（通信与信息系统专业论文）火焰切割机嵌入式数控系统.pdf

武汉理工火学硕士学位论文 摘要 随着数控技术的飞速发展，数控火焰切割机在钢板的切割工业中应用越来 越广泛。火焰切割机的数控系统对钢板切割质量有十分重要的影响，因此，用 户对数控系统性能的要求日渐增高。 数控系统的软件和硬件是决定切割机性能的重要因素，如何利用可靠的硬 件电路和软件平台，开发一套功能强大、性能稳定的数控系统，成为了研究的 热点。本论文将嵌入式技术和数控技术结合起来，对嵌入式数控系统进行研究， 主要探讨的内容包括以下几个方面： 分析低、中、高端数控系统体系结构，决定采用嵌入式数控技术设计本系 统。嵌入式数控系统由上位机和下位机两大部分组成，上位机即主控制模块， 由工业计算机等组成，下位机是基于s t m 3 2 单片机自主开发的嵌入式运动控制 模块。 讲述系统各部分的硬件组成和软件结构。切割机应用程序运行在上位机的 w i n d o w sx p + r t x 系统平台上，在v i s u a ls t u d i 0 2 0 0 5 中开发此应用程序，利用 开发环境中m f c 工具编写用户界面进程，利用r t x 工具编写实时任务进程。 下位机嵌入式运动控制模块中，s t m 3 2 单片机为控制器，利用k e i l 3 0 软件编 写程序，控制外部电路。上下位机之间利用并口方式快速交换数据。 本论文中，着重讲述了上位机用户界面进程、实时任务进程的软件结构， g 代码解析、轨迹插补、增量式p i d 算法，共享内存方式的进程间通信，以及 嵌入式运动控制模块中，s t m 3 2f 1 0 3 v c t 6 单片机模拟增强型并口( e p p ) 通 信协议，a b 相正交编码计数器的用法，利用f o c ( 磁场导向) 矢量控制技术 控制伺服电机，电压s v p w m ( 空间矢量脉宽调制) 的数字实现方法等内容。 然后，在割矩调高章节中，简要地讲解了的直流伺服电机和电容式位移传感器 组成控制割矩升降的伺服系统的工作原理。 最后，对该嵌入式数控系统的性能进行了总结，并对软件和硬件框架优化 进行了分析和展望。 关键词：嵌入式数控系统，r t x ，s t m 3 2 f 1 0 3 v c t 6 ，共享内存， 增强型并口通信，磁场导向控制，空间矢量脉宽调制 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc n ct e c h n o l o g y , c n cf l a m ec u t t i n gm a c h i n e w i d e l ya p p l i e df o rc u t t i n ga n dw e l d i n gi nt h es t e e li n d u s t r y c n cf l a m ec u t t i n g m a c h i n eh a si m p o r t a n ti n f l u e n c eo nc u t t i n gp r e c i s i o na n de f f i c i e n c y p e o p l ed e m a n d i n c r e a s i n g l yh i g hp e r f o r m a n c eo nc n cs y s t e m s o f t w a r ea n dh a r d w a r ef o rc n c s y s t e ma r et h et w oi m p o r t a n tf a c t o r st ot h es y s t e mp e r f o r m a n c e h o wt ou s e h a r d w a r ea n ds o f t w a r ep l a t f o r mt od e v e l o pas t a b l ea n de f f i c i e n tc o n t r o ls y s t e mh a s b e c o m ear e s e a r c hf o c u s t h e r e f o r e ，t h i sp a p e rh a sb e e ns t u d i e do ns o f t w a r ea n d h a r d w a r ef o re m b e d d e dd i g i t a lc o n t r o ls y s t e m t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t si n c l u d e t h ef o l l o w i n g ： t h i sp a p e ra n a l y s i sd i f f e r e n tc n ca r c h i t e c t u r eo nl o w - e n d ，m i d r a n g ea n d h i g h - e n da n dd e s i g n sw i t he m b e d d e dc n cs y s t e m c h i cs y s t e mh a r d w a r es t r u c t u r e c o n