（机械电子工程专业论文）直接面向加工路径的开放式数控系统研究.pdf

济南大学硕l ：学位论文 摘要 数控机床的拥有量及其年产量是一个国家制造能力的重要标志，数控系统的发 展是促进数控机床不断发展的技术因素。传统的数控系统虽然已经实现了较复杂的 功能，并具备一定的精度，但是由于传统数控系统采用的是专用计算机系统，实现 过程对用户来讲是封闭的，模块功能也是固定的，用户难以在其平台上进行二次开 发，并且不同厂商的软硬件互不兼容，系统与外部缺乏有效的通信功能，这就增加 了用户的投资风险和成本。 另外，现代的c n c 数控机床仍然依赖于g & m 代码( i s 0 6 9 8 3 ) 作为输入的控 制代码，此代码只包含了运动和开关控制信息而没有任何的零件几何信息。随着全 参数化造型曲面在工业设计中的日益普及以及c a d c a m 软件功能的日益复杂，此 传统的数控加工技术已越来越难以适应加工日益复杂化的零件几何模型。并且 g & m 代码所存在的系统之间不兼容、编程及操作困难等诸多问题，都大大限制了 现代化生产以及数控技术本身的发展。 针对以上问题，本文提出了开放式参数化模型直接驱动数控加工系统的解决方 案。此方案的核心设计思想是将c n c 数控系统与c a d c a m 系统之间进行无缝隙 的数据连接，而非用其他研究中所提到的用数据转换的形式进行连接。本文在系统、 全面地对开放式数控系统架构进行研究的基础上，确定了开放式数控系统的硬件结 构和软件模块设计方案。 首先，在建立开放式数控系统的直接被控对象永磁同步电机数学模型的基础 上，介绍了电压空间矢量脉宽调制技术，并给出了相应的实现算法。在分析永磁同 步电机磁场定向矢量控制原理的基础上，在m a t l a b 中建立了永磁同步电机的矢 量控制模型进行仿真，为系统的软件编程提供理论依据，也为实际系统实验结果提 供理论参照。 其次，以t i 公司的电机专用控制芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 为核心处理芯片，辅 以驱动电路及其他相关外围电路，完成了伺服运动控制卡的硬件设计。并在t i 公 司d s pc 2 0 0 0 系列集成开发环境c c s 2 下，完成了永磁同步电机矢量控制算法、 s v p w m 波的产生、电流及速度和位置中断采样等系统程序的设计。 然后，在软件设计方面，对上下位机的软件系统进行模块化设计。利用u gn x 2 的二次开发工具u gg r i p 模块编程提取零件的加工路径，保存下来作为编写d s p i i i 直接面向加t 路径的开放式数 窄系统研究 控制程序的依据。说明了实现两轴联动的设计思想，给出了程序流程图。完成了开 放式数控系统界面的设计。 最后，经过调试实验，基于d s p 的伺服控制系统在永磁交流伺服电机驱动的应 用上，无论是控制电机的速度，还是控制位置，效果都很理想。数控系统控制工作 台的精度可达n 士o 0 0 2 m m 。实践证明，该系统具有可靠性高、开发周期短、控制精 度高等优点，并实现了一定的智能化，可为我国开放式数控系统的研制和开发提供 借鉴，并为后续的研发工作奠定了一定的基础。 关键词：开放式数控系统；加工路径；数字信号处理器；永磁同步电机；伺服系统 i v 济南大学硕十学位论文 a b s t r a c t t h ep o s s e s s i o na n da n n u a lp r o d u c t i o no fn u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n e ( n cm a c h i n e ) i n d i c a t e st h em a n u f a c t u r ec a p a b i l i t yi na n yc o u n t r y a n dn cs y s t e m sd e v e l o p m e n ti s t h et e c h n i c a lf a c t o rt oh a s t e nn cm a c h i n e sa d v a n c e m e n t a l t h o u g ht r a d i t i o n a ln c s y s t e mh a sa c h i e v e dam o r ec o m p l e xf u n c t i o n ，a n dh a sac e r t a i np r e c i s i o n ，b u tt h e t r a d i t i o n a ln cs y s t e mu s e st h ed e d i c a t e dc o m p u t e rs y s t e m i tl e a d st oi m p l e m e n t a t i o n p r o c e s sb e i n gc l o s e df o ru s e r s ，t h em o d u l ef u n c t i o nf i x e d ，s ou s e r sc o u l d n tc a r r yo nt h e s e c o n d a r yd e v e l o p i n