（机械电子工程专业论文）刀架回转式数控软片裁片机控制系统开发与研究.pdf

j c o n t r o ls y s t e md e v e l o p i n ga n d r e s e a r c h i n go n c n cm a c h i n et o o lw i t ht o o l - f r a m er e v o l u t i n g b y j i a oc h u n w a n g s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rl i u j i e n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u l y2 0 0 8 一 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 = 亡己 j 虱0 学位论文作者签名：j 主，居1 ；l 山 日 期：砂口q 君。7 口罗 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校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。本人同意东北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、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作 半年口一年口一年半口 学位论文作者签名：j 至舞p 劫 签字目期：沙口罗、o7 。罗 | | 导师签名： 签字日期： 引冬 l 加口钞7 一 ， 东北大学硕士论文 摘要 刀架回转式数控软片裁片机控制系统开发与研究 摘要 工作台回转的数控软片裁片机具有转台转动惯量大、运动不灵活、加工误差较大等 缺点。鉴于此，东北大学机械电子工程研究所研制了刀架回转的数控软片裁片机。 本课题即针对刀架回转的数控软片裁片机进行控制系统硬件设计和软件开发，并对 整个系统进行了试验、调试及性能测试，实现了自动切割与手动切割裁片的功能。 首先，在数控软片裁片机的机械结构的基础上，设计了整个系统的控制方案，搭建 了整个控制系统硬件平台，并根据控制系统的性能要求调节并确定各个部件的具体参 数。 其次，在控制系统硬件平台的基础上根据裁片机的具体特点及加工要求开发了系统 软件。整个软件系统应用v b 进行开发，采用模块化设计，包括手动、自动加工、精确 运动、d x f 文件读取、图形显示、数控代码自动生成等模块。整个系统具有操作简便、 安全、加工精度准确、故障诊断方便、系统维护简洁等特点。 在轨迹规划理论的基础上，进行了裁片机的刀具轨迹规划研究，提出了直线、圆弧 的轨迹规划的方法，确定了各轴的联动方案。 最后，对数控软片裁片机的系统性能进行了试验研究。采用p i d 算法调节了各轴的 运动性能，并分析了裁片机的误差产生原因及调节方法。 关键词：开放式数控系统；软件开发；轨迹规划；误差分析 i i 4 1 1 , 、 - 东北大学硕士论文 a b s t r a c t c o n t r o ls y s t e m d e v e l o p i n ga n dr e s e a r c h i n g o n c n cm a c h i n et o o lw i t ht 0 0 1 一 a b s t r a c t a m e r e v o l u t i n g t h e r ea r es o m eq u e s t i o nw i t ht h ec n cm a c h i n et o o l 、析t l lw o r k t a b l er e v o l u t i n g s u c ha s b i g g e rm o m e n t o fi n e r t i a , s l o w - m o v i n ga n db i g g e rc u t t i n ge r r o r s ot h en o r t h e a s tu n i v e r s i t y i d e s i g n e dt h ec n cm a c h i n et o o lw i t ht o o l f r a m er e v o l u t i n g t h er e s e a r c hf o c u so nt h es o f t w a r ed e v e l o p i n go ft h ec n cm a c h i n et o o lw i t ht o o l - f r a m e r