（机械电子工程专业论文）数控铝带绕片机的研究与开发.pdf

q 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文数控铝带绕片机的研究与 开发，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独立进 行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人 已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均已 在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名：释歉博 日期： 卅年 ：5 月佑日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 数控铝带绕片机的研究与开发系本人在哈尔滨理工大学攻读硕士学 位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。论文的研究成果归哈尔滨理工大 学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈尔 滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门提 交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。授权哈尔滨理工大学可以采用 影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密豳在；年解密后适用授权书。 不保扣 ( 请在以上相应方框内打4 ) 作者签名：暂敏博 日期： 渺7 年弓月i o 日 翩签名：黼) ，望日期：山。产多月，移日 ， 哈尔滨理t 人学t 学硕+ i ：学位论文 数控铝带绕片机的研究与开发 摘要 随着机械产品功能要求同益增多，产品更新换代周期缩短，传统的设计 方法逐渐被现代设计方法所取代，而数控技术是现代制造业的灵魂，为适应 现代制造业用户的需求，数控系统的结构正发生着巨大变化，基于p c 的开 放式数控系统以它显著的优点，在数控机床上获得了越来越广泛的应用。 绕片机是生产翅片管的专用设备，我国现有的绕片机多属于半机械半手 工的操作方式，效率低、质量不稳定、规格少，不能满足目前生产需求，因 此很有必要在翅片管生产中加强自动控制功能，提高控制精度。本文在对数 控铝带绕片机整体机构进行研究与设计的基础上，采用“i p c + 运动控制器” 的丌放式数控系统组成模式设计了数控铝带绕片机的数控系统。主要丌展了 如下几方面的研究： 1 对基于p c 的开放式数控系统的研究。主要讨论数控系统的开放性、 基于p c 的开放式数控系统的结构模式以及基于不同操作平台的数控系统， 并对数控铝带绕片机总体控制模块进行了划分。 2 数控铝带绕片机的整体结构的研究。讨论了绕片机的三维设计方法， 利用现代设计技术基于u g 平台对绕片机各个模块进行三维实体设计、进行 仿真并规划出机床的动作逻辑顺序。 3 对机床液压系统的研究。详细分析了液压系统多缸同步回路策略，在 分析液压系统工艺过程的基础上，利用p l c 实现对液压系统的控制。 4 数控铝带绕片机绕片控制系统的研究与实现。根据铝带缠绕的原理分 析绕片控制算法和机床伺服系统，对绕片控制系统的各个模块进行分析，借 助v c + + 设计系统人机交互界面，讨论系统的抗干扰和可靠性措施，并对 t r i o 运动控制卡进行编程。 开发出的数控铝带绕片机解决了传统绕片机的半机械、半手工的操作方 式效率低，质量不稳定，规格少等问题，能够实现加工不同管径、不同长度 和不同螺距的钢管铝带缠绕，并可实现程序管理、参数预设置、自动和手动 等功能，能够有效地提高企业的生产效率和自动化水平。 关键词铝带绕片机；数控系统；运动控制v ；串口通信 - i 哈尔滨理t 人学t 学硕i ：学位论文 r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft h en u m e r i c a l c o n t r o la l u m i n o u sw i n d i n gm a c h i n e a b s t r a c t a st h e m a c h i n e r yp r o d u c t f u n c t i o ni n c r e a s e dr e m a r k a b l y , t h ep r o d u c t u p g r a d i n gp e r i o di sr e d u c e d s ot h et r a d i t i o n a ld e s i g nm e t h o di sr e p l a c e db