（机械设计及理论专业论文）开放结构数控系统的运动控制器研制.pdf

开放结构数控系统的运动控制器研制 学科：机械设计及理论 研究生签字： 宙磊手 指导教师签字：钿准偿 摘要 开放式数控系统是针对传统数控系统结构封闭、硬件升级难、控制软件兼容性差、更 新换代慢等缺点提出来的一种新的数控系统体系结构，其结构特点是模块化、可重构、可 扩充。随着p c 技术的成熟，软件资源的不断丰富，发展基于p c 的c n c 系统已经成为 世界各国研究的重点。本文根据“n c 嵌入p c ”的开放式数控系统体系结构，提出了一 种高效、经济、可靠的开放结构数控系统结构模型，并对其中的运动控制卡进行了详细设 计、制作与调试。 该数控系统软件采用c o m 、w d m 技术实现，软件开放性、兼容性、可移植性强。 硬件采用模块化思想设计，各功能模块做成标准件，通过p c 总线相互通讯，用户可以根 据需要灵活组建系统，达到最佳的性价比。控制卡采用1 r i 公司最新推出的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 d s p 高速数字信号处理器作为c p o 运算控制芯片，与可编程大规模门阵列电路f p g a 共 同完成多台电机联动的功能。该卡根据需要可以灵活的配置轴的状态，以满足用户的需求。 通过对步进电机四轴联动的控制和三相无刷直流电机的开环控制，验证了该运动控制卡能 实现不同电机多轴联动的功能。整个数控系统设计简单、经济、高效、开放性能好，符合 开放式数控系统发展的要求。 本文中，对提出的数控系统结构模型作了详细的介绍；详细绘制了运动控制卡的硬件 电路，分析了各个功能模块的作用：编制了电动机控制、插补算法等程序；给出了电路调 试中出现的问题及步进电机和三相无刷直流电机控制和实验波形：最后利用深圳固高科技 的g m d 4 0 0 3 四轴运动控制平台，完成了四台步进电机的联动功能。通过对该运动控制卡 的精度、联动速度的分折，该控制卡控制精度1 1 t m ，进给速度达1 2 0 m r a i n ，基本达到了 现阶段中高档数控系统的指标要求。 关键词：开放式数控系统；运动控制卡；t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p ；f p g a ；c o m ；w d m ；d d a 插补算法 t h e d e v e l o p m e n to fm o v e m e n tc o n t r o lb o a r d f o ro p e ns t r u c t u r en cs y s t e m d i s c i p l i n e ：m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y s t u d e n ts i g n a t u r e ： s u p e r v i s o rs i g n a t u r e ： 姒铀仰 j u s l f l o 叫、 a b s t r a c t o p e nn cs y s t e mi sa n e ws t r u c t u r ew h i c hi sd e v e l o p e db yt h ed i s a d v a n t a g eo ft h ec l o s e t r a d i t i o n a ln cs y s t e ms t r u c t u r e , t h eh a r d w a r ed i f f i c u l t yu p d a t e ，t h ep o o rc o m p a t i b i l i t yo ft h e c o n t r o ls o f t w a r ea n dl o w l yu p d a t e a l o n gw i t ht h em a t u r eo ft h ep ct e c h n o l o g ya n dt h ee n r i c h o ft h es o f t w a r er e s o u r c e ，t h ed e v e l o p m e n to fn cs y s t e mb a s e do np ch a v eb e c o m et h e i n v e s t i g a t i v ee m p h a s e sa l lt h ew o r l da n dc o u n t r i e s t h i st e x ta d v a n c e sah i g h - e f f i c i e n t ， e c o n o m i c ，c r e d i b l en cs y s t e ms 咖c t u r eb a s e do nt h eo p e ns y s t e ms t r u c t u r eo ft h e n ce m b e d i np c a n dd e t a i l e d l yd e s i g n s ，t a i l o r sa n d d e b u g g e sam o v e m e n t c o n t r o lb o a r d t h en cs y s t e m