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嵌入式系统在数控机床运行状态监控中的应用研究 机械电子工程专业 研究生：郭共绍指导教师：张恕远 本论文在国家“八五”“九五”科研课题期间研制出的数控测试系统的基础 上，根据目前科学技术的发展现状和发展趋势，分析了前期测试系统的优缺点， 提出了相应的改进方案，研究了基于嵌入式系统的远程状态测试技术。 本文设计了基于嵌入式的数控机床远程运行状态监控系统。通过实时检测 数控机床运行的多项参数，利用网络实现了远程监控。根据检测数控机床各轴 的位置，实现远程三维加工过程实时再现。同时，根据数控系统反馈的位置坐 标，分析了数控系统误差对加工工件影响程度的大小。 在嵌入式系统的开发中，重点研究了数字采样接口和模拟采样接口、温度 采集模块、远程通讯接口及通讯协议几个模块。在数字采集接口电路模块中采 用高效专用计数芯片，使测试系统在高效、高速、集成度和可靠性等方面有了 明显改善，提高了测试系统的抗干扰能力；模拟采集接口电路模块主要采集数 控系统上电机的动态性能参数如电压、电流等信号，实现对伺服电机进行监测。 温度补偿是数控机床的发展趋势，故本嵌入式检测系统对机床重点部位进行温 度采集，实现对机床温度进行实时监控。在嵌入式系统中扩展网络控制器，使 之具备与远程计算机通信的能力。 信息平台使用o p e n g l 开发了三维显示界面，用来显示四轴联动数控机床 的加工路径。嵌入式系统通过对机床编码器的输出脉冲进行计数，获得各轴的 位置，再通过网络发送给远程的信息平台，信息平台则把得到的脉冲值转换成 机床的位置坐标，然后显示在构建好的三维坐标系中。远程三维显示较好的监 控了数控加工的过程。在获得机床坐标的基础之上，通过建立数控系统误差对 加工工件影响的数学模型，从理论和实际分析了数控系统误差对加工工件的影 响程度的大小。 关键字：嵌入式数控系统三维显示o p e n o l 远程监测 e m b e d d e ds y s t e m si nc n cm a c h i n et o o lr u n n i n gs t a t u s m o n i t o r i n ga p p l i e dr e s e a r c h m a j o r ：m e c h a n c i a la n de l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g p o s t g r a d u a t e ：g u og o n g - s h a os u p e r v i s o r ：z h a n gs h u - y u a n t h i sp a p e r ，b a s e do nt h en u m e r i c a lc o n t r o l l e dt e s t i n gs y s t e mw h i c hw a s e x c o g i t a t e dd u r i n gt h ep e r i o d so ft h ee i g h t hf i v e y e a ra n dt h en i n t hf i v e y e a r , a n a l y z e st h ea d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g eo ft h i s t e s ts y s t e ma c c o r d i n gt ot h e d e v e l o p m e n t a la c t u a l i t y a n d t e n d e n c y o f t e c h n o l o g y , p u t s f o r w a r dt h e c o r r e s p o n d i n ga m e l i o r a t i o np r o j e c ta n dd e v e l o p st h ed e s i g no ft h eh a r d w a r ea n d s o f t w a r ei nt h i se m b e d d e d b a s e dl o n g d i s t a n c et e s ta n dc o n t r o ls y s t e m t h i sa r t i c l eh a sd e s i g n e dc n cm a c h i n et o o ll o n g - d i s t a n c er u n n i n gs t a t u s s u p e r v i s o r ys y s t e mt h a tb a s e do nt h ee m b e d d e d t h r o u g hr e a l t i m ee x a m i n a t i o n c n cm a c h i n et o o lm o v e m e n tm a n yp a r a m e t e r s ，i th a sr e a l i z e dt h el o n g d i s t a n c e m o n i t o r i n gu s i n gt h en