（材料物理与化学专业论文）基于pmac的轧辊磨床数控系统的研究与开发.pdf

兰州理工大学硕士毕业论文 论文题目：基于p m a c 的轧辊磨床数控系统的研究与开发 研究生：王斌 导师：王宏 摘要 本文通过理论和实际两个方面研究了轧辊外圆表面的磨削加工控制，设计、集成 了一套机床数控系统。同时，全面阐述了p m a c ( p r o g r a m m a b l em u l t i a x i sc o n t r o ll e r ) 运动控制器的结构、工作原理、性能及其在机床上的应用：并对m a c r o s t a t i o n ( 宏运动 控制站) 的工作原理、设置方法也作了论述；结合工程实际，详细介绍了机床的p i d 调 节方法，p l c 程序、运动程序的编制方法。简要介绍了上位控制软件的控制流程和主要 功能。具体内容如下： 1 运用p 凇c 运动控制器，设计、集成了一套机床数控系统。该系统为新一代数控 系统，具有三轴联动，多种语占编程，全闭环反馈控制的特点，并成功将此系统应用 于轧辊磨床。 2 系统分析了伺服系统组成及性能要求，伺服系统的位置控制详细介绍了伺服系 统的性能及参数，p i d 滤波器的工作原理及其调节详细论述基于p m a c 控制器的轧辊磨 床p i d 调节原理及方法。 3 结合工程实际，详细介绍了软件p l ，c 的特点、工作原理，基于p i 队c 的机床p l c 程序、运动程序的编制方法。 4 简要介绍了系统软件及其主要应用界面。该软件底层运动程序采用运动控制卡 编程语言规范开发，主要为了实现控制元件对运动执行件的精确控制，以及对伺服系统 基本参数的设置工作。 5 进行了现场实际磨削和精密测量，证明了该系统在生产应用中安全可靠。该系统 的开发是成功的。 关键词：轧辊磨床、p m a c 、开放式数控系统。 兰州理工大学硕士毕业论文 t h e s u b j e c t o ft h ed i s s e r t a t i o n ：a s t u d y a n d d e s i g n o ft h e n u m e r i c a lc o n t r o l e ro fr o l l e rg r i n d i n gm a c h i n eb a s e do np m a c g r a d u a t e s t u d e n t ：w a n g b i n t u t o r ：w a n gh o n g a b s t r a c t t h i st h e s i ss t u d i e dt h ec o n t r o lo ft h eg r i n d i n go nt h eo u t e rs u r f a c eo fc i r c l e ，a n d d e s i g n e d 、i n t e g r a t e da s e to fc n c s y s t e mo f r o l l e rg r i n d i n gm a c h i n ec o m b i n e d t h e o r yw i t h p r a c t i c e a l s o ，t h es t r u c t u r e 、p r i n c i p l e 、p e r f o r m a n c eo fp m a c ( p r o g r a m a b l e m u l t i a x i s c o n t r o l l e r ) a n d i t s a p p l i c a t i o n s i nt h em a c h i n et o o la r e d i s c u s s e d ；a n dd i s c u s s e dt h e p r i n c i p l e 、u s i n gm e t h o do f t h em a c r os t a t i o n c o m b i n c dw i t l le n g i n e e r i n gp r a c t i c e i n t r o d u c e dt h e p r i n c i l z l l e a n dt h e a d j u s t i v e m e t h o d so ft h e p i d ( p r o p o r t i o n a l - i n t e g r a l - d i f f e r e n t i a l ) ，a n dt h ed e s i g n i n gm e t h o d so fp l cp r o g r a m sa n d m o v m e n t p r o g r a m s i n t r o d u c e dt h ef l o wo f c o n t r o lo ft h ep ca n dt h em a i nf u n c t i o n so ft h e s y s t e m t h e r e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： 1 as e to fm a c h i n et o o ln c s y s t e mi sd