y m o d e md e s i g nm e t h o d ，t h en u m e r i c a lc o n t r o lt e c h n o l o g yi ss o u lo fm o d e m m a n u f a c t u r e t h es t r u c t u r e so fn u m e r i c a lc o n t r o la r ec h a n g e dg r e a t n e s sf o r a d j u s t m e n tt h em o d e mm a n u f a c t u r ec o n s u m e r s n e e d ，t h eo p e n i n gn u m e r i c a l c o n t r o ls y s t e mb a s e do np e r s o n a lc o m p u t e ri su s e db r o a d l yf o ri t sf a m o u sv i r t u e t h ew i n d i n gm a c h i n ei st h ec o m p l e t ee q u i p m e n to fp r o c e s s i n gf i n n e dt u b e ， b u tm o s to ft h e mb e l o n g e dt o h a l f - m a c h i n e r ya n dh a l f - m a n u a l ，w h i c hw e r e c h a r a c t e r i z e db yi n e f f i c i e n c y , i n s t a b l em a s s ，l o ws p e c a st h eh i g hd e m a n dd a y b yd a y , i ti sn e c e s s a r yt os t u d ya n dd e v e l o pt h ee x i t e dw i n d i n gm a c h i n e t h i s t h e s i sa d o p ti n d u s t r yp e r s o n a lc o m p u t e ra n dm o t i o nc o n t r o lc a r dt od e s i g nt h e n cs y s t e mo fa l u m i n o u sw i n d i n gm a c h i n ew h i c ha r eb a s e do nt h er e s e a r c ho f m a c h i n es t r u c t u r ei nt h ew h o l e t h ef o l l o w i n ga s p e c t sa r es t u d i e di nt h et h e s i s f i r s t ，t h er e s e a r c ho fo p e n i n gn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m ，t h eo p e n i n g ，t h e s t r u c t u r em o d ew h i c hi sb a s e do np e r s o n a lc o m p u t e ra n dd i f f e r e n to p e r a t i o nf l a t a n dt h ew h o l ec o n t r o lm o d u l eo ft h ew i n d i n gm a c h i n ea r es e to f f s e c o n d ，t h er e s e a r c ho fw h o l es t r u c t u r eo ft h em a c h i n e ，t h et h r e e d i m e n s i o n a ld e s i g nm e t h o d si sd i s c u s s e d ，e a c hm o d u l eo ft h em a c h i n eh a s d e s i g n e d ，e m u l a t e da n dt h em o t i o nc o n s e c u t i o nh a sp r o g r a m m e dw h i c ha r eb a s e d o nu gf l a tw i t hm o d e md e s i g nt e c h n o l o g y t h r e e ，t h es t u d yo fh y d r a u l i cp r e s s u r es y s t e mo