s i s t so ft h eu p p e ra n dl o w e rm a c h i n e ，t h eu p p e ri sc o m p o s e do ft h ei n d u s t r i a l c o m p u t e r , t h el o w e ri sc o m p o s e do fm o t i o nc o n t r o lm o d u l eb a s e do ns i n g l e - c h i p m i c r o c o m p u t e r o fs t m 3 2 f10 3 r c t 6 i nt h ev i s u a ls t u d i 0 2 0 0 8 c o m p i l i n g e n v i r o n m e n t , c n cs y s t e mr u n so nt h ew i n d o w s + r t xp l a t f o r ma n dd e v e l o p s n o n r e a l - t i m et a s kp r o c e s sw i t hm f ct 0 0 1 t h ep r o c e s sm a n a g e sa p p l i c a t i o np r o g r a m i n t e r f a c e ，m o t i o nm o n i t o r i n ga n dd y n a m i cd i s p l a yo ft r a j e c t o r i e s w i t hm o d u l a r m u l t i - t h r e a d e dt a s k i n g ，r t xr e a l - t i m es u b s y s t e mt a s kp r o c e s sm o t i o n sc o n t r o l a l g o r i t h mf o rt h ep r o g r a mm a n a g e r ( t r a j e c t o r yi n t e r p o l a t i o na l g o r i t h m ) ，gc o d e a n a l y s i s ，c o l l e c t se n c o d e rf e e d b a c ks i g n a l ，c o n t r o l s i g n a lo u t p u ta n dp r o p o r t i o n a l i n t e g r a ld i f f e r e n t i a l ( p i d ) a l g o r i t h mr e a l - t i m et a s ka n ds oo n t h et w op r o c e s s e s t r a n s f e rd a t at h r o u g ht h es h a r e dm e m o r y t ol o w e rm a c h i n em o t i o nc o n t r o lm o d u l e ， s t m 3 2 f10 3 r c t 6l u l l si n t e r n a lp r o c e d u r e st op r o d u c ex ，ya x i sf r e q u e n c yt o c o n t r o ls e l v oa m p l i f i e ra n dd r i v es e r v om o t o r t h ee n h a n c e dp a r a l l e lp o r t ( e p p ) m o d ei m p l e m e n t sf a s tc o m m u n i c a t i o no nd a t ab e t w e e nt h eu p p e ra n dl o w e r m a c h i n e t h i sa r t i c l eh i g h l i g h t st h ef r a m e w o r ks t r u c t u r eo ft h et w op r o c e s s e sf o rt h e i i 武汉理工大学硕士学位论文 u p p e rm a c h i n es o f t w a r e ，d a t as h a r i n gi m p l e m e n t a t i o n sa sw e l la se n h a n c e dp a r a l l e l p o r tc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l sb e t w e e nt h eu p p e ra n dl o w e rm a c h i n e i ta l s o s u m m a r i z e ss o f t w a r ea l g o r i t h m so nt h ei n t e r p o l a t i o na l g o r i t h m ，gc o d ep a r s i n