（机械电子工程专业论文）plc型pcb数控机床上位机软件系统设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论丈第1 页 摘要 电子工业的迅猛发展给人民的生产、生活带来了根本的变革。印制电路板 行业是电子工业的基础，而p c b 是各种电子原件的载体。几乎每种电子设备， 小到电子手表、计算器，大到计算机、通讯电子设备、军用武器系统，其中集 成电路中的电子元器件间的电气互连，都要使用印制电路板。随着p c b 的广泛 应用，使得p c b 钻床的市场需求量大大增加。研制高性能、高精度的p c b 钻床 已势在必行。 本论文分析了现在p c b 数控机床的发展方向以及市场需要，提出了控制系 统总体方案以及设计框架，即以s i m o t i o nd 运动控制系统作为主控制器，以 传感器( 温度传感器、压力传感器、光栅尺、断刀检测系统和位置检测等) 作 为检测元件，以电机( 伺服电机和高速主轴电机) 、电磁阀、气动压脚和机械 手作为执行元件来实现这个系统的功能。s i m o t i o nd 通过t c p l p 接口从上 位机接收数据和指令，通过p r o f i b u s 从扩展i o 接收外部信号指挥这个系统 运行。 本论文详细叙述了基于w i n d o w s 的p c b 数控机床系统上位微机软件系统设 计。该软件系统是p c b 数控机床的重要组成部分。用户最终依靠通过上位机的 软件系统来实现对p c b 机床的运动控制，从而完成p c b 印制板钻孔加工任务。 该软件系统从功能上主要分成八个模块：数据信息接口模块、图形显示模块、 加工文件处理模块、通信模块、参数设置模块、加工过程管理模块、动态模拟 加工模块、美化界面模块。p c b 机床上位机通过8 个模块协调工作，共同完成 任务。 机床样机研制和实验表明，本论文设计的p c b 数控机床上位机软件系统是 成功的和实用的，经过完善，可以投入实际应用。 关键词：p c b 数控机床，上位微机，闭环控制，软件系统，通信 a b s t r a c t p e o p l e ，st r a d i t i o n a lp r o d u c t i o na n dl i f es t y l ea r ec h a n g e df u n d a m e n t a l l yb y t h e f a p i dd e v e l o p m e n to ft h ee l e c t r o n i ci n d u s t r y t h ep c bi n d u s t r yi st h eb a s e o f e l e c t r o n i ci n d u s t r y , w h i l ep c ba r et h ec a r r i e r so fv a r i o u se l e c t r o n i cc o m p o n e n t s p c bb o a r d sa r eu s e di nn e a r l ye v e r yk i n d so fe l e c t r o n i ce q u i p m e n t ，s u c ha s e l e c t r o n i cw a t c h e s ，c a l c u l a t o r s ，c o m p u t e r s ，e l e c t r o n i cc o m m u n i c a t i o ne q u i p m e n t ， m i l i t a r yw e a p o n se q u i p m e n t ，e r e t h e s ee l e c t r o n i cc o m p o m e n t s a r ec o n n e c t e db y p c bb o a r d s a sp c bi sa p p l i e dw i d e l ya n dt h ed e m a n d o fp c b d r i l l i n gm a c h i n e i n c r e a s e sal o t ，s t u d yt h ed r i l l i n gm a c h i n ew i t hh i g hp r e c i s i o na n ds t r o n gf u n c t i o ni s i m p e r a t i v eu n d e rt h es i t u a t i o n t h i sp a p e rm a i n l yc a r r i e so nt h ei n t r o d u c t i o nt oc o n t r o ls y s t e mo ft h ep c b d r i l l i n gm a c h i n e s w i t hh i g hp r e c i s i o n ，a n a l y z e st h ep r e s e n tm a r k e tr e q u i r e m e n t sa n d d e v e l o p m e n to ft h ep c bd r i l l i n gm a c h i n e s ，a n d t h e np r o p o s e dt h eo v e r a l lp