（机械制造及其自动化专业论文）基于开放式数控系统的综合实验平台的研究与开发.pdf

中文摘要 当代工业的发展对数字化制造装备提出了广泛的需求，也促进了对 数控专业技术人才的需求的急速增长。如何快速、有效地培训出合格 的数控人才已成为摆在数控教学与培训者面前的一个课题。本文以此 为出发点，构建了数控教学综合实验平台，以期实现数控原理的形象 化展示与故障诊断的模拟维护。 随着计算机技术的迅猛发展，工业计算机功能日益强大，并具备稳 定可靠及接口标准化和结构开放化的优势。本文充分利用上述优势， 在分析当前国内外开放式数控系统体系结构基础上，选择多轴运动控 制器作为数控系统的核心控制单元，并以此为基础与工业计算机平台 一起组成了具备开放特征的数控系统。 通过规划数控教学综合实验平台目标功能，进行了平台各组成单元 所需部件的选型与配置工作。分析了实验台的控制原理，并以此为基 础完成了伺服驱动与数控系统接口单元的p c b 原理图设计。利用高级 编程语言开发了实验平台的软件系统，并给出了该软件系统的总体结 构。完成了实验台各组成单元与部件的硬件连接及软件配套，使得该 综合实验台具备了数控机床接线原理培训、数控系统操作、软硬件故 障设置与排除、用户管理、学员培训结果考试测评等多种功能。经整 机的测试运行，该数控教学综合实验台达到了预期目标。 关键词：数控，计算机，开放式，培训，实验 a bs t r a c t d e v e l o p m e n to fi n d u s t r y r e q u i r e sw i d e l yf o rn u m e r i c a le q u i p m e n t s ， w h i c hm e a n sar a p i d ”g r o w t ho f t h e r e q u i r e m e n tf o rn c ( n u m e r i c a l c o n t r 0 1 ) t e c h n o l o g i s t s h o w t ot r a i n q u a l i f i e d n c t e c h n o l o g i s t s e f f e c t i v e l yi sb e c o m i n ga l li m p o r t a n ti s s u ef o rn ct r a i n e ro rt e a c h e r t o s o l v et h ep r o b l e m ，as y n t h e t i ce x p e r i m e n tp l a t f o r mf o rn ct e a c h i n gi s b u i l tt oi l l u s t r a t en cp r i n c i p l ev i s u a l l ya n dt os i m u l a t ef a u l td i a g n o s i n g o fn cm a c h i n et 0 0 1 s w i t ht h ep r o m p td e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y ，i p c ( i n d u s t r i a l p e r s o n a lc o m p u t e r ) i sb e c o m i n gm o r ea n dm o r ep o w e r f u l a l s oi th a st h e a d v a n t a g eo fs t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t y ，a sw e l la ss t a n d a r di n t e r f a c ea n d o p e na r c h i t e c t u r e 。o nt h eb a s i so fa n a l y z i n ga r c h i t e c t u r eo fo p e nc n c ( c o m p u t e r i z e dn u m e r i c a l l yc o n t r o l l e d ) s y s t e md o m e s t i c a l l ya n da b r o a d ， t h i sp a p e rt a k e sa d v a n t a g eo fi p ct od e v e l o pa no p e nc n cs y s t e mw i t ha n i p ca n dam u l t i a x i sm o t i o nc o n t r o lc a r dw h i c hi ss e r v e da st h ek e r n e l c o n t r o lu n i t b ya n a l y z i n gt a r g e tf u n c t i o no ft h es y n t h e t i ce x p e r i m e n tp l a t f o r m ， c o m p o n e n t so fi ta r ec h