（机械制造及其自动化专业论文）数控多功能复合机床运动控制卡的研究.pdf

硕士学位论文 摘要 随着数控技术的发展，开放式数控系统已成为一个重要的发展方向。作为开 放式数控系统的重要组成部分，运动控制卡的研究和开发也日渐受到重视。在与 企业合作开发数控多功能复合机床的过程中，发现目前市场上流行的几种运动控 制卡虽然功能丰富而强大，配置灵活，但在实现高速度高精度方面的性能还没有 达到所需的指标要求，为此，本课题旨在研究和开发出能具有高速高精度加工功 能的运动控制卡。 首先，本文针对数控多功能复合机床对硬件设计要满足的速度、精度、实时 性和开放性等的要求，并在比较各种运动控制卡设计方案的基础上，选择了基于 p c i 总线的“d s p + f p g a ”的总体设计方案，这种方案既充分利用了f p g a 资源丰富 和d s p 对数字信号的高速处理功能，又利用了p c i 总线高速传输的功能，达到了 课题所需要的运动控制卡性能要求。 然后，本文着重从应用的角度进行了运动控制卡的硬件设计，包括：d s p 芯 片最小系统的设计和运动控制接口电路的设计，以及运动控制卡中f p g a 模块的 设计，并进行了电路抗干扰研究和设计。 最后，本文对所设计的运动控制卡进行主要数控功能的测试，测试结果表明， 该运动控制卡基本能够实现预期功能，且运行性能稳定。 关键词：数控多功能复合机床；运动控制卡；开放式数控系统；可编程逻辑器件； 数字信号处理；现场可编程逻辑门阵列 数摔多功能复合机床运动控制卡的研究 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h et e c h n o l o g yo fn u m e r i c a lc o n t r o l ，t h eo p e ns y s t e m o f n u m e r i c a lc o n t r o lh a sb e c o m ea ni m p o n a n td e v e l o pd i r e c t i o n a sa ni m p o r t a n tp a r to f t h eo p e ns y s t e mo fn u m e r i c a lc o n t r o l ，t h es t u d ya n dd e v e l o p m e n to fm o t i o nc o n t r o l b o a r da l s og e tg r a d u a l l yt op a ya t t e n t i o n i nt h ec o - d e v e l o p m e n to ft h en cm u l t i p l e f u n c t i o nm a c h i n et o o l sw i t ht h ee n t e r p r i s e ，i ti sf o u n dt h a ts o m ek i n d so fp o p u l a r m o t i o nc o n t r o lb o a r d so nm a r k e th a v er i c ha i l dp o w e r f u lf u n c t i o n ，b u tt h e yc o u l dn o t m e e tt h er e q u i r e m e n t si nt h ea s p e c to ft h eh i g hs p e e da n dh i g hp r e c i s i o n ，t h i sp a p e r a i m sa ts t u d y i n ga n dd e v e l o p i n gam o t i o nc o n t r o lb o a r dt h a th a v et h ef o r m e rf u n c t i o n f i r s t ，i nv i e wo ft h es p e e d ， p r e c i s i o na n dt i m e l i n e s so ft h en cm u l t i p l ef h n c t i o n m a c h i n et o o l s ，a n dt oc o m p a r ee a c hk i n do fm o v e m e n tc o n t r o lc a r dd e s i g np r o p o s a l ，t h e p a p e rh a sc h o s e nb a s e do nt h ep c i - b u s “d s p + f p g a ”t h eo v e r a l lp r o j e c td e s i g n t h i s k i n do f p l a nb o t hh a su s e dt h ef p g a f r