（电气工程专业论文）低速走丝线切割加工机床运动控制系统的研究.pdf

江苏大学工程硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n gd e m a n do f h i g h - p r e c i s i o np r o d u c t sf r o mt h em o l di n d u s t r y a n da v i a t i o nm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y , t h ew e d m l sa r ei n g r e a tn e e di nt h e d o m e s t i cm a r k e t a tp r e s e n t ，i nd o m e s t i cm a r k e t ，t h ew e d m l s m a i n l yd e p e n do n i m p o r t s ，a n df e wo ft h e ma r em a d eb yf o r e i g ne n t e r p r i s e si nm a i n l a n d t h e r ea r e o n l ys e v e r a ld o m e s t i cp r o d u c t i o ne n t e r p r i s e ss u c ha ss u z h o us a n g u a n ga n d e l e c t r o m a c h i n gr e s e a r c hi n s t i t u t e w i t ht h i sb a c k g r o u n d ，w ec o o p e r a t ew i t ho n eo f s u z h o ue n t e r p r i s e st od e v e l o pt h em o t i o nc o n t r o ls y s t e m so fw e d m l sm a c h i n e t h i sc o n t r o ls y s t e mt a k e si p c 懿c o r ea n dt h ew i n d o w so p e r a t i n gs y s t e m s 硒t h e s o f t w a r e p l a t f o r m t h es o f t w a r ed e s i g nu s e st h e o b j e c t o r i e n t e dl a n g u a g e p r o g r a m m i n gc + + t of i n i s ht h ed e v e l o p m e n to ft h eu s e ri n t e r f a c ea n dt or e a l i z ea n o p e n i n g ，v i s u a l ，f l e x i b l e ，s t a b l ea n dr e l i a b l ec o n t r o ls y s t e mw h i c hi si n t e g r a t e da n d a u t o m a t e d t h i sp a p e rm a i n l yd i s c u s s e sf r o mt h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： w eh a v es t u d i e dal a r g en u m b e ro fd o c u m e n t s ，m a d ear e s e a r c ho nt h ed i g i t a l c o n t r o ls y s t e mo ft h ew e d mm a c h i n e ，g r a s p e dt h e l a t e l yd e v e l o p m e n to ft h e w e d mc o n t r o ls y s t e ma th o m ea n da b r o a da n da n a l y z e dt h ef o r ma n df u n c t i o n a lo f t h ew e d mc o n t r o ls y s t e m a c c o r d i n gt of u n c t i o n a ln e e d so fw e d m l sm a c h i n e ，w eh a v ed e s i g n e dt h e s t r u c t u r eo ft h eh a r d w a r ec o n t r o ls y s t e m a st h eu p p e rc o m p u t e i p cm a k e st h e c o n t r o l ，s u r v e i l l a n c ea n dh a r m o n yo nt h ec o n t r o