（机械电子工程专业论文）基于rtos的精密伺服压力机数控系统设计.pdf

摘要 基于r t o s 的精密伺服压力机数控系统设计 研究生姓名：关维德 导师姓名：毛玉良副教授 学校名称：东南大学 摘要 传统的曲柄压力机滑块运动曲线固定，工艺适应性差，而且噪音大、能耗高。与传统曲柄压力 机相比，现代伺服压力机采用交流伺服电机代替普通交流电机，去除了传统曲柄压力机上的飞轮和 离合器。通过计算机及智能控制技术，现代伺服压力机可以任意设定滑块的运动曲线，工艺适应性 强、噪音小、能耗低，能大幅提升生产效率。伺服压力机代表了压力机的发展方向，研究基于伺服 电机直接驱动的伺服压力机，具有重要的经济与社会意义。 本文结合伺服压力机和数控系统技术的研究现状，围绕伺服压力机数控系统软件的设计，就所 涉及的主要技术要点进行了分析与研究。基于当前市场主流嵌入式微控制器，开发出了一套高性能 价格比的伺服压力机数控系统软件。主要研究内容如下： 首先，介绍了传统曲柄压力机和现代伺服压力机的特点，并进行了对比。分析了伺服压力机的 组成原理和运动特性，提出了伺服压力机数控系统硬件平台的总体设计方案。伺服压力机数控系统 硬件平台包括运动控制卡模块、主控制卡模块、输入输出卡模块、显卡模块等，详细分析了各个模 块的工作原理。 其次，研究了基于实时操作系统( r t o s ) 的编程方法和基于状态机的编程方法，在此基础上， 根据伺服压力机的控制要求，提出了伺服压力机数控系统软件的总体设计方案，对软件进行了模块 划分，介绍了软件的主操作模块、消息管理模块等模块的具体实现过程，给出了多任务协作、任务 同步、共享资源访问等关键技术的实现方法。 第三，设计了伺服压力机数控系统的人机界面。人机界面是伺服压力机与操作者之间沟通和联 系的桥梁，要求简洁、美观、友好、易用。介绍了i c g u l 图形开发工具的原理和移植过程，研究 了基于nc g u i 图形软件的编程方法，并结合人机工程学、计算机语言学等多学科知识设计了伺服 压力机数控系统的人机界面。 最后，完成了伺服压力机数控系统的调试工作。介绍了伺服压力机数控系统软硬件模块调试、 系统联合调试的调试方法与调试内容，解决了信号噪声和电磁干扰等工程问题。 在论文的末尾，对课题进行了总结和展望。 【关键词】伺服压力机，数控系统，实时操作系统，人机界面，r t o s ，n c ，g u i a b s t r a c t t h ed e s i g no fn cs y s t e mo fp r e c i s i o ns e r v op r e s s b a s e do nr t o s b yg u a nw e i d e s u p e r v i s e db ya s s o c i a t ep r o lm a oy u l i a n g s o u t h e a s tu n i v e r s i t y a b s t r a c t a i ma tt h ef i x e ds l i d e rc a l v eo ft h et r a d i t i o n a lc r a n kp r e s s ，w h i c hi n c u r st h eb a dp r o c e s sa d a p t a b i l i t y , h i g hn o i s ea n dh i i g he n e r g yc o n s u m p t i o n ，t h i sp a p e rp r o p o s e st h em o d e m s e r v op r e s s u s i n ga l la c n r 0 m o t o ri np l a c eo ft h eo r d i n a r ya cm o t o ra n dt a k i n go u tt h ef l y w h e e la n dc l u t c h ，m o d e ms e r v op r e s sh a s a c h i e v e df r e es l i d e rc 1 u v e s ，g o o dp r o c e s sa d a p t a b i l i t y , l o wn o i s ea n dl o we n e r g yc o n s u m p t i o nt h r o u g ht h e c o m p u t e ra n di n t e l l i g e n tc o n t r o lt e c h n o l o g y t h es e r v op r e s sc a ni m p r o v et h ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c yg r e a t l y , i ti st h er e s e a r c hd i r e c t i o no ft h ec r a n kp r e s s t h er e s e a r c ho nt h es e r v op r e s st h a td i r e c t l yd r i v e db