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开放式数控铣床控制系统的设计与研究 摘要 本论文的撰写是基于实际应用型课题一一合肥工业大学工业培训中心三 坐标数控铣床的研制。综合考虑课题的实际情况，采用了“嵌入式工业p c + 运 动控制卡”的数控体系结构。系统选用深圳研祥公司提供的p c i0 4 16 2 1c l d n 嵌入式主板和深圳众为兴公司的a d t - 8 6 44 轴运动控制卡。伺服驱动系统是由 台达公司提供的基于高性能d s p 的a s d a b 系列交流驱动器及配套伺服电机。 论文首先对数控系统与数控技术的发展概况和发展趋势以及开放式数控 系统的概念特点进行了概述，并对系统的研究实现方案以及研究的内容和关键 问题作了可行性论证分析；然后介绍了本系统的结构组成和相关原理理论等， 并提出了对圆弧插补的改进算法；接着介绍了组成系统硬件的功能原理和特点， 并对系统的主要电气连接作了详细的设计；再接着是对数控系统软件和仿真的 研究设计，主要对n c 代码的编译解释和刀具补偿的软件实现作了研究，并对 刀具轨迹的仿真作了详细的设计论述；之后是对基于s v p w m 控制原理的研究 和结构建模；随后对控制系统的性能作了分析研究，给出了较为详细的系统调 试和参数整定方法；最后总结性地介绍了课题研究的主要工作、成果和对课题 的展望。 本论文来源于实际应用型课题，在一定程度上有实际的理论意义和借鉴价 值，特别是对从事数控系统和数控装置等方面开发研究的人员。 关键词：开放式c n cs v p w m 数控仿真伺服性能系统调试 r e s e a r c ha n dd e s i g no nc o n t r o ls y s t e mo fo p e n n u m e r i c a lc o n t r o lm i l l i n gm a c h i n e a b s t r a c t t h i sp a p e rd e r i v e sf r o map r a c t i c a la p p l i c a t i o ns u b j e c tw h i c hi ss t u d y i n ga b o u t t h r e e c o o r d i n a t en u m e r i c a lc o n t r o lm i l lm a c h i n ec a r r i e db yt h ei n d u s t r i a lt r a i n i n g c e n t e ro fh e f e iu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y c o n s i d e r i n gt h er e a l l ys i t u a t i o n ，w e e m p l o y s e m b e di n d u s t r i a lp c1m o t i o nc o n t r o l l e r a st h em a c h i n e sn u m e r i c a l c o n t r o ls y s t e m t h es y s t e mc o n t a i n se m b e dp ca n df o u ra x e sm o t i o nc o n t r o l l e r 。 t h ef o r m e rt y p ei sp c i0 4 1 6 2 4 c l d ns u p p l i e db ye v o co fs h e n z h e n ，a n dt h e l a t t e rt y p ei sa d t - 86 4 4s u p p l i e db yt a i d ac o m p a n y a tf i r s t ，t h ep a p e rs i m p l yi n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n th i s t o r y ，t r e n da n dc o n c e p t o fo p e nc n cs y s t e m ，a n dm a k e st h ea n a l y s i sa b o u tt h ef e a s i b i l i t yo ft h es y s t e m s s t u d y i n gs c h e m e 、s t u d y i n gc o n t e n t sa n dk e yp r o b l e m s s e c o n dt h i sp a p e rd e s c r i b e s t h