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c a d c a m c n c 综合实验平台下位机实 时控制及集成接口研究 摘要 课题根据数控技术类课程教学实际情况，以自主开发的g x u o n c s 开 放式三轴联动数控系统为核心，集成了当今主流的c a d c a m 应用软件 ( u g ) ，构建了c a d c a m c n c 综合实验平台。 针对综合实验平台的构建，本文研究的主要内容分为： 1 综合实验平台的整体结构设计以及平台的硬件结构与组成、软件结 构与组成。 2 开发了综合实验平台的下位机实时控制子系统，利用m i c r o s o f t 的 专业开发工具v i s u a l c + + 6 0 ，c o m 组件技术实现了n c 机与p c 机、机床 本体、伺服系统的实时数据采集和信息交换。 3 开发了c a d c a m 应用软件( u g ) 与g x u o n c s 数控系统的集成 接口，采用h o o k 技术实现的原理和方法、w i n d o w s 系统的消息机制、c o m 组件技术实现了c a d c a m 应用软件到c n c 系统的数据传输。 4 在完成综合实验平台调试的基础上，应用典型实例对平台进行测试， 并根据测试结果对平台的实时性，生成的数控指令代码正确性和平台的整 体功能上进行了分析。 关键词：综合实验平台实时控制集成接口后置处理编译器平台测试 r e s e a r c ho nr e a l t i 匝c o n t r o la n di n t e g r a t e d 烈t e r f a c eb a s e do fc a d c a m c n cc o m p r e h e n s i v e e x p e r i n t a lp l a t f o i u a bs t r a c t a c c o r d i n gt oa c t u a ls i t u a t i o no ft h en u m e r i c a lc o n t r o lt e c h n o l o g y - r e l a t e d c o u r s et e a c h i n g ，t a k i n gt h eg x u o n c s o p e n s t y l et h r e ea x l el i n k a g en u m e r i c a l c o n t r o ls y s t e ma st h ec o r e ，t h i sp a p e ri n t e g r a t e st h em a i n s t r e a mc a d c a m a p p l i c a t i o ns o f t w a r e ( u g ) ，c o n s t r u c t st h ec a d c a m c n cc o m p r e h e n s i v e e x p e r i m e n t a lp l a t f o r m a i m i n ga t t h ec o n s t r u c t i o no ft h ec o m p r e h e n s i v ep l a t f o r m ，t h em a i n c o n t e n t so ft h i sp a p e ra r ed i v i d e di n t of o u r p a r t s ： f i r s t l y , t h ei n t e g r a ls t r u c t u r e sd e s i g no ft h ec o m p r e h e n s i v ep l a t f o r m ，a s w e l la st h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r es t r u c t u r ea n dc o m p o n e n to ft h ep l a t f o r m s e c o n d l y , t h er e a l t i m ec o n t r o ls u b s y s t e mo ft h el o w - p o s i t i o nm a c h i n eo n t h ec o m p r e h e n s i v ee x p e r i m e n t a lp l a t f o r mi sd e v e l o p e d b yu s i n gv i s u a l c + + 6 ：o ， c o mc o m p o n e n tt e c h n o l o g y , w h i c hi sd e v e l o p e db ym i c r o s o f t ，r e a l i z e dt h e r e a l t i m ed a t ag a t h e r i n ga n di n f o r m a t i o ne x c h a n g i n ga m