e s i g n e da n di n t e g r a t e db yp m a cm o v e m e n t c o n t r o l l e r t h es y s t e mi sn o wn co n ea n dh a sc h a r a c t e r i s t i c so ft h r e e - a x i ss i m u l t a n e o u s m o v e m e n t ，m u l t i l a n g u a g ep r o g r a m m i n ga n dw h o l ec l o s e dl o o pc o n t r o l ，a n dt h es y s t e mi s a p p l i e d t ot h er o l l e r9 6 n d i n gm a c h i n et o o ls u c c e s s f u l l y 2 t h es t r u c t u r ea n di t sp r i n c i p l eo f t h es e r v os y s t e m , t h ec o n t r o lo f p o s i t i o no f t h es e r v o s y s t e m a r es y s t e m a t i c a l l ya n a l y z e d ；i n t r o d u c e dt h ec a p a b i l i t ya n dt h ep a r a m e t e ro ft h es e r v o s y s t e m i n d e t a i l ，a n d i n t r o d u c e d t h e p r i n c i p l e a n d t h e a d j u s t i v e m e t h o d so ft h ep i d ( p r o p o r t i o n a l i n t e g r a l - d i f f e r e n t i a l ) f i l t e r d i s c u s s e dt h ep r i n c i f i l e a n dt h e a d j u s t i v e m e t h o d so f t h ep i db a s e do np m a co f r o t l e rg r i n d i n gm a c h i n et o o li nd e t a i l 3 c o m b i n e dw i t he n g i n e e r i n gp r a c t i c e ，i n t r o d u c e dt h ep r i n c i p l ea n dt h ec h a r a c t e r i s t i c s o ft h ep l c s o f t w a r e ，a n dt h ed e s i g n i n gm e t h o d so fp l cp r o g r a m sa n dm o v m e n tp r o g r a m s o f r o l l e r g r i n d i n gm a c h i n e b a s e do np m a c 4 i n t r o d u c e dt h e s y s t e m ss o f t w a r ea n dt h em a i ni n t e r f a c eo f i tc h i e f l y t h eg r o u n d f l o o rm o v e m e n t p r o c e d u r e s a r ep r o g r a m m e db a s e do ns t a n d a r dl a n g u a g ec o n t r o lb o a r do f t h e s p o r t s ，w h i c hm a i n l y a i mf o rt h ep r e c i s ec o n t r o l l i n gt ot h ee x ec o n t r o l l e r 兰州理工大学硕士毕业论文 5 t h r o u g h t h ep r a c t i c a lg r i n d i n ga n dt h ep r a c t i c a le x a c tm e a s u r e , t h es e c u r i t ya n dt h e c r e d i b i l i t yh a v e b e e np r o v e d t h e r e s e a r c ha n dt h ed e s i g no f t h ec n c s y s t e m a r es u c c e s s f u l k e y w o r d ：n u m e r i c a l c o n t r o lr o l l e rg r i n d i n gm a c h i n e ，o p e nn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m ， p m a c 兰州理工大学硕p 学位论文原刨性声明 原创性声明 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。