（电气工程专业论文）基于pci接口的柔性活塞加工数控系统研究.pdf

r e s e a r c ho nt h ec n c p i s t o ns y s t e m i nt h eb a s eo fp c ib u sa n du n d e rw i n d o w s0 s a b s t r a c t p i s t o ni st h ek e yc o m p o n e n t so fc o m b u s t i o ne n g i n ea n do t h e rv e h i c l e s ，t h e m a c h i n i n gp r e c i s i o na n dt h eq u a l i t yo fp i s t o nd e t e r m i n e st h ep e r f o r m a n c eo ft h e c o m b u s t i o ne n g i n e ，s o ，t h em e a c h i n i n gm e t h o di sc r u c i a l t h ec o n v e n t i o n a lm a c h i n i n gm e t h o dd o e sn o tm e e tt h er e q u i r e m e n t so fs o c i e t y w i t hi t sl o wp r e c i s i o n 、h i ：g hc o s ta n dl o we f f i c i e n c y h o w e v e r , t h ec n cm e t h o d u s i n gd i g i t a lm o d a lt e c h n i q u eh a sb e e nu s e ds u c c e s s f u l l ya n db e i n gat r e n di n d o m e s t i cm a r k e t w i t hi t sh i g hp r e c i s i o n 、l o wc o s ta n dh i g he f f i c i e n c y , i tw o u l dh a v e ag o o dm a r k e t b u tt h e s ed a y st h i sc n c s y s t e mi si nt h eb a s eo fi s a i n t e r f a c ea n d u n d e rd o so p e r a t i n gs y s t e m t h i sh a ss o m ep r o b l e m sb e c a u s en o wd o sh a sf a l l e n i n t od i s u s ea n dt h ep c ib u sh a sb e i n gi np l a c eo f t h ei s ab u s t h e r e f o r et h i st a s kw i l l d os o m er e s e a r c ho nt h ec n cp i s t o ns y s t e mi nt h eb a s eo fp c ib u sa n du n d e r w i n d o w s0 s i nt h i sp a p e r ，t h ep r o j e c to r i g i n ，r e s e a r c hs i g n i f i c a n c e ，r e l a t e dt e c h n i c a ls t a t u s a n dm a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa r eb r i e f l yi n t r o d u c e d aw h o l es y s t e md e s i g ns c h e m ei s g i v e ni nd e t a i l t h e na c c o r d i n gt ot h es c h e m e ，t h ed a t ap r o c e s s i n gm o d u l ea n dt h e m a c h i n i n gc o n t r o lm o d u l ea r ed i s s e r t a t e d i ns e p a r a t e f i n a l l y ，t h ep a p e rg i v e so u tt h e r u n n i n ge f f e c to fe v e r ym o d u l e ，t e s t i f i e st h ef e a s i b i l i t yo ft h es y s t e ms c h e m