（测试计量技术及仪器专业论文）基于pc机的高精度数控系统的研究.pdf

摘要 摘要 计算机数控( c n c ) 是先进制造技术的基础，在国内外得到普遍重视， 发展较快。以往的数控系统多是专用的，定型后不容易更改升级：如今的p c 机功能强大、普及面广，且具有开放性特点，因此，发展基于p c 机的新一 代数控系统是c n c 系统发展的趋势。 本文中，首先对c n c 系统的位置检测环节进行了论述，讨论了提高检 测元件空间分辨率的方法，并提出了新的基于p c 机的对光栅信号软件细分 的方案，设计了相应的硬件接口电路。其次，对于伺服控制环节，实现了 以步进电机为驱动元件的闭环位置控制系统。而且对于数控系统中的轨迹 插补运算进行了较为深入的论述，提出了新的思路与实现方法。 文章在剖析w i n d o w s9 5 9 8 2 0 0 0 n t 体系结构的基础上，系统地讨论 了在该平台下的实时控制问题，给出了在p c 机上w i n d o w s9 5 9 8 2 0 0 0 n t 环境下利用设备驱动程序对底层硬件管理的具体实现途径与方法，解决了 在w i n 3 2 环境下c n c 系统中最重要的定时插补与数据采样等问题。 总之，本文为解决建立基于p c 机的高精度数控系统中的两个关键问题 提出了全新的方案，并且得到了具体应用。 关键词：c n c 软件细分实时控制设备驱动程序插补 西安理t 大学颀士学位论文 a b s t r a c t c o m p u t e rn u m e r i c a lc o n t r o l ( c n c ) i s t h eb a s i so fa d v a n c e dm a n u f a c t u r et e c h n o l o g y i ti sa t t a c h e dg r e a ti m p o r t a n c ew i d e l ya th o m ea n da b o a r da n dd e v e l o p sf a s t l y p a s tc n c s y s t e mi st a i l o r - m a d e ，w h i c hi a c k so ff l e x i b i l i t y c u r r e n t l y , p e r s o n a lc o m p u t e r ( p c ) g r o w s v e r yl a s t l y w h i c hh a sm a n yc h a r a c t e r i s t i c ss u c ha sp o w e r f u lf u n c t i o n ，w i d e l yu s i n ga n d o p e n i n gs y s t e ms t r u c t u r e ，s on e wg e n e r a t i o nc n cs y s t e mb a s e do n p ci st h ed e v e l o p m e n t t r e n do fn c s y s t e m i nt h i sp a p e r , f i r s t l y , p o s i t i o nm e a s u r e m e n tt a c h ei nc n cs y s t e mi st r e a t e d ，a n dt h e m e t h o d so fr a i s i n gs p a c er e s o l u t i o no fm e a s u r e m e n tc o m p o n e n ti sd i s c u s s e d o nt h eb a s i s o f t h ea b o v e ，w ep u tf o r w a r dan e wg r a t i n gs i g n a ls u b d i v i s i o nm e t h o db ym e a n so fs o f t w a r e b a s e d0 1 1p ca n dd e s i g nt h ec o r r e s p o n d i n gh a r d w a r ei n t e r f a c ec i r c u i t s e c o n d ly s e r v o c o n t r o lt a c b ei si n t r o d u c e db r i e f l y , a n dh o wt or e a l i z eac l o s e d l o o pp o s i t i o nc o n t r o ls y s t e m w l f i c hu s e ss t e p p i n gm o t o ra sd r i v e rc o m p o n e n ti sp r e s e n t e d i na d d i t i o n ，i n t e r p o l a t i o n a r i t h m e t i ci nc n cs y s t e mi sd i s c u s s e dd e t a i l