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方以外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得兰州理工大学或其他单位的学位或证 书而使用过的资料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确 的说明。 作者签名：王错 时间： 够歹，矽 关于学位论文使用授权说明 本人了解兰州理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位 论文，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 采用复印、缩印或其他手段保存学位论文；学校可根据国家或甘肃省有关部门规定送 交学位论文。 作者签名：王蚶导师签名：王亥 时间：2 0 d c ，莎 兰州理工大学硕士毕业论文 第一章绪论 1 。l 课题背景 1 1 1 课题背景及来源 近年来，随着冶金、造纸、印染行业的迅速发展，对轧辊磨削技术的要求亦愈 来愈高，目前轧辊磨削直径可达2 4 0 0 m l ，最大重量达1 5 0 t ，轧辊的几何精度均为 pm 级。轧辊磨床属于大型精密加工机床，是金属板、带、箔材加工企业的关键设 备，对保证和提高产品表面质量起着重要的作用。高表面质量的铝合金板、带、箔 的生产，在很大程度上依赖于高表面磨削质量的轧辊，而轧辊的表面质量是由精密 轧辊磨床保证的。长期以来，各厂家均使用德国、英国生产的轧辊磨床。只是近几 年来，国内的险峰机床厂、星火机床厂等为数不多的厂家有轧辊磨床出品，与国外 先进的轧辊磨床相比，尚属于中、低档产品。由于国内轧辊磨床的市场需求旺盛， 致使国内各轧辊磨床生产厂家竟相加大轧辊磨床生产、研发的力度。 因此，各轧辊磨床制造厂家均相继对其产品进行系列更新：采用高新技术，如 静压导轨技术、动静压磨头技术、数字定位技术、补偿技术等：改善机床结构性能： 增加自动测量装置；开发高性能的轧辊磨削数控系统，以满足各种不同用户的需求。 1 在普通轧辊磨床方面，广泛采用高新技术：如静压导轨技术、动静压磨头 技术、机械结构中高磨削的实现等，改善机床结构性能；增加自动测量装置：由于 轧辊直径尺寸相对较大，一般都在由4 0 0 m m 以上。用人工测量很难控制人为误差， 所以轧辊磨床上附加检测装置，借助精密测量元件，可实现l p m 误差的精确测量 2 、在数控轧辊磨床方面：由于轧辊一般长度在1 5 m 8 m 之间，完全依靠机床 本身精度，很难保证形状误差不大于0 o l m m 。并且由于加工对象的差别，轧辊的 形状各异，仅靠机械机构根本无法实现各种曲线形状轧辊的磨削。因此。数控技术 与传统工艺技术结合成为必然，这不仅能够缩短生产准备时间，提高磨削精度和效 率，完成辊面形状较为复杂的轧辊的加工，同时亦是实现轧辊磨削自动化的基础。 所以，数控化是当代轧辊磨削技术发展的主流。 根据市场需求和星火机床有限责任公司的要求，我们开发了基于p m a c 的开 一1 一 兰州理工大学碘士毕业论文 放式轧辊磨削数控系统。其目的就是跟踪国外轧辊磨削技术的发展，从国情出发， 深入探索数控精密轧辊磨床的国产化技术，充分利用计算机技术，使数控轧辊磨床 的数控系统向智能化、开放化方向上发展，从而为振兴我国的铝加工业出力。 1 1 2 数控轧辊磨床的国内外发展状况 优质、高效、节能，一直是轧辊磨削技术追求的目标，也是轧辊磨床产品参与市 场竞争取得成败的关键。近年来，随着模块化设计技术、计算机辅助设计，以及柔性 制造技术等高科技在轧辊磨削领域中的应用和普及，促使其向高糖度、高效率和高柔 性方向迅速发展。目前，国内外知名的辊磨床生产厂家的主要产品有有德国瓦德里希、 济根的w s c 系列、日本东芝机械公司的k w a 系列、意大利因塞公司的r c h 系列，以及 国内险峰机床厂的m k 8 4 系列。 轧辊磨床技术的发展主要表现在以下几个方面： 1 ) 、数控化 数控技术与传统加工工艺相结合，不仅能够缩短生产准各时间，提高磨削精度和 效率，完成棍面形状比较复杂的轧辊加工，同时也是实现轧辊磨削自动化的基础。8 0 年代以来，一些先进的轧辊磨床制造厂家，都相继在其产品中引进了数控技术，目前 均已实现数控化，且形成完整的系列。 目前，各种轧辊磨床数控系统的来源主要有以下几种：( 1 ) 、主机制造厂家自行 研制开发( 东芝机械) 。( 2 ) 、硬件外购，软件自行开发( 险峰) 。( 3 ) 、软硬件全部外 购( 瓦德里希、济根) 。 数控轴数有： ( 1 ) 、同时控制2 轴，2 轴联动( k w h 系列) 。 ( 2 ) 、同时控制5 轴，2 轴联动( w s c 系列、m k 8 4 系列) 。 ( 3 ) 、同时控制1 0 轴，2 轴联动( r c h 系列) 。 主要控制功能包括： ( 1 ) 、人机对话的轧辊形状输入功能。 ( 2 ) 、砂轮瞬时位置和各种磨削数据的显示功能。 ( 3 ) 、各种故障报警信息的显示功能( 自诊断功能) 。 ( 4 ) 、轧辊在线测量的图形和数据显示功能。 一2 兰州理工大学硕士毕业论文 ( 5 ) 、磨削曲线和磨削程序的存储功能。 ( 6 ) 、全闭环补偿磨削功能。 ( 7 ) 、特殊形状轧辊的适应功能。 ( 8 ) 、砂轮快速趋近功能。 ( 9 ) 、砂轮恒线速控制功能。 ( 1 0 ) 、人机对话编程和示教功能。 w s c 系列和m k 8 4 系列轧辊磨床的数控系统，采用数控装置( 或工控机) 与可编 程控制器结合形式，数控轴均由直流( 或交流) 伺服单元和电机驱动，同时可控制5 轴：砂轮架横进给( x 轴) 、拖板往复运动( z 轴) 、中凸( 凹) 正弦曲线磨削( u 轴) 、 c n c 测量( x l 轴、x 2 轴) 。两轴联动有：x 轴和z 轴联动；z 轴和u 轴联动。最小设 定单位为0 0 0 1 n n 。该系统可输入或存储4 种磨削曲线：正弦曲线、任意曲线、锥度 曲线和直线；可编制7 种磨削工序：粗磨1 2 、精磨1 3 、光磨1 2 ：每个工序包 括7 项工艺参数：拖板行程次数、工件转速、砂轮线速度、拖板移动速度、连续补偿 进给速度、周期进给量和是否工序中断。k w a 系列轧辊磨床则由t o s n u c 8 0 0 一g c n c 装 置控制，可同时控制2 轴：砂轮架横进给( x 轴) 、拖板往复运动( z 轴) 。两轴联动 有：x 轴和z 轴联动：数控轴均由交流伺服单电机驱动，最小设定单位：x 轴，0 0 0 0 1 m m ； z 轴，0 0 0 1 m m 。该装置有4 种标准磨削曲线：正弦曲线、对称型带倒角正弦曲线、 非对称型带倒角正弦曲线以及锥度曲线。若利用选购功能，则可在显示屏上显示二次 式、三次式、四次式曲线的轧辊形状，由点群数据组成自由曲线的图形。因此，只要 根据其形状，键入所需轧辊尺寸，即可决定砂轮的动作，以适应轧辊特殊面曲线的加 工。 2 ) 精密化 精密化是发展高科技的需要，亦是提高轧辊磨削质量和可靠性的需要。近年来， 随着冶金、造纸、印染行业的迅速发展，对轧辊磨削技术的要求亦愈来愈高，目前轧 辊磨削直径可达2 4 0 0 m m ，最大重量达1 5 0 t ，轧辊的几何精度均为ui n 级。因此，各 轧辊磨床制造厂家均相继对其产品进行系列更新：采用高新技术，如静压导轨技术、 动静压磨头技术、数字定位技术、补偿技术等；改善机床结构性能：增加自动测量装 置；开发高性能的轧辊磨削数控系统，以满足各种不同用户的需求。 3 兰州理工人学硕士毕业论文 轧辊磨床的工作精度： 磨削圆柱形辊面：圆度，0 0 0 2 m m ：圆柱度，1 0 0 0 ：0 0 0 2 m m ；表面粗糙度，r a o 0 5 um 。 磨削中凸凹正弦曲线辊面：实际磨削曲线对理论值的误差为0 0 0 2 m m 。 磨削任意曲线辊面：实际磨削曲线对理论值的误差为0 0 0 5 m m 。 3 ) 高效化 轧辊磨削可大致分为两类：用于冷、热轧钢板的轧辊和用于造纸、印染行业的烘 缸。前者在轧制过程中磨损较为严重，故在重磨时，要求有较高的磨削效率，后者则 侧重于磨削的几何形状精度和表面粗糙度。因此，为了提高轧辊磨削效率，各轧辊磨 床制造厂家在开放系列产品的同时，还研制出了多种特殊轧辊磨床： ( 1 ) 、带轴承座的轧辊磨床：该机床可在不拆卸轴承座的情况下，直接磨削熟轧 机的轧辊。 ( 2 ) 、工件移动式轧辊磨床：该机床的特点是头架、尾架和中心架均可作较大范 围的横向移动，以使超大或超小直径的造纸机烘缸均可磨削。 ( 3 ) 、超重型轧辊磨床：该机床砂轮电机功率为4 0 0 k w ，使用于重磨加工余量较 大的轧辊，能省略作为预加工的车削工序。 4 ) 自动化与柔性化 轧辊磨床均可实现全自动数控磨削，从轧辊自动吊装至磨削结束自动卸辊，所有 工序均为自动进行，无需人为干预。在磨削过程中，测量装置自动对轧辊进行测量， 并根据测量结果，自动进入补偿磨削，直至达到精度要求。由于配置有专为轧辊磨削 特殊功能而研制的数控系统，且诸多功能已被模块化，故无需进行般数控功能所需 的复杂而繁琐的编程作业，操作者只需根据轧辊形状，以人机对话的方式输入尺寸参 数和工艺参数，即可决定砂轮的动作。 近年来，随着磨削加工中心的诞生，用户对轧辊磨削技术柔性化的要求日趋增高。 因此，在8 0 年代出现数控轧辊磨床向柔性制造系统( f m s ) 发展的趋势。目前r c h 系 列轧辊磨床已实现自动更换砂轮和自动更换工件，且适合于在柔性加工线上使用。 1 2 开放式数控系统 1 2 1 开放式数控系统的产生和发展 c n c 技术的应用为制造业带来深刻的变革，但是随着计算机技术的迅猛发展，传统 一d 一 兰州理工大学硕士毕业论文 的c n c 系统也逐渐显示出其主要的弱点，即：专用性强、通用性差，软件为系统的制造 商所有，不便于功能扩展和各种软件的支撑、更新，软件移植性差，组网通讯能力差， 对机床制造商和用户的水平要求较高等。而目前随着技术、市场、生产组织结构等多 方面的快速变化，现代制造业对c n c 系统又提出了更高的要求：从完成功能上看，一方 面c n c 系统必须适应d n c ，c a d c a m 及c i m s 的发展，有一个可以集成不同开发商提供的软 件并适合联网需要的平台：另一方面，随着中小批量生产的趋势日益增强，以及数控系 统在信息、汽车、冶金、纺织、印刷、军工等行业应用的日益增多，必须根据不同的 用户需求，迅速、高效、低成本地构筑面向用户的控制系统。