l a na n d t h ed e s i g nf r a m eo ft h ec o n t r o ls y s t e m t h es y s t e mt a k e st h es i m o t i o n d m o v e m e n tc o n t r o ls y s t e ma st h em a i nc o n t r o l l e r , r e g a r d st h es e n s o r s ( t e m p e r a t u r e s e n s o r , p r e s s u r et r a n s m i t t e r , d i f f r a c t i o ng r a t i n gr u l e r , b r e a k s k n i f ee x a m i n a t i o n s y s t e ma n dp o s i t i o ne x a m i n a t i o na n ds oo n ) a sm e a s u r i n gc o m p o n e n t ，a n dt a k e st h e e l e c t r o m o t o r s ( s e r v om o t o r s a n dh i g hs p e e dm o t o r sf o rm a i na x l eu s i n g ) ，t h e e l e c t r o m a g n e t i cv a l v e ，t h ea i ro p e r a t e dp r e s s u r ef o o ta n dt h em a n i p u l a t o ra st h e f u n c t i o n a le l e m e n t st or e a l i z e st h ef u n c t i o no ft h es y s t e m s i m o t i o nd r e c e i v e s d a t a sa n di n s t r u c t i o n sf r o mt h eh o s tc o m p u t e rt h r o u g ht h et c p i pc o n n e c t i o n ，a n d r e c e i v e se x t e r i o rs i g n a lf r o me x p a n d i n gi ot h r o u g hp r o f i b u s t od i r e c tt h i s s y s t e m t h ep a p e fi n t r o d u c e st h es o f t w a r es y s t e md e s i g no fh o s tc o m p u t e ro fp c b n c m a c h i n ei nd e t a i l t h es o f t w a r ei sai m p o r t a n tp a r to fd r i l l i n gm a c h i n e s t h eu s e r c o n t r o l st h em o v e m e n to fp c bm a c h i n et o o lb yt h es o f t w a r es y s t e m o fh o s t c o m p u t e rf i n a l l y , c o n s e q u e n t l yf i n i s h t h ed r i l l i n gp r o c e s s i n go fp c bb o a r d s t h e s o f t w a r es y s t e mh a se i g h tf u n c t i o np a r t s ：d a t ai n t e r f a c ep a r t ，p i c t u r ed i s p l a yp a r t ；f i l e m a n a g e m e n t p a r t ，c o m m u n i c a t i o np a r t ，p a r a m e t e r s e t t i n gp a r t ， m a c h i n i n g m a n a g e m e n tp a r t ，s i m u l a t em a c h i n i n gp a r t ，b e a u t i f y i n gs o f t w a r e i n t e r f a c ep a r t t h e s e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 ii 页 e i g h tp a a sc o o p e r a t ei nh a r m o n yt of i n i s ht h ep r o c e s s i n gt o g e t h e r r e s e a r c ha n dt e s to fm a c h i n ep r o t o t y p ei n d i c a t et h es o f t w a r es y s t e mo fh o s t c o m p u t e