e t w o r k a c c o r d i n g t oe x a m i n a t i o nc n cm a c h i n et o o l v a r i o u sa x e s ，i tr e a l i z e st h el o n g - d i s t a n c et h r e ed i m e n s i o n a lp r o c e s s i n gp r o c e s s r e a l - t i m er e a p p e a r a n c e a tt h es a m et i m e ，a c c o r d i n gt on u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m f e e d b a c kp o s i t i o nd a t a ，a n a l y z e dt h en u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e me r r o rt op r o c e s st h e w o r kp i e c ei n f l u e n c e i ne m b e d d e ds y s t e m sd e v e l o p m e n t ，i th a ss t u d i e dt h e d i g i t a ls a m p l i n g c o n n e c t i o na n dt h ea n a l o gs a m p l i n gc o n n e c t i o n ，t e m p e r a t u r eg a t h e r i n gm o d u l e ， l o n g - d i s t a n c ec o m m u n i c a t i o nc o n n e c t i o na n dc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l s e v e r a l m o d u l e sw i t he m p h a s i s u s i n gt h eh i g h l ye f f e c t i v es p e c i a l p u r p o s ec o u n t i n gc h i p i nt h ed i g i t a lg a t h e r i n gi n t e r f a c ec i r c u i tm o d u l e ，c a u s e dt h et e s ts y s t e mi nh i g h l y e f f e c t i v e ，h i g hs p e e d , a s p e c t sa n ds oo ni n t e g r a t i o nr a t ea n dr e l i a b i l i t yh a dt h e d i s t i n c ti m p r o v e m e n t ，s h a r p e n e dt e s ts y s t e m sa n t i j a m m i n ga b i l i t y o ns i m u l a t i o n g a t h e r i n gi n t e r f a c e c i r c u i tm o d u l em a i n g a t h e r i n gn u m e r i c a l c o n t r o l s y s t e m e l e c t r i c a lm a c h i n e r y sd y n a m i cp r o p e r t yp a r a m e t e rl i k ev o l t a g e ，e l e c t r i cc u r r e n t e q u i s i g n a l r e a l i z e sc a r r i e so nt h em o n i t o rt ot h es e l v oe l e c t r i c a lm a c h i n e r y t h e t e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o n i s n u m e r i c a l l y c o n t r o l l e dm a c h i n et o o l s t r e n do f d e v e l o p m e n t ，t h e r e f o r et h i se m b e d d e de x a m i n a t i o ns y s t e mc a r r i e so nt e m p e r a t u r e g a t h e r i n gt ot h ee n g i n eb e dk e ys p o t ，r e a l i z e sc a r r i e so nt h er e a l t i m em o n i t o r i n g t ot h ee n g i n eb e dt e m p e r a t u