e s y s t e m s s t r u c t u r ea n dr e l a t e d t h e o r y ，i n t r o d u c e s t h ei m p r o v e dc i r c u l a r i n t e r p o l a t i o na r i t h m e t i c a f t e rt h a tt h i sp a p e rg i v e sa na c c o u n to ft h ef u n c t i o n t h e o r ya n dc h a r a c t e r so fh a r d w a r ew h i c hc o n s i s tt h es y s t e m ，a n dd e s i g n st h em a i n e l e c t r i c a lc o n n e c t i o ni nd e t a i lo fs y s t e m t h ef o l l o w i n gi sa b o u tt h ec n cs y s t e m s o f t w a r ea n dn cs i m u l a t i o n i nt h i sp a r t ，w ed om o s te f f o r t st oc o m p i l ea n d i n t e r p r e tn cc o d e ，t od os o m er e s e a r c ho nt h er e a l i z a t i o no ft 0 0 1c o m p e n s a t i o n ，a n d t od e s c r i b et h ed e s i g no fs i m u l a t i o ni n t e r f a c ei nd e t a i lw h i c hi sa b o u tn c s i m u l a t i o no ft o o lp a t h t h e nt h ep a p e ri n t r o d u c e st h ec o n t r o lt h e o r ya n dh o wt o b u i l ds t r u c t u r ew h i c hb a s e do ns v p w m n e x ts t e pt h ep a p e rg i v e sd e t a i l e dm e t h o d a b o u th o wt oa d j u s tt h es y s t e ma n dh o wt oc h o o s ep a r a m e t e r s a tl a s tt h ep a p e r s u m m a r i z e sm a i nw o r kf o rt h i ss u b j e c t 、a c h i e v e m e n t s ，a n dp u t sf o r w a r dp r o s p e c t a b o u tt h i ss u b je c t t h i sp a p e rd e r i v e sf r o map r a c t i c a la p p l i c a t i o ns h b j e c t ，s o ，t os o m ed e g r e e ， t h e r ei sac e r t a i no ft h e o r ym e a n i n ga n dr e f e r e n c ev a l u ei nt h i sp a p e r ，e s p e c i a l l yf o r t h o s es t a f fw h oa r ee n g a g e di ns t u d y i n ga n dd e v e l o p i n gn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m a n dd e v i c e k e y w o r d s ： o p e nc n c ，s v p w m ，n cs i m u l a t i o n ，s e r v oc a p a b i l i t y ，s y s t e m a d j u s t m e n t 插图清单 图卜lp c + 运动控制卡模式开放式数控系统的构成5 图卜2 伺服系统控制方式_ 6 图2 一l 铣床数控系统的基本构成8 图2 2 右手笛卡尔坐标系1 0 图2 3 铣床坐标系与工件坐标系1 0 图2 4 卦限的划分1 3 图2 5 直线插补1 5 图2 - 6 直线插补脉冲输出示例1 5 图2 7 顺时针和逆时针圆弧插补1 6 图2 - 8 圆弧插补8 个区域和长短轴1 5 图2 9 圆弧插补示例1 7 图2 1 0 圆弧插补驱动脉冲输出例子1 7 图2 - 1l 改进的圆弧插补示例2 0 图2 一1 2 圆弧插补流程2 1 图3 1 铣床数控系统构成模式2 2 图3 - 2 直流电机特性曲线2 7 图3 - 3 系统外围电路设计2 8 图3 4 单相电源接线2 8 图3 - 5 驱动器外围电路图2 9 图3 6 信号驱动接口3 0 图3 - 7 数字输入电路3 1 图4 - i 数控系统软件构成3 3 图4 - 2n c 代码解释流程3 4 图4 - 3 缩短型刀补路径3 7 图4 - 4 伸长型刀补路径3 7 图4 - 5 插入型刀补路径3 7 图4 - 6 刀具半径补偿的建立3 8 图4 - 7 刀具半径补偿的取消3 8 图4 - 8c 刀补程序流程框图3 9 图4 一9 刀具轨迹仿真流程4 1 图4 1 0 加工相关参数设置4 2 图4 1 l 铣床加工实时仿真图4 3 图5 1 伺服系统控制电路原理4 6 图5 - 2 三相电压逆变器电路一4 8 图5 - 3 空间电压矢量图4 8 图5 - 4p m s m 等效结构坐标图5 0 图5 - 5 电机d q 旋转坐标图5 0 图5 - 6d q 轴表示的电压等效电路图5 2 图5 - 7 交流永磁同步电机系统框图5 3 图5 - 8 永磁同步伺服电机矢量控制原理框图5 5 图5 - 9p m s m 位置伺服系统矢量控制仿真结构图5 5 图5 1 0 矢量控制仿真5 6 图6 1 电流环结构框图5 7 图6 - 2 电流、速度双闭环结构框图5 8 图6 - 3p i 控制的速度环框图。5 9 图6 - 4 三闭环控制方框图一5 9 图6 - 5 系统对数幅频特性图6 1 图6 - 6 增益对幅频特性的影响6 1 图6 - 7 系统动态变化过程6 3 图6 - 8 交流位置伺服结构图6 4 图6 - 9 参数的自动调整设置一6 5 图6 一1 0 波形显示与数据采集6 6 表格清单 表2 - 1 直线插补的坐标变换1 4 表2 2 逆时针圆弧插补算法一1 9 表3 1 交流伺服电机性能参数2 5 表3 - 2 电气性能2 6 表3 3 使用环境及参数2 7 独创性声明 本人声明所提交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得佥月曼王些太堂 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己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 砻签拿日期加年川日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 金目曼王些态堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论 文被查阅或借阅。本人授权金月墨王些态堂可以将学位论文的全部或部分论 文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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：硒1 普7 签字日想瑚年眵月f e t 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 刷嘞蟛影呵 占一 只，( f + 1 ) i 时，i + 1 次进给应为甜和v 方向同时进给。 任意选择的2 轴或3 轴都可以被设置进行直线插补。要执行直线插补时， 只须将终点的相对距离写入指定的寄存器中，然后将插补命令写入命令寄存器。 如图2 5 所示，直线插补将从起点执行到终点。 对于单轴驱动，命令脉冲数是无符号的，其方向是由正向命令或者是由负 向命令所控制的。对于插补，命令脉冲数是有符号的。 l 巧芝o ，9 ) 月 么7 夕 、 b 七u ：i l 3 7 夕 s1 n1s， j n ” 图2 - 5 直线插补 x p m y p m 图2 - 6 直线插补脉冲输出示例( 办力0 ，肛9 ) 在a d t 8 6 4 中，线性插补的分辨率是0 5 最小有效位，图2 6 是一个直 线插补脉冲输出的例子。直线插补的命令寄存器是一个2 4 位带符号计数器，对 于每一个轴的命令范围是从一8 3 8 6 6 0 7 到+ 8 3 8 6 8 0 7 。 2 圆弧插补 圆弧插补可以从4 轴中任选2 轴进行。圆弧插补从当前位置开始，根据所 指定的圆心和终点位置以及插补的方向( 按顺时针或逆时针) 来进行。 图2 7 说明了顺时针和逆时针插补的定义。从圆心的位置来看，顺时针c w 插补时，从当前位置到终点位置是按顺时针行进；逆时针c c w 插补时，从当 前位置到终点位置是按逆时针行进，如果终点设为( 0 ，o ) 能画整个圆。 