（机械制造及其自动化专业论文）kdp晶体专用超精密机床控制系统开发及实验研究.pdf

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 摘要 随着计算机技术的快速发展，新一代超精密机床数控系统将沿着具有开 放式体系结构、智能化程度高、支持网络功能、精度高、速度高等方向发 展。超精密机床伺服控制系统不同于常规的位置控制系统，它要求有极高的 控制精度和稳定性。所研究的k d p 晶体专用超糖密机床控制系统由于加工 方式的特殊性，在伺服控制中对进给方向的低速稳定性有严格要求，针对这 一设计目标，本文基于p c 和p m a c 的双c p u 结构对数控系统的硬件结构 和数控软件进行了用户化开发并进行实验验证。 数控系统硬件方面，着重于提高控制精度、方便用户实际操作等。通过 对p m a c 指令和接口的深入研究及对p m a c 伺服控制等的分析，论证了选 用p m a c 作为伺服控制主体的可行性。通过p i d 调节和加入前馈、反馈、 n o t c h 滤波器、干扰信号补偿等控制方法对系统半闭环的低速稳定性进行分 析和调试。软件方面，根据超精密机床数控系统对数控软件的开发要求，通 过基于w i n d o w s 的用户界面设计及程序开发，建立了友好的用户终端界 面，并应用动态连接库实现应用程序与p m a c 间的通讯。 为了验证k d p 晶体专用超精密机床数控系统的性能，对机床工作台的 低速性能进行测试，并进行了实际切削实验。测试和实验结果表明机床的控 制系统的设计方案可行、参数选取合理、控制方式可满足加工要求。 关键词k d p 晶体专用超精密机床：开放式数控系统；p m a c ：p i d 控制 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n t o f c o m p u t e rt e c h n o l o g i e s t h en e wg e n e r a t i o no f t h ec n c s y s t e mo f t h eu l t r a p r e c i s i o nm a c h i n et o o li sd e v e l o p i n ga l o n gt h ew a y o f o p e ns y s t e ma r c h i t e c t u r e ，n e ts u p p o s i n g ，h i g h e rl e v e l i n t e l l i g e n c e ，h i g h e r p r e c i s i o n ，h i g h e rv e l o c i t y a n ds oo n d i f f e r e n tf r o mc o n v e n t i o n a l p o s i t i o n c o n t r o l l i n gs y s t e m ，t h es e r v ec o n t r o ls y s t e mo ft h eu l t r a - p r e c i s i o nm a c h i n et o o l r e q u i r e se x t r e m e l yh i 曲c o n t r o lp r e c i s i o n a n d s t a b i l i t y b e c a u s e o fi t s p a r t i c u l a r i t ym a c h i n i n gm e t h o d ，t h ec o n t r o ls y s t e mo fk d pc r y s t a l su l t r a p r e c i s i o n m a c h i n es t u d i e dh a ss t r i c tr e q u i r e m e n to fl o w v e l o c i t ys t a b i l i t ya l o n gt h ed i r e c t i o n o ff e e dd u r i n gt h es e r v oc o n t r 0 1 a i m i n ga tt h i sg o a l ，c u s t o m i z i n gd e v e l o p m e n t a n d e x p e r i m e n t a l v e r i f i c a t i o no ft h ec n cc o n t r o l s y s t e m s h a r d w a r ea n d s o f t w a r ew a r ed o r eb a s e do nt h ed u a lc p ua r c h i t e c t a r eo f p ca n dp m a c o nt h ea s p e c to fh a r d w a r e ，i tw a sf o c u s e do ni n c r e a s i n gc o n t r o lp r e c i s i o n a n dc o n v e n i e n c e o p e r a t i o n d u r i n g t