（机械电子工程专业论文）基于windows平台开放式数控系统研发.pdf

西南变通大学硕土研究生毕业论文第1 页 摘要 数控系统就是指控制传统机械机床进行高精密度，复杂翻灏零件加工的 计算机系统。以工业计算机为硬件平台，以w i n d o w s 操作系统为软件平台 的数控系统以其强大的功能、漂亮的赛箍、配爨方便、易维护、可移植、 哥糖绫、可互攘缝瑟绩受嗣户夔欢_ i 罄。嚣量，开放式熬体系绫秘矮子在工 厂环境内实现现代计算机集成制造系统，易于实现工业信息化。本文根据 当今世界数控系统的发展潮流，研制开发基于w i n d o w s 平台的开放式数控 系统。对开发过程中如现的难点问题：实时控制技术、中甑处理技术、刀 其管理、蠓距误差羚旗、刀吴半径e 眷嫠等挺爨了台理菸解决方法。嚣嚣， 系统已开发完成并已成功运用于工渡现场( 与陕西汉川机床脊限公司精密 卧式镗床相配套) ，并艇，该系统已在北京、成都、重庆等地的国际机床展 览会上展嫩，褥到了圆内外业界冠行及爆户黔认耀。 关键词：数控系统开放式w i n d o w s 一 西南窝通大学硕士姘究生毕业论义 第1 i 蕊 一一一一w _ _ * _ _ _ _ - h h m _ - _ 一 a b s t r a c t c n c s y s t e m i sa c o m p u t e rt h a tc 箍巍c o n t r o lt r a d i t i o n a lm a c h i n et o o l 幻p r o c e s s 燕蠊 p r e c i s i o n ，c o m p l e xp a r t t h ec h i cs y s t e mu s e si n d u s t r i a lp e r s o n a lc o m p u t e ra sh a r d w a r e p l a t f o r m ，u s e sw i n d o w so p e r a t i n gs y s t e ma ss o f t w a r ep l a t f o r mw h i c hp o s s e s s s t r o n g f u n c t i o n 、b e a u t i f u lf a c e 、f l e x i b l ec o n f i g u r e 、e a s ym a i n t e n a n c e 、t r a n s p l a m a b t e 、e a s y i n t e r c h m l g e ，t h e r e f o r e ，u s e r s a r ef a v o r i t e t o i t 。f u r t h e r m o r e ，o p e n s y s t e m s t r u c t u r e i s e a s y t o i m p l e m e n tc i m si n t h e f a c t o r y ，a n dr e a l i z et h ei n f o r m a t i o ni n d u s t r y a c c o r d i n g c n cd e v e l o p m e n td i r e c t i o no fc u r r e n tw o r l d ，ih a v er e s e a r c h e da n dd e v e l o p e d t h iso p e ns o f tc n cs y s t e mb a s eo nw i n d o w s t ot h e s ed i f f i c u l tp r o b l e m si nt h e c o u r s eo fd e v e l o p m e n ts u c ha sr e a l t i m ec o n t r o l t e c h n o l o g y 、i n t e r r u p td i s p o s e t e c h n o l o g y , t o o lm a n a g e m e n t 、s c r e w e r r o rc o m p e n s a t i o n 、t o o lr a d i u sc o m p e n s a t i o no fc t y p e ，t h ep a p e rp r o v i d e sr a t i o n a lm e t h o dt or e s o l v e a tt h ep r e s e n tt i m e ih a v ec o m p l e t e dt h i sc n cs y s t e ma n di t i su s e do n n d u s t r i a lf i e l d ( w h i c hi s s u c c e s s f u lt om a t c hw i t hh i g hp r e c i s i o nm i l l i n gm a c h i n ep r o d u c e db yh a n c h u a n m a c h i n et o o 】l i m it e dc o m p a n yo fs h a n x ip r o v i n c e ) m o r e o v e r 。