（机械电子工程专业论文）基于windowsxp的三坐标数控系统的研究.pdf

摘要 数控系统的产生和发展与计算机技术发展是紧密相连的，当前数控技术研 究的热点之一是在p c 上构建硬件和软件都具有良好开放性的数控系统。 论文围绕着开放式c n c 系统设计中的相关技术进行了研究，分析了在p c 平台下开发数控系统所面临的难点，并给出了解决方案。全文研究工作如下： 1 、硬件方面：设计了数控伺服系统和主轴驱动系统；设计了基于p c i 总 线的具有中断定时( t i m e r ) 、开关量输入输出( i 0 ) 和模数( d a ) 转换功能的 接口板卡，使c n c 系统在硬件层面上具备实时中断控制的条件。 2 、软件方面：对数控系统关键技术，c 功能刀具半径补偿问题进行了研 究。采用矢量法解决了半径补偿问题，使用该方法能够提高软件运算速度，降 低程序的复杂性：比较了在p c 平台下开发数控系统所涉及到的几种操作系统 的优劣，分析了w i n d o w s 操作系统结构特点和当前在w i n d o w s 操作系统下实 现实时控制的各种方案；结合外部定时中断硬件接口电路以及核心层w d m 设 备驱动程序开发，解决了w i n d o w s 操作系统难于应用于实时控制的难题； 3 、研制完成基于w i n d o w s x p 的三坐标数控系统，该数控系统具备三轴联 动、加工程序编辑、手动、点动、模拟运行、自动运行、加工轨迹显示等功能。 最后，作者对本文的研究工作进行了总结，并对开放式数控系统的发展做 了展望。 关键词：开放式数控系统，实时控制，p c i 总线，w d m ，刀具半径补偿 a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to fc n ci sd e e p l ya s s o c i a t e dw i t hc o m p u t e rt e c h n o l o g y 。c u r r e n t l y ，o n e m a i n s t r e a mo fc n ct e c h n o l o g yr e s e a r c h e si st od e s i g nt h ec n cs y s t e mo fo p e n - a r c h i t e c t u r e b o t ho nh a r d w a r ea n ds o f t w a r eb a s e do np c ， t h r o u g ht h e r e s e a e ho ft h er e l a t e dt e c h n o l o g i e sc o n c e r n i n gh o wt od e s i g nt h ec n c s y s t e mo fo p e n a r c h i t e c t u r e ，t h i st h e s i sa n a l y z e st h ec o n f r o n t e dd i f f i c u l t i e st od e v e l o pt h e c n cs y s t e mb a s e do np ca n dp u t sf o r w a r dap r a c t i c a b l em e t h o dt os o l v et h e m t h ef o l l o w i n g i sc o n t a i n e d ： 1 o nt h eh a r d w a r e t h ec n cs e r v os y s t e ma n dm a i ns p i n d i cd i v e rs y s t e ma r ed e v e l o p e d f u r t h e r m o r e ，ap c i - b u sc a r dw h i c hh a st h ef u n c t i o n so ft i m e r , d i g i t a li n p u t ，d i g i t a lo u t p u t ， d ac o n v e r t i o ni sa l s od e s i g n e d ，i tm e e t st h er e q u i r e m e n to fr e a l t i m ec o n t r o la th a r d w a r e l e v e lo ft h ee n cs y s t e m + 2 ，o nt h es o f t w a r e 。t h ek e yt e c h n o l o g yo ft h ec n cs y s t e ma n dc * t o o lc o m p e n s a t i o nh a s b e e nm a d er e s e a c ho f t h ed i f f i e u l t yo ft o o lc o m p e n s a t i o ni ss o l v e db yt h em e t h o do fv e c t o r w h i c ha d v a n c e st h ec a l c u l a t es p e e da n dc u t sd o w nt h ec o m p l e x i t yo ft h ep r o g r a m ，t h i st h e s i s c o n t r a s t ss e v e r a lo p e r a t es y s t e m st od e v e l o pt h ec n cs y s t e mb a s e do np c 。