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热保护器耐热冲击试验平台运动控制系统 摘要 数控技术和数控装备是制造业现代化的重要基础，直接推动一 个国家的经济发展和综合国力，关系到一个国家的战略地位。传统 的数控系统大多采取封闭式设计，由此导致的系统间的彼此不兼容 使得数控系统难以进行结构的改变和功能的扩展。开放式数控系统 解决了这一问题。开放式数控系统研究的目的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。 本课题利用计算机技术和先进的运动控制技术，研制一台热保 护器耐热冲击试验平台，然后利用该设备进行陶瓷制品件的热冲击 试验，从而得到热冲击试验数据。由于在模拟试验工况下测试热保 护器的抗热冲击性能，试验环境较差；且试验次数达上千次，需要 半个月以上的时间才能做完整个试验，若靠人工在加热炉和冷却炉 之间来回挪动，费时费力。因此，研究开发具有良好性价比的运动 控制系统具有非常重要的意义。本文在分析比较了国内外现有的各 种先进运动控制技术和开放式运动控制系统的基础上，采用了基于 工业控制机和运动控制卡的主从式运动控制系统设计方案。利用工 业计算机作为上位机发送控制指令，雷赛的运动控制卡作为下位机， 实现了对步进电机的精确控制。该方案为整套运动控制系统提供了 一个开放性的硬件架构。 本论文对我们研制的基于运动控制卡构成的开放式运动控制系 统从软、硬件两方面进行了较为详细的阐述。重点介绍了小车机器 人系统的硬件体系结构，运动控制系统软件的模块化设计以及上位 人机界面在w i n d o w s 环境下的开发过程。最后对所开发的运动控制 系统的定位精度进行了一些实验分析，提出了一些定位精度检测方 法和误差补偿方法，从而提高了开放式运动控制系统的定位精度。 本文的主要工作如下： ( 1 ) 对基于工控机控制的开放式数控系统进行系统研究，选择适 应该系统的控制方案。 ( 2 ) 根据高温热疲劳试验对数控系统硬件的要求，深入研究了运 动控制卡、步进电机和驱动器的性能，以及各个厂家相关硬件的性 能区别，选择适合本系统的驱动器、步进电机和运动控制卡。 ( 3 ) 根据试验的特殊要求，编制满足实际应用的运动控制程序。 ( 4 ) 对开放式运动控制系统的定位精度进行了研究和分析，提出 了系统的定位精度检测方法和误差补偿方法。 关键词：运动控制，开放式架构，数控系统，机器人，步进电机 t h em o t i o nc o n t r o ls y s t e mo ft h e r m a l s h o c ke x p e r i m e n te q u i p m e n ta b o u t t h e r m a lp r o t ec t i o nd e v i c e a b s t r a c t n ct e c h n o l o g ya n dn ce q u i p m e n ti sa ni m p o r t a n tf o u n d a t i o no f m o d e r nm a n u f a c t u r i n ge q u i p m e n t i td i r e c t l yi m p r o v e so nac o u n t r y s e c o n o m i cd e v e l o p m e n ta n dc o m p r e h e n s i v en a t i o n a l s t r e n g t h ，a n dt h e c o u n t r y ss t r a t e g i cp o s i t i o n t r a d i t i o n a ln cs y s t e mt a k e sm o s t l yc l o s e d s y s t e md e s i g n ，w h i c hm a k e ss y s t e m s a r en o tc o m p a t i b l ew i t he a c h o t h e r ，s ot h a tt h en cs y s t e mm a k e si td i f f i c u l tt oc a r r yo u ts t r u c t u r a l c h a n g e sa n df u n c t i o n a le x p a n s i o n o p e nn cs y s t e ms o l v e st h ep r o b l e m t h er e s e a r c hp u r p o s eo fo p e nn cs y s t e m si st ob u i l da m 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 ef r a m e w o r ko fn cs y s t e m st oi 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 e s y s t e m s t ob e d e v e l o p e d s e c o n d a r i l y