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三坐标数控铣床控制系统的开放性设计 摘要 数控系统的开放性是当今数控系统发展的主流，开放式数控系统研究的目 地是开发一种模块化的、可重构的、可扩充的控制系统的结构，以增强数控系 统的柔性，在体系结构上给用户二次开发留有更多的余地，从而可以快速的响 应新的加工需求。 国际上开放式数控系统研究的相继开展日益引起国内数控界的广泛关注。 但目前国内关于开放式数控系统的研究尚处于起步和探索，本文将围绕着开放 式c n c 系统设计中的相关技术，从开放式的体系结构分析、系统的硬件的开放 化设计、系统软件的建模与开发、以及运动控制中插补技术等方面进行了系统 研究。全文的研究工作如下： 1 ) 在论述开放式数控系统的同时，给出了软件芯片的概念，结合数控系统 设计，给出开放式数控系统的软件开发的方法。 2 ) 在硬件结构上，系统以通用的p c 机作为硬件平台，结合开发的四轴运 动控制卡良好的控制性能，配以步进电机与其驱动器，组成通用c n c 控制系统 的配置。这种结构方式直接利用了p c 机体系结构，采用成熟n c 硬件来组成 控制系统。运动控制卡是按p c 机的接口遵循开放的标准总线p c i 0 4 定义。这 样构成的系统的硬件体系结构具有开放式、模块化、可嵌入的特点，经济性， 系统可靠性与运行精度有保障，非常适合于组成中小规模的数控系统。 3 ) 研究和开发开放式数控系统的软件体系结构和开发方法是本文的重要目 的。在软件结构上，基于面向对象的思想，采用中断机制的控制策略与模块化 的设计方法，系统的各功能的控制实现分别放置在相对独立的模块中，任意软 件功能变化都不会影响到其他模块的运作，通过提供各个模块的相应接口，使 之能适应不同用户的要求及应用于不同类型的数控机床上。 4 ) 系统的研究了数控技术中的关键技术，如数控插补技术、交流伺服电机 的变频控制的技术等； 最后，作者对本文的研究工作进行了总结，并对开放式数控系统的发展做 了展望。 关键词：数控技术开放式数控系统模块化设计插补软件芯片 软件 重用最小误差法 4 d e s i g no no p e ns y s t e m o ft h r e ea x i sn u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n e a b s t r a c t n o w a d a y s ，o p e na r c h i t e c t u r e c n cs y s t e m sa r eb e c o m i n g o n eo ft h e m o s t i m p o r t a n td i r e c t i o n so fc n ct e c h n o l o g y t h er e s e a r c hp u r p o s eo fo p e nc n c s y s t e m s i st ob u i l dam o d u l a r ，r e c o n f i g u r a b l ea n de x p a n d a b l ea r c h i t e c t u r eo fc n c s y s t e m s t o i m p r o v e t h e s y s t e m sf l e x i b i l i t y ，a n d e n a b l et h es y s t e m st ob e r e d e v e l o p e d a sa r e s u l t ，c n cs y s t e m sc a n b er e s p o n s i v et ot h em a r k e tq u i c k l ya n d e c o n o m i c a l l y w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n t e r n a t i o n a lo p e nc n cp r o j e c t s ，m o r ea t e n t i o n1 5 p a i d t oo p e nc n ca t h o m e b u tr e l a t i v er e s e a r c h e s a r es t i l la tt h e s t a g e o f b e g i n n i n g i n t h i sp a p e r ，s o m ek e ya s p e c t sa n dt e c h n o l o g yo n t h ed e s i g no fo p e n a r c h i t e c t u r ec n cs y s t e m s a r er e s e a r c h e d ，i n c l u d i n gt h ea n a l y s i s o f o p e n a r c h i t e c