（机械制造及其自动化专业论文）三轴联动数控实验平台的研究.pdf

山东大学硕十学位论文 摘要 数控技术是集机械、电子、信息和管理等学科于一体的新兴交叉学科，数控 技术的快速发展对人才的知识、能力、素质结构提出了更高的要求。我国高职数 控技术专业要适应市场需求，改革现行的课程体系、教学内容和教学方式，高起 点地培养从事数控加工、模具制造、c a d c a m 技术的机电复合型人才，以满足制 造业发展对人才的需求。目前我国在数控教学方面基本上以理论教学为主，往往 缺少实践教学这一环节。形成这种格局的主要原因是商业数控机床价格昂贵、操 作使用和维修费用高，难以用作实际教学培训设备。 本论文设计和实现了一个基于p c 的开放式数控实验平台，详细介绍了该系统 硬件的组成、结构和控制系统核心一专用运动控制芯片m c x 3 1 4 的结构和功能，采 用i s a 总线技术实现p c 机和运动控制芯片之间的数据通讯；具体分析了以p c + 运 动控制器为控制核心的系统软件功能、系统软件工作原理和实现机制；研究了步 进电机的半闭环控制。目前，该系统应用于数控教学，取得了较好的效果。 数控技术综合应用了多方面的技术，有广阔的研究与发展空间。论文在最后 对一些相关技术进行了展望。 关键词：开放式数控系统：p c ：运动控制器：实验平台 山东大学硕十学位论文 a b s t r a c t n o w a d a y s ，o p e na r c h it e c t u r ec n cs y s t e m sa r eb e c o m i n go n eo ft h em o s t i m p o r t a n td i r e c t i o i l so fc n ct e c h n o l o g y t h er e s e a r c hp u r p o s eo fo p e nc n c s y s t e mi st ob u i l dam o d u l a r ，r e c o n f i g u r a b l ea n de x p e n d a b l ea r c h i t e c t u r e o fc n cs y s t e m st oi m p r o v et h es y s t e m sf l e x i b i l i t y ，a n de n a b l et h es y s t e m s t ob er e d e v e l o p e d a sar e s u l t ，c n cs y s t e m sc a nb er e s p o n s i v et ot h em a r k e t q u i c k l ya n de c o n o m i c a l l y t h eb i r t ha n da p p li c a t i o no fo p e nc n cs y s t e m r a i s e dt h ed e v e l o p m e n to fc n ct e c h n i q u et oah i g h e rl e v e l t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h es t r u c t u r eo ft h eo p e nc n cs y s t e m ，c o m b i n i n g w i t hp r a c t i c a lt e a c h i n g 。t h es c h e m eb a s e do np ca n dm o t i o nc o n t r o l l e ri s b r i n gf o r w a r d ，h a r d w a r es t r u c t u r eo fm a s t e r - s l a v ei sb u i i t i nw h i c hp c a c t sa sm a s t e rc o m p u t e ra n dm o t i o nc o n t r o l l e ra c t sa ss l a v eo n e a n a l y z i n g t h es t r u c t u r ea n df u n c t i o no ft h eo p e nc n cs y s t e ma n dt h es p e c i a lm o t i o n c o n t r o lc h i pm c x 3 1 4 ，t h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nm a s t e ra n ds l a v eo n ei s r e a l i z e db yi s a b u st e c h n o l o g y s u b s e q u e n t l y ，s o f t w a r ef u n c t i o no ft h e s y s t e mi sb a t t e da r o u n d ，t h et h e o r yo fm d i ( m u l t i d o c u