h es t u d yo fp m a cc o m m a n d s i n t e r f a c e sa n d s e r v ec o n t r o l ，t h ef e a s i b i l i t yo fs e l e c t i n gp m a ca sam a i np a r to ft h es c r v o c o n t r o lw a s d e m o n s t r a t e d l o w s p e e ds t a b i l i t yc h a r a c t e r i s t i co f s e m i ，c l o s e di o o p w a s a n a l y z e da n dd e b u g g e dt h r o u g hp i da d j u s t m e n ta d d i n gf e e df o r w a r d ，a d d i n g b a c k w a r d ，n o t c hf i l t e r , s i g n a l - d i s t u r b i n gc o m p e n s a t i o n o nt h e a s p e c t o f s o f t w a r e a c c o r d i n gt h es o f t w a r er e q u i r e m e n t so f t h ec n cc o n t r o ls y s t e mo ft h e u l t r a - p r e c i s i o nm a c h i n et 0 0 1 u s e rt e r m i n a lw a s c r e a t e dt h r o u g ht h eu s e ri n t e r f a c e d e s i g n b a s e do nw i n d o w sa n d p r o g r a md e v e l o p m e n t t h e c o m m u n i c a t i o n b e t w e e n a p p l i c a t i o np r o g r a m a n dp m a cw a s i m p l e m e n t e db yd l l i no r d e rt o v e r i f yt h ep e r f o r m a n c eo fs p e c i a lk d pc r y s t a l su l t r a p r e c i s i o n m a c h i n e 1 0 wv e l o c i t ys t a b i l i t yo ft h ew o r k b e n c hw a sm e a s u r e d a n dc u t t i n g e x p e r i m e n t sw e r ed o n e t h er e s u l ti n d i c a t e st h a tt h ef e a s i b l eo f t h ec n cc o n t r o l s y s t e m ，t h ep r o p e rs e l e c t i o no ft h ep a r a m e t e r so ft h ec o n t r o ls y s t e ma n dt h e c o n t r o lm e t h o dc a nm e e tt 1 ec u t t i n g r e q u i r e m e n t k e y w o r d s k d p c r y s t a l ss p e c i a lu l t r a - p r e c i s i o nm a c h i n e ，o p e ns t r u c t u r ec n c s y s t e m ，p m a c ，p i da d j u s t m e n t 2 玺篓三兰兰銮兰三耋堡圭兰竺兰兰 第1 章绪论 1 1 课题的来源及研究的意义 本课题来源于国家“8 6 3 ”计划。 k d p ( k o t a s s i n md i h y d e n g e np h o s p h a t e ，磷酸二氢钾) 晶体的加工是惯性 约束核聚变( i c f ) 驱动器光学元件加工的关键技术，也是i c f 光学元件制造 中公认的难加工的环节。k d p 晶体是一种软脆材料，硬度较低，具有很强 的吸湿性，温度急剧变化时容易加工破裂，镜面加工非常困难，又由于近年 i c f 的迅速发展，美国禁止出口相关的技术和材料，以致国际上大尺寸高质 量的k d p 晶体供不应求p , 2 1 。 因为k d p 晶体元件加工表面是平面，k d p 晶体专用超精密机床的结构 一般都较简单，主要有两个方向的运动：主轴的转动和工作台的平动，而且 两个方向并不严格要求联动，控制系统并不复杂。但是使用k d p 晶体时对 表面粗糙度、波纹度、面形精度等有极高要求，而根据材料本身的特性拟定 加工方案为单刀铣的方法，特别对工作台的低速平稳性提出了很高的技术要 求，所以对工作台低速稳定性控制就成了本机床控制的关键和难点。 