ss o f t w a r eu s e st h ec o ma n dw d mt e c h n o l o g y , m a k i n gt h es o r w a r e h a v eg o o do p e n , c o m p a t i b i l i t ya n dt r a n s p l a n t t h eh a r d w a r ed e s i g n si nm o d u l a r i z a t i o n , e a c h f u n c t i o nm o d u l et a i l o r sas t a n d a r dp a r t ，w h i c hr e a l i z e st h ec o m m u n i c a t i o na c c o r d i n gt op cb u s a m o n gt h e s em o d u l e s ，t h eu s e r sm a yn e a t l yf o r mt h en cs y s t e ma c c o r d i n gt ou s e r s n e e d s t h e c o n t r o lb o a r du s e st m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s pf o rc p uo p e r a t ea n dc o n t r o lu n i tw h i c hi sh i g h s p e e d d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o ro ft ic o m p a n yr e c e n t l ys p r e a d a n da s s o c i a t e sw i t hp r o g r a ml a r g e s c a l eg a t ea r r a yf p g at o g e t h e rc o n t r o lt h ef o u ra x e sm o v e m e n t t h em o v e m e n tc o n t r o lb o a r d c a nf l e x i b l yc o n f i g u r et h es t a t eo ff o u ra x e sf o l l o w i n g0 nt h eu s e r s n e e d , a n ds a t i s f yt h eu s e r s a c c o r d i n gt oc o n t r o lt h ef o u ra x e so f t h es t e pm o t o r a n d3 - p h a s eb l d cm o t o ri nu n c l o s e dl o o p w a y , p r o v e st h ec o n t r o lb o a r dc a l lw e l lr e a l i z et h ef u n c t i o no f v a r y m o t o r sa n dm u l t i a x e s t h e w h o l ed e s i g ni ss i n g l e ，e c o n o m i c ，h i g h - e f f i c i e n ta n do p e n ，a c c o r d 矾t l lt h ed e v e l o pn e e do f o p e nn cs y s t e m i nt h i st e x t ，p a r t i c u l a r l yi n t r o d u c e st h en cs y s t e ms 饥l c t u r em o d e l ；h a r d w a r ed e s i g n s p a r t i c u l a r l ya n da n a l y z e st h ef u n c t i o no fe a c hm o d u l e ；p r o g r a m st h ec o n t r o la n di n t e r p o l a t i o n a r i t h m e t i c ；g i v e st h eq u e s t i o ni nt h ep r o c e s so fd e b u gc i r c u i ta n dc o n t r o le x p e r i m e n tw a v eo f s t e pm o t o ra n d3 - p h a s eb l d cm o t o r l a s t l y ，t e s t st h ef u n c t i o no ff o u r - a x e sm o v e m e n ti nt h e f o u r - a x e sm o v e m e n tc o n t r o lp l a to fs h e n z h e ng o o g o lt e c h n o l o g yg m d 4 0 0 3 a c c o r d i