德国机床制造联合会( v d w ) 为主，协同欧盟2 0 余家厂商及科研机构 共同发起，并于1 9 9 2 年5 月得到欧盟的认可。该计划分三个阶段实施：第一阶段 完成o s a c a 规范和应用指南的制定，于1 9 9 4 年结束；第二阶段按规范完成对标准 通用系统平台的开发，并用来调试、验证、扩展第一阶段的各种规范，于1 9 9 6 年 4 月结束；第三阶段是对o s a c a 思想和前期工作成果进行推广，于1 9 9 7 年1 月开 始。o s a c a 计划提高了系统的开放和柔性程度，减少了开发、维护、培训和文档管 理的费用。 ( 3 ) 日本的o s e c 计划 1 9 9 4 年，东芝机械、三菱电机等6 家日本公司联合成立了一个名为控制器开 放系统环境( o p e ns y s t e me n v i r o n m e n tf o rc o n t r o l l e r s ) 的工作委员会，提出了 o s e c 计划。它的主要内容是基于p c 平台的开放式系统，宗旨在于确定“不依赖于 特定卖主的开放性控制器的结构。o s e c 的开放式系统本身被认为是一个分布式 系统，它能满足用户对制造系统不问配置的要求、最小化费用的要求和应用先进 控制算法及基于p c 的标准化人机界面的要求。 与国外开放式数控技术水平相比，国内的开放式数控系统的研究还处于初级 阶段。当前，在国内数控市场上，中、高档产品主要被进口产品占据，而较低档 的经济型产品则由我国产品占据。随着国际学术界对开放式数控系统研究的同益 深入，我国相关方面的研究也越来越受到重视，并取得了一定的成果n 2 1 。 4 第1 章绪论 武汉华中数控股份有限公司推出的华中i 型数控系统，采用基于3 2 位通用工 业控制机和d o s 平台的开放式体系结构，是目前国内比较成功和富有特色的基于 p c 的数控系统。 北京航空航天大学的郇极教授领导的课题组采用s e r c o s 现场总线技术，在p c 机w i n d o w s 操作系统环境下开发出了多通道多轴联动的开放式数控系统。 四川成都广泰实业公司推出的“g t x3 e 4 e ”铣床数控系统是以铣床为代表的 三四坐标联动、开环控制普及型全数字式控制系统，此系统采用高性能d s p 、大 规模可编程门阵列p l d 技术和现场工业级高速c p u ，具有实时控制、高速度、高精 度等特点，在国内应用也比较广泛。 1 2 3 常见的开放式数控系统形式 开放式数控系统具有传统数控系统无法比拟的优势，是当前数控技术发展的 主要趋势。近年来，由于p c 机发展迅速，技术成熟，软件资源丰富，因此充分利 用p c 机资源并将其与n c 结合，发展基于p c 的数控系统，已经成为世界各国发展 研究的重点。p c 化的数控系统根据其结构形式的不同可以分为以下几类n 3 1 ： ( 1 ) “p c 嵌入n c ”结构 这种系统的基本结构为“c n c + p c 主板”，即把一块p c 主板插入传统的c n c 控 制器中。c n c 控制器完成插补、位置控制、p l c 时序逻辑控制等实时控制任务，p c 板完成一些诸如网络通讯等的非实时控制任务。典型系统有f a n u c1 8 i 1 6 i 系统、 s i e m e n s8 4 0 系统、a b9 3 6 0 系统。这种体系结构的数控系统虽然也具有一定的 开放性，但由于它的n c 部分仍然是传统的数控系统，其体系结构仍然是封闭的， 用户并不能够介入数控系统的核心。这类数控系统的结构复杂、功能强大但价格 昂贵。 ( 2 ) “n c 嵌入p c 结构 这种系统的基本结构为“p c + 运动控制卡 ，即把运动控制卡通过标准的i s a 或p c i 接口插入到p c 机的主板上。它以工业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，同时以多轴运动控制器作为从机，进而构成主 从分布式结构体系。目前这种结构的开放式数控系统已经成为开放式数控系统的 5 i ij 东大学硕十学位论文 主流结构，应用十分广泛，例如：美国d e l t at a u 公司用p m a c 多轴运动控制卡构 造的p m a c n c 数控系统，日本m a z a k 公司用三菱电机m e l d a s m a g i c6 4 构造的 m a z a t r o l6 4 0 数控系统等。 ( 3 ) 全软件型开放式数控系统 这种系统是一种最新的开放式体系结构的数控系统。它提供给用户最大的选 择和灵活性，它的c n c 软件全部存在于p c 机中，而硬件部分仅仅是p c 机与驱动 器和外部i 0 之间的标准化通用接口。在这种数控系统中，p c 机不仅能够完成文 件管理、人机接口、网络通信等非实时任务，同时在实时操作系统的管理下，还 可以以软件控制的方式完成插补运算、进给控制以及p l c 控制等实时任务。其典 型产品有美国m d s i 公司的o p e n c n c 、德国p o w e ra u t o m a t i o n 公司的p a 8 0 0 n t 等。 1 3 围字机发展现状 随着国内外户外广告行业的不断发展，传统的路牌、灯箱、单立柱、霓虹灯 等表现形式单一的户外广告形式已经无法满足受众的需求。为了弥补传统户外广 告形式的缺陷，各种新颖的广告形式借助新技术的优势迅速发展起来，并占据了 较大的市场份额。 当前户外广告的盈利增长主要来自户外视频和户外l e d 。在美国的户外广告市 场中，户外视频、l e d 占据了8 0 的份额。今后几年全球各类l e d 显示屏需求每年 均会达到几十亿美元，而且还在逐年递增。而在中国，据全国光学光电子行业协 会l e d 显示屏分会统计，2 0 0 7 年l e d 显示屏全行业的销售额约为8 0 亿元，公交移 动电视2 0 0 7 年较2 0 0 6 年增长超过2 0 0 ，户外l e d 增长速度也很惊人，达到1 4 8 n 钔。 而l e d 发光字便是户外l e d 中的一种。它由欧美进入中国，是继霓虹灯和灯 箱之后的新产品，最典型的和具有示范作用的使用者当属于快餐业的先锋一麦当 劳和肯德基，这种字外观漂亮，高雅不俗，兼得霓虹灯和灯箱之长，市场前景广 阔n 5 1 。 目前，制作发光字边廓的围字机设备发展极为缓慢，绝大部分仍处于手工和 半自动状态，其边廓的制作要分多道工序分别完成，加工速度慢，生产效率低， 耗工耗时，费料率高，单字制作成本高昂，而且要求制作人员必须有非常高的专 6 第1 帚绪论 业技术，这严重制约了国内发光字广告标识行业的发展。 在国内，生产发光字围边设备的厂家数量很多，规模大小不一，但大多数没 有形成自己的品牌。其中已经形成品牌的厂家有潍坊翰顿数控设备有限公司和广 州易字机电设备有限公司等，它们发光字的制作技术已经非常成熟，生产和销售 从手工到半自动的一系列围字工具和设备。最近，两家公司都新研制出了全自动 的数控围边机，正为其开拓市场。 而在国外，与围字机相似的设备有韩国s d s 公司的e a s y b e n d e r 电脑全自动弯 刀机n 6 3 和意大利的s e r v i - f o r m 全自动弯刀机n7 1 ，在加工过程控制上，弯刀机与围 字机有许多相似之处，但它们主要用于电子、印刷行业的刀模加工，并非专用的 围字设备。 1 4 课题研究内容 目前，世界上已经开展了多个关于开放式数控系统的研究，并且产生了各自 规范的控制系统。尽管研究的侧重方向有所不同，但它们当中有一些相同的设计 思想和实现技术。 本文对国内外典型的开放结构控制器体系结构的特点、发展现状及常见应用 进行了分析，给出了“p c + 以太网接口卡 结构的开放式数控系统，并应用到新型 围字机控制系统之中。 本课题的研究内容主要有以下几个方面： ( 1 ) 在分析国内外典型的开放结构控制器体系结构的基础上，为新型围字机 控制系统搭建一种基于e t h e r m c 以太网总线的开放式数控平台。 ( 2 ) 详细分析新型围字机的结构特点，结合其运动特点，给出新型围字机控 制系统的功能要求。 ( 3 ) 根据新型围字机控制系统的功能需求，对其人机交互模块、数据处理模 块、运动控制模块和数据通信模块四个主要模块进行分析研究，给出设计思路和 方法。 ( 4 ) 最后，在m i c r o s o f tv i s u a ls t u d i o 开发环境下，采用c # 语言进行开发， 对新型围字机的控制系统进行软件实现，并对其进行系统调整和测试，验证研究 7 山东火学硕十学何论文 结果的正确性。 8 第2 章摹te t h e r m c 以太网总线的开放式数控平台 第2 章基于e t h e r m c 以太网总线的开放式数控平台 前面对开放式数控系统的特点及其发展进行了简单分析，并介绍了几种基于 p c 的开放式数控结构形式。在此基础上，本章将对基于p c 的开放式数控系统进行 改进，采用e t h e r m c 以太网总线技术来搭建运动控制平台，实现在新型围字机控 制系统中的应用。 2 1e t h e r m c 以太网总线技术简介 一个开放式数控系统应当具有在各种不同的平台上稳定运行的特性，允许不 同的设计者按照统一的工业标准或规范去开发自己的控制元件，用户可以很容易 地实现其在不同平台上的移植；同时，这些元件应具有良好的可重用性，能够为 用户以后的二次开发提供运行的基础，在使用同样结构的控制系统时，只需用现 有的结构、现有的控制元件再加上一些特殊模块即可构成一个满足自己要求的新 的控制系统n 8 1 9 。 传统的控制系统主要采用p l c ( 包含运动控制模块) + 触摸屏啪1 或p c + 运动控制 卡乜妇的形式进行控制。前者由于在p l c 中实现复杂的多轴联动控制算法比较困难， 难以实现最佳的复杂控制算法，开发难度大；后者运动控制功能由运动控制卡实 现，用户一般只需要开发一个人机交互界面程序将复杂的运动控制关系下载到运 动控制卡中，实现起来比较容易，但其可扩展性取决于底层运动控制卡的开放程 度。同时运动控制卡必须插在p c 插槽内，电器箱与操作台之间不能分离太远，不 太适合分布式控制应用，给装箱与布线带来困难。 设备层总线互联技术的发展，在系统体系结构上为控制系统的开放性、模块 化、可升级、可扩展提供了可能瞳2 2 4 1 。目前总线技术经过多种现场总线技术的竞争 与发展纷纷转向以以太网技术为基础的工业实时以太网现场总线。但以太网技术 本身不是实时网络，用于运动控制需进行改造，目前常用的解决方案是对物理层 和链路层协议进行改造，因此不能采用标准的以太网，目前已形成标准的工业以 太网技术都是采用专用网卡来实现其实时性的，为实现多轴同步控制，目前主要 9 i li 东大学硕十学何论文 采用i e e e1 5 8 8 网络测控系统精确时钟同步协议乜5 1 ，同样需要专有硬件的支持。 为此，山东大学数控中心自主开发研制了基于标准以太网总线的实时同步运动控 制平台，控制器侧采用标准的以太网卡，克服了以上缺点。 山东大学数控中心提出的e t h e r m c 技术以两项已公告的发明专利“基于标准 以太网的实时同步网络及其工作方法嘶、“一种实现以太网链状网络节点间同步 的装置与方法乜7 为基础，控制器端采用标准以太网卡，不需任何专有硬件，每 个设备节点有两个通信端口，通过任意级联，形成一种链状或者环形网络结构， 由配置阶段选定一个从网络节点来负责严格的定时和同步任务，降低了对控制器 的实时同步要求。 e t h e r m c 采用i e e e 8 0 2 3 通信协议结构形式啪1 ，主机端采用标准以太网，从节 点采用标准以太网物理层，数据链路层采用f p g a 3 实现。系统采用全双工通信， 消除了网络上的冲突，保证了数据传输的实时性和设备节点动作的同步性。其通 信模型和i s o o s i 模型呦3 的对应关系如图2 - 1 所示。 i s o o s i 模型e t h e r m c 模型 应用层 表达层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 应用层 数据链路层 物理层 图2 - 1i s o o s i 模型与e t h e r b l c 通信模型 e t h e r m c 物理层符合标准的以太网协议。其传输介质为双绞线或光纤，接口为 标准的r j - 4 5 。采用标准的以太网帧结构，结构如图2 2 所示。 1 0 7 6 5 4 3 2 l 第2 章基丁e t h e r m c 以太网总线的开放式数控平台 - 曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼! 