（计算机应用技术专业论文）基于cass数控绕线机非线性算法的设计与实现.pdf

j d i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt oh a n g z h o ud ia n ziu n i v e r s i t y f o rt h ed e g r e eo fm a s t e r t h e d e s i g n a n d i m p l e m e n t a t i o no f c n c w i n d i n gm a c h i n e n o n - - l i n e a ra l g o r i t h m b a s e do nc a s s c a n d i d a t e ： s u p e r v i s o r ： l u oc h u a n p r o f y a ny i m a r c h ，2 0 1l 杭州电子科技大学 学位论文原创性声明和使用授权说明 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 究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品或成果。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。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名： 写 - 1 日期：加( 【年2 1 月胛 学位论文使用授权说明 本人完全了解杭州电子科技大学关于保留和使用学位论文的规定，即：研 究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属杭州电子科技大学。本人保证 毕业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为杭州电子科技大 学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文 的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密 论文在解密后遵守此规定) 论文作者签名椤，j 指导教师签名： 醐：乃j 降了月坪日 日期：加l j 年弘归 杭州电子科技大学硕士学位论文 摘要 可编程控制器作为工业自动化三大支柱产业之一，以其性能优越、可靠性高、 易于开发和维护等优点，在工业生产领域发挥着越来越重要的作用。随着微电子 技术、计算机技术的发展，以及国际标准i e c 6 1 1 3 1 3 的日益推广，嵌入式系统 和软p l c 技术相结合成为了当前p l c 技术发展的新方向，基于嵌入式技术的软 p l c 系统( 嵌入式软p l c ) 成为了p l c 发展的必然产物。c a s s 就是基于嵌入 式技术的p l c 系统的开创性研究。 本文基于c a s s 技术，针对目前绕线机行业遇到的问题，绕制线径大于 o 8 m m 的多层线圈时，骨架边缘处容易出现跳线和叠线等问题，提出了非线性绕 线算法。该算法通过p l c 内嵌数控指令的方式来实现，相对目前通用的绕线算 法，具有一定的开创性和创新性。论文的主要工作及研究成果可以概括如下： ( 1 ) 对数控技术，绕线机行业的发展现状以及当前遇到的问题，进行了简单 论述，为论文的进一步研究作好准备。 ( 2 ) 与传统的采用引擎控制和p l c 工业控制绕线算法不同，提出了在p l c 中内嵌数控语言的方式，实现绕线机的绕线功能。 ( 3 ) 针对非线性算法，设计了绕线数控指令，该指令的设计包括底层指令的 设计及指令调度，梯形图指令的设计及功能实现，绕线数控指令的设计及指令解 析编译下载以及指令的管理。 ( 4 ) 根据非线性算法，搭建了测试平台，并对算法进行了测试，测试结果表 明：将非线性算法应用于绕线机排线是可行的，并且具有很好的绕线效果，算法 设计灵活方便，可扩展，控制系统稳定可靠，具有一定开创性和实用价值。 关键词：c a s s ，数控指令，梯形图，绕线机，非线性算法 杭州电子科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t a so n eo ft h ep i l l a ri n d u s t r i e so fi n d u s t r i a la u t o m a t i o n ，p r o g r a m m a b l el o g i c c o n t r o l l e r ( p l c ) p l a y sa l li n c r e a s i n g l yi m p o r t a n tr o l ei ni n d u s t r i a lp r o d u c t i o nf i e l d d u et oi t s9 0 0 