o s e na n dc o n f i g u r e d c o n t r o lp r i n c i p l eo ft h e p l a t f o r mi sa n a l y z e d ，o nt h eb a s i so fw h i c h ，p c bd r a w i n go fi n t e r f a c eu n i t b e t w e e ns e r v o - d r i v e ra n dc n cs y s t e mi sd e s i g n e d s o f t w a r es y s t e mo f t h ep l a t f o r mi sd e v e l o p e dw i t ha d v a n c e dp r o g r a m m i n gl a n g u a g e a n dt h e o v e r a l la r c h i t e c t u r eo fs o f t w a r es y s t e mi sg i v e n a l lc o m p o n e n t so ft h e p l a t f o r ma r ec o n n e c t e dr e l i a b l ya n dt h es o f t w a r es y s t e mi sd e b u g g e d a sa r e s u l t ，f u n c t i o n sl i k et r a i n i n go f c o n n e c t i o n o fn cm a c h i n et o o l s ， o p e r a t i o no fc n cs y s t e m ，s e t t i n ga n dr e m o v i n gs o f t h a r dc o n n e c t i o nf a u l t ， u s e rm a n a g i n ga sw e l la se x a ma n de v a l u a t i o no ft r a i n e ea r ea v a i l a b l e t e s t i n go p e r a t i o ns h o w st h a tt h i ss y n t h e t i ce x p e r i m e n tp l a t f o r ma c h i e v e s i t se x p e c t e dg o a l 。 k e y w o r d s ：n c ，c o m p u t e r ，o p e na r c h i t e c t u r e ，t r a i n ，e x p e r i m e n t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，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。叁 潍大鲎或其他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。 学位论文作者虢，蝣 签字日期：雕1 2 - y j1 2 e l 、 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫盗盘堂有关保留、使用学位论 文的规定。特授权苤鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明 学位论文作者签名：j 习群 、 签字e l 期：纠年z 月，乙日 导师签 签字目 力e l 第一章绪论 1 1 问题的提出 第一章绪论 1 1 1 数控技术的发展概况 数控技术是利用数字化信息对机械运动及加工过程进行控制的一种 方法。通常将数控技术简称为数控( n u m e r i c a lc o n t r o l ，简称n c ) 。由于 现代数控技术都是采用计算机进行控制的，因此，数控技术又称做计算机 数控( c o m p u t e r i z e dn u m e r i c a lc o n t r o l ，c n c ) l 1 j 数控技术是现代制造技术的核心，数控技术的发展与应用、数控机床 的制造能力、拥有量及装备水平，是衡量一个国家工业现代化和综合国力 的重要标志，是国民经济发展和国防尖端建设的实力标志和根基。 随着我国经济的发展和科技的进步，国内各行各业对机床工具行业提 出了更高的要求，数控化、智能化、自动化、集成化越来越成为机床工具 产品发展的主流，特别是数控机床的市场需求呈逐年递增的趋势，迫切需 要数控技术的使用型、应用型和研究型人才，这就对数控人才的培养提出 了更高的要求【2 1 。 一、数控技术的产生、发展历程及我国的现状 19 4 6 年在美国诞生了世界上第一台电子计算机。随着科学技术的发 展，1 9 5 2 年美国帕森斯公司( p a r s o n s ) 和麻省理工学院( m i t ) 合作，研制 成功了世界上第一台以数字计算机为基础的数字控制3 坐标直线插补铣 床，从而使机械制造业进入了一个新阶段。 