m e n ti n t e r f a c e ) o f i t ss o f t w a r es y s t e mi sd i s s e c t e d ，a n dc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ei sd e v e l o p e d n o w ，t h es y s t e misu s e di nt e a c h i n go fc n ce x p e r i m e n t t h ec n cs y s t e ms y n t h e s i z e sag r e a td e a lo ft e c h n i q u e ，s oi to f f e r s a m p lit u d er e s e a r c ha n dd e v e lo p m e n ts p a c e t h et h e sisb r in g sf o r w a r dt h e p r o s p e c to fs o m er e l a t i v et e c h n i q u ei nt h ee n d k e yw a r d s ：o p e nc n cs y s t e mp c m o t i o nc o n t r o ll e r e x p e r i m e n t a l p l a t f o r m i v 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 数控系统概述 数字控制( n u m e r i c a lc o n t r o l - - n c ) 简称为数控，是一种自动化技术，是用 数字化信号对控制对象加以控制的一种方法。数字控制是相对于模拟控制而言， 数字控制系统中的控制信息是数字量，而模拟控制系统中的控制信息是模拟量i l l 。 数字控制与模拟相比有很多优点，如可用不同的字长表示不同精度的信息，可对 数字化的信息进行逻辑运算、数学运算等复杂的信息处理工作，特别是可用软件 来改变信息处理的方式和过程，而不用改动电路和机械结构，从而使机械设备具 有很大的柔性。因此，数字控制系统广泛应用于机械运动的轨迹控制和机械系统 的开关量控制，如机床的控制、机器人的控制等。 数控系统( n u m e r i c a lc o n t r o l es y s t e m ) 就是数字化程序控制系统2 1 。数控 系统自动输入载体上事先给定的数字量，并将其译码，在进行必要的处理和运算 后，控制机床动作进行零件的加工。数控系统是实现数控技术相关功能的软硬件 模块的有机集成系统，是数控技术的载体。它能自动阅读输入载体上事先给定的 程序，并将其译码，从而使机床按指令运动并加工零件。在其发展过程中有硬件 数控系统和计算机数控系统两类。 早期的数控系统主要由数控装置、主轴驱动及进给驱动装置等部分组成，数 字信息由数字逻辑电路来处理，数控系统的所有功能都由硬件实现，故又称为硬 件数控系统( n c 系统) d 1 。 计算机数控系统是以计算机为核心的数控系统，由装有数控系统程序的专用 计算机、输入输出设备、可编程逻辑控制器( p l c ) 、存储器、主轴驱动及进给 驱动装置等部分组成，习惯上又称为( c n c 系统) 。 由于计算机可完全由软件来确定数字信息的处理过程，从而具有真证的“柔 性 并可以处理硬件逻辑电路难以处理的复杂信息，使数字控制系统的性能大大 的改善。 1 2 开放式数控系统综述 国际电子与电气工程师协会提出的开放式数控系统的定义是：一个开放式数 控系统，应保证命使开发的应用软件能在不同厂商提供的不同的软硬件平台上运 行，且能与其他应用软件系统协调工作m 1 。 在传统的数控系统中所采用专用计算机系统的软、硬件对用户来说都是封闭 的，主要存在着以下问题： ( 1 ) 封闭性的数控系统使数控系统在产品软件、硬件上不能够实现兼容，用户 的投资风险大，产品的初始投资成本和生命周期内的使用成本都很高。而且系统 所采用的专用控制器的软件、硬件技术远远落后于计算机技术的快速发展，系统 无法借用先进的计算机技术而迅速升级换代。 ( 2 ) 系统在功能上固定，不能充分反映机床生产厂家的生产经验，不具备某些 机床或工艺特征需要的功能，同时用户也无法对系统进行重新定义和扩展，不能 山东大学硕士学何论文 满足最终用户的某些特殊的要求。 ( 3 ) 传统数控系统缺乏统一有效和高速的通道与其他控制设备和网络设备进 行互连，信息被锁在“黑匣子一中，每一台设备都成为自动化的“孤岛”，对企 业的网络化和信息化发展是一个障碍。 ( 4 ) 传统的数控系统在人机界面功能上不够灵活，而且设备的培训和维护费用 昂贵。由于缺乏使用和维护知识，甚至于购买的设备不但不能充分发挥其优势作 用，而且昂贵的设备还可能成了企业的沉重包袱。 对用户来说，这种封闭式数控系统只是一个被定义了输入和输出的黑匣子， 其内部细节是不可知的。这种数控系统的最大缺点是：在原有基础上很难或几乎 不可能再加入新的控制算法和进行新功能的扩展，难以得到符合用户个性化需求 的最终产品。