（机械电子工程专业论文）开放式数控示教平台研制.pdf

j n 删i n gu i l i v e r s i t ) ro f a e r o n a u t i c sa n da s t r o n a u t i c s n e ( h a d u a t es c h o o l c o l l e g eo fm e c h a n i c a ja n de l e c t r i c a le n g i n e e r i n g d e v e l o p m e n t o fa no p e n a r c h i t e c t u r ec n c t r a i n i n gp l a t f o r m1r a l n l n gr l a t l o r m a t h e s i sm m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g b y s ur i h u a a d v i s e db y a s s o c i a t ep r o l uc h a n g 灿i s u b m i t t e di np a n i a lf u l f i l l m e n t o ：ft 1 1 er e q u i r e m e n t s f o rt l l ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g j a n ，2 0 1 0 i 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下， 独立进行研究工作所取得的研究成果。尽我所知，除文中已经 注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享 有著作权的内容，对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他 个人和集体，均己在文中以明确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复 印件，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复 制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名：查：里堡 日期：筮坦：至：塑： 南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 数控技术是现代制造业的基本支撑技术，其技术水平高低已成为衡量一个国家工业现代化 水平的重要标志。 目前，数控训练已成为国内高校工程训练的重要实践教学环节，但其训练项目大多仅限于 c a d c a m 和数控加工教学。而数控技术原理的教学往往只停留在理论层面或仅限于个别环节， 缺乏开放的、完整的、透明化的实践教学平台支撑。 本课题根据南航工程训练中心数控训练的实际情况，利用旧机床，自主研制了基于p c 的 开放式数控技术示教平台，实现了数控车床的基本功能。系统面向实践教学，采用模块化结构， 以人机交互( 软件) 方式实现n c 程序的预编译、编译及粗、精插补等功能：同时，系统全面 展示了数控系统由n c 程序编制到控制脉冲输出，直到电机控制的整个工作过程；系统交互性 强，其间应用了丰富的教辅手段，教学特色鲜明。 系统采用了开放性较好的n c 嵌入p c 模式。本文设计了数控技术示教平台的总体控制方 案及系统的电气控制部分，详细阐述了运动控制器的硬件特性、电气控制部分的设计细节以及 电气系统的连接；自主开发了具有鲜明教学特色的系统软件，详细阐述了人机界面模块、核心 控制模块的设计思想，以及译码、插补、系统状态监控、加工方式选择、机床刀架控制等关键 部分的实现过程，并对其相应教学功能部分的设计思路和具体实现过程进行了描述。最后，文 章详细设计了系统的教学流程和训练项目。系统现已在南航工程训练中心试应用于数控技术原 理教学，效果良好。 该系统弥补了工程训练中心数控训练教学中的缺项，对于数控技术的全面认知教学和创新 教学，有着重要的现实意义。 