（机械电子工程专业论文）开放型数控系统研究与开发.pdf

摘要 本文根据丌放型计算机数控系统的理论，对开放型控制系统进行探讨， 并丌发出一套小型计算机数控系统。在硬件上，由上位机和下位机两部分构 成。上位机采用p c 机或工控机，主要实现与用户交互，完成数据处理。下 位机采用m c s 一5 1 单片机系统，主要实现通讯及强实时信号的处理，并根 据上位机的处理结果输出控制脉冲给伺服系统，以控制步进电机的。下位机 控制软件使用了嵌入式实时操作系统uc o s i i 进行开放式数控系统的开发。 软件设计部分，上位机采用v i s u a lb a s i c 为丌发工具，下位机采用c 5 1 、5 1 汇编。界面简单易用，处理结果f 确。 关键词 数控系统 串口通讯 多任务 uc o s i i 实时操作系统 直线插补圆弧插补 嵌入式系统 a b s t r a c t i nt h i st h e s i s ，t h et h e o r yo fo p e n c o m p u t e rn u m e r i cc o n t r o l ( c n c ) w a s d i s c u s s e da n dam i n i a t u r ec n cs y s t e mw a sd e v e l o p e da c c o r d i n gt oi s oo p e n c o m p u t e rn u m e r i cc o n t r 0 1 t h es y s t e mh a r d w a r ec o n s i s t so fa nu p p e rp r o c e s s o r a n da nl o w e rp r o c e s s o r p ci su s e da st h eu p p e rp r o c e s s o r ，w h i c hi m p l e m e n t e sa s a ni n t e r f a c eb e t w e e nu s e ra n dc o m p u t e ra n dc o m p l e t e sd a t ap r o c e s sa tt h es a m e t i m e t h el o w e rp r o c e s s o ri sa nm c s - 5 1m o n o l i t h i cp r o c e s s o l w h i c hc a n c o l n m u 妇a t ew i t ht h eu p p e rp r o c e s s o ra n dp r o c e s s e sr e a l t i m es i g n a l sf r o mt h e m a c h i n e t h em c s 一51s y s t e ma l s os e n d sc o n t r o lp u l s e st ot h es e r v od e v i c e st o d r i v e rt h es t e p p e rm o t o r sa c c o r d i n gt ot h ed a t ap r o c e s sr e s u l tf r o mt h eu p p e r p r o c e s s o r pc o s i ir e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e mw a sa p p l i e dt od e s i g nt h ec n c i ns o f t w a r ed e s i g n , v i s u a lb a s i c 、c 5 1 、5 1a s s e m b l ew e r eu e s da sd e v e l o p m e n t t o o l s t h i sm i n i a t u r ec n cs y s t e m ，w i t h s i m p l ei n t e r f a c e ，i se a s y t ou s ea n d p r o d u c e sa c c u r a t er u s u l t s k e yw o r d s ： c n cpc o s i ir e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e m s e f i a lc o m m u n i c a t i o n c i r c u l a ri n t e r p o l a t i o n e m b e d e ds y s t e m l i n e a ri n t e r p o l a t i o n m u l t i t a s k 第一章绪论 随着科技的进步，数字控制技术、数控系统得到飞速发展。机床的计算机数 控系统就是这些机电一体化技术最具代表性的系统。计算机数控系统是由计算机 承担数控中的命令发生器与控制器的数控系统。