e v o l u t i n g ，a n dt h e nd os o m ee x p e r i m e n t a t i o n ，t e s t i n ga n dd e b u g g i n go ni t t h em a c h i n ec a n c u ta u t o m a t i s ma n dm a n u a l l y t h ea u t h o rr e p r e s e n t e dt h ep r o j e c to ft h ec o n t r o ls y s t e ma n dt h ed e s c r i b e dt h ef r a m eo f t h ec o n t r o ls y s t e md e t a i lb a s e do nt h em a c h i n es y s t e m t h e ns o m eo ft h ec o n t r o lc o m p o n e n t s w e r er e p r e s e n t e da n dt h ec o n t r o lm e t h o dw a sd e s c r i b e b a s e do nm a c h i n es y s t e m t h ea u t h o rh a sd e v e l o p e dt h es o f t w a r es y s t e m 、析也v b i n c l u d i n gt h ej o g g i n gm o v e m e n t ，a c c u r a t em o v e m e n t ，r e a d i n ga n da n a l y z i n gt h ed o c u m e n to f d x f , d i s p l a y i n gt h ed r a w i n g ，a n dg e n e r a t i n gt h egc o d ea n ds oo n t h es y s t e mc h a r a c t e r e d w i t hm a n i p u l a t i n ge a s i l ya n di ns e c u r i t y , c u t t i n gw i t hk g h p r e c i s i o n , d i a g n o s i n ge a s i l y , e a s y m a i n t e n a n c e t h e nt h ea u t h o rf o r c u e do nt h et r a j e c t o r yp l a n n i n g ，t h em e t h o do ft r a j e c t o r yp l a n n i n g w a sr e s e a r c h e d b a s e do nt h es p e c i a l i t yo ft h i sc n cm a c h i n e ，t h es o l u t i o no ft h el i n ea n da r c t r a j e c t o r yw a sa n a l y z e d f i n a l l y , s o m ee x p e r i m e n tw a sd o n e ，a n d t h ed y n a m i c p r o p e r t yw a sa d j u s t e db a s e do nt h e p i dm e t h o d t h e nb a s e do nt h er e s u l t so ft h ee x p e r i m e n t a t i o n , s o m eo p t i m i z i n gm e t h o dw a s d i s c u s s e d k e yw o r d s ：o a c n c ；s o f t w a r ed e v e l o p i n g ；t r a j e c t o r yp l a n n i n g ；e r r o ra n a l y z i n g i i l | ， 东北大学硕士论文目录 目录 独创性声明：i 摘要工i a bs t r a c t ii i 第1 章绪论1 1 1 引言1 1 2 数控技术的发展1 1 2 1 数控系统开放结构的发展2 1 2 2 软件伺服驱动技术的发展2 1 2 3c n c 系统连网技术3 1 2 4 数控系统功能集中化3 1 3 开放式数控系统5 1 3 1 