（机械工程专业论文）基于运动控制器的三轴联动实验数控系统的研究.pdf

m i i i i q l llitlli l q l l l l l l l l lli i i q l l t l liiiiiq y 17 619 13 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了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经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示了谢意。 研究生签名：一二砰日期：迎唑弓 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的 内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅， 可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大 学研究生院办理。 研究生签名：期：竺! ! ：笙墅。 摘要 基于运动控制器的三轴联动实验数控系统的研究 刘志华指导教师：仇晓黎 东南大学机械工程学院南京2 1 0 0 9 6 摘要 随着数控技术的快速发展和数控机床的广泛应用，企业需要大量的数控技术人才，而传统数控 实验设备与方法存在的局限性，一直制约着数控技术人才的培养。冈此，开发一种高效的数控实验 系统，对加快数控人才的培养具有非常重要的意义。本文研究了一种全新的开放式数控实验系统， 在该数控实验系统上能开设数控编程仿真、操作加工、机床电气维修等多种训练项目。 通过对国内外开放式数控系统的研究，结合数控教学实际，本文构建了以通用p c 为上位机，以 深圳同高科技有限公司的g e - 3 0 0 - s v - p c i 运动控制器为下位机的开放式数控系统，并分别从硬件和软 件两个方面进行研究，给出了系统实现的方法及所涉及的关键技术。本系统以x j k 7 1 3 0 三轴数控铣床 为控制对象，选用松下m i n a sa 系列伺服驱动器和伺服电机构成半闭伺服系统，并详细设计了机床电 气控制电路和电气故障设置功能。为了提高数控系统运行的可靠性，本文还分析了系统硬件所受的 各种干扰来源，提出了针对电源、信号线、接地系统等的抗干扰措施。 在软件设计上，整个数控系统软件以w i n d o w sx p 为操作平台，采用面向对象和模块化编程技术， 以v i s u a lc + + 6 o 为编程环境，开发了人机交互界面、数控代码处理、二维图形仿真等功能模块， 并利用g e 系列运动控制器自带的d l l 动态链接库编写了系统的运动控制模块，实现对d e 一3 0 0 一s v 运动 控制器的直接控制。 该数控实验系统具有成本低、功能强、升级维护方便等特点，实验证明，将其应用于数控专业 教学，能较好地弥补传统数控实验设备的不足。 关键词：开放式数控系统运动控制器数控实验系统 a b s t r a c t d e v e l o p m e n to f3 一a x l ec n ce x p e r i m e n t a ls y s t e mb a s e do n m o t i o nc o n t r o l l e r l i uz h i - - h u a s u p e r v i s o r ：q i ux i a o l i s c h o o lo f m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g ，s o u t h e a s tu n i v e r s i t y , n a n j i n g ，c h i n a a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f n ct e c h n o l o g ya n dt h ew i d ea p p li c a ti o no fn cm a c h i n et o o l s ， v a s tn u m b e ro fn ct a l e n t sa r en e e d e d b u tt h et r a i n i n go fn ct a l e n t si sr e s t r i c t e db yt h e t r a d i t i o n a ln ce x p e r i m e n t a le q u i p m e n t sa n dm e t h o d s ，s oi ti so fg r e a ts i g n i f i c a n c et od e v e l o p a ne f f i c i e n tn ce x p e r i m e n t a ls y