关键词：数控技术示教平台，工程训练，数控教学，数控技术，开放式数控 开放式数控示教平台研制 a b s t r a c t n c 州啪e r i c a lc o m r 0 i ) t e c l l i l o l o 留i sm e 向n d 锄e n t a ls u p p o r t i n gt e c h n o l o 影o fm o d e m m 锄u f 犯n gi n d 呶r y ，t h el e v e lo fw h i c hh 笛b e c o m e 锄i m p o r t a ms i g no ft h el e v e lo fac o u m 口s i n d u s n a lm o d e m i z a t i o n a tp r e s e n t ，c n c ( c o m p u t e rn 啪e r i c a lc o i l 仃0 1 ) 缸a i n i n gh 笛b e c o m e 锄i m p o n 锄tp r a c t i c e t e h i n gl i i l l ci nt 1 1 ee n g i n e 喇n g 仃a i n i n go fd o m e s t i cu n i v e r s i 劬h o w e v e r 打a i n i n gi t e m sa r ea j m o s t l i i i l i t e dt 0c a d c a m 锄dn ct e a c h i n g 1 1 h ep r i n c i p l e so f n ct e c h n o l o g yt e a c h i n go 舭no n l yr e m a i n s a tt h e t h e o r e t i c a l l e v e l0 ri sc o n f i n e dt 0i i l d i v i d u a ll i n l ( s ，柚di ti a c l ( s 锄o p e n ，c o m p l e t e 勰d 饥m s p a 陀mp r a c t i c e 仃a i n i n gp l a t f 0 册t 0s u p p o r t a c c o r d i n gt 0t h ea c t u a l s i t u a t i o no fc n ct r a i n i n gi nt h ee n g i n e e r i n gt r a i n i n gc e n t e ro f n u a a ( n 砌i n gu n i v e 琏i t ) ro fa e r o n a u t i c s 绷da s t r o n a l l t i c s ) ，t i l et h e s i sh 舾u dt h eo l dm a c h i n et o o l ， i n d e p e n d e m l yd e v e l o p e d 锄o p e na r c h i t e c n 鹏c n c 仃a i m n gp l a 仃0 册ba s i e d p c 锄di m p l e m e n t 甜 t i l eb 雏i c 胁c t i o n so ft l l ec n cl a t l l e o r i e n t e dt op r t i c et e a c m n g 锄dd e s i g n e dw i mam o d u l a r 蛐r i j c t u 陀，s y s t e mi m p l e m e n t s 付l e 如n c t i o r 塔o fn cp r o g 舳i nm o d eo fm a n m a c h i n ei m e r a c t i v e ，s u c h 舔p r e - c o m p i l e ，c o m p i l e ，f i n ei n t e r p o l a t i o n ，r o u g hi n t e 叩o l a t i o na n d o n a tt t l es 锄et i m e ，廿l e s y s t e mh 嬲e x p l i c i t l yd e m o 璐仃a t e dt l l ew h o l ep 眦e s so fc n cs y s t e m 舶mn cp r o g r a m m i n gt 0 c o n 仃0 lp u l s e0 u t p u t t h es y s t e mw i l 蚰r o n gi n t e