（机械设计及理论专业论文）基于pmac的龙门钻床数控系统界面的研究与开发.pdf

硕士学位论文 摘要 随着现代制造业的快速发展，传统数控系统兼容性差、功能不易扩 展、人机界面不灵活等缺点日益显现。为了适应市场的需要，数控系统 的开放化成为数控技术的主流，其研究目的是建立一种新型的模块化、 可重构、可扩充的控制系统体系结构，从而高效高质地构造专用数控系 统，以适应市场地快速变化。本论文围绕基于p m a c 的龙门钻床数控系 统软件的设计和实现，就体系结构、底层原理、软件建模等方面进行了 系统研究，主要内容如下： 结合现有的几个开放式架构( 主要是o m a c 体系结构) ，从数控基本 功能、可扩展性、模块化等角度对开放式数控系统所达到的目标进行了 分析，提出了利用p m a c 构建n c 嵌入p c 型结构的开放式数控钻床系统 的方法，即在通用的p c 的扩展槽中插入运动控制板，p c 将实现用户接 v i 、文件管理以及通信等非实时部分的功能，实时控制由运动控制卡来 承担。研究了现有w i n d o w s 平台上的软件开发技术，在采用分时的并行 处理技术和多重中断的并行处理技术的基础上，利用v b 6 0 高级编程语 言以及控制板自带的开放的函数库自行开发构造所需的数控系统界面， 以满足用户需要。本数控系统具有友好的集成系统界面，把特有的功能 模块集成到了龙门钻床数控系统中，以中文方式交互咨询，能在微机环 境下运行，易于操作。 关键字：开放式数控系统；p m a c ；v i s u a lb a s i c ；动态链接库； 基于p m a c 的龙门钻床数控系统界面的研究与开发 a bs 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 fm o d e r nm a n u f a c t u r i n g ，t h ew e a k n e s s o ft r a d i t i o n a lc n cs y s t e mb e c o m e sa p p a r e n ti n c r e a s i n g l y ，s u c ha s ， c o m p a t i b i l i t y ，e x p a n d a b i l i t y ，i n f l e x i b l eh u m a n - m a c h i n e i n t e r f a c e sa n ds oo n i no r d e rt om e e tt h en e e do ft h em a r k e t ，t h er e s e a r c ho fo p e na r c h i t e c t u r e c n cs y s t e m si sb e c o m i n go n eo ft h em o s ti m p o r t a n td i r e c t i o n so fc n c t e c h n o l o g y t h eg o a lo fo p e na r c h i t e c t u r ec n cs y s t e mi s t ob u i l dam o d u l a r ， r e c o n f i g u r 8 b i ea n de x p a n d a b l ea r c h i t e t u r eo fc n cs y s t e ma n dm a k et h e d e s i g na n di m p l e m e n to ft h es p e c i a lm a c h i n em o r er a p i da n dp r e c i s ew i t h t h eb a c k g r o u n do fr a p i d l y c h a n g e d m a r k e t i nt h et h e s i s ，s o m e k e y t e c h n o l o g yo nt h ed e s i g na n di m p l e m e n to ft h es o f t w a r eo ft h en u m e r i c a l c o n t r o ld r i l lm a c h i n eb u i l d i n go nt h ep 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 a r e d i s c u s s e d ，i n c l u d i n g t h ea r c h i t e t u r eo f o p e n c n c s y s t e m ，t h e f u n d a m e n t a lp r i n c i p l e ，s o f t w a r e ，e r e f o l l o w i n ga r et h em a i nw o r k ： f i r s t ，o nt h eb a s i so fa n a l y s i so nt h ee s s e n c ef u n c t i o n