go ni t sp l a t f o r m ，a n dd i f f e r e n th a r d w a r ea n ds o f t w a r eb e i n gn o t c o m p a t i b l e ，a l lo fw h i c hi n c r e a s et h eu s e r si n v e s t m e n tr i s ka n dc o s t i na d d i t i o n ，m o d e mc n cm a c h i n et o o l ss t i l lr e l yo ng & mc o d e ( i s o6 9 8 3 ) a sa n i n p u tc o n t r o lc o d e ，w h i c hc o n t a i n so n l yam o t i o na n ds w i t c hc o n t r o li n f o r m a t i o nw i t h o u t a n yg e o m e t r i ci n f o r m a t i o no fp a r t s w i t ht h ei n c r e a s i n gp o p u l a r i t yo ft h ep a r a m e t r i c c u r v e df a c em o d e l i n gi nt h ei n d u s t r i a ld e s i g n ，a sw e l la st h ei n c r e a s i n g l yc o m p l e x f u n c t i o no fc a d c a ms o f t w a r e ，t h et r a d i t i o n a lc n c m a c h i n i n gt e c h n o l o g yh a sb e e n m o r ea n dm o r ed i f f i c u l tt oa d a p tt op r o c e s st h ei n c r e a s i n g l yc o m p l e xg e o m e t r i cm o d e l s o fp a r t s a l s o ，t h eg & mc o d ee x i s t e ds y s t e m sa r ei n c o m p a t i b l e ，p r o g r a m m i n ga n d o p e r a t i o nd i f f i c u l t ，w h i c ha r eam a j o rc o n s t r a i n to nt h em o d e r n i z a t i o no fp r o d u c t i o na n d t h ed e v e l o p m e n to fc n c t e c h n o l o g yi t s e l f i nv i e wo ft h ea b o v eq u e s t i o n s ，t h i sp a p e rp r o p o s e st h a ti tm a k e su s eo ft h eo p e n p a r a m e t e r i z e dm o d e lt od r i v ec n cm a c h i n i n gs y s t e md i r e c t l y t h ec o r ei d e ai st o i n t e g r a t en cm a c h i n i n gs y s t e mw i t hc a d c a ms y s t e ms e a m l e s s l y ，r a t h e rt h a nu s i n g o t h e rs t u d i e sm e n t i o n e di nt h ef o r mo fd a t ac o n v e r s i o n t h et h e s i ss t u d i e st h ec o n c e p t a n dc o n f i g u r a t i o no fo p e na r c h i t e c t u r es y s t e ms y s t e m i c a l l ya n dc o m p l e t e l y ；a n dm a k e s d e s i g n p l a na b o u tt h eo p e na r c h i t e c t u r en cs y s t e m sh a r d w a r ec o n f i g u r a t i o na n d s o f t w a r em o d u l e f i r s t ，s e tu pp e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r ( p m s m ) m a t h e m a t i c a lm o d e l w h i c hc o n t r o l l e db yt h eo p