（机械制造及其自动化专业论文）机床数控专用位置控制板卡研究.pdf

硕士学位论文 摘要 随着超大规模电路及计算机技术的快速发展，e d a ( 电子设计自动化) 技术被广泛 应用到通讯、豳防、空闯技术、医药科学、工韭自动纯和镪能装置等领域，极大的缩短 了产品上市的时间。另外由于当今世界数控系统越来越趋于开放化、高速化，这就给数 控技术约进一步发展带来了契机。 本文基于e d a 的最新技术，采用了在开放式数控系统的基础上，根据兰州理工大 学皇行研制的数控复合加工机床的联动控制模型，采用自行研制的位置控制扳卡，机床 不仅保留了原有的车铣加工功能，而且增加了齿轮加工等新的功能。本文介绍了e d a 技术的发展历史，及f p g a 芯片的种类，文章以圆弧插补的推导方法和四倍频电路设计 方法为例，开发专用控制模版，并用硬件语言对其进行描述，并进行了仿真。 由于本文采用了v h d l 硬件语言进行硬件设计，系统自动生成硬件电路，打破了 软硬件技术之闻的壁垒，使硬件设计也可以像软件设计一样通过编程反复编译修改，用 户可随时根据自身需要进行系统重构和现场升级。节省了开发周期，节省了板卡面积， 减少了电路修改费用，使开发成本降低。 关键词：数控；电子设计自动化；位置控制卡：现场可编程门阵列 机床数控专用位置控制板卡研究 a b s t r a c t w i mt l l er 印i dd e v e l o p m e n to ft h et e c l l l l o l o g yo fv l s ia i l dc o m p u t e r ，e d a t e c l l i l 0 1 0 9 yh a sb e e l lw i d e l ya p p l i e di ns u c h 批a s 弱c o m m u l ：l i c a t i o n ，n a t i o n a l d e f e n s e ，s p a c e n i g h t ，m e d i c a ls c i e n c e ，a u t o m a t i o no fi n d u s t 巧a i l di n t e l l i g e m i n s t m m e n t s ，a i l dh 雒s h a 叩l yr e d u c e dt h et i m eo fp r o d u c tt om em a r k e t h lo t h e r s t o d a yw em e e tag o o ds t a g eo fn 啪耐cc o n 仃0 lt 0 0 lt ob e 血u c hm o r eo p e na 1 1 d1 1 i 曲 s p e e d ， a i l dw h i c hc o n t 曲u t ea 缸t h e r d e v e l o p m e n to fn 啪舐cc o n t r 0 1t e c l l i l 0 1 0 9 y t h i sp a p e ri sb a s e do fm en e w l yd e v e l o p m e n te d a t e c h n o l o g y ，觚dh a v ea r e f o ma tt h eb a s i co f 肌m e r i cc o n 臼o ls y s t e mo nn u m 嘶cc o n t r o lm a c l l i n et 0 0 1 w i t h a l lo f t h e s e ，w ep u to nt 1 1 ep o s i t i o nc o n t r o l l i n gb o a r do fo u r s e l v e s ，孤di sn o to n l yt h e f b m e ra c t i o n sc o n s e r v e da i l dm n h e rd e v e l o p e dn e wf h n c t i o n s t h i sp a p e r i n t r o d u c e sm em o s tn e w l yd e v e l 叩m e n to fe d a t e c l l i l o l o g y ，a n dm a l ( eac h o i c eo f m et y p e so ff p g ac l l i p c o n s i d e r i n gt h eg e a rc o n t r 0 1o fm a t h 锄a t i c sm o d e lo f n 啪e r i cc o n t r 0 1 t o o lh a v eam n h e rd e v e l o p m e mo f s p e c i a lc a r d t h i sp a p c rh a v ea h i 曲s t r