（机械电子工程专业论文）基于can总线与dsp的电火花数控系统的研究.pdf

摘要 摘要 电火花加工技术是适应生产和科技发展的迫切需要在近几十年来发展起来 的一种特种加工方法。它要求其加工向高效率、高精度、智能化方向发展。电 火花成型加工主要适用于超硬导电材料的各种工具、刀具以及模具的加工。随 着生产的发展和科技的进步，对材料及零件的加工工艺提出了越来越高的要求。 在此研究背景下，本论文对电火花成型加工机床的数控系统以及伺服进给控制 系统等进行了研究设计。 论文对电火花加工理论进行了分析研究，初步探讨了电火花成型加工机理。 对电火花成型加工过程中的影响因素进行了探讨，为伺服进给控制方案的制定 提供了理论依据。 近年来，由于微电子技术、通信技术、计算机技术的飞速发展，c a n 现场 总线技术作为一种有效支持分布式控制和实时控制的串行通信局域网络，因其 具有通信速率高、开放性好、纠错能力强以及控制简单、传输可靠性高、扩展 能力强、系统成本低等诸多优点，已广泛应用于控制系统中的各检测和执行机 构之间的数据通信。同时，由于以d s p 为代表的高速、高性能专用微处理器的 出现和p c 机的广泛普及，运动控制器朝着“p c + 运动控制器”的开放式模式发展。 本课题结合c a n 总线技术与开放式运动控制技术，设计了一种针对交流伺服电 机的独立运动控制器，运动控制器与p c 机通过c a n 总线进行信息交换。并通 过程序实现了整个加工过程的智能化控制。 关键字：电火花、数控系统、c a n 总线、运动控制器 a b s t r a c t a bs t r a c t e l e c t r i cd i s c h a r g em a c h i n i n g ( e d m ) i san e wt y p eo fn o n t r a d i t i o n a lm a c h i n i n g a n dh a sb e e nd e v e l o p i n gf o raf e wd e c a d e s n o we d mi sh e a d i n gt o w a r d sh i g h e f f i c i e n c y , h i g ha c c u r a c ya n di n t e l l i g e n c e t h ee d mi s u s e df o rm a c h i n i n g s u p e r - h a r dc o n d u c t i v em a t e r i a l s ，e s p e c i a l l yf o rt h ec u t t i n gt o o l o rm o l df a b r i c a t i o n w i t l lt h er a p i dd e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , t h eu r g e n tr e q u i r e m e n t sf o r t h eh a r d t o - c u tm a t e r i a l sw e r ep r o p o s e d t h e r e f o r et h em a i nt a s ko ft h i sp a p e ri st o d e v e l o pan e wn cs y s t e mb a s eo np ca n dan e ws e r v os y s t e mf o ri m p r o v e m e n to f t h ep r e s e n te d mm a c h i n et 0 0 1 i nt h i sp a p e r , e d mt h e o r yw a sf i r s t l ya n a l y z e da c c o r d i n gt ot h ed o c u m e n t a t i o n m a i n l y , a n dt h em e c h a n i s mo fe d mw a st h e nd i s c u s s e d t h ee f f e c t i v ef a c t o r so f e d m p r o c e s sh a sb e e ns t u d i e d t h e s ew o r k sp a v et h ew a y f o rs e r i n gu pan e ws e r v o s y s t e m i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h em i c r o e l e c t r o n i ct e c h n o l o g y , t h ec o m m u n i c a t i o n ，a n dt h ec o m p u t e rt e c h n o l o g y , t h ec a nf i e l db u st e c h n o l o g yt a k e o n ek i n d s u p p o r t s t h ed i s t r i b u t i o n a lc o