（机械电子工程专业论文）基于pmac的数控系统研究与开发.pdf

摘要 论文题目：基于p m a c 的数控系统研究与开发 学科专业：机械电子工程 研究生：彭玉海 指导教师：李言教授 摘要 签名： 签名： 多 c i 场 爿哆笋 数控技术是支持现代装备制造业的关键技术群，直接决定制造装备的功能和性能，是 信息化带动工业化进程中装备层的关键技术，属于支持先进制造技术的重要基础技术群， 其技术范围覆盖很多领域，如机械制造技术、信息处理技术、自动控制技术、伺服驱动技 术、传感器技术、软件技术等。数控装备是以数控技术为代表的新技术对制造业的渗透形 成的机电一体化产品。 在对开放式数控系统研究的基础上，构建了基于工控机和p m a c 运动控制卡的数控 系统，迸一步研究开放式数控系统的体系结构和构建方法。在构建基于p m a c 运动控制 卡的数控系统过程中，采用了模块化的设计方法，并将构建的数控系统用于数控技术试验 平台，结合试验，研究基于p m a c 运动控制卡的数控系统的功能和性能。 在数控系统的构建中，采用工控机作为上位机，来处理数控系统中的弱实时性任务， 用以d s p 为核心的p m a c 运动控制卡作为数控系统的控制器，完成数控系统中的强实时性 任务；并将构建的数控系统与驱动装置、执行元件、检测装置、机械滑台及机械转台等通 过模块化设计的方法组建在一起，构成数控技术试验台。利用p m a c 提供的p i d 执行程序 在线调节整个系统的p i d 参数，优化系统的动态性能；利用光栅尺测定丝杠的螺距误差并 编写误差补偿程序，实施螺距误差的在线补偿，并测定了试验台的定位精度和重复定位精 度。 通过对该试验台的调试和检测，试验台的性能指标达到了设计要求。 关键词：数控系统；p m a c ；开放式；p i d 调节；螺距误差补偿 本研究得到陕西省数控加工技术重点实验室科研项目基金( 0 2 j s l 8 ) 的资助。 a b s w a c t t i t l e ：t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t0 fn u m e r i c a l c o n t r o ls y s t e mb a s e do n p m a c m a j o r ：m e c h a t r o n i c se n g i n e e r i n g n a m e ：y u h a ip e n g s u p e r v i s o r = p r o f y a nl i s i g n a t u r e ： s g n a t m ：芈 a b s t r a c t t h en ct e c h n o l o g y , w h i c hd i r e c t l yd e c i d e st h ef u n c t i o na n dp e r f o r m a n c eo f m a n u f a c t u r i n ge q u i p m e n t s ，i st h ek e yt e c h n i q u eg r o u pt h a ts u p p o r t st h em o d e me q u i p m e n t m a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y i tb e l o n g st ot h eb a s i ct e c h n i q u eg r o u pw h i c hs u p p o r t sa d v a n c e d m a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y , a n di ti sa l s ot h ek e yt e c h n i q u ef o re q u i p m e n tl a y e rw h i c h c a l lp u s h f o r w a r di n d u s t r i a l i z a t i o nw i t hi n f o r m a t i z a t i o n i t st e c h n i c a ls c o p ec o v e r sm a n yf i e l d s s u c h 勰 m e c h a n i c a l m a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y , i n f o r m a t i o np r o c e s s i n gt e c h n o l o g y , a u t o m a t i c c o n t r o l l i n gt e c h n o l o g y , s e r v od r i v i n gt e c h n o l o g y , s e n s o rt e c h n o l o g y , s o f t w a r et e c h n o l o g y , a n d s oo n t h en ce q u i p m e n ti sak i n do f m e c h a t r o n i c sp r o d u c t ，a n di ti se m e r g e db yt h ei n f i l t r a t i o n o f n e wt e c h n o l o g yw i t hn ct e c h n o l o g ya sr e p r e s e n t a t i v ei n t ot h em a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y