a sar e s u l t ，n cs y s t e m sc a nb er e s p o n s i v et ot h em a r k e t q u i c k l ya n de c o n o m i c a l l y t a k i n ga d v a n t a g eo ft h ec o m p u t e rt e c h n o lo g ya n da d v a n c e dm o t io n c o n t r o l t e c h n o l o g y ，t h e a u t h o r d e s i g n s a e x p e r i m e n te q u i p m e n t o f t h e r m a lp r o t e c t i o nd e v i c e ，t h e nd o e st h ee x p e r i m e n to fs a m p l e sa n d a c q u i r e s t h e e x p e r i m e n t d a t a t h e e x p e r i m e n t isd o n eu n d e rt h e s i m u l a t i o nw o r kc o n d i t i o n s ，t h e t e s t i n gc o n d i t i o ni sv e r yt e r r i b l e ，i n a d d t i o nt o ，t h ew h o l ee x p e r i m e n tn e e dt ot a k eh a l fo fm o n t ht ob e f i n i s h e d s oi ti sm e a n i n g f u lt or e s e a r c ha n dd e s i g nas e to fm o t i o n c o n t r o ls y s t e mw h i c hh a v eg o o dc o s tp e r f o r m a n c e i ti sd i s c u s s e da b o u t t h ec h a r a c t e r is t i c so fo p e n i n gm o t i o nc o n t r o ls y s t e mi nt h ep a p e r ，a n d t h e ni ti sf i n a l l ya d o p t e da b o u tt h e m a s t e r & s l a v ed e s i g n b a s e don i n d u s t r i a lp e r s o n a l c o m p u t e r ( i p c ) a n dm o t i o n c o n t r o lc a r d t h e d m c 5 4 0 0i su s e da sas l a v em a c h i n et or e a l i z et h ep r e c i s ec o n t r o lo f s t e p p e rm o t o r s t h es y s t e md e s i g np r o v i d e sag o o do p e n i n gf r a m e w o r k f o rt h ew h o l es y s t e m i th a sb e e nd i s c u s s e da b o u tt h eo p e nm o t i o nc o n t r o ls y s t e mb a s e do n t h ed m c 5 4 0 0m o t i o nc o n t r o lc a r df r o ms o f l w a r ea n dh a r d w a r ei n d e t a i li nt h ed i s s e r t a t i o n t h a th a v eb e e ni n t r o d u c e da b o u tt h eh a r d w a r e s y s t e ms t r u c t u r eo fr o b o tt r a n s p o r t e r ，m o d u l a rd e s i g no fn cs y s t e m s o f t w a r ea n d d e v e l o p m e n tp r o c e s s b a s e do nw i n d o w s x po f h u m a n m a c h i n ei n t e r f a c eo ft h em o n t i o nc o n t r o l s y s t e m f i n a l l y , a n a l y z e st h ep r e c i s i o no ft h em o t i o nc o n t r o ls y s t e ma n dp r o v i d e st h e m e t h o do ft h e p r e c i s i o nm e