o n gt h en cm a c h i n e ， p cm a c h i n e ，m a c h i n eb o d ya n ds e r v os y s t e m i i t h i r d l y , t h ei n t e g r a t i o ni n t e r f a c eo fc a d c a ma p p l i c a t i o ns o f t w a r e ( u g ) a n dg x u o n c sn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e mi sd e v e l o p e d b yu s i n gt h ep r i n c i p l e a n dm e t h o dr e a l i z e db yh o o kt e c h n o l o g y , t h em e s s a g em e c h a n i s mo fw i n d o w s s y s t e m ，a n dc o mc o m p o n e n tt e c h n o l o g y , r e a l i z e dt h e d a t at r a n s m i s s i o n b e t w e e nc a d c a ma p p l i c a t i o ns o f t w a r ea n dc n c s y s t e m f i n a l l y , b a s e d o nt h e c o m p l e t e dc o m p r e h e n s i v ee x p e r i m e n t a lp l a t f o r m d e b u g g i n g ，u s i n gt y p i c a le x a m p l e ，at e s to np l a t f o r mi sm a d e a c c o r d i n gt ot h e t e s tr e s u l t ，t h ea n a l y s i so nr e a l - t i m eo ft h ep l a t f o r m ，t h ec o r r e c t n e s so fg e n e r a t e d n u m e r i c a lc o n t r o li n s t r u c t i o nc o d e s ，a n dt h ew h o l ef u n c t i o no fp l a t f o r ma r e m a d e k e y w o r d s ：c o m p r e h e n s i v ee x p e r i m e n t a lp l a t f o r m ；r e a l t i m ec o n t r o l ； i n t e g r a t i o ni n t e r f a c e ；p o s t - p r o c e s s i n gc o m p i l e r ；p l a t f o r mt e s t l i i 广西大学学位论文原创性声明和学位论文使用授权说明 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究 成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮 助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名：前书，涛 学位论文使用授权说明 妒彳年月2 少e l 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文的研究内容； 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文： 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： q 旧彳发布 口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名：新事诱导谛签名：墨彩兰乏沙7 年月2 易日 广西大掌硕士掌位论丈 c a d c a m c n c 妇 合实验平台下位机实时控制及集成接口的研究 1 1 课题的背景及研究意义 第一章绪论 1 1 1 课题背景 随着社会经济的发展，高校实验教学在高校教学中的地位越来越重要。理论教学与 实验教学构成了相对独立、相互依存、相互促进的教学体系。同时，作为机械类学生的 主修课程，数控技术类课程是实践性很强的学科，数控实验教学是提高学生实践能力的 唯一教学方式。但目前大部分学校在数控技术类课程教学中，设计型、综合型、开放型 和研究型的实验少，实验设备少，而且多数是验证性实验，不能达到实验教学目的。 另外，随着科学技术的迅速发展，我国的机械制造业逐渐形成了以计算机数控 ( c n c ) 技术为基础，集机械、电子、材料、信息管理等许多领域最新科技成就于一体 的发展格局。