（电机与电器专业论文）基于hust控制器的全自动数控系统产品化开发.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t a u t o m a t i ec n cs y s t e mb a s o do uh u s t sc o n t r o l 缸o n es e to f 恤r e a x i sl 砸k a g em e c h a t r o n i c p l a t f o r md e s i g n e dc o m p l e t e l yb yo u rl a bt e a mi n d e p e n d e n t l y m e c h a n i c a lt e c h n o l o g y , e l e c t r i c a lc o n t r o l t e c h n o l o g ya n dp cm a n a g e m e n tt e c h n o l o g yh a v eb e e nu s e di nt h i sp l a t f o r ms y s t e m t h i sp l a t f o r mh a s h i g h l yp r a c t i c a lv a l u ea n ds y s t e mi n t e g r a t i o n o nt h eb a s eo ft h i sp l a t f o r m ，w ef a nm a k ep r a c t i c a l m a c h i n et o o li nt h e s ey e a r s ，h i g h - p r e c i s i o nn u m e r i c a lg o n t r o im a c h i n et o o lm a r k e th a sb e e no c c u p i e d a l m o s tb yf o r e i g nc o m p a n i e s , a n dw i t ht h ed e v e l o p m e n to fo u rc o u u t r ye c o n o m i c ，t h en e e do ft h e h i g h p r e c i s i o nn u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n et o o lw i l lb em o r ea n dm o r ei n c r e a s i n g s oi t 缸v e r yn e c e s s a r y t om a k et h i sp l a t f o r mb et h ep r a c t i c a lp r o d u c t h i g h - p r e c i s i o nn u m e r i c a lc o n t r o lm i l l i n gm a c h i n e i sa ni m p o r t a n tf o c u si nt h em a c h i n i n gi n d u s t r y t om a k ec l i e n t ss a t i s f i e d ，r o u g h c a s t sm u s tb ep r o c e s s e dt ob ea sc l e a na s _ w h i s t l e i na d d i t i o n ，t h e b o a r dm a t e r i a li so n ek i n do fi m p o r t a n ta r c h i t e c t u r a la n do r n a m e n t a lm a t e r i a lt h a ta r eu s e dw i d e l yi n m a n y f i e l d ss u c ha sb u i l d i n gc o n s t r u c t i o n f u r n i t u r em a n u f a c t u r e b o a r dc u t t i n g 缸o n eo ft h ei m p o r t a n t w o r k i n gp r o c e d u r e si nt h eb o a r dm a c h i n i n gp r o c e s s a tp r e s e n t , c o m p a r e dw i t ht h es a m et y p eo f f o r e i g np r o d u c t s ，h o m e - m a d en u m e r i c a lc o n t r o le q u i p m e n t ss t i l lh a v ed i s p a r i t i e si nl o c a t i o np r e c i s i o n ， c u t t i n gs p e e d ，r u n n i n gd e p e n d a