y 厂 、起点 缘占乡 幺馨占 o p 起点 c w 圆弧插补 x y 。 x 、 ，、k v 、 毽、 必议艾 图2 7 顺时针和逆时针圆弧插补 图2 - 8 圆弧插补8 个区域和长短轴 图2 8 表示一个长轴和一个短轴。首先将圆在x l ，平面内分成8 个卦限， 分别用o 7 表示，显然，在第o 、3 、4 、7 卦限中，x 的绝对值始终大于】，的绝 对值，因此x 被称为这些卦限中的“长轴”。同样的，在第1 、2 、5 、6 卦限中， i ，作为长轴。短轴在这些卦限之间一直输出脉冲，长轴则根据圆弧插补运算结 果，有时输出脉冲，有时不输出脉冲。 3 圆弧插补的位置检查 在圆弧插补中，假定开始插补时的当前位置为( 0 ，0 ) ，运动控制卡通过圆 心计算出半径，然后根据半径产生圆弧轨迹。这种计算方法会产生某种误差。 运动控制卡在整圆插补范围内的最大的误差是1 个最小有效位。 由于1 个最小有效位误差的存在，预先设定的终点可能不在圆弧的轨迹上。 运动控制卡将会保证在轨迹上的插补点最少，并通过短轴进行位置检查。如果 终点的值与短轴的值相同，则圆弧插补结束。 图2 9 给出一个以( 0 ，0 ) 为圆心，( 1 1 ，0 ) 为终点产生一个整圆的例子， 整圆的半径为1 l 。图2 10 是其脉冲输出的例子。 1 6 7 7； 辩 爿3 ! i 、。v i + ：，i j ，l 三l ，i 譬 ：l 戮7 笺 彩 i 篇 图2 - 9 圆弧插补示例 p 几几几九几nn 几几几几几丌几九nn n 几九几几 x p m 几几几几几n 几n 几几几几几几几几几几几几九几 y p p几几n 几几门几几几几几八几几八几几几几n 几n y p mn八几几几n n 几几几几n 几几八几几八几九几几 象限h l i 一1 蚪_ _ 三l _ 叶卜三- 卜l - 1 王+ 卜生1 三叫 图2 一1 0 圆弧插补驱动脉冲输出例子 4 连续插补 a d t 8 6 4 运动控制卡带有连续插补功能，可以在上一插补未结束时，输出下 一插补的数据。连续插补是直线插补一圆弧插补一直线插补一这样在每个插 补节点之间不停地驱动，连续插补。在连续插补驱动中，先读取连续插补的允 许写入状态和插补驱动状态，如果插补未结束并且允许写入，即可写入下一插 补命令。因此，在所有的插补节点中，从连续插补驱动开始至结束的时间；必 须长于设定下一个插补节点的数据和发命令的时间“引。 在连续插补驱动过程中，若发生越限等错误驱动，就立即在当前插补节点 上停止。在停止的插补节点上，下一节点的数据和命令虽在，但命令是无效的。 此外，在发插补命令前，必须检查错误，若没有检查，当发生错误停止驱动后， j 7 这些数据和命令将无效，而从下面第2 个插补节点开始运行，若发现错误的话， 要脱离连续插补的循环。 连续插补中有圆弧插补时，圆弧插补终点的短轴数值也许会比真值偏差1 个脉冲，因此为了避免累积每个节点的误差，事先要确认每个圆弧插补的终点， 然后考虑在怎么运行连续插补。 2 5 圆弧插补方法的改进算法及实现 2 5 1 圆弧插补的改进算法 由图2 - 9 可以看出运动控制卡所自带的圆弧插补算法的误差范围不大于1 个脉冲，要想提高加工精度首先应在插补算法上提高精度，为此对其插补算法 进行了改进，可以将插补精度控制在0 5 个脉冲之内。 改进的插补算法仍然以原有理论为基础，将整个圆划分为8 个卦限，定义 在插补中有最长的移动距离的轴为“长轴”，另外一个为“短轴”。长轴和短轴 的速度保持一定的比例，且同时到达终点，短轴输出一个均匀脉冲序列，而长 轴的驱动脉冲依赖于长轴和短轴之间的关系。现以第一卦限逆圆弧插补为例来 说明改进的插补原理。 设任一时刻加工点p 的坐标为( x ，y ，) ，且x ， y ，相应的偏差函数 f = f ( x ，y ，) 。当一 y 。时，进给( 一缸，+ 缈) 或( + 缈) ，则 f = f ( x ，y ，) = x 2 f + y 2 ，一r 2 f + 1 ( a y ) = x z ，+ ( y + 1 ) 2 一r2 = e + 2 y f + 1 0 e + 】( 一x ，+ z x y ) = ( x ，一1 ) 2 + ( y ，+ 1 ) 2 一r 2 = e 一2 x ，+ 2 y f + 2 令( x ，y ) = e + l ( 缈) + 只+ l ( 一a x ，+ z x y ) = 2 曩一2 x ，+ 4 y ，+ 3 若，( x ，y ) 0 ，则说明i ，( 一血，+ 缈) i i ，( + 缈) l ，应当走( 一缸，十妙) ； 若( x ，y ) i f ( + 缈) f ，应当走( + 每) 。 由上可知，只要判断出( z ，y ) 的正负，就可知道应该向那个方向进给。 