fm a c h i n e ，m u l t i - c r o c k s y n c h r o n i z a t i o ns t r a t e g yi sa n a l y z e di nd e t a i l ，a n dt h e nu s e dp l ct oc o n t r o li t f i n a l l y , t h es t u d yo fh o w t or e a l i z et h ew i n d i n gc o n t r o ls y s t e m ，t h ew i n d i n g c o n t r o lm e t h o d ，m a c h i n es e r v os y s t e ma n de a c hm o d u l ea r ea n a l y z e do nt h eb a s e o fa l u m i n o u sw i n d i n gp r i n c i p l e m a n - m a c h i n ec o n v e r s a t i o ni n t e r f a c ei sd e s i g n e d w i t hv c ，a n t i - j a m m i n ga n dd e p e n d a b i l i t ys y s t e ma r ed i s c u s s e d ，a n dt h e nt h et r i o i i m o t i o nc a r di sp r o g r a m m e d t h ep r o b l e m so fl o we f f i c i e n c y , u n s t a b l e q u a l i t y , f e ws p e c i f i c a t i o no ft h e t r a d i t i o n a la l u m i n o u sw i n d i n gm a c h i n ew i t hh a l fm a c h i n e r ya n dh a l fm a n u a l o p e r a t i o nw a ya r es o l v e di nt h i st h e s i s ，t h es e r i e so ft h em o d u l a t i n gv e l o c i t yo f t h ep r o d u c ts c r e w 。p i t c hg a u g ea r ec a r r i e do u t ，a n dt h ep r o c e d u r em a n a g e m e n t t h ep a r a m e t e rp r e e s t a b l i s h m e n t ，a u t o m a t i ca n dt h em a n u a lf u n c t i o na r ea l s o c a r r i e do u t t h ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c ya n dt h ea u t o m a t e dl e v e lo ft h ee n t e r p r i s e c a nb ee n h a n c e d ，a n df i n a l l yt h ec o m p e t i t i v ea b i l i t yo f t h ee n t e r p r i s ei se n h a n c e d k e y w o r d s a l u m i n o u sw i n d i n gm a c h i n e ；n u m e r i c a lc o n t r o l s y s t e m ；m o t i o n c o n t r o l ；b u n c hp o r tc o m m u n i c a t i o n i i i ， ， 哈尔滨理工大学t 学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第l 章绪论l 1 1 数控系统发展回顾l 1 2 数控系统的工作原理2 1 3 国内外铝带绕片机发展现状分析3 1 4 课题研究的目的和意义4 1 5 课题来源6 1 6 课题的主要研究内容6 第2 章基于p c 的开放式数控系统的研究7 2 1 开放式数控系统? 