b i l i t ya n ds oo n s o ，d o m e s t i cf a c t o r i e sg e n e r a u yu s ei m p o r t e d n u m e r i c a lc o n t r o le q u i p m e n t s d u r i n gt h e s ey e a r s , w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y r e p r e s e n t e db yc o m p u t e rt e c h n o l o g y , c o m p u t e ri n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n g ( c i m ) h a sb e e na p p l i e dt o m a n u f a c t u r i n gi n d u s t r yg r a d u a l 虹p r o d u c t i o nm o d eo ft h ee n t e r p r i s ei sc h a n g i n gf r o ms i n g l e a u t o m a t i o no fp r o d u c i n gp r o c e s st oi n t e g r a t e da u t o m a t i o no fa l lt h ep r o c e s si n c l u d i n gp r o d u c td e s i g n ， p r o d u c tm a n u f a c t u r i n g q u a i l t ya s s u r a n c ea n ds oo a r e f e r r i n gt os o m ea d v a n c e dt e c h n o l o g yo f f o r e i g n c o u n t r i e sa n df o l l o w i n gt h eb a s i ci d e ao fc i m a n a l y 面n gh o wt od e v e l o p _ c o m p l e t en u m e r i c a lc o n t r o l m i l l i n gm a c h i n es y s t e mb a s e do np cm a n a g e m e n ta n dc n cc o n t r o l , a n dm a k i n gt h eb o a r dc u t t i n g s y s t e mb a s e do nt h ep l a t f o r ms y s t e mw h i c hh a sb e e ns u c c e e d e da l r e a d ya r et h et w om a i no b j e c t so ft h e d i s s e r t a f i o n a f t e rb r i e f l yi n t r o d u c i n gt h ed e v e l o p m e n to fn u m e r i c a lc o n t r o lt e c h n i q h ea n dt h ec o n c e p t i o no f c i m ，t h ed i s s e r t a t i o na n a l y z e st h ef u n c t i o n so f t h eh a r d w a r ec o n f i g u r a t i o no f t h ep l a t f o r mi n c l u d i n g m e c h a n i c a ld e s i g n e l e c t r i c a lc o n t r o ld e s i g na n dp cm a n a g e m e n td e s i g ne r e t h e ns o m e m a i np a r t so f t h en u m e r i c a lc o n t r o l m i l l i n g c u t t e rs o f t w a r ed e v e l o p m e n ts u c ha se x t r a c t i o no fd r a w i n g i n f o r m a t i o n ，t h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e ns u p e r - c o m p u t e ra n ds u b - c o m p u t e ra r ee x p a t i a t e do o t ot h e s u b - c o m p u t e rm o d u l e ，t h ed i s s e r t a t i o nm a i n l yp r e s e n t sd e s i