（机械制造及其自动化专业论文）基于开放式数控实验系统刀具磨损声振特性的研究.pdf

天津大学硕士论文 摘要 本文研究内容主要分两部分，开放式数控实验系统的开发和车削过程中 刀具磨损声、振特性的分析。 开放式数控系统，因其结构的开放性以及功能的可扩展性，正在成为数 控系统开发的发展方向。本文在研究了国内外开放式数控系统发展现状的基 础上，建立了基子w i n d o w s 开放式数控实验系统的基本框架，完成了数控 车床基本操作驱动程序模块的丌发，实现了数控车床的基本操作功能。 在建立的开放式数控实验系统的基本框架内，增加了结构动态分析功能 和在线信号采集分析功能模块，实现了车削加工过程中状态信号的在线采集 和分析功能，这种集车床控制与实时数据采集功能于一台计算机上的实验方 法，取得了良好的应用效果。本文还探讨和研究了多种信号分析的理论与方 法，及其在机械加工过程状态监测中的应用。 在大量切削试验的基础上，运用叫域、频域和时一频分析的方法，分析 了切削速度、切削深度、进给速度以及传感器的固定位置对刀具磨损声、振 信号的影响，从定性、定量两方面总结出了更具普遍性的规律，为在线监测 提f j i 了j ：心i 的依据。￥一一 天键洲：j i ：放j 数控系统，ji l 圳i ! i i j 状态， ，二，振信；， 数搠采袋。 天津大学硕士论文 a b s t r a c t t h ep r i m a r yc o n t e n t so ft h i st h e s i si n v o l v ei nt w oa s p e c t s ，o n ei st h e d e v e l o p m e n to f t h ee x p e r i m e n t a ln co p e ns y s t e m ，t h eo t h e ri st h ea n a l y s i so f n o i s e v i b r a t i o ns i g n a lo f t o o lw e a ri nt u r n i n g t h en co p e ns y s t e m 、i t l lo p e ns t r u c t u r ea n de x t e n s i b l ef u n c t i o n i sb e i n gt h e d e v e l o p i n gt r e n do f t h en cs y s t e m b a s e do na n a l y z i n gc u r r e n ts t a t eo f t h en co p e n s y s t e mi n s i d ea n do u t s i d e , t h eo a s k f r a m eo ft h en co p e ns y s t e mu n d e rt h e e n v i r o n m e n to ft h ew i n d o w so si sb u i l t ，m o r e o v e r , t h ed r i v i n gm o d u l eo fb a s i c o p e r a t i o no f t h en c l a t h ei sd e v e l o p e di nt h i sp a p e r m o d u l eo fs t r u c t u r a ld y n a m i ca n a l y s i sa n ds i g n a la c q u i s i t i o nh a sb e e na d d e dt o t h eb a s i cf r a m eo ft h en co p e ns y s t e ms oa st oa c h i e v eo n l i n ea c q u i s i t i o no ft h e s t a t u ss i g n a lo ft u r n i n gp r o c e s s t h em e t h o do fn cs y s t e mi n t e g r a t e dw i t hs i g n a l a c q u i s i t i o n i no n ep c ，g o tp e r f e c tr e s u l t s s o m et h e o r ya n dm e t h o d so fs i g n a l a n a l y s i sw i t ht h e i ra p p l i c a t i o ni nt h es t a t u sm o n i t o r i n go fm a c h i n i n gp r o c e s si sa l s o d i s c u s s e da n ds t u d i e di nt h i sp a p e r 。 