e d l ya n dan e wi d e aa n d r e a l i z i n gm e t h o d i s a d v a n c e d w ed i s c u s st b e r e a l - t i m ec o n t r o l p r o b l e mi n w i n d o w s9 5 9 8 2 0 0 0 n to p e r a t i o n s y s t e m si nd e t a i lo nt h eb a s i so fa n a l y z i n gt h es y s t e ms t r u c t u r eo ft h e s ep l a t f o r m s a n d c o n c r e t er e a l i z i n gm e t h o d so fh o wt om a n a g eb o t t o mh a r d w a r eb yd e v i c ed r i v e ri n w i n d o w s9 5 9 8 ，2 0 0 0 ，n ta r e g i v e n w h i c h r e s o l v e st h e t i m i n gi n t e r p o l a t i o n a n d g a t h e r i n gd a t ai nw i n 3 2 e n v i r o n m e n ti nc n c s y s t e m i naw o r d w e a d v a n c eab r a n - n e wp r o j o c tt or e s o l v et h et w oc r i t i c a jp r o b l e m si n e s t a b l i s h i n gh i g hp r e c i s i o nc n cs y s t e mb a s e d0 0p e r s o n a lc o m p u t e ra n db r i n gi ti n t o e f f e c t k e yw o r d s ： c o m p u t e rn u m e r i c a l c o m r o ls o f t w a r es u b d i v i s i o n r e a l t i m ec o n t r o ld e v i c ed r i v e r i n t e r p o l a t i o n 第一章概论 1 概论 1 1 计算机数控系统及发展趋势 数字控制( n u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) 技术，简称数控( n c ) 技术，它是指 用数字化信息( 数字量及字符) 发出指令并实现自动控制的技术。采用数 控技术的控制系统称为数控系统。数控设备就是装备了数控系统的受控设 备，它是通过数字化操作指令进行控制的一种设备，包括机床行业的各种 数控机床和其他行业的许多数控设备，如数控车床、数控铣床、数控火焰 切割机、数控三坐标测量机等。 数控装置是数控设备的核心。从前，数控设备的数控功能是用专用计 算机的硬件结构来实现的，称为硬件数控或简称n c 。目前，主要是以小型 通用计算机或微型计算机的系统控制程序来实现部分或全部数控功能，习 惯上称为软件数控或简称为c n c ( c o m p u t e rn u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) 。计算机数 控( c n c ) 是数控系统的一种，在此系统中，部分或全部控制功能是通过 软件来实现的，故只需更改相应的控制程序，就可改变控制功能，无需改 变硬件电路。因此，c n c 系统具有更大的通用性和灵活性，即具有很好的 “柔性”。 数控技术是制造业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础。数控技 术水平高低和数控设备拥有量，是体现国家综合国力水平、衡量国家工业 现代化的重要标志之一。随着生产技术的发展，要求现代数控机床向更高 速度、更高精度、更高可靠性和更完善的功能方向发展。这样，一方面能 更好地满足多品种、中小批量生产的需要，另一方面为适应以c n c 机床和 数控技术为基础的先进制造技术的发展，使机械制造业的技术水平提高到 一个崭新阶段。 世界上开始数控研究的历史是始于2 0 世纪4 0 年代前后。美国帕森斯 公司和麻省理工学院伺服机构研究所合作，进行数控机床的研制工作，在 1 9 5 2 年研制成功了世界上第一台三坐标数控铣床，其数控系统全部采用电 西安理工大学顶士学位论文 子管元件，具有直线插补、连续控制等功能。以后又经过3 年的改进，于 l9 5 5 年进入实用阶段。我国从1 9 5 8 年开始研究数控技术，几十年来，经过 了发展、停滞、引进技术等几个阶段。总体上，技术水平比国外要低。 目前，一个重要趋势是开放式数控系统。数控系统的开放性概念出现 在2 0 世纪8 0 年代末9 0 年代初，是欧美各国为了适应机床制造业在技术、 市场和生产组织结构等多方面的新的变化而提出来的，其目的是建立一种 崭新的控制系统设计框架，使系统朝模块化、平台化、标准化和系列化方 向发展，在联合的前提下提高产品的竞争能力。 