g no fb u i l d i n gt h et r a c ko ft h ec u t t e rc e n t e r a u t o m a t i c a l l ya c c o r d i n gt ot h ep a r a m e t e r s i na d d i t i o n ，t h er e s to ft h i sd i s s e r t a t i o nm a i n l yd i s c u s st h en e ww a y s ，w h i c ha r eu s e di nb o a r d c u t t i n g s y s t e m ，i n c l u d i n gh o wt ob u i l dt h em i n i m u me n c i r c l i n gr e c t a n g l eo ft h er a n d o md r a w i n g a u t o m a t i c a l l ya n dt w o - d i m e n s i o nc u t t i n gs t o c ka l g o r i t h me t c a tl a s ls o m ep r o p o s a lo fi m p r o v i n gs y s t e mi sb r o u g h tf o r w a r da tt h ee n do ft h ed i s s e r t a t i o n t h e n u m e r i c a lc o n t r o lm i l l i n gm a c h i n es y s t e mh a sb e e nu s e dt ow o r ki nt h ef a c t o r y u n t i ln o w ，n op r o b l e m h a sb e e nf o u n d ，t h es y s t e mw o r k sw e l l k e yw o r d s ：m i l l i n gm a c h i n es y s t e m ；n u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m ；s e r v os y s t e m ；t w o d i m e n s i o n m o c ko p t i m i z a t i o np r o b l e m ； i l 东南大学硕士学位论文 1 1 数控技术的产生和现状 第一章绪论 公元1 9 4 8 年美国帕森斯公司提出了采用电子计算机控制机床，并于1 9 5 4 年成功研制出世界上第 一台三坐标数控铣床，这标志着数字化信息控制机床运动及复杂零件加工的数控技术的开始。这种电 子计算机以数字方式控制机床工作的技术称为数字控制技术，简称数控( 缩写为n c ) 。到了七十年代 末期，随着计算机技术的发展以及为了提高数控系统的通用性和灵活性，产生了计算机数控( c n c ) ， 但由于习惯，仍简称为“数控l j l 2 j 。由于数控是与机床控制密切相关发展起来的，因此，通常讲的“数 控”即为“机床数控”，用这种控制技术控制的机床称为“数控机床”。 数控机床自诞生以来，其数控系统随着电子器件的更新换代也在不断发展，特别是超大规模集成 电路技术和微处理器被引入数控系统，以及直流和交流伺服驱动技术的成熟，大大地推动了数控机床 的发展，未来的数控将朝着高精度化、高速度化，高柔性化，高自动化，高可靠性以及开放式方向发 展【3 l 。 目前以电子信息技术为基础，集传统的机械制造技术、计算机技术、成组技术与现代控制技术、 传感检测技术、信息处理技术通信技术、液压气动技术、机电技术于一体的数控技术得到迅速发展 和广泛应用2 1 1 3 1 。现代数控加工技术的普遍应用，使产品的加工周期大幅缩短，提高了产品的加工质 量，加速了产品的更新换代，增强了产品的竞争力。当前，数控技术已经成为体现一个国家机械制造 工业水平的重要标志之一，更是衡餐一个制造企业技术水平的重要标准。基于上述趋势，许多制造行 业都已经采用数控加工的方式来提高产品的竞争力。数控技术( n u m e r i c a l c o n t r o l ，简称n c ) 已经对国 民经济主导工业的发展具有举足轻重的推动作用i lj 。 世界上很多发达国家均投入大量的人力物力来对数控技术在生产中的应用研究，我国在这方面虽 然起步较晚，但发展形势喜人。 1 2 数控技术的发展和计算机集成制造( c l m ) 随着生产技术的发展，对产品的性能要求越来越高，产品改型频繁，采用多品种小批量生产方式的企业 越米越多，数控技术正向以下方面发展 4 1 。 1 高速化和高精度化 目前数控机床正向着高速化和高精度化方向发展，主轴转速可达1 0 0 0 0 4 0 0 0 0r m i n ，迸给速度可达3 0 m m i n ，快速移动可达1 0 0m m i n ，加速度可达lg ，换刀时间可达1 5s ，加工中心的定位精度约为+ - 5 m ， 有的可达到1 p m 。 2 数控系统智能化、信息化 由于微电子技术、超大规模集成电路等各种技术的发展，使数控系统实现智能化变为可能。