a s u r e ，d e s i g n s t h em e t h o do fe r r o r c o m p e n s a t i o n t h em a j o rw o r ka r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： ( 1 ) s e l e c t sa n da d o p t st h es y s t e m sc o n t r o lm o d ea c c o d i n gt o t h e o r e t i c a lr e s e a r c ho fo p e nn cs y s t e mw h i c hb a s e do ni p cc o n t r o l s y s t e m ( 2 ) s t u d y sd e t a i l e d l yo ft h ep e r f o r m a n c eo ft h ec o n t r o lc a r d ，d r i v e r a n d s t e p p e rm o t o q a sw e l la sv a r i o u s m a n u f a c t u r e r s h a r d w a r e p e r f o r m a n c ed i f f e r e n c e sa c c o r d i n gt ot h eh a r d w a r er e q u i r e m e n t so ft h e e q u i p m e n t ，a n dc h o o s et h es u i t a b l es t e p p e rm o t o ra n dm o t i o nc o n t r o l c a r d ( 3 ) p r o g r a m m e st h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o np r o c e d u r e sa c c o r d i n gt o t h es p e c i a lr e q u i r e m e n t so ft h ee x p e r i m e n t ( 4 ) r e s e a r c h e sa n da n a l y z e st h ep e c i s i o no ft h em o t i o nc o n t r o l s y s t e m ，a n dp r o v i d e st h em e t h o do ft h em e a s u r e & e r r o rc o m p e n s a t i o n k e y w o r d s ：m o t i o nc o n t r o l ，o p e n i n gf r a m e w o r k ，n cs y s t e m s ，r o b o t ， s t e p p e rm o t o r 热保护器耐热冲击试验平台运动控制系统 原创性声明及关于学位论文使用授权的声明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。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科研成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：建垒篁i 垒 日 期：2 q qz 生1 屋 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解陕西科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留或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；本人授权陕西科技大学可以将本学位 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、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：幽导师签名：壶卫日 期：至q qz 生月 热保护器耐热冲击试验平台运动控制系统 1 引言 1 1 开放式数控系统提出的背景 传统数控系统，又称专用数控系统，它是由专用的主板、c p u 和控制板组 成，使用专用的、技术细节不对用户公开的软硬件数控系统，如现在比较常见 的f a n u c o 系统、m i t s u b i s h im 5 0 系统、s i n u m e r i k8 1 0 m t g 系统等等。 传统的数控系统是一种专用的封闭体系结构的数控系统，缺点如下：d 1 ( 1 ) 与通用计算机不兼容。不同厂家的数控系统不兼容，甚至同一个厂家 的不同系列的数控系统也不兼容。 ( 2 ) 各种数控系统的内部结构复杂，一旦数控系统发生故障，往往需要找 生产厂家来维修，很不方便，而且大大提高了维修费用。 ( 3 ) 难以进行升级和进一步开发。 ( 4 ) 专用封闭式数控系统的发展一般滞后5 年左右，在计算机技术迅猛发 展的今天，这是一个相当长的时间。 