ro fp c bn cd r i l l i n gm a c h i n ei sp r a c t i c a la n dw e a r es u c c e s s f u l a f t e rb e p e r f e c t e d ，t h es y s t e mc a n b ep u ti n t ou s e k e yw o r d s ：p c bd r i l l i n g m a c h i n e s ，h o s tc o m p u t e r ，e n t i r ed o s e d l o o p c o n t r o l ，s o f t w a r es y s t e m ，c o m m u n i c a t i o n s 西南交通大学曲南父逋大罕 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，同意学校 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。本人授权西南交通大学可以将本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、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密口，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“ ) 学位论文作者签名：、甸晶 日期：槲三日如同 指导老师签名_ 冬“彳够 同期：o k g ，二如 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 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研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 所研制的课题在国内尚无采用p l c 作为控制器的p c b 数控机床产品问 世，在选题上具有一定的创新性。 2 采用的控制器为s i m o t i o nd ，它是西门子公司为运动控制系统提供的 高性能解决方案。 3 采用全闭环控制，使机床具有较高的精度。 4 自主研发的上位机软件使用w i n d o w s 界面，使操作简便。 5 上位机和下位机之间能够建立可靠连接，从而控制机床的动作，完成加 工任务。 6 上位机软件具有操作方便、功能完备、界面美观等特点。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 当今的世界，是电子工业突飞猛进发展的世界，电子工业的发展改变了人 们传统的生活方式、思维方式。印制电路板是承载电子元器件的母体，是电子 行业的基础，因此也常常被喻为电子工业的“地皮”。下图为一普通印制电路 板。 图1 1 印制电路板实物图 随着电子整机产品的多功能化、小型化、轻量化的发展，印制电路板正在 向高精度、大密度、多层化、小型化方向发展。而多层板、挠性印制电路板、 h d i b u m 基板、i c 封装基板( b g a 、c s p ) 等品种成为了扩大需要量的中心产品。 由于成本和环境的原因以及产业结构的调整，西方发达国家的印制电路板 产值正在下降。从2 0 0 2 年：至t j 2 0 0 5 年，只有中国的产值能以二位数字的速度持续 高速增长。未来，印制电路板市场运作是在中国，我国将跨进世界印制电路板 大国之列。 但是，我国生产的主要还是较低端的印制电路板，而现在制约我国印制电路 板业发展的因素中，国产数控机床的性能和种类不能满足印制电路板生产厂家 的要求，进口设备的价格又比较贵，是最为显而易见的原因。可见，为应对世界 印制电路板市场的高效、快速、低成本、低价位要求，以及产品的高精度、高密 度等特点，生产性能可靠、价格低、效率高、精度高、柔性高的数控机床是迫切 的。 本文将介绍一款一拖四的p l c p 型p c b 数控机床，它是一种加工t o - , , 0 电路板的 专用设备，采用西门子公司的s i m o t i o n 控制系统，采用全闭环控制，有较高的精 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 度。该机床具有基于w in d o w s 的上位微机软件系统设计，用户最终依靠通过上位 机的软件系统来实现对p c b 机床的运动控制，从而完成p c b 板钻孔加工任务。数 控机床在具有较高的性能之外，还具有较高的可靠性，较短的制造周期，较方便 的维护等优点。 1 1 印制电路板概况 1 1 1印制电路板的定义 在讲到印制线路板，常遇到两个词：“印制线路板”和“印制电路板”。 “印制线路板一的英文全称是p r i n t e dw i r i n gb o a r d ，简称p w b 。“印制线 路板打就是按照预先设计的电路，利用印刷法，在绝缘基板的表面或其内部形 成的用于元器件之间连接的导电图的技术，而形成的板。 与“印制线路板 相关的就是“印制电路板 ，其英文全称为p r i n t e dc i r c u i t b o a r d ，简称p c b 。“印制线路板 是把电子元件或电子组合元器件、芯片等装 在印制线路板的一定位置上，然后将元件类的引线焊接在印制线路板表面的焊 盘或焊垫上，从而相互连接成为印制电路板。 