皇! 曼曼曼! ! ! ! ! 曼曼! 舅曼! 皇曼曼曼曼曼! ! ! 曼鼍蔓曼曼! 曼! 曼! 皇曼曼曼曼曼! 皇! 曼! 曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼鼍曼曼皇曼曼曼皇曼曼! 鼍 前导符分隔符 1 目的地址| 源地址 | 长度类型le 山e r m c 数据段帧校骏序列域 7 帆l 蛳6 l + t c 6b y t e2b y l e4 8 1 5 0 0b y t e 4 咖 。，。一- 图2 2e t h e r m c 数据帧结构 如图2 2 ，数据帧结构符合i e e e 8 0 2 3 的规定，根据i e e e 8 0 2 3 的定义，以太 网头各部分的含义如下： 1 ) 前导符：通知监听设备数据帧将要到来。 2 ) 分割符：起始标志。 3 ) 目的地址：6 字节的目的m a c 地址。 4 ) 源地址：6 字节的源m a c 地址。 图2 - 2 中所示的数据帧除了具备标准的以太网帧结构外，根据e t h e r m c 的需 求，该数据帧的以太网数据部分进行了特殊的设计，图中各部分的定义如下： 1 ) 序列号：标志此数据帧在一段时间内的顺序。 2 ) 类型：数据段的类型。 3 ) 节点寻址类型：定义了后面数据段中各节点数据的寻址类型。 4 ) 数据长度：后面数据的长度。 由以上分析可看出，e t h e r m c 技术与现有的以太网技术相比具有如下特色和优 占 3 u ，、 ( 1 ) 主控制器上采用标准的以太网卡实现高精度的实时同步要求，使得任何 具有以太网接口的p c 机、笔记本或嵌入式控制器无需添加任何专有硬件就可实现 各种控制功能，具有互换性、操作性和可移植性。 ( 2 ) 采用从节点中的时间控制点作为实时同步信号源节点，以实现系统的实 时和同步功能。这种机制下无需实时操作系统的支持，通过在内核下编写网络驱 动程序即可满足工业控制系统的实时要求。 ( 3 ) 主控制器可不用实时操作系统支持，从节点采用标准以太网物理层，链 山东人学硕十学位论文 舅曼曼曼量鼍曼皇曼曼皇皇舅曼皇曼nm 鼍曼曼皇曼皇曼鼍皇曼皇曼曼皇曼曼鼍曼兰曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼寰曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼鼍曼皇曼量曼黑鼍曼! 曼! 曼曼曼 路层采用f p g a 实现，降低了系统成本，提高了市场竞争力。 本文采用了基于e t h e r m c 以太网总线的开放式数控平台，上位机与以太网接 口卡采用标准以太网通讯方式，上位机发送的控制信号经以太网接口卡转换后， 直接控制各节点的动作执行：各节点也可将当前的状态信号经以太网接口卡转换 后反馈给上位机。下面将详细介绍本系统平台所采用的硬件组成和软件结构。 2 2 开放式数控平台的硬件结构 基于e t h e r m c 以太网总线的开放式数控平台在上位机与以太网接口卡之间采 用标准以太网进行通讯，这种方式减少了接插件的不可靠因素，连接方便，可靠 性高，扩展性好，不需对上位机进行扩展，易于操作，且降低了成本，是控制系 统的发展方向。 图2 - 3 是基于e t h e r m c 以太网总线的开放式数控平台的硬件组成结构图。以 太网接口卡是通过以太网线与上位机相联，同时还可将各节点设备直接相联或进 行级联。 上位机采用个人p c 机，价格便宜，速度性能好，可以满足作为数控系统核心 部件的要求，选择个人p c 机可以获得高标准的硬件配置和优异的性价比，并且本 系统所有的控制功能全部由p c 机来完成，利用其c p u 强大的处理能力来实现系统 复杂的运动控制和机器的高可靠运行。 以太网接口卡是由山东大学数控中心自主开发的标准化、模块化产品，只负 责信号转换和定时时钟的提供。本系统所使用以太网接口卡的是多轴卡，勿需级 联便可实现多轴控制；另外，它还具有数量可观的i o 口及其它各种接口，应用 范围极广。 节点设备可以是各类电机执行机构、i o 控制卡、机床操作面板和各种接口板。 