r a c t i o nu s e sa b u n d a 呲t e a c i i i n 分a i dm e a 璐孤dh 雒 u n i q u et e a c h i n gc k 哦l c t e r i s t i c s 1 1 h es y s 钯mu s e sn c - 锄b e d d e dp c 咖跏r ew h i c hh 邪9 0 0 do p e nc h 锄c t e r i s t i c t h eo v e r a j l c o n t m ls c h e m eo fn ct e c h n o l o g yt e a c h i n gp l a 仃0 唧柚dt i l e s y s t e m se l e c t r i cc o m r o lp a na 陀 d e s i g n e di n 廿i i sa r t i c i e ，舭dh a r d w a 他c h 啪c t e r i s t i c s0 fm o t i o nc o n t r o lc a r d ，t l l ed e s i g nd e t a i lo f e l e c t r i cc o n t r o lp a n 觚dt 1 1 ee l e c t r i cs y s t e mc o n r i e c t i o na 陀e x p o u n d e di nd e t a i l s y s t e ms 0 讯v a r ew i m d i s t i i l c t i v et e a c t l i n gc h 甜a c t e r i s t i c si sd e v e l o p e di n d e p e n d e n t l yi nt h i sp a p e rt i l a te x p o 吼d si nd e t a j l 廿l e d e s i g nc o n c e p t0 fh u m 锄- c o m p u t e rc o n 仃0 li n t e r f i a c em o d u l e 锄dk e m e lc o n t r o lm o d u l e ，t h e 他a j i z a t i o np r o c e s s0 ft l l ei o e yp 孤t so fd e c o d i n g ，i m e 叩o l a t i o i l s y s t e ms t a m sm o n i t o r i r l g ，p r o c e s s i r 培 m o d es e l e c t i o n 觚dm h i n et o o lh 0 1 d e rc o n 臼- 0 l ，觚dd e s c r i b e st h ed e s i g ni d e 鹄锄dc o n c r c t c i m p l e m e m a t i o np r o c e s so ft l l et e a c h i n gm n c t i o np a n s f i n a l l y t h ea r t i c l ee x p o u n d si nd e t a i lt 1 1 e s y s t e m st e a c h i n gp r o c e s sa n d 仃a i n i n gi t e m s t h es y s t e mi sn o w 印p l i e dt 0m et e a c h i n go fp r i n c i p l e s 0 f n ct e c l l l l o l o 影i n 廿l ee n g i n e 甜n g 仃a i l l i n gc e n t e ro f n u a a 锄di th 雒9 0 0 de 腩c t t h i ss y s t e mm a k e su pf o r 吐圮d e f i c i e n c yo fc n cn 面n i n gi nn 圮e n 百n e e r i n gt m i n i n gc e n t e r a n d i i 南京航空航天大学硕士学位论文 i t h 雒i m p o r t a n tp r a c t i c a ls i 印i f i c 锄c ef o rt h ec o m p