l l e r s ，v i at h ei s ab u s a st h el o w e r c o m p u t e r , t h em o t i o nc o n t r o l l e rp e r f o r m st h eo r d e r sf r o mi p c ，t h ed r i v ee x e c u t e c o m p o n e n tr e a l i z ee x p e c t a n tm o t i o na n df i n i s hs o m eh i g h - t i m i n gt a s k s ，s u c ha s p o s i t i o nc o n t r o l ，s p e e dc o n t r o la n ds oo n w eh a v em a d er e s e a r c ho nt h es i t u a t i o na n dt e n d e n c yo ft h ec h a r a c t e r i s t i c so f w e d m - l s p r o c e s s i n ga n dg a pc o n t r o ls y s t e m s ，a n a l y z e dt h ep r e s e n tg a pc o n d i t i o n ， t e s t i n gt e c h n o l o g i e sa n dd e s i g n e dt h ed a t ah a n d l i n g sh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo fg a p c o n t r o lt e c h n o l o g y w eh a v eb yo u r s e l v e sr e s e a r c h e da n dd e v e l o p e dt h es e r v oc o n t r o ls y s t e mo f w e d m l sm a c h i n ei n d e p e n d e n t l ya n dm a d ec l o s e d 1 0 0 pe x p e r i m e n t so nc u r r e n t ， s p e e da n dl o c a t i o n t h er e s u l t so fe x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h es y s t e mh a sa c h i e v e dt h e g e n e r a lr e q u i r e m e n t so fh i g h - p e r f o r m a n c es e r v oc o n t r o ls y s t e mo nt h ep e r f o r m a n c e i n d i c e so fs p e e dr a t i o ，p o s i t i o n i n gt i m e ，p o s i t i o n i n gp r e c i o u s ，f i x a c c u r a c ya n d a n t i - j a m m i n gc a p a b i l i t ye t c k e y w o r d s ：w e d m l s ，m o t i o n c o n t r o l ，g a pc o n t r o l ，s e i v os y s t e m i i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并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。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容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和汇编本学位论文。 本学位论文属于 学位论文作者签名： ， 年多月，l ，日 保密口，在 年解密后适用本授权书。 不保密 覆墨衍指剥撇：老2 r 矿，年月，f 日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：蕴易砀 日期：一艿年b 月 江苏大学工程硕士学位论文 1 、引言 第一章绪论弟一早三百化 线切割加工广泛应用于加工各种硬质合金和淬火钢冲模、样板、各种外形 复杂的精细小零件、窄缝等，并可多件叠加起来加工，能获得一致的尺寸，因 此线切割加工是模具制造企业必不可少的设备。对于多品种少批量的零件、特 殊难加工材料的零件、材料实验样件、各种孔型、特殊齿轮、凸轮、样板、成 型刀具等零件的制造，线切割加工也具有极大的优势。由于不需要制造模具， 在新产品试制中可以大大缩短制造周期、降低成本。四轴联动的线切割机还可 以加工锥体、上下异形体等复杂形状零件。