还可以级联2 5 4 个节点，传输速率l o o m b p s ，以双绞线连接节点，传输距离最远为 1 0 0 米，若采用光纤，传输距离可达几公里。 1 2 第2 章基于e t h e r m c 以太网总线的开放式数控平台 驱动器1 驱动器2 驱动器3 驱动器4 光电开关 图2 - 3 基于e t h e r m c 以太网总线的开放式数控平台的硬件结构 2 3 开放式数控平台的软件结构 开放式数控系统的软件平台在很大程度上决定了数控系统的工作方式、工作 效率及其开放程度。数控系统的软件是在操作系统的基础上对不同功能模块的集 成。目前用于数控系统的操作系统主要分为两大类：一类是专用的实时操作系统， 如美国的v x w o r k s 口羽、加拿大的q n x 汹1 等。这些专用的实时操作系统有着非常好的 实时性，但同时也造成了软件的不兼容性，不利于实现与异构系统之间的通信， 也不能兼容市场上各类w i n 3 2 软件，开放性较差。第二类是通用的操作系统，例 如w i n d o w s 阳1 、u n i x l i n u x 眵胡等。这些系统具有体系结构的开放性，文档资料和编 程工具丰富，便于移植，因此更满足开放式数控系统的需要。 在本文所采用的软件化控制方案中，系统的实时性是由从节点中同步信号源 节点硬件定时产生来保证的，主控计算机只要在同步周期到来之前将数据发送到 各从节点就可满足要求。因此对主控计算机的实时响应时间要求可以很低，超过 l o o u s ，甚至5 0 0 u s ( 对于l m s 插补周期的控制系统) 也没有关系，因此可以采用 w i n d o w sc e 或w i n d o w s ( l i n u x ) 在内核编程而无需实时扩展也可满足控制要求。 本文的上位机控制软件便是在w i n d o w sx p 操作系统上进行开发的，利用其统 一、友好的图形界面以及丰富的软件资源和开发工具，极大地缩短了开发周期， 减少了开发成本。图2 - 4 为基于e t h e r m c 以太网总线的开放式数控平台的软件结 山东大学硕十学位论文 构。 围字机 自动加工手动操作图形显示 应用程序 系统配置用户配置监控诊断 应用程序 w i n d o w s 应用程序类库 接u w i n d o w s 系统a p i 以太网卡驱动层 图2 4 基于e t h e r m c 以太网总线的开放式数控平台的软件结构 ( 1 ) 应用程序层 这是整个系统的主要和核心部分，完成人机交互、数据处理和加工控制，实 现实时任务和非实时任务的调度处理。它的作用主要有两个，一是通过用户友好 的人机界面，将后台数据处理和加工控制的各个模块集成于控制系统这一基础平 台之上，有利于用户与系统的交互；二是使用多线程协调实时任务和非实时任务 的运行，设置线程优先级，创建运动控制和逻辑控制等实时任务的执行序列，以 保证实时任务能够稳定可靠的执行。 ( 2 ) 应用接口层 通过w i n d o w s 应用程序开发包和w i n d o w s 系统a p i 实现控制系统内核的开放 式架构，构造应用程序访问系统内核的通道。主要包括将操作系统类库和设备驱 动进行封装，提供给用户统一的应用接口，以实现应用的开放性。 ( 3 ) 以太网驱动层 实现p c 与控制器的通讯控制，通过在w i n d o w s 内核层编写底层的e t h e r m c 驱 动来实现上位机与下位机的数据传输，确保w i n d o w s 对底层事件的即时响应，以 满足系统的实时控制要求。 2 4 本章小结 本章首先对e t h e r m c 以太网总线技术进行了简单介绍，通过与传统的控制系 统及以太网技术的比较，突出了其在运动控制上的优势，然后为新型围字机系统 搭建了基于e t h e r m c 以太网总线的开放式运动控制平台，给出了其硬件及软件的 结构，并对各部分进行了详细分析，讨论说明了此种平台结构的开放性。 1 4 薹i 茎塑型垦薹墨耋彗坌堡 第3 章新型围宇机系统分析 围字设备是随着广告标识类行业的发展而产生的，其在中国出现的时间并不 长，发展也比较缓慢。本章将对围字机系统作一简单介绍，并根据新型围字机的 结构特点，分析其功能要求。 