本课题在完成k d p 晶体超精密机床控制功能基础上，着眼于机床数控 系统低速稳定性和控制精度的研究，通过大量实验调整控制系统的p i d 参 数，加入了速度加速度前馈、反馈和滤波器等，找到最优控制方式。同时， 该控制系统还具有开放性和可扩展性，为机床的进一步改进打下坚实的基 础。 i 2 国内外k d p 晶体超精密机床研究和发展现状 在激光核聚变需求的牵引下，美、日、法、中、英、俄等国先后建造了 2 0 多台大型激光装置。美国提出于2 l 世纪初，建立当今世界最大的高功率 固体激光器“国家点火装置”( n a t i o ni g n i t i o nf a c i l i t y , 简称n i f ) 。它设在美 国l l n l 实验室pj ，2 0 0 2 年建成了全套设备，进行点火水平上的各种实 验。n i f 主激光系统包括1 9 2 束独立的激光束，它需要口径为3 9 7 m m x 3 9 7 m m ( 其光学尺寸为4 1 0 m m 4 1 0 m m 1 0m m ) 的晶体光学零件k d p 晶体共 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 5 7 6 块，由此可见，k d p 晶体在n i f 重要地位。l l n l 实验室在研制美国国 家点火装置时，委托n a n o t e c h n o l o g ys y s t e m 公司特殊定做了n a n o t e c h v f 8 5 0 0 s 机床，该机床是大口径k d p 晶体专用加工机床，能够加工 4 5 0 m m 4 5 0 m m 的k d p 晶体。俄罗斯超精密机床m o 一6 0 0 ，能够加工直径 为+ 6 0 0 m m 的k d p 晶体。法国也正在建造“国家点火装置”和兆焦耳激光 器，俄罗斯正在建造i s k r a - 6 激光装置。i c f 对k d p 晶体光学元件的要求是 面形质量，其中透射波前五6 p v 、激光损伤阈值三1 5 j c m 2 、表面粗糙度 5 n m 。为了获得高质量的k d p 晶体元件，各国相继在k d p 晶体超精密加 工方面做出了大量深入的研究工作，并取得了很大的进展【4 】。但是，如果要 满足激光核聚变k d p 晶体的要求，还必须研制高精度大尺寸超精密机床。 目前，k d p 晶体超精密加工技术处于世界领先地位的国家有美国、日 本和俄罗斯等发达国割“”。 我国的k d p 晶体超精密机床的研究目前还处于起步阶段哗j ，山东大学 自主研制的一台k d p 晶体超精密加工机床，但目前该机床只能用于粗加工 k d p 晶体。 1 3 超精密机床数控系统的发展及现状 1 3 1 国外数控技术发展概况 数控技术起源于美国。1 9 5 1 年，美国麻省理工学院研制出了世界上第 一台电子控制铣床，并把这种控制命名为“数字控制( n u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) ” 简称n c 。此后，数控技术先后经历了由电子管及其布线逻辑实现的第一代 数控系统，由晶体管电路控制的第二代数控系统。随着电子技术的发展，后 来出现了中、小规模集成电路，并应用于机床控制系统中，称为第三代数控 系统。到了7 0 年代，随着大规模和超大规模集成电路的出现，机床数控系 统也发展到了第四代。当前，数控系统正以计算机技术的发展为基础，发展 总线式、模块化、具有开放式体系结构的智能型数控，即第五代数控系统， 此时，机床数控系统也由原先的数字( n c ) 控制发展为“计算机数字控制系 统( c o m p u t e rn u m e r i c a lc o n t r o l ，c n c ) ”。计算机技术在制造业中的应用 使传统的制造业发生了革命性的变化。c n c 技术就是一个具体的体现。数 控设备的设计和制造水平现已成为衡量一个国家机械工业现代化水平的重要 标志，是一个国家综合实力的体现【9 m 】。因此，世界各发达国家都对c n c 设 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 备的研制和开发投入了大量的人力和物力。 数控机床对比传统机床有以下突出的优越性： ( 1 ) 由于计算机有高超的运算能力，可以加工出传统机床加工不出来的 曲线、曲面等复杂的零件。 ( 2 ) 由于计算机有记忆和存储能力，可以实现加工的自动化，而且是柔 性自动化。从而效率可比传统机床提高三到七倍。 ( 3 ) 数控系统中还可以增加刀具寿命管理、机床误差、加工误差修正补 偿的功能，使加工精度得到进一步提高。 ( 4 ) 可实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬运。 ( 5 ) 拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，因而可实现 长时间无人看管【l “。 机床行业主管部门把数控系统分为三个档次：经济型是以步进电机驱动 为特征，两轴联动控制，分辨率为0 0 1 m m ；普及型是以三轴及三轴以下联 动控制为特征，采用直流或交流伺服电机驱动，分辨率为o 0 0 1 m m ：高级 型是以三轴以上联动控制为特征也是采用直流或交流伺服电机驱动，分辨率 为0 1 岫。