t u r e s y s t e m ，o p e n h a r d w a r e s t r u c t u r e d e s i g n ，s o f t w a r em o d e l i n g a n d d e v e l o p i n g ，c u r v ei n t e r p o l a t i o n t e c h n o l o g yi nm o t i o nc o n t r o l ，e t c f o l l w i n ga r et h em a i nw o r ka n dr e s u l t s ： l1 o p e na r c h i t e c t u r e c n cs y s t e m sa r ei n v e s t i g a t e d ，s o m ep r i n c i p l e sa n d a c o n c e p tm o d e lf o ro p e na r c h i t e c t u r es y s t e m sa r ep r o p o s e dw h i c h c a nb e u s e da st h e g u i d a n c eo fd e t a i l e dd e s i g no fs o f t w a r e d e f i n i t i o no f n c s o f t w a r ei ci sg i v e n 2 1 i n s y s t e m h a r d w a r ea r c h i t e c t u r e ，p c i st h eb a s ep l a t f o r m ，w i t h a 4 一a x i s m o t i o nc o n t r o lb o a r d 。s t e ps e r v om o t o ra n dt h e i r sc o r r e s p o n d i n gd r i v e r s ， a s y s t e mc o n f i g u r a t i o ni sc o n s t r u c t e d t h i sc o n s t r u c t i n gm e t h o dd i r e c t l y u s e s p c a r c h i t e c t u r e ，c o m b i n i n gf o r m e dn cp r o d u c t i o n ，f u l l ye m b o d i e dt h e c h a r a c t e r so f m u l t i m o d u l ea n de c o n o m y t h i sm e t h o di sa p p r o p r i a t e l yu s e d t ob u i l dm i do rs m a l l s y s t e m 3 1t h em a i np u r p o s eo ft h i sd i s s e r t a t i o ni s t or e s e a r c ha n dd e v e l o pc n c s y s t e m i ns y s t e m s o f t w a r e a r c h i t e c t u r e ，t h e m o d u l a r d e s i g n m e t h o d i s i n t r o d u c e d a n dt h ec o r r e s p o n d i n gp r o g r a mi sd e s i g n e d e v e r yf u n c t i o ni s p u ti n t o a ni n d e p e n d e n tm o d u l e a n yc h a n g e si no n em o d u l eh a v en o i n f l u e n c ei no t h e r m o d u l e s y s t e mh a so f e r e dt h ec o r r e s p o n d i n g p r o g r a m m ei n t e r f a c ef o ru s e r s ，w h i c h m e e t st h ed i f e r e n td e m a n d s 4 ) t h ek e yt e c h n o l o g i e sa b o u to p e n a r c h i t e c t u r eo fc n cs y s t e m sa r e s t u d i e d ，i n c l u d i n g t h ec u r v e i n t e r p o l a t i o n a l g o r i t h m s a n d f r e q u e n c y c o n t r o l a l g o