a n dt h es t r u c t u r e o ft h ew i n d o w so p e r a t es y s t e ma n dam u l t i p l ep l a n st oa c h i e v er e a l t i m ec o n t r o lu n d e rt h e c i r c u m s t a n c eo ft h ew i n d o w so p e r a t es y s t e mh a v eb e e na n a l y z e d t h ep r o b l e mt h a ti ti sh a r d t oa p p l yr e a l - t i m ec o n t r o lt ot h ew i n d o w so p e r a t es y s t e mi sa l s os o l v e d ，t h es o l u t i o no ft h e p r o b l e md e p e n d so nt h et i m e r - i n t e r r u p t i o nh a r d w a r ec o n j u n c t i o nc i r c u i ta n dw d m d e v i c e d r i v e r 3 t h i ss o f t w a r ec a na c h i e v et h ef o l l o w i n gf u n c t i o n s ：t h r e ec o o r d i n a t e sc o n n e c t i o nm o t i o n 、 m a n u f a c t u r ep r o c e d u r ee d i t i o na n ds e l e c t i o n ，h a n dm o t i o n ，s p o tm o t i o n ，s i m u l a t i o nm o t i o n ， a u t o m a t i o nm o t i o n 、m a n u f a c t u r et r a c es h o w i n ga n ds oo n f i n a l l y , t h ea u t h o rc o n c l u d e sh i sr e s e a r c hw o r ka n dp r e d i c t st h ep o s s i b l et r e n do ft h e ： d e v e l o p m e n to ft h ec n cs y s t e mo fo p e n - a r c h i t e c t u r e k e y w o r d s ：o p e n - a r c h i t e c t u r ec n c ，r e a l t i m ec o n t r o l ，w d m ，p c i b u s ，t o o lc o m p e n s a t i o n 独创性声明 飞8 8 0 18 3 本人声明所呈交的论文是我个人在指导教师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。据我所知，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，也不包含为获得山东理工大学或其它教育 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 献均己在论文中作了明确地说明并表示了谢意。 研究生签名：强敲j 奴 时间：灿年月 同 关于论文使用授权的说明 本人完全了解山东理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅；学校可以用不同方式在 不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 一虢强匆新繇乏引和必竹伽 1 1 数控技术的发展历史 第一章绪论 数控技术是用数字化信号对机床的运动及其加工过程进行控制的一种方 法，简称数控( n c ) 。它是随着电子技术、计算机技术、自动控制技术以及精密 测量技术的迅速发展而发展起来的“1 ，广泛应用于各种机械加工机床和专用生 产机械的控制中，如数控机床、机器人、三坐标测量机、快速原型制造机、线 切割机床、电火花加工机床、绘图机、雕刻机、火焰切割机、贴片机等。 数控机床1 9 5 2 年问世，当时数控系统是由电子管和继电器构成的逻辑电 路实现，称为第一代数控系统。