（机械制造及其自动化专业论文）磨料射流数控机床及其关键技术研究.pdf

上海太学硕士学位论文 摘要 本文从水射流的应用前景和趋势出发，结合现代数控系统的开放式发展方 向，分析了集成实时内核l i n u x 系统环境下c n c 开发的种种优势，并对开发基 于“n u x 的新型c n c 数控系统做了尝试。作者在开发中采用了基于模块化的设 计思想，充分利用了软硬件平台的技术优势，并根据已有的在w i n d o w s 9 8 、 w i n d o w s n t 两个操作平台下的水射流数控系统实时性、稳定性、系统开放性等方 面的不足，开发出在l i n u x 内核上集成r t l i n u x 实时内核模块的新型开放式水射 流数控系统。 水射流数控系统主要包括硬软件系统和软件系统二大部分。其硬件系统由工 控机、p c l 8 3 9 三轴步进电机驱动卡、p c l d 一7 8 2 输入卡、p c l d 一7 8 5 输出卡、等以 太网连接设备组成。软件系统采用一种开放式和模块化的体系结构，使用标准的 模块接口。将整个控制系统分为预处理模块，上层主控模块、设备驱动模块等三 大功能模块，同时三大模块中又根据子功能需求划分成许多小模块，这样大大提 高系统未来的扩展性和互换性。 在l i n u x 操作系统平台集成实时内核模块使系统具有良好实时性和稳定性。 文章详细研究了l i n u x 的体系结构、中断服务机制、i 0 子系统和底层程序通信 等核心机制理论，并研究了集成r t l i n u x 实时内核后的内核机制，在此基础上开 发出了水射流设备驱动程序，成功地实现了其数控系统的各种功能。文章结合操 作系统的核心理论，详细论述了水射流设备驱动程序各个子模块，如插补任务和 状态检测、中断服务例程、数控系统功能控制等。接着还简要介绍了本数控系统 所采用的d d a 插补算法。 在论文的最后，作者总结和展望了基于l i n u x 的开放式水射流数控系统的应 用前景，并提出了课题组进一步的发展方向。 关键字：l i n u x r t l i n u x开放式水射流数控系统设备驱动程序 圭童查兰堕主茎堡丝苎 a b s t r a c t t h e p a p e rs e t so u tf r o m t h ea p p l i c a t i o n f o r e g r o u n da n d t h et r e n do ft h ew a t e o e t ， a n da l s od i s c u s s e st h eo p e nd i r e c t i o no ft h em o d e mc n c s y s t e m ，t h e nt h ep a p e r g i v e sd e t a i la b o u tt h ea d v a n t a g e sa b o u tt h ec n cs y s t e mu n d e rt h el i n u xo p e r a t i o n s y s t e mw i t hr e a l t i m ek e r n e l a sar e s u l tt h ea u t h o ru s e st h ei d e ao fm o d u l es t r u c t u r e t or e a l i z et h i sp r o g r a m b a s e so nt h es t u d yo f t h es o f t w a r ea n dt h eh a r d w a r e p l a t f o r m ， a n db a s e so nt h ee x p e r i e n c eo fr e a lt i m e 、s t a b i l i t ya n do p e nc h a r a c t e ru n d e rt h e w i n d o w s 9 8a n dw i n d o w s n t o p e r a t i o ns y s t e m t h ea u t h o rd e v e l o p san e wk i n do f r e a l - t i m eo p e nw a t e r j e tc n c s y s t e mu n d e r l i n u xo p e r a t i n gs y s t e m t h ec n c w a t e r j e tc u t t e ri n c l u d e st w os u b s y s t e m s ：t h es o f t w a r es u b s y s t e ma n d t h eh a r d w a r es u b s y s t e m t h eh a r d w a r es e c t i o ni sc o m p o s e do fi n d u s t r i a lp c ，p c l 8 3 9 t h r e ea x i ss t e p p i n gm o t o rc o n t r o lc a r d ，p c l d 一7 8 2i n p u tf oc a r d ，p c l d 一7 