（计算机软件与理论专业论文）电火花制标计算机实时控制系统的研究与开发.pdf

ab s t r a c t abstract 叨 1 1 s arti c l e i ntro d uce d the d e s ignand r e a 1 1zati o n o f th e o n . t l m e e l e c t r o ni c sp a r k sy st e mb as edonn u m e ricalc 0 n t r o 1 techno 1 o gy. f ir st ly， a n a 1 y z eth eapp l ic at i o nnee do f th eo pe no n 一 t l m ee l ec t r o n i c印 a r k num eric alco n t r o 1 sy stemand com bi n e d the s t a t e now a d a y s and the tend e n c y w i 1 h i ntern a l and exte rn al ， the deve l o p n 1 e n t o f th e te c lmo lo gy， fi nal 1 y the c r a n w o rko f the e l ectroni c s p ar kb as e don the h a r d w a r e ands o ft w ar e ， it d iv i dedthe w h o l e s y st e m i nt o 幻 刃 o p arts fo r des i g ni nga n d d e ve l o p i ng t h eh a r d w a r ep art m ai ul yfor t h egoo dworkin gw i t hc u rr e n th a r d 认 . r e equ i p m e ntl 淞 p cmac h i ne， driv ers 助d p c i card 助d s o me l m p r o v e m e n t a l m e d at t h e p c i p art. 丁 七 e s o n w ar e p art， 般 c o r d ing tothe m o s t o u t s t a n d i n g t h r e e p l ani n t e m a t i o nall y : o m a c ， o s e ca n d ws a c 人i t c ame tothe c o m p a r e a n d a n a 】 y s i s and p utthe most s u i t a b 1 e s 1 ru c t u r e model asthe fo u i1 d a t i 0 ntoboild 叩 youro wn soft w a r e s l ru c l u r e mode1 d uringth e p r o cessofre al i z i n g the s y s t e m ， ito ffer e d so me d e e p erana 】 y s i s 明d re se areh u pon so m e key tec俪q uesl派 the fol l o w l ngpoin t s : . mu l l i l a s kp ro c e s s in g : t aklng t h ebestdat ap ro c e s s ing m e t h o 氏sav ethe m e m o ryb utw it h moree ffi ci e ncy. . o n . t i me inte mip t p r o eess i ng: b as edon the inc e a s i ng n u m ber ofh a r d w ar e ， take the o n . t i m 。 加e 门p t te c hoi q uet hi o u g han a 1 y z 1 ngand c o m p 面n g allki n d s of on一 t 如e c o n t r o l l in g m e t h o d tore 朗 h a hi ghe r p r e c i sion d e m and ing . f o n 刃 ard and b ac kstageso ft w ar e s t ru c tu r e : the w h o lesy 张mdi vi d edthe m o d u l e l n t o fo rwar d and b 即 k g r o u n d . t 五 e fo n 泞 a r d isa p r o g r a mfor on. t 1 m e i n t e iiup t ， ital mosttakes on all the o n . t i me fu n ction li ke i n s e rt ， posi ti on con t r o lli ng and w a l c h l n g the fo gl cs . t h e b 留 k gr o und c 别 旧 e tothe i n p u t 胡 d cod 吨 w o r k . k e y wo rd s:coo rd i n a t e co 咖 m ngsy s tem ; 。 