r i t h m so fs t e p p e rs e r v o m o t o r ，e t c f i n a l l y ，t h er e s e a r c hc o n t e n t so ft h i s d i s s e r t a t i o nh a v e b e e ns u m m a r i z e da n dt h e p r o s p e c to fo p e na r c h i t e c t u r ec n c s y s t e m sh a s b e e no p e n e du p k e y w o r d ：n cs y s t e m ；o p e n a r c h i t e c t u r ec n cs y s t e m ；m o d u l a r i t yd e s i g n ； i n t e r p o l a t i o n ；s o f t w a r ei c ；s o f t w a r er e u s a b i l i t y ；l i m i t e r r o rm e t h o d 6 插图清单 图1 1 开放式数控系统的结构图2 图2 1c n c 系统的组成框图6 图2 2c n c 装置硬件的组成6 图2 3c n c 装置软件的组成7 图2 4 软件任务的并行处理1 1 图2 5 资源分时共享图l1 图2 - 6c n c 装置通过缓冲区交换信息框图1 1 图2 7 数据流程图1 2 图3 1 系统结构图1 5 图3 2 定量驱动模式1 6 图3 3 定速驱动模式1 7 图3 - 4 直线加减速驱动模式1 8 图3 5 直线加减速驱动的三角防止1 8 图3 - 6 非对称直线加减速驱动( 加速度 减速度) 1 9 图3 8s 曲线加减速模式2 0 图3 - 9 直线插补轨迹2 1 图3 - 9 伺服系统结构图2 6 图3 1 0 位置控制模式结构2 6 图3 1 1 处理方法示意图2 7 图3 1 2 逻辑形式示意图2 7 图3 1 3 位置回路增益示意图2 8 图4 1 译码模块程序流程图4 3 图4 2 预处理模块程序流程图一4 6 图4 3 刀补程序流程图4 9 图5 1 用户密码界面示意图5 1 图5 2 运动控制卡未安装示意图一5 1 图5 3 主程序界面示意图5 2 图5 4 铣刀参数界面示意图5 4 图5 5 手动模式界面示意图5 5 图5 - 6 代码编辑界面示意图5 6 图5 7 代码编辑界面示意图5 7 1 0 表格清单 表3 1 直线插补公式2 2 表3 2 端子信号选择表2 9 表4 1 转接类型判别表4 6 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 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 金墅王些盔堂 或其他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己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 冬劭签字日期：解乡月肜日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金8 垦王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权金g 曼王些盔堂可 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、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 辱勋 签字日期：2 么哲年节月汐日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 3 新躲兹炒 答_ i l l l ：i 年年月l o l l 电话： 邮编： 致谢 首先，感谢导师黄皖苏副教授在我攻读硕士阶段对我的精心培养和指导。 本论文正是在导师的严格要求下完成的。在研究生学习期间，导师严谨的 治学作风、忘我的工作精神给我留下了深刻印象，这些优秀的品质将使我终生 受益。 感谢实验室李学京教授、屈新怀副教授、刘炀副教授等的悉心指导和帮助， 感谢丁必荣讲师在程序编写上给予的指导。感谢陈景、周明非在做论文过程中， 给予的配合与帮助；感谢孙淼、姚实等师弟妹在我论文写作过程中给予的帮助 与建议。感谢工程图学教研室的所有老师和同学们，在这个团结、进取的集体 中，我不仅学习了大量的科学文化知识，还获得了学习的乐趣、生活的乐趣。 感谢我的家人，正是他们坚定的支持才使我得以完成学业。我谨以学业上 的收获作为对他们的回报。 最后，对所有关心和帮助过我的人表示最衷心的感谢! 作者：余勋 2 0 0 8 年2 月2 0 日 1 1 研究目的和意义 第一章绪论 数控机床是现代科学技术的最前沿信息技术与传统机床相结合的产 物，反映了一个国家制造技术的水平和工业水平。