8 5o u t p u t i o c a r d ，s o m em a n u a lc o n t r o lb u t t o n ，n e t w o r ka d a p t e r , h u ba n ds o m ee t h e m e t d e v i c e s t h es o f t w a r es u b s y s t e mm a k e su po fo p e na n di n d e p e n d e n tm o d u ) e sw i ! h s t a n d a r di n t e r f a c e t h e s em o d u l e si n c l u d ep r e t r e a t m e n tm o d u l e 、m a i nc o n t r o la n dt h e d e v i c ed r i v e r a tt h es a m et i m et h e s et h r e em o d u l e sc a r tb ed i v i d e di n t om a n ys m a l l p a r t sa c c o r d i n g t ot h ed i f f e r e n tf u n c t i o n ， t h eu s eo fl i n u xd e v i c ed r i v e rc a ng u a r a n t e et h ec n c w a t e r j e tc u t t e rh a v ea q u i c kr e s p o n s e a n dag o o dr e a l t i m ep e r f o r m a n c e t h ep a p e rg i v e sm u c h w e i g h t t ot h e k e r n e lm e c h a n i s mt h e o r y , s u c ha st h es t r u c t u r eo fl i n u x ，t h ei n t e r r u p tm e c h a n i s m ， t h ei os u b s y s t e ma n dt h ep r o c e s sc o m m u n i c a t i o nm e c h a n i s m a n da l s od e p i c t st h e k e m e lm e c h a n i s mu n d e rt h er e a lt i m ek e m e l a c c o r d i n gt ot h et h e o r ym e n t i o n e d a b o v e ，e a c hs u bn o d u l eo f t h ew a t e r j e tc u r e r d e v i c ed r i v e ri sd i s c u s s e di nd e t a i l ，s u c h a st h ei 0f u n c t i o nc o d e ，t h ei n t e r r u p tl e v e l ，t h e i n s t a l lo fd e v i c eo b j e c t ，t h e i n t e r p o l a t i o n t h r e a da n dt h eu s e r 。d e f i n e dn cf u n c t i o n i ns u c c e s s i o nt h ed d a i n t e r p o l a t i o na l g o r i t h mi sa l s om e n t i o n e d i nt h el a s tp a r to ft h ep a p e r , t h ep r o s p e c t i v ea p p l i c a t i o no fl i n u xb a s e dc n c s y s t e m h a sb e e nd i s c u s s e da n dt h ef u t u r ed e v e l o p m e n th a sb e e np r e s e n t e d k e yw o r d ：l i n u x r t l i n u x o p e nw a t e r j e t c n cd e v i c ed r i v e r h 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。除 文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表或撰写 的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何贡献均已在 文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：丑i 驺吣 日期丝丝蔓：! ： 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留论文及送交论文 印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容n ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 水射流加工技术起源 高压水射流最先起源于采矿业方面的应用，很早的时候我们的祖先就知道在 溪水的河床上收集那些被溪水冲刷而分化、侵蚀下来的矿石。