7 2 2 数控系统的开放性8 2 3 基于p c 的开放式体系结构模式9 2 4 基于不同操作系统平台的数控系统软件1 0 2 5 数控铝带绕片机数控系统的结构设计 l l 2 6 本章小结1 3 第3 章数控铝带绕片机整体结构的研究与设计1 4 3 1 现代设计技术1 4 3 2 数控铝带绕片机现代设计的般过程1 5 3 3 数控铝带绕片机的三维设计方法1 6 3 3 1 从底到上的设计方法1 6 3 3 2 从顶到下的设计方法1 7 3 4 数控铝带绕片机三维实体设计1 8 3 5 机床动作逻辑顺序1 9 3 5 1 机床初始状态一1 9 3 5 2 机床动作逻辑顺序2 0 3 6 本章小结2 3 第4 章数控铝带绕片机液压控制系统的研究2 4 4 1 可编程控制器简介2 4 哈尔滨理t 人学丁学硕。i ：学位论文 4 1 1 可编程控制器器的特点2 4 4 1 2 可编程控制器的主要功能2 5 4 1 3 可编程控制器的结构一2 5 4 1 4 可编程控制器工作过程2 5 4 2 数控铝带绕片机液压系统的工艺过程2 7 4 3 液压系统硬件设计2 7 4 4 液压控制系统设计2 9 4 4 1 可编程控制器c p u 组态2 9 4 4 2 液压控制系统组成3 0 4 5 液压系统电气控制电路3l 4 5 1 液压系统供电电路和油泵电机控制电路3 1 4 5 2 可编程控制器输入模块和输出模块接线图3 2 4 6 液压控制系统软件设计3 2 ， 4 6 1p l c 程序设计3 3 4 6 2 液压系统功能图3 4 4 7 本章小结3 5 第5 章数控铝带绕片机绕片控制系统的研究与实现3 8 5 1 绕片部分整体结构3 8 5 2 绕片控制部分控制系统的组成3 9 5 3 绕片部分控制原理4 0 5 4 绕片工艺参数和控制算法4 1 5 4 1 绕片工艺参数4 1 5 4 2 绕片控制算法设计。4 l 5 5 绕片控制模块设计4 3 5 5 1 速度位置控制模块4 3 5 5 2 伺服系统分析4 4 5 5 3t r i o 运动控制卡i o 模块分配4 7 5 5 4 按钮站功能简介。4 7 5 6t r i o 运动程序编制关键点分析- 4 9 5 7 系统抗干扰和可靠性措施5 0 5 8 绕片部分控制系统软件设计5 l 5 8 1 控制策略分析5 2 5 8 2t r i o 运动控制器与i p c 串行通信的实现策略5 3 哈尔滨理t 人学t 学硕i ：学位论文 5 8 3 绕片机控制系统交互界面5 5 5 9 本章小结5 7 结论5 8 参考文献5 9 附录一6 2 附录二6 3 附录三6 4 攻读学位期间发表的学术论文6 7 蜀【 射6 8 哈尔滨理t 大学t 学硕士学位论文 1 1 数控系统发展回顾 第1 章绪论 数控技术作为制造业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础，已成为先 进制造技术的重要组成部分，是发展现代集成制造和智能制造的主体技术，是 当今各种先进制造系统的基础和前提条件。数控系统是数控技术的核心，也是 数控发展的关键技术，其功能强弱、性能优劣直接影响着数控设备的加工质量 和效能发挥，对整个制造系统的集成控制、高效运行、更新发展都具有至关重 要的作用。因此，数控系统技术不仅作为数控发展的先导技术，而且作为制造 业的基础性战略技术，越来越得到世界各国的高度重视和大力发展。 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。6 年后，即在1 9 5 2 年，计算机应用到了机床上，在美国 诞生了第一台数控机床。此后半个世纪以来，数控系统经历了两个阶段六代的 发展。 数控州c ) 阶段( 1 9 5 2 1 9 7 0 年) 。早期的计算机运算速度低，对当时的科学计 算和数据处理影响还不大，因此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”成一台机床专用的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 dn c ) ，简称数控m c ) 。在这一阶段，随着元器件的发展， 经历了电子管、晶体管和小规模集成电路三代的发展幢1 。 计算机数控( c n c ) 阶段( 1 9 7 0 现在) 。1 9 7 0 年，随着通用小型计算机的出 现，其运算速度和可靠性大大提高，且其成本也比硬件连接的数控( h a r d w i r e dn c ) 低，于是人们将小型计算机移植过来作为数控系统的核一t l , 部件，从 此进入了计算机数控阶段。1 9 7 1 年，美国i n t e l 公司生产出第一块中央处理单 元( c p u ) ，1 9 7 4 年c p u 被用于数控系统。到1 9 9 0 年，p c 机( 个人计算机) 的性能 发展到很高的阶段，从8 位、1 6 位至1 j 3 2 位，可以满足数控系统核心部件的要 求，数控系统从此进入了基于p c 的阶段。计算机控制也经历了小型计算机、微 处理器和基于p c ( 国外称为p c b a s e d ) - 三代的发展| 3 i 。 目前，国际及国内使用和研究中的数控系统可以分为3 类州：专用式、通用 式和开放式。