n g t oa n a l y z et h ep r e c i s i o na n ds p e e df o rm o v e m e n tc o n t r o lb o a r d , w h i c hc a nr e a c ht h eg u i d e l i n e o f m i d d l ea n dt o pg r a d en cs y s t e mt o d a y ，c o n t r o lp r e c i s i o ne x t e n d st o1 p m ，m o v e m e n ts p e e d t o1 2 0 m m i n k e yw o r d s ：o p e nn cs y s t e m ；m o v e m e n tc o n t r o lb o a r d ；t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p ；f p g a ；c o m ： w d m ；d d ai n t e r p o l a t i o na r i t h m e t i c 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，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，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的成果，不包含本人已申请学位或其 他人已申请学位或其他用途使用过的成果。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致谢。 学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名： 指导教师签名： l 幻研q 乙 日期：- v 帅 s 心 学位论文知识产权声明 学位论文知识产权声明 本人完全了解西安工业大学有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 学位论文工作的知识产权属于西安工业大学。本人保证毕业离校后，使用学位论文工作成 果或用学位论文工作成果发表论文时署名单位仍然为西安工业大学。大学有权保留送交的 学位论文的复印件，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名：，岔暮丰 指导教师签名： l 南斫t 慝 日期： 枷7 。0 吟 1 绪论 1 1 选题的目的与意义 1 绪论 计算机数控是先进制造技术的基础和核心，是本世纪7 0 年代在硬件数控基础上产生 和发展起来的，它融合了传统的机械制造、计算机、自动控制、传感检测、信息处理、网 络通讯、液压气动等光机电技术，形成了自身的体系结构。计算机数控技术的发展应用给 制造业生产方式、技术结构、产品结构、产业结构带来了深刻的变革，现代c a d c a m 、 f m s ( 柔性制造系统) 、c 订s ( 计算机集成制造系统) 等都建立在数控技术之上。因此，数 控技术是关系到国家制造业现代化程度的核心标志，实现加工机床及生产过程数控化，是 当今制造业的发展方向n 1 。 进入9 0 年代，数控技术的发展的一个重要方向是数控系统的开放化。以往的数控系 统由于其封闭性无法将计算机技术发展的最新成果运用到数控系统中，严重的阻碍了数控 技术的发展，不能适应现代化制造业提出的新的要求，主要表现在以下几个方面啷： 各数控系统生产厂家的产品软硬件不兼容，系统互联能力差，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，属于专用系统，系统集成商从部件采购、集成到 系统扩充都需要严格遵循生产厂家的独有技术规范，要形成柔性生产线很困难。专利件的 大量使用，给数控设备的使用维护带来了诸多的不便。 系统的封闭性决定了对其扩充修改极为有限，系统功能固定。机床制造商较数控系 统制造商更直接面对最终用户，由于数控系统的专有性，机床制造商不能及时扩充系统功 能，推出满足最终用户的特殊需要的产品。 专用的软硬件结构限制了系统本身持续开发，不能借鉴p c 行业的先进开发经验， 系统的开发投资大、周期长、风险高、更新换代慢，不利于提高产品的竞争力。 数控系统的这一现状已很难适应当今制造业更新换代快、产品批量小的发展趋势，也 不能满足现代制造业向信息化、柔性化发展的需要。有鉴于此，近年来西方各发达工业国 家( 如美国国防部的“下一代控制器计划( n g c ) ”，美国的o m a c 计划，欧洲的o s a c a 计划和日本的o s e c 计划) 相继提出向规范化、标准化方向发展，设计开放式体系结构数 控系统的课题，以建立一种新型的模块化、可重构、可扩充的控制结构。依此结构的数控 系统具有开放柔性高、成本低、升级容易、投资风险小等优点。鉴于p c 制造业的迅速发 展，同时p c 具有丰富的支持软件改善c n c 系统的用户界面、图形显示、动态仿真、数 控编程、故障诊断、网络通讯等功能，采用p c 机总线结构和模块化功能块可以为软件开 发和功能的扩展提供优良的系统平台和网络平台，同时对c n c 系统制造商而言，将大大 缩短开发周期，更容易满足用户的不同需求。