u i t f u li nr e s o u r c e sa n dd s p f u l l yt ot h ed i g i t a l s i g n a lh i g hs p e e dp r o c e s s i n g向n c t i o n ，a n d h a su s e dt h ep c i b u s h i g hs p e e d t r a n s m i s s i o n f u n c t i o n ，h a sa c h i e v e dt h em o v e m e n tc o n t r o lc a r dp e r f o r m a n c e r e q u i r e m e n tw h i c ht h et o p i cn e e d s t h e n ，f r o mt h ea n g l eo fa p p l i c a t i o n ，t h i sp a p e rd e s i g n st h eh a r d w a r eo ft h em o t i o n c o n t r o lb o a r d ，i n c l u d i n g ：t h em i n i m u ms y s t e md s pc h i pd e s i g na n dm o t i o nc o n t r o l i n t e r f a c ec i r c u i t d e s i g n ，t h ed e s i g n o ft h e p e r i p h e r a l c i r c u i t i n t e g r a t e d m o d u l a r ( f p g a ) t h i sp a p e ra l s os t u d ya n dd e s i g nt h ei n t e r f e r e n c er e j e c t i o n a tl a s t ，t h i sp a p e rc a r r i e so u tt h em a jo rf u n c t i o nt e s t so ft h em o t i o nc o n t r o l b o a r d ，a n dt h et e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h i sb o a r dc a nr e a l i z ea b o v e f u n c t i o n s c o m p l e t e l y ，i t s c o n t r o lp r e c i s i o nr e a c h e sd e s i g nr e q u i r e m e n t s ，a n di t sp e r f o r m a n c ei s s t a b i l i z e d k e y w o r d s ：n cm u l t i p l ef u n c t i o nm a c h i n et o o l ；m o t i o nc o n t r o lb o a r d ；o p e nn c s y s t e m s ；p r o g r a m m a b l el o g i cd i v i c e ；d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) ；f p g a ( f i e l d p r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 硕十学位论文 插图索引 图1 1 基于p c 的开放式数控系统的体系结构6 图1 2 数控系统结构7 图2 1 机床结构外形简图1 0 图2 2 左旋滚刀加工直齿轮的安装图1 l 图2 3 加工斜齿轮z 轴差动运动1 2 图2 4 工件的附加运动1 2 图2 5 圆柱直齿滚切加工模型1 5 图2 6 圆柱斜齿滚切加工模型1 6 图2 7 轴向滚切圆柱齿轮模型1 6 图3 1 步进电机控制系统结构图1 8 图3 2 伺服电动机控制系统结构图2 0 图3 3 运动控制卡总体设计方案图2 2 图4 1t m s 3 2 0 c 2 8 1 2 芯片片内功能框图2 5 图4 2f l e x l o k 系列的内部框图2 9 图4 3l e ( 逻辑单元) 框图3 0 图4 4 配置电路3l 图4 5t p s 7 6 7 d 3 1 8 电路连接图3 3 图4 6t p s 3 8 2 3 上电时序图3 3 图4 7 内部晶钟的时钟电路3 4 图4 8 外部晶钟的时钟电路3 4 图4 9 存储器扩展电路3 5 图4 1 0j t a g 插头引脚图3 5 图4 1 1d a c 7 7 4 4 的功能原理图3 6 图4 1 2d a c 7 7 4 4 