yt h e s e i v om o t o ri so fg r e a te c o n o m i ca n ds o c i a ls i g n i f i c a n c e b a s e do nt h er e s e r c hs t a t u so ft h es e r v op r e s sa n dt h en cs y s t e m ，t h i sp a p e rw a sf o c u s i n go nt h em a i n t e c h n i c a lp o i n t sf o rt h ed e s i g no fn cs y s t e mo ft h es e r v op r e s s s an cs y s t e ms o f t w a r eo ft h es e r v op r e s s t h a ti sh i g hc o s t - c f f e c t i v eh a db e e nd e v e l o p e du s i n gt h et h em a i n s t r e a me m b e d d e dm i c r o - c o n t r o l l e r so nt h e c u r r e n tm a r k e te n v i r o n m e n t f i r s to fa l l ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e da n dc o m p a r e dt h et r a n d i t i o n a lc r a n kp r e s sa n dt h em o d e m r v o p r e s s a l s ot h ep a p e ra n a l y z e ds y s t e m a t i c a l l yt h ed e s i g ns c h e m eo fh a r d w a r ep l a t f o r mo ft h en cs y s t e m a n dt h eb l o c kd i a g r a m so ft h ed i f f e r e n tp a r t so ft h eh a r d w a r ep l a t f o r m t h eh a r d w a r ep l a t f o r mo ft h en c s y s t e mi n c l u d e st h em o t i o nc o n t r o lc a r d ，t h em a i nc o n t r o lc a r d ，t h ei n p u ta n do u t p u tc a r d ，t h eg r a p h i c sc a r d a n do t h e rm o d u l e s s e c o n d l y ，a c c o r d i n gt ot h ec o n t r o lr e q u i r e m e n t so ft h es e i v op r e s s ，a ng e n e r a ld e s i g ns c h e m eo ft h e s o f t w a r ef o rt h en cs y s t e mw a sp r e s e n t e da f t e rs t u d y i n gt h ep r o g r a m m i n gm e t h o d sw h i c hw e r eb a s e du p o n t h es t a t em a c h i n ea n dt h er e a l - t i m eo p e r a t i n gs y s t e m ( r t o s ) m o r e o v e r , t h ed e t a i l e dd e s i g no ft h es o f t w a r e h a sb e e nc o m p l e t e d ，s u c ha st h em a i no p e r a t i o nm o d u l e ，t h em e s s a g em o d u l e t h ei m p l e m e n t a t i o nm e t h o d f o rt h ek e yt e c h n o l o g i e sl i k em u l t i t a s kc o o p e r a t i o n ，t a s ks y n c h r o n i z a t i o n ，a c c e s s i n go fs h a r e dr e s o u r c e s w e r ea l s oa n a l y z e d t h i r d l y , t h i sp a p e rd e s i g n e dt h em a n m a c h i n ei n t e r f a c eo ft h en cs y s t e m t h em