对用户而言则可以获得功能强大，价格便宜 的高性能c n c 系统，因而基于p c 的开放结构数控系统是数控系统发展的一个重要方向。 西安工业大学硕士学位论文 1 2 开放式数控系统的概念 开放式数控系统是一个模块化、可重构、可扩充的软硬件控制系统，它具有以下的特 征嘲： 采用分布式控制原则，采用系统、子系统和模块化分级的控制结构，其结构是可以 移植的和透明的。 根据需要可以方便地实现重构、编辑，以便实现一个系统的多种用途。 开放式体系结构中各模块相互独立，软件系统厂，机床厂和最终的用户都可以很容 易的把一些专用功能和其它有个性的模块进行独立开发。为此，要有方便的支持工具，控 制系统一子系统一模块，三级模块相互独立，各模块接口协议要明确。 要具有一种较好的通信和接口协议，以便各相对独立的功能模块实现信息交换，满 足实时控制的要求。 1 3 国内外发展状况 数控技术的发展近年来得到了飞速的发展，但数控技术的开放性本质还有许多需要改 进。本节讨论了国内外开放数控系统的三种体系结构和前人技术成果，分析了几种数控系 统的功能和特点。 1 3 1 开放结构数控系统概述 基于p c 的开放式数控系统现有三种体系结构嘲：“p c 嵌入n c ”结构，这是由于 一些数控系统制造商不愿意放弃多年来积累的数控软件技术，而又想利用计算机车富的软 件资源而开发的产品。尽管它也具有一定的开放性，但由于它的n c 部分仍然是传统的数 控系统，其体系结构还是不开放的，因此，用户无法介入数控系统的核心。“n c 嵌入 p c ”结构，它由开放体系结构运动控制卡+ p c 构成，这种运动控制卡通常选用高速的d s p 作为c p u ，具有很强的运动控制和p l c 控制能力，它本身就是个数控系统，可以单独使 用。它开放的数控函数库供用户在w i n d o w s 平台下自行开发构造所需的控制系统。因 而这种开放结构运动控制卡被广泛地应用于制造业自动化的各个领域。s o f t 型，这是 一种最新开放体系结构的数控系统。它提供给用户最大的选择和灵活性，它的c n c 软件 全部装在计算机中。而硬件部分仅是计算机与伺服驱动和外部i o 之间的标准化通用接 口。用户可以在微机的软硬件平台上，利用开放的c n c 内核，开发所需的各种功能，构 成各种类型的高性能数控系统，不足之处是在通用p c 操作系统上进行实时处理比较困难， 与内嵌式相比，较难保证系统的性能。 开放式数控系统所要达到的要求： 互操作性：提供标准的数据格式、通信及交互机制； 2 西安工业大学硕士学位论文 可移植性：系统可运行于不同的软硬件平台之上； 可扩充性：允许用户对系统进行扩展和裁减； 互换性：系统的各功能模块可以根据需要进行替换。 我国在“八五”期间数控科技联合攻关，开发具有我国自主产权的数控系统，提出 了开发中华i 型和航天i 型两个基本系统及系列产品，并利用基本系统发挥我国的软件优 势，实施平台战略，发展我国数控软件的指导思想。在此思想的指导下，珠峰公司和华中 理工大合力采用p c + 数控运动控制卡的硬件平台，开发了中华i 型和华中i 型数控系统， 是基于通用3 2 位工业p c 机和d o s 平台的开放式体系结构，具有较好的模块化、层次化 特征，系统配置能力强，扩展与伸缩性较好，便于二次开发，较好地实现了 c a d c a m c a p p 。与其同时，航天数控集团公司利用通用p c 机的体系结构设计了与通 用的p c 机兼容的微机加上数控通用，专用的模板构成了单片机数控系统。航天数控系统 平台的研制成功，为我国发挥软件优势，实施平台战略，发展数控技术奠定了基础。但我 国开放式数控系统的研究还不够成熟，正在成长过程中。 我国的数控系统，虽然出发点不同，采用了不同的技术途径利用p c 机，但就开放性 而言，它们还不具备开放性体系的本质特点，仍有许多需要改进之处。 开放式数控系统刚刚开始起步，仍存在许多问题。各系统所采用的体系并不一致， 仍是自成体系，相互之问缺乏兼容性和互换性，而且对体系结构的阐述都只限于具体实现 层，没有提高到理论的、抽象的层次上来，因而各体系软硬件不具备可移植性和互操作性。 没有充分利用像w i n d o w s 、u n i x 、o s 2 等新型操作系统。软件开发思想与技术 落后，始终处于甚至低于结构化程序设计的水平。没有充分利用面向对象、软件重用等软 件工程中的新理论、新技术，而这些正是实现开放性控制系统的关键所在。此外，产品的 升级、更新修改和维护仍然依赖于生产厂家，没有提供相应的开发工具和环境，用户无法 把自己的或任何第三方的思想或产品融入到体系中去。 1 3 2 前人技术成果 由于数控加工业、汽车制造业和机器人产业的迅速发展，各国著名公司和企业对多轴 运动控制器进行了研发与应用，如中国计算机技术研究所的蓝天数控系列，美国d e l f a t a u 公司的p m a c 多轴控制卡脚，基于美国a d 公司数字信号处理器的g t - 4 0 0 系列控制 器，日本三菱m e l d a s 系列控制器等。几种控制器的功能和特点如表1 1 。 从表1 1 中可以看出，各系列的控制器的主要特点都是功能强大、精确稳定、具有集 成性和开放性，但同时也都价格昂贵、操作复杂、二次开发的能力有限。不过，每个控制 器都有以下几个关键的组成部分： 上位机与下位机。