n t r o la n dt h er e a l t i m ec o n t r o ls e r i a l c o m m u n i c a t i o nl a nn e t w o r k ( l o c a la r en e t w o r k ) e f f e c t i v e l y , b e c a u s ei th a sm a n y m e r i t s ，s u c ha sh i g hs p e e dc o r r e s p o n d e n c e ，o p e n n e s sg o o d ，s t r o n ge r r o rc o r r e c t i o n a b i l i t ya sw e l la st h es i m p l ec o n t r o l ，h i 曲t r a n s m i s s i o nr e l i a b i l i t y , s t r o n ge x p a n s i o n a b i l i t y , a n dt h el o ws y s t e mc o s t ，w h i c hh a sb e e nw i d e l ya p p l i e di nt h ec o n t r o ls y s t e m b e t w e e ne v e r ye x a m i n a t i o na n dt h ei m p l e m e n t i n ga g e n c yd a t ac o m m u n i c a t i o n i nt h e m e a n w h i l e ，w i t hd s pa st y p i c a ls y m b o lo fh i g hs p e e da n dt h eh i g hp e r f o r m a n c e s p e c i a l - p u r p o s em i c r o p r o c e s s o ra p p e a r sa n dt h ep c i sw i d e l ys p r e a do u t ，t h em o t i o n c o n t r o l l e ri si nt h ep r o g r e s st o w a r dt h ed e v e l o p m e n to f “t h ep c + m o t i o nc o n t r o l l e r t h eo p e ns t y l ep a t t e r n t h i sp r o j e c tc o m b i n et h ec a nb u st e c h n o l o g yw i t ht h eo p e n s t y l em o t i o nc o n t r o lt e c h n o l o g y , a n dd e s i g nak i n do ft h ee x c h a n g es e r v ee l e c t r i c a l m a c h i n e r yo fi n d e p e n d e n c em o t i o nc o n t r o l l e r , t h em o t i o nc o n t r o l l e ra n dp cm a c h i n e c a r r i e so nt h ee x c h a n g eo fi n f o r m a t i o nt h r o u g ht h ec a nb u s a tl a s t ，t h i ss e r v o i i a b s t r a c t s y s t e mc a nc o n t r o lt h em a c h i n i n gp r o c e s sa u t o m a t i c a l l yw i t ht h es o f t w a r e k e yw o r d s ：e l e c t r i cd i s c h a r g em a c h i n i n g ( e d m ) ，n u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m ， c a n b u s ，m o t i o nc o n t r o l l e r i i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解北京机械工业学院关于收集、保存、使用学位论文 的规定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和 电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、 缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以 及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向 国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目 的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活 动。 