开放式数控系统的含义是：数控系统的开发者在一个统一的体系结构 下开发自己的产品，这个统的体系结构是一个广泛认可的并且是透明的 规范。开放式结构的成功，已充分体现在i b m p c 机的发展过程中。开放式 结构的数控系统，其优点在于：具有广泛的兼容性，机床使用者可在较大 的范围内根据需要配置硬件；同时也可方便地扩充系统的功能。此外，系 统能直接运行第三方软件，充分利用现有的软件来开发出满足自己要求的 数控系统。 开放式数控系统已经是世界各国数控研究的重点。如美国的n g c 计划、 欧洲共同体的o s a c a 计划和日本的o s e c 研究会，他们都在研究下一代 基于开放式体系结构的控制器。他们制定了一系列“未来控制系统”的研 究计划，并对“未来控制技术”做了大量的研究。 另一个重要趋势是智能化数控系统。由于人工智能技术的发展，使数 控研究和开发更深入地进行。由于使用了最新的智能技术，保证了加工过 程处于优化状态，使加工过程能持续稳定的进行，而且智能技术运用到加 工参数的自动设定、加工程序的自动生成、共建位置的自动测定及j j n q - 结 果的自动测量等整个操作过程。这样，大大提高了机床的自动化程度，而 且降低了对操作者的要求。而且，能与制造系统中的其它机器统一控制， 协调工作。 第一章概论 1 2 基于p c 机的数控系统 2 0 世纪9 0 年代初，正当日本和欧洲相继制订开放式数控发展计划时， a m p r oc o m p u t e r 公司的策略发展部行政副总裁p i c kl e h r b a u m 提出了“利 用p c 机体系结构，设计新一代的嵌入式应用”，s o f t w a r ed e v e l o p m e n t s y s t e m 的j a m e ss c h a l l e n g e r 提出了“w i n d o w s 和嵌入式计算机技术的融 合”，主张利用现有p c 机的软、硬件资源规范设计新一代数控系统。 基于p c 机的数控系统，就是指建立在普及型p c 机( 个人计算机) 的 硬件和操作系统基础上，使用市场上的软件和插件来实现机床控制功能的 数控系统。机床制造者和机床用户在此系统上能够方便的进行软件开发， 能够实现最佳控制功能和实现控制功能的用户个性化。 众所周知，p c 机本身就是插卡式结构，是一个标准的开放式体系结构 的系统。使用p c 机不仅为机床数控系统提供了优越的硬件平台，而且同样 能保持数控机床的性能价格比的优势。当前，在硬件方面，由于p c 机市场 大，导致p c 机的价格低廉，而其功能和稳定性不断增强；在软件方面，p c 机的软件资源丰富，功能强，且容易接受和推广，例如：有功能很强的各 种标准操作系统、图形工具、编辑器、实时数据库以及象t c p f i p 那样的通 信协议。此外。建立在p c 机上的数控系统，不仅可以利用高性能的微机计 算速度快、处理能力强的特点，而且同样也为将先进的人工智能技术运用 到机床中提供了硬件平台，因为，人工智能技术都是以计算机软件的形式 存在于控制系统中的。 p c 机进入数控领域，极大地丰富了数控系统的软、硬件资源，有利于 实现总线式、模块化、开放化的数控系统，使其具有很高的性能价格比。 随着w i n d o w s 操作系统的发展与普及，开发w i n d o w s 环境( w i n d o w s 9 5 1 9 8 2 0 0 0 ，w i n d o w sn t 及w i n d o w sc e ) 下的数控系统已经成为广大c n c 同行的共识。 西安理工大学硕士学位论文 1 3 本课题的研究内容及重点 正是基于上述背景，本课题研究的内容就是建立在通用p c 机上的数控 系统，如何充分利用现代p c 机的各种软、硬件优势，建立起开放型的数控 系统，提高数控系统精度，以及，i ：发基于p c 机w i n d o w s 环境下的数控系 统中必须要解决的软、硬件接口与控制等问题。 本次课题是结合“高精度数控指示表检查仪的开发”这一工程项目展 开的，详细论述了上述问题在工程实际中的具体实现。工程项目以步进电 机作为驱动元件；以1 0 0 线的光栅尺作为位置测量元件，空间位移分辨率 要求达到0 1 微米，总体精度达到o t 3 微米：以w i n d o w s9 5 9 8 2 0 0 0 作为软、 硬件，f 发的系统平台。围绕这一实际项目，本人主要展开了以下研究： ( 一) 如何提高系统的测量精度； ( 二) 如何实现步进电机的驱动与伺服控制； ( 三) 如何实现w i n d o w s 9 5 9 8 和w i n d o w s 2 0 0 0 环境下的实时控制与 底层硬件管理； 第二章数控系统的硬件部分 2 数控系统的硬件部分 2 1 测量装置简述 位置测量装置是c n c 系统的重要组成部分。在闭环系统中，它的主要 作用是检测位移量，并将测量的反馈信号和给定的指令信号相比较，若有 偏差，经放大后控制执行部件，使其向消除偏差的方向运动，直到偏差为 零。为提高数控机床的加工与定位精度，必须提高测量元件的分辨率和测 量系统的精度。 