上位机，也就是主机，及其系统软件与编程语言系统。比如， p m a c 是在w i n d o w s 系统软件下，使用执行软件p e w i n ；蓝天数控是在l 1 n u x 系统 下，用g 代码编译文件。这两种操作系统，前者因其使用的普遍性，广泛应用于个人p c 西安工业大学硕士学位论文 中，后者因其源代码的开放性，在专业领域内使用广泛。下位机，一般是8 位单片机或 1 6 位微机，接收上位机的指令与数据，经过固化在芯片里的控制程序计算后，再通过接 口把控制量输出，进行伺服控制，同时，也可以检测接1 3 信息，并上传给上位机。 表1 1 控制卡功能性能比较 轨迹规划与控制算法。轨迹规划，是指根据任务的需要，计算出预期的运动轨迹。 在机床加工中，轨迹规划主要是对机床的速度进行规划。这些工作根据复杂程度与运算时 间，在上位机或者下位机中执行，但一般放在上位机中进行计算，利用其强大的硬件和软 件资源，提高计算的速度和精度。控制算法是指在伺服控制系统中，纠正目标值与检测值 之间误差的方法。其中，p i d 控制算法是根据系统的动态响应和静态性能指标，对误差进 行校正的一种典型且成熟的控制算法。 通讯与传感。通讯，在控制器中主要指上、下位机之间的信息交换，通讯的接口可 以是串行的形式，比如r s 一2 3 2 或r s 4 8 5 ，也可以是并行的形式，比如c a n 总线、i s a 总线或p c i 总线等。传感，采取外界的信息，供系统分析。传感器用于检测各运动轴的 位置、速度等变量，为下位机的伺服控制提供反馈信息，常用的传感器为光电编码器、电 位计、测速发电机等。 4 两安_ t 业大学硕士学位论文 1 4 技术指标 发展低价位、高速高效的数控系统是发展数控系统的一大潮流“”。低价位经济型数控 系统能满足国内众多用户需求，无功能浪费，技术指标适中、可靠性好、价格便宜，其市 场前景相当广阔。高速高效的特性取决于系统软硬件的设计。 近l o 年来，由于高速加工技术普及，机床普遍提高各方面速度，车床主轴转速由 3 0 0 0 4 0 0 0 r r a i n 提高到8 0 0 0 1 0 0 0 0 r m i n ，铣床和加工中心主轴转速由4 0 0 0 8 0 0 0 r m i n 提高到1 2 0 0 0 r r a i n 、2 4 0 0 0 r m i n ，4 0 0 0 0 r m i n 以上。快速移动速度由过去的 1 0 2 0 m m i n 提高到4 8 r m i n 、6 0 r m i n 、8 0 r m i n 、1 2 0 0 r m i n ，在提高速度的同时要求提 高部件启动的加速度，其已由过去一般机床的0 5 g ( 重力加速度) 提高到1 5 2 g ，最高可 达1 5 g 。在加工精度方面，普通级数控机床的加工精度已由一般1 0 a r a 提高到5 1 a m ，精密 级加工中心则从3 5 1 a m ，提高到1 1 5 p m ，并且超精密加工精度已开始进入纳米级 ( o 0 1l a i n ) 。 归纳起来，低档数控机床最多联动轴数为2 3 轴，中、高档则为3 5 轴。低档数控 系统进给速度为8 1 5 m r a i n ，分辨率为1 0 9 i n ：中档数控系统进给速度为1 5 2 4 m m i n ， 分辨率为l u n ；高档数控系统进给速度为1 5 1 0 0 m r a i n ，分辨率为0 1 9 m 及以上。 在可靠性方面，国外数控装置的m t b f ( 平均故障间隔时间) 值己达6 0 0 0 h 以上，伺服 系统的m t b f 值达到3 0 0 0 0 h 以上，表现出非常高的可靠性。 此课题所设计的数控系统所要达到的指标要求： 分辨率：l p a m 轴数：4 轴： 进给速度：1 2 0 m r a i n ； 所要达到的功能： 一块卡能控制4 台伺服电机或步进电机，在一个系统中可嵌入多块卡同时使用，即可 以同时控制更多的轴运动；根据精度需要可以选择反馈装置：步进电机以脉冲输出方式控 制，伺服电机以脉冲宽度可调的p w m s p w m s v p w m 方式控制：该卡能精确地控制所 发出的脉冲频率( 电机速度) 、脉冲个数( 电机转角) 及脉冲频率变化率( 电机加速度) ，它能 满足各种步进电机复杂的控制要求：对电机进行位置控制、轨迹规划、加减速等控制；在 w i n d o w sn t 环境下提侈f d l l 动态连接库，为用户在m i c r o s o f tv i s u a lb a s i c 、v i s u a lc 抖 及各种其他软件环境中使用提供最大方便。 1 5 本文的主要内容 本文的主要工作是在基于“n c 嵌入p c ”开放式体系结构的基础上，提出了一种高 效、经济、可靠的开放结构的数控系统结构模型。在满足控制系统基本功能和性能要求的 前提下，使系统结构简化，操作简易，成本减少，开放性能好。研究的主要工作分为以下 西安工业大学硕士学位论文 几个方面： 开放数控系统结构模型的建立：基于“n c 嵌入p c ”开放式体系结构，提出了一 种经济、高效、可靠的数控系统结构模型。对该结构模型的软硬件平台的开放性作了详细 的论述和论证。 运动控制卡的设计、制作与调试。 a 、硬件部分原理设计、元器件的确定、电路接线图绘制、电路板制作和电路调试。 