开放式数控系统的体系结构5 1 3 2 开放式数控系统数据接口规范一6 1 3 3 开放式数控系统的实现途径：一6 1 4 本课题的研究意义及完成的主要工作7 第2 章数控软片裁片机硬件结构1 0 2 1 数控软片裁片机的机械系统：1 0 2 1 1 数控软片裁片机的机械结构1 0 2 1 2 坐标系规定11 2 1 3 裁片机性能参数1 1 2 2 数控软片裁片机的控制系统1 2 2 2 1 数控软片裁片机整体控制方案1 2 2 2 2 电磁抱闸控制方案1 4 2 2 3 限位开关控制方案1 4 2 3p m a c 运动控制器简介l5 2 4 本章小结18 东北大学硕士论文 第3 章数控软片裁片机软件设计 3 1 数控软片裁片机软件整体结构及加工流程2 0 3 1 1 数控软片裁片机软件结构2 0 3 1 2 软件整体流程2 0 3 2 软件中关键模块设计2 2 3 2 1 故障诊断模块2 3 3 2 2 对刀模块2 5 - 3 2 3 系统复位模块2 6 3 2 4 在线诊断模块2 8 3 2 5 加工模块2 8 3 3d x f 文件结构及读取d 文件中信息的方法2 8 3 3 1d 文件结构2 8 3 3 2d x f 文件信息的读取2 9 3 3 3d 文件中圆弧表达方式3 0 3 3 4 读取d x f 信息归类3 1 3 4 本章小结3 2 第4 章数控软片裁片机运动轨迹规划3 3 4 1 轨迹规划的基本功能与方法3 3 4 1 1 轨迹规划的基本功能3 3 4 1 2 刀具补偿的基本概念3 3 4 1 3 刀具补偿理论在本系统中具体应用3 6 4 2 数控裁片机轨迹规划中的几个关键问题3 7 4 2 1 倒坡角说明3 7 4 2 2 刀具位置方向及尺寸说明3 8 。 4 2 3c a d 图纸中线型与刀片偏角之间关系3 9 4 3 直线与圆弧的轨迹规划：3 9 4 3 1 直线轨迹规划一3 9 4 3 2 圆弧轨迹规划4 0 ， 4 4 切割过程各轴运动状况4 1 v 东北大学硕士论文 目录 4 4 1 切割直线运动情况4 1 4 4 2 切割圆弧运动情况4 4 4 5 本章小结4 6 第5 章系统性能试验及调整4 7 5 1p i d 参数整定4 7 5 1 1 概述4 7 5 1 2p m a c 运动控制器中p i d 调节实现途径4 8 5 1 3 系统的p i d 参数整定5 0 5 2 试验台定位精度检测及螺距误差补偿5 5 5 2 1 定位精度分析5 5 5 2 3 系统误差的测量及补偿5 7 5 3 本章小结6 0 第6 章结论与展望6 1 6 1 结论6 l 6 2 展望6 2 参考文献6 3 致谢6 7 v i ，一 y 东北大学硕士论文第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 机床工业是制造业的基础。机床是生产各种技术装备的工作母机。它性能的好坏， 直接决定着其它技术装备的质量。而技术装备的性能高低和水平优劣，则直接影响着国 民经济各生产部门的产品质量、生产效率和经济效益。所以在国民经济的发展之中，提 高机床的各部分性能，占着基础性的重要作用。数控技术的问世，使机械加工进入了自 动化的时代，它解决了传统方式难以解决的复杂零件的制造问题，改变了以往机械加工 中的周期长、效率低的局面，能充分适应多品种、小批量的现代生产方式，从而大大提 高对现代化工业和军事装备需求的能力。因此，数控技术使得机床性能产生了质的飞跃， 极大地推动了制造业的发展，成为现代制造技术中的基石。在世界著名企业中，数控机 床在生产设备中的比例不断提高，如美国波音公司中的数控机床达到约9 0 ，g e 公司 达到约8 0 ，日本在1 9 9 0 年的时候，机床的数控化率已经为8 0 。它的制造能力高度 发达，无不在于其数控技术的高度发展而形成的强大的自动化制造手段。我国是一个机 床生产大国和应用大国，虽然目前研究和使用数控技术的研究机关和厂家不少，并且取 得了长足的进步，但是与世界上发达国相比，差距仍然很大，数控技术的研究应用水平 还很低，这些都严重制约着我国制造水平的提高。高性能的数控设备依赖进口，不仅代 价昂贵而且受到技术限制，有时因为经验和认识上的不足，还会受到很大损失。所以发 展民族数控事业，是追在眉睫的大事，国家在近几个“五年规划 中，都把数控技术的 研究列为重中之重。 随着工业技术的不断发展，提高工作效率已经成为不可忽略的一个重要因素。在一 些特殊的场合，传统的数控机床已经不能高效的完成任务，因此特种数控机床应运而生， 近几年来激光加工、高速水切割等技术都得到很快的发展和广泛应用。本课题即针对软 材料切割而开发的一套专用数控设备。 