由于习惯和其他方面的原因，并未严格区分印制线路板和印制电路板的概 念，而将他们统称为印制电路。 1 1 2p c b 的广泛应用 在所有涉及弱电的电子设备中都需要使用p c b ，小到电子手表、计算器， 大到电子计算机、通信电子设备、军用的武器系统，只要有集成电路等电子元 器件，为了它们之间的电器连接j 都要以p c b 为载体，使用印制电路板。 如今，随着电子工业、计算机产业、手机产业等相关产业的高速发展，p c b 得到了越来越广泛的应用。首先，计算机行业随着笔记本电脑市场的增长，高 端多层线路板市场增长十分迅速，目前应用比例已经接近5 0 ；第二，是国内 手机市场迅速发展，目前这一比例已经比2 0 0 0 年翻了一倍多：第三个亮点是彩 电，高端的液晶电视和机顶盒等市场的增加使p c b 的需求大幅度增加；第四、 汽车电子的发展，自然地带动了汽车用p c b 的发展。据了解在2 0 0 5 年p c b 重 点营收对象中，汽车用p c b 占据重要位置。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 1 3 印制电路板行业的发展现状 1 9 3 6 年，英国e i s l e r 博士提出印制电路这个概念。他首创在绝缘的基板 上全面覆盖金属箔，然后在其上，涂上耐蚀刻油墨后，再将不需要的金属箔腐 蚀掉的p c b 制造基本技术。1 9 4 2 年，e i s l e r 博士制造出世界上第一块纸质层 压绝缘基板，用于收音机的印制板。5 0 年代初，这种技术开始广泛应用，并 迅速得到发展，印制电路行业开始一举成为世界性的一个大行业，其产值由零 发展为1 9 9 8 年的3 2 7 亿美元、1 9 9 9 年的3 5 0 亿美元、2 0 0 0 年的4 0 0 亿美元。 全球p c b 产值状况如表1 、表2 所示。 表1 - 1 全球各类p c b 产值的大致比例 单面板双面板多层板扰性板 1 0 1 8 6 3 9 表1 2全球各类p c b 产值的大致分布 日本亚洲( 除日本)北美欧洲 3 0 3 0 2 7 1 3 在全球p c b 行业高速发展的氛围中，我国的p c b 行业也开始了自身的发展。 1 9 5 6 年，我国p c b 列入国家规划，开始研制；1 9 6 3 1 9 7 8 年，逐步扩大并形成产 业；1 9 7 8 - 1 9 9 8 年引进国外先进技术和设备，p c b 行业获得蓬勃发展。其中 1 9 7 8 1 9 8 8 年主要发展单面板，而1 9 8 8 1 9 9 8 为双面板和多层板的大发展：近几 年是以h d i 为代表的高密度多层板的飞速发展。下图为我国国p c b 生产状况 统计。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 贞 ， 一j ，、 一一一，t o 了o u lu 1 u u 3 6 5 5 3 秭；n9 9 一? ? 啦氐 话矿一埘川 1 9 9 51 9 9 6 年1 9 9 7 年1 9 9 8 年1 9 9 9 年2 0 0 0 年2 0 0 1 年 图1 21 9 9 5 2 0 0 1 年p c b 产量汇总( 单位：万平方米) 预计近几年我国p c b 行业的产值仍将以两位数的年增长速度向前发展。不 久的将来，我国p c b 产值将由现在占世界p c b 产值的1 7 左右持续上升到2 0 甚至更高。我国的p c b 产值将会超过我国台湾地区，仅次于日本和美国，列居 世界第三位，成为世界p c b 工业中心。中国p c b 产品也必将由中低档产品不断 提升到中高档，直至开发生产新产品。这是中国和世界市场发展的必然。 1 1 4 印制电路板的制造工艺 p c b 的质量直接影响到整个电子产品的质量和成本。而p c b 的制造就显 得尤其重要。印制电路的制造工艺，也经过了从早期不成熟的制造工艺到如今 广泛应用的制造工艺的发展过程。 由于p c b 工艺技术不断发展，制造方法也有很多种。但制作工艺基本分为 两大类，即“减成法”( 也称“铜蚀刻法”) 和“加成法 ( 也称“添加法”) 。 我国p c b 技术虽然起步比较晚，但在老一辈专家的带领下，借鉴国外的先 进经验，克服了种种困难，现在已经建成了我国独立的p c b 工业体系。并能生 产出各种印制电路板，基本上满足了各种电子设备的需求，还有一定出口能力。 到目前为止，我国生产印制电路板的厂家很多，因各厂的设备、技术条件不同， 生产工艺也有很大差别。从总体上看，我国目前仍然是以“减成法”为基本工 艺。 以下以单面印制电路为例，简述印制电路板生产过程。由于单面印制电路 o o 0 o 0 o o o o o喜堇咖喜堇咖喜|咖季堇咖萋堇o 4 4 3 3 2 2 l l 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 板只有一层仃线，电路图形也比较简单，一般采用“丝网漏印 。在单面覆盒属 箔板上印刷“j 下相图形 ，即在有导线的地方印上抗蚀剂，然后进行腐蚀，去掉 未被印料保护的金属箔部分，留下的部分就是所需要的电路图形。其工艺流程 图如下： 。布线 划 图1 3p c b 工艺流程图 在p c b 整个加工工艺流程中，钻孔加工是一个非常重要的环节，它直接影 响p c b 的精度和性能。