e nc n cs y s t e md i r e c t l y ，i n t r o d u c et h ev o l t a g es p a c ev e c t o r p u l s e w i d t hm o d u l a t i o n t e c h n o l o g y a n d g i v e t h e c o r r e s p o n d i n ga l g o r i t h m i m p l e m e n t a t i o n o nt h eb a s eo ft h ef i e l do r i e n t e dc o n t r o l ( f o c ) t h e o r yo fp m s m ， v 直接而向加t 路 ； = 的开放式数拧系统研究 e s t a b l i s ht h ev e c t o rc o n t r o lm o d e lo fp m s mi nm a t l a bf o rs i m u l a t i o n ，w h i c hp r o v i d e s at h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h es y s t e m ss o f t w a r ep r o g r a m m i n g ，a sw e l la sp r o v i d e sa t h e o r e t i c a lr e f e r e n c ef o rt h ea c t u a ls y s t e mr e s u l t s s e c o n d ，u s et i sm o t o rc o n t r o l s p e c i f i cc h i pt m s 3 2 0 f 2 812a st h ec o r et r e a t m e n t c h i p ，c o m p l e t et h eh a r d w a r ed e s i g no fs e r v om o t i o nc o n t r o lc a r dw i t 1d r i v ec i r c u i ta n d o t h e rr e l a t e dp e r i p h e r a lc i r c u i t s i nt h i sf o u n d a t i o n ，c o m p l e t et h es y s t e mp r o g r a md e s i g n o ft h ep m s mv e c t o rc o n t r o la l g o r i t h m ，s v p w mw a v eg e n e r a t i o n ，t h ei n t e r r u p t i o n s a m p l i n go fc u r r e n t ，s p e e da n dt h el o c a t i o ni nt h ec c s 2i n t e g r a t e dd e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n t a n dt h e n ，d u et ot h es o f t w a r ed e s i g n ，w ea d o p tb u i l d i n gb l o c kd e s i g n u s et h e s e c o n d a r yd e v e l o p m e n to fu gn x 2i n s t r u m e n tm o d u l eu g g r i pt oe x t r a c tm a c h i n i n g p a t hp r e s e r v e da st h eb a s i sf o rd s pc o n t r o lp r o c e d u r e s i l l u s t r a t e st h er e a l i z a t i o ni d e a so f t w o a x i sm o t i o n ，a n dg i v et h ep r o g r a mf l o wc h a r t c o m p l e t ep a r td e s i g no fa no p e n c n c s y s t e mi n t e r f a c e f i n a l l y ，d e b u gt h ee x p e r i m e n t s ，a p p l yt h ed e s i g n e dd s p b a s e ds e r v oc o n t r o ls y s t e m t ot h ea cs e r v om o t o r - d r i v e n ，r e g a r d l e s so ft h em o t o r ss p e e dc o n t r o lo rp o s i t i o nc o n t r o l ， t h ee f f e c ti sv e r yi d e a l t h ea c c