随着计算机在制造过程中的广泛应用，改善制造过程性能的需求越 来越强烈，这种封闭式结构的局限性只趋明显d 1 ，不能适应不断发展的现代制造 技术，要改变这一现状，打破这种局限性，最有效的途径就是实现数控系统的开 放性。 1 2 1 开放型数控系统的特征 国际电子与电气工程师协会提出的开放式数控系统的定义是：一个开放式数控 系统，应保证命使开发的应用软件能在不同厂商提供的不同的软硬件平台上运行， 且能与其他应用软件系统协调工作州2 1 。 根据这一定义，开放式数控系统至少有以下四个特征： ( 1 ) 可互操作性数控系统通过提供标准化接口、交互机制和通信协议，使 不同功能模块功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、协调工作的能力。 ( 2 ) 可配置性数控系统的功能模块可以进行灵活配置，修改方便，既可以 增加了软硬件功能模块功能，也可裁减其功能以适应低端应用。 ( 3 ) 可互补性指构成系统的各功能模块的选用不受单一供应商的控制，可 以根据其性能要求功能相互替换，而不影响整体系统的协调运行。 ( 4 ) 可移植性系统的功能软件与设备无关，即利用统一的数据格式、控制 机理和交互模型，通过一致的设备接口，使各功能模块能运行于不同的软硬件平 台之上。 具备以上特点的开放式数控系统能够在多种平台上运行，可以和其它系统进 行交互操作，并能给用户提供一种统一风格的交互方式。 开放式数控系统以p c 机为基础，可以借助于w i n d o w s 软件开发平台，开发工作 量大大减少，而且容易实现多轴、多通道控制，易于实现自动编程和实时三维实 体图形显示等功能。 1 2 2 开放型数控系统的主要结构形式 目前，国内外所开发的开放式数控系统主要有如下三种结构形式1 3 1 ： ( 1 ) 专用c n c + p c 型即在传统的专用数控系统中嵌入p c 机，p c 机软硬件资源 2 第1 章绪论 可以被整个系统共享，系统管理等非实时控制任务是由p c 部分来完成的，实现辅 助编程、分析、监控和编排工艺等功能，插补计算、伺服控制等一些实时控制任 务则由c n c 部分负责完成。但这种数控系统的开放性只局限在在p c 部分，n c 内核仍 不能实现开放，主流数控系统厂商一般采用此类结构。 ( 2 ) p c + 运动控制器型这是一种以通用p c 机为平台的开放式运动控制器的 系统结构，控制核心是标准插件形式的开放式运动控制器。数控程序编辑、人机 界面管理、外部通讯等功能的实现由通用p c 机完成，机床的运动控制和逻辑控制 则由运动控制器负责。它支持用户的二次开发和自主扩展，既具有p c 微机的开放 性，又具有专用数控模块的开放性。 ( 3 ) 纯p c 型即全软件形式的p c 机数控系统，由于存在着操作系统的标准统 一性、实时性以及系统稳定性等问题，目前这类系统正处于探索阶段，但它代表 了数控系统的发展方向。 总之，当前最为理想的开放式数控系统是p c + 运动控制器型开放式数控系统， 它将平台直接构筑于p c 微机软硬件之上，能够充分利用p c 机的软硬件资源，这样 会使数控系统开发、设计上更简单、在性能使用上更可靠。 1 2 3 开放型数控系统的研究现状 通用、开放型数控系统的研制和开发，符合国际数控技术发展的最新潮流。 可以大大缩短系统的开发周期，降低成本，增强了产品的市场竞争力。对于数控 机床制造商和最终用户来说，则是开放式数控系统的最大受益者，他们可以根据 自身需求合理配置控制系统，将自己独特的软硬件功能模块集成到系统中，形成 自己的特色产品，使得系统的操作、维护也更为方便”。因此，欧美以及日本等 国家都相继投入了大量的人力和物力进行研究和开发工作。 目前，国际上与开放式数控研究相关的报导不少，最有代表性的仍是美国的 n g c 和o m a c 计划、欧盟的o s a c a 计划以及日本的o s e c 计划，这三个计划的发展基本 上反映了国外开放性数控的发展现状。在以上几个开放式数控系统研究计划的基 础上，许多公司还推出了一些开放式数控系统产品： s i e m e n sa g 在8 4 0 d 数控系统中采用了开放式结构：利用双p c 来完成人机接口 和实时控制工作，人机接口采用基于w i n d o w s 的图形接口，实时控制则采用r i s c 或 p c 和实时控制内核来完成。在同一系统中提供了各种结构机床的控制算法和c + + 开 发工具，用户可以根据需要来选择或自行开发控制算法。 美国的d e l t at a u 公司提供了单台p c 的解决方案和系统的插补运算、伺服控制 以及p l c 控制等实时控制功能，在一般的单台数控机床和机器人的控制上取得了较 好的效果。而t e c h n o l o g y8 0 公司也采用单p c 的方案，但它用p c 机完成插补和p l c 控制功能，因此控制效果不如d e l t at a u 公司的产品。 与国际先进水平相比，国内的开放式数控系统的研究还处于初级阶段。目前， 在国内市场中，中、高档产品主要被进口产品占据，而在较抵挡的经济型数控机 床市场我国的产品占据主要地位。 近年来国内开放式数控技术的研究也有了突飞猛进的发展，现已成功开发出 3 山东大学硕士学位论文 了具有自主版权的华中i 型、中华i i 型、蓝天i 型和航天i 型等四个数控系统。 