专用式数控系统是控制器制造商针对专用的机床而开发的，它是 封闭、不可兼容和不可扩展的，很难进行二次开发和更新换代，但由于这些产 哈尔滨理t 人学下学硕l j 学位论文 品是在专用c n c 系统上发展的，为用户所熟悉，并且还批量生产，降低了成 本，因此还有一定的市场婶1 ；通用式数控系统对许多机床的特性不能完全支 持，不具各某些机床或工艺特征所期望的特性，因而也有一定的局限性；丌放 式控制系统是以通用计算机( p c ) 的硬件和软件作为基础的，具有可扩展性、可 移植性、可互换性、可操作性和可配置性，是当今最为流行的一种控制系统， 而且基于p c 的第六代开放式数控系统已成为国内外研究与开发的热点1 6 1 。 1 2 数控系统的工作原理 1 输入 输入c n c 控制器的通常有零件加工程序、机床参数和刀具补偿参数。 c n c 输入工作方式有存储方式和n c 方式。存储方式是将整个零件程序一次全 部输入到c n c 内部存储器中，加工时再从存储器中把一个一个程序调出。n c 方式是c n c 一边输入一边加工的方式，即在前一程序段加工时，输入后一个 程序段的内容1 7 。 2 译码 译码是以零件程序的一个程序段为单位进行处理，把其中零件的轮廓信息 ( 起点、终点、直线或圆弧等) ，加工速度信息( c f 代码) 和其他辅助信息( m ，s ，t 代码等) 按照一定的语法规则解释成计算机能够识别的数据形式，并以一定的 数据格式存放在指定的内存专用区域。编译过程中还要进行语法检查，发现错 误立即报警。、 3 刀具补偿 刀具补偿包括刀具半径补偿和刀具长度补偿。通常零件程序足以零件轮廓 轨迹来编程。刀具补偿的作用是把零件轮廓轨迹转换成刀具中心轨迹。 4 迸给速度处理 数控加工程序给定的刀具移动速度，是在各坐标合成方向上的速度。速度 处理首先要进行的工作是根据合成速度来计算各运动坐标方向的分速度。另外 对于机床允许的最低和最高速度的限制也在这里处理。有的数控机床的c n c 软件的自动加减速也放在这里。 5 插补 插补的任务是在一条已知起点和终点的曲线上进行“数据点的密化”1 8 l 。插 补是在每个插补周期运行一次，在每个插补周期内，根据指令进给速度计算出 一个微小的直线数据段。通常经过若干个插补周期后，插补完一个程序段的加 哈尔滨理工大学1 = 学硕卜学位论文 工，也就完成了从程序段起点到终点的“数据点密化”工作。 6 位置控制 位嚣控制处在伺服系统的位置环上，主要任务是在每个采样周期内，将插 补计算出的理论位置与实际反馈位置相比较，用其差值去控制进给电机。在位 置控制中通常还要完成位置回路的增益调整、各坐标方向的螺距误差补偿和反 向间隙补偿等，以提高机床的定位精度。 7 输入输出模块的处理 i o 处理主要是处理c n c 与机床之间的强电信号的输入、输出和控制( 如 换刀、换档、冷却等) 。 8 显示 c n c 系统的显示主要是为操作者提供方便，通常有零件程序的显示、参 数的显示、刀具位置显示、机床状态显示、报警信息显示等。有的c n c 系统 中还有刀具加工轨迹的静态和动态模拟加工图形显示。 9 诊断 诊断功能分联机诊断和脱机诊断。联机诊断是指c n c 系统中的自诊断程 序，脱机诊断是指系统运转条件下的诊断。脱机诊断还可以采用远程通信方式 进行。 1 3 国内外铝带绕片机发展现状分析 翅片管是空气冷却器管束上最基本、最重要的一种新型高效节能热交换元 件，它利用压力将铝带在钢管外侧缠绕成螺旋状的散热片，增大钢管的散热面 积，成倍的提高散热效率。这种翅片管是目前国内外一致公认的一种新型高效 热交换元件，是先进的节能产品，可广泛应用于空调、暖通、冶金、石油、化 工、电站等行业的热交换器及各种散热器、暖风机等设备上。 我国绕片机的大量使用从6 0 - - - 7 0 年代开始，但多数为引进的技术较落后 的设备。几十年来，随着我国空调制冷、暖通业的发展，对翅片管的需求量日 益增加，作为生产翅片管的专用设备，绕片机仅靠进口已不能适应市场竞争的 要求。从8 0 年代开始我国空调、暖通行业的崛起由全国3 0 几个生产厂经过2 0 几年的快速发展现以达到上万个生产家，而翅片管换热元件的加工装备却是我国 从5 0 、6 0 年代引进至今的生产单一规格半自动、手动的铝带绕片机，生产效率 低，质量不稳定经调研现国内生产家急需更换装备，提高产值、提高产品质量来 满足市场需求。为此，我国有些企业也进行了开发和研制，但并没有解决绕片 哈尔滨理t 人学j r = 学硕l j 学位论文 机的自动化问题，满足不了对换热元件的物理结构参数和性能技术参数的要 求，所做的一些改进多数都只限于对机械结构的改进，技术落后，绕片机尚无 自动控制能力伽。 目前，国内生产翅片管企业的生产线自动化程度水平较低，在控制系统方 面大多是采用继电器，接触器等强电的一般逻辑顺序控制。其生产线缠绕机头 的牵引和旋转合用一个电机。电机有两个输出，一个是直接带动钢管旋转，一 个是通过传动齿轮，拖动钢管及附件做直线运动。