r e e x p a n d st h en e t w o r kc o n t r o l l e ri nt h ee m b e d d e d s y s t e m , c a u s e si tt oh a v ew i t hl o n g - d i s t a n c ec o m p u t e rc o r r e s p o n d e n c ea b i l i t y t h ei n f o r m a t i o np l a t f o r mu s e do p e n g lt o d e v e l o pt h e t h r e e - d i m e n s i o n a l d i s p l a y c o n t a c t s u r f a c e ，b e i n g u s e sf o rt od e m o n s t r a t ef o u ra x i s l i n k a g e n u m e r i c a l l y - c o n t r o l l e dm a c h i n et o o l sp r o c e s s i n gw a y t h ee m b e d d e ds y s t e m t h r o u g hc a r r i e so nt h ec o u n t i n gt ot h ee n g i n eb e de n c o d e r so u t p u tp u l s e ，o b t a i n s v 撕o u sa x e st h ep o s i t i o n ，a g a i nt h r o u g hn e t w o r kt r a n s m i s s i o nf o rl o n g d i s t a n c e i n f o r m a t i o np l a t f o r m t h ei n f o r m a t i o np l a t f o r mt h ep u l s ev a l u ew h i c ho b t a i n s t r a n s f o r m se n g i n eb e d sp o s i t i o nd a t a , t h e nt h ed e m o n s t r a t i o ni nc o n s t r u c t si nt h e g o o dt h r e ed i m e n s i o n a lc o o r d i n a t es y s t e m 。l o n g - d i s t a n c et h r e e - d i m e n s i o n a l d i s p l a yv e r yg o o dm o n i t o r i n gp r o c e s s i n gp r o c e s s 。i no b t a i n st h ee n g i n eb e d c o o r d i n a t ea b o v et h ef o u n d a t i o n ，t op r o c e s s e st h ew o r kp i e c ei n f l u e n c et h r o u g ht h e e s t a b l i s h m e n tn u m e r i c a lc o n t r o l s y s t e me r r o r t h em a t h e m a t i c a lm o d e l ，a n d a n a l y z e dt h en u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e me r r o rf r o mt h et h e o r yt op r o c e s st h ew o r k p i e c ea c t u a l l yt h ei n f l u e n c e k e yw o r d s ：e m b e d d e d , n u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m , t h r e e - d i m e n s i o n a ld i s p l a y , o p e n g l ， i i i 西华大学硕上学位论文 声明尸明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师的指导下进行的研究工作以及取 得的研究成果。除了文中特别加以注释和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西华大学或其他教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的通知对本研究所做的任何贡献已在 论文中作了明确的说明并表示感谢。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师指导下取得的，论文成 果归西华大学所有，特此声明。 作者签字：都投( 易伽? 