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数控精密校直机数控系统设计与电液伺服系统研究 摘要 轴类零件和轴系部件是机械装置中的重要组成部分，在机械加工制造中容 易发生弯曲变形，需要对弯曲的轴类零件进行精密校直，以保证轴类零件的生 产质量。本论文主要研究内容包括： 1 在现有文献和研究的基础上，研究了基于行程控制的校直计算方法以及 y h 4 0 1 0 型数控精密校直机校直工作流程。 2 设计了y h 4 0 1 0 型数控精密校直机的数控系统的体系结构、硬件控制方 案、数据输入输出通道、实时控制方案以及软件模块结构。同时对数控精密校 直机检测系统的检测理论、硬件结构和数据处理模块进行了研究与设计。 3 对数控精密校直的电液位置伺服系统的控制原理、硬件配置进行了研究 与设计；分析了数控精密校直机电液伺服系统的特点，在此基础上设计了模糊 自适应整定p i d 控制器，并通过试验研究分析了模糊自适应整定p i d 控制器对 数控精密校直机电液伺服系统的控制效果。研究并设计了软件方法解决电液伺 服系统的零漂问题。 关键词：校直；数控系统；检测系统；电液位置伺服系统； 模糊自适应整定p i d 控制； t h ep r e c i s e s t r a i g h t e n i n g m a c h i n e sc n cs y s t e m d e s i g na n dh y d r a u l i c - s e r v os y s t e m r e s e a r c h a b s t r a c t s h a f tp a n sa n dc o m p o n e n t s ，w h i c hp l a yi m p o r t a n tp a r t si nm e c h a n i c a ld e v i c e s , a r ew i d e l yb e n d e da n dd e f o r m e dd u r i n gm a n u f a c t u r i n g s os h a f tp a r t sm u s tb e p r e c i s es t r a i g h t e n e di no r d e rt o e n s u r et h e i rq u a l i t i e s t h ef o l l o w i n gi st h em a i n c o n t e n to ft h i sp a p e r 1 b a s e do np r e v i o u sr e s e a r c ha n dp a p e r s ，t h i sd i s s e r t a t i o nb u i l d su pam e t h o d o fp r e c i s es t r a i g h t e n i n ga n dd e s i g n st h ew o r kf l o w o fy h 4 0 1 0c n cp r e c i s e s t r a i g h t e n i n gm a c h i n e 2 d e s i g n e ds y s t e ma r c h i t e c t u r e ，h a r d w a r ea n ds o f t w a r ec o n t r o l ，d a t ai n p u t a n d o u t p u tc h a n n e l s ，r e a l t i m ec o n t r o lp r o g r a m sa n dt h es t r u c t u r eo f s o f t w a r em o d u l e s o ft h ec n cs y s t e mo fy h 4 0 10c n cp r e c i s es t r a i g h t e n i n gm a c h i n e s t u d i e d d e t e c t i o nt h e o r y , d a t ap r o c e s s i n gm o d u l ea n dh a r d w a r e s t r u c t u r eo fp r e c i s e s t r a i g h t e n i n gm a c h i n e sd e t e c t i o ns y s t e m 3 r e s e a r c h e dt h ec o n t r o ls y s t e mp r i n c i p l ea n dt h eh a r d w a r es t r u c t u r eo ft h e h y d r a u l i c s e r v os y s t e m o fp r e c i s e s t r a i g h t e n i n g m a c h i n e a n a l y