（机械电子工程专业论文）基于rs485串行通信标准的数控系统运动控制器的设计.pdf

摘要 把计算机应用于机床数控系统是数控机床发展史上的一个重要里程碑， 它使机械加工技术达到了一个崭新的水平。目前，基于p c 的开放式数控系统 ( p c n c ) 已成为当前数控系统的重要发展方向。其中，以p c 机为系统平台 而开发的基于运动控制器的开放式数控系统具有价格低、精度高、易扩展升 级、开发周期短等特点，是目前应用最多的种p c _ n c 。 本文主要介绍了一种以嵌入式p c 机作为系统基础平台，采用“运动控制 器+ p c ”结构形式的数控系统的开发。在运动控制器与上位机的硬件连接上， 突破传统的c n c 嵌入p c 型硬件结构形式，采用了基于r s 一4 8 5 标准的串行连 接，实现了上下位机的分体结构，为用户的安装使用带来了许多便利。同时 利用f p g a 技术，克服了直接用r s 2 3 2 转r s 一4 8 5 方式存在的传输数率无法满 足数控系统高速要求的难点，实现了两者之间的高速串行通信。 本文在运动控制器设计上采用模块化的设计思想，将运动控制器分为运 动控制和通信两大模块，其中又将运动控制部分分为以下各功能模块：位置 反馈模块、手脉输入模块、脉冲发生模块、主轴接口模块、主轴反馈模块、 嵌入式p l c 接口模块。 本文深入讨论了其各功能模块的具体设计。在脉冲发生模块的设计中， 文中采用的小数分频方法，使运动控制器能在一个插补周期内，平稳输出特 定频率和数目的控制脉冲，提高了电机的运行肚能。详细介绍了利用f p g a 技术进行基于r s 一4 8 5 串行标准的高速串行通信设计方法，并制作了通信实验 板，验证了该通信方式的可行性。 在本文数控系统的设计巾采用了多项措施来提高系统抗干扰能力，进而 提高系统的可靠| 生。 关键词：吲1 0 4 运动控制器r s _ 4 8 5c p l d f p g a a b s t r a c t 1 1 1 ea p p l 跏伽o f m c m p u l e r t e d m o l o 舒l o n 啪e r i c a l c 叩州州q 町吼e m 0 f m a c l l i n e 协l s i sa i lo u t s t a i l d i 嚷i i l i l e s 咖i n t h e d e v e l o p m e n t 锄d 1 1 i s i o 】可o f n c m a c h 血e 啪1 n o wp cb a s e dn c ( p c 小c ) h a sb e c o m ea i m p o r t a md c v e l o p i n g t d e n 呵o fn cs y 咖m a m o n gd i 彘r e n tt y p e so fp c n c ，t l l e 彻eb a s e d 伽 m a 响唱0 0 n 仃o ld e v i c ch a sb e e nm 耐矗q u e n yu s e d 缸瓶1 0 wp c e ，l l 培h 麟i o 玛e a s ye x t e n s i o na n du p g f a d e ，s b o nd e v e l o p l n e m 倒o d 柚de 缸 h e map ( ：n cs v s t e i nb a s e d0 nt 1 1 em o v i l l gc o n 仃o ld e v i i sd e s d b e dr n l e s c i i a li i r i k a g eb 硒c do nr s 4 8 5s a n d a r di sa d o p o e d 缸吼髓d0 f 缸碰曲n a l ( 烈c 锄i b e d d e d t o p c 积蜢t c 魂e 洫也e d e s j 辨o f h 越1 w a r e l 遮虹g e b e 时渤t h e m 硎螭 n l r o ld 疵觚dt i l cu p p 啊c o m p u t c r ，w l l i c hc a n 幽p l i 母t 1 1 ea p p l i 洲0 no ft h c m o v i n g0 0 n 血0 ld e v 娩h e f ew e u s ef p g a t e c l l l l 0 1 0 韶t 0 硎【i z el l 远血s p e c ds e i i a l o o n u n u l l i c 撕o n a 。