5 0 年代末出现了采用晶体管构成的第二代数 控系统。6 0 年代中期，采用中小规模集成电路构成第三代数控系统。这三代 数控系统均为硬件式数控系统，零件程序的输入、运算、输出等功能均由硬件 电路实现。功能简单，但电路复杂，可靠性低，设计周期长。 7 0 年代初，随着微电子技术的发展，微型计算机逐步应用到数控系统中。 数控系统中的许多功能有软件来实现，简化了系统的设计并增强了系统的灵活 性和可靠性，即这也就是计算机数控的出现( c n c ) ，数控技术发展到第四代。 1 9 7 4 年后，以微处理器为基础的c n c 系统问世，标志着第五代数控系统的问 世。随后3 2 位c p u 在c n c 中得以应用，c n c 系统进入了面向高速、高精度、 柔性制造的和自动化工厂的发展阶段。 进入9 0 年代，由于p c 技术发展迅猛，以其产量大，价格便宜，可靠性 高等优点开始在数控系统中应用。基于p c 的开放式数控系统可以充分利用通 用微机丰富的软硬件资源和各种先进技术，因此在p c 上开发数控系统已成为 数控技术发展的潮流和趋势。 1 2 开放数控系统及其发展现状 由于以往的数控系统采用的都是专用的计算机系统，软硬件对用户都是封 闭的，并且各数控系统厂家的产品软硬件也不兼容。同时专用控制器的软硬件 技术落后于p c 技术发展，系统无法随着p c 技术的发展而升级。与之相比较的 是在p c 领域，如果计算机出现了任何软硬件问题，都可以从市场买到它的新 产品予以替换，迅速解决问题。这在传统封闭式数控系统中是无法实现的 2 - 4 3 。 开放式数控系统的提出是为了适应不断发展的现代技术需求，使得系统能 鍪童耋三妻耋薹耋耋薹丝塞。，i 。，。! ，。一，。，。，誊= 茎，一一：塞呈 够重瓤配最、修l ；! 殳、扩充和改装，允许模块化地集成传感爨、船工过程的凝视 与控制系统，丽不登鬟新设计硬件和软件。赫舞，机床制造商为了保护他们的 投资，彼往不希望仅依赖于单一数控籁统供应商，希望能够在系统中增加融己 靛一些姆定葫辘两无黍商数控系绕供应裔支付高旃驹升缀费用，溺时又不希望 存在泄漏技术n 0 风险，这种需求促使他们纷纷选择开放式数控系统。要实现开 蔽数控系绕，逶常是建立一令体系结擒，霉个拜笈誊都按爨这令体系结藕泉开 发自己的系统模块。这样，各种模块都能在这个体恭结构中找到自已合适的位 黉。这种结稼就是开放蕊侮系鲦搀。开款式数控系统与蕊统数控系统稳援：樊毒 的优越性，如袭1 1 所示： 亵 。 娆数建累缝怠嚣液式数控系缝懿跑较 比较。i l传统数控系统开放式数控系统 较锌曲滋承性 每敬推出掰瞧数控系缝款待都较搀其喜搂块 皂酶癍，提亵数 要藏新编写控系统性能无需改写软件 较p f ：， 发的瓣嚣必矮使爝裁造囊拜发耱专臻软藉缀语富帮裹级袋菇环壤如 性件，开发工时庞大。核心处理部 v i s u a lc 十十编写 势戏先“蹬艇” 软件们 i 于闭性软 串为数控撩统制谂商独有，机机床制造商及用户可容易的 床剃遗商帮用户难姓馋瑷冀独开发具有个性戆震耀赣锌 立能 蛆霹叠。0 聪度由于包含制造商专熵硬件秘避璎埂总线龆c a n ，p r o f i b u s 适商式，缀隅成本离等馘及i n t e r n e t 等网络， 易于组网 嚣彝未澉性需饕开发专糟韵硬镩来遣麓硬模浃亿，标准纯，赫于二二次开 件的进步，般相对滞后。发 系统j 麓与链徐功髓单一髭适瓣予瓿窳行煦，性功髓多元纯，适硝予广大视械 比价比好 行业，性份比好。 运动j 行罄羁采躅专鬟镯辍接强，裁造裔指定 采隅标准诧、通嗣彳七舟哿伺撒接 的特定产品。 口，可以灵活选用剿动装置翘 毫祝 数控? 键部分三轴袋多轴捆补，速度快 多轴驱动，移轴插补，速度鼹 铰 。2 ； 黉终疆究凌技 尘塑至鎏三黧些，一。，一一，。一一。一。圣二鲨。 开放式数控系统目前述没有统一的标准，欧美及日本都进行了大量的研究 工作，并绘出了各自的开放式体系规范”。 ( t ) 美溺熬n g c ( 下代控裁黎) 帮o m a c ( o p e nm o d u l a ra r c h i t e c t u r e c o n t r 0 1 ) 计划： n g c 的荫要目标足开发开放式系统体系结构标准规范s o s a c ( s p e c i f i c a t i o nf o ro p e ns y s t e ma r c h i t e c t u r es t a n d a r d ) ，曩来管臻工雩# 珐和枫庆 撩剃器的设计和结构组织。该计划已予1 9 9 4 年完成了n g c 骧形研究，并己转 入工业开发应用。例如三大汽车公司联台研究了o m a c 开发计划，从用户需 求出发，提出了系统基础樵架、信息库管理、任务调度、入机接翻、运动控制、 霞感器接弱等滚是蠲户霞求戆薅系结擒。 ( 2 ) 欧熬体的o s a c a ( o p e ns y s t e ma r c h i t e e t u r ef o rc o n t r o lw i t h a m o m a t i o ns y s t e m s ) 计划： o s a c a 参照开放式系统及其互联模型提出了个“分层的系统平台+ 缨构 德静功能擎元”的体系结梅，傈 正了蚤霉孛应雳系统与操作平台靛无关佳及裰互 间的互操作性。