b yt h er e s e a r c ho fo p e nc h i c ，ak i n do fc n cs y s t e mh a db e e nc o n s t r u c t e db a s e d0 ni p c a n dp m a cm o t i o nc o n t r o lc a r d f u r t h e r ， s t u d i e dt h eo p e nc n ca r c h i t e c t u r ea n di t s c o n s t r u c t i n g m e t h o d t h ed e s i g n i n gm e t h o do fm o d u l a r i z a t i o nw a sa d o p t e dd u r i n gt h e c o n s t r u c t i n go fc n cb a s e do np m a cm o t i o nc o n t r o lc a r d ，a n dt h ec n c w a sa p p l i e di n t on c t e c h n o l o g ye x p e r i m e n t a lb e n c h t h ef u n c t i o na n dp 觚o r m a n c eo f c n c b a s e do np m a cm o t i o n c o n t r o lc a r dh a db e e ns t u d i e db ye x p e r i m e n t s d u r i n gt h ec o n s t r u c t i o no fc n c p cw a su s e da s i t s s u p e r v i s o r yt op r o c e s sw e a k r e a l t i m et a s k si nc n c ，a n dp m a cm o t i o nc o n t r o lc a r d ，w h o s ec o r ei sd s p , w a su s e da st h e c o n t r o l l e ro fc n ct op r o c e s ss t r o n gr e a l - t i m et a s k s an ct e c h n o l o g ye x p c a i m e n t a lb e n c hh a d b e e nf o r m e db ym e a n so fm o d u l a r i z a t i o n , c o m p o s i n gc n cw i t hd r i v i n gu n i t ，e x e c u t i n g c o m p o n e n t ，d e t e c t i n gd e v i c e ，m e c h a n i c a ls l i d i n gt a b l ea n dm e c h a n i c a lr e v o l v i n gs t a g e t h e w h o l es y s t e mp i dp a r a m e t e r sh a db e e na d j u s t e do n l i n eu s i n gt h ep i de x e c u t i v ep r o g r a m p r o v i d e db yp m a c ，o p t i m i z e dt h ed y n a m i cp e r f o r m a n c eo ft h es y s t e m t h ep i t c he l t o ro fl e a d s c r e wh a db e e nd e t e r m i n e db yg r a t i n gs y s t e m ，a n dt h e nt h ep i t c he y r o rc o m p e n s a t i o no n - l i n e h a db e e nr e a l i z e db yc o m p i l i n gt h ee r r o rc o m p e n s a t i o np r o g r a m a tl a s tt h es e t t i n ga c c u r a c y a n dt h er e s e t t i n ga c c u r a c yo f t h ee x p e r i m e n t a lb e n c hh a db e e nd e t e r m i n e d t h r o u g ht h ed e t e c t i o na n dd e b u go ft h i st e s t b e d ，t h ep e r f o r m a n c ei n d e xo fi th a sf u l f i l l e d t h ed e s i g n i n gr e q u i r e m e n t k e yw o r d s ：c n cs y s t e m ；p m a c ；o p e n ；p i da d j u s t ；p i t c he r r o rc o m p e n s a t i o n i 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人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成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所论述的工作和成 