螺距的变化调整，是通过很 多组备用齿轮组及齿轮箱共同调节，而且，螺距受齿轮比的限制，为有限个数 量级，不能达到无级设定，往往不能满足客户的要求，达不到最佳的缠绕速 度，时常出现质量问题。为此，我国有些企业，如丌封市红日散热器厂、哈尔 滨空调机厂等，也进行了开发和研制，但并没有解决绕片机的自动化问题，满 足不了对换热元件的物理结构参数和性能技术参数的要求，所做的一些改进多 数都只限于对机械结构的改进，技术落后，绕片机尚无自动控制能力。 ，早在7 0 年代初期，美国m c e l o r y 公司就已经开始研制绕片机“。目前， 该公司的绕片机已具备自动化加工功能。意大利c m s 公司、a l a b a m a 公司等 许多国外企业都在不断研制、开发不同规格的绕片机。现在国外已经有成型的 全数控铝带绕片机，它不但能完成不同管径和翅片螺距的绕片加工，而且操作 方便，可实现程序管理、参数预设置、自动、手动等功能，并且加工零件的精 度高、精度一致性好、加工质量稳定、废品率低1 。因而，针对国内企业的实 际情况，借鉴国外先进技术，开发数控铝带绕片机显得尤为迫切。 通过调研，我们发现哈尔滨哈暖环境工程有限公司现有的绕片机生产模式 无法完全满足同益挑剔的客户需求，为了使该企业能够提供客户满意的产品， 并在竞争激烈的产品市场中获得优势，本课题将针对实际生产情况开发出数控 铝带绕片机的开放式数控系统。 1 4 课题研究的目的和意义 由于我国现有的绕片机多属于半机械、半手工的操作方式，效率低下、质 量不稳定、规格少、不能满足用户对质量、品种和规格的要求。经过不断的改 进和完善，绕片机的性能和各项参数都得到了很大的提高，但这些改进多数都 只限于对机械结构的改进，绕片机自动控制能力相对较低。因此，很有必要在 翅片管生产中加强控制功能，提高控制精度。从而，达到精确控制缠绕速度， 提高工效，降低废品率保证产品质量以更好地满足客户的要求。 哈尔滨理t 人学t 学硕l ：学位论文 开放式数控系统是一个模块化、可重构、可扩充的软硬件系统，它解决了 传统数控系统由于硬件和软件结构专用而造成的设备维护，升级更新和使用困 难等缺点。近年来，由于p c 机发展迅速，技术日趋成熟，软件资源更加丰 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( 即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上，方便地使用市售软件和硬件板 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n 副。 t r i o 运动控制器就是在这种大背景下，由英国t r i o 公司遵循开放式系统 体系结构标准开发的开放式可编程多轴运动控制器。t r i o 数字运动控制器采用 3 2 b i t1 2 0 m h z - 1 5 0 m h z 的最新微处理技术，溶合了最新的控制理论及其网络技 术控制。其产品有基于p c 机的p c i 总线和具有r s 2 3 2 c 、r s 4 8 5 、u s b 、 e t h e m e t 、c a n b u s 、s e r c o s 、h o s t l i n k 、d e v i c e n e t 、m o d b u s 、p r o f i b u s 等通 讯功能的独立型运动控制器。单c p u 可控制l 2 4 个轴，多c p u 联机可控制 更多的轴，例如7 2 轴同步控制。全部产品均可控制伺服电机、步进电机、变 频器、气动液压伺服缸或者是这几种执行机构的任意组合，并带有可编程的 光电隔离的数字输入输出和模拟输入口，可以根据设备的需要进行选配。采 用专用的t r i ob a s i cp r o g r a m m i n g ( 类似于b a s i c 语言) 运动控制编程，提 供a c t i v ex 软件可支持用户采用v b 、v c 、c c + + 等高级语言针对设备的需要 进行二次开发。另外还提供c a d 转化运动程序文件，可以根据用户设计的图 形文件宰d x f 转化成t r i o 的编程语言的运动程序文件木b a s 进行加工和控制运动 过程。为保护编程人员的合法权益，可设置双重密码，使得用户的知识产权得 到合理的保护。t r i o 有着广泛的应用，如纺织机械、特种磨床、纸张及钢材 的剪切设备、印刷机械、贴标机、玻璃纤维生产线等引。 本项目针对我国企业的实际情况，借鉴国外先进技术，开发的数控铝带绕 片机开放式数控系统的硬件主要由工业控制计算机、t r i o 运动控制器、伺服电 机等构成。晰。运动控制器用作系统的实时控制，工控机用作人机交互的界面 和系统的管理。通过模块化的设计方法，建立统一的可重构的系统工具平台， 极大地增强了数控系统的柔性和适应性。 