g a l g o r i t h m ，p i da l g o r i t h ma n ds oo n f i n a l l y , t h i sa r t i c l ed e b u g st h eo v e r a l ls y s t e mp e r f o r m a n c e ，a n a l y s i sa n do u t l o o k f o rt h es o f t w a r ef r a m e w o r ko p t i m i z a t i o n k e yw o r d s ：e m b e d d e dn cs y s t e m ，m f c ，s t m 3 2 f 10 3 v c t 6 ，s h a r e d m e m o r y , e p p , f o c ，s v p w m i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的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。尽我所知，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 武汉理工大学或其它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 明并表示了谢意。 签名：社日期：醐1 日 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、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电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) ( 捌：印一勇捌：网p 叫。午纠叼眇， 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 最近几年，以工业计算机为控制核心的数控系统在自动化控制中应用越来 越广泛。在机床控制领域，采用工业计算机为主体控制器，嵌入式系统为从控 制器，发展智能化的嵌入式数控系统，已成为国际研究的热点。由于工业计算 机朝着小型化，专业化的方向发展，性能不断的提高，而价格却大幅度降低， 这为嵌入式数控系统提供了较好的硬件基础。工业计算机与p c 机软件系统能兼 容，在p c 机上运行的某些工具软件，可以在工业计算机上直接安装使用。这样 不但增加了数控系统的辅助功能，而且提高了系统的整体性能，对产品的竞争 力起了极大的促进作用。同时，嵌入式系统由于其小巧，灵活，功能多样，方 便定制的特性，广泛应用于各种领域。将工业计算机作为主控制器，嵌入式单 片机作为辅助控制器，组成嵌入式数控系统，不但能发挥各自的优势和特点， 而且能够功能互补，有非常广泛的发展前景u 1 。 1 1 切割机嵌入式数控系统介绍 数控系统即数字控制系统( n u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m ) 的简称，早期是由 硬件电路构成，称为硬件数控( h a r dn u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) 。二十世纪七十年代以 后，随着计算机技术的发展，硬件电路元件逐步由专用的计算机代替，称为计 算机数控系统【2 j 。 计算机数控( c o m p u t e r i z e dn u m e r i c a lc o n t r o l ，简称c n c ) 系统是利用计算 机管理加工过程，实现数字化控制的系统。c n c 系统由数控软件、工业计算机、 可编程控制器、伺服驱动装置、执行机构、检测装置、信号转换电路、电源装 置等组成。c n c 系统按照计算机存储器中储存的控制程序，顺序循环执行系统 设置的任务。计算机配有接口电路，能与数据采集卡，运动控制卡，伺服驱动 装置等连接使用，扩展系统功能1 3 j 。 随着嵌入式技术迅速发展，嵌入式系统已经被广泛地应用于各行各业。将 嵌入式技术和数控技术结合起来产生了很多理论和应用成果。但是，随着机床 加工零件复杂程度越来越大，建立通用的嵌入式数控系统体系架构越来越迫切。 嵌入式数控系统体系结构要为各个模块提供集成规则和接口规范，通过这些集 武汉理工大学硕士学位论文 成规则和接口规范，不同的开发者能够构建出通用的模块。利用通用的模块和 通用的集成规则，可以构建不同的嵌入式数控系统。嵌入式数控体系结构能够 提高系统的灵活性、可靠性、安全性和开放性。美国国家技术标准化组织( n i s d 就致力于为各种机械控制系统建立一种参考体系结构。本文研究了嵌入式数控 系统的硬件体系结构和软件体系结构，并结合所做工作，介绍了火焰切割机嵌 入式数控系统体系结构的一种实例【4 】。 ( 1 ) 单片机( 主) + 单片机( 从) 利用一块5 1 系列单片机作为主控制器，处理用户窗口切换，运动轨迹图， 加工代码解析等任务，另一块5 1 单片机作为从控制器，管理实时任务，驱动步 进电机。两单片机间通过u a r t 方式进行通信。这是一种针对低端市场的火焰 切割机数控解决方案。