豳g 幻也em o d u l a r i z 撕o nd e s 延皿n gi d e a ，t h em 岫g c o n 舡dd e v i o ei s d i v j d e di i l t 0t w op a r 姆：t i l em o v m g0 0 i l 仃o lp a r ta 1 1 dt h e m m i l i l i c a t i o np a r t t h e 蛔e ri sa l s od i v j d e d 抽t 0s e v e 晡if i i l l c d o n a lm o d u l e sa sf c d j o w s ：t h e s i 廿o n f e c d b a c km o d l l l e ，t 1 1 em 孤u a lp u l s ej n p u tm o d i l l e ，t 1 1 ep u l s e 群m 训n gm o ( i u bt h e s p 咀( u e 枷e 妇c em o d i l l e ，t 1 1 es p i n d l e o c d b a c km o d i l l e ，a l l d 廿l ee r l m e d d e dp u ： j n t e 出o en l 圳e t h ed e s 和o f e v e 口m o d u 】ei sd i s c u s s e di nt l i s 捌e ，锄di 1 1f h ed e s j 罂皿o f t l l e p m s eg c n c r a 虹i 坞m 础l l e ，an e w 丘q u e n c yd j v i s i o nm e 山o di si i l 虹o d u dw l l i c hc a n m a l 【em e m o v i n g d e 、，i c es t a b l yo u l p u tm en e e d c dp o s i t i o n n o lpu ：i s e s h lc h a 讲e r 4 ，u s i n gf p g a t 删o g y t od e s i 目l e 王l i 曲s p e e ds e r i a lc o m m l l i l i c a 廿o ni n t e 如c e c i r a 血i sd 删b e dj i ld e 僦f i l l a l l y ，t h ec o m m m l 协i o nt e s t i i l gb ( i a n di sm a d et o c 0 1 1 d u ds o m ec o m m u i l i 洲o n t e s l s ，a n d 吐l r o u g ht 1 et e s 斑咯r e s u l t st h ef e a s j b i l j 够o f t l l i s0 0 n l m u n i c a l j 0 咀屺删i r 血d d u c e dh e r ec o m e 妯t oa 】洳a t 妣 h l 协e0 0 u i s eo ft l l ed e s i g n ，w e 幻o kr n 甜l ym e a s u r e st oe n h a n c et h es y s t e l n ，s 趾d j 锄m 血gc a p a b i l i t ya l l d 瓶r e a b i l i t y i y w o h k嗍m o v i n g c o n t r o l d 晰c e ，r s 蠲s ，f p g a 1 1 引言 1 绪论 制造业是国民经济的基础产业，制造业水平的高低是衡量一个国 家工业发达程度的重要标志。大力发展先进制造技术“1 ( 如柔性制造系 统f m s 、计算机集成制造系统c i f s 等) 已成为世界各国最重要的几大 技术战略之一。 数控技术自从2 0 世纪中叶发明以来，随着机械制造技术、计算机 技术、现代控制技术、传感检测技术、信息处理技术、网络通讯技术、 液压气动技术、光机电一体化技术的发展和运用，开创了制造业的新 时代。它是制造业实现自动化、柔性化、集成化和智能化生产的基础， 是先进制造技术的基础，现代的c a d c a m ，f m s 和c i m s 、敏捷制造和智 能制造等，都是建立在数控技术之上。 数控技术的控制对象是多种多样的，但数控机床是最早也是最广 泛应用数控技术的控制对象，是最典型的数控化设备。数控机床在整 个现代制造系统中处于基础性的，核心的地位。 因此，数控技术及机床发展水平的高低是衡量一个国家制造业现 代化程度的核心标志，关系到国家战略地位，体现了国家综合国力。 跟踪数控领域最新技术，深入研究新一代数控技术具有重要的意义。 1 2 数控技术概述 数字控制( k u f i l e r j c a lc o n t r 0 1 ) ，是近代发展起来的一种自动控 制技术，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”1 ，简称为数控( n c ) 。 数控系统( n u m e r i c a lc o n t r o 】s y s t e m ) 是一种控制系统，它自 动完成信息的输入，译码、运算，从而控制机床的运动和加工过程。 数控系统一般包括数控装置、可编程控制器( p r o g r a 嗍b l el o g i c c o n t r 0 1 l e r ，简称p l c ) 、主轴伺服装置及进给伺服装簧等部分。 数控机床就是采用了数控技术的机床，或者说是装备了数控系统 的机床，是一种高度机电一体化的产品。数控机床是为了解决单件、 北京交通大学硕士毕业论文 小批量以及复杂型面零件加工的自动化而产生的。它使得机械加工过 程实现了自动化，不仅能够提高产品质量、提高生产率、降低生产成 本，还能够极大地改善生产者的劳动条件。 