学位论文作者签名：椤弘或 刃彩年1 月 仁日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年月 日 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、己公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：猡弘文77 一 御月工牛e l 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 电火花加工基本原理及其工艺规律 电火花力h i ( e l e c t r os p a r ke r o s i o n ) 又称放电加工( e 1 e c t r i c a ld i s c h a r g e m a c h i n i n g ) 和电蚀j j i l t ( e l e c t r o e r o s i o nm a c h i n i n g ) ，在日本称为放电加工，在前苏 联称为电蚀加工【l 】。它是利用两极间脉冲放电时产生的电腐蚀现象，对材料进行 加工的方法。该方法是与机械加工性质完全不同的一种新工艺、新技术。它既 可以加工一般材料的工件，也可以用于加工传统切削方法难以加工的各种高熔 点、高硬度、高强度、高脆性，高粘性和高纯度等性能的新材料及精度要求高 的工件。近年来，电火花加工己广泛应用于我国各工业部门，尤其在我国模具 行业中，9 0 以上的冷冲模、4 0 以上的型腔模都采用电火花加工工艺完成【2 】； 在特殊材料加工和精密零件加工领域，电火花加工工艺也正在显示其优越性。 随着电火花加工技术的不断成熟完善，其在生产制造中正发挥着日益重要的作 用。 1 1 1 电火花加工的基本原理 电火花加工的原理是基于工具和工件( 正、负电极) 之间脉冲性火花放电时 的电腐蚀现象来蚀除多余的金属，以达到对零件的尺寸、形状以及表面质量预 定的加工要求。其加工过程是一个相当复杂的微观的和瞬变的物理过程。它包 括介质的击穿和通道形成过程、能量的分配和热传递过程、电蚀产物的抛出和 转移过程以及工作液的热结和胶体化学过程。电火花加工原理示意图如图1 1 所 示。 第1 章绪论 脉 图1 1 电火花加工原理示意图 工件与工具电极分别与脉冲电源的两输出端联接。伺服进给机构使工具电极 和工件间保持一个很小的放电间隙，当脉冲电压加到两极之间，便在当时条件 下相对某一间隙最小处或绝缘强度最低处击穿介质，在该局部产生火花放电， 瞬时高温使工具和工件表面都蚀除掉一小部分金属，各自形成一个小凹坑。经 过这样连续的不断重复放电，工具电极不断地向工件进给，就可将工具的形状 反向复制在工件上，加工出所需的零件，整个加工表面是由无数个小凹坑所组 成的【3 1 。 1 1 2 电火花加工特点及其应用 电火花加工是与传统的机械加工完全不同的一种新工艺、新技术。与其相比， 电火花加工有着许多优势和特点： ( 1 ) 脉冲放电的能量密度高，便于加工用普通的机械加工方法难于加工或无法加 工的特殊材料和复杂形状的工件。不受材料硬度影响，不受热处理状况影响。 ( 2 ) 脉冲放电持续时间极短，放电时产生的热量传导扩散范围小，材料受热影响 范围小。 ( 3 ) 加工时，工具电极与工件材料不接触，两者之间宏观作用力极小。工具电极 材料不需比工件材料硬，因此，能用“软”的工具电极加工“硬”的工件。如用石墨、 紫铜电极可加工淬火钢、硬质合金，甚至金刚石。 2 第1 章绪论 ( 4 ) 由于脉冲放电的能量密度可精确控制，两极间又无宏观机械作用力，因此可 实现精密微细的加工。如模具和零件窄缝、窄槽、微细小孔等加工，加工精度 可达微米级，甚至亚微米级。 ( 5 ) 由于直接利用电能进行加工，便于实现加工过程的自动化，并可以减少机械 加工工序，加工周期短，劳动强度低，使用维护方便。但是，电火花加工也有 其自身难以克服的缺点：加工效率较低、存在电极损耗以及加工表面有变质层 甚至微裂纹。 总之，电火花加工凭借其无法比拟的特殊优点，在各种领域中的应用日益扩 大。目前已广泛应用于航空、航天、机械( 特别是模具制造) 、电子、电机电器、 精密机械、仪器仪表、汽车拖拉机、轻工等行业，以解决难加工材料及复杂形 状零件的加工问题加工范围已达到小至几微米的小轴、孔、缝，大到几米的超 大型模具和零件。电火花加工为各种新型材料的发展和应用开辟了广阔的途径， 为各种工业产品的改革与制造提供了新的加工设备，为现代科学技术的发展和 试验设计水平的提高提供了有效的手段。 1 1 3 电火花加工工艺方法 电火花加工主要用于加工普通机械加工难于应付的各种合金材料、加工各种 复杂形状的型孔和型腔工件以及加工各种成型刀具，刻写和表面强化改性等等。 其加工工艺方法按工具电极和工件相对运动的方式和用途的不同，可分为电火 花成形加工、电火花线切割、电火花磨削和锉磨、电火花同步共辘回转加工、 电火花高速d 4 l 加工、电火花强化与刻字六大类。 ( 1 ) 电火花成形加工 该工艺方法工具和工件主要只有一个相对的伺服进给运动，工具为成型电 极，与被加工表面有相同的截面和相应的形状，主要用于加工各种冲模、挤压 模、粉末冶金模、各种异型孔和微孔以及加工各类型腔模及各种复杂型腔零件。 ( 2 ) 电火花线切割 此方法工具电极为顺电极丝轴线垂直移动着线状电极，工具与工件在两个水 平方向同时有相对何服进给运动。该方法主要用于切割各种冲模和具有直纹面 的零件以及下料、截割和窄缝加工。 ( 3 ) 电火花内孔、外圆和成形磨削 第1 章绪论 该工艺方法工具与工件有相对的旋转运动，工具与工件间有径向和轴向的进 给运动。此方法主要用于加工高精度、表面粗糙度值小的小孔以及加工外圆和 小模数滚刀等。 ( 4 ) 电火花同步共扼回转加工 该工艺方法成型工具与工件均作旋转运动，但二者角速度相等或者成整数 倍，相对应接近的放电点可有切向相对运动速度；工具相对工件可作纵、横向 进给运动。此方法主要用于以同步回转、展成回转、倍角速度回转等不同方式 加工各种复杂型面的零件。 ( 5 ) 电火花高速小孔加工 该工艺方法采用管内冲入高压工作液的旋转细管( 0 3 r a m ) 电极工作， 主要用于加工线切割穿丝预孔和深径比很大的小孔。 ( 6 ) 电火花表面强化、刻字 该工艺方法工具在工件表面上振动，在空气中放火花；工具相对工件移动。 此方法主要用于模具刃口、刀、量具刃口表面强化和镀覆以及电火花刻字、打 印记等。 1 2 国内外开放式数控系统研究及发展现状 1 2 1 开放式数控系统的特征 与传统的封闭式数控系统相比，开放式数控系统应具有以下特征【4 】【5 】【6 】： 1 ) 可互操作性：通过提供标准化接口、通信协议和交互机制，使不同功能模块 能以标准的应用程序接口运行于系统平台之上，并获得平等的相互操作、相互 之间协调工作的能力。 2 ) 可移植性：系统的功能软件与设备无关，即应用统一的数据格式、交互模型 和控制机理，通过一致的设备接口，使各功能模块能运行于不同供应商提供的 软硬件平台之上。 3 ) 可配置性：c n c 系统的功能模块可以灵活配置，方便修改，既可以增加软硬 件功能模块构成功能更强的系统，也可裁减其功能以适应低端应用。 4 ) 可互换性：指构成系统的软硬件功能模块的选用不受单一供应商的控制，可 根据其功能、可靠性以及性能要求相互替换，而不影响系统整体的协调运行。 4 第1 章绪论 1 2 2 国外开放式体系结构的发展 1 9 5 2 年，世界上第1 台三坐标数控铣床在美国麻省理工学院的诞生，结束了 长达2 0 0 年之久的模拟式机械控制方式，标志着制造领域计算机时代的开始。随 着世界经济发展的全球化，市场竞争日益加剧、新产品上市周期大为缩短，用 户需求也趋于多样化、个性化，这要求c n c 必须向开放式结构转化。自2 0 世纪 9 0 年代开始，美国、日本、欧盟等西方发达国家已开始了以设计生产开放式数 控系统为目标，在自动化领域对开放式体系结构做了大量的开发研究工作，相 继推出了各自的开放式体系结构规范，为提升本国制造业综合水平注入了新的 活力。他们基本代表了开放式数控系统的发展现状【7 j 【8 1 。 1 o m a c ( o p e nm o d u l a r a r c h i t e c t u r ec o n 仃o l l e o ： 由美国克莱斯勒、福特和通用三大汽车公司在n g c ( n e x tg e n e r a t i o n c o n t r o l l e r , 1 9 8 9 年) 的基础上于1 9 9 4 年联合提出。事实上美国工业界认为o m a c 是一种设计理念，采用模块化体系结构，其宗旨是“b u y a n y w h e r e ，u s e a n y w h e r e ，o m a c 采用面向对象的设计方法，但并没有同o s a c a ，o s e c - - 样 定义一个固定的参考结构，而是定义了用于建造不同类型控制器的多个模块， 模块还可以包含有子模块。这些模块通过一组公共的、基于m i c r o s o f tc o m 组件 方法的a p i 来确保其在系统中的即插即用。o m a ca p i 将对象间的交互过程抽象 为一系列函数接口，通过函数调用的方式实现信息交互，对于分布式通讯则采 用p r o x ya g e n t 方式，其抽象层次要高于o s a c a 和o s e c ，因而隐藏了底层的通 讯细节。因此，利用这些模块来构造一个具体的控制器就如同“搭积木 一样， 将所需要的模块进行连接即可，具有很大的灵活性。 计算机平台 虚拟机械 工作站管理 图1 2n g c 体系结构 基于o m a c o 勺应用：美国国家技术标准研究所( n i s t ) 参照o m a c 标准及 第1 章绪论 o m a ca p i 定义了机床控制器的模块化组件和组件的接口规范，在一个4 轴水平 加工中心安装一个基于这些接口规范的机床控制器，验证了作为开放式结构控 制器的关键技术指标。密歇根大学所从事的多轴机床控制系统、开放式控制器 ( u m o a c ) 、模块化机床、分布式控制系统也参照了o m a c 标准及o m a ca p i 规 范。 2 o s e c ( o p e ns y s t e me n v i r o n m e n tf o rc o n t r o l l e r ) ： 由日本东芝机器公司、丰田机器厂和m a z a k 公司三家机床制造商和i b m 、三 菱电子及s m l 信息系统公司合作于1 9 9 4 年提出。