该格局的出现对传统数控技术类课程教学方式产生了冲击。所以在数控课 程教学和实验中，要充分体现作为机械基础的计算机辅助设计及计算机辅助制造 ( c a d c a m ) 技术的思想和内涵【1 1 。 在此背景下，广西大学机械工程学院针对商业数控机床昂贵，操作使用和维修费用 高，难于放手让同学进行自主实验，难以达到教学实验目的的现状，以自己开发的 g x u o n c s 开放式三轴联动数控系统为核心，集成了当今主流的c a d c a m 应用软件， 构建了此实验平台。本课题来源于南宁市科学研究与技术开发计划项目制造业信息化技 术集成与深化应用，目的是为学生提供进行基础性、综合性、开放性、设计性实验。 1 1 2 课题的研究意义 传统的实验教学和理论教学是主从关系，学生完全按照实验指导书上规定的步骤完 成实验内容，整个实验过程中学生完全是消极被动的，这样的实验教学方法严重影响了 学生学习的积极性。显然这种实验教学方式难以实现学生实践能力和综合素质的培养。 培养学生的实践动手能力和创新意识更需要在实验环节和内容上进行改革与创新【2 】。因 此，进行基础性、综合性、开放性、设计性的综合实验具有重要的现实意义。 c a d c a m c n c 综合实验平台的开发，可以有效改变传统的数控实验教学方式，可以有 效培养学生的实际动手能力和创新能力；可以提高学生的专业学习兴趣，进一步明确学 习目的；有利于培养学生的多种能力和综合素质。 广西大学n 页士掌位论文 c a d c a m c n c 综合实验平台下位机实时控制及集成接口的研究 1 2 国内外研究现状 1 2 1 实验教学的发展 传统的实验教学以验证性实验为主，其内容一般比较单一，通常限于验证学生在课 堂上已经学过的某一定律，某一个结论，其目的是通过实验验证理论，加深学生对基础 理论的理解，促进学生对知识的掌握。因此，验证性实验教学就从属于理论教学。其教 学模式是一种再现式的，一般都编印了详细的实验指导书，从实验目的、实验原理、实 验所需仪器设备到实验方案、步骤等都作了详细的介绍，学生只要按照实验指导书的步 骤“按方抓药”就可以得到实验结果，整个实验过程学生处于被动的学习状态，不利于培 养学生的实验综合能力【3 1 。实验教学的内容往往滞后于新知识和技术的产生，难以适应 知识快速更新的新形势。考核方式上主要是依据实验报告，以实验结果的准确与否评价 实验成绩，而忽视了对实验方法、实验过程以及对分析解决问题能力的考核【4 1 。 2 1 世纪社会已进入知识经济时代，经济全球化、资源信息化、知识与信息的高度交 联化，使得社会对劳动者的创新精神提出了前所未有的要求。研究型实验教学作为一项 教学改革课题在该背景下应运而生。研究型实验教学把“以学生为本”的理念作为教学的 主导思想，让学生通过亲身实践获取直接经验。研究型实验教学以学生自主性、探索性 学习为基础，由教师指导学生运用所学知识，通过自己查阅文献资料、设计实验方案并 独立完成实验。发挥学生学习的主体和主动作用，让学生充分动脑、动手，变被动学习 为主动学习【5 1 。同时，实验教学中不断吸收现代科学技术发展的成果，采用反映当前科 技发展水平的新设备，用现代电子和计算机技术改造现有仪器设备，提高仪器设备的自 动化程度和精确程度，采用计算机辅助教学等现代化实验教学手段，改革实验教学内容。 无论从教学目的、教学内容到教学的手段，研究型实验教学都是对传统实验教学的重要 变革。 从1 9 9 9 年开始的高校扩招，使得更多的人有机会到大学里学习，但也同时使某些 高校的资源显得非常紧张，如何利用有限的实验资源成为一个新的研究课题。由此提出 了开放实验室的观点。开放实验室不仅是指仪器设备与时间概念上的开放，更是指实验 课程、实验项目、研究课题的开放。 同样，以数控技术实验教学为核心，以计算机辅助设计及计算机辅助制造 f c a d c a m ) 技术为基础的教学模式受到全国各个高校的重视。随着教育部“数控技能 紧缺型人才培养培i j i i - r 程”的启动，全国将建立1 5 0 所数控培养培训人才基地，解决数 2 广西大掌硕士学位论丈c a d c a m c n c 综合实验平台下位机实时控制及集成接口的研究 控领域人才缺乏的现状，再者，为振兴民族经济，国产数控设备和教学实验设备将大有 用武之地。所以开发适合国内数控人才培养的综合实验平台是十分必要，将大有市场和 推广价值。 1 2 2 开放式数控系统概况 1 开放式数控系统产生背景【6 】 数控技术的问世解决了传统方式难以解决的复杂零件的制造问题。利用数控技术， 可以大幅度缩短产品的制造周期，提高产品的加工质量，加速产品的更新换代，提高产 品的竞争力。然而，现今生产中使用的绝大多数c n c 系统( 以f n u c a 、s i e m e n s 等为 代表) ，所采用的是一种专用的封闭式体系结构，即组成系统的硬件模块和软件结构由 各数控系统厂家自行设计，是专用的，互不兼容的，系统各模块间的交互方式、通讯机 制也互不相同。这种专用的封闭式结构的数控系统，虽然结构简单、技术成熟，产品批 量大、生产成本低，但随着技术的进步，市场竞争的加剧，越来越暴露出其固有的缺陷， 集中表现在以下几个方面： ( 1 ) 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，使用户 培训和维修费用增加；专用件的大量使用，给数控设备的使用与维护带来很多不便。 ( 2 ) 系统的封闭性使得对其扩充和修改极为有限，造成数控设备制造商( 数控系统 中间用户) 对系统供应商的依赖，难以将自己的专门技术、工艺经验集成到控制系统并 形成自己的产品特点，不利于提高主机产品的竞争力。 ( 3 ) 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，不利于数控产品的技术进步。 总之，数控系统的这一现状已难以适应当今制造业的市场变化与竞争，也不能满足 现代制造业向信息化、敏捷制造模式发展的要求。 2 开放式数控系统国内外的研究状况【7 1 1 1 目前，数控技术在国外己经形成一种相对成熟的技术，其发展正逐步由专用型、封 闭式、开环、半闭环控制模式向通用型、开放式、实时动态、全闭环控制模式发展。在 集成化的基础上，国外的数控系统正在向超薄型、小型化和网络化方向发展；在智能化的 基础上，数控系统综合了计算机、自适应控制、模糊控制和神经网络控制等高新学科技 术，逐步向高速度、高精度、高效率方向发展；在加工过程中，数控系统配备编程专家系 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，正在 3 广西大掌硕士掌位论文 c a d c a m c n c 综合实验平台下位机实时控制及集成接口的研究 向在线诊断和智能化故障处理方向发展。目前，国际上对开放式数控系统进行了大量的 投入和研究，其中最具影响力的仍是o m a c 、o s a c a 、o s e c 三个计划，这三个计划 的发展状况基本上代表了国外数控的发展现状。 ( 1 ) o m a c 计划 美国9 0 年代提出n g c 下一代控制器计划，并拨款l 亿美元进行研究，其核心即是 开放体系结构的研究。该计划己于1 9 9 4 年完成了n g c 原型研究，并己转入工业开发应 用。在此背景下，美国f o r d ，g m 和c r e s l e r 等公司在n g c 计划的指导下，联合提出了 o m a c ( o p e nm o d u l a ra r c h i t e c t u r e c o n t r o l l e r ) 开发计划，提出了系统基础框架，信息库管 理、任务调度、人机接口、运动控制、传感器接口等构造了控制系统功能体系结构。 该计划的目的是使系统制造厂、机床厂和最终用户分别从缩短开发周期、降低开发费用、 便于系统集成和二次开发、简化系统使用和维护等方面受益。 ( 2 ) o s a c a 计划 欧洲德、法、意、西等国于1 9 9 0 年也联合进行了“自动化系统中开放式体系结构 o s a c a ( o p e ns y s t e m a 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 s ) ”的研究。该计划 于1 9 9 2 年5 月正式为欧盟官方所接受。截止目前，o s a c a 计划的三个阶段的工作全部 完成。己公布的文件包括“o s a c ai & i if i n a lr e p o r t ，和“o s a c ah a n d b o o k ”及其他一些 文件。o s a c a 提出了一个“分层的系统平台+ 结构功能单元”的结构。系统平台由系统硬 件和系统软件组成，系统软件包含有系统的核心部分，如操作系统、通讯系统和可选的 应用程序如数据库、图形系统之类。系统平台通过a p i ( a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n gi n t e r f a c e ) 对外提供服务( s e r v i c e ) 。o s a c a 的三个主要组成部分为通讯系统 ( c o m m u n i c a t i o n s y s t e m ) ，参考体系结构( r e f e r e n c ea r c h i t e c t u r e ) ， 配置系统 ( c o n f i g u r a t i o n s y s t e m ) 。 ( 3 ) o s e c 计划 o s e c 计划是日本的几个公司共同提出的。o s e c 讨论的重点集中在n c ( 数字控制) 本身和分布式控制系统上。o s e c 的开放c n c 系统体系结构包括了3 个功能层和七个 处理层。o s e c 提出了f a d l ( - f 厂自动化描述语言) 和o s e l ( o p e ns y s t e me n v i r o n m e n t l a n g u a g e ) 加工语言，实现加正信息的标准化和制造控制系统与c a d c a m 系统之间的 直接互连。韩国等其他国家也都各自进行了开放式数控系统的研究。 我国在9 0 年代中期己开始了具有自主知识产权和一定开放特性的数控系统的研究， 代表产品有华中i 型、中华i 型、航天i 型和蓝天i 型。