由于单片机的资源有限，且运算速度较慢，所以不能做 复杂的图形处理，运行复杂的算法时花费的时间较多，不利于实时任务的控制。 因此，这种方案的数控系统比较低端，和手工方式结合使用，只能做些简单图 形切割任务。 ( 2 ) a r m 9 + a r m 7 a r m 9 内核的微控制器比普通单片机功能更强大，资源更丰富，可运行嵌 入式操作系统。上位机硬件由a r m 9 内核微控制器构成，利用l i n u x 操作系统 作为运行平台，开发火焰切割机数控系统应用软件。下位机由a r m 7 内核微控 制器组成，管理实时任务。双机之间利用u a r t 方式传输数据。这种方案的数控 系统属于中端系统，能处理相对较多的任务，但当运行太复杂的图形和算法时， 降低了系统的实时性。其次由于l i n u x 系统在国内市场上应用不是很普及，相 关的软件工具比较有限，人机界面的开发也相对比较麻烦。 ( 3 ) 工业计算机+ a r l v 单片机 利用工业计算机可以开发一套功能强大的高端火焰切割机数控系统。计算 机硬件资源丰富，支持各种操作系统。 w i n d o w s 系统应用非常广泛，有丰富的软件开发工具，运行其上的应用程 序能够做成很好的界面效果。因此，可以在工业计算机中安装w i n d o w s 操作系 统，运行数控系统应用软件，操作数控机床。但是，w i n d o w s 系统的实时性不 强，不能完全满足硬实时控制系统要求。针对这一问题，可以在其上安装一个 实时性子系统，r t x 扩展子系统。利用r t x 子系统管理电机运动控制、算法 处理等实时任务，w i n d o w s 系统处理界面操作、绘图等任务。同时，利用基于 2 武汉理工大学硕士学位论文 s t m 3 2 单片机的嵌入式系统作为运动控制模块，产生x 、y 轴方向s v p w m 频 率，驱动伺服电机。上下位机之间通过并口通信方式快速地传输数据。此方案 设计的是一套高端的火焰切割机数控系统，能完成各种图形的切割，建立零件 库，实现割缝补偿等复杂的功能。由于工业计算机功能非常强大，成本相对较 高。但是，利用单片机开发运动控制模块比现有的运动控制卡产品的成本要低 很多。所以，由计算机处理复杂的控制和算法，单片机分解运动指令，两者结 合组成嵌入式数控系统，整体成本上看，此套方案整体的性价比是非常具有竞 争优势的【5 1 。 1 2 课题研究背景和意义 在现代工业制造中，钢材应用非常普遍，如制造汽车、轮船、飞机，各种 机器等。传统的人工切割焊接技术，已经远远不能满足制造业的发展需求。人 工切割钢板不仅效率低下，而且对于一些复杂的图形，很难完成高精度的切割 要求。随着科技的进步，数控火焰切割机逐渐代替了传统的人工焊接，具有加 工精度高，安全可靠，方便操作等特点。火焰切割机是在传统的手工火焰焊接 中发展而来的，将机器定位代替手工制图，其切割原理是，利用气体燃烧生成 的火焰将钢材表面加热到熔点，形成液态，然后送入高流速、高纯度的氧气， 使钢板燃烧。同时，高压氧气吹掉熔渣，从而形成切口，将钢板割开1 6 j 。 1 9 6 1 年，世界上第一台数控火焰切割机由英国氧气公司研制成功。上世纪 八十年代初，随着改革开放的发展，国内各行各业对数控技术需要量增加，我 国先后从日本、美国、德国等国家，引进了部分数控设备及伺服系统等技术， 使国产数控机床的质量、性能和水平都有了一个新的提升。目前，国内市场上 的火焰切割数控系统既有国外的，也有国内的。国外如，美国海宝公司的e d g e 系统，美国c m c 公司的b u r n y 系统，德国伊萨公司的p t - 5 0 0 系统等。这些 数控系统功能非常强大，但价格比较昂贵，售后服务也很难跟进。国内生产的 火焰切割机数控系统既有基于单片机的经济适用型，也有基于工业计算机的中 档数控系统。如北京斯达微步控制技术有限公司生产的s h 2 0 0 0 h 型火焰切割 机数控系统，其采用i s a 总线工控机为主机，基于d o s 平台开发应用程序，能 实现自动点火，预热，穿孔，切割补偿，连线回退，恢复断点，动态图形显示， 切割图形的旋转、放大、缩小，自动调用基本零件库等功能。并与c a d c a m 及各种套料软件有良好的接1 2 1 【7 】。 武汉理工大学硕士学位论文 经过国内科研人员的不懈努力，我国的火焰切割机数控系统性能有了很大 的体高，但是，与国外的先进的数控技术相比，还存在一些不足之处。国内数 控系统主要采用d o s 操作系统为软件平台，不能充分发挥计算机的硬件和软件 资源特性，使得数控系统的功能受到了制约。而国外数控系统虽然功能强大， 但价格不菲，且关键技术由外国企业掌控，国内切割机生产厂家只能组装机械 部分，缺少企业核心竞争力。因为d o s 系统本身的资源有限，为了提高国内火 焰切割机数控系统的性能，研发一套基于w i n d o w s 操作系统的具有良好的用户 界面、方便用户操作的、功能强大的数控软硬件系统是十分有必要的，对发展 我国的工业数控水平有积极推进的作用1 8 】。 在数控系统中，精确的运动控制是重要的组成部分。有些火焰切割机数控 系统采用单片机控制步进电机方式，完成切割位移。但是，这种开环方式控制 的运动系统，位置精度低，且切割速度很难提高，一般用于低端火焰切割机数 控系统中。国内也有些公司采用国外先进的数字运动控制卡来控制火焰切割机 的运动。