伴n numenc co n t r o l sy ste曲 s p a r k ;佣. t i m e c o n t r o l 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明 所呈交的学位论文是本人在导 师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。 据我所知，除了 文中 特别加以 标注和致谢的 地方外，论文中不包含 其 他 人 已 经 发 表 或 撰 写 过 的 研 究 成 果 ， 也 不 包 含 为 获 得 卫 如如 塑扎或 其 他 教 育 机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同 志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学 位 论 文 储 签 “ (手 写 呀 飞 象 签 字 日 期 : 渺 ! 年 “ 月 7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者 完 全了 解 南昌大学 有关保留、 使用学位 论文的 规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅 和 借阅。 本人 授权南昌大学可以 将学 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、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学 位 论 文 作 者 签 名 (手 写 ): 环 弃 各 - 签 字 日 期 :飞 川年 月1 了 日 导 师 签 名 、手 写 ): 闲似 戒 签 字 日 期 : ” 。 7 年 月 。 夕 日 学位论文作者毕业后去向: 工作单位: 通讯地址: 电话: 邮编: 第 1 章 绪论 第 1 章 绪论 1 . 1引言 本课题来源于省部级重点课题 “ xxxx 档案建档电火花制标计算机实时 控制系统”的纵向 课题。该项目 主要包括电 火花制标、制码和数据库建档三方 面技术的研究。 建档新技术研制的全套设备由微电脑制标仪、电脑全自 动数字制码机、其 它计算机配件及数码设备组成。 本文主要研究数控电火花加工系统，即对上述设备中微电脑制标仪的控制 开发研究. 数 控技术 ( 即 : 数 字控制 技术n 一calc o n t r o l ) ， 是 一种将控 制信息 做数字 化 处理后通过驱动单元对机械运动和工作过程进行自 动化控制的技术，使用数控 技术的 控制系 统就称为 数控系 统 111 。 数控系统是一 套 集多 学 科优势 于一身的 综合 系统，它涵盖了软件技术、信息处理/ 加工砖输技术、自 动控制技术、伺服驱动 技术、传感器技术等。自 上世纪五十年代问世以来，随着上述技术的不断发展， 数控系统也不断的更新换代，逐步形成了基于pc 机的开放式智能化数控系统。 与以前的数控系统相比，它的功能更强大、效率更高，它真正使数控技术获得 了广泛的应用。 因此， 基于p c机的开放式智能化数控技术在各个方面的研究与 应用也越来越受到重视。 1 . 2数控技术的发展历程及发展方向 纵观数控技术的发展历史，可知数控技术的发展是逐步跟踪电子技术、计 算机技术及信息技术的发展而 不断发展的。 经过至今50多年的发展，主要经历 了硬件数控 ( n c ) 、专用微处理器数控、嵌入式计算机数控和基于p c的开放式 智能化数控四 个阶段12.，lo 前三个阶段的数控技术都存在着许多的局限 性:功能都比 较专一， 体系结 构不够开放，用户不能自 主地根据需要对数控系统进行裁剪，没有扩展性，设 备和系统不易 更新升级。 而基于p c的开放式智能化数控技术， 具有良 好的开放 性和可扩展性， 技术进步快，更新升级容易， 用户可以 根据自 身的需求不断增 第 1 章 绪论 加扩展功能，性能和效率都有显著提高。 所以数控技术未来发展方向 主要有12.4 : 1 、向高速化和高精度化发展，高速化发展可以提高数控加工的效率，高精 度化的发展则能提高数控加工的质量，这两者是数控技术要求的 主体， 必然也 是数控技术未来发展的方向。 2 、向开放式发展， 在实 现系统构成要素模块化的同 时， 要通过这些要素 之 间的标准化，能够将由不同买方提供的要素自由 地结合起来，从而能方便地构 成完善的系统。 3 、向智能化发展，即具有拟人智能特征，在数控系统中具有模拟、延伸、 扩展的智能行为的知识处理活动。 4 、向p c化发展， 具有友好的人机界面， 使用普及， 为数控系统的标准化、 模块化和开放化奠定了 硬件基础，也大大提高数控系统的可扩展性、可维护性 和易用性等。 5 、向网络化发展，极大的满足数控生产线、数控系统、数控厂商和用户对 信息集成的需求，也是实现新的数控模式、远程控制等发展的基础单元。 1 . 