在c n c 系统中，典型的测量装置有光栅、感应同步器、激光干涉仪和 尺栅( 测直线位移) 、编码器( 测角位移) 。其中光栅( g r a t i n g ) 是数控系 统中应用较多的一种检测装置，尤其是在闭环伺服系统中。它是利用光的 透射、反射和干涉现象制成的一种光电检测装置。光栅种类很多，其中有 物理光栅和计量光栅之分。物理光栅的刻线细而密，栅距( 两刻线之间的 距离) 在0 0 0 2 o 0 0 5 m m 之间，通常用于光谱分析和光波波长的测定。计 量光栅的刻线较粗。栅距在0 0 0 4 o 2 5 r a m 之间，通常用于数字检测系统， 用来检测高精度直线位移和角度位移。计量光栅按形状可分为长光栅和园 光栅。长光栅用于直线位移测量，圆光栅用于角位移测量。 光栅位置检测装置由光源、长光栅( 标尺光栅) 、短光栅( 指示光栅) 和光电元件等组成。长、短光栅分别固定在机床的不动件上和移动部件上， 且二者保持一定间隙，重叠在一起。当机床工作时，利用光的干涉效应， 在线纹垂直方向上就会出现明暗交替、间隔相等的粗大条纹，即“摩尔条 纹”。摩尔条纹移动与光栅移动二者之间具有严格的对应关系：当光栅移动 一个栅距时，摩尔条纹也相应移动一个条纹，其光强变化近似于正弦波； 若移动方向相反，则摩尔条纹移动也相反。摩尔条纹的光强信号经光电元 件转换为正弦波电信号，电信号进行适当的处理后变成方波信号，使之成 为计数脉冲，最后送入计数器进行计数。在测量中，读取该计数值，然后 按计数当量换算成实际的位移量。 西安理工大学硕士学位论文 现代数控系统以及数控坐标测量机的长度基准很多都是光栅尺。从光 栅读数头输出的信号一般为四路正交的正弦信号。而近年来，许多生产厂 商把光栅信号的处理及细分集成到读数头上，这样输出的信号就为正交的 方波，可直接送入计数器进行计数。这样的读数头对于用户来说是很方便 的，不再需要额外的细分电路，这也是一个发展的趋势。对于普通读数头 来说，还是需要对光栅正弦信号进行处理以及细分的，以此来提高测量元 件的空间分辨率。本次课题项目中，选用的是1 0 0 线的光栅尺，栅距为1 0 微米，远远不能满足所要求的分辨率，因此，必须对光栅信号进行细分。 2 2 软件细分的实现 为了实现对光栅信号的细分，首先需要确定细分方法。现在实用的细 分方法比较多，主要有以下几种： 1 、电阻链移相细分 这是一种应用很广的细分技术。其工作原理是：在电阻链的两端施加 相位不同的( 通常相差9 0 度) 、频率相同的交流信号，由于两信号的叠加 作用，在电阻链的中间各节点上，可得幅值和相位都不相同的电信号。这 些电信号经整形后，就能获得若干计数脉冲，也就实现了细分。它的主要 特点是电路简单，工作可靠，成本比较低，但这种细分受信号质量影响较 大。对于细分数比较少的，可采用此种方法。 2 、 电平切割细分 工作原理是：先把正弦信号变为三角波信号，经过鉴相器，得到若干 相位差为3 6 0 n 的方波，从而实现n 细分。使用这种细分方法，其细分数 越大，需要的比较器数目越多，使得电路板很大。 3 、脉冲填充法细分 这是一种数字鉴相技术，可以达到很高的细分数，但其细分电路比较 复杂，而且也会使得电路板的面积比较大。 4 、微型计算机细分 第二章数控系统的硬件部分 微型计算机具有运算和逻辑功能，它可来完成细分运算，从而简化硬 件结构，提高仪器精度，还可以利用计算机的优点，对测量误差修正。 鉴于国内外的细分技术我们在此提出一种新型细分方法，即软件细 分方法。 2 2 1 细分原理 通常，我们对光栅信号的摩尔条纹进行整形，使之成为计数脉冲，然 后送到计数器，利用计数器对其计数。测量时，读取当前计数值，然后依 据计数当量换算成实际位移量即可得到当前位置坐标值。如果实际测量 点距离起始测量点的距离不是光栅栅距的整数倍，这多出来的不足一个栅 距的位移如何求得，就是我们要通过细分的方法来解决的。 下面就着重论述我们在本课题中提出的细分方案。如图2 1 所示： o 图2 一l 当工作台由图中0 点运动到b 点时，实际位移量为 工= ”p + a p( 2 1 ) 式中，p 为光栅栅距，舻代表的是由计数器得到的位移量，它是光栅 栅距的整数倍；| p 是不足一个栅距的位移量，可以看作是结果中的小数部 分，它是需要通过我们的软件细分来得到的位移量。 首先假设两路正交的光栅正弦信号e c o s c o o 和e s i n c o o ，两路信号的 幅值相等。它们经过比较电路整形成为方波信号a 、b ，然后进入可逆计数 器，同时，将这两路正交的正弦信号送入模数转换器进行采样，得到两路 西安理工大学顽士学位论文 信号的对应i 幅值大小的数字量f a ( 余弦信号) 和f b ( 正弦信号) 。 我们所用的计数器是可逆计数器，它需要输入两路正交的方波信号。 对于相位差9 0 度的两路方波信号 、b ，如图2 2 所示，同时送入可逆计数 器，并且在信号a ( 余弦信号) 的上升沿( 即图中的a 处) 进行加减计数。 a b 图2 2 在这里，我们将一个光栅信号周期对应为3 6 0 度。根据a d 转换采得 的两路信号余弦信号a 、正弦信号b ，以及测量点所处的位置( 即相限) 求 得该点偏离计数器翻转时刻( 图2 2 中的a 点) 的角度，由这一角度换算 为当前测量点偏离a 点位移量。 