（机械制造及其自动化专业论文）基于pmac的开放式数控教学平台的研究(1).pdf

摘要 开放式数控系统已经成为现代数控系统的发展趋势，技术体系由封闭走向 开放，将对数控技术的发展产生深远的影响。相对于传统的数控系统，开放式 数控系统在构建体系和具体实现技术上都有很大差异。本文对开放式数控系统 的构建体系进行了理论研究，并结合基于p m a c 的开放式数控系统的实际开发 经验，提出了具体的构架方案和实现技术。本文的研究目标定位在建立一个适 合现场教学特征的开放结构数控平台上，所要做的研究工作就是构建一个这样 的软硬件开发平台，满足数控一体化教学的需求。 本文通过对国内外开放式数控系统的研究，分析比较了几种开放式数控系 统的开放途径和体系结构，最终确定采用“n c 嵌入p c ”的方式来构造该教学 平台。本文把p m a c 运动控靠4 器嵌入到工业控制机( i p c ) 平台，再配上交流伺 服电机、伺服驱动器、编码器等，构成一个模块化的数控系统。为学生进行教 学实验、课程和毕业设计提供了一个平台。 研究的内容分为硬件和软件平台规划。在对平台进行设计的过程中，通过 计算，选择了电气驱动部件，包括交流伺服电机和与之匹配的伺服驱动器；应 用p m a c 的g 代码解释程序、m 代码解释程序和t 代码解释程序编写典型运动 部件运动程序，实现了运动部件的直线、圆弧等动作；通过典型实验展现教学 平台在教学过程中的应用情况。 本文紧密结合机械制造业在学校教学过程中的实际需要，对开放式数控系 统在数控教学上的应用进行了研究，充分利用开放的特点，实现了教学的新模 式。 关键词：开放式数控系统 数控教学平台p m a c 运动控制器 塑! 坠里 a b s t r a c t o p e na r c h i t e c t u r ec o n t r o lh a sb e e nb e c o m i n gt h ee s s e n t i a lr e q u i r e m e n tf o r m o d e mc n cs y s t e m ；t h ed e v e l o p m e n to f c n c t e c h n i q u eh a sb e i n gi n f l u e n c e dv i t a l l y b yt 1 1 et e c h n o l o g i c a ls y s t e mr e v o l u t i o n ，i e f r o mt h ec l o s u r et e c h n o l o g i c a ls y s t e mt o t h eo p e na r c h i t e c t u r ec n cs y s t e md i f f e r sg r e a t l yf r o mt r a d i t i o n a lc n cs y s t e mo n b o t ht h e i n t e g r a t e ds y s t e ms t r u c t u r ea n dc o n c r e t ea l g o r i t h m s 1 1 1 i sd i s s e r t a t i o n p r e s e n t sas y s t e m a t i ct h e o r e t i c a lf r a m eo ft h eo p e na r c h i t e c t u r ec n cs y s t e m ，a n d i l l u s t r a t e st h ei m p l e m e n t a t i o no fa l lo p e nc n c s y s t e mb a s e do nt h eo p e r a t i n gs y s t e m p m a c s ot h i sp a p e rt a r g e t so ne s t a b l i s h i n go p e n a r c h i t e c t u r ec n c p l a t f o r mf i t t e d f o rf i e l dt e a c h i n gc h a r a c t e r s ，w h i c hs u p p o r t sar e l i a b l ea n df r i e n d l yh a r d w a r ea n d s y s t e me n v i r o n m e n tf o ri n t e g r a t i v ec n ct e a c h i n g ， t h r o u g ht h er e s e a r c ho fo p e na r c h i t e c t u r en cs y s t e m sa th o m ea n da b r o a d ，t h e t h e s i sa n a l y z e sa n dc o n t r a s t ss e v e r a lo p e nm o d e sa n ds y s t e mp l a t f o r mam o d u l a