1 2 1 数控技术的产生与发展 第二次世界大战后，电子技术的发展，数据处理以及电子计算机 的出现，共同推动了生产机械自动化的发展。美国为了加速飞机工业 的发展，由空军部门委托派尔森斯公司( p a s r o nc o r p ) 和麻省理工学 院( m i t ) ，利用全数字电子计算机对机翼加工路径进行数据处理，即采 用数字技术迸行机械加工的研制。历经三年，终于在1 9 5 2 年研制出三 轴联动的数控铣床，这就是世界上第一台数控机床”1 。半个多世纪以来， 随着电子，计算机等相关技术的发展，数控系统不断更新换代，概括 地说，主要经历了硬件数控( n c ) ( 1 9 5 2 1 9 7 0 年) 和计算机数控( c n c ， 1 9 7 0 年现在) 两大阶段。由于硬件数控输入处理功能都由专用的固 定组合逻辑电路来实现，改变或增减控制、运算功能时，需要改变数 控装置的硬件电路，因此结构复杂、可靠性、通用性、灵活性差，制 造周期长、成本高。而计算机数控( c n c ) 的硬件基于小型或微型计算 机和大规模集成电路，用软件实现枧床的逻辑、运动控制功能，增减 各项功能只需改变软件，提高了数控系统的可靠性和灵活性，缩短了 制造周期并降低了成本。除此，c n c 系统还能提供良好的人机交互环境。 因此，随着相关技术的发展，c n c 系统得到了不断的发展和提高。目前， 几乎所有的数控机床都已采用计算机数控系统。 进入2 0 世纪9 0 年代以来，随着微电子技术和计算机技术的不断 发展，计算机数控( c n c ) 系统得到了飞速发展和广泛应用。目前，以 p c 技术为基础的开放式c n c 正在发展成为世界的潮流，它是数控技术 有史以来最有深远意义的一次飞跃。 我国的机床数控系统研制工作起步于1 9 5 8 年，起初由于种种局限， 进展比较缓慢。1 9 6 6 年研制成功晶体管数控系统，1 9 7 2 年研制成集成 电路数控系统。1 9 7 3 年开始召丌了三次全国性数控攻关会。经过三年 的攻关，1 9 7 6 年在北京展览馆展出了3 4 种、4 0 多台数控机床和多种 配套件。但真正在生产中应用的几乎没有。此后，由于模具加工的迫 切需求，只有数控线切割机保持了发展的局面。进入8 0 年代，国家对 数控机床发展十分重视，先后从日本、法国、美国等国家，引进了部 分数控装置及伺服系统技术，并在北京、上海、辽宁等地开始批量生 i 绪论 产。但经历了“六五”、“七五”期问技术引进的失败教训，“八五”期 间我国数控系统领域科研人员不畏艰难，集中力量进行科技攻关，成 功开发出华中i 型、中华i 型、航天i 型和蓝天i 型4 种基本系统， 建立了具有中国自主版权的数控技术平台。到“九五”期间数控机床 发展已进入实现产业化阶段，形成了十几个普及型数控机床的产业化 基地。新开发的国产数控机床产品大部分达到国际8 0 年代中期水平， 部分达到9 0 年代水平。 “十五”期间，我国在数控机床领域又取得了阶段性成果“，：在基 础共性技术与应用方面，如网络化开放式数控系统、数字交流伺服驱 动技术、可靠性增长技术、机床外观造型技术等方面都取得明显的进 步。与此同时，在高端数控机床关键技术的研究方面也取得了重大突 破，如5 轴联动技术、复合加工技术、高速加工技术、精密和超精密 加工技术的研究与应用都不同程度地取得较大进展。此外，笔者导师 王小椿教授，一直致力于数控系统自主版权的研究与开发，目前已成 功开发出具有国际领先水平的五轴联动数控系统，并已应用到实际生 产加工中，国内可以达到相当水平的可以说寥寥无几。 然而，就目前国内数控系统及机床的市场情况来看，基于单片机 的低端市场( 经济型数控) ，国产系统已居主导地位，如广州数控设备 股份有限公司，产量已占国内市场的三分之一。但对于中高档数控系 统，国外产品仍然占据着垄断地位。从今年4 月在北京举行的国际机 床展上作者发现，应用在国产机床上的国产数控系统风毛麟角，基本 为德国西门子( s i m e n s ) 和日本发那科( f a n u c ) 两家公司的数控系统 产品所垄断。虽然我国在一些关键技术上取得了很大的成就，但是这 些技术基本上都是在国外的高性能数控系统基础上研究开发的。虽然 这几年国产数控系统在技术和稳定性上也都有了长足进步，但我国的 中高档数控系统发展缓慢，其与国外先进水平相比仍有很大差距。 数控机床是关乎国家经济和安全的战略物资，因此掌握该领域的 核心技术意义重大。然而，近5 0 年的发展历程也明确地告诉我们，靠 引进技术和中、外合资合作办企业、搞丌发，我们永远也赶不上世界 一流水平，更何况国外在重要战略物资领域对我国严密的技术封锁。 因此，只有下大功夫进行自主知识产权的产品开发与创新刁。是关键。 对于我国的数控系统发展方向，作者认为，应该结合国内实际情 况，抓住开放式数控系统的发展机遇，大力开发基于p c 的开放式智能 化数控系统。因为这种数控系统基本上不受原数控系统( 尤其是国外 的专用c n c 系统技术) 的约束，因而可以摆脱对国外技术的依赖，有 利于自主知识产权数控系统的开发研制，从而形成自己的核心技术。 