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东北大学硕士论文 摘要 五轴数控软片裁片机的软件开发与研究 摘要 本课题根据实际项目需要对数控系统软件进行了开发和研究。在w i n d o w s 2 0 0 0 操作系统平台下，利用v i s u a lb a s i c 计算机语言开发了一套数控系统用户软 件。该软件主要包括自动编程、程序下载、位置显示、加工件二维图形显示、工 作状态监控等功能模块。 介绍了一种利用p m a c 作为实时运动控制单元，基于i p c 的典型丌放式结构 数控系统，这种结构的数控系统由p m a c 完成对电机的控制，由i p c 告诉p m a c 如何去控制电机。本文对先进的运动控制卡p m a c 的功能，特性和j 二次丌发方法 进行了研究，并且对p m a c 的软件结构和程序优先缴进行了研究。 分析了数控系统控制软件的组成，对数控系统控制软件的关键技术进行了研 究，包括g 代码文件译码算法，轨迹规划计算方法和数字增量插补算法。并且利 用v b 和o r i g i n 软件对译码、速度规划、插补算法( 直线和圆弧的数字增量法) 在p c 机上进行了软件仿真，验证了算法的正确性。 对目前最常用的轴控制方法p i d 控制进行了研究。介绍了p m a c 中采用 的p i d + 前馈的控制方式中各参数对控制性能的影响，以及参数调整的方法和步骤。 最后利用p m a ct u n i n gp r o 对样机完成了伺服环的调整。 关键词：c n c ，数控软件，p m a c ，开放式数控，p i d ，插补，g 代码 查! ! 查兰竺主垄查 竺! ! 坠! ! r e s e a r c ha n d d e s i g n i n g f o raf i v e a x i s c n c c u t t i n gt o o ls o f t w a r e a b s t r a c t t od e s i g na n dm a n u f a c t u r eac n cm a c h i n et o o l ，t h ep a p e rt a k e sar e s e a r c ho nt h e c n cs o f t w a r et e c h n o l o g y a na p p l i c a t i o ns o f t w a r ef o rt h i sm a c h i n et o o li si n t r o d u c e d ， w h i c hi sd e s i g n e db ym i c r o s o f tv i s u a lb a s i c6 0o na r ti p cw i mw i n d o w s2 0 0 0s y s t e m a n di sm a i n l yc o m p o s e do fa u t o m a t e de n c o d i n gm o d u l e ，p r o g r a mf i l e sd o w n l o a d i n g m o d u l e ，p o s i t i o nd i s p l a y i n gm o d u l e ，w o r k p i e c e2 dc o n t o u rd r a w i n gd i s p l a y i n gm o d u l e ， w o r k i n gs t a t u sm o n i t o r i n gm o d u l ee ta 1 g i v i n ga ni n t r o d u c t i o no fat y p i c a lo p e na r c h i t e c t u r ec n cs y s t e mb a s e do ni p c w h i l eu s i n gap r o g r a m m a b l em u l t i - a x i sm o t i o nc o n t r o l l e r ( p m a c ) a s ar e a l t i m e c o n t r o l lm o d u l e i nt h es y s t e m ，p m a cc o n t r o l st h es e r v om o t o r sp r o p e r l yw h i l ei p c t e l l sp m a ch o wt h em o t o r sa r ec o n t r o l l e d t h ep a p e rr e s e a r c h e sc h a r a c t e r i s t i c ， f u n c t i o n s ，m e t h o d st or e d e v e l o po fp m a c a sw e l la st h es o f t w a r ea r c h i t e c t u r ea n dt a s k p r i o r i t yo fp m a c t h ep a p e ra l s oi n t r o d u c e st h es o f t w a r ec o m p o n e n t s ，t a k e sar e s e a r c ho