若，0 ，走( 一缸，+ 缈) 步 。f + l = ( x ，一1 ) 2 + ( y ，+ 2 ) 2 - r 2 + ( x j - 2 ) 2 + ( y + 2 ) 2 一尺2 = 一4 x ，+ 4 y f + 1 0 x f + 1 = x f 一1 ，y f + l2 y ，+ l 若； 0 ，走( + 每) 步 厂+ 1 = x ，2 + ( y ，+ 2 ) 2 一r 2 + ( x ，一1 ) 2 + ( y ，+ 2 ) 2 一r 2 = t 七4 y l + 6 x ，+ l = x ，y ，+ l 2 y j + l 1 r 若f o = 0 f o = 一2 x f + 4 y ，+ 3 表2 2 给出了改进的圆弧插补算法逆时针加工圆弧的八个卦限的递推公 式，可直接用于圆弧插补程序的编制。由此总结的规律也适用于顺时针圆弧插 补算法。 表2 - 2 逆时针圆弧插补算法 卦长轴 a，o ( i = 0 , 1 ，)z o ( i = 0 , 1 ，) 限 ( 短轴) 走( 一x ，+ 匈，) 步走( + 缈) 步 0 x ( 】，) c 一2 x 十4 y + 3z + l = z 一4 x f + 4 y ，+ 1 0z + 1 = ，+ 4 y j + 6 x l + l = x j l ，y j + l 。y f + 1) c f + l = 工f ，y ，+ l = y f + 1 走( 一血) 步走( 一x ，+ 匈，) 步 l y ( y ) c 一4 x + 2 y + 3 i “= i - 4 x t 七6，“= z 一4 x ；+ 4 y i + 1 0 x l + l = x f 一1 ，y ，+ l2y ，x “l = x ，一1 ，y j + l2y f + 1 走( 一x ，一厶少) 步走( - a x ) 步 2l ，( x ) c 一4 x 一2 y + 3z + 】= z 一4 x ，一4 y f + 1 0f i n = j ；一4 x l + 6 x f + l = x f 一1 ，y f + l2y j 一1x f + l = x f 一1 ，y f + l2y ， 走( - a y ) 步 走( 一血，- a y ) 步 3石( y ) c 一2 z 一4 y 十3 t “= 一a y t 七6f i + 1 = ，l 一4 x i 一4 y | + 1 0 x f + i = x f + 1 ，y ，+ 1 = y f 一1x ，+ l 2x f 一1 ，y f + l2 y f 一1 走( + a x ，一少) 步走( - z x y ) 步 4x ( y ) c + 2 z 一4 y + 3+ l = z + 4 x ，一4 y f + 1 0 i “= f i 一4 y t 七6 x “1 = 为+ 1 ，y ，+ 1 = y ，一1x ，+ 1 2 x ，y f + l2 y ，一1 走( 一血) 步 走( + 血，一岁) 步 5y ( ) c + 4 z 一2 y + 3z + 1 = z + 4 x ，+ 1 0 l n = l 七4 x t 一4 y t 七1 0 t + 1 = t + l ，y ，+ l = y 。 z h l = x ，+ 1 ，y h l2 少f 一1 走( + 缸，+ 少) 步走( + 缸) 步 6】，( x ) c + 4 x + 2 y + 3 i n = t j r 4 x t 七4 y t 七1 0 f t a = l - i - 4 x l j r 6 x ，+ l = x i + 1 ，y h i = y + 1x + 1 2 x ，+ 1 ，y ，+ 1 2 y ， 走( - a y ) 步走( + 缸，+ 砂) 步 7x ( y ) c + 2 x + 4 y + 3 、，+ l = + 4 y ，+ 6，+ l = z + 4 x j + 4 y j + 1 0 z ，+ l2 石f ，y l + l2 y ，+ 1 + l = z ，- i - 1 ，少，+ l = y j + 1 表中x , y 是加工点相对于圆心的横纵坐标值，是偏差值，f = 0 ，1 ，。 c = 2 ( x 2 i + y 2 f r 2 ) 刀为圆弧半径 在改进的圆弧插补算法中，要注意的是 的计算问题，当在2 ，3 和6 ，7 间跨象限时，都要重新计算，而不能沿用上一部的距离偏差值，否则会出现插 补错误。 上述方法是逆时针圆弧插补的计算公式，同样也可以推导出顺时针圆弧插 补的计算公式。现在用改进的圆弧插补算法来加工图2 - 9 半径为11 的整圆，加 工轨迹点如图2 1 1 所示。 ： ：+ ： ， “， 一一 ! 