测量点所处的位置与f a ，f b 的对应关系如表2 - 1 所示： 表2l f ? a f b + 相限四 将以上这一思路抽象成如下模型( 图2 3 ) ： iy 厂、 r0 一 p 图2 3 第二章数控系统的硬件部分 图中的o p 线就是计数器的计数点，o m 代表当前测量点，当光栅运动时，o m 指针就在这个圆周上来回运动正向运动时，o m 指针逆时针旋转，每次旋 转通过o p 点时，计数器加1 ；反之，光栅反向运动时，0 m 指针就顺时针旋 转，每次旋转通过o p 点时，计数器减1 。 当某时刻，测量点位于图2 3 中的删位置我们的目标就是求出咖 指针逆时针偏离o p 线的角度，即圆弧m o p 对应的圆心角0 。 实际计算中，我们采用将两路信号的幅值相除，求得正切值： a n g t g = t a n c t = f b f a ( 2 - 2 ) 然后求反正切：a = a t a n ( a n g t g ) 不过，这样求得的角度a 范围是在一+ ，我们还应根据测量点 所处在的相限将这一角度换算为o 指针逆时针偏离o p 线的角度曰，即 0 + 2 z 范围。具体换算关系如表2 2 所示： 表2 - 2 口= a t a n ( a n g t 9 1 daa口 相限四 有效夹角0口+ 厅，2 o + 疗口+ 3 石，2 口十厅2 实际中，位移测量的起始点可能不在图2 3 上所示的0 p 点，而是有可 能位于个信号周期中的任何一点，所以在开始测量以前，应该将起始点 偏离o p 点的角度( 设为口) 记录下来，这样最后的小数部分计算式如下： p ：生竺p( 2 3 ) 2 z 式中，p 为光栅栅距。 对于细分中的特殊点，也就是靠近坐标轴的一些点，要首先单独处理， 将其排除掉。这主要是基于以下两点考虑：一是防止利用( 2 2 ) 式求正切 值时出现无穷大：二是防止在坐标轴附近的点判断其相限时出现误判的情 况。因此，在利用公式( 2 - 2 ) 之前应首先将这些点排除。 9 西安理工大学硕士学位论文 这种细分方法与常规方法相比，其特点有如下几点： 1 、可以消除由于光栅运动速度不均匀产生的光栅信号幅值变化而引起 的细分误差； 2 、只要通过软件稍作改变，就可以方便地实现不同的细分数； 3 、硬件电路简单，不用专门设计复杂的细分电路，它只需一块数据采 集电路； 4 、不论光栅是正向运动还是反向运动，小数部分的计算方法一样，都 按式( 2 - 3 ) 计算，而且最后结果的计算式也一样，都按式( 2 - 1 ) 进行计 算。 2 2 2 细分误差分析 由于任何测量信号都不是理想的信号，因此会带来一定的测量误差。 原始光栅信号可以表示为：4 + es i n ( c o x + p ) ，其中，a 代表信号的直流偏 移部分，e 代表信号的幅值，c o 代表信号的角频率，p 代表信号的初始相位。 角频率对于两路信号来说都是一样的，因此，误差来源主要是信号的直流偏 移、信号幅值以及两路信号的正交性。所以，对于该方法，在数据采集前 置电路中需要将两路信号的幅值调到一样大，要将信号的直流分量消除掉， 而信号的正交性要靠仔细调整光栅读数头来保证。 2 2 3 对硬件电路的要求 此种细分方法的硬件电路简单，不用专门设计复杂的细分电路。硬件 电路主要应实现如下两部分功能：可逆计数和信号采样。在可逆计数电路 部分，要求能够完成对光栅信号的辨向及加减计数。在信号采样电路部分， 主要是a d 转换器的选取。一是要求a d 转换的误差小；二是分辨率要能 够满足所要求的细分数。假设a d 转换器的分辨率为n 位，要达到的细分 数为y i 。由图2 - 4 可以看出，二者应满足如下关系式： 2 ”一1 h 2 第二章数控系统的碗件部分 即： n l 0 9 2 ( n 2 + 1 ) 2 “一1 0 l | | ( 2 4 ) 图2 4 我们在实际中以刻线为1 0 0 线的光栅作为位移测量元件，利用1 2 位a d 转换器a d 5 7 4 实现了对其信号的1 0 0 细分，分辨率达到0 1 微米，未出现 丢数现象。实践证明，该方法是可行的。 最后需要说明的是，虽然该细分方法是通过以光栅作为测量基准提出 来的，但并非局限于此。由于该方法对测量信号的要求仅仅是需要周期性 的两路正交正弦信号即可。因此，对于所有能产生周期性的两路正交正弦 信号的测量基准，此方法均适用，例如以感应同步器、磁栅或激光干涉仪 为传感器的测量系统。 2 3 硬件电路设计 2 3 1 计数电路 计数电路部分是c n c 系统的关键部件之一，它的作用是对光栅信号进 行计数，以此来反映工作台的位置情况。 在通常的情况下，从读数头输出四路相位互差9 0 度的正弦信号 ( a + ，a 一，b + ，b 一) 。经过差动放大器变为a 、b 两路正交信号，再经整形器变 西安理工大学硕士学位论文 为方波信号。对于计数器的选择，通常运用可编程计数器8 2 5 3 8 2 5 4 ，或是 采用多级计数器的级联来构成多位数的计数器。在电路的设计中存在着许 多问题，如级联间的同步计数问题等。电路的设计一般比较复杂，且可靠 性不是很高。 随着科学技术的发展，大规模集成电路不断的涌现出来。