从第一台数控机床问世至今的4 0 多年，随着微电子技术的不断发展， 数控装置也在不断地更新换代，先后经历了电子管( 1 9 5 2 年) 、晶体管( 1 9 5 9 年) 、小规模集成电路( 1 9 6 5 年) 、大规模集成电路及小型计算机( 1 9 7 0 年) 和微机处理机或微型计算机( 1 9 7 4 年) 等五代数控系统。 前三代数控装置属于采用专用控制计算机的硬接线( 硬件) 数控装置， 第一章绪论 一般称为n c 数控装置。2 0 世纪7 0 年代初，随着计算机技术的发展，小型计 算机的价格急剧下降，出现了采用小型计算机代替专用硬件控制计算机的 第四代数控系统c m c 数控系统。自1 9 7 4 年开始，以微处理机为核心的数控 装置m n c 得到迅速发展。 我国从1 9 5 8 年开始研制数控机床，2 0 世纪6 0 年代中期进入实用阶段。 自2 0 世纪8 0 年代开始，引进日本、美国、德国等国外著名数控系统和伺服 系统制造商的技术，使我国数控系统在性能、可靠性等方面得到了迅速发 展。经过“六五”、“七五 、“八五 及“九五一科技攻关，我国已掌 握了现代数控技术的核心内容。 数控机床己成为现代工业生产必不可少的设备，发达国家的数控化率 己达到8 0 c 3 1 。我国机床市场容量已经达4 0 0 多亿元，成为世界最大的机床 市场之一。销售额仅落后于美国，成为第二位。但我国大多数企业仍采用 落后的工艺与装备进行生产，优质、高效、低耗工艺的普及率不足1 0 ， 数控机床，精密设备不足5 【4 1 。 二、数控技术的特点 1 9 7 1 年微处理器芯片问世，1 9 7 4 年开始用于数控，因而数控在工业发 达国家得到迅速发展。1 9 8 0 年与1 9 7 0 年相比，日本的数控机床增加了17 8 倍，美国增加了5 9 倍，苏联增加了5 6 倍，西德增加了4 倍。世界数控机床 年均增长率为1 5 。各种机械产品迅速更新换代、日益多样化，而数控机 床正好能适应这种新的不断变化的需要，其经济效益显著： 1 缩短新产品试制和生产周期，节约大量工装，易于组织多品种生 产，使企业能对市场需要迅速做出响应。如制作协和号飞机时，由于采用 数控加工，使工装的设计和制造周期减少了7 5 。 2 生产效率比普通机床高3 5 倍，多的可达8 1 0 倍。 3 减少人为误差，提高加工质量，零件互换性好。 4 能加工那些用传统方法很难或不能加工的大型复杂零件。如飞机 上的整体壁板，火箭上的复合叶轮、机头罩等。 经过半个多世纪的发展数控机床已经形成了高、中、低档俱全，涵 盖各种功能的不同产品系列。在过去的几十年中较好地促进了生产力的发 第一章绪论 展。 近十年来，数控机床的发展很快。世界数控机床总产量增加了十倍。 而且随着计算机技术的发展，运算速度的提高，硬件的集成化和软件的丰 富，国际上数控装置的水平和功能不断提高、完善，现已进入成熟应用阶 段。目前世界上几个著名的数控装置生产厂家，如日本法纳克( f a n u c ) ， 德国西门子( s i e m e n s ) 和美国a b 公司的产品都向系列化、模块化、高性能 方向发展p j 。 三、数控技术发展迫切需要数控技术人才 科学技术的高速发展，加速了制造业的变革。随着数控技术的广泛应 用，普通机床逐渐被高效率、高精度的数控机床所代替，形成了推动国民 经济发展的巨大生产力。先进工业国家已普遍使用数控机床，其数控化率 已达2 5 。我国机床拥有量达4 0 0 万台，而其数控化率不到2 0 。值得注意 的是，在我国现有的有限数量的数控机床( 大部分为进口产品) 中，还有很 多未能充分利用1 6 儿川。 从数控产品的特征来看，在其开发、生产、销售到使用与维护的整个 过程中，都与数控技术密切相关，在各个环节需要有不同业务规格的数控 人才参与。 1 数控产品的开发人才 数控技术研究和开发是在高新技术背景下进行的，这就需要一大批具 有数控基本知识和能力的高素质人才去促进研究开发的突破。我国目前虽 然已有几十家数控系统开发公司，但除了五、六家公司形成自主产业外， 大多步履维艰。即使是初步形成规模的数控系统公司，其产品也只能在二 流机床厂使用。现在数控系统主要使用的是日本的f a n u c 、德国西门子 ( s i e m e n s ) 和美国a b 公司的产品等。造成这种局面的原因很多，一个主要 原因是缺乏高素质的数控人才。数控技术产业竞争，实际上是数控开发人 才的竞争。 2 数控产品的试验与检验人才 任何产品生产组装完成后，都需要经严格的试验才能出厂。数控产品 是高科技密集型产品，不能靠传统的度、量、衡来检验，必须由专门的技 第一章绪论 术人员用专用工具、设备经过复杂的过程才能完成。我国约有几十家数控 系统研究单位，上百家机床厂生产数控机床和相关数控设备，因此，对数 控的试验与检测人才需求量很大。 3 数控产品的销售与售后服务人员。 4 数控设备的操作与维修人才。 数控设备技术含量高、价格昂贵，如何最大限度发挥数控设备的经济 效益，这是用户单位十分关心的问题。如果购买后，因为操作不当或维修 不及时，势必给企业带来很大的损失。从国外的情况看，设备的维护和小 故障的维修都是由操作者完成，这对操作者的要求也相应提高了，如果不 通过专业的教育和培训是难以胜任的。