u r a c yo fc n cs y s t e mc o n t r o l l i n gt h ex yt a b l ec a nb e a c h i e v e d o 0 0 2 m m t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sh a v ep r o v e dt h a tt h es y s t e mh a sh i g h r e l i a b i l i t y ；s h o r td e v e l o p m e n tc y c l ea n dh i g hc o n t r o lp r e c i s i o n ，a n da c h i e v eac e r t a i n d e g r e eo fi n t e l l i g e n c e ，w h i c hi su s e f u lf o ro p e nc n cs y s t e mr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t i no u rc o u n t r y k e y w o r d s ：o p e nc n cs y s t e m ；p r o c e s s i n gp a t h ；d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) ；p m s m ( p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r ) ；s e r v os y s t e m v i 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出 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 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留或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 查阅和借鉴；本人授权济南大学可以将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、缩印或其他复制手段保存论文和 汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 狐! 廷 导师签名： 目期：雌切 济南大学硕士学位论文 1 1 课题的背景 第一章绪论 数控系统是信息技术与传统机床相结合的产物，反映一个国家的制造技术水 平。随着制造商对产品复杂程度和精度要求的提高，对数控系统、数控机床提出了 更高的要求。传统的数控系统虽然已经实现了较复杂的功能，并具备一定的精度， 但是由于传统数控系统采用的是专用计算机系统，实现过程对用户来讲是封闭的， 模块功能也是固定的，不同厂商的软硬件互不兼容，用户无法对系统进行重新定义 和扩展，系统与外部缺乏有效的通信功能，这就增加了用户的投资风险和成本。因 此，迫切需要解决变换频繁的需求与封闭控制系统之间的矛盾，建立一个统一的可 重构的系统平台，具有模块化组织结构，允许用户根据需要进行选配和集成、更改 或扩展系统的功能，以便迅速适应不同的应用需求【l 。2 1 。 另外，现代的c n c 数控机床仍然依赖于g & m 代码( i s 0 6 9 8 3 ) 作为输入的控 制代码。g & m 代码的原始设计原理是将打孔的纸带输入到机床的控制器中，此代 码只包含了运动和开关控制信息而没有任何的零件几何信息。随着全参数化造型曲 面在工业设计中的日益普及以及c a d c a m 软件功能的日益复杂，此传统的数控加 工技术己越来越难以适应加工日益复杂化的零件几何模型。而g & m 代码所存在的 系统之间不兼容、编程及操作困难、智能化程度低等诸多问题，都大大限制了现代 化生产以及数控技术本身的发展。这种面向运动和开关控制的数控程序严重限制了 c n c 系统的开放性和智能化发展，同时也使得c n c 与c a x 技术之间形成了瓶颈， 严重阻碍了机械制造业的进一步发展1 3 j 。 为了克服传统数控技术中所存在的缺陷，从2 0 世纪8 0 年代末兴起了开放式数 控加工系统的研究。初期的开放式系统结构仍然是面向特定装置、硬件和软件。对 于现代数控机床的控制来说，需要一种完全以微机为基础的、和谐的、标准化的软 件环境，从而能够根据用户需要实现复杂的控制功能，在缩短加工时间的同时，提 高加工质量和柔性，开放式数控系统的结构是面向软件配置的，可以由用户自行定 义接口和软件平台，不断将功能集成到控制系统中，构成网络化的制造环境【4 - 5 】。将 控制系统硬件和软件完全分开，可以根据需要和技术的发展对相应硬件或软件分别 升级。这一点对于机床制造商和用户都是非常有利的。 商接面向加t 路径的开放式数控系统研究 开放式控制系统的提出是控制系统发展到一定阶段的必然产物【6 。7 1 。面对市场全 球化导致的激烈竞争，制造行业迫切需要能够在产品多样化和产品更新换代频繁的 情况下，提高生产效率、提高产品质量、降低产品成本，同时更人性化地符合用户 的需求。