年月f 日 导师签字月7 日 西华大学硕士学位论文 西华大学 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，西华大学可以将本论文的全部或部 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 印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书； 2 、不保密口，适用本授权书。 ( - i , f l 在以上口内划4 ) 学位论文作者签名：专p 发l , i l 日期：训7 占9 指导教师签名： 日期：仂p6 7 两华大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题研究背景 随着电子技术、计算机技术和网络技术的快速发展，数控机床等机电装置 在现代机械制造中得到了快速发展和广泛应用，为了提高加工质量和加工效 率，对数控机床等机电加工装置的精度检测和在线动态功能测试提出了较高的 要求。据此，西华大学数控技术研究所承担了国家“八五 、“九五”国家重点 攻关课题“数控系统运行状况综合测试技术及装置的研究开发，实现了对数 控系统的插补、螺距补偿、间隙补偿、运行精度、单脉冲等测试。并在多家机 床厂家进行应用，具有较好的效果。 由于受到当时技术发展的限制，该测试装置应用p c 机作为测试单元，从 而使得测试装置的体积较大，在工业现场测试容易受到干扰，使得该测试装置 在使用上具有一定的局限性。经过几年的研究上述不足已经得到的很大的改 善，并且研制了基于嵌入式网络型的数控远程检测系统。它只能检测机床的数 控系统方面的误差和对机床运行状况的监控，不能实现远程加工过程的再现和 数控系统误差对加工工件误差的分析。“八五”、“九五”的检测设备主要是基 于对数控系统性能的评估，比较适合于数控机床的生产厂商，在工厂里用于生 产的数控机床上并不能得到良好的应用。它虽然对数控系统精度进行的检测， 评估了数控系统基本的性能，但是没有就数控系统误差对工件影响的程度进行 分析。数控机床的更新换代，使得原来的测试系统已经不能满足发展的需要。 经过几年基础研究，本论文中提出了基于嵌入式远程监测系统的研究分析 数控系统误差对工件的影响程度大小以及远程三维加工过程实时重现机制，并 进行了试验。 近年来，嵌入式技术的不断发展，嵌入式系统对传统的计算机系统在实时 性、灵活性上都具有很大的优势。本文中选用外设丰富的嵌入式处理器来代替 传统的单片机系统和通用微机控制系统，并集成了数据采集模块与网络传输模 块，这样就解决了传统的测试系统体积过大，在工业现场测试易受干扰的问题。 同时，由于远程技术的不断发展，对数控机床的监测系统引入了嵌入式网络监 测方案。在嵌入式操作系统软件平台上加入t c p i p 协议，系统自身就具备局 域网甚至互联网上网功能，这样就为远程监测和远程故障诊断及维护提供了方 两华大学硕十学位论文 便。嵌入式的数据采集硬件单元对数控机床上电机运行参数进行监测，把数据 通过以太网传送到远程监测主机中，专业人员就可以远程对设备的运行进行及 时、准确监测，对其故障先兆做出准确判断和预测，有效的降低机床的停机时 间，提高生产效率。远程数控编程人员也可以通过远程三维加工显示界面对机 床加工过程进行监视。 1 2 数控机床远程控制的国内外发展状况 ( 1 ) 目前对数控机床的精度的测试方法 数控机床工作精度主要指机床的切削精度，切削精度不仅反映出机床的几 何精度和定位精度，还同时包括了环境温度、试件材料和硬度、刀具性能和切 削用量等各种因素可能造成的误差【l 们。其中对几何精度造成的误差的研究比 较成熟，其主要是提高机床本身的结构以及零部件的精度：定位精度的研究主 要是对机床传动链上的间隙补偿和数控加工程序的软补偿等，比如提出了各种 更先进插补算法和制造更精密的丝杆、齿轮等等；温度补偿方面的研究近年逐 渐增多，比如华中科技大学的周云飞、西南交通大学的阎开印、浙江大学的傅 建中、河北工业大学的刘丽冰等，都在温度补偿反方面进行了研究。 国外针对数控机床的综合性能评估，已经有了成熟的技术，并且形成了统 一的、商品化产品，如激光干涉仪系统、球杆仪系统、主轴分析仪系统等。在 国内，根据我国的实际国情研制了成本比较低的检测设备，并且形成了一套检 测理论，比如华中科技大学研制的t 型检具。球杆仪着重检测机床的直线度、 垂直度、俯仰度、偏摆度、平行度等综合误差。球杆仪主要用于确定机床失去 精度的原因及诊断机床的故障。t 型检具则可以通过检测球从中分离出机床的 各项参数。在国外，对机床检测主要使用激光干涉仪和球杆仪互补的进行检测， 而国内，使用精确度比较高的激光干涉仪、球杆仪检测机床的却很少。使用检 测仪检测出机床误差后，通过调整数控系统相关补偿参数进行补偿。这些测试 装置都是检测机床的综合误差，其包括几何误差，而且包括数控系统误差。它 们通常只检测几何误差并进行补偿，对数控系统误差的检测甚少，故西华大学 数控技术研究所对数控系统误差进行了研究。 西华大学数控技术研究所在承担了国家“八五”科技攻关课题一“数控系 2 两华大学硕士学位论文 统测试技术及装置研究和国家“九五”科技攻关课题一“数控系统运行状态 综合测试技术及装置的研究开发 ，实现了对数控系统的单脉冲测试、螺距误 差测试、重复定位精度测试、反向间隙补偿测试、数控圆精度测试等精度的测 试研究。 ( 2 ) 目前对数控机床的测试的主要内容 对多种数控机床的主要功能进行定性、定量、静态、动态在线实时测 试： 对测试装置的通用性的研究； 测试装置的商品化问题： 测试装置对数控系统的精度的测试； 螺距误差补偿测试 间隙补偿测试 令三维数控圆精度测试及数控斜线精度测试 电机动态性能测试 机床温度补偿的测试 ( 3 ) 数控机床远程测控系统的发展方向 随着各种新技术、新器件、新理论的出现和网络技术的飞速发展，实现多 种数据采集和传输的小型测试系统在今后的测控领域中尤为重要【1 1 】。同时网 络技术的不断发展，也越发显示了远程控制在工业控制领域中的重要性。 在i n t e r n e t 技术快速发展的时候，基于网络的远程测试技术如雨后春笋般 涌现。各行各业在远程测试，监控中的研究层出不穷，比如楼宇自动化技术随 着3 g 时代的到来成为了现实；数控机床的网络化制造技术已经在工厂安全的 运行等。目前，数控机床的远程检测技术主要是针对数控机床的远程故障诊断、 专家诊断系统，通过远程网络集聚多位专家对机床的故障进行会诊，以降低机 床的停机时间来提高生产率。 现在部分数控机床可以在本机上实现加工路径的跟踪绘制，但是主要是以 二维绘制为主，没有实现三维轨迹跟踪。随着网络技术的发展，基于远程数控 机床检测设备的更新、完善，数控检测设备必然向着可靠性高，实时性好，可 以实现远程三维显示刀具加工路径的方向发展。 西华大学硕上学位论文 1 3 课题研究的目的和意义 众所周知，数控系统在国民经济、经济建设、现代化建设中有着举足轻重 的作用，然而对数控系统的各种静态、动态精度的测控对于安装调试数控系统、 数控机床的加工产品质量都有着非常重要的作用。所以对数控系统的测试的研 究有着深远的意义。目前对于数控系统测控系统的研究还处于初时阶段，先进 技术层出不穷，研究的必要性显而易见。 目前国内外的各种各样的数控测控系统往往是比较单一的，而且大多数装 置只能检测数控机床整体的数据精度指标，而不能检测数控系统( 包括c n c 装 置、伺服驱动及电机) 的精度指标，不能反映数控系统的插补误差对加工工件 的影响。因此研究一种能综合测试各种数控性能指标的装置是必要的。西华大 学数控技术研究所在国家“八五 “九五科研项目中研究了基于p c 机的数 控系统测试装置，实现了对数控系统的插补、螺距误差补偿测试、间隙补偿测 试。数控圆精度测试等性能测试。但是这种测试装置由于当时技术的局限性， 存在一定的不足，如测试系统的体积较大，在工业控制现场应用中容易受到工 业现场的干扰：不能完成在远程的计算机上实现三维加工路径的跟踪；在网络 技术迅速发展的今天，也不能实现远程监控等。 由上述可知，研制一种具有远程测试功能的测试系统，用来监控数控机床 的工作状态和实现对数控系统的性能的评估。本课题就是在这种的背景下，在 数控技术研究所研究的数控系统精度测试装置的基础上，针对以往测试系统存 在的不足，提出了基于嵌入式系统的数控机床测试装置，它能够实现对数控系 统的动态性能测试和数控机床的运行状态进行测试。 本论文主要完成的目标是设计一台检测仪针对一台四轴联动的数控专用 磨床。检测机床的运行参数以及加工路径。在以往的研究的基础之上对它进行 了扩展。前期的研究主要集中在数控系统误差，所以本文保留了对数控系统精 度进行测试的部分，扩展了对机床温度的检测和分析数控系统误差对加工工件 的影响并建立了关于数控系统误差对加工工件影响的数学模型；而且还扩展了 基于远程的三维显示加工信息平台，用于实现远程加工路径的跟踪。 本文的意义在于实现远程监控数控机床的运行状态和远程显示三维加工 路径。远程监控可以在远程了解数控机床的工作状态，以及加工刀具路径。当 4 两华大学硕士学位论文 加工路径出现过大偏差的时候，可以及时发现，挽救其加工的工件。监控系统 还可以很好的监控数控机床温度的变化，特别是电气控制柜温度的变化。当电 控柜温度过高时，可能会造成数控系统的不稳定，使数控系统失去其原有的精 度。通过远程对温度的监控还可以很好的了解机床床身温度变化，当温度过高 是可以通过相应的补偿技术人工的对加工程序进行修正。 基于远程的数控加工三维场景远程重现技术是实际数控系统在网络虚拟 环境下的映射。三维场景远程重现系统追求“身临其境 的逼真性和“超越现 实 的虚拟性u 纠。 1 4 本课题研究的主要内容 本文使用嵌入式系统对机床进行监控，其主要完成对机床的各轴编码器进 行计数、电机电流的检测、机床温度检测的任务。远程信息平台则万辰的任务， 一是显示三维加工路径，实现远程加工路径跟踪：二是通过建立数控系统误差 的数学模型和试验，有效的分析数控系统误差对加工工件的影响。嵌入式系统 和信息平台有机的结合，构成了机床运行状态的监控系统，有效的完成远程对 机床的监控。 本论文的研究内容包括以下几个部分： 1 远程测控系统的硬件系统的构建、数据采集模块设计、数据传输模块的 设计。 2 三维加工过程显示软件和分析测试软件的设计，数据库的开发，通信模 块的设计等。三维加工显示过程软件的设计主要是通过构建三维的显示空间并 在三维显示空间中建立三维坐标。数据库主要是为了保存四个轴的加工工件实 时位置坐标，通过计算显示在三维坐标空间中。 3 电流检测与温度检测电路。实时检测数控机床各个轴的电机负载情况。 