同时，中科院沈阳计算研究所从我国具体国情出发，制定了“新一代机床控制器 开放式系统体系结构标准规范参考模式”。 目前，国内有很多知名的企业、研究所、高校等单位利用具有嵌入式和丌放 特性的伺服运动控制器，进行开放式数控系统的研究、开发和应用。 1 3 课题研究的内容和意义 数控技术是一个综合性的学科，数控技术的发展对人才的知识、能力、素质 结构提出了更高、更新的要求。在传统的教学中，由于系统的封闭性，设备昂贵， 设备购置数量有限，每个学生的独立动手实际操作时间很少，实训的质量受到极 大限制，无法适应根据社会对人才的需求。本文正是针对目前于数控技术培养模 式的局限性，基于开放数控技术的先进理念，建立了一个开放式数控实验平台， 让学生在学习过程中对数控系统有明确的感性认识，同时也为开放式数控系统规 范的建立和平台的实现做一些探索。 课题在实际应用方面的意义在于为研究设备的数控化改造和新设备、新技术 的利用开发做技术上的准备。 1 4 课题的主要工作 目前我国在提供数控教学、培训中主要以理论教学为主，往往缺少实践教学 环节。针对这种情况，开发一套基于p c 机的三轴联动数控实验系统以满足相关教 学、培训需要。 本文首先阐述了开放式数控系统的含义、特点、发展现状及其组成形式，其 次研究了数控系统的工作原理。本课题所研究的三轴联动数控系统基于通用p c 机 和以m c x 3 1 4 芯片为核心的多轴运动控制器，构造了以p c 机为上位机、运动控制器 为下位机的双微处理器的结构。文中主要分析了p c + d s p 系统平台的系统硬件功 能，阐述了系统软件工作原理与实现机制和界面软件的工作原理和实现机制，研 究了步进电机的半闭环控制，用c + + b u li d e r 开发了用户应用程序，实现了主要的 几个人机界面：状态显示界面、加工程序编辑界面、手动操作模式界面、自动运 行模式界面和参数设置界面。展示了开发开放式数控系统的一些思路。 4 第3 章系统软件设计 第2 章数控系统的工作原理 2 1 数控系统的组成 数控系统主要由硬件和软件两大部分组成，其核心是c n c 装置6 1 。它通过系 统控制软件配合系统硬件，合理地组织管理数控系统的输入、数据处理、插补和 输出信息，控制执行部件，使数控机床按照操作者的要求进行自动加工。数控系 统采用了计算机作为控制部件，通常由常驻在其内部的数控系统软件实现部分或 全部数控功能，从而对机床运动进行实时控制。只要改变数控系统的控制软件就 能实现一种全新的控制方式。 各种数控机床的数控系统一般由以下几个部分组成：中央处理单元( c p u ) 、只 读存储器( r o m ) 、随机存储器( r a m ) 、输入输出设备( i o ) 、操作面板、p l c 、显示 器和键盘等。 图2 - 1 所示为c n c 系统的一般结构框图。 图2 - 1 所示为c n c 系统的般结构框图 在图2 1 所示的整个数控系统的结构框图中，数控系统主要是指c n c 控制器。 c n c 控制器由数控系统硬件、软件构成的专用计算机与p l c 组成。前者主要处理 机床轨迹运动的数字控制，后者主要处理开关量的逻辑控制。 2 2 数控系统的主要功能 数控系统的功能通常包括基本功能和选择功能n 7 1 。 数控系统的基本功能是数控系统必须具备的功能，包括准备功能、迸给功能、 插补功能、主轴功能、刀具功能、辅助功能、字符显示功能、自诊断功能等。选 择功能是供用户根据不同机床的工作特点和用途进行选择的功能，如补偿功能、 固定循环功能、图形显示功能、通信功能、人机对话编程功能等。 2 2 1 基本功能 ( 1 ) 控制功能 5 山东大学硕士学位论文 c n c 系统能控制的轴数和能同时控制( 联动) 的轴数是其主要性能之一1 3 1 。控 制轴有移动轴和回转轴。通过轴的联动可以完成轮廓轨迹的加工。一般情况下， 数控车床只需二轴控制，二轴联动；数控铣床需要三轴控制、三轴联动或二轴半 联动；而加工中心一般为多轴控制，三轴联动。控制轴数越多，特别是同时控制 的轴数越多，要求c n c 系统的功能就越强，同时c n c 系统就越复杂，编制程序 也越困难。 ( 2 ) 准备功能 g 功能也称g 指令，它用来指定机床的运动方式，包括基本移动、平面选择、 坐标设定、刀具补偿、固定循环等指令。对于点位式的数控机床，如数控钻床、 数控冲床等，需要点位移动控制系统。对于轮廓控制的数控机床，如数控车床、 数控铣床、加工中心等，需要控制系统有两个或两个以上的进给坐标具有联动功 能。最常用g 指令如表2 - 1 ： 表2 1 常用g 指令表 g 代码l i 组l i 功能 0 g 代码 t 组l 功能 木g o o 定位( 伙速移动) i g 5 7 l 选择t 件坐标系4 g 0 1 l o l 商线切削 i i g 5 8 i 1 4 i 选择t 件坐标系5 g 0 2 il 网弧插补( c w ，嘲什针) l l g 5 9 i 选择丁件坐标系6 g 0 3 i l 网弧插补( c c w ，逆时针) i i g 7 0 l l 精加工循环 i ：i 8 。l 筹攀精确的位置 i ；i j i 内外径粗切循环 i 台阶粗切循环 等8 i 焚制输入 0 g 7 3 l 0 0 i 成形重复循环 公制输入 l i g 7 4 i z 向进给钻削 慧。