rn c s y s t e mh a sb e e nc o n s t r u c t e dw h i c hc o n s i s t so f p m a cm o t i o nc o n t r o l l e re m b e d d e di n t h es t a n d a r ds o c k e to fi n d u s t r i a lp r o c e s sc o m p u t e ro p c ) ，a cs e l om o t o r s ，s e r v o d r i v e r sa n de n c o d e r s ，e t c at e a c h i n gp l a t f o r ma r cp r o v i d e dw h i c hs t u d e n t sd ot h e e x p e r i m e n t 、c o u r s ea n dg r a d u a t e d t od e s i g n 1 1 1 er e s e a r c hi n c l u d e st h ep a r to fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e i nt h ep r o c e s so f d e s i g n i n gt h ep l a t f o r m ，f i r s te l e c t r i c a lc o m p o n e n t s ，s u c ha ss e r v o m o t o r sa n dt h e m a t c h e ds e r v od r i v e r s ，e r e h a v eb e e ns e l e c t e db yc a l c u l a t i n g s e c o n d ，t h em o t i o n p r o g r a mo f t h ep l a t f o r m ，a p p l i e dt oc a n yo u tt h el i n e a ra n dc f f c u l a rm o v e m e n to f t h e t e a c h i n gp l a t f o r m ，h a sb e e nd e v e l o p e db ygc o d e ，tc o d ea n dmc o d eo fp m a c f i n a l l y t h ep l a t f o r mo ft h el e a c h i n gi so p e n e do u ta p p l i c a t i o n , w h i c ht h et y p i c a l e x p e r i m e n t sa r cp a s s e d t h em a c h i n em a n u f a c t u r i n gc o m b i n e dw i t ht h ef a c t u a ln e e d si nt h et e a c h i n g p r o c e s s ，t h et h e s i sr e s e a r c h e so p e na r c h i t e c t u r en cs y s t e m sa tt h ea p p l i c a t i o no f t e a c h i n g m a k et h eb e s to f t h eo p e na r c h i t e c t u r ec h a r a c t e r i s t i c s a p p l i e dc oc a r r yo u t t h en e wm o d eo f t h et e a c h i n g k e y w o r d s ：o p e na r c h i t e c t u r ec n cs y s t e m t h et e a c h i n gp l a t f o r mo fc n c p m a cm o t j o nc o n t r o l l e r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁注盘茔或其他教育机构的学位或旺 二f ；而使用过的材料。与我一同：亡作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：蒡 i 一 ll p m a c 运动控制卡 = = = = 刮。r n a m 1， ： 黼精擞lp 口 伺 - - 1 伺服放大器1h 伺服电动机1 王： 服 信 i 伺服放大器2li 伺服电动机2 检测装置、接电源开关、 号 l 限位开关操作面板、气 转 路管控制开关 - - 1 伺服放大器6h 伺服电动机6 换 板 图3 - 3 数控系统的硬件结构图 3 2 2 基于p m a c 控制器数控系统的构成 基于p m a c 的数控系统主要有以下几部分构成，如图3 4 所示。 ( 1 ) p m a c 控制器主要由一块p m a c 控制器插卡、二块p m a c 控制器 的附件a c c 8 s ( 相当于接线端子) 及一台p c 机组成，该p m a c 插件采用总线 ( 1 0 4 总线) 形式与p c 机进行通信，使用时只需将p m a c 卡插入p c 机的1 0 4 第三章基于p m a c 的开放式数控系统的构建 总线槽中即可；控制器与电气柜中各部分的连接则是通过a c c 8 s 附件来完成 的。 p m a c 控制器 图3 - 4p m a c 数控系统构成图 ( 2 ) 伺服、主轴驱动装置伺服驱动采用日本松下公司的伺服驱动及配套 的伺服电机，检测装置为光栅尺；主轴电机为通用交流电动机，采用松下的 m s m a 系列变频器。 ( 3 ) 机床操作面板主要包括工作方式的选择，主轴、进给轴的倍率开关 及一些控制按钮，此夕 还设置了一些无定义的输入开关和输出显示指示灯以方 便用户的二次开发。 3 2 3p m a c 的参数设置与程序设计 ( 1 ) 参数主要包括i 变量及m 变量，其中i 变量用于系统初始化和伺服 参数的设定等，它决定了某个给定功能的控制特性；m 变量是供用户用分配内 存的指针变量，主要完成对p m a c 存储器和i o 的存取，完成各种辅助功能的 控制。p 变量与q 变量都是供用户使用的通用变量，均采用4 8 位浮点数格式， 二者的区别为p 变量是供编程用的全局变量，而q 变量则是供编程用的局部变 量。 ( 2 ) 程序c n c 的程序主要有p l c 程序与用户加工程序，在p m a c 控制 器中p l c 程序的编制采用类b a s i c 语言完成，具有编程简单、通用性好等特点。 加工程序的编制即可用类b a s i c 语言完成，也可用g 代码编制，具有较好的灵活 性。 为实现数控铣床工作台的各种运动，作者应用p m a c 的g 代码解释程序、 m 代码解释程序和t 代码解释程序编写了宜线、圆弧等运动程序。下面给出一 段在x y 平面做直线、圆弧插补的程序： 第三章基于p m a c 的开放式数控系统的构建 ：水，# 籼k 术术籼k 木车书掌掌水书扣# 扣r 枷# 桕# 木扣# 半木率桕件幸木木翱- 木翱- 术桕# 术 c l o s e 1 # 1 - 2 0 0 0 x # 2 一 2 0 0 0 y 书拳枣书水术木木水木木木木木枣枣木水书枣宰木木术拳术芈料木木木木水水木水水木书水木木木 o p e n p r o g1 c l e a r r a p ) x 1y 4 f 5 0 0 l i n e a ry 1 3 c i r c l e lx 2y 1 41 1j o l 咂a rx 3 c i r c l e lx 4y 1 31 0j 一1 l d 旧a ry 7 c i r c l e lx 7y 41 3j 0 l 也a rx 1 3 c i r c l e lx 1 4y 3 1 0j - 1 l 仆i e a ry 2 c i r c l e lx 1 3y 1i 一1j 0 l 咂a rx 4 c 口c u 3 1x 1y 41 0j 3 c 月：l l1 0 0 r a p i dx oy o c l o s e ： 水水术书术木木术术唯丰术术术半水术半半半丰木水木丰木乖木木木木水木木 掌掌宰率丰水术掌木 1b l r 因为所用电机为2 5 0 0 脉冲转，以4 x 译码( 1 9 0 0 设为3 ) ，丝杠导程为5 m m ，所以2 5 0 0 4 1 5 = 2 0 0 0 ，故取# 卜 2 0 0 0 x 。 3 3 软件部分 p c 机进入数控领域，以p c 机作为硬件平台、w i n d o w s 系列作为软件开发平 台的开放式数控系统，极大地丰富了数控系统的硬软件资源。有利于实现总线 第三章基于p m a c 的开放式数控系统的构建 式、模块化开放化的数控系统，使其具有很高的性能价格比。随着w i n d o w s 系 统的发展与普及，开发w i n d o w s 环境( w i n d o w s 9 8 、w i n d o w s h i t 及w i l l d o w sx p ) 下的数控系统已成为广大c n c 同行的共识。今年来，国内已有不少厂家开发了基 于w i n d o w s 的控制系统，软件开发思想与技术先进，充分利用了面向对象的新理 论、新技术，数控系统软件设计规范、可靠性与可维护性好，采用了一种开放 式、模块化软件设计方法。 在基于p c 的开放式数控系统中，使用w i n d o w s 作为操作系统不仅在用户界面 上，更在功能、灵活性和其它应用程序的可使用性等方面比d o s 的数控更显优 越性m 1 。 1 、w i n d o w s 本身是一种开放的操作系统，易于在数控系统实现开放的特性。 2 、w i n d o w s 操作系统运行于保护模式，所能访问的内存不再受6 4 0 k 的限 制。与传统的系统相比，运行于此环境的数控系统其性能有明显的提高，诸如 数控程序长度的限制不再存在，可控制的轴数和联动轴数可大大增加；数控程 序编辑、通信、系统配置的实现更为方便，这使系统的开发周期大大缩短。 3 、提供高精度的实时响应。