4 种基于p c 的开放式数控系统， 4 广西大掌硕士掌位论文 c a d c a m c n c 综合实验平台下位机实时控制及集成接口的研究 均采用开放性、总线式、模块化、嵌入式、多通道的软硬件结构，即可上升为高级型， 又可向下裁减为普及型，直到经济型，这些基本系统的升档型，最多控制轴数可达2 4 轴，联动轴数可达2 - 9 轴；具有多种形式的插补功能，最小分辨率可达o 1 微米，速度可 达2 4 m m i n ；具有不同类型的加速减速功能；可进行多过程控制；具有联网、高速远程通信 功能；具有图形、人机会话等高级编程功能，它们打破了冷战时期外国对我国的禁运，是 一个重大突破。 1 3 相关技术介绍 1 c o m 组件技术【1 3 - 1 5 1 所i 胃c o m ( c o m p o n e n to b j e c tm o d e l ，组件对象模型及其技术) ，是一种协议，它建立 于一个软件模块和另一个软件模块之间的连接，然后将其描述出来，两个模块就可通过 “接口”的机制进行通信。它把从一个庞大的应用程序分成多个组件模块，每个模块保持 一定的功能独特性，这些模块要遵守标准的接口规范，提供组件间的互操作。利用这种技 术可以迅速方便地组建应用系统。c o m 技术的几大特点：优异的二进制级的语言无关性、 软件的可重用性、进程透明性、安全性、多线程特性、客户p 服务器性。 c o m 是微软公司为了计算机工业的软件生产更加符合人类的行为方式开发而提出 的一种新的软件开发技术。不同于一般面向对象语言中的对象概念，它建立在二进制可 执行代码级的基础上，因此c o m 对象是语言无关的，使得不同编程语言开发的组件对象 可以进行交互。同时c o m 使用的是客户服务器模型，这给c o m 模型带来很好的稳定性。 此夕b c o m 具有面向对象，对进程透明以及可重用机制等特性。 c o m 是开发软件组件的一种方法。组件实际上是一些小的二进制可执行程序，它们 可以给应用程序，操作系统以及其他组件提供服务。开发自定义的c o m 组件就如同开发 动态的，面向对象的a p i 。多个c o m 对象可以连接起来形成应用程序或组件系统。并且 组件可以在运行时刻，在不被重新链接或编译应用程序的情况下被卸下或替换掉。 2 h o o k 技术0 6 - 1 8 】 h o o k 技术是w i n d o w s 中提供的一种用以替换d o s 下“中断”的系统机制，中文译为 “挂钩，或“钩子”。它的本质是一段用以处理系统消息的程序，通过系统调用将其挂入系 统。 钩子( h o o k ) 技术是w i n d o w s 程序设计中的一种高级技术。每当特定的消息发出， 在到达目的窗口之前，钩子程序先行截获该消息、得到对此消息的控制权。此时钩子函 5 广西大掌硕士学位论文 c a d c a m c n c 综合实验平台下位机实时控制及集成接口的研究 数可以对截获的消息进行加工处理，甚至可以强制结束消息的传递。 但是当把钩子安装在w i n d o w s 系统的时候，会造成系统的不稳定，使系统运行缓慢， 所以在本文所提出的集成方案中，只是借用了h o o k 技术的实现方法和原理，通过 w i n d o w s a p i 函数和面向对象编程技术实现了h o o k 技术的功能。 3 w i n d o w s 消息机制【1 蛇2 】 w i n d o w s 程序是个复杂的有机整体，为了能让这个有机整体健康稳定行，w i n d o w s 引进了消息机制。有了消息机制，应用程序不仅可以更加快捷有效地处理某个事件。而 且可以很方便地跟其他应用程序进行通信。 应用程序通过输入消息来接受输入，鼠标操作或键盘被按下都将产生输入消息。 w i n d o w s 系统负责监视所有输入设备并将输入消息放入一个先进先出的队列中，该队列 是系统定义的用于i 瞄时存储消息的内存块，成为系统消息队列。在w i n d o w s 环境下同一 事件可以运行多个应用程序，每个应用程序都有自己的消息队列，称为应用程序队列。 当用户操作鼠标或者键盘时，产生的消息首先进入系统消息队列。接着，w i n d o w s 从系统消息队列中每次移走一条消息，确定目的窗口，并将消息送入创建该窗口的应用 程序的消息队列中。应用程序通过应用程序队列来接受输入，它通过一个称为消息循环 的控制结构从应用程序队列中检索消息，并将所得到的消息发送给相应的窗口，并进行 相应的处理，这一过程如图1 1 所示。 1 4 本文研究的主要内容 图1 1 w i n d o w s 中的消息机制 f i g 1 1m e s s a g es y s t e mo fw i n d o w s 综合实验平台是和课题组其他人员共同开发完成的，本文主要完成了如下内容： 1 设计综合实验平台总体结构 6 广西大学硕士掌位论文 c a d c a m c n c 综合实验平台下位机实时控制及集成接口的研究 根据平台设计目标及要求，完成综合实验平台总体结构设计。在此基础上，介绍了 平台硬件结构和硬件组成、软件结构和软件组成以及开发平台软件所用到得技术和软件 的特点。 2 开发综合实验平台下位机实时控制子系统 提出了基于运动控制卡作为下位机，利用m i c r o s o f t 的专业开发工具v i s u a l c + + 6 0 ， c o m 组件技术开发数控系统下位机实时控制子系统。