2 数控技术的发展 2 0 世纪9 0 年代，国外的数控系统完成了从1 6 位机向3 2 位机和伺服驱动从直流 式向交流全数字式的转变，数控系统体系结构逐渐从封闭开始转向开放，从而使数控系 - 1 - 东北大学硕士论文第1 章绪论 统可充分利用计算机技术的丰富资源，能根据控制对象的要求迅速、灵活地更换软硬件， 并能及时吸收新技术，使得数控技术发展步伐加快，开发周期缩短。 1 2 1 数控系统开放结构的发展 数控技术从发明到现在，已有近5 0 年的历史。按照电子器件的发展可分为五个发 展阶段：电子管数控、晶体管数控、中小规模i c 数控、小型计算机数控和微处理器数 控；从体系结构的发展，可分为以硬件及连线组成的硬数控系统、计算机硬件及软件组 成的c n c 数控系统，后者也称为软数控系统；从伺服及控制的方式可分为步进电机驱 动的开环系统和伺服电机驱动的闭环系统。虽然数控系统装备的机床大大提高了加工精 度、速度和效率，但是制造厂家既希望数控系统能部分代替机床设计师和操作者的大脑， 具有一定的智能，又希望能把特殊的加工工艺、管理经验和操作技能放进数控系统，同 时也希望系统具有图形交互、诊断功能等。这首先就要求数控系统具有友好的人机界面 和开发平台，通过这个界面和平台开放而自由地执行和表达自己的思路，这就产生了开 放结构的数控系统。机床制造商可以在该开放系统的平台上增加一定的硬件和软件构成 自己的系统。 1 2 2 软件伺服驱动技术的发展 伺服技术是数控系统的重要组成部分。广义上说，采用计算机控制，控制算法采用 软件的伺服装置称为“软件伺服”。它有以下优点：无温漂，稳定性好；基于数值计算， 精度高；通过参数的设定，调整减少；容易做成a s i c 电路。对于现代数控系统，伺服 技术取得的最大突破可以归结为：交流驱动取代直流驱动、数字控制取代模拟控制、或 者把它称为软件控制取代硬件控制。这两种突破的结果产生了交流数字驱动系统，应用 在数控机床的伺服进给和主轴装置，使伺服进给和主轴控制的性能大大提高。由于电力 电子技术及控制理论、微处理器等微电子技术的快速发展，软件运算及处理能力的提高， 特别是d s p 的应用，使系统的计算速度大大提高，采样时间大大减少。这些技术的突 破，使伺服系统性能改善、可靠性提高、调试方便、柔性增强，大大推动了高精高速加 工技术的发展。 ， 东北大学硕士论文 第1 章绪论 1 2 3c n c 系统连网技术 数控系统从控制单台机床到控制多台机床的分级式控制需要网络进行通信，网络的 主要任务是进行通信，共享信息。这种通信通常分三级：1 ) 工厂管理级，一般由以太 网组成；2 ) 车间单元控制级，一般由d n c ( d i r e c t n u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) 功能进行控制， 通过d n c 功能形成网络可以实现对零件程序的传输。更高档次的d n c 还可以对 c a d c a m c a p p 以及c n c 的程序进行传送和分级管理。c n c 与通信网络联系在一 起还可以传递维修数据，使用户与n c 生产厂直接通信，进而，把制造厂家联系一起， 构成虚拟制造网络；3 ) 现场设备级，现场级与车间单元控制级及信息集成系统主要完 成底层设备单机及i o 控制、连线控制、通信连网、在线设备状态监测及现场设备生产、 运行数据的采集、存储、统计等功能，保证现场设备高质量完成生产任务，并将现场设 备生产运行数据信息传送到工厂管理层，向工厂级提供数据，同时也可接受工厂管理层 下达的生产管理及调度命令并执行。因此，现场级与车间级是实现工厂自动化及c i m s 系统的基础。传统的现场级大多是基于p l c 的分布式系统，其主要特点是现场层设备 与控制器之间的连接是一对一，即一个i o 点对设备的一个测控点。所谓i o 接线方 式为传递4 - 2 0 m a ( 模拟量信息) 或2 4 v d c ( 开关量信息) 。这种系统的缺点是：信息 集成力不强、系统不开放、可集成性差、专业性不强、可靠性不易保证、可维护性不高。 现场总线是以单个分散的、数字化、智能化的测量和控制设备作为网络节点，用总线相 连接，实现相互交换信息，共同完成自动控制功能的网络系统与控制系统。因此，现场 总线是面向工厂底层自动化及信息集成的数字网络技术。现场总线技术的主要特点为： 它是数控系统通信向现场级的延伸、数字化通信取代4 - 2 0 m a 模拟信号、应用现场总线 技术，要求现场设备智能化( 可编程或可参数化) ，它集现场设备的远程控制、参数化 及故障诊断为一体，由于现场总线具有开放性、互操作性、互换性、可集成性，因此是 实现数控系统设备层信息集成的关键技术。 1 2 4 数控系统功能集中化 n c 技术经过5 0 年的发展，已经成为制造技术发展的基础。