开发后的生产装置功能齐全，使用可靠，通过程序的改变，可方便的完成 不同管径、长度和翅片螺距的绕片加工，实现螺距的无级调整，上下料等均自 动完成，使设备具有较高的柔性，从而提高企业的自动化程度，提高生产效率 哈尔滨理t 大学t 学硕l 二学位论文 和加工精度，以更稳定的加工质量，更好的满足客户对产品的多种需求，降低 企业的生产成本，提高企业的效益和市场竞争力，是一项具有很大开发潜力的 项目。开发后的设备具有广泛的市场前景，为企业带来更大的经济效益和社会 效益，与开发前的机床相比，其生产率可在原基础上提高6 倍。该自动机床研 制成功后，可进行批量生产，投放市场。经调查，全国使用该设备的企业有约 上万家，该设备批量生产后大大提高企业的竞争能力，具有可观的经济效益和 社会效益。 1 5 课题来源 本课题数控铝带绕片机的研究与开发来源于哈尔滨市科技攻关项目， 哈尔滨哈暖环境工程有限公司的合作项目。 1 6 课题的主要研究内容 制； 本课题的主要研究内容如下： 1 基于p c 的开放式数控系统的研究： 2 数控铝带绕片机整体结构的研究与设计； 3 数控铝带绕片机液压控制系统的研究并利用p l c 实现对液压系统的控 4 数控铝带绕片机绕片控制系统的研究与实现。 哈尔滨理t 人学丁学硕i ：学位论文 第2 章基于p c 的开放式数控系统的研究 根据国内外数控系统的现状和发展趋势以及计算机技术的高速发展，以个 人计算机为基础的数控系统j 下在数控机床上获得越来越广泛的应用。 2 1 开放式数控系统 目前开放式数控系统还没有统一的定义，i e e e ( 国际电气和电子工程师协 会) 总结了对开放式数控系统的定义是：开放式系统应能使应用程序在不同厂 商的各种平台上运行，能够与其它系统的应用程序相互操作，并具有用户界面 的一贯形式。由此可见，开放式系统必须提供接口能力、相互操作能力和界 面的一致性。系统明确定义了这些模块之间的接口以及这些模块和实现平台之 间的接口，以便在构成一个完整、难确的功能化控制时，不同厂家的模块能相 互合作，进行有意义的组合，并能在各种平台上运行。系统的接口具有统一标 准。其本质是指在统一的运行平台上，数控系统的各个构成要素实现系列化、 通用化和模块化，用户根据自己的需要自由的配置系统，扩展( 或二次丌 发) c n c 的功能来满足自己的需求| 1 引，一般结构图如图2 1 所示。 数控j 衄刚软件( 结构对象) j 三一 。 寸了 麻州编程接u ( a p i ) 荟 寻兰 芝 靼 j 基 系统软件 ：i 一 ，l 1 溺 辽3 系统硬件( p c j ( ) l , 通川硬件) r 世 餐 电源模块p l c 模块 专用模块 图2 1 开放式数控系统结构图 f i g 2 - 1o p e n i n gc o n t r o ls y s t e ms t r u c t u r ed i a g r a m 开放式数控一般都具有以下特点： 1 模块化：系统由一系列功能上独立的模块组成。 2 开放性：建立开放结构控制器平台，使控制系统具有硬件无关性，用户 可根据需求选用通用p c 机，利用p c 机上w i n d o w s 环境形成良好的人机界 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 界面。 3 移植性：系统软件与硬件无关，应用程序能可在不同的平台上运行，即 用户可随意增加或减少控制功能，配置不同的伺服轴数和p l c 点数，并能配 置不同开发商生产的标准软件或自己开发的软件。 4 扩展性：用户通过开放结构控制器平台，可任意添加应用模块，对系统 进行二次开发，和其已专用软件集成。 5 网络化：开放式数控系统与机床各驱动部分之间有多种国际标准数字通 信接口( 同轴电缆或光缆) 和通信协议，用于高速通信和网络互连。 总之，开放式结构控制系统的最大特点是已的开放性、移植性( 即兼容性) 和互操作性。不同的硬件厂商根据统一的标准提供硬件平台，硬件平台上可以 安装运行的各种不同系统软件，构成相应的系统平台。加工企业可根据自己的 需要选用支持各种操作系统的，能实现不同功能的软、硬件模块，来构筑自己 的数控系统。那些具有不同功能的模块都支持某些标准的通讯协议和文件格 式，可以互相替代，它们通过标准化的应用程序接口挂在操作系统平台上，由 操作系统统一分配资源，协调工作，彼此可以相互调用。要增加或减少某些功 能时，只需安装和拆卸相应的模块就行。某些n c 软件甚至允许更为简单、直 接的调用方式，可以在会话式编程中调用其它加工程序。 2 2 数控系统的开放性 开放式数控系统可以在通用的工业计算机和流行的操作系统基础上，选用 适当的硬件板块，可以采用各种高级编程语言开发数控控制程序，同时能够方 便的与其他软件有机相结合，充分利用通用p c 机丰富的软硬件资源，将其功 能集成到数控系统中，使整个系统都具有开放性、可扩展性、可重构性、软件 模块化、功能多元化的特点，为用户追加功能和实现功能个性化提供方便。