这种实时功能是基于中断的，但不需要程序员 与硬件打交道，而且可同时使用多个实时事例。实时响应的精度很高，完全能 满足数控技术的要求。 4 、支持多线程。线程是3 2 位操作系统的主要特点，它具有一系列的优点。 对数控系统来说，最有用的特征是它支持抢占式的多任务机制，实时响应速度 高，而各线程之间互不干扰。便于功能的扩充与裁剪。 基于上述理由，本课题所开发的数控系统采用w i n d o w sx p 作为软件开发平 台，利用面向对象的新理论、新技术，采用一种开放式、模块化软件设计方法， 使软件具有开放性。软件部分为上位机和下位机部分进行介绍。 3 3 1 系统的软件结构 3 3 11 系统总的软件结构图 如图3 - 5 所示。 整个c n c 系统在具有开放性的w i n d o w s 平台上用v b 语言编写，p m a c 能 够执行数控系统所有的强实时性任务，如位置控制、插补、速度处理、p l c 任 务、译码解释和刀补等，所以，数控软件开发的重点在于p m a c 与p c 机的通 信以及上层系统操作调度管理软件的编制和故障诊断、参数输入、程序编辑等 非高实时性的任务功能的实现。 拧制l 、| f ir 【 非安叫i 歧 安州域 图3 - 5 系统软件结构图 由于p m a c 提供了极其有效的开放软件包p c o m m 3 2 和a c t i v e x 通信控件 p t a l k d t ，与p m a c 通信交换信息只需调用p c o m m 3 2 里面包含的函数库里的相应 功能函数或使用p t a l k d t 提供的各种事件和方法，所以省去了繁重的通信驱动程 序的开发，不必直接与p m a c 硬件打交道，用v i s u a lb a s i c 语言即可方便地实现 数控系统；又由于w i n d o w s 设备无关性和高级语言良好的可移植性，在w i n d o w s 环境下使用v i s u a l 系列功能强大的编程语言来实现数控系统，可以使系统的结构 组织得比较明晰有序，便于功能的扩充与剪裁，以运行各种现有的软件女d c a d 、 数据库等，还能使用i n t e m e t 联网等，所以这样的c n c 系统具有良好的开放性和 可移植性”。 在w i n d o w sx p 操作系统下，以v i s u a lb a s i c 6 0 为开发工具，采用面向对象的 编程方法，充分利用控制卡配套的动态链接库中的函数，对开放式数控系统软 件进行了开发，实现了数控系统的基本功能。可实现的具体功能包括：w i n d o w s 风格友好人机接口界面、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 一墨三苎墨王! 坐! 盟茎鉴茎墼墼墨竺堕塑蕉 动态参数化配置、内置p l c 功能、刀具控制、网络功能等。 3 3 2 系统软件功能的实现 系统的初始化在系统主窗口界面调入的过程中完成，主要进行p t a l k d k 控件 属性的设置、p m a c 运动控制器参数的预置、以及数控代码转换程序的下载。初 始化子过程如下： p n v a t es u bf o r m l o a d ( ) p t a u ( d t l d e v i c e n u m b e r = o 选择所用p m a c 卡号 f t a l k d t l s i m u l a t ec o m m u n i c a t i o n = f a l s e 有p m a c 卡时，屏蔽模拟通信 p t a l k d t l e n a b l e d = t r u e 允许p t a l j t 与p m a c 通信 p t a o t l s i m u l a t ec o m m u n i c a t i o n = f a l s e 若e n a b l e 属性成功地设为t r u e ，再 次屏蔽模拟通信，确保通信有效 c a l lo p e np m a cd e v i c e ( 0 ) 起动p m a c 卡 c a l lp m a cf l u s h ( 0 ) 清空p m a c 内存缓冲区 c a l lp m a c d p r c o n t r o l p a n e l ( 0 ，1 ) 置控制面板功能 c a l l p m a c l s e n d l i n e a ( 0 ，# l j # 2 j m 1 9 1 = 4 0 0 0 m 3 9 3 = 4 0 0 0 m 3 9 2 = 4 0 0 0 i 1 9 0 = 6 0 0 0 0 i l 9 3 = 2 0 5 4 i l l5 = 16 i 1 9 5 = 1 0 0 0 0 ”) 设置群l # 2 # 3 轴比例因子( c t s u n i t ) ； 1 1 9 0 为坐标系1 的进给时间单位，6 0 0 0 0 为一分钟； 1 1 9 3 指定坐标系1 的时基控制寄存器地址； 1 1 1 5 为遇极限或程序停止的减速速率； i l9 5 为l 各轴的进给保持减速速率。 