dp e r f o r m a n c e ，h i g hr e l i a b i l i t ya n df a c i l i t yf o rd e v e l o p m e n ta n d m a i n t e n a n c e w i t ht h ei n c r e a s i n gp o p u l a r i z a t i o no fi n t e r n a t i o n a l s t a n d a r d i e c 61131 3a n dt h ed e v e l o p m e n to fm i c r o - e l e c t r o n i c sa n dc o m p u t e rt e c h n o l o g y , s o f t p l ct e c h n o l o g yc o m b i n e dw i t he m b e d d e ds y s t e mh a sb e c o m et h en e wd i r e c t i o nf o r p l cd e v e l o p m e n tw i t ht h ei n e v i t a b l eo u t c o m e e m b e d d e ds o f tp l c c a s si st h e p i o n e 耐n g r e s e a r c hb a s e do ne r n b c d d e dt e c h n o l o g ya n dp l cs y s t e m b a s e do nc a s st e c h n o l o g y , t h ep a p e rd e a l e dw i mt h ec u r r e n tp r o b l e m st h a tt h e w i n d i n gm a c h i n ei n d u s t r yi se n c o u n t e r i n gw i t h i t sac h a l l e n g et h a tt h ed i a m e t e ro f t h e w i n d i n gc o i li sm o r et h a n0 8m i l l i m e t e ra n dt h el a y e r so f c o i li st o om a n y , a n d t h ee d g eo ft h ec o i li se a s yt oo v e r l a pa n dj u m pl i n e s ，s op r o p o s e dn o n - l i n e a rw i n d i n g a l g o r i t h m ，w h i c h w a sr e a l i z e db yp l cb u i l t i nc n c i n s t r u c t i o n s c o m p a r i n g 丽mt h e g e n e r a lw i n d i n ga l g o r i t h m ，t os o m ee x t e n t , i t sa ni n n o v a t i o n t h em a i nw o r ka n d r e s e a r c hr e s u l t so ft h i sp a p e rc a nb es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： ( 1 ) a n a l y z e dt h en u m e r i c a lc o n t r o lt e c h n o l o g y , w i n d i n gm a c h i n ed e v e l o p m e n t s t a t u sa n dt h ec u r r e n tp r o b l e r n ss i m p l yi no r d e rt op r e p a r ew e l lf o rt h ef u r t h e rs t u d yo f t h i sp a p e r ( 2 ) d i f f e r e n tf r o mt h et r a d i t i o n a la l g o r i t h m sw h i c ha d o p t se n g i n ec o n t r o la n dp l c i n d u s t r i a lc o n t r o ls oa st ow i n dc o i l s ，p r o p o s e dp l cb u i l t i nc n ci n s t r u c t i o t i si no r d e r t oa c h i e v et h ew i n d i n gf u n c t