b 、软件部分编制d s p 和f p g a 运动控制程序、d d a 插补算法，实现步进电动机和 三相无刷直流电动机开环控制的四轴联动功能。 c 、实验数据分析通过硬件电路调试与实验测试，得到开环控制步进电机和三相无刷 直流电机的控制波形，对实验数据进行分析，利用固高g m d 4 0 0 3 步进电机运动控制平台， 对运动控制卡的四轴联动功能进行了测试，证明设计的可行性。 6 2 开放数控系统结构模型 2 开放数控系统结构模型 现阶段国内开放数控系统采用“n c 嵌入p c ”结构，n c 采用d s p 信号处理器为c p u 的方案的主要结构模型( 图2 1 ) 如下所述“： 图2 1 现阶段开放数控系统主流结构模型 运动控制卡通过总线与上位机进行通讯，采用t i 公司早期t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列的1 6 位定点d s p ，通过其d a 转换模块控制电机运动。上位机负责加工点的预处理、解释编 译、将粗插补的指令通过双口r a m 传给下位机d s p ：d s p 负责处理与上位机的通讯、精 插补、控制输出来控制电机的运动。反馈装置采用c p l d f p g a 完成“4 ，将反馈信号送 ，到d s p 的q e p c a p 单元，进行p i d 调节，来进行实时控制。开关量i o 控制和辅助功 能主要通过d s p 来完成，通过i o 扩展卡来实现数控系统和机床驱动部件之间信息传递。 因其d s p 的高速性，包含了电动机控制需要的多种专用模块，可大幅度缩小目标系 统的体积，减少外部元器件的个数，增加系统的可靠性。另外，由于各种功能都能通过软 件编程来实现，因此，目标系统升级容易、易扩展、易维护。反馈装置将反馈信息直接返 回给d s p 的q e p c a p ，保证了数控系统的实时性。 但是，对于1 6 位的d s p 系列，最高频率只能达到4 0 m h z ，控制电机多轴联动时， 对于频率变化快的电流采样、中断等，定时器不能及时响应，这样对于多轴联动控制显的 力不从心。此外，位置反馈系统、i o 装置都由d s p 来控制，这样就增加了d s p 设计和 维护的困难性，没有充分利用强大的p c 机资源。 结合以上论述，本文提出了一种开放式数控系统结构模型，该模型采用模块化的思想 设计，硬件平台采用t i 公司最新推出的3 2 位定点t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 和可编程大规模门 阵列电路f p g a 共同搭建，软件采用c o m 、w d m 技术设计，来控制电机的多轴联动。 2 1 开放数控系统结构模型的提出 图2 2 为开放数控系统的结构模型，数控系统硬件平台采用模块化设计，各功能模块 7 西安工业大学硕士学位论文 通过总线与p c 机进行通讯，由p c 机来控制各实时模块工作。对于伺服电机的控制，由 f 2 8 1 2d s p 通过其事件管理器模块e v a 、e v b 控制两个6 通道的p w m 信号来控制两台 伺服电机。利用f p g a 多路并行、速度快、灵活性大的优点，扩展d s p 的e v 功能，完 成另两个6 通道p w m 信号控制。对步进电机的控制，全部由f 2 8 1 2d s p 的通用i o 引 脚( g p i o ) 完成，通过设置g p i o 的电平状态来控制四台步进电机的联动。 本数控模型包括六部分： 1 ) d s p 插补板由t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 和f p g a 构成，通过i s a 总线与p c 机通讯。 由d s p 完成比较复杂的插补和位置控制计算：通过g p i o 产生四台步进电动机的联动的 脉冲和方向控制信号；通过e v a 和e v b 控制两伺服电机的驱动信号的产生；f p g a 接收 d s p 最新脉冲宽度，产生两个6 通道的p w m 控制信号，控制另两台伺服电机的运动。从 而可以实现不同电机( 步进电动机、直流电动机、交流电动机) 的四轴联动控制。本课题主 要对这部分作了详细的设计。 2 ) 位置反馈主要用于闭环和半闭环数控系统中。半闭环系统中，用于检测丝杠或电 机轴的回转角，间接测出机床运动部件的位移，经位置反馈装置进行处理后通过总线送回 到控制系统和伺服系统中，并与控制指令相比较。经过位置控制计算，精确控制电机的运 行。闭环系统中，直接测出工作台的实际位置，然后通过位置控制控制电机运行。 曰口圈 图2 2 数控系统结构模型 3 ) 开关量i o 控制和辅助功能控制i 0 控制是c n c 装置和机床驱动部件之间传递 信息的接1 ：3 。主要用于接收各种开关、按钮以及机床上各行程限位开关等信号。辅助功能 也通过i o 端口实现，常用的辅助功能有程序停，主轴启、停、转向，冷却泵的接通和 断开，刀库的启、停等。 西安工业大学硕+ 学位论文 4 ) 故障检测功能主要是对驱动电路、电机运行方面等进行故障检查，对故障的原因 进行定位和报警提示，保护硬件电路的运行。例如电流过限、短路、断路、电压过高或过 低等硬件故障。由于d s p 有错误自检的功能，可以自己设计软硬件处理故障电路，用于 保护d s p 的正常运行，例如看门狗电路、存储器读写错误、指令溢出、过载等错误。 