8 1 圈字机设备概述 l e d 发光字是采用发光二极管为光源制作的发光字，它以白天美化夜晚亮化， 省电节能，经久耐用等诸多优点迅速风靡国内市场渊。图3 - 1 展示了l e d 发光字 应用的一个示例。 图3 - 1l e d 发光字应用示例 本文提到的l e d 发光字是一种立体发光字，除去光源，它主要由面板、底板 和壳体组成。面板是压克力板，以提高透光性，底板的材料可根据需要来定，壳 体的材料则是经过加工的铝台金、铁或不锈钢条形型材，尤以铝合金条形型材应 用日益广泛。 围字机设备便是用来加工发光字壳体的设备，它将条形型材根据所需的字形 山东大学硕士学位论文 信息进行处理，通过送料、切槽、弯弧等一系列加工流程将条形型材围成字形的 边廓，从而与面板、底板一起构成发光字的箱体。此种发光字外形美观在广告 标识行业中应用广泛。 3 2 传统围宇机设备的弊端 目前，国内户外广告行业中采用的围字机设各多为半自动设备，图3 - 2 展示 了国内一种半自动围字机设备的外观图。 孽 嘻舞黥、 v 罐j 。 - 图3 - 2 传统围字机外观图 其字形加工过程如下“”： ( 1 ) 根据待加工字形的笔画长度信息，预先计算出字形轮廓的总长度，以选 择合适长度的型材。然后根据字形轮廓上切槽的位置，计算出其在型材上的位置， 然后做出标记。 ( 2 ) 根据标记在半自动围字机上手工控制切出三角槽，以方便手工折叠，三 角槽的角度是固定的，无法根据折角大小改变。 ( 3 ) 根据字形信息中曲线笔画的形状，在半自动围字机上用弯弧器手工弯出 合适的弧度。 由以上半自动围字机设备的加工过程可知，完成整个字形轮廓的加工需要经 第3 审新型l 钢字机系统分析 过多道工序的处理，需要多人协同工作才能取得较高的生产效率。工序2 中，由 于切槽角大小固定，无法适应折角大小的各种变化，必须添加辅助工序对其他角 度的切槽进行打磨才能折出令人满意的字形。工序3 中，由于半自动围字机弯弧 器的特殊结构，必须对型材进行多次往复的弯弧过程，费时费力，增加了劳动成 本，且复杂的曲线难以用此设备完成，极大地影响了可加工字的范围。 3 3 新型围字机设备结构 针对传统围字机设备所表现出的弊端，许多围字机设备的生产厂家开始致力 于对全自动围字机的研究。本文所提出的新型围字机系统便属于此类。 全自动围字机采用新的加工控制方案，克服了传统围字机设备与生俱来的缺 点。首先，全自动围字机送料、切槽、弯弧等工序一次性完成，提高了生产效率， 降低了劳动成本：其次，与传统围字机设备相比，全自动围字机设备能加工出更 大范围的切角和更复杂的曲线，极大地扩展了可加工字的范围，增强了设备的应 用性。 图3 - 3 所示为新型围字机设备的外观图，它由安装在机体主板上的送料装置、 弯弧装置和切槽装置构成。送料装置包括多对竖向的送料辊，弯弧装置由弯弧器 组成，切槽装置包括升降支架以及安装在升降支架上的摆头，摆头上还安装有通 过同步带带动的圆盘锯片。另外，装置上还有一些接近开关和行程开关，分别进 行开关量控制和状态信息反馈。 1 7 _ l 一 鬏器 一 重 图3 - 3 新型周字机外观圉 送料装置负责型材的进给，由伺服电机带动齿轮传动并借助送料辊对条形型 材进行挤压所产生的摩擦力完成型材的进给运动。它主要实现对字的笔画长度的 加工控制，根据字形信息进给指定笔画的长度，这是整个机构中精度要求最高的 部分之一。图3 - 4 为送料装霍的简单示意图。 图3 4 送科装置示意国 弯弧装置负责对型材进行弯弧，由伺服电机直接带动弯弧器完成小幅度的圆 周运动。它主要是通过与遴料装置的联动，实现对字形信息中曲线的弧度进行加 工控制，根据曲线笔画上各点的曲率半径，弯出合适的字形曲线，这也是整个机 构中精度要求最高的部分之一。图3 - 5 为弯弧装簧的简单示意图。 第3 章新剐闹字机系统分析 条 图3 5 弯弧装置不恿图 切槽装置负责对型材切三角槽，以便于字形的折叠。它由三部分运动组成： 由伺服电机带动转盘完成摆头的圆周运动，由直流电机带动摆头完成简单的升降 运动，由交流电机带动圆盘锯片完成高速的旋转运动。根据字形信息中笔画连接 处的拐角大小，三种运动按照一定的顺序组合共同完成折角的切割。图3 6 为切 槽装置的简单示意图。 厂 图3 - 6