国外对我限制的是高级型。 现在世界上比较有代表性的数控系统生产商有：日本的f a n u c 公司、 德国的s i e m e n s 公司、美国的a l l e n b r a d l e y 公司、美国的 d y n a p a t h 公司和意大利的a - bo s a i 公司、西班牙的f a g o r 公司等。 从这些公司的产品可看出，当今世界先进数控系统具有以下明显特征【l2 】： ( 1 ) 在结构上，正向模块化、总线化发展，具有一定的开放性，便于系 统升级和扩展，同时，系统的集成度越来越高，体积逐渐减小； ( 2 ) 先进的c n c 系统都普遍采用了3 2 位微处理器。f a n u c 的0 c 系 列、西门子的8 4 0 系列、西班牙的f a g o r 的8 0 5 0 系列及意大利a bo s a i 的9 3 6 0 系统，都采用了3 2 位微处理器，以提高c n c 的运算处理速度。 f a n u c 公司最近开发成功的f a n u c l 5 b ，c n c 系统采用了高精度传感器 以及具有3 3 m h z 主频、6 4 位精简指令集微处理器( r i s c ) 的系统，以进一步 提高对复杂零件的高速度、高精度加工； ( 3 ) 多处理器分布式并行处理代替了单处理器单任务处理，使计算能力 大大提高，控制能力由此增强。如上面提到的f a n u c1 5 b ，c n c 系统采 用了两片m c 6 8 e c 0 3 06 4 位微处理器，控制分辨率可以达到1 n m 。 s i e m e n s 的8 8 0 系统中采用了4 片微处理器，大大提高了加工速度和精 度。法国n u m 公司的n u m l 0 6 01 系列中使用了5 片m o t o r a l a 的3 2 位 微处理器； ( 4 ) 向易于系统集成的方向发展，针对数控机床的系统集成问题涉及到 了系统各部分之间物流特别是信息流的接口标准化问题。现在先进的c n c 系统。除有r s 2 3 2 串行接口外，还设有具有远程缓冲功能的d n c 接口，甚 至m a p ( m i n im a p ) 或e t h e m e t ( 似太网络) 接口。如f a n u c l l 、1 5 、1 6 、1 8 系统既有d n c 接口，还可选配m a p 接口；西门子8 5 0 8 8 0 系统，也有 d n c 接口和s i n e ch i 网络( 以太网为基础) 接口。 1 3 2 超精密机床数控系统现状分析 c n c 控制技术应用于超精密加工机床起源于2 0 世纪7 0 年代中叶，因 用于红外光学系统金属反射镜高精度加工的需要，促进了带有空气轴承主 轴、精密工作台以及分辨率为0 0 l p mc n c 车床的批量开发。目前，以大型 工件加工，精密耦件加工以及非球曲面反射镜加工需要的不断增长为背景， 开发镜面加工的计算机数控化所需的关键技术正活跃地发展 1 3 , 1 4 。超精密机 床的数控系统般采用以下两种方式： ( 1 ) 采用其他公司生产的性能先进的通用数控系统，如a s g 2 5 0 0 、 n a n o f o r m 3 0 0 均采用了a l l e nb r a d e l y 公司的8 2 0 0 型数控系统，类 似的系统国外般对我们禁运； ( 2 ) 采用p c 加具有n c 功能的通用p c 插件，自己开发各相关的控制软 件，如n a n o f o 对订2 5 0 就采用了p c 机加d e l t at a u 公司生产的p m a c 通用数控模块。这种基于p c 机的数控系统有一些独到的优点【l 5 ： 1 ) 系统的集成度高、可靠性高由于系统的主要构成部件为p c 机和一 些集成电路，且硬件采用模块化设计，因此系统构成部件数目大大减少，从 而提高系统的可靠性。 2 1 资源丰富，产品容易开发在p c 机上开发数控系统，可以充分利用 p c 机的软硬件资源，简化了系统的开发过程，使得数控产品的开发周期大 大缩短【1 6 1 。 3 1 控制功能增强。控制形式多样化许多以c n c 上很难实现的功能，利 用现在的p c 机技术都能够实现。大量的c a d c a m 软件可以在数控系统上 运行，为创建c a d c a m - c n c 一体化系统提供了可能。系统制造商还可以 方便的利用p c 机的一些新技术，如触摸屏输入技术、声控技术、联网技术 等，可以使数控系统使用更加方便。 4 ) 系统柔性大由于系统对硬件的依赖程度大大降低，系统的大部分功 能都是依靠软件得以实现，使得系统的柔性增大 1 7 , 1 8 。 总之，随着计算机技术的快速发展，超精密机床数控系统也将沿着具有 开放式体系结构、智能化程度高、支持网络功能、精度高、速度高等方向发 展。 1 3 3 我国数控系统技术的发展 国内目前数控系统的发展主要有以下几方面【2o j ： ( 1 ) 已拥有具有自主知识产权的从低到高档次的产品，实际上已突破国 外对我国的限制： ( 2 ) 技术上己克服长期困扰我们的可靠性问题； ( 3 ) 我国普及型以上的系统开发，完成了转向“基于p c ”的技术跨越； ( 4 ) 具备自行开发各种各样专用机床系统和特殊功能的能力； ( 5 ) 具有系统、伺服和主轴驱动成套供应的能力。 