芯片的外围电路图3 7 图4 1 3 士1 2 v 转换成1 0 v 的电压转换电路3 8 图4 1 4 输出端口原理图3 8 图4 15 输入端口原理图3 8 图5 1 硬件插补器实现原理图4 2 图5 2 精插补时序发生电路原理图4 3 图5 3 精插补译码电路原理图4 3 图5 4d d a 积分器原理图一4 3 图5 5 积分机状态机的转换4 4 i l i 数控多功能复合机床运动摔制卡的研究 图5 6 位置反馈信号处理框图4 8 图5 7 增量式编码器波形图4 8 图5 8 码盘信号处理模块状态转换图4 9 图5 9 四倍频及辨向电路4 9 图5 1 0 四倍频及辨向电路仿真波形4 9 图5 1 1 双口r a m 的时序关系图5 l 图5 1 2 接口控制器结构框图5 3 图6 1 数控多功能复合机床5 4 图6 2 运动控制卡放置位置图5 4 图6 3 运动控制卡实物5 5 图6 4 数控多功能复合机床加工界面图5 5 图6 5 实验用的塑料齿轮毛坯5 5 图6 6 加工好的齿轮实物5 5 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：胡毒点 日期：砷年多月9 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本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、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中 国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名： 导师签名： i 乡曰皂岳 硎破 日期：卅年占月9 日 日期：日 硕士学位论文 第1 章绪论 2 1 世纪全球化的脚步使各企业间的竞争更为剧烈；现代的市场对产品要求越 来越讲究个性，产品的趋势是小批量多品种；并且制造行业的技术信息越来越全 球化共享，这些势必要求生产制造商具有很强的市场适应能力即具有良好的柔性 和多种加工功能的制造系统。这一切的变化直接引发了近年来诸如：网络数控、 制造集成化、远程加工等技术快速发展，这些概念最终基于一个事实：当前制造 系统己不是简单的游离体，而更需要具有模块化、可扩充、相互兼容、开放式的 可重构数控系统。人们已逐步认识到传统专用c n c 系统的自成一体特性所带来的 互不兼容的弊病，迫切需求具有配置灵活，功能扩展简便，基于统一规范和易于 实现的开放式系统。【l 】 1 1 开放式数控系统的发展及研究现状 1 1 1 数控系统的现状与发展趋势 计算机数控系统( c n c ) ，作为制造形状复杂、高质量、高精度产品所必需的 基础设备，已成为当今先进制造技术的一个重要组成部分。然而目前市场上组成 c n c 系统的硬件模块和软件模块结构上绝大多数是专用的、互不兼容的，系统各 模块的交互方式、通讯机制也不尽相同。虽然这种相对封闭的结构有利于保护制 造商的知识产权，形成自身的技术特色，但是同时也造成了不同厂家控制系统的 独立、彼此封闭。 随着技术的进步，市场竞争的加剧，这种专用体系结构的数控系统越来越暴 露出其固有的缺点。一方面，各种控制系统间互联能力差，影响系统的互相集成。 风格不一的操作方式以及专用件的大量使用，不但使用户培训费用增加，还给数 控设备最终的用户带来不便、造成了数控设备制造商对系统供应商的依赖，并且 系统供应商在开拓新市场方面也面临由于互连性及兼容性问题造成的研发费用 高、周期长、风险高等不利因素。因而从多方面来说都不利于数控系统自身技术 的进步。1 2 j 一目前c n c 的制造商、系统集成商、用户都希望能够自由的选择驱动装置、伺 服电机、应用软件等数控系统的各个构成要素，并采用规范的、简便的方法将这 些构成要素组合起来。总之，由于传统的数控系统结构带来的功能扩展困难、难 于实现信息集成等弊端，已不能满足现代制造业向信息化、敏捷制造模式的发展 需要。 随着各相关技术尤其是微电子集成电路和计算机技术的迅猛发展，高性能的 数控多功能复合机床运动摔制卡的研究 数控系统呈现以下几大明显的发展趋势： ( 1 ) 建立开放式体系结构的数控系统。使系统具有开放性、互操作性、可移 植性、可缩放、可互换性的特点。这种开放式的体系结构使得生产商可以在共同 的标准平台上建立广泛的合作，用户则可以根据需要选择最先进的硬件和最新控 制软件，实现最优化的系统，这是新一代数控系统的主流结构。 ( 2 ) 高速、高精度和高自动化。为了适应机床高速和高精度加工的需求，世 界各国的数控设备生产商都致力于提高系统的控制精度和加工精度，使数控系统 能够进行高速插补、实时运算，在高速运行中保持高的定位精度。 ( 3 ) 智能化。在数控系统中配备编程专家系统，故障诊断专家系统、参数自 动设定和刀具自动管理及补偿等自适应调节系统，在高速加工时的综合运动控制 中引入提前预测和预算功能、动态前馈功能，及采用模糊控制，使数控系统的性 能大大提高，从而达到最佳控制的目的。 ( 4 ) 网络化。为适应制造业的网络化和全球化发展趋势，数控系统的网络化 功能日趋重要，可以实现企业内部的资源和信息共享，适应远程加工和诊断等。 从以上的发展可以看出，建立开放式体系结构的数控系统是为了从数控系统 基本架构的层次上解决变化频繁的需求与封闭的数控系统之间的矛盾，从而建立 一个统一的可重构的系统平台，增强数控系统的柔性，使作为核心基础单元的数 控系统能更好地适应各种先进制造技术和模式发展的需要。开放式数控技术是今 后数控技术发展的大方向，因此必须重新审视原有数控系统的设计模式，建立新 的开放性的系统设计框架，使数控系统向模块化、平台化、工具化和标准化发展， 最终形成一个从设计、制造到集成整个开发和生产过程能够为数控机床制造商、 系统开发商和系统集成商所广泛接受和遵循的统一标准和规范。开放式数控系统 的研究是新一代数控系统研究的基础，具有十分重要的意义。 1 1 2 开放式数控系统的概念 目前对于开放式数控的具体定义还存在争论，但根据i e e e 关于开放式系统的 定义：能够在多种不同平台上运行，可以和其它系统的应用互操作，并能给用户 提供一种一致风格的交互方式。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 作性和可缩放性的特点，即系统组成的内部开放化和系统组成各种部件之间的开 放化。开放式系统具有以下基本特征0 1 ： ( 1 ) 模块化开放式数控系统首先应当具有模块化的特征。模块化的含义有 两层：首先是数控功能的模块化，可以根据机床厂的要求选装各个功能：另一层 含义是系统结构的模块化，即数控系统内部实现各功能的算法是可分离的、可替 代的。例如，可以单独替换数控系统的核心插补算法，或替换数控系统的操作界 面。系统体系结构模块化是功能模块化的基础，也是系统配置、重组的基础。只 2 硕士学位论文 有模块化的数控系统才能谈得上开放。 ( 2 ) 标准化“开放 从来都不是毫无约束的开放，而是在一定的规范下的 开放。如同p c 领域中一样，任何硬件厂都可以设计制造p c 中使用的硬件，但都 要符合p c 的各种标准。只有这样，才能实现p c 系统的开放。控制器的开放也要 在标准化的约束下实现。美国、欧洲和日本研制开放式控制器的步骤都是这样： 由机床控制器领域的多家公司和研究所组成联盟，全面制定控制器的标准，包括 硬件和软件的各种接口，然后在行业内或联盟内公布这些标准。此后，各公司可 以根据标准和自己的技术特长，开发控制器中的部件或功能模块。不同公司的产 品可以拼装成一部集多家公司智慧的、功能完整的控制器。这样的控制器可以实 现部分的升级，而不会影响系统的其他功能。对于同一功能的部件也可以有多家 公司的产品可供选择，可以实现“互易操作性”。“标准化 的基础是模块化，因 为标准的制定要建立在模块合理划分的基础上。 ( 3 ) 平台无关性开放式控制器应当具有平台无关性。所谓平台无关性是指 控制器不依特定的硬件平台和操作系统平台。对于平台无关性的理解也不是绝对 的，因为跨平台的程序移植总是有许多工作要做，就如同m a c 机的应用程序不能 直接应用于p c 机，而n t 下的应用程序不能直接应用于u n i x 下一样。开放式控制 器的平台无关性是指控制器与计算机平台之间的接口明确，只要使用具体平台的 a p i ( 应用程序接口) 编写接口，在支持a p i 的编译环境中重新编译就可以实现控 制器的跨平台移植。这样将大大缩短控制器及其应用程序的移植。实现这一功能 的基础是在设计控制器的时候将需要调用计算机系统功能的接口进行明确定义， 以供具体的系统设计时用a p i 实现。 ( 4 ) 可再次开发开放式控制器应当允许用户进行二次开发。二次开发是具 有不同层次的。比较简单的二次开发可以包括用户根据实际情况调整系统的参数 设置和进行模块配置。进一步的二次开发包括对用户界面的重新设计。更深层的 开发应当允许用户将自己按照规范设计的功能部件集成到系统中去。为了实现上 述功能，系统应具有可扩展性。所以系统应当提供接口标准，包括访问和修改系 统参数的机制以及控制系统提供的a p i 和其他工具。 ( 5 ) 适应网络操作方式作为开放式控制器，应当考虑到迅速发展的网络技 术及其在工业生产领域中的应用。目前，比较简单的网络应用尚停留在通过网络 向数控系统传递零件程序、加工指令或进行一些远程监控的工作，网络技术尚没 有有机地融入控制器的体系结构中。可以预见，随着网络技术逐步融入p c 机及其 后续机型，网络技术也必将融入开放式控制器的体系结构中。目前，网络技术的 发展可以高速传递大量数据，完全可以适应实时控制的需要，甚至可以传送大量 的监控图像。 总之，所谓开放式数控系统应是一个模块化、可重构、可扩充的软硬件控制 数摔多功能复合机床运动控制仁的研究 系统。 