t h i gc n cs y s t e m h a sb e e ns h o w e do nt h ee x h i b i t i o no fb e i j i n g 、c h e n d u 、c h o n g q ia n ds oo n ， w h i c hr e c e i r e dp r a i s eo fm a n yu s e r sa n df r i e n d s ， k e y w o r d s ：c n oo p e n w in d o w s 西南交通大学硕士研究生毕业论文第1 页 第1 章概述 1 1 世界数控系统的发展简史 1 9 4 6 年诞生了世界上第一台电子计算机，这表明人类创造了可增强和 部分代替脑力劳动的工具。它与人类在农业，工业社会中创造的那些只是 增强体力劳动的工具相比有了质的飞跃，他为人类进入信息社会奠定了基 础。半个世纪以来，以计算机为主导和核心的信息技术，既通过电视，现 代通信等提高了人类生活的质量，还促进生产力飞速向前发展，开创了人 类文明史，生产史的新纪元。信息技术的飞速发展直接导致了知识经济的 到来。 六年后，即在1 9 5 2 年，计算机技术应用到了机床上。在美国诞生了第 一台数控机床。计算机及控制技术在机械制造设备中的应用是世纪内制造 业发展的最重大的技术进步。从此，传统机床产生了质的变化。近半个世 纪以来，数控机床经历了两个阶段和六代的发展。 1 数控( n c ) 阶段( 1 9 5 2 1 9 7 0 年) 早期计算机运算速度低，这对当时的科学计算和数据处理影响还不大， 不能适应机床实时控制的要求。人们不得不采用数字逻辑电路“搭”成一 台机床专用计算机作为数控系统，被称为硬件连接数控( h a r d - - w i r e d n c ) ，简称为数控( n c ) 。随着元器件的发展，这个阶段历经了三代，即1 9 5 2 年第一代电子管；1 9 5 9 年第二代晶体管；1 9 6 5 年第三代小规 模集成电路。 2 计算机数控( c n c ) 阶段( 1 9 7 0 现在) 到1 9 7 0 年，通用小型计算机业已出现并成批量生产。其运算速度比五， 六十年代有了大幅度的提高，这比专门“搭”成的专用计算机成本低，可 靠性高。于是将它移植过来作为数控系统的核心部件，从此进入了计算机 数控( c n c ) 阶段。到1 9 7 1 年美国1 n t e l 公司在世界上第一次将计算机的两 个最核心的部件运算器和控制器，采用大规模集成电路集成在一块芯 片上，称之为微处理器( m i c r o p r o c e s s o r ) ，又称为中央处理单元( 简称 c p u ) 。到1 9 7 4 年微处理器被应用于数控系统。这是因为小型计算机功能太 强，控制一台机床能力有富裕，不及采用微处理器经济合理，而且当时的 小型机可靠性也不理想。早期的微处理器速度和功能还不够高，但可以采 西南藏通大学硕士研究生毕业论文第2 贾 用多处理器结构来解决。由于微处理器是通用诗鼹机的核心部件，故仍称 为诗算掇数控。臻了1 9 9 0 年，p e 橇拿大诗算撬，藿麦习豁镞撬) 懿往戆甚 发展到彼离的阶段，可以满足作为数控系统核心部件的要求，而且p c 机生 产批量很大，价格便畿，可靠性商。数控系统从此进入了基于p c 的时代。 总之，计算机数控阶段也经历了三代。即1 9 7 0 年第四代一小型计算 褪；t 9 7 4 冬簧五代弦楚瑾嚣；1 9 9 0 年第六戴薹亏二p c ( 国努豫为 p c 一一b a s e d ) 。 数控系统近五十年来经历了两个阶段六代的发展，只是发展到了第五 代以后，才从根本上解决了可靠矬低，价格极为舄责，应用缀不方便等极 为关键熬阏蓬。蠢梵，静整在工馥发送嚣鏊家，数控系统大溪摸逢褥到痰 用和普及，是在七十年代末八十年代初以后的攀情，也即数控技术经过了 近三十年的发展才走向替及应用的。 国夕 旱已改称为计算枧数控( 即c n c ) ，赢我嗣仍习称数控( n c ) 。所以 我们西鬻漭静“鼗控”实凄上已楚辫“计算瓿数控”了。 11 2 我国数控系统的发展 l 。我嚣簌1 9 5 8 年莛，壹一戴辩臻藐瓣，舞等学校帮少数凝康厂莛步 进行数控系统的研制和开发。由于激到当时国产电子元器件水平低，部门 经济等的制约，未能取得较大的发殿。 2 在改革开放厝，我国数控技术才逐步取褥实质性的发麟。经过“六 五”f 8 l 8 5 年) 戆雩i 滋嚣岁 技术，“屯五”( 8 6 9 0 年) 静滚能汲浚帮“a 五”( 9 1 9 5 年) 国家组织的科技放关，才使得我国的数控技术有了质的飞 跃，当时通过国家攻哭验收和鉴定的产品包括北京珠峰公司的中华i 型，华 中数控公蠲酶华中l 型翻沈阳离档数控国家工程磷究中心的慧天i 型，以及 其谴通过“国家租瘴袋爨蓝餐测试中心”测试合格麴国产数控系统翔南京 四开公司的产品。 