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 1 2 课题研究背景 1 2 1问题的提出 随着新技术的发展和新工艺的改进，我国p c b 行业的制造工艺主要经历了 三个阶段： l 、在6 0 - - 7 0 年代，我国p c b 行业主要从事单面板制作，市场占有率为8 5 左 右，产值占9 0 左右，p c b 钻孔工艺主要以手工为主，模具生产为辅； 2 、8 0 年代中期，p c b 行业手工钻孔工艺被淘汰，主要以模具冲孔为主； 3 、9 0 年代，单面板市场的占有率下降到6 0 左右，而产值占1 5 左右，双面板、 多层板市场占有率上升到4 0 ，产值占8 5 左右，而且仍有上升的趋势。此时， 模具冲孔难以满足精度要求，数控机床开始得到各p c b 生产厂商的重视，数控机 床在p c b 制造业开始获得广泛的应用。 p c b 行业的飞速发展、p c b 数控机床的普及，使得p c b 数控机床的制造和生 产具有很大的市场潜力。我们选择“p l c 型p c b 数控机床的设计 一课题是基 于市场的需求，瞄准世界领先技术，设计和制造出一款高性能的p c b 数控机床， 为我国p c b 行业的腾飞做出贡献。 1 2 2 国内外研究现状 从世界范围看，二十世纪5 0 年代以前，人们用于p c b 打孔和铣板的手段主 要是靠人工作坊式的手动和半自动的金属冲、钻、压等机床设备。6 0 年代初以 来，工业发达国家的许多p c b 加工设备设计、生产厂家，为了满足人们的要求， 对p c b 加工设备存在的问题进行针对性攻关，终于在1 9 , 6 2 年的芝加哥机床博览 会上世界上第一台专门用于p c b 工业的c n c 机床面世了。目前国外同类产品虽 然起步早，发展历史长，技术上相对先进，整机档次相对较高，工作精度和工 作效率都比较高，但其昂贵的价格，高额的维修费用，配件采购难等等因素， 致使一般p c b 制造业厂商望而生畏。 而我国研制p c b 钻床的起步较晚，在2 0 世纪6 0 、7 0 年代，我国才开始研 制及生产p c b 数控钻机，直到9 0 年代初，在技术上没有任何突破。这一代产品 属半自动化设备，需要人工方法装、取钻头，采用刀：环控制系统，加工精度低， 无辅助吸尘、冷却设备，造成生产环境恶劣。到9 0 年代中期，p c b 制造行业飞 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 速发展，p c b 数控机床市场的需求量迅速增大，引起p c b 数控机床制造业的重 视，开始研究开发p c b 数控机床，生产出新一代p c b 数控机床，国内代表性制 造厂家有深圳飞马、成都航晨、四川现代等公司。目前这些厂家生产的p c b 数 控机床一般采用半闭环控制，最大的移动速度可以达到2 0 m m i n ，钻孔速度可以 达到3 0 0 m i n ，可以实现全自动换刀。 尽管新一代p c b 数控钻机和过去相比，在性能上有较大改进，精度上有 较大提高，但仍有很多技术性问题尚未解决，比如：钻孔速度不够高、加工中 存在累积误差、上位机软件功能不够完善等。技术上的门槛就使得国内自主研 发的p c b 数控机床不能占领国内这个大市场，最终造成p c b 制造业的厂商对 国内p c b 数控钻机持怀疑的态度及畏惧的心理。由此可看出，设计和研发新一 代具有自主知识产权的p c b 数控机床是势在必行的。 国内外对未来印制板生产制造技术发展动向的论述基本是一致的，即向高 密度，高精度，细孔径，细导线，细间距，高可靠，多层化，高速传输，轻量， 薄型方向发展，在生产上同时向提高生产率，降低成本，减少污染，适应多品 种、小批量生产方向发展。本课题将以此为目标，研制和开发出新一代具有民 族品牌的p c b 数控机床。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 第2 章p l c 型数控钻床的总体设计 用于p c b 板的专用加工数控机床集机械学、电子学、计算机学、气动学和 光学于一体，是p c b 行业的必备关键设备，用于完成精密的钻孔加工，其本质 上是多点位控制微孔加工钻床。 p c b 数控机床一般采用伺服电机或步迸电机和滚珠丝杠作为运动执行部 件。对于一拖一机床运动包括x 水平横向( 加工横梁) ，y 水平纵向( 工作台 面) ，z 深度方向( 加工刀架) 三维移动和钻头本身的旋转运动四个自由度。 本课题所设计的一拖四模式，存在四个深度方向三维移动和四钻头旋转运动， 在加工时他们具有完全同步的运动规律。 2 1 设计目标 本课题所设计的p l c 型p c b 数控机床，瞄准国内主流产品，采用模块化 设计技术，从机床的机械部分、硬件和软件方面进行全新的设计。该机床采用 闭环控制模式和p l c 运动控制器构成高可靠性的硬件系统，开发新一代软件， 采用w i n d o w s 界面，提高产品友好性和操控性，是具有自主知识产权的新一 代产品。其主要的特点如下： 1 、x 、y 、z 轴驱动系统均采用西门子专用高速运动控制系统，采用光栅尺进 行外部定位，具有速度快、定位准确、可靠性高等优点； 2 、x 、y 、z 轴均采用进口矩形滚动导轨、丝杆，保证运动的精度和速度； 3 、机床底座、横梁、滑架、工作台面均采用花岗岩制造，进度高，稳定性好； 4 、采用进口变频器电源，自动检测其工作状态，自动控制吸尘器电源及电主轴 冷却系统的启停； 5 、电主轴冷却系统采用进口压缩机，制冷效果好； 6 、具有限位、电主轴过流、温度、气压检测及伺服报警等保护功能； 7 、自动记忆工件的零点，使用方便； 8 、可以根据钻孔直径自动选择主轴的转速和下钻速度； 9 、每根轴都配有机械手能进行自动换刀，可以提高机床的工作效率； 1 0 、具有刀具断钻检测功能，深度检测功能。 