传统数控系统的上述特点严重制约着数控技术的发展，不能满足市场对数 控技术新的要求。针对这种情况，人们在8 0 年代就提出了开放式数控系统的 概念，其主要目的是在拟订并推进关于新一代开放式控制系统的详细分析规 范。 1 2 开放式数控系统的概念 按i e e e 定义，一个开放式控制系统应提供这样的能力：来自不同卖主的 种种平台上运行的应用都能够在系统上完全实现，并能和其他系统应用互操 作，且具有一致性的用户界面。【：】 由文献【3 ，4 】可知，关于以上开放性的概念可从两个方面进行理解：一是 时间的开放性，二是空间的开放性。时间的开放性是针对软硬件平台及其规范 而言的，以保证平台具有适应新技术的发展，并能够接受新的设备的能力。时 间的开放性又有可扩展和可移植性两个方面。空问的开放性是针对系统接口及 其规范化而言的，它又可分为互操作性和互换性。由此定义可知，开放式数控 系统是一个模块化的体系结构，由系统平台和面向应用的功能模块所构成，其 特点是： ( 1 ) 互操作性。通过提供标准化接口通讯和交互机制，使不同功能模块能 以标准的应用程序接口运行于系统平台上，并获得平等的卡h 互操作能力，协调 陕西科技大学硕士学位论文 工作； ( 2 ) 可移植性。不同的系统功能模块能运行在不同的系统平台之上，因此， 系统的功能软件应与设备无关，即应用统一的数据格式、控制机制，并且通过 一致的设备接口，使各功能模块能运行于不同的硬件平台上； ( 3 ) 扩展性。其特征是通过特定功能模块的装载和卸载为用户系统增添和 减少功能； ( 4 ) 互换性。不同性能、不同执行能力的功能模块互相代替。 由此可以看出开放式数控系统构建于一个开放的平台上，具有模块化结 构，允许用户根据需要进行选配与集成，迅速适应不同的应用需求，与传统的 封闭式专用数控系统相比较，具有以下优势： ( 1 ) 具有强大的适应性和灵活配置能力，能适应多种设备，灵活配置与集 成： ( 2 ) 控制软件具有及时扩展和联接功能，可顺应新技术的发展，加入各种 新功能； ( 3 ) 能适应计算机技术和信息技术的快速发展和更新换代，有效保护用户 原有投资； ( 4 ) 操作简单，维护方便； ( 5 ) 遵循统一的标准体系结构规范，模块之间具有兼容性、互换性和互操 作性。 1 3 开放式系统的开放层次 目前，大量的供应商提供了各种各样的加工及控制系统的解决方案，这些 方案构成了解决所有自动化系统的形形色色的途径。然而，要想附加集成一些 由不同卖方提供的功能时，却有相当的难度，这些困难主要集中在不同供应商 提供的系统之间没有公共的接口，需要很高的扩展、扩充及集成费用，没有一 致风格的操作界面以及需要分别针对不同的系统来培训人员等使维护费用急 剧增加等等。为解决系统开放集成上的难题，我们可以采用三种不同层次的开 放模式。1 5 1 1 6 1 1 7 1 ( 1 ) 开放人机控制接口。人机控制接口( h u m a nm a c h i n ei n t e r f a c e ，h m i ) ， 是指有关操作人员操纵设备的界面和其编程界面的部分。这种开放方式允许开 发商或用户构造或集成自己的模块到人机控制接口中。这一手段提供给用户灵 活定制适合于各自特殊要求的操作界面和操作步骤的途径。一般使用在基于 p c 的图形化人机控制界面的系统中。 2 热保护器耐热冲击试验平台运动控制系统 ( 2 ) 开放系统核心接1 2 1 。这种方式除了提供上述方式的开放性外，还允许 用户添加自己特殊的模块到控制的核心模块中。通过开放系统的核心接口，用 户可以按照一定的规范将自己特有的控制软件模块加入到系统预先留出的内 核接口上，这一手段使用户有可能将不同卖方的模块集成上去。 ( 3 ) 开放体系结构。开放体系结构( o p e ns y s t e ma r c h i t e c t u r e ，o s a ) 的解决 方案试图提供从软件到硬件，从人机操作界面到底层控制内核的全方位的开 放。人们可以在开放体系结构的标准及一系列规范的指导下，扩充或剪裁、生 搬硬套或灵活定制、全套引进或按需集成，最终配置完成功能可繁可简、性能 可强可弱、价格可高可低、不唯一依赖单一卖方的总成系统，而且这一系统仍 具备再一次无限重组的能力。 1 4 开放式数控系统的国内外现状及其特点 1 4 1 国内状况 我国的数控技术水平虽然整体落后于西方发达国家，但是开放式数控系统 的概念却较早地进入了我国。在经历了“六五”、“七五”、“八五”、“九五”到现 在的“十五”的2 0 多年的发展，基本上掌握了关键技术，建立了数控开发、生 产系统，培养了一批数控人才，初步形成了自己的数控的产业。在“八五”期间， 我国已有数家单位开始联合开发具有我国自主版权的开放式数控系统，开发出 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，发展我国的数控产业。进入9 0 年代后，随着p c 机 日益普及和发展，越来越多的单位和个人开始开发基于p c 机的数控系统。目 前，珠峰公司和华中理工大学，利用p c + 数控卡构成硬件平台，分别开发的中 华i 型和华中i 型的数控系统，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。