o nt h eb a s i so fp l e n t yo fc u t t i n ge x p e r i m e n t s ，t h em e t h o do ft i m ed o m a i n ， f r e q u e n c yd o m a i na n dt i m e f r e q u e n c ya n a l y s i sa r ea p p l i e d t h ei n f l u e n c eo fc u t t i n g s p e e d 、c u td e p t h 、f e e ds p e e da n dt h ep o s i t i o no f s e n s o r s o nt h es o u n d 、v i b r a t i o n s i g n a lo ft o o lw e a ri sa n a l y z e di nt h i sp a p e r m a n yu n i v e r s a ll a w sf r o mt w oa s p e c t s o nc h a r a c t e r i s t i c sa n dq u a n t i t y , w h i c hp r o v i d e dc r e d i b l ee v i d e n c ef o rt h eo n l i n e m o n i t o r i n g ，i ss u m m e du p i ( e y w o r d s ：t h e n c o p e ns y s t e m ；c u t t i n g t o o l s t a t e s ；n o i s e & v i b r a t i o n s i g n a l ：d a t aa c q u i s i t i o n 天津大学硕士论文 i i 课题的提出及其意义 第一章绪论 在现代机械制造工业中，切削加工是将金属毛坯加工成具有一定尺寸、形 状和精度的零件的主要方法，尤其是在加工精密零件时，目前主要是依靠切削 触工来达到所需的加工精度和表面粗糙度，所以，金属切削机床是身旺机械零 件的主要设备。有资料显示，它所担负的工作量，在一般情况下约占机械制造 量的40 一60 ，因此，它的先进程度直接影响到机械制造业的产品质量 和劳动生产率。 随着工业现代化水平的不断提高，数控机床、加工中心、柔性制造系统等 先进生产设备越来越普及，这些先进的生产设备，其发展趋势在于控制系统不 断模块化、智能化和自动化。与此同时，巨大的先期投入要求设备使用厂家必 须保证其尽可能高的利用率，大的用户如汽车工业，有些机床的利用率要求达 到95 或更高。但是，由于工艺故障或机器故障的频频发生，从而直接影响 到机床的利用率以及工件质量，经常出现的故障有刀具的磨损与折断以及过程 的不稳定性。例如，不可避免的刀具磨损，在刀具磨钝之前能正常使用，但在 超过磨钝标准之后继续使用，往往会出现问题，轻者造成加工工件质量下降， 重者导致工件报废，在极端情况下甚至可以损坏某些机械零件。由于这些原因， 一方面需要提高工艺过程的可靠性，另一方面要能可靠而又快速地发现所出现 的故障。 通过机床操作者自己直接监督加工过程，对于现代机床来说，如果没有附 加的传感器装置已不可能或很困难，因为这些高生产率的加工设备由于工艺环 境比较恶劣，如排屑或冷却润滑液等，另外也由于安全原因常采取全封闭的结 构形式。 今天的切削加工常采用很高的加工速度，也使得操作者几乎不可能对突发 故障作出及时的反应，此外，山r 进行多机床操作和无人生产，操作或豁督人 员经常不能处于故障现场，因此，对切削系统进行状念检测和故障诊断就赢得 尤为重要。 传统的数控系统是不) 1 ：放的，因此，爱为一台数控机床i i ：状态检测和救 障诊断功能，首先，过程实现比较复杂；它不但需要另外台配备数撕实嘲采 集模块和信号分析及故障珍断模块的计算机，而! j l 还要与数控系统通讯以实现 天津大学硕士论文 数据交换。此外，由于现在计算机技术的突飞猛进，c p u 的处理速度不断升级， 功能也越来越强，故而不可避免地造成巨大的资源浪费。 按 e e e 定义：“开放式数控系统应提供这样的能力：来自不同卖主的种 种平台上运行的应用都能够在系统上完全实现，并能和其他系统应用进行互操 作，且具有一致性的用户界面。”因此由定义可知，开放式数控系统是一个模 块化的体系结构，由系统平台和面向应用的功能模块所构成，因此为基于开放 式数控试验系统增加在线检测模块创造了有利条件。 1 2 刀具磨损在线检测的研究现状及发展趋势 在线检测刀具磨损的方法很多，单从监测信号的拾取上粗略可分为以下几 种： ( 1 )功率( 电流) 信号监测 ( 2 )切削力信号监测 ( 3 )声、振信号监测 ( 4 )声发射( a e ) 信号监测 以上几种方法或单独使用或综合使用，在决策方面，使用不同的理论，效 果各有千秋。 清华大学鲁笑颖硎等在进行车削中心刀具磨破损的监控研究中，以主轴切 削电源作为监控参量，采用自学习法进行监控。该方法将样件的切削过程参量 记录下来作为监控门限，此监控门限跟随切削过程中的切削参量( 切削用量， 刀具材料等) 变化而变化，故避开了监控门限受切削参量变化的影响。 以往用主轴电机切削功率或电源进行刀具监控研究中，都是从电机的电压、 电源特征方面入手，制作能够反映电机机电特征的功率或电源传感器，供监控 时获取功率或电源信号使用。