总之，线切割加工己经成为了一种 非常普及的特殊加工工艺 1 - 4 j 。 电火花加工又称放电加工( e l e c t r i c a ld i s c h a r g em a c h i n i n g ，简称e d m ) ， 是一种直接利用电能和热能进行加工的新工艺。电火花加工的原理是基于工具 和工件( 正、负电极) 之间脉冲性火花放电时的电腐蚀现象来蚀除多余的金属， 以达到对零件的尺寸、形状及表面质量预定的加工要求。 电火花线切割加工( w i r ee l e c t r i c a ld i s c h a r g em a c h i n i n g ，简称w e d m ) 是 电火花加工工艺方法之一，也是应用最为广泛的电火花加工工艺方法，它约占 电火花机床总数的6 0 i s - 6 l 。 电火花线切割加工时，在电极丝和工件之间进行脉冲放电。电极丝和工件 分别接脉冲电源的两极。当在电极丝和工件之间产生一次火花放电时，在放电 通道的中心温度瞬时可高达1 0 0 0 0 1 2 以上，高温使工件金属熔化。这种热膨胀 和局部微爆炸，抛出熔化和气化了的金属材料而实现对工件材料进行屯蚀切割 加工。 图1 1 是电火花线切割加工示意图。工具电极铝丝穿过工件上预先钻好的 小孔，经导轮由储丝筒带动做往复交替移动，工件通过绝缘板安装在工作台上， 工作台在水平面x ，y 两个坐标方向各自按给定的控制程序移动而合成任意平面 曲线轨迹。脉冲电源对电极丝与工件施加脉冲电压，电极丝与工件之间浇注一 定压力的工作液，当脉冲电压击穿电极丝与工件之间的闻隙时，两者之间产生 江苏大学工程硕士学位论文 火花放电而切割工件。 图1 1电火花线切割工作原理图 f i 9 1 1 w e d mw o r ks c h e m a ti c 为了确保每来一个电脉冲时在电极丝和工件间产生的是火花放电而不是电 弧放电，必须创造必要的条件。首先必须使两个电脉冲之间有足够的间隔时间， 使放电间隙中的介质消电离，也就是使放电间隙中的带电粒子恢复为中性粒子， 恢复本次放电通道处间隙中介质的绝缘强度，以免总在同一处发生放电而导致 电弧放电，一般脉冲间隔应为脉冲宽度的4 倍以上。 为了保证火花放电时电极丝不被烧断，必须向放电间隙注入大量的工作液， 以使电极丝得到充分冷却，同时电极丝必须做高速轴向运动，以避免火花放电 总在电极丝的局部位置而被烧断，电极丝速度约在7 l o m s 左右，高速运动的 电极丝有利于不断往放电间隙中带入新的工作液，同时也有利于把电蚀产物从 间隙中带出去。 电火花线切割时，为了获得比较好的表面粗糙度和高的尺寸精度，并保证 铝丝不被烧断，应选择好相应的脉冲参数盯咽3 。 2 、电火花线切割机床的分类 根据电极丝的运行速度，电火花线切割机床通常分为两大类：一类是快走 丝电火花线切割机床( w e d m - h s ) ，这类机床的电极丝作往复运动，一般走丝速度 江苏大学工程硕士学位论文 较高；另一类是低速走丝电火花线切割机床( w e d m l s ) ，又称为低速走丝电火花 线切割机床，这类机床的电极丝作单向运动，一般走丝速度较低。 1 高速走丝线切割 这类机床是我国独创的，也是目前生产和使用的主要机种。机床的电极丝 作高速往复运动，一般走丝速度为8 - 1 0 m s 。电极丝主要是铝丝，工作液通常 采用乳化液，也可采用矿物油、去离子水等。 2 低速走丝线切割 这类机床的电极丝作低速单向运动，一般走丝速度低于0 2 m s ，这是国外 生产和使用的主要机种。一般用黄铜丝作电极丝，其直径为0 0 3 - - 0 3 5 r i l i n 。机 床电极丝单向低速运行通过加工间隙，可避免电极丝损耗给加工精度带来的影 响，工作液主要采用去离子水和煤油。 低速走丝电火花线切割机床虽然结构复杂，但加工精度高，所加工的工件 表面粗糙度可达到r 。= 1 6 u m ，圆度误差、直线误差和尺寸误差都较小，其可 控加工精度可达0 0 0 2 - - - 0 0 0 5 m m 左右。所以在加工高精度零件时，低速走丝线 切割得到了广泛应用饽1 。 3 、低速电火花线切割国内外发展现状 国外低速走丝线切割机有代表性的厂家主要是瑞士c h a r m ill e s 公司，瑞士 a g i e 公司，日本s o d i c k 公司和日本m i t s u b i s h i 公司，他们自2 0 世纪7 0 年代 研制成功并生产低速走丝线切割机床，目前占领了大部分国际市场。低速走丝 线切割机床与高速走丝线切割机床的不同点在于走丝机构不同：低速走丝线切 割机床采用双电机张紧，单向走丝，电极丝由上而下运行，只使用1 次，电极 丝抖动很小，走丝平稳，速度均匀，这样消除了电极丝损耗和振动对加工精度 和表面粗糙度的影响，适用于精密模具和精密机械零件的加工。近年来国外低 速走丝线切割机床突出的技术特点如下： 1 特殊电机 日本s o d i c k 公司最早在电火花成型机床上采用了直线电机驱动，在2 0 0 1 年第七届北京国际机床展上，推出了a q 5 5 0 l 型直线电机驱动的低速走丝线切割 江苏大学工程硕士学位论文 机床。