ea n d p r e s e n t si m p r o v e da p p r o a c h e sf o rf u t u r er e s e a r c h k e yw o r d s ：p i s t o n ，d i g i t a lm o d a l ，w i n d o w s ，p c ii n t e r f a c e ，d a t ap r o c e s s i n gm o d u l e ， m a c h i n i n gc o n t r o lm o d u l e 插图清单 图2 1 活塞外圆型面的网格化 图2 2 柔性靠模法加工活塞时序 图2 3 柔性靠模数控机床的基本组成 图2 4 柔性靠模活塞数控系统的数据流 图3 i 中凸变椭圆活塞 图3 2 纵截面型线的分段示意 图3 3 中凸变椭圆的合成 图4 1p t c 一系统控制软件的数据处理 图4 2 系统功能模块及处理流程 图4 3 特殊活塞的处理流程 图4 4 纵向数据模块插值流程 图4 5 插值分模块的流程 图4 6 横向截面数据模块总体流程 图4 7 单个截面的处理流程 图4 8 中凸变椭圆型面合成模块程序框图 图5 1 逻辑电路的示意图 图6 i 控制软件的总体流程 图6 2 加工初始化模块 图6 _ 3 编码器检查模块 图6 4 加工活塞模块流程 图6 5 采样中断线程处理 图6 6 逻辑中断线程处理 图6 7 同步处理 图6 8 纵向a 处理 图6 9 纵向b 处理 o o矗一n”博挎加扒筋m筋勰的躬钙钙躬钙朽躬朽 表格清单 表2 1i s a 总线和p c i 总线的性能比较4 表3 1 铜陵t l l8 0 3 活塞数据处理示例1 6 表3 2 铜陵t l l 8 0 3 活塞数据横向插值拟合1 6 表4 1 活塞型线、椭圆度用户输入数据格式2 2 表4 2 纵截面型线椭圆度的拟合结果示意2 6 表4 3 横截面椭圆直径系数结果示意2 6 表4 4 横截面椭圆直径系数沿型线扩展结果示意2 7 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 金胆王些太堂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。 学位论文作者签名：易仓 签字日期：年月，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒胆王些盍堂有关保留、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。本人授权金 目b 王些盔堂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：一考赴 签字日期：石年占月，日 学位论文作者毕业后去向：京f 伊l 工作单位：蜡掣i 诬为秀i 凇 通讯地址：燕i 牟馄屯俑鸟苦影 一名：p f 晰， 签字日期：c 杉年6 月f 日 电话：棚，衫7 富r 蜃d 邮编：i 亨于d 廖 致谢 三年余的学习生涯临近尾声，这段时日的风风雨雨无不历历在目，各种感 激之情一一溢上心头。 合肥工业大学研究生院和电气与自动化学院的老师们，他们不顾酷暑严冬， 放弃本可以舒适休息的假日，为我们的学习提供无微不至的便利条件，在专业 知识方面给我们以悉心的关怀和教导，使我在一个良好的学术氛围中不断地充 实和提高自己。在此我向他们致以最诚挚的谢意。 本论文是在合肥工业大学电气与自动化学院导师温阳东教授的悉心教诲和 无微不至的关怀下完成的。从论文的选题、论文的架构及写作等方方面面，无 不凝聚着温老师的心血。在学习和学术研究中，我深受温老师严谨的治学态度 和勤奋的敬业精神的熏陶和激励，从中收益良多；在生活和为人方面，温老师 更是言传身教，鼓励我自励上进。在论文得以顺利完成之际，谨向温老师表示 最崇高的敬意。 感谢电气与自动化学院办公室的孟祥发老师，他无私地、默默地给我们帮 助，从教材、教室、考试到任课老师的安排，无不细致如微、有条不紊，在学 习和生活各方面给我们极大的鼓励。 在论文的研究和撰写过程中，得到了中国人民解放军国防科技大学机电研 究所非圆技术中心和蚌埠市玻璃设计研究院的大力帮助，无偿无私地向我传授 和交流经验，给我提供实验装备和器材，给我提供资料和参考书籍，在我的这 份论文中，也饱含了他们为此所付出的辛勤工作，在此也一并表示谢意。 此外，在学习和论文写作的过程中，还得到了蚌埠坦克学院电子室主任、 副教授冯根生的无私帮助与协助，这也是我能够从漫长求学道路上坚持下来的 一个重要原因。 最后，再次衷心感谢所有关心和帮助我的师长、同学、朋友和亲人们! 作者：方龙 2 0 0 6 年5 月 1 i 课题来源及研究意义 第一章绪论 本课题是适应国防科大机电工程研究所非圆加工技术中心研制的p t c 系列 活塞数控车削系统的发展而提出的。 