其目的是开发基于p c 机平台的、 具有高性能价格比的开放式体系结构的新一代数控系统，以适应迅速变化的市 场需求。在硬件方面，o s e c 采用p c + 控制卡的结构，有利于层次化、模块化、 灵活配置的实现，可以充分利用现有p c 机资源，从而有效地缩短产品的研发周 期，具有较强的可操作性。o s e c 采用面向对象技术，提出了一个七层参考模型， 依据层次间的祸合程度组合成三个功能组( 应用环境功能组、n c 环境功能组和驱 动部分) ，并定义了开放控制器的标准平台。该平台允许最终用户、机床制造商、 控制器卖主、软件卖主和系统集成商能够容易地把自己的组件集成到该平台上。 o s e c 以工厂自动化描述语言( f a d l ) 作为各个功能部件间的接口协议。在o s e c 看来数控系统是分布式制造系统的一个服务器的观点，保证了系统最大粒度的 开放，同时这也是分布式制造系统实现基础。o s e c 是基于消息的开放式结构标 准，它是基于工厂自动化设备描述语言( f a d l ) 的，用于在分布式、基于a g e n t 的网络化环境中交换信息。这种基于消息的方法，是将要交互的信息抽象为数 据，通过标准的通讯协议实现信息的传递的。这对于系统与系统之间的异步通 讯是适合的，但对粒度较小的组件重用或重配置未必有益。 操作规划层i + l 加工过程控制层l + 运动控制层 + i 轴控制层 i + 伺服控制层 i + 机床层 6 应用环境 功能层 n c 环境 功能层 驱动层 第1 章绪论 图1 3o s e c 参考结构 3 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 i na u t o m a t i o n ) ： 由欧盟1 9 9 2 年提出。o s a c a 的目标之一，是使自己成为自动化领域的国际 通用标准，所以一开始它就将研究范围涵盖了整个自动化领域，因而该项工程 十分庞大，且对会员资格的要求也很高，目前只有一些知名的研究机构和厂家 才具备会员资格，这无疑阻碍了其推广的步伐。o s a c a 采用面向对象的设计方 法，其基本结构是“分层的系统平台十功能单元”。一个开放式控制系统就以一个 系统平台为基础，由一组离散的组件组成，控制系统本身不带有平台的任何信 息，在组件和平台之间定义了相应的接口，允许不同供应商提供的组件协调工 作，符合规范的控制器可运行于不同的系统平台上。参考结构是o s a c a 的一个 主要组成部分。它规范了控制系统的功能与实现，并给出了它们的外部接口， 定义了实现特定控制功能所需要的a o ( a r c h i t e c t u r eo b j e c t ) 种类和数量。虽然系 统的构成元素a o 具有较大的灵活性，但粒度和功能的划分并不十分明确，无法 实现即插即用功能。另外，a o 在逻辑上具有同等地位，打破了控制系统本身所 固有的隶属结构和层次关系，因此，在数控系统的实际重构中，必须重新建立 这种关系。 图1 4o s a c a 体系结构 1 2 3 国内研究概况 我国数控技术的发展从二十世纪五十年代开始，经过“六五”、“七五”引进、 7 第1 章绪论 消化和吸收，“八五”规划国家组织科技攻关对自主版权的开发，“九五”规划国家 组织产业攻关，“十五”国家相关计划的支持等各个阶段实施，我国数控技术和数 控产业取得了相当大的成绩【9 】。目前国内比较有代表性的新型开放式数控系统研 究主要有以下几种【1 0 1 ： 1 ) 基于软件芯片的开放式数控系统【l l 】【1 2 】【1 3 】【1 4 】。 在该模式中，通过对数控软件的标准化与规范化的研究，运用面向对象的机 制，将数控系统的功能进行抽象并进行封装，将数控软件设计成具有稳定、通 用接口的可以重用的软件芯片，每一个软件芯片完成数控系统的一个独立模块 的功能。并且通过建立一个数控系统软件芯片集成开发环境数控系统软件 芯片库，用来对软件芯片进行管理。用户可以对软件库芯片进行检索、浏览及 维护，还可以添加自己制作的软件芯片。用户在组装数控系统或者进行二次开 发的时候，可以将已有的软件芯片按照自己所要求的功能进行组装，这样开发 一套新的数控系统将节省比较多的时间。 ( 2 ) 基于w i n d o w s 操作系统的开放式数控系统 在w i n d o w s 环境下有两种方法可以实现数字控制功能：1 ) 单机控制模式，整 个系统由一台计算机外加一些功能模块组成，这种控制模式在硬件成本上是最 经济的，但是在软件的开发上是最复杂的，在这种控制模式下，c n c 系统软件 的开发重点是应用程序和设备驱动程序的编制，这种控制方式能够吸收计算机 技术的最新成果，具有很好的机动性和可扩展性，可以很方便地将新的算法采 纳进来实现不同数控系统之间的资源共享也可以很容易地实现物理设备和操 作系统的更新换代；2 ) 1 - 下位机通信模式，这种模式具有更大的灵活性，尤其是 对于已经习惯d o s 和汇编编程的人来说，在这种控制模式下，主要的问题是解 决w i n d o w s 与这些模板的通信问题，采用这种控制模式具有快捷方便和便于实现 远程制造的优点。