z e d t h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h ee l e c t r o h y d r a u l i cs e r v os y s t e m ，b a s e do nw h i c ht h ef u z z y a d a p t i v ep i d c o n t r o l l e rt u n i n gi sd e s i g n e d s t u d i e da n da n a l y z e dt h ec o n t r o le f f e c t s o f f u z z va d a p t i v epi dc o n t r o l l e rt u n i n gt h r o u g ht e s t f i n a l l y , t h es o l u t i o n o f z e r o d r i f tp r o b l e mi se s t a b l i s h e d k e yw o r d s ：s t r a i g h t e n i n g ； c n cs y s t e m ；d e t e c t i o ns y s t e m ； e l e c t r o h y d r a u l i cp o s i t i o ns e r v os y s t e m ； a d a p t i v ef u z z y - t u n i n gp i dc o n t r o l 插图清单 图1 1 y h 2 5 数控精密校直机外形3 图1 2a s c i i 系列自动液压校直机外形3 图2 1 轴类零件的几种常见弯曲情况6 图2 2 简支梁力学模型8 图2 3 手工校直流程图1 0 图2 4 校直机工作流程图1 1 图3 1 数控精密校直机控制体系框图1 5 图3 2 y h 4 0 1 0 型数控精密校直机硬件结构图1 6 图3 3 输入输出系统方案1 6 图3 4 y h 4 0 1 0 型数控精密校直机软件系统结构图一2 l 图4 1 检测系统原理框图2 6 图4 2 数控精密校直机检测系统工作原理图2 7 图4 3 检测部分机械结构图2 7 图4 4 数控精密校直机检测系统工作流程2 8 图4 5 检测系统硬件配置图2 9 图4 6 机械信号转换装置结构图2 9 图4 7 工件夹紧旋转机构- 2 9 图4 8 螺旋管式传感器的结构图3 0 图4 9 光电式脉冲编码器结构3 1 图4 1 0 脉冲编码器输出波形3 1 图5 1 液压伺服控制系统构成3 6 图5 2 校直机压头动作循环图3 7 图5 3 y h 4 0 1 0 型数控精密校直机电液位置伺服控制系统原理图3 8 图5 4 意大利a t o s 公司生产的d l k z o r 型电液比例阀4 0 图5 5 光栅尺结构图4 0 图5 6 p i d 控制原理框图4 3 图5 7 模糊控制基本原理框图4 4 图5 8 神经网络的分类功能4 5 图5 9 模糊自适应p i d 控制器的结构4 7 图5 1 0 模糊控制器的组成框图一4 7 图5 11 模糊自适应p i d 控制器工作流程图一5 0 图5 1 2 试验一未采用模糊自适应整定p i d 控制的试验数据图表5 1 图5 13 试验一采用模糊自适应整定p i d 控制的试验数据图表5 2 图5 1 4 试验二未采用模糊自适应整定p i d 控制的试验数据图表5 2 图5 15 试验二采用模糊自适应整定p i d 控制的试验数据图表5 3 图5 1 6 ( 电压v 一速度s ) 关系图5 4 图5 1 7 检测零点电压流程图5 5 表格清单 表5 1 模糊控制规则表4 8 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， 也不包含为获得金g 巴王些太堂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 的周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。 学位做储缔纠弛- 7 - e t 簸t - 一年驷l g 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金肥工业太堂有关保留、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b 曼王些太 三岜一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) 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 铭 签字日期：沙律明倍日 电。语乳一 邮编： 古- 一 引 私啷 名， 蟛 冲 致谢 值此论文完成之际，首先要衷心的感谢我尊敬的导师韩江教授! 感谢韩老 师在我学位论文选题、调研、撰写、修改等过程中所给予的悉心指导。 