国防科大机电工程研究所非凰加工技术中心p t c 系列活塞数控车削系统主 要用来车削中凸变椭圆铝合金活塞外圆，也适用于钢靠模的加工，也可以加工 一些其它的非圆零件。 许多现代交通工具包括摩托、汽车、火车、轮船等都要用到内燃机，许多 机械化的军事装备如装甲战车、坦克、自行火炮、装甲运兵车、通信指挥车等， 也要用到内燃机。而众所周知，活塞是内燃机的心脏，是实现内燃机能量转换 的重要配件之一，正是活塞在内燃机里的往复运动才使化学能转化为机械能。 活塞在内燃机里的工作环境是极其复杂和恶劣的，高温、高压和周期性的振动 冲击等会使活塞变形严重且不均匀。因此，活塞形状及其加工精度不仅直接影 响它的使用寿命，而且直接影响到发动机的能量转换效率和寿命，进而影响到 发动机的性能和寿命。产品的质量如何往往就是取决于发动机的性能好坏。在 较长的一段时间内，活塞型面加工主要是由硬靠模车床来完成的，它可完成简 单活塞型面的活塞外圆加工。然而随着人类需求的提高和科学技术的发展，人 们对活塞提出了越来越高的要求，活塞的型面变得越来越复杂，且要求实行小 批量、多品种加工。硬靠模车床由于加工范围窄、精度低、柔性小等缺陷而越 来越不适应活塞外圆加工的需要。活塞“柔性靠模”数控切削车床就是在这种 背景下产生和成熟起来的，它不仅能切削各种复杂的外圆曲面、而且具有切削 效率高、加工精度高、柔性好等优点。 国防科技大学机电研究所非圆技术中心自1 9 8 8 年以来就着手研制非圆加工 技术。该中心研制的p t c 系列活塞数控车削系统运行于d o s 操作系统下并已经 获得成功，系统所有的接口板都是基于i s a 总线的。目前w i n d o w s 操作系统是 各级应用的主流，总线接口普遍采用的是p c i 总线。p c i 局部总线有效地克服了 i s a 总线系统中数据传输的瓶颈现象，为外设访问微处理器提供了更宽、更快的 通路。现在最新的主板已经不再提供i s a 插槽而全是p c i ，很多工控机主板p c i 插槽已占了主体，i s a 总线正逐渐被淘汰。基于这种趋势，非常必要将现有基于 i s a 接口的系统转换为p c i 接口。同时，一直困扰科研人员的是，d o s 程序运行 在实模式下，可用内存极限只有1 m 左右，而活塞的形状越来越复杂，精确表征 活塞所需的数据量早已突破了这个界限。比如长2 8 0 m 的火车用活塞，若纵向 分辨率0 i m m ，横向分辨率为5 。加工，所需数据量为2 8 0 0 x 7 2 4 = 8 m b ，这已 经远远突破了1 m 的限制。即使是一般的活塞l m 的存储空间也是不够的。p t c 柔性靠模系统把形状复杂的活塞认为是分段相似( 其实不相似) 的，加工期间 l 计算出中间数据再送往内存。这种近似处理在加工复杂活塞时误差比较大，有 的活塞点误差达到2 0 9 l 而且运行期间计算数据也使整个系统处理速度受到限 制。这是由于d o s 系统的缺陷而采取得不得已办法。而在w i n d o w s 下，程序运 行在保护模式，可用的虚拟内存空间可达i g - 4 g ，对于开发人员来说，内存可谓 是一片平坦，或者说根本就不必考虑内存有无限制。这样我们就可以寻求更好 的方法处理数据，更宽的思路思考问题。为了满足用户更高不同的要求，紧跟 时代的变革，利用w i n d o w s 的强大优势，本课题应运而生，以期探讨在w i n d o w s 下进行工控的可能性。 鉴于此，本课题的研究旨在采用p c i 接口板，将原有p t c 系统的i s a 接口 改为p c i 接口，使该系统更能适用于未来总线技术的发展。同时，要编制出 w i n d o w s 系统下的数据处理和控制软件，改善人机界面，提高加工效率。 据调研，国内目前还没有真正开发出在w i n d o w s 下运行的柔性靠模数据处 理和控制软件。可以预计，本课题的研究必将对我国柔性靠模高速加工活塞平 台从d o s 转到w i n d o w s 作一些尝试和提供一些有益的经验。 1 2 国内外研究现状与应用前景 活塞外圆型面的精加工是活塞生产的关键工序之一。国内外都有许多新的 技术出现，工业发达国家早在2 0 世纪8 0 年代初期就开始研究活塞外圆的数控 车削技术，据有关考察报告，国外活塞制造公司广泛采用柔性靠模加工技术c n c 数控机床进行加工，不再采用平板靠模和立体靠模加工，从而使产品的更换大 大方便，活塞型线精度从0 0 3 m m 左右提高到0 0 0 3 0 0 0 7 r m 轮廓的要求。 在国内，国防科技大学、清华大学、西安交通大学等单位也相继开展了中 凸变椭圆活塞c n c 加工技术的研究，取得了不少重要研究成果。但传统的硬靠 模加工方法也大量存在。 硬靠模加工方法主要有靠模板运动合成法和立体靠模的仿形法，其中立体 靠模车削法使用得最普遍。立体靠模车削法最重要的工艺装备是立体靠模，但 目前大多数活塞厂没有制造立体靠模的手段，需要外购。目前立体靠模的制造 多采用分度磨削加手工修研的方法。