w i n d o w s 并非实时性操作系统，但在工业控制中对实时性的要 求很高，目前常见的实现w i n d o w s 实时控制的方法为多线程技术、w i n d o w s 定时 技术和通过设备驱动程序( v x d 和w d m ) 间接实现的硬件中断技术【1 5 】【1 6 】。 ( 3 ) 基于c o m 开放式数控系统 所谓的c o m ( c o m p o n e n to b j e c tm o d e l ) 且n 组件对象模型，是由微软提出的一 种新的适合于分布式软件模型的软件标准。按照该程序设计思想，复杂的应用 程序被设计成一些小的、功能单一的组件模块，这些组件模块可以运行在同一 台机器上，也可以运行在不同的机器上。为实现这样的应用软件，组件和组件 第1 章绪论 程序之间需要一些极为细致的规范，只有组件程序遵循了这些共同的规范，软 件系统才能正常运行。为此，微软公司提出c o m 标准，该标准主要应用于 w i n d o w s 平台上。可重构软构件的开放式数控系统就是在c o m 技术的基础上提 出来的。基于可重构软构件的开放式数控系统的基本思想是：采用软构件实现数 控系统的模块功能( 如设计、操作规划、加工工艺控制、运动事件控制、轴设 备控制等功能) ，通过标准的接口卡把数控系统的软件和机床连接起来，形成一 套简洁、通用、具有更好开放性的数控系统。基于软构件的开放式数控系统开 发环境类似于一个装配车间，它为数控软构件提供一个组装环境和组装的“框架 协议”，在该开发环境中可先调用所需的软构件，然后按数控系统的要求和各种 控制关系，对产品进行软设计、软连接、软调试，直至形成数控系统的成品。 需要指出的是，c o m 是微软开发的专门用于w i n d o w s 平台上的，使其应用受到 了一定的限制。另外，c o m 缺乏实时性支持，目前的解决方法之一是在w i n d o w s 的基础上提供软实时支持【r 7 1 。目前来看，数控发展趋向于用c o r b a ( c o m m o n o b j e c tr e q u e s tb r o k e ra r c h i t e c t u r e 公用对象请求代理体系) ，它与c o m 的思想一 样，可实现的功能也一样，但是它的应用不仅仅只限于w i n d o w s ，还可以用于各 种操作平台，因此它更有优势。 ( 4 ) 基于运动控制卡的开放式数控系统 运动控制卡是一种基于工业p c 机、用于各种运动控制场合( 包括位移、速度、 加速度等) 的上位控制单元。运动控制卡通常采用专业运动控制芯片或高速d s p 作为运动控制核心大多用于控制步进电机或伺服电机。一般地，运动控制卡与 p c 机构成主从式控制结构：p c 机负责人机交互界面的管理和控制系统的实时监 控等方面的工作( 例如键盘和鼠标的管理、系统状态的显示、运动轨迹规划、控 制指令的发送、外部信号的监控等等) ；控制卡完成运动控制的所有细节( 包括脉 冲和方向信号的输出、自动升降速的处理、原点和限位等信号的检测等等) 。运 动控制卡都配有开放的函数库供用户在d o s 或w i n d o w s 系统平台下自行开发、构 造所需的控制系统。因而这种结构开放的运动控制卡能够广泛地应用于制造业 中设备自动化的各个领域。 ( 5 ) 基于现场总线技术的开放式数控系统 现场总线技术可以将大量的并行信号转化为串行信号，利用双绞线或光缆可 以在上百台设备之间实时传递上千路的信号。基于现场总线技术的特点，可以 通过现场总线实现工业控制计算机和数字伺服系统、传感器和可编程控制器i 0 9 第1 章绪论 之间的实时通信。在基于p c 机和现场总线技术的开放式数控系统中，其系统软 件采用操作系统并进行实时控制功能扩展，使它能够满足数控系统的实时性要 求【l8 1 c n c 系统软件由n c 内核和p l c 内核组成；其应用软件向用户提供一个应用 环境和一组标准的系统功能函数。用户可以在应用软件层编写程序，调用n c 内 核的控制功能，以自己所要求的方式控制系统的运行，与自己的产品匹配，满 足特殊控制功能要求，也可以在系统上直接运行来自其他软件开发商的应用程 序和开发工具。c a n ( c o n t r o l l e r a r e a n e t w o r k ) 总线是一种高速、可靠性高、实 时性好以及抗干扰能力强的现场总线接口和数据交换协议，是目前应用最广泛 的现场总线之一【1 9 】【2 0 】【2 1 l 。 总的来说，国内的开放式数控系统各有优点，但在完全开放控制和提高性能、 稳定性上尚需进一步研究。 1 3 课题的研究内容和意义 1 3 1 本课题的研究内容 在了解了开放式数控系统的研究意义以及国内外研究现状以后，本课题以模 块化的设计思想，应用现场总线技术作为开放式系统总线，提出了一种开放式 数控系统的实现方式，并对其做了大量的实践工作，最终将研究成果应用到了 一种采用开放式结构的新型电火花数控机床中去，取得了很好的效果。本文主 要做了如下方面的研究： 1 在充分分析了数控系统的功能构成和系统结构后，提出了应用现场总线技术 构造一种开放式系统总线，并以模块化的设计思想为框架实现了该开放式数控 系统。 2 在分析和比较了各种现场总线特点的基础上，选择了c a n 总线作为系统总 线。