对适合中小批量加工、具有良好柔性和多功能型制造系统的需求已逐步超 过对大型单元功能的制造系统的需求。正是这一需求导致了对模块化、可重构、可 扩充、可升级的新一代数控系统的研究。各生产厂家和科研单位由于各自采用不同 的标准、不同的封闭结构、不同的通信协议和数据结构，导致了不同厂家的数控设 备之间无法实现信息交换，不同软件之间无法实现信息传输，不同的数据库间无法 实现数据共享0 1 。在这样的背景下，各国都在制订自己的行业标准。美国、欧共 体、日本等都投入大量的人力物力，进行新一代开放式智能数控系统的研究。制定 了统一的标准，并对其机构体系进行研究。但其核心都是将数控系统建立在开放的 p c 机硬件平台上并使用通用的商业化的操作系统作为软件开发平台。虽然这些数 控方案部分地解决了传统数控加工中的瓶颈，但是这些开放式数控系统仍然依赖后 处理器将零件的参数化几何信息转变成机床控制器可以理解的控制代码。所以，这 些方案并没能从根源上变革数控系统的控制原理。在开放式数控系统的研究基础 上，1 9 9 7 年欧共体通过o p t m a l 计划开发了一种遵从s t e p 标准的s t e p - n c 概念。 s t e p n c 将产品数据转换标准s t e p 扩展至c n c 领域，重新定义了c a d c a m 与 c n c 之间的接口。它要求c n c 系统直接使用符合s t e p 标准( i s o1 0 3 0 3 ) 的c a d 三维产品数据模型( 包括几何数据、设计和制造特征) ，加上工艺的信息和刀具信 息，直接产生加工程序来控制机床。随后s t e p n c 成了世界工业化国家研究的热 点，其中较具代表性的研究项目有欧洲的s t e p - n c 项副】、美国的s u p e rm o d a l 项目1 1 2 、韩国的k o r e a ns t e p n c 项目等。 s t e p - n c 将c n c 控制器与c a m 应用程序进行了更紧密的双向数据连接。但 s t e p - n c 系统仍然需要将参数化的几何模型首先转换成数控机床可以理解的 s t e p n c 文件，而并非用原始的参数化零件模型来直接驱动数控系统。由此造成的 结果是对零件所作的任何工程更改都需要重新进行双向的数据转换。同时，在机床 的加工现场对加工程序所作的任何更改也不能自动地应用于更新零件的参数化模 刑1 1 4 1 2 t 二o 1 2 国内外开放式数控系统研究现状 开放式数控系统【1 5 。1 7 】的概念是美国在八十年代末提出的，它具有开放柔性高、 2 济南大学硕十学位论文 成本低、升级扩展容易和可以引入最新的p c 软硬件技术等优点，是2 l 世纪数控技 术的发展方向。世界各国相继启动自己的研究计划，其中影响较大的有美国的 o m a c 、欧洲的o s a c a 和日本的o s e c 等计划【1 8 】。1 9 9 4 年，基于p c 的c n c 控 制器在美国首先亮相，并在此后获得了高速发展。1 9 9 6 年芝加哥和1 9 9 7 年北京的 国际机床展览会中，一个非常显著的特征就是出现了越来越多的以个人计算机为基 础( p c b a s e d ) 的控制器。以前生产专用控制器的几家大制造商，也纷纷推出以个 人计算机为基础的控制器新产品系列。 1 2 1 国外发展现状及水平 目前，国际上与开放式数控研究相关的报导不少，最有代表性的仍是美国的 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。在以上几个开放式数控系统研 究计划的基础上，许多公司还推出了一些开放式数控系统产品。 s i e m e n sa g 在8 4 0 d 数控系统中采用了开放式结构：利用双p c 来完成人机接 口和实时控制工作，人机接口采用基于w i n d o w s 的图形接口，实时控制则采用r i s c 或p c 和实时控制内核来完成。在同一系统中提供了各种结构机床的控制算法和 c + + 开发工具，用户可以根据需要来选择或自行开发控制算法。 美国的d e l t at a u 公司提供了单台p c 的解决方案和系统的插补运算、伺服 控制以及p l c 控制等实时控制功能，在一般的单台数控机床和机器人的控制上取得 了较好的效果。而t e c h n o l o g y 8 0 公司也采用单p c 的方案，但它用p c 机完成插补 和p l c 控制功能，因此控制效果不如d e l t at a u 公司的产品。b r i t i s hc o l u m b i a 大学的y a l t i n t a s 等人研究开发了基于p c 总线的开放式数控系统，为用户提供两块 d s p 板。运动控制模块用于基本的n c 插补和伺服运动控制功能，智能加工模块用 于传感器数据采集、刀具监控、温度补偿等功能。 日本f a n u c 新推出的高性能3 0 i m o d e l a 型数控系统，其软件可配合控制4 0 轴，2 4 轴联动控制，同时执行1 0 个不同的c n c 程序，是世界上单个c n c 控制器 可控轴数之最。 