1 4 课题的主要研究内容 本课题研究的主要内容包括： o ) k o p 晶体专用超精密机床数控系统软硬件平台的建立硬件方面， 以p c 作为基础平台，采用p m a c 作为运动控制器构成了数控系统硬件体 系结构。软件方面，编制了具有面向系统和用户两个方面的开放性、友好的 控制界面。并在此基础上研制了便于用户操作、易于维护、能实现控制系统 稳定工作的控制柜机。 ( 2 ) 超低速伺服系统速度稳定性的研究针对伺服系统超低速稳定性的控 制目的，优化p i d 控制参数，加入前馈、反馈、陷波滤波器等复合控制方 式，并用m a t l a b 软件仿真整定好的控制系统的跟随误差，以满足机床低 速进给要求。 ( 3 ) 数控系统的实验验证将接定好的控制参数应用到k d p 晶体专用超 精密机床控制系统中，对系统特性进行了测试。并通过加工实验证明系统达 到了k d p 晶体加工的要求。 第2 章数控系统软硬件平台的建立 2 1k d p 晶体专用超精密机床结构简介 加工k d p 晶体时主要有三个方面的精度要求：表面面形误差、表面粗 糙度以及小尺度波纹，这三个方面也是影响k d p 晶体加工质量的关键技术 环节。表2 1 是加工k d p 晶体对机床伺服系统的要求。根据这些技术要 求，提出了k d p 晶体专用超精密机床的结构特点。 表2 - 1k d p 晶体加工对伺服系统的要求 t a b l e2 - is e r v os y s t e mr e q u e s t sf o rk d p c r y s t a l sm a c h i n i n g 伺服电机精加工的精加工的进精加工的速 编码器 丝杠螺距 进给量给速度度稳定性 主轴速度 m mr m i n n r l a n sg m s 1 0 2 4 0 0 041 06 02 4 0 4 2 0 k d p 晶体对加工环境要求很高，工作环境为室温2 0 o 5 ，湿度在 4 0 以下，室内的空气洁净度为1 0 0 级。如图2 - 1 为k d p 晶体专用超精密 机床的结构示意图。 孓- - - q f l 气萍童袖 j 刁座_ 年 一n土 t 件一0 - - 6 - - j 工件i 0 已，上 n 团獬幽圳i 扎 图2 - 1k d p 晶体超精密机床结构示意图 f i g 2 - 1k d pc r y s t a l ss p e c i a lu l t r ap r e c i s i o nm a c h i n e s t r u c t u r a 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 超精密机床的床身采用了具有低热膨胀系数和高尺寸稳定性的花岗岩材 料以提高机床的热稳定性，并采用被动式空气隔振垫隔离外界振动对机床加 工精度和稳定性的影响。由于k d p 晶体的各向异性，超精密机床加工方式 采用立轴平面“飞刀铣削”形式，机床采用金刚石刀具，刀盘直径 6 3 0 m m ，加工工件直径小于6 0 0 m m ，这样可以尽量减少刀具的圆弧轨迹对 晶体加工的影响。伺服进给系统由交流伺服电机通过柔性连轴节带动滚珠丝 杠驱动空气静压导轨，完成机床工作台的直线进给运动。飞刀盘主轴采用了 主轴电机与主轴分体式设计方案，由改装过的带空气静压轴承的交流异步电 机通过拨叉带动空气主轴转动，工件则通过真空吸盘吸附夹紧在工作台上。 2 2k d p 晶体专用超精密机床控制系统硬件平台的建立 模块化、开放式结构是目前计算机数控系统发展的主流和趋势。开放式 数控系统要求配置灵活、功能扩展简便、基于统一规范和易于实现统一管 理。从结构形式看，n c 嵌入p c 的开放式数控系统，由于既可以充分利用 飞速发展的计算机技术。又可以利用运动控制器的稳定性能，具有很强的灵 活性【2 1 , 2 2 1 ，而且可以充分利用计算机的软硬件资源，因而可以实现更加友好 的人机界面，所以是一种比较合适的结构形式。因此本机床数控系统的设计 也采用这种结构形式：以p c 作为硬件平台，将p m a c 运动控制器插入p c 的总线插槽中，通过接口连接单元和i o 单元，从而达到控制机床的目的。 p c 与p m a c 采取总线通讯的方式。通过p l c 控制操作面板和操作手柄上 的各个控制按钮、主轴电机的变频器等硬件。管理软件采用v i s u a lc + + 6 0 实现系统管理软件的开放性，结构简图如图2 2 所示。 图2 - 2 系统结构简图 f i g 2 - 2s t r u c t u r e o f t h ec n c s y s t e m 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 p m a c 与上位机( p c ) 两部分是各自独立的，p m a c 以p c 作为软、硬件 平台，进行如插补、位置控制等实时控制；p c 机完成诸如初始化、代码编 辑、参数管理等非实时性任务。 2 2 1 数控系统硬件结构 本数控系统硬件平台采用的结构，使得数控系统既具有前端p c 机的柔 性。又可以利用p a m c 运动控制器的工业可靠性和它的成熟、稳定的数控 编程能力，大大降低了开发难度。 控制系统以p c 作为基础平台，采用p m a c 作为运动控制器构成了数控 系统硬件体系结构。p m a c 完成速度控制等实时性的运动控制，p l c 完成 开关量控制。