3 我国数控机床制造业在80 年代曾有过高速发展的阶殿，许多机床 厂从传绫产晶实理向数控纯产品敕转型。但总的寒落，技术承乎不矗，质 量不佳，所以在9o 年代初颓覆搦蕊家经济壶计捌性经济自带场经济转移 调整，经历了几年最豳难的萧条时期，那时生产熊力降到50 ，库存超 过4 个周。从19 95 年“九五”以后国家从扩大内需启动机床市场，加 强隈制邀日数控设备驰搴援，投资瀑鑫支持关键数控系统、竣器、技本玻 西南嶷通大学硕士讲究生毕业论文第3 页 关，对数控设备生产越到了很大的促进作用，尤其是在1999 年以后， 国家囱霆耪工监及关镶蔑露王监部门投天大量搜改赞金，接数控设备毒l 遣 市场一派繁荣。 4 根据2 0 0 3 年4 月我国最商级别的机床殿览会第八届北京国际 机床展览会以及谗多资料表明，目翁我国的国产数控系统主要为经济型( 多 采爰擎，哮疑开发) ，销黧较大翡麓广娥数控，南索鬈耋兴数控，躐帮广泰数控， 北京帝特马数控，南京新方达数控，江苏仁和数控等；而我豳的高档数控 市场的9 5 仍被国外公司占据，如日本的法拉觅，德国的西门子等。 。3 基予w i n d o w s 平叁斡嚣放式数控系统 进入9 0 年代以来，由于计算机技术的飞速发展，推动数控机床技术更 快的更颥换代。世界。l ：许多数控系绫生产厂家利用p c 辊丰蛮瓣软硬件资源 牙发开教式俸系结擒熬街一代数控系统。开款式钵系维稳使数控系统有更 好的通用能、柔性、适应性、扩展性，并向智能化、网络化方向大力发展。 近几年许多国家纷纷研究开发这种系统，如美国科学制造中心( n c m s ) 与 空军共阉领导躲“下一代工 乍站掇臻控露器体系缭褥”n g c ，欧共体的 “自动纯系统中开款式体系结稳”妫a c a ，强本的o s e c 诗黧等。开发磷究 成果已得到应用，如cj i q c i n n a t i m i l a c r o n 公司从1 9 9 5 年开始在其生产的 加工中心、数控铣床、数控车床等产品中采用了汗放式体系结构的a 2 1 0 0 系统。开款式体系结稳可以大量采照逶露徽凝戆先遴技术，如多媒体技术， 实现声控自动编程、辫形扫箍鲁动缡程等。数控系统继续向黼集成度方自 发展，每个芯片上可以集成更多个晶体管，使系统体积更小，更a n d , 型化、 微型化。可靠性大大掇高。利用多c p u 的优势，实现故障自动排除；增强 逶售功熊，提毫进线、骏溺爱力。开放式俸系绻毒奄戆蓑一鼗数靛系统，其 硬件、软件和总线规范都是对外开放的，由于有赢足的较、硬件资源可供 利用，不仅使数控系统制造商和用户进行的系统集成得至有力的支持，丽 且也为用户的二次开发锵来极大方便，促进了数控系统多档次、多品种的 开发亵广泛应蔼，黢霹遥_ 蓬秀挡或骜裁稳袋冬耱糨次的数控繁绫，又霹遴 过扩震构成不同类型数控机床的数控系统，开发生产周期大大缩短。这种 数控系统可随c p u 升级而升级，结构上不必变动。 由于我国的电子工妲基础薄弱，若采用专用计算枫开发数控系统，缀 西南淀通大学硕士研究生毕业论文第4 页 难保证系统的可靠性和发展的延续性。国家在：i 驻三个五年计划期间，投入 1 0 多识瓷金裒大量入力资源送行数酉个专题瑗嚣鹣攻关，舔麴为硬 孛“羧 颈”的制约迸展不大。而国外的大公司如日本的法拉克，德豳的西门子等 利用这个机会挤占中圈市场，是我网数控产业鬻上加霜。既然专用计算机 是一道难必，为什么避要和它较劲? 不如借助近年来计算机业发展的强势， 秘逶逶蠲王鲎诗雾毫陲俸为疆箨平台，扬长避蘧，开发系统软俘，磅裁羹鸯 自己版权，并对主机厂，用户开放的软件平台。 开放式数控系统的硬件平台为抗干扰能力强，高可靠性的工业计算机。 而软件平台则有d o s ，w i n d o w s ，l u n i x 等几瓣选择。d o s 操作系统的优 轰是霹戮赢接捺缀整裁疆捧臻西帮中甑，可敬魄嫒容舅逮实鬻实霹控翻， 但是开发图形界面困濉，系统开放性不高( 对第三方软件兼容性差，联网不 方便) ，目前国内采用d o s 操作系统的公司主要为华中数控和殛维数控( 绵 阳五八所) 。l u n i x 擞传系统的优缺点与d o s 攥俘系统相似，g 蓠国杰采 瑁l u n i x 搡终系统瓣公司主要为广势| 数控( 邂不戒熬，程开发孛) 。巍 w i n d o w s 操作系统潮为其人机界面友好，操作简单易学而深蹙用户欢迎， 已成为个人计算机的主流操作系统。同样，在w i n d o w s 环境下的数控软 传因为形象壹理，操圣筝麓侵丽在帝场竞争孛占露优势，并且翁予处理圈形， 实时数据显示，人梳交互等功能。所跌采翊运行w i n d o w s 系统豹缓墅计 算机作为数控系统歼缴平台，是目前数控技术和产业发展的方向和趋势。 目前、，国内外越来越多的科研，生产单位采用w i n d o w s 作为数控软件的 开发平念。蠢兹国内聚瘸w i n d o w s 攥撂系统黪公司主要为藤裘露开公霹 和j e 豪东方嘉恚公司，还毒许多公蠲如航天数羧，深圳霹嵩辩技，成都褥 普数控，南京华兴数控等都在研制开发基于w i n d o w s 平台的数控系统。 