该机床除了以上的特点之外，其主要机械电气参数指标如下： 1 、x y z 三方向各自运动范围：4 6 0 m m 、7 5 0 m m 、7 0 m m 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 2 、主轴头数：4 3 、最大移动速度：3 0 m m i n 4 、最大加速度：2 g 5 、最大旋转转速：1 2 5 0 0 0 r m i n 6 、定位精度：5 ：0 o l m m 7 、重复定位精度：5 ：0 0 0 5 m m 8 、钻孔速度：5 0 0 m 9 、钻孔精度：0 0 2 r a m 1 0 、最小钻孔直径：0 1 m m 1 1 、最大钻孔直径：6 3 5 m m 1 2 、控制方式：全闭环 2 2 机械部分总体设计 总体布局采用x 、y 轴分立结构型式，装配简单，两方向运动质量基本相 同。x 、y 轴的电机带动滚珠丝杠旋转，通过螺母副带动工作台在x 、y 方向 上移动。 z 轴结构对于高速钻孔极其重要，设计和制造严格保证驱动电机和钻孔主 轴严格共线。采用上端固定下端悬臂丝杠结构，采用弹性连轴器。 滚珠丝杠和导轨采用国际知名品牌。机床底座，横梁，工作台采用全花岗 石，保证高精度稳定性和温度稳定性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 2 3 控制部分方案选择 2 3 1 典型的数控机床控制方式 目前数控机床的控制方式主要有以下四种形式： 1 、封闭式： 数控系统是专用的封闭体系结构，目前这种结构的系统占据了制造业的大 部分市场，但由于开放式数控体系的发展，此种数控系统正逐渐减少。 2 、p c 嵌入n c 式： 此种数控系统具有一定的丌放性，但其n c 部分仍然是传统的数控系统， 用户无法介入其核心。 3 、n c 嵌入p c 式： 由开放式运动控制卡和p c 机构成，运动控制器以p c 插件的形式插入到 p c 机扩展槽中，运动控制卡提供一些丌放的函数库，供用户在w i n d o w s 平台 下丌发构造所需的运动控制系统。 4 、软件型丌放式结构： 它提供给用户最大的选择和灵活性。 全软件型数控系统虽然提供了一种高度丌放的体系结构，但由于操作系统 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 实时性、标准统一性及系统稳定性等问题，其系统的实现还处于实验阶段。相 对全软件型数控系统而言，“p c + 运动控制卡 是目前比较现实而有效的数控系 统。 2 3 2“p c + 运动控制器 数控系统 此类数控系统是将p c 机的信息处理能力和开放式的特点与运动控制器的 运动轨迹控制能力有机地结合在一起，具有信息处理能力强、开放程度高、运动 轨迹控制准确、通用性好的特点。以下将介绍“p c + 运动控制器 的数控系统 的总体结构和工作原理。 1 、硬件构成 一套完整的运动控制技术的数控系统主要由以下几大硬件构成：p c 机、运 动控制卡、电机( 直流伺服、交流伺服、步进) 、编码器、驱动器( 如果运动控制 卡包含有驱动功能，则驱动器可以不要) 、直线运动单元、其他传感器( 光栅尺、 限位信号等) 。下面分别介绍以上各硬件的构成及其在数控系统中作用和特性。 ( 1 ) p c 6 兀： 相对于运动控制芯片来说，p c 机为上位机。它是整个数控系统的信息处理 中心，主要负责人机交互界面的管理和控制系统的实时监控等工作。p c 机典型 的配置为：p 5 0 0 m 及以上c p u 、1 2 8 m 内存、具备p c i i s a 插槽、w i n d o w sx p 或其他系列操作系统、软件开发环境： v i s u a lc + + 或d e l p h i 等。 ( 2 ) 运动控制器： 市面上有较多的运动控制卡可供选择，它们大多数的功能差不多，差别也不 是很大。但是在控制精度、稳定性和二次丌发的方便性等方面则呈现出较大的 差距。运动控制卡可以完成以下功能：驱动电机、过载保护、编码器信号采集、 限位信号采集、和上位机进行通讯、有限位数的模拟量信号采集、以及有限位 数的数字量信号采集等。 ( 3 ) 电机、驱动器、编码器 电机为数控系统的动力来源，目前数控系统上采用的电机主要有步进电机， 交流、直流伺服电机等。由于运动控制卡一般不具备直接驱动电机的能力，因 此需要驱动器的帮忙。步进电机和伺服电机的驱动器原理不同，功能也相差甚 远。步进电机的驱动器除了驱动电机外，还提供细分调节的功能。而伺服驱动 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 器则可以同时采集编码器信号和设置伺服电机的工作模式等。编码器一般用在 伺服电机上，用来组成一个电机位置闭坏系统，实现对电机的精确控制。 ( 4 ) 其他传感器： 数控系统中，最常用的传感器是光栅尺。要对位置进行精确的控制时，需 要采用光栅尺，从而组成一个全闭环系统，电机编码器测量的信号为电机的运 动距离，不是最终的运动对象，因此为一个半闭环系统。