3国内外开放式数控系统的发展概况及研究动态 数控系统目前正朝标准化开放体系结构的方向发展。就结构形式而言，当 今世界上的数控系统大致可分为四种类型: 传统数控系统:传统数 控系统如e a n u c o 系统、 m it s u bis him 50系 统、 5 正m e n s8lo 系统等。 这是一种专用的封闭体系结构的数控系统。尽管也可以 由 用户做 人机界 面， 但 必须 使 用专门 的 开发 工具 ( 如s ie m e n s 的w s s ooa)耗费 较多的人力，而对它的功能扩展、改变和维修，都必须求助于系统供应商。目 前，这类系统还是占 领了制造业的大部分市场。但由于开放体系结构数控系统 的发展，传统数控系统的市 场正在受到挑战，己 逐渐减小。 “ p c嵌入n c ”结构的开放式数控系统: “ p c嵌入n c ” 结构的开放式数 控系统如f a n u c l s l 、 1 6 1 系统、 5 正 m 阴5 8 4 0 0系统、 n u m1 0 6 0 系 统、 a b g / 3 6 0 等数控系统。 这是由 于一些数控系统制造商 不愿放弃多年来积累的数控软件技 术，又想利用计算机丰富的软件资源而开发的产品。然而，尽管它也具有一定 的开放性， 但由于它的n c部分仍然是传统的数控系统， 其体系结构还是不开放 第 1 章 绪论 的。因此，用户无法介入数控系统的核心。这类系统结构复杂、功能强大，但 价格昂贵。 “ n c嵌入p c ” 结构的开放式数控系统: “ n c嵌入p c ” 结构的开放式数控 系统由开放体系结构运动控制卡十 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.它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win d o w s 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 li 达t a t j 公司用p m a c多轴运动控制卡构造的p m 人 c 一c数 控系统、日本 m a z a k 公司用三菱电机的 m e l d a s m 叭 g i c64 构造的 ma z 八 t r o l 64o c n c等。 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f 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、c d 一 r o m和相应的驱动程序一样。用户可以在 win d o ws n t 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。 其典 型产品 有美国m d sl公司的o p encnc 、 德国power a u t o m ation公司的pa80 00n t等151 。 1 . 3 . 1国外开放式数控系统的发展概况及研究动态 由于传统c n c系统逐渐显示出其弱点:专用性强、通用性差，软件为系统 制造商所有，不便于功能扩展和各种软件的支撑、更新升级，软件移植性差， 组网通讯能力差，对机床制造商和用户的专业水平要求较高等， 人们提出了开 放式数控系统的概念，到现在还没形成统一的规范，但普遍赞同的观点是:开 放式数控系统是模块化、开放型的系统， 其核心是建立一种向数控系统的第三 方硬拌软件开发商、机械制造商和最终用户都开放的体系结构和标准，使数控 系统不依赖特定厂家， 达到可互连、 互操作、 可重组、 可扩展和易维护的目 的 1，o 开放式数控系统能够兼容市场上提供的各种硬件和软件资源;能够根据用户的 要求通过增加或减少模块来增减系统的功能;能够实现和其他应用系统的通讯 和协调工作。 同时，制造业对控制系统的要求越来越高，其需求内容越来越新，而需求 第 1 章 绪论 内容的变化越来越快，应对这样的变化趋势，开放式结构的出 现将是必然的结 果，而由 此带来的标准化之争日 益激烈。欧美及日 本各国都相继对开放式数控 系统进行研究并成立了开放式数控的研究机构，出台了各自的开放式体系结构 规范。1981 年，美国国防部为了减少军备制造对日 本控制系统的依赖性，开始 了 “ 下一代工作站 / 机床控制器n g c( t h e n e xtg e n e ratfo nw 匕 rk-s tati。 川 m ac hi ne c o n t r o l ) ” 计划，1990 年美国国防部启动了o a s y s项目来作为n g c的后续工 作，1 9 9 4年， 提出了o m a c开发计划.1 9 9 2欧盟的0 5 c a ( open s y s t e m 户 比 c hi l e c tu r e forc o n t r o l 初 thin a u to m ati ons y s t e m s) 计 划。 1 998 年， 日 本 也 提出了 o s e c ( 0 沐 n s y steme n v i ro nme ntfo r c o ntro l l e r ) 的参 考模型。 1 . 3 . 