s t e mt oa c c e l e r a t et h et r a i n i n go fn ct a l e n t s an e wn c e x p e r i m e n t a ls y s t e mi ss t u d i e di nt h i sp a p e r ，b a s e do nt h i se x p e r i m e n t a ls y s t e m ，t r a i n i n g i t e m ss u c ha sn cp r o g r a m m i n gs i m u l a t i o n ，n cm a c h i n i n go p e r a t i o n ，n ce l e c t r i c a lm a i n t e n a n c e ， e t c c a nb eo p e n e d t h r o u g ht h er e s e a r c ho fo p e nn cs y s t e m sa th o m ea n da b r o a d ，c o m b i n i n gw i t hp r a c t i c a l n e e d so fn u m e r i c a lc o n t r o lt e a c h i n g ，t h i sp a p e rd e s i g n e da no p e nn cs y s t e mt h a tt a k e sg e n e r a l p ca se p i g y n o u sm a c h i n ea n dg e 3 0 0 0 s v 。p c im o t i o nc o n t r o l l e rp r o d u c e db ys h e n z h e ng o o g o l t e c h n o l o g yc o ，l t d a sh y p o g y n o u sm a c h i n e ；t h r o u g ht h er e s e a r c ho nh a r d w a r ea n ds o f t w a r e a s p e c t s ，t h ep a p e rg i v e ss y s t e mr e a li z a t i o nm e t h o d sa n dr e l a t e dk e yt e c h n i q u e s f o rt h e s y s t e mw ec h o o s ex j k 7 1 3 0t h r e e a x l en cm i l l i n gm a c h i n ea sc o n t r o l l i n gt a r g e t ，a n dc h o o s e p a n a s o n i cm i n a sa s e r i e ss e r v od r i v e ra n ds e r v oe l e c t r o n i cm o t o rt of o r mas e m i c l o s e ds e r v o s y s t e m ：a n dw ed e s i g nt h ee l e c t r o n i cc o n t r o l l i n gc i r c u i t sa n de l e c t r o n i cf a i l u r es e t t i n g f u n c t i o n si nd e t a i l i no r d e rt oi m p r o v ef e a s i b i l i t yo ft h en cs y s t e mr u n n i n g ，t h ep a p e r a n a l y z e sv a r i o u sj a m m i n gs o u r c e so nt h es y s t e mh a r d w a r e ，a n db r i n g sf o r w a r de f f e c t i v e a n t i j a m m i n gh a r d w a r ed e s i g no ne l e c t r i c a ls o u r c e ，s i g n a l l i n ea n dg r o u n d i n gs y s t e m ，e t c f o rs o f t w a r ed e s i g n ，t h ew h o l en cs y s t e mt a k e sw i n d o w sx pa so p e r a t i o np l a t f o r m ，a d o p t s o b j e c t o r i e n t e da n dm o d u