i o no ft h ec o i lw i n d i n gm a c h i n e ( 3 ) t om a k et h en o n - l i n e a ra l g o r i t h mc o m et r u e ，d e s i g n e dt h e c n cw i n d i n g i n s t r u c t i o n s ，i n c l u d i n gt h ed e s i g no ft h el o w l e v e li n s t r u c t i o n s a n di n s t r u c t i o n s s c h e d u l i n g , t h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h ef u n c t i o no fl a d d e ri n s t r u c t i o n s ，a n d t h ed e s i g na n dp a r s e , c o m p i l ea n dd o w n l o a do fc n cw i n d i n gi n s t r u c t i o n sa n dt h e d i r e c t i v em a n a g e m e n t ( 4 ) a c c o r d i n gt ot h en o n - l i n e a ra l g o r i t h m ，b u i l dt h er e a l t e s tp l a t f o r mw h i c hi s a d o p t e dt ot e s tt h en o n l i n e a ra l g o r i t h m t h er e s u l t ss h o wt h a ti t sp o s s i b l et h a tt h e n o n - l i n e a ra l g o r i t h mi sa p p l i e dt ot h ec o i lw i n d i n gm a c h i n e m o r e o v e rt h ea l g o r i t h m h a sag o o de f f e c ta n df l e x i b l ed e s i g n ，m e a n w h i l e ，t h ec o n t r o ls y s t e mi sr e l i a b l e t h e w h o l en o n - l i n e a ra l g o r i t h mi si n n o v a t i v ea n dp r a c t i c a l 1 1 k e y w o r d s ：c a s s ，n u m e r i c a li n s t r u c t i o n ，l a d d e rd i a g r a m ，c o i l w i n d i n gm a c h i n e ， n o n - l i n e a ra l g o r i t h m m i j 杭州电子科技大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 研究背景与意义1 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 粗线径绕线机的发展2 1 2 2 粗线径绕线算法概述4 1 3 开发平台c a s s 介绍一5 1 4 论文主要工作及创新点8 1 5 论文组织结构8 第二章非线性算法的总体设计1 0 2 1 非线性算法的总体设计框架1 0 2 2 非线性算法的详细设计步骤1 1 2 3 本章小结1 3 第三章数控绕线指令的设计1 4 3 1x 命令解析器中数控绕线指令的设计1 4 3 1 1x 命令解析器的介绍1 4 3 1 2 数控绕线指令的设计1 5 3 1 3 数控绕线指令的解析一1 7 3 1 4 数控绕线指令的管理一1 9 3 2 梯形图中数控绕线指令的设计2 0 3 2 1 梯形图语言概述2 0 3 2 2 梯形图中数控绕线指令设计2 5 3 3 引擎中的数控绕线指令设计3 2 3 3 1 c a s s 引擎介绍3 2 3 3 2 引擎中数控绕线指令的设计3 7 3 3 3 引擎中数控绕线指令的调度3 8 3 4 本章小结4 0 第四章非线性绕线算法设计4 l 4 1 同层线圈同步绕线4 1 i v 垫型皇王型垫奎兰堡主兰垡笙皇 4 2 反转同步绕线4 z 4 3 主轴先运行，再同步绕线4 3 4 4 简单机械式排线4 4 4 5 宝塔型绕线4 5 4 6 复杂型绕线4 0 4 7 本章小结4 0 第五章非线性算法的测试4 r ， 5 1 测试平台的搭建4 ， 5 2 非线性算法的实例4 8 5 3 非线性算法性能分析4 9 5 4 本章小结5 u 第六章工作总结与进一步的研究5 l 6 1 工作总结) l 6 2 进一步的研究l 致谢一) j 参考文献5 4 附录5 7 v 杭州电子科技大学硕士学位论文 1 1 研究背景与意义 第一章绪论 数控技术( n u m e r i c a lc o n t r o l ，n c ) i t , 2 ，是指用数字、文字和符号组成的 数字指令来实现一台或多台机械设备动作控制的技术，它所控制的变量通常是位 置、角度、速度等机械量或与机械能量有关的开关量。