（机械制造及其自动化专业论文）基于mcx314as的数控系统的研究.pdf

西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 本论文针对西南科技大学工程技术中心数控机床改造实际项目的需求， 研究并实现个基于p c 1 0 4 总线的运动控制卡+ 工控机的高性能多功能的开 放式数控系统。以工控机为硬件平台，以w i n d o w s 操作系统为软件平台的数 控系统以其强大的功能、漂亮的界面、配置方便、易维护、可移植、可伸缩、 可互换性而倍受用户的欢迎。 本文不仅研究吸取了现代计算机数控技术的经验和成果，而且着重对基 于运动控制卡+ 工控机的多功能开放式数控系统的方案进行了探索和研究， 并基本完成了基于运动控制卡+ 工控机的多功能开放式数控系统的设计。 论文在新型多功能开放式数控机床的软、硬件的具体研究、实验和应用 改造中，完成了对数控系统功能软件模块的规划设计，主要包括数控软件的 图形化的操作界面设计、数控系统参数设置模块设计、数控代码编译程序模 块设计、数控三维轨迹仿真程序模块设计，c 机能刀具半径补偿模块的设计、 用户宏语言编程的设计( 包括对算术表达式的支持、对算术表达式运算比较 的支持、对更直观的变量设置的支持) 等方面，做了大量的研究工作。 论文的设计制作成样机，在学校工程技术中心的小型多功能机床上进行 了安装、调试和使用，取得了较好的效果。 关键词：数控系统图形化界面编译程序三维轨迹仿真半径补偿 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s tr a c t t h i sp a p e rs t u d i e sa n dr e a l i z e sah i g h p e r f o r m a n c em u l t i - f u n c t i o n a lo p e n c n cs y s t e m ，b a s e do np c 10 4b u sm o t i o nc o n t r o lc a r d + i n d u s t r i a lc o m p u t e r , w h i c hs o u r c e sf r o mt h ed e m a n do ft h ea c t u a lp r o j e e to b j e c t i v e s ，t h es o u t h w e s t u n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g ye n g i n e e r i n gc e n t r ec n cm a c h i n er e b u i l d t h en u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e mb a s eo ni n d u s t r i a lc o m p u t e rh a r d w a r ep l a t f o r ma n d w i n d o w s o p e r a t i n gs y s t e m s o f t w a r ep l a t f o r m ，w i t hi t s p o w e r f u lf e a t u r e s ， b e a u t i f u li n t e r f a c e ，e a s yt oc o n f i g u r e ，e a s yt om a i n t a i n ，p o r t a b l e ，s c a l a b l e ，a n d h i g h l yi n t e r c h a n g e a b i l i t ya r em u c hw e l c o m e db yt h eu s e r s t h i sa r t i c l ei sn o to n l yd r a w sr e s e a r c ho nam o d e mc o m p u t e rn u m e r i c a l c o n t r o lt e c h n o l o g y , e x p e r i e n c ea n da c h i e v e m e n t s ，b u ta l s of o e l l so nt h ee x p l o r e a n ds t u d yo ft h em u l t i p u r p o s eo fo p e nc n cs y s t e mp r o g r a mw h i c hi sb a s e d o nm o t i o nc o n t r o lc a r d + i n d u s t r i a lc o m p u t e r , a n dc o m p l e t et h ed e s i g n p a p e rh a sd o n eal o to fr e s e a r c hw o r ki nt h ed e s i g no fn e wm u l t i - p u r p o s e c n cm a c h i n et o o l sa