温度检测主要是为了满足当前数控机床的发展趋势，也是为了监控数控机床电 控柜的温度，防止因温度过高造成数控系统不稳定。 4 数控机床数据采集试验，通过采样得到的数据计算出空间点的位置以便 于在工作站的三维坐标中显示出加工过程。对获得的数据进行分析，得出数控 系统的误差以及对加工工件的影响。 西华大学硕上学位论文 2 远程测试系统的总体方案 2 1 测试系统功能要求 远程测控系统是指本地计算机通过网络对远端的设备进行监测。使工作人 员不必亲临现场就能够了解设备的实际运行状态。通过远程对设备的运行精度 进行分析，从而达到与现场人员操作该设备同样的工作效果。 本文所设计远程监测系统主要是在数控所承接的“八五 、“九五”课题研 究的基础上，开展了“基于嵌入式的远程测控系统的研究。下面简要对其进 行简要介绍。 1 “八五 课题“数控测试技术及装置研究”的介绍 该课题主要完成对被测数控系统主要的和必须的功能及参数设定等进行 检测，使得各输入输出量的结果能在c r t 上显示，同时对各种补偿量如反向间 隙补偿、丝杆螺距误差补偿、刀具半径及误差补偿等进行检测并在c r t 上显示 结果。 此测试系统硬件电路简单，存在一些不足，如测试速率较低，测试数控系 统的种类有限等缺点。为了解决这些问题，数控所又承接了国家“九五课 题项目“c n c 数控系统运行状态综合测试技术”。 2 “九五 课题“c n c 数控系统运行状态综合测试技术”的介绍 “九五”课题是在“八五 课题研究基础上，研究了用微机技术对多种数 控系统的主要功能进行定性、定量、静态、动态在线实时测试；测试装置的通 用性问题；以及研究了对数控系统( 包括c n c 装置、伺服驱动及电机) 的精 度测试，包括单脉冲测试、跟随误差测试、螺距误差补偿测试、反向间隙补偿 测试、重复定位精度测试及数控圆精度测试、数控任意轨迹的精度测试和电机 动态性能测试等。 以上两个课题都是为机床生产厂对数控系统进行评定和数控机床安装调试 之用。两个课题都是测试数控系统精度，对直线插补和圆插补进了精度检测。 数控机床的误差本身包括数控系统误差和机床几何误差，几何误差的研究已经 进行很多，也得出了很多研究成果。虽然数控系统的误差对加工误差的影响很 小，但是这部份误差却是事实存在的。所以本文研究了数控系统误差对数控机 床加工工件的影响。 6 西华大学硕士学位论文 为了检测数控系统的精度，需要反馈数控机床位置。有了位置坐标后，不 但可以检测数控系统的精度，也能远程三维显示技术跟踪加工路径。本文为了 实现三维加工过程的远程重现，首先需要一个三维空间；其次，在三维空间中 构建三维坐标系和显示加工路径。三维显示需要三维编程软件的支持，要求它 不仅支持三维空间编程，还要支持二维空间和实体模型编程。 基于前期的研究，本设计保留了原有对数控系统进行测试之上，对检测系 统进行了有效的扩展和改进。 综上所述，本测控系统要求完成的项目有以下几点。 1 构建信息平台和三维坐标系用于显示多轴数控机床加工轨迹： 2 分析数控系统误差对加工工件的影响，建立数控系统误差在工件坐标系 中数学模型。 3 实现以太网技术在远程测控系统中的应用。 4 实现对数控机床温度的监测。 5 实现对数控系统测试的功能。 2 2 测试系统的总体结构 按照上述测试系统实现远程监控数控机床的要求，给出本文的远程监控系 统的总体结构模型如图2 1 所示。 f i g 2 一lt h e t o t a lc o n s t r u c t i o np a r e mo f l o n g = d i s t a n c et e s t i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e m 图2 1 远程测控系统总体结构模型 远程测控系统结构图各层次完成的主要功能如下： 顶层一远程监控：提供用户交互功能，使用户可以通过可初i t 舆而班岸黼 7 西华大学硕士学位论文 据操作与信息交互，如数控系统运行状态的信息采集与精度分析、机床电机电 流电压的测量，三维坐标系显示加工路线等。 中间层一网络层：运用以太网技术，完成远程计算机与现场测控设备之间 的通讯功能。并建立了相应的t c p i p 协议栈。 底层一现场测控层：通过嵌入式测试装置完成对数控系统运行状态的数 据采集，完成对数控机床电机的电压、电流等数据的采集，以实现对机床动态 性能的测试，还完成了伺服电机的实时回转角度和速度的测试。在本论文中测 控系统采集到的数据经过初步处理后，把所有数据打包通过以太网发送给远程 的计算机上。 运用以太网技术的远程测控系统，顶层部分实现远程计算机通过w e b 服 务器浏览主页的形式来查看设备状态信息。这就要求我们实现远程监控系统与 i n t e r a c t 的集成。 2 3 远程测控系统与i n t e r n e t 的集成 目前，以i n t e r n e t 为主要媒介的信息交换系统正迅速从商业领域渗透到制 造业领域，覆盖了工厂的现场设备控制、管理的各个层次，引发了工业自动化 信息系统结构的巨大变革。逐步形成了以i n t e m e t 为基础的企业信息系统，其 中，现场总线的i n t e m e t 接入技术将标志工业控制领域e 时代的到来。 