a n m a c h i n ei n t e r f a c e i st h eb r i d g eb e t w e e nt h es e op r e s sa n dt h eo p e r a t o r i ts h o u l db es i m p l e ，b e a u t i f u l ，f r i e n d l y , a n de a s yt o u s e a f t e ri n v e s t i g i n gt h et h ep r i n c i p l ea n dt h ep r o g r a m m i n gm e t h o d so ft h eg r a p h i c a ls o f t w a r eg c g u i ， t h eh u m a n - m a c h i n ei n t e r f a c eo ft h en cs y s t e mw a sd e s i g n e dc o m b i n i n gw i t hm u l t i - d i s c i p l i n a r yk n o w l e d g e s u c ha se r g o n o m i c s ，c o m p u t e rl i n g u i s t i c s n e x t ，t h i sp a p e rd e s c r i b e dt h et e s tw o r ko ft h es e r v op r e s s t h em e t h o d sa n dc o n t e n t sf o rt h ed e b u go f t h es o f t w a r em o d u l e ，t h eh a r d w a r em o d u l ea n dt h ej o i n tt e s tw e r ep r e s e n t e d ，w h i c hh a ss o l v e dt h ep r o b l e m s s u c ha ss i g n a ln o i s ea n de l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e l a s t l y , ac o n c l u s i o no ft h i sp a p e ra n da ne x p e c t a t i o no f t h ep r o j e c ta r em a d e k e y w o r d s s e r v op r e s s ，n u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m ，r e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e m ，h u m a n m a c h i n e i n t e r f a c e ，r t o s ，n c ，g u i i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它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。 研究生签名：美雏霭e t 期： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：毒雅导师签名：互蔓睦日期：恤 第一章绪论 1 1 课题背景 1 , 1 1 传统曲柄压力机 第一章绪论 曲柄压力机是采用机械传动的锻压机器。通过传动系统把电动机的j 薹动和能撤传给工作机构 从而使坯料获得确定的变形，制成所需盼工件。二十世纪前期由r 汽车【业的兴起，曲柄压力机 得到了迅述发展。 曲柄压力机种类繁多但在结构组成和原理上非常相似( 如图i - 1 、1 - 2 所示) 一般由昔通交流 电机带动飞轮和人齿轮高速旋转通过离台器再带动曲柄滑块机构做往复运动，在滑块的下死点附 近发出城大压力，引起工件变形。不同类别乐力机的主要区别在于为适应不同的i ：况各自所要求的 性能指标不同有的要求高次数，有的要求长行样，有的要求大压力等。 图1 1 传统曲柄力帆实钫翻幽1 2 传统曲柄压力机麒理简幽 曲柄压力机的主要技术参数有：公称压力p g 、滑块行程s 、滑块行程敬数n 最大装模高度h 1 、 鞋横高度调竹量4h l 、l 作台扳及滑块底面尺寸和喉j 槊。它们反映r 压力机的_ i 艺能力、加t 零件 的尺寸范阐以及有关生产串等指标。 传统的曲柄压力机l ：作时，由于e 轮具有根人的转动惯世，加_ l 时转述近似不变，阿而滑块的 运动特性曲线也基牟不变，为近似的余弦曲线形式，运动曲线不能根据不周l ：艺而调整。这种单一 的逆动特性使得传统曲柄压力机的j ：艺适商性受到限制。 1 1 2 现代伺服压力机 现代制造。h 冲压的加rr ：艺不同要求加1 材料的塑性变形速度也不相同，例如对于拉深j ： 艺米说滑块的速度不应人于被冲胍件材辩塑性变形所允许的速度，以防1 ：件破裂，同时减小埘模 具的冲- 。