如：美国d e l t a 公司生产的p m a c 运动控制卡。虽然能较大提升数控 系统的性能，但是一个p m a c 卡需要上万元，这大大增加了数控系统的成本。 本文设计采用自主研发的基于a r m 内核m c u 的嵌入式运动控制模块作为运动 控制卡，性能可靠，且成本适宜。因此，开发这样一套具有高性价比嵌入式火 焰切割机数控系统对于实际应用有很重要的意义 9 1 。 1 3 课题来源及主要研究内容 目前，我国数控系统自主研发生产的公司逐渐增多，如华中数控等，虽然 取得了不少的成果，但是同国外同类研究相比尚有较大的差距。国内高档火焰 切割机生产厂家大多直接采用国外的全套数控系统，或者使用高档的运动控制 卡，这样成本比较高，价格也比较昂贵。国内采用的经济型运动控制卡的火焰 切割机数控系统主要基于d o s 系统平台，基于w i n d o w s 系统的切割机数控系 统国产不多见。因此，本论文选用工控机作为主控制系统硬件平台，切割机应 用程序运行在其安装的w i n d o w s 系统上，利用自主研发的s t m 3 2 嵌入式运动 控制模块控制伺服系统，构成了一套高性能、低成本的嵌入式火焰切割机数控 系统【1 0 1 。 对于较复杂的数控系统，一般采用主从双机模式，也即上位机加下位机模 式。上位机为主机，主要负责人机界面，算法运算等任务，下位机为从机，主 4 武汉理工大学硕士学位论文 要负责实时运动控制等任务。本论文讨论的数控系统，将工业计算机与嵌入式 单片机结合起来，构成嵌入式火焰切割机数控系统，对整个系统做了如下方面 的研究。 分析火焰切割机系统的功能要求，确定其硬件组成和软件结构，采用上下 位机形式的嵌入式数控系统。上位机即工业计算机，是系统的主控制模块，安 装w i n d o w s + r t x 操作系统运行切割机应用程序。在主控制模块部分中，主要 研究了主控制模块软件构架、各功能模块的程序结构以及用到的部分重要算法， 用流程图分析了各部分的编程思路。下位机是嵌入式运动控制模块。先分析控 制模块与控制对象的结构关系，然后分步研究每个功能模块的用途和工作原理， 包括s t m 3 2 单片机模拟增强型并口协议与上位机通信，单片机读取a b 相正 交编码位移信号和电流检测电路检测到的两相电流信号，利用磁场导向( f o c ) 矢量控制技术输出电压空间矢量脉宽调制( s v p w m ) 信号驱动交流电机，实 现电流环，速度环和位置环的三闭环伺服系统控制，最后，简要分析了气路电 磁阀和直流伺服调高系统的控制。 武汉理t 大学硕士学位论文 第2 章嵌入式数控系统总体设计 本系统分为三大组成部分：上位机、下位机以及执行机构。上位机即主控 制模块，由工业计算机等组成。火焰切割机应用程序运行在此之上，控制整个 系统的运行状态，是嵌入式数控系统的核心。下位机为基于s t m 3 2 单片机的运 动控制模块，管理运动对象。受控对象是执行机构，按照接收的信号特性执行 动作，并及时反馈执行效果。系统整体框架图如下： 图2 - 1火焰切割机嵌入式数控系统框架图 2 1 系统软件设计思路 切割机系统的控制任务由主控制模块和嵌入式运动控制模块配合完成。主 控制模块中，工业计算机的c p u 运算处理速度快，内存、外存资源丰富，故可 将复杂程度较高的运算放在上位机运行。下位机主控制器是s t m 3 2 f 1 0 3 v c t 6 单片机，其接口资源丰富，包含有定时器，增强型p w m 发生器，正交编码计 数器，a d 、d a 转换模块，外部中断模块，g p i o 等。对于复杂程度较小的运 算，单片机能快速的响应。因此，可将运算量较小，直接控制外围电路、驱动 电机等实时性要求最强的任务安排由s t m 3 2 单片机处理。这种建立在各自硬件 特点上的软件设计，能够最大程度的发挥系统的功效。主从控制模块之间利用 6 武汉理工大学硕上学位论文 并口通信方式，完成实时数据交换。 2 2 主控制模块功能设计 主控制模块的硬件部分由计算机设备组建而成，包括l c d ( 液晶显示器) 、 键盘、鼠标、工控机箱。系统上位机的硬件电路主要集中在工控机箱内，有c p u 、 主板、内存条、光驱、硬盘、外设接口等。这些设备为主控制模块提供了稳定 的硬件支持【1 1 】。 由于主控制模块中c p u 性能较高，运算处理速度快，内外存资源丰富，可 将系统中运算复杂，存储量大的任务放在上位机内执行。主控制模块的主要功 能有：处理数控程序代码，包括g 代码的编辑、拷贝、保存等；描绘用户界面 窗口；响应用户操作命令；监控系统运行状态；预显示切割图形；显示运动反 馈轨迹；解析g 代码；完成运动轨迹插补算法；执行位置p i d 运算；进程间通 信等。主控制模块的程序解析数控g 代码，获得x 、y 轴方向的运动增量，利 用计算机并口发送数据帧给嵌入式运动控制模块，并且，读取运动模块反馈的 电机运行信息并及时显示在界面上。用户操作切割机时，通过观察人机界面了 解到控制对象的运动位置、运行速度等信息，操作控制面板的启动停止、加 减速度、上下左右方向等按钮，调整机器运行状态，以达到理想的切割效果。 2 3 嵌入式运动控制模块功能设计 嵌入式运动控制模块按功能可划分为单片机最小系统、三相h 逆变桥电路、 电流检测电路、正交编码差分信号转换电路、i o 扩展板、割矩调高模块等。 