i f m a i n f o r m p t a l k d t d p r a v a i l a b l et h e n 启用或禁止d p r a v i = 里的p m a c 实时 缓冲区 c a l lm a i n f o r m p t a l k d t g e t r e s p o n s e ( r e s p o n s e ，”1 4 8 = 1 ”) 允许d p r a m 收集伺 服数据 c a l lm a i n f o r m p t a l k d t g e t r e s p o n s e ( r e s p o n s e ，”1 5 9 = 8 ”) d p r a m 缓冲区每坐 标系统最大轴数 c a l lm a i n f o r m p t a l k d tg e t r e s p o n s e ( r e s p o n s e ，”e n dg a t h e r ”1 c a l lm a i n f o r m p t a l k d t g e t r e s p o n s e ( r e s p o n s e ，”e n dg a t h e r ”) c a l lm a i n f o r m p t a l k d t g e t r e s p o n s e ( r e s p o n s e ，”g a t h e r ”) 开缓冲区 e l s e c a l lm a i n f o r m p t a l k d t g e t r e s p o n s e ( r e s p o n s e ，”e n dg a t h e r ”1 c a l lm a i n f o r m p t a l k d t g e t r e s p o n s e ( r e s p o n s e ，”e n dg a t h e r ”) 关缓冲区 e n d i f c a l l p m a c d o w n l o a d f i l e ( 0 ，”d ：k d o e u m e n t s a n d s e t i n g s k e n g i n k l v l y d o e u m e n t s 0 1 0 0 0 p m c ”) 下载数控代码转换程序到p m a c 还有许多需要初始化设置的工作都可在此代码段执行 e n ds u b 系统设有7 种工作方式，0 1 a u t o 、m d i 、s t e p 、h a n d l e 、r a p i d 、j o g 、h o m e 。 各种工作方式间实现了互锁，系统不能同时工作于两种方式下。在机床运行期 间，方式选择无效。 系统数控程序采用通用g 代码和m 、t 功能指令，编译是由g 代码解释程序 和m 代码解释程序以及t 代码解释程序分别进行解释。可以根据需要自己定制g 、 m 、t 代码，按照需要的功能编写对应的译码程序行，然后在译码程序中编制 标准的p m a c 运动控制程序，使之与g 、m 、t 代码对应由用户自定义代码解释 程序，这一特点也正好体现了p m a c 优越的开放性能。 系统的运行有许多状态需要实时监视，这里利用了t i m e r 定时器控件。在程 序运行时，计时器控件每隔一定时间间隔就产生一次t i m e r 事件，周期性地控制 某些操作。系统的每坐标每轴的状态以及各种参数变量都存在p m a cf q 存中，分 别用m 变量去指向各状态，可通过操作m 变量进行状态的读取和参数的写入以及 完成i o 的控制。 进给轴坐标值和主轴转速的实时显示也是利用t i m e r 控件在t i m e r 事件里执 行。因为坐标显示需要快速实时地刷新，所以这里通过双端t r a m 读入各轴电 机位置实际值。 p m a c 的内装p l c 与c n c 共用微处理器，利用微处理器的余力来发挥p l c 的 功能，所以i 0 点数较少。p l c 程序主要作用：监视模拟和数字输入，设置输出， 发送信息，监视运动参数，执行命令，改变增益以及开始和停止运动。通过p l c 程序可以完全对p m a c 变量署n i o 进行操作。因为它具有非同步的特性，因此， 它能有力地协助运动控制程序完成任务。p l c 程序能够在任何运动程序运行的同 时，在后台监视机床的工作状态，完成必要的逻辑控制。最多可有3 2 个p l c 程序 可分别设置为有效或无效。其中有效的程序在时间允许的范围内在后台连续地 运行m 1 。 3 3 3 上位机部分 上位机即工控机( i p c ) 部分，采用装有w i n d o w sx p 操作系统的p c 机，利用 微软的v b 开发系统控制软件的平台。主要完成系统的管理功能，如人机界面的 第三章基于p m a c 的开放式数控系统的构建 实现、程序输入、参数设定、显示、加工状态显示、仿真的实现、数据通信、 加工参数记录和故障的诊断等。实现c p u 分时共享解决实时多任务的并行处理 实现对下位机的实时监测。 3 3 4 下位机部分 下位机即p m a c 部分，主要完成机床各轴的运动，以及机床信号和控制面 板开关量的控制等实时任务。分p l c 和p m c 两大部分。 