j 6 n o sn a c s a 通过对美国的o m a c 、欧洲的o s a c a 和日本的o s e c 研发的开放 式的c n c 控制器进行详细的对比，得出将这三个控制器整合为一个全球都能接受 的开放式的c n c 控制器是很不容易的结谢1 9 】。s t n e w m a n 和x w x u 等都从 理论上论述了将s t e p n c 标准用于数控系统的前景，指出采用s t e p n c 标准能够 商接面向加丁路径的开放式数挖系统研究 方便的实现加工信息到设计管理层的实时反馈，有利于优化设计，降低次品率，提 高加工效率 2 0 - 2 1 】。 1 2 2 国内发展现状及水平 与国际先进水平相比，国内的开放式数控系统的研究还处于初级阶段。目前， 在国内市场中，中、高档产品主要被进口产品占据，而在较低档的经济型数控机床 市场我国的产品占据主要地位。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，已经有一批产品和 成果涌现出来。 我国在“八五 期间提出了以自主版权为目标，以平台为基础的发展战略，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，形成了两种平台，开发 出了4 个基本系统，其中华中i 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2 2 1 。在这些产品中，有些是将原有的系统移植到p c 平台上，如北京机床所 的中华系列、沈阳计算所的蓝天系列等。该系列数控系统产品是目前国内比较成功 和富有特色的基于p c 的数控系统。华中世纪之星是在华中i 型高性能数控装置的 基础上，为满足市场要求而推出的高性能数控装置，此装置可实现五轴联动，是目 前国内比较先进的数控系统。目前大多数基于p c 的数控系统采用d o s 系统作为其 软件平台，也有少数采用w i n d o w s9 5 、w i n d o w sn t 、l i n u x 等的【2 3 1 ，陈友东等针 对开发开放结构数控系统的需求，研究出一种基于组件的系统框架，并以此为基础 在r t - l i n u x 上实现了该系统框架。该框架为快速定制、开发数控系统提供了一个软 件结构和环境。通过实时组件的模型设计的数控系统，既实现了系统开放性，也为 开发数控系统提供了一个快速的途径【2 4 1 。范晋伟等运用c n c 模板、p l c 模板及工 业p c 终端组装了一台高性能的数控装置，它具有s e r c o s 工业总线接口，可与 i n t e r n e t 网络互连。它对伺服驱动器的控制采用了网络节点的概念，运用了光纤 通讯技术，该机床稳定、性能可靠、低噪音【2 5 1 。王可等探讨了基于p c 机和运动控 制卡为核心的开放式数控系统的结构特征，提出了开放式数控系统及其在专用数控 机床上应用的广阔前景。文章还以专用数控螺杆加工机床为例，进一步阐述了开放 式数控系统在专用数控机床上应用的各方面特性【2 6 1 。 北京航空航天大学的郇极教授领导的课题组采用a r c n e t 网络连接全数字交流 伺服系统和p l c ，在p c + w i n d o w s 环境下开发出了多通道、多轴联动的开放式数控 4 济南大学硕上学位论文 系统，并在四坐标锥度线切割机等设备上得到了成功的应用。四川成都广泰公司推 出的“g t x 3 e 4 e 铣床数控系统是以铣床为代表的三四坐标联动、开环控制普及 型全数字式数控系统，此系统采用最新d s p 、大规模可编程门列阵p l d 技术和现 场工业级高速c p u ，具有实时控制高速度、高精度等特点，在国内应用也比较广泛。 近期，武汉华中数控系统股份公司和北京航空航天大学等单位共同开发了一种 网络化的开放式数控系统，该系统采用了基于工业p c 的开放式体系结构的统一硬 件平台，在l i n u x 、d o s 、w i n d o w s 三种不同的操作系统平台上，分别开发了网络 化、开放式数控系统软件平台，实现了跨平台的数控软件操作，控制轴数为六轴、 联动轴数为五轴，能实现任意曲面插补功能和自动加减速控制，技术性能指标达到 了当代国际先进水平。 目前，较多采用兼顾先进性和成本的开放式数控系统是“n c + p c 和“n c 嵌 入p c 两种类型，即利用基于d s p 的运动控制器，开发基于p c 的开放式数控系 统。它能够在普及型个人计算机的操作系统上，轻松地使用系统所配置的软件模块 和硬件运动控制器( 卡) ，同时便于机床制造商和用户进行软件开发，还能追加功 能和实现功能的个性化。采用d s p 进行高性能、高精度的c n c 系统的开发也是今 后数控技术的主流趋势 2 7 1 。 尽管近年来硬件技术和软件技术的飞速发展给c n c 的高速高精度加工提供了 保证，但由于目前在工业化应用中的n c 所采用的编程方式一直沿用g 、m 代码 ( i s 0 6 9 8 3 ) 。这种代码仅仅包括一些简单的运动指令( 如g 0 1 表示直线插补) 和辅 助指令( 如m 0 3 表示主轴顺时针旋转) ，而不包含零件几何形状、刀具路径生成、 刀具选择等信息，因此需人工干预，以确定这些数据，因而导致编程效率低等问题 的出现【2 8 1 。