这里以f a n u c 最先进 的c n c 控制系统1 5 i 1 5 0 i 为例说明系统功能的发展。这是一台具有开放性、4 通道、 最多控制轴数为2 4 轴、最多联动轴数为2 4 轴、最多可控制4 个主轴的c n c 系统，其 东北大学硕士论文第1 章绪论 快速移动速度与分辨率关系如表1 1 ，它的技术特点反映了现代n c 发展的特点。 表1 1f a n u c1 5 i 1 5 0 i 控制系统快移速度与分辨率关系 t a b l e l 1t h er e l a t i o no f q u i c kf e e d b a c ka n dr e s o l u t i o nf o rf a n u c15 i 15 0 is y s t e m ( 1 ) 开放性 系统可通过光纤与p c 机连接，采用w i n d o w 兼容软件和开发环境。功能以高速、 超精为核心，并具有智能控制。特别适合于加工航空机械零件，汽车及家电的高精零件， 各种模具和复杂的需5 轴加工的零件。1 5 i 1 5 0 i 具有高精纳米插补功能，即使系统的设 定编程单位为岬，通过纳米插补也可提供给数字伺服以n l t l 为单位的指令，平滑了机 床的移动量，提高了j j n - v 表面粗糙度，大大减少加工工件表面的误差。当分辨率为 0 0 0 1 m m 时，快速可达2 4 0 m m i n 速度。系统还具有高速高精加工的智能控制功能：预 计算出多程序段刀具轨迹，并进行预处理；智能控制，根据机床的机械性能，可按最佳 的允许进给率和最佳的允许加速度工作，使机床的功能得到最大的发挥，以便降低加工 时间，提高效率，同时提高加工精度；系统可在分辨率为l n m 时工作，适用于控制超精 机械。 ( 2 ) 高级复杂的功能 1 5 i 1 5 0 i 可进行各种数学的插补，如直线、圆弧、螺旋线、渐开线、螺旋渐开线、 样条等插补。也可以进行n u r b s 插补，不需任何硬件。采用n u r b s 插补可以大大 减少n c 程序的数据输入量，减少加工时间，特别适用于模具加工。 ( 3 ) 强力的联网通信功能 适应工厂自动化需要，支持标准f a 网络及d n c 的连接。工厂干线或控制层通信 网络：由p c 机通过以太网控制多台1 5 i 1 5 0 i 组成的加工单元，可以传送数据、参数等。 设备层通信网络1 5 i 1 5 0 i 采用i ol i n k ( 与日本标准j p c n 一1 相对应的一种现场总线) ， 通过r s 一4 8 5 接口传送i o 信号，或者也可采用p r e l l b u s d p ( 符合欧洲i 标准e n 5 0 17 0 ) 以1 2 m b p s 进行高速通信。 ( 4 ) 具有高速内装的p m c ( 有的厂商称为p l c ) ，以减少加工的循环的时间。 梯形图和顺序程序由专用的p m c 处理器控制，这种结构可进行快速大规模顺序控 制。基本p m c 指令执行时间为0 0 8 5 p s ；最大步数为3 2 0 0 0 步。可以用c 语言编程； 4 东北大学硕士论文 第1 章绪论 3 2 位的c 语言处理器可作为实时多任务运行；它与梯形图计算的p m c 处理器并行工 作。可在p c 机上进行程序开发。 ( 5 ) 先进的操作性和维修性。具有触摸面板，容易操作，可采用存储卡改变输入 输出。 随着科学技术的发展，世界先进制造技术的兴起和不断成熟，对数控加工技术提出 了更高的要求，超高速切削、超精密加工等技术的应用，对数控机床的各个组成部分提 出了更高的性能指标。当今的数控机床正在不断采用最新技术成就，朝着高速化、高精 度化、多功能化、智能化、系统化与高可靠性等方向发展。 1 3 开放式数控系统 由于传统的数控系统采用专用计算机系统，软硬件对用户都是封闭的，主要存在各 数控系统生产厂家的产品软硬件不兼容、系统功能固定、人机界面不灵活等缺点，使其 发展受到了限制，为克服传统数控系统的缺点，数控系统正朝着开放式数控系统的方向 发展。对于开放式数控系统，i e e e ( i n s t i t u t eo fe l e c t r i c a la n de l e c t r o n i c se n g i n e e r s ) 是 这样定义的：“a no p e ns y s t e mp r o v i d e sc a p a b i l i t i e st h a te n a b l ep r o p e r l yi m p l e m e n t e d a p p l i c a t i o n st or u no nav a r i e t yo fp l a t f o r m sf r o mm u l t i p l ev e n d o r s ，i n t e r o p e r a t e 、析t 1 1o t h e r s y s t e m sa p p l i c a t i o n ，a n dp r e s e n tac o n s i s t e n ts t y l eo f i n t e r a c t i o nw i t ht h eu s e r 。