在选题、开题及完成论文的每一个阶段，韩老师都严格把关，并在课题的 研究思路上给以具有建设性的意见。对论文的审阅也同样耐心细致，大到论文 的框架，小到一个知识点，韩老师都是一样细心批阅纠正。在近三年的研究生 学习期间，韩老师以严谨务实、一丝不苟的治学态度和对学术问题的独到见解 深深地影响了我。韩老师知识渊博，科研经验丰富，不仅教给我知识，更教给 我独立分析问题、解决问题的能力。同时，韩老师也是我生活中的老师，他对 人的平和、亲切，对学生的关心爱护，教会了我平易近人的待人处事方式。在 我近三年的硕士阶段，韩老师在学习上和生活上给与的关怀与帮助，我将永远 铭记在心! 此外，衷心感谢合肥工业大学c i m s 研究所的夏链老师、祖咂老师、何高 清老师、余道洋老师、丁志老师、朱仁胜老师等对我的关怀和指导。 衷心感谢所有的授课老师，是他们传授给我了丰富的知识，促使我能够进 步攀登知识的高峰! 衷心感谢我的同学王川、王程、王曦、孟超、杨牧原、王玉兵、吴建霖、 曹文霞、贾伟秒，和他们在一起的学习和生活时光将值得我永远纪念! 衷心感谢学弟李凯亮、葛敬、信傲、马超、黄愿、张江华，学妹姚银鸽、 季焓等给予我的帮助! 最后还要特别感谢我的父母和家人，是他们不辞劳苦、任劳任怨的辛勤付 出以及对我精神和物质上的极大支持，使我最终得以完成学业。 再次感谢所有曾经给予我帮助的人! 作者：余仲元 2 0 0 9 年4 月 第一章绪论 1 1 校直技术及校直设备现状和发展趋势 1 1 1 课题背景 “校直不同于“矫直 ，这两个概念在机械行业中意义相近，但是有一定 区别。文献【l 】定义：“矫直 是使挠曲的板料、型材和管料变为平直状态的塑性 加工方法；“校直 是消除材料或工件弯曲的加工方法。因此，矫直机的概念要 更广一些，它消除材料的弯曲、翘曲、凸凹不平等缺陷，更多地应用于冶金行 业。而校直机则是仅针对弯曲棒材的加工方法，多用于零部件的生产制造中或 零件的修复。可以说，校直是矫直的方法之一。 轴类零件是机械工业最常见的零部件之一，如汽车上常用的台阶轴、齿轮 轴、蜗杆、光轴，纺织机械上的罗拉轴、长光轴，工具刃具上的麻花钻、拉刀， 石油机械上的实心钻杆和空心钻杆等。据不完全统计，我国年产这些轴类零件 的数量约为1 0 亿件左右，而且随着机械制造业的发展，数量和种类还有增多的 趋势。这些零件的原材料在粗加工和热处理过程中容易出现弯曲变形，如果不 进行校直处理就会影响工件的后序加工和使用，甚至可能出现相当数量的废品。 所以为了减少废品的数量，提高原材料的利用率，需要对这些发生弯曲变形的 轴类零件进行校直处理。 通常使用的校直方法有手工校直和自动校直。随着机械制造行业发展，产 品对轴类零件的质量要求越来越高，传统的手工校直已远远不能满足生产需要。 自动校直技术是一种先进制造技术，通过自动校直设备完成对轴、管、棒等零 件的校直工作，是机械加工中保证产品质量的重要工序，广泛应用于汽车、拖 拉机、工程机械、纺织、机械、军工机械等机械制造行业。 1 1 2 校直技术以及校直设备现状 自动校直技术主要研究内容有两点。第一是校直工艺理论的研究，校直工 艺理论主要是研究通过何种工艺流程或步骤，实现工件的弹塑性变形，以消除 或减少零件在机械加工或热处理过程中产生的弯曲变形，使机械零部件最终达 到设计要求；第二是自动校直设备的研究开发，自动校直设备是根据校直工艺 理论研究成果，运用先进的科学技术开发的自动校直的专用设备。文献【2 】将校 直机分为压力校直机、辊式校直机、拉伸校直机、拉弯校直机等。这两个研究 内容之间关系是相辅相成的。校直工艺理论需要通过校直设备应用于实际，校 直设备的开发需要校直工艺理论研究的指导。另外，在校直设备的开发过程中， 除了需要满足校直工艺的要求外，还要兼顾校直设备的开发成本、设计制造周 期、校直工作效率等方面的问题。 目前我国国内多数企业校直轴杆类零部件时，采用的设备大多是简易型的 压力机，先由人工测量，然后由操作人员凭经验和估计来确定校直行程，最后 再由检查人员检验。这样的校直方式不仅工序复杂、劳动强度大、生产效率和 控制精度低下，而且操作者的技术熟练程度对生产效率和质量的稳定性都有很 大的影响。发达国家大部分企业校直工序大多采用自动化程度很高的校直设备， 这不仅提高了生产效率和校直精度，而且也直接避免了人的因素对产品质量的 影响。 国外已有很多专门研究自动校直机的制造公司和研究机构，其中知名度较 高的有德国m a e 公司、意大利g a l d a b i n i 公司、美国的e i t e l 公司、日本 的东和精机株式会社和国际计测器株式会社等。 日本东和精机株式会社生产的a s p 系列智能型校直机能自动检测工件在 三维方向上的挠度，并以计算结果为基础，选出校直点，控制滑块行程值以及 校正挠度值，使用计算机控制的轴线直线度检测系统，以千分表指示修正点的 顺序号和挠度值，以数字开关输入最小校正值，通过弯曲形式的识别，计算并 选择出滑块的加压点。 