tt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r er e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no ft h e s p e c i f i ct r a n s f o r m a t i o n ，c o m p l e t e dt h en cs y s t e mo fp l a n n i n ga n dd e s i g n i n g s o f t w a r em o d u l e s ，i n c l u d i n gg r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c ed e s i g n , n u m e r i c a lc o n t r o l s y s t e mp a r a m e t e rs e t t i n gm o d u l ed e s i g n ，n u m e r i c a lc o n t r o lc o d ec o m p i l e r m o d u l ed e s i g n ，n u m e r i c a lc o n t r o lo ft h r e e d i m e n s i o n a l t r a je c t o r ys i m u l a t i o n p r o g r a mm o d u l ed e s i g n ，ct o o lr a d i u sc o m p e n s a t i o nf u n c t i o nm o d u l e ，t h eu s e r m a c r o l a n g u a g ep r o g r a m m i n gd e s i g n ( i n c l u d i n gs u p p o r tf o ra r i t h m e t i c e x p r e s s i o n s ，c o m p a r i s o no p e r a t i o n so nt h ea r i t h m e t i ce x p r e s s i o n ，t h em o r e i n t u i t i v ev a r i a b l es u p p o r t ) e t c p a p e r sp r o d u c e dap r o t o t y p eo ft h ed e s i g n ，e n g i n e e r i n ga n dt e c h n i c a ls c h o o l s i nt h ec e n t r eo ft h es m a l lm u l t i f u n c t i o nm a c h i n et o o l so nt h ei n s t a l 1 a t i o n c o m m i s s i o n i n ga n du s eo f , a n da c h i e v e dg o o dr e s u l t s k e y w o r d s ：n cs y s t e m ；g r a p h i c a li n t e r f a c e ；c o m p i l e r ；t h r e e d i m e n s i o n a l t r a j e c t o r ys i m u l a t i o n ；r a d i u sc o m p e n s a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下( 或我个人一) 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，也不包含为获得西南科技大 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：方旌之 日期：卅q 7 么纩 关于论文使用和授权的说明 本人完全了解西南科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留学位论文的复印件，允许该论文被查阅和借阅；学校可以公布该论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：孝蘑患新签名：卢帅日期：7 文 2 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 1绪论 1 1数控系统的概况 1 1 1数控系统的产生 随着科学技术的发展，机械产品的结构越来越合理，其性能，精度和效 率日趋提高，因此对加工机械产品零部件的生产设备一机床也相应地提出了 高性能、高精度与高自动化的要求。 在机械产品中，单件与小批量产品占到7 0 8 0 ，这类产品一般都采用 通用机床加工，当产品改变时，机床与工艺装备均需作相应的变换和调整， 而且通用机床的自动化程度不高，基本上需要人工操作，难以提高生产效率 和保证生产质量。特别是一些由曲线、曲线轮廓组成的复杂零件，只能借助 靠模和仿形机床，或者借助划线和样板手工操作的方法来加工，加工精度和 生产效率受到很大的限制。 