系统具有较好的模块化、层次化特征，它配套能力强，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 的集成。另外， 航天数控集团公司还利用通用p c 机的体系结构设计出通用p c 机+ 数控通用 专用模板构成的单机数控系统。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。【8 】【9 】 虽然我国的开放式数控系统已经有了长足的发展，但还有相当多的不足之 处，主要表现在： ( 1 ) 开放性不够。由于技术和经费方面的限制，我国自行开发的开放式系 统，往往是在传统封闭式的基础上，采用不同的技术途径，利用p c 机向开放 式过渡，特别是应用系统的开放性与国际同类产品差距很大。因此，我们要发 陕西科技大学硕士学位论文 挥不同单位的技术优势，集中力量发展数控技术，形成规模经济，在国际竞争 中同西方发达国家相抗衡。 ( 2 ) 通用性差。根据i e e e 定义，开放系统应该能够使符合系统规范的各 种应用系统运行于不同销售商的不同平台之上，可以与其他应用系统实现相互 操作，并提供一致风格的用户交互界面。但是，我国自主设计的数控软件，往 往是由不同系统的开发商基于本系统的应用而开发的。因此，在维护我国数控 产业的当前利益，且考虑企业利润和长期发展的前提下，开发符合国际规范的 数控系统，仍是许多数控企业面临的问题。 针对以上讨论情况，1 9 9 9 - - 2 0 0 0 年间，国家科技部、经贸委、机械工业局 等部委组织专家针对国际数控技术的发展形势做了多方调研，决定由在国内数 控领域和信息产业领域具有代表性的8 家企业组成联合团队，2 0 0 0 年开始起草 并制定符合我国国情又紧密结合国际开放数控系统发展趋势的o n c 技术规范 国家标准，以指导开发新一代开放式数控系统平台，从而实现我国数控技术的 跳跃式发展。2 0 0 2 年6 月我国正式颁布了机械设备一开放式数控系统一总则 ( g b t l8 7 5 9 1 2 0 0 2 ) 的国家标准，并于2 0 0 3 年1 月1 日正式生效。d o 图1 1o n c 系统框图 f i g l 一1o n cs y s t e mf l o wc h a r t 1 4 2 国际状况 早在19 8 7 年，为了拟订并推进关于新一代开放式控制系统的详细分析与 规范，美国国防部就就提出了下一代控制器计划n g c ( t h en e x tg e n e r a t i o n 4 热保护器耐热冲击试验平台运动控制系统 w o r k - s t a t i o n m a c h i n ec o n t r o l a r c h i t e c t u r ep r o g r a m ) ，成立了“美国国家制造科学 中心( n c m c ) ；并且首次提出了开放式体系结构的概念和标淮s o s a s ( s t a n d a r d so fo p e ns y s t e ma r c h i t e c t u r ef o ra u t o m a t i c s y s t e m s ) 。其后有许多相 关的研究计划在世界各国相继启动，其中较有影响的有美国的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。【i l 】1 1 3 1 0 4 【1 5 】 ( 1 ) o m a c 计划。该计划是由美国的克莱斯勒、福特和通用三大汽车公司 于l9 9 4 年发起组织的，其主要目标是降低控制系统的投资成本和维护费用、 缩短产品开发周期、提高机床的利用率、提供软硬件模块的“既插既用”和高效 的控制器重构机构，简化新技术到原有系统的集成，从而使系统易于更新换代， 尽快跟上新技术的发展，并适应需求的变化。 ( 2 ) o s a c a 计划。该计划是在1 9 9 0 年由欧共体国家的2 2 家控制器开发 商、机床生产商、控制系统集成商和科研机构联合发起的，并于1 9 9 2 年5 月 正式得到欧盟的认可，纳入欧盟e s p r i t - i l l 项目计划。该计划共分三个阶段， 其中第一阶段和第二阶与日、美的相关机构进行接触，以期建立一个国际性的 控制器标准。 ( 3 ) o s s c e 计划。该计划是由日本的东芝机器公司、丰田机器厂和m a z a k 公司三家机床制造商和日本i b m 、三菱电子及s m l 系统公司共同组建，其目 的是建立一个国际性的工厂自动化( f a ) 控制设备标准。 1 5 热保护器耐热冲击试验平台运动控制系统概况 随着开放式数控系统的不断另和完善，面向数控领域的开放式运动控制 器的发展成为市场的必然需求。运。空制器为实现运动控制提供了一个基础平 台，在这个平台上可以方便地实现对多轴的协调控制，而且，以运动控制器作 为相对独立的标准部件可以明显缩短新产品的研发周期，尽快将产品投入市 场。目前，运动控制器作为一个独立的工业自动化控制类标准部件，已经被越 来越多的产业领域接受，并且己经达到一个令人瞩目的市场规模。 所谓运动控制，就是对机械运动部件的位置、速度等进行实时的控制管理， 使其按照预期的运动轨迹和规定的运动参数进行运动。运动控制技术是一门综 合性、多学科交叉的学科，是推动新产业革命的关键技术。