l a r i z a t i o np r o g r a m m i n gt e c h n i q u e s ， v i s u a lc + + 6 0a sp r o g r a m m i n g t o o l s ，d e v e l o p e df u n c t i o n a lm o d u l es u c ha sm a n m a c h i n ei n t e r f a c e ，n cc o d ep r o c e s s i n ga n d 2 d - d r a w i n gs i m u l a t i o nf u n c t i o n ，e t c t h es y s t e ma l s od e s i g n e dam o t i o nc o n t r o lm o d u l ew i t h d l lo w n e db yg es e r i a l sm o t i o nc o n t r o l l e rt or e a l i z ed i r e c tc o n t r o lo v e rg e 3 0 0 。s vs e r i a l s m o t i o nc o n t r o l l e r t h en ce x p e r i m e n t a ls y s t e mh a st h ef o l l o w i n gc h a r a c t e r i s t i c s ：l o wc o s t ，p o w e r f u l f u n c t i o n ，c o n v e n i e n tm a i n t e n a n c e ，a n dt h ee x p e r i m e n tp r o v e dt h a tw h e na p p l i e di n t h en c f i e l dt e a c h i n g ，i tc a ns u f f i c i e n t l ys u p p l yag a pt ot h et r a d i t i o n a ln ce x p e r i m e n t a l e q u i p m e n t s k e y w o r d s ：o p e nn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m ，m o t i o nc o n t r o l l e r ，c n ce x p e r i m e n t a ls y s t e m i i 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 数控技术及其发展状况1 1 1 1数控技术的基本概念及发展历史1 1 1 2 数控系统的发展现状及趋势2 1 2 开放式数控系统概述2 1 2 1 开放式数控系统及其特征2 1 2 2 开放式数控系统的国内外研究现状3 1 2 3 基于p c 的开放式数控系统的结构形式4 1 3 数控实验系统研究现状分析5 1 4 课题的意义及主要内容5 第二章系统总体方案设计7 2 1 概j 查7 2 1 1 数控系统的组成及工作流程7 2 1 2开放式数控系统的设计原则8 2 2 系统功能需求与规划9 2 3 系统总体硬件结构设计9 2 4 系统总体软件结构设计10 2 4 1系统软件的设计思路10 2 4 2系统软件的功能模块划分11 2 5 系统的应用平台1 2 第三章系统硬件设计1 3 3 1固高运动控制器13 3 1 1g e 一3 0 0 一s v p c i 运动控制器i3 3 i 2 端子板介绍1 4 3 1 3 运动控制器与端子板的连接1 4 3 2 伺服系统及其连接1 5 3 2 1伺服系统的选用1 5 3 2 2 伺服系统连接1 5 3 3电气控制系统的设计1 6 3 3 1 系统的整体连接1 6 3 3 2 主轴控制电路1 7 3 3 3电气主电路1 8 3 3 4 系统电源电路1 9 3 3 5 交流控制电路1 9 3 3 6 直流控制电路2 0 3 3 7电气故障点的设置2 0 3 4 硬件电路的抗干扰措施2 1 3 4 1 数控系统的干扰源2 1 3 4 2 抗干扰的技术措施2 1 第四章系统软件设计2 3 4 1 系统软件的开发环境2 3 4 1 1w i n d o w sx p 操作系统2 3 i l l 目录 4 1 2v is u a lc + + 6 o 2 3 4 2 系统的初始化2 3 4 3 系统软件人机界面的实现2 5 4 3 1 系统软件的主界面2 5 4 3 2 系统“屏幕”区的主要功能界面2 7 4 4 数控代码的处理2 9 4 4 1 概述2 9 4 4 2 数控代码的查错3 1 4 4 3 数控代码的解释及预处理3 3 4 5 