这就要求c n c 系统具有模 块化和可重新配置的特点。从使用的角度看，新型c n c 系统应能运用于各种计算机软硬 件平台上，并提供统一风格的用户交互环境，以便于用户的操作、维护和更新换代。 新一代数控系统一开放式数控系统的提出正是适应了数控技术这一发展的需要。 开放式数控系统的研究开始于1 9 8 7 年美国空军在美国政府资助下发表了著名的 “n g c ( n e x tg e n e r a t i o nc o n t r o l l e r ) 下一代控制器”研究计划，首先提出了开放体系 结构控制器的概念，这个计划的重要内容之一便是提出了“开放系统体系结构标准规 格( o s a c a ) ”。自1 9 9 6 年开始，美国几个大的科研机构对n e e 计划分别发表了相应的研 究内容，如在美国海军支持下，美国国际标准研究院提出了“e m c ( 增强型机床控制器) ”： 由美国通用、福特和克莱伊斯勒三大汽车公司提出和研制了“o m a c ( 开放模式体系结构 控制器) ”，它和欧盟“o s a c a ( 对于自动化系统的开放式体系) ”极为相似。欧盟的o s a c a 项目是在德国斯图加特大学机床与设备研究所支持下，联合德、意、法、瑞、英、西 等1 1 个国家的有关研究所、大学和制造厂商，制定了开放式数控系统的标准规范，该 系统是以p c 为标准平台，加上能自由组合的软件模块，构筑成“不依赖于特定卖主的 开放型控制器”的结构。现今，国步f c n c 开发商都在积极研制上述的开放式机床数控系 统，我国在最近几年也在引入该项技术，目前仍处于消化阶段，正积极开发有自己知 识产权的系统。 1 2 2 开放式数控系统的特点 开放式数控系统研究的主要目的是解决变化繁杂的需求与控制系统专一固定的框 架之间的矛盾，从而建立一个统一的可重构的系统工具平台，极大地增强数控系统的 柔性和适应性。一方面可以使得主机厂能够摆脱对单一数控系统供应商的依赖，更加 5 兰州理工大学硕士毕业论文 自由的将自己或第三方的面向用户的解决方案与系统集成，另一方面又使控制系统的 厂商专注于提高系统本身的性能，大大减少各类维护的费用和缩短交货期。 参照i e e e ( 电器和电予工程师) 对开放式系统的规定p 1 ，我们认为：一个真正意义上 的开放式数控系统必须提供不同应用程序协调地运行于系统平台之上的能力，提供面 向功能的动态重构工具，同时提供统一标准化的应用程序用户界面。n c 开放化或p c n c 是指基于p c 的开放式数控系统。具体的说，就是要能够在普及型个人计算机的操作系 统上，轻松的使用系统所配置的软件模块和硬件运动控制插件卡：机床制造商和用户能 方便的进行软件开发，能够追加功能和实现功能的个性化：采用标准化接口，根据用户 的加工需求自由灵活的选用电机，驱动装置和反馈元件等。由上述我们得出开放式数 控系统必须是一个全模块化的软件体系结构，应具有以下的特点：开放性、可移植性、 扩展性、担互替代性和相互操作性 开放式数控系统从全新的角度分析和实现数控系统的控制功能，强调系统对控制 需求的可重构性和开放性，系统功能模块面向多供应商。 1 2 3 几种开放式数控系统的比较 随着计算机技术和微电子技术的飞速发展，采用通用p c 机发展开放式数控系统， 已成为数控系统技术发展的最新潮流。基于通用p c 机的数控系统可以充分利用微机的 软硬件资源和计算机工业所提供的先进技术。当前，利用现有的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，主要可划分为专用c n c + p c 型：运动控 制器+ p c 型：纯p c 型三种结构类型。 1 、数控专用模板嵌入通用p c 机构成的数控系统 专用c n c + p c 型的数控系统即是在传统的专机数控中简单地嵌入p c 技术，使得整 个系统可以共享一些计算机的软硬件资源，计算机起到辅助编程、分析、监控、指挥 生产、编排工艺等工作。以国内具有开放式系统特点的华中i 型数控系统为例，该系 统采用了以p c 机为硬件平台，d o s w i n d o w s 操作系统及其丰富支持软件为软件平台的 开放式体系结构，如图卜1 所示。这种数控系统在p c 机上嵌入的数控专用模板有内装 式p l c 单元，由光电隔离开关量输入板、光电隔离开关量输出板及多功能板组成。系 统的位置单元接口可根据使用伺服单元的不同而有不同的具体实现方法：当伺服单元 为数字式交流伺服时，位置单元接口采用串口通讯板：当伺服单元为模拟式交流伺服 6 兰州理工大学硕士毕业论文 时，单元接口采用位置环板。系统带r s 2 3 2 c 接口，可直接与c a d c 栅连接，带网络卡 可连入工厂网络。 串口ii 并口ll 键盘l1 软驱li 硬盘ll 显示器 主c p u 及主板 i s a 总线 显卡ii 网卡 n c 模板 圈圈圈圈 主轴 主轴编码器 开关量输入 ( 操作按钮、机 床检测输入) 开关量输出 ( 按钮显示灯、机 床继电器控制) 伺服 电机 图卜1 数控专用模板嵌入p c 机硬件机构 与传统的c n c 系统相比，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、换代的特点。