随着对产品复杂程度及精度 要求的提高和降低产品生产成本的需要，制造商对数控机床提出了更高的要求， 而这种不断增高的要求主要不是针对机械系统的，而是对数控机床的控制设备 数控系统提出的挑战n 】。 针对这种挑战，迫切需要一种新的数控系统来满足生产商日益增长的需求， 以克服传统数控系统带来的不便。虽然传统的数控系统已经实现了非常复杂的 功能并达到了相当的精度，但由于传统的数控系统采用专用计算机系统，其实 现过程对用户来讲是封闭的，并且它的各个模块功能固定，各厂商的软硬件互 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，这增加了用户的投资风险和成本。为改变这种状况，迫切需要开发出一种 配置灵活、功能扩展简便、基于统一的规范和易于实现统一管理并且对用户开 放的数控系统。于是开放式数控系统便应运而生心1 。 开放式数控系统的概念是美国在八十年代末提出的，它具有开放柔性高、 成本低、升级扩展容易、投资风险性小和可以引入最新的p c 软、硬件技术等 优点，是二十一世纪数控技术的发展方向。 1 2 国内外研究概况 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。 自2 0 世纪8 0 年代末以来，各欧美制造强国竞相开发基于p c 的c n c ，并提出 了开放式c n c 体系结构的概念，开展了针对开放式c n c 的前、后台标准的研 究，如美国的n g c ( t h en 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 0 1 ) 、欧盟的 o s a c a ( o p e ns y s t e ma r c h i t e c t u r 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 ) 、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 ) 。美国的n g c 计划的核心就 是建立一个有硬件平台和软件平台的开放式系统，开发制定“开放式系统体系 标准( s o s a s ) ，用于管理工作站和机床控制器的设计和开发。 但现在完全开放的数控产品并不多，比如f a n u c1 6 i 1 8 1 系统、s i e m e n s 8 4 0 d 系统、n u m1 0 6 0 系统及a b 9 3 6 0 系统，尽管具有一定的开放性，但由于 n c 内核的封闭性，其体系结构还是不开放的。美国d e l t at a u 公司用多轴运动 控制卡p m a c 构造的p m a c n c 数控系统、日本m a z a k 公司采用三菱电机 的m e l d a s m a g i c 6 4 构造的m a z a t r o l 6 4 0 c n c 数控系统等，因采用专用的 硬件本身就不是开放的。 国内开放式控制系统己有四种：华中i 型、中华i 型、航天i 型和蓝天i 型。国内的这些开放控制系统各有特点，但从数控系统发展的趋势来看，它们 还不具备开放性控制系统的本质特性，主要问题在于没有解决开放式数控系统 的平台问题。各系统所采用的体系结构仍是自成体系，相互之间缺乏兼容性和 互换性，其开放性仍停留在p c 平台的开放层次上。其次是软件开发思想与技 术落后，没有充分利用面向对象、软件重用等软件工程的新理论、新技术。 目前，国内对开放式数控系统的研究形成了以下几个方向：基于软件芯片 的开放式数控系统；基于数字伺服现场总线技术的开放式数控系统；基于 w i n d o w s 的开放式数控系统；基于c o m 组件( c o m p o n e n t0 b j e c tm o d e l ，组 件对象模型) 技术的开放式数控系统等h 7 1 。 随着开放式数控系统特别是基于p c 机的开放式控制系统的发展，系统硬 件将逐渐标准化，主要硬件设备采用市场流行的p c 机，c n c 系统的高技术附 加值将主要体现在软件上。 开放式数控系统概述 开放式数控系统就是数控系统的开发可以在统一的运行平台上，面向机床 厂家和最终用户，通过改变、增加或剪裁结构对象( 数控功能) ，形成系列化， 并可方便地将用户的特殊应用和技术诀窍集成到控制系统中，快速实现不同品 种、不同档次的开放式数控系统，形成具有鲜明个性的名牌产品。开放式数控 系统结构如图1 1 所示m 1 ： 数控功能应用程序 图1 1 开放式数控系统的结构图 1 3 1 开放式数控系统的特点： 开放式数控系统应该具有以下基本特征n 3 叫5 1 ： 1 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 造是可移植的和透明的； 2 根据需要可方便地实现重构、编辑，以便实现一个系统多种用途。 3 开放式体系结构中各模块相互独立，机床研发人员、机床厂及最终用户 都可以很容易地把一些专用功能和其它有个性的模块进行独立开发，为此要有 方便的支撑工具，控制程序设计按系统一一子系统一一模块三级进行，各模块 结构协议要明确。 