根据这一定 义，开放式数控系统必须是一个全模块化的软件体系结构。它具备互操作性、可移植性、 可缩放性和可互换性的特点，具有定义了标准协议的通讯系统，使得各个功能模块能通 过应用程序接i ：ia p i ( a p p l i c a t i o np r o g r a mi n t e r f a c e ) 来相互交换信息并相互操作；同时 系统还应具备一个实时的配置系统，使得各个功能模块无论在系统运行之初还是之间都 能够被灵活地配置。 1 3 1 开放式数控系统的体系结构 对于开放式控制体系结构的研究，较著名的有美国o m a c ( o p e nm o d u l a r a r c h i t e c t u r e c o n t r o l s ) 、欧洲的o s a c a ( o p e ns y s t e ma r c h i t e c t u r ef o rc o n t r o lw i t h i n a u t o m a t i o ns y s t e m ) 和日本o s e c ( o p e ns y s t e me n v i r o n m e n tf o rc o n t r o l l e r s ) 计划。在 o m a c 计划中，提出了系统的基本框架，信息库管理、任务调度、人机接口、运动控制 和传感器接口等，构成了完整的体系结构。同时，还将控制器分为控制核心和应用编程 接口两大模块，控制核心包括实时控制、数据库管理和图形支持软件等，而应用编程接 _ s 东北大学硕士论文第1 章绪论 口部分则由各种a p i 接口构成。o s a c a 提出一个“分层的系统平台+ 结构功能单元 的体系结构，保证各种应用系统与操作平台的无关性及相互间的互操作性，开放性是十 分明确的，并规定了不同的开放层次：即应用层开放、核心层开放( 与o s a c a 部分 兼容) 和全部开放( 与o s a c a 全部兼容) 。o s e c 体系属于层次性结构，系统按功能 分层，每一层按照功能分为若干个模块，层次间具有单向调用或者依赖关系，每一层都 在其下层建立，下层为上层提供所需的服务，同一层的模块间按照一定的接口关系自由 调用。2 0 0 0 年，国家经贸委和机械工业局组织进行“新一代开放式数控系统平台”的 研究开发。2 0 0 1 年6 月完成了在o s a c a 的基础上编制“开放式数控系统技术规范”和 建立了开放式数控系统软、硬件平台，并通过了国家级验收。2 0 0 3 年，我国以国际上 现有的开放式数控系统体系结构等先进标准规范为参考，同时兼顾中国数控系统产业现 状和特点，开始制定开放式数控系统( o n c ) 体系结构，即我国的开放式数控体系 结构标准o n c 。 1 3 2 开放式数控系统数据接口规范 随着数控技术的迅速发展，现代化的生产对c n c 的要求也越来越高，传统的g 、 m 代码( i s 0 6 9 8 3 ) 己不能适应现代化生产和技术发展的需要。这种面向运动和开关控 制的数控程序限制了c n c 系统的开放性和智能化发展，同时也使得c n c 与c a x 技术 之间形成了瓶颈，严重阻碍了机械制造业的发展。为了克服i s 0 6 9 8 的诸多缺点，一种 面向对象的新型数控编程数据接口国际标准_ i s 0 1 4 6 4 9 ( s t e p - n c ) 应运而生，s t e p - n c 是将s t e p ( s t a n d a r df o r t h ee x c h a n g eo f p r o d u c tm o d e ld a t a ) 向n c 领域的扩展，它体 现了开放式数控系统的一个重要特征。我国于9 0 年代初开始着手研究s t e p 标准，现 在国内的研究主要集中在s t e p - n c 标准，s t e p - n c 的数据模型，s t e p - n c 编程方法以 及a p 2 3 8 应用协议的实施方法这些方面。 1 3 3 开放式数控系统的实现途径 关于开放式数控系统的特征通常认为包括硬件系统的开放性和软件系统的开放性， 开放的硬件系统由模块化的速度控制单元、位置控制单元和内置的p l c 构成；开放的 软件系统是指数控软件系统的设计模块化及模块间的接口标准化。