但是这种数控系统只是实现 了有限的“开放”，而且保留有不少专用系统的痕迹，开放性不够，开发环境和支持 手段也不足，要作为用户方便的进行二次开发的开放程度还远未达到。由于其开放性 只在p c 部分，其专业的数控部分仍处于瓶颈结构。 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 数控上层软件( 数控程序编辑、人机界面等) 以p c 为平台，是w i n d o w s 等主流操作 系统上的标准应用，并支持用户定制。它是完全采用以p c 为硬件平台的数控系统。这 种数控系统在近年来的提法较多，主要是基于p c 或p cb a s e 等，其中最主要的部件是 计算机和控制运动的控制器。运动控制器通常以p c 硬件插件的形式构成系统，并能独 立地完成机床运动控制、逻辑控制和伺服控制等功能。运动控制器可编程，以运动子 程序的方式解释执行数控程序( g 代码等，支持用户扩展) ，以p l c 予程序的方式实现机 床逻辑控制，运动控制器的开放性还体现在其层次分明的体系结构。实现了两个级别 一7 一 兰州理工大学硕士毕业论文 的开放：人机界面和非实时控制部件的定制和参数化，实时控制部件的参数化。 控制器以美国d e l t at a u 公司生产的p m a c 多轴运动控制器最为出色，控制器本身 具有c p u ，同时开放包括通信端口、结构在内的大部分地址空间，辅以通用的1 d l l 同 p c 结合得最为紧密。但它在界面风格和通信协议上还没有形成统一的标准，使得软件 的可重用性，跨平台性不强。 图卜2p m a c 控制器+ p c 机硬件结构 3 、全软件式数控系统 由于处理性能的日新月异和操作系统技术的不断进步，使得以硬件方式出现的运 动控制器部件，在可预见的时间内，完全可以用应用软件的方式来实现。这种“硬件 功能软件化”不仅不会导致任何系统功能损失，而且软件实现的灵活性和硬件平台无 关性将有利于系统实现更深入的开放性和系统性能的快速增长，这正是“全软件数控” 的基本思想。 全软件式数控系统是开放式数控系统的高级阶段，它不仅强调核心控制策略的用 户开放性，对智能控制也有充分的考虑：而且更加注重标准化和集成性，兼容数控领域 的主要标准的同时，更加向计算机技术靠拢，并力图使数控成为先进制造上层应用的 8 一 兰州理工大学硕士毕业论文 标准的设备驱动代理。数控系统的主要功能部件均表现为应用软件的形式，这种实现 形式上的变革使得系统可以更方便、更广泛地应用计算机技术的先进成果，简化系统 实现难度，缩短研发周期，有助于技术创新：软件化实现也大大增强了系统的伸缩性和 可调节性，从而使其体系结构高度开放性的实现成为可能。 图卜3 全软件数控系统模式结构图 全软件数控系统把运动控制( 包括轴控制和机床逻辑控制) 器通常以应用软件的形 式实现。除了支持数控上层软件( 数控程序编制、人机界面等) 的用户定制外，其更深 入的开放性还体现在支持运动控制策略( 算法) 的用户定制。外围连接主要采用计算机 的相关总线标准，这类系统己完全是通用计算机主流操作系统上的标准应用。全软件 数控系统的一种结构模式的机构图如1 - 3 所示。 由于全软件数控系统存在着操作系统的实时性、标准统一性及系统稳定性等问题， 这种系统目前正处于探求阶段，还没有大规模投入到实际的应用中来，也没有形成成 品，尚处于理论研究阶段。 总体而言，基于p c 和多轴运动控制器的开放式数控系统，是当前最为理想的开放 式数控系统。p c 机处理非实时部分，实时控制有插入p c 的多轴运动控制器来承担。这 种数控系统的典型代表就是以p m a e 为核心的开放式数控系统。 1 2 4p m a c 及基于p m a c 的数控系统的特点 1 p m a c 控制器概述 p 凇c ( p r o g r a m m a b l em u l t i p l e a x i sc o n t r o l l e r ) 是美国d e l t at a u 公司遵循开放 式系统体系结构标准开发的一种开放式的建立在p c 机平台上的可编程多轴运动控制 器。在运动控制领域经过二十几年的探索，d e l t at a u 成功地将m o t o r o l a 的d s p 5 6 0 0 1 用 于p m a c ，加上专用的用户门阵列芯片，结合p c 机的柔性，使得p m a c 对系统的控制非常 - 9 兰州理工大学硕士毕业论文 成熟、可靠，能够满足用户在数字控制各个领域的各种高技术应用。它提供了机床功 能、机器人特性、计时检测及通用自动化的性能，可处理运动控制、逻辑控制、资源 管理及主机的交互工作等。 2 p m a c 控制器的性能 1 ) 、伺服控制器功能 一般来说，伺服能力只能用每小时完成的操作或生产的合格零件来衡量。当今， 对产品质量的要求已超过对生产率的要求，所以在设计系统时，系统的每一部件都要 最好。可以用以下三点来衡量伺服控制器的能力： ( 1 ) 、处理能力 对于计算机的c p u ，处理器的能力通常用m i p s ( 每秒钟的百万指令数) 表示。