实现了如下功能： ( 1 ) 实时采集数控系统状态数据和信息并对数据和信息进行反馈和处理； ( 2 ) 自动加工以及在自动加工模式下“急停”、“暂停”、“停止加工”、“继续加工”、实 时修调进给倍率”等功能； ( 3 ) 手动模式下通过手摇脉冲发生器实现x 、y 、z 三轴的手动进给、通过控制面 板或人机工程界面上的按钮实现x 、y 、z 轴点动、主轴正反转、回原点等功能。 3 开发c a d c j 蝴应用软件与g x u o n c s 数控系统的集成接口 提出了基于h o o k 技术、c o m 组件技术、w i n d o w s 消息机制和编译器原理开发 c a d c a m 应用软件与g x u o n c s 数控系统的集成接口，实现了如下功能： ( 1 ) 在g ) ( u o n c s 数控系统里嵌入启动c a d c 蝴应用软件( u g ) ； ( 2 ) 获取刀位源文件数据； ( 3 ) 输出刀位源文件数据； ( 4 ) 针对g x u o n c s 数控系统的指令代码特点，对输出的刀位源文件数据进行编 译，转化成g x u o n c s 数控系统能够识别的数控指令代码。 4 综合实验平台的测试 在完成综合实验平台调试的基础上，通过一个典型实例对综合实验平台进行测试， 从综合实验平台上的实时性、后置处理编译器开发程序的正确性、综合实验平台的功能 对测试结果进行分析。 1 5 本章小结 本章介绍了论文的课题背景、研究意义，综述综合实验平台所涉及技术的国内外研 究现状，指出本文的主要研究内容。 7 广西大掌硕士掌位论文 c a d c a m c n c 综合实验平台下位机实时控制及集成接口的研究 第二章平台总体结构设计 2 1 平台设计目标及要求 2 1 1 平台设计目标 c a d c a m c n c 综合实验教学平台的开发计划是顺应数控实验教学需求而提出来 的，是经济型实验平台。传统的数控实验教学只能利用机床做一些数控加工方面操作或 工艺分析。这对于机械专业的学生来说是远远不够的。鉴于这种情况，c a d c a m c n c 综合实验平台的设计目标是让学生根据数控技术课程的理论知识，深入了解数控系统的 基本组成和工作原理，掌握数控技术的基本理论知识，学习c a d c a m 技术，完成计算 机辅助设计、计算机辅助制造、零件实际加工的学习。在此基础上，让学生进行数控铣 床硬件设计学习，系统组装和调试及数控系统软件二次开发、调试，提高学生的动手能 力和创新能力。培养高素质的数控技术人才。 2 1 2 平台设计要求 作为综合实验平台，应提供系统设计、验证和测试环境，也可作为二次开发平台， 因此实验平台应能够满足c a d c 舢c n c 基础性学习、软件学习、硬件设计、系统分 析和验证等多个方面的设计需求，因此需要如下的条件： 1 软件方面主要有两个方面的要求 ( 1 ) c a d c a m 应用软件作为综合实验平台的一部分，在选择原则上应注重软件的 操作简单，功能强大，容易让学生学习。 ( 2 ) 作为一个能够二次开发的综合实验平台，除了能够保证平台的正常运转外，应 为学生提供开放性的二次开发接口，便于学生对平台软件部分进行开发，调试。 2 在硬件方面提供结构硬件扩展接1 3 ，为以后平台的升级提供方面；硬件功能模 块划分得当，便于学生学习和设计；尽量给学生提供操作上的方便性，硬件可靠性高， 保护功能好；平台可提供不同的硬件资源，即平台应具备必要的功能重新组装能力。 3 c a d c a m 应用软件和c n c 数控系统作为平台的主要组成部分，应该能够实现 数据传输，即开发集成模块。 8 广西大掌硕士掌位论文 c a d c a m c n c 综合实验平台下位机实时控制及集成接口的研究 2 2 平台总体结构 根据平台设计的目标及要求，本文选择了现有主流c a d c 触应用软件( u g ) ，通 过集成模块，把c a d c a m 应用软件作为插件嵌入到c n c 系统中，完成了c a d c a m 到c n c 系统的数据传输，其核心系统g x u o n c s 数控系统是“p c + 运动控制卡”的开放 式数控系统，系统的软硬件均采用模块化、组件式的开发方法，提供了数控系统各个主 要模块的接口，完全开放的体系提供了一个良好的系统创新设计开发的学习环境和工作 平台。平台总框图如图2 1 所示 g x u o n c s 数g x u o n c s 数 控系统软件控系统硬件 模块1 模块l 模块2模块2 l c a d c a m i 机床本体l i 应用软件 l 集成模订 模块3模块3 模块n模块1 1 2 3 平台的硬件组成 图2 1 平台总体结构 f i g 2 - 1t h eo v e r a l ls t r u c t u r eo f p l a t f o r m 通过对平台设计硬件的要求分析，并考虑到平台的先进性、实验实施的方便性等因 素，本文以多轴运动控制卡为核心，采用 n c 嵌入p c ”结构组成开放式的体系结构，采 用模块化的结构设计。这种方案可充分利用计算机资源及运动控制卡具有信息处理能力 强、运算速度快、可靠性高、通用性好、操作简单等特点。