s ，e x p a n d a b i l i t y ， d i s t r i b u t ea p p l i c a t i o no fi n t e r n a t i o n a lo p e nc n cp r o j e c t s ( m a i n l yo no p e n m o d u l a ra r c h i t e c t u r ec o n t r o l l e r ) ，t h em e t h o dm a k i n gu s eo fp m a ct o s t r u c t u r en ci m p l a n t i n gt h ea r c h i t e c t u r a lp ct y p e o p e n a r c h i t e c t u r e n u m e r i c a lc o n t r o ld r i l lm a c h i n es y s t e mh a v eb e e nb r o u g h tf o r w a r d t h a ti s t os a yt h a tt h em o t i o nc o n t r o lp a n e li si n t e r v e n e di np ce x p a n s i o ns l o tb e i n g a p p l i e du n i v e r s a l l y p cw i l lr e a l i z en o n - r e a lt i m ep a r tf u n c t i o ni n c l u d i n g t h ec o n s u m e ri n t e r f a c e ，t h ed o c u m e n ta d m i n i s t r a t i o na n dc o m m u n i c a t i n g a n ds oo n ；a n dt h er e a lt i m ec o n t r o lf u n c t i o ni sb o r nb yt h em o t i o nc o n t r o l p a n e l h a v i n gs t u d i e dn o wa v a i l a b l eat e c h n o l o g yd e v e l o p p i n gs o , w a r e u p p e rw i n d o w sp l a t f o r m ，o nt h eb a s i so fa d o p t i n gt h et i m ed i v i s i o np a r l l e l p r o c e s s i n gt e c h n o l o g ya n dt h em u l t i p l ei n t e r r u p t e dp a r l l e lp r o c e s s i n g t e c h n o l o g y ，m a k i n gu s eo fh i g h - g r a d ep r o g r a m m i n gl a n g u a g eo fv b 6 ，0a n d s e l fs i m u l t a n e o u so p e nc o n t r o lp a n e lf u n c t i o nw a r e h o u s e t h en u m e r i e a l c o n t r o ls y s t e mi n t e r f a c et h a tt h ec o n s u m e rn e e d e di sd e v e l o p e du p p e rt h e w i n d o w s p l a t f o r m t h e c n c s y s t e m w i t h f r i e n d s h i p i n t e g r a t e d a n d s y s t e m a t i c a li n t e r f a c e ，i n t e g r a t e sn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e mw i t hp e c u l i a r f u n c t i o nm o d u l e i tp r o v i d e saf r i e n d l y i n t e g r a t e ds y s t e mi n t e r f a c ei nw h i c h i n t e r c o n s u l t a t i o nc a nb ed o n ei nc h i n e s ei nt h ec o m p u t e re n v i r o n m e n t 硕士学位论文 k e yw o r d s ：o p e nc n cs y s t e m ；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 ； v i s u a lb a s i c ；d y n a m i cd a t ae x c h a n g e 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 嬲日期：坤，月矿日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留，使用学位论文的规定，同意学校保 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。