1 1 3 国内外开放式数控系统研究现状h 一7 1 一、国外开放式数控系统研究现状 开放式数控系统的研究始于1 9 8 7 年，美国空军在美国政府资助下发表了著名 的“n g c ( n e x tg e n e r a t i o nc o n t r o l l e r 下一代控制器) 研究计划”，提出了开放 式控制器的概念和标准规格。目前，在开放式数控研究上具有代表性的是美国的 o m a c ( o p e nm o d u l a ra r c h i t e c t u r ec o n t r 0 1 l e r ，开放式模块化体系结构控制器) 计划、欧洲的o s a c a ( o p e ns y s t e ma r c h i t e c t u r ef o r c o n t r o lw i t h i na u t o m a t i o n ， 自动化系统中控制的开放系统体系结构) 计划和日本的o s e c ( 0 p e ns y s t e m e n v i r o n m e n tf o rc o n t r 0 1 l e r s ，控制器开放系统环境) 计划。其共同特征是建立 个规范的软、硬件公共平台，然后通过扩充使其适用于不同的控制对象。 1 美国的o m a c 计划 1 9 9 4 年，美国通用、福特、克莱斯勒三大汽车公司为解决自身发展中碰到的 问题，在n g c 计划指导下，联合提出了“开放式模块化体系结构控制器 即o m a c 的开发计划。其目的是开发一种模块化的可重构控制系统，能适应新技术的发展 和用户需求，随时可纳入或集成模块化软件与硬件，使之重构成一个高效的控制 器，以实现具有低成本、少维护、开发周期短、更新换代快等特点的控制系统。 o m a c 没有指定固定的基础体系结构，也没有提供有关系统硬、软件平台信息，没 有指定操作系统，是一种抽象的根本的开放式体系结构。实际上，0 m a c 是一种概 念并不是一种控制器或标准。 2 欧盟的o s a c a 计划 o s a c a ( o p e ns y s t e ma r c h i t e c t u r ef o rc o n t r o lw i t h i na u t o m a t i o ns y s t e m ) 项目是以德国机床制造联合会为主，协同欧盟2 0 余家厂商及科研机构于1 9 9 0 年 共同发起的。o s a c a 参照开放式系统互连模型提出了“分层的系统平台加结构化的 功能单元”的体系结构，将通用控制系统的功能划分为硬件、系统软件和应用软 件三层。在0 s a c a 开放式控制系统中，应用程序接口( a p i ) 是系统平台向外部提供 服务的通道，也是结构功能单元访问系统平台的唯一途径，它屏蔽了平台的真实 实现，保证了系统平台的硬件无关性和操作系统无关性，从根本上实现开放式体 系结构。 3 日本的o s e c 计划 ； 1 9 9 4 年，由东芝、三菱等6 家日本公司联合成立了一个叫做控制器开放系统 环境( o p e ns y s t e me n v i r o n m e n tf o rc o n t r o l l e r s ) 的工作委员会。o s e c 研究的重 点集中在n c 本身和分布式控制( d n c ) 系统上，o s e c 认为从制造的角度看，n c 就是 分布式d n c 制造系统的一个服务器。o s e c 所谓的开放式系统本身就被认为是一个 分布式系统，它能满足用户对制造系统不问配置的要求、最小化费用的要求和应 4 硕士学位论文 用先进控制算法及基于p c 的标准化人机界面的要求。 o s e c 的目标是提出一个国际性的工厂自动化控制设备标准，它提出了控制器 的分层模型，明确了各层次模块的功能、服务内容及接口规范，将各功能单元分 组并结构化到一些功能层中，其开放式系统包括了应用环境、n c 环境和驱动部分 等3 个功能层共7 个处理阶层。此外还定义了一种新的n c 数据表示法：f a d l ( 工 厂自动化描述语言) 。该语言具有能面向对象设计、能抽象硬件( 数据可以移植到 带有解释器的任何一台机器上) 、能表征曲线形状等优点。 二、国内开放式数控系统研究现状 我国的数控技术经过“六五 、“七五 、“八五 到现在“十一五的近3 0 年 的发展，基本上掌握了关键技术，初步形成了自己的数控产业。我国的数控技术， 在“八五 攻关中，不失时机地提出了以自主版权为目标，以平台为基础的发展 战略，而且在攻关过程中，瞄准或调整到以p c 机为基础的发展路线上，并以此形 成了两种平台，开发出了四个基本系统，其中华中l 型和中华i 型是将数控专用 模板嵌入通用p c 机构成的单机数控系统，航天i 型和蓝天i 型是将p c 机嵌入到 数控之中构成的多机数控系统，形成典型的前后台型结构。其中，华中数控系统 有限公司的华中一2 0 0 0 型高性能数控系统是面向2 l 世纪的新一代数控系统。