e s so nd e d u c ew a ya i l dc i r c u i td e s i 印i n go fc i r c u l a ra r ci r l t e 印0 1 a t o r ，a n d 昏v ea 1 1i n t r o d u c eo ff b u n ht i m e s 能q u e i l tc i r c u i t ，百v et l l i sc i r c u i ta l li 1 1 u s t r a t i n go f v h d l ，a 1 1 d 百v es i m u l a t i o no fi t s e l t h i sa i t i c l ea d o p t e d d ll a n g u a g ed e s i 弘m eh a r d w a r e ，a l l dt l l e s y s t e m c r e a t ec i r c u i t 硼t o m a t i c a l l y ，s oi tb r e a kt h eb 枷e r so fs o 脚a r ea 1 1 dh a r d w a r e ，m a k e h a r d w a r ec o m p i l i n ga u se a s y 勰s o 胁a r e u s e rc a l lr e b u i l da 1 1 dr e c o m p i l ea u s m e y w a n t i ts h o r t e n e dt h ed e v e l o p i n gp e r i o d ，m a d et h ec a r ds m a l l e rt h a nb e f o r e ，a i l d r e d u c e dt h ec o s t k e y w o r d s ：n u m e r i cc o n t r o l ；e d a ；p o s i t i o nc o n t r o lb o a r d ；f p g a 1 1 硕士学位论文 插图索引 图1 1 位置环结构图l 图2 1 左旋滚刀加工直荫轮的安装图8 图2 2 加工斜齿轮z 轴差动运动与工件的附加运动9 图2 3 圆柱直巍滚切加工模型1 3 图2 4 圆柱斜齿滚切加工模型1 4 图2 。5 轴向滚切圆柱齿轮模型。1 4 图2 6 圆弧插补的流程图1 5 图2 7 数控装置位置控制接口1 6 图2 。8 闭环位置控制软件框图1 6 图2 9 位置闭环控制数学模型1 7 图2 10p c 机对f p g a 在系统编程18 图2 。llf p g a 开发流程。1 9 图2 12m a x + p l u sl l 软件开发环境2 0 图2 1 3 文本输入法2 0 图2 。1 4 综合过程2 l 图2 1 5m a x + p l u si i 软件仿真环境2 3 图3 1x c 2 s 6 0 0 e 结构图2 4 图3 2x c 2 s 6 0 艇 切片示意鎏2 5 图3 3x c 2 s 6 0 0 ei o b 结构示意图。2 6 图3 4b l o c 心认m 的接阴示意图。2 6 鎏3 + 5 系统总体框图。2 7 图3 6 圆弧插补电路原理图2 8 图3 7 减计数器运算电路2 9 图3 8 翔计数器运算电路2 9 图3 9 光电隔离原理。3 0 图3 1 0d a c 7 7 2 4 芯片结构一3 0 圈3 1ld 缓转换电路3l 图3 1 2a d s 7 8 6 4 芯片结构。3 2 图3 1 3a ，d 转换电路3 3 图4 1 编码器波形图一3 8 图4 2 四倍频及辨向电路3 8 图4 3 四倍频及辨向电路仿真波形。4 5 图4 。4j t a g 接口电路一4 6 图4 5 外部存储器电路4 6 图4 6p c i 系统构成4 7 盈4 。7 接疆控制器结构框图。4 9 图4 8 状态转换图4 9 图4 9p c i 总线读、写时序5 3 图4 1 0 开发的数控滚齿机5 4 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：所呈交的论文是本入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：，习胀日期：夕啤莎月肛日 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： ，献 积8 多岳 吕期：矽g 年 日期：彻g 年 多月鲴 舌月2 日 硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 课题来源及研究意义 本课题来源于数控车铣复合机床开发子课题。 制造业是国民经济的基础，制造业的水平反应了一个国家的工业水平。大力 发展先进制造技术成了世界各国最重要的技术战略。