智能化的数 第一章绪论 控系统可以解决数控机床的故障诊断和提出排除的方法，也可以更广泛、更深入的解决加工中的技术问题。 i t ( 信息技术) 已经成为2 1 世纪的重要发展潮流，数控机床将会广泛的应用i t 技术实现控制、监控、 诊断、补偿、调整等功能，提高机床无人化、智能化、集成化之水平，利用i t 网络将机床与工段、车间、 工厂、外界数据库等进行联系，进一步实现制造、管理、经营、销售、服务等各方面之间的网络化。也就是 向c i m s ( 计算机集成制造系统) 方向发展。 3 数控系统开放化 以往的数控系统是由生产厂商独自开发，自成体，通用性很差。用户不能根据生产的实际需要添加或 改变系统功能，更不能适应信息技术发展的需要。开放式数控系统以p c 为核心，系统的所有元件对用户完 全开放，用户可以灵活自主地构建自己的系统。同时，从简单的串行口通信到复杂的网络，不同的信息都能 得到很好的应用。开放式数控系统已经成为数控系统发展的一种趋势。 2 0 世纪出现的以计算机技术为代表的信息技术，对整个社会生活带来了深刻而广泛的影响。而紧 随计算机技术发展起来的机床数控技术也极大地推动了制造业的发展。数控技术在单机自动化这一层 面渗透到所有切割( 含磨削) 加工机床，而且还进入到成形加工机床、激光加工机床、电火花加工机 床等领域，进而出现了加工中心、车削中心、f m c 、f m s 等，从而在一定范围内实现了一定程度的物 料流、信息流的自动化。随着信息越来越多，信息晕也越来越大，技术难度也就更加复杂p 】。 顺应这一技术发展的趋势，1 9 7 4 年美国j o s e p hh a r r i n g t o n 博士提出了“计算机集成制造( c i m ) 的概念”，其基本观点为： 1 ) 企业生产的各个环节( 从市场分析、产品设计、加工制造、经营管理到售后服务的全部生产 活动) 是一个不可分割的罄体、要紧密连接，统一考虑； 2 )整个生产过程实质上是一个数据的采集、传递和加工处理的过程，最终形成产品可以看作是 数据的物资表现。 c i m 概念的产生，拓展了人们对“制造”的认识。通常“制造”仅被理解为工艺设计、库存控制、 生成制造及维护活动等，这是一种狭义的理解；广义理解“制造”应包括对产品需求的洞察、产品概 念的形成、设计、开发、生产、销售以及对用户在使用产品过程中提供的服务等全部活动。“制造”是 一个复杂的信息转换、传输处理过程，在“制造”中进行的一切活动都是信息处理连续统一体的部分。 e l m 不是纯粹的技术，而是一种企业经营管理的哲理，一种新型的生产模式。c i m 的目标在于寻 找一条使企业达到预定战略目标的有效途径，这就是，从系统工程的整体优化观点出发，通盘考虑市 场需求、企业经营目标、技术支撑条件和人的因素，利用现代信息技术、生产技术以及两者的有效结 合，对生产过程涉及的各个局部系统进行有效的综合集成，以达到全局性的优化目的。计算机是集成 的工具，计算机辅助的各单元技术是集成的基础，信息交换是桥梁，信息共享是目标。当把c i m 实施 于某具体生产部门时，则构成一个复杂的信息化工程系统，即计算机集成制造系统( c i m s ) t 6 - 1 7 1 。 几十年来，c i m s 这门高新技术已日渐成为制造业的热点，世界上一些工业发达国家和著名企业都 纷纷制订和实施本国或本企业的c 1 m s 战略。在欧美各国和日本的各项高新技术发展计划中，c i m s 已 经成为关键项目之一。1 9 9 3 年汉诺威博览会上有1 9 9 家公司展出了c i m s 应用软件，其中，为进行大 批量生产的大中型企业提供的c i m s 软件有2 0 家：为中小批量生产企业提供c i m s 软件的有5 0 家； 为小型小批鼍企业提供c i m s 软件的有2 5 家；为小型流程生产企业提供c i m s 软件的有2 5 家 s h l t j 。 2 东南人学硕上学位论文 我国对c i m s 的研究和应用是很重视的，早在1 9 8 6 年就将这门高新技术列入中国高技术研究发 展计划纲要( 即“8 6 3 ”计划) ，同年1 1 月经国务院常务会议和中共中央政治局扩大会批准，全面付诸 实施。c i m s 在我国的发展基本上可分为以下4 步： 1 ) 建立c i m s 工程研究中心，摸索在我国实现c i m s 的技术路线及方法，初步形成集成制造的 实验环境，着重解决总体集成的关键技术，并培养一支能承担集成系统设计的技术队伍 ( 1 9 8 8 1 9 9 2 ) ： 2 )围绕c i m s 的单元关键技术建立一批国家级实验基地，形成研究开发环境( 1 9 9 0 1 9 9 3 ) ； 3 1 选择并支持若干个重点应用工厂，逐步实现从该工厂需求出发而提出的c i m s 计划( 1 9 9 0 1 9 9 5 ) ； 4 )逐步推广c 1 m s ，并形成我国的c i m s 产业( 1 9 9 4 ) 。 