计算机接收的位置运动的指令， 将其生成各坐标轴的位置命令并实时输出给各坐标轴的控制器，控制器按控制策 略控制各轴伺服系统，使驱动器驱动执行机构，带动机器的各坐标轴按给定命令 运动。 1 - 1 认识c n c 系统 计算枫数控( c n c ) 系统具有划时代的意义，开创了一个软件数控时代。 一、数控系统发展简史及其组成 1 9 4 6 年诞生了世界上的第一台计算机，6 年后计算机技术应用到了机床上， 在美国诞生了第一台数控机床。从此，传统机床产生了质的变化。早期的计算机 运算速度低，对当时的科学计算和数据处理影响还不大，还不能适应机床实时控 制的要求。人们不得不采用数字逻辑电路“搭”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，简称为数控( n c ) 。随着元器件的发展，这个阶段经 历了三代，即第一代的电子管，第二代的晶体管，第三代的小规模集成电路。 计算机数控( c n c ) 是在传统的硬件数控( n c ) 的基础上发展起来的。到了1 9 7 1 年，引入了计算机数控。一丌始，c n c 系统中采用小型计算机进行控制。但是， 随着电予电路的集成度的提高和计算机技术的发展，7 4 年以来国际_ 【二大都采用 成本低、功能强和可靠性高的微型计算机柬取代小型计算机进行机床的数字控 制，简称m n c ，人们习惯上仍称c n c 。 到了1 9 9 0 年，p c 机的性能已发展到很高的阶段，从8 位、1 6 位发展到3 2 位，卅以满足作为数控系统核心部件的要求嘶日p c 机二卜产批量很人，价格便 【i ：，呵靠性高、数摔系统从此进入了坫j ：p c 的阶段。汁算机数控阶段也纶j j ，j 了 第章绪论 三代，它们是小型计算机阶段、微处理器阶段和基于p c ( p c b a s e d ) 的阶段。 c n c 系统主要由硬件和软件两大部分组成。它通过系统控制软件配合系统 硬件，合理地组合、管理数控系统的输入，数据处理、插补和输出信息，控制执 行部件，使数控机床按照操作者的要求，有条不紊地进行加工。 操作控制板；一 1 速度控制。一_ x 轴。啪【 位 置 c r t l e d【- 挡 微制 处h 速度拄制l _ 刊y 轴f l 理 荐 一 键盘 k - _ - 器 i 0 、 接 内 j l 掣 纸带穿孔机l - ul 一 存 翟 、 电 、r p 储1 葡 几路 器 披 弋h 纸带刚读机k - 辅 机 u 。 助 t l ll o ：粤卅4 h 士t 涮1 穿孔纸带 l u i 。h 1 1 w mp r 一 床 路 _ j ：级机编程机l 一一 j 自l 球：斟4 h 士曲幽i 外部存储器k 一 图1 - 1c n c 系统组成原理图 图l 一1 所示为机床计算机控制的原理图，控制系统主要是由计算机以及相应 的输入输出0 o ) 设备、控制机床的i o 通道组成。 计算机是c n c 系统的核心，由它完成有关信息的i o 管理和控制，并协调 整个系统工作。图1 1 可知微处理器与外界的联系均通过相应的i o 接口电路完 成。接口电路的作用一方面是作为微处理器与外界联系的信息i o 通道，另一方 面是将微处理器与外界隔离，从电气上起一定的缓冲和保护作用。 c n c 系统通常配置的i o 设备主要包括：键盘、光电阅读器、操作控制面 板、显示器( 发光二极管l e d 或阴极射线管显示器c r t ) 、纸带穿孔机和外部存 储设备。这些设备大都是通用的外部i 0 设备，对于具体的c n c 系统，并不 定配置所有这些i o 设备，而是视具体的系统要求而定。 c n c 系统中的操作面板主要用来安装操纵机床的备种控制丌关、按键以及 机床工作状态指示、报警用信号指示等设备，操作人员对机床的控制，了解当时 机床的的一：作：状态，均可通过操作控制面板进行。 c n c 系统一m 键鼎通常安装限操作控制f i l l 扳i + ，它的作川t - 璎，i c i 输入备种 第蕈绪论 操作命令及采片j 手动输入方式( m d i ) 输入零件加工程序，也可以对零件加f ：程序 进行现场修改和编辑。 显示器的主要用于c n c 系统的有关信息显示。例如，机床工作台的位置、 速度、主轴转速、刀具位置等机床的有关状念信息显示、零件加工程序的输入编 辑、修改时的显示和加工轨迹的显示等。 c n c 系统有的还保留了过去n c 系统的光电阅读机和纸带穿孔机。光电阅 读机的用途主要用于阅读零件加工程序的穿孔纸带，输入零件加工程序。在有些 c n c 系统中也用于系统控制软件的输入。穿孔机则是输入到控制系统中的零件 加工程序重新制成穿孔纸带的输出设备。在有些c n c 系统中，也可用于系统控 制软件的穿孔纸带输出。 通常，磁盘机作为c n c 系统的外部存储设备，用于零件加工程序以及有关 加工的数据信息的存放和读取，有的c n c 系统也用于系统控制软件的存取，并 可取代光电阅读机和穿j l 机作为输入输出工具。 计算规数控系统进行位置控制，通过对机床伺服机构执行元件的控制来实 现，伺服系统控制主要包括位罱控制装置和速度控制装置。在闭环c n c 系统中， 往往需要检测机床坐标运动的实际位置和速度，以提高控制精度，所以还具有位 嚣反馈和速度反馈环节。速度反馈环节没有在图1 1 中画出。