其中具有代表性的有美国的 先进制造技术计划( a d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gt e c h n i q u e ) 、关键技术制造计划、 敏感制造使能技术计划( t e a m ) 、德国的制造2 0 0 0 计划、韩国的高级先进制造 技术计划( g 一7 ) 。在我国先进制造也越来越引起重视。 而数控技术是先进制造的基础，它在先进制造领域处于基础的、核心的地位。 在发达国家，数控设备已经取代传统的机床，而广泛应用与各种制造环节。传统 的数控系统是封闭的结构，该模式已经不能适用制造业市场的竞争，也不符合制 造业的发展方向，开放化是其必然的趋势。 位置控制是交流伺服系统中极为重要的一个环节。伺服系统性能指标主要通 过位置控制表现出来【l 】。位置控制选用电动机作为驱动部件，电动机的转动通过 丝杠转化为工作台的直线运动，实际上电动机的定位控制就是工作台的位置控 制。为了获得稳定的，高定位精度的伺服性能，在性能上有两方面的要求：一方 面应具有稳定平滑的动态响应，不出现超调和振荡，另一方面应具有较小的稳态 位置误差和动态位置跟踪误差。位置环结构如图1 1 所剩2 1 。伺服系统运行情况 复杂，电机本身又是一个多变量、非线性、强耦合的控制对象。目前的位置控制， 动态响应和抗干扰能力不能很好的兼顾，无法满足高精度复杂位置控制的严格要 求。 图1 1 位置环结构图 而且以往的数控系统的控制电路部分通常采用传统的数字系统设计方法，即 机床数控专用位置控制板卡研究 采用“积木块式集成度较低的固定功能的标准集成电路，用户只能根据需要选 择不同的器件，并按照器件推荐的电路达成系统。在设计时，设计者没有灵活性 可言，组成的系统体积大，布线复杂且不易实现功能更新和系统重构。而f p g a ( f i e l dp r o g r a 舢a b l eg a t ea r r a y ，现场可编程门阵列) 芯片集大量中小规模集 成电路功能于一身，因此基于f p g a 的数控机床专用控制板卡的开发大大提升数 控控制系统的集成度和运算速度【3 】。由于f p g a 具备在线系统可编程功能，因此 在芯片焊接入板子后，同样可对芯片重新编程，为今后数控系统维护带来了很大 的方便。 因此，在开放式控制系统技术起步不久的机遇面前，建立位置控制平台，在 消化吸收该技术的基础上，利用e d a ( e 1 e c t r o n i c sd e s i g na u t o m a t i o n ，电子设 计自动化) 技术带来的便利，研发一款具有自主知识产权的数控机床专用位置控 制板卡很有意义。 1 2 印a 技术发展概述 1 2 1 印a 技术发展历史 自6 0 年代以来，随着微电子技术的发展，逻辑器件也在不断演变。先后经 历了小规模集成电路( s s i ) 、中规模集成电路( m s i ) 、大规模集成电路( l s i ) 和超大规模集成电路( v l s i ) 等不同的发展阶段。在此期间，先后出现了各种不 同类型的逻辑器件。尽管其品种繁多，型号各异，但总起来讲并不外乎有以下三 种类型： ( 1 ) 标准产品，既s s i m s i 逻辑器件。例如：t t l 工艺的5 4 7 4 系列和 c m o s 工艺的c d 4 0 0 0 系列中的各种逻辑门、触发器、译码器、多路 转换器、计数器和寄存器等逻辑器件就属于这一类。 ( 2 )由软件配置的l s i 器件，如各种微处理器( c p u ) 和单片微型计算机 芯片等。 ( 3 ) 专用集成电路a s i c 。 逻辑器件的标准产品批量大，成本低，价格便宜，器件的工作速度也很快， 是数字系统传统使用的主要逻辑器件。但是，这类迄今的密度不高，用它构成的 数字系统硬件规模大，印刷电路板走线复杂，焊点多，致使系统地的可靠性降低， 功耗增大。另外，这种器件的功能在出厂时就已确定，用户无法修改，不利于系 统的加密，修改设计也比较麻烦，尤其是在印刷线路板制成以后就更是如此。 7 0 年代陆续推出的微处理器和单片计算机等逻辑迄今较好地弥补了标准产 品的上述缺陷。这种器件密度高，其逻辑功能可由软件重新配置。用它构成数字 系统是可大大缩小硬件规模，提高系统的灵活性。但这类期间的工作速度还不够 硕十学位论文 高，一般只有专用集成电路的1 l o ，不能直接用于速度要求特别严格的场合。 另外，这种逻辑器件通常要有用若干标准集成电路芯片搭成的外围电路才能工 作。 a s i c 的出现在一定程度上克服了上述两种逻辑器件的某些缺点。a s i c 是 为满足一种或几种特定功能而设计并制造的集成电路芯片，它密度一般都很高， 一片a s i c 芯片就能取代一块由若干中小规模集成电路芯片搭成的集成电路芯 片，甚至一个完整的数字系统也能用一片a s i c 芯片实现。因此，使用a s i c 能 大大减少系统的硬件规模，降低系统功耗，提高系统的可靠性、保密性和工作速 度。 