目前的数控机床和加工中心的主轴电机都是伺服 电机，丽伺服系统电源环的反馈量反映了主轴电机在切削过程所要求的驱动电 源，以此怍为监控参量的信号，节省了传感器的制作，提高了传感器的可靠性。 辩】自学二j 方法进行刀具切削状念监控，就是先用新j 加i 二标准工件，记录 髑l 一1台学二j 矗法进 j ，j 具氍托的过段，j ：遗瑚 天津大学硕士论文 这一过程的监控参量数据，以后加工过程都用这一数据比较，如果出现超差， 就说明出现磨损或破损，从而实现监控。用自学习方法进行刀具切削状态监控 主要包括两个过程( 图1 1 ) 。 ( 1 )用新刀加工标准工件，记录这个过程的监控参量数据。将此数据作 为以后比较的标准( 标准数据) 。该过程为自学习过程。 ( 2 )将实际加工中实时采集的监控参量数据与标准数据进行比较，依据 比较结果作出刀具是否发生了磨损、破损的判断，这个过程为实时监控过程。 用这种方法进行刀具磨损监控，根据不同加工要求设置不同门限值。磨损 最小分辨率为v b - - 0 1 m m 。 文献【3 1 对稳定切削过程的刀具磨损进行了深入研究，并且对刀架系统进行 了模态分析，实验中选用振动加速度传感器和力传感器来分别获取刀尖的振动 信号和相应方向上切削力信号，发现在刀具切削过程中刀具某一模态的振动信 号和切削力信号很有规律。于是构建了刀具的磨损指标( w 1 ) 。 聊= 驾笺薷黼 通过针对不同的工件材料，刀 具硬度，切削深度，进给速度和切 削速度进行大量的切削实验，分别 就不同情况下平均磨损量v b 与w 1 关系制成图表柬总结监测规律，发 现w i 值不受切削过程变量的影响， 只受工件硬度的影响，并且阐述了 形成这种方法的试验工作及理论基 础。文中制定了刀具磨损的在线检 测方案( 图l 一2 ) 。并进行验证， 结果表明该系统用于检测刀具磨损 量v b 精度达到士o 0 0 5 m m 。在某些 范围内置信度达到9 5 。效果, f l 当 不错。 天津大学硕士论文 吉林大学的吴博达、于骏一等人针对铣削加工系统中的颤振特点，利用随 机包容原理，在铣床上建立一套铣削加工系统，实验装置如图1 3 所示，振动 信号由装在工件下部及主轴端部的压电式加速度传感器拾取。经过电荷放大器 放大、低通滤波器滤波，再通过a d 进入计算机，进行振动信号的采样及实时 计算切削参数的值，并将其结果与事先设定的门值比较，将控制指令传达给控 制系统。 传感器 图1 - 3铣床监测实验装置图 东南大学钟秉林，黄仁 4 1 利用刀杆下振动传感器获取豹信号进行分析，选 用统计特征量方差石2 与一步自相关系数p ，构成二维模式平面，其聚类型较好， 可以表达不同磨损情况下信号能量的分布状态；并且初期磨损区的模式点和正 常磨损区的模式点基本上是属于一个聚类域。另一方面，这两个特征量由原始 样本直接得到，实时性较好，以此构造出的监测模式，计算快速，且准确率也 相当高。在实验给定的情况下，的确是一种较成功的模式。 声发射( a c o u s t i ce m i s s i o n - - a e ) 方法是近年来发展起来的最有前途的 监测方法之一。由于它监测的是刀具磨损和破损时产尘的高频弹性应力波信号， 避刃= 了加工过程中振动和音频噪声污染严重的低频区，在所感兴趣的范围内灵 敏度较高，抗干扰能力强，因而，在刀具切肖状态的监测特别是刀具破损的监 测中得到广泛应用。 北京理工大学杨大勇俐，成功地将a e 方法用于刀具破损的监测上。由于声 发射信号在接触面处传播时损耗很大，一般要求将传感器安装在 ：作台或刀杆 上，这就带来了信号传输和传感器安装难的问题。针对这一问题，文鸯作者在 深入研究了金属材料问的摩擦和磨损声发射的机理，声发射波传播和衰减规律 的基础_ i 二，分别研制了一种利用液体介质传递刀具切削状忿信息的新型：昨表面 接触式声发射传感器和一种空气传导声发射传感嚣，并将两种传感器合二为， 以适应多变的工况。 盎信号处理上，利用束自传感器的a f 信号经过放大，高通滤波取包络历 进行阂值比较。文中采j 1 l 了双阐谴判别法，即先对卢发时信号的包络进乱懈值 天津大学硕士论文 比较，当包络信号超过某设定阈值时，开始进行脉宽比较，当脉宽超过另一设 定闽值时，认为出现刀具破损的异常状态，停机报警。图1 - 4 所示为刀具破损 的a e 信号处理框图。 图1 - 4声发射信号处理框图 该实验用于刀具破损实时监控，经过多次实验，证明其稳定可靠。目前正 在长春f m s 实验中心使用。 哈尔滨工业大学1 6 l 在对车削中心的刀具实时检测中，利用了两种传感器一 声发射传感器和霍尔电流传感器进行监控，既可以互相弥补各自的不敏感区， 扩大监控范围，减少漏报，又可以以多特征的形式综合诊断同一故障状态，提 高监控可靠性，减少误报。 该系统用声发射传感器检测刀具破损，用霍尔电源传感器来监控主电机和 进给电机电流，以间接得到瞬时切削力，切削力矩的大小。在监控策略上，该 系统采用了基于故障树的专家系统进行监控。充分利用两传感器的融合信息进 行决策，具有检测准确率高，适用面广的特点。 w a s e h l d e se 等人将声发射技术用于车削刀具的磨损监测f 7 l ，选择信号的平 均幅值( a s l ) 均方根值( r m s ) 以及峰值因子( c ) 作为监测参数，通过改变 ：件材料，切削用量参数等进 j ：大量的切削实验，用以找出监测参数与刀具磨 损的关系。 