轨迹仿真功能模块3 4 4 6 自动加工功能模块3 6 4 6 1 多段连续轨迹运动3 6 4 6 2 前瞻预处理3 7 4 6 3自动加工中辅助功能的实现3 9 4 7 回零功能的实现3 9 第五章系统在数控教学中的应用4 1 5 1 系统在数控编程操作训练中的应用4 1 5 1 1 根据零件图样编写加工程序4 1 5 1 2 加工前的准备4 2 5 1 3 工件加工4 3 5 1 4 实验结论4 3 5 2系统在数控机床电气维修中的应用4 3 5 2 1故障设置、分析及排除应用实例4 3 5 2 2 应用结论4 4 第六章总结与展望4 5 6 1 研究工作总结4 5 6 2 展望4 5 致谢4 7 参考文献4 8 攻读学位期间发表的学术论文5 0 i v 第一章绪论 1 1 数控技术及其发展状况 第一章绪论 1 1 1 数控技术的基本概念及发展历史 数字控制( n u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) 技术，简称数控( n c ) 技术，是指采用数字信号构成的控制程序 对某一对象进行控制的一门技术。用米实现数字化信息控制的硬件和软件的整体称为数控系统 ( n u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m ) 。采用存贮程序的专用计算机来实现部分或全部基本数控功能的数控 系统，称为计算机数控( c o m p u t e r i z e dn u m e r i c a lc o n t r o l ，简称c n c ) 系统幢1 。采用了数控技术并 用数字信号控制其工作过程的机械设备都称为数控设备，如数控机床、数控测量机、数控纺织机、 机器人等，其中数控机床应用最为“泛。 1 9 4 8 年美国帕森斯公司( p a r s o n sc o r p o r a t i o n ) 受美国军方的委托研制加：直升机叶片轮廓 检验样板的机床时，与麻省理工学院( m i t ) 伺服机构研究所进行合作，首次提出了用电子计算机控 制机床加：i = 复杂曲线样板的新理念，于1 9 5 2 年成功研制出世界上第一台由专用电子计算机控制的三 坐标立式数控铣床。后又经过改进，于1 9 5 5 年实现了产业化，并批量投放市场，从此开辟了工业生 产技术的新纪元。近半个世纪以来，数控技术经历了两个阶段和六代的发展1 ： ( 1 ) 硬件逻辑数控( n c ) 阶段( 1 9 5 2 - 1 9 7 0 年) 这一阶段的数控装置是由各种记忆元件、逻辑元件等组成的分立元件逻辑电路，采用固定接线 的硬件结构，系统由馒件米接收、处理信息。这种数控装置结构复杂、功能简单、稳定性差，要增 加功能必须重新设计系统电路。随着元器件的发展，数控技术在这个阶段历经了三代： 1 9 5 2 年，世界上第一台数控机床诞生，所用的电子元件主要是电子管，这就是数控系统发展 的第一代。 1 9 5 9 年，晶体管研制成功，因而数控系统中广泛采用晶体管和印刷电路板，从而跨入了第二 代。 1 9 6 5 年，出现了小规模集成电路。由于它的体积小，功耗低，使数控系统的可靠性得以进一 步提高，数控系统发展剑第三代。 ( 2 ) 计算机数控( c n c ) 阶段( 1 9 7 0 年以后) 随着计算机技术的发展，小型计算机开始取代专用控制的硬件逻辑数控系统，数控系统的许多 功能由软件程序实现，从此进入了计算机数控( c n c ) 阶段。计算机数控系统可以通过改变软件很容易 地修改或增减系统功能，能实现复杂程序的控制，且系统的便件结构简单，工作可靠，使用维护也 很方便。这一阶段也历经了三代： 1 9 7 0 年，在美国乏加哥机床展览会上，首次出现了以小型计算机组成的数控系统，称之为第 四代数控。 1 9 7 0 年前后，英特尔公司开发和使用了微处理器。1 9 7 4 年，美、日等国首先研制出以微处理 器为核心的数控系统，这就是第五代数控。 - t ! l - r1 9 9 0 年，p c ( 个人计算机) 的性能已发展到很高的阶段，可以满足作为数控系统核心部件 的要求，而且p c 生产批量很大，价格便宜，可靠性高。从此，数控系统进入了基于p c 的时代，这 就是第入代数控。 虽然数控系统近五十年来经历了两个阶段六代的发展，但从根本上解决可靠性低、价格昂贵、 应用不便等关键问题，还是在数控系统发展的第五代，在此之后数控机床才在企业中得剑大规模地 应用和普及。 我国数控技术起步于1 9 5 8 年，5 0 多年的发展历程大致可分为3 个阶段：第一阶段从1 9 5 8 年到 1 9 7 9 年，即封闭式发展阶段。在此阶段，由于国外的技术封锁和我国的基础条件的限制，数控技术 的发展较为缓慢。第二阶段是在改革开放后，在这阶段我国数控技术才逐步取得实质性的发展。经 过。