为了解决单件、小批量，特别是复杂型面零件加工的自动化，并保证质 量要求，随着1 9 4 6 年世界上第一台电子计算机的诞生，人们开始了探索数控 技术的旅程。 1 1 2 数控系统的发展简史 数控技术是利用数字化信号对机床运动及其加工过程进行控制的一种技 术。它是随着电子技术、计算技术、自控技术及精密测量技术的迅速发展而 发展起来的，自1 9 5 2 年第一台数控机床诞生以来，已经历了二个阶段和六代 的发展u 1 第一阶段：数控( n c ) 阶段( 1 9 5 2 1 9 7 0 年) 。采用数字逻辑电路组合成 一台机床，专用计算机作为数控系统，被称为硬件连接数控( h a h d w i r e d n c ) ， 简称为数控( n c ) 。其逻辑功能必须事先设计好，元件间的接线不能变动， 固定的完成一些控制功能，通用性低。 第1 代电子管时代。1 9 5 2 年美国帕森斯公司在麻省理工学院伺服机 构研究室的协助下研制成功第一台由大型立式仿形铣床改装而成的三坐标数 控铣床，其数控装置由2 0 0 0 多个电子管组成，约一个普通实验室大小口。伺 服机构采用台小伺服马达改变液压马达斜盘角度以控制液动机速度，插补 器为数字脉冲乘法器。这种数控系统，体积庞大，价格昂贵，当时只在航空 工业等少数有特殊需要的部门用来加工复杂型面零件。 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 页 第2 代晶体管时代。1 9 5 9 年晶体管元件和印刷电路板诞生，使数 控装置进入了第二代，体积缩小，成本有所下降；1 9 6 0 年以后，较为简单和 经济的点位控制数控钻床，和直线控制数控铣床得到较快发展，使数控机床 在机械制造业各部门逐步获得推广“，。 第3 代小规模集成电路时代。1 9 6 5 年，出现了集成电路数控装置， 不仅体积小，功率消耗少，且可靠性提高，价格进一步下降，促进了数控机 床品种和产量的发展。 第二阶段：计算机数控( c n c ) 阶段( 1 9 7 0 年现在) 。使用计算机作为 数控系统的核心部件，许多功能靠编制专用程序存入计算机的存储器中，构 成了所谓“控制软件”加以实现，具有很强的灵活性，只要通过改变控制程 序即可以改变控制功能伯，。通用性和可靠性大大提高，并且易实现许多复杂 的功能，具有很好的操作性能。 第4 代计算机数控( c n c ) 时代。6 0 年代末，美国首次推出了使用 小型计算机取代专用控制计算机的数控系统。开创了软件数控时代。 第5 代微型计算机( m n c ) 时代。1 9 7 4 年，研制成功使用微处理器 和半导体存贮器的微型计算机数控装置( 简称m n c ) ，这是第五代数控系统， 与第三代相比，数控装置的功能扩大了近一倍，而体积则缩小为原来的1 2 0 ， 价格降低了近3 4 ，可靠性也得到极大的提高。 第6 代基于p c ( p c b a s e d ) 时代。9 0 年代以来，p c 机( 个人计算 机) 技术发展迅速，性能价格比不断提高，各系统制造商纷纷研究基于p c 的 数控系统，推出大量基于p c 数控产品。基于p c 的数控系统成为c n c 发展的 主要方向，开创了数控发展史上的崭新篇章，并迅速成为数控市场上的主流 产品。 1 1 3 数控系统发展趋势 1 1 3 1 性能发展趋势 ( 1 ) 高速化高速切削不仅可以改善切削形成过程、减少刀齿每转进给 量、降低切削力、减少对机床刚性和功率的要求、而且是加工难削材料、提 高加工精度、生产效率、控制振动的重要保障，。目前，对加工中心，进给 速度已达8 0 m m i n - - 9 0 m m i n 。采用直线电机可达1 2 0 m m i n ，进给加速度可达 l g 2 9 ：表示主轴最高转速的d 力值可达( 0 5 3 ) 1 0 6 甚至更高。 ( 2 ) 高精化随着高速c p u 芯片、r i s c 芯片、多c p u 控制系统的采用数 控系统的指令精度、内部数值计算及处理的精度提高盯，；控制单元与伺服驱 西南科技大学硕士研究生学位论文第3 页 动单元间数据的通信能力增强；驱动系统( 包含伺服驱动单元内部数值处理、 高灵敏度电机、高分辨率编码器等) 分辩率提高，同时采取了改善机床动态 误差补偿( l o s tm o t i o n 、温度补偿、高速优化机械响应及反馈控制等能力) 、 静态误差补偿( 背隙、机械补偿等能力) 等有效措施，机床的精度大大提高。 目前，有些精密加工圆度，表面粗糙度和精度的数量级达到o 0 1 砌，实际上 已进入纳米加工的领域。 ( 3 ) 高效化高效加工在注重提高机床材料切除率的同时，大力推进以缩 短加工过程链为目标的复合加工技术。通过复合数控机床进一步实现工序集 中，既可减少工件多次装卸调整的时间，又可免去按工序分散在多台机床上 加工所出现的在制品储存和传输的时间，它是提高单件小批生产效率的一项 有效途径。 ( 4 ) 柔性化包含两方面：数控系统本身的柔性，数控系统采用模块化设 计，功能覆盖面大，可裁剪性强，便于满足不同用户的需求；群控系统的柔 性，同一群控系统能依据不同生产流程的要求，使物料流和信息流自动进行 动态调整，从而最大限度地发挥群控系统的效能n ，。 ( 5 ) 工艺复合性和多轴化以减少工序、辅助时间为主要目的的复合加 工，正朝着多轴、多系列控制功能方向发展。