本人授权兰州理工大学可以将本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和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名：勉 导师签名：赫 日期：z 柳年加拍 醐：1 引肘日 i i i 硕士学位论文 第l 章绪论 1 1 开放式数控系统的概念 数控系统按体系结构可分为封闭式和开放式两类。传统数控系统采用封闭式 的体系结构，即便是计算机数控( c n c ) 系统，其c n c 装置也以专用计算机系 统为基础。虽然选用高性能微处理器构成分布式处理结构，可以获得高性能( 如 多轴联动的高速高精度控制) 、强大的补偿功能、图形功能、故障诊断功能及通 信功能等。但出于技术保密和降低成本等原因，各数控系统生产厂商通常自行设 计数控系统的硬件和软件体系结构，不同厂商设计制造的封闭式数控系统的软 硬件模块、编程语言、人机界面都不相同、世界各大数控制造厂商在数控系统 硬件结构、实时操作系统、数据通信接口和通行协议等各方面实施技术垄断、市 场垄断，甚至维修服务的垄断，数控系统用户自身无法对购买的数控系统进行功 能扩展、系统维护和升级换代，数控系统的维护、维修以及人员培训等全部依赖 于世界各大制造厂商m 。 为了解决封闭性数控系统日益明显的弊端，以适应生产系统进步和发展的要 求，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，采 用开放式体系结构数控系统的概念。开放体系结构数控系统的含义是数控系统的 开发可以在统一的平台上，面向机床厂家和最终用户，通过改变、增加或裁减功 能模块，形成系列化，并可将用户的特殊应用集成到控制系统中，实现不同品种、 不同档次的开放式数控系统。世界各国，尤其是欧美和日本等技术发达的国家， 都大力开展开放式数控系统的研究，并取得了许多重要的研究成果。中国也紧紧 抓住数控系统朝开放式系统体系结构发展的重要机遇，充分利用开放式平台带来 的便利，使国内的数控技术实现了跨越式发展u 1 。 1 2 开放式数控系统的国内、外现状及其特点 1 2 1 开放式数控系统的国内、外研究的进展 ( 1 ) 美国首先发起在1 9 8 9 1 9 9 4 年中，美国国防部委托m a r t i n m a r i e t t a a s t r o n a u t i c s ( 马丁一马瑞塔航天) 研究所研究的下一代控制器( n e x tg e n e r a t i o n c o n t r o l l e r ，n g c ) 计划，作为具有开放式系统体系结构的提案，受到了广泛的 关注，标志全球控制器开放化时代的开始。随后实施的计划，将开放式控制器的 研究逐步引向深入。美国三大汽车工业巨头：g e n e r a lm o t o r 、f o r d 和c h y s l e r 与 控制器制造商合作，开发基于p c 的开放式模块化控制器，命名为开放式模块化 基于p m a c 的龙门钻床数控系统界面的研究与开发 控制器( 0 m a c ，0 p e nm o d u l a ra r c h i t e c t u r ec o n t r 0 1 ) 。目前已经具有8 0 多家研 究机构、9 家o e m ，1 6 家用户参与该组织，主要取得以下成就： 定义了标准化的o m a ca p i ，使得用户可以充分发挥自己的主动 性，装入自己的所需的特殊功能。 利用w i n d o wo s ，可以充分利用现有的个人计算机资源如c a m 、 p r o ，e n g i n e e r 。 以实时操作系统为核心，提供高性能的控制功能。 利用实时数据库，可实现数据的高效、便携化。 o m a c 的目标是：开放性( 将部件集成到标准控制环境中) ；模块化( 允许 部件“即插即用”，最大限度的满足特殊应用控制要求) ；可塑性( 对控制器的要 求变化时，可方便、有效地再构造) ；可维护性。d e l t a t a u 公司是推出“开放式” 控制器地旗手，该公司推出的p m a c - - n c 数控系统，采用工业p c + n c 板卡结 构，现已成为开放式数控系统的基本形式之一“1 。 ( 2 ) 欧洲奋起直追1 9 9 1 年l o 月，在欧洲信息技术研究发展战略计划 ( e s p r i t ) i i i 中开始了项整个欧洲的控制系统计划，即自动化系统中的开放 式控制系统体系结构( 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 l sw i t h i n a u t o m a t i o ns y s t e m ) ，其目标是研制出自动化系统中的开放式系统体系结构，参 加单位来自欧洲各国l l 家机床厂、控制器厂商和高等院校。