4 f 内部行程限位自效l l g 7 5 l ix 向切槽 内部行程限位无效 l l g 7 6 切螺纹循纠： g 2 7 i 检夼参考j _ 返l 口i l i * g 8 0 【同定循环取消 g 2 8 l 0 0 参考点返i u i i l g 8 3 l l 钻孔循环 g 2 9 l 从参考点返i u l l l g 8 4 l l 攻丝循环 g 3 0川到第：参考 l g 8 5 l 1 0 i 正嘶镗循环 g 3 2 l o l 切螺纹 l g 8 7 i i 侧钻循环 * g 4 0取 f i i 刀尖v 径偏置 8 g 8 8 i i 侧攻丝循环 g 4 1 l 0 7 l 刀火、卜衽偏置( 左侧)i g 8 9 l 【侧锋循环 g 4 2 il 刀尖、l ，径偏霞( 以侧)i i g 9 0 l l ( 内外直径) 切削循环 l ( 坐标系设定) 笋置h 。g 9 2g 5 0l 0 1 切螺纹循环 i 0 0 g 5 2 l 设置局部坐标系l i g 9 4 li ( 台阶) 切削循环 g 5 3 l 选择机床坐标系 l l g 9 6 i ，i i 恒线速度控制 * g 5 4 l 选择t 件坐标系1 i * g 9 7 i i i 恒线速度控制取消 g 5 5 1 4 i 选择t 件坐标系2 i i g 9 8 i i n rl i 指定 准分钟1 移动景 g 5 6 l 选择r = 件坐标系3 i i * g 9 9 l l i i 指定每转移动最 6 第3 章系统软件设计 ( 3 ) 辅助功能 也称m 功能。m 功能用来指定主轴的启、停和转向；切削液的开和关；刀库的 启和停等，属开关量的控制。它用m 指令代码表示。现代数控机床一般用p l c 控 制。各种型号的数控装置具有的m 功能差别很大，而且有许多是自定义的。最常 用m 功能如表2 2 ： 表2 2 常用m 功能表 代码说明 1 4 0 0程序停 m 0 l 选择停止 l i 0 2 程序结束( 复位) m 0 3 主轴正转( c w ) 1 1 0 4 主轴反转( c c w ) m 0 5 主轴停 m 0 6换刀 m 0 8 切削液开 m 0 9 切削液关 m 1 9 主轴定向停止 m 2 8 返【口1 原点 m 3 0 程序结束( 复位) 并同到开头 m 4 8 主轴过载取消不起作用 m 4 9 主轴过载取消起作用 j 6 0 a p c 循环开始 m 8 0 分度台正转( c w ) m 8 1 分度台反转( c c w ) m 9 4 镜像取消 m 9 5 x 坐标镜像 m 9 6一 y 坐标镜像 m 9 8 子程序调用 m 9 9 子程序结束 ( 4 ) 进给功能 根据加工工艺要求，c n c 系统的进给功能用f 指令代码直接指定数控机床加 工的进给速度。进给功能表示刀具中心运动时的进给速度，刀具的切削进给速度 由f 和其后面的数值指定。 f 功能指令用于控制切削进给量。在程序中，有两种使用方法 每转进给量( g 9 5 ) ：编程格式g 9 9f _ f 后面的数字表示的是主轴每转进给量，单位为m m r 例：g 9 5f o 2 表示进给量为o 2m m r 每分钟进给量( g 9 4 ) ：编程格式g 9 4f _ f 后面的数字表示的是每分钟进给量，单位为m m m i n 例：g 9 4f 1 0 0 表示进给量为l o o m m m i n 7 山东大学硕十学位论文 ( 5 ) 主轴功能 主轴功能就是指定主轴转速的功能。一般用s 指令代码指定。一般用地址符s 后加两位或四位数字表示，单位分别为r m i n 和r a m r a i n 。 ( 6 ) 刀具功能 刀具功能用来选择所需的刀具，刀具功能字以地址符t 为首，后面跟两位或四 位数字，代表刀具的编号和补偿号。 ( 7 ) 字符图形显示功能 c n c 控制器可以配置数码管( l e d ) 显示器、单色或彩色阴极射线管( c r t ) 显示 器或液晶( l c d ) 显示器，通过软件和硬件接口实现字符和图形的显示。通常可以显 示程序、参数、各种补偿量、坐标位置、故障信息、人机对话编程菜单、零件图 形及刀具实际运动轨迹的坐标等。 ( 8 ) 自诊断功能 为了防止故障的发生或在发生故障后可以迅速查明故障的类型和部位，以减 少停机时间，c n c 系统中设置了各种诊断程序。不同的c n c 系统设置的诊断程序 是不同的，诊断的水平也不同。诊断程序一般可以包含在系统程序中，在系统运 行过程中进行检查和诊断；也可以作为服务性程序，在系统运行前或故障停机后 进行诊断，查找故障的部位。有的c n c 系统可以进行远程通信诊断。 ( 9 ) 通信功能 为了适应柔性制造系统( f m s ) 和计算机集成制造系统( c i m s ) 的需求，c n c 装置 通常具有r s 2 3 2 c 通信接口，有的还备有d n c 接口。也有的c n c 还可以通过制造自 动化协议( m a p ) 接入工厂的通信网络。 o o ) 人机交互图形编程功能 为了进一步提高数控机床的编程效率，对于数控程序的编制，特别是较为复 杂零件的数控程序都要通过计算机辅助编程，尤其是利用图形进行自动编程，以 提高编程效率。