北京交通大学硕j 毕业论文 1 2 2 数控技术的发展趋势 随着微电子技术、计算机技术、自动控制技术和精密测量技术的 不断发展和应用，以及社会对产品多样化需求的增强，产品更新换代 加速，产品品种多样，中小批量生产的比重明显增加。同时，为满足 机械工业向更高层次发展，为柔性制造单元( f m c ) ，柔性制造系统( f m s ) 以及计算机集成制造系统( c i m s ) 提供基础装备，使得数控机床及技 术不断向前发展，主要体现在以下三大方面： 在性能、功能上，正朝着高速高精、高可靠性、复合化、智能化、 网络化及开放化方向发展n “。 在机械结构上，2 0 世纪9 0 年代中期问世的并联机床( p a r a l l e l m a c h i n et 0 0 1 ) ，又称虚拟轴机床，突破了传统机床所必需的床身、立 柱、导轨等制约机床性能提高的结构，具有现代机器人的模块化程度 高、重量轻和速度快等优点”1 。目前，国外有许多公司和研究单位在研 究虚拟轴机床并取得了丰硕的成果。 在伺服驱动方面，高性能数控系统已普遍采用全数字式交流伺服 系统。其电机的位置、速度、电流环均实现数字化，利于新控制技术 的应用，在响应速度，控制精度等各方面体现了极大的优势。可以很 好的满足数控系统高速高精化对伺服驱动速度，动静态位置控制精度 各方面的高要求。此外，随着主轴的高速化，性能更高，结构更简单 的直线电机伺服驱动也得到了应用和发展9 。0 1 。 国内外著名国际机床展，尤其是国际四大机床展( e m o 、i m t s 、 j i m t o f 、e i 灯) ，是我们了解数控技术最新成就的一个很好的窗口。他 们被誉为当代机械制造技术和发展趋势的风向标，可以让我们领略现 代装备制造的高新技术精华，掌握世界数控技术的发展趋势。尤其是 去年四月中旬的c i m t 2 0 0 5 ( 第九届中国国际机床展览会) ，展品集中反 映了世界制造业数字制造技术的新成就和机床技术进一步向高速、高 精、复合、智能和环保发展的趋势。 1 3 开放式数控系统 近年来，随着现代制造业的发展，尤其是计算机集成制造系统 ( c i m s ) 的发展，产品更新速度的不断加快，中小批量生产比重的加大 以及数控系统应用领域的不断扩大，使得用户对c n c 系统的需求呈现 绪论 多元化：在通信组网方面要求c n c 系统可以与c a d c a m c a p p 等系统实 现通信；在系统的灵活性、可移植性方面则要求c n c 系统具有模块化 和可重新配置的特点，可根据不同的用户需求，迅速、高效、低成本 的构建面向用户的控制系统。 而传统c n c 系统( 如f a n u co 系统，st e m n s8 l o 系统等) 由于专 用性强，功能扩展困难，软件移植性差，组网通讯能力差等等缺点， 已明显跟不上发展的要求。为了满足对数控系统更具柔性、灵活性和 通用性的要求，出现了对开放式数控系统的研究。 i e e e 对于开放式系统定义如下”。：能够在多种不同的平台上运行， 可以和其他系统的应用互操作，并能给用户提供一种统一风格的交互 方式。开放式体系结构普遍采用模块化、层次化的结构，并通过各种 形式向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。开放式数控系统的体系结构规范、通信规范、 配置规范、运行平台、数控系统功能库以及数控系统功能软件开发工 具等是当前研究的核心。 数控系统的体系结构从封闭转向开放，使数控系统能够充分利用 计算机的软件和硬件资源，根据控制对象的不同要求，灵活地变更软 硬件组成，适应不同用户的需求；使数控系统易变、紧凑、价廉，并 具有很强的适应性和二次开发性。丌放式结构使数控系统在通用化、 柔性化、智能化和网络化方面得到大大的发展，提高了数控技术在市 场中的竞争力。因此，近年来，许多国家纷纷采取措施，投入大量人 力物力进行开放式体系结构及控制器的研究开发，如美国的n g c 口h en e x tg e n e r a t i o nw o r k s t a t i o n 门m a c h i n ec 0 n t r 0 1 ) 计划、欧共体的 o s a c a ( o p e ns y s t e m a r c h i t e c t u r ef o rc o n t m lw i t h i na u t o m a t i o ns y s f e m s ) 计划、日本的o s e c ( 0 p e s y s t e me n v i m n m e n tf o rc o n t m l l e r ) 计划“， 中国的o n c ( o p e nn u m e r i c a lc o n t r o ls v s t e m ) 计划等“。这些计划的发 展现状基本上代表了开放式数控体系结构的发展。 1 3 1 开放式数控系统的实现方法 如何使传统的专用型封闭式系统走向开放，不同的系统开发商及 研究机构提出了不少解决方案，这些方案分别从系统的不同层次，不 同方面来实现系统的部分开放。要想较好的实现数控系统的开放化， 必须对开放式数控系统的开放化程度以及它的基本特征有一个比较全 面的理解。 北京交通大学硕士毕业论文 数控系统的开放化程度可分为以下3 个不同层次。，它们的开放 程度不同，难度不等，获得的开放效果也相差很大。