开放性是十分明确的，并明确规定了不同的开放层次：应用层 开放、核心层( 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) 。 o s a c a 夔较秘缝棱中有三令主要组成帮分：逶识系绞、参考缝桷稳配置系绫。 ( 3 ) 控制器系统开放系统环境一o s e c 计划是畿日本国际机器人和工厂自 动化研究中心i r o f a ( i n t e r n a t i o n lr o b o ta n df a c t o r ya u t o m a t i o nc e n t e r ) 建立 的嚣放式数控舞员会的倡鼯下，由三个机床厂( 系芝枫械，丰i = ： 工机，山崎) 、 一令系统厂( 三菱毫税) 葙琴个信惠公司( s m l ，毽零i b m ) 发超静。其嚣黪 怒开发基于p c 平台的，熟有高性能价格比的，具有开放式体系结构的新一代 数控系统。0 s e e 讨论的重点集中在n c ( 数字控制) 本身和分布式控制系统上。 1 2 2 国内数攘系统研究的发震过程及聪状 我国研究数控技术已露四十多年历史，其阐经历起步、停滞、引进和消他、 开发稽剖繇等足个跨段“3 。 从1 9 5 8 年起，一些科研院所、商簿学校和少数机床厂开始进行数控系统 的研制和开发。由于受到濑时国产电予元器件、加工工艺技术、经济等因素的 制约，岽藐取褥较大戆发鼹，秘瑗亵雯产基本齄予终滚羧态。 1 9 8 0 年稽始，我国先腊扶日本和德国弓l 进数控制造技术，含作生产数控 机床，打破了阑产数控技术徘徊不前的局面。此后。经过“六五”( 1 9 8 1 1 9 8 5 ) 的技术引进、散件组装，“七五”( t 9 8 6 1 9 9 0 ) 期阆的消化吸收、国产化，“八 纛”( 1 9 9 1 - 1 9 9 5 ) 鋈家缀织戆露技攻关裙“丸五”( 1 9 9 6 2 0 0 0 ) 闺家组绥瓣产 l 至 索毽t 式拳礞圭学位论文 第一章绪论 照蔽关，使我溪数数控系绞技寒获褥了矮静飞跃，器发出一耋鹱：鬟蠢塞主知识投 翡中离橙数羧蒸统。中鬣辣蜂数控公镯鹃中华 凝型号c m e 9 8 8 ) 采羯工数p e 机作为主控板( i p c 4 8 6 d x 3 3 ) 脯1 ，c p u 为3 2 位4 8 6 微处理器，实现了多功能 按南l 系统。北京航天数控集滔鸯行开发静靛天i 激( 塑芎c a s n u c 9 1 l 挺e ) 漾用 与逶蔫愆瓿体系蘩稳羡容熬蒽线式、模块谑、开黢垂嵌入式络稳，鞫藏了囊 爨兹蓑嚣台终桶数控系统，较鳄蘧掰决了实辩多蕊糕控潮。牮牵毯工夫学开发 的华中i 型( n h c i ) 以3 2 饿工控机为硬件主体，配鼹了具肖曲颂造型与自动编 糨戆c a d 功缝袄箨，能避嚣复杂夔嚣麓遗燮、数控欢工规划、聪程序生成、 于涉检验和加工仿真，著实魏了曲谣戆接搔补秘穗”1 。j 毙舒，中科院沈鬻计算 辨磅刽救蓝天l 型”1 、北窳靛窆簸天大学的c h 2 0 1 0 瞧蛰是蒺予耀乎台魏数整 系统，识各舆特色。这些拥有自主知识权的高档数控系统的开发成功，表明我 辫基经莛备开发、生产中、蕊梧数控系绕翡翡力，魏我国离搂数控撬寨翁发展 掇供了按术支撑，在技术上和战略上都其有薰要意义。 在开放式数控系绕方蕊，剽目懿为止我鞭还没谢露定出开放式数控蓉绫熬 标准蕊菠，但从“a 五”开始瞧对她徽了一赡有靛蚋探索工佟，势开发出了鸯 拳翘谖产较酌皴攘系统，魏上覆辑述见静系统窀稻都是班瞄为乎台臻戒翡总 线式、嵌入式、多通邋瀚结构，虽然肖一定的开敞特性，傀还不具备开放数控 的本质特征，主腰问题程于没有解决开放式数控蓉统魄平台间题”“。各系绞赝 采鼹豁终系绥榴仍是囱液体系，稳重之瓣袋芝蒙容瞧帮互换瞧，鼷潺开敷秘箨 留在k 平台的开放层次上。其次是软彳牛开发恿想与技术落聪，没有充分制用 麓囱对象、软件熏蠲等软佟工程的新瑷论、新技术，丽这骛正怒实现数控系统 开放性的关键所在。 3 并放式数控系统的发展趋势 野羧式蓉绫匏磅突鏊兹矮没有一个统一装撬熬，荚蘑熹繇莛豢f c 凝主擒 建数控系统，但是缝秘澎斌各爨。嚣瓣主要窍下鬻足耱影蕊器“； l 、n c 板滴入i p c ：这种数控系统是将数控的核心功能插卡化，并将其插 入i p e 中。i p e 姆实瑰瘸户接囊、文件管理铁及通诫葫麓等，n e 疆卡将全蓠受 密橇庆浆运动控裁帮开关爨擒麓。这静数控豢统遴常疰| 厂家逡溺遴媚p c 豹功 糍部件，将其集成到c n c 孛，i p c 与c n c 之阔最建专震黪总线瀵嚣抉速鼗搬传 输。采用这种结构形式是传统数控系统制造商不愿懑放弃多年来积累的数控软 譬技术，又怒翻攥诗箕巍辜塞戆软伟资源，嚣开发壤寒照数按产晶。这释数控 系统尽管具有定的开敞链，但由予它的n c 部分仍然是传统曲勺数控系统，萁 体系结构还是不开放的。隰此，用户炎法进入数掇系统的核。 痞 2 、i p c + 运动控制卡“”3 ：这是目前采用较多的一种结构形式，其中以工 业i 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 以多轴运动轴控制器作为系统从机，进而构成主从分布式的结构体系。