1 . i n g c 与d m ag n g c计 划于19 94年完成，主要是为工业应用提供功能性和服务性的定义， 最终以 开 放 式体系 结构标准规 范( s pe ci fi c a i i o n fo r anopens ys tein a r c h i t e c t u r e s ta n d a r d ，s o s a s )和“ 设计人员指南” 作为开发符合 n g c规范的产品所需的信 息， 并引 发出n g c 标准化的 成 果。 之后，由美国ford 、 g m和c hrysl er三大汽 车公司为首，在n g c的指导下， 联合提出进一步的o ma c开发计划。o n f a c 将数控系统分为系统基础框架、信息库管理、任务调 度、人机接口、运动控制、 传感器接口等模块，并提出由基类、模块、系统结构设计和系统详细设计等组 成的系统开发“ 参考模型” 。该计划的目 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 机床利用率， 提供软硬件模块的“ 即插即用” 和高效 的控制器重构机制，简化新技术到原有系统的集成和二次开发、简化系统使用 和维护，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 1 乃 。 1 . 3 . 1 . 20 s a c a o s a c a是19 9 0 年由 欧 共体国家的22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 92年5 月正式得到欧盟的 认可， 纳 入欧盟e s p r i t- m项目 计划。 o s a c a应用软 件中主要包括五类结构对象 ( a o ) ， 即 人 机 控制ao 、 逻辑控制a d 、 运 动控制a o 、 轴控 制a o 和过 程控制a o l 刃 。 虽然其他系统制造商可以 根据o s a c a的应用程序接口 和相关资料， 开发自己的 a o ，重新配置系统， 但是，由 于o s a c a没有考虑简化用户专用功能的实 现机 第 1 章 绪论 制， a o所要实现的功能非常复杂， 最终用户很难利用这种开放式系统实现专用 功能模块。 1 ， 3 ， 1 . 30s e g 日 本的“ 控制器开放系统环境 ( o s e c ) ” ，由东芝机器公司、丰田机器厂和 m a z a k 公司三家机床制造商和日 本ibm、 三菱电 子及s ml 信息系统公司共同组 建，以建立一个国际性的工厂自 动化 ( fa) 控制设备标准做为目 标。o s e c以 日 本国际机器人和工厂自 动化研究中心 ( 狠o fa) 所提出的c n c系统参考模型 为基础，提出了一个开放体系结构。实现了i r o fa 的参考体系结构，并增加了 定制和分化产品的功能。 o s e c体系结构主要采用功能分层的模块方式， 定义了 逻辑功能模块的服务内容和消息接口协议，由控制器厂商进行这些功能模块的 个性化实现。 符合接口 协议的功能模块， 在o s e c 控制器中可以 “ 插入即用” 。 这 些功能模块通过o s e c api 形式的消息通信连接起来阳0，1 1 。 1 . 3 . 2国内开放式数控系统的发展现状及研究动态 随着工业技术、信息技术的不断发展，我国在数控技术方面也有了许多自 己的研究成果。目前国内已 有的开放性控制系统主要有四种:华中1 型、中华 1 型、 航天1 型和蓝天1 型 112 1 。 我国 的开放式 数控系统的 研究比 较 侧重于对 用 户的专用控制功能的实现，例如华中科技大学的研究者们提出:开放式数控系 统除了使硬件模块具有统一的接口及互换性外，更重要的是使数控系统软件各 模块之间具有一致的接口及互换性，方便用户，使其易于融入新技术，降低使 用成本11 01 。 我国 在2 0 00年也 开始 进 行中国的o n c( 。 讲 n n 侧 m e ri c alc 。 咖 l s y s te m ) 数 控系统的 规范框架的 研究和制定， 提出了 开 放式 数控系统计 划 ( c hi na o 讲 n n 侧 m e ricalc 0 n t r o l s ys tem p r o gr an 、 c o n u c)。 c o n u c计划旨 在指导开发新一代 具有我国自主版权的开放式数控系统平台，推动数控产品向规范化方向发展， 为今后数控产品的更新换代奠定基础， 促进我国的数控技术的发展。 c o n u c计 划在参考国际数控领域几种主要开放式体系结构的基础上提出了 我国的新一代 开放式数控系统结构的层次模型。 参考体系结构由如图1 ， 1 所示的四层构成: 硬 件平台、系统软件、应用编程接口 ( a 尸 1 ) 、数控应用软件。其中，硬件平台、 系统软件、 应用编程接口( a p i )构成数控系统的运行平台，由 集成开发环境开 第 1 章 绪论 发生成的数控应用软件在其上运行，从而构成不同品种、不同档次、不同性能、 针对具体控制对象的数控系统:各层次之间由相应的接口规范和标准进行信息 交互， 实现层次之间的无关 性le.131。 虽然我国的数控技术在向p c 平台方向发展和开放式数控系统研究方面取得 了不少成绩， 但与美、欧、日 等数控技术发达国家相比仍有很大差距，在具体 的实施开发中仍存在一些问题，最大的问题在于没有解决开放式数控系统的平 台问题，即开放性不够、缺乏互换性和兼容性、开发环境和支持手段不足，二 次开发的难度大，只有专业人员 才会使用，向一般用户普及的目 标还远未达到。 