p m a c 系统的内置p l c 功能是经i 0 接口的输入输出实现的，是一种软件 化的p l c ，使用类似b a s i c 的程序，可扩展到2 0 4 8 点i o ( 输入输出) ，具有鲜 明的特点，使用方便。在控制系统中，送入p l c 的输入信号主要有：操作面板 和机床上的控制按钮、选择开关等信号，各轴的行程开关、机械零点开关等信 号，机床电器动作、限位、报警等信号，强电柜中接触器等信号。各伺服模块 工作状态信号。这些信号是通过光电隔离以后送到智能i o 接口上，光电隔离有 效地将计算机数字量通道与终部过程模拟量通道隔离起来，大大地减小了外部 因素的干扰，提高了整机系统的可靠性和稳定性。 p l c 输出的信号主要有：指示灯信号，控制继电器、接触器、电磁阀等动作 信号，伺服模块的驱动使能和速度使能信号等。这些信号经i o 接口送到相应的 继电器上，最终控制相应的电器。通过该教学操作台可模拟实现数控机床和各 种操作输入：数控设备主要用于验证实验结果的正确性，并通过位移传感器将 工作台实际位置反馈给位置环实现闭环位置控制”。 驱 数 命令信息 一一 动 控 驱功佰亏 电 生 p 一，) 机床 一，) m 状态信息 实验操作台 或 p ca ( 状态显示) 数 机 c 一) ( 开关量输入) 位置反馈位 部 反馈信息 ( 操作命令) 移 控 分 传 铣 感 床 器 图3 6 数控平台工作原理框图 基于p c 平台来开发的开放式数控平台，如图3 - 6 所示。整个系统的实现过 第三章基于p m a c 的开放式数控系统的构建 程是：首先p c 平台中的软件产生数据，然后由下位机转送给数控操作台，并经 过功率放大后控制数控机床验证实验结果的正确性，同时也可将各种状态送到 操作台上进行显示。还可以采样机床工作台位置信息，用于闭环控制或处理。 3 3 5 上下位机的通讯模式 上位机与下位机的通讯是由中断控制的。下位机为p m a c 板，以1 0 4 总线 方式与上位机通讯。在p m a c 板上有定时器，可以用程序设置，每5 毫秒产生 一次中断。上位机在收到中断信号后，将设备要运动的下一个位置，以字符形 式发送给下位机。 基于p m a c 的并行双c p u 数控系统是一种用p m a c 实现前台实时运动控 制，工控机( i p c ) 实现后台管理及人机界面接口的开放式、模块化数控系统。 i p c 与p m a c 间通过实时、可靠的通讯来协调整个系统，共同完成加工任务。 采用双端口r a m ( d p r a m ) 的总线通讯，在进行数据存取时不需要经过 通讯口发送命令和等待响应，是功能很强的通讯形式。p m a c 为d p r a m 提供 了许多数据反馈功能( 从p m a c 到主机) 、后台常量状态数据反馈功能( 从p m a c 到主机) 等，这些自动功能以一定的周期在p m a c 与i p c 间传递实时数据。而 且用户还可以用p m a c 的m 变量和主机的指针变量来指定d p r a m 中没有使用 的寄存器，来实现自定义的通讯功能。采用d p r a m 的c n c 系统结构，如图3 - 7 所示。 总线通讯方式是指主机到指定的地址上去寻找p m a c 运动控制器，其中指 定的地址是由p m a c 的跳线确定。双端口r a m 主要是用来与p m a c 进行快速 的数据通讯和命令通讯。 一方面，双端口r a m 在用于想p m a c 写数据时，在实时状态下能够快速 地将位置数据信息或程序信息进行重复下载；另一方面，双端口r a m 在用于从 p a m c 中读取数据时，可以快速地重复地获取系统的状态信息。譬如，交流伺 服电机的状态、位置、速度、跟随误差等数据可以不停地被更新，并且能够被 p l c 或被p m a c 自动地写入d p r a m 。 如果系统中不使用d p r a m ，这些数据必须用p m a c 的在线命令( 如? 、p 、 v 等) 通过p c i 0 4 总线来进行数据的存取。由于通过d p r a m 进行的数据存取 不需要经过通讯口发送命令和等待响应，所以所需的时间要少得多，因此响应 的速度就快得多。 图3 7 控制系统图 该数控系统利用d p r a m 进行数据的自动存取，提高了系统的响应速度和 加工速度，同时也方便了控制系统中各模块之间的快速通讯和地址表的设定， 降低了编程难度。 p m a c 系统的内置p l c 功能是经智能i 0 接口的输入输出实现。在控制系 统中，送入p l c 的输入信号主要有：各轴的行程开关、机械零点开关、限位、 报警信号等。这些信号是通过光电隔离以后送到智能i 0 接口上，光电隔离有效 地将计算机数字量通道与外部过程模拟量通道隔离起来，大大地减小了外部因 素的干扰，提高了整机系统的可靠性和稳定性。 p l c 输出的信号主要有：控制继电器、接触器等动作信号，伺服模块的驱 动使能和速度使能信号等。这些信号经i 0 接口送到相应的继电器上，最终控制 相应的电器。 一 蔓；垄墨三! ! ! 竺垫茎塾苎墼篓墨堕墼塑塞 系统采用通用应用编程接口a p i ( a p p l i c a t i o np r o g r a mi n t e r f a c e ) ，a p i 是应用 软件与系统软件之间的编程接口，它向下对操作实现面向连接的接口，向上对 应用软件实现面向应用的接口。