实验表明平均幅值( 爿脱) 和峰值因子比率( ( 搬。) ( c 。代表新刀峰值因 子) 为敏感参数，对其同相应的刀具磨损进行研究，并针对不同的刀具磨损找 出一些规律，但是结果表明单靠这些参数来监测刀具磨损还不够。因为它只对 车川的后月面磨损监铡效果显著丽对前刀面月牙沣磨损效粜不好。即不能监测 所有类型的4 ：削刀具磨损。 综上所述，声发射( a e ) 方法用于监测列具破损，效果明显。而对j 二刀具 磨损，效果欠佳。另外，由于7 j 具破损现象能够通过选择台理的切削刀具及跏 削用暹求避免。因此，这神情况在本论文中不予考虑。 机械状态监测t ；故障诊断系统是一个以汁算机、信；： 处理、人一f ：智能等学 科为臧破的机电体化嬖成系统。虢整体系统新占，1 i m 二朝蒋分伽式结构及 刚络化力阳发腱。这样可实现信息苁莹，提高系统的”j 璇r i ：，便j 二实现系统的 天津大学硕士论文 监测。在系统硬件方面，正朝着功能组件模块化、部件智能化、规范化以及提 高扩展性和兼容性方面发展。而在软件方面则正在向软件功能模块化、智能化 和开放式的软件接口方面等发展j 8 】。在诊断方法方面，除了传统的谱分析、时 域分析和模式识别外，利用声发射技术，时间序列方法，小波分析，分形几何， 多参数融合技术以及神经网络和专家系统等进行状态监测和故障诊断都是目前 研究的重点。 1 3 论文主要内容： 1 建立了基于w i n d o w s 的开放式数控实验系统的基本框架，并且以 w i n d o w s 系统为平台，进行模块化设计，开发了数控车床的基本操作驱动程 序，实现了数控车床的基本操作功能。 2 在开放式数控系统的基本框架内，增加了模态分析系统和动态信号采集 系统，实现了车削加工过程中声、振信号的在线采集和分析功能。 3 对于小波、小波包分析在刀具磨损的声、振信号监测方面的应用进行了 有益的探索。 4 通过大量的试验，在对刀具磨损的声、振信号进行分析的基础上，多方 面总结了规律，为在线检测提供可靠的依据。 天津大学硕士论文 第二章开放式数控实验系统的设计 2 1 引言 本课题是国家自然科学基金资助项目：复杂机械制造系统智能动态辨识与 状态预测的理论与方法的一部分。此基金资助项目的研究内容为通过研究复杂 机械制造系统在加工状态下的故障机理和故障特征信息，应用各种手段进行模 式识别，提取故障特征，进而构建多故障源智能辨识与状态预测技术。本课题 首先建立一套基于p c 的开放式数控系统，并在此基础上增加数据采集分析模 块，通过数据采集卡采集加工过程中的信息，并予以分析，实现加工过程的状 态监测和故障诊断。 为达到此目标，首先必须实时获取切削信息，故要求数控系统具有数据采 集并进行处理的能力，但是目前一般的数控系统都是基于封闭式的，不能满足 此要求。所以我们通过对原有的c 6 1 6 机床进行改造，在其基础上开发了开放 式数控系统。通过此系统采集切削时的声振信号，进而了解其状态信息，从而 为状态监测链供基础。 2 2 基于w i n d o w s 的开放式数控实验系统 2 2 1国内外开放式数控系统的发展现状及其趋势 随着科学技术的飞速发展，机械制造技术发生了深刻的变化。传统的普通 加工设备已难以适应市场对产品多样化的要求，难以适应市场竞争的高效率、 高质量的要求。而以数控技术为核心的现代制造技术，以微电子技术为基础， 将传统的机械制造技术与现代控制技术，传感检测技术，信息处理技术以及网 络通讯技术有机地结合在一起，构成高度信息化，高度柔性，高度自动化的制 造系统。f 9 但是，由于采用封闭式专用系统具有不同的软硬件模块、不同的编程语言 和入机界面、多种实时操作系统、非标准化接口等，不仅给甩户带i 束了使用上 的复杂性，也给车问物流层的集成带来了很多困难。为解决封闭式体系的结构 数控系统所存在的问题，近年来，西方各工业发达国家相继提出了向规范化、 标准化的方向发展，设计刀：放性体系结构数控系统的问题。如美圈1 9 8 7 年提 出的n g c 计划、珂本和歇洲在9 0 年代初提出的o s e c 及o s a c a 汁划【l “。 一个开放体系结构的系统必须是： 以分布式控制的原则，采用系统、于系统、和模块分级式的控制结构。 其结构应浚是可移植的和透明的。 天津大学硕士论文 根据需要可实现重构、编辑，以便实现一个系统多个用途。即可实现 c n c ，p l c 、r c ( r o h o tc o n t r 0 1 ) 和c c ( c e l lc o n t r 0 1 ) 等在内的控制 功能。 开放式体系结构中各模块相互独立，在此平台上，系统生产厂、机床 厂及最终用户都可很容易地把一些专用功能和其他有个性的模块加入 其中。进行系统开发设计时，允许各模块进行独立开发，为此要有方 便的支撑工具，控制程序设计按系统子系统模块3 级进行， 各模块接口协议应明确。 要具有一种较好的通信和接口协议，以便各相对独立的功能模块通过 通信实现信息交换，通过信息交换满足实时控制要求。通过初始化系 统设置实现功能分配。只有这样才能保证机床厂、用户厂对系统做补 充、扩展、裁减甚至是修改。 