由于直线电机驱动与主轴为同一个零件，无丝杠联接，无反向间隙，移 动准确，实现了高响应和高跟踪，以及高精度位置控制，防止了断丝，能保持 最佳放电状态的稳定加工，提高了放电效率和加工精度，并克服了线切割加工 中的表面条纹。 2 新型走丝系统 新型的走丝系统除了能保证加工过程稳定及自动穿丝等传统的要求之外， 还必须能在保证加工精度的前提下提高加工的效率。目前新型的走丝系统在加 工工艺中很好地集成了穿丝工艺，从而大大提高了系统的加工精度及加工效率。 瑞士c h a r m il l e s 公司的双走丝系统就是为了满足这种需要而研制的新型走丝 系统，如图1 2 所示。 图1 2 双走丝系统 f i 9 1 2 t w o w i r es y s t e m 双走丝系统能实现在一台机床上自动交换两种材质、直径都不同的电极丝， 从而解决高精度与高速度加工的矛盾。在系统中，粗、细电极丝分别采用相互 联锁的两套类似的走丝系统，但与导向器系统是统一的，没有移动部件，用以 保证最佳精度，换丝时间不到4 5 秒。两种电极丝采用的加工规准、切割路径 及偏移量等均由专家系统自动设定。粗加工时，采用直径较大的电极丝进行加 工，使电极丝可承受更大的张力、机械力与热负载。因此可选择电流较大的工 艺规准进行加工，提高加工速度。精加工时，选择直径小的电极丝用精规准进 行加工，确保良好的形状精度与尺寸精度。这种系统获得了大量真正用于加工 的时间，提高了加工效率和加工零件的表面质量。 3 自动化及人工智能技术 自动化人工智能技术一直是电火花线切割加工技术不断追求的目标。随着 计算机软硬件技术、电力电子技术、网络技术等相关技术的发展，低速走丝线 秽 孳 了一 一 一咯 嚣 江苏大学工程硕士学位论文 切割机床的加工技术走过了一条从简单的放电间隙伺服跟踪控制、自适应控制 到智能化全方位控制发展之路，2 0 世纪9 0 年代以来，模糊控制、人工神经网 络、遗传算法、人工智能和专家系统技术已在电源、加工、放电间隙检测、工 艺数据库、伺服系统控制、甚至到机床机械部分各个制造过程全方位得到了应 用，大幅度提高了加工效率、加工精度和加工稳定性。 目前电火花线切割加工的自动化人工智能技术已进入了一个新的发展阶 段，由原来的电火花线切割加工某项关键技术的自动化人工智能技术的应用， 扩展到整体电火花线切割加工的自动化人工智能技术的应用。如最新出现的电 极丝张力与丝速的多级控制边界面切割的适应控制、拐角的补偿与适应控制、 工作液参数的适应控制与调节脉冲电源的适应控制等。 4 微细电火花线切割 随着微型机械对制造技术的需要，微细电火花线切割加工技术近年来取得 了迅速的发展。在国防医疗、化学仪器、仪表工业等许多生产领域发挥了重要 的作用。目前发达国家的微细电火花加工技术已进入工业应用，甚至商业销售 阶段。如日本松下精机瑞士c h a r m i l l e s 、美国麦威廉斯等公司都有较成熟的 产品。虽然许多新兴的微细加工技术也可替代微细电火花线切割加工技术，但 由于微细电火花线切割加工技术相对较低廉的加工成本、较高的生产效率和较 好的加工精度，使得微细电火花线切割加工成为一种应用性极强的微细加工技 术。如图1 3 所示是微型电火花线切割加工的产品实例。 0 微型泵b ) 微型齿轮 c ) 微型齿轮与蚂蚁首部对比图 图1 3 微型电火花线切割加工产品实例 f i 9 1 3 m i c r ow e d mp r o d u c te x a m p l e s 我国低速走丝电火花线切割机床的研制从上世纪7 0 年代才开始的。苏州 三光科技公司通过与日本s o d i c k 公司的合资经营，以及自身的不断整合，生 产的低速走丝电火花线切割机属国产机中的佼佼者。该公司目前的产品采用无 电阻电源、防电解电源及水浸式加工技术。最大加工效率超过2 0 0 m m 2 m i n ， 江苏大学工程硕士学位论文 有效加工效率为1 2 0 1 5 0 m m 2 m i n ，最佳表面粗糙度为r a o 8 u m ，切割精度为 0 0 0 5 m m 。苏州电加工研究所于2 0 世纪7 0 年代末在机械工业部的支持下开始 研究低速走丝线切割技术，是国内首家引进同本f u n a c 公司低速走丝电火花线 切割机技术的研究所。“七五”和“八五”期间在国家的支持下又立项进行攻关， 不断增强低速走丝电火花线切割加工技术的研发能力。目前苏州电加工研究所 中特公司生产的一种普及型d k 7 6 3 2 c 低速走丝电火花线切割机，其加工精度在 * - 2 0 0 5 m m ，最佳表面粗糙度r a 为0 8 1 j m ， 有效加工效率为5 0 6 0 m m 2 m i n 。 汉川机床有限责任公司曾与日本s o d i c k 公司，印度等公司合作过，现仍在不懈 地研发低速走丝电火花线切割加工技术。据悉试验样机的最大加工效率可达 2 0 0 m m 2 m i n 。还有一些国内企业则希望通过与台湾相关企业的合作来发展低速 走丝电火花线切割加工技术，如杭州机床集团购入了台湾低速走丝电火花线切 割机的电箱，自己生产主机与之配套n 制。 4 、课题研究的目的和意义 控制系统在电火花线切割加工中起重要作用，它不仅精确地控制电极丝相 对于工件的运动轨迹，使零件获得所需的形状和尺寸，而且对加工状态进行控 制，如控制伺服进给速度、电源装置、工作液循环系统、走丝机构等，协调各 机构的运转，保持正常稳定的切割加工。