通过查阅国 内外各种资料，我们选用了一种高性能的可编程计数芯片。它是一种适用 于运动控制的计数芯片，主要特点如下： 1 、具有两个独立的可编程、可预置的2 4 位可逆计数器； 2 、能够对方波信号进行2 倍频或4 倍频； 3 、有多种计数方式可供选择，如常规计数方式、限位计数方式、循环 计数方式等； 4 、能够通过硬件或是软件进行数据的锁存； 5 、能够通过硬件或是软件对计数器清零： 6 、能够对芯片管脚的功能进行编程指定； 7 、输入信号可以是两路正交方波信号，在这种工作方式下，计数器内 部可以自己完成辨向和加减计数。 我们选用这种计数芯片可以大大地简化电路的设计，它本身是2 4 位， 不再需要级联就可以满足需要，提高了系统的可靠性。而且，计数方式可 以通过编程来指定，使用起来相当灵活。电路设计的原理框图如图2 - 5 所 不。 2 3 2 信号采样电路 为了实现前面提到的对信号的细分，必须设计一个数据采样电路，以 实现对光栅信号的数据采集。模数转换器采用a d 5 7 4 ，其特点是： 1 、它是一种逐次逼近型的分辨率为1 2 位的a d 转换器芯片，也可以 用作8 位a d 转换； 2 、转换速度快，该转换器的转换时间为2 5 , u ，； 第二章数控系统的硬件部分 3 、a d 5 7 4 内部自动提供基准电压，并具有三态输出缓冲器； 4 、它有单极性输入和双极性输入两种工作方式，而且单极性工作方式 具有( 0 1 0 v ) 和( o 2 0 v ) 两种模拟量输入量程，双极性具有 ( 一5 v + 5 矿) 和( 一1 0 v + i o v ) 两种量程。实际应用中，可根据模拟量输入 信号的性质，通过改变其引脚接线来选择工作方式。 本课题中，由于我们只需对光栅信号1 0 0 细分，因此我们采用查寻访 式实现8 位a d 转换，采用双极性( 一5 v + 5 v ) 工作方式。 由于是利用一个a d 转换器同时采集两路光栅信号，在数据采集系统 的前向通道中，需要用到模拟多路开关及采样保持器。常用的模拟开关有 c m o s 开关4 0 5 1 4 0 5 2 、4 0 6 6 4 0 6 7 和4 0 9 6 4 0 9 7 等。常用的集成单片采样 保持器有l f l 9 8 几f 2 9 8 l f 3 9 8 ，这三个系列的工作原理相同，仅工作参数略 有不同。此外，美国a d 公司也研制了多种高精度的模拟开关和采样保持 器。在本次课题中，我们选用模拟开关4 0 6 6 及采样保持器l f 3 9 8 。 信号采集电路的原理框图，如图2 5 所示： 从图中可以看出，计数及采样的接口电路比较简单。四路光栅信号差 动输入，提高了抗干扰能力。差动输出的两路正交的正弦信号同时送入整 形电路和采样，保持器。经整形得到的两路方波信号送入可逆计数器。计数 器的锁存信号与采样，保持器的保持信号由i 0 口同时发出，保证位置测量 的准确性。计数器清零用软件实现。译码电路中，首先考虑到接口卡的通 用性和灵活性，译码器选用可编程逻辑器件g a l l 6 v 8 。设计时应用d i p 拨 码开关和比较器7 4 l s 6 8 8 ，使板卡的地址范围是可以选择的，这样与总线 插槽中的其它板卡不至于发生地址冲突。 西安理工大学硕上学位论文 x a + x a x b 十 x b 图2 - 5 计数与采样接口原理图 4 第三章数控系统的伺服控制 3 数控系统的伺服控制 3 1 概述 伺服驱动系统简称伺服系统( s e r v os y s t e m ) ，是指以机械位置或角度作 为控制对象的自动控制系统。对于c n c 数控系统，如果说c h i c 系统中的 c n c 装置是数控机床的“大脑”，是发布命令的“指挥机构”，伺服系统便 是数控机床的“四肢”，是一种“执行机构”。按伺服系统调节理论，机床 伺服系统通常可分为开环、半闭环和闭环系统。 开环系统没有测量反馈环节，其控制精度较差；半闭环和闭环系统有 测量反馈环节，可检测与直线位移有关的物理量，因而可获得较高的位置 控制精度。计算机闭环控制系统一般形式如下： 图3 - 1计算机闭环控制系统框图 计算机控制系统执行控制程序一般要完成以下任务： ( 1 ) 实时数据采集对被控参数在一定的采样问隔进行检测，并将采 样结果送入计算机。 ( 2 ) 实时计算对采集到的被控参数进行处理后，按一定的控制规律 进行控制计算( 或称决策) ，输出当前的控制量。 ( 3 ) 实时控制根据实时计算结果将控制信号作用到控制的执行机 构。 在数控机床中，伺服系统的性能在很大程度上决定了数控机床的总体 性能因此，对伺服系统的主要要求可归纳如下： 西安理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 高精度要求伺服系统的定位误差特别是重复定位误差小，跟随 误差小。 ( 2 ) 运动平稳为保证高精度，要求加工进给或测量进给平稳，特别 是在低速运动时，要求无爬行、无冲击。 ( 3 ) 响应速度快为了提高生产率，要求加、减速度足够大，以便缩 短伺服系统过渡过程时间。 ( 4 ) 电机调速范围宽在不同的条件下，所要求的运动速度不同，因 此要求驱动系统有足够宽的调速范围。 ( 5 ) 低速大扭矩根据机床的加工特点，要求在低速时进给驱动要有 大的转矩输出。 ( 6 ) 可靠性高对环境的适应性强，性能稳定，使用寿命长，平均故 障间隔时间( m b t f ) 长。 3 2 步进电机的驱动与控制 3 2 1 简述 步进电机( s t e p p i n gm o t o r ) 是一种将电脉冲信号变换成相应的角位 移或直线位移的机电执行元件。每当对其输入一个控制脉冲时，便转过一 个同定角度，称为一步，转过的角度称为步距角。当供给连续脉冲时，步 进电机就能产生连续转动。一般说来，位移量与步进电机的输入脉冲数严 格成正比，其转速与脉冲频率和步距角有关。控制输入脉冲数量、频率及 脉冲的相序，就可以得到需要的运行特性，因此，它广泛应用于数字控制 系统中。 步进电机具有控制简单、价格低廉、容易维护等优点，以步进电机为 驱动装置构成的位置控制系统( 以下简称步进驱动系统) 在经济型数控机 床、机器人等领域得到了广泛应用。目前我国每年生产的数干套机床数控 系统中，有三分之二以上采用步进驱动作为伺服驱动系统。国外一些大公 司为争夺市场也重新推出了采用步进驱动的机床数控系统。因此，进一步 第三章数控系统的伺服控制 挖掘步进驱动系统的潜能是很有必要的。 3 2 2 步进驱动系统的构成 常规的步进驱动系统的基本组成如图3 2 ，它是一开环控制系统。由控 制计算机给出的位移指令( 数字量) 通过数字脉冲( d f ) 环节转换为指令 脉冲，然后通过环形分配器和功率放大产生功率驱动信号，驱动步进电机 转过相应的转角，最后通过传动机构驱动工作台作直线运动，实现所需的 位移。 位移指令驱动 锢造篷橱留 图3 2 常规步进驱动系统构成 常规步进驱动系统的位置控制精度不但与控制系统的性能有关，而且 在很大程度上取决于机床的机械结构，即传动机构的机械性能。随着系统 投入使用的时间增长、传动件的磨损以及环境温度的变化等因素都会使得 系统精度降低。因此，常规步进驱动系统一般很难达到高的位置控制精度。 因此，本课题中提出一种步进驱动系统的闭环控制方法，该系统中引 入直接检测运动部件位移的测量环节和闭环位置控制器，由此构成一个包 含各种误差源的全闭环系统。这样构成的系统，结构如下： 位 移 指 令 位 反 图3 3 闭环步进位置控制系统的构成 西安理工大学硕士学位论文 该系统采用光栅作为线位移检测装置获取工作台的位移信息，此信息 经过前置处理后得到相位差9 0 度的两路正弦信号，此信号同时送入可逆计 数部分与软件细分部分。在软件细分部分，使用第二章提出的方法将信号 1 0 0 细分，提高测量元件的位移分辨率：在可逆计数部分，信号经过进一步 处理后变成相位差9 0 度的两路脉冲信号，其频率与工作台位移速度成正比， 数量为工作台实际位移量除以脉冲当量，脉冲信号被送入可逆计数器进行 计数，计数器中的计数值与软件细分部分得到的值相加起来就表示了工作 台的实际位移。系统中的位置控制器的作用是将位置指令值与反馈值之差 按预先一定的控制规律控制整个系统的运行，以保证工作台位移跟随指令 值变化。位置控制器的输出量通过数字朋咏冲转换( d f ) 环节生成驱动步进 电机的指令脉冲信号。位置控制器的具体实现在后面章节详细论述。 该系统不但可使运动部件的定位精度由检测环节的测量精度决定，而 且可以保证运动部件的位移具有较高的动、稳态特性。 3 2 3 步进电机的驱动与控制电路 步进电机必须使用专用的驱动电源才能够正常工作。步进电机的驱动 电源一般由环行分配器、功率放大器等部分组成。环行分配器的主要功能 是将源于控制器的指令脉冲串按一定的规律分配给步进电机驱动器的各相 输入端，控制励磁绕组的导通或截止，同时接受控制器的方向控制信号， 通过改变励磁顺序，决定电机的转向。 使用微机对步进电机进行控制有串行和并行两种方式。由于并行控制 中是由微机系统的数条端口线直接去控制步进电机各相驱动电路，环形分 配器的功能是由微机系统完成的，它一方面占用了微机系统的资源，另一 方面也加重了微机系统的负担，因此，并行控制方案很少采用。 本课题中采用串行控制方式，p c 机通过很少的i o 接口线将信号送入 步进电机驱动电源，由驱动电源的输出去驱动电机运动。在这种方式中， 驱动电源中必须有环形分配器。下面是本课题中采用的驱动与控制方式原 第三章数控系统的伺服控制 理框图 图3 - 4 步进电机驱动与控制原理框图 图中，c p 脉冲信号就是经过d f 环节后得到的指令脉冲信号，它由8 2 5 3 计数定时器产生，脉冲信号c p 的数量用来控制步进电机转动的角度，进 而控制工作台的直线位移量，频率大小对应电机的转速，打开与关闭该脉 冲信号由八d 锁存器7 4 l s 5 7 3 的d o 位来控制。c w 方向信号由7 4 l s 5 7 3 的d l 位束控制，c w 为电平输入信号端，用来控制电动机的转向，当c w 为高电平时，步进电机在c p 输入脉冲控制下顺时针转动，c w 为低电平时， 步进电机逆时针转动：e n 为驱动电源的使能信号，由7 4 l s 5 7 3 的d 2 位来 控制。 我们用p c 机控制步进电机的运行速度，实际上就是控制系统中8 2 5 3 定时器发出时钟脉冲的频率。升速时，使脉冲串逐渐加密：减速时，使脉 冲串逐渐稀疏。我们利用8 2 5 3 定时器，通过设置不同的分频系数来实现， 实际上就是不断改变定时器装载值的大小。