综上所述，我们应该对自 身有深刻的认识，在国家战略规划的指导下，扬长避 短，学习他人的经验，以国家的战略需求和国民经济的市场需求为导向，用系 统的方法，实现数控技术跨越式的发展。 软件平台 川廿北训林儿口 系统软件 数控应用软 件运行平台 系统硬件 ( pc通用硬件) 硬件平台 n c 硬件p l c 硬件 图 l l 新一代开放式数控系统的层次模型 1 . 4数控电 火花成型加工 1 . 4 . 1 数控电 火花成型加工工艺 电火花加工的特点: 电火花加工又称为放电 加工或电蚀加工，它是利用在一定介质中，通过工 具电极和工 件电极之间脉冲放电 时的电腐蚀作用 对工件进行加工的一种工艺方 法。 进行电火花加工时，工具电极和工件分别接脉冲电 源的两极，并浸入工作 液中，或将工作液充入放电间隙。 通过间隙自 动控制系统控制工具电极向 工件 第 1 章 绪论 进给，当两电极间的间隙达到一定距离时，两电极上施加的脉冲电压将工作液 击穿，产生火花放电。在放电的微细通道中瞬时集中大量的热能， 温度可高达 一万摄氏度以上，压力也有急剧变化，从而使这一点工作表面局部微量的金属 材料立刻熔化、气化，并爆炸式地飞 溅到工作液中，迅速冷凝，形成固体的金 属微粒，被工作液带走。这时在工件表面上便留下一个微小的凹坑痕迹，放电 短暂停歇，两电 极间工作液恢复绝缘状态。紧接着， 下一个脉冲电 压又在两电 极相对接近的另一点处击穿，产生火花放电，重复上述过程。这样，虽然每个 脉冲放电蚀除的金属量极少，但因每秒有成千上万次脉冲放电作用，就能蚀除 较多的金属，具有一定的生产率。在保持工具电极与工件之间恒定放电间隙的 条件下，一边蚀除工件金属，一边使工具电极不断地向 工件进给，最后便加工 出与工具电极形状相对应的形状来。 1 . 4 . 2数控电 火花成型机床的组成 电火花成型机床基本上由脉冲电 源、 机床和工作液循环系统三大部分组成。 为了确保电火花放电能持续稳定地进行，工具电极和工件应始终保持一定的放 电间隙，因此必须具备自 动调整工具电极伺服给进的控制系统。例如，若用液 压伺服控制，则应配备液压系统;如采用交、直流电机伺服给进，则需配有数 控系统等。 1 . 4 ， 3电火花成型加工致控系统的发展趋势 数控系统是数控机床的核心部分，其性能的提高不仅可直接改善加工效率、 加工精度和加工稳定性，同时也是扩大加工范围、实现复杂精密加工的重要途 径。先进数控系统的应用可为电火花成型加工带来显著的经济效益和广阔的发 展前景，已成为衡量电火花成型加工技术水平的重要标志。电火花成型加工在 数控系统方面的发展趋势主要表现在以下几方面: 1 、建立基于p c机的开放式数控体系 具有开放性的数控体系是当前数控系统的发展主流， 而p c机自 身的特点决 定了它是一种标准的开放性结构系统。 p c机技术的迅速发展及性能价格比的不 断提高为数控系统提供了优越的软硬件平台、更友好的人机接口 和在线实时控 制功能。与以 前的数控系统相比，基于p c机的数控系统具有以下优点: 系统具有更高的集成度和可靠性: 第 1 章 绪论 资源丰富， 适于产品开发; 控制功能强大，形式多样，可实现多机控制、多目标控制; 系统具有更高柔性。 目前 应用于数控机床的基于p c机的数控系统多为专 用型结构， 虽具有结构 较简单、技术较成熟、开发成本较低等优点，但随着技术的进一步发展，其软、 硬件具有封闭性的缺点愈益明显。例如，这种结构的数控系统很难及时应用计 算机技术的最新成果;不同系统之间很难相互兼容;用户不易增设或改进适合 自 身实际的专用功能; p c机资源利用率低，难以完全发挥 p c机的优势:控制 系统功能不完善等。 针对上述缺陷， 建立基于p c机的电火花成型加工数控系统 应将重点放在以下几方面: 模块化系统 应根据开放性数控体系的统一规则建立模块化的系统结构，通过对电火花 成型加工的系统研究，精选必要的功能，扩充可选功能，剔除不必要的功能。 同时各模块应具有标准化的应用程序接口，不同的模块可运行于不同的系统平 台，相互之间应具有协调工作的能力。 缩放性 用户可根据自 己 的加工要求， 通过增添、 剔除特定的功能模块，实现用户 的“ 专用系统，o 互换性 具有相似功能及可靠性水平的模块之间可以 相互替换。 充分利用p c 机资源来开发性能优异的数控系统将是电火花成型加工的一个 重要发展趋势。 2 、实现加工过程控制的智能化 提高电火花成型加工过程的自 动化是该加工技术发展的必然趋势。由于电 火花成型加工是在复杂环境下基于复杂任务对复杂对象的控制，传统的控制系 统己不能满足自 动化加工的要求，因此需要建立多输入、多输出的控制系统， 智能控制将是解决此类复杂问 题的有效途径。智能控制系统具有自 学习和自 适 应功能，能自 主调节系统的控制结构、参数和方法，进行决策规划和广义问题 求解。 它就如同 一个有经验的 操作者， 可通过对加工信息的定性刻划， 模拟熟 练操作者的思维方式， 根据当前的加工状态调整加工参数， 进而实现提高加工 效率、加工精度、加工过程稳定性以及简化操作过程，拓宽加工范围的目 的。 第 1 章 绪论 加工过程的智能控制主要包括三方面内容: 人工神经网 络技术; 模糊控制; 专家系统。 