o s a c a 对开放式系 统作了系统、全面的定义：开放式系统应包括一组逻辑上可分的部件，部件间的 接口及部件与执行平台间的接口要定义完备，并可实现不同开发商开发的部件可 协调工作并组成一个完整的控制器，该控制器可运行在不同的平台，并实现对用 户和其他自动化系统致的接口。图1 1 为o s a c a 开放平台结构。o s a c a 体 系结构有三个关键之处，其一，参考体系结构( r e f e r e n c ea r c h i t e c t u r e ) 具有平 台无关性，通过应用程序接口( a p i ) 与系统交换信息。所谓参考体系结构是指 全面描述控制器组织结构的模型，包括控制器功能模块的划分、控制器软件功能 模块的划分和模块之间的接口定义等；其二，通信系统( c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) 将控制器软件与计算机平台隔离，使数据交换与系统无关，由通信系统支持控制 器中各模块之间的数据交换；其三，配置系统( c o n f i g u r a t i o ns y s t e m ) 记录控制 系统组成，描述系统启动自举所需要的信息和操作，类似于w i n d o w s 操作系统 中系统注册表的作用。o s a c a 模型的理想是在标准平台上建立由可以组合的模 块组成的系统，是诸多开放式控制器研究计划中最为理想的模型，但尚未推出完 全遵循o s a c a 模型的产品。 硕士学位论文 图1 1o s a c a 开放平台结构 ( 3 ) 日本的跟进日本作为世界数控机床产品和技术的出口大国，在数控 系统开放化研究方面持积极而又谨慎的态度。其代表性研究成果是由开放系统环 境( o s e ) 研究会提出的o s e c ( o s ef o rc o n t r o l l e r ) 计划。这个计划在技术实 现方面比欧洲的o s a c a 计划务实，但不够完美。o s e c 研究分两步进行，在 o s e c i 中提出了f a d l 这样一种中性语言，试图用这种语言将机械厂家自己的 加工技术进行表述，放入数控系统中，并利用f a d l 试作简单的c a m ；在o s e c i i 中，进一步发展为加工记述法语言( o s e l ) 。o s e l 将终端用户和机械厂家等积 蓄的固有生产技术，演绎为软件包，成为具有可重复利用特性的新的n c 语言。 日本的o s e 研究会成立于1 9 9 4 年，发起者为东芝机械、丰田工机、山崎、日本 i b m 、三菱电机和s m l 等公司。截至到1 9 9 5 年底，已有1 8 家企业和一个研究 单位加入到o s e 研究会中。o s e 研究会的研究行为属于志愿的自立行为，与代 表日本政府的n c 开放化政策委员会无任何关系，但在o s e 研究会颁布的文件 中，充分尊重n c 开放化政策委员会的意见“1 。 ( 4 ) 我国的机遇我国在数控技术方面与欧美和日本等发达国家存在很大 的差距，高档数控系统一直试这些国家对我国实行技术封锁的重点领域。由于早 期数控系统普遍采用封闭式结构，很难突破发达国家在数控技术方面的垄断，造 成长期以来我国生产的数控机床，尤其是高档数控机床，只能配备进口数控系统 的被动局面。数控系统采用开放化体系结构，在硬件和软件方面都给我国数控技 术的进步和发展带来难得的机遇。尤其在发展基于工业p c 的数控系统方面，可 以采用通用的计算机硬件平台和开放的操作系统软件环境，为我国数控技术的跨 越式发展创造了十分有利的条件璐1 。近年来，我国各专业研究机构抓住开放化带 基于p m a c 的龙门钻床数拧系统界面的研究与开发 来的良好机遇，先后推出了中华i 型、华中i 型、航天i 型等一系列拥有自主知 识产权的数控系统产品，大大缩小了与发达国家在数控技术和数控产品方面的差 距。其中中华i 型、华中i 型是基于通用3 2 位工业p c 机和d o s 平台的开放式 体系结构，具有较好的模块化、层次化特征，系统配套能力强，扩展与伸缩性较 好，便于二次开发，较好地实现了c a d c a m c a p p ”。 1 2 2 开放式数控系统的特点 开放体系结构数控系统的本质特征是开放性，与传统封闭式数控系统相比， 主要具有以下特点m 。 面向未来开放由于软、硬件接口遵循公认标准，扩展或升级的软，硬 件资源很容易被现有系统所采纳、吸收和兼容。这意味着系统的开发费 用将大大降低，系统性能可以持续改善，可靠性可不断提高，产品生命 周期可大大延长。 应用软件移植性好开放式数控系统的应用软件与底层软、硬件支撑无 关，便于多位软件设计人员针对相同被控对象，在不同的运行环境下并 一行开发应用软件。可采用软件工程方法，实现软件的模块化和复用，从 而有效地解决数控系统应用软件的产业化，以加快应用软件开发。 网络集成便捷开放式数控系统采用标准总线和通信网络协议，可接入 计算机网络，作为网络加工中的加工设备和通信站点，便于制造网络集 成。 