a s i c 按制造方法有可分为三类，即全定制产品、半定制产品和p l d 器件。 全定制的a s i c 芯片其各层掩膜都是按特定电路的要求，由半导体器件生产厂 家专门设计与制造的。其设计方法通常有：人工法、标准单元法、通用单元法、 优化阵列法、硅编译法等。不管采用那种方法，都要经过电路设计、逻辑模拟、 版图设计、和集成电路的各道生产工序才能制造出符合要求的专用集成电路芯 片。这是一个周期长、费用高、还带有很大风现行的过程。因此，全定制的专用 集成电路旨在特大批量生产的情况下才适用。半定制a s i c 芯片上单元电路也 是由器件生产厂家预先做好的( 这种芯片称作母片) ，只剩下金属连接层的掩膜 有待按用户的具体要求进行设计与制造。最常见的半定制a s i c 为“门阵列”和 “门海”。这种母片通用性较强，可以大批量生产，因而单片成本较低。当用户需 要制作满足特定要求的a s i c 芯片时，可根据设计要求和所选母片的结构，由 用户或器件生产厂家设计出连线版图，再由器件生产厂家将所需金属连线做上。 因此，就用户角度而言，这种a s i c 与全定制a s i c 相比，当生产量不是很大 时，它的设计量不是很大的，它的设计和生产周期短，成本低，风险也小得多。 但是，以上两种a s i c 的设计和制造都离不开七件生产厂家，用户主动性较差， 而且设计和生产周期也比较长。为了克服上述逻辑器件的缺点，人们主动性较差， 而且生产周期也比较长。为了克服上述路基期间的缺点，人们又研制出了一种新 型的逻辑器件_ l d 器件。p l d 器件芯片上的电路和金属引线都是事先由器件 生产厂家做好的，但其逻辑功能在出尝试并没有确定，其逻辑功能可由用户根据 需要借助于p l d 开发工具通过对其“编程”的办法来确定。因此，不通过器件生 产厂家用户自己就能设计出符合要求的各种a s i c 芯片【4 】。 p l d 器件自7 0 年代初诞生至今已有了长足的发展。纵观p l d 器件的发 展历史，大体上可划分为四阶段。 第一阶段从7 0 年代初至7 0 年代中。这一阶段的p l d 器件包括“与”阵列 固定，而“或”阵列由二极管熔丝构成的p r o m ，以“与”、“或”阵列都可编程的双 极型现场可编程逻辑阵列f p l a ( f i e l dp r o 掣a m m a b l el o g i ca 盯a y ) 最为典型。 机床数控专用位置控制板卡研究 第二阶段从7 0 年代末至8 0 年代初。这一阶段的p l d 器件主要以“与”阵 列可编程“或”固定的p a l 器件为代表。以上两个阶段的p l d 器件都是双极型 工艺制造的，因而其编程都是一次性的。 第三阶段从8 0 年代中至8 0 年代末。在这一阶段，由于半导体集成电路制 造技术的发展，出现了一种新型的紫外线可擦除的可编程逻辑器件e p l d 和以 g a l 为代表的电可擦除电可编程的逻辑器件e e p l d 。 第四阶段从8 0 年代末至今。随着半导体技术、集成技术和计算机技术的发 展，在这一阶段，e d a 技术得到了快速发展，出现了结构上完全不同于以往的 高密度p l d 器件，其典型产品是逻辑单元型结构的现场可编程门阵列f p g a 和复杂可编程逻辑器件c p l d 。 1 2 2 印a 技术发展现状 9 0 年代后期，出现了以高级语言描述、系统级仿真和综合技术为特征的第三 代e d a 工具。电子设计由辅助手段为主要特征是自动化程度的提高，人工干预 的少。e d a 的发展趋势是高度自动化，设计者从事概念设计或者是电子系统的 “行为设计”，而大部分工程中的技术问题，由e d a 工具解决。e d a 工具的出 现，极大地提高了系统设计的效率，使广大的电子设计师开始实现“概念驱动工 程”的梦想。设计师们摆脱了大量的具体设计工作，而把精力集中于创造性的方 案与概念构思上，从而极大地提高了设计效率，缩短了产品的研制周期。 e d a 工具的出现，给电子系统设计带来了革命性的变化。随着i n t e i 公司 的p e t i 啪处理器的推出，x i l i n x 、a l t e i 认等公司几十万门乃至几百万门规 模的f p g a 的上市，以及大规模的芯片组和高速、高密度印刷电路板的应用， e d a 工程在功能方针、时序分析、集成电路自动测试、高速印刷电路板设计及 操作平台的扩展等方面都面临着新的巨大的挑战。这些问题实际上也是新一代 e d a 技术未来发展的趋势。 e d a 工程采用高级语言描述，具有系统及仿真和综合能力。它主要采用并 行工程和“自顶向下”的设计方法，使开发者从一开始就要考虑到产品周期的诸多 方面，包括质量、成本、开发时间及用户的需要等。然后从系统设计入手，在项 层进行功能方框图的划分和结构设计。在方框图以及进行仿真、纠错，并用 v 瑚) l 、v e r i l o g h d l 等硬件描述语言对系统行为进行描述。