对于不同类型数控系统、不同厂家生产采用的机床编程方法都不是完全 相同，这使得n c 程序不具有可交换性，不但造成c a d c a m 和c n c 系统之间难 以实现信息的集成和共享，而且不同的c n c 系统间也难以实现信息的交换和共享。 综上所述，目前研究者对开放式数控系统的研究已经取得了相对突出的成果， 但是总体上还没有形成一种基于某个统一平台的开放式数控系统，不利于软件模块 和数控系统的集成，也不利于c n c 控制器的重组开发，并且也没有实现真正意义 上的c a d c a m 与c n c 之间的数据双向传输。 1 3 开放式数控系统的发展趋势 ( 1 ) 结合运动控制卡、p c 机等构建开放式数控系统硬件平台是当前比较可行 5 商接面向加t 路径的开放式数控系统研究 的开发方案。运动控制卡可以选用现成的产品或者根据要实现的特定功能自行研制 开发，具有很大的灵活性。p c 机以高标准的硬件结构、配置及优异的性能价格比 可以满足数控系统核心部件的要求。p c 机硬件平台具有通用性，还可以利用与其 相配的大量通用软件完成数控系统的软件开发。在数控系统中，运动控制卡实现插 补计算、位置控制、速度控制等实时任务；p c 机实现友好人机界面、灵活系统配 置、增强的外部软件接口。以w i n d o w s 操作系统为软件开发平台，在p c 机硬件平 台的基础上，利用应用软件开发语言如v i s u a lc + + 、v i s u a lb a s i c 等。由此可以预见， 以p c 机为硬件平台、w i n d o w s 为软件开发平台结构的数控系统将成为开放式数控 系统的发展走向。 ( 2 ) 目前开放式数控系统软件设计趋向模块化，硬件趋向集成化，二者是对 立统一的。对于软件部分设计都趋向于采用通用的操作系统，利用市场上的软件开 发工具，以使系统的开发、使用和维护方便。并且开发的系统软件要能够根据不同 机床的需要进行系统配置和参数配置。 ( 3 ) 高度集成化、智能化是未来控制系统的趋势。随着各功能模块的高度集 成化、智能化，以及计算机技术、通信技术、微电子技术的进一步开发，未来的控 制系统必将集成数据采集和处理、伺服驱动、执行单元、反馈单元等功能，形成一 个完整的系统。但由于对标准化还缺少统一的认识，现有的软硬件科学的发展还不 够完备，因此，开放式数控系统的彻底实现还有很长的路要走。 1 4 研究目的及意义 本课题主要是为了解决不同数控厂家各自开发的软硬件之间不可替换、不可兼 容性，以及数控系统加工信息单向流动等问题而提出的。文中提出了开放式参数化 模型直接驱动的数控加工系统的解决方案。此方案的核心设计思想是将c n c 数控 系统与c a d c a m 系统之间进行无缝隙的数据连接，而非用其他研究中所提出的用 数据转换的形式进行连接。鉴于目前n c 采用的编程方式一直沿用g 、m 代码这种 现状，提出了利用在u g 环境下进行零件的外形设计，由u g 二次开发工具自动提 取零件加工路径信息；通过相关的控制算法编程，实现加工路径坐标点的规划、插 补计算；再由基于d s p 的运动控制卡，实现对工作台的控制，从而完成零件的加工。 对于加工信息可以反馈到d s p 运动控制卡，再由d s p 运动控制卡反馈到上位机。 本次设计希望能对数控系统进行改进，使数控加工变得简单、高效。并且让所设计 的开放式数控系统对各种品牌的伺服电机具有良好的兼容性，从而达到提高用户自 6 济南大学硕十学位论文 主选用数控机床配置的灵活性的目的，具有很好的推广前景和应用价值，也有利于 打破目前数控系统依赖进口的现状，开发一套具有自主产权的数控系统。 1 5 主要研究内容及工作安排 针对目前数控加工依赖g & m 代码中的不足以及数控加工信息的单向流动等问 题，结合当前数控技术的发展方向和实际制造业的需求，本文展开的主要研究内容 如下： ( 1 ) 以开放式数控系统为研究对象，以永磁同步电机为直接被控对象，首先 通过建立永磁同步电机的数学模型，分析永磁同步电机的相关控制理论，搭建了永 磁同步电机的矢量控制模型进行仿真，为下一步的伺服控制系统设计及其实验结果 分析提供理论依据和参照。 ( 2 ) 根据永磁同步电机伺服控制原理，设计了基于d s p 的伺服控制卡，并编 写的伺服控制程序。通过做大量实验验证了设计的该系统具有运行可靠、控制灵活、 响应速度快等优点。 ( 3 ) 基于面向加工路径坐标数据直接控制数控加工的新思路，在u g 环境下 首先完成二维零件的造型，利用u g 二次开发模块提取出零件的加工坐标数据，并 进行相应的数据处理成伺服电机脉冲数的形式传递给伺服控制系统。 ( 4 ) 设计开放式数控系统的主界面，主要是来实现对伺服控制器三环的控制 参数的设定、对电机速度和位置进行实时监控以及设定上位机与下位机之间的通讯 协议等功能。 主要章节内容安排如下： 第一章在系统地阐述了国内外开放式数控系统的研究现状及其存在问题基础 上，总结出开放式数控系统的发展趋势，并给出了本课题的研究目的及意义。最后 介绍了本文的章节安排。 第二章通过分析现有的开放式数控系统结构，给出了开放式数控系统的整体设 计方案，并说明了各部分的具体设计，最后对直接被控对象永磁同步电机的控制方 法进行了介绍。 第三章在建立开放式数控系统直接被控对象永磁同步电机数学模型的基础上， 介绍了电压空间矢量脉宽调制技术，并给出了相应的实现算法。