p c 实现系统的管理功能。 主轴系统的结构采用变频器驱动鼠笼式异步电动机，轴承采用空气轴 承。刀盘使用由6 3 0 m m 的花岗岩材料，优于刀盘的转动惯量非常大，主轴上 又不便安装制动单元。所以，主轴的变频器选择带有制动单元的结构。 工作台进给系统结构采用伺服电机通过联轴节带动滚珠丝杆，导轨使用 气浮导轨。进给方向的控制是该机床控制的关键，因为机床的加工原理就 是：用金刚石铣刀单刀飞的方法来完成q b 6 0 0 m m 以内的工件的加工，所以要 求工作台低速进给，一般在加工k d p 晶体时的工作速度是3 2 0 m m m i n ， 而要获得达到要求的工件表面质量，工作台就必须保持非常稳定的进给速 度。进给伺服系统选择y o k o g a w a 公司生产的d m l 0 5 0 a 型永磁同步交流伺 服电机驱动，由螺距为4 m m 的滚珠丝杠作为电机和工作台问的机械传动环 节，与电机联接的增量式光电码盘实现电机角位移测量及工作台的位最测 量，可对进给系统做半闭环反馈。其伺服系统结构如图2 3 所示。 图2 - 3 伺服系统结构图 f i g 2 - 3s t r u c t u r eo fs e r v os y s t e m 一8 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 k d p 晶体专用超精密机床本体和控制柜的外观实物图如图2 - 4 所示。在 选用以上设备的基础上，考虑到实际操作的方便，将机床的控制柜设计成一 体式的结构。通过操作手柄可以近距离操作机床的运转及停止，手柄上还带 有工作台速度和位置的显示，便于操作人员的控制。 a ) k d p 晶体专用超精密机床b ) 机床的控制柜 图2 - 4k d p 晶体超精密机床硬件实物图 f i g 2 - 4k d pc r y s t a l ss p e c i a lu l t r a - p r e c i s i o nm a c h i n eh a r d w a r e 如图2 5 所示为数控系统结构图。从图中可以看出，上位机中的控制内 核是整个数控系统的核心，它通过调用对应于下位机中各种变量和功能的应 用程序接口与下位机交换信息，并负责整个系统的协调。操作面板和人机界 面是获取外部信息的最主要渠道，控制内核将获取的信息保存在参数集合 中，这些参数包括电机手动控制参数、伺服调节参数、坐标系参数、电机安 全运动参数等。控制内核将参数集合中改变的信息，传递到下位机中控制参 数模块中：同时下位机也将系统实时运行状态信息传递到上位机，显示在用 户终端上。下位机通过轨迹产生模块将数控代码翻译成每个伺服轴运动所对 应的指令代码，控制算法既可以采用p m a c 提供的通用算法，也可由用户 指定，并通过双端口r a m 下载到p m a c 中。 下位机通过输入输出端口与外部的传感器和执行器相连，如指示灯、按 钮开关、报警器等。由于下位机具有强大的可编程离散逻辑控制能力，它可 实时的监视外设的模拟和数字输入信号，设置状态输出，传递信息，监视运 动参数等。其控制逻辑采用文件的形式由上位机定制，因此其逻辑控制能力 具有很大灵活性。位置限制信号和回零信号的处理和一些系统运行安全性检 查等实时性要求更强的任务，也由下位机直接进行，上位机只是接受处理后 的完成信息，这样可保证系统的运行安全。可编程逻辑控制器p l c ( 附件 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 a c c 一3 4 a ) 通过输入输出端口与外部的传感器和执行器相连，如指示灯、按 钮开关、变频器等，可实时地采集外设的模拟和数字输入信号、设置输出信 号、传递信息、监视运动参数等。其控制逻辑采用文件的形式由上位机定 制，因此其逻辑控制能力具有很大灵活性。 人 机 界 面 操作控制面板 i 0 端口 参 数 集 a p m a c 运动控制器 控制内核k 一可编程逻辑控制p l c i o 端e l iji l o 端口 掣堙 控制参数 状态信息 i 0 端口i i o 端口li o 端u 按 钮 开 关 图2 - 5 数控系统结构图 f i g 2 - 5d i a g r a mo f n cs y s t e m 2 2 2 运动控制器的选择 引景 数控系统的核心是运动控制器，它的功能将直接影响着数控系统的基本 功能。本数控系统的运动控制器选择，根据控制要求多采用如下方案之一构 成1 2 3 , 2 4 ： 1 基于单片机型如基于8 0 3 1 ，8 0 9 8 等的运动控制器，采用该方案的运 动控制器的应用较为广泛，但所实现的控制算法一般都比较简单，性能并不 是十分理想。 2 基于专用芯片型用一个芯片( 如美国国家半导体公司生产的l m 6 2 8 ， h p 公司的h c p l l 0 0 0 等) 完成速度曲线规划、p i d 伺服控制算法、编码器信 兰至鎏三兰銮主三兰竺圭：竺兰三 号的处理等多种功能。一些需要用户更改的参数( 如电机位置、速度、加速 度、p i d 参数等) 都存储在芯片内部的r a m 区内，可由计算机用指令方便 的读取和修改，回路采样时间可达5 0 0 p s 。由于受运算速度和结构的影响， 其应用受到了较大的限制。 