系统软件通过应用编程接口为应用系统提供服 务。不同的系统软件以不同的向下接口提供通用的应用编程接1 2 1 。统一的a p i 保 证应用系统的可移植性和应用系统与运行平台的无关性。 3 3 6 人机界面模块 人机界面模块是人机交互的联系纽带。操作人员通过人机界面向控制主机 输入或修改控制参数，发出各种控制命令；控制主机通过人机界面想操作人员 显示系统的运行状态，发出系统错误报警信息，或给出操作信息提示等。人机 界面的设计应使系统容易使用，及人机交互的友好性，其体现在灵活性、实用 性、透明性、一致性四个方面。所谓灵活性，是指控制界面应能适应各种类型 的用户，包括经常使用系统的熟练用户和不经常使用或刚刚使用的生疏用户； 能够根据需要做修改或扩充；人机交互过程中，系统可以提供各种响应信息， 如提示信息、报警和帮助信息等。所谓实用性，是指总是能够通过少量的、简 单的操作，完成复杂的、大量的工作。所谓透明性，是指用户通过人机界面能 够知道或预测出每一次操作以后系统的运行结果。所谓一致性，使指人机界面 的处理方式与人们通常的思维方式一致；其次是应在应用系统的不同阶段，人 机界面的交互方式要一致，这样可以减少用户适应系统的时间和降低系统的操 作难度。 参考国内外数控系统界面的设计风格，开放式数控教学平台数控系统人机 界面主要设计了以下几个主要界面：系统的启动界面；参数输入、计算、中间 参数修改界面；p l c 参数设置界面；三维实体仿真界面。 下面给出其中的一个主交互界面，如图3 - 8 所示： 此界面可以使用户对该界面的功能一目了然，并可进行方便的选择。所设 计的功能键具有动态导航作用，它可以随工作状态、工作阶段的不同而显示不 同的功能键；标题栏：用于显示系统目前所处的状态信息；工件坐标显示 区：用于显示当前工件坐标；程序列表区：用于列表显示当前可选择的程序， 也可用于参数列表；提示栏：用于对用户的操作加以提示，并接受用户的数 据输入；功能键说明区：指示f 键对应的功能；机床坐标显示区：用于实 时显示当前机床坐标；运动参量显示区：用于实时显示当前运动的进给修调 倍率和主轴修调倍率；模态指令显示区：用于实时显示系统当前显示的g m 第三章基于p m a c 的开放式数控系统的构建 模态指令；刀具参数显示区：用于实时显示当前使用的刀具以及刀具补偿值： 资源信息显示区：用于对当前运动进行实时仿真，也可用于实时显示参数相 关的图片等信息。 图3 - 8 主交互界面 人机界面给学生二次开发的设计空间，学生可以根据教学过程中的需要， 在教师指导下，进行人机界面的设计。 3 4 本章小结 本章节主要研究内容是利用开放式体系结构的优势和高性能p m a c 的运算 和管理功能，为c n c 上层软件构建个功能完整、运转可靠并且具备开放特征 的底层硬件平台，由珊4 6 c 进行的实时控制，使系统具有较高的性能。应用 p m a c 的g 代码解释程序、m 代码解释程序和t 代码解释程序编写了直线、圆 弧等运动程序；及人机界面模块的设计。针对数控教学的特点设计了合适的软 件体系结构、合理划分c n c 功能和任务模块、并制定适当的调度策略，基本实 现了软件平台的稳定性，为应用程序的开发建立了一个初步的运行环境。 第四章开放式数控教学平台的研究 4 1 引言 第四章开放式数控教学平台的研究 开放式数控教学平台作为数控教学的重要组成部分，其设计出发点必须是 以数控教学为主，充分体现其开放特性，使学生通过在平台上的学习。能够掌 握数控技术的特点，学会操纵数控设备，了解数控系统原理和组成，对设备具 有一定的维护维修和设计能力。 本章针对开放式数控教学平台，从功能和组成两个方面对其进行研究，并 通过计算，选定平台的机械部件和电气驱动部件。 4 。2 数控的基本原理 数控系统分硬件数控系统和计算机数控系统。硬件数控由数字逻辑电路来 处理数字信息，由于功能少、线路复杂、可靠性低等缺点，己被淘汰。计算机 数控( c n c ) 是由计算机处理数字信息的，具有良好的柔性，很容易通过软件 来更改或扩充功能。c n c 系统的控制精度取决于硬件，功能取决于软件。c n c 系统的逻辑控割、几何数据处理认及零侔程序的执行由c p u 统一控制，所以c n c 系统又称软件数控系统。硬件由微处理器、外部设备、位置控制和位置检测、 输入输出接口和操作面板等组成。软件完成如下任务：系统管理、操作指令的 处理、零件程序的编辑、零件程序的输入、解释与执行、系统状态显示手动数 据输入m d i 、故障报警和诊断。 其中最主要的是控制零件程序的执行。执行一个零件程序的首先要输入 c n c ，经过译码、数据处理、插补、位置控制，由伺服系统执行c n c 输出的指 令驱动机床完成加工。这个过程如图4 - 1 所示。 零件程序经输入系统输入n c n c 中，存在零件程序缓冲区，然后进行插补 前的各种处理。包括：译码、运动轨迹计算及f 值计算3 个部分，译码程序的功 能是将输入的零件程序数据段翻译成c n c 所需的信息。运动轨迹计算是将工作 轮廓轨迹转化为刀具中心轨迹，使零件程序编制方便。f 值计算( 速度计算) 主 要解决加工运动的速度问题。