有时还要根据不同的材料以及相同材料的不同厚度选扦不同的压力加i 曲线。传统曲柄 东由大学砸i 学位论文 压力机的单一冲压速度特性已不能够满足实际成形1 二艺的需求。 在需求的推动下伴随着现代日益发展的电力电子技术、计算机技术和先进控制理论的发展， 伺服控制技术日益发展起来。h 前1 i 【界上出现伺服电机直接驱动的伺服压力机，能够满足塑性加 r 、难成形材料成形、复杂形状零件成形、复合成形以及高精度成形等成形上艺的要求。这种由伺 服电机直接驱动的压力机显示山r 传统曲柄压力机所无法比拟的优越性。 伺服压力机采片j 交流伺服电机代替普通交流电机，击除传统曲柄压力机e 的飞轮和离合器( 如 图1 0 、1 4 所示) ，使得压力机机械结构得以简化，可靠性增强。 i i何最电机 图1 - 3 伺服山帆实物幽嘲1 4 伺服艋力机腺目简目 伺服压力机采用外接人电彝取代了太飞轮的储能作用，并通过计算机及智能控制技术，使机械 压力机具有柔性化的特点”1 。利用计算机控制技术，可以任意控制滑块的运动规律，提高曲柄压力 机的上艺适应能力。例如，控制冲头冲裁时的速度能够减少冲裁时的振动和噪声，提高校具使j i 寿 命”。 综合分析国内外各种伺服压力机的：i 作特性，伺服压力机的主要特点有： ( 1 ) 智能性：滑块运动曲线不雨仅仅琏i 封定不变的余弦曲线而是可咀根据不同生产j = 艺要求 进行自由设簧。用户可咀在控制系统中预存适下冲裁、拉深、压印、弯曲等j = 艺以及不同材料的特 性曲线使用时不同【：艺、不同材料调削不同曲线。这样就提i 自；了压力机的加t 。性能扩大了加 丁范闱。 ( 2 ) 高教性；伺服压力机具有液压机的加t 质艟，机械曲柄压力机的生产效率。伺服压力机的 精块行棵可以根据生产一【：艺需要而调整。例如对于薄板冲裁曲柄无需完成3 6 0 度旋转，而仅进行 一定角度的摆动就能完成冲爪t 作。这样就进一步提高了生产效率。 ( 3 ) 节能、可靠：由丁省去了e 轮和离台器，电机在冲压时才旋转，避免了b 轮的空转耗能。 据研究，伺服压力机较常规曲柄压力机竹能3 0 以上。此外，由于简化了机械传动机构，压力机的 可维护性增强，可靠性硅著提高。 ( 1 ) 低嘴音：通过殴定拊块的低嗓音运动曲线可以降低冲裁噪音，还可以提高模且使用寿| r 。 根据日率小松公司提供的数据伺服压力机的冲裁噪音较传统曲柄压力机降低2 0 d b 。除此之外由 丁没f i 5 , 转，不冲i f 可以完全没有噪音。 第一章绪论 1 2 国内外相关技术研究现状 1 2 1 伺服压力机的国内外研究现状 压力机械与金属切屑设备相比，伺服化、数字化的开发进程落后数十年。近年来，塑性加工、 粉末成形、难成形材料成形、复杂形状零件成形、复合成形以及高精度成形等需求日益强烈，原有 的压力机的性能越来越不能满足变革中成形工艺的要求。为此，十几年前，在世界上出现了先进的 伺服压力机，今天，这类压力机己在日本进入了普及期。随着其在汽车零件，电子零件等高精度、 难成形零件加工领域中的应用和其优良的节能性，已经显示出了其它压力机所无法比拟的优越性h 。 早期，由于没有大容量交流伺服电机，限制了伺服压力机的发展。近年来，由于大功率伺服电 机的研究开发成功，由大功率伺服电机驱动的新型机械设备应运而生，如世界著名的k 0 煳u 、 & i d a 、触础山a 、a m i n o 、t o y o 、住友、日精树脂等公司，先后推出了采用该技术的伺服压力机、 伺服折弯机、伺服注塑机等设备晦1 。目前，世界上出现了多种类型的伺服压力机。将伺服电机引入 压力机驱动系统主要有三种方式： 第一种方式：用伺服电机直接驱动压力机。在普通曲柄压力机的结构基础上，去除了飞轮和离 合器，将普通电机换成交流伺服电机，伺服电机直接驱动曲柄滑块机构。这种方式通过调节伺服电 机的输入就可以改变滑块输出的速度特性和动力学性能，柔性大，能够满足给定的各种运动规律 由于在整个工作过程中只由伺服电机来提供动力，伺服电机的功率必须足够大，以满足实际加减速 的力矩要求。日本a i d a 公司的n c l d 和n s l d 系列就属于这类产品。由于受伺服电机扭矩的限 制，压力机吨位不能太大，目前最大吨位为2 5 0 0 k n 1 第二种方式：采用混合驱动机构。用伺服电机与普通电机混合驱动压力机，其结构形式与普通 压力机有很大不同。普通电机和伺服电机的输入通过一个二自由度机构合成之后驱动滑块往复运动， 可以改善输出动力特性，能够改变滑块输出运动规律，可以满足不同加工工艺的需要。但是增加 了压力机机构的复杂程度，降低了设备的可靠性和可维护性。 第三种方式：采用伺服电机和较小的飞轮配合驱动渖1 。这是一种折中方案，即在传动系统中保 留具有适当惯量的小飞轮，可以选择小容量的伺服电动机，从而使成本降低，但是同时设备的可控 性也大大降低，工艺适应性变差。 针对每种驱动方式，国内外都有厂商与研究机构进行研究开发，也各自取得了不同的成绩。 国外方面，美国、日本、德国等在9 0 年代初就开始进行了伺服压力机的研究工作。 美国俄亥俄州立大学的y o s s i f o n 和s h i v p u r i 早在9 0 年代初，就研究了使用交流伺服电动机直接 驱动双肘杆压力机。 日本小松公司9 0 年初试制了数字化机械驱动的数控回转头压力机，其传动原理为伺服电机加精 密螺旋。