伴随数据载体和二进制形 式数据运算的出现，产生了数控技术。1 9 0 8 年，穿孔的金属薄片互换式数据载 体问世，1 9 世纪末，发明了以纸为数据载体并具有辅助功能的控制系统，1 9 3 8 年，在美国麻省理工学院m i t 香农进行了数据快速运算和传输，奠定了现代计算 机，包括计算机数字控制系统的基础。数控技术是与机床控制密切结合发展起来 的。1 9 5 2 年，第一台数控机床问世，成为世界机械工业史上一件划时代的重要 事件，推动了自动化技术的发展 3 , 4 1 。 1 9 4 6 年第一台计算机诞生于美国，1 9 5 2 年第一台数控机床也产生于美国。 从此，数控技术、电子技术和计算机技术的发展紧密相关，半个多世纪以来，数 控技术经历了3 个阶段和6 个发展时代。第一个阶段就是前面提到的n c 阶段， 这个阶段的数控技术发展可以简单概括为3 个时代，即电子管时代、晶体管时代 和中小规模集成电路时代。第二阶段就是现在的计算机数控技术( c o m p u t e r n u m e r i c a lc o n t r o l ，c n c ) 阶段。1 9 7 0 年小型计算机开始应用于数控系统，也 就是第4 代数控系统；1 9 7 4 年微处理器开始应用于数控系统，数控系统发展到 第5 代。当前，在工业生产中使用的大多数数控系统都是第5 代数控系统，其特 点是专用性比较强，一套数控系统就是一台专用计算机，包含有十几块甚至几十 块专用芯片，但是与标准的计算机不兼容，他们之间也互不兼容。日本、美国和 西欧是第5 代数控系统的领导厂商，如日本的三菱、欧姆龙、法拉克( f a n u c ) ， 美国的哈斯( h a a s ) ，德国的西门子( s i e m e n s ) 等。目前市场上该系列数控系统 的代表是日本的f a n u c - o 系统和德国的s i e m e n s8 1 0 系统：第三个发展阶段为开 放式数控系统( o p e nn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m ，o n c ) 阶段，2 0 世纪9 0 年代， 美国首先出现了在p c 机平台上开发的数控系统，即开放式数控系统，也就是第6 代数控系统，其特点是计算机的开放性与兼容性。目前数控技术朝以下的方向发 展：( 1 ) 高速、高精加工技术及装备的新趋势；( 2 ) 五轴联动加工和复合加工机床 快速发展；( 3 ) 智能化、开放式、网络化成为当代数控系统的发展趋势i 湖】。 相对发达国家而言，我国数控技术的发展相对较晚，起步于1 9 5 8 年，发展 的历程大致可以分为4 个阶段f 9 l ：第1 阶段，1 9 5 8 年至1 9 7 9 年，封闭式发展阶 杭州电子科技大学硕士学位论文 段；第2 个阶段，我国“六五 、“七五 、“八五，称为引进技术，消化吸 收和初步建立起国产化体系阶段，因为改革开放和国家的重视，以及研究开发环 境和国际环境的改善，我国数控技术的发展取得了长足的进步；第3 个阶段，“九 五 、“十五期间，即实施产业化的研究，进入市场竞争的阶段，我国国产数 控装备的产业化取得了实质性进步，国产数控机床的国内市场占有率达到了一半 以上，国产数控系统也达到了百分之十左右；第4 个阶段，从2 1 世纪初到现在， 稳定发展阶段，政府大力推行新型高新技术，现在已经出现了可以数百台成批量 生产数控机床和数控系统的企业，逐渐形成了以广州数控、深圳众为兴、华中数 控为代表的数控系统，尤其是华中数控的h n c 数控系统取得了一系列创新和国际 领先技术，一些单项技术已经接近或者超过国外的水平，为我国数控技术的发展 做出了巨大的贡献。 伴随全球高新技术的发展、计算机技术、数控技术、自动化控制技术的日趋 成熟，高速加工制造技术正促使全球加工制造业产生第二次革命性的飞跃，世界 范围内的机械设备日益向高质高效自动化方向发展1 1 0 。数控绕线机作为机械制 造行业绕制各种线圈的必备设备，其性能直接决定了绕制线圈的质量和绕线效 率。近年来，数控绕线机在机械电子工业中的重要性日益被大家所认识。在绕制 细线径的漆包线( 线径小于0 3 m m ) 时，已经取得了一系列突破性的进展，日本 的田中精机( t a n a c ) 、日特( n i t t o k u ) ，瑞士的米特( m e t e o r ) 等国际领先绕线机 厂商已经实现了2 4 0 0 0 r p m 的高速绕线，而且绕制的线圈质量也相当可观；但是 对于绕制粗线径漆包线( 线径大于0 8 姗) ，线圈层数多于1 0 层时，骨架边缘处 容易出现跳线，叠线等问题，从而使排线的质量较差，达不到精密设备的精度要 求。