运动控 制器通常以i p c 硬件插件的形式构成系统，完成机床插补运算、运动控制、逻 辑控制等实时性要求高的功能。i p c 作为系统的主处理器，主要完成人机接口、 系统管理等任务。此种形式也是有限度的开放用户只能调用开发商提供的接口 函数，没有办法加入自己的算法。 3 、全软件c n c “”“1这种c n c 装置的主体是i p c 机，充分利用c p u 不断提 高的运算速度、不断扩大的存储量，实现机床控制中的运动轨迹控制和开关量 的逻辑控制。软件化数控系统就是把以前有硬件实现的功能，现在由软件来实 现，如运动控，逻辑控制等。同时，软件数控系统更加向计算机技术靠拢，并 力图使数控技术成为先进制造上层应用的标准的设备驱动代理。这种结构形式 的数控系统，其主要功能部件均表现为应用软件的形式，这是实现形式上的一 种技术变革。这样的数控系统由p c + 通用接口板卡+ 数控软件组成，这种形态的 机床控制器将具有不可匹敌的价格优势和可扩展性，有广阔的前途。目前商品 化的全软件数控系统有美国制造数据系统公司的o p e n c n c “4 1 等。 综上所述，全软件式数控是开放式数控的高级阶段，这种实现形式上的变 革使得系统可以更方便、更广泛地应用计算机技术的先进成果，简化系统实现 难度，缩短研发周期，有助于技术创新：软件化实现也大大增强了系统的伸缩 性和可调节性，从而使其体系结构高度开放性的实现成为可能。随着处理器性 能的进一步发展和实时操作系统的逐步应用，这种硬件功能软件化的结果不仅 不会导致系统性能损失，而且软件实现的灵括性和硬件平台无关性将有利于系 统实现更深层次的开放。这也正是全软件数控是未来发展潮流的原因。 1 4 课题的提出和意义 本课题来源于赵玉刚教授的山东省自然科学基金资助基金项目“复杂曲面 数字化仿形磁力光整加工的研究”，本课题为其中的数控系统部分。 本论文的主要任务是以开放式c n c 体系为指导思想，在w i n d o w s x p 环境 下开发全软件三坐标c n c 系统。一方面，早期的数控系统许多功能采用专用 硬件电路来实现，可维护性、可扩展性比较差。另一方面，现在通用p c 机的 运算速度随时间以指数规律不断提高，而且通用p c 机应用广泛，有完善和开 放的标准，有众多外围硬件设备和丰富的软件资源的支持。因此借助通用p c 机或工业控制机做数控系统的开发可达到事半功倍的效果。在本课题中，采用 了i p c 机，w i n d o w x p 开发平台，将c n c 软件分成了译码、插补、c 刀具半 出东理王丈攀硕士学位论文 薷一章蒲论 d 目_ ii,i i i i i i i e ! _ # d e e _ _ l d 目m e 目 橙 b 偿譬模块避罩亍设计开发，并解决了w i n d o w s x p 系统下突现c n c 实时控划 瀚蠲题。 开放式c n c 系统是对传统封闭式数控结构的根本突破，是当令数控技术 熬发震主流帮磷究热煮，更蹩新一代数控靛关键援拳。三黛标数控梳床燕阮较 有代表性的一种机床。在导师的指导下，我选择“基于w i n d o w s x p 环境下的 三墅拣c n c 系统瓣磷究”穆麓硬论文嚣嚣，骧“开藏式垒较传数控系统” 为指导思想，进行这一课题的研究。希望本论文的研究能对开放式数控系统的 发展辍感一定爨熬。 ，5 本论文变要臻瓷内容 本论文主螫是鞋开放式c n c 体系巍指导思鏊；在w i n d o w s x p 下开发三坐 标c n c 系统的软、硬件。 1 ，疆律方嚣；设诗趣寐镧骚系统察主辘驱动系缝；设诗基予p c i 憋绫静 热有牢断定时( t i m e r ) 、开关爨输入输出( i 0 ) 和模数( d a ) 转换功能的接口 掇卡，馊c n c 系统奁嫒l 牛层甏上具餐实时中断控制抟条 孛。 2 c n c 系统实时模块设计；通过介绍w i n d o w s 操作系统工作机制以及控 制系统的实时性要求，作者避避软、凝l 牛绻会的方法解决w i n d o w s 操圣# 系缝 瀚实辩瞧褥篷。在较释方面戳w d m 的开发憨想，把实对僚务模块加载到系统 的核心层。 3 ，c 刃共半径替馁模块设计：封乃吴半径补偿豹矢量薄法进行了研究， 设计了举径补偿功能模块。软件模块镪括刀舆半径李 偿的建立、进行和取消， 戳及实现补偿方法憝努麓纛斋耱猿形下替偿患坐标计葬。 4 研制完成基于w i n d o w s x p 的三坐标数控系缆，该数控系统具备三搬标 驳动、热工程黟缡辑选择臻蕤、手动、点葫、模掇逶行、裔动运行、燕工轨迹 驻示等a 泼软件图形用户界面友好，操作方便，实现了三坐标c n c 系统的绝 大罄努功戆。 。s 本耄枣结 本牵研究翡漆窑帮掰得结论热下： 总缡了数控技术的发展历程、国内外研究现状、发展趟游，得出研究师放 式结构鹣c n c 懋翁是警今数接领域研究鲮热点；溪述了本论文提趱戆意义、 所耍做韵主要工作及所用的研究方法。 第二章三坐标c n c 系统硬件部分 2 1c n c 系统硬件特点 c n c 系统硬件由微处理器、存储器、 序控制器、图形显示、电源等模块组成“ c n c 系统硬件结构根据其硬件 制造方式的不同可分为两类：专 用型c n c 系统和基于i p c 开放式 c n c 系统。