如图1 1 所示， 虚线将控制系统划分为人机控制( m a n a c h i n ec o n t r 0 1 ，咖c ) 层和 控制内核层两个层面。其中，控制内核是c n c 系统完成实时加工过程 调度和控制的核心部分，一般和系统实时性相联系。 ( 1 ) 开放人机控制接口。 这种方式允许开发商或用户构造或集成自己的模块到人机控制接 口( m a n m a c h i n ei n t e r f a c e ，m m i ) 中。这一手段为用户提供灵活制定 适用于各自特殊要求的操作界面和操作步骤的途径，一般使用于基于 p c 作为图形化人机控制界面的系统中。 开放系统开放体系 控制接白核心接白结构。 甲甲甲 m 层 帅删 匕= = l 崮叫 1 止1 f垭刑 卓审 麒 口三芦i l l h 由古自e 图1 1 控制系统的开放途径 ( 2 ) 开放系统核心接口。 此方式除了提供上述方式的丌放性能外，还允许用户添加自己特 殊的模块到控制核心模块中。通过开放系统的核心接口，用户可按照 一定的规范将自己特有的控制软件模块加到系统预先留出的内核接口 上。 ( 3 ) 开放体系结构。 开放体系结构的解决方案是一种更彻底的开放方案。它试图提供 从软件到硬件，从人机操作界面到底层控制内核的全方位开放。人们 可以在开放体系结构的标准及一系列规范的指导下，按需配置成功能 可繁简、性能可高低、价格可控制、不依赖于单一卖方的总成系统。 一个完整的开放式数控系统除了涉及以上三个层次，还要与上层 绪论 和下层进行连接和通信。因此，对于开放式数控系统的特征，应从系 统平台、通信方式和编程方法各方面来评价和比较，其评价标志如表 1 1 所示邮1 。 表l _ l 开放式数控系统的特征 项目特征标志特征山容 举例 系统硬件具有标准总线的硬什系统- 业微机 平台 操作系统标准操作系统 v x w o r k s 、w jn d o w s 中间件标准中间件 d c o m 、c o b r a 通信 工厂网络标准物理介质和通信协议以太网和t c p i p 驱动网络标准物理介质和通信协议s e r c o s 接口 方式 i 0 网络标准物理介质和通信协议 p r o f i b u s 、 d e v i c e n e t n c r c 编程标准n c 语言 d i n 6 6 0 2 5 、r s 2 7 4 编程p l c 编榉标准p l c 语言i e c 6 1 1 3 1 3 方法人机界面标准应用程序界面d d e 、o p c c n c 软件标准应用程序界面编译、循环 目前，已有很多公司开发出不同丌放程度的商品化开放式数控系 统，女口f a n u c2 1 0 i 2 1 0 j s ，s i e m e n s8 4 0 d 8 4 0 d i ，a l l e nb r a d l e y9 p c 及i s go p e nc n c 等，他们在系统平台、通信方式和编程方法三个方面 体现了不同的开放程度，具体参见文献 15 。 数控系统是由软件和硬什组成，因此，数控系统的开放化应从系 统的软件和硬件两方面来实现。其中硬件系统主要由c n c 平台、伺服 控制与伺服接口单元( 或运动控制单元) 、伺服驱动单元、现场总线接 口等组成。目前，在硬件上确保系统开放性主要有以下三种措施：1 ) 利 用p c 平台的总线插槽式结构保证其基本配置和向上、向下扩展的开放 性；2 ) 通过s e r c o s 数字伺服接口保证轴的伺服单元的开放性和p l c i 0 接口的可扩展性；3 ) 基于现场总线的控制器保证本控制器与上层 设计规划或车间乃至工厂级网络连接的丌放性。这样的硬件系统配置， 具有充分的可扩展性、可派生性和柔性。目前，国内外一些公司和科 研单位正在研究基于p c 和s e r c 0 s 数字伺服现场总线技术的开放式数 控系统“，以及基于p c 和c a n 总线的开放式网络数控系统“，从而进 一步简化硬件，增强系统的开放性，可以同时满足软硬件两方面的开 放性要求，顺应了f m s 、c i m s 先进制造技术的发展要求。 北京交通大学硕士毕业论文 数控系统的软件可分为系统软件平台、应用平台与应用程序三个 层次，由操作系统、通讯系统、开发工具、应用软件、编程软件、数 据库、配置管理等几部分组成。操作系统的选择应该满足实时多任务 的要求，各应用系统之间的接口符合a p i 规定的有关开放性标准。软 件的开放性体现在面向对象设计的设计方法、数控软件芯片库、系统 配置管理的灵活性等方面。 如国内的以华中理工大学为代表提出的一种基于软件芯片的开放 式数控系统的实现模式“。在该实现模式中，通过对数控软件的标准化 与规范化的研究，运用面向对象的机制，把数控系统的功能进行抽象并 进行封装，将数控软件设计成具有稳定、通用接口的可以重用的软件芯 片，每一个软件芯片完成数控系统的一个独立模块的功能，例如插补功 能就由插补芯片来完成。并且通过建立一个数控系统软件芯片集成开 发环境数控系统软件芯片库用来对软件芯片进行管理，用户可以 对软件芯片库进行检索，浏览以及维护，还可以添加自己制作的软件芯 片。用户在组装数控系统或者进行二次开发的时候，可以将已有的软件 芯片按照自己所要求的功能进行组装，这样开发一套新的数控系统将 可以比以前节省比较多的时间。 