开环控制c n c 系 统中，不需要位置反馈环节。 机床逻辑状态检测输入接口电路用于输入机床上安装的有关状态传感器件 的输出信息，例如，机床液压系统的压力状况，主轴转速以及主轴负载力矩是否 过大，工作台是否超程，刀架位置是否正确等等。 机床逻辑状态控制接口电路主要用于机床主轴电机的启停，冷却泵的丌启， 油泵的开启与停止及换刀等丌关量的控制。 二、我国数控系统技术的发展及意义 我国从1 9 5 8 年起，由一些科研院所、高等学校和少数机床厂起步，进行数 控系统的研制和丌发。当时，由于受到国产电子元器件水平低、部门经济等因素 的制约，未能取得较大的发展。改革丌放以后，通过引进国外先进技术、进行消 化吸收以及国家组织的产业化攻关等措施，1 , t 使我国数控技术逐步得到实质性的 进展。当f i i f ) , l 是通过国家攻关验收和鉴定的产品，以及其它通过“国家机床质量 监督检验中心”测试合格的国产系统，无论技术还是可靠性都有了很大的进步。 困产性能较高数控系统捌有小 i 的知以产权，能满足国防和军r 的需要，使 我圈一：孵受外上寸锁禁运t 岛性能数挖机床的限制。我们在数控技术i ：足后水抒， r j 以f h 快接受新技术，儿哥没仃f l m 的j 力殳包袱。徉数控体系纷掬 我们腿存 一t 第章绪沦 敛力于基于p c 的数控系统，和国外竞争者处于同一起跑线。基于p c 的数控系 统有很多优势，例如，元器件集成度最高，可靠性强，性能好，升级换代容易， 而且提供了开放式的基础，可利用的软硬件资源很丰富，使数控功能相应的得到 扩展。 三、c n c 系统的发展方向 现代数控系统大致向以下几个方向发展。 1 继续向开放式、基于p c 的方向发展 基于p c 的数控系统所具有的开放性、低成本、高可靠性、软硬件资源丰富 等特点，会吸引越来越多的数控系统生产厂家。采用p c 机作为它的前端机，来 处理人机界面、编程、联网通信等问题，由原来的系统承担数控的任务。f 1 本、 欧盟和美国等正在针对开放式的c n c ，进行前后台标准的研究。 2 向高速化、赢精度化发展 要提高机械加工的生产效率，其中最主要的方法就是提高速度，但是这样做 会降低加工精度。现代数控机床在提高速度的同时，也在进行高精度化。目前已 可在0 1 微米的最小设定单位时，进给速度达2 4 m m i n 。这就对数控系统提出更 赢豹要求。主要是提高计算机的运算速度，用3 2 位的c p u 取代1 6 位的c p u ， 主机主频也从5 m h z 提高到3 3 m h z 甚至更高。有的系统还制造了插补器的专用 芯片，以提高插补速度：有的则采用多c p u 系统，减轻主c p u 的负担，提高控 制速度。 3 提高数控系统的可靠性 可靠性提高了，可大大降低数控机床的故障率。新型数控系统大量采用大规 模和超大规模集成电路，还采用专用芯片提高集成度以及使用表面封装技术等方 法，可降低系统的故障率。此外，现代数控系统还具有人工智能( a i ) 功能的故障 诊断系统，用它来诊断数控系统及机床的故障，把专家们所掌握的对于各种故障 原因及处理方法作为知识库储存到计算机的存储器中，以知识库为依据来开发软 件，分析查找故障原因。只要回答显示器上显示的问题，就能和专家一样渗断出 机床的故障原因，提出排除故障的方法。 4 c n c 系统的智能化 充分利用软件技术，使系统智能化，给操作者更大的帮助。例如，c n c 系统 自动决定零件的加二r 部位、加卜r 序、加i 工顺序等，使操作者从要将加： 形状和 必要的毛利形：状输入c n c 系统，就能自动7 l 成加1 ：程序。使用自适应控制技术， 数控系统能睑测过秤一i i嵝醺崾点鬯，肖：自动渊祭系统的仃父参数，达到改进系 统i 薹f _ j i ：尺念的f | 的， 一d 一 第一章绪论 5 具有更高的通讯功能 许多工厂希望将多台数控机床组成各种类型的生产线或者分布式数控 ( d i s t r i b u t e dn u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) 系统这就要求数控系统提高联网能力。一般c n c 系统都具有r s 2 3 2 和r s 4 2 2 远距离串行接口，可按照用户的格式要求与同一级 计算机进行多种数据交换。现代数控系统大都具有m a p ( 制造自动化协议) 接口， 采用光缆通讯，提高数据传送的速度和可靠性。 1 2c n c 的硬件 早期的c n c 系统多采用小型计算机来实现，随着微电子技术的发展，性能好、 可靠性高、体积小、成本低廉的微机已成为构成c n c 系统的主要手段。本节主要 介绍c n c 系统中的计算机，特别是微机的组成与结构。 从构成形式上可将c n c 系统中的数控计算机分成两类。一类是由单一微处理 器构成的荦处理器系统，由一个处理器完成输入，输出、插补计算、伺服控制等各 。瑷任务。这类系统硬件和软件结构都较简单。另一类是由多个微处理器构成的多 处理器系统，也称功能分布的系统。c n c 的功能被划分成多个功能单元，由各个 处理器分担。多处理器系统性能高，可满足多坐标、高精度j 高速度的机械加工 要求，但是硬件结构复杂，成本较高，相应的软件设计要考虑各处理器间的通信 和同步，复杂性也大为增加。 