r e h e n s i v ec o 印i t i v et e a c h i n ga p p r o a c h0 fn c t e c m o l o g 弦 k e y w o r d s ： n ct c c h n o l o 科仃a i n i n gp l 柏加，e n g i n e e r i n gt m i n i n & n ct e a c h i n g ，n ct e c i l i l o l o 甄 o p e na r c h i t e c t u r ec n c l 开放式数控示教平台研制 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录i v 图目录v i i 表目录。 第一章绪论1 1 1 引言l 1 2 国内外数控技术训练平台研究现状l 1 2 1 国外数控技术训练平台研究现状l 1 2 2 国内数控技术训练平台研究现状2 1 3 课题背景及意义3 1 4 论文的主要研究内容和组织结构3 1 4 1 论文的主要研究内容3 1 4 2 论文的组织结构4 第二章开放式数控平台设计及硬件结构5 2 1 数控平台设计总体概述5 2 1 1 系统平台结构5 2 1 2 开放式数控平台硬件体系结构6 2 2 数控示教平台硬件结构7 2 2 1 运动控制器的选择7 2 2 2 数控示教平台电气系统的整体构建9 2 2 - 3 电气柜电气系统设计与连接1 0 2 3 本章小结1 9 第三章 开放式数控平台的软件设计与实现。2 0 3 1 数控平台软件实现的目的及意义2 0 3 2 数控平台软件的总体功能结构设计2 0 3 3 数控平台软件的界面设计2 1 3 4 数控平台软件核心模块功能实现2 6 3 4 1 系统参数设置模块2 6 i v 南京航空航天大学硕士学位论文 3 4 2 初始化模块2 6 3 4 3 系统状态监控模块2 8 3 4 4 加工模块2 9 3 4 5 仿真模块、刀路轨迹跟踪模块3 0 3 4 6 机床刀架模块3l 3 5 译码模块设计与实现3 1 3 5 1 译码模块总体功能3 1 3 5 2 译码方式的选择3 2 3 5 3 译码模块的总体设计与实现。3 2 3 5 4 固定循环译码实现。3 7 3 6 本章小结3 9 第四章开放式数控示教平台教学中的插补运算4 1 4 1 数控插补算法简介4 1 4 2 逐点比较插补法4 2 4 2 1 逐点比较法插补原理4 2 4 2 2 逐点比较法直线插补4 2 4 2 3 逐点比较法圆弧插补4 4 4 3d d a 插补法4 6 4 3 1d d a 法插补原理4 6 4 3 2d d a 法直线插补4 6 4 3 3d d a 法圆弧插补4 8 4 4 插补教学设计5 0 4 5 本章小结5 2 第五章教学应用5 3 5 1 开放式数控示教平台的训练项目5 3 5 2 开放式数控在教学过程中的应用5 3 5 3 应用举例5 5 5 4 本章小结5 8 第六章总结和展望。5 9 6 1 总结5 9 6 2 展望6 0 参考文献6 1 v 开放式数控示教平台研制 致谢6 4 在学期间的研究成果及发表的学术论文。6 5 附录6 6 v l 南京航空航天大学硕士学位论文 图目录 图2 1 系统平台控制流程图。6 图2 2 数控示教平台控制方案示意图。9 图2 3g e - 2 0 0 s g 实现轴工作台运动控制框图1 0 图2 4 电气柜电气线路设计示意图1 1 图2 5 电气柜实物图1 1 图2 6 运动控制器与端子板连接示意图1 2 图2 7 端子板电源连接图1 3 图2 8 脉冲量控制输出信号连接图1 4 图2 9 脉冲、方向输出波形1 4 图2 1 0c n 5 、c n 6 端子与s t e p d r j 、但c 接线原理图。1 5 图2 1 1 专用输入输出信号连接图1 6 图2 1 2 通用输入输出信号连接图1 6 图2 1 3 主轴控制模块接口图1 7 图2 1 4 变频器控制板实物图18 图2 1 5 主轴变频器接线图1 9 图3 1 数控平台软件功能模块划分2 1 图3 2 软件启动后界面2 2 图3 3 数控平台参数设置窗口图2 4 图3 4 数控平台诊断窗口图2 5 图3 5 回参和手动加工方式程序流程图3 0 图3 6 刀架模块程序流程框图3l 图3 7 译码工作流程图3 3 图3 8 固定循环加工路线3 8 图3 9 固定循环流程图3 9 图4 1 直线插补原理图4 3 图4 2 逐点比较法直线插补流程图4 4 图4 3 圆弧插补原理4 5 图4 4 逐点比较法逆圆弧插补流程图4 6 图4 5 函数的积分4 6 v i i 开放式数控示教平台研制 图4 6d d a 法直线插补原理4 7 图4 7d d a 法插补直线程序流程框图4 8 图4 8d d a 法圆弧插补原理4 9 图4 9d d a 法插补圆弧程序流程图5 0 图4 1 0 插补教学主界面5l 图4 1 1 插补教学演示界面5 l 图4 1 2 插补教学计算过程实例界面。