随着国家“十二五的大型风力发电项目对粗线径线圈的需求猛增，刺激了 粗线径数控绕线机的研究与开发，因此对粗线径数控绕线机算法的设计与研究具 有深刻的意义。 本课题的研究基于浙江省重大科技攻关项目“基于嵌入式的计算机辅助专用 控制系统开发平台c a s s ( c o m p u t 叮a s s i s ts p c d a ls y s t e m ) ，针对粗线径数控绕 线机，提出了非线性绕线算法，通过可编程逻辑控制器( p r o g r a m m a b l el o 西c c o n t r o l l e r , p l c ) f 勾嵌数控指令的方式实现非线性绕线，用于解决目前粗线径绕线 机行业遇到的问题。该研究具有一定的实用价值和时代意义，具有广阔的市场前 景，可为我国绕线机行业的兴旺，乃至世界绕线机的发展尽微薄之力。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 粗线径绕线机的发展 绕线机在发展之初是极其简单的机械传动设备，依靠人力转动摇柄通过齿 2 杭州电子科技大学硕士学位论文 轮传动带动绕线轴，这个方式比较落后，绕线品质也全凭操作人员的绕线经验技 巧而定；后来发展为以电动机为动力装置的绕线机，大大提高了工作效率，也使 得粗线径漆包线的绕制变得更为简单。现代大型电机和超高压变压器的生产离不 开粗线径绕线机，近年来国家倡导的低碳节能环保等，尤其是西北大型风力发电 项目，对绕制线径l m 以上的超大型变压器线圈的需求，正促使着粗线径绕线机 的技术发展。 粗线径绕线机的技术发展也经历了几代机型的更新才有现代数控绕线机的 自动、高效、高产。第l 代的粗线径绕线机大多是由大型车床改制而成，由电动 机带动多段齿轮减速箱使主轴的转矩可以满足粗线径的绕制要求，主轴加装计数 装置后实现圈数显示功能，这一代的机型也仅满足了粗线径线圈的简单绕制要 求，大部分需要实现的功能都由操作人员来完成；第2 代的粗线径绕线机已经有 较高的自动化程度和电气控制技术，其机身结构已经不再使用车床的机身，由绕 线机生产厂家自行开发而成，机械结构也根据应用场合的不同而不同，变压器绕 线机需要较大的宽度满足绕线要求，电机绕线机需要较大的回转直径来满足绕线 要求，这一代的绕线机具有圈数预置、自动排线、绕线张力调节等功能，目前大 部分的厂家使用的都是这一代的机型；第3 代的粗线径绕线机使用了更有科技含 量的主轴电机，也具有更高的自动化程度，主轴电机使用高精度伺服电机电一体 式的减速器实现了高精度的动力传输，排线电机同样采用伺服电机来实现高精度 的精密排线，顶针的位置一般也采用电动位置来实现，这代的机型是目前绕线机 生产厂家的主流产品，适用于对绕线精度有极高要求的场合。随着绕线需求的变 化绕线机的功能结构和发展，绕线机的技术也会向着更高自动化程度、更高效和 高产的方向发展。图1 1 为绕线机的发展历程，从左到右依次为人工手摇式绕线 机，手动半自动绕线机和全自动数控绕线机。 一心 图1 1 绕线机的发展历程 田中精机作为绕线机生产的鼻祖，自1 9 5 8 年生成了第一台绕线机以来，通 过数十年不断的独立研发以及长时间的生产实践经验，使之成为当今世界绕线机 3 杭州电子科技大学硕士学位论文 的技术标准。田中精机是第一个把微电脑控制应用于全自动绕线机的，是第一个 开发出c n c 翻转式多轴绕线机的。表1 1 为目前世界上比较著名的绕线机行业领 导厂商，其发展方向决定着绕线机的未来。 表1 1 世界知名绕线机厂商 厂商国家成立年份备注 1 黼随日本1 9 3 3 年 田中精机，世界绕线机的鼻祖 n i t t o k u 日本1 9 7 2 年日特绕线机，绕线机控制系统世界领先 m e t e ( ) r 瑞士1 9 6 5 年米特绕线机，高速绕线机世界领先 m a r s i l l i 意大利1 9 3 8 年马斯利绕线机，主要研制粗线径绕线机 1 2 2 粗线径绕线算法概述 随着计算机技术和机械设计技术的发展，目前数控绕线机的机械精度和控制 系统算法都取得了很大的进步，并已成为国民经济发展的重要组成部分。机械精 度的提高主要通过优质精密耐磨的材料，研制出机械精度较高的绕线机；而绕线 精度却主要依赖于采用的控制系统和控制算法。如日本日特和瑞士米特采用的安 川( y a s k a w a ) 的m e c h a t r o l i n k - i i 现场总线控制系统，田中精机采用自行研发的 g 2 数控系统。纵观绕线机行业，目前基本都是根据企业定制的p l c 工业控制方 法实现绕线。但是在绕制粗线径漆包线线圈时，并不会出现如图1 2 所示的理想 排线情况。 