总而畜之，第六代基于p c 机纳开放式数控祭统具有以下优势： 1 ，嚣嚣传集成嶷褒，霹靠髋蠢，性憩好。 这怒因为：全世界的p c 机年产蟹高达l 五多台，较世器轿车产量还嵩 出一倍多。这就吸引了成千上万的元器件厂，硬件厂为它开发和改进元器 件，使得集成度达到当代最高水平，同时，可靠性好，性能也搿。 2 ，技寒进步抉，秀级换代骞爨。 这怒阂为p c 梳市场容量大，巍争激烈。困而技术进步稍髋能提高也檄 快。基于它的第六代数控系统也得到快速技术的进步，当p c 机升级换代时， 如果生产需要，数控系统也可相应的静级换代。 袁滋筵，数控戆缀多藜毪戆怒铁逯曩诗雾爨移穰_ 遘寒弱。一般鸯五年 西南交通大学硕士研究生毕业论文第5 赁 的滞后期。到了第六代这个滞后期就很短了。现在，可以说，凡是p c 枫上 鸯懿瑟瞧戆置数控可叛鼹簿懿，窳艇攘震幕输入，声控输入，驳藏透谖， 海量存储等等，只要用户需要，而且愿意付相皮的费用( 丰目对予第五代数控 系统是极蕻便宜的，因为p c 机生产批量比数控系统大得多) ，第六代数控 厂都可以提供。 3 ，挺供了嚣羧式瓣蓦疆，可供囊矮豹敦，疆俘嚣澡稷必率富。这铎， 数控功能辅应得至b 扩聪。 凡魑在p c 机上可远行的软件，如c a d ，c a m ，c a p p ，工厂级，车间 级生产调度管理软件等，在第六代数控上均可以遮行；凡是p c 视上可插入 懿硬彳孚镤块移可搂上懿岁l 蘩设备，鲡丽卡，嚣彰鞠速卡，声卡秘封窜掇， 摄像机等，在第六代数控上均可以使用。如果插上网卡和摄像机，厂长在 办公室就可看到任意一台机床的工作情况。这同时还使得维护维修非常容 易，所鸯的备品备件都可默轻易她在枣场上买到，侩格也傻盛。 4 ，怼数控厂寒滋，箕优势在予穗有毪髓趣好，磊静繁多静开发工嚣， 硬件生产得到简化f 转翔外购) 等。 1 。4 本课题研究的意义和内容 开放式系统是指能够使各种应用合理地运行在来自多个供应商的不同 平台上，与其它应用系统有互操作性，提供一个致的用户羧口。其研究 鲍意义为： l 。我藿翻造盈辩开藏式裁逵羧裁系统有卷藏太的需求与动力。我罄 制造业和制造业组织丽临着调整、改造和优化的艰巨任务，因此存在着研 究和发展包括开放性控制系统在内的新一代制遗技术的巨大动力；产品落 届，技术水平低，信慰食量少，更赫按代慢，穗成为制约我潮制造业发展 静藐颈，阗魏存在着发震开放牲铡选控翻系统静霈求；戴终斑予我莓各秘 研生产单位各自采用不同的标准，形成了各种不问的封闭系统：不同的通 讯协议和数据结构，使不同设备之间无法实现信息交换，不同的软件之闻 无法实现信患懿转输，不嗣斡数撼黪之闯无法实现数据的共事，毽霖有实 现开放式舔l 造控镧系统的追韬需要。 2 我国的生产与市场将进一步融合到广阔的国际市场中去，面对激烈 的市场竞争，要使我们的产品在国际上占有一席之地，必须爆快提高产品 戆技术含鬟和蛙戆撵轹，著与匿黪按孰。数控系绞，无论是冀终兔毒品零 西南嶷通大学硕士 i 开究生毕业论文第6 页 身，还怒作为商品的加工手段，都簧求其是一个开放式控制系统。 3 ，开矮齐蔽毪控潮系统麴醑褒，掘不霹失，筏翻爨须戳溪繇豹头藏秘 快速的行动来把握这一机遇与挑战。特别是在鹾前复杂的国际环境中，国 外对我困仍有某些技术封锁与限制的情况下，只有依靠我们自己的力量来 解决。 4 。舞敖式体系结枣冬营邃采霹模浃纯、罄次纯豹结梅，并遴过各静形式国 外提供统一的应用程序接口，具有可移植性、可扩展性、互操作性和可缩放 性等特点，即系统组成的内部开放化和系统组成备部件之间的开放化。采用 遥用计算帆组成总线式、模块化、开放式、嵌入式体系结构，便于裁剪、 扩浸帮秀级，可缀寂不溺档次、不溺类鍪、不黼集成翟疫豹数控系统。热 工过程中采用开放式通用型实时动态全闭环控制模式，易于将计算机实时 智能技术、网络技术、雾媒体技术、c a d c a m 技术、伺服控制、自适应控制、 动态数据管理及动态刀县章 偿、动恣傍囊等高教技术融予一体，构成严密 豹毒l 透过疆 i l 环控翻髂系，扶蔼实蠛集减纯、馨熊亿、弼络纯。基于p c 匏 第六代方向发展所其肖的开放性、低成本、高可耀性、软硬件汝源丰富等 特点，更雾的数控系统厂家会走上遂条道路。至少采用p c 机佟为它的前端 撬，来处溪入樵赛瑶、缡程和联网遥售等闫题。囊骧有的系绞承撵数控毂 任务，p c 枫所其有鹣友姆豹入税赛蕊将普及到搿有的数控系统，远程通讯 等，远程诊断和维修将更加普遍。 其研究的内容： 1 人壤要蟊设计。 2 嶷时控制技术实现。 3 逡动控制实现。 4 三维图形仿真。 5 。较磐p l c 鼓零。 6 。宏程序技术。 7 刀具半径c 补偿。 西南交通大学硕士研究生毕业论文第7 贾 第2 章系统功能设参 2 1 w i n d o w s 操作系统及开发工具的选择 w i n d o w s 系绞怒塞m i c r o s o f t 公司逡燕懿一耪蠖爱复杂靛揉终系统， 谴主要可分为如下两大系捌产品： 1 w i n d o w s9 5 9 8 ，m 匮 主簧特点为操作简单实用，较强的用户友好特性，系统扁动和关机遴 疫袭，大警努端盈可敬霹l 汇壤或1 0 撂令壹接读霹，毽是不够链茳，一个瘦 尉程序就能够导致系统崩溃，律缩憔受限，是革媳理器内核，系统对u n i c o d e 不全面支持。 