因此控制系统的准确性、稳定性、可 靠性及自动化程序均直接影响加工精度和劳动强度。 典型的运动控制系统主要由运动部件、传动机构、执行机构、驱动器和运 动控制器构成。整个系统的运动指令是由运动控制器给出，因此运动控制器是 整个运动控制系统的灵魂n5 1 。而伺服系统是联系n c 装置和机床机械传动部件的 重要环节，是数控机床的重要组成部分，它的性能直接决定和影响系统的快速 性、稳定性和精确。同时对于低速走丝电火花线切割加工技术而言，放电间隙 的控制技术在很大程度上同样影响了加工的精度和效率。本课题重点研究低速 走丝线切割机床控制系统中伺服控制及间隙控制。 我国在运动控制系统产品开发方面相对落后，随着我国经济的发展，新设 备的控制需求、传统设备的技术升级换代对运动控制系统的要求越来越高。根 江苏大学工程硕士学位论文 据用户的应用要求进行客制化的重构，设计出个性化的运动控制系统将成为市 场应用的一大方向。在这样的形势下，研究并开发具有自主知识产权，高质量、 高可靠性的开放式运动控制系统已成为必然的趋势。 目前p c 机微处理器采用了先进的工艺技术，信息处理能力明显提高，可以 满足高速实时运动控制的要求，硬件支持能力大大增强，并且p c 机良好的软 件开发环境使构造开放式运动控制平台成为可能。而工控机( i p c ) 不仅具有与 p c 机同样的数据处理能力，还具有更高的抗干扰能力和可靠性。本文提出了基 于工控机的运动控制系统设计，应用层的功能如运动轨迹规则和伺服控制等均 由i p c 机完成，运动控制系统只需执行上位机i p c 发来的命令，完成一些实时 性较高的任务，如电机的位置和速度控制。 5 、课题来源 本课题由苏州工业园区某企业提供资金支持，依靠我校科研实力，同时借 鉴苏州电加工机床研究所多年来的实际生产经验，开发研制的基于工控机的低 速走丝线切割机床运动控制系统。工控机的软件操作平台采用的是 w i n d o w s 2 0 0 0 。w i n d o w s 操作系统具有开放的体系结构，在其平台上开发的控制 卡具有良好的开放性，可维护性和可扩展性。本课题充分利用了p c 机的硬件资 源及w i n d o w s 操作系统的多任务、界面友好，永磁交流伺服系统的优点，开发 了这套系统。采用该模式的控制系统具有硬件成本低、结构简单、开发周期短、 运行速度快、控制精度高、易于实现的优点，必然受到广大用户的青睐，具有 良好的市场前景。 6 、课题主要研究内容 本文主要研究了基于工控机的低速走丝线切割机床运动控制系统，并自主 研发了伺服系统，用以实现低速走丝电火花线切割数控系统中电机的位置和速 度控制。 本课题围绕运动控制系统在电火花线切割机床中的应用，以工控机为核心， 结合现有控制系统及伺服电机的种类，针对电火花线切割系统中电机的控制问 江苏大学工程硕士学位论文 题，应用本课题开发的运动控制伺服系统，建立线切割加工中电机的位置和速 度控制。 在对工厂进行调研和查阅大量相关科技文献的基础上，本文进行了以下方 面的研究工作： 1 查阅了大量文献资料，对电火花线切割加工机床的数控系统进行了研 究，并掌握了国内外电火花线切割控制系统的最新进展，分析了电火花线切割 控制系统的结构形式和功能。 2 根据低速走丝电火花线切割加工机床的功能需求，确定了控制系统硬件 的总体框架。i p c 作为上位机，通过i s a 总线对运动控制器进行控制、监视、 协调等；运动控制器则作为下位机，执行上位机i p c 发来的命令，驱动执行元 件实现预期的运动，完成一些实时性较高的任务，如位置控制、速度控制等。 3 研究了低速走丝电火花线切割加工特点及间隙控制技术的发展现状和 趋势，对现有的间隙状态检测技术进行分析，设计了间隙控制技术数据处理的 硬件部分和软件部分。 4 自主研发了低速走丝电火花线切割加工机床伺服控制系统，并进行了电 流环、转速环和位置环的闭环实验。实验结果表明，该系统无论在调速比、定 位时间、定位精度和抗干扰能力等性能指标上都已达到高性能伺服系统的一般 要求。 江苏大学工程硕士学位论文 第二章低速走丝线切割机床运动控制系统的总体设计 本章首先对电火花切割机的特点做了阐述，引出了目前运动控制器的几种 常用构成方式，然后根据电火花线切割机的特点、功能需求，确定了本课题控 制系统的体系结构。 1 、低速电火花线切割机床特点 低速电火花线切割机床主要分为机床主机和控制台两大部分。控制台中装 有控制系统和自动编程系统，能进行自动编程和对机床坐标工作台的运动进行 数字控制。机床主机主要包括坐标工作台、运丝机构、丝架、冷却系统和床身 五个部分。坐标工作台用来装夹被加工的工件，其运动由电机控制。运丝机构 用来控制电极丝与工件之间产生相对运动。丝架与运丝机构一起构成电极丝的 运动系统，对电极丝起支撑作用，并使电极丝工作部分与工作台平面保持一定 的几何角度，以满足各种工件( 如带锥工件) 加工的需要。冷却系统用来提供 有一定绝缘性能的工作介质工作液，同时可对工件和电极丝进行冷却。图 2 1 为本次设计的电火花线切割机床主机示意图6 1 。 