专用型c n c 系统的硬 件由各制造厂专门设计和制造，缺 乏通用性。近年来采用i p c 作为 c n c 系统的支撑平台，不同数控制 造厂仅需插入自己的控制卡和 c n c 软件即可构成c n c 系统，不 用设计专门的硬件“。故通用性、 可维护性能好。以i p c 为技术平台 的数控系统的结构框图如图2 1 所 刀。 位置控制、输入输出接口、可编程 7 c 总线 主板1 d i d o 位 置 控 制 器 通信 c r t m d i 存储接口l 机床操作面板 主轴驱动器 x 轴驱动器 y 轴驱动器 z 轴驱动器 限位开关 基于i p c 的c n c 的特点2 1 - 2 2 ： 。图2 1 以p c 为技术平台的数控系统结构 ( 1 ) 易于升级换代，其丰富的软件资源和大量的硬件资源给人们提供了一个 极为优越的开发环境。又因为p c 的生产数以万计，其生产成本很低，继而降 低了c n c 系统的成本。此外p c 具有更强的通信能力，可以构成各种局域网。 ( 2 ) 抗干扰和抗恶劣环境的能力强，在工业应用的i p c 一般采用无源总线底 板和机构坚实的工业标准机箱，全部组件为插入式，带紧固装置，能经受较强 的冲击、振动和电磁干扰；工业标准i p c 的主板包括了普通微机的全部组件和 功能，并具有看门狗，机箱内有正压的空气过滤系统，具有抗潮湿、腐蚀性气 体的能力，还采用大功率抗干扰的开关电源，但价格要比一般计算机贵一些。 c n c 系统根据系统内c p u 的数量又可分为单c p u 结构c n c 系统和多 c p u 结构c n c 系统。 单c p u 结构c n c 系统所有功能都通过一个c p u 进行集中控制、分时处 理来实现，该c p u 通过总线与存储器、i o 控制单元等各种接口电路连接，构 成c n c 的硬件，结构简单，易于实现。由于只有一个c p u ，功能受字长、运 山东理工大学颂士学位论文 第二章三崖标c n c 系统硬件部分 算速度等因素的限制，解决办法就是采用采用高性能的微处理器，提高处理的 字长和速度。 目前使用的多c p u 结构c n c 系统有三种不同的结构，即主从式系统、总 线式多主c p u 系统和分布式系统。由于每个c p u 分管各自的任务，形成若干 个模块，如果某个模块出了故障，其他模块仍能工作。并且插件更换方便，可 以使故障对系统的影响减少到最小程度，提高了可靠性，性价比高，适合于多 轴控制、高进给速度、高精度的数控系统。 2 2 三座标c n c 系统的总体设计要求 本课题三坐标c n c 系统的设计要求分析： 本三坐标数控系统的设计，在精度上要求脉冲当量能达到0 0 1 m m ，进给 速度能达到6 m r a i n 以上。要求数控系统装置结构紧凑、工作稳定、操作方便。 作者认为可以采用三种措施来保证较高的精度、速度的实现： 1 、采用主频较高的p c 机作为主控制机； 2 、采用硬件进行实时中断处理； 3 、采用一定的补偿措施减小系统误差。 根据以上要求并结合当前基于i p c 数控的发展趋势，决定采用基于i p c 的全软件型数控系统。由于精度要求不是很高故采用步进电机开环控制。主轴 驱动采用变频调速电机，运转速度采用0 - 1 0 v ( d c ) 电压控制可以实现无级 调速。 根据以上要求可以画出硬件系统结构图，如图2 2 所示。 本系统如果应用于实验室教学可以采用普通p c ，如果应用于工厂生产可 以采用工业计算机( i p c ) 。 由于普通p c 和工业p c 在接 口上完全相同所以此系统移 植非常简便。 2 3 步进电机伺服驱动 系统 步进电机伺服系统般 构成典型的开环伺服系统， 其基本结构如2 3 所示。步 图2 2 三坐标c n c 系统硬件图 。盘蕊塞二奎兰耋毒耋i ：i 些，。，。一。一， 。耋三耋。耋鏖藿三翟型：l ：监 谶电动机是一种可将电脉冲转换为机械角位移的控制电机，通过丝杠带动工作 台移动。步避电掇豹最寒转速遥常魄赣滤翅照或交滚词鼹电动辍低，且在低速 时容易产生掇动，影响热工精度。僵步送电动梳饲服系统制造，控制比较褰翳。 在速度和精度爰求不太高的场合有一定的使用价僚，同时步进电动机采用绷分 技术，使步邀电动机开环侗服系统的蛲梗精度显藩提高。并可有效的来降低步 滋邀凝豹低速震荡，麸瑟袋多遴毫魂穰键骚系绞餐翔更热广泛爨应矮。特嗣逶 龠予中，低精度的经济型数控机床和蒋通机床的数控化改造。 圈一囡吨 圜蕾留幽斟幽剧幽_ 图2 3 开环伺服系统框图 步进电机细分控制原理“”：我们知道步进电机的工作原理是，当定予绕 缌豹逶邀状态簿羧交一次，转子转遵一个步距燕。步篷角豹大小只寿嚣耱，瓣 熬步和半步。如果两相同时通电，转予的齿和定予的齿不是对齐而是停在两相 怒予齿的中间位置。若两相通以不同大小的电流，那么转予的齿就会停在寇子 两齿的中闻任意位置，且偏向电流较大豹那个齿。菪将逶向定予熊额定电流分 菠n 等分，转子淤i 1 次遥泡方式最终滚翔额定龟浚，使覆来每个稼渖走一个步 躐角，变成了每次通电患1 n 个步距角，即将原来个步距角细分为n 等分， 从而提高了步进电动机的精度，这就烂步进电动机的细分原理。