2 0 0 3 年，小松公司又开发出新型伺服压力机，利用2 台伺服电机通过皮带减速，带动滚珠 丝杆运动，再通过肘杆机构带动滑块上下运动。 日本网野( a m i n o ) 公司自9 0 年代就开始了伺服压力机的开发研究，目前已经生产出了机械 连杆伺服压力机、曲柄多连杆伺服压力机、直动式伺服压力机等多种类型的伺服压力机。压力机规 格从4 0 k n 到2 5 0 0 0 k n 不等。2 0 0 5 年，网野推出了当时世界上最大的伺服压力机，即2 5 0 0 0 k n 的机 械连杆伺服压力机。 日本会田( a i d a ) 公司已开发出一系列伺服驱动压力机，伺服电机取代了传统的主驱动电机、 飞轮、离合器和制动器。经齿轮箱与驱动轴相联，伺服电机可通过直接驱动传动轴来控制滑块行程。 日本a r n a d a 集团中生产冲压机械的a m a d a p r e s s t e c h n o l o g y 公司于2 0 0 7 年推出电动伺服压力机 “s d e w 2 0 2 5 ”和“s d e w 3 0 2 5 ”。伺服压力分别为2 0 0 0 k n 和3 0 0 0 k n 。具备“振子”、“整形”、“重 复”等7 种运动模式。根据加工对象选择运动模式，可进行高精度、稳定的加= 。此外，可增加用 3 东南人学硕十学位论文 于在总公司与工厂间交换程序及各种数据的网络功能，还准备了收集生产数据的“运转管理软件”， 可以管理运动方式、模具、工件、外围装置、图像之类的数据。 德国s c h u l e r 股份公司于2 0 0 7 年研制开发出了新一代伺服压力机，拥有2 5 0 吨至6 3 0 吨多个 吨位。伺服电机直接与偏心曲柄齿轮相互连接，没有离合器和匕轮，可以任意地调节曲柄机构的运 动速度，使压力机的工作曲线与各种不同的加工要求相匹配。利用手轮可以实现模具运动微调和准 确定位。 由于国外技术封锁的原因，国外产品资料中对交流伺服压力机机构特性及控制方式的介绍很少， 特别是不转让大功率交流伺服电动机的技术，加之其大功率的交流伺服电动机或者不销售、或者价 格高得惊人，国内伺服压力机的研究工作落后国外十多年憎1 。但最近几年，国内伺服压力机的研究 工作有了较快的进展，有多家单位进行了伺服压力机的研究开发工作。 2 0 0 7 年，我国首台“混合驱动”伺服压力机由济南二机床集团研制成功，主驱动可以任意编程 控制，压力机吨位达到1 0 0 0 吨。 2 0 0 8 年1 1 月，上海交大与齐二机床集团有限公司联合研制成功2 0 0 吨“h 2 s 2 0 0 型交流伺服压力 机”，具有完全自主知识产权，将液压机的灵活性与机械压力机的高效率优点有机结合起来，可以适 应不同的冲压工艺要求。 其它单位，像广东锻压集团、浙锻集团、徐锻集团、扬锻集团、清华大学、香港中文大学、河 海大学、华中科大、西安交大、南京理工大学、浙江大学、广东工业大学等近年来都在进行伺服压 力机方面的研究工作，部分单位已经开发出初步样机。 国内外的研究结果表明，伺服压力机技术是目前国际上最先进的压力机技术之一。在国外只有 少数公司掌握该技术并投入生产，而国内各厂商还处于研制阶段，尚未产品化。 1 2 2 数控系统的国内外研究现状 数控系统是数字控制系统的简称，英文名称为n u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m ，早期是由硬件电 路构成的称为硬件数控( h a r dn c ) ，1 9 7 0 年代以后，硬件电路元件逐步由专用的计算机代替称为 计算机数控系统。计算机数控( c o m p u t e r i z e dn u m e r i c a lc o n t r o l ，简称c n c ) 系统是用计算机控制 加工功能，实现数值控制的系统。c n c 系统根据计算机存储器中存储的控制程序，执行部分或全部 数值控制功能，并配有接口电路和伺服驱动装置的专用计算机系统。 智能化、网络化、开放式是当代数控系统发展的主要趋势0 。 2 1 1 廿= 纪的数控装备将是具有一定智能化的系统。智能化的内容包括在数控系统中的各个方面： 为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如加工过程的白适应控制，工艺参数自动生成；为提高 驱动性能及使用连接方便的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定 模型、自整定等；简化编程、简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程、智能化的人机界面等； 还有智能诊断、智能监控方面的内容、方便系统的诊断及维修等。 网络化数控是近年来数控机床的发展趋势之一。数控机床的网络化极大地满足了生产线、制造 系统、制造企业对信息集成的需求，也是实现新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基 础单元。网络数控就是通过网络、i n t e r n e t i n t r a n e t 将制造单元和控制部件相连，或将制造过程所 需资源( 如加工程序、机床、工具、检测监控仪器等) 共享。