图2 1 低速走丝线切割机床主机 f i g2 1 m a i n f r a m eo fw e d m l s 线切割加工中切割的精度不仅与切割工件一电极丝的技术有关，更与切割 过程中电机的速度和位置控制密切相关n 7 1 。研究并设计的基于工控机的运动控 江苏大学工程硕士学位论文 制系统，就是用来实现电火花线切割加工中电机的速度和位置控制。 2 、控制系统的方案选择 以运动控制器作为独立的标准部件可以明显缩短新产品的研制开发周期， 有利于使用者创造自己的品牌产品。目前，以工控机( i p c ：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 ) 作为信息处理平台，运动控制器以插卡形式嵌入工控机，即“i p c + 运动控制器”的模式得到普遍采用。这种模式将i p c 的信息处理能力和丌放式 的特点与运动控制器的运动轨迹控制能力有机地结合在一起，具有信息处理能 力强、开放程度高、运动轨迹控制准确、通用性好的特点。 控制器按构成可分为以下几种n 刖： 1 以单片机为主控芯片的运动控制器 此方案成本较低，但外围电路较为复杂，使用元器件较多，可靠性不高， 运行速度低速，控制精度不高，软硬件配置灵活性差。由于这种方案是依靠在 程序中延时来控制发脉冲，脉冲波形的质量和频率都受到限制，所以一般用于 早期的控制平台当中。 2 基于大规模集成电路的运动控制器 这种方案利用集成电路芯片其内部的计数器功能，可通过编码器改变其脉 冲输出频率，实现电机的速度和位置控制。 3 以专用控制芯片为主控芯片的运动控制器 由于运动控制功能由专用芯片内部电路实现，而且集成度高，所以可靠性 高、实时性好；输出脉冲频率可以达到几兆赫兹，能够满足对步进、伺服电机 的控制，但是由于专用芯片价格昂贵，故此方案成本很高，而且柔性较差，很 难满足特殊客户的需求，另外， 不带内部r a m 区，对于需要实时处理大量数据 的需要很难满足。 4 基于d s p 的运动控制器 这种控制器充分利用p c 机现有的操作环境和资源，能够实时完成极其复杂 的轨迹运算，使多轴运动控制系统能够在一块插在p c 机i s a p c i 接口上的运动 控制卡上实现。另外，选用资源丰富的d s p 功能，可以在一片d s p 内实现几个 江苏大学工程硕士学位论文 专用控制芯片的功能，而且可以根据不同客户的需要，很方便地修改控制电路。 由于d s p ( 供电电压为3 3 v ) 功耗很低，主频很高，可以使输出脉冲频率达到 几十兆赫兹，完全满足高精度控制系统的要求。 由于基于d s p 的运动控制器很容易实现对软件和硬件的重新配置，具有很 大的灵活性，所以本课题采用此方案。 3 、控制系统硬件设计 本课题采用“i p c + 运动控制器”的控制模式，通过伺服系统对电机进行控 制。控制系统平台主要包括：工业控制计算机一选用北京研华兴业电子科技有 限公司生产的“研华 6 1 0 型工控机；伺服系统一交流伺服驱动器和相配套的 交流同步伺服电机自主研发( 本课题重点研究) ；输入输出接口卡一采用台湾 研华公司的8 1 2 p g 多功能数据采集卡；运动控制器板卡一自主研制开发。硬件 总体框图如图2 2 所示： 】匿 刮望h 篓 动 控 o h 制 一1 - 编码器l 螭 y 反馈尸 机 暑 工 砸 板 床一 卡 机床其他信号 c 控2 n 、 本 _ 机体 ： 爿 研华采集卡 目 弋7 、， 图2 2 硬件控制系统总体框图 f ig2 2o v e r a l1d i a g r a mo fh a r d w a r ec o n t r o ls y s t e m 江苏大学工程硕士学位论文 4 、控制系统的加工流程 图2 3 加工流程图 f i g2 3p r o c e s s i n gf l o wc h a r t 加工流程如图2 3 所示，该控制系统的工作过程可以简单描述为n 9 。： 1 机床操作人员把控制信息通过操作接口传递给系统控制软件； 2 系统控制软件将机床操作人员的控制信息转化为运动参数并根据这些 参数调用i p c 数控程序中的运动函数： 3 运动函数调用驱动程序发出控制指令给控制卡； 4 运动控制卡根据控制指令发出相应的驱动信号脉冲和方向信号给伺服 电机驱动器； 5 伺服电机驱动器接受，经过转换和放大，驱动执行元件实现预期的运动， 并将运动结果反馈给控制系统，由控制系统进行比较，判断以控制伺服电机的 运动。 6 伺服电机的运动通过机械传动转化为机床工作台和上导丝嘴的运动。 江苏大学工程硕士学位论文 1 、工控机 1 1lp c 的特点 第三章工控机及is a 总线 工业控制计算机也称为工业计算机( i p c - i n d u s t r i a lp e r s o n a lc o m p u t e r ) ， 简称工控机。与通用的计算机相比，工业控制机的主要特点如下： 1 可靠性高。工控机常用于控制连续的生产过程，在运行期间不允许停机 检修，一旦发生故障将会导致质量事故，甚至生产事故。因此要求工控机具有 较高的可靠性，低故障率和短维修时间。 2 实时性好。通常工程机配有实时多任务操作系统和中断系统，能够实时 的响应控制对象的各种参数的变化，对生产过程进行实时控制和监测。当过程 参数出现偏差或故障时，能实时响应并实时的进行报警和处理。 