图2 - 1 1 改进的圆弧插补示例 由上例图2 - 9 和图2 11 的对比可以看出，改进后的插补算法的精度很好的 控制在0 5 l s b 之内，算法的优点主要有四点：1 ) 插补精度高( 不大于o 5 个 脉冲) ；2 ) 适用于多坐标联动插补：3 ) 在加工过程中，总有一个方向的电机转 速恒定，减小了振荡与噪音；4 ) 单位时间内的进给速度相对加快了。 2 5 2 圆弧插补改进算法的实现 设圆的半径为，。先考虑圆心在( 0 ， 的i 8 圆周的生成过程。在这种情况下， 结束。即有： y j + l2y f + 1 相应的x i + 。则有两种可能： 0 ) ，并从y = 0 ，x = r 开始的逆时针方向 y 每步增加l ，从y = 0 开始，到z 可 x f + l = x i ，x f + l = x i 一1 选择的原则是考察两种可能的走刀点与半径差值的绝对值大小，即沿误差最小 的方向进给1 7 h 19 1 。 根据表2 2 ，可总结规律如下： 对于。尤+ ，的计算公式： 若走( + 止，+ 缈) 一步，则x ，y 前的系数均为+ 4 ，常数项为1 0 ； 若走( 一血，+ 少) 一步，则x 前的系数均为一4 ，y 前的均为4 ，常数项为10 ； 若走( + 血) 一步，则x 前的系数为+ 4 ，常数项为6 ； 若走( 一缈) 一步，则y 前的系数为一4 ，常数项为6 ； 以此类推。 改进的圆弧插补算法实现的具体流程如图2 一1 2 所示。 图2 1 2 圆弧插补流程 根据以上的程序流程图，可以用不同的语言直接编写相应的圆弧插补应用 程序。因其算法简单，精确度高，使得加工误差明显减小，所以可以替代控制 卡原有的圆弧插补算法提高加工的精度。 第三章铣床数控系统的硬件设计及电气原理 3 1 数控系统的硬件构成 3 1 1 数控系统的总体构成模式 本数控铣床系统是基于“嵌入式p c + 运动控制卡 的半闭环数控系统。其 基本结构由机床本体、嵌入式计算机、4 轴运动控制卡、数字交流伺服进给驱 动器及电机、无刷直流主轴电机及驱动器等装置组成。其构成模式如图3 一l 所 示。系统硬件的主要组成部分如下： 一块基于p c i 0 4 总线的1 0 4 1 6 2 1 c l d n 嵌入式主板； 一块a d t - 8 6 4 的4 轴运动控制卡； 2 块a d t - 9 1 3 7 信号接线板； 3 台a s d a b 系列a s d b 0 2 2 1 a 交流伺服驱动器； 3 台p m 型e c m a c 3 0 6 0 2 1 2 1 s 交流伺服电机； 一台5 7 b l 1 0 8 0 h 1 l s b 主轴无刷直流电机； 一台b l 2 2 0 3 c 无刷直流电机驱动器； 配套电源、若干排线、若干接近开关和限位开关等； 指令卜 嵌 运 控制信t 驱动信号： 机入 j 0 4 总线 动 驱 o 伺 式 卜 控动 服扭矩卜床 计 刀电 位置 本 厂一 算 制 器 卡馈信号 反馈信号 机 体 。状态 机 3 1 2 嵌入式计算机 图3 - 1 铣床数控系统构成模式 嵌入式计算机采用1 0 4 1 6 2 1 c l d n ，主要用于人机交互，处理数控加工前 的相关数据，实时“在线 或“脱机 输出仿真加工轨迹，并向运动控制卡传 递控制指令。 p c i 0 4 总线是一种专门为嵌入式应用而定义的工业控制总线，近年来在嵌 入式应用和工业控制领域得到广泛应用。p c i 0 4 的信号定义和p c a t 基本二致， 在1 6 位系统中，总共有1 0 4 个总线信号。p c i 0 4 总线产品在软件上与p c a t 完全兼容，在硬件上具有小尺寸结构、低功耗、极好的抗振性( 针孔堆栈式连 接) 等优点 2 0 1 。 1 0 4 1 6 2 1 c l d n 是一款基于v i a v t 8 6 0 6 + v t 8 2 c 6 8 6 b 芯片组3 5 c p u 板， 性能稳定可靠。支持最大内存达5 1 2 m b ；在图形处理方面，集成了s 3g r a p h i c s p r o s a v a g e 42 d 3 d 图形加速控制器，支持c r t 和l c d 显示( c r t 显示模式分 辨率最高可达1 9 2 0 x1 4 4 0 ；l c d 显示模式分辨率最高可达1 6 0 0 x1 2 0 0 ) ；该板 还集成1 个1 0 m 1 0 0 mb p s 自适应以太网络控制器，提供高速稳定的网络接口； 另外还集成了c f ( c o m p a c t f l a s h ) 串口，二个u s b 接口，一个并口，一个r s 2 3 2 串口，一个r s 2 3 2 4 8 5 串1 2 1 ，一个p s 2 键盘鼠标接口，p c 10 4 接口等【2 1 1 。 嵌入式主板的通用指标： 工作环境 温度：0 0 - 6 0 0 c ； 湿度：5 9 5 ( 非凝结状态) 储存环境 温度：2 5 0 c 7 5 。