网络化包括两个方面：内部网络( 现场总 线网络) 和外部网络。 数控系统的开放性概念出现在8 0 年代末9 0 年代初，是欧美各国为了适应机床制造业在技术、市 场和生产组织结构等多方面的新的变化而提出的。开放式数控系统是一个模块化的体系结构，由系 统平台和面向应用的功能模块所构成，既有接口的开放性，又有自身功能的开放性，具有可互操作 性、可移植性、可扩展性、可互换性、可伸缩性等特征。在美国，政府为了增强其制造业的持久发 展能力和在国际市场上的竞争力，于2 0 世纪9 0 年代初由国防部委托马丁一马瑞塔航天研究所( m a r t i n 4 第一章绪论 m a r i e t t aa s t r o n a u t i c s ) 开展了下一代数控系统m g c n e x tg e n e r a t i o nc o n t r o l l e r ) 的研究计划，其主要技 术课题是开放式数控系统结构和中性语言，n g c 计划标志数控系统开放化时代的开始1 。 目前数控系统主要分为基于p c 机模式的开放型数控系统和非p c 模式的专业数控。 基于p c 机模式的数控系统有四种常见的组成类型引： ( 1 ) p c + c n c ：将原有的c n c 与p c 用通用的串行线直接相连。其优点是系统容易实现、成本 低，缺点是c n c 部分难以实现开放化。 ( 2 ) p c 嵌入c n c ：在c n c 内部加装p c 主板，p c 主板提供键盘、鼠标等功能。p c 与n c 之 间用专用的总线连接。系统数据传输快，响应迅速。其特点是原型c n c 几乎可不加改动地使用，缺 点是不能直接使用通用p c ，开放程度受到限制。很多老c n c 厂家采取这种设计方案，因为这样能 够最大限度地利用原有c n c 的技术优势。这种数控系统尽管具有一定的开放性，但由于它的n c 部 分仍然是传统的数控系统，其体系结构还是不开放的。 ( 3 ) n c 嵌入p c ：运动控制卡或c n c 单元插入到p c 的标准插槽中u3 1 。c n c 负责实时性控制， p c 负责界面、通讯等功能。其优点是将p c 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，信息处理能力强、开放程度高、运动轨迹控制准确、容易保证控 制的实时性、通用性好。缺点是很难利用原有c n c 资源，系统的可靠性有待进一步研究引。这是目 前采用较多的一种结构形式。 ( 4 ) 全软件化n c ：以通用p c 为硬件平台，采用实时操作系统，所有控制功能全部用软件实 现，通过装在p c 机上扩展槽的伺服接口卡对伺服驱动等进行控制。这种c n c 装置的主体是p c 机， 充分利用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。全软件化数控系统把运动控制器以应用软件的形式实现。 其优点是编程处理相当灵活，软件的通用性强。缺点是实时处理较凼难，可靠性也有待进一步研究。 全软件化n c 的开放性最彻底、硬件成本最经济，但软件开发复杂n 羽副。 目前，后两种形式逐渐成为基丁：p c 机模式的数控系统的主流。 通用工业p c 机用于数控有许多的优点，但也存在一些无法回避的问题，如p c 的数控系统的 w i n d o w s 操作系统甚至d o s 操作系统的知识产权问题或者l i n u x 操作系统的应用软件支持的缺乏。 近年来，随着l s i 技术与软件技术的不断发展，嵌入式系统的性能不断提高。基于非p c 模式( 嵌入 式技术) 的数控系统近几年也开始得到人们的重视和研究。 嵌入式数控系统已从简单的基于单片机的数控系统发展到以嵌入式软硬件为平台的专业数控系 统。与过去的基于单片机的数控系统相比，基于嵌入式软硬件技术的数控系统在具备优秀的实时性 与稳定性、满足高精加工的同时也具备了良好的开放性与人机界面。针对基于p c 模式数控系统的结 构和功能缺乏柔性、扩展不方便、资源利用不很充分、系统开放性不够等问题，基于嵌入式技术的 数控系统具有资源利用更充分、结构灵活、易于扩展、具有开放架构并能更好满足网络化数字制造 环境下数控加工需求的特点剀u 引。国外已出现了基于嵌入式技术的数控系统产品。国内目前已有不 少单位采用实时系统开发数控系统并取得了不少成果。但总的来说，这方面的研究才刚开始，还有 许多工作要做。 国外的数控研究已经取得了巨大进展，主要表现在：数控装置性能大为提高，一批高精度、高 效率、具有联网通讯功能的数控系统相继问世并得到应用。数控系统的处理器完成了从1 6 位向3 2 位( 甚至出现了6 4 位机，如日本m a r z a k 公司的f u s i o n6 4 0 ) 的转变，其伺服驱动也从直流式转向 交流全数字式，数控系统体系结构从封闭转向开放，从而使数控系统可充分利用计算机技术的丰富 资源，能根据控制对象的要求迅速、灵活地更换软硬件，并能及时吸收新技术，使得数控技术发展 步伐加快，开发周期人为缩短。 