数控机床的工艺复合化是指工 件在一台机床上一次装夹后，通过自动换刀、旋转主轴头或转台等各种措施， 完成多工序、多表面的复合加工。 ( 6 ) 实时智能化实时智能控制指用计算模型实现人类的各种智能行 为。在数控技术领域，实时智能控制的研究和应用正沿着几个主要分支发 展：自适应控制、模糊控制、神经网络控制、专家控制、学习控制、前馈控 制等。实时智能控制能够显著提高数控系统的主要性能。例如在数控系统中 配备编程专家系统、故障诊断专家系统、参数自动设定和刀具自动管理及补 偿等自适应调节系统，在高速加工时的综合运动控制中引入提前预测和预算 功能、动态前馈功能，在压力、温度、位置、速度控制等方面采用模糊控制， 能使数控系统的控制性能大大提高，从而达到最佳控制的目的。 ( 7 ) 环保化环保是机床产品必须达到的条件。通过干切削、准干切削、 硬切削等措施避免冷却液、润滑液对周围环境造成生态危害以及采用全封闭 的罩壳，全面避免切屑或切削液外溅是主要的两个环保化要求。 1 1 3 2 功能发展趋势 ( 1 ) 用户界面图形化用户界面是数控系统与使用者之间的对话接口，。 西南科技大学硕士研究生学位论文第4 页 随着g u i 界面开发软件越来越强大制做用户界面越来越方便。图形用户界面 极大地方便了非专业用户的使用，人们可以通过窗口和菜单进行操作，从而 轻松实现蓝图编程和快速编程、三维彩色立体动态图形显示、图形模拟、图 形动态跟踪和仿真、不同方向的视图和局部显示比例缩放功能的操作。 ( 2 ) 科学计算可视化指的是利用计算机图形学、图像处理技术，将科学 计算过程中产生的数据及计算结果转换为图形图像在屏幕上显示出来，并进 行交互处理的理论、方法和技术。在数控技术领域，可视化技术可用于 c a d c a m ，如自动编程设计、参数自动设定、刀具补偿和刀具管理数据的动态 处理和显示以及加工过程的可视化仿真演示等。 ( 3 ) 插补和补偿方式多样化多种插补方式如直线插补、圆弧插补、圆柱 插补、空间椭圆曲面插补、螺纹插补、极坐标插补、2 d + 2 螺旋插补、n a n o 插补、n u r b s 插补( 非均匀有理b 样条插补) 、样条插补( a 、b 、c 样条) 、多项 式插补等。多种补偿功能如间隙补偿、垂直度补偿、象限误差补偿、螺距和 测量系统误差补偿、与速度相关的前馈补偿、温度补偿、带平滑接近和退出 以及相反点计算的刀具半径补偿等。 ( 4 ) 内装高性能p l c 数控系统内装高性能p l c 控制模块，可直接用梯形 图或高级语言编程，具有直观的在线调试和在线帮助功能。编程工具中包含 用于车床铣床的标准p l c 用户程序实例，用户可在标准p l c 用户程序基础上 进行编辑修改，从而方便地建立自己的应用程序。 ( 5 ) 多媒体技术应用多媒体技术集计算机、声像和通信技术于一体，使 计算机具有综合处理声音、文字、图像和视频信息的能力。在数控技术领域， 应用多媒体技术可以做到信息处理综合化、智能化，在实时监控系统和生产 现场设备的故障诊断、生产过程参数监测等方面有着重大的应用价值。 1 1 3 3 体系结构的发展趋势 ( 1 ) 集成化采用高度集成化c p u 、r i s c 芯片和大规模可编程集成电路 f p g a 、e p l d 、c p l d 以及专用集成电路a s i c 芯片，可提高数控系统的集成度 和软硬件运行速度“1 ，。应用f p d 平板显示技术，可提高显示器性能。平板显 示器具有科技含量高、重量轻、体积小、功耗低、便于携带等优点，可实现 超大尺寸显示，成为和c r t 抗衡的新兴显示技术，是2 1 世纪显示技术的主流。 应用先进封装和互连技术，将半导体和表面安装技术融为一体。通过提高集 成电路密度、减少互连长度和数量来降低产品价格，改进性能，减小组件尺 寸，提高系统的可靠性。 西南科技大学硕士研究生学位论文第5 页 ( 2 ) 模块化硬件模块化易于实现数控系统的集成化和标准化。根据不同 的功能需求，将基本模块，如c p u 、存储器、位置伺服、p l c 、输入输出接口、 通讯等模块，作成标准的系列化产品，通过积木方式进行功能裁剪和模块数 量的增减，构成不同档次的数控系统。 ( 3 ) 网络化机床联网可进行远程控制和无人化操作。通过机床联网，可 在任何一台机床上对其它机床进行编程、设定、操作、运行，不同机床的画 面可同时显示在每一台机床的屏幕上。 ( 4 ) 通用型开放式闭环控制模式采用通用计算机组成总线式、模块化、 开放式、嵌入式体系结构，便于裁剪、扩展和升级，可组成不同档次、不同 类型、不同集成程度的数控系统n ”。闭环控制模式是针对传统的数控系统仅 有的专用型单机封闭式开环控制模式提出的。由于制造过程是一个具有多变 量控制和加工工艺综合作用的复杂过程，包含诸如加工尺寸、形状、振动、 噪声、温度和热变形等各种变化因素，因此，要实现加工过程的多目标优化， 必须采用多变量的闭环控制，在实时加工过程中动态调整加工过程变量。加 工过程中采用开放式通用型实时动态全闭环控制模式，易于将计算机实时智 能技术、网络技术、多媒体技术、c a d c a m 、伺服控制、自适应控制、动态数 据管理及动态刀具补偿、动态仿真等高新技术融于一体，构成严密的制造过 程闭环控制体系，从而实现集成化、智能化、网络化。 