一、单处理器系统的组成 单处理器的数控计算机系统由中央处理器( c p u ) 、内存储器、输入输出接口 三个子系统及将三部分连起来的信号线( 总线) 组成，图l 一2 是典型单处理器微机系 统框图。 1 c p u 子系统 中央处理器( c e n t r a lp r o c e s s i n gu n i t ) 是计算机的核心。在微机系统中，它通常 包括有一片超大规模集成电路来实现的微处理器以及少数辅助电路。微处理器的 工作基于一一个基准时钟( 主时钟) 。时序电路将主时钟分频，产生机器周期。一般一一 黎誊绪论 微 ! 处 理 。器 垫童翻；t 箜堂垃随一一一j 图1 2 单处理器构成的数控微机系统框图 条计算机指令的执行包含一个或多个机器周期，因此主时钟频率越高，其计算速 度越快。微处理器对外引线除了电源之外主要有三组：地址线、数据线和控制线。 这三组线经过缓冲，成为连接微机系统各部件的总线。一个微处理器内部数据通 道的宽度和对外数据线的宽度反映了它处理数据能力的强弱。数据宽度越宽，处 理数据能力越强，常用的微处理器数据宽度为8 位、1 6 位或3 2 位，相应的称为8 位机、1 6 位机和3 2 位机。 2 存储器子系统 用于控制的计算机的存储器通常分两类，只读存储器( r o m ) 和随机存取存储 器( r a m ) 。r o m 中存放的是微机执行的程序代码。系统加电后，微处理器总是从 一个固定地址的存储单元中取出第一条指令。在c n c 系统中，r a m 用来存放零 件的加工程序，各种系统变量，并提供运行中的工作区，如堆栈等。存储器与地 址、数据、控制三总线均有联系。当访问存储器时，地址总线送来所访问存储单 元的地址，存储器接收此地址并对其译码，从而选中对应的存储单元。控制总线 说明访问是读出还是写入，读出时，被选中的单元内容被选通，送至数据总线： 写入时，数据总线卜的内容被写入所访问的单元。地址、数据和读写控制信号之 蚓有严格的时序关系，保证存储器的证确访问。 3 “o 接f 子系统 数控计鲜机的i 0 接r 1 是连接汁算机与各类外阑设簖及机床饲服控制机构， 实肌汁算机与外部信息交换的通道。它提供数槲的缓冲，完成数捌形，的转换， + 丈现数葫r ：传送的刚步隔离汁算机j 被挖对缘，防i i ：i i 忧进入汁算 l 、 第章绪论 拔所传送信息的性质川。将i o 接分为数字鬣f ”天勘和锬拟虢接ll 。数字量 接口传送1 5 - _ 进制形式的数据。刀：关量i o 接口楚它的一种特例，争门处l f 通断形 式的外关量。在c n c 系统小，反映机床工作状态的刀。关状态经过丌关曼输入接口 送入计算机。丌关的闭合与断丌剥应二：进制的”l ”和0 。j 关量输m 口用于控制 机床控制机构的状念，如f 乜磁阀的丌启和关闭、继电器的吸台或断丌、步进电机 各相绕组中电流的导通和截止等。模拟量接口面对的是电流、电压等形式的外部 信息。模拟量接口通常具有模，数( a d ) 或数，模( d a ) 转换。 4 单处理器数控计算机实例 图l 一3 是f a n u c 一7 m 系统的总框图。7 m 系统的c p u 采用位片式的微处理器 来实现，4 片a m 2 0 9 1 构成1 6 位c p u ，时钟频率是57 1 4 m h z 。c p u 中的控制器 采用微程序控制方式，即每条机器指令由一段微程序实现。7 m 的存储器系统有三 部分组成：2 2 k b 的e p r o m 存放系统控制程序：1 k 的c m o s 工艺的r a m 存放 工作参数，当系统掉电时，蓄电池维持存放在它上面的信息：另外有i k bn m o s 工艺的r a m 作为数控系统的工作区域。系统设有专门的存储器存放零件加工程 序，可选用8 k 容量的c m o s 工艺的r a m 或9 6 k 的动态r a m 。系统工作时，加 工程序由纸带阅读机读入零件存储器，然后逐段送入工作区解释执行。 圈1 3f a n u c 。7 m 系统总体框i 割 直流伺服f u 动机 洲遮，u 动机 m 崔：检测元件 第誊绪论 二、多微处理器数控计算机的组成 多微处理器数控汁算机由一个以上通过某种连接线路连接在一起的微处理器 组成。在这种系统中每个处理器承担c n c 的一部分功能，能独立运行程序，又能 通过通信线路或共享的存储器与其他处理器交换信息，协调步骤，共同完成机床 的控制。 由于多个处理器并行工作，系统的运算和实时处理的能力大大增强，可适应 多坐标、高速度、高精度的加工要求，实现单处理器难以实现的功能。例如，在 多处理器c n c 系统中，零件加工程序的输入、数据预处理、插补计算和伺服控制 可以分别由不同的微处理器承担，然后将中间结果传送给其它处理器，这样能允 许较短的插补周期、更好的进给速度和更高的伺服控制精度。然而多处理器系统 增加了支持多处理器间通信、同步、共享资源的硬件，复杂程度增加。软件设计 上要考虑各处理器运行的程序之问的协调关系，防止因死锁造成的系统瘫痪，维 持共享数据的一致性从而保证软件功能的正确性等等。这些因素带来了新的复杂 性。一般来说多微处理器系统比单处理器系统复杂得多。