这种制造方法的生产成本很高，生产周期 较长，经常不能及时满足生产需要，特别不适应新产品试制和产品换型，而且 加工精度受人为因素影响。硬靠模加工较大误差，质量不稳定，靠模制作成本 高且修改模型困难。 就柔性靠模活塞数控车削系统来说，除最早进行研究并已获得广泛应用的 国防科技大学外，国内清华大学针对大多数活塞厂没有制造立体靠模的能力这 一现状，研制出立体靠模数控车床。立体靠模采用数控车削方法，加工精度可 控，生产周期短，十分利于新产品试制和产品换型，生产成本亦可降低至i i 0 以下。清华的立体靠模数控车床上己试制了桑塔纳活塞、4 9 2 活塞、4 8 8 活塞及 两种摩托车活塞的立体靠模，各项技术指标均达到了生产要求，其中两种摩托 车活塞的立体靠模己用于生产。 9 0 年代以来，西安交通大学也开始了机电一体化活塞车床的研制，并已研 制出了面向工业化的实用型样机x j o c 2 型中凸变椭圆活塞数控加工系统。该方 法基于分解设计、叠加成型的思想，采用偏心振动机构实现高频响应微位移进 给，采用步进电机实现中凸型线微位移控制，充分利用机械结构和数控单元各 自的优点，高频动态响应特性好、输出力大、刚性好、行程可调节，并能保证 对突加、突卸负载的不敏感性。初步实验证明了成型机理及数控系统的可行性 及合理性。 比较硬靠模加工和柔性靠模加工，柔性靠模能得到吏高的精度和效率。我 国目前大型的活塞生产厂家都已经有柔性靠模活塞c n c 数控机床，其中有一些 是国外迸口的。利用柔性靠模活塞c n c 数控机床加工中凸变椭圆型铝活塞已成 为活塞行业的趋势。 从控制软件来说，国内外大都是纯d o s 平台下的。也有一些采用上下位机 的结构，上位机采用p c 或工控机，下位机采用单片机或d s p 。在w i n d o w s 平台 下进行控制的还没有先例。w i n d o w s 多任务、交互式、友好的人机界面和众多强 大的开发工具将大大提高数据处理和运行的效率。本课题的研究将对柔性靠模 系统由d o s 平台转到w i n d o w s 平台提供一定的借鉴。 1 3 课题研究的主要任务 已有的p t c 系列数控软件是运行在纯d o s 环境下的，关键技术大体有输入 输出i 0 ，数模转换d a ，实时中断等。这些实时性高的技术在d o s 下已经成功 运用并得到实践的检验。但精确度、处理速度和工作效率却不尽如人意。 所以本课题根据计算机行业和工控行业发展的趋势，在原有p t c 系列柔性 靠模活塞外圆数控车削系统基础之上，主要完成以下几个方面的研究任务： 1 、在现有p t c 系统的硬件( 机床本体、驱动伺服结构以及外围接口电路) 基础上，改i s a 接口的i o 板卡和d a 板卡为p c i 接口，实现对两块p c i 电路 板的控制，使其拥有原有i s a 板的功能( 输入输出i o 、d a 、实时中断) 。 2 、编制出在w i n d o w s 下面进行数据处理和活塞加工的软件。软件包括两大 功能模块：数据处理模块和控制模块。 3 、数据处理软件实现活塞数据的输入、输出、编辑、修改、插值、保存、 打印等，生成格式化的数据满足加工的要求。并应能充分考虑工控用户的要求， 编制出w i n d o w s 风格的交互式人机界面，使操作更简单、功能更集中， 4 、控制软件正确持续运行并基本实现加工普通活塞和部分特殊活塞功能。 根据课题研究内容，本文将对两大功能模块进行分别研究和论述，数据处 理模块首先讨论中凸变椭圆的型面成形方法，之后进行具体软件编制；控制软 件模块首先讨论w i n d o w s 的实时性和多线程技术用于柔性靠模系统等关键问题， 之后利用前一模块产生的数据进行柔性靠模活塞加工的整个控制软件的编写。 3 第二章基于p c i 接口的柔性活塞加工数控系统总体设计 本课题在硬件上对原有p t c 系统作的改进即是用两块p c i 接口的i o 、d a 卡代替原有的i s a 接口的i o 、d a 卡。p c i 接口相对于i s a 接口具有更优良的 性能，也是工控机总线发展的趋势。本章首先介绍原有d o s 下i s a 接口的p t c 一系统组成和功能特点，在此基础上，给出了w i n d o w s 下p c i 接口的新型系 统的总体方案、功能模块和数据流。 2 1p c i 总线和i s a 总线的比较 从第一章绪论可知，将柔性靠模系统基于i s a 接口的板卡转变为基于p c i 接口的板卡，并在此基础上进行w i n d o w s 下数据处理和加工控制软件的设计是 本课题的主要任务。 微机总线在计算机系统中占有极为重要的作用，总线是c p u 、系统板与外部 设备之间联系的桥梁。总线有多种，内部总线、系统总线和外部总线，划分不 同的总线目的是进行合理的设计减轻微处理器c p u 的负担。其中，系统总线是 微机中各插件板与系统板之间的总线，用于插件板一级的互连。 