1 2 开放式数控系统的概况 1 2 1开放数控系统概念的产生 随着技术的进步，市场竞争的加剧，专用体系结构的数控系统n 引越来越 暴露出其固有的缺陷： ( 1 ) 各控制系统间互连能力差，影响了系统的相互集成。 ( 2 ) 风格不一的操作方式以及专用件的大量使用，不但使用户培训费用增 加，还给数控设备用户( n c 系统的最终用户) 带来很多不便。 ( 3 ) 封闭性使它的扩充和修改极为有限，造成数控设备制造商( n c 系统中 间用户) 对系统供应商的依赖，并难以将自己的专门技术、工艺经验集成入控 制系统并形成自己的产品特点，这将不利于提高主机产品的竞争力。 ( 4 ) 硬、软件结构也限制了系统本身的持续开发，使系统的开发投资大、 周期长、风险高、更新换代慢，不利于数控产品的技术进步。 ( 5 ) 专用结构的数控系统已不能适应当今制造业市场的变化与竞争，也不 西南科技大学硕士研究生学位论文第6 页 能满足现代制造业向信息化、敏捷制造模式发展的需要。 于是开放式数控系统概念应运而生。i e e e ( 国际电气电子工程师协会) 是这样定义开放式数控系统的：“符合系统规范的应用系统可以运行在多个销 售商的不同平台上，可以与其它系统的应用进行互操作，并且具有一致风格 的用户交互界面。 也就是数控系统厂商提供给用户( 机床或机械制造商) 一个平台，这个平台能够重新配置、修改、扩充和改装，允许模块化地加入 传感器、加工过程监视与控制等子系统，而不必重新设计系统硬件和软件， 并与原系统软件集成为一个新的应用系统，使该设备具有较高的性价比，并 大大缩短开发周期。 1 2 2 开放式数控系统的结构 伴随着计算机软件取得的重大成果，开放式数控系统n 钉产生了三种结构 类型： ( 1 ) 专用c n c + p c 型即在传统的专机数控中简单地嵌入p c 技术，使得 整个系统可以共享一些计算机的软、硬件资源，计算机主要起到辅助编程、 分析、监控、指挥生产、编排工艺等工作。这种数控系统由于其开放性只在 p c 部分，其专业的数控部分仍处于瓶颈结构。 ( 2 ) 运动控制器+ p c 型即完全采用以p c 为硬件平台的数控系统u ”。这 种系统近年的提法比较多，主要有基于p c 或p cb a s e 等，其中最主要的部件 是计算机和控制运动的控制器。控制器以美国d e l t at a u 公司生产的p m a c 多轴运动控制器最为出色，控制器本身具有c p u ，同时开放包括通信端口、 结构在内的大部分地址空间，辅以通用的d l l 同p c 结合得最为紧密。这种系 统的特点是灵活性好、功能稳定、可共享计算机的所有资料，目前已达到远 程控制等先进水平。 ( 3 ) 纯p c 型即完全采用p c 的全软件形式的数控系统，但由于存在着 操作系统的实时性、标准统一性及系统稳定性等问题，这种系统目前正处于 探求阶段，还没有大规模投入到实际的应用中“”。 1 2 3 开放式体系结构的特点 开放式体系结构应具有四个特点n 气 ( 1 ) 相互操作性( i n t e r o p e r a b ili t y ) 西南科技大学硕士研究生学位论文第7 页 相互操作性指不同应用程序模块通过标准化的应用程序接口运行于系统 平台上，相互之间保持平等的相互操作能力，协调工作。这一特性要求提供 标准化的接口、通讯和交互模型。 随着制造技术的不断发展，c n c 也正朝着信息集成的方向发展。c n c 系统 不但应能和不同系统彼此互连，实施正确有效的信息互通，同时应在信息互 通的基础上，能信息互用，完成应用处理的协同工作，因此要求不同的应用 模块能相互操作，协调工作。 ( 2 ) 可移植性( p o r t a b i l i t y ) 可移植性指不同的应用程序模块可以运行于不同供应商提供的不同的系 统平台之上。可移植性应用于c n c 系统，其目的是为了解决软件公用问题。 要使系统提供可移植特性，基本要求是设备无关性，即通过统一的应用程序 接口，完成对设备的控制；要求各部件具有统一的数据格式、行为模型、通 讯方式和交互机制。具备可移植特性的系统，可使用户具有更大的软件选择 余地，通过选购适应多种系统的软件，费用可以显著降低。同时在应用软件 的开发过程中，重复投入费用也可降低。可移植性也包括对用户的适应性， 要求c n c 系统具有统一风格的交互界面，使用户适应一种控制器的操作，即 可适应一类控制器的操作，而无需对该控制器的使用重新进行费时费力的培 训。 一 ( 3 ) 可缩放性( s c a l a b i l i t y ) 可缩放性指增添和减少系统的功能仅仅表现为特定模块单元的装载与卸 载。不是所有的场合都需要c n c 系统具备复杂且完善的数控功能，在这种情 况下，厂家没有必要购买不适于加工产品的复杂数控系统。因为可缩放性使 得c n c 系统的功能和规模变得极其灵活，既可以增加配件或软件以构成功能 更加强大的系统，也可以裁减其功能来适应简单加工场合。同时，同一软件 既可以在该系统的低档硬件配置上运行，也可以在该系统的高档硬件配置上 应用。可缩放性使得用户可以灵活改变c n c 系统的应用场合，一台控制器可 以使用于多种类加工设备的控制上。 ( 4 ) 相互替代性( i n t e r c h a n g e a b i l i l ；y ) 相互替代性指不同性能和不同功能的单元可以相互替代。而不影响系统 的协调运行。有了相互替代性，构成开放体系结构的数控系统就不受唯一供 应商所控制，也无需为此付出昂贵的版权使用费。