但是由于其性能优异， 代表了c n c 系统的发展方向，必然得到广泛的应用。 处理器之问的互连是实现多处理器的c n c 系统要解决的重要问题之一。常用 互连方法有： 1 以专线通过输入输出端口连接。处理器数目不多，各处理器的功能固定 时，采用这种方法比较简单。 2 以共享存储器方式互连为各处理器提供一个统一的存储空间，方便了软 件的设计。但共享存储器的结构复杂，且容易成为系统“瓶颈”。 3 以总线连接各个处理器总线具有仲裁电路，解决处理器争用总线的问题。 酾矿1 一一一一一二 匹= _ 陶1 4 两班刁1f a g o rf a g o r 8 0 5 0 c n c 系统框图 v m e 总线 焉爵 磊 第。章绪论 图1 4 是磋班牙f a g o r 公司的f a g o r 8 0 5 0 c n c 系统的系统框图。这毪，一个 基于单总线多处理器系统。系统各模块由v m e 总线连接在一起。系统主机箱中装 有c p u c n c 、轴控一p l c 和i o 扩展模块。c r t 显示和键盘通过r s 2 3 2 和r s 4 2 2 接口与c p u c n c 模块连接，可以独立安装在便于观察操作的地方，而主机箱可 安装在机床电气柜中。c p u c n c 模块包括一个3 2 位微处理器、一个浮点运算协 处理器和一个图形处理协处理器。加工程序存储器的容量1 2 8 k 字节，可扩展到 1 m 字节，此外还有两个串行接口，r s 2 3 2 和r s 4 2 2 。该模块完成加工程序的解 释和插补计算等任务，解决人机界面问题。轴控p l c 模块第一部分功能是伺服控 制。它提供8 路反馈输入，可以接收6 个坐标轴，一个主轴编码器和一个手动进 给手轮回送的位置反馈量。8 路的_ + l o v 模拟量输出端口控制多个伺服电动机的运 行。该模块第二个功能是实现内置p l c 功能。这是由一个1 6 位或3 2 位的p l c 专 用微处理器控制4 0 路光隔离输入和2 4 路光隔离输出。 1 3c n c 的软件 计算机数控系统中硬件主要是指微机、外部i o 设备和机床i o 控制装置等。 而软件是指由一系列功能子程序组成的一整套程序。设计这些软件的目的是为了 完善和发挥计算机的硬件功能，是软件和硬件结合，形成一个具有特定功能的计 算机控制系统，从而使该系统能完成零件加工程序的输入、编辑、译码、数据计 算、插补和伺服控制等工作。 一、系统控制软件的组成 系统软件主要有以下几部分组成： 1 系统管理程序 2 零件加工源程序的输入、输出设备的管理程序 3 机床手动控制程序 4 系统的编译程序 5 插补程序 6 伺服控制及丌关量控制程序 7 系统白检程序 f 面芒要介绍一下系统管理、编泽、插补和伺服控制程序。 c n c 系统的锚：理槲序，或称为实时操作系统，足控制系统软f b 4 - h f 或缺的， 组成部分、从操作c n c 系统f f 】腰采磊，系统话+ 理阳弘从操作控制俪板i + 接收操 第章绪论 作者的命令，按照命令究成c n c 系统的各种操作和控制。计算机数控实时操作 系统基本上有两种常用结构，胁后台型及中断型。 后舟前卉 i s r ( 中断服务程序) = 圆 i s r 一 三一 闽二二二，_ 图1 5 前后台系统 v 时问 所谓前后台型( 或称超循环系统，s u p e r - l o o p ) 是指觚台程序负责插补加工及 机床前端信息的实时处理，而后台程序主要是指装入编译，预处理及调度等功能。 后台程序是个循环程序，前台程序是中断程序。时间相关性很强的关键操作一定 要靠中断服务程序来保证的。因为中断服务提供的信息一直要等到后台程序走到 陔处理这个信息这一步时爿得到处理，所以这种系统在处理信息及时性上不是很 强。这个指标称作任务级响应时间，最坏情况取决于整个循环的执行时间。 中断型操作系统是采用模块化结构，便于修改和扩充设计程序。整个系统是 一个中断控制系统，各功能程序均被安排成优先级不同的中断服务程序。它的任 务调度是依靠各任务之间的通信来解决。 零件加工程序是由多个程序段组成，一个程序段有一条语句构成。系统编译 程序的功能是把一段源程序经过译码、数据处理，生成供插补程序，机床的各种 控制程序所需要的内部形式的信息表。编泽过程一般要经过两次扫描和相应的数 据处理。第一次扫描：e 要是完成泽码和主硼法分析，结果放在个信息表中，供 第：j 次扫描时使用。这个信息表其实足个规定了具体地址的存储区，在陔存储器 中给每个定义过的代码郜舰定了地址。图1 7 是般数控系统编译程序的第 次 十i 捕挥j 的流剃图。 翠驽 第一章绪论 i ：电复位衲始化程序 一一一一一一_ 图1 - 6 中断型软件结构原理图 图1 7 第次扫描程序流程图 第一章绪论 第二次扫描程序的功能是完成完成源程序的词义分析，扫描按内部符号形式 存放的源程序信息表，分析诃的组合是否能构成一条萨确的语句。第二次扫描后 还要进行一些必要的数据处理，包括刀具半径补偿、刀具运动轨迹计算、象限判 断、进给方向判断、机床开关量控制的判断等等。最后形成供插补和有关机床控 制的结果信息表。 插补程序是根据建立的插补数学模型而编制的运算处理程序，常用的脉冲增 量插补方法有逐点比较法和数据积分法。