4 具有一种较好的通信和接1 2 1 协议，以便各相对独立的功能模块通过通信 实现信息交换满足实时控制要求。 目前开放式数控系统的体系结构规范、通信规范、配置规范、运行平台、 数控系统功能库以及数控系统功能软件开发工具等是当前研究的核心。 1 3 2 开放式数控系统的主要类型 现阶段，真正实现数控系统的完全开放还难以做到，一些数控系统只是具 备了开放式系统特点或者开放程度相对大一些而已。目前，利用现有p c 机的 软硬件规范设计开放式数控系统，从研究进展及实现技术上看，主要有以下三 种类型： 1 数控专用模板嵌入通用p c 机构成的数控系统 以国内华中i 型数控系统为例，该类型系统采用了总线式、模块化的体系 结构，把与n c 装置配套的p c 板卡装入n c 系统的插槽中。这种系统具有软硬 件资源的通用性、丰富性、透明性、软件的可再生性；便于引入新技术进行升 级、换代的优点。但由于使用专用结构的n c 系统来实现机床控制，故只开放 了非实时控制部分，实时控制部分仍然是不开放的。 2 通用p c 机与开放式可编程运动控制器构成的数控系统 以美国d e l t at a u 公司九十年代推出的p m a c ( p r o g r a m m a b l em u l t i a x e s c o n t r o l l e r ) 开放式多轴运动控制器为代表。该类型系统采用p c 主板作为c n c 平台，插入实现n c 功能的各种模块，如运动控制卡、多轴控制卡等，它能够 充分地保证系统性能，构成具有高度灵活性的控制系统。但它仍只是在一定程 度上的开放，其软、硬件的一部分还是专用的，机床伺服系统、反馈设备的接 口也可能是专用的引。 3 全软件式数控系统 全软件式数控系统虽然还没有形成产品，还在理论研究中，但它代表了数 控系统的发展方向，将对数控系统产生革命性的影响。该类型系统将c n c 的全 部功能交由p c 进行处理，并通过装在p c 扩展槽的伺服接口卡对伺服系统进行 控制。其软件的通用性好，编程灵活。但是，实时处理的实现比较困难，并较 难保证系统的性能，同时原型c n c 系统资源很难给予很好的利用7 1 。 总体而言，基于p c 的多轴运动控制器的开放式数控系统，是当前比较理 想的开放式数控系统。p c 机处理非实时部分，实时控制由插入p c 的多轴运动 控制器来完成。 1 4 课题新颖性 在开放式数控系统模式中，通过对数控软件的标准化与规范化研究，运用 面向对象的机制，把数控系统的功能进行抽象并进行封装，将数控软件设计成 具有稳定通用的接口、可以重用的s i c ( 软件芯片，s o f t w a r ei n t e g r a t e dc h i p ) ， 每个s i c 完成数控系统的一个独立模块的功能，如插补功能由插补芯片完成、 位置控制功能就由位置芯片完成。并且通过建立一个数控系统软件芯片集成开 发环境对s i c 进行管理，用户可以对s i c 进行检索、浏览和维护，还可以添加 新的s i c o s ( s i co p e r a t es y s t e r m ) 用户在组装数控系统或进行二次开发时， 可以将芯片库中检索出的s i c 按照用户所要求的功能进行集成，并可以加入用 户新开发的s i c 一起组装，这样开发出的数控系统比以前节省较多时间，总体 质量也有大幅提高n 卜1 9 1 。 1 5 本课题的研究内容及重点 1 5 1 课题研发的内容 本课题来源于合肥工业大学学生创新基金项目，针对封闭数控系统存在的 问题以及由此带来的弊端，开发了一套在w i n d o w s 2 0 0 0 平台下基于a d t - 8 6 4 四轴运动控制卡的开放式数控铣床控制软件，并应用在合肥工业大学工培中心 研制的一台经济型三坐标数控铣床上，基本上满足了设计的要求。该系统具有 以下基本功能： 1 利用面向对象技术实现i s o 格式的g 代码的编辑、诊断和解释。 2 提供加工参数的完整记录，包括几何参数和工艺参数，方便加工人员对 加工参数的查询和优化，及对系统故障的分析和排除。 3 提供友好的人机交互界面，能实时显示三坐标、回零状态以及进给轴和 主轴的转速，可以完全使用触摸屏来完成所有的控制功能。 4 实现点动控制、增量控制、回零控制等手动操作功能。 5 实现连续加工、单段加工、跳步加工等复杂操作。 4 1 5 2 研究的重点及难点 1 深入理解运动控制卡的工作原理，使用动态链接库( d d l ，d y n a m i cl i n k l i b r a r y ) 来完成运动控制驱动程序的编写工作。 2 利用w i n d o w s 提供的多线程机制来实现c n c 系统的实时多任务控制， 来实现系统的协调运行，保证线程间的同步和通讯。 3 数控代码的出错处理、解释和c 功能刀具补偿。 