在国内，经过“六五”( 1 9 8 1 1 9 8 5 年) 的引进国外技术，“七五”( 1 9 8 6 1 9 9 0 年) 的消化吸收， “八五”( 1 9 9 1 1 9 9 5 年) 国家组织的科技攻关和“九五”( 1 9 9 6 2 0 0 0 年) 国家组织的产业化攻关，数 控技术有了质的飞跃。一系列数控产品如华中l 型、航天l 型和蓝天l 型等已在生产中投入使用，产生 5 东南人学硕十学位论文 了巨大的经济效益。这些国产数控系统运行可靠，拥有自主的知识产权。其中，华中i 型以通用工 业微机为硬件平台，模块化的开放式体系结构，达到了国际先进水平，获得了国家科技进步二等奖、 国家教委科技进步一等奖，目前获得国家奖级别最高的国产数控系统。 尽管如此，国产数控机床还处于低档迅速膨胀，中档进展缓慢，高档依靠进口的局面，特别是 国家重点下程需要的关键设备主要依靠进口，技术受制丁二人。究其原因，国内本土数控机床企业大 多处于“粗放型”阶段，在产品设计水平、质量、精度、性能等方面与国外先进水平相比落后了5 - 1 0 年；在高、精、尖技术方面的差距则达到了1 0 1 5 年。同时中国在应用技术及技术集成方面的能力也 还比较低，相关的技术规范和标准的研究制定相对滞后，国产的数控机床还没有形成品牌效应。更 重要原因是缺乏自主创新能力，完全拥有自主知识产权的数控系统少之义少，制约了数控机床产业 的发展。 1 3 课题的意义 传统的曲柄压力机丁艺适应性差，而且噪声大、能耗高。与传统曲柄压力机相比，伺服压力机 采用自适应控制技术，利用伺服电机直接驱动曲柄滑块机构，驱动由原来的定量控制，变为任意编 程控制，通过计算机控制伺服电机的转速，可以精确地控制滑块的位移和速度，满足不同加工工艺 的要求。伺服压力机的整个加工周期可任意调整，能鼍分配更合理，与自动化系统可以高度柔性连 接，能大幅提升生产效率，将会获得很大的社会效益和经济效益。研究基于交流伺服电机的数字化 机械驱动技术，将其作为机械压力机主传动，这将是成形装备的一个重大突破。 数控机床是电子信息技术与传统机床技术相融合的机电一体化产品，在整个现代制造系统中处 于基础和核心的地位。数控机床的拥有量己成为衡量一个国家的制造技术水平和工业水平的重要指 标。采用计算机技术对传统的机械设备进行技术改造也成为机械工业的一种发展趋势。 压力机的数控化进程比较缓慢。伺服电机直接驱动的压力机代表了压力机的发展方向，国外只 有少数公司掌握此项技术并投入生产。如果我们能够自主研发设计伺服压力机，我们就掌握了冲压 机床制造的核心技术，这将打破国外在该领域的技术垄断。如果我们能够创建国产自主品牌，将提 升中国机械压力机的总体技术水平。 1 4 本论文主要完成的工作 课题的主要内容是为徐州环球锻压机床厂设计伺服压力机数控系统。本论文对伺服压力机及其 数控系统进行了深入的研究，主要工作内容有： ( 1 ) 介绍曲柄压力机、伺服压力机和相关技术的国内外研究现状，指出课题的意义； ( 2 ) 分析伺服压力机数控系统的总体结构； ( 3 ) 设计基于r t o s 的伺服压力机数控系统软件； ( 4 ) 设计伺服压力机数控系统的人机界面； ( 5 ) 现场调试伺服压力机数控系统，解决若干工程性问题。 1 5 本章小结 本章首先介绍了传统曲柄压力机和现代伺服压力机的结构特点与工作特性，并进行了对比，然 后介绍了伺服压力机的国内外研究现状和数控系统的国内外研究现状，最后阐述了课题的研究意义 并介绍了论文主要完成的工作。 6 第二章数挖系统总体结构 2 1 引言 第二章数控系统总体结构 目前数控系统主要分为基于p c 机模式的数控系统和非p c 模式的专业数控系统，而基于p c 机模 式数控系统的主流形式是n c 嵌入p c 方式和全软件化n c 方式。然而，由于运动控制器的参考结构 及规范基本上自成体系，尚未建立国际化的标准，现有的n c 嵌入p c 方式的数控系统只能实现用户 界面开放和控制器内核的有限开放，兼容性与互换性较差，不能实现真正的开放引；全软件化n c 方式虽然开放性最彻底，但是是软件开发复杂，实时处理较困难1 。近年来，随着嵌入式技术的日 益成熟，嵌入式数控系统( 非p c 模式) 开始在数控领域崭露头角，除了具有成本低、体积小的特点 外，还有高集成度和高可靠性的优势。基于嵌入式软硬件技术的数控系统在具备优秀的实时性与稳 定性、满足高精加工的同时也具备了良好的开放性与人机界面。 2 2 伺服压力机原理分析 2 2 1 伺服压力机的组成原理 伺服压力机主要由三部分构成：机械部分、动力部分和数控系统部分( 图2 - 1 ) 。机械部分包 括曲柄滑块机构、减速机构、机体等，它的主要特点是拆除了传统压力机的飞轮和离合器机构；动 力部分主要包括交流伺服电机、伺服驱动器；数控系统部分包含测速装置、数控硬件平台、人机操 作平台等。 伺服压力机采用交流伺服电机直接驱动曲柄滑块机构：为了增加驱动力矩，交流伺服电机通过 增力机构( 减速齿轮箱) 来驱动曲柄滑块。数控系统通过伺服驱动器控制伺服电机的运动，进而实 现对滑块运动的控制，数控系统采用测速装置实时采集曲柄的角位移与角速度，构成全闭环控制系 统。用户通过触摸屏和操作台进行压力机的参数设置、模具安装、实际加工等操作。 广。一。1 - 伺服电机 i i l i j 图2 1 伺服压力机原理简图 7 东南大学硕上学位论文 2 2 2 伺服压力机的运动曲线 传统的曲柄压力机运动曲线为近似的余弦曲线形式( 如图2 2 所示) ，运动曲线不能根据工艺而 调整。