德国m a e 自动校直设备具有如下工艺特点【2 】：( 1 ) 校直工艺顺序决策程序 能根据校直工件弯曲程度，按照由粗加工到精加工的不同要求，采用不同的校 直策略：( 2 ) 校直行程算法采用递推算法，并且在计算过程中采用了优化思想； ( 3 ) 根据零件的弯曲情况，将校直工艺动作和检测环节之间的配合分成四种模 式，进一步提高了生产效率。 意大利g a l d a b i n i 校直设备具有如下特点 2 】：( 1 ) 校直参数是控制校直 行程关键因素，通过调整校直参数，能够改善校直质量。而且校直参数的调整 也是更换不同种类零件前必须做的工作。调整过程围绕着每一个压点进行，对 每个压点可能的动作进行详细说明，给每一压点配备固定的支点组合；( 2 ) 配 备先进的裂纹检测装置，能够有效防止因校直行程量过大造成的工件断裂现象； ( 3 ) 参数设定由具有经验的技术人员完成，设备本身不具有自学习功能。 近年来，我国在全自动精密校直设备的研制和生产上也取得了进展，如t 合肥锻压机床股份有限公司和合肥工业大学合作研制的具有先进水平的 y h 4 0 2 5 全自动精密校直液压机，如图1 1 所示，该机采用移动式手动液压伺 服控制，具有压力、行程和油温数字显示和预置功能，并具有报警功能。该机 的研制成功，提高了我国精密校直工艺装备的水平。对轴类、管类、棒料等零 件进行精密校直，可提高校直精度和生产效率；长春试验研究所于2 0 0 3 年开发 出具有自主知识产权的a s c i i 系列自动校直机如图1 2 所示，该系列自动校直 机有c 型和门型两种规格，该系列产品在消化吸收国外技术的同时，针对国内 市场，在校直原理、测量方式、人机交互提示、中文操作界面、随机电子图文 帮助等方面作了大量的完善和改进，使之更加适于中国的使用习惯和现场条件， 2 且提高了整机的综合性能、可靠性和工作效率。山东通欲集团有限公司研制的 2 5 m n 大型数控精密校直液压机也通过了新产品鉴定，被认为达到了国际领先 水平。 警畸 图l _ ly h 一2 5 数控精密校直机外形 图i2a s c - i t 系列自动液压校直机外形 i l3 校直设备发展趋势 睫着科学技术的发展，以及制造业对产品质量要求的提高，校直技术正朝 着高精度、高效率和高可靠性的方向发展，校直机械产品数控化已成为自动校 直设备的发展方向。自动校直设备的发展趋势如下： ( 1 ) 数控化：数控化的校直设备能大大提高生产率。提高加工精度，提高 加工一致性、互换性，减少废品和返修率，降低了生产成本，提高市场的竞争 力； ( 2 ) 高速度、高精度：效率、质量是先进制造技术的主体。高速、高精加 工技术可以极大地提高效率，提高产品的质量和档次，缩短生产周期和提高市 场竞争能力。 b 时，零件最大挠度z 的取值范围为 l 2 ，o 5 5 7 l i ，当b 取，2 时，x = t 2 ，当b 取极小值时石= 0 5 5 7 l 。 由以上分析可知，无论压点下压位置如何变化，零件最大挠度x 都在零件 的中点附近，左右偏差很小，上述结论虽然限于简支梁弹性变形阶段，但仍可 以作为校直过程中确定压点、支点组合的基本依据。因此为了尽量避免将原先 直的部分压弯，压点一般需选择在初始变形量最大点处或靠近最大点处。支点 应尽量对称分布于压点两侧。而支点的距离可以根据原始曲率变化大小来确定。 由于弯矩变化梯度等于支点反力，如果校直时人为设置弯矩变化梯度同零件原 始曲率变化梯度一致，则可以取得较好的校直效果。而原始曲率的变化梯度是 由截面特性和零件长度决定的，正比于抗弯截面系数，反比于零件长度。在截 面特性相同的条件下，加长距离相当于减小曲率变化梯度；对于大截面的零件 来说，一般原始曲率较小，曲率变化梯度也较小，故可以加长支点距离，这样 既可以减小校直力，又符合原始曲率梯度；而对于小断面的零件来说，一般原 始曲率较大，曲率变化梯度也较大，这就需要缩短支点距离来符合原始曲率梯 度，因此反弯压力校直应和这一规律相适应。支点距离应可调，这样才能取得 良好的校直效果。 以上是在校直单弧度弯曲轴类零件时确定压点、支点组合的依据；对于有 二个或二个以上弧度的变形( 有限个) 应采用“隔离 技术，分别对每个弧度采 用校直单弧度弯曲的方法加以校直；而对于无限多个弧度的变形( 波浪形) ，由 于两个弧度之间间隔太小以至不能逐一将各弧度校直。在这种情况下，考虑到 在采用较大的反弯弯曲，卸载后各处的弹复曲率都将是一常数，从而使得各处 残留曲率的相对值均为常数。也就是说采用先施加一个或两个较大的反弯压力 使得零件在卸载后形成一个或两个较大弧度的残留曲率。这样即可按第一种情 况下的方法加以校直。 ( 2 ) 校直下压量计算问题 解决了压点、支点组合问题之后，然后要解决的就是零件校直下压量计算 问题。校直过程实际上是零件受人为控制的多次微小弹塑性变形过程。零件只 有经历了弹塑性变形，才能产生残留塑性变形。校直下压量计算问题可表述为： 已知轴类零件的最大初始弯曲变形，材料特性参数，几何特性参数等条件，已 知压点、支点位置，求解在压点处零件变形几次，且每次变形多少，才能将最 大初始弯曲变形减少到设计精度要求范围内。 