华 中一2 0 0 0 型数控系统( h n c 一2 0 0 0 ) 是在华中i 型( h n c 一1 ) 高性能数控系统的基础上 开发的开放式数控系统。该系统采用通用工业p c 机、t f t 真彩色液晶显示器，具 有多轴多通道控制能力和内装式p l c ，可与多种伺服驱动单元配套使用。具有开放 性好、结构紧凑、集成度高、可靠性好、性能价格比高、操作维护方便的优点。 然而就总体而论，虽然各个系统都向p c 平台方向发展，但在具体的实施开发 中仍然存在一些问题。最大的问题即是开放性不够、开发环境和支持手段不足， 要作为用户方便地进行二次开发的开放程度还远未达到，只是具有相当技术力量 的开发单位才能使用，而作为能够普及到一般用户的程度则还远远不够。 开放性数控是数控技术发展的必然趋势，开放性的体系结构给c n c 生产厂家、 机床制造厂和用户都带来了许多益处。我国在2 0 0 0 年也开始进行中国的 “o n c ( o p e nn u m e r i c a lc o n t r 0 1s y s t e m ) 开放式数控系统 的规范框架的研究和制 定。 1 1 4 开放式数控系统的体系结构 目前，采用工业p c 机，并将其功能集成到c n c 中去，发展基于p c 的通用化 数控系统，符合数控技术发展的最新潮流，已成为世界各国发展研究的重点。基 于p c 的开放式数控系统的体系结构主要有如下四种方式( 如图1 1 所示) ： 5 黛卷黼 c ) 运动柠制器 p cd ) 令软件彤n c 图11 基于p c 的开放式数控系统的体系结构 1 ) p c 连接型n c p c 连接型n c 是将现有原型c n c 与p c 用通用串行线直接相连的种组成形式。 其优点是容易实现，且原型c n c 几乎可以不加改动的使用，也可以使用通用软件。 缺点足这种数挣系统d l 于其开放性只在p c 部分，其专业的数控部分仍处f 瓶颈结 构，且系统的响应速度、通讯速度慢。 2 ) p c 嵌入型n c m 嵌入型n c 即在传统的专川数控机床中嵌八i ，c 技术，i ，( ：与c n c 之间用专用 总线连接。其优点是原型c n c 儿乎可咀不改动的使川，且数据传送速度快，系 统响应帙。缺点是f | _ i 于它的n c 部分仍然是传统的数控系统，不能使用通用p c ，其 体系结构还足不开放的，p c 的玎放程度受到限制。冈此这种结构尽管也具有一定 的开放件，但h j 广无法介入数控系统的核心。 3 ) 运动控制卡+ p c 型 运动 卒制卡+ i ，c ，州即存通用阿的打展楷中插八运动控制 ，完令采用以p c 为硬件平台的数控系统，这种系统王要是基1p c 或p c 盼s c ，其中最主要的部件 足汁算机和控制运动的控制卜。这种运动控制卡通常选用高速吣p 作为c p u ，具有 很强的运动控制和1 1 l ，c 控制能力。它本身就足一个数柠系统，i ，j 以甲独使用。它 丌放的两数侔供州广在wt n d 0 w s 、p 台r 自行开发构造所需的控制系统。崮而这种 开放结构运动控制卡被广泛应用于制造业自动化控制各个领域。其优点是能充分 保证系统性能，软件的通用件强目绷程处雕灵j 舌，缺点足确保系统川靠r 主也足个 有待进步研究的问凰。 4 ) 伞软件型n c 争软件，唑n c 巳完全采用f ，r 的仝软件形式的数控系统，n c 的全挪功能处理全由 p ( 1 进行、并通过装任p c 扩展椭 的接lk 等进 j ：控制。其优j 。一是编程处理扣“1 灵 活，机件的通用性强。它的c n c 软件全部装在计算机巾，而硬件部分仅是计算机 缈。，盥 曦川一 盥 与倒服驰动和外部i o 之r _ 1 j 的标准化通用接口。与前儿种数控系统相比全软件 型开放式数控系统具有最高的性能价格比，冈而最有生命力。缺点是在通用p c 卜 进行实时处理，较难保证系统性能，其可靠性也有待进一步研究。目前由于存在 着操作系统的实时惟、标准统一件及系统稳定十牛等题，这种系统目前正处于探 求阶段，还没有犬规模投入到实际的应川中。 12 运动控制卡及其研究现状 12 1 运动控制卡在开放式数控系统中的地位 运动控制卡在数控系统中起到非常重要的作用，图l2 示出的是一种典型 的数拄系统结构。 图12 数控系统结构 和。n c 嵌入p c 的数控系统中，p c 机崩柬提供良蚶的人机界面，负责用户数 错的录入、数捧系统r 作状态监控与指不等工作，它输fj 运动指令剑运动控制卡： 而驸动器接受运动控制卡输出的动作信号或指令，驱动电机运转，同时还町以将 电机的运行状犹反馈给运动控制 。运动控制 作为n c 单兀，是p c 机与驱动执 行部件之间的一座桥粱，数控系统巾的捕补算法，控制算法等都将由它来完成。 所以数控加上c i t 的定位控制的精度、速度凋节的一件能等重要指标郜与运动控制卡 密切相关。 此外，如果实现运动控制i 、的可编程】生那么使用者就可以对控制方案做卅 必活的选择，使得数控系统的开放性可以较容易的实现。 