11 月 1 . 5电火花制标计算机实时控制系统的主要技术难点分析 1 . 5 . 1本文的主要研究工作 本课题来源于省部级重点纵向 课题特种设备档案建档新技术。建档新 技术研制的全套设备由d k25 型微电脑制标仪、 电脑全自 动数字制码机、 标记模、 其它计算机配件及数码设备组成。微电 脑制标仪是采用计算机控制，利用电火 花加工机在工件上制标的设备。本文的主要工作是运用当前数控新技术 。 详n c n c 技术， 做一套开放式 数控 制标 控制系 统， 来控 制电 脑全自 动制 标机 制 标。 伺服电机 硬件 图1 .2电火花制标实时控制系统软件和硬件的功能界面 1 . 5 . 2电火花制标计算机实时控制系统概述 开放式制标控制系统主要由计算机与制标控制软件、驱动器、电火花成型 加工机、传感器及 pci光电隔离卡组成。其主要功能是使计算机控制电火花成 型加工机利用电极 在工件上制标。制标机中 包括一个步进电机，用来控制刀架 上下移动。 pci 光电隔离卡， 主要是完成计算机的指令信号与竹l 高低电平信号 之间的转换。传感器检测出制标机当前的状态，将制标机的当 前状态通过 pci 光电隔离卡传送到计算机中，通过软件分析制标机的状态，发出指令通过 pci 光电隔离卡控制驱动器驱动制标机的运行。软件和硬件的功能界面如图 1 2所 尔 : 第 1 章 绪论 1 . 5 . 3主要技术难点分析 1 . 5 . 3 . 1硬件结构的设计 开放式制标控制系统中的硬件主要有pc机、p ci 光电隔离卡、驱动器、传 感器和制标机 ( 电 火花成型加工机)四部分。驱动器、传感器和制标机都由专 业人员设计，本人开发中有关硬件的主要设计是为配合制标机正常制标，通过 反复调 试信号变换状况来对 p ci 光电 隔离卡进行改 造设计， 使其能接收传感器 传送的开关量，并且能通过t tl电平输出信号变换的方式来控制制标机运作。 1 . 5 ， 3 . 2软件体系 模型的 构建 在开发开放式制标控制系统的应用程序之前，先需要进行总体设计，分析 建立软件的体系结构模型，具有模块化、开放性等特点。 1 . 53 . 3系统的 功能实现 开放式制标控制系统中，通过采用并行的中断处理技术和前后台型软件结 构，安排各个系统模块，使之结合起来实现系统的整体功能。 1 . 5 ， 34实时控制 实时性影响到整个系统的稳定性和制标效率，也是开发中难度最大的。需 要分析各种实时控制方法，经反复实验和调试， 确定何种方法更为适合，运用 到该系统中。 1 . 6系统的整体设计思想和全文组织 1 . 6 . 1系统的整体设计思想 开放式制标控制系统由 硬件和软件两部分组成。硬件部分，主要是改造需 嵌入pc机中使用的pcl 光电隔离卡，以 满足开放式制标控制系统中 制标机的 需 要。软件部分，首先，采用o m a c 模型作为参考模型进行软件结构的总体设计， 封装好各模块的功能;在数据处理模块中分析用户输入的各项加工参数，并做 出相应处理;整个系统的实时控制采用中断方式，并通过实验进行比较，选择 最为适合的方法用于开放式制标控制系统中; 最后， 进行系统的整体联调，检 测其效果。 第 1 章 绪论 1 . 6 . 2全文组织 全文围绕开放式数控技术，针对制标控制系统的特点，对各方面技术进行 研究与改进，以提高制标系统的效率、可扩展性、可维护性和易操作性。全文 共分为七章，各章节的关系和工作组织如图1 . 3 所示。 统实 实现 豁 掣 系统的调试 可 投入使用的开放式数控制 标系统 图1 . 3 全文工作内容的组织图 第一章绪论。 综述了开放式数控系统国内 外的发展现状、 研究动态及趋 势，介绍了本文的主要工作和整体设计思想，并分析了开放式制标控制系统的 第 1 章 绪论 主要技术难点。 第二章基于伽en cnc技术的 制标控制系统的 硬件结构设计。 分析开 放 式制标控制系统中各硬件设备的特点及工作方式，详细介绍了 对 pc工光电隔离 卡 进行改造设计的 方法。 第 三章基于卯en c n c技术的 制标控制系统软件结构的 总体设计.分析 并比 较当 今典型的开放式数控系统的 模型特点， 然后结合制标系 统的 特点， 最 终选择基于0 以c 模型建立开放式制标控制系统的整体模型结构。 第四章开放式制标控制系统的功能实现。 分析数控系统中的输入输出数 据，综合分析开放式数控系统的软件结构特点，提出适合开放式制标控制系统 的软件结构，以及该结构在系统中的运用。 第五章开放式制标控制系统中实时控制的实现。分析总线实时控制的实 现方法，并通过反复实验调试，得到最好的控制效果. 第六章开放式制标控制系统的调试。详细介绍了开放式制标控制系统调 试的方法和步骤。 第七章总结与展望。对全文的工作内容进行整体总结，并根据开发的趋 势和本系统存在的不足，对该系统的研究进行了展望。 第2 章 电火花制标计算机实时控制系统的硬件结构设计 第2 章 电火花制标计算机实时控制系统的硬件结构设计 2 ， 1开放式制标控制系统的硬件结构 开放式制标控制系统主要由 五部分组成，包括:pc 机、p cl 光电隔离卡、 驱动器、传感器、制标机， 如图2 . 1 。 图2. 1 制标控制系统组成 pc机:普通配置的个人电脑 ( 具有pci 插槽) ，人机界面友好，使用方便， 用户易操作。 