并且受到了启发， 接着人为的改变溪水的流道，从而带来更多的被冲入水中的矿石。采用这种方法 采矿直至到1 6 世纪，德国人采用低压的水冲刷矿石方法来开采金矿，可是由于 采用大量的水，因而很多金矿也就和其它杂质一起沉到水里，要找金矿，效率很 低。直到六十年代随着工业的发展，与射流技术相关的泵等压力发生设备和耐压 设备的成熟。人们才充分发挥了在采矿中水射流切割硬石头的噪声低、反作用力 小、粉尘小的优点。在此期间在美国产生了第一项切割技术专利，即1 9 6 8 年由 美国密苏里大学林学教授诺曼- 弗兰兹博士获得。以此为契机，高压水射流 ( w a t e r j e t ) 、磨料水射流( a b r a s i v ew a t e r j e t ) 作为一项独立而完整的加工技术被普 遍应用于各个行业之中。在最近几十年里，水射流切割技术和设备有了长足进步， 其应用遍及工业生产和人们生活各个方面。许多大学、公司和工厂竞相研究开发， 新思维、新理论、新技术不断涌现，形成了一种你追我赶的势头。目前已有3 0 0 0 多套水射流切割设备在数十个国家几十个行业应用，尤其是在航空航天、舰船、 军工、核能等高、尖、难技术上更显优势【i “。 1 2 水射流设备分类 水射流切割加工技术按工作的介质分为纯水型、磨料型两种。 纯水型水射流切割技术仅利用洁净水的高速水射流进行切割，其加工能力 低，设备简单，操作成本低，水压2 0 4 0 0 兆帕，如图1 - 1 所示。纯水型水射流 切割主要适用于切割橡胶布、低玻璃纤维合成材料、木板、皮革、塑料及其他层 压材料。 图1 - 1 纯水型水射流原理图 r _ 宰 哥 嘴 匪 喷 虬 螳 上海大学硕士学位论文 磨料水射流按水与磨料的混合方式可分为后混合式磨料水射流和前混合式 磨料水射流两种类型。后混合式磨料水射流的形成原理是：由增压设备形成的高 压水射流，在混合室内形成一定的真空，从而使磨料漏斗与混合腔之间的管道内 产生了一定的压力差，磨料因此被吸到混合室内，与水射流混合后经磨料喷嘴喷 出。 l 嘉料斗2 湿台宦3 磨料4 水喷嘴5 高压鬣b 磨料 图1 2 后混合磨料水射流系统原理图 由于后混合磨料水射流具有很高的轴向速度，而磨料粒子进入混合室时速度 很低，因而磨料粒子难以进入到射流的中心部分，导致切割效率较低，并且容易 导致堵塞。为了提高效率，人们又提出了前混合式磨料水射流。前混合磨料水射 流的形成原理与后混合磨料水射流不同，它在高压水泵之间的管路中间设计 磨料供给装置，高压水射流在磨料罐之前分成两路，一路经过调节阀进入磨料罐， 与罐内的磨料初步混合后形成流态化状态，然后通过截止阀进入混合室；另一路 则直接进入混合室，与罐内流出的磨料流体进行充分的掺混，形成液固两相流。 此种方式加强了磨料和水介质的混合效果。可使磨料粒子在水介质中得到充分的 加速，因而磨料粒子具有极高的动能。使用该系统切割或破碎材料时，工作压力 大大地降低，与高压纯水射流相比，一般是其工作压力的五分之一至十分之一， 与后混合磨料水射流相比，一般是其工作压力的三分之一至五分之一。 l 磨料螳2 噎嘴3 混台蛊 摩l ； 截止鼹5 终抖调节阉6 寓疰襄 图1 3 前混合磨料水射流系统原理图 但磨料水射流切割也存在着些局限性。如：磨料在被加速和聚集时，其速 度和能量损失较大，由于磨料颗粒大小的缘故不能加工较小的圆角半径 上海大学硕士学位论文 ( o 2 5 r a m ) 等。由此，美国研究人员最近又提出了磨料浆体射流( a b r a s i v e s u s p e n s i o nj e t ) 技术，其工作介质是由水、高聚物及超细磨料等成分组成一种非 牛顿流体，具有很好的流动和动力特性，所需压力小，射流的集束性好，喷嘴直 径可减小f 2 圳。 1 3 水射流切割优点 高压水射流切割作为一项高新技术在某种意义上讲是切割领域的一次革命， 有着十分广阔的应用前景。目前，工业界中也称之为“水刀”。高压水射流切割 是利用具有很高动能的高速射流进行的，与激光、离子束、电子束一样是属于高 能束加工范畴。但水射流切割与激光、等离子、线切割等传统的切割相比，具有 如下优势： 切割品质优异：水射流是一种冷加工方式，其不磨损且半径很小，能加 工具有锐边轮廓的小圆弧。加工本身无热量产生且加工力小，加工表面 不会出现热影响区，自然切口处材料的组织结构不发生变化，几乎不存 在机械应力与应变，切割缝隙( 纯水切口约为0 i m m 至1 i m m ，砂水 混流切口约为0 8 m m 至1 8 r a m 。随着砂刀的直径扩口，其切口也就越 大) 及切割斜边都很小( 大部分所看到好的切割品单侧斜边为o 0 7 6 m m 至o 1 0 2 r a m 之间) ，无需二次加工，无裂缝、无毛边、无浮渣，因此切 割品质优良。 几乎没有材料的限制：无论是金属类如普通钢板、不锈钢、铜、钛、铝 合金等，或是非金属类如石材、陶瓷、玻璃、橡胶、纸张及复合材料， 皆可适用。 