c ； 湿度：5 9 5 ( 非凝结状态) 尺寸：9 6 m mx9 0 r a m 3 1 3a d t - 8 6 4 运动控制卡 a d t - 8 6 4 是一款基于p c i0 4 总线的高性能4 轴伺n 步进运动控制卡，内 核为2 片日本n o v a 公司生产的基于d s p 的专用运动控制芯片m c x 3 1 2 ，其接 口简单，编程方便，广泛用于工控领域。 该运动控制卡，可在运动中随时改变速度，可使用连续插补等先进功能。 脉冲输出方式可用单脉冲( 脉冲+ 方向) 或双脉冲( 脉冲+ 脉冲) 方式，最大脉 冲频率4 m h z ，采用先进技术使输出频率在很高的时候也能使频率误差小于 0 1 。提供d o s 、w i n d o w s 9 5 9 8 n t 2 0 0 0 x p 开发库，可用v c + + 、v b 、b c + + 等进行软件开发。 主要性能： 4 轴伺n 步进电机控制，每轴可独立控制，互不影响 脉冲输出的最大频率为4 m h z ，频率误差小于0 1 脉冲输出可用单脉冲( 脉冲+ 方向) 或双脉冲( 脉冲+ 脉冲) 方式 4 轴均有位置反馈输入，3 2 位计数，最大计数范围 一2 ，1 4 7 ，4 8 3 ，6 4 8 - + 2 ，1 4 7 ，4 8 3 ，6 4 7 直线或s 曲线进行加减速，非对称直线加减速运动 2 4 轴直线插补，c w 、c c w 圆弧插补 可用连续插补功能，最大驱动速度2 m h z 每轴都有2 个3 2 位比较寄存器用于逻辑位置计数器或实际位置计数器 的位置大小比较，可用于软件限位，或产生中断 可接收伺服马达驱动器的各种信号，如2 相编码器信号、到位信号、报 警信号等 每轴有3 个s t o p 信号，可用于原点搜寻、编码器z 相搜寻 运动中可实时改变速度 运动中可实时读出逻辑位黄、实际位置、驱动速度、加速度、s d l ：l 减速状 态( 加速中、定速中、减速中) 每轴有8 入8 出数字i 0 ，除2 个限位信号外均可作为通用i 0 使用， 数字输出可用于伺服开启，伺服报警复位等信号 每一个输入信号的输入端都装备积分型的滤波器，以防止干扰，可以设 定任一个输入信号的滤波器功能变为有效或无效，滤波器的时间常数从 8 个种类里可以选择1 个 支持d o s 、w i n d o w s 9 5 9 8 n t 2 0 0 0 x p 等操作系统 3 1 4 交流伺服进给驱动器 在本小型数控铣床中选用台达a s d a b 系列a s d b 0 2 2 1 一a 交流伺服驱动 器作为进给驱动器控制伺服电机。a s d b 是以p m 型交流伺服马达为对象的交 流伺服控制系统。其控制回路采用高速数字信号处理器( d s p ) ，高速度高精度 的完成各种运动控制。可以实现位置、速度、扭矩以及混合等多种运动控制模 式。a s d b 提供p i p d f f 控制架构，具有自动增益调整方式以及马达自动侦测 等较全面的运动控制系统功能l 2 3 1 。 驱动器主要的性能指标及特点如下： 电源 功率2 0 0 w 相数电压单相或三相2 2 0 v a c 容许电压变动率1 7 0 - - 2 5 5 v a c 容许频率变动率 5 0 6 0 h z + 5 冷却方式自然冷却 编码器解析数回授解析数 2 5 0 0 p p r 1 0 0 0 0 p p r 主回路控制方式s v p w m 控制 操控模式手动自动 控制模式 a s d b 0 2 2 1 a 有三种控制模式，位置控制模式、速度控制模式、扭矩控制 模式。在本系统中使用位置控制模式，限于篇幅只介绍位置控制模式指标。 最大输入脉冲频率差动传输方式：5 0 0 k p p s 丌集极传输方式：2 0 0 k p p s 2 4 ， ， 1 1 、llk 脉冲指令模式 指令控制方式 指令平滑方式 电子齿轮比 转矩限制 前馈补偿 ( 3 ) 输入输出 脉冲+ 符号；a 相+ b 相；c c w 脉波+ c w 脉波 外部脉冲控制 低通平滑滤波 电子齿轮n m 倍n ：1 3 2 7 6 7 m ：l 一3 2 7 6 7 ( 1 5 0 n m 1 0 0 m o 2 6 ( 3 ) 使用环境及参数 表3 - 3 使用环境及参数 冷却方式 内置风扇冷却( 在重载和恶劣环境下需要提供辅助散热) 场合 尽量避免粉尘、油雾及腐蚀性气体 使用 温度 o o c 十4 5 0 c 环境 湿度 v a l u e ) ； m h i s t o r y e d i t a p p e n d s t r i n g ( s t r g e t b u f f e r ( 0 ) ) ； b 非法字符串 合法字符的组合可能构成非法字符串。非法字符串又有以下类型： a 字母后忘记输入数字。如“n 0 1gx 0 0y 0 0 中，g 功能未指定。 