六五”的引进国外技术， “七五”的消化吸收和“八五”的国家组织科技攻关，使得我国的数 东南大学硕士学位论文 控技术有了质的飞跃，初步建立起数控系统国产化体系。第三阶段是在国家“八五”后期和“九五” 期间，即实旋产业化研究，进入市场竞争阶段。在此阶段，我国国产数控装备的产业化取得了实质 性进步。在“九五”末期，国产数控机床的国内市场占有率达5 0 ，配国产数控系统( 普及型) 的 机床也达到了1 0 。特别是“十五”期间，我国的高端数控机床关键技术研究方面取得了重大突破。 我国数控技术经过5 0 年的发展历程，目前，在普及型数控机床技术上已经成熟，还基本掌握了多坐 标联动的关键技术，这不仅打破了国外的技术封锁，而且使该技术进入实用性阶段，同时复合加工 技术的研究也取得很大成绩。 虽然我国在数控技术的研究开发以及产业化方面取得了长足的进步，但我们也要清醒地认识到， 我国高端数控技术的研究开发，尤其是在产业化方面的技术水平与我国的现实需求还有较大的差距。 1 1 2 数控系统的发展现状及趋势 经过半个多世纪的发展，数控系统的性能日臻完善，功能不断强大，而价格却逐步下降，其应 用领域日益扩大。随着电子技术、计算机技术、精密制造技术及人工智能的发展，数控系统正朝着 高速度、高精度、高可靠性、多功能、智能化、复合化等方向发展b 儿钔b 1 。 ( 1 ) 高速度、高精度、高可靠性 效率、质量是先进制造技术的主体。高速、高精加工技术可极大地提高效率，提高产品的质量 和档次，缩短生产周期和提高市场竞争能力。现代数控机床快速进给速度一般都在5 0 m m i n 以上，有 的机床高达1 2 0 m m i m 主轴转速在1 2 0 0 0r m i n 以上的已较为普及，高速加工心的主轴转速高达 1 0 0 0 0 0r m i n 。在加_ 精度方面，近1 0 年来，普通级数控机床的加工精度已由1 0um 提高到5l im ，精 密级加j = 中心则从3 5pm ，提高到l 1 5um ，并且超精密加下精度已开始进入纳米级( 0 0 1um ) 。 在可靠性方面，由于采用了专用芯片和超大规模集成电路，使数控系统的可靠性大人提高，国外数 控装置的m t b f 值已达6 0 0 0 h 以上，伺服系统的m t b f 值达至u 3 0 0 0 0 h 以上，表现出非常高的可靠性。 为了实现高速、高精加工，与之配套的功能部件如电主轴、直线电机得到了快速的发展，应用 领域进一步扩大。 ( 2 ) 多功能、复合化 随着技术的发展，很多新技术、新理论、新t 艺、新方法不断溶入数控系统，使数控系统同时 控制的轴数增多，系统功能越来越强大，现在的数控系统已溶合了三维仿真、故障自诊断、人机会 话辅助编程、网络通信、c a d c a l 等多种功能。 近几年来，复合化成为数控系统发展的新模式，它将车、铣等多种a n i 方式复合，在装有多种 动力头的数控机床上，可以控制在一次的装夹中完成多种工序的加工，如立卧转换加工中心、车削 加工中心、车铣万能加工中心等。 ( 3 ) 智能化、网络化、开放式 为了适应制造业生产柔性化、自动化发展的需要，数控系统智能化程度亦不断提高。数控系统 智能化包括以下几个方面：为追求加r 效率和加：质量方面的智能化，如加工过程的自适应控制， 工艺参数自动生成；为提高驱动性能及使用连接方便的智能化，如前馈控制、电机参数的白适应运 算、自动识别负载、自动选定模型、自整定等；为简化编程、简化操作方面的智能化，如智能化的 自动编程、智能化的人机界面等；还有为方便系统的诊断及维修方面的智能化，如智能诊断、智能 监控等。 数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求，使机械加工 整个系统的资源合理支配并高效运用。国内外一些著名数控机床和数控系统制造公司都在近两年推 出了相关的新概念和样机，如日本山崎马扎克( m a z a k ) 公司展出的“c y b e rp r o d u c t i o nc e n t e r ”( 智 能生产控制中心，简称c p c ) ；德国两门子( s i e m e n s ) 公司展出的o p e nm a n u f a c t u r i n ge n v i r o n m e n t ( 开放制造环境，简称o m e ) 等，反映了数控机床加t 向网络化方向发展的趋势。 为解决传统的数控系统封闭性和数控应用软件的产业化生产存在的问题，实现数控系统的柔性 化、个性化，数控系统结构体系的开放已经成为数控系统发展的未来之路。数控系统只有从结构体 系上实现开放，才能使数控技术跟上时代发展的步伐，也才能充分利用匕速发展的电子、计算机等 各种技术的先进成果，满足企业日益增长的需求。 1 2 开放式数控系统概述 1 2 1开放式数控系统及其特征 传统数数控系统，由专用的主板、c p u 和控制板组成，并通过专用的软件工具开发而成，这种 2 第一章绪论 系统运行稳定可靠且技术成孰，一直以来t 与据了制造业市场数控系统的绝大部分份额，如应用广泛 的f a n u c0 系列数控系统、m i t s u b i s h im 5 0 系统等。