在系统以及进行验 证，最后再用逻辑综合优化工具声称具体的门及逻辑电路的王标，其对应的物理 既可以使印刷电路板或专用集成电路。近几年，硬件描述元等设计数据格式的逐 步标准化，不同设计风格和应用的要求导致各具特色的e d a 工具被集成在同一 个工作上，从而使e d a 框架结构日趋标转化，集成设计环境日趋完善。 e d a 工具的开发经历了两个大的阶段：物理工具阶段和逻辑工具阶段。物 硕十学何论文 理工具用来完成设计总的实际无路问题，如芯片布局、印刷电路板布线等；逻辑 工具是基于网表、布尔逻辑、传输时序等概念。首先由原理图编辑器或硬件描述 语言进行设计输入，然后利用e d a 系统完成综合、方针、优化等过程，最后生 成物理工具可接受的网表或v h d l 、v e r i l o g h d l 结构化描述，现在常见的e d a 工具有编辑器、仿真器、检查分析工具、优化综合工具等【5 】。 1 3 数控技术国内外研究现状 从宏观上看数控系统可分为专用计算机数控系统和通用计算机数控系统两 大类。目前国内外众多厂商普遍看好的数控系统发展方向是通用计算机数控系 统。在通用机数控中最成功的当属p c 数控系统。 目前，p c 数控系统的体系结构主要有以下几种形式： ( 1 ) 专用数控加p c 前端的复合式结构。这类系统的设计思想是将通用p c 和专用n c 通过高速信息交换通道连接到一起组成一复合式数控系统。这类系统 的优点是可以保持原有数控基础，发挥厂家在以硬件专用芯片实现特殊控制功能 等方面的优势，且技术上容易保密，因此多为一些老的数控厂商或实力较强的厂 家所采用。这类系统的最大缺点是开放性有限、开发和生产成本较高，技术升级 换代较慢。 ( 2 ) 通用p c 加实时控制单元的递阶式结构。其设计思想是利用p c 机作为 数控系统软硬件平台，在其标准总线上直接连接实时控制单元( 将实时控制板卡 插入总线插槽中) 而组成完整的数控系统。其中，p c 机主要完成数控系统中上层 一些实时性不是很强的任务并对全系统的运行进行协调和管理，而实时控制单元 则完成数控下层的高实时性控制任务。实时控制单元可以是带轨迹插补计算、位 置控制、开关量控制( p l c ) 等的完整的c n c ( c o m p u t e rn u m e r ic a lc o n t r 0 1 ，计算 机数控) 单元，也可以是仅具有位置控制功能的简单位控卡或与数字式伺服接口 的数字脉冲转换卡。由于这类系统结构简单、易于实现开放性、成本相对较低， 因此得到了国内外许多厂商，特别是中小厂家的广泛采用。但这类系统也存在一 些缺点。最突出的就是实时控制单元与伺服驱动单元间的信息交换问题。目前， 将实时控制信息送往伺服驱动单元的方法主要有两种：种是通过模拟量形式进 行，主要问题是难以消除零飘、温飘对精度的影响，容易受外部干扰。另一种是 通过脉冲量形式进行，主要缺点是实时控制单元与伺服驱动单元间需通过非编码 方式直接传递指令脉冲信号，一旦丢失脉冲或引入了干扰脉冲，难以进行查错纠 错，不易保证信息的高可靠性。 ( 3 ) 数字化分布式结构。其方案是将由d s p 等组成的数字式伺服通过以光 缆等为介质的网络与p c 数控装置连接起来，组成一个完整的数控系统。由于这 机床数控专用何置控制板卡研究 种系统采用分布式计算和控制，并通过具有高可靠性和高实时性的网络进行通讯 和协调，因而可以最大限度地发挥各子系统的能力，使整个数控系统具有很好的 性能。但是，这种系统的开发和生产成本很高，没有较大的投资很难上马。 现代数控系统的发展就是围绕着怎么样提高机床的生产能力，即提高机床的 加工性能、有效性和信息获取能力而展开研究的。现代数控系统利用电子技术、 计算机技术的最新成果，正在向高开放性、高可靠性和高速高精度的方向发展。 当前，系统体系结构的开放性正是数控技术的研究热点，而开放式设计的目标是 建立一个开放式系统体系结构，是控制及设计标准华、模块化、从而实现系列化、 可兼容性、可扩充性和升级换代，其目的是大幅度降低系统研制和制造费用，提 高用户设备和资源利用率以及数控产品市场竞争力，满足制造业的发展需要。由 于数控机床在国门经济发展中的重要地位，目前世界个发达国家竞相开展了新一 代开放式c n c 系统的基础和应用研究。如美国的n g c 计划，美国国家制造 发展中心在新一代控制器、低价控制器、开放化模块结构控制器3 方面进行了 研究。日本开放式数控系统研究会也取得了一系列的成绩：提出了开放式数控机 床参考模型；开发了基于个人计算机的接口系统；提出并开发了o s e l 语言； 开发了控制接口及语言处理器。欧共体开放式自动控计划目前已进入第三阶段， 主要成果有：定义了中性的( 即不依赖任何厂家的) 开放式数控系统的基本规范； 拟订了中性的可以用于数控系统、机器人、可编程控制器和单元控制器的统一结 构；开发了第一批释放性的软硬件模块。