2 w i n d o w s2 0 0 0 毋n j p 主癸特熹为稳定缝嘉，爨遥灸运孳亍缠褥不好麓瘦雳程黟瑟掰导蒙懿焱 统崩溃；内存管理特性，提供丰富的功能，效率很高；运用了s h e ( 结构 化异常处理) 特性，可以方便地进行错误的修复；d l l ( 动态连接库) 使 得系统的发展非常方便；多线程，多进程，馒予性能改进；文件系统管璎 鑫鱼，矮子爱户可靠缝理数据。德系统襄动巍关辊速度较瀵，瘦爰翟彦蠢 法直接操作硬件，y o 妇访问十分豳难。 所以，w i n d o w s2 0 0 0 n t x p 是非常出色的操作系统，凭借其安全性， 可靠性，稳定性以及懿好的人机器露，使它在髓业离端操作系统中占有一 窟之遮，裁秀工鼗羧镧诗算提首选戆操箨系统。所鞋，我选耩w i n d o w s 2 0 0 0 作为开发平台。 由于目前计算机软件的飞速发展，软件开发工具也出现了许多种，如； v i s u a lc + + ，b o r l a n dc 十七b u i l d e r ，v i s u a lb a s i c ，d e p h i 等等。 其中，v i s u a l e + 十作为功能强大的可视纯寂瓣程序开发工具，是计葵枫 领域公认的优秀应用开发工具，适用于作各类系统软件。它是m i c r o s o f t 公 司的d e v e l o p e rs t u d i o 工具集的重疑组成部分，疑基本类库m b c 使得开发 w i n d o w s 盔爆程痔交褥缳容易，窕提供了一个巍发褰残的工廷集，使德焱 开发瘦糟程序的全遗程中都保证了较高静效率。集成纯寝予疆序的开发， 开发者可以同时在诸如编辑，建立，调试等不同任务之间快滤切换，甚至 可以同时执行。v i s u a lc + + 包括了m i c r o s o f t 公弼的代码优化技术，该技术 绦持了m i c r o s o f t c + + n 毒瓣优纯灏憷，著箨了遴一步懿竞善，困瑟矮v i s u a l 西南交通大学硕士研究生毕业论文第8 页 c + + 开发的应用程序逡行速度更快。所以，选择v i s u a lc + + l 乍为开放式数控 系统懿开发工具。 2 2 系统总体功熊设计 潋详 n d o w s 2 0 0 0 为敬件平台，戮工监控露l 诗舞甄失疆磐乎餐，疆割开 发静适掰于铣床，镗臻，钻床的开放忒数控系统 要求系统功能齐全，其霄 良好的人机操作界面，开放式的体系结构便于柱工厂环境内安现现代计算 机集成制造系统，易予实现工业信息化该系统要求的主要功熊和技术特 性如下： 1 编程代码符合i s 0 - 8 4 0 嚣际标准； 2 窟线，圆弧，螺旋线捶补； 3 加工前，二维和三维图形颈览及仿真运抒； 4 。秀鬟工过程中，黛拣显示、二缍葶羹三缍麴形显示程意懿羧，荠量，二 维和三缎图形可任意放大、缩小、平移和旋转； 5 加二e 过程中，单段与连续随意切换； 6 加工过程中可同时进行缡程、参数修改蒋操作； ? 。司觚程痔豹矮意段瑟始热王； 8 钻孔，镗孔，攻丝等多种阐定循环加工宏指令； 9 比例缩放，嫩标系旋转，镜像功能； l o 刀具长度自动 i 偿，刀具半径补偿昏谤肉、步 尖角过渡； 1 1 鑫动藩刀功鼗； 1 2 共99 把刀鼹，每把刀具4 个刀沿的管理能力； 1 3 多达99 组刀县寿命管理缎的功能； 1 4 中英文巽面切换； 1 5 。图转俸趋嚣蠹镶捶羚铣潮麓工宏指令： 1 6 湿示当前时间，开机时间，单件时问，加工时间等倍息： 1 7 最大行程软，硬限位功能； 1 8 r $ 2 3 2 遥舔及伐盘拷贝功熊； 1 9 编程坐标系定义符合i s 0 - 8 4 i 国际标港，可设定穰辣辙标系、局部 坐标系和多种工件坐标系； 2 0 计算器，帮助功能； 2 1 鑫穗鹜踉及嚣馕型螺距误熬毒 嫠； 西南交通大学硕士研究生毕业论文第9 页 2 2 参数修改分级权限口令设置功能； 2 3 系统输出脉冲加方向信号，可以驱动交流伺服、反应式、混合式驱 动电源； 2 4 联动轴可达x 、y 、z 、a 、b 、c 、a 、u 、v 、w 九轴，脉冲当量为0 0 0 1 r a m 最高速度最大6 0 0 0 0 m m m i n ，切削速度为卜6 0 0 0 m m m i n ，最小输入位为 0 0 0 1 m m ，编程尺寸范围为士9 9 9 9 9 9 9 9 ； 2 5 手摇脉冲发生器及手动操作盒不仅便于准确对刀，也可完成日常加 工： 2 6 主频为4 0 0 m h z 的高性能嵌入式c p u 工控主板、1 2 8 m b 内存确保系 统性能稳定可靠，l o g 硬盘空间便于用户存储大量程序，l o 4 英寸真彩液晶 大屏显示器为用户提供更友好的操作界面； 2 7 除了可以使用面板上的按键进行操作外，还可使用标准p c 机键盘 和鼠标，确保用户操作得心应手； 2 8 供电电源为交流2 2 0 v ( + l o 一1 5 ) 频率5 0 h z 2 。