系统总线也有多种，随着计算机技术的发展，先后出现过i s a 、e i s a 、v e s a 、 p c i 、c o m p a c tp c i 等不同总线。i s a 总线以其规范简单、易用和廉价而占据商 用计算机和工控计算机多年，p c i 总线以其高带宽、高频率和独立于处理器等优 点已成为商用p c 事实上的标准；c o m p a c tp c i 是基于商用p c i 总线的专门用于 工控领域的p c i 总线，是目前工控领域的主流，有发展前途。 要评价一个总线的性能好坏，只有通过相应的指标才能作出。一般都以表 2 1 所列作为标准，在此只对i s a 总线和p c i 总线的性能作比较。 表2 1i s a 总线和p c i 总线的性能比较 、性能指标最大总线总线工作同步地址 6 4 位 自动引脚 总蔷 传输率宽度 频率 方式宽度 扩展配置 使用 i s a 非多路复 1 6 1 b s 1 6 位 晰i z 不可 2 4不可 无 用 p c i 1 3 3 m b s3 2 位 0 3 3 删z可 3 2 6 4 可可 多路复用 通过上表的性能指标比较，p c i 总线较i s a 总线提供了更高的带宽、更高的 工作频率和更高的数据传输率。而且，p c i 总线可自动配置，数据和地址可多路 复用使得结构更为紧凑。在人们对图形、视觉和多媒体要求越来越高的今天， i s a 总线已经不堪重负，而p c i 总线游刃有余。在工控领域，i s a 总线也已逐渐 不能胜任。目前商用的p c 机主板已经不再提供i s a 插槽而全是p c i ，工控机方 4 面，i s a 插槽也越来越少。因此，将p t c 柔性靠模系统由i s a 接口转到p c i 接口 是非常必要的。 2 2 柔性靠模系统的特征 2 2 1 柔性靠模法的加工原理 1 活塞外圆曲面的运动形成原理 最常见的活塞外形是中凸变椭圆。图纸上常以椭圆度、型线和某些截面上 的形状等数据来描述外形面。在靠模法加工中，人们很少考虑外圆面上某一点 的具体座标。在用数控法加工时，则要建立外圆面的数学模型。首先，按照图 纸要求，将外圆曲面网格化( 如图2 1 ) 。只要网格足够密，( 即t 和口足够小) ， 则这些数字化了的网格点就能以足够的精度来代表活塞外圆曲面。在车削过程 中，如果刀尖的轨迹能准确地通过这些网格结点，就能加工出足够理想的活塞。 数控系统的任务就在于此，即让刀具在x 方向沿预先编好的轨迹鼠= x ( 只，z ，) 运 动。其中，只表示第i 个转角，z ，表示第j 个截面。最= 工( 只，= ，) 是根据图纸要 求预先计算出来，并存放于控制计算机的存贮器中的数据( 如图2 2 ) 。 图2 1 活塞外圆型面的网格化 ( 1 ) 主轴采样( 2 ) 主轴同步( 3 ) 纵向j ) 纵向零位 舯m m 叫 ( 2 ) l 几 几 几 ( 3 ) ；广 厂 厂 厂 l 啦一厂 0 主娃锄 加工i 结束 图2 2 柔性靠模法加工活塞时序 5 2 2 2 柔性靠模系统的特征 活塞加工由于采用了柔性靠模技术，系统不仅要编制专门的软件用于控制 整个系统，系统的硬件也较传统的靠模法加工有了很大的改进。柔性靠模系统 有两个主要特征。其一是用控制计算机中的“柔性靠模”( 即活塞数据文件) 代 替传统的凸轮、模板和立体靠模，其二是采用了位置闭环。它有以下许多优点： l - 在计算机中生成活塞的“柔性靠模”，操作简便、迅速，精度高。加工 不同型号的活塞只需改变控制计算机中的“柔性靠模”文件，因此，新产品设 计试制和产品换型都非常方便，且“柔性靠模”可长期保留、反复使用，并极 易设计和修改； 2 由于省去了凸轮、模板和立体靠模，机械传动装置非常简单，避免或减 少了由于惯性、间隙、磨擦等原因造成的传动误差，加之采用闭环控制，因而 大大提高了工件的加工精度； 3 采用了高频响微动伺服刀架，提高了工件的生产效率； 4 采用了位置闭环控制，大大提高了微动伺服刀架的刚度，因而可以用来 车削靠模； 5 采用了监控技术，改善了加工过程的品质； 6 与国外同类型的装置相比其性能价格比高： 7 纵向采用了交流伺服系统，可实现无级调速，且运行非常平稳： 8 主轴采用静压部件，恒温控制，因而其精度更高，转速更高，温升更小； 9 主轴采用交频器驱动，可实现无级变速； 1 0 系统采用工控机作为主控单元，用户界面更好，使用更加方便；同时配以 强大的诊断功能，使维护更加方便。 2 3 柔性靠模活塞数控系统的硬件组成及工作原理 机床的基本组成如图2 3 所示。本机床主要由快速响应伺服机构、工业控 制计算机、功放系统、径向角度检测元件、纵向位置元件、测量反馈装置等部 分组成。在加工过程中，径向角度检测元件及纵向位置元件实时地向控制计算 机报告刀具相对工件的位置，控制计算机则依次将已准备好的活塞“柔性靠模” 文件中的数据送到功率放大器中，高频响的微动伺服机构接受放大器的信号， 驱动刀具按要求的规律运动。以加工出所需的活塞中凸型线和椭圆截面形线。 测量反馈装置用于改善加工过程的质量。 