3 基于数字信号处理器( d s p ) 型9 0 年代以来，d s p 在运动控制器中得 到越来越广泛的应用，这是因为它的高速运算特性使得很多复杂的控制算法 和功能得以实现，而且集成度更高。该方案一般把插补和伺服控制这两个功 能由一块单独的d s p 板来完成，充分利用了d s p 速度快、精度高的特点。 基于d s p 的运动控制器能满足加工精度的要求，并能保证c n c 系统的实时 性，所以这种方案被广泛采用。 在本机床的数控系统中，考虑到伺服系统是半闭环控制，要求反馈系统 的快速性和高精度，选用了基于d s p 芯片的m i n i p m a c 两轴运动控制 器。 2 2 3 m i n i - p m a c 运动控制卡概述 本控制系统所采用的m i n i p m a c 是美国d e l t at a u 公司生产的迷你 型两轴控制器。其内部采用了m o t o r o l ad s p 5 6 0 0 1 数字信号处理器，可以支 持一到二轴的同步控制，因为每一个轴是完全独立的，所以一个p m a c 运 动控制板所控制的每个轴可以分别在l 到2 个不同的机器上。该芯片可以完 成的实时任务包括：轮廓生成、速度控制、插补、伺服控制、马达相位折 算、刀具半径和齿隙补偿、输入输出控制等。p m a c 提供极大的柔性，包 括支持多种规范、马达类型、反馈单元、多种命令格式等。另外，在m i n i p m a c 控制板中还包含内装式可编程逻辑控制器( p r o g r a m m a b l el o g i c c o n t r o l l e r ，p l c ) 。在后台完成模拟数字输入信号的监测、设置输出值、发 送消息、监测运动参数、完成运动启，停操作等。m i n i - p m a c 运动控制器 具有以下特性： ( 1 ) 伺服控制器功能m i n i p m a c 运动控制器将极强的处理能力和高度 的灵活性结合在一起。m i n i p m a c 不需额外的附件即可用增量式a b 正交编 码器反馈。m i n i p m a c 具有速度控制功能，用户可以自由选择恒定加速或 纯s 曲线加速，或者两者的任意组合。m i n i p m a c 运动控制器中的轨迹生成 器为每一个轴计算的速度和加速度不断与用户设定的极限值相比较，如果一 个计算值走出了极限，所有与运动相关的电机将会按比例减速，以保证空间 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 路径。 ( 2 ) 伺服环和计算功能m i n i p m a c 提供了p i d 和阶式位置伺服环滤波 器，并且可以通过速度和加速度前馈，减少伺服系统的轨迹误差。在复杂的 应用中，m i n i p m a c 板中的d s p 计算功能可以增强计算功能，d s p 可以对 变量、常量进行算术运算、逻辑运算和超越运算等。 ( 3 ) p l c 功能当运动程序在前台有序地同步运行时，m i n i p m a c 在后 台可以运行多个异步p l c 程序，可以完成一些可编程逻辑控制器的功能。 m i n i p m a c 中的p l c 程序可以以极高的采样速率监视模拟输入和数字输 入、设定输出值、发送信息以及运动停止命令序列。 由于m i n i p m a c 控制器的插补功能和p l c 功能很强，因此，在有些数 控系统中，将插补模块和p l c 模块置于m i n i p m a c 板内，上层系统软件中 就只需要显示模块和程序管理、编辑模块即可。但是在本数控系统中，为了 实现开放性和通用性，将插补模块和p l c 模块的大部分置于上层系统软件 中。 ( 4 ) 通讯功能m i n i p m a c 可以和主机在任何时间进行通讯，甚至在轴 运动的过程中。m i n i p m a c 将从主机接受命令并进行相应的动作，即将命 令放到程序缓冲区中以便后来执行，向主机反馈数据，启动轴的运动，等 等。如果主机发来的命令是错误的，则向主机报告。 ( 5 ) “家务管理”功能m i n i p m a c 有规律地，自动地运行一种称之为 “家务管理”的任务以确保系统工作正常。这些任务包括各种安全检查，例如 硬件越界限制、软件越界限制、放大器故障、以及看门狗时间的更新。如果 在执行过程中出现任何硬件或软件的错误，看门狗时间都将被重置，同时 m i n 卜p m a c 板将被关闭。 利用m i n i p m a c 的开放性特点，用户可方便地实现数控系统的个性化 和进行二次开发，如：加入测量系统构成全闭环控制系统；加入微进给对刀 装置，以精确对刀。正是由于p m a c 的这些优点，使本控制系统硬件具有开 放性和可扩展性，为机床控制系统的深入研究奠定基础。 2 2 4 数控系统硬件外围设备简介 本数控系统硬件除了运动控制器p m a c 外，还有执行单元f 带有光电编 码器的伺服电机) 。在本机床伺服系统中，执行元件使用的是y o k o g a w a 公司生产的d m l 0 5 0 a 型永磁同步交流伺服电机及其驱动器，p l c 使用的是 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 美国d e l t at a u 公司生产的p m a ca c c 3 4 a ，与p m a c 卡有专门的接口。 