漆包线 骨架 图1 2 理想排线 而是在骨架边缘处出现跳线和叠线等的问题，每层线圈并非刚好压在下层线 圈上，究其原因有主要有以下几点： ( 1 ) 漆包线之间具有相互挤压的作用力，因此，在排线过程中，漆包线之 间会发生相对的位移； ( 2 ) 随着主轴的转动，漆包线受到的张力也是不断改变的； 杭州电子科技大学硕士学位论文 ( 3 ) 随着线圈层数的增加，同层线圈漆包线之间以及不同线圈层漆包线之 间的作用力也会发生变化； ( 4 ) 排线并不是刚好满足整数圈； ( 5 ) 主轴转动过程由于机械振动，会发生相对的应力和应变。 因此会出现如图1 3 所示的实际排线情况。 漆包线 骨架 图1 3 实际排线 假设漆包线径为1 咖，线圈骨架宽度为3 0 m ，总共绕制圈数为3 0 0 圈，那么 根据传统的绕线方法，很容易得出：每层排线圈数= 3 0 r a m i r a = 3 0 圈，总共绕制 1 0 层。但是从图1 3 可以发现，漆包线并不是平行于骨架边缘排线，而是有一 定的倾斜角度，假设倾斜角度刚好能跳过一格线圈，那么第一层排线9 格后，漆 包线己到达骨架边缘，于是再绕制一格时，下层线圈就会被挤压，出现跳线的可 能，于是采用传统的机械式来回按整数圈排线，并且每层都以相同的速度和圈数 来排线就会出现跳线和叠线的问题。 针对上述的问题，主要有以下的研究：有的在骨架边缘处增设传感器，动态 的跟踪排线过程，准确的定位排线位置，并与主控设备通信，改变排线的策略， 达到提高排线的目的，目前主流的绕线机厂商都是采用这种绕线方式，如日本的 田中精机和日特；有的通过安装视频监控，捕捉绕线的实际位置，反馈给主控系 统，动态的改变排线方式，如德国的绕线机厂商等。这些方法的实现都比较的复 杂，而且成本相对较高。因此，本文提出了内嵌p l c 的数控指令的方式实现非线 性算法，即线圈绕制过程中可以实现非整数圈绕线，而且每次绕制的速度都可动 态设定，通过数控指令的组合来实现绕线的功能，提高绕线的精度和速度。 1 3 开发平台c a s s 介绍 如前文所述绕线机发展至今经历了多次技术改革和创新，从早期的手摇式绕 线机到现在的全自动机数控绕线机，效率和性能得到了大幅度的提升，设备的自 3 杭州电子科技大学硕士学位论文 动化程度也越来越高，许多现代高新技术也逐步出现在绕线机的控制系统中，绕 线机控制器的技术发展大体分为简易控制系统、c n c 控制系统、伺服高精度控制 3 个阶段。 ( 1 ) 简易控制系统 该系统应用于早期的简单式绕线机，功能非常简单，仅能实现电子计数、 产量累计、主轴正反向控制等简易功能，核心控制单元一般都采用单片机。目前 市面上多数中低档绕线机控制系统都是采用这种控制方式，采用单片机控制系 统，相对早期的手动绕线机，具有自动化程度高，体积小，控制精度高，减轻了 工人的劳动 1 1 , 1 2 1 。 ( 2 ) c n c 控制系统 c n c 控制系统诞生于美国，盛行于欧美和日本，我国台湾应用c n c 控制系 统较早，国内厂家起步较晚，所以早期的国产c n c 控制器的稳定性和性能都不如 台湾原厂产品，经过多年的发展，目前国产c n c 控制系统的性能和台湾产品无明 显的差异，c n c 控制器是目前自动绕线机使用最多的控制器，其优越的扩展性能 使c n c 绕线机的分类较多，有单轴、多轴等。文献1 3 介绍了p l c 在数控全自动 转子绕线机中的应用，利用程序内部软触点代替以前的机械触点，程序内部计数 器代替以往的拨码计数器，且配合触摸屏的使用，可以缩短设计周期，安装调试 十分的方便【1 3 1 ；文献1 4 设计了一种p l c 和m n c 为一体的新型c n c ，不但满足顺 序逻辑控制和定时计数控制，还保证了位置控制的精度”】。 ( 3 ) 伺服高精度控制系统 高精度控制系统的出现是为了满足现代高精密高品质漆包线线圈的要求，由 于系统采用了双伺服加p l c 的设计，其控制精度要远远高于普通绕线机的控制系 统，p l c 控制单元使绕线机的功能自定义性更强，常用于精度要求较高的线圈加 工。 本文采用自主研发设计的c a s s 系统作为数控绕线机非线性算法的控制系 统，c a s s 是一种高精度伺服运动控制系统。c a s s 计算机辅助专用控制系统，是 省重大攻关项目，该平台是一种可扩展开放式p l c 系统，是嵌入式系统 1 5 - 1 8 1 与 软p l c 的结合，即嵌入式软p l c 系统，嵌入式软p l c 技术 1 9 - 2 1 1 即为嵌入式系 统和软p l c 技术的完美结合，它既有软p l c 技术的优点，又继承了嵌入式系统 的长处，具有如下的显著优点： ( 1 ) 嵌入式软p l c 系统具有开放的硬件体系结构，用户可以非常自由的选择 合适的硬件来定制满足要求的控制系统。 ( 2 ) 嵌入式软p l c 系统的指令集与传统p l c 相比，具有更加丰富的指令集， 大大方便了用户编写工业控制程序。 杭州电子科技大学硕士学位论文 ( 3 ) 嵌入式芯片技术的飞速发展使得嵌入式软p l c 产品的性价比得到了快速 的提高。 ( 4 ) 嵌入式软p l c 系统具有开放的架构和标准，其产品可以同时加入到p l c 网络和标准计算机网络中，因此，方便了现有计算机网络的很多研究成果可以非 常容易地应用到p l c 控制技术当中。 ( 5 ) 嵌入式软p l c 的技术基于i e c 6 11 3 1 3 语言标准，所以程序开发便捷， 易于复用，缩短了产品开发周期，调试和维护也相对比较方便。 目前的嵌入式软p l c 控制引擎的设计方案有基于l i n u x 操作系统【弘2 4 1 ，基 于u c 一0 s i i1 2 s , 2 6 1 和无操作系统，c a s s 则是采用无操作系统的设计方案，主要用于 运动伺服控制及相关方面，其控制板如图1 4 所示。 图1 4c a s s 伺服运动控制板 c a s s 运动伺服控制板详细功能如表1 2 所示。 支持6 路独立伺服控制输出，单路输出脉冲频率可达4 0 0 k h z 实现2 轴及以上直线插补功能，最大输出频率达3 0 0 k h z 基本功能实现2 轴圆弧插补，最大输出频率达1 2 0 k h z ，圆弧最小步进l 度 能实现t 型曲线，可设定加减速斜率 支持z 相原点输入 实现c a s s 梯形图编程功能 实现基本p l c 控制指令3 0 条 实现基本运算功能指令1 6 7 条 p l c 编程功能 实现扩展功能运算指令9 2 条 实现运动控制算法5 6 条 实现绕线机专用算法3 7 条 实现i l 指令编程 实现梯形图下载 7 杭州电子科技大学硕士学位论文 实现梯形图监控 实现运行数据修改 实现工程多文件集成 实现动态数据颜色区分 实现用户自定义指令 实现梯形图元件检索替换 系统e m c 群脉冲4 级 1 4 论文主要工作及创新点 在一定理论研究的基础上，分析了目前的各种绕线控制方法，在实验室自 主研发设计的c a s s 平台上，设计并实现了一种非线性绕线算法，该非线性算法 通过在p l c 中内嵌数控指令的方式来实现。主要包括数控绕线指令设计，梯形图 指令功能设计及实现，引擎指令的设计及指令调度，数据通信功能等。该非线性 算法打破了传统的以c 和汇编为引擎驱动的单片机控制绕线和通过p l c 工业总线 控制绕线的思想，构架了一种基于c a s s 的三层数控绕线体系结构。该算法具有 数控指令设计灵活方便，避免了纯的p l c 控制代码冗余复杂，内存空间开销较大； 梯形图算法设计开放可扩展，便于将可变的指令参数传递到引擎专用参数区，扩 展了算法的灵活性，完美的实现了“一次设计，多次使用 ；引擎驱动设计跨平 台等特点。用户通过简单数控绕线指令的组合来定制非线性排线算法，该变了传 统的以线径大小，骨架宽度，绕制圈数为参数的简单排线方式，具有一定的创新 性和开拓性，可为新一代绕线机的研究和设计提供参考。 1 5 论文组织结构 全文总共分为六章，各章的详细内容如下： 第一章，绪论，阐述了课题的研究背景及意义，对国内外数控技术的发展 做了阐述，对本文的研究意义做了简单的概述；简要的概述了绕线机控制算法的 国内外研究现状，提出了非线性绕线算法，并对课题开发平台c a s s 进行了简单 的介绍。 第二章，非线性算法的总体设计，主要介绍非线性算法的总体设计框架及 算法的总体设计步骤，包括数控绕线指令的设计，梯形图中指令的设计和引擎中 指令的设计过程。 第三章，绕线数控指令设计，根据绕线机实际绕线的过程，设计了数控绕 线指令，包括数控指令的设计包括数控指令的格式设计，指令解析和指令的，梯 形图中指令的设计，引擎中指令的设计及算法调度。 8 堕塑皇三型垫奎堂堡主堂篁垒壅 一 _ 一 第四章，非线性绕线算法设计，根据第三章设计的数控绕线指令，结合实 际排线的需求，提出了几种绕线算法，并采用数控指令的组合实现了非线性算法。 第五章，非线性算法的测试，本章基于设计的非线性算法，结合实际的绕 线机，伺服电机，实验室的c a s s 控制系统，搭建了测试平台，对算法进行了测 试，并对算法的性能进行了分析。 第六章，总结与进一步的研究。 杭州电子科技大学硕士学位论文 第二章非线性算法的总体设计 基于c a s s 平台，提出了非线性算法，该算法的实现涉及到c a s s 技术的方方 面面，从底层引擎指令格式设计及指令算法调度，梯形图指令算法设计，上层数 控绕线指令设计及指令解析。下面对该算法的总体设计进行阐述，图2 1 为非线 性算法的总体框架。 图2 1 非线性算法总体框架 2 1 非线性算法的总体设计框架 在c a s s 平台下进行非线性算法设计，必须要考虑到c a s s 平台的特点，即软 件架构包括底层引擎中指令设计和指令调度算法设计，梯形图中指令功能的设 计，以及独创的基于梯形图之上的数控绕线指令，该数控指令内嵌于p l c 中。因 此对于本文的非线性算法，首先必须构建自己的数控绕线指令，然后通过事先设 计好的数控绕线指令组合各种绕线算法程序。因此算法的设计重点和难点就在于 绕线指令的设计，整个绕线指令的设计包括3 个部分的内容，详细的指令设计如 图2 2 所示。 