数控技术是集机、电、液、光、计 算机、自动控制技术为一体的综合技术，我国迫切需要数控技术的使用型、 应用型和研究型人才。在国外，高等学校和职业学校都有完善的数控教学 和实验设施体系，并有专业公司生产提供的各种教学培训装置。在我国， 由于数控机床价格昂贵，不可能在教学中普遍使用，因而我国的数控技术 教学往往只限于课堂教学，缺乏必需的实践教学环节，培养出的数控人才 很难适应岗位的需要j 。 1 1 2 数控人才需求分析 数控技术是制造业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础；数控技 术的应用是提高制造业的产品质量和劳动生产率必不可少的重要手段。数 控机床是国防工业现代化的重要战略装备，是关系到国家战略地位和体现 国家综合国力水平的重要标志。 加人世贸组织后，中国正在逐步变成“世界制造中心”。为了增强竞争 能力，中国制造业开始广泛使用先进的数控技术。同时，劳动力市场出现 数控技术应用型人才的严重短缺，媒体不断呼叹“高薪难聘高素质的数控 技工”。数控人才的严重短缺成为全社会普遍关注的热点问题。教育部统 计资料表明，未来几年，我国数控技术方面的人才缺口达6 0 万人。教育部、 社会保障与劳动部等六部委联合启动了紧缺人才培养工程，全国共有9 0 所 学校参与其中。作为四大紧缺人才之一，数控技术应用方面的人才的匮乏， 已成为制约我国制造业发展的主要因素。 调研显示，数控技术三个层次人才需求如图1 1 所示： 第一章绪论 蓝领层 金 页层 图1 - 1 数控人才需求比例 数控操作技工：需要掌握机械加工和数控加工工艺知识，熟练掌握数 控机床的操作，了解自动编程和数控机床的简单维护维修。适合中职学校 组织培养。此类人员市场需求量大，适合作为车间的数控机床操作技工。 2 灰领层 ( i ) 数控编程员：需要掌握数控加工工艺知识和数控机床的操作，掌 握复杂模具的设计和制造专业知识，熟练掌握三维c a d c a m 软件，如 u g 、p r o e 等，熟练掌握数控手工和自动编程技术：适合中职、高职以及 本科学校组织培养。适合作为工厂设计处和工艺处的数控编程员。 ( 2 ) 数控机床维护、维修人员：需要掌握数控机床的机械结构和机电 联调掌握数控机床的操作与编程，熟悉各种数控系统的特点、软硬件结 构、p l c 和参数设置；精通数控机床的机械和电气的调试和维修。适合高 职和中职学校组织培养。适合作为工厂设备处工程技术人员。此类人员需 求量相对少一些，但培养此类人员非常不易，知识结构要求很广，需要大 量实际经验的积累，目前非常缺乏。 3 金领层( 数控通才) 具备并精通数控操作技工、数控编程员和数控维护、维修人员所需掌 握的综台知识，并在实际工作中积累了大量实际经验，知识面很广：精通 数控机床的机械结构设计和数控系统的电气设计，掌握数控机床的机电联 调；能白行完成数控系统的选型，数控机床电气系统的设计、安装、调试 和维修；能独立完成机床的数控化改造，是企业( 特别是民营企业) 的抢 第一章绪论 手人才。适合本科、高职学校组织培养。但必须提供特殊的实训措施和名 师指导等手段，促其成才。适合于担任企业的技术负责人或机床厂数控机 床产品开发的机电设计主管。 从数控技术人才需求的层次结构发展看。目前蓝领层工人需求数量最 大，但相对比例将会有所下降，对其知识和能力要求会越来越高，灰领层 数控人才需求的相对比例将会增加，金领层数控技术人才的需求更加迫 切。 不同层次人才所需知识与能力结构不同，因而培养方式不同。需求量 最大的蓝领层可依靠企业自身力量从普通机床操作工中培养，但由于普通 机床操作工知识水平普遍较低，接受新知识较慢，且影响正常生产，国内 绝大多数企业主要靠各类职业教育来培养，通过“批量”的培养规模，以 数控培训基地为依托，进行系统化的数控技术教育，加大实践环节的教学， 可以大大改善且前国内数控应用人才匮乏的局面【9 】。 1 1 3 数控教学中存在的主要问题 虽然我国各类职业学校加大了培养数控人才的力度，但始终不能满足 我国数控人才的需求，主要有三方面原因： 一、课程设置和教学内容不能满足企业需求 1 我国机电类专业的课程设置近几年虽有所改进，但教学内容仍较 陈旧。学生所学到的知识技能与企业的要求尚存在差距。例如，数控加工 刀具和工艺的教学还较薄弱。部分学校因实训条件所限，仍以理论讲授为 主，企业急需数控机床的编程、操作、维护人员的培训效果较差。 2 在实践技能培训方面，很多院校把实训重点放在数控机床简单操 作上，而对数控加工工艺( 如工艺路线选择、刀具选择、切削用量设置等) 、 模具设计、c a d c a m 与数控自动编程、数控机床机电设计与联调技术、 数控机床的维护、维修等专业技术能力训练不够。 3 现有数控技术教育专业教材形态单一、内容陈旧、实践性差。适 合数控系统原理、数控机床机电控制技术、数控机床故障诊断与维护维修 和数控实训等课程的教材非常有限严重脱离生产实际。 二、职业学校数控专业师资数量不足，素质不高 6 第一章绪论 数控专业师资，特别是同时具备相应理论知识和丰富实践经验的数控 专业师资严重不足。尤其缺乏熟悉企业生产实际，并能够承担数控教学工 作的“双师( 教师、工程师) ”专业教师，严重制约着现代数控技术人才培养 水平的提高。 