i n t e m e t 和工业控制技术的结合，给控制技术带来了飞速的发展，特别是进 入二十世纪9 0 年代以来，面对日益激烈的全球化竞争，各发达国家迅速调整 技术政策，在财力有限的情况下，几乎不约而同地将基于i n t e m e t 的快速反应 制造技术的研究与开发列为国家关键技术和优先发展领域，将网络制造作为它 们的重要研究方向，纷纷制定各自的制造技术发展计划，其中，最有代表性的 是美国的先进制造技术计划、关键技术( 制造) 计划、敏捷制造使能技术计划 ( t e a m ) ，日本的智能制造( m s ) 技术国际合作计划，韩国的高级先进制造技术 计划( g 7 ) 和德国的制造2 0 0 0 年计划等【l 引。一场在制造领域围绕市场需求，以 提高产品质量和生产效益为中心的高科技竞争正在全球范围内展开。 基于i n t e m e t 远程测控系统的主要有以下几部分组成：数据库和w e b 服 务器：现场测控设备；以太网控制模块；远程计算机等。现场测控设备完成现 西华大学硕上学位论文 场设备的数据采集和监测控制，数据采集和控制模块主要完成数控机床上电机 电压电流的数据采集、四个轴的光电编码器输出脉冲数、以及机床运行状态的 数据采集等；同时，设备运行状态通过以太网的t c p 或u d p 传送到远程监控 设备处理和显示，把这些数据并存入数据库中。远程监测设备可以进行简单的 故障检测和分析，把结果告诉现场测控设备；远程计算机部分可以是授权的客 户，允许通过h t t p 查看或调度系统资源信息，优化系统整体运做。以太网控 制模块部分主要是完成数据的传输，具体介绍在文章的后面给出。 2 4 信息平台的实现 三维加工过程远程重现的定义：根据实时采集的大量现场信息数据，基于 独特的三维建模技术，在远程客户端仿真重现三维现场的真实加工过程。远程 三维加工重现其基本思想是：首先，采用嵌入式检测技术检测数控机床各坐标 轴的坐标，并对各坐标轴位置坐标值通过以太网控制器发送到远程计算机；其 次，远程计算机对接受到的数据解包，显示在构建的三维坐标系中。三维坐标 系理论上可以实现显示多维的数控系统加工模型。 2 4 1 三维显示原理实现 本课题主要是针对一台四轴联动的数控专用磨床。数控专用磨床使用的是 三菱数控系统。三菱数控系统对于本设计不具备开放性，故本设计不能从数控 系统接口中直接得到各轴的位置坐标。为了得到加工空间任意一点的数据就需 要获得机床四个轴的位置坐标。所以本设计从伺服轴的光电编码器获得脉冲 数，产生四个轴的坐标。通过打包后传送到i n t e r n e t 上，然后再显示在远程的 计算机信息平台上面。远程三维显示原理如图2 2 所示。 乘通 以过 各目四 个 藿囊 - 轴 _ 且显 的 同接 率码轴 传 时 通 数对 过 受 据四 以 数 太 到据 进个 网+ 数并 行轴 传 据把 + 计的 送 库数 数编 数 据 码 据 写器脉 动不 器 入 分冲 比刀 f i 9 2 2s c h e m a t i ct h r e e - d i m e n s i o n a ld i s p l a y 9 两华大学硕上学位论文 图2 - 2 三维显不原理图 2 4 2 三维空间构建方法分析 根据设计的要求，需要在信息平台中建立三维坐标，用于显示四轴数控机 床的加工路线。目前，支持三维制作的软件有很多种，但是这些软件都用于辅 助设计，很难通过移植和编程指令根据坐标绘制三维空间。 o p e n g l 是近几年发展起来的一个性能卓越的三维图形标准，它是在s g i 等多家世界闻名的计算机公司的倡导下，以s g i 的g l 三维图形库为基础制定 的一个通用共享的开放式三维图形标准。目前，包括m i c r o s o f t 、s g i 、i b m 、 d e c 、s u n 、h p 等大公司都采用了o p e n g l 做为三维图形标准，许多软件厂 商也纷纷以o p e n g l 为基础开发出自己的产品，其中比较著名的产品包括动画 制作软件s o f ti m a g e 和3 ds t u d i om a x 、仿真软件o p e ni n v e n t o r 、v r 软件 w o r l dt o o lk i t 、c a m 软件p r o e n g i n e e r 、g i s 软a r c i n f o 等等。值得一提的 是，随着m i c r o s o t t 公司在w i n d o w sn t 和最新的w i n d o w s9 5 中提供了o p e n g l 标准及o p e n g l 三维图形加速卡的推出，o p e n g l 将在微机中有广泛地应用， 同时也为广大用户提供了在微机上使用以前只能在高性能图形工作站上运行 的各种软件的机会。o p e n g l 是一套底层三维图形a p i ，之所以称之为底层a p i ， 是因为它没有提供几何实体图元，不能直接用以描述场景。o p e n g l 不要求开 发者把三维物体模型的数据写成固定的数据格式，这样开发者不但可以直接使 用自己的数据，而且可以利用其它不同格式的数据源n 钔。 鉴于o p e n g l 的发展与编程特点，最终本将使用基于v c + + 的o p e n g l 开 发环境，创建三维空间。在v c + + 的m f c 框架下使用o p e n g l 建立一个三维 编程环境，实现加工过程的再现以及显示数控机床的运行状态等等。 