经过十几年的努力，c i m s 在我国已有了迅速的发展，并取得了十分突出的成果，具体表现在： 1 1建立了一批研究基地，并且已经掌握了实现c i m s 的关键技术，因此，建立在清华大学的国 家c i m s 工程研究中心1 9 9 4 年获得美国s m e ( 制造工程协会) 颁发的c i m s 大学领先奖； 2 )已有几十个工厂应用了c 1 m s ，并已取得了明显效果，其中比较突出的有成都飞机工业公司、 沈阳鼓风机厂、北京第一机床厂等。北京第机床厂还获得了美国s m e 颁发的1 9 9 5 年c i m s 工业领先奖 3 )由于将推广c 1 m s 与企业技术改造相结合，国内已有一批工厂制定了应用c i m s 的战略计划， 并已开始实施； 相关c 1 m s 产业在国内也有了一定的发展，如在我国已经在发展自己的c a d 、c a d c a m 等产业， 并取得了一定的效果。 通过实践，人们加深了对c i m 概念的理解，并对其进行丰富和充实。人们逐渐从强调信息集成是 核心转变到以人为本，用户为核心的c i m 。新的c i m 概念中，核心是要赢得用户，赢得市场，按照这 一个指导方向，世界上许多成熟企业正走在大批量个性化定制( 以满足用户的不同要求) 生产的道路 上。 目前的c m s 系统一般包括决策层、信息层、物质层三个功能结构层次。 1 )决策层是帮助企业领导做出经营决策； 信息层是生成工程技术信息( c a d 、c a p p 、c a m 及c a q 等) ，进行企业信息管理( 包括物 质需求、生产计划等) ； 3 1 物质层是处于底层的生产实体，涉及生产环境和加工制造中的许多设备、库存和销售等环节。 设备根据行业不同而不同常见的生产设备有数控机床、加工中心、机器人，自动化运输车、 自动化立体仓库、柔性制造单元和柔性制造系统等嘲。i l l 】。 在生产自动化的进程中，许多上述各层的单项技术都在不断的发展和演变。2 0 世纪8 0 年代，计算 机已广泛应用于生产过程的各个领域，形成了很多计算机应用的分散系统，如c a d 、c a p p 、c a m 、 c a e 、c a q 、c a t 等。这些分散系统在提高产品质量、减轻人类劳动强度方面发挥了重要作用。但是 这些分散系统在实际应用中存在一个最大缺陷，那就是数据的重复输入。这是因为目前的c a d 、c a p p 、 c a m 等系统是相互独立发展起来的。这些系统功能不同，表达方法也不同，因此在进入c a p p 、c a m j 第一章绪论 等系统环境时，还需要人工进行信息提起、组织输入。这不仅造成了信息中断、而且重复输入容易引 起信息的差错和丢失，严重影响工作效率的提高和系统的可靠性。所以，随着信息技术的日益发展。 自然提出要将企业内分散的系统进行集成，使信息一次产生为后续环节共享。这一设想，不仅包括生 产信息也包括生产管理过程的全部信息。 同时，作为自动化生产系统重要环节的数控技术，接收和利用c a d 等系统的信息，应能不失真地 保持和传递下去，并具有稳定的通信协议接口和开放的网络化功能。 i 3 数控铣床和套料裁切系统工业应用分析 随着科学技术的不断更新发展，越来越多的前沿科技被运用于生产实践中，使科学技术转化为生 产力变成了现实。 在很多零件生产企业，给生产好的毛胚零件内腔或外壁打磨是一道基本的工序，特别是在零件数 量比较多的情况下都采用数控机床来完成这项工作。特别是近几年来。生产效率的提高关系到整个企 业的生存。因此研制拥有自主开发产权的数控铣床具有很大的社会效益。目前，国内已有不少厂家在 研制整套的铣床系统( 包括硬件和软件控制系统) ，一些大型生产商生产的数控设备甚至已经出口到 国外。但是在精度和自动化程度上和国外的设备还存在不少的差距。因此精度和高自动化成为铣床的 两大改进目标。 生产规模越来越大，零件和所用原材料的数量也越来越大。在许多大型机电设备生产中，零件毛 坯是从成卷套料板材上下料获得的。提高材料的利_ j 率，合理地选用板材可以降低产品的制造成本， 提高生产效益。近2 0 多年来，人们提出了多种排样方法，从人机交互式的半自动排样发展到计算机自 动排样。目前比较通用的板材优化排样系统一般均是基于矩形件排样。矩形件排样优化通常是指在给 定型号的矩形板材上排放所需要的矩形件，使排放区域的板材废料尽可能地少，以达到节省板材的目 的。对于非矩形的不规则形状零件的排样问题，可通过计算机的图形处理技术将一个或几个零件套排 在一个最小化包容矩形中”“，注意这里包容矩形的定制也关系到优化的好坏，这一步在需要在排样前 期完成，然后对包容矩形进行排样，从而转化为矩形件排样问题。 柔性板材原料是重要的建筑、装饰材料。特别是近来比较流行的布匹、轻型布质建筑装修板材， 都是在成卷的原料上面下套料，以满足不同建筑装修场合的应用。这种情况下有两种方法来定制所需 工件，一种方法是事先生成规则的原料模版，利用成熟的定矩形排样优化算法进行优化排样；另一种 方法是直接根据需f 料的特点进行实时跟踪f 料。很多生产柔性套料板材的企业为了在激烈的市场竞 争之中生存、发展并立于不败之地，一个十分重要的任务就是尽一切力量提高企业的经济效益，而提 高效益的一个重要环节就是降低生产成本。在这样的形势要求下，开发出实用、方便的计算机辅助套 料优化排样系统是一项非常有现实意义的工作。 目前，国内成套自动套料裁切系统绝大部分来源于国外一些大型跨国公司，这些大型跨国企业均能 提供全套的自动套料裁切系统。