第二章开放式数控铣床系统的总体设计 数控系统是一种控制系统，工作原理是通过各种输入方式，接受加工零件 的各种数据信息，经过译码、处理、插补，生成各坐标轴的参考位置，把各坐 标轴的参考位置送到轴控制器中，驱动轴的运动，使各个坐标轴能准确地运动 到所要求的位置。 数控系统由数控程序、输入输出设备( i o ) 、c n c 设备、主轴驱动装置和 进给驱动装置( 包括检测装置) 等组成，如图2 1 所示。其中c n c 系统的核心 是c n c 装置旧1 。 - i 主轴控制单元卜 主轴电机 n c 输入 c n c i o 信号机床 代码设备 装置 进给电机 速度控制单元 位置检测器 2 1c n c 装置的组成 图2 1c n c 系统的组成框图 c n c 装置由硬件和软件组成，软件在硬件的支持下运行，二者缺一不可。 c n c 装置的硬件具有一般计算机的基本结构，此外还有数控机床所特有的 功能模块与接口单元心1 。硬件组成如图2 2 所示。 图2 2c n c 装置硬件的组成 6 c n c 装置的软件又称系统软件，由管理软件和控制软件两部分组成。管理 软件包括n c 代码的输入输出程序、显示程序和c n c 装置的自诊断程序等；控 制软件包括译码、刀具补偿计算程序、速度控制程序、插补运算程序和位置控 制程序等心1 。系统软件结构如图2 3 所示。 图2 3c n c 装置软件的组成 为了提高机床的进给速度，一些实时控制功能可以由硬件完成，比如硬件 插补器。c p u 做些插补前的准备工作，而位置控制由硬件电路完成。 2 2c n c 装置的功能 c n c 装置的硬件采用模块化结构，许多复杂的功能靠软件完成。c n c 装 置的功能包括基本功能和选择功能，基本功能是必备的数控功能；而选择功能 是供用户根据机床特点和用途进行选择的功能。c n c 装置的主要功能有： 1 控制功能 控制功能是指c n c 装置能够控制的并且能够同时控制联动的轴数，它是 c n c 装置的重要性能指标。数控铣床需要三轴控制以及三轴以上联动控制。 2 准备功能 准备功能又称g 功能，用来指明机床的下一步如何动作。它包括基本移动、 程序暂停、平面选择、坐标设定、刀具补偿、镜像、固定循环加工、公英制转 换、子程序等指令。 3 插补功能 插补功能用于对零件轮廓加工的控制，一般的c n c 装置有直线插补、圆弧 插补功能等。 4 固定循环加工功能 用数控机床加工零件，一些典型的加工工序，如钻孔、铰孔、攻螺纹、深 7 孔钻削、切螺纹等，所需要完成的动作循环十分典型，使用固定循环加工功能 可以使编程工作简化。 5 进给功能 进给功能用f 指令给出各进给轴的进给速度。在数控加工中常有以下几个 术语： ( 1 ) 切削进给速度( m m m i n )指定刀具切削时的移动速度。 ( 2 ) 同步进给速度即主轴每转一圈时进给轴的进给量，单位是m m r 。 ( 3 ) 快速进给速度机床的最高移动速度，用g 0 0 指令，通过参数设定。 ( 4 ) 进给倍率操作面板上设置进给倍率开关，使用倍率开关不用修改零 件加工程序就可以改变进给速度。 6 主轴功能 对于铣床来说，主轴功能包括以下几个方面： ( 1 ) 设定主轴转速用s 后跟4 位数表示，单位r r a i n 。 ( 2 ) 主轴准停该功能使主轴在径向的某一位置准确的停止，以便装卸 刀具。 7 辅助功能 辅助功能主要用于指定主轴的正转、反转、停止、切削液的打开和关闭、 换刀等动作，用m 字母后跟2 位数字表示。 8 刀具功能 刀具功能用来选择刀具并且知道有效刀具的几何参数的地址。 9 补偿功能 对于铣床而言，补偿包括刀具补偿( 刀具半径补偿、刀具磨损补偿) 、丝杠 螺距误差补偿和反向间隙补偿。数控铣床装置采用补偿功能可以把刀具半径的 相应补偿量、丝杠的螺距误差和反向间隙误差的补偿值输入到其内部存储器中， 在控制机床进给时按一定的计算方法将这些补偿值补上。 10 显示功能 本方案中c n c 装置配置了c r t 显示器和触摸屏，两种方式都可以用作显 示程序、零件图形、人机对话编程菜单、故障信息等。此外使用触摸屏还可以 取代操作面板，进行数控机床的操作工作。 1 1 通信功能 通信功能主要完成上级计算机与c n c 装置之间的数据和命令的传输。c n c 装置带有r s 2 3 2 c 和r s 2 3 2 4 8 5 两个串行接口，可实现d n c 方式加工。 1 2 自诊断功能 c n c 装置安装了各种诊断程序，在c n c 装置运行中进行检查和诊断，查 找故障源。 2 3c n c 装置的硬件结构 现在比较普遍采用的是通用p c 机与开放式可编程运动控制卡构成的开放 式数控系统。其主要部件是计算机和运动控制卡。机床的运动控制和逻辑控制 功能由独立的运动控制器完成。具有开放式的运动控制卡是该系统的核心部分， 它是以p c 硬件的插件形式构成系统。 运动控制卡本身具有c p u ，同时开放通信端口和结构的大部分地址空间， 实现通用的d l l 同p c 相结合。它成功地将d s p ( 数字信号处理芯片) 用于运 动控制器，加上专门的用户门列阵芯片与p c 机的柔性相结合，使得运动控制 器可以同时控制多轴。 