因此，对于现代c n c 系统一般要求具有人机交互图形编程功能。 有这种功能的c n c 系统可以根据零件图直接编制程序，即编程人员只需输入图样 上简单表示的几何尺寸就能自动地计算出全部交点、切点和圆心坐标，生成加工 程序。有的c n c 系统可根据引导图和显示说明进行对话式编程，并具有自动工序 选择、刀具和切削条件的自动选择等智能功能。有的c n c 系统还备有用户宏程序 功能( 如同本f a n u c 系统) 。这些功能有助于那些未受过c n c 编程专门训练的机械工 人能够很快地进行程序编制工作。 2 2 2 选择功能 ( 1 ) 补偿功能 加工过程中由于刀具磨损或更换刀具，以及机械传动中的丝杠螺距误差和反 向间隙，将使实际加工出的零件尺寸与程序规定的尺寸不一致，造成加工误差。 因此数控系统采用补偿功能，可以把刀具长度或直径的补偿量、丝杠的螺距误差 和反向间隙误差的补偿量输入c n c 系统，然后系统按补偿量重新计算刀具的运动轨 8 第3 章系统软件设计 迹和坐标尺寸，从而加工出符合要求的零件n 引。 补偿功能通过输入到c n c 系统存储器的补偿量，根据编程轨迹重新计算刀具 的运动轨迹和坐标尺寸，从而加工出符合要求的工件。补偿功能主要有以下几种。 刀具的尺寸补偿。如刀具长度补偿、刀具半径补偿和刀尖圆弧半径补偿。 这些功能可以补偿刀具磨损量，以便换刀时对准正确位置，简化编程。 丝杠的螺距误差补偿、反向间隙补偿和热变形补偿。先检测出丝杠螺距误 差和反向间隙，然后输入到c n c 系统中，在实际加工中由c n c 系统进行补偿，从 而提高数控机床的加工精度。 ( 2 ) 固定循环功能 用数控机床加工零件，一些典型的加工工序，如钻孔、镗孔、深孔钻削、攻 螺纹等，所需完成的动作循环十分典型，可将这些典型动作预先编好程序并存储 在存储器中，然后用g 代码进行指令，形成固定循环功能( 用g 8 1 - - g 8 9 指令，g 8 0 为固定循环注销) 。使用固定循环功能可以大大简化程序编制啪1 。 ( 3 ) 通信功能 数控系统通常具有r s 2 3 2 c 接口，有的还备有d n c 接口，还有的c n c 系统可以 与m a p ( 制造自动化协议) 相连，接入f m s 和c i m s 通信网络。现代基于p c 的数控 系统具有优越的软硬件优势，可直接通过以太网卡，利用t c p i p 协议进行通信， 在此基础上构筑现代化的网络制造系统。 ( 4 ) 人机对话功能 有的c n c 系统具有交互式的自动编程功能，可以根据蓝图直接编制程序，编程 人员可以根据引导图和说明进行对话式编程，只需送入简单的几何尺寸( 角度、 斜面、长度、半径等) 就能自动计算出全部交点、切点及圆心坐标，生成加工程 序。为了从不同层面满足用户的需要，近年来开发了许多新颖的功能，如动态图 形显示、镜像、在线编程、用户宏程序等等，终将基本功能和选择功能有机地组 合，形成了满足不同要求的数控系统。 2 3 数控机床的坐标系 统一规定数控机床坐标轴及其运动方向，是为了准确地描述机床的运动，简 化程序的编制方法，使所编程序具有互换性。目前，i s o 已经统一了标准坐标系。 我国已制定了j b t3 0 5 1 1 9 9 9 数控机床坐标和运动方向的命名心。 标准的坐标系采用右手笛卡儿直角坐标系，如图2 2 所示。这个坐标系的各 个坐标轴与机床的主要导轨相平行。直角坐标系x 、y 、z z 者的关系及其方向用 右手定则判定；围绕x 、y 、z 各轴回转的运动及其正方向+ a 、+ b 、+ c 分别用右手 螺旋定则确定。 9 山东大学硕十学位论文 r 一 图2 2 右手笛卡儿直角坐标系统 通常在坐标轴命名或编程时，不论机床在加工中是刀具移动，还是被加工工 件移动都一律假定被加工工件相对静止不动，而刀具在移动，即刀具相对运动的 原则，并同时规定刀具远离工件的方向为坐标的正方向1 。 确定机床坐标时，一般先确定z 轴，再确定x 轴和y 轴。z 轴一般为产生切削动 力的主轴方向，若主轴能摆动，则取垂直于工作台装卡面的坐标为z 轴，同时规定 增大工件和刀具距离的方向作为z 轴的正方向。x 轴一般位于与工作安装面相平行 的水平面内，在工件旋转的机床上，如车床、磨床等，x 坐标的方向是在工件的径 向上，刀具离开工件旋转中心的方向是x 坐标的正方向；在刀具旋转的机床上，如 铣床、钻床、镗床等，从刀具向工件看时，+ x 运动方向指向右方。+ y 的运动方向 是根据x 和z 坐标的运动方向，按照右手直角笛卡儿坐标系统确定。 2 4 数控系统的工作方式 各种数控系统的工作方式不尽相同，但大都具有以下几种常用的工作方式嘲： ( 1 ) 返回参考点方式 数控系统开机时，必须确定机床参考点，亦即确定刀具与机床零点的相对位 置。例如数控车床的参考点如图2 3 所示。 参考点确定以后，刀具移动就有了依据，否则编程无基准，所以没有完成参 考点返回之前，不能进行自动加工操作。 l o 第3 章系统软件设计 x 机床坐标系参孝点，l 一 ：i1， 1机床原点 昌 i n _ - - i 一 - 9 0 0 l 一 图2 - 3 数控车床的参考点示意图 数控系统刚上电时，刀架相对于机床零点m 的坐标是未知的，数控系统首先要 建立刀架参考点f 相对于机床零点m 的位置坐标，但刀架参考点f 一般不能运动到m 点位置，所以另设一个参考点r ，r 相对于的位置坐标是已知的固定值。