相反，只需支付合理的或 较少的费用，即可获得系统的各组成部件，并且可以有多个来源。 西南科技大学硕士研究生学位论文第8 页 1 2 4 开放式数控系统的优点 ( 1 ) 技术更新迅速，功能更加强大，可以实现多种运动轨迹的控制，是传 统数控装置的换代产品；不仅能适应计算机技术和信息技术的快速发展和更 新换代，而且能有效保护用户原有投资。 ( 2 ) 结构形式模块化，遵循统一的标准体系结构规范，模块之间具有兼容 性，部件具有互换性和互操作性。可以方便地相互组合，建立适用不同场合、 不同功能需求的控制系统，可明显缩短新产品的研制开发周期n ”。 ( 3 ) 操作简单，维护方便。在p c 机上经简单编程即可实现运动控制，而 不需要专门的数控软件。 ( 4 ) 将p c 机的信息处理能力和开放式的特点n 引与运动控制器的运动轨迹 控制能力有机地结合在一起，信息处理能力强、开放程度高、运动轨迹控制 准确、通用性好。能适应各种设备，可灵活配置，随意集成。 ( 5 ) 可扩展性好，可通过预留插入用户专用软件的接口的方式或提供用户 a p i 和编程规范，供用户编制自己的专用模块的方式，简便地实现系统的扩 展“。 ( 6 ) 良好的通讯功能。通用p c 的结构很容易与其它计算机系统或数控系 统通讯。利用成熟的网络技术，很容易在p c n c 基础上组建d n c 系统，使f m c 、 f m s 成为可能m ，。基于p c 的开放式数控系统已经逐渐成为柔性制造系统 ( f m s ) 、计算机集成制造系统( c i m s ) 等先进制造模式的关键技术支撑。 1 2 5 开放式数控系统现状 1 2 5 1国外开放式数控系统现状 以“开放式体系结构为指导思想进行机床研究开发出现的较晚，直到 现在，绝大部分机床仍然采用封闭式结构的控制器，硬件对用户完全封闭， 软件只能按照数控编程语言进行常规编程，灵活性很差，而且难以实现c a d 到c a m 的接口，更不用说集成一些传感器和先进的自适应控制算法。 开放式体系结构规范对机床制造商来说只是一种原理性的阐述文件，在 具体实施时必须采用某一特定的硬件体系结构。开放式体系结构规范在数控 系统中的实施案例主要在大学的研究机构中进行。 第一个开放式体系结构控制器是由n s f d a r p a i d a 于1 9 8 8 年资助的机床 开放式体系结构智能控制器( m o s a i c ，m a c h i n et o o lo p e ns y s t e m a r c h i t e c t u r ei n t e l l i g e n tc o n t r o l l e r ) 。m o s a i c 项目采用：c 语言编程、 实时u n i x 操作系统、v m e 总线。实时u n i x 系统是在u n i x 系统中加入了多任 西南科技大学硕士研究生学位论文第9 页 务处理、任务间通信和硬件中断处理等实时处理功能。 第二个开放式数控系统是分层开放式体系结构多处理器c n c 系统 ( r o a m c n c ，h i e r a r c h i c a lo p e na r c h i t e c t u r em u l ti p r o c e s s o rc n cs y s t e m ) 采用模块化设计。该系统中多处理器独立进行过程控制和监控任务控制，通 过i s a 总线连接各模块，操作系统运行在主控制模块上负责实时任务调度， c n c 控制模块通过二级总线控制各运动轴。 t e l t z ，u r b a s i k ，s h a w k y 和e l b e s t a w i 开发了开放式体系结构控制环境下 的多通道控制策略。该开放式体系结构控制硬件包括两个平台：基于u n i x 系统的工作站管理用户界面和文件系统：由v d e 多处理器总线加运动控制 卡和i o 卡及通用c p u 设施组成的实时平台。 l u n d h o l m 设计了一个新的适应控制系统和集成框架。该系统是一个模块 化系统，通过b i t b u s 与主控计算机相连，可以向网络上添加新的模块，因而 柔性较好，但b i t b u s 网的速度太慢。 t u n g 和t o m i z u k a 建立了一个采用i s a 总线的基于p c 的控制器，用于铣 削过程的高级跟踪控制和适应控制。 国际上开放式数控系统目前还没有统一的标准，欧美及日本都进行了大 量的研究工作，并给出了各自的开放式体系规范。 ( 1 ) 美国的n g c ( 下一代控制器) 和o m a c ( o p e nm o d u l a ra r c h i t e c t u r e c o n t r 0 1 ) 计划： n g c 目标是开发能用于c a d c a m 和多传感器信息集成的商业化机床控制 环境软件平台。该计划研究的结果就形成了有助于工业运动控制器产品标准 化的开放式系统结构标准规范n g c s o s a s ( s p e c if i c a tio nf o ro 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。 该计划已于1 9 9 4 年完成了n g c 原形研究，并已转入工业开发应用。