开放式数控系统的硬件结构的开放性表现在： ( 1 ) 适应多种硬件操作平台，提供了多平台的支持特性。可以在i b m 及 兼容机上运行，在w i n 9 8 2 0 0 0 x p n t 及l i n u x 下运行及开发；允许同一控制软 件在p c 、s t d 、v m e 、p c i 、1 0 4 总线上运行。 ( 2 ) 可以适用于各种电动机，包括普通的交流电动机，直流电动机，步进 电动机及液压马达，交、直流伺服电动机，直线电动机等。能连接模拟和数字 的伺服驱动器。 ( 3 ) 可以与不同的检测元件连接。包括：测速发电机、光栅、旋转变压器、 激光干涉仪、光电编码器等。 ( 4 ) 运动控制器的大部分地址向用户开放，包括电动机的所有信息，坐标 系的所有信息及各种保护信息等。 软件结构的开放性表现在： ( 1 ) 多平台功能。支持各种高级语言，运动控制卡一般提供1 6 位、3 2 位的 d l l 或a c t i v e x 控件p t a l k ，用户可以采用c + + 、v b 、v c 、d e l p h i 、在w i n 2 0 0 0 x p 等操作系统下开发人机界面接口。 ( 2 ) 机床语言的开放：运动控制卡支持用户调用现成的直线、圆弧等插补模 式，同时支持标准的r s 2 7 4 代码，用户还可以自定义g 、m 、t 、d 、s 代码， 实现特定功能。 这种开放式数控系统目前是比较先进的技术。但是该系统的c n c 核心部 分，运动控制和伺服控制仍要依赖于专用的运动控制卡，还未达到整个产品的 硬件通用化心卜2 33 。 2 4c n c 装置软件结构 c n c 装置的软件是为了完成数控机床的各项功能而专门设计和编程的，是 一种专用软件，其结构取决于软件的分工，也取决于软件本身的工作特点。软 件功能是c n c 装置的功能体现。 9 c n c 系统是一个专用的实时多任务计算机控制系统，它的控制软件也采用 了计算机软件技术中的许多先进技术。其中多任务并行处理和多重实时中断两 项技术的运用是c n c 装置软件结构的特点。 2 4 1 多任务并行处理 1 c n c 装置的多任务性比引 c n c 装置系统软件分为系统管理软件和系统控制软件两部分。在数控加工 时，控制软件与管理软件经常同时运行。例如插补的同时要实时的在显示屏上 显示坐标位置。此外，为了保证加工过程的连续性，译码、刀具补偿和速度控 制模块必须与插补模块同时进行，而插补又必须与位置控制模块同时进行。 2 并行处理姑刮 并行处理时计算机在同一时刻或同一时间间隔内完成两种或两种以上性质 相同或者不相同的工作。运用并行处理技术可以提高运算速度。如图2 4 所示。 并行处理方法有：资源共享、资源重复和时间重叠。c n c 装置的硬件设计 普遍采用资源重复的并行处理方法。而c n c 装置的软件设计则经常采用资源分 时共享和资源重叠的流水线处理技术。 ( 1 ) 资源分时共享并行处理在单c p u 的c n c 装置中，主要采用c p u 分 时共享的原则来解决多任务的同时运行。 在c n c 装置中，对各个任务占用c p u 是用循环轮流和中断优先相结合的 方法来解决的。系统在完成初始化以后自动进入时间分配中，在环中依次轮流 处理各个任务。而对于系统中一些实时性很强的任务则按优先级排队，分别放 在不同中断优先级上作为环外任务。环外的任务可以随时响应对应的中断信号 并执行自己的任务。当然每个任务允许占用c p u 的时间是受限的，对于占用 c p u 时间较长的任务，可以再设置相应的断点。当任务运行到断点时，自动让 出c p u ，等到下一个运行时间里自动跳到断点处继续执行。 ( 2 ) 资源重叠流水处理当c n c 装置在自动加工工作方式时，其数据的 转换过程将由零件程序输入、插补准备( 包括译码、刀具补偿计算和速度处理 等) 、插补、位置控制四个子过程组成。各个子程序所需要的处理时间都是不同 的，解决的办法是取最长的子程序处理时间为流水处理时间间隔。这样在处理 时间较短的子程序时，当处理完成之后就进入等待状态。 在单c p u 的c n c 装置中，从宏观上看流水处理的时间是重叠的，即在一 段时间内，c p u 处理多个子程序。而实际上，各个子程序是分时占用c p u 的 时间。 ( 3 ) 并行处理中的信息交换和同步在c n c 装置中信息交换主要是通过各 种缓冲存储区来实现的。如图2 5 所示。 1 0 输入 f 键 盘 控需鬈插辜。 纂兰太三 速度人j r 处理 、船坊 图2 4 软件任务的并行处理 警h 琴引琴 图2 5 资源分时共享图 2 4 2 实时中断处理 插补 工作 存储 区 匦圈 、 、 、匦回 图2 6c n c 装置通过缓冲区交换信息框图 插补 输出 存储 区 中断级别高 中断级别低 c n c 装置软件结构的另一个特点是实时中断处理。c n c 装置的多任务性 和实时性决定了中断成为了整个装置必不可少的组成部分。c n c 装置的中断管 理主要靠硬件和操作系统来完成，而其中的中断结构决定了c n c 装置软件的结 构心引。如图2 - 6 所示。 