1 3 2 基于p c 的开放化途径 近年来，由于p c 机发展迅速，技术成熟，软件资源丰富，因此充 分利用p c 机资源，并将其功能集成到c n c 中去，发展基于p c 的数控 系统( p c n c ) ，已成为世界各国发展研究的重点。具体地说，p c n c 就 是在p c 机硬件平台和操作系统的基础e ，方便地使用市售的软件和硬 件板卡，构造出数控系统功能。由于p c 总线是一种开放性的总线，所 以这种系统的硬件体系结构就具有了开放式、模块化、可嵌入的特点， 为机床厂和用户通过软件开发给数控系统追加功能和实现功能的个性 化提供了保证。 p c n c 的主要实现形式可归纳为三种：p c 内藏型c n c 、c n c 内藏型 p c 、软件n c “。 ( 1 ) p c 内藏型c n c p c 内藏型c n c 是在c n c 内部加装p c 板，p c 板与c n c 之i 目通过专 用总线相连接。这一形式主要为一些大型c n c 控制器制造商所采用， 其优点是原型c n c 几乎可以不加改动地使用，且数据传送快、系统响 应快。缺点是不能直接使用通用p c ，开放程度基本上只限于人机接口 i 绪论 的开放。这种类型的数控系统主要有日本f a n u c 公司的f a n u c1 8 i 、1 6 i 系统、德国西门子的s i e m e n s8 4 0 d 系统等数控系统。 ( 2 ) c n c 内藏型p c c n c 内藏型p c 就是将运动控制板或整个c n c 单元插入到p c 的扩展 槽中。p c 做非实时处理，实时控制由c n c 单元或运动控制板来承担。 这种类型能充分保证系统性能，软件的通用性强，而且编程处理灵活。 不足之处是很难利用原型c n e 资源，系统可靠性的确保有待迸一步研 究。但这种方法能够方便的实现人机界面的开放化和个性化，即上述 第层次的开放；在此基础上，借助于所插入运动控制卡的可编程能 力，能部分实现系统核心接口的开放，即上述第二层次的开放。像美 国d e l t a t a u 公司的p m a c n c 数控系统、日本m a z a k 公司的 m a z a t r o l 6 4 0 c n c 以及我国华中理工大学的华中i 型数控系统等都属于 这种类型。 这种实现形式通常也被称为n c 嵌入p c 型或运动控制器+ p c 型开放 式数控系统。由于p c 机的硬件标准化、高速运算能力、开放总线、网 络功能以及丰富的软件资源等，使得它在改善c n c 系统的用户界面、 图形显示、动态仿真、数控编程、故障诊断、网络通讯等功能方面， 以及降低成本方面表现出了无可比拟的优势。因此，它是目前较容易 实现也是开放化程度较高应用最多的一种类型。图1 2 就是该类型数 控系统的典型结构框图。 厂卜r i 丽磊蕊卜厂飞面i f ! ! 三l 薹 卜王 图1 2n c 嵌入p c 型开放式数控系统结构框图 ( 3 ) 软件n c 所谓软件n c ( 也称全软件数控系统) 是指n c 系统的各项功能，如 编译、解释、插补、伺服以及p l c 等，均由p c 的软件模块来实现。硬 件上，除了p c 机外，只需一个简单的接口卡来提供必要的硬件接口( 如 伺服接口、i o 接口和反馈接r _ 等) 。这类系统通过对n c 软件的适当组 织、划分、规范和丌发，可望实现上述各个层次的开放。具有编程处 理灵活，软件的通用性强，硬件结构简单等优点，是一个理想的开放 系统。缺点是难以利用原型c n c 资源。除此，系统的实时性和可靠性 则是此类系统的关键问题，为此，目前此类系统己多用实时操作系统 北京交通大学硕士毕业论文 和w i n d 0 w s 、l i n u x 的实时内核。目前也有不少公司开发出了自己的相 关产品，主要有m d s i 公司的0 p e n c n c ，三洋( a u t o m a t i o ni n t e l l i g e n c e ) 公司的a m l ，s o f ts e r v os y s t e m si n c 公司的s e r o w o r k s 等。 此外，国外也有科研院所开发研制了介于第二和第三种实现形式 的高性能、开放化的数控系统体系结构，如英国哥伦比亚大学制造工 程实验室开发的t h e s e u sb a s e dm o d u l a rc n cs y s t e ma r c h i t e c t u r e ”“。 这是一种三层次的体系结构，各层次的软硬件都是可扩展或可升级的， 开放化程度较高。 在此，还须强调一点：我们常说的基于p c 的开放式数控系统中的 p c 主要是指工业标准p c ( i p c ) “。从理论上讲，普通p c 因其不断升 级的通用性的丰富的软件资源和硬件资源给人们提供了一个极为优越 的开放的开发环境。然而数控系统是一种在工业现场作实时控制的系 统，它必须经受较强的冲击、振动和电磁干扰，且需要具有抗潮湿、抗 腐蚀气体侵蚀的能力，这方面，普通p c 远远不能胜任。工业标准p c 采 用了与普通p c 同样的总线标准，且具有更强的通讯功能。