节约成本：水切割所产生横向及纵向的作用力极小，不会产生热效应或 变形或细微的裂缝，不需二次加工，既可钻孔亦可切割，降低了切割时 间及制造成本。 清洁环保无污染：在切割过程中不产生弧光、灰尘及有毒气体，操作环 境整洁，符合环保要求。 1 4 水射流切割应用范围 纯水切割应用于造纸业、橡胶业，而加磨料承刀则可应用于石材业、陶瓷业、 航空航天业、汽车制造业、金属加工业等等。特别是当今随着数控技术的发展， 大大的提高了尔射流加工的精度，同时实现了自动排料、自动识别的移刀和进刀 等，也提高了机床的自动化水平，拓展了其应用领域。如值得一提的汽车制造业， 随着近几年中国汽车业的迅猛发展，国内外各大汽车生产厂商产值的扩大，车型 上海大学硕士学位论文 的不断更新，生产周期的缩短，对配套的汽车内饰件( 如汽车地毯、仪表板、顶 蓬等) 厂家来说，早期手工加工汽车内饰件的切边及打孔的方法、由于效率低下、 产品精度差、劳动强度大，显然已不能满足当前汽车业发展的需求。此时，与数 控相结合的的水射流设备脱颖而出。利用数控装置可以使水切割头的喷嘴快速沿 直线或弧线运行，达到3 维加工内饰件的目的。 1 5 水射流切割机床的国内外发展状况 二十世纪初，高压水射流最早在美国应用于选矿业。1 9 7 2 年，麦卡特公司 制造并安装了第一台具有工业用途的高压水射流设备，它既能切割软材料，如木 材和皮革，也能切割硬材料，如花岗岩和大理石等建筑材料。 高压水射流技术经过多年的发展，目前已被广泛的应用于清洗、除锈、破碎、 切割、钻孔、降尘等领域。为了改善水射流技术对物料的作用效果，各国研究人 员进行了大量的研究，相继出现了脉冲射流、空化射流、摆振射流、共振射流、 聚能射流和磨料射流等新的射流技术。尤以磨料射流技术发展最为迅速。 1 9 8 3 年第一台商业用途的数控磨料水射流机器投入使用，它属于后混合磨 料水射流技术，它扩大了被切割材料的范围，并且有进给速度快、切割质量好、 厚度大等优点。 1 9 8 6 年英国的r m 费尔斯特等人发表了题为“直接注入磨料喷射一种新 型磨料切割技术”的论文，首先提出了前混合磨料水射流概念并制造了试验样机。 1 9 9 0 年英国流体力学研究协会下属的f l u i dd e v e l o p m e n t s 公司正式推 出低压加磨料型2 轴数控水射流切割机，这种技术被公认为水射流切割法中最有 效的。 2 0 0 2 年，美国f l o w 公司将超高压水射流技术带入了一个革命性的阶段， 发布了最高压可达8 7 0 0 0 p s i 的超高压水射流设备，在大大提高了生产效率的同 时，使用成本也较之以前下降4 0 。随着对水射流技术不断研发、提升、应用， 其发展和使用前景将无可限量。 现在国内外有许多厂家利用后混合磨料水射流技术、数控技术和c a d c a m 技术已成功地开发出数控车床、数控磨床、加工中心及水射流加工机器人等。如 英国的b h r 有限责任公司，美国的t e c h n i c u t 公司、英格索兰公司等；国内 的有湖南湘潭市的高新陶瓷机械厂，广州华臻机械设备有限公司、上大集仁水射 流公司等。在国内水射流重要的一个应用领域就是建筑装饰板材的异形切割，它 可以将成品抛光砖切割成高附加值的艺术拼花制品，将抛光砖生产过程中约5 左右的破损抛光砖切割成各具风格特色的艺术拼花制品。从而极大限度地降低生 产成本，提高经济效益。 图1 - 4 水射流所加工出的产品 1 6 论文研究方向及意义 一、研究方向 论文的目标是研制一台基于工控机( i p c ) 和l i n u x 操作系统的开放式磨料 水射流数控切割机床，该项目是由上海大学c m s & 机器人中心和上大集仁水射 流公司联合开发的新产品。 二、研究意义 1 在实际应用中，水射流切割技术具有广泛的用途且很大的潜力，以磨料水 射流切割数控技术为研究方向，探讨新型的磨料水射流切割技术的数控方法，以 促迸该技术的产业化工程。 2 开放式、模块化的数控体系结构。其特点是：在实现系统构成要素模块化 的同时，要通过这些要素之间的标准化，能够将由不同买方提供的要素自由地结 合起来，从而能方便地构成完整的系统。基于p c 的开放式的数控系统作为传统 c n c 的替代者，除了传统c n c 的一般的特点外，它有着以下优点，具有明显的先 进性和实用性： 开放式的平台提供极大的柔性和可持续扩展性，使数控系统建立后，仍 能不断进行更新升级； 以数百m h z 甚至上g h z 的c p u 为依托，提供强大的信息处理能力，能 为制造系统提供一个强大的实时分析和监控平台； 固有的通讯能力使企业的信息连接更为方便； 友好通用数控人机交互界面； 能方便的融入整个企业，实施远程监控、诊断以及e m a n u f a c t u r i n g 等 先进制造技术。 3 过去水射流数控经历了w i n d o w s9 5 ，w i n d o w sn t 两个操作系统平台的 上海大学硕士学位论文 演化和发展，应该说是成功的，数控系统逐步解决了用户界面、多线程控制等的 关键问题，但是由于所采用的操作系统本身不是实时操作系统，不能从根本上解 决数控系统的实时性问题，因此影响了数控系统的一些性能。所以有必要选择一 种实时操作系统来改善实时性能，并在此基础上开发控制驱动程序，提高数控系 统的实时性。 