1 c n c 装置的中断类型 ( 1 ) 外部中断主要是程序编辑录入中断、外部监控中断( 如紧急停止等) 和操作面板输入中断等。 ( 2 ) 内部定时中断包括插补周期定时中断和位置采样定时中断。一般处 理时，先处理位置控制，然后处理插补运算。 ( 3 ) 硬件故障中断它是c n c 装置里各种硬件故障检测装置发出的中断。 ( 4 ) 程序性中断它是程序中出现的各种异常情况的报警中断。 2 c n c 装置的中断结构模式 c n c 一般采取前后台型结构模式，它的特点是前台程序是一个中断服务程 序，完成全部实时功能( 如插补和位置控制) 。后台程序( 背景程序) 是一个循 环程序，包括了管理软件和插补准备程序。后台程序运行时实时中断程序不断 插入，实时中断程序与后台程序相互配合，共同完成零件加工任务。 2 5c n c 装置的数据预处理 c n c 装置控制刀具相对于工件做出符合零件轮廓轨迹的相对运动是通过 插补实时控制实现的，而插补所需的信息( 如曲线的种类、起始点坐标、进给 速度等) ，则是通过预处理得到的。预处理包括了零件程序的输入、译码、刀 具( 半径、长度) 补偿计算和坐标系转换等。 预处理是在插补的空闲时间内完成的，也就是说当前程序段在插补运行过 程中，必须将下一段的数据预处理全部完成，以保证加工的连续性。数据预处 理的精度，特别是刀具半径补偿计算的精度直接影响到后续的插补运算。预处 理的过程如图2 7 所示 n c 程序读入u 译码 2 5 1n c 代码的输入 鬻h !给速度计算i l 一 图2 7 数据流程图 位置 控制 n c 代码的输入，现在可以通过通信方式或者其它输入装置实现。键盘输 入采用中断方式，由相应的中断服务程序完成输入。 键盘中断服务程序执行一次读入一个按键的信息，即按下一个键就向主 c p u 申请一次中断。在键盘服务程序中将键盘上打入的字符送入到m d i 缓冲 区，然后再送入n c 代码程序存储器里。 将加工程序输入后，经常需要对该程序进行编辑。编辑的工作主要有插入、 删除、修改等操作，一般通过键盘配合c r t 或触摸屏进行。 目前基于p c 总线的工控机作为数控系统的应用已经很普遍，为n c 代码 程序的编辑提供了很好的物理环境和软件支持环境。 t 1 2 2 5 2 译码 译码程序又称翻译程序，它把n c 代码程序段的各种工件轮廓信息、加工 速度f 和其它辅助信息( m 、s 、t ) 按一定规律翻译成计算机系统能识别的数 据格式，并按系统规定的格式存放在译码结果缓冲器中。在译码过程中，还要 完成对程序段的词法和语法检查，若发现错误应该立即报警提示。 译码有解释和编译两种方法。解释方法是将输入程序稍加处理成某种形式， 在执行时，由计算机顺序取出进行分析、判断和处理，即一边解释，一边执行。 编译的方法是将输入程序作为源程序，对它进行编译，形成由机器指令组成的 目的程序，然后计算机执行这个目的程序。由于n c 代码程序相对比较简单， 解释执行并不慢，同时解释程序占用系统内存不多，操作简单，所以c n c 控制 软件中绝大多数采用解释方法心引。 2 5 3 刀具补偿 对于数控铣床来说，编制零件加工程序时，一般只考虑零件的轮廓外形。 但是实际切削时，以刀具中心为机床控制中心，这样刀具和工件之间相对切削 运动所形成的轨迹偏离了一个刀具半径值。因此，c n c 装置必须能够根据零件 轮廓信息和刀具半径自动计算中心轨迹，使其自动偏移零件轮廓一个刀具半径 值。刀具半径补偿指令有：g 4 0 ( 取消刀补) 、g 4 1 ( 左刀补) 、g 4 2 ( 右刀补) 。 2 5 4 实时处理前的其它预处理计算 实时处理( 插补) 前还有其它一些必要的计算，如坐标系转换、不同编程 的处理等。 1 坐标系转换 在加工时必须可以在坐标轴全行程范围内任意设定工件坐标系的原点，而 不必考虑它与机床坐标系的关系，才可以使编程与操作简单。设置工件零点需 要使用准备功能g 9 2 来实现。当g 9 2 代码与坐标信息一起编程时，c n c 装置 便要自动将程序编程值置入命令位置寄存器中。在c r t 上显示的位置数据将是 以工件坐标系表示的坐标值，而在系统内部则仍以机床坐标系进行位置计数。 用一条g 9 9 指令即可取消所设置的工件原点。 2 程序编程方式的转换 程序编程方式有绝对值方式和增量值方式两种。在系统内部般按绝对值 方式处理，需要进行转换。绝对值编程方式是按各轴移动到终点的坐标值进行 编程，增量程编方式则用各轴的移动量直接编程。因此，需要根据两种编程方 式的程序段数据计算出当前程序的终点坐标即偏移量。 1 3 第三章数控系统的硬件设计 3 1 开放式数控系统总体要求 1 控制对象 一台经济型三坐标数控铣床，具体来说就是控制铣床的x ，y ，z 轴运动的 三个交流伺服电机，及控制一台主轴直流电机。 x ，y ，z 轴采用滚珠丝杆副，其各轴的脉冲当量如下： x 轴：0 0 0 5 m m p u l s e ；y 轴：0 0 0 5 m m p u l s ez 轴：o 0 0 5 m m p u l s e ； 2 控制要求 ( 1 ) 可利