更为主要的 是它采取了无源总线底板，大功率抗干扰开关电源，表面封装技术， 机箱正压过滤系统等一系列措施，大大增强了在现场恶劣环境下可靠 工作的能力。 1 4 运动控制器概述 如上文所述，运动控制器+ p c 形式( c n c 嵌入p c 型) 是比较易实 现的数控系统开放化途径，已成为当莳丌放式数控系统的主流。简单 的说，运动控制器就是通过对由电机驱动的执行机构进行运动控制， 以实现预定运动轨迹目标的装置。可以说，只要有伺服电机应用的场 合就离不开运动控制器。在“运动控制器+ p c ”型数控系统中，运动控 制器接受来自上位机( p c 机) 的指令，通过伺服系统来控制机床的各 进给轴和主轴作相应运动，从而实现机床加工控制。因此，运动控制 器是p c 与伺服系统之间的桥梁，它的性能很大程度决定了数控机床的 定位精度，速度调节性能等重要指标，因此，其在整个数控系统中的 重要地位可见一斑。 l 绪论 1 4 1 运动控制器的发展状况及趋势 以往传统数控机床采用的是多处理机结构，即采用各轴单独控制 的运动控制方式，这种方式控制通信复杂，结构封闭，控制软件兼容 性差。随着数控系统的开放化趋势，作为系统运动控制核心的运动控 制单元也不断向集成化，智能化及丌放化方向发展，可靠性不断提高。 概括地说主要经历了从传统数控系统的专用单轴控制卡到多轴可联动 控制的控制器，从以专用运动控制芯片、单片机为主控元件发展到基 于d s p 和大规模可编程器件( c p l d f p g a ) 构成的可二次开发，开放化 的可编程运动控制器的发展过程。 目前，运动控制器作为一个独立的工业自动化控制类产品，已经 被越来越多的产业领域接受。从当前市场上的成熟产品来看，运动控 制器从结构上主要分为如下3 大类”“： a 基于计算机标准总线的运动控制器 具有开放体系结构，独立于计算机的运动控制器与计算机相结合 构成。这种运动控制器大都采用d s p 或微机芯片作为c p u ，可完成运动 规划、高速实时插补、伺服滤波控制和p l c 功能，开放的函数库可供 用户根据不同的需求，在d o s 或w i n d 0 w s 等平台下自行开发应用软件， 组成各种控制系统。如美国d e l t a t a u 公司的p m a c 多轴运动控制器” 和固高公司的g t g h 系列运动控制器产品等。 b s o f t 型开放式运动控制器 它提供给用户最大的灵活性，运动控制软件全部装在计算机中， 而硬件部分仅是计算机与伺服g 鹾动和外部i 。之间的标准化通用接口。 典型产品有美国m d s i 公司的o p e nc n c 、德国p a ( p o w e ra u t o m a t i o n ) 公司的p a 8 0 0 0 n t 和美国s o f ts e r v 0 公司的基于网络的运动控制器和 固高科技公司的g o 系列运动控制器产品等。s o f t 型开放式运动控制的 特点是开发、制造成本相对较低，能够给予系统集成商和开发商更加 个性化的发展。 c 嵌入式结构的运动控制器 它把计算机嵌入到运动控制器中，能够独立运行。它与计算机之 间的通信依然是靠计算机总线。这种产品采用了更加可靠的总线连接 方式，更加适合工业应用，如工业以太网、r s 4 8 5 、s e r c o s 、p r o f i b u s 等现场网络通信接口联接上级计算机或控制面板。如美国a d e p t 公司的 s m a r t c o n t r o 儿e r ，固高科技公司的g u 嵌入式运动控制平台系列等产 品。 北京交通大学硕士毕业论文 随着计算机、高速数字处理器( d s p ) 、自动控制、网络技术的发展 以及市场的需求，基于网络的开放式结构和嵌入式结构的通用运动控 制器已开始逐步成为自动化控制领域里的主导产品之一。运动控制器 作为现代化设备的核心控制部件，开放性、可靠性是衡量其是否能够 在工业界立足的关键。高速、高精度始终是运动控制技术追求的目标。 充分利用d s p 的计算能力，进行复杂的运动规划、高速实时多轴插补、 误差补偿和更复杂的运动学、动力学计算，使得运动控制精度更高、 速度更快、运动更加平稳；充分利用网络技术、f p g a 技术等使系统的 结构更加合理和开放，通过网络连接方式减少系统的联线，提高系统 的实用性和可靠性。这是运动控制器产品今后的两个基本的发展方向。 1 4 2 运动控制器主要实现方式 以上从产业化的角度介绍了运动控制器的发展现状和趋势。而在 我国，运动控制器的产品开发相对落后。1 9 9 9 年固高科技有限公司在 深圳成立，它是国内第一家专业开发、生产开放式运动控制器产品的 公司。其后，国内也有其他几家公司涉足该领域。但实际上，大多是 在国内推广国外生产的运动控制器产品，真正进行自主开发的公司较 少。与国外专业性公司研制的先进开放式运动控制器比起来水平还有 较大差距。目前，运动控制器的市场需求越来越大，且向开放式方向 发展，因此，研制出具有自丰知识产权的高水平、高质量、高可靠性 的开放式运动控制器对于我国工业水平的提高及高性能开放性数控机 床的国产化都有着很重要的意义。 目前，国内对运动控制器的研究，主要是各个高校和科研单位针对 具体的科研项目，而并非以一种丌发的眼光出发，开发独立的、开放 的运动控制器。