用函数表达为： y f = 厂( a o ，万，u ，q ) 其中：f 一一表示变形次数； j ，一一表示零件压点处变形； 厂一一表示函数符号； 民一一表示零件初始弯曲变形量； 石一一表示压点、支点组合集； u 一一表示材料特性参数集； g 表示几何特性参数集。 校直下压量的计算是校直理论中最为关键的技术，也是最为困难的部分。 同时校直下压量的计算结果直接影响到校直精度。其主要计算方法可划分为两 类：第一类是压力控制方式；第二类是行程控制方式。这两类观点差异主要来 源于控制方式的不同 1 1 , 1 2 】。 1 ) 基于压力控制方式 压力控制方式是最直接也是最容易被人接受的控制方式。其主要的计算公 式为： y = a p + y o ( 2 4 ) 其中p 一一压头瞬间的压力值； a 一一弹性回复系数，是材料的特性常数； y 。一一零件初始弯曲量； y 一一计算所得的下压量。 以压力控制的校直方式，考虑了校直中可能出现的各种情况，相比起传统 的经验式校直精确性得到进一步提高。不足之处是运用这种控制方式，校直计 算中涉及到力参量，在测得力参量同时，还需要测量瞬时行程。这种方法运用 到以运动控制为主的数控设备中存在一定的难度，所以现在主流的数控校直设 备都采用基于行程的控制算法。 2 ) 行程控制方式 本文从弹塑性理论基础角度出发，以普通的轴类零件为研究对象，根据文 献 3 ，8 】的研究结果，总结出基于行程控制方式下压量计算的简化理想公式为： 9 万：瓯+ z ? o - , a ” 3 e r 式中皖一一初始挠度； ( 2 5 ) 尺一一压点处截面半径； e 一一弹性模量； 仃，一一弹性极限； 三一一校直压点到支点的距离； 彳。一一反弯曲率比，可通过公式( 2 5 ) 计算得到； 三瓦一( i 5 一毕乒雨万一半一i n ( 瓦+ 五) - l = o ( 2 6 ) 式中五= a 。e r , r , ，a 。表示原始曲率，可通过测量得到。 2 2 数控精密校直机校直工作流程 伴随着校直技术以及自动化装备工业的发展，校直机的自动化程度越来越 高。纵观世界上各国的校直产品，虽然在机床结构、检测系统、控制系统、液 压系统等方面存在着一定的差异，但是校直工作流程基本上都是相似的，都是 模拟手工校直过程。只不过校直压点和支点的决策判断，校直下压行程量的计 算由校直机自动控制系统完成，取代了操作者的部分工作。 手工校直工作流程图如下图2 3 所示：操作者依据对轴类零件的检测结果， 分析判断校直压点和支点的位置，施加校直力或者校直行程，实施校直。然后 再次对零件进行检测，如果未符合要求，则重新实施校直动作，直到检测结果 符合要求为止。 图2 3 手工校直流程图 本文以合肥工业大学机械与汽车工程学院c i m s 研究所研制和开发的 y h 4 0 10 型数控精密校直机为例，设计自动校直机的工作流程，如下图2 4 所 示。校直机在自检状态正常后进入校直工作状态，首先由送料装置将工件送到 l o 加工位，通过检测装置获得零件的最大弯曲变形量以及相应位置参数，然后根 据控制理论判断工件合格与否，如需校直，则进一步决策出相应的校直压点、 支点组合位置，计算出校直下压行程，由控制系统协调控制各子系统完成如下 校直动作： ( 1 ) 将工件的最大弯曲点转向上方； ( 2 ) 校直滑块快速下行到暂停位； ( 3 ) 根据校直压点、支点组合决策判断结果，伸出校直压点和支点，完成 校直压点和支点组合； ( 4 ) 滑块带动校直压点依据校直计算的下压量慢速下压工件； ( 5 ) 滑块返回暂停位。 图2 4 校直机工作流程图 完成上述动作后，系统继续检验，决策系统判断是否符合设计要求，符合 要求则由送料装置将工件离线取出，否则继续校直，直至合格。当校直次数超 过规定的次数，将视此次工件为废品送出。如果工件的初始弯曲变形量超出了 数控精密校直机规定检测和校直范围，则视零件为废品送出。 2 3 本章小结 本章介绍了轴类零件的弯曲情况，研究分析了反弯校直原理，指出运用反 弯校直进行校直中存在两个根本问题：压点、支点组合问题和校直下压量计算 问题，设计了y h 4 0 1 0 型数控精密校直机进行校直工作的工作流程。 1 2 第三章数控精密校直机数控系统设计 3 1 y h 4 0 - 1 0 型数控精密校直机对数控系统的要求 数控精密校直机是一种成型类数控机床，它的工作过程与普通切削类数控 机床相比具有自身的特点，所以它对控制系统的要求与普通数控机床的要求也 不尽相同。数控精密校直机对数控系统的具体要求如下： ( 1 ) 系统应该具有手动调整、自动加工、参数设置、状态监控、故障报 警等功能。 ( 2 ) 系统应该具有较好的柔性，通过修改某些基本参数就可以实现对不 同材质、长度、类型的轴类零件进行校直加工。 ( 3 ) 系统应具有实时显示加工过程的各项参数的功能，如压头下压量、 运行速度、轴类零件的弯曲变形量、加工次数、等参数。 ( 4 ) 状态监控模块应该能够实时显示各传感器、限位开关、继电器的工 作状况，以便操作人员能够对加工过程有更直观的了解。 ( 5 ) 系统应具有自我保护功能，在系统出错或是操作失误的情况下各种 动作执行机构不会互相冲突或是失去控制导致硬件损坏。 ( 6 ) 应具有自我诊断功能，以便在机床出现故障后可以迅速查询故障的 类型及部位，便于及时排除故障，减少故障停机时间。 ( 7 ) 具有与外界进行信息数据交换的功能。 3 2 数控精密校直机数控系统的选择 随着计算机控制技术的发展，数控机床的数控系统也不断更新，当前国内 外成型类数控设备采用过如下几种数控系统： ( 1 ) 基于单片机的c n c 系统：采用传统的单片机开发的数控系统成本低廉， 但是单片机开放性差，软硬件资源有限，因此一般只用在半自动化的数控设备 上。现代高性能单片机( 如a r m 系列) ，已经有了足够的软硬件资源和运算速 度，成本也不高，比如基于l i n u x 的嵌入式a r m 系统，功能强大，源代码开放 性好；而基于w i n c e 的a r m 系统资源丰富，实时性高。这些都是c n c 校直系统 的重要发展方向。 ( 2 ) 基于可编程控制器( p l c ) 的c n c 系统：可编程控制器英文全称是 p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ，缩写成p l c 。因可编程控制器具有可靠性高、功 能完善、操作简单、实时性好、现场的适应力强、易于控制软件的开发等特点， 可编程控制器在机床设备的控制系统中应用广泛。为了提高人机交互友好性和 满足复杂的精校工艺要求，数控精密校直机控制系统的可以采用p l c 作为下位 机直接与硬件交互，采用触摸屏实现实时显示，开发出基于p l c 的数控精密校 1 3 直机c n c 系统。 ( 3 ) 基于工业控制计算机( i p c ) 的c n c 控制系统：工业控制计算机( i p c ) 由于具有一系列较为完善和成熟的设计、加工及信号接口标准，并且拥有丰富 的软硬件支持，性能和可靠性不断提高，是开放式数控系统的首选系统平台 1 3 1 。 但是，工业控制计算机( i p c ) 难以满足实时控制的要求，特别是强实时控制 系统的要求，因此，可以采取工业控制计算机( i p c ) 和运动控制卡组合的形 式组成控制系统的控制装置，由工业控制计算机( i p c ) 处理非实时部分，实 时部分则由运动控制卡来完成。采用这种方案的工业控制计算机( i p c ) 作为 上位机，它的主要任务是实现人机界面，完成加工程序的输入、预编译、轨迹 计算、速度计算和加工零件图形的模拟仿真等任务，而作为下位机的运动控制 卡则负责处理一些实时性强的机床信号【l 引。 在实际生产中也有基于上位机( 工控机) 、下位机( p l c ) 的数控精密校直 机c n c 系统【1 5 , 1 6 】，上位机( 工控机) 用于动态显示及参数设置，下位机( p l c ) 用于控制现场的校直设备完成校直过程。 y h 4 0 1 0 型数控精密校直机数控系统采用工业控制计算机( i p c ) 主板作 为c n c 平台，通过在主板( 或母板) 上的p c i i s a 槽插入实现n c 功能的各种 模块，如运动控制卡、数据采集卡、输入输出卡( i o 板) 等，构成具有高度 灵活性的数控精密校直机数控系统。y h 4 0 一1 0 型数控精密校直机的数控系统的 工控机与运动控制卡之间不是采用“n c 嵌入p c 的方式，而是采取串口通信 的方式。 3 3y h 4 0 - 1 0 型数控精密校直机数控系统的体系结构 3 3 1 二级分布式体系结构 考虑到易操作、易进行功能扩展、易维护等开放性结构设计原则，以及数 控精密校直机工作的特殊要求，数控精密校直机的控制系统采用二级分布式集 散控制系统体系结构 8 1 ，体系结构如图3 1 所示。 数控精密校直机二级分布式集散控制系统采用主从方式，第一级为执行级， 主要是完成工作台位移与速度的控制以及压头运动等方面的工作任务。并向上 一级( 监控级) 反馈信息。第二级为监控级，主要负责信号采集以及伺服电机 与步进电机驱动系统以及人机交互界面等方面的工作，并向执行级发送控制命 令，这一级是由工业控制计算机统一协调完成的。 其中工业控制计算机是数控精密校直机整个控制系统的核心，液压伺服系 统、工件检测系统、状态监控等模块的数据处理都是由工业控制计算机完成。 液压伺服系统将计算机输出的控制信号经d a 转换器转换成模拟量，通过 控制伺服阀开口量的大小来控制进入液压油缸中的油液，从而实现对压头的行 程进行控制。 1 4 检测系统的任务是完成工件轴线直线度误差的检测。检测系统工作过程中， 工件在步进电机的驱动下作回转运动，传感器将检测得到的工件半径变化信号 通过数模转换器输入工业控制计算机( i p c ) ，计算机对采集的数据进行处理运 算从而得出工件轴线的直线度误差。 l 工业拄奢岍算机 l 了t粪 | 级 兰j 0， 7 蠕 f 伺服； 翥簇l 蓊磊覆婪 jl 矣块 l液压伺服系到 l 孤 杯 1， + ， + 1 ， 镘 工作台移动 工件检测l 辅助工作l 压头运动 图3 1 数控精密校直机控制体系框图 工作台伺服系统根据加工要求完成工作台回零、至校直加工位、至物料输 送位等工作。 