光栅尺安装在最终的 运动对象上，从而组成一个全闭环系统。 ( 5 ) 直线运动单元 直线运动单元是数控系统中的运动执行机构，一个直线运动单元主要由精 密研磨的滚珠螺杆、台架、电机、固定的基座、轨道等部分组成。这种直线运 动单元的关键参数为其定位精度和重复定位精度，这两个参数也决定了数控系 统的精度。按照模块化的设计思想，这种直线运动单元就是数控系统中的一个 运动轴，两个直线运动单元互相垂直安装就组成了一个x y 数控平台。同样的在 安装了z 轴后就是一个三维的数控系统了。 2 、总体安装 下图展示了一套完整的三维数控系统接线示意图，各种信号经过转接板后 共同联入插在p c 机内的运动控制卡的接口上。 图2 2 数控系统接线示意图 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 3 、工作原理 以p c 机强大的硬件与软件资源为后盾，借助于运动控制卡提供的运动函 数库，运用v b 或v c + + 语言编制直线、圆弧插补运动轨迹图形程序，通过板 卡接口输出p c 机运算结果的运动控制脉冲数和运动方向控制等信号，经过伺服 驱动功率放大器放大后，驱动步进电机或交流数字伺服电机转动，再通过滚珠 丝杠传动机械，驱动两轴或三轴精密十字工作台运动。从而，最终实现按编制 的运动轨迹作伺服运动或按编制的加工零件轮廓图形作精确的插补定位运动。 4 、系统存在的问题 虽然p c + 运动控制卡型控制方式是目前比较现实而有效的数控系统，但运 用在速度快，精度高，而且孔数较多的p c b 数控钻床上，仍然有一些问题有待 解决： ( 1 ) 控制程序运行不可靠。 ( 2 ) 运动不协调，有时会出现逻辑错误。 ( 3 ) 加工速度不够理想。 ( 4 ) 加工存在累积误差。 ( 5 ) 软件成熟度不够。 2 3 3 控制方式的选择 系统设计方案的优劣决定了控制系统的成败。本系统要控制机床实现高速 高精度的加工，所以系统的性能至关重要。在总结了以上p c + 运动控制卡型控 制方式的基础上，又做了充分的调研和详细分析，我们选用了p l c 作为控制系 统的核心，来进行控制。 选用p l c 控制有其他方式不可比拟的优点。例如可大量扩展i o 满足大量 传感器的接入要求，p l c 的程序执行方式本身具有抗干扰能力，i 0 输出驱动能 力强。本系统考虑到较高的可靠性所以选择p l c + 驱动器十电机+ 光栅尺的全闭环 控制模式。 2 3 4 系统功能 l 、本机床是一款一拖四的机床，有x 、y 轴和四个z 轴上的伺服电机，来进行 工作台定位。x 、y 、z 轴可以- 联动，四个z 轴可以同时运动也可以分丌运动。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 2 、为了提高加工精度，工作台的运动利用光栅尺实现全闭环控制，对工作台进 行精确定位。在x 、y 轴上都装有光栅尺，可以反馈x 、y 轴的位置，这样可以 保证机床的定位精度在1 0 微米之内。 3 通过分布式i o 的模拟量输出点控制变频器驱动高速主轴。 3 、在x 、y 和z 轴的极限位置上，有限位开关，能够进行限位控制。 4 、每个z 轴上都有一个高速主轴电机，用于带动钻头旋转，进行钻孔加工。 5 、每个z 轴上都有刀库和机械手，可以用机械手进行自动换刀，也可以进行人 工换刀。 6 、能够进行刀具深度检测。 7 、能够进行断刀检测。 8 、上位机和下位机之间能够进行通信，上位机能够向下位机发送加工任务、加 工参数等信息。 2 4 控制系统组成 本机床的控制系统由上位机( 工控机) ，s i m o t i o nd ，电源模块，电机模块， 伺服电机，光栅尺，主轴变频器，高速主轴、分布式i oe t 2 0 0 m ( 包括数字量 模块和模拟量模块) 以及其他多个传感器组成。 2 4 1 上位机 本机床的上位机采用的是一台工控机，相对于s i m o t i o n 控制器来说，称之 位上位机。它是整个数控系统的信息处理中心，数控软件系统在上位机上运行。 其主要负责人机交互界面的管理和控制系统的实时监控等方面的工作。上位机 的配置为： i 、c p u ：i n t e rp e n t i u m4 2 8 g h z ； 2 、内存：i g ； 3 、光驱：s o n yd v d - r o m ： 4 、网络适配器：1 0 0 m 网卡； 5 、显示器：1 7 寸液晶显示器； 5 、操作系统：w i n d o w sx p ； 6 、软件开发环境：v i s u a lc + + 6 0 ； 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 7 、杀毒软件：金山毒霸 图2 3 工控机照片 2 4 2s 1 m o t i o n 控制器 1 、s i m o t i o n 功能介绍 在运动控制领域，一般的电机驱动器提供了丰富的运动控制功能，但逻辑 控制和复杂运算功能却相当弱。而一般的plc 提供了全面的逻辑控制功能，但 又很难具各运动控制的全部功能。传统的应用方式是将plc 和伺服控制器配合 使用，但存在高速数据传输、数据同步和精确控制等方面的问题。 s i m o t i o n 是一个全新的西门子运动控制，是世界上第一款针对生产机械而 设计的控制系统。s i m o t i o n 的目的是为实现各种运动控制任务提供一种简单、 灵活的控制系统。