正足南r 运动控制p 在这利- 开放式数控系统l l l 起着至关熏要的作用，所以日 f f 对开放_ i i = 数牲系统的研究多集巾于插入p c 的n c 控制部分的研究，其核心音| ：分 就是蚶运动控制卡的设计研究。运动控制控制 的陀能很大程度决定了整个数控 系统的| ! _ ! 能。而微i b 了及数字信号处理技术的发展与应用，使运动控制仁的性能 也得到不断的改进，集成度和可靠性大大提高。 122 国内外运动控制卡的研究现状 、国外运动控制卡的研究现状 存脱代化牛j ”一和，mj 州生产半和r 精艇的噩求越米地南，运动拧制技术 数摔多功能复合机床运动摔制卡的研究 得到了越来越广泛的应用，运动控制的研究在国际上已形成了一个新的研究热点。 随着微电子技术的迅速发展，运动控制卡的硬件基础也得到了长足的发展。 按照运动控制卡的控制核心可分为基于微控制器、基于专用运动控制芯片和基于 数字信号处理器( d s p ) 三种类型。 计算机技术和运动控制技术的发展使得越来越多的运动控制卡实现了从专有 化的控制结构到开放式结构的转变。p c 机的开放式结构和公开的软硬件标准，便 于厂商的相互合作和用户的自行开发。 近年来，国外厂商纷纷致力于运动控制卡的开发。1 9 9 8 年，单单在美国就有 2 0 0 余家公司从事运动控制卡的软硬件产品的开发和制造。欧洲各国和日本的公司 也纷纷进入这个市场。其中比较著名的运动控制卡制造商有美国的d e l t a t a u ，g a l i l ，p m c ，德国的m o v t e c 和日本的m a z a k 公司和n o v a 公司。 ， 在众多运动控制卡中，基于d s p 处理器类别中比较典型的有美国d e l t at a u 公司的开放式多轴运动控制卡p m a c ，其功能强大、性能完善、内部使用了一片 m o t o r o l ad s p5 6 0 0 1 5 6 0 0 2 数字信号处理芯片，它的速度、分辨率、带宽等指标远 优于一般的控制卡。现在，p m a c 已发展到第五代，其最新产品t u r b op m a c 可控制3 2 个轴，c p u 速度为1 5 0 m h z ，具有光纤通讯、m a c r o 环形网等功能， 在世界上处于领先地位。 基于微控制器的典型运动控制卡有美国的a d e p t 公司的s m a n c o n t r o l l e r 。 该卡将计算机嵌入到运动控制卡上，能够独立运行，这种产品采用更加可靠的总 线连接方式( 采用针式连接器) 与计算机通讯，更加适合工业运用。 国外专门研究生产专用运动控制芯片的厂商也不少，比较著名的厂商有美国 t i 公司的l m 6 2 9 和日本n o v r a 公司的m c x 系列。这类芯片中一般都已集成了插 补算法和运动控制算法程序，能够同时控制多轴。不过芯片功能因已固化，无法 在运动控制卡的开发中无法再引入复杂的控制和插补算法，在应用上具有一定的 局限性。但由于其基于硬件，速度、集成度和可靠性都非常高。 应用这种芯片开发运动控制卡，相对于其它应用d s p 或微控制器等芯片开发 来得简单，无需编写卡上的软件，大大减少了开发工作量。特别是这种运动控制 卡的实时性好，精度、稳定性、抗干扰性和可靠性都非常高，能满足大部分的中 档数控系统要求，因此也很受控制卡开发者和制造商的喜爱。 二、国内运动控制卡的研究现状 国内针对运动控制卡的研究从近几年开始开展得比较多，不少厂家也纷纷推 出自己的研发产品，市场上比较常见的有：深圳固高公司的基于d s p 的g e 系列 运动控制卡，该卡采用高性能d s p 和f p g a 技术，可控制2 3 个伺服步进轴； 凌华公司的s s c n e t i i 程序运动控制卡，其内核采用运算频率达2 0 0 m h z 。的d s p ， 搭配s s c n e t i i 提供高性能的控制器，适用于步进马达与伺服马达控制；成都步 8 硕士学位论文 进机电公司的d m c 3 0 0 和m p c 0 2 系列；南京顺康公司的m c 6 2 1 xp 系列；台湾研 华公司开发的p c i 1 2 4 0 运动控制卡，该卡是基于日本n o v a 公司的m c x 3 1 4 运 动控制芯片的4 轴步进脉冲伺服马达控制卡，但该卡没有开发m c x 3 1 4 芯片中的 b p 位元插补功能。 1 3 课题背景 1 3 1 课题来源 本课题来源于企业委托给兰州理工大学的“数控多功能复合机床开发 课题 的一个子课题。“数控多功能复合机床开发课题的主要构想是在以“运动控制卡 + p c ”这种开放式数控体系的模式下，设计一台集车削、铣削、齿轮滚切，并在控 制系统的控制下按预先设定的轨迹对工件进行加工的机床。 1 3 2 课题内容 本课题主要是针对开放式数控系统中的运动控制卡这一部分进行研究，需要 设计的运动控制卡应该具备：在通用p c 软硬件平台上，能够高速高精度地同时控 制4 个伺服电机或步进电机的运动，并以脉冲串形式或模拟信号形式输出且能对伺 服电机或步进电机进行位置控制和速度控制。 