所以在数 控系统接通电源后，要使机床各轴返回到参考点，此时x ( y z ) m r 成为f 的坐标， 即刀架参考点f 相对于机床零点m 的坐标，然后刀架的运动就能以机床坐标系描述。 返回参考点的操作有两种方式，一种是用操作面板上的开关使各轴返回，还 可以在程序中用功能指令g 2 8 使各轴返回参考点。 参考点的位置由行程开关进行粗定位，然后由光电编码器进行精定位。 ( 2 ) 自动加工方式 数控系统根据程序员编制的零件加工程序，自动控制机床对零件进行加工的 工作方式。自动加工之前，将刀具或工件移动到要求的起始位置，把程序输入到 c n c 中，然后检查和输入零点偏置( 可设定零点偏置g 5 4 - - - 一g 5 7 和可编程零点偏置 g 5 8 、g 5 9 ) 。完成之后就可选择加工程序，按下起动按钮，则机床开始按程序自 动加工。 自动加工时，c r t 上显示出加工程序名、主轴转速和进给速度的编程值和实际 值、刀具号、实际各个轴的坐标值和本程序段内还要移动的位置以及正在加工的 程序段等。 ( 3 ) 连续点动方式 手动操作机床运动，同一时刻只能控制一个移动轴。连续点动的速度由机床 厂家预置，用户可用进给倍率修调进行调整。 连续点动工作方式可用于对刀、换刀、安装工件、测量工件以及对刀具进行 几何测量时。加工程序中断后，用手动方式将机床各轴移动到断点处。 ( 4 ) 增量点动方式 增量点动方式也是手动操作机床运动，同一时刻也只能控制一个移动轴，增 量点动的速度由机床参数确定。按下方向键时，机床按照对应的方向移动一个增 山东大学硕士学位论文 量，增量有五种：1 、1 0 、1 0 0 、1 0 0 0 、1 0 0 0 0 1 t m 。 ( 5 ) 手动输入自动加工方式 此加工方式中，可以一段程序一段程序地进行单独操作。输入一段程序或者 几个程序段，用回车结束，然后按下起动键，c n c 随即执行输入的程序段，随后将 其删除。 。 ( 6 ) 手轮方式 此加工方式中，使用手摇脉冲发生器，控制机床以一定倍率的脉冲当量手动 运行，在精确调整机床各轴位置时很实用，如对刀及几何测量时。手轮倍率可由 面板上的倍率开关调整，机床脉冲当量也随之变化，如同增量方式一样，手轮摇 一格发一个脉冲，脉冲当量也有l 、1 0 、1 0 0 、1 0 0 0 等几档。 2 5 数控系统的插补原理 数控系统的个基本任务就是根据加工程序，计算出机床各运动坐标轴的进 给指令，然后分别驱动各运动坐标轴产生协调运动，以获得刀具相对于工件的理 想运动轨迹。这个处理过程就是插补口引。 插补就是以最小的逼近误差，按照指定轨迹的起点和终点，一个一个脉冲当 量地进行数据点的密化以逼近指定轨迹。由于数控系统控制加工轨迹的实时性很 强，一个个脉冲插补的方法很难满足数控机床高速高精的发展要求，因此现代c n c 系统将插补分成软件粗插补和硬件精插补两步进行乜引。加工零件的形状大都由直 线和圆弧构成，因此有直线插补、圆弧插补、抛物线插补等。插补运算常采用逐 点比较法和数字积分法。 直线和圆弧是构成工作轮廓的基本线条，因此大多数c n c 系统一般都具有直线 和圆弧插补功能，只有在要求高的系统中才具有抛物线、螺旋线插补功能。插补 对机床控制必须是实时的，插补运算速度直接影响系统的控制速度，而插补计算 精度又影响到整个c n c 系统的精度。探求一种计算速度快同时计算精度又高的插补 算法是现代数控研究的重点。 在本课题中，插补算法是已经封装在以m c x 3 1 4 芯片为核心的运动控制器中的， 只需使用指令系统既可实现直线和圆弧插补。 2 6 数控机床的伺服系统 伺服系统是指以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统。数控机床的 伺服系统通常是指各坐标轴的进给伺服系统汹1 。它是数控系统和机床机械传动部 件间的连接环节，它把数控系统插补运算生成的位置指令，精确地变换为机床移 动部件的位移，直接反映了机床坐标轴跟踪运动指令和实际定位的性能。伺服系 统的高性能在很大程度上决定了数控机床的高效率、高精度，是数控机床的重要 组成部分。它包含了机械传动、电气驱动、检测、自动控制等方面的内容，涉及 强电与弱电控制。主轴驱动控制一般只要满足主轴调速及正、反转功能即可，但 当要求机床有螺纹加工、准停和恒线速加工等功能时，就对主轴提出了相应的位 置控制要求。 数控机床的伺服系统是数控机床的重要组成部分，用以实现数控机床的进给 1 2 第3 章系统软件设计 位置伺服控制和主轴转速伺服控制。伺服系统的性能在很大程度上决定了数控机 床的性能。例如，数控机床的最高运动速度、跟踪精度、定位精度等重要指标均 取决于驱动及位置控制系统的动态与静态性能。 从控制的角度看，伺服系统有开环、半闭环和闭环之分。 ( 1 ) 开环伺服系统 开环伺服系统不装用位置检测与反馈， 电动机转过的角度正比于指令脉冲的个数， 快慢。如图2 - 4 所示。 其驱动电动机主要采用步进电动机， 进给脉冲的频率大小决定运动的速度 图2 _ 4 数控机床开环伺服系统结构图 开环伺服系统的工作原理：每当数控装置发出一个指令脉冲信号，就使步进 电动机的转子旋转一个固定角度，机床工作台移动一定的距离。 