s i m o t i o n 主要有三大功能：一、运动控制；二、逻辑控制， 例如，对输入信号的逻辑门处理，以及对输出信号的分析与赋值；三、工艺控 制，例如：压力控制、温度控制等。 通过这种功能上的综合，使得所有的运动控制功能，以及与运动控制相关 的逻辑控制功能均可由一个系统来实现。例如，对输入信号的逻辑门处理，以 及对输出信号的分析与赋值。工艺控制功能也同样包含在新系统中，例如：压 力控制。运动控制软件用于计算液压轴的运动曲线，而运动本身是由压力控制 器控制液压阀实现的。s i m o t i o n 将运动控制、逻辑控制及工艺控制功能综合在 一起，它具有以下优点： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 ( i ) 独立元件间影响响应时间的接口不需要了； ( 2 ) 节省了为这些中例接口进行编程及诊断的投入； ( 3 ) 整个机器的编程及诊断不仅规范，而且象p l c 一样开放、透明； s i m o t i o n 面向的行业主要是运动复杂、速度及精度的要求较高的制造机械、 包装机械，橡塑机械，锻压机械，纺织机械，以及其他生产机械领域。 s i m o t i o n 由工程开发系统、实时软件模块、硬件平台三个部分组成，其结 构简图如下： * # i h * 统女w 软# 檀拉 自# # 镕m- 2 f t - r l $ 女2 $ h 。$ m n - t ”j # _ 6 、： 图2 4s i m c t l 0 n 结构简图 ( 1 ) 工程开发系统。工程开发系统可以实现由一个系统解决所有运动控制、逻 辑及工艺控制的问题，并且它还能够提供所有必要的工具，从编程到参数设定， 从测试调试到故障诊断。 ( 2 ) 实时软件模块。这些模块提供了众多的运动控制及工艺控制功能。针对某 一特定的机器所需的功能，灵活地选择相关的模块。 ( 3 ) 硬件平台。硬件平台是s i m o t i o n 运动控制系统的基础。使出工程开发系统 所开发的且使用了实时软件模块的应用程序可以运行在不同的硬件平台上，用 户可以选择晟适合自己机器的硬件平台。 2 、s i m o t i o no s i m o t i o n 提供了三种硬件平台：控制器平台：s i m o t i o nc ；驱动器平台： s i m o t i o nd ；p c 平台：s i m o t i o np 。 其中s i m o t i o nd 是集成在驱动器中的紧凑型系统，是最常用的运动控制 爨 ： 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 器。s i m o t i o nd 特别适用于：( 1 ) 小型机械：( 2 ) 分布式自动化结构，例如 拥有多轴的机器( 3 ) 模块化设计的机器：( 4 ) 也可以与s i m o t i o np 或s i m o t i o n c 配合使用( 5 ) 实时性要求极高的多轴耦合应用。 _ 4 一 图2 5s i m o t i o nd 本机床所采用的控制器是s i m o t i o nd 4 4 5 ，是基于最新的s 1 n a m i c s 驱动产 品系列。在s i b l o t i o nd 中，s i m o t i o n 的逻辑控制和运动控制功能与s i n a m i c s 驱动控制软件均运行在s i n a m i c ss 1 2 0 硬件系统上。 s i m o t i o nd 具有不同性能版本。从而确保了最高的分级能力与灵活性。 通过符合i e c6 11 3 1 3 的集成p l c ，s i m o t i o nd 不仅能控制运动，还能控制 整个机器。h m i 装置能够连接到本机p r o f i b u s 或以太网接口，用于操作和监 控。通过这些接口，诸如远程维护、电话服务、数据浏览等功能得以应用。 s i m o t i o nd 控制系统的优势主要有以下几点： ( 1 ) 运动控制、工艺控制及逻辑控制功能直接运行在驱动器上，从而极具成本 效益； ( 2 ) 直接采用创新的s i n a m i c ss 1 2 0 设计 ( 3 ) 紧凑设计，减小控制柜空间 ( 4 ) 出色的模块化及分布式机器理念 ( 5 ) 基于本机p r o f i b u sd p 及工业以太网接口的多种通讯方式 ( 6 ) 工程开发极为简便，从驱动器调试到开环控制及运动控制应用 ( 7 ) 易于置换并包含所有数据( 程序、数据、驱动器参数) 的小型闪存卡使服 务极为简便 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 ( 8 ) 由于逻辑控制和运动控制之间无需接口，因此响应迅速 s i m o t i o nd 可以用于： ( 1 ) 已经使用新的s i n a m i c s 驱动器产品场合 ( 2 ) 要求直接在( s i n a m i c s ) 驱动器上实现运动控制及开环控制的场合 ( 3 ) 要求设计紧凑，节省占用空问的场合 ( 4 ) 要求具有高性能运动控制及高速i o 的场合 ( 5 ) 具有高速同步的模块化设计的机器 s i m o t i o nd 以及相关的s i n a m i c s 元件可以满足最高标准工业环境的要 求，具有极强的抗e m c 干扰能力及抗振动能力。s