三、数控实训设备条件差，数量严重不足，且不配套 近年来，受数控人才需求增长的拉动，各职业院校均建有不同规模的 数控实训基地，有的是规模大、设备种类多的实训中心，也有设备种类和 数量相对较少的实验室。各院校为了与企业尽可能保持一致，以达到实训 效果，在实训硬件选型方面逐步趋向全部采用工业用数控机床和加工中 心，而且实训基地往往以加工设备配备进口数控系统为主，由于每台数控 设备非常昂贵，学校购置的设备数量有限，每个学生的独立动手实际操作 机会很少，实训效果并不好。这种安排，不能适应普及性的教学实验，只 能给学生作“演示实验”。数控技术是实践性很强的综合技术，没有实践体 验很难获得良好的教学效果【1 0 】【1 1 】。这就要求必须采用一种更适合学生理解 接受的教学形式，集多媒体、交互、在线帮助于一体的数控仿真系统，帮 助学生掌握数控技术理论知识的同时，检验编程的正确性，观察刀具轨迹 的加工过程。 本课题正是基于上述问题，构建一个集教学、培训于一体，使教与学 有机结合，实现教材、教师、设备三位一体的数控教学平台。 1 2 本课题主要完成的工作 一、搭建基于p c + 运动控制器架构的开放式数控系统。 二、设计了数控教学平台的故障设置装置，主要内容是把所要控制信 号设计为基于平台的中转方式，通过特殊的i 0 控制硬件，由上层软件对这 些信号实施控制和测量，以此实现了数控机床信号控制的设置和排除实 验。 三、编写教学平台软件，设计了两个基本用户，进行了权限管理，基 于不同权限进行不同操作。在教学平台软件中设计了实验和考试功能，以 及自动评分功能。 四、对数控机床进行了故障实验，为数控设备故障诊断与维护提供了 7 第一章绪论 科学依据。 1 3 本章小结 本章综述了数控技术的发展，指出数控技术的广泛应用急需大量的应 具备数控基本理论知识、熟练的编程、操作及维修的人才，分析了当前社 会对数控人才的需求，提出当前数控教学中存在诸多问题，引出本课题研 究内容：构建一个教与学有机结合的基于开放式数控系统的综合实验平 台，并运用该系统构建一个多媒体数控实验室。 第二章开放式数控系统的搭建 第二章开放式数控系统的搭建 基于开放式数控系统的综合实验平台是建立在开放式数控系统基础 之上，所以首先要搭建开放式数控系统。 2 1 开放式数控系统简介 数控技术快速的更新换代很大程度上是因为计算机技术的飞速发展。 许多数控系统生产商利用p c 机丰富的软硬件资源开发开放式体系结构的 新一代数控系统，即模块化、可重构、可扩充的软硬件数控系统。开放式 体系结构使数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、扩展性，并向智能 化、网络化方向大大发展【1 2 1 。 开放式数控系统为机床制造厂提供了一个标准的软硬件平台，机床制 造厂可以将技术融合到数控系统当中，自行开发或集成能满足自己要求的 数控系统，产生个性机床【1 3 1 。 择。 开放式数控系统技术特点主要包括： ( 1 ) 硬件平台：由机床制造厂采购，功能可在较大范围内配置和选 ( 2 ) 系统软件平台：由专业c n c 软件开发商提供，系统软件平台应 能在同一类型的多种硬件平台上运行。 ( 3 ) 应用软件：其标准功能部分由专业c n c 软件开发商提供，同时， 允许用户扩充和自行开发专用功能，以及直接运行各种商品软件。 现在，实际用于工业现场的数控系统除传统数控系统( 如f a n u c 系统、 s i e m e n s 系统和h e i d a n h a i n 系统等专用的封闭体系结构的数控系统) 外，开放数控系统主要有三种形式【1 4 】： ( 1 ) “p c 嵌a n c ”结构的开放式数控系统。这是些数控系统制造 商将多年积累的数控软件技术与当今计算机丰富的软件资源相结合开发 的产品。它具有一定的开放性，但由于它的n c 部分仍然是传统的数控系统， 第二章开放式数控系统的搭建 用户无法介入数控系统的核心。 ( 2 ) “n c 嵌入p c 一结构的开放式数控系统。这类数控系统由开放体 系结构运动控制卡和p c 共同构成。开放体系结构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 控制能力，它本身就是一个数 控系统，可以单独使用，它开放的函数库可供用户在w i n d o w s 平台下自行 开发构造所需的控制系统。 ( 3 ) s o f t 型开放式数控系统。这是一种最新开放体系结构的数控系 统，它提供给用户最大的选择性和灵活性，这的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。 用户可以在w i n d o w sn t 平台上，利用s o f t 开放的c n c 内核，开发所需的 各种功能，构成各种类型的高性能数控系统。 开放式数控系统大致经历了三个阶段：1 ，在专用系统中简单地嵌入 一些p c 技术；2 ，运动控制器以p c 扩展卡的形式插入至w j p c 机扩展槽； 3 ， 完全采用以通用p c 为硬件平台的全软件型数控系统。从开放式数控系统目 前的研究成果来看，全软件型数控虽然提供了一种高度开放的体系结构， 但由于操作系统实时性、标准统一性及系统稳定性等一系列问题，其系统 实现技术还处于研究和实验阶段。