5 ) 驱动单元设计带有速度控制的三种不同电机的驱动装置。 6 ) p c 机功能设计完成数据参数的输入，运动控制监视，手动操作，通过总线与其 它实时控制单元通信。提供友好的人机界面，编写各控制单元的通信软件。 通过模块化硬件设计，使用户可以根据需要选择不同的反馈和i o 控制装置。对于 精度要求较高的数控加工，可以选择符合自己的反馈装置。而对于一般的数控加工，可以 不用反馈装置，经济实用。模块化设计增加了系统的可靠性和稳定性、维护简单、易于组 建，能达到良好的硬件开放性效果。 2 2 数控系统软件结构 2 2 1 软件层次结构 为了更好地实现数控系统软件的重用性和二次开发功能，将与底层无关的软件功能用 c o m ( 组件对象模型) 技术实现。在p c 侧一方，p c 和运动控制卡之间进行中断和i 0 操 作的接口采用w d m ( w i n d o w sd r i v e rm o d e l ) 实现驱动，将与硬件有关的操作屏蔽起来。 对应用程序而言，可见的是一个虚拟化的设备对象，p c 程序可以根据任务的实时性来选 择和控制卡的通讯方式。对于实时性要求高的紧迫任务，如：紧急停车或出错处理，应用 程序可以用直接写端口的方式向控制卡发送中断请求。而对于一般实时性和大批量的数据 传输的任务，应用程序可以用与w d m 进行消息映射的方式完成，然后再完成硬件的相 关操作。表2 1 描述了软件的层次结构。 表2 1 软件系统结构 9 西安工业大学硕士学位论文 2 2 2c o m 特性 本课题提出的数控系统模型，在c o m ( c o m p o n e n t o b j e c t m o d e l ，组件对象模型) 上构 建数控平台，m i c r o s o f t 提出的组件对象模型标准不仅仅体现了组件化程序设计思想，在 实现上，它也采用了面向对象设计方法。c o m 规范现在已作为w i n d o w s 操作系统的一部 分，w i n d o w s 系统底层提供了一系列的a p i 函数来支持c o m 实现。通过c o m 构建数控 系统平台可以很好的达到软件复用的目的。c o m 有如下的特征“”： 1 ) 面向对象特性c o m 在本质上是面向对象的，但这个对象和面向对象程序设计中的 对象是有差别的，在面向对象程序设计中对象概念偏重于设计时，而在c o m 中偏重于运 行时。在c o m 标准中对象是一个非常活跃的元素，也经常称之为c o m 对象，对象通常被 包含于一个二进制模块中( d l l 或e x e ) ，当客户机请求服务中时，c o m 先启动宿主程序 建立对象，然后返回客户机要求的服务接口，客户机即可调用c o m 对象的服务。所以组 件的服务是围绕对象展开的。c o m 提供三种基本的面向对象特征，它们分别是封装 ( e n c a p s u l a t i o n ) 、继承( i n h e r i t a n c e ) 和多态( p o l y m o r p h i s m ) ，并且c o m 是以一种与语言无 关的方式对这三种特征提供了支持。 2 ) 客户机服务器模式c o m 对象和客户程序之间的相互作用是建立在客户机服务 器基础之上的，客户机服务器模型的很大的优点是稳定性好，而稳定性正是c o m 模型的 目标，尤其是对于跨进程的程序通讯，稳定性更会带来性能上的高可靠性。由于客户端和 服务器处于不同的进程甚至物理机器，所以当客户端程序出现崩溃时，不会影响服务器程 序的运行，不会影响到其它的应用，这是分布式应用所必须的。此外，客户机服务器模 式的软件具有很好的扩展性，服务器进程可以为多个客户提供服务，同时客户端程序可以 连接到不同的服务器，从而使用不同服务器提供的服务。客户机服务器模式的应用可以 分配不同的任务到不同的进程和物理机器，因而可以把繁重的计算和控制任务放到高配置 的一端，用低配置的机器完成简单的任务，客户机和服务器之间只传送服务器处理完的数 据，速度快、通信量少，适合网络环境。 3 ) 语言无关性c o m 规范的定义不依赖于特定的语言，因此编写对象所使用的语言与 编写客户程序使用的语言可以不同，只要他们都能够生成符合c o m 规范的可执行代码即 可。c o m 标准与面向对象的编程语言不同，它所采用的是一种二进制代码级的标准，而 不是源代码级的标准。在面向对象编程( o o p ，o b j e c t - o r i e n t e dp r o g r a m m i n g ) 语言中定义的 对象，只能在同样的语言中被重复使用，这就大大限制了对象的重用。当然，o o p 语言 可以被用来创建c o m 组件，因此正如前述，它们之间不是简单的方法更替关系，这两种 技术实际上是互相补充的。c o m 对象把o o p 语言中的对象封装起来，并提供一致的接口， 使得它可以被各种不同的语言所使用。例如，用c 抖实现的c o m 组件中的对象可以很容 易地在其它的语言如j a v a 、b a s i c 中使用。因此，c o m 的语言无关性实际上为跨语言合作 开发提供了统的标准。