s t m 3 2 f 1 0 3 v c t 6 单片机模拟并口通信协议，接收上位机发送的数据帧，提取 有效信息，包括运动位移增量和运行状态控制量等，同时以数据帧形式反馈控 制对象状态信息给上位机。嵌入式模块主要管理三套伺服系统：控制模块分别 与x 、y 轴方向的交流伺服电机、光栅编码器、电流检测电路构成两套伺服闭 环系统。单片机通过f o c 矢量控制方法，输出s v p w m 信号控制三相h 逆变 桥驱动交流伺服电机，并利用电流检测信号和编码器脉冲信号了解电机运行过 程；割矩调高部分里，控制模块与直流伺服电机、电容式位移传感器组成一个 伺服闭环系统。切割过程中割嘴与钢板之间的距离有一定的要求，若距离太大， 则火焰离钢板过远钢板加热温度不够，且高压氧气气流速度降低，钢板无法割 7 武汉理工大学硕士学位论文 断；若距离太小，则火焰不能充分燃烧，钢板没有溶化，也很难切割。所以必 须将割嘴保持在一定的高度范围内，且高度在机器开始切割图形前用户先确定 好。切割机开启后，运动轴先保持静止状态，割嘴点火，气体燃烧，调节割矩 高度，当割嘴与钢板之间的距离适当时预热的钢板开始溶化，打开高压氧气， 钢板被迅速割穿飞溅出火星，然后开启运动轴，机器开始切割图形。在图形切 割过程中，为使钢板充分割穿，可适当调节割矩移动速度d 2 。 2 4 控制对象功能分析 嵌入式运动控制模块的主要控制对象有交流伺服电机、直流伺服电机、控 制气路开关的电磁阀等。交流伺服电机受正弦电压控制，转矩脉动小，能够平 稳迅速的运行到指定位置，为了使系统运动能达到更好的效果，在伺服电机上 安装减速箱来降低电机转动速度，增大转动扭矩，使电机运行更加平稳。增量 式光栅编码器用于记录电机的位移量，实时反馈给控制单元，其能达到l u m 精 度，对于切割钢板图形来说，由于切割过程中钢板本身有热胀冷缩的特性，切 割尺寸会有微小变化，这种精度的测量能完全满足系统的要求。 直流伺服电机用来调节割矩高度，利用双极性p w m 控制电机的转速和方 向，经过机械齿轮与齿条的咬合将旋转步进转换成垂直位移，从而改变割嘴的 高度。电容式位移传感器灵敏度较高，当极板间距离发生变化时传感器的电容 相应改变，转换电路将电容变化量转化成电压变化量反馈给控制单元。 电磁阀主要用作协调控制低压氧气，高压氧气，燃气气路的通断以及电子 开关点火。当低压氧气和燃气开通后，打开电子开关进行点火，火焰燃烧后让 钢板预热一段时间，当钢板达到熔点溶化时，打开高压氧气电磁阀，高压氧气 迅速喷出，形成高温火焰气流，割穿钢板【1 3 1 。 8 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章主控制模块设计 3 1 模块的硬件与软件组成 主控制模块硬件采用研华科技公司生产的i p c 6 1 0 h 型工控机，外接1 7 ”飞 利浦液晶显示器和双飞燕键盘鼠标套件。工控机的中央处理器为i n t e l 双核 c p u ，在工控机上安装w i n d o w sx p 系统和r t x 扩展系统，一个内核运行 w i n d o w 8x p 操作系统，另一个内核运行r t x 实时扩展系统。 主控制模块软件主要由两大部分组成：用户界面进程和实时任务处理进程。 用户界面进程运行在w i n d o w sx p 操作系统上，实时任务进程运行在r t x 实时 系统上，当用户打开切割机系统应用程序后，用户界面进程首先开始运行，初 始化界面完成后，立即启动实时任务迸程。 用户界面进程 j 圈 实时任务进程 图3 1 主控制模块程序结构 3 2 用户界面程序设计 w i n d o w s 系统是一个基于事件消息( m e s s a g e ) 驱动的多进程图形窗口操 作系统，其应用程序是按照“事件一消息一处理”非顺序的机制循环运行。当 有某个事件( 如点击鼠标、敲击键盘等) 发生时，w i n d o w s 操作系统根据具体 的事件产生对应的消息，并将消息发送到指定应用程序的消息队列中，然后应 9 武汉理工大学硕十学位论文 用程序从消息队列中取出消息，并根据不同的消息进行不同的处理。其程序结 构如下【1 4 l ： w h i l e ( g e t m e s s a g e ( & m s g , n u l l ，0 ，o ) ) 循环接收消息 t r a n s l a t e m e s s a g e ( & m s g ) ； 将虚拟键消息转换为字符消息 d i s p a t c h m e s s a g e ( & m s g ) ； 分派消息到窗口 ) 在v i s u a ls t u d i 0 2 0 0 5 编程软件中，利用m f c 工具开发用户界面程序。v i s u a l s t u d i o2 0 0 5 是由m i c r o s o f t ( 微软) 公司推出的一套面向w i n d o w s 系统平台，功 能强大的完整的软件集成开发环境( i d e ) 1 1 5 1 。其中的d e b u g 工具，能够单步 执行、断点调试程序，即在编程的同时可以观察程序的运行结果，及时调整和 修改代码，大大缩短了应用程序的开发周期。