6 图2 3 柔性靠模数控机床的基本组成 2 4 柔性靠模活塞数控系统软件功能模块及数据流 将原有系统硬件中基于i s a 接口的板卡变为基于p c i 接口的板卡，加上 w i n d o w s 下的数据处理软件和加工控制软件，就构成了新的柔性靠模系统。所以， 课题的主要工作在于围绕接口板卡的变化，进行w i n d o w s 下的软件设计和控制。 1 功能模块 本课题系统软件共有两大功能模块：数据处理模块和加工控制软件模块。 其中数据处理模块改变以往d o s 下数据处理不灵活、功能单一的缺点，特别考 虑工厂用户的操作实际而编制的。可以独立于a n t 控制软件模块。 数据处理模块具有以下优点： 综合性 灵活性 便捷性 可扩展性 功能模块有：纵向数据模块、横向截面数据模块、纵横数据合成模块、特 殊活塞模块等。 加工控制软件完全基于w i n d o w s 平台，利用多线程技术。主线程用于接受 用户的输入，处理消息和实时反映加工状态，辅助线程则用于处理柔性靠模系 统的多路中断。操作简单，界面友好，运行可靠。 2 数据流 如图2 4 ，数据从用户输入的原始活塞特征数据经数据处理软件后变为活塞 的加工数据，在加工控制软件中发送到d a 卡进行d a 转换，经过机床硬件和 外围接口电路驱动刀架加工出活塞成品。 7 2 5 本章小结 用户输入数据处理软件 活塞成品 图2 4 柔性靠模活塞数控系统的数据流 本章在比较了p c i 总线和i s a 总线的优缺点和介绍了柔性靠模法加工活塞 的原理和特征后，对w i n d o w s 下基于p c i 接口的活塞数控系统进行了总体的方 案设计，包括硬件组成和系统软件的功能模块及系统的数据流。本章对课题具 有全局的指导作用。 8 第三章中凸变椭圆活塞型面的成型方法 中凸变椭圆活塞型面可以分为两类：类是可以用简单的曲线或曲面组合 表达的型面；另一类是由试验得到的空间数据点表达的型面。前者近似反映了 活塞工作过程中的变形，由于有表达式可循，所以对数据处理比较方便。对后 者，必须根据有限个数据点的分布情况，在精度允许范围内，对数据进行曲面 插值和拟合处理，得到光滑连续的表面，并用合适的表达式或系统可以直接采 用的数据点表示。本章首先介绍了活塞的工作环境和由此决定的活塞的型面特 点，而后重点介绍了中凸变椭圆活塞型面的拟合方法和合成方法。 3 1 中凸变椭圆活塞的型面特点 活塞的工作环境使得活塞工作时产生较大的变形，为了补偿( 抵消) 这种 变形，活塞加工时就不能加工成标准圆柱形。目前许多车用发动机的活塞裙部 均采用了中凸变椭圆型面，这种型面当活塞在工作状态时，将热膨胀等因素产 生的变形沿活塞销轴方向扩展，使得裙部横截面变成近似圆形，从而让活塞工 作时可以获得更宽、更均匀的承载面，同时还使得活塞的裙部与气缸壁更好地 贴合，有利于降低活塞裙部比压，减少活塞对气缸壁的冲击，降低发动机运行 时的噪声。中凸变椭圆型面从活塞的纵向剖面( 过活塞轴线的剖面) 看，其形 状表现为中凸型线；而从其横截面( 垂直于活塞轴线的剖面) 来看，其形状近 似“椭圆”。某截面的最大直径称为该截面的长轴直径，最小直径称为该截面的 短轴宜径。型线是指长轴直径沿活塞轴线方向的变化规律；在所有截面的长轴 直径中，最大的长轴直径称为该活塞的大径，大径与某截面的长轴直径之差称 为该截面的型线缩减量( 简称型线) ；某截面的长轴直径与短轴直径之差称为该 截面的椭圆度。一般来说，椭圆度沿着活塞轴线方向也是变化的。型线和椭圆 度构成了活塞的纵向数据。 辱。 i 垃城 收鞋 盘鞋 t t ) r 勺 墙l 走任7 图3 1 中凸变椭圆活塞 9 3 2 中凸变椭圆活塞型面的拟合成形 柔性靠模法中，用户根据图纸要求给出能表示活塞型面特点的离散点对， 实际加工时还必须将活塞网格化更密到足以能精确表示一个活塞。将离散数据 进行拟合插值是使活塞网格化的途径。对拟合后数据的总体要求是平滑，多项 式拟合和三次样条拟合都可以满足这种条件。二者各有优缺。 用多项式拟合时，一般选用次数较低的多项式。当拟合精度达不到要求时， 就要增加多项式的阶次。但当拟合多项式的阶次选得过高时，会出现龙格 ( r u n g e ) 现象，使拟合曲线与被拟合曲线不符，这是多项式拟合的一大不足， 所以不宜选择高次多项式进行拟合。为了提高多项式的拟合精度，又要克服高 次多项式拟合的不足，可以用低次多项式分段拟合的办法来解决。分段多项式 拟合有很好的局部性质，但由于多项式是分段作成的，只能保证拟合曲线的连 续性，拟台曲线并不光滑。 样条插值可以改善多项式插值的这种不足。三次样条插值函数的一阶、二 阶导数都连续，三阶导数不一定连续。但对于一阶、二阶导数都连续，三阶导 数不连续的函数，用眼睛就很难分辨了。所以三次样条已具有了一定的光滑性， 并且三次插值多项式比较简单，因此，它在理论上和实践上都有很大价值，工 程上更是经常被人们采用。特别当两端点的二阶导数为零时的三次样条称为自 然样条，自然样条是最光滑的。 