在深入的研究了c a n 总线技术以及几个主要的c a n 协议以后，制定了应用 在开放式数控系统中的c a n 协议。 3 通过对开放式数控系统的功能性的分析，采用模块化的设计方法，分别研究 和设计了具有管理功能的主控模块，位置控制功能的位置控制模块和开关量输 入输出模块，它们都带有标准的c a n 接口，可以通过c a n 总线方便的集成为数 控系统；在d o s 操作系统下应用面向对象的设计方法完成了主控模块以及并采 1 0 第1 章绪论 用嵌入式软件设计方法完成了其他嵌入式模块的软件设计，实现了开放式数控 系统的基本功能。 4 在完成了开放式数控系统基本设计工作之后，通过对电火花成型加工机的研 究，对本开放式数控系统进行了扩展和改造，使其成功的应用到了电火花成型 加工机的开放式数控系统改造之中，取得了很好的效果。 1 3 2 本课题的研究意义 开放式c n c 系统是对传统封闭式数控结构的根本突破，是当今数控技术的发 展主流和研究热点，更是新一代数控的关键技术。采用开放式体系结构的控制 系统，无论对控制系统开发商、机床厂还是最终用户均有益处。对控制系统开 发商，可在共同的标准平台上建立广泛的合作，实现厂家的协作式开发，这将 大大缩短系统的开发周期，减少投资，增强产品竞争力。对于机床生产厂，不 仅可以根据需要配置最合适的控制系统，而且可将自己独特的软件集成到系统 控制器中，形成自己的产品特色。最终用户可以说是开放式控制的最大受益者， 他们可以根据需要配置最合适的控制系统，而且可以根据需要选择产品，配备 合适的功能部件，实现系统的集成和扩展。同时，体系结构开放也使系统的操 作、维护更加方便。此外，控制系统结构的开放性也为数控技术能持续不断地 吸收日新月异的计算机硬软件最新成果创造了条件，有利于数控产品自身的更 新换代、提高性能、增强竞争力。这也正是开放式c n c 系统之所以被发达国家 视为重要的战略技术，纷纷投入研究的重要的原因。 我国是一个机床生产和应用的大国，但数控技术的开发水平还很不高，严重 制约着我国制造业水平的提高。国际上的相关开发计划对我国的数控技术的发 展提出了严峻的挑战，同时也带来了机遇，因为开放式数控系统计划的实施， 把世界上所有系统开发商推到了同一起跑线上。我们应充分把握数控产品技术 转型的历史机遇，扬长避短，迎头赶上，充分吸收当今计算机发展的新成果、 高起点制定出切实可行、适合我国国情的数控系统开放化的技术路线，解决其 中的关键技术，尽快研制出新一代的国产开放式数控系统。 第2 章系统总体设计概述 2 1 系统结构 第2 章系统总体设计概述 本系统是基于开放式c n c 系统的概念与需求的设计。 概念设计是在系统正式开发前对开放目标的清晰明确，对系统体系结构的总 体把握。因此，开放式体系结构c n c 系统的概念设计着重要解决的问题是开放 什么以及如何开放。从应用的角度，开放体系结构c n c 系统的设计目标是使系 统能够最大限度地提供c n c 系统生产厂、机床设备生产厂和最终用户快速而有 创造性的解决当今制造环境中的数控加工和系统集成，不仅能够为设备自由地 选择、更新或重构c n c 系统，而且系统与外设之间应具有强大的信息通讯能力， 使之能灵活运用于综合化的制造系统环境之中。表现在功能上，一个开放式的 c n c 系统应该能够做到： 1 用户界面的开放： 能够提供一个统一风格的操作界面，实现操作的简洁性；同时，用户可根据 需要定制界面，例如可以改变仿真形式、增减显示内容、扩展远程监控等功能。 2 功能模块的开放： 用户或开发商可根据自己的需要选择合适的功能模块，或开发新的模块。例 如，系统集成商可更换或自行开发插补模块、翻译模块或扩展高级曲线曲面插 补功能等，以适应新的加工需求。 3 控制功能的开放： 系统的控制对象可以是任何厂家生产的机床，不限制机床的加工类型，可以 为车、铣、刨床等通用机床配套，也可以通过加入或开发新的功能模块为特种 加工、齿轮加工等专用机床配套。 4 硬件平台无关性和可移植性： 系统应该可以安装在大多数类型的计算机硬件平台上，以利于应用推广和降 低成本，并且移植方便。根据以上设计原则，本系统采用p c 内藏c n c 型的结构， 伺服运动控制卡上嵌入微处理器，可实现两个层次的全部开放：( 1 ) 底层硬件资 源，运动控制器可以提供供用户自由选择使用的i o 点，用户可以将这些i o 点任 1 2 第2 章系统总体设计概述 意配置为输入或输出，尽管本系统中没有应用到p w m 控制，但是用户可以配置 自己的p w m 输出，从而选择自己的控制模式，笔者就试过配置占空比为5 0 的 p w m 波驱动步进电机运动；( 2 ) 丰富的软件功能调用，所有的基本底层功能都以 动态链接库的形式予以提供，用户可以随意调用和组合，以达到获取所需的目 的。 主机程序可以用v c h 6 0 编制，也可以用c 语言编制，可移植性好，因而能 满足机床制造商和最终用户的种种需求；这种控制技术的柔性，十分符合数控 系统开放体系结构的要求。 图2 1 系统控制流程图 因为控制卡上含有处理器，, 贝l j p c 总线中的计算机系统c p u 可以利用计算机丰 富的软件资源，专注于人机界面、输入输出、预处理、发送指令、故障诊断等 功能，而插补、补偿处理、速度控制、位置控制则可由微处理器来实现，而无 需占用p c 机的资源。