果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：刻垂自力年毋月矽日 学位论文使用授权声明 本人绉i ! i 垒在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩，并 已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意授权 西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定提交 印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的 学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索；2 ) 为教学和 科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、资料室 等场所或在校园网上供校内师生阅读、洳览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名： 彤 导师签名：谷k口7 年7 u 月2 阳 第一章绪论 1 绪论 1 1 课题的提出及其研究意义 本课题结合陕西省数控加工技术重点实验室项目“数控技术试验台研制”( 0 2 j s l 8 ) 而进行的。计算机数控( c n c ) 系统作为制造形状复杂、高质量、高精度产品所必备的基础 设备，已成为当今先进制造技术的一个重要组成部分。然而，现今市场上组成c h i c 系统 ( 以f a n u c ，s i e m e n s 等为代表) 的硬件模块和软件结构绝大多数是专用的、互不兼容的， 系统各模块间的交互方式、通信机制也各不相同，这就造成了不同厂家控制系统的相对独 立、彼此封闭。 随着技术的进步，市场竞争的加剧，这种专用体系结构的数控系统越来越暴露出其固 有的缺陷。一方面，各控制系统间互连能力差，影响了系统的相互集成，风格不一的操作 方式以及专用件的大量使用，不但使用户培训费用增加，还给数控设备用户f n c 系统的最 终用户) 带来很多不便；另一方面，系统的封闭性使它的扩充和修改极为有限，造成数控 设备制造商( n c 系统中问用户) 对系统供应商的依赖，并难以将自己的专门技术、工艺经 验集成到控制系统并形成自己的产品特点，这将不利于提高主机产品的竞争力。此外，专 用的硬、软件结构也限制了系统本身的持续开发，使系统的开发投资大、周期长、风险高、 更新换代慢，不利于数控产品的技术进步。从事此项技术的工程技术人员都有体会，每使 用一种系统就需要培训；进行设备改造以及功能的扩展不方便；进行设备的重构几乎不可 能。总之，数控系统的这一现状已不能适应当今制造业市场变化与竞争，也不能满足现代 制造业向信息化、敏捷制造模式发展的需要。 本课题在构建基于p m a c 运动控制卡的数控技术试验台的基础上，着重进行开放式 数控系统的研究。该研究工作将为进一步进行开放式数控系统的研究、开发奠定一定的基 础。 目前的数控系统大多是封闭式的面向工业标准的系统，给用户开放的功能或接口非常 有限，因此，本课题在研究过程中要进行大量的定制和二次开发，针对基于p m a c 的数 控系统展开研究。 1 2 数控技术的发展 2 0 世纪9 0 年代，国外的数控系统完成了从1 6 位机向3 2 位机和伺服驱动从直流式向 交流全数字式的转变，数控系统体系结构逐渐从封闭开始转向开放，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，开发周期缩短。 1 2 1 发展现状和发展趋势 ( 1 ) 开放结构的发展 数控技术从发明到现在，已有近5 0 年的历史。按照电子器件的发展可分为五个发展 西安理工大学硕士肇位论文 阶段：电子管数控，晶体管数控，中小规模l c 数控，小型计算机数控和微处理器数控： 从体系结构的发展，可分为以硬件及连线组成的硬数控系统、计算机硬件及软件组成的 c n c 数控系统，后者也称为软数控系统；从伺服及控翩的方式可分为步迸电机驱动的开 环系统和伺服电机驱动的闭环系统。虽然数控系统装备的机床大大提高了加工精度、速 度和效率，但是制造厂家既希望数控系统能部分代替机床设计师和操作者的大脑，具有一 定的智能，又希望能把特殊的加工工艺、管理经验和操作技毙放进数控系统，同肘也希 望系统具有图形交互、诊断功能等。首先就要求数控系统具有友好的人机界面和开发平台， 通过这个界面和平台开放而自由地执行和表达自己的思路。这就产生了开放结构的数控系 统。机床制造商可以在该开放系统的平台上增加一定的硬件和软件构成自己的系统 ( 2 ) 软件伺服驱动技术 伺服技术是数控系统的重要组成部分。广义上说，采用计算机控制，控制算法采用软 件的伺服装雹称为“软件伺服”。它有以下优点：1 ) 无温漂，稳定性好；2 ) 基于数值计 算，精度商；3 ) 通过参数的设定，调整减少；4 ) 容易做成a s i c 电路。对于现代数控系 统，伺服技术取得的最大突破可以归结为：交流驱动取代直流驱动、数字控制取代模拟控 制、或者把它称为软件控制取代硬件控制。这两种突破的结果产生了交流数字驱动系统， 应用在数控机床的伺服进给和主轴装置，使伺服进给和主轴控制的性能大大提高。由于电 力电子技术及控制理论、微处理嚣等微电子技术的快速发展，软件运算及处理能力的提高， 特别是d s p 的应用，使系统的计算速度大大提高，采样时间大大减少。这些技术的突破， 使伺服系统性能改善、可靠性提高、调试方便、柔性增强，大大推动了高精高速加工技术 的发展。 ( 3 ) c n c 系统的连网 数控系统从控制单台机床到控制多台机床的分级式控制需要网络进行通信，网络的主 要任务是进行通信，共享信息。