既要克服高次多项式的拟合不足，又要使拟合曲线连续光滑，用三次样条 函数对活塞纵向型线进行拟合是一种较好的拟合方法。本课题中用的即是三次 样条的拟合方法。 3 2 1 纵向数据的拟合成形 1 纵截面型线的数学表示方法 中凸变椭圆型面零件纵截面型线一般以列表点( 离散点) 形式给出，各个 列表点用轴向坐标z 和型线( 大径与长轴直径之差) y 描述，即n 个列表点可表 示成( z o ，) ，( z d y l ) ，( z 2 ，y 2 ) ( 乙- l 几一1 ) 。 考虑一般情况，纵截面型线可能分为几段，如图3 2 所示。每段可能有几 种情况，一是水平线，在此段上的y 值都是一样的；二是斜直线段。此段上的 结点可以出该段的两个端点相连而成的直线表示；三是抛物线，本段可由抛物 线方程来表示：四是三次样条曲线。不同的情况是由该段包含的分段点数决定 的。所以在拟合时首先要根据用户的输入合理分段，根据每段截面的分段点数 采取不同的拟合函数以简化计算。 1 0 一孚孓。眵碍静详、 图3 2 纵截面型线的分段示意 2 纵截面型线三次样条的拟合成形 前述，描述活塞纵向型面的点是n 个离散的能表示活塞型面特征的点，拟 合时首先要根据用户的输入合理分段，根据每段型线的分段点数采取不同的拟 合函数以简化计算。当一段截面的分段点数多于三个时，即用三次自然样条拟 合方法拟合出中间的结点使活塞网格化更密到符合用户需求。水平线、直线、 抛物线三种情况下都可利用各自的函数去求得中间插值，在此不予阐述，这里 只介绍三次样条函数的构造。 1 ) 三次样条函数的定义 对于区间【a ，b 的一个分划：a = x o x i 、， 土! i 里苎竺! i 】r _ 一 读取输 d i v a l u e 【一 循环移位判断是哪 一路中断 j r _ 一 s w i t c h c a s e 不 周中断不周处理 匠 ! 一 重置e v e n t 非信号态 n 西蠢毫萌 图6 5 采样中断线程处理图6 6 逻辑中断线程处理 逻辑线程中的三路中断处理如下。 图6 7 同步处理图6 8 纵向a 处理 图6 9 纵向b 处理 6 3 控制软件的运行及结果评价 编写控制软件进行活塞加工和编写数据处理软件不同，数据处理是纯粹的 数学运算不涉及硬件，而控制软件要使整个系统软硬件协调运行。任何一个小 的环节都可能影响加工的效果。 在确保硬件无故障，各硬件间的连接正确的前提下，进行控制软件的运行。 由运行的结果对控制软件进行检测、评价。一般来说，有两个步骤： 1 通过示波器查看d a 卡输出波形。控制软件调入某一具体活塞的最终加 工数据，启动主轴和纵轴使机床运行，控制软件接收机床系统的各路中断，只 4 5 是将d a 卡输出到示波器而不是直线电机。如果示波器的波形是该活塞的数据 波形，并且不出现丢点或重点现象，说明控制软件中的关键技术- w i n d o w s 下多 路中断的协调处理是正确的。通过示波器同时也可检查由数据处理软件生成的 活塞数据是否是正确的。 2 将o a 卡输出直接驱动刀架进行实际活塞的加工。在前一步检查完全j f 确的情况下，控制软件读取系统运行的各种参数，控制整个柔性靠模系统进行 活塞的实际加工。经过多个活塞加工试验和拷机，活塞各项指标能满足客户需 求且控制软件能持续正确运行，就可以打包软件形成产品。 般，第一步结果正确的话，第二步也很容易实现。 截至到论文结稿时，由于实验条件所限，本控制软件尚未进行到第二步， 但第一步在主轴转速1 5 0 0 r m i n ，主轴编码器为7 2 点时，示波器查看的输出波 形是完全正确的。由此可以证明活塞数据正确和多路中断能得到实时响应。可 以预见，将控制软件用于实际活塞加工也完全可行。 6 4 本章小结 在上一章进行了相关w i n d o w s 下实时数控的关键技术分析和论证的基础上， 本章介绍了柔性靠模活塞加工控制软件的具体编制，软件的总体流程及运行结 果评价。本章还对课题所用的两块p c i 接口的板卡进行了介绍。 第七章结论与展望 系统经过一年多时间的研究和实验，并经真正的机床加工实验，已基本达 到预期目的，鉴于毕业临近，系统的研制工作告一段落。在这两年多的时间里， 我完成了一些工作，获得了许多宝贵的经验，概括如下： 1 对在w i n d o w s 平台下进行柔性靠模活塞数控系统的控制有了一定的认识， 并由此对在w i n d o w s 下进行实时性较强的控制有了思路，对于今后进行相关的 研究工作积累了经验。 2 编制出了w i n d o w s 风格的数据处理软件。数据处理软件界面友好，操作 简单，功能实用而强大，适应性强，对于各种常见活塞，本软件都能进行处理。 软件扩展性强，今后对于一些特殊的活塞或特别复杂的活塞，本软件也很容易 添加功能进行处理。 3 数据处理软件中几个模块具有实用价值。型线椭圆度插值模块适用于分 段点为0 、l 、2 、3 及4 点以上的不同分段，且可根据不同分段点数采用不同的 拟合方法，最终一次生成结果；横截面椭圆模块可以分别定制每个截面的具体 特征，包括截面规律、对称性等，不同特征的截面可一次生成结果并归一化处 理。