杭州电子科技大学硕士学位论文 图2 2 指令设计框架 其中，图2 1 中x 命令解析器用于设计数控绕线指令；而数控绕线指令的具 体功能实现是通过梯形图语言编程，利用图2 1 所示的c a s s _ p l c 梯形图软件， 将数控绕线指令的参数复制到系统预先开辟的参数区并实现指令的动作；引擎中 指令设计将参数区的参数转移到c a s s 底层的专用参数区，并进行指令的调度， 然后应用内嵌在引擎中的各种数控插补算法实现绕线。 2 2 非线性算法的详细设计步骤 本文提出的非线性算法通过p l c 内嵌数控指令的方式来实现数控绕线机非 线性排线算法，因此设计的重点和难点在于构建绕线指令。其中绕线指令的设计 包括3 个层次，即引擎中的指令，梯形图中的指令，用户界面层的数控绕线指令， 具体包括以下的步骤： ( 1 ) 设计绕线机数控绕线指令，包括指令格式、指令功能以及指令中参数 的数据类型； ( 2 ) 在可编程逻辑控制器内部存储区中开辟专用程序数据区，用于保存绕 线数控程序； ( 3 ) 梯形图编程，实现绕线数控指令的功能； ( 4 ) 在可编程逻辑控制器的引擎中定义相应的指令格式； ( 5 ) 在可编程逻辑控制器的引擎中添加指定调度算法； n 杭州电子科技大学硕士学位论文 ( 6 ) 通过上位机x 命令解析器，将数控绕线程序翻译成二进制码，并通过 通信接口，采用m o d b u s 协议下载到可编程逻辑控制器的程序数据区 中去执行。 梯形图实现绕线指令存放在可编程逻辑控制器的f l a s h 中，实现“一次设计， 多次运行 ；x 命令解析器中的非线性绕线程序存放在p l c 中r a m 中，通过底层 引擎的调度算法，将该p a m 中绕线指令一条一条的转移到新的r a m 中，然后，通 过f l a s h 中事先编制好的梯形图指令功能将该条指令的参数复制到引擎专用参 数区；通过引擎内嵌的各种算法执行预取的指令，驱动电机运行，实现指令的功 能，反复执行以上步骤，直到程序的结束，从而实现整个绕线过程。因此首先必 须对c a s s 的内存区域进行划分，便于保存编制指令及程序，整个c a s s 的内存分 布如图2 3 所示。 地址 。i 4“、 一，、v 。一一u 。 t 。 # ； ： 陵主乏二囊溺 起始地址翻l r t l妻。l 。i 囊| 7 。蕊 i 铀籼$ d s t a t t 2 纩缪鬟舞线攀令糍墩缓穆麟? ；鬃 张： j ；i ， ?，r 。i 镰 缝赢纛霆篡磐夔毳戆；：纛鬣 誓区 y 区 x 区 t l - 图2 3 c a s s 内存分布 数控指令的格式包括指令名、指令码、指令参数个数和指令参数，其中指 令参数为可选项；开辟的专用数据区至少有2 个，一个供用户程序数据存放，一 个为梯形图程序执行时的数据预取缓冲区；指令的梯形图程序是根据设计的数控 绕线指令功能来编制的，并且实现各指令的梯形图逻辑上是相互独立的；可编程 逻辑控制器的引擎中定义的指令格式与所设计的数控指令格式一致，包含指令 1 2 一垫塑皇王型垫奎堂堡主堂垡笙奎 一 - - - _ l _ - - - _ _ _ _ _ _ _ - _ 一 码、参数个数、程序数据存储区地址、数据预取缓冲区地址，设计步骤如图2 4 所示。 2 3 本章小结 开始 数控绕线指令设计 开辟专用数据区 梯形图语言编程 引擎中指令定义及 内存数据调度方法 绕线数控程序编程 解析并下载 图2 4 指令的设计步骤 结束 本章概述了非线性算法的总体设计，主要通过数控指令的组合来实现非线性 算法。而指令的设计主要包括数控绕线指令的设计，开辟专用数据区，梯形图语 言编程及功能实现，引擎指令格式定义及指令算法调度等，并对c a s s 的内存进 行了简单的划分，易于算法的实现。 1 3 杭州电子科技大学硕士学位论文 第三章数控绕线指令的设计 本章根据第二章提出的利用数控绕线指令的组合来构建非线性算法，于是 本章将详细的介绍数控绕线指令的设计过程，主要包括数控绕线指令详细设计过 程，开辟专用数据区，指令的梯形图功能设计及引擎中指令的格式定义及指令的 算法调度。 3 1 x 命令解析器中数控绕线指令的设计 3 1 1x 命令解析器的介绍 编译器田, 2 8 1 已成为现代计算机系统不可缺少的一部分，他们负责将用户的 计算需求转换成一段程序，从而让底层机器理解，因此，这些工具可以作为两种 不同领域的实体人和计算机的接口。编译器是一个系统软件，用于将源程序 转换为相应的目标语言程序，它还需要验证输入程序是否符合源语言的规范。如 果有违反规范的，例如，c 语言规定每条语句必须以分号( ；) 结束，如果程序 中违反了该规范，则编译器将向用户显示错误信息。对于少数不重要的违规，可 能会显示警告，图3 1 展示了整个编译过程。 图3 1 编译过程 x 命令解析器专门为数控绕线指令而设计的，该平台采用c # 语言开发，界面 人性化，简单易操作。主要功能包括数控绕线指令的设计，指令解析，指令管理， 指令下载以及x 命令解析器上位机与c a s s 伺服运动控制板之间的数据通信，x 命令解析器的操作界面如图3 2 所示。 l ，