通过运行插补程序，生成控制数控机床 各轴运动的脉冲分配规律。采用数据采样法插补时，则是生成由数值表示的各轴 位置增量。 伺服控制程序则是插补程序每次运行后的结果，通过适当的运算后直接输出 控制执行元件的程序。实际上，伺服控制程序是机床i o 控制回路中的接口软件。 在开环的步进电机控制中主要完成脉冲分配和电机的加减速控制；在闭环系统中 还要采样实际的位置误差，这个误差是上一个周期的跟随滞后，伺服控制程序将 它和插补出的位置增量相加后形成跟随误差送到伺服控制输出接口中去。控制伺 服电机的运行。 当一个数据段开始插补加工时，系统控制程序还要准备下一个数据段的读 入、译码、数据处理等，并且要保证在一个数据段加工过程中将下一个数据段准 备完毕。这样才能保证加工的连续性。 以上只是简单的介绍一下c n c 系统的各部分，实际的数控系统控制软件往 往比较复杂，尤其是对功能较强的系统更是如此，而且对于不同的系统控制软件 具体结构亦有较大差别。 l - 41 tc o s i i 实时嵌入式操作系统简介 实时嵌入式操作系统并不是一个新生的事物。从2 0 世纪8 0 年代开始，国际 上就有了一些i t 组织、公司进行商用嵌入式操作系统和专用操作系统的开发， 其中涌现出一些著名的嵌入式系统。经过多年的发展，目前世界上已经有了有一 大批成熟的实时嵌入式操作系统。 实时嵌入式操作系统可分为商用型和免费型。商用型的实时操作系统功能稳 定、可靠，有完善的技术支持和售后服务，但是往往价格昂贵。免费型的实时操 作系统在价格方面具有优势，目前主要有l i n u x 和uc o s - - i i 。这一节主要简单 介绍uc o s l i 实时嵌入式操作系统。 uc o s i i 是源代码公丌的实时嵌入式操作系统，它是pc o s 的升级版本。 主要特点如下： 第r 一卷绪沧 源代码公! 川= 源代码全部公j 1 ，# 且可以从有关出版物上找到详尽的源代码讲解和注释。 这样使系统变得透明，很容易就能把操作系统移植到各个不同的硬件平台上。 可移植性 uc o s - - i i 绝大部分源码是用a n s ic 写的，可移植性较强。而与微处理器 硬件相关的那部分是用汇编语言写的，已经压倒最低限度，使得u c 0 s i i 便于 移植。uc o s - - i i 移植的条件是，只要该处理器有堆栈指针，有c p u 内部寄存 器入栈、出栈指令。另外，使用的c 编译器必须支持内嵌汇编或者该c 语言可 扩展、可连接汇编模块，使得关中断、丌中断能在c 语言程序中实现。 可固化 uc o s - - i i 是为嵌入式应用而设计的，这就意味着只要开发者有固化手段， uc o s - - 可以嵌入到开发者的产品中成为产品的一部分。 可裁减 可以只使用uc o s 一中应用程序需要的那些系统服务，这样可以减少产品 中uc o s 一所需要的存储空间。这种可裁减性是靠条件编译实现的。 占先式 pc o s - - i i 完全是占先式的实时内核，这意味着uc o s _ i i 总是运行就绪条 件下优先级最高的任务。 多任务 uc o s i i 可以管理6 4 个任务，目前版本保留8 个给系统。应用程序最多 可以有5 6 个任务，赋予每个任务的优先级必须是不同的，这意味着uc 0 s i i 不支持时间片轮转调度法。 可确定性 全部pc o s i i 的函数调用与服务的执行时间具有其可确定性。也就是说， 全部u c o s - - i 的函数调用和服务执行时间是可知的，u c o s i i 系统服务的执 行时间不依赖于应用程序任务的多少。 任务栈 每个任务要有自己单独的栈，uc o s i i 允许每个任务有不同的栈空问，以 便压低应用程序对r a m 的要求。 系统服务 u c 0 s i i 提供很多系统服务，例如邮箱、消息队列、信号量、块火小固定 的内存的申请与释放、时l 刈相关函数等。 中断管理 - | i l 断町以使l r n ：执行的f f 务错时批起f c 粜优先级巫r 衙的任务陂咳巾，断唤 第誊绪| 醒，则高优先级的任务幻州断嵌套全部退出后立即执行，中断嵌套层数町达2 5 5 层。 稳定性和可靠性 p c o s - - i i 是基于u c o s 的，u c o s 自1 9 9 2 年以来已经有很多成功的商业 应用。u c o s - - i i 与u c o s 的内核是一样的，只不过提供了更多的功能。 第二章微型数控系统介绍 在本系统的开发过程中，选用了p c 机作为主控部分。这是因为在过去的几 十年里， p c 机已成为越来越多的微型机的标准，又由于p c 机的成本低，可靠 性的不断增长，性能的不断提高与完善，应用所涉及的面也越来越宽，已被称为 “工业标准体系结构”，而且p c 机有庞大的软件工具为后援，包括各种操作系 统、器件驱动程序、程序库、设计语言及调试，除错工具等。但是，p c 机由于 强调通用性、标准化，它不能满足实时控制，特别是强实时控制系统的要求。 另外有一点需要说明的是，本次丌发的系统它具备了数控系统基本功能，而 不是个完善的c n c 系统，所以我们称之为微型数控系统。微型数控系统是个开 环系统。