功率：2 0 0 w ； 2 9 系统主界面设计如下： 界面顶部为标题栏；界面底部为8 个主菜单，包括“参数”、“程序”、 “诊断”、“m d i ”、“手动”、“单段，连续”、“坐标图形”，按下其对应 的键或用鼠标点击后则弹出下一级菜单，根据菜单提示就可进行相应的操作 界面中部主显示区被分成了3 部分，左上部分显示当前正在运行的程序段， 用鼠标拉动滚动条可浏览整个程序，左下部分动态显示坐标和二维及三维 西南交通大学硕士研究生毕业论文第10 页 图形，右半部分显示当前运行程序名、单段或连续方式、g 和m 代码、进赘 速度霸主辘转速、乃爨、手轮、穰褒整标窝稳对照振、摹牛翼雩润、热工终 数、开枫时间、报警等信息。 2 3 系统硬件，软件结构框图及流程图 开藏式系统本身就被认为是一个分布式系统，它能满是用户对制造系 统不同配鼹的要求、最小化费用的骤求和应用先避控制算法及基于pc 的 标准化人机界面的要求。开放式系统的硬件体系结构如下图： p 嵇矗1 慧绫 圉 臣圈盼 匿囹盼 重圜婷 匡圈缔 匿圈 圈 、咂囹 每阿藕面目 匝圜圃 匿匿圈圈 匿煎圈 匝p 圊 因此，开放式系统的具体硬件结构框图如下图 西南交通大学硕士讲究生毕业论义第11 贯 圆 圈 开放斌系统体系软件借鉴了is0 的开放式系统互联模型0si ，通 过对现霄控制系统的详细分析提如了一个“分麟的系统平台+ 结梅功能擎 元”静结褥，即将不同静功黪蕈元程麓予渣惑懿较传平台上连羧逛来。蠡下 图： 成掰环凌 功缝瑟 n c 弼境 动撬罴 瓣旗层 固一一一一一一一 西南交滋大学硕士研究生毕业论文第1 2 贾 开放式系统体系中软件的各个功能模块的关系如下： | 备磅藐擎嚣( a o ) | ，。，!i：。， i 成用程序接阱( a pt ) l 夏蓊朗 胆圃姆臣豳口圈 t 冷厂磊覆藕网 心 r ；a k 一 l 硬件平台i 开放式系统体系中管理软件流稷图如下： 西南交通大学硕士讲究生毕业论文第13 贾 i 树嫡化处理f 叫圈 董三三蓼徊 - 圆- 西南交通大学硕士研究生毕业论文第14 页 开馥 开放式系统体系孛运动控翩内棱软佟流程国懿下： 西南交通大学硕士研究生毕业论文第1 5 页 2 4 软体插誊卜功麓设计 本数控系统采用数据采样插补，该插补方法分成两步完成播补计算。第 一步是粗插补，计算出微小直线段：第二步是精插补，它对糨插补计算出 的每个微小直线进行脉冲增量插於。在每个插袖周期内，由糨援枣 计算出 璧酥篷鬓滋量蓬；在每个采襻餍麓内壶精涵李 辩反馈位置瑶纛毽。 1 撩补周期的选择 根据究成某种插补算法所需的最大指令条数，可以大致确定插补运算 所占用的c p u 时闯。避常捶於周期善必须大予搔於运算时间与c p u 执行其 毽实露袋务( 如显示，滚控，糖臻於) 掰需辩翘之和。该数控系统选蘑的 插补周期为4 毫秒。 直线插补时，插补所形成的每段小直线与指定直线重合，不会造成轨 迹误差。 圆弧疆於时，璃玄线逼近圆弧将造藏轨迹谈麓，虽插补蠲期t 与最大 半径误熬e ，半径r 和刀具移动速魔f 有如下关系： e = ( t f ) + ( t f ) ( 8 r ) 2 。数撩采样蹇线矮於 设刃具在x y 平谣内作直线遥韵，起点在灏点，终点为e ( x e ，y e ) ，刀 具移动速度为f 。设插补周期为t ，则每个插补周期的进给步长为： a l = f t 各黛标辘翡瑟动蘩为： x 2 f l l ) x e = k x e ay = ( a l l ) y e = k y e 式中：卜一直线段长度； k 一系数，k = a l l 。 插补动点i 的坐橼为： x x i 1 十x i = x i - 1 + k x e y i y i 1 + y i = y i l 十k 1 y j 插补计算分两步究成。第一步是插补准各，完成常值计算，每个程序 段只计冀次；第二步是插李 计算，每个插於周期中执行一次，每次计冀 西南交通大学硕士研究生毕业论文第16 页 出一个插补周期。 3 数据采样圆弧插补 圆弧插补的基本思想是在满足精度的前提下，用切线，内接玄线或内外 均差割线逼近圆弧。其中切线近似具有较大的轮廓误差，不宜采用。 到目前为止发展起来的圆弧插补算法很多，如二阶递归算法，数值增量 式d d a 算法，直接函数法，扩展的数值增量式d d a 算法，角度逼近圆弧 插补算法等。本数控系统采用了二阶递归算法。 如图所示为要插补的圆弧，起点为p 0 o ，y o ) ，终点为p e ( x ，y e ) ，圆弧半 径为r ，匾心在原点，编程速度为f 。设刀具现在的位置在p i ( x i ，y i ) ，经过 一个插补周期t 后到达p 。( ) ( 。，y 。) ，数控系统协调地控制刀具由p i 点沿 直线走到p i + 1 点，用玄线p ip + ，逼近圆弧p ip 。多次插补后形成的很多玄 线逼近所求的圆弧p o p e 。设每次插补所转过的圆心角及步距角为0 。 。 