2 4 3 数控系统误差在加工工件上的影响 在数控机床中，控制系统包括从编程到数据的存储、分配、计数和比较， 用以驱动伺服机构。这种控制系统的误差主要反映其稳态时的性能，其中有系 统的不灵敏度、零点飘移和稳态误差等。系统的不灵敏度反映在输出脉冲的增 加或丢失，这种现象将使工作台少移动或多移动了指令要求的位移量，形成定 位误差。系统的零点漂移是指系统输入稳定而输出呈现出波动现象，引起机床 l o 两华大学硕上学位论文 工作台位移的变化。系统的稳态误差是指系统有输入信号以后，经过一段时间， 输出信号与输入信号之间的误差。这在轮廓加工的控制系统中尤为重要。在闭 环系统中，输入信号与测量信号反馈到比较环节中进行比较，当存在有信号差 时，系统继续运动；当信号差小到低于系统灵敏度时，系统即停止运动。在这 些系统中，这种跟踪误差对定位过程是不起作用的，但对连续运动的轮廓加工 则会产生误差引。 数控系统存在的误差，其在数控机床中的影响也是不容忽视的。尽管其误 差相对与机床的其他部分误差而言比较小。本论文前期的研究主要是对数控系 统精度的研究，本论文也继承了以往研究的优点，进一步分析了关于数控系统 误差对加工工件的影响。 本论文将建立四轴联动数学模型，通过数学模型理论分析系统误差在工件 坐标系中的表现。并利用采集到的四个轴的位置坐标值与理论值进行比较，通 过试验得出结果。 2 5 本章小结 本章从数控机床测试系统的要求分析入手，阐述了基于嵌入式在数控机床 远程测试系统的设计思路和方案。首先分析了数控系统测试议的优缺点，然后 取长补短，并扩展了部分功能。最后，分析了构建三维界面方法以及使用的工 具，同时也简单介绍了对数控系统产生的误差对加工工件坐标系中的误差的影 响。 本论文将主要探讨以下几个方面的问题，嵌入式测试系统的构建、网络通 信、三维空间的实现、误差分析。上述部分将在下面章节一一详细介绍。 西华大学硕十学位论文 3 嵌入式系统的设计与实现 国家“八五 “九五 课题是“c n c 数控系统运行状态综合测试技术 的 研究，存在一些不足之处，首先测试装置的体积过大，在工业现场测试时易受 到外界环境的干扰，其次是测试装置不能对数控系统进行电机电流、机床温度 等。因此在本系统中针对以前课题存在的采集速度低、存储空间少等问题，对 测试系统的硬件部分进行了改进。首先，增加了对数控系统伺服电机的电压电 流信号的采集模块，以满足对数控机床的动态性能的研究；其次，在对数控系 统运行精度的测试方面，采用嵌入式系统取代以前课题的单片机系统，同时采 用具有鉴相、倍频功能的计数芯片l s 7 2 6 6 r 1 代替前期测试系统所使用的硬件 电路，以降低外界环境对测试系统的干扰。同时通过以太网技术代替以前的 c a n 总线进行远程数据的传输。因此本测试系统的硬件部分主要包括下位机 检测模块和信息平台模块两个部分。下位机模块主要由嵌入式系统构成的数据 采集模块、数据传输模块、服务器端的硬件部分主要完成与客户端的数据通讯。 下面分别介绍硬件系统的主要功能以及硬件系统的总体框架结构。 3 1 嵌入式系统的总体框架 根据总体方案的设计思想，嵌入式测试系统有以下两部分组成：( 1 ) 嵌入 式测试系统，主要负责检测机床各种参数；( 2 ) 数据的传输，主要的任务是与 集中控制信息中心进行信息交流。嵌入式检测系统这两个功能，协调合作，有 序执行，完成本测试系统的信息采集任务。 数据的采集，数据采集包括数字信号采集和模拟信号采集两个模块，数字 信号采集模块采集编码器输出信号，通过对信号的滤波、鉴相、倍频后，输入 处理器芯片，实现对数控系统插补精度检测、反向间隙误差补偿检测、重复定 位精度将测、螺距误差补偿检测、数控圆精度检测，以及记录数控机床位置坐 标。模拟信号采集主要实现对伺服电机的实时电流、电压、温度的检测等数据 的采集，采集信号通过滤波、缩放平移电路，输入到a d 转换芯片中，再输 入处理器芯片，以完成对数控系统动态性能的分析。 远程数据传输，由于本采集系统是多通道的数据采集系统，采集的数据量 两华大学硕士学位论文 大，且需要能够对某几个信道的数据信号进行同步的传输，因此在数据采集后 需要进行数据的缓冲，以便有足够的时间进行数据的处理和传输。同时对测控 系统的存储器进行了一定的扩展，以满足采集数据的存储。并且本系统需要完 成模拟量与数字量两种信号的采集工作。 采集系统的主要工作过程是通过电流传感器和电压传感器对伺服电机的 电流信号和电压信号进行采集、温度传感器通过实时检测机床温度，经过信号 调理完成采集信号的缩放、平移及滤波等功能，然后经a d 转换处理后存入 测试装置的s d r a m ：而数字量信号的采集是通过伺服电机所带的光电编码器 获得相位差成9 0 0 的a 、b 信号，经鉴相、倍频及滤波处理存入s d r a m ，数 据在s d r a m 中得到缓冲存储。嵌入式处理器通过对s d r a m 中的数据分析 和处理，从而获得所需要的精度分析数据和状态信息，并在l c d 上显示相应 的信息，实现相应的检测。同时将检测数据通过以太网传输给远程计算机，以 实现远程控制。图3 1 为本系统硬件总体框图。 读取脉冲接口 l 电流传感器吲信糊酏路嗲 加 刊d m 9 删0 0 0 器h 一机 s 3 c 2 4 1 0 l 温度传船吲温度采集螂b i ) f i 9 3 - 1t h ef r a m eo fe m b e d d e ds y