虽然c o m 规范的定义与语言无关，而且差不多每种语言在实现 1 0 西安工业大学硕士学位论文 时都提供了对c o m 的支持，如m i c r o s o f t 的v i s u a lc + + ，v i s u a lb a s i c ，v i s u a lj + + 、b o d a n d 的d e l p h i ，c + + b u i l d e r 等都支持c o m 组件的开发使用。 4 ) 进程透明性在客户机服务器模式的软件结构中，运行在客户端的代码和运行在 服务器端的代码，既可以在同一个进程中，也可以在不同的进程中。如果它们运行在同一 个进程中，则由于组件和客户共享了进程的资源，因而无论对于编程还是运行效率都是很 有益的。c o m 所提供的服务组件对象在实现时有进程内模型和进程外模型之分，通常分 为以下三种类型： 进程内服务器：服务器程序加载到客户的进程空间，在w i n d o w s 环境下，通常服务程 序以动态连接库( d l l ) 的形式实现。 本地服务程序：服务器程序拥有自己的进程空间，但和客户程序处于同一台机器，通 常是以可执行程序( e x e ) 的形式出现。 远程服务器：服务器和客户程序处于不同的物理机器上，服务器可以是一个d l l 也可 以是e x e 。如果远程服务程序是以d l l 形式出现的话，则远程机器会创建一个代理进程来 容纳d l l 。 虽然c o m 对象有不同的进程模型，但这种区别对于客户来说是透明的，因此客户程 序在使用组件对象时可以不管这种区别的存在，只要遵照c o m 规范就可以了。当然，不 同的进程模型在程序运行效率上有很大的差别，一般进程内模型由于没有通讯方面的开 销，执行效率最高，但稳定性不足，客户程序和服务器中任一个出现崩溃都将导致程序当 机。进程外模型的优点是稳定性好，组件和客户不会相互影响，一个客户崩溃不会影响其 它的客户使用服务器，如果是远程服务器的话，即使客户的操作系统崩溃，服务器照样正 常工作。这方面比较典型的是i e 浏览器。实现这种进程透明性的关键在于c o m 库，c o m 库负责组件程序的定位，管理组件对象的创建和对象与客户之间的通讯。当客户创建组件 对象时，c o m 库负责装入组件模块或者启动组件进程，如果客户指定在远程机器上创建 对象，则两台机器上的c o m 库会协作完成远程c o m 对象的创建工作，并且在客户进程 中创建一个代理对象( p r o x yo b j e c t ) ，客户程序直接和代理对象交互，就像和本进程内的 服务器交互一样。因此客户可以不管组件的进程模型，即使组件的进程模型发生了变化， 客户也不必重新编译。 s ) 可重用性可重用性是任何对象模型的追求目标，尤其对于大型的软件系统，可重 用性非常重要。而且，由于c o m 标准是建立在二进制代码级的，因此c o m 对象有别于一 般的面向对象语言中的重用过程。c o m 内部主要通过两个途径实现重用，一个是包容 ( c o m a i n m e n t ) ，一个是聚合( a g g r e g a t i o n ) 。包容是指对象中内嵌对象，嵌入的对象的接 口不展示给外部，嵌入对象的接口只能为宿主对象所使用。聚合有别于包容的一点是聚合 的内部对象的接口可以直接由用户使用，聚合对象并不要在内部使用被包容对象的功能， 而是直接把内部对象的接口放在外面，就好像是它自己的接口一样。 西安工业大学硕士学位论文 2 2 3c o m 平台下数控软件总体结构 在c o m 下构建数控平台，其总体结构如图2 3 ，该平台分为四个部分：组件参考模 型、通讯系统、配置系统和客户应用系统，c o m 是联系其他部分的纽带，是整个系统的 基础。 我们用w i n d o w s 价汀作为典型的系统，其在实时性和稳定性方面的表现值得我们的 关注，显然用c o m 作为数控系统的平台也不能回避这些问题。事实上即使w i n d o w s 的 多媒体时钟也仅能提供精度到约i m s 的时钟中断，这对于精密运动控制来说是不够的。 解决这个问题有两种思路，一个是对w i n d o w s n t 作实时拓展，扩充n t 的实时功能和调 度优先级，用实时系统接管n t 的优先级调度，从而对位置控制等任务实现硬实时响应。 另一个思路是采用多c p u 结构。因为对数控功能组件的划分只是在逻辑上的概念，因此 各个组件可以映射到不同的物理结构上，这个物理结构既可以是软件模块，也可以是硬件 图2 3c o m 平台下的数控系统总体结构 一 _ 。 一 模块。通过将模块分布在不同的物理结构上，可以有效地分配系统资源，实时和非实时模 块各取所需。数控模型的结构和稳定性体现在接口的稳定性上，只要接口不变，软件和硬 件的模块是可以互通的。在具体实现上有以下几点要求： 系统在设计阶段即做到实时和非实时模块分离。即实时模块和非实时模块不共用系 统脉冲，不构成严格的时序关系，模块之间只存在请求服务和提供服务的关系。一旦服务 完成两者之间即断开联系。 保证请求服务内容的完整性。即实时模块的动作应是一个相对对立的动作，没有对 相邻动作的时序要求。控制中那些需要精确时间配合的动作应该作为一个动作一次性传递 到实时模块中去，因为一旦一个动作完成，系统的非实时部分没有保证下一个动作到来时 间的义务。 在p c 上特别是在w i n d o w s 环境下开发数控系统，系统的开放性和通用性是一个设 计目标，实时性和可靠性则是另一个更重要的性能指标。为达到这个要求，本次在系统设 西