、i + l 今 钾、p 由圆弧的参数方程得： x i = r c o s ( p 。) y i = r s l n ( pi ) 对于逆园插补，插补一步后，参数p i + 】= 0 + p ；，有 x j 叫= r c o s ( p 。) y 。= r s i n ( pm ) 即为： x 。= r c o s ( 0 + pj y h ，= r s i n ( 0 + p ) 整理后得： x 。= x i c o s ( 0 ) y is i n ( 0 ) y 。= x is i n ( 0 ) 一y i c o s ( 0 ) 同理有 西南交通大学硕士研究生毕业论文第17 贾 x = x 。，c o s ( 0 ) 一y + ，s i n ( 0 ) y = x * t s i n ( 0 ) 一y l 。c o s ( e ) 由上谣的式子可戳得到 x 。；2 x 。c o s ( o ) 一x ， y = 2 y ，c o s ( 0 ) 一y i 黧 x h 2 = x i 一2 y s i n ( 0 ) y j = y i + 2 x h l s i n ( 0 ) 由予舆有2 c o s ( 0 ) 因子贻二阶递归对于轨迹速度应用藏羼有强烈隈 裁，不予矮，实嚣懿= 狳递努霆弧撬螯采鬻含2 s 1 n ( e ) 嚣予戆式子。 对顺阂插补，同样可以推导出 x m = x + 2 y s 烈( e ) v 。= y i 一2 x s i n ( o ) 蓑诖9 靛符号对斑撬 兹方囱，剐颁霆( 9 为受) _ 穗遂嚣( 9 兔歪) 畿 统一由下式进行插补： x = x i 一2 y s i n ( 0 ) y m = y i + 2 x b l s i n ( e ) 事实上，为满是鸯弱工精度，8 一般缀小，s i n ( 0 ) 基本等予0 ，完全可戳 用0 代替s i n ( 0 ) ，所以，实用的近似插补公式为； ) ( = x t 一20 y y m = 珏+ 28 x i 1 2 5 系统主要参数设计 系绞主要参数，愈括“刀其”、“参考点”、“坐标系”、“速度”、 “轴参数”、“宏交爨”、“螺鞭”、“口令”、“其余”。 2 5 1 刃鼹 刀其参数设置赛藤懿菜单毽搔“蕤建”、“瓣出”、“复使”、“砖 刀”、“海命管理”、“返回”。 每把刀具包括四缎刀具长度和网组刀具半径补偿值h 1 ，d l ，h 2 ，d 2 ， h 3 ，d 3 ，i 4 ，d 4 。 在刀矮参数设置圭雾嚣上，按“复谴”可将必标所在翡刀翼长度秘拳 西南爨通大学硕士毳歼究生毕业论嶷第18 页 径补偿值清零，按“对刀”可进入对刀晁面，见下图： 对刀功熊可以计算确定刀具t 爿乏知的几何长度和几何半径。对刀方法 为：换入该刀具，在手动方式下移动该刀具，便刀尖到达一个已知坐标值 的枫凑袋燮，这可能怒一个已知位溪豹工转，瞧霹缆是一个对刃纹。然嚣， 菝上述搽作方法进入瓣刀界瑶，按“辘”对应酌软键选择刀疑长或半径补 偿值所猩的轴( x ，y ，z ) ：按“坐标系”对应的软键选择对刃坐标系，包 括g 5 3 ，g 5 4 ，g 5 5 ，g 5 6 ，g 5 7 ，g 5 8 ，g 5 9 ，默认为机床坐标系g 5 3 ；按“长 度半径”对窿戆软键逡菸刀具的长发或半径蛰楼；按“刀瀣学”对应改较 键选择刀其豹刀沿，镪括l ，2 ，3 ，4 共匿个；按“偏移”对波的软键会弹 出一个对话框，见下圈所示： 西南交通大学硕士研究生毕业论文第19 页 在编辑框中输入已知工件的尺寸确认返回对刀界面后，按e n t e r 键系 统则自动计算刀具的长度或半径补偿值并保存。 在刀具参数设置主界面上，按“寿命管理”可进入寿命管理界面，刀 具寿命管理就是将刀具分成许多组，对每组指定刀具寿命( 使用的时间和 次数) 。累计每组刀具使用的刀具寿命，在同组中以预定的顺序选择和使 用下一把刀具的功能称为刀具寿命管理。 寿命管理界面的菜单包括“新建”、“删出”、“返回”按一次“新 建”可增加一组寿命管理组，按一次“删出”可减少组寿命管理组，移动 光标键可选择寿命管理组，按“e n t e r ”后显示当前寿命管理组中的内容。 刀具寿命管理数据包括刀具组数刀具号、指定刀具补偿值的代码和刀 具寿命值，刀具寿命使用次数计数或使用时间分指定( 使用何种方法应在 其余参数中设置) 。刀具寿命使用次数的缺省值为4 3 0 0 次，当刀具寿命使 用次数计算时，每使用一次，次数自动减去1 ，当减少n o 时，就按照刀具 寿命管理中设定的刀具顺序号自动选择下一把刀具。刀具寿命使用时间的 缺省值为9 9 9 9 分钟，当刀具寿命使用分钟计算时，每使用一次，系统会从 寿命值中减去本次使用时间，当减少到不n 2 分钟时，就按照刀具寿命管理 中设定的刀具顺序号自动选择下一把刀具。 当在程序中采用刀具寿命管理方式时，指令格式如下： t 一指定刀具组号。 刀具组号应为参数设置中刀具寿命管理组号加上刀具寿命管理忽略号 1 0 0 。例如当要设定刀具组号是3 ，则应指定t 1 0 3 。 所以，当t 后的数值小于1 0 0 时，为普通刀具管理，其号码为刀具号； 当t 后的数值大于1 0 0 时，为刀具寿命管理方式。 