这种数控系统使用了专用的软硬件，结构体系 封闭，存在如i 卜缺点。：与通用计算机不兼容，与不同厂家的数控系统不兼容，甚至同一个厂家 的不同系列的数控系统也不兼容；扩充和修改极不容易，用户难以将自己的专门技术、r t 艺经验 集成进控制系统并形成自己的产品特点；系统的开发投资大、周期长、风险高，更新换代慢。随 着机械加t 技术的发展，对数控机床的性能要求越来越高，这种封闭式结构的数控系统局限性日趋 明显。为适应不断发展的现代制造技术，数控系统要能够被用户重新配置、修改和扩充，而不必从 头开始重新设计系统的硬件和软件。要达到这一目的，最有效的途径就是实现数控系统的开放。 目前，对开放式数控系统的定义较多，还未能形成一致公认的标准。i e e e ( 国际电气电子丁程 师协会) 定义开放式数控系统为：“可以运行在多种平台上，可以与其它的系统相互操作，并且 具有统一风格的用户交互界面”。根据这一定义，开放式数控系统应具有以下基本特征阳7 ： ( 1 ) 可互操作性通过提供标准化接口、通信和交互机制，使不同功能模块能够以标准的程序接 口运行于系统平台之上，并获得平等的互操作能力。数控系统各模块之间的相互协作，容易实现数 控系统和其他自动化设备的互连。 ( 2 ) 可移植性数控系统的功能软件不依赖特定的硬件平台，构成系统的各功能模块采用统一的 数据格式、通讯接口和控制机理，使各功能模块能运行于不同供应商提供的便件平台，这样可以大 人缩短控制器及其应用程序移植的周期。 ( 3 ) 可扩展性片j 户可方便地对系统进行二次开发，将自己的经验、技术溶入系统，形成适合自 己要求的专用数控系统，以满足不同场合的要求。 ( 4 ) 可伸缩性系统的功能模块可以灵活设置，可按使用的要求，增加或减少功能模块，既充分 满足了用户需求，又可避免功能模块闲置，使数控系统处于最经济的运行模式。 ( 5 ) 可互换性构成系统的各硬件、功能软件的选用不受单一供应商的控制，可根据功能、性能 要求相互替换，不影响系统整体的协调运行。 综上所述，一个完全开放的数控系统应该是：系统的开发可以在统一的平台上，由机床厂家和 最终用户通过修改、增加或剪裁结构对象( 数控功能) ，来形成不同品种、不同档次的系列化产品， 并且用户可以方便地将特殊应用和技术诀窍集成到系统中，形成具有鲜明特色的产品。 1 2 2 开放式数控系统的国内外研究现状 开放式数控系统已成为数控系统发展的主流，国际很多企业和研究机构对开放式数控体系结构 进行了深入的研究，纷纷推出各自的开放式数控体系结构规范。其中，最有代表性的是美国的n g c 和o m a c 计划、欧盟的o s a c a 计划以及日本的o s e c 计划，这三个计划的发展基本上反映了国外开放 式数控系统的发展现状儿引9 1 。 ( 1 ) 美国n g c 和0 姒c 计划 开放式数控系统体系结构的研究始于1 9 8 7 年美国国防部资助下的n g c ( n e x tg e n e r a t i o n c o n t r o ll e r ) 项目。其目的是给基于开放式体系结构的下一代机械制造控制器提供一个标准，在这一 标准的支持下，不同的设计人员可以开发出具有互换性和互操作性的控制部件。n g c 的一个重要成 果是开发并形成了基于互操作和分级式软件模块的“开放体系结构的标准规 范”s o s a s ( s p e c i f i c a t i o nf o ra no p e ns y s t e ma r c h i t e c t u r es t a n d a r d ) ，用于指导工作站和机床 控制器的设计和结构组织。1 9 9 4 年由美国g m ( 通t j ) 、f o r d ( 福特) 和c h r y s l e r ( 克莱斯勒) 三大汽车 公司提出了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 o l l e r s ) 计划，其目标是降低控制器的投资成 本和维护费用，提高机床利用率，提供软硬件模块的“即插即用”和高效的控制器重构机制，缩短 产品开发周期，从而使系统易于更新换代，尽快跟上新技术的发展，并适应需求的变化。 ( 2 ) 欧盟o s a c a 计划 欧盟在1 9 9 2 年组织了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 n s y s t e m s ) 项目，其研究目标是自动化系统中的开放式控制系统体系结构。遵循o s a c a 规范的控制器 产品将提供更强的客户定制功能，缩短新产品开发的周期，降低产品的开发和维护、培训成本。