【吲 运动控制系统处理机械系统中的轴在一个或者多个坐标上的运动以及这 些运动之间的协调，其中涉及到各轴上运动速度的调节，以一定的加速度曲线 进行运动，以形成准确的定位或者遵循特定的轨迹。这些精确的位置、速度、 加速度和力矩的控制主要通过电动机、驱动器、反馈装置、运动控制卡、主控 陕西科技大学硕士学位论文 制器( 如工控机) 来实现。一个完整的电动机运动控制系统如下图所示。f 1 7 】 图1 - 2 运动控制系统框图 f i g l 2m o t i o nc o n t r o ls y s t e mf l o wc h a r t 1 5 1 系统的硬件平台 2 0 世纪9 0 年代以来，由于计算机技术的飞速发展，推动数控技术更快的 更新换代。世界上许多数控系统生产厂家利用p c 机丰富的软、硬件资源开发 开放式结构的新一代数控系统。开放式体系结构大量采用通用微机技术，使编 程、操作以及技术升级和更新变得更加简单快捷。开放式体系结构的新一代数 控系统，其硬件、软件和总线规范都是对外开放的，数控系统制造商和用户可 以根据这些开放的资源进行的系统集成，同时它也为用户根据实际需要灵活配 置数控系统带来极大方便，促进了数控系统多档次、多品种的开发和广泛应用， 开发生产周期大大缩短。同时，这种数控系统可随升级而升级，而结构可以保 持不变。 目前，实际应用于工业现场的基于的开放式数控系统主要有以下几种类 型，分别代表了数控技术的不同发展阶段，对不同类型的数控系统进行分析后 发现，数控系统不但从封闭体系结构向开放体系结构发展，而且正在从硬数控 向软数控方向发展的趋势。 ( 1 ) “p c ”嵌入“n c ”结构的开放式数控系统。如f a n u c l8 i 1 6 i 系统、 s i n u m e r i k8 4 0 d 系统、n u m l0 6 0 系统、a b 9 3 6 0 等数控系统。这是一些数控 系统制造商将多年来积累的数控软件技术和当今计算机丰富的软件资源相结 合开发的产品。它具有一定的开放性，但由于它的n c 部分仍然是传统的数控 系统，用户无法介入数控系统的核心。这类系统功能强大，但结构复杂、价格 昂贵。 ( 2 ) “n c ”嵌入“p c ”结构的开放式数控系统。它由开放体系结构运动控制卡 + p c 机构成。这种运动控制卡通常选用高速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。运动控制卡本身就是一个数控系统，可以单独使用。 它开放的函数库供用户在w i n d o w s 或者l i n u x 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应用于制造业自动化控制各个领 域。如美国d e l t at a u 公司用p m a c 多轴运动控制卡构造的p m a c n c 数控系 6 热保护器耐热冲击试验平台运动控制系统 统；日本m a z a k 公司用三菱电机的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 ；w i z d o mc o n t r o l s 公司的p a r a d y m 3l ；我国具有知识产 权的运动控制卡生产厂家有固高，摩信，雷赛，成都步迸等等。 ( 3 ) “s o f t 型”开放式数控系统。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，就像计算机 中可以安装各种品牌的声卡和相应的驱动程序一样。用户可以在w i n d o w s 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，与前几种数控系统相比，s o f t 型开放式数控系统具有最高的性能价 格比，因而最有生命力。通过软件智能替代复杂的硬件，正在成为当代数控系 统发展的重要趋势。其典型产品有美国m d s i 公司的o p e nc n c 、德国p o w e r a u t o m a t i o n 公司的p a 8 0 0 0 n t 等。【l i 】【1 9 儿2 0 1 1 2 1 1 本系统选择“n c ”嵌入“p c 结构的开放式数控系统，即以工控机和运动控 制卡为基础构件构成开放式数控系统的硬件平台。以工控机和运动控制卡为基t 。 础构建开放式数控系统的硬件平台经济、方便、快捷，因为工控机批量生产，价 格便宜，速度性能好，而且升级换代快，可以满足作为数控系统核心部件的要 求，因此选择工控机可以获得高标准的硬件结构配置和优异的性价比；而运动 控制卡也是标准化模块化产品，我们只需根据具体的需求，选配合适的工控 机、运动控制卡、执行部件及辅助单元，然后进行相应的连接，即可建立开放 式数控系统的硬件平台。 本系统中工控机的配置为内存512 m ，c p u 2 8 g h z ，运动控制卡选择雷赛 公司的d m c 5 4 0 0 型运动控制卡，这是一款4 轴步迸电机或数字伺服电机的 上位控制器，每轴可输出脉冲和方向信号，用以控制电机的运转。