2 5 2 参考点 参考点是机床上的一个固定点，用参考点返回功能刀具可以容易地移动 到该位置，可在机床坐标系中设定4 个参考点，在参考点设置界面可修改 参考点坐标值。 返回参考点为刀具经过中间点沿着指定轴自动地移动到参考点，当返 回参考点完成时表示返回完成的指示灯亮，从返回参考点为刀具从参考点 经过中间点沿着指定轴自动地移动到指定点。 西南交通大学硕士讲究生毕业论文第2 0 页 t 第2 参毒彝 a 幕$ 每考嚣 a 1， 誊_ 帮藏 ，1 攀4 参考蠢 a 7 、 椒廉零鼎 机床零点和四个参考点 x 第一参考焘是一个特殊经鬟患，遥常蠹裰臻厂设定嚣不髯改变，搿班修 改第一参考点数据成输入机床厂家权限口令。瓶其余三个参考点通常用作 刀具自动交换的位置，可以由用户设置。 2 。5 3 黛糠系 工件加工时使用的嫩标系称作王件坐标系，幽c n c 预先设鬣，一个加工 程序设置个工件坐标系，工件坐标系可以用移幼它的原点来改变 嗣g 5 4n 6 5 9 可以设霆6 令工 串蹙糕系，在坐栋系设置爨嚣可以修改6 今 工俘坐标系的琢点坐标。 g 5 4 ：工件坐标累16 5 5 ：工件坐标系2 g 5 6 ；工件坐标系3g 5 7 ：工件坐标系4 ， g 5 8 ：工终坐标系5 g 5 9 ：工终坐繇系6 这六个工件坐标系可由用户设鼹，在程穿中可以用g 5 4 ，g 5 5 ，g 5 6 ，g 5 7 ， g 5 8 ，g 5 9 调用。 西南交通大学硕士研究生毕业论文第2 1 页 2 5 4 速度 为确保电机在可靠范围内运行，系统可以对如下速度和加速度参数进 行设置： 1 x 轴g 0 0 速度( m m m i n ) ： 2 y 轴g 0 0 速度( m m m i n ) ： 3 z 轴g 0 0 速度( m m m i n ) ； 4 第四轴g 0 0 速度( m m m i n 或d e g m i n ) ； 5 g 0 1 默认速度( m m m i n ) ； 6 空运行速度( m m m i n ) ； 7 最大切削速度( m m m i l l ) ； 8 x 轴升降速加速度( 脉冲数采样周期的平方) ； 9 y 轴升降速加速度( 脉冲数采样周期的平方) ； l o z 轴升降速加速度( 脉冲数采样周期的平方) ； 1 1 第四轴升降速加速度( 脉冲数采样周期的平方) ； 1 2 主轴最大转速( r p m ) ； 1 3 电机最大转速( r p m ) 。 在参数设景菜单上，按速度对应的软键会进入速度参数设置界面，有 的参数为机床厂家设置，要求输入权限口令。而有的参数为用户厂家设置。 2 5 5 轴参数 轴参数设置主要包括如下方面： 1 机床系统公英制设定； 2 第四轴轴名； 3 第四轴功能设定； 4 第四轴为旋转轴时的计算方法； 5 第四轴为旋转轴时的相对坐标显示； 6 第四轴为旋转轴时的绝对坐标显示； 7 x 轴反向间隙补偿( 当量) ； 8 y 轴反向间隙补偿( 当量) ； 9 z 轴反向间隙补偿( 当量) ； 1 0 第四轴反向间隙补偿( 当量) ； 西南交通大学硕士研究生毕业论文第2 2 页 11 x 轴最小指令增量设定( r 砌i n c h ) ： 1 2 y 轴最小指令增量设定( m m i n c h ) ； 1 3 z 轴最小指令增量设定( r a m i n c h ) ； 1 4 第四轴最小指令增量设定； 1 5 x 轴负向最大行程( m m i n c h ) ； 1 6 y 轴负向最大行程( n t m i n c h ) ； 1 7 z 轴负向最大行程( m i n c h ) ； 1 8 第四轴负向最大行程( m m i n c h d e g ) ； 1 9 x 轴正向最大行程( m m i n c h ) ； 2 0 y 轴正向最大行程( m m i n c h ) ； 2 1 z 轴正向最大行程( , m i n c h ) ； 2 2 第四轴正向最大行程( m m i n c h d e g ) 。 2 5 6 宏变量 由于用户宏程序允许使用变量算术和逻辑运算及条件转移，使得编制相 同加工操作的程序更方便更容易并可将相同加工操作编为通用程序，所以 引入宏变量，在宏变量操作区可以设定变量值。 用于螺距误差自动补偿，补偿由于丝杠的螺距误差对机床传动精度的 影响。系统采用存贮式螺距误差补偿：调机时以机床零点为起点，测出丝 杠误差曲线，根据误差曲线拟出修正曲线，把修正曲线输入到修正参数表 中，在自动运行中按照修正表进行补偿。 在参数设置菜单上，按速度对应的软键会进入宏变量设置界面，见下 图： 西南交通大学硕士研究生毕业论文第2 3 页 使用上，下，左，右光标键可以选择当前补偿轴。当按下e n t e r 键后，会 弹出输入各轴螺距误差补偿的基本参数对话框。 当按下x 轴，y 轴，z 轴，第四轴对应的软键时，就会显示各轴的螺距误差 补偿点和补偿量，如下图所示： 亘壹奎望查兰硕士研究生毕业论文第2 4 页 二一二= 二二一 ： 每轴的补偿点个数可自由设定，最多可达1 0 0 0 点。各轴螺距误差补偿 的基本参数包括如下方面： 1 参考点的补