人机界面友好开放式数控系统采用通用型人机界面，符合人机工程 学要求，操作方便、易于观察，交互性好。 编程语言标准化开放式数控系统采用统一性、标准化数控加工编程语 言，可以从根本上解决封闭性数控系统编程指令不统一的问题，可大大 减少编程劳动。 系统灵活性强开放式数控系统允许用户根据实际需要扩展和裁减系 统，用户可从低级控制器开始，逐步扩充系统的功能，提高系统的性能。 用户也可在系统中融入自己的技术诀窍，创造出具有自己特色的产品。 可减少产品品种开放式数控系统通用性强，便于批量生产，可有效地 保证系统地可靠性并降低制造成本，增加市场竞争力。 1 3 几种基于p c 的开放式数控系统的比较 基于p c 的开放式数控系统目前大致可分为专用数控加p c 前端的复合型、 n c 嵌入p c 型和全软件型3 种典型结构阻1 。 ( 1 ) 专用数控加p c 前端的复合型结构 硕士学位论文 这种结构的数控系统将p c 作为n c 的部件嵌入在数控系统中，用内部总线 相连接，p c 和n c 连接在一起构成前、后台结构，可形成多微处理器数控系统。 它的n c 部分仍然是传统的数控系统，用户无法介入数控系统的核心，但可利用 p c 丰富的软件资源，满足开放性要求。这类数控系统的优点是原来的c n c 不必 改动，既保持了原来c n c 系统强大的功能，又具有数据传送速度快、系统响应 时间短的特点。其缺点是不能充分发挥p c 的潜力，开放性受到一定限制，系统 造价无法降低。这类数控系统或者提供p c 的前端接口，或者直接将p c 母板嵌 入c n c 中。这种结构的数控系统主要出自知名的c n c 系统制造商，原因是这些 制造商不愿放弃传统成熟的c n c 技术，而又需要p c 的柔性和开放性，于是采 取了一种折衷的解决方案。随着计算机技术的发展，硬件的标准化和成本不断降 低，这种开放式数控系统结构很可能只是过渡。采用这种开放式结构的数控系统 的代表产品有f a n u c1 8 i 、f a n u c1 6 i 系统、s i e m e n s8 4 0 d 系统、n u m l 0 6 0 系 统及a b 9 3 6 0 系统。 ( 2 ) n c 嵌入p c 型结构( 基于运动控制器的开放式数控系统) 这种结构的数控系统是在通用的p c 的扩展槽中插入运动控制板或整个 c n c 单元( 包括内嵌式p l c ) 。p c 将实现用户接口、文件管理以及通信等非实 时部分的功能，实时控制( 机床的运动控制和开关量控制等) 由插入p c 扩展槽 中的c n c 单元或运动控制板来承担。这种开放式数控系统目前是较为先进的。 但是该系统的c n c 核心部分运动控制和伺服控制仍要依赖于专用运动控制 卡，还未达到整个产品的硬件通用化。 运动控制卡通常选用高速d s p 作为c p u ，具有很强的运动控制和p l c 控制 功能，它本身就是一个数控系统，可以单独使用，它的开放的函数库供用户在 w i n d o w s 平台下自行开发构造所需的控制系统。目前这种运动控制卡被广泛应用 于构造开放式数控系统。如美国d e l t at a u 公司用p m a c 多轴运动控制卡构造的 p m a c - - n c 数控系统，日本m a z a k 公司用三菱电机的m e l d a s m a g i c 6 4 构 造的m a z a t r o l 6 4 0 数控系统等。 ( 3 ) 全软件型结构 全软件型结构c n c ( s o f tc n c ) 又称为纯p c 型开放式数控系统。这种结构 的开放性数控系统的特点是c n c 的全部或大部分功能均能由p c 承担，并通过 装在p c 扩展糟中的驱动接口卡对伺服驱动进行控制。在p c 中采用实时操作系 统或对操作系统进行实时功能扩展，由p c 完成数控系统中所有的实时任务和非 实时任务，如编译、解释、插补和p l c 等。 这是种理想的开放体系结构的数控系统，c n c 软件全部装在计算机中， 而硬件部分仅是计算机与伺服驱动和外部i o 之间的标准化通用接口，能提供给 用户最大的选择性和灵活性。就像计算机中可以安装各种品牌的声卡、显卡和相 基于p m a c 的龙门钻床数控系统界面的研究与开发 应的驱动程序一样。其典型产品有美国m d s i 公司的o p e n c n c 、德国p o w e r a u t o m a t i o n 公司的p a 8 0 0 0 n t 等。 比较上述的3 种类型的开放式数控系统，可以发现：第一种开放式数控系统 主要从硬件的模块化和接口的标准化上满足数控系统的开放性，对硬件制造水平 要求较高，还有很强的封闭性，属于过渡阶段的产品；第二种数控系统充分挖掘 计算机软件的潜力，通过软件模块化和计算机通信标准化构建开放式数控系统， 实践证明是目前实现开放式数控系统最经济，最现实的途径；第三种数控系统将 p c 的灵活性和硬件的实时性结合起来，从而降低了对硬件的要求和对操作系统 实时性的要求。在本数控系统中，我们采用第二种类型的开放式数控系统。 1 4 课题的提出及研究意义 随着石油化工，热能工程等行业的发展，管板类零件的加工越来越多，要求也 越来越高。如我国某特大型炼油化工企业，由于生产需要，在炼油装置区内安装有 上千台不同规格的换热器。