相对全软件型数控系统而言，p c + 数控 功能板型是目前比较现实而有效的实现开放式数控系统的途径。 p c 机主要处理非实时部分，实时控制由插入p c 机扩展槽中的运动控 制板来承担。这种方法能够借助所插入控制板的可编程能力，实现对系统 核心的部分定制，并且由于控制板所采用的专用数控技术已非常成熟和性 能稳定，因此这样架构出来的数控系统既具有前端p c 机的柔性，又具有原 来专用c n c 系统的稳定性和可靠性。 2 2p c 10 4 嵌入式计算机 p c 1 0 4 嵌入式计算机是上世纪8 0 年代末出现的一种新型的工控机， 采用层叠式结构；因其总线之间互连使用了1 0 4 个信号线，因此嵌入式计 算机又称为p c 1 0 4 。其与p c a t 等完全兼容，芯片大多采用i n t e l ， a m d 公司的3 8 6 ，4 8 6 ，5 8 6 等。为适用于嵌入式控制应用，标准p c 体系 结构的硬件必须减少体积、降低功耗，提高集成度。p c 10 4 标准满足以 上要求，它提供与p c 总线在体系结构、硬件和软件上的完全兼容，而且 第二章开放式数控系统的搭建 结构紧凑的栈接式模块很适合嵌入式应用的独特要求。由于使用c m o s 器 件，p c l0 4 模块功耗低，不需要考虑散热问题，工作温度范围宽( 0 7 0c ) ； 结构坚固，非常紧凑，所占面积只有9 0 r a m 9 6 r a m ，超小的体积使安装和 携带都很方便，减少了产品部件的数量；由模块构成的系统，直接叠装， 无须机箱和底板。已有的p c 1 0 4 模块为构造嵌入式系统提供了种类繁多 的构件，它的高集成度和可模块化的结构适用于数控系统的构建。 2 3 运动控制器 2 3 1 运动控制器的选择 运动控制器是用来实现预定运动轨迹目标的装置。一般来说，运动控 制器控制电机驱动器，电机驱动器控制电机，电机控制执行机构，这样就 可以实现预定运动轨迹目标了。可以说，只要有伺服电机应用的场合就离 不开运动控制器，它以其特有的灵活性和优异的运动轨迹控制能力使许多 工业生产设备焕发了生机【15 1 。 三种可供选择的最普通的运动控制器都是基于物理结构：基于p l c 的控制器，基于p c 的控制器和单独控制器。基于p l c 和基于p c 的控制 器是典型的多轴单元，可为许多任务提供更加紧密的轴间同步，这些任务 诸如：插入、路径控制以及从动于公共主控反馈源的多轴联动。现在，随 着控制器中许多高速通信网络选择的出现，这些相同的功能在单独模型中 同样可以实现。 这些p l c 控制器多用于带有机器控制逻辑和大型多样i o 的高负荷系 数。在这些应用中，直接给现有p l c 增加了运动模块以减少系统的尺寸和 费用 1 6 1 。 对于单轴点到点定位及速率等简单的运动控制应用，基于p l c 的控制 器是理想选择，存在优势，例如易于与大型i o 记数系统中机器i o 的集成 安装。基于p l c 的运动控制器现在可以提供软件工具，从而简化了编程、 日志和报警管理等。 基于p c 的控制器通常情况下包括一个用于控制伺服环的微处理器和 一个运动程序。这些控制器相当于带有一个c p u 的单片卡，可广泛应用 于多种简单或复杂应用，例如计算机记数控制和半导体工具，尤其是适用 第二章开放式数控系统的搭建 于需要路径同步的多轴控制。 本文选用了“基本p c 的控制器 。这种结构确保了运动控制指令在运 动控制器内高速、实时的被执行。这种控制系统将p c 机的信息处理能力 与运动控制器的运动轨迹控制能力有机地结合在一起，其开放程度高，运 动轨迹控制准确，开发周期短，并且价格便宜。 “p c + 运动控制器”的开放式数控系统如图2 1 。 图2 1p c + 运动控制器结构开放式数控系统 2 3 2 运动控制器应用 首先要根据开发设备的工作特点确定运动控制器性能、需求；控制电 机的轴数和电机工作模式；控制环，位置检测、反馈模式；输入输出开关 量的数量。 其次是选择运动控制器、伺服系统：根据需求分析、匹配情况选择运 动控制器；根据设备工作过程的静、动运载荷情况分别计算所需的最大扭 矩和驱动功率。而后，在考虑安全系数和安装空间的条件下，选定各轴电 机、驱动器。 再次连接运动控制器、驱动器、电机与设备：按照接线端子排列说明 和驱动器控制信号接线说见将控制器与驱动器间的控制信号线、编码器 反馈信号线妥善连接；将操作面板的开关、指示灯与运动控制器接线端子 排上的数字i 0 端子相连。 最后是应用软件的开发：画各轴工作过程控制流程图，根据用户所选 的应用软件开发语言如v i s u a lb a s i c ，选择适合操作系统环境的相应动态 连接库d l l ，掌握运动控制器命令函数的调用方法；编写设备控制的应用 程序。 第二章开放式数控系统的搭建 2 3 3 运动控制器产品市场情况 运动控制卡是一种p c b a s e d 的运动控制器，主要厂商包括d e l t at a u ( p m a c ) 、g a l i l ( d m c ) 、t r i o ( 英国翠欧) 、n i 、：a d v a n t e c h 、a d l i n k 、 g o o g o l ( 固高) 、雷赛、众为兴、成都步进、摩信等。p m a c 在表现不错， 一直占主流地位【17 1 。 