针对以上提出的运动控制卡的性能要求，本课题主要的研究内容有： ( 1 ) 运动控制卡的整体设计规划； ( 2 ) 运动控制卡的硬件设计； ( 3 ) f p g a 模块的设计； 1 3 3 可行性分析 兰州理工大学机电工程学院已经研发出“数控多功能复合机床”，这种多功能 复合数控机床具有以下功能： 1 ) 集数控切齿、车、铣、镗、钻等多种工序为一体 2 ) 具备五轴联动的控制功能及界面友好的用户操作系统 3 ) 可实现空间曲面、回转曲面、螺纹与锥螺纹等车、铣等复合加工 4 ) 可实现标准圆柱与齿向异型修形直、斜齿轮的数控切齿加工 5 ) 零件加工精度不低于同类工序机床零件加工精度 鉴定委员会鉴定结果姘下：研制的数控多功能复合机床为国内首创，其技术 水平处于国内领先，达到国际先进。项目获甘肃省科技进步二等奖。 本课题就是在这个基础上，进行消化吸收，运用f p g a ( 现场可编程门阵列) 和d s p ( 数字信号处理器) 技术，来开发一种开放式数控机床的运动控制卡，具有 一定的可行性。 9 数摔多功能复合机床运动控制# 的研究 第2 章数控多功能复合机床简介 2 1 数控多功能复合机床概述 利用多轴数控机床实现复合加工是目前国际上流行的加工工艺之一，属先进 制造技术的一种。复合加工就是把几种不同的加工工艺集中在一台机床上实现。 我们选用立式布局，所设计的数控多功能复合机床( 如图2 1 所示) 由床身、马鞍、 工作台、回转工作台、4 工位电动刀架、底座、立柱及可调角度的主轴箱等组成， 主轴轴头有内锥和安装卡盘的外螺纹。主轴锥孔有一定锥度，此主轴可安装铣刀， 也可直接接镗刀杆，或通过外螺纹安装卡盘后可实现车床加工功能，工作台马鞍 与床身相连，实现z 轴移动，立柱顶端有y 轴伺服电机，带动主轴实现y 轴方向 的移动，回转工作台由c 轴伺服电机带动工件围绕垂直轴旋转，工作台实现x 轴 方向运动。机床可根据用户的实际需要实现多功能加工。加工斜齿轮时可以手动 调整主轴的倾斜角，适应加工不同螺旋角斜齿轮的需要，滚刀头能沿着立柱上下 移动实现进给，从而在工件上切出整个齿宽上的齿形，滚刀本身能围绕滚刀轴线 旋转，即实现滚刀加工中的主体运动，滚刀围绕轴的旋转和工件的旋转形成了范 成运动。 图2 1 机床结构外形简图 本数控系统集车削、铣削、镗削、滚齿异型面等多种功能于一身，具备多轴 控制，四轴联动功能以及综合各种不同性质的机床结构和运动特点。机床工作台 在车削过程中实现x 轴的运动的同时，还要为刀架提供支承，以实现车削运动中 的刀具沿工件母线运动从而实现回转切削。而该工作台在镗、铣床中又要承担起 装夹工件的作用，实现刀具相对工件的移动。在滚齿功能中主要实现工件相对刀 具的进给切深运动及其控制算法。主轴头的运动方式应为沿机床作上下运动，以 实现铣、镗过程中的切削和滚齿过程中的进给运动，主轴的角度可随主轴箱在立 柱上调整角度，以适应加工不同螺旋角斜齿轮的需要。而当主轴箱固定在一定高 1 0 硕上学位论文 度时，能够实现车床装夹工件的功能，并且在工作台上安装有回转工作台以实现 滚齿及螺旋线加工过程中的回转运动。而安装在床身后部的尾架( 图中未画出) 又可 辅助实现其它加工功能。这种结构设计有利于改装和重组。 2 2 机床联动控制模型的建立阻 1 4 1 本文选用数控多功能复合机床中的齿轮滚切为研究的对象，介绍了该机床运 动控制模型建立的方法。 2 1 1 展成系数k 8 的计算 令展成系数为k 口，滚刀旋转角度为如( 圈) ，为保持严格的展成运动关系， 要求工件c 轴旋转( 圈) ，两者关系式可用下式表示： = 尺丑以( 2 1 ) 令滚刀头数为足，加工齿轮齿数为z ，则滚刀旋转一圈，滚刀的基本齿条齿廓 移动k 个齿距。由齿条和齿轮啮合原理知，齿条移动一个齿距，齿轮转过1 z 圈。 故滚刀转动一圈，齿轮转过列z 圈。如果以等于一圈，为加工出具有z 个齿的齿 轮，应等于科z 圈。将他们代入式2 1 中，得到展成系数k 日的计算公式： f k 口= =( 2 2 ) z 2 1 2 差动系数k ，的计算 滚刀加工渐开线齿轮过程，可看作是滚刀基本齿条和加工齿轮的啮合。滚刀 的窜刀或切向进给相当于滚刀基本齿条齿廓的附加位移，进而导致工件的附加转 动。令滚刀沿其轴线的位移为】，( m m ) ，工件的附加转动角度( 圈) ，则k y 系 数可用下式2 3 表示： ， 铭y = k ，】，( 2 3 ) i l ， 一 i 。， 1 i 一 工 一广 l 一左旋滚刀轴线 盥齿轮 一。工件切向 图2 2 左旋滚刀加工直齿轮的安装图 数控多功能复合机床运动控制卡的研究 加工直齿轮或斜齿轮时，都存在滚刀的安装角五( 度) ，即滚刀轴线与工件切 向有一夹角名，见图2 2 ，故滚刀在其轴线位移不等于滚刀在工件切向的位移，令 滚刀在工件切向的位移为e ( 毫米) ，则e 可用下式表示： e = y c 0 s 兄( 2 4 ) 由齿条和齿轮的啮合原理知，齿条和齿轮的啮合过程