而 这种开放性不是绝对的，不同的使用对象对开放的需求是不同的。这些不同的 需求决定了不同层次上的开放程度。整个系统功能的开放划分为三个层次们。 1 第一层次：开放h m i 。这个层次对用户开放。用户可以充分利用p c 的 丰富资源，通过访问h m i 的a p i ，把用户自己开发的软件和第三方软件融入 到人机界面之中，生成具有个性化和特殊需求的人机界面。实现系统软件的模 块化。 2 第二层次：内核的有限开放。这个层次对设备制造商开放。内核的有限 开放是指控制器的核心控制功能，即实时控制部分的有限开放，用户只能访问 哈尔滨理t 人学- 丁学硕十学位论文 内核提供的有限a p i ，并不能访问所有的核心控制功能。设备制造商针对不同 的使用对象不但要改变人机控制功能，并且要根据不同的机床类型，改动底层 的控制功能，如重新编写p l c 程序，加入新的数控插补算法等。但是数控系 统结构、调度管理等功能不能被改动，否则系统容易遭到破坏。 3 第三层次：内核的完全开放。这个层次对控制器供应商开放。与有限开 放不同，在内核的完全开放中，系统提供内核控制功能所有的数据结构和文档 化a p i ，控制器供应商可以访问内核数据，并把第三方的控制算法集成到内核 ，中。本层次的开放能够满足系统功能模块重用和改进系统结构的需要。 2 3 基于p c 的开放式体系结构模式 目前，国内外研究的开放式数控系统概括起来有三种模式： 第一种叫衍生式n ，是专用n c 十p c ，将p c 作为专用控制器的前端接口。 在传统的非开放式的c n c 上插入一块专门开发的个人计算机模板，使传统的专 用c n c 带有个人计算机的特点。这里，传统c n c 没有改变，进行实时插补、伺 服控制、电源控制以及i o 控制等一些实时控制；p c 部分执行静端管理等非实 时控制，例如人机界面，存储和通讯。这是一种折中的方案，在专用的c n c 系 统中加入p c 的前端接口，使其具有p c 处理的柔性，也就是说，这种模式只具 有部分开放性，它不能实现n c 内核的开放。 第二种叫嵌入式引，即p c 十适配器。p c 机作为系统的核心，将控制卡插 入到p c 的标准扩展槽中完成各种标准数控功能，一般p c 机处理各种非实时性 任务，由控制卡处理实时任务。图2 2 给出了“p c + 适配器”开放式数控系统应 用平台的典型结构。这种模式中，p c 能提供一定意义上的丌放，控制卡能保证 实时性，是目前研究以p c 为基础的数控系统的主流。美国d e l t at a ud a t a s y s t e m 公司的p m a c ，德国p a 公司的p a 8 0 0 0 、美国o r m e es y s t e m 公司的o r i o n 、 美国g a l i l 公司的d m c ，德国i n d r a m a t 公司的m t c 2 0 0 都是类似的这种模式。 第三种叫扩展式，耳 j p c + c n c 接口板。即将c n c 接1 2 板插入至i j p c 机的标准 插槽中，这里的p c 是不需要改造的通用p c ，整个系统由p c 扩展而成。个人计 算机不仅完成前端管理等非实时性任务，还完成如实时插补、伺服控制、电源 控制及i o 控制等一些实时任务，c n c 接口板则担任沟通p c 接口和物理驱动器 连接的任务，能够最大限度地利用p c 的软硬件资源。这也是近几年比较流行的 模式。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 图2 2 开放式数控系统应用平台的典型结构 f i g 2 - 2c l a s s i cf r a m eo fo p e n i n gn ca p p l i c a t i o np l a t f o r m 2 4 基于不同操作系统平台的数控系统软件 当前，以p c 为硬件平台发展分布式数控系统是数控系统的发展方向之 一，即所谓的“p c b a s e d ”数控系统，简称p c 数控系统。p c 数控系统的控制软 件是基于p c 操作系统来开发的。p c 数控系统的软件平台主要包括d o s ， w i n d o w s 系列和l i n u x 操作系统引。下面就此三个数控系统软件平台的实时多 任务环境进行比较分析。 1 d o sd o s 系统是单任务的，运行于实模式下，允许修改中间向量，可 以直接与硬件打交道，实时性较强，可以直接编写控制指令程序。实践证明， 用这种方法实现的数控系统基本环境在多任务能力和实时性方面都是相当好 的，我国当前大部分数控系统软件也都是基于d o s 操作系统开发的。但是基 于d o s 开发数控系统，等于基于一个过于简陋的平台进行开发，很容易造成 系统软件的层次不清晰，软件结构复杂，可维护性和可扩展性降低。从整个产 业的角度来说。各个厂商分别基于d o s 开发自己的多任务环境，具有相当的 封闭性，这也意味着软件的低水平