m f c ，即微软基础类( m i c r o s o f t f o u n d a t i o nc l a s s e s ) ，是一种a p p l i c a t i o nf r a m e w o r k ( 应用程序框架) ，集成于 v i s u a ls t u d i o2 0 0 5 软件工具中。m f c 的程序中，隐藏了事件消息驱动框架，将 窗口属性、操作等函数提供给用户使用【1 6 1 。本设计利用m f c 的窗口、按钮、对 话框等资源编写主控制模块的前台人机界面程序，实时监控系统运行状态并分 析和处理控制对象反馈的相关数据。 根据执行功能的不同，主控模块用户界面程序可分为两大功能窗口：实时 监控窗口，数据处理窗口。人机界面软件结构框架如图3 2 所示。 凫户主荠匾 j 4l 宾时燃捌嬲 土j上 切 区 割 压参动 图 动数 状 故 数数数 形 轨修态障 据据据 预 迹改 监 报 日 分傈丑匕 日 窗 视 煞 析存日 业 不 业 窗不 口 不 口 图3 2 人机界面程序框架 1 0 武汉理工大学硕士学位论上 3 2 1 主界面窗口 主界面程序中，先执行界面初始化函数设置主界面的属性和外观，界面显 示完成后，调用r t x 进程创建函数： r t c r e a t e p r o e e s s ( n u l l 1 d ：l l r t x l k f i r e c u t e r r t s s ；n u l l n u l l f a l s e i o , n u l l n u l i 。& s i , & p f j j 。( d l i r t x l l | f i r e c u t e r r t s s 即r t x 实时任务程序保存的路径。) 创 建实时任务进程tq 。在打开火焰切割机应用程序进入用户主界面后，r t x 实时 任务进程随即启动运行。 用户主界面窗口中有三个按钮，分别对应进入实时控制窗口、数据处理窗 口和退出应用程序功能，如图3 - 3 所示。 ， t1“ 火焰”割机嵌 式故控系统 3 2 2 实时监控窗口 图3 - 3 主界面窗口 实时监控窗口为前台操作主要面板，由四个工作区构成( 如图3 4 ) ：图形 轨迹显示区、i 0 状态显示区、运行状态指示区、按钮操作区。用户在此界面下 操作时可以监测和控制切割机的运行过程，以便完成钢板切割任务。 武汉理：r 大学硕士学位论文 图3 5 切割图形和运动轨迹显示 武汉理工大学硕士学位论文 3 2 3 数据处理窗口 图形切割完成后，进入数据处理窗口可以浏览切割过程中的相关信息，并 能分析设定切割图形与实际切割图形的差别。如图3 - 6 所示，导出某个己切割 完成的图形窗口内用两种不同颜色表示指定运动图形和实际运行的反馈轨迹。 点击界面上的放大、缩小按钮，能方便直观的对比实际运动轨迹与指定运动曲 线的区别。界面的左边显示出切割过程中的相关设置参数以及运动轨迹的最大 跟随误差值。除此之外，点击“保存数据”按钮，能够备份已分析的数据和图 片，用于切割机用户了解和参考机器的工作记录。 图3 - 6 数据处理窗口 3 3 实时任务程序设计 3 3 1r t x 实时扩展系统 实时，即对响应时间有特定的要求。实时操作系统在工业自动控制中应用 非常广泛，其要求在规定的时间内完成某种任务，一般是为特定的应用设计的， 且任务数比较固定。实时操作系统有硬实时和软安时之分，硬实时要求在规定 的时间内必须完成操作，这是在操作系统设计时必须保证的；软实时则没有那 么严格，只要按照任务的优先级，尽可能快地完成任务即可”。w i n d o w sx p 是一个通用操作系统，线程优先级少，调度机制隐含不确定性，实时性不强， 譬= 口黧 武汉理工大学硕士学位论文 因此w i n d o w sx p 系统不能满足实时任务的要求。但是，w i n d o w sx p 系统具 有性能稳定，价格便宜，支持应用程序广泛，开发工具较多，界面美观，w i n 3 2 应用程序接口丰富等特点，在国内应用非常普遍，市场占有率较高1 1 8 】。 r t x ( r e a l t i m ee x t e n s i o n ，实时扩展系统) 是美国a r d e n c e 公司开发的基 于w i n d o w s 操作系统的实时解决方案，为目前w i n d o w $ 平台的唯一纯软件的硬 实时扩展子系统。r t x 不对w i n d o w s 系统进行任何封装或修改，其通过在h a l 层增加实时h a l 扩展来实现基于优先级的抢占式的实时任务管理和调度。r t x 实时子系统r t s s 的线程优先于所有w i n d o w s 线程，提供了对m q 、i o 、内存 的精确直接控制，以确保实时任务的1 0 0 可靠性。通过高速的i p c 通讯和同 步机制，r t x 方便地实现与w i n d o w s 之间的数据交换。r t x 的定时器时钟分 辨率为1 0 0 纳秒，最低定时器周期为1 0 0 微秒。r t x 同时支持实时以太网和实 时u s b 通讯。当工控机采用了i n t e l 的双核c p u ，一个核运行w i n d o w sx p 操 作系统，另一个核运行r t x 实时系统时，既能够利用w i n d o w sx p 系统的界面 良好、易操作性等优点，又能充分利用r t x 的实时性特点，是一个比较好的软 件解决方案【1 9 1 。 