设8 2 5 3 的输入时钟信号c l k 的频率为，：，步进电机需要的驱动脉冲频率为f ，则8 2 5 3 的2 通道的装载 值n 为： ， n = 五( 3 - 1 ) f 西安理工大学硕士学位论文 3 3 控制策略 3 3 。1 速度控制 在c n c 数控系统中，无论开环或是闭环控制，都要考虑伺服机构的启 动、停止或者运动反向的加减速处理，以获得平稳的运动和较高的位置控 制精度。在工作台运动的过程中，对它运动的速度和加速度都要进行一定 的控制。现在使用最广泛的是梯形速度衄线，从零速度起按加速度运动直 到设定的速度。好的速度曲线( 如指数曲线) 应使加速度逐渐达到定值。 最好的速度曲线为s 曲线，它使用平稳的加速度变化率。选用s 速度曲线 需要较长的时间才能达到预定的速度。它的抗冲击性强，但是系统的运动 效率变低。梯形速度曲线的计算比较简单，在这里，我们采用梯形速度曲 线。 梯形速度曲线在时间上可以分为三个阶段：第一阶段为加速阶段，运 动轴以最大加速度a x 加速到最大速度v x ；第二阶段为匀速运动阶段，运 动轴以最大速度v x 匀速运动；第三阶段为减速阶段，运动轴以最小减速度 一a x 减速到停止状态。 假设运动轴由t o 时刻的x o 运动到t f 时刻的x f ，轴的运动速度在运动前 后都为零。图3 5 表示了速度和加速度的时间衄线。 x ( t ) 圪 0 z ( f ) 爿； 0 一a ， t l 厶l uf 3 _ ，j f of lf 2f 3 = tr ( a ) 。 ( b ) 图3 5 速度、加速度时间曲线 由图3 5 可得各段所用的时间为 l 一，0 _ 堡( 3 - 2 ) f 2 ：旷f i 型! 一“：堑二生堡( 3 - 3 ) 矿：n a ， 2 n 第三章数控系统的伺服控制 a t 3 = t 3 一t 2 = a t l( 3 - 4 ) 因此，运动过程中，总的时间为 ，r 一，。= 付，2 + ，3 = 坐+ 堡( 3 - 5 ) 由此我们可以计算出各段的速筐值。 一 1 当t o t t i 时，工作台的运动速度为 v ( t ) = 4 0 t o ) ( 3 - 6 ) 2 当t l t t 2 时，工作台的运动速度为 v ( f ) = ( 3 7 ) 3 当t 2 t t f 时，工作台的运动速度为 v ( f ) = t 一4 ( r t 2 )( 3 - 8 ) 另外，在按照式( 3 - 3 ) 让算at 2 时，有可能出现负值。这是因为： i x f - x 4 o 或= 0 ，且p 。0 时，对误差积分；反之，不对误差 积分。 p i d 控制器的参数整定方法有很多种，如扩充临界比例度法，扩充响应 曲线法等，这些方法都需要比较强的专业知识。我们所选用的方法为比较 法，把控制系统输出的的理论值与实际值进行比较，画出两者的曲线，根 据各参数对系统性能的影响来选择它们的值，这种方法比较直观，易于操 作。调节时，根据p i d 控制器各校正环节的作用来进行。各校正环节的作 用简述如下： l 、比例环节增大比例系数k 。将加快系统响应速度，但过大，将使 系统产生较大的超调，并产生振荡，使系统稳定性变坏。 2 、积分环节增大积分时间z 有利于减小超调，减小振荡，使系统更 加稳定，但会减慢系统静差的消除。 3 、微分环节增大微分时间乃有利于加快系统响应，使超调量减小， 稳定性增加，但会降低系统对扰动的抑制能力。 数字p i d 控制器程序框图如下( 图3 7 ) ： 第三章数拄系统的伺服控制 图3 7控制算法程序流程 西安理工夫学硕上学位论文 3 4 插补算法 现代数控系统大多是多轴联动的计算机数控系统。对于多轴联动的计 算机数控系统，要求计算出机床的各运动轴的进给指令，分别驱动各运动轴 产生协调运动，以获得理想的运动轨迹。在这个过程中，涉及到对轨迹的 插补算法及对各运动轴的速度、位置控制，其中，计算机控制指令信号的 生成( 即插补运算) 是一个重要的组成部分，它的优劣反映了数控系统的 智能化程度。 3 4 1 插补的概念 在数控系统中，插补是指根据给定的数学函数，诸如线性函数、圆函 数或高次函数，在理想的轨迹或轮廓上的已知点之间确定一些中间点的方 法。插补是实现数字控制的基础。在普通数控系统中，插补是由专门设计 的硬件数字电路实现的，而在现代计算机数控系统( c n c ) 中，大多采用 计算机纯软件来实现。 直线和圆弧是构成空间曲线的基本线条。因此c n c 系统一般都具有直 线和圆弧插补功能。在一些较高档的c n c 系统中，还有螺弦线插补、正弦 线插补、渐开线插补、样条插补等插补功能。在设计运动轨迹时，对于直 线，要给出直线的起点和终点，对于圆弧，要给出圆弧的起点、终点、圆 心以及插补方向等，然后通过插补运算计算出起始点与终止点之间的各插 补点的坐标值。 对于轮廓控制系统而言，插补是最重要的计算任务。插补和位置控制 都必须是实时的，即必须在有限的时间内完成计算。插补程序的运行时间 和计算精度直接影响到整个c n c 系统的性能。因此，人们不断探求以期获 得一种既简单又精确的插补算法。 插补算法有多种，目前普遍应用的插补算法有如下两大类： 1 、脉冲增量插补 脉冲增量插补也称行程增量插补，它仅适用于中等精度和中等速度、 第三