nk e y t e c h n i q u e si n c l u d i n gt h ea r i t h m e t i cf o rgc o d ef i l ed e c o d i n g ，a r i t h m e t i cf o rv e l o c i t y p l a n n i n ga n di n c r e m e n td a t ai n t e r p o l a t i o na r i t h m e t i c as i m u l a t i o nf o r t h et h r e ep r o c e s s m e n t i o n e da b o v eo np ci si m p l e m e n t e d 、讲t i lv ba n do r i g i ns o f t w a r e t h em o s tc o m m o nc o n t r o la r i t h m e t i cc a l l e dp i di sr e s e a r c h e d h o wt h ep a r a m e t e r s o ft h ep i dp l u sf e e d f o r w a r dc o n t r o la l g o r i t h mp r o v i d e db yp m a ci n f l u e n c et h es y s t e m p e r f o r m a n c e ，a n dt h em e t h o d st ot u n et h e s ep a r a m e t e r sa r ea l s oi n c l u d e di nt h i sp a p e r a l lt h et u n i n gt h e o r ya n dm e t h o da r ea p p l i e do nt h ec n cp r o t o t y p e ，a n dv e r yg o o d p e r f o f i n a n c ea r ea c h i e v e d k e y w o r d s ：c n c ，c n cs o f t w a r e ，p m a c ，o a c ，p i d ，i n t e r p o l a t e r ，gc o d e i l l - 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或 撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 壶f 挈 e t期：矽口，2 - 砷 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校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，允许论文被查阅和借阅。本人授权东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同意。) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：签字日期： 东北大学硕士论文 第一章绪论 1 1 课题来源和意义 第一章绪论 本课题是基于东北大学与中国航天科工集团下属某企业合作开发专用“数控 橡胶裁片机”项目的。客户要求设计一台专用数控机床，完成对厚度为1 到j 0 毫 米，直径1 米的圆形橡胶软片进行裁剪倒边工作加工后形状为圆、矩形、扇环 的橡胶片。针对这一项目要求，课题组成员进行了大量的调研、计算、设计和调 试工作。在对现代丌放式数控机床系统以及相关领域进行了深入细致的研究之后， 我们参考了大量龙门式铣床、雕刻机等已有设备结构，设计了一台五坐标三联动 龙门式数控裁片机。这一数控机床的设计工作量大，融入了现代开放式数控系统 的原理，采用了“n c 嵌入p c ”的形式，利用了先进的多轴运动控制器( p m a c ) 作为运动控制模块，先后由本课题组多位同学共同完成，现已调试成功，实现了 裁片功能，满足了客户要求的运动和控制精度。项目主要分为三个部分：机械结 构设计和计算、机床控制电路设计与实现和数控机床软件设计与编制。本人主要 负责完成了软件设计与编制的工作和机床机械调试，控制系统硬件安装以及整机 调试工作。 完成硕士论文的过程，也是数控裁片机完成的过程。本课题的特点即为理论 紧密联系实际，实践立即检验理论的正误。在此期问，我翻阅了大量的中英文资 料和文献，进行了有针对性的学习，锻炼了实际动手操作的能力，在数控机床一 一这一体现一个国家先进制造能力的，跨越机械、电子、计算机多学科的机电一 体化产品开发领域进行了研究。完成论文的过程中，我在技术和理论两个方面都 有了大的提高，初步具备了专用数控机床开发的能力，最重要的是为以后更进一 步的学习和工作打下了坚实的基础。 1 2 数控技术的发展趋势 数控技术是“用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术”f 鼢发展数 东北大学硕士论文 第一章绪论 控技术对于提高国家的生产力，增强国家综合国力起着重要的作用。这表现在数 控技术是当前高新科技产业( 如生物技术，信息技术，航空航天技术) 的技术保 障。