以上可概括为模块的透明性、独立性、可维护性、可再生性、可扩展性。 下一代工作站机床控制器( n g c ，t h en e x tg e n e r a t i o nw o r k - s t a t i o n m a c h i n e c o n t r o l l e r ) 计划来源于1 9 8 7 年美国总统里根签署的一项命令，旨在推动美国 工业界形成一个广泛的伙伴关系，以利于同国外竞争。 n g c 是一个实时加工控制器和工作站控制器，要求适用于各类机床的c n c 控制和周边装置的过程控制，包括切削加工( 钻、铣、磨) 、非切削加工( 电 加工、等离子弧、激光等) 、测量及装配、复合加工等。 n g c 与传统c n c 的显著差别是基于“开放式体系结构”。其首要目标是 开发“开放式系统体系结构标准规范s o s a s ( s p e c i f i c a t i o n f o ra no p e ns y s t e m a r c h i t e c t u r es t a n d a r d ) ”，用来管理工作站和机床控制器的设计和结构组织。n g c 计划已于1 9 9 4 年完成了原型研究，并已转入工业开发应用。例如d e l t at a u 公司利用n g c 和o m a c 等协议，采用p c 机和p m a c 控制卡构成的p m a c 丌放式c n c 系统，获得了良好的应用效果。p m a c 全称v 编程多轴控制器 ( 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 ) ，使用d s p 5 6 0 0 2 为c p u ，p m a c 卡与 p c 机之l 、b j 有双端翻、总线、串口、中断等信息交换方法，p m a c 卡还提供了 基于w i n d o w s 丰富的人机界面、输入输i 接口( 模拟量输入、i o 扩展、位 臀反馈) 、p l c 能力、故障监控、电机控制接口，能实现交、直流电机的闭环 位胃控制。1 自动化系统：_ i 开放式体系结构o s a c a ( o p e ns y s t e m a r c h i t e c t u r ef o r c o n t r o lw i t h i na u t o m a t i o ns y s t e m s ) ； 划足1 9 9 0 年出德围、法固、瑞l ：等瞅 共体目家的系统制造j 、讥j 【奉：翩造7 一嚣 手4 研联台发起的。o s a c a 计划是针对 欧盟的机床手从量大的通用机床向量小的专用机床发展，而通用c n c 系统的 天津大学硕士论文 大部分功能对专用的机床冗余。却不具各专用机床所需的特殊功能这一现实提 出的。其目标是开发出开放性的c n c 系统，允许机床厂对系统做修改、补充、 扩展、裁剪来适应不同用户的需要。 o s a c a 数控平台由硬件和软件组成，包括操作系统、通讯系统、系统设 定、图形服务器和数据库系统等。系统平台通过a p i ( a 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 ) 与具体应用模块a o ( a r c h i t e c t u r eo b j e c t ) 发生关系。 日本的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 u o l l e r ) 计划是在国际机 器人和工厂自动化研究5 如心i r o f a ( i n t e r n a t i o n a lr o b o t i c sa n df a c t o r y a u t o m a t i o nc e n t e r ) 建立的开放式数控委员会倡导下，由3 个机床厂、1 个系 统厂和2 个信息公司发起的。其目的是开发基于p c 平台的，具有高性能价格 比的开放式体系结构的新一代数控系统。 o s e c 采用了3 层功能结构，即应用层、控制层和驱动层，这种结构实现 了零件造型、工艺规划( 加工顺序、刀具轨迹、切削条件) 、机床控制原理( 程 序解释、操作模块控制、智能处理等) 、刀具轨迹控制、顺序控制轴控制等。 它定义了一种新的n c 数据表示法f a d l ( 工厂自动化描述语言) ，该语言具 有能面向对象设计、能表征曲线形状等优点，具有广泛的覆盖性。i l 7 i 国内的数控机床发展较晚，经1 9 8 l 1 9 8 5 年的技术引进，1 9 8 6 - - 1 9 9 0 年 的消化吸收和1 9 9 1 - - 1 9 9 5 年开发自主版权的数控系统3 个阶段的发展，开发 了具有自主版权的基本系统：中华i 型，航天i 型，蓝天i 型，华中i 型。其 都是以p c 机为基础的总线式、模块化、开放型单处理器平台和多处理器平台。 其中以华中i 型数控系统最为突出。华中i 型数控系统解决了长期困扰我国数控 技术发展的主要关键问题提出了以“软”代“硬”，扬长避短的技术路线， 基于p c 和体系开放的n c 平台，其s d i 轨迹插朴技术处于国际领先地位，高 精度高速度交流伺服系统町达0 1a m ，2 4 m r a i n 。 