目前，开放式数控系 统有3 种实现途径。 - 6 - 东北大学硕士论文 第1 章绪论 ( 1 ) p c 机+ 数控专用模板。即在p c 机上嵌入数控专用模板，该模板具有位置控制 功能、实时信息采集功能、输入输出接口功能和内嵌式p l c 单元等。这种结构形式使 整个系统可以共享p c 机的硬件资源和软件资源，代表产品如s i n u m e 对k 8 4 0 d 。与传 统的c n c 系统相比，具有软硬件资源的丰富性、透明性和同享性，便于新技术升级换 代。但这种数控系统的开放性只限于p c 机部分，只能说是有限的开放，其专业的数控 部分仍然处于封闭状态。 ( 2 ) i p c + 可编程运动控制器。这种基于开放式可编程运动控制器的系统结构以通 用工业控制机为平台，以i p c 标准插件形式的开放式可编程运动控制器为核心。i p c 负责数控程序编辑、人机界面管理等功能，运动控制器负责机床的运动控制和逻辑控制。 这种运动控制器以运动子程序的方式解释执行数控程序，以p l c 子程序方式实现机床 逻辑控制，支持用户的开发和扩展，具有上、下两级的开放性。代表产品有 w i z d o m c o n t r o l s 公司的p a r a d y m 3 1 ，此产品采用d e l t at a u 公司的p m a c ( p r o g r a m m a b l em u l t i a x i sc o n t r o l l e r ) 可编程多轴运动控制卡嵌入i p c 实现运动控制。 优点是：成本低( 采用标准计算机) ；可运行用户自定义的软件；界面比传统的c n c 友 好。美国d e l t a t a u 公司的p m a c 拥有自身的c p u ，同时开放包括通信端口、存储结构 在内的大部分地址空间，具有灵活性好、功能稳定、可共享计算机所有资源等特点。 ( 3 ) 纯p c 机型。也称s o f t 型，即完全采用p c 机的全软件形式的数控系统，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i 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和相应的驱动程序一样。用户可以在 w i n d o w s 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。通过软件智能替代复杂的硬件，正在成为当代数控系统发展的重 要趋势。其典型产品有美国m d s i 公司的o p e nc n c 、德国p o w e ra u t o m a t i o n 公司的 p a 8 0 0 0n t 等。 1 4 本课题的研究意义及完成的主要工作 本课题主要是对具有旋转刀架的数控软片裁片机的控制系统及软件进行开发。该设 备的主要功能是对类似橡胶的非金属软片材料，自动加工各种用户要求的图形件，其中 一7 东北大学硕士论文 第1 章绪论 所需图形分为矩形、扇环、圆环三种。刀架回转式数控软片裁片机采用五轴三联动的运 动方式，在机械结构上具有运动灵活，控制方便的特点。本课题就是针对刀架回转式的 机械结构，对其控制系统的硬件以及软件系统进行开发并且进行系统试验、调试、研究。 主要完成的工作如下： ( 1 ) 控制系统硬件平台搭建及调试 在深入研究p m a c 运动控制卡的基本功能和使用方法，学习步进电机、伺服电机、 电磁抱闸、行程开关的基本原理和使用方法的基础上，以工业控制计算机为母体，利用 上述各种元器件，搭建了整个控制系统的硬件平台。控制系统硬件平台搭建完毕之后， 对其各元件的具体参数进行了设置、调试，使整个系统能完成基本的运动功能。 ( 2 ) 控制系统的软件开发 由于p m a c 运动控制卡的开发软件提供了与v b 、v c 的软件接口，因此控制系统 软件部分采用v b 进行编写。整个软件系统在p m a c 所提供的通信软件p e w i n 的基础 上进行编写，采取模块化的设计方案，在保证操作安全、运动灵活、高精度加工、控制 方便的前提下，分别编写了系统的关键控制模块，如系统复位模块、回零模块、对刀模 块、手动操作模块、自动加工模块等几个部分，这一系列的模块相互作用共同构成了控 制系统的软件部分。 ( 3 ) 裁片机轨迹规划研究 根据需要完成切割材料的几何形状，需要对五轴的运动进行规划，切割形状不同各 轴的联动情况也不一样。切割矩形、圆、圆环、扇环，都可按加工顺序分解为切割圆弧 和直线这两个基本的过程。