d m c 运动控 制卡内部采用d s p 芯片处理，具有梯形和s 形升降曲线，最高输出频率可达 6 5 5 m h z ，并带有编码器反馈接口，另外每卡还提供l6 路输入和l6 路输出 通用i o 接口，所有的输入输出信号均采用光电隔离，大大提高了运动控制卡 的可靠性和抗干扰能力。执行部件选择雷赛公司生产的8 6 h s 3 5 型步进电机，驱 动器型号为m e 8 7 2 ，本系统的硬件结构，如下图所示。 7 陕西科技大学硕士学位论文 1 “小扣订1 = 3 鼻 i 显示及操作 d m c 5 4 0 0 运动控制卡 吲l 耳电刀l 雏明秸 i l # ；书抉堆i i ei 四轴 i n ur ，j t t 订c ：一ln 口 z 再电秽l 挺砌器 i 工控机c p u 卜 兽 1 百她蝌b 控制 脉冲 p c i l 接口 3 # 电机驱动器 b - 4 总线 u 接口 4 # 电机驱动器 山 - i i 一一 位置控制 数字 l 运明控制幽 信号 l 数库 接口 l 限位和原点 l 开关 图l 3 系统硬件电路图 f i g 1 3s y s t e mh a r d w a r ec i r c u i tc h a r t 由图1 3 可知，d m c 5 4 0 0 运动控制卡通过p c i 插槽内嵌到工控机中，卡 上专用c p u 与工控机c p u 构成主从式双c p u 控制模式。p c 机主要负责人 机界面、实时监控和发送指令等系统管理工作，运动控制卡上专用c p u 负责 处理运动控制的细节，例如升降速计算、行程控制、多轴插补等，而且不占用 p c 机资源，便于让用户专注精力解决复杂的运动控制问题。 1 5 2 系统的软件平台 开放式数控系统的软件平台在很大程度上决定了数控系统的工作方式、工 作效率及其开放程度。数控系统的软件是在软件平台的基础上对不同功能模块 的集成。目前用于数控系统的操作系统主要分为两大类： ( 1 ) 专用的实时控制平台，如美国的嵌入式实时多任务操作系统r t x c 、 加拿大的q n x 和v x w o r k s 等，这些专用的实时操作系统有着非常好的实时 性，但同时也造成了软件的不兼容性，不利于实现与异构系统之间的通信，也 不能兼容市场上各类w i n 3 2 软件，而且其开发工具价格昂贵，因此其开放性 较差。 ( 2 ) 通用的操作系统平台，例如d o s 、u n i x l i n u x 、w in d o w s 等。这些系 统具有体系结构的开放性，文档资料和编程工具丰富，便于移植，因此更适 合开放式数控系统的需要。本系统中是在w i n d o w s x p 平台上进行开发， w in d o w s 平台上开发c n c 系统有两大优点：一是统一的友好图形界面以及丰 富的软件资源和开发工具，可极大缩短开发周期；二是w i n d o w s 是基于抢占 式的多任务操作系统，实现实时多任务功能不需要用户的干预。 本试验平台采用通用的操作系统平台，利用c + + b u i l d e r 作为开发工具。 c + + b u i l d e r 是美国b o r l a n d 公司在19 9 7 年推出的一个优秀的可视化编程 环境。它在3 2 位w i n d o w s 环境下为我们提供了一种极具吸引力的快速应用 8 热保护器耐热冲击试验平台运动控制系统 程序开发系统( r a d ) ；是基于最流行的面向对象的程序设计语言c + + ，并拥有 广泛的程序员基础；它提供了对a c t i v e x 无懈可击的支持，对w i n d o w sa p i 和d i r e c t x 也进行了全面包装。c + + b u i l d e r 的易用性远超过v i s u a lc + + 和 b o r l a n dc + + 等开发环境，但它强大的开发功能并没有因之而削弱，可以说c + + b u i l d e r 在软件开发的功能性和易用性之间架起了座桥梁。c + + b u i l d e r 是在 b o r l a n dc + + 和d e l p h i 基础上发展起来的。它采用具有世界领先水平的 b o r l a n dc + + 的编译器和高度可视化的图形平台，可开发出非常高效和可独立 执行的程序。 2 2 1 1 6 本论文研究目的、意义及内容安排 1 6 1 本论文研究的目的及意义 热保护器在加热炉中加热到l0 0 0 ，在冷却炉中的冷却技术条件见下表： 表1 1 试件冷却技术条件图表 t a bi - 1s a m p l ec o o l i n gt e c h n i c a lc o n d i t i o nc h a r t 根据图表要求的加热和冷却条件，热保护器需要在加热炉里面加热到 1 0 0 0 ，然后在运送到冷却炉里面降到3 2 0 ，循环1 6 2 5 次；再加热到1 0 0 0 ， 降到2 8 0 ，循环7 5 0 次；加热到1 0 0 0 ，冷却到2 4 0 ，循环2 7 5 次；加热 到10 0 0 ，冷却到2 0 0 ，循环7 5 次。通过以上过程来考核热保护器在模拟 试验工况下的抗热疲劳性能，而这一个试验做完需要半个月以上的时间，靠人 工在加热炉和冷却炉之间来回挪动，费时费力；而设计一个热保护器耐热冲击 试验平台运动控制系统通过小车机器人代替人工完成6 个热保护器的加热和冷 却循环试验，就非常方便和可行。