华中i 型数控系统是中围自主版权的，r 放式数控系统，它的丌放性体现在： 向来来技术i i ：放； 标准化的入机界面和编程语言，方便厢户使用： 向用户特殊要求开放： 南京四丌电子企业有限公司和清华大学j i ：发s k y 数控系统足在通用微机 甲台上) 下发3 2 位c p u 为控制核心的全| = i 环，驱动荤元聚用全数字式交流伺服 电机( r | 本进口) 。：1 7 科院沈剐订算技术研究所基j 二丌放式结构的高性能数控 系统，他足将标准i p c 和蓝天多微处理机系统通过总线数搬通信模块 。d a r - a c o m m ) 桥接起采形成的“双总线”结构两安交通犬学，抑梅等研 制出血轴? 1 联动数 空系统的样机，以p c 机为核心，多处理器结构、各处理器 天津大学硕士论文 并行工作，软件的工作被分散到各级处理器，大大提高了系统的速度。 由当今国内外数控机床发展现状来看，其发展趋势会继续向开放式、基于 p c 的方向发展，向高速化和高精度化发展，向智能化方向发展，随着人工智 能在计算机领域的不断渗透和发展，数控系统的智能化程度将不断提高，应用 自适应控制技术，引入故障诊断专家系统指导加工过程，使数控系统能检测过 程中一些重要信息，并自动调整系统的有关参数，达到改进系统运行状态的目 的。 1 2 1 2 2 2 基于w i n d o w s 的开放式数控实验系统瞄l i 当数控机床进入分布式控制( d n c ) 和柔性制造系统( f m s ) 环境，甚至要求 与c a d c a p p c a m 等共同信息系统通信后。原有的以单机服务为对象的c n c 装置就显得不够用了，新的环境要求c n c 装置进一步向开放式数控系统转化。 开放式体系结构普遍采用模块化、层次化的结构，并通过各种形式向外提 供统一的应用程序接口，具有可移植性、可扩展性、互操作性和可缩放性等特 点，即系统组成的内部开放化和系统组成各部件之间的开放化。 开放式c n c 的产生源于微机系统技术的发展，在p c 系统中，作为主流 操作系统之一的m s d o s 提供了一个实时性很强的操作平台，而且微软正着 手将w i n d o w sc e 操作系统转变为实时操作系统。目前，以微软视窗为突出代 表的图形用户接口g u i 标准已经到来，并将逐步取代d o s ，使操作方法与软 件开发过程发生变化。图2 1 是典型的基于工业p c 的开放式数控系统框图。 陂型! 二 i 外存 阿吼 幽型鲑i 副c 盯 “1 接 键盘 c p u 广一呻1 操作面板l j ；二二= 嚣h 嚣 下= 二= l 叫主轴单元r 位笸单u 伺服 元接f i 啦元 通讯口 嘲络k 蹦2 一培十 业p c 的开放式数拄系统挂蚓 甚于以 思想，并结予具体实验设备及条纠，我们在踉有的c 6 1 6 机床的 琏础：进行数控改造，并， ：发了基卜j j 业p c 的j ：放式数控实验系统。箕原理 o 鬯篱 侉乱u一主一 一 天津大学硕士论文 框图见2 2 。 ( 1 p uj 存储器l键盘、显示器接口j 信号采集 ：?j _ ，一 f 系统总垒 巨白南钾萋u i 与故障诊i 篙嚣i 嘲肉l 嚣l 兀 断模块i 囤2 - 2 开放式数控实验系统框图 开放式数控实验系统软件见图2 3 幽2 - 3坪艘，数控实验系统轼群赶l 赳 天津大学硕士论文 ( 1 )开放式数控系统控制卡 上位机( 工业p c ) 通过控制软件对电机控制卡进行读写操作，并向控制 卡发出位移、速度、加速度等命令。步进电机控制卡根据上位机的位置命令值 产生脉冲信号，该信号用来控制步进驱动单元。步进驱动单元根据电机命令信 号产生驱动电流，对步进电机进行调速。步进电机控制框图见2 - 4 。 此卡性能指标：p c a t i s a 总线；i ，o 地址拨段开关可选：硬件中断源跳 线可选。板内四倍频，3 2 b i t 位置寄存器。运动控制：梯形包络线，速度曲线， 直线、圆弧插补。 缯2 4 步进电机控制框l 氅! ( 2 ) 开放式数控系统数据采集卡 此卡选用i n t e l 公司的8 0 c , 1 9 6 单片机，主频速度可达2 0 3 4 h z 。该卡可以 分为三个部分，第一部分是i s a 总线接1 3 ，第二部分是从机数据采集系统，第 三部分是主机与从机之闯的通信与逻辑。第一部分是用于浚板在i s a 总线上的 寻址、数攒传送、中断信号选定等功能；第二部分是该板的核心，负责进行模 拟信号的数拟采集，主要由接头、模拟多路丌关、仪器缓冲放大器、模数转换 器、光电隔离i 色路等组成：第三部分是接口逻辑，主要包辐叔口r a m ，实现： 机与从机之间的通信联系，负责整个系统的逻辑管理。该卡特点是：由于具有 从c p u ，由它负责 o 采样过程的管理，并完成数据预处理工f 管，独立完成子 种模拟量的数据采集，并与p c 机以双jr a m 方式传递数掘。圈! 一j 为此卡_ 的 原理框阁。 天津大学硕士论文 图2 - 58 0 c 1 9 6 动态数据采集卡原理框图 此卡主要任务是实时检测加工状态，采集切削信息。