该 项目分为三个阶段：第一阶段完成了o s a c a 的规范和应用指南的制定；第二阶段主要开发了平台的 标准、通用的软件模块和通用的o s a c a 平台；第三阶段主要是推广o s a c a 思想及_ 作的技术成果， 使之成为自动化领域的国际标准。现在，欧洲主要的数控制造商如：s i e m e n s 、n u m 、f a g o r 等都在 开发符合o s a c a 标准规范的开放式数控系统。 ( 3 ) 日本o s e c 计划 1 9 9 5 年，由东芝、丰田、m a z a k 三家机床制造商和日本i b m 、三菱电机和s m l 等共同提出o s e c ( o p e n s 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 ) 项目，其目标是建立一个国际性的工厂自动化控制设备标准， 3 东南大学硕t ：学位论文 并开发新一代基丁p c 平台、性价比高的开放体系结构数控系统。项目分两步进行，第一步是“o s e c i 设计”的研究，研究的中心问题是开放式控制器的意义和方向，提出了f a d l 语言，其实质是建立一 种由多家公司支持的中性语言，以这种中性语言作为用户与控制器的交互界面。第二步是“o s e c i i 设计”的研究，目标是达到能实际安装的完成度高的体系结构。在o s e c i i 中，f a d l 语言进一步发 展为o s e l 语言，它将终端用户和机械厂家积累的生产技术做成软件包的形式，是一种具有可重复利 用特性的新的n c 语言。 以上三个计划分别提出了三种不同的体系结构和标准。目前，世界上还没有形成统一标准的硬 件和软件平台以及标准的用户界面。国外开放式数控系统的研究已经取得了巨大的进展，并推出了 一批高性能的开放式数控系统，如s i e m e n s8 4 0 d 数控系统、d e l t at a u 公司的p m a c 数控系统、日 本m a z a k 公司的m a z a t r o l6 4 0 数控系统等。 随着国际学术界对开放式数控系统研究的日益深入，我国的相关研究也越来越受到重视。经过 多年的技术攻关，开发出一批具有自主知识产权的数控系统，其代表产品有华中i 跫、中华i 型、 航天i 型和蓝天i 型，这4 种数控系是目前国内比较成功和富有特色的基于p c 的数控系统。这些拥 有自主知识产权数控系统的成功开发，表明我国已经具备开发和生产中、高档数控系统的能力。我 国数控技术的研究起步较晚，且由于原有数控系统的封闭性及国内软硬什基础薄弱，使我国数控系 统的研发水平相对发达国家存在较大的筹距，而开放式体系结构的数控系统，把我国数控系统制造 商和国际老牌c n c 制造商拉到了同一起跑线上，如果能抓住机遇迅速成k ，无疑为提高我国民族工 业竞争力和制造技术的跨越式发展提供了一次绝好的机会。 1 2 3 基于p c 的开放式数控系统的结构形式 随着p c 机的快速发展，特别是t 业p c 机能在工业环境中可靠运行，而价格却大幅度降低，以 p c 机为核心的开放式数控系统已经被_ r ：业控制领域所接受。基丁p c 的开放式数控系统以其成本低、 可靠性高、易扩展、易实现网络功能等特点深受广大科研人员的喜爱。目前基于p c 的开放式数控系 统有以下几种体系结构0 1 n “u2 1 ： ( 1 ) 专用c n c + p c 主板 该类型系统是将一块p c 主板插入到传统的c n c 系统内部，p c 与c n c 之间用专用的总线连接。 插入的p c 主板主要用于人机界面、存储和通讯等非实时控制任务，传统的c n c 仍主要运行位控， 插补等以坐标轴运动为主的实时控制任务。其优点是原型c n c 几乎可以不加改动的使用，又可利用 计算机丰富的软件资源。缺点是其c n c 部分仍然是传统的数控系统，其体系结构仍未开放，用户无 法介入数控系统的核心。这是一些数控系统制造商不愿放弃多年来积累的数控软件技术，义想利用 计算机丰富的软件资源而采取的一种折中方案。这类系统功能强人，但结构复杂、价格昂贵，如日 本f a n u c 公司、美国a - b 公司和德国s i e m e n s 公司的部分产品就属于这一类。 ( 2 ) p c + 运动控制器 该类型系统是将运动控制器或整个c n c 单元插入到p c 的标准总线插槽中，构成的开放式体系结 构的数控系统。运动控制器是该类系统的核心部件，其具有很强的运动控制和p l c 控制能力，且提 供了开放的数控函数库，供j j 户在w i n d o w s 平台下自行开发所需的控制系统。这种方案优点是结构 简单、集成方便，能在保证系统性能的前提下，充分利用p c 机的软硬件资源，且通用性强、编程处 理灵活。因此，“p c + 运动控制器”是目前开放式数控系统采用较多的一种结构形式。如美国d e l t a t a u 公司用p m a c 多轴运动运动控制器构造的p m a c n c 数控系统、日本m a z a k 公司用三菱电机的 m e l d a s m a g i c6 4 构造的m a z a t r o l6 4 0c n c 等。 ( 3 ) 全软件式数控系统 全软件式数控系统是指数控系统的全部功能均由软件模块来实现，并通过装在p c 扩展槽中的接 口卡对伺服驱动进行控制。这种数控系统充分利用p c 不断提高的计算速度、不断扩大的存储量和性 能不断优化的操作系统，实现机床控制中的运动轨迹控制和开关量的逻辑控制。这种结构形式的数 控系统，其主要功能部件均表现为应用软件的形式，是一种最新的开放式体系结构的数控系统，它 提供给用户最大的选择和灵活性。但由于存在着操作系统的实时性、标准统一性及系统稳定性等问 题，这种系统目前正处于初期阶段，还没有大规模投入到实际应用中。其典型产品有美国m d s i 公司 的o p e nc n c 、德国p o w e ra u t o m a t i o n 公司的p a 8 0 0 0n t 等。 比较而言，“p c + 运动控制器”结构的开放式数控系统，既能充分利用p c 丰富的软硬件资源，又 能由运动控制器保证系统运行的稳定可靠，且开发方便、成本低，因此比较适合数控实验系统的开 发。本课题研究的数控实验系统就采用了这种结构形式。 运动控制器作为“p c + 运动控制器”结构数控系统的核心，其性能直接决定着整个数控系统的性 能。目前，在实际应用中的运动控制器大致可分为如下三大类副： 4 第一章绪论 ( 1 ) 基于单片机的运动控制器 以8 0 3 1 、8 0 5 1 等单片机作为微处理器，加上存储器、d a 转换电路以及通信接口电路等组成的运 动控制器。这类运动控制器元器件较多，可靠性差，且速度较慢，精度不高，不能采用复杂的控制 算法，不适合用于高精度、高速度的控制场合，只在一些需要低速点位运动控制和对轨迹要求不高 的轮廓运动控制场合应用。 ( 2 ) 基于专用控制芯片的运动控制器 专用的运动控制芯片可以完成速度曲线规划、p i d 伺服控制算法、编码器信号处理等多种功能。 如美国国家半导体公司生产的l m 6 2 8 运动控制芯片，g a l i m o t i o n 公司生产的g l l 0 0 0 、g l 2 0 0 0 ，日本n o v a 电子有限公司生产的m c x 3 1 4 运动控制芯片等。这类运动控制器结构比较简单、成本较低，硬件和软 件的配置有一定的灵活性，但由丁受到专用运动控制芯片功能和运算速度的限制，复杂的控制算法 和功能很难实现。 ( 3 ) 基于数字信号处理器( d s p ) 的开放式运动控制器 9 0 年代以来，随着计算机技术和电子技术的发展，将运算高速、功能强大的数字信号处理器应 用于运动控制器。这类运动控制器充分利用了d s p 的高速数据处理功能和f p g a 的超强逻辑处理能力， 便于设计出功能完善、性能优越的运动控制器。这类运动控制器通常都能提供板上的多轴协调运动 控制与复杂的运动轨迹规划、实时的插补运算、伺服滤波算法，能够实现闭环控制。由于采用f p g a 技术来进行硬件设计，运动控制器供应商可方便地根据客户的特殊上艺要求和技术要求进行个性化 的设计，可以满足多轴联动的数控机床、机器人等高性能控制系统的需求。其中典型的产品如d e l t a t a u 公司的p m a c 多轴运动控制器、固高科技公司的g t 、g e 系列运动控制器、深圳摩信公司的m c t 8 0 0 系列运动控制器等。 1 3 数控实验系统研究现状分析 数控技术是制造业实现自动化、柔性化、集成化的基础，是提高产品质营，提高劳动生产率必 不可少的手段。随着我国制造业的快速发展，我国数控机床的应用越来越广泛，企业需要大批能编 程操作、会调试维修的综合性数控技术人才。2 0 0 3 年教育部等六部门联合印发了教育部等六部门 关r 实施职业院校制造业和现代服务业技能型紧缺人才培养培训上程的通知，通知中将数控技术 人才列入紧缺人才培养计划。经过6 年多的培养，一方面是企业找不剑合适的数控技术人才，一方面 是学校培养的数控人才找不到合适的工作，究其原因主要是学校培养的人才大多理论扎实而动手能 力不强，不能满足企业的实际需求。 数控技术是集精密机械制造技术、计算机技术、自动控制技术、信息处理技术、伺服驱动技术 和网络技术等于一体的综合性学科，其实践性很强。由于数控设备价格昂贵，大多数学校经费不足， 只配备了数量较少的数控实验设备，每个学生独立实际操作的机会很少，大多数实训时间是在数控 仿真软件上用鼠标操作“机床”。另外，数控技术发展迅速，数控系统的更新换代周期短，但由于 大多数数控系统结构封闭，升级十分因难，因此学校的数控实验设备无法跟上数控系统更新换代的 步伐，老师只能按现有实验设备开展教学，使得学生所学知识陈旧，无法达到企业对数控技术人才 的要求。 目前，学校所用数控实验设备大多数是生产型数控机床，这些设备配备的数控系统工作可靠、 控制精度高、运行速度快、功能