因此，研究开发具有良好性价比的运动控制 系统具有非常重要的意义。 通过调研分析国内外数控运动装置的现状，本系统选择“n c ”嵌入“p c ”结 构的开放式数控系统，且1 以工控机和d m c 5 4 0 0 高性能运动控制卡为基础构件 构成开放式数控系统的硬件平台。主要研究目的体现在以下几个方面： 9 陕西科技大学硕士学位论文 ( 1 ) 提高运动控制平台的整体可靠性、稳定性，降低成本。 ( 2 ) 提高运动控制平台的运行位置精度。 ( 3 ) 模块化设计，将运动控制平台各个动作进行分解，然后按照功能进行 模块划分。 ( 4 ) 柔性化设计，提高应用功能的灵活性，但是最终按照试验的要求，进 行定制现场解决方案。 1 6 2 本论文研究的内容及安排 本论文的主要研究内容是：雷赛d m c 5 4 0 0 运动控制卡的有关性能参数的 分析、研究与应用；热保护器耐热冲击试验平台运动控制系统硬件方案的总体 规划与设计；开发一个功能强大，具有友好人机界面的数控系统控制软件；基 于运动控制平台作试样的耐热冲击试验。 据此，本论文的整体安排如下： 第一章综述 第二章耐热冲击试验平台运动控制系统硬件设计 第三章耐热冲击试验平台运动控制系统软件设计 第四章耐热冲击试验平台运动控制系统精度控制 第五章结论和展望 1 0 热保护器耐热冲击试验平台运动控制系统 2 热保护器耐热冲击试验平台运动控制系统硬件设计 2 1 系统简介 2 1 1 热疲劳的概念 材料的抗热疲劳性是指在交变温度条件下材料抵抗产生裂纹及变形的能 力。与材料的其它性能不同，抗热疲劳性受多种因素影响，如材料的导热性、 强度、塑性、零件结构、温度循环间隔、加热及冷却速度、最高温度等。f 2 3 】 热疲劳的本质是由热应力引起热应变，从而使材料产生热疲劳。【2 4 1 如果热应力 大于金属材料在该温度下的屈服点，便会发生压、拉塑性应变。这样，金属表 面在循环热应力的作用下产生循环的塑性变形，经过一定的循环次数，导致表 面产生许多细小的热疲劳裂纹。根据热应力的分布和作用方向，热疲劳裂纹可 以呈条状、放射状、有的则连成网状，所以常称为“龟裂”。 2 1 2 设计目标 根据给出的热保护器热疲劳试验条件及试验参数，设计出能够无人值守的 全自动化的加热、传递运输、冷却系统，对热保护器进行热疲劳试验，要求保 证系统的定位精度使系统能够顺利取放试样并且保证实验结束后试样的放置 位置和初始位置一致。从而充分了解陶瓷裂纹产生，提高陶瓷的韧性。 2 2 机械部分总体设计 熟保护器耐热冲击试验平台运动控制系统共有三部分组成：加热炉、小车 机器人、冷却炉。各部分的功能如下： ( 1 ) 加热炉：当小车机器人将两个试样放到加热炉的升降台上时，加热炉 的升降台将试样送进加热炉内进行加热；当加热到l0 0 0 后( 需要5 m i n ) ，升 降台将试样缓缓放下，由小车机器人取走；同时，在试样顶部刚刚下降到炉膛 底部以下时，加热炉的备用炉膛档口将炉膛口封闭，防止炉膛温度下降过快。 ( 2 ) 小车机器人：将冷却台里面冷却到要求温度的试样取走，送到加热炉 的升降台上的指定位置；将加热炉里面加热到要求温度的试样取走，送到冷却 炉托台的指定位置。 ( 3 ) 冷却炉：当试样下降到要求温度后，小车机器人到达冷却炉外一定距 离，冷却炉门打开，同时冷却台托板旋转一定角度，将指定试样旋转到炉口位 置，小车机器人取走试样，炉门关闭。 陕西科技大学硕士学位论文 系统机械部分总体设计如下： ( 1 ) 升降台部分： 图2 1 加热炉升降台 f i 9 2 - 1h e a t i n gf u r n a c ee l e v a t o r p l a t f o r m ( 2 ) 小车机器人部分： ( 3 ) 冷却炉部分： 图2 - 2 小车机器人 f i 9 2 2r o b o tt r a n s p o r t e r 1 2 热保护器耐热冲击试验平台运动控制系统 2 3 控制方案选择 令 鞯1 必 lu j 呦 图2 3 冷却炉 f i 9 2 3c o o l i n gf u r n a c e 2 3 1 硬件设计原则 系统设计时应遵循以下几条原则：】 ( 1 ) 满足使用要求：从系统的设计来看，选择硬件首先要满足系统的基本 要求，如果无法满足系统的基本性能要求，则有这些硬件组合起来的系统就无 法实现其性能要求。 ( 2 ) 可靠性原则：可靠性原则考虑的是设计好的系统能否可靠地工作，即系 统在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。能否满足重要场合下 的可靠性要求、是否进行冗余配置。对计算机辅助检测系统来说，无论其在原 理上如何先进、功能如何全面、精度如何高级，但如果可靠性差，故障频繁， 不能长期可靠的正常运行，则该系统就没有使用价值。因此系统的可靠性设计 应该贯穿整个设计和制造过程中。 ( 3 ) 完整性原则：从系统论的观点来看，若要使系统发挥其应有的作用，系 统必须完整。因此在对本系统进行设计时，首先要考虑系统的完整性，否则在 安装和使用时就会出现这样或那样的问题，并带来许多不必要的麻烦。最好使 设计好的系统的性能略高于实际要求，按这样设计的系统扩展性较好。 ( 4 ) 操作维护方便：在系统总体设计时应考虑到操作维护方便，使系统易学 易用，降低对操作人基于控制的开放式数控