以下分别介绍几个重要外设及其用途。 ( 1 ) y o k o g a w a 交流伺服电机及其驱动器在低速运转时，电机的性能 一般都有所下降，而k d p 晶体的加工要求工作台在低速范围( 工作台速度3 2 0 m m m i n ) 。它的结构是外转子的、中空，转台上应用较多，具有低速平 稳、小于6 转秒、重复性精度可达士2 角秒、高分辨率可达1 0 2 4 k 步转以及 使用光电编码器作为反馈方式等特点。 ( 2 ) d e l t at a up m a ca c c 3 4 a ( p l c ) p l c t l j 可编程逻辑控制器，在工 业顺序、过程控制领域应用广泛。它的工作原理是由c p u 不停地扫描p l c 程 序，按照逻辑控制顺序逐句执行。现在工业界流行的p l c 编程是梯图编程， 而p m a ca c c 3 4 a 采用的却是类似于高级语言的编写方式，优点是方便修 改、存储、管理，容易读懂。在p m a c 卡中，用户可以拥有6 4 个p l c 程序， 其中3 2 个编译的( 经过编译器编译后的p l c ，运行速度能够提高1 0 倍以上) 和 3 2 个未编译的。 ( 3 ) 松下v f o 超小型变频器随着变频器技术的成熟和使用范围的扩大， 可利用可编程控制器p l c 对其进行控制，从而适应传动系统中对速度控制灵 活性、准确性和可靠性等的不同要求。 由于w i n d o w s 9 8 操作系统无法满足数控加工的实时性要求，因此数控系 统采用了基于上位机和下位机的双c p u 开放式数控系统。下位机由p m a c 运 动控制器来实现，主要承担实时性任务，如伺服控制和可编程逻辑控制等： 上位机为工业控制计算机，主要完成数控编程，图形插补和人机界面处理等 非实时任务。在控制系统的研制中，着重系统的可靠性、稳定性和抗干扰性 等凡方面。 2 3 数控系统软件平台的建立 开放式数控系统的软件设计首先要选择合适的操作系统和软件开发工 具。目前常用的操作系统如d o s 、w i n d o w s 9 x ，n t ，) ( p 等均被应用到数控系 统中。d o s 本质上是一种单任务操作系统，在d o s 下的多任务只能通过中 断技术来实现。数控系统各软件功能模块一般不能同时执行，若要同时执 行，需自行解决模块之间的调度问题。但d o s 的规模很小，人们对d o s 的 了解比较多。在d o s 上开发应用程度相对容易。但d o s 是一种非抢先多任 务操作系统，可同时完成多个任务。其缺点在于某个任务，如任务a 得到 ：。一= ：一：尘鋈些型兰堡些：一= 一：一： c p u 资源时，其它任务是否能顺利执行完成取决于a 是否能及时处理完其 本次事件，因此实时性没有保证。w i n d o w s 9 x ，n t ，) ( p 都是性能优异的抢先 式3 2 位多任务操作系统，操作界面良好【2 6 圳】。综合考虑的结果，本控制系 统软件选择了w i n d o w s9 8 操作系统。与此相应，选择v i s u a lc + + 6 0 作为 软件开发工具。 2 3 1 系统软件编制要求 本控制系统是多c p u 的c n c 系统，不仅每个c p u 都承担着多项任务，而 且还存在着各c p u 之间的实时协调与握手问题【3 2 】。主要包括： ( 1 ) 上位机按各级的控制算法要求，及时地对数据进行处理运算，然后 由下位机( p m a c ) 执行； ( 2 ) 下位机及时对控制面板和手柄的按钮开关信息、被控参数及测量参 数进行周期性的采集，上位机定时从下位机收集重要数据； ( 3 ) 对故障做出及时反映并迅速给予必要的处置： ( 4 ) 对工作台做软件及硬件限位，在工作台越限时自动停止工作台； ( 5 ) 人机交互，可以进行参数修改，操作人员介入控制系统。 以下讨论本数控软件的设计思想及内容。 2 3 2 c n c 系统软件的控制策略 c n c 系统是一个专用的多任务计算机系统，在它的控制软件中，融合 了许多软件技术中的先进技术，其中最突出的是多任务并行处理和实时处 理。 ( 1 ) 多任务并行处理c n c 装置通常作为一个独立的过程控制单元应用于 工业自动化生产过程中，它的软件必须完成管理和控制两大功能。系统的管 理部分包括：输入、i o 处理、显示、诊断等。系统的控制部分包括：译 码、速度处理、插补、位置控制。在实际运行过程中，这多个任务中的若干 个任务要同时进行。 ( 2 ) 实时处理c n c 软件在工业自动化的实际应用过程中，为了满足生产 的要求，必须具有实时性。由于p m a c 是一台实时的、多任务的计算机， 能够自动对任务进行优先等级判别，这为软件的实时任务处理创造了先决条 件【3 2 3 3 j 。 哈尔滨工业丈学工学硕士学位论文 2 3 3 数控系统软件结构 本系统采用了“n c 嵌入p c 型”的结构，因此整个数控系统的软件主 要包括p m a c 实时控制软件和系统管理软件：实时控制软件是在控制器基 本指令的基础上实现运动控制、p l c 等实时数控功能：采用v c 编写系统管 理软件，主要完成人机界面、参数管理、状态显示等非实时功能。 由于本系统软件建立在w i n d o w s 操作系统上。使其具备了多任务协调处 理能力。在软件中，用户界面由多个窗口组成( 如图2 6 ) ，一个