译码与数据处理( 包括轨迹计算和f 值计算) 是插 补的基础，是c n c 软件的一个关键部分“。 第四章开放式数控教学平台的研究 ；一j c n c 单元 州 蚓 图4 - l 数控对零件程序的处理流程 零件程序经过译码、数据处理后接下来就是插补与位控。插补和位控是c n c 中轨迹控制，它们用一种简单快速的算法计算出刀具运动的轨迹信息，并经过 p i d 调节后控制伺服单元的速度指令。插补程序根据数据处理后零件的信息，以 数字方式进行计算，不断向系统提供各坐标轴的位置命令，这种计算叫做插补 计算。奁线和圆弧是构成工件轮廓的基本线条，因此c n c 一般都具有直线和圆 弧插补功能。插补程序要完成轮廓起点到终点问各中间点的坐标计算，这是c n c 中最重要的计算任务。插补计算必须是实时的，即必须在有限的时间内完成计 算任务，对各坐标轴分配速度或位置信息。插补程序的运行时间和计算精度影 响着整个c n c 的性能指标“”。 4 3 开放式数控的基本原理 传统的数控系统一直沿着封闭式结构。对用户来说，这种数控系统只是一 个被定义了输入和输出的黑匣子，其内部细节是不可知的。这种数控系统最大 缺点就是在原来基础上很难或几乎不可能再添加入新的控制策略和方案以及扩 展新功能。随着计算机在制造过程中的广泛应用，改善带6 造过程性能的需求越 来越强烈，这种封闭式结构的局限性也越来越明显。为适应不断发展的现代技 术需求，未来的c n c 控制器必须能够被用户重新配置、修改、扩充和改装，并 允许模块化地集成传感器、加工过程的监视与控制系统，而不必重新设计硬件 和软件。要达到这一目的。最有效的途径就是实现开放性。 在p c 枫硬件平台和操作系统的基础上，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 i 0 4 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 软件开发数控系统追加功能和实现功能的个性化提供了保证。 第四章开放式数控教学平台的研究 4 4 开放式数控教学平台的功能和组成 4 4 1 功能 开放式数控教学平台是用于培养学生掌握数控系统的编程方法，以及数控 系统电气设计、安装、调试、维护维修等实际动手能力的一套数控教学装置。 该教学平台采用模块化设计，便于组合和扩展，也便于检查和调试。利用该实 验装置可以使学生掌握数控系统的控制原理、电气原理、电气设计方法、元器 件的选用；掌握数控系统电气元件布置、安装、调试等方法。实验台能够实现 工业生产过程，达到工业现场实习效果。由于该平台是基于开放式数控系统开 发，所以不仅可按照推荐的方式进行设计、安装、调试，实验指导教师也可根 据备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。， 4 4 2 组成 开放式数控教学平台由数控装置、变频调速主轴及三相异步电动机、交流 伺服单元及交流伺服电动机( 可选步进电动机驱动器及步进电动机) 、测量装置、 机床组成。教学平台组成两大部分操作平台和机床框图，如图4 - 2 所示。 图4 - 2 开放式数控教学台组成框图 l 、数控装置 数控装置采用的是“p c + 运动控制器+ 软件”。该装置采用先进的开放式体系 第四章开放式数控教学平台的研究 结构，内置嵌入式工业p c 机，通过嵌入式x p 附加实时控制特征封装成一个完 整的工业级智能化的运动控制平台系统。配置1 2 英寸高亮t f t 液晶显示屏、全 汉字操作界面、丰富的编辑和操作薄膜键盘，集成化的用户交互界面、故障诊 断与报警装置、三维实体图形仿真显示，操作简单，易于掌握和使用。该数控 装置具备进给轴接口、主轴接口、手持单元接口、内嵌式p l c 接口和多种通讯 接口，可实现r s 2 3 2 ，r s 4 8 5 ，以太网等方式的数据传输，配合专用的通讯软件， 可实现局域网，f 皿和远程i n t e r n e t 的数据下载和上传。装置内部提供标准 车、铣床控制的p l c 程序，用户也可自行编制p l c 程序。该数控装置采用国际 标准g 代码，与各种流行的c a d c a m 自动编程系统兼容，具有直线插补、圆 弧插补、刀具补偿等功能，支持硬盘、u 盘等存储方式，可通过软驱、d n c 、 必太网进行程序交换，具有性能高、配置灵活、结构合理、易于使用、可靠性 高的特点。 2 、变频调速主轴单元 变频主轴采用的是松下变频器。变频器采用矢量控制，使用三相交流3 8 0 v 电源，其最大功率( 恒转矩) 1 5 k w ，输入电流( 恒转矩) 3 9 a ，最大输出电流 ( 恒转矩) 4 0 a ，两个模拟输入量o 1 0 v ，0 2 0 m a ( 一1 0 1 0 v ，0 2 0 m a ) 。 电动机采用交流伺服电动机，功率0 5 k w ，转速1 3 9 0 r m i n 。 3 、交流伺服驱动单元 交流伺服驱动单元采用的是松下m i n a sa 系列的m s m a 0 4 3 a i a 伺服单元 和m s m a 0 4 2 a 1 c 伺服电动机。m s m a 0 4 3 a 1 a 与m s m a 0 4 2 a 1 c 构成闭环控 制系统，提供位置