4 目前上大集仁水射流公司作为研究的依托单位，具有前后混合水射流机 床，以及磨料浆体射流机床的研发生产能力。基于整个水射流切割系统的发生设 备，床身设计等均为自主研发设计，具有自主的知识产权，而l i n u x 系统又具有 开放源代码，所以对数控系统的自主知识产权的开发亦显得更有特殊的意义。 1 7 论文章节结构 本文的章节结构安排如下： 第一章：论述了水射流技术的发展及其与数控相结合的应用，提出论文研究 的目的和意义； 第二章：论述了目前数控系统发展的开放式趋势，提出了我们所要开发的水 射流数控机床模块化的数控设计思想； 第三章：从总体上论述了水射流数控系统的软件和硬件构成； 第四章：论述了在l i n u x 系统上水射流数控系统的关键技术开发，也就是设 备驱动程序开发； 第五章：着重论述在数控系统中实时性的要求的保证和解决方法； 第六章：论述了在驱动程序的开发中插补模块所采用的算法； 最后对水射流机床的开发作出了进一步的展望。 上海大学硕士学位论文 第二章数控系统的现状和发展趋势 计算机数控( c n c ，c o m p u t e r n u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) 是集传统的机械制造、计 算机、微电子、自动控制、电气控制、传感检测以及信息处理和网络通信为体 的商新技术，其不仅是现代制造技术的基础，更是发展新兴高新技术产业和尖端 工业( 如信息技术及其产业、生物技术及其产业、航空、航天等国防工业产业) 的使能技术。马克思曾经说过“各种经济时代的区别，不在于生产什么，而在于 怎样生产，用什么劳动资料生产”。制造技术和装备就是人类生产活动的最基本 的劳动资料，而数控技术又是当今先进制造技术和装备最核一t l , 的技术。机械制造 的竞争，其实质是数控的竞争。当今世界各国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。此外世界上各工 业发达国家还将数控技术及数控装备列为国家的战略物资，不仅采取重大措施来 发展自己的数控技术及其产业，而且在“高精尖”数控关键技术和装备方面对我国 实行封锁和限制政策。大力发展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。因此我们国家在 目前企业现代化、信息化建设中着重提出制造装备的数字化。并在十五期间以“大 力振兴装备制造业，依托重点技术改造和重大工程项目，提高设计和制造水平， 推进机电体化，为各行业提供先进和成套的技术装备”为战略方针，提高我国 制造业基础装备的能力和水平1 4 4 j 。 数控系统是数控技术的核心，其作为数控技术的体现，也是数控发展的关键 技术，其功能强弱、性能好坏都将直接影响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、高效运行都存在极大的影响，下顽我们就数控系统的 发展以及目前的主要发展趋势做简要的论述。 2 1 数控系统的发展 2 。1 。l 数控系统发展简介 1 9 4 9 年美国帕森公司与美国空军合作，研制了一种计算装置，用于满足日 益复杂的飞机叶片的自动加工，于是由帕森公司首先提出了机床数字控制的概 念。1 9 5 2 年美国麻省理工学院研制出基于电子管和继电器的机床数控装置，用 于控制铣床，它标志了第一代数控系统电子管数控系统的诞生。到19 5 9 年 晶体管取代了昂贵、笨重的电子管，缩小了体积，也使了工业应用成为可能，从 而也就诞生了第2 代数控系统。随着1 9 6 5 年小规模集成电路构成体积更小的n c ， 上海大学硕士学位论文 数控系统的发展也就步入了第3 代。而数控系统的发展，对数控系统的实用性、 柔性、易维护性、控制装置的功能环境及对任意机床类型的适应性等数控系统性 能不断提高，但是上述3 个阶段的数控系统功能都是靠硬件逻辑来完成，其功能 差、灵活性差、系统可靠性低。到7 0 年代初大规模的集成电路、存储器以及微 处理器的问世，通用小型计算机的出现和逐渐普及给数控系统的应用技术带来突 破性的进展，1 9 7 0 年，在美国芝加哥国际机床博览会上，首次展出了第4 代数 控系统小型计算机数控系统，到了1 9 7 4 年，又首次出现了采用微处理器芯 片软连接的微型计算机数控系统也就是第5 代数控系统。从此数控系统的发展开 始步入高速的计算机数控系统( c n c ) 发展阶段。不仅真正实现机电一体化，进一 步缩小了体积，降低了成本，具备了多功能的技术特征，而且在软件技术方面获 得更快的发展，友好人机交互界面、实时的动态加工图形跟踪、软件插补、加工 速度控制、及软件精度补偿等功能。同时在系统结构上，出现了柔性化、模块化 的多处理结构。迸入九十年代，个人计算机( p c ，p e r s o n a lc o m p u t e r ) 的性能提 高很快，其运算速度快、价格便宜、可靠性高。在1 9 9 4 年在美国出现了基于p c 机的c n c 控制器，p c 机的引入，不仅为c n c 提供十分坚实的硬件资源和及其 丰富的软件资源，更为c n c 的开放化提供了基础1 6 “j 。 