这种单一的运动特性使得传统曲柄压力机的工艺适应性受剑限制。 图2 2 传统曲柄压力机运动曲线 由于采用伺服电机直接驱动曲柄滑块机构， 特性曲线。 s 1 5 | 23 图2 - 3 伺服压力机保压成形运动曲线 伺服压力机可根据不同的工艺要求设定不同的工作 分析伺服压力机的冲压过程，我们将接触工件之前称之为第一阶段，而从接触工件到到达下死 点称之为第二阶段，快速的返回称之为第三阶段。冲压的工作区间在第二阶段之中。滑块在第二阶 段中运动既可停止一段时间，也可以某种速度缓慢的运动，或者两种方式的结合。 伺服压力机滑块运动曲线主要有以下三种： ( 1 ) 保压成形型曲线 保压成形工艺中，冲裁到板料的一半时，滑块能够减速并停止，同时给板料保持一定时间的压 力，然后再最终压断板料。这样的运动规律可以使冲裁时的振动与噪声大大降低，提高模具的使用 寿命。如图2 - 3 所示，t - - - a 时，冲头接触板料表面，没有马上将其击穿，而是停止于t 2 ，t 3 时刻再加 速冲断板料并快速返回。 ( 2 ) 不间断变速型曲线 生产中通常要求工件成形时滑块速度低，向下和回程时速度高，以达到提高成形质量的目的。 例如难成形材料的拉伸中，滑块速度的要求是快慢快。滑块运行中需要出现不停的加减速。如图2 - 4 所示，t 1 t 2 阶段，滑块快速运动；t 2 时冲头接触板料表面，然后滑块减速，并以一个较低的速度拉 伸板料，t 3 时刻再快速返回。 ss 图2 4 伺服压力机不间断变速运动曲线 2 0a b t 图2 5 伺服压力机往返摆动运动曲线 ( 3 ) 往返摆动曲线 对于比较简单的工件冲裁丁作，为了提高生产效率，在工作循环中曲柄无须完成3 6 0 度旋转， 而只进行一定角度的摆动来完成冲压工作，缩短了加工周期。如图2 - 5 所示，一个工作循环中冲头 会两次经过下死点，并分别在t = a 和t = b 时刻与板料表面接触。当冲头到达1 点或者2 点的时候，伺 服电机减速剑0 并且开始反向旋转。 8 第_ 二章数控系统总体结构 2 2 3 曲柄滑块机构运动分析 在设计伺服压力机的时候，滑块的运动速度应符合冲压生产工艺的要求。因此我们需要了解曲 柄压力机曲柄滑块机构的运动规律，分析滑块与电机转角之间的关系。 在r t 程实际中，可通过两种不同的途径来分析滑块与电机转角之间的关系瞳： 正向求解法一预先定出应输入曲柄的运动规律，求出滑块的运动特性曲线； 逆向求解法一已知滑块所需要的运动特性，反推应输入曲柄的运动规律。 曲柄压力机曲柄滑块机构的具体结构如图2 - 6 所示，曲柄长o a = r ，连杆长a b = l 。两种方法均 根据曲柄滑块机构的封闭矢量方程求解：尹+ tx 。 延 穸 图2 - 6 曲柄滑块机构简图 1 ) 正向求解法 正向求解法相对比较容易，它根据工艺过程的具体要求，预先设定曲柄的角位移饩o ) 、角速度 o ) 、角加速度e 。o ) ，通过曲柄滑块机构的运动关系，即可获得滑块的位移s ( f ) 、速度y o ) 、加 速度口( f ) 。由图2 一l 已知鲲o ) 、q o ) 、占，o ) ，采用复数矢量法解方程： f + ll 以(2-1) 得滑块的b 点处位移s ( f ) 、速度y o ) 、1 j d 黻a ( t ) ，以及连杆a b 的角位移妒2 0 ) 、角速度2 0 ) 、 角加速度占2 0 ) 如下： 9 东南大学硕士学位论文 s o ) 一r ( 1 - c o s q ，1 ) - l ( i + c o s q , 2 ) y o ) ：q ，墅心 口( f ) ：堂皇虹丑生坐啦坚皑 c o s 仍 仍o ) 。a r c s i n ( 一rs 了m 驴i ) - o ) 。一q 竺盟 ：o ) ；生墅堕之鬯堕丝尘纽 ( 2 2 ) 上式中：y ( f ) 一- y c b o ) ；口o ) = - 5 i 矗o ) 。 2 ) 逆向求解法 逆向求解法根据工艺过程提出的滑块在各位置的速度、加速度要求，求解曲柄在对应位置的角 位移、角速度、角加速度。即已知s o ) 、y o ) 、口( f ) ，求铭( f ) 、c o l ( t ) 、s ，o ) 以及连杆的妒2 p ) 、 1 0 2 0 ) 、2o ) 。同样用复数矢量法解方程尹+ l = 瓦可得到： 劬( t ) - - - a r c c o s ( 掣) q o ) 。j 熙 r s i n ( q 0 2 一孵) 啪) 。垡竺虹黑掣冬亟 仍o ) 。a r c s i n ( 一书 q 。3 纰o ) ；j 垡坠 “7 三s i n ( 驴l 一仍) f ，o ) 。竺丝盏亟堕卫也墨盟 “7 三s i n ( 吼一仍) 式中：x a ( t ) = ，一l s o ) ； 戈曰o ) 和如o ) 由o ) 经数值微分获得。 由于伺服电机输入与滑块输出是非线性关系，如何对滑块的速度、位移进行全闭环控制，以实 现滑块运动曲线的精确控制是一个关键他引，可以尝试各种控制算法与控制策略。 1 0 第一二章数控系统总体结构 2 3 数控系统硬件平台总体方案 伺服压力机数控系统要求滑块位置控制