这些系统集自动上料、冲裁等各项功能于一体。同时，系统软件本身 也集成了c a d 计算机辅助设计系统，原料、订单、产品图形库等数据管理，冲裁工艺调整，数控n c 程序自动生成以及实时监控界面等，不仅实现了生产过程的自动化，而且能自动实现信息交换、信息 4 东南大学硕七学位论文 共享、信息传输等各种信息处理过程，在一定程度上达到了计算机集成制造( c i m ) 的要求，很多国 内大型企业使用效果良好。从而从工程上也证明了这种控制方法的优势所在。 虽然国外的自动套料裁切系统在性能方面有优势，但在硬件与软件设计上较为封闭，不能根据不同用 户需求进行修改或扩展；而且关键是价格昂贵，维修费用高、周期长。另外，由于这些系统是针对全球销 售，很难考虑到我国用户的特殊要求。鉴于以上原因，根据我国的实际情况，借鉴国外的先进技术，研制 具有自主知识产权的自动套料裁切系统，来替代同类进口设备。具有重要现实意义。 1 4 本文主要研究内容 本文从实际上稃角度出发以课题组已开发的基于h u s t 控制器的全自动数控系统为平台，将该 系统工程化、产品化，分别设计出高精度自动铣床控制和套料裁切优化系统。文中阐述了开发的思路， 实际_ i = 程实施期间遇到的问题，并根据问题提出理论解决方法的思路，最终在工程中的实现方法以及 后续的研发中的改进。 主要内容有以下几个方面： 1 第一章绪论。首先介绍数控机床系统中主要控制设备数控系统的产生和发展，接着 就目前的种先进制造技术计算机集成制造( c 1 m ) 的思想作简要分析，最后说明采用先进技术 自主开发成套铣床系统和套料优化系统的重要性和可行性。 2 第二章平台系统设计介绍。本章在从总体上对基于h u s t 控制器的数控系统平台进行基 本的功能分析的基础上，重点介绍了平台系统的电控系统和通讯控制部分。 3 第三章产品化之一高精度铣床系统分析重点阐述异形零件c a d 图形d x f 数据传递接 口的设计和对最新图形格式的介绍；上位机( p c 机) 和下位机( 数控系统) 串行通信参数设置的实现； 保护配置的实现。 4 第四章本章详细阐述铣床系统中铣刀自动生成轨迹的算法和程序实现、加工代码的自动 生成等。 5 第五章产品化之二套料裁切系统分析。该系统是课题组全体成员的努力。本章主要着重 描述笔者自己完成部分的工作，包括扫描输入和图形输出；输入图形微调；以及最小包围矩形的思想 和实现。 6 第六章套料优化算法分析及其实现。尽可能的节约型材，提高型材利用率，是企业经营 的基本原则。本章提出了一种启发式的实用算法，并且编制相应测试程序进行模拟排版。模拟结果优 化率良好，达到了预期要求。 7 第七章总结与展望。总结本文工作并提出了系统改进和扩展的一些方案，主要是针对目 前较为流行的p m a c 轴控 代替数控设备的趋势分析，对就本论文中涉及的两套实际应用系统进行改 进论述。 5 东南大学硕士学位论文 第二章基于h u s t 控制器的数控系统平台设计 本章主要介绍了基于h u s t 控制器的全自动数控系统平台的敷控器指令规范基本电气控制p c 机 与下位机之间通讯联系等基本配置情况该系统平台是实验室课题组全体成员历经数年的开发成果， 其早期产品化之一全自动玻璃切割机已投入商业运行当然，平台系统和具有实际特定加工目的的工 业机床产品之间存在一定的差异，本章主要阐述其中一些比较共性的内容。 2 。1 数控器指令规范及说明 h u s ti 3 的指令规范如表2 - 1 所示【1 3 1 1 2 0 】。 表1 - 1 数控器代码规范 指令码功能说明指令码功能说明 g o o 快速定位( 快速进给) g 1 7 x y 圆弧切铣平面设定 g o l 直线切铣( 切铣进给) g 1 8 z x 圆弧切铣平面设定 g 0 2 顺时针圆弧切铣( c w ) g 1 9 u z 圆弧切铣平面设定 g 0 3 逆时针圆弧切铣( c c w ) m o o 程式停止。按下起动继续执行 g 0 4 暂停 m 0 2 程式结束 g 0 8设定机械坐标m 5 5抬起( 由气缸控制) g 1 0 数控器内部参数设定 m 5 6 落f ( 由气缸控制) g 6 5 用户白设宏指令( m a c r o ) g o o 指令是数控器命令切镜头以最高进给速度移动到程式中指定的终点位置。格式如下：g 0 0 xy ，x 、y 为定位终点的绝对坐标值。 g o i 指令是数控器命令切铣头以给定速度执行直线切铣功能至程式中指定的终点位置。格式如下： g 01 x 一y f 二j x 、y 为切铣终点的绝对坐标值，f 为切铣进给率。切铣起点即为指令执行前切铣 头所在位置。 g 0 2 g 0 3 指令分别是数控器命令切铣头以给定速度顺时针，逆时针沿圆弧切铣至程式所指定的终 点位置。格式如下： g 0 2xyi j j 一，即以速度f 顺时针切铣图2 - 1 所示圆弧。 g 0 3x yi jf ，即以速度f 逆时针切铣图2 2 所示圆弧。 表中m 5 5 、m 5 6 指令由数控器与p l c 共同规划完成。当执行m 5 5 指令时，数控器首先向p l c 送 出状态位s 0 2 4 高电平信号( o n 0 7 5 c ，o f f 0 2 5 c 的周期方波) ，同时向内部寄存器r 2 5 2 写入s 5 。 