这种通信通常分三级：1 ) 工厂管理级。般由以太网组 成。2 ) 车间单元控制级。一般由d n c 功能进行控制。通过d n c 功能形成两络可以实现 对零件程序的传输。更高档次的d n c 还可以对c a d c a m c a p p 以及c n c 的程序进行 传送和分级管理。c n c 与通信网络联系在一起还可以传递维修数据，使用户与n c 生产 厂直接通信，进而，把制造厂家联系一起，构成虚拟制造网络。3 ) 现场设备级。现场级 与车问单元控制级及信息集成系统主要完成底层设备单机及f o 控制、连线控制、通信连 网、在线设备状态监测及现场设备生产、运行数据的采集、存储、统计等功能，保证现场 设备高质量完成生产任务，并将现场设备生产运行数据信息传送到工厂管理层，向工厂级 提供数据。同时也可接受工厂管理层下达的生产管理及调度命令并执行之。因此，现场级 与车间级是实现工厂自动化及c e m s 系统的基础。传统的现场级大多是基于p l c 的分布 式系统，其主要特点是现场层设备与控制器之问的连接是一对一，即一个v o 点对设备的 一个测控点，所谓f o 接线方式为传递4 - 2 0 m a ( 模拟量信息) 或2 4 v d c ( 开关量信息) 。这 种系统的缺点是：信息集成能力不强、系统不开放、可集成性差、专业性不强、可靠性不 易保证、可维护性不高。现场总线是以单个分散的、数字化、智能化的测量和控制设备作 2 第一章绪论 为网络节点，用总线相连接，实现相互交换信息，共同完成自动控制功能的网络系统与控 制系统。因此，现场总线是面向工厂底层自动化及信息集成的数字网络技术。现场总线技 术的主要特点为：它是数控系统通信向现场级的延伸、数字化通信取代4 - 2 0 m a 模拟信号、 应用现场总线技术，要求现场设备智能化( 可编程或可参数化) ，它集现场设备的远程控制、 参数化及故障诊断为一体，由于现场总线具有开放性、互操作性、互换性、可集成性，因 此是实现数控系统设备层信息集成的关键技术。 ( 4 ) 功能不断发展和扩大 n c 技术经过5 0 年的发展，已经成为制造技术发展的基础。这里以f a n u c 最先进的 c h i c 控制系统1 5 i 1 5 0 i 为例说明系统功能的发展。这是一台具有开放性、4 通道、最多控 制轴数为2 4 轴、最多联动轴数为2 4 轴、最多可控制4 个主轴的c h i c 系统，其快移速度 与分辨率关系如表1 1 ，它的技术特点反映了现代n c 发展的特点。 表1 - 1f a n u c1 5 i 1 5 0 i 控制系统快移速度与分辨率关系 t a b l e1 - 1t h er e l a t i o no f q u i c kf e e d b a c ka n dr e s o l u t i o nf o rf a n u c1 5 i 1 5 0 is y s t e m 1 分辨率( v a n ) 1 1 0 1 1 0 0 1 f 0 0 0 1 l j 1 ) 开放性 系统可通过光纤与p c 机连接，采用w i n d o w 兼容软件和开发环境。功能以高速、超 精为核心，并具有智能控制。特别适合于加工航空机械零件，汽车及家电的高精零件，各 种模具和复杂的需5 轴加工的零件。1 5 i 1 5 0 i 具有高精纳米插补功能，即使系统的设定编 程单位为un l ，通过纳米插补也可提供给数字伺服以n m 为单位的指令，平滑了机床的移 动量，提高了加工表面粗糙度，大大减少加工工件表面的误差。当分辨率为0 0 0 1 m m 时， 快速可达2 4 0 m r a i n 速度：系统还具有高速高精加工的智能控制功能：预计算出多程序 段刀具轨迹，并进行预处理。智能控制，根据机床的机械性能，可按最佳的允许进给率 和最佳的允许加速度工作，使机床的功能得到最大的发挥。以便降低加工时间，提高效率， 同时提高加工精度。系统可在分辨率为l n m 时工作，适用于控制超精机械。 2 ) 高级复杂的功能 1 5 以5 0 i 可进行各种数学的插补，如直线、圆弧、螺旋线、渐开线、螺旋渐开线、样 条等插补。也可以进行n u r b s 插补，不需任何硬件。采用n u r b s 插补可以大大减少 n c 程序的数据输入量，减少加工时间，特别适用于模具加工。 ， 3 ) 强力的联网通信功能 适应工厂自动化需要，支持标准f a 网络及d n c 的连接。 工厂干线或控制层通信网络：由p c 机通过以太网控制多台1 5 i 1 5 0 i 组成的加工单 元，可以传送数据、参数等。设备层通信网络：1 5 i 1 5 0 i 采用i o l i n k ( 与日本标准j p c n 1 相对应的一种现场总线) 。通过r s 4 8 5 接口传送i o 信号，或者也可采用p r e l l b u s d p ( 符 合欧洲i 标准e n 5 0 1 7 0 ) 以1 2 m b p s 进行高速通信。 西安理工大学硕士学位论文 4 ) 具有高速内装的p m c ( 有的厂商称为p l c ) ，以减少加工的循环的时间。 梯形图和顺序程序由专用的p m c 处理器控制，这种结构可进行快速大规模顺序控 制。基本p m c 指令执行时间为o 0 8 5 p s ；最大步数为3 2 0 0 0 步。可以用c 语言编程； 3 2 位的c 语言处理器可作为实时多任务运行；它与梯形图计算的p m c 处理器并行工作。 可在p c 机上进行程序开发。 5 ) 先进的操作性和维修性。具有触摸面板，容易操作。可采用存储卡改变输入 输出。 随着科学技术的发展，世界先进制造技术的兴起和不断成熟，对数控加工技术提出了 更高的要求，超高速切削、超精密加工等技术的应用，对数控机床的各个组成部分提出了 更高的性能指标。