3 环境适应性强。由于工业现场环境恶劣，要求工控机具有很强的环境适 应能力，如对温度湿度变化范围要求高，具有防尘、防腐、防震动冲击的能力； 具有较好的电磁兼容性和高抗干扰能力及高共模控制能力。 4 丰富的输入输出模板。工控机与过程仪表相配套，与各种信号打交道， 要求具有丰富的多功能的输入输出配套模板，如模拟量、数字量、脉冲量等输 入输出模板。 5 系统扩充性和开放性好。灵活的系统扩充性有利于工厂自动化水平的提 高和控制规模的不断扩大。采用开放性体系结构，便于系统扩充，软件的升级 和互换。 6 控制软件包功能性强。具有人机交互方便，画面丰富和实时性好等功能； 具有系统组态和系统生成功能；具有实时及历史的趋势记录与显示功能；具有 实时报警及事故追忆等功能；具有丰富的控制算法。 7 系统通信功能强。一般要求工业控制机能构成大型计算机控制系统，具 有远程通信功能，为满足实时性要求，工控机的通信网络速度要高，并符合国 际标准通信协议。 8 冗余性。在对可靠性要求很高的场合，要求有双机工作及冗余系统，包 江苏大学工程硕士学位论文 括双控制站、双操作战、双网络站、双供电系统、双电源等，具有双机切换功 能，双机监视软件等，以保证系统长期不问断工作。 工控机是以计算机为核心的测量和控制系统，处理来自工业系统的输入信 号，再根据控制要求将处理结果输出到控制器，去控制生产过程，同时对生产 进行监督和管理。它主要用于工业过程测量、控制、数据采集等工作。利用计 算机的运算和处理能力可以实现更为先进和复杂的控制策略。 1 2 “研华”工控机介绍伽1 本课题选用北京研华兴业电子科技有限公司生产的“研华”工控机，它具 有高可靠性的电源装置、高功率双冷风扇制冷系统、全钢标准机箱、减震加固 压条装置，1 4 个i s a 总线插槽，能够适应生产环境要求。机箱适用于绝大多数 插入式板卡，包括c p u 卡、视频卡、磁盘监控卡、插接口卡等，所有板卡均可 方便的从机箱安装或更换。机箱采用无源底板的方式可降低死机的概率、简化 查错过程、使升级简便并使整个系统更有效。所有的电子元件均采用模块化设 计，维修简便。配置详见表3 1 。 表3 1工控机的配置 t a b3 1 c o n f i g u r a ti o no fi n d u s t r i a lc o m p u t e r 型号 i p c 一61 0 一h 配置软驱光驱4 0 g 硬盘显示器键盘鼠标 片j 户插槽9 个i s a 总线插槽4 个p c i 插槽1 个p i c m e 插槽 电源2 5 0 v 工业电源 1 3ip c 的硬件组成“门 i p c 的硬件组成包括主机板( c p u ，内存储器) 、系统总线、过程输入输出通 道、人机接口、通信设备、系统支持板、磁盘系统等。图3 1 所示为工业控制 机的硬件组成结构图。 江苏大学工程硕士学位论文 1 4ip c 的软件组成 图3 1 工控机的硬件组成结构图 f i g3 1 h a r d w a r es t r u c t u r eo f i p c 系统软件心纠( 各类操作系统和语言编译程序等) 是计算机极为重要的资源。 研华i p c 工控机在软件上同普通商用p c 百分之百兼容，所以一般常见的操作系 统和语言编译系统均可在工控机上运行。研华工控机向用户提供了基于 m i c r o s o f tw i n d o w s 环境下的功能强大的迸行工业过程监测和控制的多种组态 软件，如g e n i e 、f i x 、d a s y l a b 和i n t o u c h 等，其中流行较早的有著名的g e n i e 工控组态软件，还提供了各种i 0 卡的相应w i n d o w sd l l 驱动软件。g e n i e 提 供了面向对象的图形用户界面g u i ( g r a p hu s e ri n t e r f a c e ) ，使得控制和图 形显示功能的设计过程大大简化。用户只要简单地从工具箱( t o o l b o x ) 中选取 图标( i c o n ) ，然后把这些图标用连线图标( 也在工具箱中) 连接起来，并对 所选图标进行参数设置或编制程序码，就可作出动态程序流程图画面。若加上 用户定制的动态链接库d l l ( d y n a m i cl i n kl i b r a r i e s ) 图标，那么应用就更 为广泛。 g e n i e 是国际上著名的基于w i n d o w s 的工控组态软件包，是工业实时控制 软件系统的开发工具，它要面向两级用户，第一级是系统开发人员，第二级是 系统操作人员。第一级用户关心的用组态软件建立起整个实际监控软件系统， 并能够随时方便的进行修改和维护；第二级用户关心的是系统能否直观、全面 的反映出生产工况，系统是否操作容易。g e n i e 应用了面向对象技术，即采用 了新式的对象驱动方式，将图形的动画行为与组态参数( 也就是图形与数据) 封装在一个组念对象中，使得系统组态可视化和一体化。 江苏大学工程硕士学位论文 2 、is a 总线 本课题中的运动控制器板卡是通过i s a 插槽嵌入i p c ，实现对电机的运行 控制的，各个系统之间的连接是通过总线实现的。 2 1 总线技术 计算机系统各个模块之间的互联一般采用标准总线结构。