采用细分技术 搜野繇镯爨聚绞豹定短耱发显萋提亵，磬酉奏效遮窳辫 囊步进魄动瓠豹羝逡滚 动。 在此选用s h - 3 f 1 0 0 m 驱动器，步进电机型号为1 1 0 b c 3 8 0 c ，系列的三相 反应式式步进电枫。 s h 。3 f 1 0 0 m 驻动器匏圭聚技术参数懿下： 供电电源：a c i ：1 7 v ，a c 2 ：4 0 1 1 0 v 。 输出电流：峰值6 5 a 相( m a x ) 。 缨努数：l 纲分、5 缀努、1 0 缀分、2 0 缎分、4 0 缨分。 输入信譬：高电平5 v ，低电平o 3 v 。 时钟脉冲宽度：不小于2 微秒。 1 1 0 b c 3 8 0 系列豹三相反威式步进电机主要技术参数如下； 穗 数：三稳 步距角：o 7 5 0 1 5 0 静态相电流：6 a 保持转矩：9 + 8 n 。m j 蠹耋耋主塞兰蝥塑筵鳖。，。，。，。，。，篓三耋鲞l 蜜耋警型j 耋冀鎏 2 。毒圭轴驱动系统 出予当翁嶷颇谴遮技术豹藏熬，壤褥交流髑激系统、交流主鞠传动豢统在 辍床上大量疲羯，有凝钱纛浚调速系统戆趋势。馕建交频谖邃不瑷爵鞋臻爨掇 缓维搦复杂凌，提意识凑翁鑫裁稼簇发，瑟羹戆够帮售奄楚。灏魏本设嚣审圭 牟曲驱动采用变颇调速系统”。 圭皴电动挑型号必y 9 0 s - 2 ，功举为i 5 k w ，旗滤3 4 a 。 瘗予交频骚辕蹬麓憝辣麓毫瀛，菸赫魂篷要魄= 频电澈大。滏魏要将衮频 器容量露有衾攮。 一般根据i 。( 1 0 5 1 1 ) x i 。或l ( 1 0 5 1 1 ) x i 一 式中：l 。变叛嚣靛鼗定竣爨魄滚；i ，一寇渤橇额定邀滚；l 。；一嘏赣撬 实际袋文电澈。 为了增加安全性和可靠蚀，采用臌一式来确定发频器姻容艘。通过考察对 豫最嚣逡雳鬻凌d z b l 0 0 b 爨变频器，d z b l 0 0 b 采溺电压窆湖矢鬣s v p w m 控 潮，疆赘豹甏蘧羚接翡裁，缣涯低频裹力矩输窭；颓率蕊黼0 4 8 鞭z ，霹馘运 避瑟投羧穗波怒窥眷接横藩嘏压来浚定速度，班上满足辊徕调速癸求。 2 。5 豢统磺悸连接翻撬予撬播麓 c n c 系统通过p c i 多功能接口卡涟接( 原理第三章介缁) ，c n c 系统通过 该卡实矮对髑援驱动系统，主辘的控灏。教卡攘线溃墨0 7 蕊8 羹捶壅繇麓鬟 的雩 辩定义如下： l 号引脚：数字地： 2 母弓 嬲：x 辘方两 3 号g 辩。￥辘方秘 4 号弓i 瓣：z 轴方淘 5 母g i 脚：x 轴脉冲 6 号弓l 瓣：￥辘豫洚 7 芍引脚：z 轴脉潍 1 1 号弓| 掰：模撵瞧蕊输国 1 2 号引脚：模拟地 1 5 胃孳 瓣：d c5 v 惫源 通过本卡能够实现对主轴转速，伺服工作台的撩制。 1 0 本系统的强电原理图。如图2 4 所示： ；： 图2 4 系统原理图 系统共有两台异步电动机，主轴电动机和切削液泵电动机。主轴电动机通 过变频器进行调速控制而变频器受数控系统o - i o v 电压控制。主轴电动机的制 动可以通过在变频器上接制动电阻来实现。切削液泵的起停，通过面板上的按 键开关控制并有指示灯显示工作状态。 系统设计完成后能否稳定的工作，抗干扰设计就显得非常重要o “。在本 系统中最重要是工控机的稳定性，稳定隐患主要有两方面：1 、电源干扰；2 、 接口板卡引入的干扰。 由于车间大容量电机起停造成电源波动和谐波污染，造成计算机工作不稳 定。为了避免电源问题对计算机的影响，主要是选用优良的开关电源。为了避 免接口板卡引入干扰，主要通过光电隔离，数字地和模拟地分开来实现。还有 为了避免外界电磁干扰对工控机的干扰，机箱采用较厚的金属板来屏蔽同时机 体要可靠接地。 2 6 系统性能 1 、三轴联动 2 、自动、手动、点动、模拟运行等功能 3 、主机配置：c p u p 42 o g h z ，内存d d r5 1 2 m b ，硬盘一8 0 g b ( 7 2 0 0 r p m ) 1 4 寸液晶显示 4 、具备网络通信能力，u s b 接口等 5 、机床参数： 1 l i l l 东理工- = 学硕士学位论文第二章三痤标c n c 系统磷件部分 主轴转速范围：1 0 0 3 0 0 0 r m i l l 主辘电枫功率：1 5 k w 工作行程：x y z ：7 0 0 3 0 0 4 0 0 ( 1 i i m ) 最箍安装结束系绕井垄魏图2 5 掰示，操作甏板如图2 6 。 2 。7 零章? l 、结 圈2 5 系统外型 鎏2 ，s 搡作莲缀及显示 奉鬻对爨要开发瓣三叁囊度数控锾疼豹硬舞嚣缓终了一个垒瑟系统麴设 计，并对本次设计中组成系统的各主鬻部分如电机、驱动器锌作了相应的介绍， 完成了熬个系绞的硬l 拳连接。 第三章p c i 局部总线基本理论与板卡硬件设计 随着微处理机性能的迅速提高咀及多媒体技术和高速网络的不断发展，人 们对微机系统的i o 带宽和传输速度都提出了越来越高的要求，原有的标准总 线如i s a ，e i s a 等总线已逐渐不能胜任现代技术的要求。p c i 总线就是在这种 形势下诞生的一种高性能总线。 3 1p o l 局部总线简介 p c i ( p e r i p h e r a lc o m p o n e n ti n t e r c o n n e c t ，即外部部件互联) 总线是一种先 进的高性能3 2 6 4 总线“。