他们开发的运动控制器，在控制方法的实现上各不相 同，总的来说，主要有以下几种方案： a 基于单片微处理器及专用集成电路( a s i c ) 最初的运动控制器主要以8 0 3 l 、8 0 9 6 等为核心部件，加上存储器、 编码器信号处理电路及d a 转换电路构成。这种运动控制器采用元器 件多，可靠性不高，硬软件配置灵活性差。由于受到单片机处理速度 的限制，其控制精度、控制轴数( 通常为单轴控制) 和位控周期等都 受到限制，因此这类控制卡不适用于高精度、高速度的运动控制，比 较适用于经济型数控系统( 一般采用步进电机) 。当然，随着单片机 技术的不断发展，尤其是高速s o c 单片机”( 如c y g n a l 公司的c 8 0 5 l f l 绪论 系列) 的出现，为经济型数控系统实时性的实现提供了可靠的保证。 基于高速s o c 单片机的运动控制器可以实现多轴控制，并具有一定的 开放性。 现在也有很多芯片制造商提供运动控制的专用芯片，把电机控制所 需的各种逻辑功能做在一块芯片里，并提供一些专用的控制指令，同 时具有限位开关、电机使能、报警输入等必需的辅助功能。如l m 6 2 8 就是美国国家半导体公司生产的可编程运动控制芯片，主要用于使 用d c 电机、无刷d c 伺服电机及其它可提供增量位置反馈信号伺服电 机的闭环计算机控制系统。该芯片在主处理器控制下，有位置和速度 两种控制模式，集成度高，需要外围部件少，易于调试，简化了高精 度的运动控制系统的设计。图1 3 所示的为l m 6 2 8 构成的单轴运动控 制器。 i 笙! 堕 f 箍甏娶l 厂茹匕堕 厂三一 f 轨嚣茹器f 匪堕) 尚执 吖磊焉斗札亘芦 一 一 l 位置反馈 编码器输入 ! ! 堕! l m 6 2 8 图1 3由l m 6 2 8 构成的单轴运动控制器 与基于单片机的运动控制器相比，基于专用运动控制芯片的运动控 制器克服了以往控制方式占用机时长，采样频率低的不足，能完成高 性能数控运动控制中的实时计算工作，反馈信号的处理部分集成在芯 片内，简化了控制器的电路设计。但由于一个芯片也只能控制一个轴， 因此，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，则不太能满足要求。 b 基于数字信号处理器( d s p ) 运动控制单元是数控系统的核心单元模块。数控系统的性能、精 度一定程度上依赖于运动控制单元的快速汁算能力和快速控制能力。 而近年来发展迅速的数字信号处理器( d s p ) ，由于具有高速运算能力， 编程和开发方便，能很好地完成数控系统中实时性要求较高的插补、 北京交通大学顶j ：毕业论文 位置控制、开关量i o 控制任务，实现c n c 系统中多轴联动的插补计算、 位置控制等功能，因此，它在位置控制领域的应用越来越广泛，是目 前运动控制器的主流实现形式。基于d s p 的运动控制器常采用“d s p + f p g a ”的结构如图1 4 所示”“。 上节中所介绍的基于计算机标准总线的运动控制器主要也是这种类 型。如固高科技公司开发的g t g h 系列都是基于d s p 的开放式运动控 制器产品。 这种运动控制器通常是基于p c 标准总线，虽然因采用高性能微处 理器在信息处理速度方面有较大的提高，并在实际应用中提供了灵活 的接口，但在使用以及系统集成的时候，仍然有很多不便，如价格比 较高、应用非常复杂等。并且在结构上是封闭的，只能针对莱一类型 的应用，控制策略单一，很难同时满足控制系统在多种应用场合中的 要求，实现定制应用。 图1 4d s p + f p g a 的结构运动控制器框图 c 基于c p l d f p g a 以往一般p c 机中的微处理器很难同时完成如轨迹插补运算和伺服 控制运算等任务。因此，上面介绍的基于d s p 的运动控制器，通过d s p 来分担一部分实时性较强的工作( 如一些插补算法，位置控制功能) ， 从而减轻主机负担，受到了用户的普遍欢迎。目前p c 机微处理器已经 采用了更先进的工艺技术，信息处理能力明显提高，可以满足高速实 时运动控制的要求，硬件支持能力大大增强，加上其本身良好的软件 开发环境使构造开放式运动控制平台成为可能。因此，出现了仅基于 c p l d f p g a 的运动控制器( 即省去了微处理器) 。参考文献 2 8 中就介 绍一种基于c p l d 的开放式四轴运动控制器的设计。 这种形式的运动控制器，主要利用p c 高速运算能力，将硬件功能 软化( 即“软运动控制”) ，插补算法和控制算法都在主机完成。在 l 绪论 c p l d f p g a 器件中实现硬件管理功能( 可通过软件配置) ，使通讯接口、 运动控制器的大部分前后向通道及其相应的处理电路都集中于一块芯 片。提高了硬件的集成度，从而简化了系统平台的硬件结构。整个系 统具有结构开放、使用方便、成本低廉、性能可靠等特点，可以灵活 地实现定制应用。 相对而言，这种运动控制器的硬件结构和功能都比较简单，比较 适于经济型数控机床控制以及模具加工机床( 如数控雕铣机) ，本文 中所设计的运动控制器就属于此类型。表1 2 对各种方案作了列表分 析，以之作为小结。 表1 2 各种运动控制器方案的比较 方案特点 基于单片机插补和太部分运动控制算法需要在主机完成，加重了主 及专用集成