5 2 图5 1 数控示教平台训练项目框图5 3 图5 2 主传动系统教学框图5 4 图5 3 进给系统教学框图5 4 图5 4 辅助系统教学框图5 5 图5 5 零件程序仿真图5 6 图5 6 数控程序编制过程图5 6 图5 7 加工的零件实物图5 7 图5 8 数控训练平台实物图。5 7 南京航空航天大学硕士学位论文 表目录 表2 1 端子板c n 5 c n 6 接口定义1 3 表2 2 端子板c n l 2 部分引脚定义1 5 表3 1g tl 脚t s i l s 指令参数与各轴限位对应关系2 7 表3 2g th 咄s 璐指令参数与各轴原点位对应关系2 7 表3 3g te n c s 璐指令参数与各轴原点位对应关系2 7 南京航空航天大学硕十学位论文 第一章绪论 1 1 引言 数控( n u m e r i c a lc o n 仃0 l ，n c ) 技术是利用数字化信号对机械运动及加工过程进行控制的 一种方法，是先进制造技术的核心，是现代制造业的基本支撑技术【l 】。利用数控技术，可以大 幅度地缩短产品的制造周期，解决复杂零件的制造加工问题，提高产品的加工质量。 数控技术集传统机械制造、计算机信息处理、传感检测、伺服驱动、网络通信、光机电等 技术于一体，具有高精度、高效率和柔性自动化等特点【2 3 】。现代制造业广泛采用数控技术，以 提高制造能力和水平，提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力。数控技术对制造业实现自 动化、集成化、智能化起着举足轻重的作用，其发展水平的高低直接影响制约制造业工程未来 数字化、信息化、智能化和网络化的发展趋势和应用前景【4 l 。以数控技术为核心的机械设备的 生产和应用已经成为衡量一个国家技术水平和战略地位的重要标准，很多工业发达国家将数控 技术及装备列为国家战略物资。专家们预言：二十一世纪机械制造业的竞争其实质是数控技术 的竞纠5 1 。以数控技术为核心的先进制造技术已成为世界各发达国家加速经济发展、提高综合 国力和国家地位的重要途径。 数控技术在国民经济中的重要地位及其多学科融合交叉的特点。使得数控训练目前已经成 为高校工程训练的主题之一。为适应二十一世纪对综合工程素质和创新性人才的需求，国内工 科院校纷纷加大投入，购置数控设备和专用训练平台，建设数控训练基地，实施数控加工、 c a d c m 等方面的训练教学。 目前，制造业对掌握数控编程、数控加工工艺分析和数控系统维修等技能的综合型高端技 术人才的需求较为迫切。综观国内高校的数控训练教学，大多仅限于c 觥a m 和数控加工的 层面，导致学生对数控技术的理解往往只停留在认知的层面，而对数控技术的精髓，尤其是从 数控编程到数控加工的具体实现过程不得而知。虽然部分工科院校引入了一些数控实验教学平 台，但绝大部分平台只能片面展示实现过程的部分节点，如p l c 控制、插补算法等；很多平台 是外购，没有自主知识产权，资料不详尽，没有能力向学生展示从编译到控制的完整流程。数 控技术原理的教学大多还集中在理论教学层面上，这是数控训练教学的一个缺憾。无论从社会 需求还是教学需求出发，数控技术原理的完整实践教学都是必须的训练项目。 1 2 国内外数控技术训练平台研究现状 1 2 1 国外数控技术训练平台研究现状 奥地利e m c o 公司是目前设计和制造数控技术培训系统最大、最具影响力的生产商。其设 开放式数控示教平台研制 计的数控技术培训系统已成为欧洲工业培训系统的标准，在国外高校应用较为广泛。