在插补计算功能的实现上，采用二次插补的方法，即上位 p c 机完成数据的粗插补，微处理器完成数据的精插补，充分利用在板微处理器 的处理能力，避免了主机c p u 在进行运算操作时造成的计算延迟和通信延迟，在 伺服更新率、执行速率、伺服算法的项数上，都可以获得相当大的提高。而对 于高级伺服应用，对准确性和平滑性要求很高，必须在运算中精确计算三维位 置，使用该运动控制卡的数控系统，在轨迹更新率、计算位数、输出位数上可 以提高很大，可以胜任高精度运动的要求。系统的总体结构如图2 1 所示。 本系统结合现场总线与运动控制卡的先进技术，采用p c 机和p c i c a n 卡组成 第2 章系统总体设计概述 上位机，自行设计的运动控制卡作为下位机，通过c a n 总线来进行数控机床各 个轴及开关量信号的传递和控制。 2 2p c 机在该系统中的作用 计算机数控系统是一种位置控制系统。它的本质是首先输入人们根据加工零 件的具体要求，按照约定方式编制的零件加工程序。然后，数控系统对输入的 零件数据段进行相应的处理，把数据段插补出理想的刀具运动轨迹并将插补结 果输出到执行部件，使执行部件按预定的轨迹运动。在本数控系统中，计算机 的执行功能主要由以下几个部分组成：零件加工程序的输入、数控处理( 例如数 制转换、刀具半径补偿等) 、粗插补计算和系统的监控。 ( 1 ) 零件加工程序的输入 p c 机系统中有一个专门的程序管理输入工作。通常，p c 机将输入的零件 加工程序存入专门设置的零件程序存储器中，加工时再从存储器中将零件程序 按伺服运动控制器的缓冲区的容量调出相应大小的数据段用于加工。在加工过 程中，所调出的数据段大小是动态的，它随每一数据段所消耗的加工时间的长 短而改变，单位时间内加工的数据段越多，每次送出的数据段也就越多。 ( 2 ) 数据段的译码和刀具运动轨迹的计算 控制机床加工时，控制系统的译码程序和数据处理程序完成零件加工程序数 据段的译码和数据计算工作。因为加工数据输入的方式多种多样，可能是图形 化的数据，也可能是文本模式。 通常，c n c 系统分段把零件加工程序从零件程序存储区中取到专门的工作 缓冲区进行处理。每次只调入一个程序数据段。每个数据段都要经过译码、数 据计算，然后再转入插补和伺服控制过程。c n c 系统在进行插补以前一定要完 成相应程序数据段的译码和数据计算工作。当c n c 系统完成了一个数据段的 加工后，再调入下一个数据段，重复上述过程直到整个零件加工完毕。 译码程序的功能是将输入的零件轮廓信息、加工速度以及辅助功能( m ，t , s ) 进行识别处理。它把这些字符串格式的零件加工程序转化成计算机能够识别的 二进制格式代码并在标志单元存储。数据处理程序主要是进行插补前的准备， 完成刀具运动轨迹的计算工作。主要包括刀具半径补偿( 将零件轮廓转化为刀具 中心的轨迹) 和进给速度的计算( 即根据编程f 值，计算采样周期内的步长，解 1 4 第2 章系统总体设计概述 决刀具相对工件的运动速度问题) 。 ( 3 ) 粗插补计算 数据处理程序将一个程序数据段处理完毕后，控制系统就知道了这段曲线的 种类、起点、终点以及进给速度值。从而可在线段的起点和终点之间进行插补 工作。插补程序主要功能为计算出每个坐标在一个采样周期内的位移增量，作 为进给指令。 通常，p c 机通过一个插补周期，形成一个微小的数据段，一边插补，一边 将插补结果输出。经过若干个周期后，完成一个数据段的粗插补。 ( 4 ) 系统动态分析 在系统的执行过程中，作为运动的发起者，我们需要知道执行机构的当前动 态，它包括当前运动是否超出误差允许范围、是否超出允许工作范围以及是否 与理想轨迹相符等，这些都可以通过计算机丰富的图形功能通过接收伺服运动 控制器的数据在屏幕上显示出来。这一功能还可以应用在模拟加工上，使我们 不必实际执行就可以预知加工的状况。 2 3c a n 总线原理与技术规范 2 3 1c a n 总线的发展 随着微处理器和计算机功能的增强和价格的降低，计算机网络得到高速的发 展，而处于工业生产过程控制底层的测控自动化系统若仍采用一对一连接，用 电压、电流的模拟信号进行测量和控制，难以实现智能设备之间以及系统与外 界之间的数据信息的交换。要实现整个工业生产的信息集成和综合自动化，就 必须设计出一种造价低廉而又能经受工业现场环境的通信系统，现场总线( f i e l d b u s ) 就是在这种背景下应运而生的。现场总线不单是一种通信技术，也不单是数 字仪表代替模拟仪表，它是用新一代的现场总线控制系统( f i e l dc o n t r o ls y s t e m ) 代替传统的分布式控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) ，实现现场通信网络、计 算机技术与控制系统的集成。 c a n ( c o n t r o l l e r a r e an e t w o r k ) 总线就属于现场总线范畴，并且是唯一被批准 为国际标准的现场总线。它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信 网络。c a n 总线是德国b o s c h 公司从8 0 年代初为解决现代汽车中