我国“八五”期间，成功开发了2 种数 控平台和中华i 型、航天i 型、蓝天i 型、华中i 型等4 种基本系统，利用 总线式，模块化，开放型，嵌入式，多渠道软、硬件结构。目前大部分还处在封 闭式阶段，距国际水平还有一定差距。 1 4 本论文研究内容、创新性及可行性 1 4 1 研究内容 本课题结合e d a 技术的最新研究成果和高性能数控系统的发展要求，以数控 车铣复合机床联动控制为研究对象，主要研究了以下内容： ( 1 ) 基于现代e d a 技术的数字系统硬件设计方法及其在数控插补系统应用的 必要性和可能性： ( 2 ) 数控插补原理以及位置控制研究； ( 3 ) 基于现代e d a 技术的新型硬件插补系统的设计、仿真与实现。 ( 4 ) 将开发的位置控制模块用v h d l 语言描述，并固化到f p g a 芯片上。 1 4 2 可行性分析 本课题结合现代e d a 技术的最新研究成果，针对适应高性能数控系统的发 6 硕士学位论文 展要求，尝试性地提出了一种采用工业计算机+ 可编程专用硬件插补芯片的新型 硬件插补方案，其中工业计算机作为数控主机，负责向f p g a 芯片传送原始数据 和启动控制信号，并实现f p g a 功能结构的动态配置( 即根据要求，分别配置呈 直线或圆弧插补器) ；而f p g a 专用集成电路本身主要完成具体的插补算法，并 向各坐标轴发出进给脉冲指令。 一方面，处于就整个插补过程来说，每循环几千次、几万次才有一次预处理 任务，所以预处理计算只是整个插补时问的一小部分。本方案中由于采用专用插 补集成电路专门负责插补循环的高速计算，而由计算机完成初始数据的预处理， 每当插补循环结束后，专用集成电路向计算机发出中断请求信号，申请执行下一 次插补任务，这样不仅减轻了工控机的计算负担，可以腾出更多的时间去处理其 它任务，还将大大提高整个系统的速度和可靠性。 另一方面，由于超高速集成电路硬件语言v h d l 和大规模可编程逻辑器件 p l d 的出现，彻底打破了软件和硬件之间的技术壁垒，使得硬件也可像软件那样 通过编程反复编译修改，用户可随时根据自身需要进行系统重构和现场升级。因 此，基于现代e d a 技术的新型硬件数控插补系统具有更大的灵活性，它不仅可 以用于常用的开环步进数控系统的技术改造，还可以通过改变算法和接口应用于 全数字的闭环伺服数控系统中。 1 4 3 创新性 提出了一种采用工业计算机+ 可编程专用硬件插补芯片的新型硬件插补方 案，按照数控车铣复合机床为控制模型，对其利用v h d l 硬件语言进行描述，生 成控制电路。f p g a 专用集成电路本身主要完成具体的插补算法，并向各坐标轴 发出进给脉冲指令，从而控制机床加工出该模型。 本课题采用了高层次设计方法，提供了一种“自顶向下 的全新设计方法， 这种设计方法县从系统设计入手，在项层进行功能方框图的划分和结构设计。在 方框一级进行仿真、纠错，并用硬件描述语言对高层次的系统行为进行描述，在 系统一级进行验证。然后用综合优化工具生成具体门电路的网表，其对应的物理 实现级可以是印刷电路板或专用集成电路。由于设计的主要仿真和调试过程是在 高层次上完成的，这不仅有利于早期发现结构设计上的错误，避免设计工作的浪 费，而且也减少了逻辑功能仿真的工作量，提高了设计的一次成功率。 1 5 本章小结 介绍了位置控制在数控技术中的重要位置，介绍了e d a 技术的发展现状，现 阶段数控技术的发展的方向，并详细介绍了本课题的研究的内容、可行性分析和 创新性。 机床数控专用何置控制板卡研究 第2 章机床数控位置控制卡的设计 2 1 机床联动控制模型的建立 本文选用数控车铣复合机床为研究的对象，介绍了该运动控制模型的建立的 方法。 2 1 1 展成系数的计算 令展成系数为k 口，滚刀旋转角度为铭( 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： 。 = k 曰吼 ( 2 1 ) 令滚刀头数为k ，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，齿轮转过肋圈。如果吼等于一圈，为加工出具有z 个 齿的齿轮，应等于舭圈。将他们代入式2 1 中，得到展成系数k 口的计算 公式： k 。：墨。 z ( 2 2 ) 2 1 2 差动系数的计算 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】，( 衄) ，工件的附加转动角度y ( 圈) ，则k y 系数可用下式( 2 3 ) 表示： r = k 】，】， ( 2 3 ) i l ， 一 l 一 一，1 _ 一 i 一一 a 一厂 i ，友旋滚刀轴线 宜齿轮 一工件切向 i 图2 1 左旋滚刀加工直齿轮的安装图 硕十学位论文 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 向有一夹角兄，见图2 1 ，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i ( 毫米) ，则r 可用下式表示： r = y c o s 五( 2 4 ) 由齿条和齿轮的啮合原理知，齿条和齿轮的啮合过程中，齿条移动一个周节， 齿轮转动1 z 圈，即齿条运动删。