它采用双口r a m 方式 完成该卡与p c 总线主c p u 问数据传递，当该卡8 0 c 1 9 6 单片机依程序方式采样 数据后，将其存入卡内8 k br a m 中，当p c 总线主c p u 需读取该r a m 数据时， 只需执行逻辑控制指令后，即可将该r a m 地址区切换( 嵌入) 至主c p u 地址空 间，因而可方便地读取所存储的数据，主c p u 为此所需设定的接口地址，可以 通过卡上地址月：关灵活组态，以免与其它口地址冲突，段地址宇问也可通过卡 上地址丌关改变地址编码，以便该卡r a m 地址空间与其它地址空剐合理分配。 该卡双向存取数据的功能是由逻辑控制电路所实现，它主要包括进行地址线切 换的7 4 h c t 2 5 7 和数据线切换的7 4 h c t 2 4 5 以及其它逻辑电路，该卡须利用主c p u 中p c 总线的i o c h r d y 信号的判断决定r a m 的切换与否。当此卡内部的8 0 c 1 9 6 占用双口r a m 时，主c p u 向i o 口弓数据使i o c h r d y 线拉为低电平；当此卡内 部的8 0 c 1 9 6 不占用双口r a m 时主c p u 向i o 口写数掘使 o c h r d y 线保持高 阻状态，将双口r 心切换到自己的寻址范阐，进行读写。 ( 3 ) 基于w l n d o w s 的开放式数控系统 当l 谢图内的许多c n c 生产j 一家的c n c 系统基本上是采用基于p c 的系统 例如华中数控有限公司。但是，过去都是以d o s 操作系统为琏础，配以棚应 的多任务调度系统和软件功能模块。这样，p c 机的潜力禾充分发挥，系统的 功能和尖活性受到限制l ”l 。而w i n d o w s9 5 nr 具：f f 操作界面友好粒序，l ：发 栩对容易、厅发程序可移植性好等优点，1 4 时具有商精度的实时蛹臆特性和抢 天津大学硕士论文 占式多任务调度机制，因此在w h a d o w s9 5 n t 下开发实时多任务系统具有天 然的优势。国外的一些公司已推出基于w i n d o w s 平台的c n c 系统，如日本的 f a n u c 公司，1 9 9 7 年下半年推出了基于w i n d o w s 9 5 的c n c 系统。所以开发 基于w i n d o w s 平台的c n c 系统已成为当今c n c 系统发展的必然趋势【1 4 】。 c n c 是一个专用的实时多任务操作系统，它的系统程序包括管理和控制 两大任务。系统的管理包括通信、显示、诊断、零件程序的输入输出以及人机 界面管理( 参数设置、程序编辑、文件管理等) ，这类程序实时性要求不高： 系统的控制包括译码、刀具补偿、速度处理、插补、泣置控制、开关量i o 控 制等，这类程序完成实时性很强的控制任务。 实时系统通常分为硬实时( h a r dr e a lt i m e ) 系统和软实时( s o f tr e a lt i m e ) 系统，前者意味着存在必须满足的时间限制；后者意味着偶尔超过时间限制是 可以容忍的。实时系统要响应的事件进一步分为周期性( 每隔一段固定的时间 发生) 和非周期性( 在不可预测的时问发生) 。一个系统可能必须响应多个周 期的事件流。根据每个事件需要多长的处理时间。系统可能根本来不及处理所 有事件。例如，有m 个周期性事件，事件i 的周期为p ，其中每个事件需要 e 秒的c p u 时问来处理。则只有满足以下条件： 薯詈- 数控系统的基本功能是由上述功能子程序事项组成的。功能增加，予程序 就增加。在多数情况下，c n c 要完成数控加工，必须同时进行几个任务的处 理，即所谓的并行处理。例如，为使操作人员能及时了解c n c 系统的工作状 态，软件中的显示模块必须与控制软件闷时执行：当c n c 工作在加工万氏耵， 为保证加工的连续性，即刀具在程序段问不停刀，译码、数据处理模块必须与 插补、位鼹控制程序尉时进行。在单c p u 的c n c 系统中，般采用分时共享 的原则束解决多任务的同时进行。在使用分时共享并行处理的计算机系统中， 旨先要解决的问题是各任务占用c p u 时问的分配原则，这罩有两疗丽的含义： 其一是各任务何时占用c p u ，其二是允许各任务占用c p u 的时恻f 时问片) 的长短，太火的时削片将使系统的实时性受损，过小的时间片1 使任务切换太频 繁，增加系统的消耗。 对_ c n c 系统，藿要的是任务的实时性。在基于d o s 乎台的c n c 系统 中，任务的实对控制足通过截墩d o s 的0 8 i l 1 1 断； 乏实现的。在w i n d o w s 系 统c 1 它本身就是通过截墩d o s 的0 8 1 l 巾断求实现纳+ 个基：j ：消息瓤动的实 j f i 多任务澡f 二系绕。在w i n d o w s 的溺息h + 、j 钟消息w mt i m e r 被认为魁 小太厦要的溺息，存消息队列t 】总是被放在最后，衙且当消息队列，扣臼多条 天津大学硕士论文 w mt i m e r 消息时，w i n d o w s 系统本身会把所有的w mt i m e r 消息合并成 一条w mt i m e r 消息。由于c n c 系统本身所要求的实时性比较高，故开发 基于w i n d o w s 的c n c 系统不能简单地依靠w i n d o w s 系统本身的时钟消息。 