换热器一般由壳体和管束组成，管束又由管板、折流 板和换热管等组成。管板和折流板上钻有大量的孔，管板的最大直径约6m ，孔数 约6 0 0 0 个左右，孔直径1 1 5m m ，孔问壁厚1 2 5m m 。为了使换热管能顺利的 插入管板，不仅要求每个孔有一定的加工精度，更重要的是孔间的相互位置精度要 求较高( 误差一般要求为0 0 5m m 左右) 。以往加工管板，折流板通常是人工划线， 而后再在普通龙门钻床上钻孔。这种方法不仅劳动强度大。效率低，每件加工需要 百余个工时；而且加工精度差，经常出现换热管插不进管板，折流板，造成工件报废 和返工。因此应用高精度。高自动化的数控机床加工已势在必行。但是购置一些 专用韵大型数控机床或加工中心价格昂贵。如将工厂现有的普通龙门钻床进行数 控化改造，是一条费用低、收效快、切实可行的方案。 在龙门数控钻床改造中，多轴同步控制是一种关键的控制技术，在本机床中 龙门框架的移动控制就是如此。在一般情况下，虽然可以采用单电机通过锥齿轮 等机械机构驱动双边的方案，但是传动机构复杂、间隙较大，很可能造成闭环控 制系统的不稳定，产生大量的累计误差，而且运行噪声也较大，维护困难。此外 这种方法若用于负载转动惯量较大的场合，因其传动效率低，必然要选用功率较 大的电动机，从经济上考虑该方法就不是很理想。 针对上述问题，我们采用p m a c 运动控制卡来对普通龙门钻床进行数控改 造，即采用n c 嵌入p c 型结构。p m a c 是美国d e l t at a u 公司遵循开放式系 统体系结构标准开发的开放式可编程多轴运动控制器，它可以同时控制最多8 根主轴，针对不同的电机，p m a c 可提供相应的控制信号。p m a c 还提供了误差 补偿的功能，利用这一功能可以进行包括螺旋补偿( 丝杠补偿) 、阃隙误差补偿 及力矩补偿等来提高电机的定位精度。此方法灵活性大，补偿量可以方便地改变， 硕士学位论文 同时p m a c 还能执行复杂地间隙补偿，即当电机按要求的速度方向反向运动时， 一个可预处理的间隙就加了进来，该间隙在电机移动的过程中可以是一个常数， 也可以是其位置的一个函数。此外p m a c 还提供了函数库，用户可以利用第三 方软件开发需要的数控界面。 本课题就是在用p m a c 运动控制卡对普通龙门钻床进行数控化改造过程中， 利用第三方软件v b 6 0 进行龙门钻床专用数控界面的设计和开发。本课题意义 就在于一方面满足了炼油化工企业在生产过程中对设备高精度的要求。龙门数控 钻床的改造成功后，炼油化工企业可以自主生产需要的高精度设备，结束了高精 度设备依赖进口的局面，为企业节省了大量资金。另一方面，也使我国在数控钻 床改造方面的技术更上一层楼，尤其是在发开开放式数控系统技术方面，使我国 与美国、日本等发达国家的差距进一步缩小。 1 5 论文研究的主要内容 本文需要作者查阅国内外大量的有关利用运动控制器开发数控系统的理论 和方法、p i d 控制方法以及人机界面设计等方面的资料及文献，利用v i s u a l b a s i c 6 0 面向对象的高级编程语言和运动控制器自带的动态链接函数库，开发出 套双主轴龙门钻床的数控系统软件。 论文的主要研究内容有以下几方面： ( 1 ) 研究运动控制器的工作原理、硬件结构和软件的特点。 ( 2 ) 根据双主轴龙门钻床的基本结构及工作流程，给出数控系统的硬件结 构，并对p i d + 陷波伺服滤波器的算法及原理进行研究。 ( 3 ) 运用软件工程的方法，对数控系统软件部分进行功能划分，确定数控 系统软件的结构体系。 ( 4 ) 利用v i s u a lb a s i c 高级编程语言，在w i n d o w s 操作系统平台上完成了 数控系统软件的功能的开发，包括实时软件功能和非实时软件功能，并建立起友 好的数控系统界面。 基于p m a c 的龙门钻床数控系统界面的研究与开发 第2 章p m a c 多轴运动控制器 可编程序多轴控制器( 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 ，p m a c ) 是美国 d e l t a t a u 公司1 9 9 0 年推出的基于工业p c 和w i n d o w s 操作系统的多轴、多通道 开放式运动控制器，也是目前世界上功能最强的运动控制器之一。p m a c 采用先 进的运动控制技术和w i n d o w s 平台，满足用户在运动控制各个领域中的应用需 求。已在机器人、数控机床、造纸、和木材加工机械、各种装配线、食品加工机 械、印刷包装等机电一体化设备上得到广泛应用”1 。 p m a c 实际上是一台完整的计算机系统，而且是一台实时多任务计算机系 统，它可以自动进行任务优先级判别，并按优先级别高低调度并执行任务，从而 大大减轻了主机任务切换和执行实时控制任务两方面的负担，提高了整个控制系 统的运行速度和控制精度。 