2 4 p m a c 原理及其开放性 p m a c ( p r o g r a mm u l t i p l ea x i sc o n t r o l l e r ) 是美国d e l l 、at a u 公 司生产制造的多轴运动控制，是世界上功能最强，计算速度最快，质量可 靠的运动控制产品。随着中国汽车，机械，电子，军工等产业的飞速发展， p m a c 多轴运动控制卡将为中国的制造业和自动化产业提供更多的选择。 涉及机器人、数控机床、坐标测量机、激光加工、雕刻机、旋转刀、x y 系统、以及高速印刷、包装、贴标机等各类自动化设备。 一p m a c 控制卡的软件功能更加灵活和开放，每个控制卡最多可控制3 2 轴，d s p 的时钟频率为2 0 4 0 6 0 8 0 1 2 0 m h z 可选，伺服周期为5 5 i ls 轴，可控制各种电机及接收各种反馈，控制卡具有直线圆弧快速定位 三次样条和p v t 共5 种插补计算特性，具有s 曲线加减速特性，p i d 伺服 环闭合调整功能，内置先进的p i d 伺服算法，固定程序缓冲区为2 1 6 字节， 并且具有旋转运动缓冲区可用于大量程序的边下载边执行。用户无须编写 轴的插补程序，只需直接调用相关插补指令即可。 p m a c 是一种非常灵活的控制器，它可与各种类型的主机、放大器、 电机和传感器一起完成各种类型的功能。因此，我们必须应用软件和硬件 特性，为特定的功能对其进行设置，以使它能正常工作。 2 4 1 硬件结构的开放性 ( 1 ) 与各种伺服系统的匹配 通过适当的参数设置和使用不同的接口卡，便可以与各种模拟或数字 的交、直流有刷、直流无刷伺服电机伺服驱动器及步进电机驱动相连，构 成数控系统的驱动部分。 ( 2 ) 与各种检测元件的匹配 1 3 第二章开放式数控系统的搭建 p m a c 可以和各种市面上流行的机床检测元件进行匹配，包括测速发 电机、光电编码器、光栅、旋转变压器等。 ( 3 ) 与p c 机的通讯方式 。p m a c 有三种可选的与上位p c 机的通讯应用手段，包括总线( b u s ) 和串口( r s 2 3 2 或r s 4 8 5 ) ，以及新推出的u s b 接口和m a c r o 光缆接口通 讯形式，总线形式包括i s a 总线p c i 总线v m e 总线和p c 1 0 4 嵌入式微机。 ( 4 ) 与众不同的硬件平台的匹配 p m a c 有三种类型，分别在三种不同总线( p c x t 和a t ，v m e ，s t d ) 上运行，由此提供了多平台的支持特性，同时也使同一控制软件可以在不 同的硬件平台上运行。 2 4 2 软件结构的开放性 ( 1 ) 人机界面的对外开放 支持各种高级语言，用户可以用v b 、v c 、d e l p h i 等在w i n d o w s 软件 平台上定制用户专用界面。 ( 2 ) 数控功能的对外开放性 在数控语言上对用户开放，不仅支持用户直接调用现有的直线、圆弧、 样条曲线的插补命令，而且还允许用户自己定义g 代码、m 代码、d 代码、 s 代码实现以往数控语言不能完成的功能。 ( 3 ) 控制系统定制的对外开放性 提供内装式软件化的p l c ，可以编制6 4 个异步p l c 程序，通过一个 指针变量，用户可以按位、按字节进行控制。 ( 4 ) 信息资源的对外开放性 可共享p c 微机丰富的各类支撑软件和工具软件，方便地与各类网络 连接，与c a d c a m 连接，便于远程诊断、网络制造和制造系统集成控制 的实现 18 1 。 正是由于p m a c 优秀的处理功能和优越的开放性能，使其刚推出之日 第二章开放式数控系统的搭建 起，就受到了国内各家厂商的重视，并在其上进行了研究和开发。 2 4 3p m a c 的开发工具 p m a c 的系统软件p e w i n ( p m a c e x e c u t i v ef o rw i n d o w s ) 是设 备自带的功能强大的开发工具，能对系统进行控制和测试，创建和管理 p m a c 应用系统，提供用户终端界面，设置系统参数，编写系统运动程序。 它是基于w i n d o w s 操作系统的可执行程序，它能够方便地配置、控制、调 试p m a c 系统。p e w i n 充分利用了w i n d o w s 窗口操作环境的优点，功能 十分强大。系统运动程序编写所采用的是种特定的机器语言，同时也兼 容数控机床语言和g 代码。如代码x 1 0 0 ，表示命令工作台在x 方向运动 10 0 个单位，单位可以由用户自行设定。但是p e w i n 仅仅是为用户提供了 一个编制p m a c 应用软件的方法和示例，它的设计思想也主要是面向普通 的应用场合，因此在一个具体的应用中使用p e w l n 这个具有强大兼容性 的软件没有必要也不切实际，p e w l n 的许多功能可能都用不上。可见。对 于某一特殊的应用问题，p e w i n 就会缺少了解决好办法。 p t a l k d t 是d e l t at a u 的3 2 位驱动器p c o m 3 2 的用户界面，它提供了 与p m a c 通讯的功能。p t a l k d t 是一个a c t i v e x 控件，在应用软件中作为 通用函数使用。