其主要产 品有e m c op c1 r i l i n5 5 i i ( p c c o i i t r o l l e dc n ct a b l e - t o pl a m e ) 、e m c op cm i l l5 5 ( p c - c o n t m l l e dc n ct a b l e t o p1 1 1 i l l i l l gm a c h i i l e ) 、e m c op c1 u r nl2 5 ( p c _ c o n 昀l l e dc n c l a t h e ) 、e m c op c1 r i 瓜nm i l l1 2 5 ( p c c o 曲同l e dc n cn m c t l i n i n gc e n 衙) 等。 e m c o 公司开发的培训系统具有柔性、模块式、兼容性极佳、高安全性等特点。其中e m c o p ct u r n5 5 型数控车削加工教学系统，e m o c 公司用其自己研究开发的称为“交互式控制” 概念的软件在计算机上模拟现行的工业控制过程。其软件的操作模式和市场上流行的数控系统 是一致，操作者能够很快的熟悉各个控制单元【6 】。e m c o 公司开发的培训系统采用最先进的c n c 数控技术，数控教学生动有趣。 1 2 2 国内数控技术训练平台研究现状 目前国内用于教学的数控训练平台绝大多数是c n c 系统( 以f a n u c 、s 正m e n s 等为代 表) ，其采用的是一种专用的封闭式体系结构，给数控培训，尤其是特定系统的操作培训带来了 难题。为了改善这一状况，己有多家大学和生产制造厂商开发了一些适合教学的数控技术训练 平台，主要有： 1 南京日上公司r s s 1 s 2 型数控机床综合培训系统该综合培训系统选用s m e n s 数控 系统为基础平台，其中r s s l 为车削型，r s s 2 为车铣削合一型。培训系统采用模块化设计， 可以进行加工程序的编制与实体加工、外部程序加工( d i n c 加工) 电气安装、机床数据的设定、 p l c 程序的编制与调试、数据通讯与存储、步进与伺服驱动的实验、主轴编码器与变频器的安 装与调试、电动刀架的安装与调试、电子手轮的安装、机床外围故障设置与排除、机械安装与 拆卸等方面的数控培训。 2 g 0 0 9 0 l 公司g m s l 0 3 禾v p d t 机电一体化技术综合培训系统该系统是固高科技针对机 电一体化技术实训和故障诊断技术应用研究而专门设计和开发的实验设备，采用模块化设计， 仿真面板和实际电路分离设计，系统安全可靠，不会因为接线错误引起设备损坏。学生可在该 系统进行交流电机控制、直流电机控制、步进电机控制、运动控制器、数控代码编程、运动控 制程序开发、系统故障诊断与分析等方面的数控实验培训。 3 华中i 型数控系统该系统以通用的工业p c 机( p c ) 为基础，采用开放式的体系结构， 其软件的实时操作系统是在d o s 操作系统上扩充扩展而成。以该环境为内核，实现了一个开放 式的数控系统软件平台，它能提供方便的二次开发环境，使之能灵活地组配不同类型的数控系 统和扩充系统的功能。具有良好的开放性、维护性和可靠性。 4 南京德西n n c r 1 a e 系列数控车床综合实验培训系统该系统采用开放式结构、模块 化设计、完全工业用器件，具有数控车床电气设计、安装、接线、调试、参数设置、通讯、故 障诊断维修、编程及仿真模拟、c a d c a m 、实际切削加工等教学培训功能。 2 南京航空航天大学硕士学位论文 综上所述，国内外公司、高校和科研机构在数控技术训练教学方面进行了多方面的研究工 作。但目前的数控技术训练平台大多仍以单项数控训练为主，模块化特征不强，不能整体显示 展示从数控程序编译到电机控制的完整流程，教学特色不明显，达不到数控技术全面认知的效 果；其次，由于使用方不具备自主知识产权，教学核心资料短缺，不能够根据具体需求灵活设 计教学过程，达不到切实认知的教学效果。除此之外，进口设备价格昂贵，不适合国内工程训 练规模化教学需求的国情。因此，有必要开发具有自主知识产权、具备鲜明教学特色和能够满 足系统化数控技术教学的经济型示教平台。 1 3 课题背景及意义 高等工程教育以工程应用为主要目标，是为国家经济建设提供工程技术与企业管理人才的 主要渠道。如何与时俱进，对自身进行优化和改革，更好地适应社会的需要，培养能将科学技 术转化为生产力的高素质、创新型工程科学技术人才，是高等工程教育面临的主要任务。工程 训练中心是具有中国高等教育特色的工程实践教学训练基地。与国外发达国家校企零距离合作 训练的模式不同，国内高校的工程训练中心大多主要利用自身有限的软硬件资源实施规模化训 练，从而培养和训练具备综合工程素质、创新型人才的任务就更加艰巨，对工程训练中心训练 设施的完备性、高端性，对训练课程的综合性、前瞻性和模块化能力也就提出了更高的要求。 