此时，p l c 将执行如下动作。并最终控制气缸来控制刀头的落下和抬升，以完成程序的完整操作。 6 第二章基于h u s t 控制器的数拧系统平台设计 图2 1 顺时针切铣圆弧 图2 - 2 逆时针切铣圆弧 p l c 循环检测 图2 - 3 m 指令执行流程图 。7 5 i t 图2 - 4 周期方波 7 东南大学硕士学位论文 2 2 电控主要设备构成 全自动数控系统平台的电气部分主要设备及其分布如图2 - 5 所示，具体说明如下。 o z u 卜 o - r r s 2 3 2 i n t e r n a p l ci 0 a x i s1 a ) 【i s2 a x i s3 m1 p o w e r s u p p l 、 p c 机 d _ 硒i 0 继电板 卜咽! 哐西 卜咽! 蜮 卜咽! 噬冲 卜咱 m p g ( 手摇轮) 肚却a c2 20v 图2 - 5 主要电气设备及其分布图 1 数控装置 系统运动控制器采用台湾亿图公司的h u s t - 3 系列，控制三轴运动，其中x 、y 轴为工作台平面的 轨迹运动，z 轴为旋转运动。控制器内的操作系统负责输入数据处理( 如nc 程序、机床参数等) 、插 补运算及位置控制、速度控制以及故障诊断等功能。h u s t - 3 控制器上还带有r 8 2 3 2 串行接口，手摇 轮脉冲输入接口及内嵌的p l c 等模块。 2 的继电板 继电板采用h u s tn p n 型，每一块输入板带2 4 个输入点，输出板带1 6 个输出点，外部开关设备 ( 如中间继电器、行程开关及接近开关、电磁阀等) 信号线经i o 板接入h u s t - 3 内嵌的p l c 的1 1 0 口。 3 手摇轮 手摇轮用来产生脉冲系列，用来调试系统时，在控制器点动运行模式下驱动电机。 4 伺服系统 。，系统中的执行元件为日本三洋( s a n y o ) 公司的p y 系列交流伺服电机及其相应的驱动 器，具有位置控制、速度控制和力矩控制三种控制模式。伺服系统采用半闭环的位置反馈结构。半闭 环位置伺服系统是具有位置检测和反馈的闭环控制系统，它的位置检测器( 一般为光电编码器) 与伺 服电机同轴相连，可以通过它直接测出电动机轴旋转的角位移，进而推知当前执行机械的实际位置， 由于位置检测器不是直接安装在执行机械上面，位置闭环只能控制到电机轴为止，所以被称为半闭环。 半闭环的反馈结构不能考虑机械传动上的误差，因此轨迹定位不如全闭环的准确，但是可以依靠一些 补偿方法( 节距误差补偿和间隙补偿) 来提高控制精度。 8 第二章摹于h u s t 控制器的数控系统平台设计 2 。3 主要电气接线图及其说明 图2 - 6 主电源接线图 1 主电源接线及其上电时序1 2 l l i 矧 图2 - 6 为平台系统主要电气设备电源供给线路图。其中两台三相普通交流电动机是参考国外同类系 统作为备用动力。按下上电按钮s b i 以后，中间继电器k a l 、k a 2 接通并由k a 2 自保持，触点k a i 的闭合接通继电器k m 2 使控制器( c n c ) 电源接通；继电器k a 3 由p l c 的输出信号控制，在控制器 电源接通几秒以后接通从而给伺服系统上电。系统需要掉电时，按下按钮s b 2 ，首先关闭伺服电源， 由于延时断开继电器k a l 的作用，控制器电源能够继续维持一段时间后断开。图2 7 显示了系统上电 的先后顺序，其中的伺服使能信号为d c 2 4 v ，由p l c 输出开关量提供。 2 控制信号接线图 图2 - 8 为c n c 、伺服驱动器及其光电编码器信号接线图。伺服系统采用速度控制方式，位置信息 由编码器反馈回来。c n c 发出一1 0 v - + 1 0 v 速度控制信号，编码器为绝对式编码，其信号也可直接接入 控制器c n c 中。 9 东南大学硕士学位论文 蝴。僦，l 一_ 越厂 一恻 f ( s e r v o - o n ) _ 1 5 1 ! r 主电源接通 i ( r s tt ) 图2 7 电源启动和闭合时序图 圈2 4 控制信号接线图 3 逻辑控制信号接线图 h u s t - 3 系列控制器中内嵌有p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) 模块，主要用于配合c n c 实现 其他辅助设备的逻辑控制，用户可以在系统默认的p l c 程序基础上根据实际需要添加控制程序。图2 - 9 为系统平台中逻辑控制信号分布图。 2 4 主要控制过程的实现 2 4 1 控制系统数据的存储与传递 h u s t - 3 控制器中，存储空间分为两部分，一部分用于保存n c 代码，另一部分用于保存控制过程中 的数据。后者总共有1 3 5 0 0 个3 2 位的变量地址，这些变量保存了系统的参数、运行状态及其它相关资 料，一些她址空间可以按位取用而被应用于p l c 中进行逻辑控制。表格2 - 2 为h t e t - 3 控制器中变量主 要地址分配及其功能说明。 系统运行过程中，上位p c 机、c n c 控制系统以及p l c 之间实时地有数据和信息的传递。