，齿轮转动l z 圈。令r 等于删。，则y 等 于1 z ，代入式( 2 3 ) ， ( 2 4 ) 得k ，的计算公式： k ，：堕( 2 5 ) 翮h z 2 1 3 差动系数的计算 令滚刀沿工件轴向进给位移为z ( 毫米) ，相对应的工件附加转动为，差动 系数为勉，有下式： 厶8 c z = & 醒 射 图2 2 加工斜齿轮z 轴差动运动与工件的附加运动 ( 2 6 ) 如图2 2 所示，斜齿轮的螺旋角为( 度) ，当滚刀沿工件轴向进给位移为z ( 毫米) ，工件齿轮的分度圆上啮合点移动位移为z ( 毫米) ，由图中几何关系，可 得下列等式： ，= z t a i l ( 2 7 ) 如图2 2 所示，圆弧长，所对应的圆心角为( 圈) ，显然有下列等式： 垒9 睨一醚o 一 1蒯 经过变化，得式( 2 8 ) ： ，= 桃 ( 2 8 ) 0 机床数控专用何置控制极 研究 式( 2 8 ) 中d 是指加工齿轮的分度圆直径，d 可用下式表示： d = 删， ( 2 9 ) 式( 2 9 ) 中z 指加工齿轮的端面齿数，朋，指加工齿轮的端面模数。加工斜 齿轮过程中，斜齿轮的法面模数聊。等于滚刀的模数。由斜齿轮的法面模数与端 面模数的关系，可得： m ，= 南 ( 2 - 1 0 ) 将式( 2 9 ) ，( 2 1 0 ) 代入式2 8 中，可得到下式： ，= 万鑫 ( 2 11 ) 综合式( 2 6 ) ，( 2 7 ) ，得到下式： = k z 盎 ( 2 1 2 ) 将式( 2 1 2 ) 代入式( 2 1 1 ) 中，得到差动系数砭的计算公式： ， k z2 堂 ( 2 1 3 ) 忽肌” 2 1 4z 轴脉冲数的计算 在滚齿加工工艺中，z 轴运动速度对齿轮加工光洁度影响非常大。一般情况 下，z 轴的运动速度指工作台每转进给量。实际加工过程中，z 轴速度很低，并 且保持不变。 垂向进给运动关系为： n z 6 z = s z c n c 6 c 将式子变形后，得如下公式： z ：毕 ( 2 1 4 ) 口z 式中的s z c 为滚刀垂直进给运动系数，疋为z 轴脉冲当量，髭为c 轴脉 冲当量，c 为c 轴的脉冲数，z 为c 轴每走c 步z 轴应分配的脉冲数。 2 1 5y 轴脉冲数的计算 采用对角滚刀滚切蜗轮或滚齿过程中自动窜刀的速度也比较低，y 轴运动速 度般取z 轴运动速度的几分之一。为保持加工过程的稳定，y 轴速度在加工过 程中不变。 n y 6 y = s l f z n z 6 z 硕十学位论文 r ：堕墼 ( 2 1 5 ) d y 式中的s 圮为滚刀轴向进给运动系数，屯为z 轴脉冲当量，以为y 轴脉 冲当量，为y 轴的脉冲数，y 为y 轴每走y 步y 轴应分配的脉冲数。 2 1 6b 轴脉冲当量的计算 这里的b 轴脉冲当量以是指在采样过程中，每得到b 轴编码器一个脉冲， 滚刀主轴转过了多少角度。设b 轴编码器线数为n e 线，滚刀主轴与编码器的传 动比为f e ，编码器脉冲信号的倍频比为如，则b 轴脉冲当量如可用下式表示： 以= 最 2 1 7c 轴脉冲数的计算 工件主轴c 轴的运动是展成运动、z 轴差动运动和y 轴差动运动的合成。 设一个采样周期中b 轴运动引起的c 轴运动量为圈，y 轴运动引起的c 轴 运动量为艮y 圈，z 轴运动引起的c 轴运动量为铊圈，则这个采样周期中c 轴的合成运动量啡为： 6 l c = 9 9 c z 艮r( 2 1 7 ) 式( 2 1 7 ) 中，艮y 前的正负符号由加工齿轮的旋向、滚刀的旋向、z 轴或y 轴的运动方向有关。综合式( 2 1 ) ， ( 2 3 ) ，( 2 6 ) 和式( 2 1 7 ) ，可 得： 岛= k 口k z a z k r y ( 2 1 8 ) 式( 2 1 8 ) 中铭，】，z 分别指b 轴、y 轴、z 轴在一个采样周期内运 动量，其单位分别为圈、毫米、毫米。令b 轴的脉冲当量为以， c 轴的脉冲当 量为疋，一个采样周期内b 轴发出脉冲数虬，c 轴应分配脉冲数c ，则吼， 砟，y ，z 可用以下这些等式表示： 吼= 虮以 ( 2 1 9 ) 艮= c 如( 2 2 0 ) 】，= ，以( 2 2 1 ) z = z 乏( 2 2 2 ) 综合( 2 1 8 ) ， ( 2 1 9 ) ，( 2 2 0 ) ， ( 2 2 1 ) ，( 2 2 2 ) 五式得到坼的计 算公式： n c = k b n b 瓮k z nz 瓮k y n y 瓮 即： 机床数控专用位置控制板 研究 札= m 妾等m d ，z 2 1 8x 轴脉冲数的计算 齿向修形关系式为： 即： 2 1 9 联动公式的建立 万， 三 s i n 万0万，打。