例如通用、 福特和克莱斯勒三大汽车公司联合研究了o m a c 开发计划，从用户需求出发， 提出了系统基础框架、信息库管理、任务调度、人机接口、运动控制、传感 器接口等满足用户需求的体系结构。 ( 2 ) 欧共体的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 a u t o m a t i o ns y s t e m s ) 计划： o s a c a 参照开放式系统及其互联模型提出了一个“分层的系统平台+ 结构 化的功能单元 的体系结构，保证了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，并明确规定了不同的开放层次：应 用层开放、核心层( 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) 。 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 0 页 o s a c a 的软件结构中有三个主要组成部分：通讯系统、参考结构和配置系统。 ( 3 ) 控制器系统开放系统环境- o s e c 计划 o s e c 是在日本国际机器人和工厂自动化研究中心i r o f a ( i n t e r n a t i o n l r o b o ta n df a c t o r ya 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的倡导下， 由三个机床厂( 东芝机械，丰田工机，山崎) 、一个系统厂( 三菱电机) 和两 个信息公司( s m l ，日本i b m ) 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，具有开放式体系结构的新一代数控系统。o s e c 讨论的重点 集中在n c ( 数字控制) 本身和分布式控制系统上。在硬件方面，o s e c 计划采 用p c + 控制卡( 将n c 专用卡插到p c 机中) 的结构，有利于层次化、模块化、 灵活配置的实现。在系统方面，o s e c 以f l ( f u n c t i o n a ll a y e r s ) 为基础的开 放式平台。 1 2 5 2国内开放式数控系统现状 到目前为止我国还没有制定出开放式数控系统的标准规范：但在开放式 数控系统的具体实现方面做了一些有益的探索工作，尤其是在“八五”科技 攻关中，形成了具有自主知识产权的多套数控系统，以华中i 型、中华i 型、 蓝天i 型和航天i 型为代表。 华中i 型数控系统：采用工业p c 机上配备适配器卡( 位置控制板卡、i o 板卡等) 结构，模块化、层次化、扩展性较好。系统软件的实时操作环境是在 d o s 操作系统上扩充扩展而成的。以该环境为内核，实现了一个开放式的数 控系统软件平台，它能提供方便的二次开发环境，使之能灵活地组配不同类 型的数控系统和扩充系统的功能。因而，这种结构具有良好的开放性和可维 护性。 中华i 型数控系统：以3 2 位工业控制微机为基础建立通用c n c 平台，采 用c m e b u s 总线，具有总线模块化、开放式、嵌入式c n c 体系结构，采用单 c p u 实现多轴和多通道技术，实现高速、高精度加工。 蓝天开放式高档数控系统：采用的是将标准工业p c 机与蓝天多微处理机 数控系统通过总线数据通信模块桥接形成的“双总线结构 ：i s a 总线+ s s 多主总线。它是在保留数控系统原有控制结构的基础上，实现系统控制模块 的开放，从而将机床控制、通信与系统集成于一体，可满足国内多数加工中 心、车削中心和柔性制造系统以及高级车铣等数控机床的需要。值得一提的 是，蓝天多处理机数控系统的硬件系统( 专用数控系统) 的模板设计由于采用 了f p g a ，e p l d 等可编程芯片而实现了缩小化设计，这技术是9 0 年代的先 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 1 页 进技术，其软件系统结构关键特点是基于功能分布的多处理器机制和基于虚 拟机械功能的多过程一多插补器( 多轴联动) 一多轴控制机制。 虽然国内在开放式数控系统研究方面有一定的广度，但大多局限于具体 的体系结构的实现研究，对抽象、概念层面的研究仅限于跟踪国外技术发展 动态。在体系结构的实现上，可以归纳如下： ( 1 ) 硬件平台：多采用通用p c ( 工业p c ) 作为硬件平台，符合9 0 年代以来 国际上的发展主流。但p c 机在驱动能力、响应速度等方面尚比专用数控系统 差，在高性能数控系统中，难以独立承担复杂的实时处理任务，而必须采用 多c p u 分级式或分布式结构，这样一来p c 机的资源利用率大降，性能价格比 也势必下降。 ( 2 ) 总线：多采用了通用的i s a 总线，尚未见采用v m e 总线的实例，也较 少采用其他多主总线。e 总线是一种高速总线，且采用了总线仲裁机制和 中断优先级机制，适于多处理器系统，而i s a 总线虽然也支持多个c p u 共享 系统资源，但为主从结构，故v m e 总线更适合高性能数控系统采用。 ( 3 ) 操作系统：大多采用了d o s 操作系统，较少采用w i n d o w s 与1 i f l u x 操 作系统。