一般的， p c 机一方面只是通过读取控制器变量中的数据来获取系统当前运行状态，另一方面如果要发送指令到 系统，则通过改变相应变量的数据，p l c 程序扫描到变量数据的改变后通知控制器执行相应动作。图 j o 第二章基于h u s t 控制器的数拧系统平台设计 2 1 0 为c n c 与p l c 之间的信号传递关系。 0 v ( a )逻辑输入信号 ( b ) 逻辑输出信号 圈2 - 9 逻辑控制信号分布图 表2 - 2 c n c 地址分配 变量地址 定义的功能 对应范围 0 0 0 0 1 0 9 9 9 9可用户自定义 1 0 0 0 肛1 0 2 5 5寄存器r 0 0 肚r 2 5 5 1 0 2 5 6 1 0 5 1 1计数器c n 0 0 0 ：n 2 5 5 1 0 5 1 2 - 1 0 7 6 7计时器t m 0 0 0 t m 2 5 5 】0 8 0 0 1 0 8 0 71 - b i tf 0 0 0 0 1 0 2 5 5 1 0 8 0 8 1 0 8 1 5o - b i t0 0 0 0 0 0 0 2 5 5 1 0 8 1 6 1 0 8 2 3c b i tc 0 0 0 0 c 0 2 5 5 1 0 8 2 4 1 0 8 3 1s b ts o 0 0 0 s 0 2 5 5 1 0 8 3 2 1 0 8 6 3a - b i ta 0 0 0 0 a 0 2 5 5 s n i t h l s tp i o 拜 te ah j t s 外部 i l s t c b i t s i 0 1 2 备 士夺倍j j5 塔 t 1 栩e r i b i t s r u i 5 t e r c o u n t e r 图2 1 0 c n c 与p l c 信号关系 其中： s - b i t s ：由控制器c h i c 送到p l c 的运行状态信号； c - b i t s ：由p l c 发送到控制器c n c 的指令信号； l - b i t s o - b i t s ：p l c 与外部i o 设备的输入( 输出) 信号； a甚阼亍一 孙阼麓 引善 午叭k 鼍善 早飞蛔午0ml髓于l善t干、 r i j 一 搓丁鼻。掣、r 甲l kr 量甲l 、l 回i 罩甄l1 菇!蕊嚣 磊一 东南大学硕上学位论文 a b i t s ：p l c 的内部辅助信号，占有表格2 - 2 中的变量地址，可作为变量( 3 2 位) 使用； r e g i s t e r ：寄存器- 其中o - 0 9 可以由用户在编制p l c 程序时自由规划，1 0 0 - - 2 5 5 保存了系统的资料； 2 4 2 系统手动操作过程的实现 系统平台提供两种手动操作方式：一是在p c 机监控界面上，设定控制器为手动工作模式，鼠标按 下某一按钮，则刀具以设定速度移动；另外一种是手摇轮操作方式，在手摇轮上能直接设定移动轴向、 移动倍率，每摇一格发出个进给脉冲。以下分别说明两种方式的具体流程，表格2 - 3 中列举出了系 统执行手动操作时所涉及的变量和信号。 i p c 机控制方式。以手动x 轴正向移动为例，当操作人员在控制器手动模式下用鼠标按下x 轴正 向移动按钮以后，p c 机软件经串口通信把控制器变量# 3 4 数值设为i ，p l c 检测到以后通知控制 器以固定速度一直朝x 正向移动，图2 - 1 1 为p c 机上系统执行手动操作流程。 2 手摇轮控制方式。h u s tc h i c 提供了手摇轮脉冲输入硬件接口，控制器根据接受到的脉冲数最可 以进行刀具的准确定位。玻璃切割系统中采用台湾m t t v q 1 0 2 5 6 型手摇轮，通过该手摇轮的辅 助旋钮开关信号并经p l c 处理以后可以直接设定驱动轴( x 、y 或z 轴) 和进给倍率( i 、1 0 或x1 0 0 ) 。图2 1 2 为系统利用手摇轮进行手动操作流程。 需要指出的是，第一种方式一般情况下无法确定刀具移动距离，而利用手摇轮控制，则可以根据所 发脉冲数( 每摇一格发出一个脉冲) 、进给倍率和控制器解析度算出刀具移动距离，具体计算公式如下 式： 刀具迸给距离= 手摇轮移动格数手摇轮迸给倍率季誓蓑舞羔勰其中，每个 轴均有自己的解析度值，解析度分母是手摇轮发出的脉冲数，分子是刀具进给的距离。 ”耋癸掌刍翌2 蓑g 嚣 ( # lo925 = 4 ) + 1 接j 爹等雾乎尹嚣。謦，正l 及d c a 需用a s c i i 表 示为o x l 2 、o x o d 、o x l 4 。数控系统在收到正确请求后一直向上位机返回变蹙数据( 直至上位机发出 停止发送变鼍数据的请求) ，返同数据格式如表2 - 5 ( b ) 所示，上位机端从接收缓冲区中取出数据后要 先按此格式进行校验，然后再把正确的变鼋数据从1 6 进制的a s c i i 码转为十进制数。 ( a ) 上位机发送到c n c 的指令 ( b ) c n c 返回的数据 图2 1 5 从外部p c 机读取控制器变量资 表2 - 4 设定控制器变量数据的协议 上位机输出的指令 ld c 2 字头 2 字头 30 9 0 1 2 指令码 4 n x x x x 变餐地址 5d x x x x x x x x x x x x x x x x = 输入的变量数据 6 字尾 7 d c 4 字尾