z n x 6 x = f ( x ，z 、) n z 6 z 以卵( 础) 等 根据前文的分析，可以综合得到以下公式： m = m 等札 d ，z y2 x = ，( x ，z ) 、 ， n z 6 z 万， 三 s i n 6 c7 r m n x z n y ，垒 1 6 c 巩 三 c o s 兄 翮月z c o s 见 6 c 册n xz ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) 设丘，正，六，六分别为c ，z ，y ，x 轴的脉冲频率，式( 2 2 5 ) 可转换成 式( 2 2 6 ) ： e = ， f z = 拿墨正 6 c z “。 s 配f c 6 c 6 z ：必 6 y 肛刚固等 万， 上 s i n &万朋。z 1 2 p 万， x 二 c o s 名 6 c 觚n xz ( 2 2 6 ) 芋妣 丝 s s 硕士学位论文 2 1 1o 联动模型的建立 图2 3 圆柱直齿滚切加工模型 式( 2 2 6 ) 为滚齿加工运动联动公式，当滚切圆柱直齿时，第一式的第二、 第三项为零，其联动模型如图2 3 所示。图中s k 代表速度控制，f p 为分频，f c 为分齿( 代表刀具主轴与工件主轴之间的范成分齿运动关系) 。圆柱直齿滚切加 工模型可以通过圆柱斜齿滚切加工模型简化得到。如图2 5 所示为圆柱斜齿滚切 加工模型，其中h c 为合成模块( 即电子差动) ，以，正， 经过分频处理后 进入电子差动模块，最后控制c 轴运动。 机床数控专用何置控制板砖研究 图2 4 圆柱斜齿滚切加工模型 当滚切圆柱矗齿轮的时候，f p 5 和f p 6 为o ，简化后得到图2 4 。由于是 关于五的函数，因此采用轴向滚切法时，可以褥到图2 。5 。通过控制会成模块中 控制电平，可以决定滚切齿轮的类型。 图2 s 轴向滚切圆柱齿轮模型 硕十学位论文 2 2 位置控制的实现 2 2 1 圆弧插补的实现 1 ) 基本原理 图2 6 圆弧插补的流程图 任选3 轴中的2 轴进行圆弧插补驱动。根据圆的计算公式 x 2 + 1 ，2 = r 2 对( 2 2 7 ) 两边求导有2 砌+ 2 助= o 对( 2 2 8 ) 化简得：助= 一础 对( 2 2 9 ) 变换得： y 譬：一工冬 n ln i 对于数控加工列出x ，y 轴关于速度的方程：，= 一以 ( 2 2 7 ) ( 2 2 8 ) ( 2 2 9 ) ( 2 3 0 ) ( 2 3 1 ) 机床数控专用位置控制板 研究 即：蔓：一生( 2 3 2 ) x y 2 2 2 闭环位置控制的实现 在数控系统中，位置控制的接口如图2 7 所示，它们采用与电机同轴安装的 光电脉冲编码器作为反馈元件。光电脉冲编码器每转一圈能输出数千个均匀的脉 冲信号，脉冲信号通过技术器的计数即可反映出工作台的位置。位置闭环控制程 序和差补程序一样，都是在计算机的中断服务程序中实现的，其软件框图如图 2 8 所示。 图2 7 数控装置位置控制接口 插补得到l j l计薄当前指令位 l 置= + j i 读取反馈计数器 i中的值f l i 计算位置误差 le = 一f - l i 拇误差放大k c 倍 l 输出k c 至d 中 图2 8 闭环位置控制软件框图 当未进行进给运动时，插补程序被禁止执行，因此，每次中断时对应插补程 序输出的值x 为零，但每一中断服务程序中，位置闭环控制照常执行一遍，此 时x = x f ，因此，所输出的模拟电压为零。当进给轴需要运动时，插补程序输出 硕十掌何论文 相应的插补结果x ，x + x 就是新的指令位置，此时计算机将x + x 指令位 置与计数器中反映出的实际位置进行比较，当其不相等时，其差值e 经软件 增益放大，即可由d a 转换器输出一定的模拟电压，使得电动机带动工作台向 减小误差的方向移动，使工作台向指令位置移动直至指令值与实际值相等为止。 值得指出的是，这种闭环控制当电机停止运动时，实质上是一种动态定位，即位 置闭环控制仍处于工作状态，无论何种干扰使电动机偏移了指令位置，位置闭环 控制都能立即输出一定的电压给伺服装置，力图使驱动电动机恢复指令位置，使 闭环控制在定位位置上始终存在着闭环修正。因此，动态定位时是由电磁力维持 的。 2 2 3 建立数学模型并分析关键量 根据上面的分析很容易得到图2 9 中的位置闭环控制传递函数，在这里只给 出x 轴的控制模型，依次可以写出y 、z 的控制模型。在该图中，x 与x f 为指 令位置与实际位置，为软件增益，可由用户通过数控系统设置，k d a 为d a 转换的系数，单位为伏数字，k a 为脉冲编码器的转换系数，单位为数字转。伺 服装置这里使用一阶简化惯性环节来近似，k m 为伺服装置的放大系数，它描述 了对伺服装置每加1 伏的控制电压对应的电动