当今的数控机床正在不断采用最新技术成就，朝着高速化、高精度化、 多功能化、智能化、系统化与高可靠性等方向发展。 1 2 2 开放式数控系统 由于传统的数控系统采用专用计算机系统，软硬件对用户都是封闭的，主要存在各数 控系统生产厂家的产品软硬件不兼容、系统功能固定、人机界面不灵活等缺点，使其发展 受到了限制，为克服传统数控系统的缺点，数控系统正朝着开放式数控系统的方向发展。 对于开放式数控系统，i e e e ( 国际电气电子工程师协会) 是这样定义的：“a no p e n s y s t e mp r o v i d e sc a p a b i l i t i e st h a te n a b l ep r o p e r l yi m p l e m e n t e da p p l i c a t i o n st or u n o nav a r i e t y o f p l a t f o r m sf r o mm u l t i p l ev e n d o r s ，i n t e r o p e r a t ew i t ho t h e rs y s t e m sa p p l i c a t i o n ，a n dp r e s e n ta c o n s i s t e n ts t y l eo f i n t e r a c t i o nw i t ht h eu s e r ”根据这一定义，开放式数控系统必须是一个全 模块化的软件体系结构。它具备互操作性、可移植性、可缩放性和可互换性的特点，具有 定义了标准协议的通讯系统，使得各个功能模块能通过应用程序接口a p i ( a p p l i c a t i o n p r o g r a mi n t e r f a c e ) 来相互交换信息并相互操作；同时，系统还应具备一个实时的配置系统， 使得各个功能模块无论在系统运行之初还是之间都能够被灵活地配置。 ( 1 ) 开放式数控系统的体系结构【1 】【2 】【3 1 4 1 5 】 对于开放式控制体系结构的研究，较著名的有美国的o m a c ( o p e nm o d u l a r a r c h i t e c t u r ec o n t r o l s ) 、欧洲的o s a c a ( o p e ns y s t e ma r c h i t e c t u r ef o rc o n t r o lw i t h i n a u t o m a t i o ns y s t e m ) 和日本的o s e c ( 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 ) 计划。在 o m a c 计划中，提出了系统的基本框架，信息库管理、任务调度、人机接口、运动控制 和传感器接口等，构成了完整的体系结构。同时，还将控制器分为控制核心和应用编程接 口两大模块，控制核心包括实时控制、数据库管理和图形支持软件等，而应用编程接口部 分则由各种a p i 接口构成。o s a c a 提出一个“分层的系统平台十结构功能单元”的体系 结构，保证各种应用系统与操作平台的无关性及相互间的互操作性，开放性是十分明确的， 并规定了不同的丌放层次：即应用层开放、核心层开放( 与o s a c a 部分兼容) 和全部开放 ( 与o s a c a 全部兼容) 。0 s e c 体系属于层次性结构，系统按功能分层，每一层按照功能 分为若干个模块，层次间具有单向调用或者依赖关系，每一层都在其下层建立，下层为上 4 第一章绪论 层提供所需的服务，同一层的模块间按照一定的接口关系自由调用。 2 0 0 0 年，国家经贸委和机械工业局组织进行“新一代开放式数控系统平台”的研究 丌发。2 0 0 1 年6 月完成了在o s a c a 的基础上编制“丌放式数控系统技术规范”和建立 了丌放式数控系统软、硬件平台，并通过了国家级验收。2 0 0 3 年，我国以国际上现有的 开放式数控系统体系结构等先进标准规范为参考，同时兼顾中国数控系统产业现状和特 点，开始制定开放式数控系统( o n c ) 体系结构，即我国的开放式数控体系结构标准 o n c 。 ( 2 ) 开放式数控系统数据接口规范s t e p - n c 随着数控技术的迅速发展，现代化的生产对c n c 的要求也越来越高，传统的g 、m 代码( i s 0 6 9 8 3 ) 已不能适应现代化生产和技术发展的需要。这种面向运动和开关控制的数 控程序限制了c n c 系统的开放性和智能化发展，同时也使得c n c 与c a x 技术之间形成 了瓶颈，严重阻碍了机械制造业的发展。为了克服i s 0 6 9 8 3 的诸多缺点，一种面向对象的 新型数控编程数据接口国际标准- - i s 0 1 4 6 4 9 ( s t e p n c ) 应运而生，s t e p - n c 是将 s t e p ( s t a n d a r d f o r t h e e x c h a n g e o f p r o d u c t m o d e l d a t a ) 向n c 领域的扩展，它体现了开放式 数控系统的一个重要特征。 一 我国于9 0 年代初开始着手研究s t e p 标准，现在国内的研究主要集中在消化 s t e p n c 标准，s t e p - n c 的数据模型，s t e p n c 编程方法以及a p 2 3 8 应用协议的实施 方法这些方面。 1 ( 3 ) 开放式数控系统的实现途径 关于开放式数控系统的特征通常认为包括硬件系统的开放性和软件系统的开放性，开 放的硬件系统由模块化的速度控制单元、位置控制单元和内置的p l c 构成；开放的软件 系统是指数控软件系统的设计模块化及模块闻的接口标准化。目前，开放式数控系统有3 种实现途径。 1 ) p c 机+ 数控专用模板。