通过分析永磁同步 电机磁场定向矢量控制原理，在m a t l a b 中建立了永磁同步电机的矢量控制模型 进行仿真，通过运行结果验证了控制算法的正确性。 7 商接而向加t 路径的开放式数 卒系统研究 第四章以t i 公司的电机专用控制芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为核心处理芯片，辅以驱 动电路及其他相关外围电路，完成了伺服运动控制卡的硬件设计。并在t i 公司d s p c 2 0 0 0 系列集成开发环境c c s 2 下，完成了永磁同步电机矢量控制算法、s v p w m 波的产生、电流及速度和位置中断采样等系统程序的设计。最后提出了一种通过 m a t l a b 中建立的数学模型直接生成d s p 控制代码的新思路。 第五章对开放式数控系统的组成进行了介绍，提出对软件系统进行模块化设 计。针对直接面向加工路径的开放式数控加工与传统的数控加工的加工步骤进行了 对比，得出该方案能够大大缩短零件的加工周期。最后详细地介绍了u g 环境下零 件加工路径的提取和开放式数控系统界面的设计。 第六章对通过在实验平台做大量实验获得的实验曲线进行分析，得出以下结 论：基于d s p 设计的伺服控制系统，在永磁交流伺服电机驱动的应用上，无论是控 制电机的速度，还是控制位置，效果都很理想，将给系统用于控制x y 工作台，能 实现准确定位。实验结果既验证了设计的系统具有控制灵活、工作平稳等优点，也 验证了该设计思想的可行性。 第七章指出了本论文研究过程中得出的结论，并介绍了课题的创新点。同时由 于开放式数控系统的研究与设计是一项艰巨而又复杂的工作，设计中难免有不足之 处，指出了课题的下一步需要开展的工作，并对本课题的重要研究意义进行了展望。 8 济南大学硕上学位论文 第二章开放式数控系统整体设计概述 2 1 设计方案的提出 随着计算机技术和信息技术的迅猛发展，数控系统逐渐由传统的封闭式系统向 灵活的开放式数控系统转变，力求解决变换频繁的需求与封闭控制系统之间的矛 盾，许多厂家、研究所和学校都展开了对开放式数控系统的研究，目前存在的开放 式数控系统主要有以下几种形式： ( 1 ) “p c 嵌入n c ”型c n c 这种数控系统是在p c 机内置数控专用模板。一般是以p c 机为硬件平台， d o s w i n d o w l i n u x 等通用操作系统为软件平台的开放式体系结构。p c 机作为图形 显示和常用逻辑处理的接口，数控专用模块实现插补和控制。这种方案实现了初步 的开放性，但是由于它的n c 部分仍然是传统的数控系统，其数控系统核心还不是 开放的。这类系统结构复杂、功能强大，但价格昂贵。 ( 2 ) n c 嵌入p c 型 这种数控系统一般将可编程的运动控制器作为p c 机的板卡，通过标准总线( 例 如p c i 总线) 插入p c 机。p c 机作为用户接口，实现命令控制、加工代码编辑、状 态检测等功能，而下位机实现插补和位置控制，下位机具有可编程、可配置。典型 的如美国的d e l t at a u 公司的p m a c ( p r o g r a m m e rm u l t a x i sc o n t r o l l e r ) 就是一 块集成在板卡上的可编程多轴运动控制器，可以将其插入到p c 机中使用【2 9 1 。由于 p m a c 提供的插补模块包括直线插补、圆弧插补及样条插补等，还提供了位置、速 度等运动模式，用户可以对以上几种模式加以选择和组合定制功能强大的数控系 统，并且在相关领域取得广泛的应用。但是由于其算法的封闭性，不可能作为一个 验证复杂控制算法的平台。 ( 3 ) 全软件型c n c 随着现代处理器技术的飞速发展、各种实时多任务操作系统的出现和普及，将 传统数控系统的硬件部分由软件来代替成为一种设想，指c n c 的全部功能均由p c 实现，它具有互操作性、可伸缩性、可移植性。在这种情况下许多企业联合起来( 或 组织) 定义包括实时部分( 运动控制，轴控制，p l c 功能) 控制器模块的接口。它 是一种彻底的开放方案，它提供从软件到硬件，从人机界面到底层控制内核的全方 9 直接而向加t 路杼的开放式数 卒系统研究 位开放，但是工作量大，实时处理的实现比较困难，同时原型c n c 资源难以利用【3 0 1 。 这三种开放式数控系统实现方案的优点与缺点比较如下表2 1 所示。 表2 1 开放式数控系统几种实现方法的比较 数控系统存在模式优点缺点 利用p c 机软、硬件资源，向开放性有限的开放；有不少专用系统的 p c 嵌入n c 模式 体系结构迈出了一大步痕迹；开发环境和支持手段不足 控制与逻辑分离，模块化设计，可核心算法仍然封闭；对控制卡的 n c 嵌入p c 型 编程，可扩展 依赖性强；成本较高 全软件型c n c 可重复利用，模块化设计，可扩展 工作量大、尚处于理论研究中 由表2 1 可知，方案1 的开放性比较有限，开发环境和支持的手段亦不多；方 案3 工作量大，尚处于研究阶段。由此可见，现阶段方案2 是三者中最好的实现方 式( 以d e l t at a u 的p m a c 为例) 。但是由于这种方案对控制卡的依赖性强、成 本很高、特别是核心算法封闭，从这个角度来说其软件的开放性有限。 针对以上情况，本文以方案2 为基础