2 1 2 目前数控系统发展的新趋势 随着微电子技术和计算机技术的发展，数控系统的性能日臻完善，数控系统 的应用领域也日益扩大，为了满足市场和科学技术发展的需要，数控系统的发展 呈现出以下几个方面的发展趋势： 1 性能上的发展趋势 1 1 高速、高精度、高效、高可靠性 2 ) 柔性化、集成化 3 1 智能化 4 ) 网络化 2 市场适应性上的发展趋势：普及型、个性化 为了适应数控机床多品种、小批量的特点，数控系统应该尽可能扩大批量， 为此，数控系统生产厂家不仅应能生产通用的普及型数控系统，而且更应能生产 带有个性化的数控系统，特别是设计、生产能够由用户自己增加专有功能的普及 型数控系统。 3 体系结构上的发展趋势：开放性 为适应数控进线、联网、普及型个性化、多品种、小批量、柔性化及数控迅 速发展的要求，最重要的发展趋势是体系结构的开放性，设计生产开放式的数控 上海大学硕士学位论文 系统【9 40 1 。我们在下面将对其进行比较详细的论述。 2 2 开放式数控系统 如上所述，计算机数控系统作为制造形状复杂、高质量、高精度产品所必备 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，现今市场上组 成c n c 系统( 以f a u n c ，s i e m e n s 等为代表) 的硬件模块和软件结构绝大多数是 专用的、互不兼容的，系统各模块间的交互方式、通信机制也各不相同，这就造成 了不同厂家控制系统的相对独立、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 出其圆有的缺陷。一方面，不仅各控制系统间互连能力差，影响了系统的相互集成， 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 设备用户( c n c 系统的最终用户) 带来很多不便；而且系统的封闭性使它的扩充和 修改极为有限，造成数控设备制造商( c n c 系统中间用户) 对系统供应商的依赖，并 难以将自己的专门技术、工艺经验集成入控制系统并形成自己的产品特点，这将 不利于提高主机产品的竞争力。另一方面，专用的硬、软件结构也限制了系统本 身的持续开发，使系统的开发投资大、周期长、风险高、更新换代慢，不利于系统 的进一步开发。此外，当今计算机技术的发展已为用户提供了互相兼容统一的操 作系统及开发平台，计算机网络的发展给信息的交换及资源的共享提供了有利的 条件。计算机技术中的这种开放式体系结构在其发展过程中体现出了极大的优越 性，因此也必将充分地反映在数控系统的体系结构中。 2 2 1 开放式数控系统的特征 对于开放式数控系统，目前向未形成统一的定义，i e e e 关于开放式系统的 定义认为：能够在多种平台上运行，可以和其它系统互操作，并能给用户提供一种 统一风格的交互方式。根据这一定义，开放式数控系统应该具有以下基本特征： 可互操作性( i n t e r o p e r a b i l i t y ) ：通过提供标准化接口、通信和交互机制，使不同 功能模块能以标准的应用程序接口运行于系统平台之上，并获得平等的相互操作 能力，协调工作。 可移植性( p o r t a b i l i t y ) ：系统的功能软件与设备无关，即应用统一的数据格式、 交互模型、控制机理，使构成系统的各功能模块可来源于不同的开发商，并且通过 一致的设备接口，使各功能模块能运行于不同供应商提供的硬件平台之上。 可裁减性( s c a l a b i l i t y ) ：c n c 系统的功能、规模可以灵活设置，方便修改，既可 以增加硬件或软件构成功能更强的系统，也可以裁减其功能以适应低端应用。 可扩展性( e x p a n d a b i l i t y ) ：指构成系统的各硬件模块、功能软件的选用不受 上海大学硕士学位论文 单一供应商的控制，可根据其功能、可靠性及性能要求相互替换，而不影响系统熬 体的协调运行。 因此，一个完全开放的数控系统应该是以分布式控制原则，采用系统、子系统 和模块分级式的控制结构，其构造应该是可移植的和透明的；系统的拓补结构和 性能应是可缩放的，以便根据需要可方便实现重构、编辑，实现一个系统多种用途； 系统中各模块相互独立，在此平台上，系统厂、机床厂及最终用户都可很容易地把 一些专用功能和其它有个性的模块加入其中，进行系统开发设计时，允许各模块进 行独立开发，为此要有方便的支撑工具，各模块接口协议应明确，具有一种较好的 通信和接口协议，以便各相对独立的功能模块通过通信实现信息交换，通过信息交 换满足实时控制要求；同时使来自不同供应商的模块之间具有相互操作性，只有 这样才能保证机床厂和用户对系统作补充、扩展或者修改川1 1 ”。 2 2 2 开放式数控系统的国外发展 美国是最早提出开放式数控系统这一概念的国家，于1 9 8 7 年提出了n g c ( n e x tg e n e r a t i o nw o r k s t a t i o n m a c h i n ec o n t r o l l e r ) 计划。n g c 计划的目的是制 定一个新一代数控发展开放式方向和规则。n g c 计划于1 9 9 4 年完成了原型研究， 转入工业开发应用。