2 1 多轴运动控制器的硬件结构、主要特点及功能 2 1 1p m a c 的硬件结构 p m a c 的硬件结构如图2 1 所示，它以m o t o r o l a 5 6 0 0 1 ( 2 0 3 0 m h z ) 2 4 b i t 定点数字信号处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，d s p ) 为核心，指令读取、2 4 位乘法、5 6 位加法、两个数据移动及地址指针修改，都可在一个指令循环中完 成，全面拓展了d s p 的强大功能n ”。d s p c p u 与外部编码器及电机放大器接口 都集成在一块d s p g a t e 上，这个芯片能够控制四个模拟输出通道，四个作为 输入的编码器，和四个来自附件的模拟驱动输入。p m a c 运动控制器作为嵌入在 数控系统中的一个高性能伺服运动控制器，可通过灵活的高级语言，实现对1 8 个轴的实时伺服控制。通过多卡连接方式还可控制多达1 2 8 个轴的运动。 硕士学位论文 扩 展 口 点连接嚣ii 输入，输出li 串口ll 显示口ll 手轮li 输入输出 i o 缓冲iii o 缓冲ifii o 缓冲il i o 缓冲| | 驱动放大 串口 通信接口 s r 誓 12 8 k b 2 4 动态存储器 f l as h 1 2 8 k b x 8 dsp卯56”0024bit2 0 3 0 t 。h z 懒 l ll 看目 ii 疋啊器 d p r a m 8 k b x l 6 接口 总线通信 接口 4 轴伺服 s i c 输入输出 缓冲器 i s a 总线 图2 1p m a c 硬件结构框图 s r a m l 2 8 x 2 4 动态存储器1 2 8 k 的2 4 位编译或组合的程序存储器 ( s r a m ) ，开机时p m a c 的各种参数配置调入此存储器。p m a c 工作 时直接从此存储器内调用数据；也可以存储用户的运动程序以及没有编 译的p l c 程序。关机时存储器内的数据丢失。 f l a s h l 2 8 k 81 2 8 k 的8 位闪存，用于存储用户变量等p m a c 卡的配 置以及用户的程序。 看门狗定时器p m a c 的板载的监视时钟，这个子系统给软件故障提供 了故障安全关断功能。p m a c 由于监视时钟而断开硬件电路，必须要有 两个条件。第一，它必须检查到一个比4 5 7 v 高的直流电压。如果电源 电压比这个值低，电路的继电器将断开而且这个卡将关断。这就避免了 由于电压不足而导致的寄存器错误。第二个必须的条件是时钟必须检查 到一个频率比2 5 h z 高的方波输入( 由p m a c 软件提供) 。在前台，实时 中断程序设置了该信号，然后后台程序重新设置该信号。如果该卡由于 硬件或软件的原因而不能以该频率或更高的频率来重复设置并清除该 位，那么电路的继电器将断开而且整个卡将关断1 。 d p r a m8 k x l 6 接口双端口存储器，内有8 k 1 6 位的存储单元，并有 总线仲裁机构，允许p m a c 与主机共享一块快速存储空间。主要用来与 p m a c 进行快速的数据通讯和命令通讯。 基于p m a c 的龙门钻床数控系统界面的研究与开发 2 1 2p m a c 主要特点及功能 1 p m a c 运动控制器特点 运算速度快，每个坐标轴的伺服更新速度可达2 k h z ： 数据精度高，位置坐标数据可达到3 2 位精度、输出数据精度为1 6 1 8 位 内置丰富优秀的插补算法，包括直线、圆弧、p v t ( 位置- 速度时间) 、 三次样条插补算法用于生产各种类型的运动轨迹； 具有良好的通用性，支持标准的机床加工代码( g 代码) 编程； 具有灵活、简练的运动控制程序语言； 优良的伺服控制算法：p i d + n o t c h 滤波+ 速度加速度前馈，还支持 用户设计的伺服控制算法1 。 2 p m a c 所具备的功能 ( 1 ) p m a c 的伺服控制功能标准p m a c 运动控制器提供p i d 参数调整、 速度和加速度前馈控制功能，阶式滤波器( 5 - 5 0 0 m h z ) 功能具备2 4 位增益分辨 度。一般来说，伺服能力只能用每小时完成的操作或生产的合格零件来衡量。当 今，对产品质量的要去已超过对生产率的要求，所以在设计系统时，系统的每一 部件都要最好。可以用以下三点来衡量伺服控制器的能力“： 处理能力对于计算机的c p u ，处理器的能力通常用m i p s ( 每秒钟的百 万指令数) 表示。d e l t a t a u 公司的p m a c 以s e r v o u p d a t e b l o c k a l g o r i t h m t e r m ( 伺服刷新块算法条件) 为单位来衡量p m a c 控制器。p m a c 的 伺服更新率一般在2 0 m h z 3 0 m h z ，是一般控制器的5 倍以上；具有每 秒可处理5 0 0 7 5 0 个程序块的执行效率，是一般运动控制器的5 倍以 上；伺服算法可达9 项，控制精度更高。 轨迹特性由于高级伺服应用中所要求的准确性和平滑性，必须在运行 中精确计算三维位置。d e l t at a u 以t r a j e c t o r yu p d a t er a t e c a l c u l a t i o n b i t o u t p u tr e s o l u t i o n ( 轨迹更新率计算位数，输出位数) 为单位来衡量 这一能力。