主控制模块的实时任务程序是基于r t x 系统开发的，在w i n d o w sx p 上安 装r t x 系统，安装完成后r t x 开发工具会自动添加到v i s u a l s t u d i 0 2 0 0 5 开发环 境中，这样就可以在v i s u a l s t u d i 0 2 0 0 5 中开发实时任务程序了。 3 3 2 软件设计思想 在主线程初始化变量完成后，创建一个新的线程，并在该线程中创建r t x 定时器，此线程即为定时线程。将每个功能处理封装成独立的函数，每个函数 包含入口变量和出口变量，定时线程按照功能的实现依照步序周期性循环调用 这些函数。 为了满足实时性要求，r t x 定时线程采用l m s 时间作为一个伺服周期，即 每隔l m s 周期性地执行固定的任务。一个伺服周期内的主要任务包括：先与用 户界面进程通信，读取操作面板的控制指令；接着与下位机并口通信，读取数 据帧并提取x 、y 轴方向电机位移量，电磁阀的开关状态等信息；然后进行g 代码解析，运动插补运算，p i d 运算等处理；再利用并口通信，按数据帧的格 式发送控制电机的位移增量和电磁阀的开关量等；最后将切割机运行状态信息 发送给用户界面进程，用于界面显示运行状态。主控模块实时任务软件流程图 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 如3 7 所示。 3 3 3 算法部分 实时任务进程 图3 7 主控模块实时任务软件流程图 ( 1 ) g 代码解析 g 代码是一种应用在数控加工中的程序指令，又叫g 指令。不同的指令表 示不同的意义。如：g 0 0 - 快速定位：g 0 1 ：直线插补；g 0 2 ：顺时针方向圆弧 插补；g 0 3 - 逆时针方向圆弧插补。g x x 后接数字，表示x 轴、y 轴方向移动 多少距离1 2 0 1 。 对程序代码进行译码主要有两种方式：静态编译和动态解析。静态编译指 编译器在程序执行前先翻译代码，提取有效信息以数据流形式储存起来，当程 序执行时，按照储存的信息依次执行。这种方式下，一般编译好的代码执行时 需要调入r a m 或f l a s h 中，这样在执行过程中c u p 访问数据需要的时间才 比较短，代码执行速度才比较快。如果编译后的代码较多时，所需要的存储空 间也比较大。动态解析指在代码执行的过程中，一边翻译一边执行。这种方式 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 对内存容量要求不高，适合解析代码比较多的情况。如果程序安排合理，逐行 解析再执行，响应的速度也能较快【2 1 1 。本系统设计时，考虑用户在切割复杂图 形时g 代码量较大，若采用静态编译方式将编译后的代码调入r a m 后，运行 时消耗较多的内存资源。虽然系统对实时性要求较高，但主要硬实时任务是插 补运算和位置p i d 控制，g 代码解析只要在插补运算前完成即可，即为运算准 备好数据，尽管越快越好。因此，考虑以上问题，决定采用动态解析方式执行 g 代码。 g 代码解析的程序设计思路是：利用面向对象方式，建立一个结构体，此 结构体作为一个临时数据缓存区。将g 代码文件从硬盘调入内存后，逐行翻译 指令得到运动形状信息( 如直线、顺弧、逆弧等) 、数据信息( 如坐标轴方向值 等) ，将信息写入到结构体的对应变量中。结构体定义如下： t y p e d e fs t m c t l a l y z e g l i n e i n ta l y l i n e n u m b e r ； 解析行号 i n ta s s c o d e ； 辅助功能字 d o u b l e x p o s ；目标点相对于机械原点的x 轴绝对坐标位置 d o u b l e y p o s ； 目标点相对于机械原点的y 轴绝对坐标位置 d o u b l e i p o s ；圆心相对于机械原点的x 轴绝对坐标位置 d o u b l e j p o s ； 圆心相对于机械原点的y 轴绝对坐标位置 d o u b l e o r g x p o s ； 当前点x 轴坐标位置 d o u b l e o r g y p o s ； 当前点y 轴坐标位置 d o u b l ed x p o s ；目标点相对当前点x 方向移动的相对位置 d o u b l e d y p o s ；目标点相对当前点y 方向移动的相对位置 d o u b l e d i p o s ； 圆心相对当前点x 方向移动的相对位置 d o u b l ed j p o s ；圆心相对当前点y 方向移动的相对位置 i n t g n u m ； g 指令序号，用于区别运动形状。 i n tm n u m ； m 指令序号 l o n gf f ； 给进速度 s t r u c t 。a n a l y z e g l i n e 幸p r e ； s t r u c t _ a n a l y z e g l i n e 幸n e x t ； a n a l y z eg l i n e 幸p ta n a l y z eg l i n e ； 1 6 武汉理工大学硕士学位论文