本文中利用个人p c 机作为 主体，运动控制卡装在其专用p c i 插槽中，相互之间采用共享总线的通讯方式。硬件结 构如图2 2 所示。( 执行部件以伺服系统为例) 2 3 1 机床本体 由于本平台是针对数控实验教学及职业技术培训而开发的，既要考虑功能、性能要 9 广西大掌硕士掌位论文 c a d c a m c n c 综合实验平台下位机实时控制及秦成接口的研究 图2 - 2 平台硬件结构 f i g 2 - 2h a r d w a r es t r u c t u r eo fp l a t f o r m 求，又要兼顾经济实用的需要。所以机床本体采用微型机床。其体积为 5 0 0 m m x 3 0 0 m m x 6 0 m m ，工作台工作面积为2 3 0 m i n x1 4 0 m m x1 4 0 m m 。机床x 、y 、z 坐 标均采用直线滚动导轨和滚珠丝杆传动，由伺服电机驱动。采用了升降工作台以扩大加 工工件范围，加工中的所有运动无齿轮传动，大大提高了传动精度，有利于降低机床噪 声。微型数控机床硬件组成体积较小；可以放在实验桌上，方便学生硬件设计、电路连 接、调试安装学习。 2 3 2 运动控制卡 c n c 运动控制卡是实现数控系统速度和位置控制的关键硬件，是平台进行实时控 制的核心，它的作用是将p c 机、手摇脉冲发生器、控制面板输入的信号输出到相应的 1 0 广西大掌硕士掌位论丈 c a d c a m c n c 综合实验平台下位机实时控制及集成接口的研究 执行部件( 伺服单元、驱动装置和p l c 等) 。整个过程需要由p c 机和运动控制卡共同完 成。本数控铣床系统为三轴进给运动控制系统，拟用脉冲、方向的方式控制。只要控制 卡技术指标能达到系统技术指标，价格合理均可采用。本课题采用的通用运动控制卡为 深圳市众为兴数控技术有限公司a d t 8 5 0 和a d t 8 5 4 两种运动控制卡，用户也可以根据 需要更换别的运动控制卡，并把相应的运动控制卡软件模块替换系统的原运动控制卡模 块。 以a d t 8 5 4 运动控制卡为例说明运动控制卡的结构组成，它是基于p c i 总线的高性 能四轴伺服步进控制卡，支持一个系统中使用多达1 6 块控制卡，可控制6 4 路伺服步 进电机，支持即插即用，可在运动中随时改变速度。提供d o s 、 w i n d o w s 9 5 9 8 n t 2 0 0 0 x p 开发库，可用v c + + 、v b 、b c + + 等进行软件开发。 主要性能如下【2 3 】： 1 3 2 位p c i 总线，4 轴伺服步进电机控制 2 3 2 路光耦隔离输入输出 3 非对称直线加减速运动 4 任意2 3 轴直线插补，任意2 轴圆弧插补 5 任意两轴圆弧插补 6 直线s 形曲线加减速 7 连续插补，运动中变速 除了以上性能外，a d t 8 5 4 还提供给用户优越的开放性能： 1 与各种伺服系统的匹配 通过适当的参数设置和使用不同的接口板，a d t 8 5 4 运动控制卡可与各种模拟或数 字的交、直流有刷、直流无刷伺服电机驱动器和步进电机驱动器等相连，构成数控系统 的驱动部分。 2 与各种检测元件的匹配 a d t 8 5 4 运动控制卡可与各种检测元件进行匹配，包括测速发电机、光电编码器、 光栅等。 3 人机界面的对外开放 a d t 8 5 4 运动控制卡提供了w i n d o w s 平台下的驱动程序，可以在高级编程语言如 v c 、v b 等编程环境下调用运动控制卡提供的功能函数，实现w i n d o w s 环境下的人机界 面。 1 1 广西大掌硕士掌位论文c a d c a m c n c 缘合实验平台下位机实时控制及集成接口的研究 4 数控功能的对外开放 a d t 8 5 4 运动控制卡提供了一套基本功能指令集合，如直线插补、圆弧插补等，可 在这些基本指令集合的基础上定制出用户自己的g 代码、m 代码数控功能。 运动控制卡是整个平台的核心硬件，a d t 8 5 0 和a d t 8 5 4 运动控制卡都有四个输入 输出接口，分别为j l 、j 2 、j 3 、j 4 输入输出接口，。其中，j 1 为x 、y 、z 轴的脉冲输出、 开关量输入和开关量输出o u t 0 o u t 5 的信号接线；j 2 为x 、y 、z 、w 轴的编码器输 入和开关量输入的信号接线；j 3 为w 轴的脉冲输出、开关量输入和开关量输出 o u t 6 o u t l5 信号的接线；j 4 为开关量输出o u t l 6 o u t 31 信号的接线。运动控制卡通 过这四个输入输出接口，分别向其他模块输出脉冲信号，并接受其他模块的状态信号， 实时检测系统的稳定性。 因此，应用a d t 8 5 4 或a d t 8 5 0 的平台设计灵活自如，不受局限，可将各种先进的 设计理念融入平台，而且同一平台可以选择不同的伺服系统，接收不同的反馈信息。 2 3 3 平台驱动元件的选择 驱动元件是系统中重要的组成部分，平台的硬件采用模块化的结构设计，驱动元件 可以是交流伺服电机也可以是步进电机。但是为了保证平台的控制精度以及操作的方便 性，本文选择了交流伺服电机。