即在p c 机上嵌入数控专用模板，该模板具有位置控制功 能、实时信息采集功能、输入输出接口功能和内嵌式p l c 单元等。这种结构形式使整个 系统可以共享p c 机的硬件资源和软件资源，代表产品如s i n u m e r i k 8 4 0 d 。与传统的 c n c 系统相比，具有软硬件资源的丰富性、透明性和同享性，便于新技术升级换代。但 这种数控系统的开放性只限于p c 微机部分，只能说是有限的开放，其专业的数控部分仍 然处于封闭状态。 2 ) i p c + 可编程运动控制器。这种基于开放式可编程运动控制器的系统结构以通用工 业控制机为平台，以p c 标准插件形式的开放式可编程运动控制器为核心。i p c 负责如数 控程序编辑、人机界面管理等功能，运动控制器负责机床的运动控制和逻辑控制。这种运 动控制器以运动子程序的方式解释执行数控程序，以p l c 子程序方式实现机床逻辑控制， 支持用户的开发和扩展，具有上、下两级的开放性。代表产品有w i z d o m c o n t r o l s 公司的 p a r a d y m 3 1 ，此产品采用d e l t at a u 公司的p m a c ( p r o g r a m m a b l em u l t i a x i sc o n t r o l l e r ) 5 西安理工大学硕士学位论文 可编程多轴运动控制卡嵌入i p c 实现运动控制。优点是：成本低( 采用标准计算机) 。 可运行用户自定义的软件。界面比传统的c n c 友好。美国d e l t at a u 公司的p m a c 拥有自身的c p u ，同时开放包括通信端口、存储结构在内的大部分地址空间，具有灵活 性好、功能稳定、可共享计算机所有资源等特点。 3 ) 纯p c 机型。也称s o f t 型，即完全采用p c 机的全软件形式的数控系统，这是一 种最新开放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和相应的驱动程序一样。用户可以在w i n d o w s 平台上，利用开放的c n c 内核，开发所需的各种功能，构成各种类型的高性能数控系统， 与前几种数控系统相比，s o f t 型开放式数控系统具有最高的性能价格比，因而最有生命 力。通过软件智能替代复杂的硬件，正在成为当代数控系统发展的重要趋势。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 r a u t o m a t i o n 公司的p a 8 0 0 0 n t 等。 1 3 课题研究的主要内容 本课题结合陕西省数控加工技术重点实验室“数控技术试验台研制”研究项目，构建 基于p m a c 运动控制卡的数控技术试验平台，主要研究以下内容： ( 1 ) 在广泛研究的基础上，构建基于p m a c 运动控制卡的数控系统； ( 2 ) 研制配置此数控系统的数控技术试验台； ( 3 ) 数控技术试验台性能的试验研究。 6 第二章通用运动控制器在数控系统中的应用 2 通用运动控制器在数控系统中的应用 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簧、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【2 9 j 。 2 1 运动控制器概述 运动控制器，就是利用高性能微处理器( 如d s p ) 及大规模可编程器件实现多个伺 服电机的多轴协调控制，具体就是将实现运动控制的底层软件和硬件集成在一起，使其具 有伺服电机控制所需的各种速度、位置控制功能。这些功能能通过计算机方便地调用。 2 1 1 运动控制器的构成 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2 - 1 所示几部分： 臣堕口 l 兰! 篓! j + _ + 匝斗 c p u ( d s p ) 处理器 眄磊可一 图2 - 1 运动控制器体系结构 f i g 2 - 1a r c h i t e c t t w eo f m o t i o nc o n t r o l l e r ( 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、d s p 、或者是以 d s p 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r a m 、r o m ，r a m 一般会有s r a m 、d p r a m 、 f l a s l 田0 l m 。 s r a m ( 零等待r a m ) ，主要用于编译程序和用户数据的存储。 d p r a m ( 双通道r a m ) ，它为主机和控制器提供了可以共享的高速内存区，利用 d p r a m 可以实现主机和控制器之间的高速不需“握手”的数据交换，d p r a m 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。 f l a s h r a m ( 闪存) ，主要用于用户备份。 r o m 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。 7 西安理工大学硕士学位论文 ( 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p w m 输出，以速度或者力矩方式控制赢流伺服电机； 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 澳目元件。 ( 5 ) v o 控制运动控制器的v o 控制功能主要完成机器f 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 ( p c i 、p c l 0 4 、v m e 等) ，以太网接口，有的还带有无线接口和u s b 接口，通过这些接 口与上位机通信。 2 1 2 运动控制器的特点 运动控制器经过2 0 多年的发展，已经日趋成熟，与传统数控装置比较，有以下特点： ( 1 ) 运动控制器作为新的控制器件，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p c 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。它具有如 下显著特征； ( 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、机器入等设备的控制、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。 2 1 3 运动控制器的发展 自2 0 世纪8 0 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 8 第二章通用运动控制器在数控系统中的应用 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，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( a s i c ) 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( l o o ka h e a d ) ，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，这样使得圆弧插补的精度也不高。 ( 3 ) 基于p c 总线的以d s p 和f p g a ( 现场可编程序门阵列) 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d s p 芯片作为运动控制器的核心处理器， 以p c 机作为信息处理平台，运动控制器以插卡形式嵌入p c 机，即“p c + 运动控制器” 的模式。这样将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，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d s p 的高速数据处理功能和f p g a 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f p g a 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p l c 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( a s i c ) 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内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。 2 2p m a c 运动控制卡 p m a c ( p r o g r a m m a b l em u l t i a x i sc o n t r o l l e r ) 运动控制卡是美国d e l t at a ud a t as y s t e m 公司开发的当今世界上是世界上最先进的、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p c 的运动控制器之一【3 7 】1 3 8 】。 9 西安理工大学硕士学位论文 2 2 1p 姒c 运动控制卡介绍 p m a c 运动控制卡借助于m o t o r o l a 的d s p 5 6 系列数字信号处理器，c p u 主频从 2 0 m h z 到1 6 0 m h z 可选，具有很大的灵活性，可以同时操纵i 一8 根轴，允许每一个轴都 是完全独立的，最多可以有1 6 片p m a c 板完全同步的联系到一起使用，控制总共1 2 8 根 轴的联动和独立运动，其具有四种硬件形式：p m a c - p c 、p a m c l i t e 、p m a c v m e 、 p m a c s t d 。 当d s p 主频为2 0 m h z 时伺服更新率为5 5 “s ，轴；总线形式有i s a 、p c i 、p c i 0 4 、 v m e ，具有r s 2 3 2 4 2 2 串口、u s b 或网口通讯；3 6 位位置计数范围；1 6 1 8 位d a c 模拟 量输出分辨率；2 0 4 0 m h z 编码器采集频率；可控审4 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5 0 0 程序块秒；具有点位、直线、圆弧、样条和p 、玎插 补功能；直线s 曲线加减速；内置p i d 加n o t c h 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p l c ；可选a d 采集功能；位置计算精度达 士l c o u n t ( 脉冲当量) ：速度精度为0 0 0 5 或0 0 0 1 ( 选高精度晶振) ；具有电子齿轮、 随动功能、位置捕捉功能；可选l o o ka h e m 前瞻计算功能。 2 2 2p 叭c 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，p m a c 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，