， 2 - 1 系统总体介绍 微型数控( c n c ) 系统的硬件分成了两大部分，p c 机部分和一块用m c s 5 1 单片机开发的硬件电路板，这两部分是使用串行口r s 一2 3 2 连接起来的。( 本文下 面提到的上位机、下位机分别指p c 机、单片机系统) 上位机上的软件负责实现 本系统的用户操作界面、零件加工程序的输入、译码、速度计算等功能，最后形 成一组供下位机插补计算用的数据信息。下位机除了处理一些实时性强的机床信 号外，主要任务就是根据上位机指令执行机床控制和插补运算，输出机床的控制 信号。微型数控系统的简单结构如图2 - 1 。 上位机软件的开发是使用运行在w i n d o w s 操作系统下的v i s u a l b a s i c 工具完 成的，选用v is u a l b a s i c 是因为它的简单易用，而且对于本系统的丌发具有足够 强大的功能。上位机软件的结构如图2 - 2 。 第二章微j 性数控系统介! f 零件加丁 程序输入 机床 操作控制 图2 - 1 微型数控系统的结构框图 一一步进电机 一障窗u 卜文篓箨辑i f 竺兰竺卜_ 二干一丁 _ 网回磊曰厂唑 【，_ j1 、。_ j 匪f 卜面丽 图2 - 2 上位机软件结构框图 从图2 - 2 中可以清楚地看出上位机软件的基本功能。首先，上位机软件提供 了一个零件加工程序的编辑窗口，按照系统预先设定的语法编写零件加工程序， 然后编译，如果没有错误提示的话，编译的程序就可以送到下位机丌始加工了； 如果程序中有语法错误，则系统会给出提示，帮助修改。其次，上位机模拟机床 控制面板的主要功能按键，通过鼠标点击这些按键完成相应的机床控制，如机床 的启动、停止，主轴x 、y 方向的位置调整等等。另外，上位机接收并显示来自 下位机的信息。 下位机硬件结构采用m c s 一5 1 单片机作为处理机，由于控制软件采用了代码 公丌的实时嵌入式操作系统u c o s i i ，所需代码空间至少在8 k 字节以上，所需 数据空问也超过了该系列c p u 内部所能提供的数量，所以必须扩展外部存储空 m 。考虑到以后系统扩展， = i 前使用了。个3 2 k 芦行的e p r o m 和个8 k 字节 f nr a m 作为系统j 墨 j 的r j j f 【* in i j 。 第i 章微，数控系统介耋f 图2 - 3 下位机硬件结构图 代码公开的实时嵌入式操作系统c o s i i 可以移植到许多的微处理器上， 前提是该处理器必须要有堆栈指针，有c p u 内部寄存器入、出栈指令。c o s i i 是为嵌入式应用而设计的，很适合用在这种小型的系统中。 2 - 2 上位机软件用户界面 上一节简单介绍到上位机软件的结构和功能，这一节将接着介绍这个软件的 用户界面，即它的用法。由于是用v i s u a l b a s i c 开发的，上位机软件的界面简洁 明了，和传统的w i n d o w s 应用程序没什么区别，软件模仿数控操作面板的布局， 把所有的功能按钮都放在了软件界面上。如图2 - 4 。 整个界面按功能分成两个部分，左边是零件加工程序相关部分。左上部分的 文本编辑窗口是输入零件加工程序，并可对零件加工程序作修改，文本编辑窗口 下面是一些快捷按钮，用于对所输入零件加工程序的保存、编译等操作。文本编 辑的操作方法和w o r d 等常用文本编辑工具一样，如一些快捷键的定义，菜单和 快捷按钮功能的定义等。系统为用户提供了两种程序输入方式：直接从键盘输入 程序和从磁盘打丌已保存的程序。当对零件加工程序编辑完之后，可以按 “c o m p i l e ”按钮对零件加工程序进行编译。编译过程中如果发现语法错误，会 有对话框作出提示，进行修改。编译顺利通过之后，系统会弹出一个对话框说明 编洋完成。接下来就可以把编泽垒的零件：( | 工程序发送到卜| 位机门：始加：t ：了。 零件加- i 程序编辑区的卜衙放有旧组可选项，它们分别是”p r o g m o d e ”零件 第：章微，弘数控系统介 “ 图2 4 上位机软件界面 加工程序编写模式，可以选择你f 在编写的零件加工程序是按照绝对坐标编程还 是相对坐标编程，该项在编译开始之前选择有效，默认相对编程； w o k em o d e ” 机床工作模式，自动，手动选择；”c o o l ”冷却液的打丌选择是通过手动还是自 动：”p r o gr u n m o d e ”零件加工程序的运行方式，单段运行还是各数据段连续运 行，该项默认为连续加工方式。 右边是机床相关的控制按钮，最上面”f e e d r a t es e t u p ”可以设置机床进给率。 由于本c n c 系统是试验型的c n c 系统，所以简化了进给率的设置，分成五个主 轴进给速率档次，0 为主轴进给最快档，4 ”为主轴进给最慢档。接下来 有”x 一”、”x + ”等四个按钮，右边对应着四个输入框，输入框右边是要求正确输入 的数据范围。这四组控件的作用十掰当于数控机床配备的控制主轴沿x 、y 、z 轴 i i i 反方向移动的手动摇轮。系统要求输入的数据范嘲是0 0 1 至9 9 9 ，数值越大表 “操作首希单t - 轴降棚应的，i ：化移越人。 