代1 光电隔离卡: 嵌入在pc机内， 主要作用是进行pc机与制标机之间的通 信。将输入信号以开关量、 输出信号以高低电平的形式传递。 传感器:检测制标机的当前状态。 驱动器:驱动步进电机。 制标机:主要由 1个三相六拍的步进电机构成，步进电机用来控制刀架上 下移动。 整个制标过程如图 2 . 2所示，首先传感器检测出步进电机当前的状态，由 代 机中的软件控制系统判断分析后发出指令;指令信号经pci 光电隔离卡转换 为高低电 平信号通过驱动器驱动制标机工作;驱动步进电机，控制制标机制标。 在此项目中，驱动器、传感器、制标机都已由专业人员设计完成，所以该系统 主要的工作就是对 pci光电隔离卡进行改造设计，以 使其能控制制标机运作， pc工 光电隔离卡的改 造直接影响到系统的运行性能、 控制精度， 所以 结合实际的 步进电机工作原理和制标机运作机制，改造 pci光电隔离卡成为开放式制标控 制系统硬件结构设计的关键。 第2 章 电 火花制标计算机实时 控制系 统的 硬件结构设计 2 . 2步进电机的控制技术 2 . 2 ， 1步进电机的基本原理 步进电机作为 一种将电 脉冲转化为角位移的执行元件，是机电一体化的关 键产品 之一，广泛应用在各种自 动化控制系统中。当步进驱动器接收到一个脉 冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度 ( 称为 “ 步距 角”) ，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以 通过控制脉冲个数来控 制角位移量，从而达到准确定位的目 的;同时可以 通过控制脉冲频率来控制电 机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用 的特种电机，利用其没有积累误差 ( 精度为 1 0 0 %) 的特点，广泛应用于各种开 环控制。现在比较常用的步进电机有反应式步进电机 ( v r ) 、永磁式步进电机 ( pm) 、 混 合 式 步 进电 机( h b)和 单 相 式 步 进 电 机 等 流6. 7 。 计算机 ( p c ) 州 . - - 书州 其它外部设备 p c i总线 u o 接口与光隔电路板 驱动器传感器 刀架上下 移动驱动 图2. 2硬件结构图 第2 章 电 火花制标计算机实时控制系统的 硬件结构设计 步进电机的原理都类似，只是根据一些基本参数的不同而采用不同的信号 量方式来控制运转。主要有电机固有步距角、步进电机的相数、保持转矩 ( h o l d i ng t o r q u e ) 、d e t e n tt o r q u e等参数。 其中比 较重要的是步进电 机的相 数，它是指电机内 部的线圈组数，目 前常用的有二相、 三相、四 相、五相步进 电机。用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求。该开放 式制标控制系统中用的是三相六拍步进电机，需要三个信号量来控制一个步进 电机，再根据六个信号量变换节拍控制电机运转。 2 . 22步进电 机的细分驱动原理 步进电机控制中己蕴含了细分的机理，即信号量节拍的变换规律。如三相 步进电机按 a 一b c. 的顺序轮流通电，为整步工作，即三相三拍。而按 a 一 acc 一 c b b 一baa. 的 顺序通电，则步进电机为半步工作，即三相六 拍。以a b 为例，若将各相电流看作是向量，则从整步到半步的变换，就是在 ia与ib之间插入过渡向量i ab，因为电流向量的合成方向决定了步进电机合成 磁势的方向，而合成磁势的转动角度本身就是步进电机的步进角度。显然，i ab 的插入改变了合成磁势的转动大小，使得步进电机的步进角度由 6 b变为 0 . 5 o b ，从而也就实现了2 步细分。由 此可见，步进电 机的细分原理就是通过等角 度有规律的插入电流合成向量，从而减小合成磁势转动角度，达到步进电机细 分控制的目 的。在三相步进电机的a 相与b 相之间插入合成向量ab，则实现了 2 步细分。 开放式制标控制系统中的用到的步进电机就是采用了2 步细分， 整个 合成磁势转动过程为ia一工 ab一ib一i bc一ic一icao 第2 章 电 火花制标计算 机实时控制系统的硬件结构设计 n i od i 7d 1 8d l l sd 0 0d 0 7d 0 8d 0 1 5 图23 逻辑方框图 2 . 3pcl 光电隔离卡的原理 该系统采用的是宏拓 pci 一 7 5 05 光隔 16 路输入/16路输出开关量板。 pci 一 7505板是独立光电隔离16路开关量输入16路开关量功率输出 板。 pci 一 7 5 05 开关量输入部分采用光电隔离技术，实现16路电压型开关量的并行输入，有效 的避免了 外部环境对主机的干扰和损坏， 输入采用共地方式，不需要外接电源， 各种开关量相互独立，只要选用适当的限流电阻， 保证光祸器件的输入电流为 4 毗 左右，即可适应不同电 压的开关量输入，开关量电压范围为0 一2 4 v 或 0 1 2 v ，出 厂为0 sv。 p c 卜 7 505 输出 部分采用光隔离技术，实现 16路开关量独 立输出，可以 提供 t tl 电 平输出，也可以 提供功率输出，其输出 端最大功率可 驱动2 4v/200ma负载或1 2 v / 2 00ma， 可直接驱动继电 器、 电 磁阀。 