数控技术是多学科领域先进技术的综合，目前已成为国内工科院校工程训练中心实施高工 程素质和创新型人才训练的重要载体。南航工程训练中心( 以下简称中心) 的数控训练除了数 控加工外，还开设了p m e 等c a d 训练项目，开设了基于m 硒t e 疋刖的c a m 以及d n c ( d 沁c t n 啪e r i c a lc o n 仃0 1 ) 等训练项目，已经初步具备了先进制造技术基础的规模化训练教学能力。但 中心目前的数控技术原理方面的训练教学只有p l c 编程等几个实践训练项目，没有形成完善的 体系，缺乏综合数控技术训练平台支撑。鉴于此，本课题充分利用中心的新旧资源，以旧车床 为本体，搭建一个具有机电一体化特色的开放式数控综合创新训练平台。该平台主要实现数控 车床的基本功能，以人机交互( 软件) 方式实现n c 程序的预编译、编译及粗、精插补等功能， 展示数控系统由n c 程序编制到控制脉冲输出，直到电机控制的整个工作过程。该系统主要针对 机类、类机类学生，从认知、综合训练和创新训练三个层次，开展数控技术原理基础训练教学， 以弥补数控训练的缺项；形成包含数控操作、n c 程序编制、明、c 和数控技术原理训练的完整的 数控训练体系：利用该系统的硬件可观、可重构和控制软件模块化、可即时编程修改等开放特 色，开展全面的、深层次的数控技术原理实践教学。 1 4 论文的主要研究内容和组织结构 1 4 1 论文的主要研究内容 本课题根据南航工程训练中心数控训练的实际情况，利用旧机床，自主研制了基于p c 的 3 开放式数控示教平台研制 开放式数控技术示教平台，实现了数控车床的基本功能。系统面向实践教学，采用模块化结构， 以人机交互( 软件) 方式实现n c 程序的预编译、编译及粗、精插补等功能，全面展示数控系 统由n c 程序编制到控制脉冲输出，直到电机控制的整个工作过程；系统交互性强，其间应用 了丰富的教辅手段，教学特色鲜明。 1 4 2 论文的组织结构 全文总共分为六个章节，具体组织结构如下： 第一章绪论。本章主要介绍了数控技术训练平台的国内外现状和课题背景，并由此引出开 放式数控示教平台研制的必要性。 第二章开放式数控示教平台设计及硬件结构。本章从总体上对开放式数控示教平台进行了 介绍，并分析了各个部分在系统中的具体功能。简单论述了开放式数控系统硬件体系作用及优 点，同时研究了开放式数控系统的框架结构。 第三章开放式数控示教平台的软件设计与实现。本章主要对数控平台软件的总体功能进行 了设计，并对软件模块进行了具体划分。在熟练应用g e 2 0 0 s g 型固高运动控制器的基础上， 着手以固高运动控制器为核心的开放式数控平台控制软件的研究开发，实现以下功能：系统初 始化预处理、数控程序的译码、自动和手动加工方式、原点回归、机床状态的监控、坐标位置 和主轴转速的实时显示、系统动态参数化配置等。 第四章开放式数控示教平台插补运算教学模块。本章分析了常用数控插补算法，并详细介 绍了本数控平台用于教学的逐点比较法和d d a 法原理及插补算法，并给出了插补算法程序流 程图，同时建立了插补教学模块。 第五章教学应用。利用开放式数控示教平台的模块化结构和开放的特色，采用新的数控教 学模式，学生能够深入了解从编程、控制到加工的完整过程。并展示利用开放式数控示教平台 在教学过程中的应用情况。 第六章总结和展望。通过项目和毕业论文的实践，总结所完成的工作并对下一步工作提出 一些想法。 4 南京航空航天大学硕士学位论文 第二章开放式数控示教平台设计及硬件结构 2 1 数控平台设计总体概述 2 1 - 1 系统平台结构 c n c 系统主要由硬件和软件两大部分组成。其核心是计算机数字控制装置。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。本系统平台总体基于开放式体系结构 c n c 系统的概念与需求的设计，开放式c n c 系统概念设计着重解决的问题是开放什么以及如 何开发，来源于对系统的需求分析。应用上能够最大限度地提供机床设备生产厂、c n c 系统生 产厂和最终帮助用户快速而有创造性的解决当今制造环境中的数控加工、系统集成是开放式体 系结构c n c 系统的设计目标。它不仅能够为设备自由选择、更新和重构c n c 系统，同时系统 与外设之间具有强大通讯能力，使得能够灵活运用于复杂的系统环境中【7 1 2 】。