第一章微，数控系统介纠 接f 求是一组控制机床主轴运动启动、停l 的按钮，”e m e r g e n c ys t o p ” 和”s t o p ”按钮可以使机床主轴停止运动，”s t a r t ”按钮可以启动机床主轴运动。最 后还有三个主要的按钮需要介绍，”c o m m p o r tt e s t ”、”s e r i a lp o r ts e t u p ”、”s e n d p r o g ”。按f ”c o m m p o r tt e s t ”按钮将启动上位机和下位机的串口通路测试，如果 串口测试信号传输出错，将出现”t e s te r r o r ! ”对话框，说明串口没有连接好或是 有其他错误发生，这样上位机就无法f 确控制下位机。如果串口测试成功，将显 示测试成功提示，系统接下来就可以顺利通过串口传输指令和数据给下位机了。 图2 5 系统串口设置窗口 按下”s e r i a lp o r ts e t u p ”按钮，就会出现如上图2 - 5 所示的设置窗口，可以选择串 口、串口相关的参数等，设置完成后点击o k 按钮保存。”s e n dp r o g ”按钮可以将 顺利通过编译的零件加工程序发送到下位机开始进行加工。 2 - 3 机床模型 本次毕业设汁丌发的微型c n c 系统，是个小型的具备基本功能的c n c 系统， 可用于实际数控机床的的控制。f ：e = i 是，最终i i f 于客观条件的限制，采用试验装置 模拟机眯的动作。 他川的试验装胃避步进i f = l f j l 绘h 仪! ( 1 | | 冬42 - 6 ，绘蚓过程饪拟零什加i 过秤， 第一尊微刑数控系统介 “ 绘出的图形是模拟主轴加r 零件所走过的轨迹。 步进电机绘图仪有两个步进电机，分别驱动标笔沿x 方向和y 方向的运动 根据下位机系统发柬的控制信号在x y 平面内绘制图形。 图2 - 6 步进电机绘图仪原型图 下位机插补的结果通过m c s 5 1m c u 的p l 口输出一个字节到步进电机绘图 仪，再通过步进电机驱动电路，然后输出伺服控制信号控制步进电机的转动。 控n x 方向电机 l ：加电 0 ：断电 控制y 方向电机 l ：加电 0 ：断电 笔控 l ：起笔 0 ：落笔 p l | i 输 图2 7r 似机。，彬进f b 【绘俐仪接川联接j i 意图 + 3 0 r 步进电机 + 3 0 v 步进电机 电磁铁绕组 第章微7 - 数控系统介 “ p 1 口输出的一个字宵的信号：状态及弓执行元件联接方式如图2 7 所示，这 1 个字节的第6 、5 、4 位控制x 方向的步进电机，分别对应步进电机的a 、b 、 c 三相，第3 、2 、l 位控制y 方向的步进电机，也分别对应步进电机的a 、b 、 c 三相。由于插补采用三相六拍制，联系步进电机的驱动电路，当某位输出为1 时，该相步进电机通电；当某位输出为0 时，该相步进电机断电。 如果x 轴f 向运动，则各相输出顺序为：a 、a b 、b 、b c 、c 、c a 、a 。 相应p l 口输出内容为：0 x 4 0 、0 x 6 0 、0 x 2 0 、0 x 3 0 、0 x 1 0 、0 x 5 0 、0 x 4 0 。 如果x 轴反向运动，则各相输出顺序为：a 、c a 、c 、b c 、b 、a b 、a 。 相应p l 口输出内容为：0 x 4 0 、0 x 5 0 、0 x 1 0 、0 x 3 0 、0 x 2 0 、0 x 6 0 、0 x 4 0 。 如果y 轴正向运动，则各相输出顺序为：a 、a b 、b 、b c 、c 、c a 、a 。 相应p l 口输出内容为：0 x 0 8 、0 x 0 c 、0 x 0 4 、0 x 0 6 、0 x 0 2 、0 x 0 a 、0 x 0 8 。 如果y 轴反向运动，则各相输出顺序为：a 、c a 、c 、b c 、b 、a b 、a 。 相应p l 口输出内容为：0 x 0 8 、0 x 0 a 、0 x 0 2 、0 x 0 6 、0 x 0 4 、0 x 0 c 、0 x 0 8 。 第三章上位机软件的开发 在上一章内容中，本文介绍了上位机软件的界面，本章将介绍上位机软件的 实现，包括译码、串行口通信的协议等的具体实现过程。 3 - 1v i s u a lb a s i c 开发简介 上位机软件的开发是使用运行在w i n d o w s 操作系统下的v i s u mb a s i c6 0 语言工具完成的。v i s u a lb a s i c 的功能不如其它一些语言( 比如v i s u a lc + + ， c + + b u i l d e r ) 那么强大，但是在作毕业设计的有限时间内，v i s u a lb a s i c 是最 好的选择。下面简单介绍二下用v i s u a lb a s i c 语言丌发软件的特点。 v i s u a lb a s i c 提供了可视化的用户乔面设计功能，”所见即所得”的编程环 境使得软件界面设计如积木游戏一般，把程序员从繁琐复杂的界面设计中解脱出 来。语句生成器和快速提示帮助使用户不用记忆成千上力r 的属性和方法，在较短 时间内可以开发出功能强大的应用程序。种类繁多、功能强