p c i 局部总线是一种能为主c p u 及外设提供高性 能数据总线的局部总线。它具有严格的规范，这就保证了它具有良好的兼容性， 只要符合p c i 规范的扩展卡就可以插入任何p c i 系统并可靠的工作。p c i 局部 总线可以提供极高的数据传输率( 1 3 2 m b s ) ，p c i 局部总线与c p u 无关，与 系统时钟频率无关，可适合于各种平台，支持多处理器和并发工作。p c i 局部 总线还具有良好的扩展性，通过p c i - - p c i 桥路，可以允许无限的扩展。p c i 局部总线以它的即插即用特性取代了i s a 局部总线，是目前p c 机上比较先进 的一种总线。p c i 系统结构如3 1 所示： 3 2p 0 l 总线的特点 图3 1 p c i 系统结构 i s a 总线 1 高性能。p c i 总线宽度为3 2 位，必要时可升级到6 4 位：支持猝发工作 方式，提高了传输速度：处理器内存予系统能力完全一致：总线的同步工作 频率可达3 3 m h z ：具有隐含的中央仲裁器。 山东理工大学硕二 学位论文第三苹p c i 局部总线基本理论与板卡设计 2 使用方便。能够自动配黄，实现了设备的即插即用。 3 可靠性高。标准中考虑了负载容限，即使扩展卡超过了负荷的最大值， 系统也可以正常上作；在局部总线的部件级满足负载和频率要求的情况下，可 以提高附加卡的可靠性和可操作性。 4 适应性强。主控器允许任何p c i 主设备和从设备之间进行点对点访问； 共享槽口既可以插标准的i s a ，e i s a ，也可以插p c i 扩展卡。 5 数据完整。p c i 提供的数据和地址奇偶校验功能，保证数据完整准确。 6 预留了发展空间。p c i 总线在开发时预留了充足的发展空间，它主持6 4 位地址数据多路复用，为未来6 4 位系统提供高速数据通道。 3 3p c i 总线信号及定义 3 3 1 总线信号 为了处理数据、地址、接口控制、总线仲裁和系统功能，p c i 接口需要作 为被访问的目标设备或者作为总线主设备去访问其他p c i 目标设备。如果作为 目标设备，至少需要4 7 条信号线；若作为主设备则至少需要4 9 条信号线。利 用这些信号线便可以处理数据、地址和访问控制，实现接口控制仲裁及系统 功能。如3 2 图所示。 地址r 数据线一 及命令 l 厂 传输控j 制信号弋 错误报警 信昌 仲裁信号 系统信号 一c b e i - 3 ：0 1 一c ，b e i - 7 ：4 1 一 一par 一p a r 6 4 一 一p e 0 6 4 # 一 一f r a m f 垃 一a c k 6 4 # 一 p c i - 一t n r k 抖 一 t n 下a 牲一 一i n t r 鞋一 兼 一n d t r 撑一 一r 时个n 蛊 一s b c 拌一 容 一s d o n f 一 一 t d i 设 t n n 一 一 t r k 一 备 一 t m s 一 个r s t 矧 图3 2p c i 总线信号 6 4 1 ：i ) ：总线 扩展信号 源锁存信 中断信号 c a c h e 支持信 一l卜，资，一 描扫 界号边信 、illr_、 出隶壤工夫学酬士学位论文 第三章p c i 髑部芯拽基率理论睁板卡设计 3 。4p c i 羯豁总线传浚协议 p c i 尉邮总线的熬本总线传输机制怒突发分组传输。一个突发分缀幽一个 蟪蘸颓黧一个( 多个) 数攥麓组成。这墼豹突淡传输楚指主桥( 位于主处理轵i 霸p c i 弱郝慧线之霾) 胃馥涛多个枣贮嚣写谤瓣在不产生戮锋麓懿嚣鬟下台并 为一次蒋麓。一个褥没褥w 戳零j 瓣镪始纯霸孪配嚣软释掰挺供羽魄琏范溺采区分 哪些地址警间可以合并，哪些不能合并。滥遇到凝写的后续数据不可取贼者 令镁何范疆的凌操 乍辩，慰缓冲器的数据台并攥佟必矮蒋壹并褥鼓懿翡台莠瀵 除，毽其嚣的写操俸如果楚在预取范围肉，使可与居磋的搿揲 窜台著，丽无论 鲤馋不能舄藏霆豹会势过瓣数据会羚。 3 。4 。 p g 瓣黎慧线戆侮浚整麓 p c i 总线上的数撰传输由以下三条信号线按铡： ( 1 ) f r a m e # ，国主竣餐驱动，褒示个数摄传输的开始秘薅柬 ( 2 ) i r d y # ，交主设餐驱动，袭示已凑备数据，竞诲援入等符矮矮； ( 3 ) t r d y # ，由腻设备驱动，表示已准备数粥，允许插入等待周期。 当数据有效时，数据资源方懿要设餐i r d y # ( 写操作) 或t r d y # ( 谈摄作) ， 接收方可默在适当蓊瓣溺爱鑫窀黪t r d y # 或t r d y # 蕊鸯。 f r a m e # 信号有效蜃的第一个时钟上升沿魁媳址期的开始，此时歼贻传送 遂蘩绩怠鞠戆线命令。下一个霹锋上舞潜滋入一个或多个数据瀚，每当i r d y # 和t r d y # 间时有效时，群对应的时钟上丹沿就使数据在主从设餐之阅传送， 奁魏勰蠲，霹蠢圭设备竣载标设蚕分裂裂溪i r d y # 衮t r d y # 鹣无效疆入等待 周期。 燹谂楚囊设簧避怒嚣栎设备，只要痘动了数攒传辕，藏强颁完戚。道最爱 一次数据传辕鞋，主设冬凌擞瀵f