辅助功能模块负责物料的输送、废料剔除、气缸的松开夹紧以及其它的一 些辅助性工作。 3 3 2 y h 4 0 1 0 型数控精密校直机数控系统的硬件结构 数控精密校直机数控系统需要完成的运动功能有：工作台的移动、工件的 旋转、各个汽缸的伸缩与夹紧、液压系统压头的运动控制以及各系统间的协调 控制等，根据数控精密校直机的功能确定控制系统硬件结构图如图3 。2 所示。 数控系统的关键部件有：工业控制计算机、液晶显示器、运动控制卡、数 据采集卡、输入输出卡( i o 板) 、r s 2 3 2 r s 4 8 5 转换模块等，其执行部件是 日本松下数字式交流伺服驱动器和伺服电机、步进电机驱动器和步进电机、液 压伺服控制单元及液压缸、电磁阀和气缸等。系统的所有输入输出信号( i o ) ， 通过工业控制计算机( i p c ) 读写i o 板和运动控制卡的的i o 端口实现。系统 不断地扫描控制面板的输入信号( 如暂停、运行、选择开关等等) ，根据操作控 制面板，系统执行相应的动作。通过友好的人机界面在显示器上显示系统的工 作状态。 一 一，。；。，一 图3 2y h 4 0 - 1 0 型数控精密校直机硬件结构图 3 4 数据输入输出通道以及抗干扰方案设计 3 4 1 数据输入输出通道的设计 数据输入输出通道是计算机与控制对象进行信息传递的接口。数控精密校 直机数控系统输入输出器件有限位开关、接近开关、按钮、指示灯、气液电磁 阀等。为了缩短开发时间，本系统对各种信号的采集和控制信号的输出主要是 通过台湾研华公司生产的p c l 7 3 0 、台湾泓格数据采集卡a 8 2 3 p g h l 等产品 实现的。系统的输入输出通道方案如图3 3 所示。 图3 3 输入输出系统方案 数控精密校直机主控制面板、小控制面板、各开关通断、各位置传感器、 1 6 状态传感器的输入信号的采集和控制各气缸动作的输出信号都是通过p c l 7 3 0 和a 8 2 3 p g h l 进行的。需要说明的是p c l 7 3 0 提供了1 6 位隔离数字输入通 道和1 6 位隔离数字输出通道，这些隔离通道可以直接与机床控制电路相连接， p c l 7 3 0 提供的另外3 2 路i o 通道和a 8 2 3 p g h l 提供的3 2 路数字信号i o 通道不能直接使用，如果机床各传感器的开关信号( 电流电压) 直接与这些未 经隔离的端口相连接，就会使外界的电路和计算机控制系统电路相连，会给计 算机的电路带来安全隐患，要使用这些i o 通道，需要一定的措施。本系统采 用了光电隔离电路，将p c l 7 3 0 和a 8 2 3 p g h l 未经隔离的i o 通道通过光电 隔离电路与机床各传感器信号相连，很好的实现了机床电路和计算机电路的隔 离。 p c l 7 3 0 和a 8 2 3 p g h l 的性能特点如下： p c l 7 3 0 能够提供1 6 位隔离数字输入通道和1 6 位隔离数字输出通道， p c l 7 3 0 的t t l 输入和输出功能灵活，具有双中断的特性，一个由外部信号产 生，另一个由8 2 5 4 定时器产生。另外，除了数字i 0 功能，p c l 7 3 0 还提供一 个通用1 6 位计数器。p c l 一7 3 0 在工业、实验室和设备自动化应用方面具有强大 的隔离保护功能，它能够经受住2 5 0 0 v d c 的电压，防止电气系统被意外损坏。 此外，所有输出通道在系统重启动后都可以保持它们上次的输出值。同时， p c l 7 3 0 提供通道冻结功能，在操作工作中可以将每个通道的当前输出状态维 持不动。它具有从0 - 2 4 v d c 的宽输入电压范围，非常适合于要求1 2 v d c 和 2 4 v d c 输入电压的工业应用，且有从5 v 4 0 v d c 的宽输出电压范围，非常适 合于要求1 2 v d c 2 4 v d c 输出电压的工业应用【l9 1 。 a 一8 2 3 p g h l 可应用于信号分析、产品测试、实验室自动化、传感器接口、 过程控制等工业控制领域。a 8 2 3 p g h l 是用于p c 机的1 2 位多功能模拟量和 数字量i o 卡，可提供16 个单端或8 个差分模拟量输入，还有2 个l2 位分辨 率的模拟量输出通道。另外a 8 2 3 p g h l 还有16 个数字量输入、1 6 个数字量 输出和1 个定时计算器通道。最大采样率为1 2 5 k s s 。可跳线选择d m a 级别1 或3 ，中断可跳经选择3 到15 。并提供有单极及双级d a 输出【2 0 1 。其特点可归 纳如下： ( 1 ) 1 2 位a d 转换器 ( 2 ) 1 2 5 k s s 采样速率 ( 3 ) 1 6 个单端或8 个差分模拟量输入，分辨率为12 位，转换时间为8 。 ( 4 ) 1 6 个数字量输入、1 6 个数字量输出，电路为t t l 数字电路 ( 5 ) 2 个1 2 位的模拟量输出通道 ( 6 ) 1 个通用的可编程1 6 位计时计数器 ( 7 ) 可编程a d 增益： p g h ：0 5 ，1 ，1 5 ，10 ，5 0 ，10 0 ，5 0 0 ，】0 0 0 1 7 p g l ：0 5 ，1 ，2 ，4 ，8 ( 8 ) a d 触发方式：软件触发，步进触发，外部触发，事件触发 ( 9 ) a d 数据传输方式：查询，中断，d m a 3 4 2 抗干扰方案 数控精密校直机数控系统在工作过程中不可避免的受到干扰的影响，这些 干扰按干扰源分，可以分为外部干扰和内部干扰两大类。外部干扰主要是指大 电流输电线周围产生的交变磁场和电源引入的干扰；内部干扰主要是指控制系 统内部的各种电磁元器件引起的各种干扰。这些干扰会对控制系统的控制精度 产生影响。对输入单元而言，干扰可使模拟信号失真，数字信号出错，从而导 致监控系统做出错误的判断。对输出单元而言，干扰可使各种输出信号混乱， 不能正常反映系统的真实输出量。而当干扰作用于控制模块的内核c p u 时，后 果将更加严重。这些干扰可导致控制失灵、产品质量下降、系统瘫痪等。因此， 为保证系统正常运行，须采取措施减弱和消除干扰信号【2 引。通常采用硬件方法 消除和减弱干扰，硬件方法主要针对三个方面：消除和抑制干扰源、阻截干扰 传递途径、消弱接收电路对噪声干扰的敏感性。事实上仅有硬件措施还是不够 的，还需要采用适当的软件措施。 数控精密校直机抗干扰所采取的主要措施是： ( 1 ) 直流稳压电源：使用直流稳压电源抑制了交流变压器的缓慢波动，保 证了直流电压的稳定性； ( 2 ) 接地技术：接地技术是抑制干扰的主要方法之一，研究表明正确的接 地能够抑制大部分的干扰： ( 3 ) 低通滤波器：采用低通滤波器滤去除从电网来的高频干扰； 、 ( 4 ) 屏蔽技术：使用铜和铝将易受干扰的信号线包围起来，有效的防止了 高频磁场的干扰： ( 5 ) 光电隔离器：使用光电隔离器有效的抑制了外部电路对计算机内部电 路的影响； ( 6 ) 数字滤波：运用软件模块的数字滤波器可以实现对部分干扰信号的过 滤。 3 5 数控精密校直机控制系统软件模块 软件是系统的灵魂。在实时工业控制中，高质量的硬件体系固然十分重要， 但控制系统中的控制任务的实现，最终还是要靠软件程序的执行来完成，因此， 应用软件的性能优劣就与整个系统关系极大，并在很大程度上决定了整个控制 系统的运行效率和各项性能指标的最终实现。对于不同的控制对象，软件设计 的具体要求有所不同，通常对软件系统的要求有三个方面： 1 8 ( 1 ) 实时性：要求软件系统实时监测外部环境，对不同的环境变化作出快 速的决策，并形成相应的输出控制。 ( 2 ) 可靠性：一旦系统出现故障，将造成控制过程的混乱，引起严重后果。 可靠性指标一般用系统的平均无故障时间来表示。 ( 3 ) 可扩展性和操作性：对用户而言，软件系统应有良好的接口，在不需 知道过多细节的情况下，即可进行系统功能的扩展，并且软件使用操作要简单。 3 5 1 数控系统软件平台的选择【2 l 】 在工业控制领域，基于工业控制计算机的通用操作系统常见的有三种： w i n d o w s 、l i n u x 、d o s 。下面对这三种平台的特点做简单阐述： ( 1 ) w i n d o w s 众所周知，w i n d o w s 是p c 机上通用主流操作系统，并且国内外许多大的 软件生产商所开发的系统软件基本上都是基于w i n d o w s 环境的，同时w i n d o w s 系统还具有良好的跨平台性，而且它本身还支持网络，对系统硬件要求低。但 是w i n d o w s 操作系统在实时性方面存在这一些自身的不足，由于w i n d o w s 操 作系统的存在，使得应用程序和硬件之间被隔离，任务之间的协调是由操作系 统来完成的，操作系统自身提供的定时器最小定时精度为5 5 m s ，远远不能满足 数控系统的实时性要求。通常w i n d o w s 下数控系统实时性的实现有两种途径： 一是使用专用的c n c 模块卡完成实时数控功能，二是运用w i n d o w s 多媒体定 时函数，运用这种方法理论上定时精度可以达到4 m s ，但由这种方法会增加系 统能源的消耗，而且会造成系统的不稳定，这种方法目前还处于研究阶段。 ( 2 ) l i n u x 大量研究表明l i n u x 操作系统具有较高的实时性，但是不普及以及和其它 的通用软件不兼容，用它做系统的操作平台需要增加开发成本，延长开发周期。 ( 3 ) d o s d o s 操作系统也是p c 机上通用操作系统。在数控系统中，选用d o s 操作 系统作为开发平台，一般都会采用中断结构模式，这种结构模式是将软件的各 个任务模块分别安排在不同级别的中断服务程序中，从而保证各实时性的控制 任务能够及时被处理。 由于y h 4 0 1 0 型数控精密校直机硬件结构不是采用独立的c n c 模块，而 且校直机对数控系统的实时性的要求较高，y h 4 0 1 0 型数控精密校直机采用 d o s 操作系统作为