b 数字串中带有空格，或者出现两个以上的负号、小数点。如“x12 3 ”， 这样的数字串在数控系统中是不允许的。识别这种错误的办法是：在某一行中 找到了某个字母后，向右搜索和它紧邻的下一个字母。通过这两个字母的位置 来确定它们中间的字符串。对这个字符串消去左边和右边空格得到新串，若新 串为空则是犯了a 种类型的错误；若新串不为空，通过扫描对新串出现的负号、 小数点或空格进行累计，若负号或小数点的数目超过2 ，或空格数目超过l ，则 是犯了b 种类型的错误。 2 1 语法错误 语法错误可分为以下两种类型： a 一行数控代码中出现了两个或两个以上同组的g 代码或同组的m 代 码。例如同时编入了g 0 1 和g 0 2 或同时输入了m 0 3 和m 0 4 代码。识别这种错 误的办法是对每一组g 代码或m 代码建立一个计数器，每当进入新一行数控 代码的编译时，都将计数器清零，再对整行代码进行扫描，对g 或m 代码出 现的次数进行分组登记，当扫描完毕，只要任何一个计数器的值超过1 ，就可 断定代码存在这种错误。 b 准备功能中的后续地址未填完整或参数不匹配。比如，圆弧插补未给出 圆心坐标或圆弧半径，又比如直线插补给出的是圆弧插补的参数，显然就有些 数据成了多余。查找这类错误采用表格匹配算法。例如，遇到g 0 2 ，系统就调 出g 0 2 所需后续地址字的标准表格，然后程序扫描其后的代码，逐一地将得到 的参数记录到表格中。一行扫描完毕，回过头来检查表格中是否每一个地址字 都有确定的值。若是，则表明所需参数己经正确匹配，若非，再看每个未填的 地址字有没有合法的默认值，即是不是可以缺省的，若是则填入缺省值，如果 填完缺省后，还剩有一个或一个以上地址字为空，则为出错【2 4 h 2 7 1 。 4 3 刀具补偿的处理 4 3 1 刀具中心轨迹分析计算 由于数控铣床系统是通过控制刀具中心实现加工轨迹，但实际上铣削时是 使用刀尖或刀刃边缘完成，而铣刀都是有半径和长度的，而刀具中心轨迹并不 等于加工零件的轮廓，这样就会使得加工出来的零件尺寸与设计要求不相符合。 在变更不同半径或长度的刀具时，还会带来需要重新编程的麻烦。因此，必须 设法在刀具中心与刀具切削点之间进行位置偏置，从而使数控系统的控制对象 由刀具中心变换到刀尖或刀刃。这种变换的过程就称之为刀具补偿。对于铣刀 而言，主要是刀具半径补偿，对于钻头丽言，主要是刀具长度补偿【2 8 jl 2 9 j 。 刀具长度补偿的计算比较简单，建立长度补偿时，对于g 4 3 正补，只需给 z 轴增加一段正向位移；在g 4 4 负补时，只需给z 轴增加一段负向位移即可i ， 而撤消长度补偿则做相反的运动，原来移动多少就反向移回多少。 刀具半径补偿的计算比较复杂。按刀具与工件轮廓的方位来看，刀具半径 补偿有左刀补和右刀补两种。按数据流控制方式来看，有b 功能和c 功能补偿 两种。b 功能刀具补偿仅根据本段程序的轮廓尺寸进行刀具半径补偿，不能解 决程序段之间过渡问题，而c 功能刀具补偿能够根据相邻轮廓段的信息自动处 理两个程序段刀具中心的转换，并自动在交点处插入过渡圆弧或过渡直线，从 而避免刀具干涉现象的发生。若采用圆弧作过渡，会产生刀具边缘停顿现象， 这种停顿会导致零件工艺性变差，因此是有害的。若采用直线过渡，则不会产 生这种停顿现象，因此，本系统采用的是c 刀补直线过渡方式。 系统在提取n c 程序信息后，己将轮廓信息存放在有关数组中，刀具中心 轨迹的计算需根据工件轮廓数据、刀具半径、刀偏信息及控制机的刀补形式进 行详细计算。刀具补偿过程分为刀补建立、刀补进行、刀补撤消3 个步骤。 刀具补偿转接类型与工件交角处切线在工件侧的角度a 有关，根据a 将直 线过渡的道具补偿分为3 类： 3 6 1 8 0 。a 3 6 0 。 缩短型 9 0 。a 18 0 。 伸长型 0 。a 9 0 。插入型 1 、缩短型刀补路径 图4 3 中，虚线表示刀具中心的轨迹，实线表示工件轮廓。下同。 l l l l 。 y 。 l 之j，岔 o x y 。 j 迁涉c o x y | tc l ， j 、 c 少 c l 曼g c ： 夕。 o x a 直线接直线b 直线接圆弧c 圆弧接圆弧 2 、伸长型刀补路径 y 。 l ， 彤，l l l 、 z 卜逻0 ，7 t 2 x 7， 图4 - 3 缩短型刀补路径 y 。 i 夫。 t l 曼，7 c x r y j l f ， 夕。 、。、： y ，c 2 ，x 7 ，一7 a 直线接直线b 直线接圆弧c 圆弧接圆弧 3 、插入型刀补路径 v jl u 1 l 多， 、 l 1 、八 众a ，l 2 、7。 少 x 7 l 3 图4 - 4 伸长型刀补路径 l 、 y 胪。 j 小八 、“、，i j x 7 ， l 】 l v c i lc 1 j c 2j c 2 纠人?。 、弱y x 7 a