在w i n d o w s9 5 系统中，用v x d 实现较高精度的定时，可以采用w i n d o w s 系统本身所提供的虚拟定时器的a p i 。v x d ( v i r t u a ld e v i c ed r i v e r ) 是用来扩 展w i n d o w s 操作系统的一类程序。v x d 最初用来支持硬件设备的管理，它以 d l l 的形式链入w i n d o w s 操作系统的核心层( r i n go ) 。v x d 主要解决不能 被r i n g3 层应用程序处理的一系列问题。i n t e l 的8 0 x 8 6 c p u 系列芯片规定了 0 、1 、2 和3 四个级别的执行代码可信度，w i n d o w s9 5 中只用到了0 级和3 级。执行于第0 级的代码具有最高的可信度，可直接对硬件、中断和文件系统 进行物理访问，仅有操作系统及其部件被允许在第0 级内执行。而应用程序的 代码只在可信度最低的第3 级内执行，其访问硬件和接触自身进程空间以外的 内存的能力受到限制。在w i n d o w s9 5 下可以用两种方法实现中断，一种是编 写d l l 程序，另一种是使用虚拟设备驱动程序( v x d ) 。两者的区别在于： v x d 是作为操作系统的组件运行于第0 级的，而d l l 程序却运行于第3 级。 v x d 的运行在虚拟机管理器( v m m ) 的监控之下，v m m 是位于最底层的操 作系统部件。v m m 的任务是将构成系统的硬件虚拟化，分配应用程序执行的 时问片并管理虚拟内存的内务，对用户而言是不可见的。硬件设备在数据准备 好之后就发中断信号，但v x d 并不直接截获这些中断，而是依赖于虚拟可编 程中断控制器( v p i c d ) 来处理硬件中断。 使用虚拟设备驱动程序实现w i n d o w s9 5 的中断处理，可靠性更高，速度 也更快，一般比使用d l l 程序快2 3 倍，并且在每秒8 0 0 6 次中断的情况下 也能可靠稳定地运行，确实给开发w i n d o w s9 5 下的中断程序带来了极大的方 便。f 2 4 1 为此，我们以w i n d o w s 操作系统为基础，顶层程序采用v c + + 编程，底层 以v x d 技术支持。我们应用v t o o l s d 软件包丌发v x d 程序来满足w i n d o w s 下数控系统的要求。 虚拟没各中断控制的处理过程如下： ( i ) 通过c r e a t e f i l e ( ) 函数装载v x d 时，系统向v x d 发送 d e v i c ed y n a m i ci n i ，r 消息，v x d 消息控制处理程序调用对应的衲始化程 序。在此程序中如- f 处理： m o ve d i ，0 f f s e ”f 3 2v i d v x d c a l lv p i c dv i m a a l i z e i r q 耐v i d 誓以如卜定义：( 假改中琦i r o 为9 ，中断处理程序为h wi n tp r o c ) v i d 天津大学硕士论文 v p i c d _ i r q _ _ d e s c r i p t o r 9 ，0 ，h wi n t _ _ p r o c ，) 。 ( 2 ) 中断处理程序在处理中断时必须按以下的步骤进行： 调用v p i c dp y t l se o i 结束物理中断 调用v p i c ds e ti n tr e q u e s t 设置虚拟中断 ( 3 ) 在虚拟中断处理程序中作如下处理： 真正的中断处理 调用v p i c dc l e a ri n tr e q u e s t 清除虚拟中断 调用v p i c dv m u a le o i 结束虚拟中断 通过c l o s e h a n d l e 函数卸载v x d 时，系统向v x d 发送 d e v i c ed y n a m i ce x i t 消息，v x d 消息控制处理程序调用对应的退出处 理程序。在此程序中作如下处理： m o ve d i ，i r q h a n d l e v x d c a l l v p i c d _ f o r c e _ d e f a u l t _ b e h a v i o r v x d c a l l v p i c d _ f o r c e _ d e f a u l t _ o w n e r 2 2 3 动态数据采集分析模块删 为了在线监测机床的加工状态，在本开放式数控实验系统中，加入了动态 数据采集分析模块，运用该模块具有的多种分析方法，对信号进行处理，以提 取加工过程的特征信息。该模块结构如图2 - 6 。 陶2 - 6 数姑采集分析系境结构龄 2 2 4 开放式数控系统蠡待解决的主要闯题1 1 7 i i - ) 1 1 作为个真正完全开放的来自1 e e e 所定义的开放式数控系统，嗣的还存 在许多青待进一步研究和解决的| u 题，主要如f ： ( 1 ) e 1l 猗，各类) 1 ：放式数控系统基本上都基于m s