其特点是：开环伺服系统没有工作台位移检测装置，对机械传动精度误差没 有补偿和校正，工作台的位移精度完全取决于步进电动机的步距角精度、齿轮箱 中齿轮副和丝杠螺母副的精度与传动间隙等，所以这种系统很难保证较高的位置 控制精度。同时由于受步进电动机性能的影响，其速度也受到一定的限制。但这 种系统的结构简单、调试方便、工作可靠、稳定性好、价格低廉，因此被广泛用 于精度要求不太高的经济型数控机床上。 ( 2 ) 半闭环伺服系统 半闭环伺服系统的位置检测装置一般安装在电动机的轴上，或滚珠丝杠轴端， 通过测量角位移间接地测量出移动部件的直线位移，然后反馈到数控系统中，与 系统中的位置指令值进行比较，用比较后的差值控制移动部件移动，直到差值消 除时才停止移动，其组成如图2 - 5 所示。 图2 - 5 数控机床半闭环伺服系统结构图 辕蠢羹 特点：半闭环控制系统伺服机构没有将丝杠螺母机构齿轮机构等传动机构包 括在闭环中，所以这些传动机构的传动误差仍然会影响移动部件的位移精度。但 半闭环伺服系统将惯性大的工作台安排在闭环之外，系统调试较容易，稳定性好。 1 3 山东大学硕十学位论文 所能达到的精度、速度和动态特性优于开环伺服机构，为大多数中小型数控机床 所采用。 ( 3 ) 闭环伺服系统 闭环伺服系统的位置检测装置直接安装在机床移动部件上，如工作台上装直 线位置检测装置，将检测到的实际位置反馈到数控系统中，如图2 6 所示。 图2 - 6 数控机床闭环伺服系统结构图 闭环伺服系统的位置检测由于包含了传动链的全部误差，因此可以达到很高 的控制精度。但不能认为闭环伺服系统可以降低对传动机构的要求，它的许多因 素会影响系统的动态特性，给调试和稳定带来困难，导致调整闭环环路时必须要 降低位置增益，这又会对跟随误差与轮廓加工误差产生不利影响。所以采用闭环 方式时必须增大机床的刚性，改善滑动面的摩擦特性，减少传动间隙，这样才有 可能提高位置增益。闭环伺服系统主要应用于精度要求高的大型数控机床上。 本章小结： 本章主要对数控系统的组成、工作原理、主要功能、工作方式、插补原理、 伺服系统等进行了叙述。为下一步进行课题项目的软硬件设计做好准备。 1 4 第3 章系统软件设计 第3 章系统软件设计 开放的软件结构，就是在通用的操作系统上按照分层、模块化的程序设计思 想开发系统软件。首先，要求操作系统有良好的图形用户界面，支持多种网络通 信协议，能实现强大的网络功能；其次，要求操作系统支持丰富的第三方软件和 多种高级开发语言，这样可以大大缩短应用软件的开发周期；由于开放系统的体 系结构具有统一的规范和协议，数控系统生产商和第三方软件商只要遵守统一的 标准，采用分层、模块化的软件设计思想开发数控系统或应用软件，各个功能模 块便可以独立地开发和维护，系统的升级、二次开发和最终用户特定功能的追加 都变得比较容易。因为，只要模块间的接口保持一致，模块就具有互换性，系统 便可以方便地集成来自不同厂商的第三方软件。此外，还可融合进最新的软件技 术1 。 3 1 系统软件开发平台的选择 由上面的分析可以知道，系统软件平台的选择在很大程度上决定了整个数控 系统的性能。软件平台即是数控系统的开发环境，又是它的运行环境，直接影响 系统丌发的难易程度。 传统的数控系统大多是在d o s 平台上开发的，这些系统中o s 的各方面性能得到 了充分利用了，甚至进行了必要的扩展。但由于d o s 系统本身的局限性，如d o s 是 单任务系统、支持网络性能不强，使得他们的部分性能的实现非常困难，甚至无 法实现删。 w i n d o w s x p 是当今流行的操作系统，它具有许多其它操作系统所无法比拟的优 占【驯 n 、 w i n d o w s x p 的兼容性比强，系统限制少； 友好易用的用户界面； 具有强大的信息处理机制； 平台的无关性，即可以安装在各种p c 硬件平台上； 可以获得动态连接库的支持。 因此，在系统开发过程中，充分考虑到各种操作系统的优缺点，最终选择了 w i n d o w s x p 系统作为整个数控系统的软件平台。 3 2 系统编程语言的选择 编程语言与软件开发效率、运行效率关系密切，本系统采用b o r l a n dc + + b u i l d e r 。b o r l a n dc + + b u i l d e r6 0 是i n t e r p r i s e ( b o r l a n d ) 公司推出的基于c + + 语言的快速应用程序开发( r a p i da p p l i c a t i o nd e v e l o p m e n t ，r a d ) 工具，c + + b u i l d e r 结合了先进的基于组件的程序设计技术，成熟的可视化组件库和优秀编 译器，调试器。发展到6 0 版本，c + + b u i l d e r 已经成为一个非常成熟的可视化应 用程序开发工具，功能强大而且效率高。 c + + b u il d e r 是一个面向对象的可视化编程平台，它是一个基于面向对象编 1 5 山东大学硕士学位论文 程思想、开发效率高、使用方便的优秀开发平台。 3 3 系统软件功能模块的实现 考虑到软件开发的复杂性，按照开放化、层次化和模块化的原则，本软件设 计时，