p m a c 的轨迹更新率在5 0 0 h z 以上，计算位数为5 6 位，输 出位数为1 6 位。 输入带宽特性输入带宽特性影响到电机运动的分辨率，输入带宽越大， 则分辨率越高。p m a c 运动控制器的串行输入带宽可达到l o 1 5 m h z ， 分辨率可达2 5 纳米。多年来，人们直希望能够以2 5 4 c m s 的速度移 动精密x y 平台，并使其分辨率达到2 5 4 纳米( o 0 2 5 4 微米) 。用p m a c 运动控制器、直线电机以及激光干涉仪反馈可以实现这一目标。而这一 突破要归功于其大带宽特性和对直线电机进行高速数字计算能力的结 硕士学位论文 合。编码输入的串行处理速度是大多数控制器的l o 到1 5 倍，并且d e l t a t a u 的p m a c 控制器具有如下一个独特的性能：即可以从高分辨率编码 器件接受低插补位的5 位并行数据。因此，可以得到3 2 0 m i - i z 的有效输 入带宽。 ( 2 ) p m a c 输入，输出功能p m a c 中d s p 通过d s p g a t e ( 特殊门阵列) 与受控轴建立连接关系，每个d s p g a t e 控制四路编码器和四个模拟输出通道， p m a c 可直接接受o 5 v 的正交编码器信号，p m a c 控制器的i ，o 接口可通过 相关附件进行扩展。 ( 3 ) 变量与内存管理功能p m a c 控制器采用i o 与内存统一编址方式， 双1 6 位地址空间。当指定地址时，必须指出使用哪一半内存，或者作为一个4 8 位字来使用。如果使用d p r a m ( 双通道内部存储器) ，则d p r a m 将被映射到 p m a c 内存空间的固定位置( $ d o o o $ d f f f ) 。p m a c 不允许用户自定义变量 名，只能使用p m a c 本身定义的4 种变量( i 、p 、q 和m ) ，一个变量由字母后 跟随0 1 0 2 3 位的数字组成，每个变量都有其特定含义。 ( 4 ) p l c 功能运动程序的顺序特性使它能很好适应一系列的运动并相互 协调其它坐标系的运作，然而，当在执行那些不是用运动的顺序来直接协调的动 作时，这些程序就不适应作坐标系的运动。对于这些类型的任务，p m a c 提供给 用户编写p l c 程序的能力。其工作原理与工业控制领域广泛应用的p l c 相同， 都是以循环扫描逻辑顺序控制程序来执行命令的。其特殊之处在于，它不采用梯 形图编程，而是采用类似b a s i c 等高级语言的编程方式，编程更加灵活、方便、 易于存储、易于编辑和调试，而且p l c 执行速度也超过普通p l c 。p l c 控制程 序存储在程序缓冲区中，在实际运行过程中，p m a c 将p l c 控制任务和通信、 伺服环更新、运动程序执行等任务分时运行，从而实现了多任务实时控制。 2 3p m a c 常用接口及其功能 p m a c 的i o 接口如图2 2 所示。p m a c 共有j l j 1 1 个接口，具体功能如 下： 基于p m a c 的龙门钻床数控系统界面的研究与开发 i s a p c i 总线 图2 2p m a c 的i o 接口 1 ) 儿( j d i s p ) 显示口。j d i s p 接口用来驱动( 2 线x 2 4 字符( a c c 1 2 ) ) 、 ( 2 x 4 0 ( a c e - 1 2 a ) ) 的l c d 显示器，或者2 x 4 0 的真空荧光( a c c 1 2 c ) 显示单 元。用d i s p l a y 命令可以发送要显示的信息。此接口地址空间为y ：$ 0 7 8 0 $ 0 7 d 1 。 2 ) j 2 ( j p a n ) 控制面板接口。j p a n 接口连接附件1 6 ( 控制面板) 或者 用户自定义的i o ，通过简单的开关实现p m a c 的手轮控制。此接口包括专用控 制输入、专用控制输出、一个正交编码器输入和一个模拟输入。此功能受参数 1 2 控制、若参数1 2 = l ，此功能被禁止。 3 ) j 3 ( j t h m ) 多路输入输出口。j t h m 提供了8 输入8 输出t t l 电平的多 路i o 口，采用非多路复用模式时，1 6 个i o 点可独立使用；在多路复用模式时， s e l n 可用来确定是哪一路i o 被选择，这种方式可以使此接口成倍地增加i o 点数。i ，o 地址空间为y ：$ f f c l 。 4 ) j 4 ( j r s 2 3 2 ) r s 2 3 2 串行口。通常用于与p c 通信。 5 ) j 4 a ( j o p t ) r s 4 2 2 串行口。 6 ) j 5 ( j o p t )通用i ，0 口。j o p t 提供8 输入8 输出的通用i 0 口，i 0 口能接受或提供5 2 4 v 电压，输出通道最大电流1 0 0 m a 。使用跳线e 7 可以控 制输入源，输出口的电压源可源自内部集成电路，用跳线e l 和e 2 改变。这些 输入和输出通常通过定义m 变量用软件进行读取，变量m i m 8 通常用于读取 输出1 8 ，m i l m 1 8 分别用于读取输