d e l t a t a u 公司的p m a c 以s e r v ou p d a t e b l o c k n i g o r i t h mt e r m ( s u b a t ) 为单位来衡量p m a c 控制 器。p m a c 的伺服更新率一般在i o k h z 以上，执行速率可达5 0 0b l o c k s s e c 。 ( 2 ) 、轨迹特性 由于高级伺服应用中所要求的准确性和平滑性，必须在运行中精确计算三维位置。 d e l t at a u 以t r a j e c t o r yu p d a t er a t e c a l c u l a t i o nb i t o u t p u tr e s o l u t i o n 为单位 ( t u c o r ) 来衡量这一能力。p m a c 的轨迹更新率在5 0 0 h z 以上，t u c o r 单位可达4 4 8 0 0 0 ( 3 ) 、输入带宽特性 多年来，人们一直希望能够以2 5 4 厘米秒的速度移动精密x y 平台，并使其分辨 率达到2 5 4 纳米( 0 0 2 5 4 微米) 。用p m a c 运动控制器、直线电机以及激光干涉仪反馈可 以实现这一目标。而这一突破要归功于其大带宽特性和对直线电机进行高速数字计算 能力的组合。编码输入的串行处理速度是大多数控制器的1 0 到1 5 倍，并且d e l t at a u 的 p m a c 控制器具有如下一个独特的性能：即可以从高分辨率编码器件接收低插补位的5 位 并行数据。因此，可以得至u 3 2 0 m h z 的有效输入带宽。 2 ) 、灵活性 p d a c 运动控制器将极强的处理能力与高度的灵活性结合在一起。这一灵活性适合 于当今普遍应用中的多总线结构、电机类型、反馈元件以及指令数据结构。若将来改 变总线，p m a c 运动控制器允许同一控制程序在所有三种总线上运行。p m a c 控制器上的 每一个轴都允许电机和反馈元件的不同组合。表2 一l 为p m a c 控制电机类型、联接的反 1 0 兰州理工大学硕士毕业论文 馈元件以及控制码概览。 表卜1p m a c 的灵活性概览 总线电机类型反馈控制码 p cx t a t 、直流电机( 有刷、增量编码器( 直线旋p m a c ( b a s i c 、c 、 v m e 、s t d 3 2 、无刷、直线) 交流转) 绝对编码器、旋转a s c i i 命令) 、g 代 p c i异步电机、步进电变压器、直线电压位移码( 机床) 、 机传感器或电位计、激光a u t o c a d 转换 干涉仪等 3 ) 、反馈 p m a c 运动控制器，不需要额外的附件即可用增量式a b 正交编码器反馈。它也可以 连接一些适当的附件，如旋转变压器、电位计、绝对编码器、磁阻伸缩线性位移传感 器以及激光干涉仪。 对于正交编码嚣或激光干涉仪，有多种备选件。软件解码器具有x i ，x 2 或x 4 三种 倍数，还有脉冲和方向解码。高速2 4 位硬件计数器由软件自动地扩展n 4 8 位。一个软 件参数可使位置翻转到用户指定的数值，这一点对于控制旋转轴来说尤其有用。 p m a c 运动控制器提供两种方法利用增量编码器获得细分计数分辨率。第一种是1 t 解码，这是p m a c 运动控制器的标准方法。每一个编码器通道有两个定时寄存器。寄存 器1 保存t 1 ，它是编码器最后两个跃变间的时间间隔，速度与这一项成正比。寄存器2 保存t 2 ，记录最后一次跃变以来的间隔。从最后一次跃变起所运行的这部分距离可由 t 2 除以t 1 估计。这一插补法使低速运行更为平滑。 第二种方法是并行反馈，数据位可以直接从激光干涉仪读取，或者作为插补数据 可以从模拟编码器的a d 转换得到。并行部分数据可以在间歇期获得，也可以在程序运 行中获得。如果a d 转换器在运行序列中不能跟踪数据，p m a c 运动控制器可以在运行中 改变成1 t 细分计数分辨率方式。 3 p m a c 结构 本轧辊磨床采用p m a c 运动控制器作为其数控系统控制卡。它是一块多轴接口卡， 不仅可以独立运行，也可以插入计算机插槽中的i c 槽以总线通讯的方式运行。其输出 由d s p g a t e 门阵列控制，可以并行输出，所以能够实现多轴同时联动。它由各种插槽 一1 1 兰州理工太学硕士毕业论史 组成，其中，j 1 为显示器插槽，可与其相应的附件连联接而实现液晶显示或真空荧光 显示，使用d i s p l a y 命令可在显示器上看到运动程序或p l c 程序的显示文本和变量值：j 3 为手轮接入插槽，可接入脉冲发生器：j 4 为r s 一2 3 2 r s 一4 2 2 接入插槽，可与计算机进行 串行通信：j 5 为光电隔离i o 接入插槽，提供八个具有普通用途的数字输入和八个具有 普通用途的数字输出，这些输入输出通常使用定义m 变量由软件进行读取，变量m i 到m 8 分别用于读取输出i n s ，变量m 1 l 到m 1 8 分别用于读取输入1 到8 ：j 7 为1 6 位a d 输入接口 插槽：j 1 1 为2 轴接线插槽，可连接4 个编码器输入和2 个电机包括电机的正负限位、回 零标志、放大器出错标志输入和放大器使能方向信号、比较一相等信号输出等信号， 并且提供高精度的模拟输出来控制伺服放大器，每个模拟输出通道都提供了互补的由 1 6 位数模转换器得到d a c ，d a c 输出，每个d a c 输出范围为一l o v + l o v ，分辨率可达3 0 0 uv 位。