数据合成模块可将所有活塞数据一次性生成和显示，并可进行不同的变换 直至生成最终活塞加工数据。对特殊活塞可进行型线方向和截面方向双向三次 样条插值拟合并一次性生成结果。 4 用w i n d o w s 的多线程技术实现了柔性靠模系统多路中断的实时处理。多 线程的应用程序往往因为其复杂的同步机制不被用于工控。我们可以采用一些 途径如将线程的优先级合理分配，多线程技术也完全可以用于工控，甚至如柔 性靠模系统这样实时性很高的系统。 5 白搭逻辑电路实现对中断口的扩展。p c i 接口的i o 板卡其可中断通道 一般都只有两路，我们采取的逻辑电路可以将p c i 板卡的每一路中断扩展至六 路乃至逐级扩展。电路板成品已经经过多次实验运行可靠。这对于解决工控领 域的类似问题有一定借鉴价值。 通过实验，虽然检验了系统的设计思想和初步工作，但同时也发现存在以 下几方面的问题，所以对系统的实际应用调试和完善是下一步主要的工作。 1 数据处理软件界面还有待改进。由于对开发工具v c 还不是很熟，在有 限时间内，主要精力集中在数据处理功能的实现上，软件所用的窗体、控件等 都是v c 中自带的原始资源，没加修饰。 2 数据处理软件运行还不是完全的可靠。软件所用的瑞软表格控件当将表 格数据进行文本和数值型转换的时候，偶尔会出现乱码；有的地方若用户不注 意操作规程时也会导致程序异常退出。这些都有待进一步的完善。 3 还不具备图形打印功能。工厂有些用户希望能将活塞的数据以图形显示 并能打印，数据处理软件只能进行图形的显示尚不能对图形进行打印，这个功 4 7 能有待进一步的编制。 4 控制软件只是实现了最基本的功能。进行一个完整的活塞加工，还需要 进行系统硬件的各种检查和加工参数的标定，控制软件还没能实现这些。控制 软件也不能实时的反映加工的状态。 5 整个课题研究都是在w i n d o w s9 8 s e 操作系统平台。前述w i n d o w s 系统 的各种特性都指的是w i n d o w s9 8 s e 。考虑到操作系统对实时性的重要影响，建 议今后将系统转到w i n d o w sn t 平台或其后的w i n d o w s2 0 0 0 、w i n d o w sx p 。w i n d o w s n t 具有w i n d o w s9 8 和柔性靠模系统相关的所有特性且系统更加稳定、可靠、安 全，同时也具有很强的网络管理功能。相对于w i n d o w s9 8 ，w i n d o w sn t 更加适 合于工业控制，支持多处理器和多种硬件平台。许多实时操作系统( r t o s ) 如 i r m x 都通过w i n d o w s 中的d d e ( d y n a m i cd a t ae x c h a n g e ) 协议和w i n d o w sn t 链接起来，开发出w i n d o w sn t 支持的实时操作系统如i r m xf o rw i n d o w s ，既具 有w i n d o w s 的交互式图形界面，又具有r t o s 的实时性。现在成熟的w i n d o w sn t 已经在工业控制领域占领了一席之地。 在整个课题研究中，重点放在了软件基本功能模块的实现和w i n d o w s 下进 行实时控制的技术研究，在这期间，作者尝试了多种方法，做了很多的实验去 探索和验证，虽然有的技术并没有用于课题本身，但也使作者受益非浅，一方 面扩大了知识面，对将来的实际工作积累知识和经验，另一方面更重要的是掌 握了科研的方法。当理论尚不成熟或者理论上不太确定的情况下，尽各种最优 化的方法，去做实验，实验将会让你获得很多东西。 4 8 参考文献 【1 候俊杰深入浅出m f c ( 第二版) 武汉：华中科技大学出版社，2 0 0 1 【2 美 c h a r l e sp e t z o l d 著，北京博彦科技发展有限公司译w i n d o w s 程序 设计( 第5 版) 北京：北京大学出版社，2 0 0 1 3 美 t o ms h a n l e y ，d o na n d e r s o n p c is y s t e ma r c h i t e c t u r e ( f o u r t h e d i t i o n ) 北京：电子工业出版社，2 0 0 1 4 】 蔡德聪等工业控制计算机实时操作系统北京：清华大学出版社，1 9 9 9 5 】 徐士良主编c 常用算法程序集( 第二版) 北京：清华大学出版社，1 9 9 6 6 】 齐治昌数组分析及其应用长沙：国防科技大学出版社，1 9 8 7 【7 】 武安河，周利莉w i n d o w s 设备驱动程序( v x d 与w d m ) 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