d o s 是一种实时单任务操作系统，应用于数控系统时需开发实时多 任务调度管理系统，而w i n d o w s 是一种开放式多任务操作系统，w i n d o w s9 5 n t c e 是多进程、多线程，抢先多任务的3 2 位操作系统，符合数控程序向 3 2 位发展的趋势，另外w i f l d o w s 在多媒体处理能力上具有独特的优势。但 w i n d o w s 操作系统目前尚不能完全满足实时性控制方面的要求，微软正着手 将w i n d o w sc e 转变为实时操作系统目前条件下，可以通过安装其它公司的 实时扩展软件来增加w i n d o w s 的实时处理能力，可以满足数控系统的实时性 要求。l i n u x 操作系统近年来发展很快，其内核的实时性也越来越好，但是 软件开发工具较少，而w i n d o w s 系统有强大的m i c r o s o f tv i s u a ls t u d i o 软 件开发工具。从长远看，w i n d o w s 将成为开放式数控系统的主流操作系统 ( 4 ) 编程语言和方法：c c + + 是被广泛采用的编程语言，但在软件开发思想 上，大多采用了结构化设计思想，较少真正达到面向对象设计的层次。而采 用软件工程的先进思想，实现面向对象设计的设计，真正实现软件结构的开 放化，是目前国际上数控软件开发的趋势。 1 3 课题的来源和研究意义 课题的来源： 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 2 页 课题来源于西南科技大学工程技术中心数控机床改造的实际应用项目。 意义： ( 1 ) 数控机床的改造包括机械部分与控制部分的改造，而控制系统的改造 又是数控机床改造的一个难点，为了能更好的进行控制系统的改造，就有必 要对控制系统进行深入的研究与探讨。 ( 2 ) 运动控制器是适应数控技术的飞速发展而产生的，基于运动控制器的 数控系统具有开发周期短，开发成本低，开发方式灵活多样。目前市面上有 多种运动控制器，但由于其控制方式大致相同，因而只要选择其中一款控制 器来开发数控软件，就能掌握基于运动控制器的数控系统的开发知识。 ( 3 ) 数控技术正向着网络化、智能化，集成化、高效化方向发展，因而对 控制器的性能要求也是越来越高，而p c 技术的快速发展无疑可以为数控技术 的发展开劈大道。 ( 4 ) 开发该数控系统可以对工程技术中心现有的资源进行改造再利用，提 高资源的利用率，减少资金投入。 ( 5 ) 基于p c 技术+ 运动控制芯片的数控系统是数控技术的发展趋势，因此 在当前进行深入的研究可以为数控技术未来的发展储各技术。 ( 6 ) 通过本课题可以对数控指令、插补算法、刀具补偿、仿真加工、自动 加工控制等内容进行深入的研究与探讨，积累数控软件开发的知识。 ( 7 ) 该数控系统平台如果设计完成，可以为机械制造，数控编程，自动化 相关专业提供一个实践操作平台，使大量的课堂教学内容不会处于一种空谈 的尴尬局面。 1 4 本论文主要研究内容 本论文的主要是开发基于运动控制器+ 工控机结构的数控系统的核心功能。 ( 1 ) 选择合适的运动控制卡，并完成运动控制卡与电机驱动器的连接。设 计c n c 数控功能键盘，并将其接入工控机，并将开关量输入输出( i 0 ) 接到 外硬件。 ( 2 ) 通过对指令代码的分析与研究，设计开发了指令编译模块，实现了软 件对数控代码的分析与解释功能。 ( 3 ) c 刀具半径补偿模块设计：对刀具半径补偿的矢量算法进行了研究， 设计了半径补偿功能模块。软件模块包括刀具半径补偿的建立、进行和取消， 以及轨迹转接类型的分类和各种转接类型下补偿点坐标计算。 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 3 页 ( 4 ) 三维轨迹仿真模块设计：通过对数控轨迹显示方法与o p e n g l 绘图方法 的研究，设计基于o p e n g l 的三维数控轨迹仿真模块。软件模块包括放大， 缩小，平移，旋转，暂停，单步执行等功能，为用户提供了一个三维的观察 空间。 ( 5 ) 研制完成基于w i n d o w sx pe m b e d d e d 的三坐标数控系统，该数控系 统具备三坐标联动、加工程序编辑选择功能、手动、点动、模拟运行、自动 运行、加工轨迹仿真等。该软件图形用户界面友好，操作方便，实现了三坐 标c n c 系统的绝大部分功能。 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 4 页 2 系统的总体功能设计 2 1系统的技术参数 控制轴数：4 轴 联动轴：直线2 至3 轴、圆弧2 至3 轴 脉冲当量：0 0 0 1 r m 最高速度：2 4 0 m m i n 切削速度：1 - 6 0 0 0 m m m i n 最小输入位：0 0 0 1 m m 编程尺寸范围：9 9 9 9 9 9 9 9 m m 编程指令代码：符合i s 0 8 4 0 国际标准 编程坐标系定义：符合i s 0 8 4 1 国际标准 2 2 系统的硬件结构 本数控系统由p c 1 0 4 总线运动控制器+ 工控机为硬件平台， 功能齐全，具有良好的人机操作界面。系统的总体硬件结构如图2 - 1 所示： 圭堡p j 莲萎圄 悻巳錾控键i 囵 i