同时根据用户的需要也可以选择步进电机作为驱动元件。 根据本平台的技术指标，本文选用了南京埃斯顿工业自动化有限公司的e d c 系列 交流伺服电机。其进给驱动电机选用e m s 0 2 a h o o - z 0 0 6 电机和0 2 p s - z 0 0 6 伺服驱动器， 其额定转矩为：0 6 3 7 n n l ，最大转矩为：1 9 11 n i n ，额定输出为：2 0 0 w ，转子惯量为： j = 0 1 3 8 1 0 - 2 k g m 2 。主轴电机选用e m s 0 4 a h 口o z 0 1 3 电机和0 2 p s z 0 1 3 伺服驱动器， 其额定转矩为：1 2 7 3 n m ，最大转矩为：3 8 1 9 n m ，额定输出为：4 0 0 w ，转子惯量为： j = 0 2 6 1 1 0 2 k g 1 1 12 。 2 3 。4 平台的电气控制 电气控制是平台中必不可少的重要组成部分。电气控制的主要内容是使系统执行部 件( 电机、伺服驱动器、开关量等) 在保护环节下，通过外部供电和内部供电两种方式 完成用户要求的操作。同时在电气系统使用过程中，尽量采用性能优良的电源，不同颜 色的电缆传输不同类型的信号，减少不必要的机床电路设计，提高平台的抗干扰性和稳 定性团】。 平台强电控制电路图如图2 - 3 所示。它包括主轴电机主控电路、伺服电源电路和伺 1 2 广西大掌硕士掌位论文 c a d c a m c n c 综合实验平台下位机实时控制及集成接口的研究 服强电控制电路。根据所选交流驱动器的特点，伺服驱动器电源接线为单三相接法，只 接r 、s 端，供电电压为2 2 0 v ，并对电路采取了保护措施。其中三台交流伺服电机负责 机床的三个进给轴，进行准确定位；另外一台交流伺服电机负责为主轴提供一定的转速 和力矩，进行切削。 垃功投删卡攮a 饭 n i l v w i 1 1 , 正1 3 m 揶8 棚9 ii l 转与 叫联i 絮躲蔑 li 哪 - 一l t 千 一tf il 上u 上l 上- l l 上 叫需i 叩唏喘唧稍 主轴伺服驱动器 】黼伺服驱动器 iy 轴伺服驱动器l | z 轴伺月民马区动器 lj o 出。出一出出 主轴电机】鼬进给电机1 鳓翅e 给电机 z 轴逆垄合审【机 图2 - 3 强电控制电路图 f i g 2 - 3t h ef i g u r eo f h a r d w a r ei n t e r f a c ec i r c u i t 本平台中控制卡直接与外部线路的接口是通过j 1 ( 3 7 针) 、j 2 ( 3 7 针) 、j 3 ( 2 5 针) 的 标准接口( 控制卡用户手册已经对控制卡的这些接1 2 1 作了说明，这里不再累述) ，通过 运动控制卡接口线转接到控制卡的接1 2 1 板。外部的线路，也就是从接口板上展开( 如图 2 4 所示) 。 2 4 平台的软件组成 平台软件是与硬件不能分割的两个部分。硬件使平台完成工作有了基本保证，而软 件是使这些硬件设备工作起来的灵魂。在本节中，主要在前面的硬件分析的基础上，完 成实验台系统的整体功能。 2 4 1 软件结构总体构成 c a d c a m c n c 综合实验平台的软件系统由与平台操作系统兼容的软件平台和运 1 3 广西大掌硕士掌位论文 c a d c a m c n c 综合实验平台下位机实时控制及集成接口的研究 l 传感器 运动控制卡 j 1 3 7 指示灯 1 运动控制卡 i o 接口 伺服驱动器 j 2 3 7 操作按钮 1 运动控制卡 j 3 手摇脉冲发生器 2 5 图2 4 硬件接口电路示意图 f i g ，2 - 4 t h ef i g u r eo f h a r d w a r ei n t e r f a c ec i r c u i t 行于该平台上的应用软件两大部分组成。在本课题的研究中，软件平台直接采用已有的 w i n d o w s 操作系统。而运行于软件平台上的应用软件系统是c a d c a m 应用软件和 我们自己开发的g x u o n c s 数控系统软件。软件平台结构如图2 5 所示。 图2 5 平台软件结构 f i g 2 - 5s o f t w a r es t r u c t u r eo fp l a t f o r m 1 4 广。西大学硕士掌位论文c a d c a m c n c 综合实验平台下位机实时控制及集成接口的研究 2 4 2c a d c a m 应用软件的选择及功能分析 1 c a d c a m 应用软件的选择要求【2 5 】 选择c a d c a m 应用软件时，应以满足需要为前提，除价格因素外，应考虑以下两 方面问题。 ( 1 ) 操作使用的方面性首先应注意软件的安装对操作系统及硬件的要求，能否直 接运行于普通的微机上，需要增加哪些专用配件。其次再检查软件的各个字系统，比如 界面设计是否符合逻辑和便于阅读，各级子菜单如何管理和显示，用户如何与系统交流 等。一个好的软件还应便于初学者掌握，操作简便实用，一般应包含供初学者使用的学 习模块和即时帮助系统。 ( 2 ) 软件的集成化程度一个完整的c a d c a m 软件系统是由多个功能模块组成 的，如三维绘图、图形编辑、曲面造型、数控加工、有