美国f o r d 、g m 和c h r y l e r 等公司，在n g c 计划的指导下， 联合提出o m a c ( o p e n m o d u l a ra r c h i t e c t u r ec o n t r o l l e r ) 全新的开发计划，在政府 的支持下开始实施。 欧共体的o s a c a ( o p e ns y s t e ma r c h i t e c t u r e f o rc o n t r o lw i t h i na u t o m a t i o n s y s t e m ) 参照开放式系统及其互连模型提出了一个“分层的系统平台+ 结构化的 功能单元”的体系结构，保证各种应用系统与操作平台的无关性及相互间的互操 作性。开放性是十分明确的，并明确规定了不同的开放层次：应用层开放、核心 层开放( 与o s a c a 部分兼容) 和全部开放( 与o s a c a 全部兼容) 。 日本的o s e c ( 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 ) 计划，其目的是开发 基于p c 机平台的、具有高性能价格比的开放式体系结构的新一代数控系统，以 适应迅速变化的市场需求。在硬件方面，o s e c 计划采用p c + 控制卡( 将n c 专用 卡插到p c 机中) 的结构，有利于层次化、模块化、灵活配置的实现。在系统方面， o s e c 选择了以f l ( f u n c t i o n a ll a y e r s ) 为基础的开放式平台i l “。 2 2 。3 开放式数控系统的国内状况 在我国数控技术的发展进程中，“八五”数控科技联合攻关，开发具有我国自 主版权的数控系统，特别是提出开发中华i 型和航天i 型两个基本系统( 就是平台) 及系列化产品，并利用基本系统发挥我国的软体优势，实施平台战略，发展出我 1 0 上海大学硕士学位论文 国的数控软件的指导思想，其意义是十分重要的，是我国数控发展史上的一个转 折点。在此指导思想下，珠峰公司和华中理工大学，利用p c + 数控卡构成硬件 平台，开发中华i 型和华中i 型数控系统；与此同时，航天数控集团公司利用通 用p c 机的体系结构设计了与通用p c 兼容的微机加上数控通用专用模板构成了 单机数控系统，作为普及型推向市场，并以此为基础与通用p c 机相互联构成了 典型前，后台结构的多机系统；蓝天是在原7 5 0 0 系列的基础上，通过二次集成缩 小化设计后与通用p c 互连构成8 5 0 0 系列多机系统【7 。 同时，国家经贸委于2 0 0 0 年6 月开始组织实施国家技术创新重点项目新 一代开放式数控系统平台开发，通过团队方式，经两年通力协作，共同完成了 国家标准开放式数控系统总则的制定( 标准代码为g b t 1 8 7 5 9 1 - - 2 0 0 2 ) 。 于2 0 0 3 年1 月1 日起正式实施，对我国制造业制约最为严重的数控技术瓶颈， 随着新标准的实旄可望得以加速突破【i ”。 2 3 开放式水射流数控系统 我们针对磨料水射流的切割功能要求，采用通用p c 机加运动控制卡的方式， 设计出一种方便易用、基于l i n u x 的开放式磨料水射流数控系统。其设计的基本 原则是借助模块化工程的开放式思想，从而在保证系统实时性的基础上满足开放 性、可扩展性和自定义性等要求。为水射流数控机床提供极大的柔性和可持续发 展性。方便了系统的安装、构造和维护构造。减小了操作人员的工作量，提高了 产品的更新换代的能力，使之能以最快的反应时间顺应市场变化，减少设备改造 维护升级时间。其具体的模块结构见下一章。 圭塑查兰堡圭兰垡堕塞 第三章磨料射流机床数控系统的体系结构 3 i 硬件系统 磨料水射流按水与磨料的混合方式可分为后混合式磨料水射流和前混合式 磨料水射流两种类型。它们只是在对磨料的混合加速方式不同，而对水射流主切 割运动而言，磨料水射流切割都是通过机床工作台固定割枪及喷嘴组合件，并在 数控装置的驱动下，根据用户的指令驱动电机带动工作台做平面二维运动，从而 带动割枪组合件做二维平面运动，以实现切割加工。同时在p c 机上集成对磨料 阀、水阀、水泵等的控制，不仅简化了硬件按钮，同时还提高了控制的智能化水 平。并且通过对喷嘴的升降的调节来获得最佳的靶距和切割效果。另外为了确保 机床的安全运行和操作，对机床的水压、电流等状态信息进行实时采集和分析。 综合上面的基本功能我们设计出的如图3 1 所示的控制系统硬件结构图。由上层 负责代码解释直至插补的工控机和下层负责脉冲输出以及i o 控制的p c l 8 3 9 步进电机控制卡等组成。网络接口扩展了系统的远程功能，不仅可将离线编程的 工作分配给其它计算机负担，也可以实现数台机床的以太网连接，从而也为远程 监控和维护以及故障诊断提供了基础1 t 4 1 8 】。 我们开发的水射流数控切割机床数控系统的硬件主要由以下几部分组成： 与i b m - p c 兼容的p e n t i u m l i 工业控制微机，内存1 2 8 兆，c p u 主频 4 0 0 m h z ： 1 块研华出品的三轴步进电机驱动卡p c l 8 3 9 i 块研华出品的带光电隔离的1 6 位输入卡p c l d 7 8 2 ： 1 块研华出品的带光电隔离的1 6 位继电器输出卡p c l d 7 8 5 网卡、集线器等以太网连接设备。 