图1 4 为p m a c 结构原理图。 图i - - 4p m a c 结构原理图 4 p m a c 工作原理及功能 1 2 兰州理i 大学硕士毕业论文 在p m a c 中，核心部件是d s p 5 6 0 0 1c p u 芯片和用户门阵列i c s 芯片。d s p 5 6 0 0 1 运 行速度是i o m i p s ，数据线宽度为2 4 位，累加器为5 6 位，因此指令读取、2 4 位乘法、 5 6 位加法、两个数据移动及地址指针修改，可在一个指令循环中完成。d s pc p u 与外 部编码器及电机放大器接口都集成在一块d s p g a t e 上，这块芯片能够控制四个模拟输 出通道，四个作为输入的编码器，和四个来自附件的模拟驱动输入。p m a c 是一台完整 的计算机，它能通过存储在自己内部的程序进行单独的操作，同时它是实时的、多任 务的计算机，能自动对任务进行优先等级判别，从而使具有高的优先等级的任务先被 执行。 ( 1 ) 、执行运动程序 p m a c 的最明显任务是按运动程序中的顺序执行一个运动程序。当被告知执行一个 运动程序时，p m a c 一次执行程序的一个指令，进行该移动命令( 包括非移动的任务) 的 所有计算，从而为该运动的实际执行做好准备。p m a c 总是工作在实际移动之前，如果 需要，它总能正确地与即将执行的动作相调和。 ( 2 ) 、执行p l c 程序 运动程序的顺序特性使得它能很好适应一系列的运动并相互协调其它坐标系的动 作：然而，当在执行那些不是用运动的顺序来直接协调的动作时，这些程序就不适于做 坐标系的运动。对于这些类型的任务，p m a c 提供给用户编写”p l c 程序”的能力这些 程序对于在运动顺序上不同步的任务是非常有用的。 ( 3 ) 、换相更新 对于一台多相电机，p m a c 自动地以一个固定的频率( 通常9 k h z 左右) 进行换相更 新。换相更新，就是测量并估算转子磁场方向，然后再分配通过分布在电机的不同相 位的伺服更新算出的命令。 ( 4 ) 、资源管理 p m a c 会定期自动地执行资源管理的功能，以确定整个系统是否处于正常工作状况。 这些功能包括安全检查，也还包括看门狗计时器的更新。如果任何的硬件或软件的问 题使这些功能不能得到执行，则看门狗计时器将会触发，从而使卡关闭。 ( 5 ) 、与主机通信 p m a c 可以在任何时间与主机通信，甚至在一个运动序列中间。p m a c 接受一个命令， 1 3 兰州理工大学硕上毕业论文 然后采取相应的动作一一将命令放入个程序缓冲区以便以后执行，提供数据以响应 主机，开始电机的移动等。如果命令是非法的，它将会向主机报错。 ( 6 ) 、任务优先级 任务是按照优先级电路组织起来的，这可以使它们得以最优化，从而让程序能有 效、安全地运行。当优先级确定以后，不同任务的执行频率可由程序员自己控制。 5 p i d a c 软件系统 p m a c 的软件大体上可分为三部分：命令、变量和程序。 1 ) 、命令 大多数命令是在线命令，p m a c 接到后立即执行，以产生指定的动作或改变变量值 或显示所需要的信息等。在线命令有轴命令、坐标系命令和全局命令三种。轴命令必 须在坐标系里才有意义，用坐标系命令1 来指定坐标系l ，然后用# 卜 2 0 0 0 x 表示在 l # 坐标系里将# 1 电机配给x 轴。# 1 表示电机1 ，而指令中的2 0 0 0 则是轴的比例系数， 代表了2 0 0 。个脉冲为一个用户单位。比如在本课题中的伺服电机，这个系数代表了当 发出2 0 0 0 个脉冲时电机移动l m m 。以此类推可以定义在数控系统中另外的坐标系和轴。 全局命令是不针对某个特定的轴或坐标系，如p l = l ，仅仅指定p 1 的值为1 ，说明在整 个程序中只要遇上p 1 则可知它表示的值为l 。 2 ) 、变量 p m a c 中有i ，p ，q ，m 四大类变量。i 变量为初始化变量对控制卡功能进行设罨， 它们在内存中有固定的位置，并有预先定义好的意义。多为整型变量，特定变量的变 化范围是不一样的，从1 0 一1 1 0 2 3 共1 0 2 4 个。根据数控系统的要求可自行改正其中的 变量值以满足性能需要。p 变量是全局用户变量，在内存中有固定的位置，为4 8 位的 浮点变量，没有预先定义用途，从p o - p 1 0 2 3 共1 0 2 4 个。所有的坐标系都能读写同一 个p 变量，这就允许在不同的坐标系间传递有用的信息，p 变量在程序中可任意被定义 为：位置、距离、时间、模式、角度、中间计算等。q 变量和p 变量基本相同，只是它 是就某个坐标系而言，非全局变量。m 变量也是从m o - m 1 0 2 3 共1 0 2 4 个，它主要是用于 用户存取p m a c 的内存和i o 空间更容易一些。如m 卜 y ：$ f f c 2 ，8 ，l 表示用m 1 来读 取内存地址为$ f f c 2 中的第8 位的内容。这些命令和变量在系统集成后应用于实验阶段 时调整系统的性能及编制运动程序时有非常大的作用。 1 4 兰州理i 大学硕士毕业论文 3 ) 、运动程序 p m a c 支持多达2 5 6 个运动程序。任意坐标系在任何时候都可