各路输出信号 均具有锁存功能。 p c i 一 7 5 0 5由图2 . 3中的四大功能模块组成:pc卜i sa 总线转换桥电路，地 址译码及数据锁存，开关量输入，开关量输出。由于光电隔离芯片是电 流方式 工作的，只要保 证电流在 4 毗 左右，就不影响光隔的工作，因此改变限流电阻 第2 章 电火花制标计算机实时控制系统的硬件结构设 计 的阻值， 开关量输入信号电 压的范围也可改变. 读入值为“ 1 ”，表示现场为高 电压信号;读入值为“ 0 ”， 表示现场为低电压信号。开关量输出信号为共外电 源方式( 节点方式) ， 输出值为“ 1 ”， 表示到现场为高电压信号; 输出值为“ 0 ”， 到现场为低电压信号。 2 . 4开放式制标控制系统中p cl光电隔离卡的改造设计 由 于对步进电 机的控制需要的是ttl 电平， 而本系统中 采用的 宏拓pci 一 7 5 05 卡是一种多功能输入/ 输出卡， ttl电平方式输出是它的一种工作模式， 我们需 要做相应的改造以使其能以 竹l电平方式输出;传感器的输入信号是开关量， 需要对pci 光电隔离卡进行改造以 适应输入要求。 另外，计 算机控制程序发出的高电 平信号经 pci光电隔离卡输出 的电 压只 有5 伏，达不到驱动步进电机的要求，因此需要改造。 2 . 4 . 1实现t t l 电平输出 由 于该卡出厂为功率输出方式，需要将其改造成 ttl电平输出方式.具体 操作: 将功率驱动芯片毗l 4 1 6(或2 0 04) 卸下，用短路线将其插座上的输入输出 端短接 (8， 9 脚不能短接) ，光隔离输出的信号直接送到xsi 输出端上，来实现 ttl 电平输出， 如图2 . 4 所示。 在板卡上有三块相同的功率驱动芯片，都必须以 同 样的 方法卸下，再短接。计算机输出“ 1 ”为+5v ，输出“ 。 ”为ov。 2 . 4 . 2 开关且输入的接法 16路开关量输入信号由x s136芯0 型头接入，经过限流电阻rir 16后 进入光电隔离芯片，由 l s 2 45 读入计算机中。由 于光电隔离芯片是电流方式工 作的，只要保证电流在 4 ma 左右，就不影响光隔的工作，因此改变限流电阻开 关量输入信号电 压的范围也可改变。出 厂时ri r 16焊装ik电 阻， 按0 sv提 供用户使用。若输入0 1 2v， rlr 16需焊装3k 电阻为宜。读入值为 “ 1 ” ，表 示现场为高电 压信号: 读入值为“ 0，表示现场为低电 压信号。 第2 章 电火花制标计算机实时控制系统的硬件结构设计 图2 42 0 04 芯片短接 限流电阻的计算方法:r ” v /i1 二 4 ma左右 若输入电压v = svr = ik 为宜 若输入电压v:1 2vr=3k 为宜 若输入电压v = 1 6vr 巧. ik 为宜 第4 章 开放式制标控制系统的功能实现 第3 章 电火花制标计算机实时控制系统的软件结构设计 根据 1 . 3节中介绍的目前国际上开放式数控系统领域最具有影响力的三种 计 划: 0 拟c( 美) 、 osec ( 欧) 和o s a c a( 日) ， 对其进行综合比 较分析， 并以 最 为适合的o m a c 结构模型作为开放式制标控制系统模型的基础，建立开放式制标 控制系统的软件结构。 3 . 1当前开放式数控系统模型的综合比较分析 美国0 琳c 工程，与欧盟的osaca 计划、日 本的osec 工程一样，都采用了 模块化的结构，并规定了系统集成的内 部接口 一 模块a pi. 0 掀c 计划以 其它两 种计划为基础，尤其注重人机交互a pi模块，而o s a ca和osec在方法上有许多 相同的特点， 如面向对象的方法，只是在它们规范的细节上有所不同。三种计 划的比 较情况 如表3 . 1 所示 15.18.91 ， 经过比 较分 析可知: 表2 . 1 中的前四 行主 要是对a pi接口 的比 较，三种ap工 的 接口 类型和抽 象的层次是不同的，o m a c较其它两者更为复杂， 但比其它两者划分的更详细、 更完善. 表2 . 1 中的五到十行主要是对三种计划整体结构模型的比较，他们分别 按照自 己 的方法对系统的功能 进行了 分组， 指定自己 的结构模型。 osaca 和o s ec 都不够精细，各功能模块都是专用的，逻辑上不兼容，而渊a c 的参考结构就相 对更精细，通用性也较好，更具有模块性、开放性。 表2 . 1 中的后六行是 三者在软硬件平台 环境方面的比 较， 可知只有0 琳c 真正地向许多软硬件平台开放。 osec只能运行在所规定的pc邝i nd佣5 平台上。 而璐a c a 需要运行在它自己 的 平台上。 0 撇c 借鉴了许多另两个计划的研究成果，并采用了许多新的技术，相比 之下，osa 以和osec略显陈旧. 第4章 开放式制标控制系统的功能实现 表3 1 0 s a c a 、o s e c 、 o m a c计划的比较 osa 以 ( 欧盟)o s e c 旧 本)o m a c(美国) a pi接口 类型 面向对象的 信息类型 函数调用面向对象的组件 api 接口模块 适中大模块细小模块 a pi接口 的 优势 大小适中易理解完善 a