p t a l k d t 使编程人员免去了自己编写程序的繁重负担。 p t a l k d t 可以灵活地应用于3 2 位版本的v i s u a lb a s i c ，v i s u a lc + + ，d e l p h i 或者c + + b u i l d e r 以及任何支持a c t i v e x 控件的开发包。p t a l k d t 提供了 同p m a c 的快速而稳定的通讯，用户可以致力于人机界面的功能开发，而 不必再在如何编写与p m a c “对话 的软件上花费太多心思了，p t a l k d t 为用户的应用程序提供与p m a c 即时通讯的能力。 p m a c 有四种变量：p ，q ，i ，m 变量，其中p ，q ，m 为用户变量，而i 变量则是初始化变量，l 变量决定卡的工作特性，它们中的很多被用来正 确的配置电机，一旦设定，这些变量就会被存在可靠的e p r o m 中，使得 p m a c 可以正常运行。例如il3 0 i1 3 5 为1 号电机的p i d 控制参数。 p t a l k d t 保留了p m a c 的这些功能，在执行运动程序前也要根据客户的 要求对p m a c 的变量进行设置。 第二章开放式数控系统的搭建 2 5 系统搭建 2 5 1 系统结构 在本课题中采用的是p c + 运动控制器架构搭建开放式数控系统。选用 嵌入式工业p c 1 0 4 计算机，进行非实时部分数据的处理；实时部分选用 上文介绍的多轴运动控制器p m a c ( p r o g r a mm u l t i p l e a x i s c o n t r o l l e r ) 通过嵌入式x p 附加实时控制特征封装在p c 1 0 4 计算机中，成为一个完整 的工业级智能化的铣床控制系统。 伺服系统采用松下伺服电机和驱动器；由于本课题中采用的铣床，所 以需要三套伺服电机和驱动器来实现x 、y 、z 三轴进给；主轴采用的是 变频器控制三相异步电动机实现无级调速。 2 5 2 系统硬件设计 系统嵌入式工业p c 1 0 4 计算机主控c p u 选用i n t e lp e n t i u m 31 g h z ； 系统采用1 2 英寸高亮t f t 液晶显示屏；h d d 硬盘驱动器；具备4 个串 口，3 个r s 2 3 2 和一个r s ，4 8 5 ；1 0 0 m 以太网卡；u s b 类型接口( u s b l 1 ) p m a c 多轴运动控制器型号为p c i 0 4 ，基于m o t o r o l a 5 6 3 3 1d s p 4 0 m i p s ，对于四轴联动的运动，平均每轴的伺服周期少于5 5 微秒。 x 、y 轴选用额定功率为0 7 5 k w 的伺服电机和驱动器，伺服电机型 号为m d m a 0 8 2 a l c ，3 a c 2 0 0 v 输入，额定转速2 0 0 0 r m i n ，频率1 3 3 h z ，最 大转矩3 5 7 n m ，防护级别i p 6 5 ，伺服驱动器型号m d d a 0 8 3 a 1 a ；z 轴选 用额定功率为1 5 k w 的伺服电机和驱动器，伺服电机型号为 m d m a 0 8 2 a 1 c ，3 a c 2 0 0 v 输入，额定转速2 0 0 0 r r a i n ，频率1 3 3 h z ，最大转矩 7 1 5 n m ，防护级别i p 6 5 ，伺服驱动器型号m d d a l 5 3 a 1 a 。主轴采用的是变 频器控制三相异步电动机实现无级调速。变频器型号分别为n 2 2 0 1 h 。 数控系统连接如图2 - 2 所示。 第二章开放式数控系统的搭建 液晶i p- 显示i j a x 伺 伺 i j a y 服 编码器 服 工 t j a z 驱电 传动副 作 j b x 动 动力线 机台 p j b y c p j b z 器 1 p c 10 4 m o 总线 a 4 c j s 变 频 动力线 相 传动副 主 j a o u t 器 电 轴 薄膜 机 键盘 图2 2 数控系统连接 其中j a o u t 机床开关量接口有m 0 3 ，m 0 4 ，m 0 5 继电器常开触点输 出用于控制主轴电机的正转，反转和停止，j a s 主轴功能接口有1 路0 1 0 v 主轴变频器转速控制信号输出控制电机的实际转速。j a x 为x 轴伺服 电机驱动接口，含有编码器、使能、模拟给定信号，j b x 为x 轴机床运动 开关量接口，含有x 轴正限位开关信号、x 轴负限位开关信号、x 轴参考 点开关信号；j a y 为y 轴伺服电机驱动接口，含有编码器、使能、模拟给 定信号，j b y 为y 轴机床运动开关量接口，含有y 轴正限位开关信号、y 轴负限位开关信号、y 轴参考点开关信号：j a z 为z 轴伺服电机驱动接口， 含有编码器、使能、模拟给定信号，j b z 为z 轴机床运动开关量接口，含 有z 轴正限位开关信号、z 轴负限位开关信号、z 轴参考点开关信号。 从控制理论的角度，由控制器和伺服系统( 包括伺服驱动器和伺服电机) 组成的连接，可以是开环，也可以是闭环。 开环控制方式( 其结构如图2 3 所示) 是指控制装置与被控对象之间 只要顺向作用