上海夫学硕 学位论文 工 控 机 互联网 p c l8 3 9 步进电 机控制 p c l d7 8 5 1 6 值输出板 口盔e e & 盔 限位、原点 输入 睡畦匿耍墨銎蕾蕊 步进电机脉 冲输出 口e g g 珊 p c l d7 8 2 1 6 位输入板 驱 动 器 a d 转 换 磨料阀 水阀 水泵 喷嘴升降 图3 - 1 磨料水射流控制硬件结构图 3 1 1 步进电机控制 y 轴电机 x 轴电机 电压 电流 水压 步进电机是一种将电脉冲信号转换成角位移的执行元件，它每接受一个输入 电脉冲，转子即转动一步。两相步迸电机是按相序有规律地给每相分配电脉冲。 电机的转速与频率的大小成正比，改变电脉冲的频率就相应改变步进电机的转速 大小。停止给步进电机发脉冲，步进电机就停止运动。改变电机各相的通电顺序， 电机转向就相应改变。根据步进电机的工作原理，以及上述控制策略，我们采取 如下的具体实施方案：对步进电机的控制采用的是开环控制，由p c 机和插接于 i s a 总线的p c l 8 3 9 卡、步进电机驱动器、步进电机和机床工作台组成。控制 核心采用工控p c 机，与基于i s a 总线p c l 8 3 9 卡实现通讯联系，步进电机运 行所需要的脉冲信号由p c l 一8 3 9 卡提供，其工作过程是输出脉冲控制步迸电机 驱动器，从而驱动步进电机。步进电机驱动器是个独立的模块，可以完成电脉 冲的环行分配，其具有高度的抗干扰及快速响应性。该系统可以实现步进电机的 速度及位置的准确控制和启停控制，从而实现多种加工控制的要求 1 私1 9 1 。 由于从p c 机i s a 总线上的p c l 8 3 9 卡发出的脉冲信号功率很低，需要经 过几级放大才能达到驱动要求。另一方面，p c l - 8 3 9 卡提供给每一台步进电机的 脉冲需要经过专门的环行分配电路对脉冲进行分配，使脉冲信号按两相步进电机 的相序通电才能使步进电机正常运转。分析步迸电机的动态特性可知，若步进电 机以高速工作，则电气时间常数的影响增大，导通期间，电流不能迅速上升到额 定值，因而电机产生的转矩明显下降，截止期间，绕组电流不能立即消失。因此， 对步进电孝几驱动电路应做到： ( 1 ) 改变电流波形的上升沿和下降沿，产生接近矩形的电流波形； 上海大学硕士学位论文 ( 2 ) 设置供截止期间释放电流流通的回路，加快电流衰减； ( 3 ) 驱动电路的功耗低，效率高。 为了满足步进电机的驱动要求，要求步进电机驱动电路能够采用恒流驱动方 式，并允许较大的输入电压范围，保证电机的快速响应，并且能适当的抑制振动 和减低噪声旧。 3 1 2 工业控制微机i p c 工业控制微机i p c ( i n d u s t r i a lp e r s o n a lc o m p u t e r ) 泛指i s a 、p c i 等p c 总线 型工业控制计算机。随着p c 机功能的逐渐强大和完善，工业界开始尝试将p c 机应用于自动化领域。为了经受高低温冲击、潮湿、振动、电磁干扰、粉尘等恶 劣作业环境的考验，生产商通过增加密封保护、过滤器、板压条和额外风扇等措 施，形成了i p c 的雏形。经过不断发展，如今i p c 在本质上与普通p c 机别无二 致，但另具有以下特点： 取消普通p c 机的大底板布局，采用无源底板的外插件形式，便于系统开发、 维护和升级； 机箱具有超常强度，密封性好，并配备内部正向送风； 可靠性和抗干扰性高，主要指标均在普通p c 的3 倍以上； 配备合适的软件，如额外的b 的s 支持。 i p c 机不仅性能价格比优异，而且拥有极其丰富的硬件、软件和程序资源， 这是其它计算机系统无法相比的。 3 1 3 数控系统硬件板卡 1 ，p c l 8 3 9 控制卡 研华公司的p c l ，8 3 9 卡是一种高速步进电机控制卡，采用光隔保护，抗干 扰能力强，具有数字i o 口，并可以采样其它现场数据等。它简化了步进电机的 控制。p c l 8 3 9 卡内部有3 个独立的脉冲发生器，能够同步产生脉冲控制3 个电 机，每个脉冲发生器每秒可以产生1 至1 6 k 个脉冲。可以分别通过脉冲( p u l s e ) 或者方向( d i r e c t i o n ) 方式来控制电机的运行。具体的实现方法就是由程序设定 脉冲发生器工作方式，通过软件控制脉冲频率以达到控制步进电机转速的目的。 步进电机的启停控制也是由程序通过调用函数库中启停命令来控制脉冲信号的 输出而实现的。对于板卡的一些参数和i o 交互等可以通过p c l 一8 3 9 的寄存器地 址进行操作，具体见表3 - 1 。在安装p c l 8 3 9 步进电机控制卡时应该要注意以下 的一些内容，对控制卡进行正确的设置，注意使得软件上和硬件上保持一致，从 而保证卡的正常功能发挥，否则控制卡将不能正常工作，发送步进脉冲。这是笔 者在长期试验中的经验总结。 设置运行方式，可以选择为方向脉冲方式或者双脉冲方式： 通过设置卡上的基地址，保证控制卡在p c 机上获得连续的1 6 个i o 地 址，注意不能与其它设备的基地址冲突，否则将导致控制卡不能正常工 作； 通过设置卡上的跳线冒，在卡上可供选择的2 、4 、5 、7 、1 0 、1 1 、1 2 或1 5 中选定一个控制卡专用的中断号，注意也不能和其它设备冲突； 设置限位开关的作用方式，控制卡允许对各轴分别选定限位开关信号常 开或常闭起