总线定义了各引 线的信号、电气、机械特性，为计算机与模块之间、模块与模块之间或计算机 各系统之间提供了标准的公共信息通路。符合同一总线的产品可以互相兼容， 用户可以根据生产需要，方便地采用标准总线将不同生产厂家生产的各种型号 的模块连接起来，构成需要的计算机控制系统。 1 总线定义与分类“3 - 2 4 1 总线是以机械形式、电气特性和通信协议等方面，在系统设备之间建立一 个标准，是计算机各功能模块相互连接的工具及连接外设与主机系统的桥梁。 它是一组信号线的集合，定义了引线的信号、电气、机械特性。各种总线有不同 的信号线定义、逻辑关系、时序要求、信号表示方法、电路驱动和抗干扰能力。 在计算机控制系统中，总线一般分为系统总线、外部总线、内部总线三部 分。有人把外部总线叫做i o 总线，把内部总线和外部总线叫做局部总线，以 便和系统总线加以区分。从总线技术上区分，可分为传统总线和现代总线。在 这许多的总线中，工程技术人员研究最多及现在比较热衷的是i s a 总线和p c i 总线。本设计中采用的是i s a 总线。 最早的p c 总线是i b m 公司于1 9 8 1 年推出的基于8 位机p c x t 的总线，称 为p c 总线。1 9 8 4 年i b m 公司推出了1 6 位p c 机p c a t ，其总线称为a ，r 总线。 然而i b m 公司从未公布过他们的a t 总线规格。为了能够合理地开发外插接口卡， 由i n t e l 公司、i e e e 和e i s a 集团联合开发了与i b m a t 原装机总线意义相近的 i s a 总线，即8 1 6 位的“工业标准结构”( i s a ： i n d u s t r ys t a n d a r d a r c h it e c t u r e ) 总线。 i s a 总线标准是为了适应更多数据位而对以前的总线进 行的扩展，它的兼容性很强，适合于控制外设和进行数据通信的功能模块。 2 总线的组成似嘣1 江苏大学工程硕士学位论文 按总线功能或信号类型划分，主要有四类总线：数据总线、地址总线、控 制总线和电源地线。 ( 1 ) 数据总线 外部设备和总线主控设备之间进行数据传送的数据通道，用于传输数据， 采用双向三态逻辑。通常用d 0 ，d 1 ，d n 位的序号，序号和数据的位权是一致 的。n 表示数据宽度，s t d 总线是8 位总线，i s a 总线是1 6 位总线，p c i 总线数 据宽度为3 2 位。p c i 总线一次可传送3 2 位数据。总线中的数据总线宽度反映 了总线数据传输能力，反映了总线的性能。本课题数据线为8 位d o - - d 7 。 ( 2 ) 地址总线 外部设备与主控设备之间传送地址信息的通道，一般采用单向三态逻辑。 通常用a 0 ，a 1 ，a n 表示。地址总线的宽度表明了该总线的寻址能力。例如i s a 总线有2 4 位地址线，可寻址1 6 m b ；p c i 总线有3 2 位地址线，寻址能力达到4 g b ， 可构成非常庞大的计算机系统，具有很强的计算能力。 ( 3 ) 控制总线 控制总线是专供各种控制信号传递的通道，每根线或者是单向的，或者是 双向的，它们分别传送控制信息、时序信息和状态信息。例如，输入输出读 写信号、存储器读写信号和中断信号等。控制总线信号是总线信号中种类最多、 变化最大、功能最强的信号，是最能体现总线特色的信号。各种总线标准的最 大区别就在控制总线上，它决定了总线功能的强弱和适应性。 ( 4 ) 电源线、地线 电源线和地线是系统必备总线。i s a 总线采用1 2 v 和5 v ，p c i 采用 5 v ，还有3 3 v 电源信号。其中+ 5 v 要求有大电流供电。电源的种类在向3 3 v ， 2 5 v ，1 7 v 低电压方向发展。 3 总线的功能仞- 嚣1 计算机总线有数据传输功能、中断功能、多主设备支持功能和错误处理功 能。 ( 1 ) 数据传输功能 数据传输功能是总线的基本功能，用总线传输率即每秒传输字节数来表示， 单位是鹏s 。影响总线传输率的因素有总线宽度、时钟频率等。总线信号传输 江苏大学工程硕士学位论文 类型有同步传输、异步传输。表3 2 列出几种总线的传输能力。 表3 2几种总线传输能力的比较 t a b3 2 c a p a cit yc o m p a r is o no fs e v e r a lb u st r a n s m is si o n 总线类总线宽度总线频率传输方式传输率 型b i t删z f b s 一1 s t d82 异步 2 i s a1 68 异步 1 6 p c i3 23 3同步1 3 2 ( 2 ) 中断能力 中断是计算机对紧急事务响应的机制，是反映计算机灵敏的关键。中断信 号的多少反映了系统响应多个中断源的能力。中断优先级是中断源申请服务的 级别，由主设备确定。中断信号线的多少，反映了系统响应多少个中断源的能 力。 ( 3 ) 多主设备支持功能 多主设备使用同一条总线，要解决总线占用权问题。总线仲裁的算法很多， 哪一个主设备申请占用总线，由总线仲裁器确定。 ( 4 ) 错误处理功能 错误处理包含奇偶校验错、系统错、电池失效等错误检测处理，并提供相 应