一个开放式的c n c 系统应该能够做到： ( 1 ) 用户界面的开放 主要是指能够提供一个统一风格的操作界面，实现操作的简洁性和方便性，同时用户可以 根据自己的特定需求定制界面。 ( 2 ) 功能模块的开放 系统用户或开发商可根据自己所需更换或自行开发插补模块、译码模块或扩展高级曲线曲 面插补等功能，来适应自己加工需求。 ( 3 ) 控制功能的开放 系统的控制功能可以适用于不同厂家生产的机床，不仅可以为车、铣、磨等通用机床类型 配套，而且也可以通过开发新功能与齿轮加工等专用机床配套使用。 ( 4 ) 硬件平台无关性和可移植性 大部分计算机硬件平台都可以安装该系统，这样有利于广泛使用和降低成本，而且其移植 性也很好。 根据以上设计原则，本数控平台采用的是“运动控制器+ p c 机”的结构，该结构能够实现 两个层次的开放，p c 机用于非实时处理，运动控制器实时控制。它提供大量的口，用户可 以自由选择使用或将其任意配置成输入和输出，较方便的实现了底层硬件资源的开放。而且运 动控制器提供丰富的软件功能调用，用户可以随意调用和重新组合其以动态链接库形式的底层 基本功能函数，以达到所需的目的。系统平台总体结构如图2 1 所示。 5 开放式数控示教平台研制 ，。 p c 指令输入 匿 g = = 割驱动器步进电机 令 数 主 1卜 动 控 控 数据传输 脉冲信号 平 机 状态监测 制 蚓驱动器劁步进电机 = 令 厶 卡 口 图2 1 系统平台控制流程图 在该系统平台结构中，p c 机占据着重要的作用，其执行功能主要由零件加工程序的输入、 数控处理( 例如数制转化和刀具半径补偿等) 、粗插补计算和系统的监控等组成。主机程序采用 c + + 语言编制，可移植性好，能够满足用户的种种需求。这种控制技术的柔性，非常符合开放 式数控系统体系结构的要求。主要体现在： ( 1 ) 运动控制器中含有微处理器，这样p c 总线中的计算机系统c p u 可以充分利用计算 机丰富的软件资源，专注于人机界面、输入输出、预处理、发送指令、故障诊断等功 能，而微处理器专门处理插补、速度控制、位置控制等功能，无需占用p c 机的资源。 ( 2 ) 在实现插补功能计算上，可以先用上位p c 机完成数据的粗插补，然后微处理器完成 数据的精插补，充分利用微处理器的处理能力。这种采用二次插补的方法，可以避免 主机c p u 运算操作时而造成的计算延迟和通信延迟，速率和效率方面得到很大的提 高。 ( 3 ) 该结构数控系统也可以应用在高级伺服上，胜任高精度运动的要求。 本文所述的开放式数控平台具备浓厚的示教特色，主要用来教学实训，是一款教学产品。 用p c 机控制，通过专用运动控制器将插补及运动指令分别发给驱动器，驱动器根据指令实时 控制电机的运转速度和角位移，从而控制数控平台的运动轨迹，实现现场教学及实验等功能。 其对机械结构的要求相对简单。作为一个具有开放式结构的教学实验系统，为用户提供了高度 柔性的控制平台，既允许用户利用运动控制器提供的底层运动函数库进行电机运动规划和控制 方面的教学实践，也允许用户利用g 代码进行开放式数控系统的研究和教学。实验指导教师也 可根据各自对课程设置的要求，自行设计、组合安装、调试，更好地培养学生的动手能力和分 析能力，达到实训的效果。 2 1 2 开放式数控平台硬件体系结构 数控系统由硬件和软件构成，其中硬件是c n c 系统工作的物质基础。开放式数控系统硬 件体系结构必须全面支持开放式系统的基本开放特性，包括互操作性、可移植性、可扩展性和 互换性【1 3 ，h 】。其硬件应该是以总线和网络为基础的模块化拓补结构，以有利于系统的集成、维 护、扩展和向新技术迁移1 5 1 6 】。硬件结构的开放化设计主要包括两个方而，即模块的划分与总 线的选择旧。 6 南京航空航天大学硕士学位论文 在本系统平台中，硬件模块即运动控制器通过专业控制总线p c i 总线与p c 机联系，主要 实现通讯、步进控制和运动动态监控三个功能。 ( 1 ) 通讯功能 控制器通讯对象主要指p c 机，它分为数据收发和命令解释。当计算机发布控制命令后， 控制器中d s p 收到并予以分类解释，当前必须执行的命令如紧急停止坐标系运动，d s p 会立即 执行而不管当前运动状态如何；而如改变运行加速度命令指令，d s p 会将命令放在等待队列中 而不会马上执行，在电机进行下一次轨迹时执行，这是因为发出命令时电机运动并没有停止， 立即改变加速度可能导致运动出错；d s p 在执