切割直线和圆弧的过程，均可分为x 、y 、c 三轴联动对刀， x 、y 、z 三轴联动进刀，x 、y 、c 联动完成圆弧或直线切割，x 、y 、z 三轴联动退刀。 同时根据切割条件的不同情况( 裁片厚度、刀盘半径、刀杆长度、倒坡角方向) ，总结 归纳了对刀、进刀、切割、退刀这几个过程中各轴进给量的通用公式。 ( 4 ) 整体性能的试验研究及误差分析调整 完成的硬件平台的搭建和软件开发之后，对裁片机的性能进行了调节，首先调节 各个进给轴的动态特性，主要是根据p m a c 卡所提供的t u n n i n g 软件调节各个轴的p 、 i 、d 参数，使各个轴能够正常运动，而不发生抖动或者迟滞的现象，同时要保证各个 轴的位置跟随误差要在满足加工要求的范围内。然后对整个系统的误差进行调整，整个 控制系统采用半闭环控制系统，系统的误差调整办法采用统计实际加工测量误差，然后 8 - 东北大学硕士论查 箜! 主丝 一一 根据p m a c 卡所提供的误差补偿办法进行补偿。 ( 5 ) 研究总结和展望 整个数控软片裁片机的控制系统基本上能够按照轨迹规划的具体要求完成轨迹加 工，但是还存在一定的问题，可以在提高加工效率和节省加工用料方面进一步做一些研 究工作。 东北大学硕士论文 第2 章数控软片裁片机硬件结构 第2 章数控软片裁片机硬件结构 2 1 数控软片裁片机的机械系统 2 1 1 数控软片裁片机的机械结构 数控软片裁片机的机械主体包括：床身、龙门架、刀架、刀具回转部分、刀具偏转 部分( 调节裁片切割角度部分) 、主轴、圆盘铣刀，图2 1 为数控软片裁片机实物图，图 2 2 所示为机械传动结构图。 图2 1 数控裁片机的实际结构图 f i g 2 1p i c t u r eo fc n c m a c h i n et o o l 图2 2 数控裁片机传动结构 f i g 2 2t r a n s m i s s i o nf r a m eo fc n c m a c h i n et 0 0 1 1 0 东北大学硕士论文第2 章数控软片裁片机硬件结构 2 1 2 坐标系规定 在数控机床上加工零件时，刀具与零件的相对运动，必须在确定的坐标系中才能按 规定的程序进行一个直线进给运动或一个圆周进给运动定义一个坐标轴。标准坐标系是 一个用x 、y 、z 表示的直线进给运动的直角坐标系，用右手定则判定。大拇指指向x 轴的正方向，食指指向y 轴的正方向，中指指向z 轴的正方向。这个坐标系的各个坐 标轴通常与机床的主要导轨相平行。围绕x 、y 、z 轴旋转的圆周进给运动坐标轴分别 用a 、b 、c 表示，根据右手定则判定，以大拇指指向+ x 、+ y 、+ z 方向，则四指环 绕方向是圆周进给运动的+ a 、+ b 、+ c 方向。根据以上标准坐标系的设定方法，本数 控软片裁片机对坐标系规定如下： + x 为接近x 轴电机的方向，一x 为远离x 轴电机的方向； + y 为接近y 轴电机的方向，一y 为远离y 轴电机的方向； + z 为接近z 轴电机的方向，一z 为远离z 轴电机的方向； b 轴为绕y 轴旋转，正方向由右手定则确定，即右手拇指方向指向+ y ，四指环 绕方向为+ b 的方向； c 轴为绕z 轴旋转，正方向由右手定则确定，即右手拇指方向指向+ z ，四指环绕 方向为+ c 的方向。 2 1 3 裁片机性能参数 该数控软片裁片机能够实现五轴三联动运动。图2 2 中的x 、y 、z 方向进给运动 采用日本安川的交流伺服电机驱动，滚珠丝杠传递驱动力，同时根据用户功能要求，该 裁片机驱动龙门架在床身上的x 轴向运动，采用两轴同步双边驱动模式；裁片机的回转 轴( c 轴) 同样采用日本安川的交流伺服电机驱动，裁片倒边功能的实现是通过执行x 轴、y 轴、c 轴的三联动，借助于直线和圆弧插补，加工出用户要求的矩形、扇环、圆 等图形；升降臂的升降轴( z ) 采用日本安川交流伺服电机单独控制，且采用滚珠丝杠 传递驱动力；b 轴采用北京四通步进电机控制，由同步齿形带传动；带动盘铣刀回转的 主轴则采用步进电机驱动，以实现主轴旋转的速度调节和控制。该设备在完成不同厚度 胶片切削的同时，根据用户设定的角度加工出外围倒边。具体要求如下： ( 1 ) 本机可以对厚度为l l o m m 的橡胶衬板进行直线、曲线切边和倒边操作。 1 】 东北大学硕士论文第2 章数控软片裁片机硬件结构 ( 2 ) 倒边角度可达到1 2 0 4 5 0 ，加工曲率半径为1 0 0 m m 或更大。 ( 3 ) 机床各轴行程、定位精度和最大运行速度表2 1 所示。 ( 4 ) 控制系统能够实现刀具运动( 包括进给运动、切削运动) 的自动控制，在加 工中裁片、倒边过程的位移、速度可控，以保证软片裁制的质量和精度。 ( 5 ) 该数控软片裁片机的控制系统有较好的安