我国从1 9 5 8 年开始进行数控技术的研究，经历了初期2 0 多年的封闭式研究 的第个发展阶段，“六五”、“七五”和“八五”期间的“引进技术、消化吸收”， 初步形成国产系歹0 的第二个发展阶段，“八五”后期和“九五”期间的产业化研究 的第三个阶段。经过这三个阶段的发展，我国已经奠定了数控技术的基础，并初 步形成了几个数控产业基地，如：华中数控，航天数控等一些已经具备批量生产 数控系统能力的研究所和公司。目前，尽管我国数控技术“纵向”发展速度比较 以前有很大的提高，但是，“横向”比较，与世界水平差距还比较大。 当前，国际数控技术正沿着以下四个发展方向进行着积极的研究。 ( 1 ) 高速度、高精度加工技术 数控技术作为先进制造的一项关键技术，同样面临着各行业加工中高速度、高 精度要求的挑战。如航空航天领域加工薄壁、薄筋零件时必须在高切削速度、低 切削力的情况下才能加工。汽车生产线的产量的提高，也必须以提高单件加工速 度，减小生产节拍为前提。因此，许多数控技术研究者致力于采取更先进的数控 算法，改进软硬件结构等的研究，以此来提高数控系统高速加工的能力。 ( 2 1 智能化、开放式、网络化 数控技术的智能化是随着智能控制这门学科的发展逐步开始被研究和发展的。 智能化包括多个方面的智能化：例如磨削加工中进给量的自适应模糊控制i 9 】；实时 补偿因温度变化而产生的几何形状误差的几何形状自适应控制( g e o m e t r i c a d a p t i v ec o n t r o l g a p ) ，实时在给定的范围内优化切削力，主轴转速，切肖0 力矩的 约束自适应控制( a d a p t i v ec o n t r o lc o n s t r a i n t s a c cs y s t e m ) t 旧】等；高档交流伺服电 机自动进行控制参数选定的智能算法：自动编程智能算法，例如本文中的自动编 程模块等；智能化的人机界面如智能诊断，智能监控等。 开放式数控系统是针对封闭式专用数控系统存在的缺陷而提出的一种数控系 统鞔硬件结构。开放式数控系统体系结构的规范化、通信规范化、软硬件配置规 范化、运行平台、数控系统功能库以及数控系统功能软件开发工具等是当前开放 式数控系统研究的核心。 嘲络化研究为分布式资源的集中利用提供了有效的途径，使分散在不同平台下 的软硬件之间实现资源共享。将数控系统与工厂的局域网相连接后，管理者可以 在办公室甚至家中全面了解机床的近况( 当前和历史数据) 。日本的m a z a t r o l f u s i o n 东北大学硕士论文 第一章绪论 6 4 0 数控系统直接接入因特网，即可接收到生产厂家提供的2 4 小时网上在线维修 服务。 ( 3 1 五轴联动加工和复合加工 五轴( 及以上) 联动加工数控机床是现代国防工业急需的战略性装备，也是 模具加工的基础装备。五轴联动加工中有两项关键技术，一是万能镗铣头，二是 换头技术。我国这两项技术的研究水平相对都比较低。 似) 新技术标准、规范的建立 这包括两方面的含义，一是开放式体系结构数控系统的规范。目前从事这一 标准研究的主要有美国、欧共体和日本。二是编程代码的新规范，在过去，一直 使用i s 0 6 9 8 3g 代码编程语言去控制数控系统的运动，其本质是面向加工过程的。 目前国际上正在研究和制定新的系统标准i s 0 1 4 6 4 9 ( s t e p - n c ) 。s t e p n c 被称为面 向对象的高级机床加工语言，它将是不依赖于具体系统的，能够描述产品整个生 命周期内的统一数据模型，从而实现整个制造过程，乃至各个工业领域产品信息 的标准化。还有研究者研究介于这两者之间的一种基于简单低级指令的“基础数 控语言”( b a s e n u m e r i c a lc o n t r o ll a n g u a g e b n c l ) 1 1 1 。 1 3 开放式数控系统 1 3 1 专用数控系统现状和不足 现在，广泛应用的还是专用数控系统，而且在我国占据市场大部分份额的是 德国西门子( s i e m e n s ) 和日本的发那科( f a n u c ) 系统。国内的数控系统研究及 生产者主要有华中数控，航天数控。中科院沈阳计算所研制的蓝天系列，如n c 1 0 0 ， n c 1 1 0 ，n c 一2 0 0 ，n c 2 1 0 。目前在国内常用的f a n u c 数控系统主要有0 系列和 o i 系列，以及f a n u c1 6 1 8 2 l 系列。西门予数控系统国内常用的有s i n u m e r i k 8 1 0 ，s n u m e r k8 0 2 s ，s i n u m e r i k8 0 2 d 等。 专用数控系统的“专用、封闭的体系结构”包含两层意思【1 2 i ：一是构成系统 的硬件是专用的，主板、c p u 板、饲服板以及它们的连接方式等都是专门设计的， 与其它系统的同类型的电路板是不通用的；二是系统软件结构是专用的，系统软 件的技术细节是不公开的、不提供给用户的，所以如果系统的使用者想要进行任 何功能上的扩展或变化都必须求助于系统的供应商。专用数控系统软件在组织结 ! ! 苎查堂塑主垒苎 6 4 0 数控系统直接接入因特网 服务。 第一章绪论 即可接收到生产厂家提供的2 4 小时网上在线维修 ( 3 1 五轴联动加工和复合加工 五轴( 及以上) 联动加上数控机床是现代国防工业急需的战略性装备，也是 模具加工的基础装备。五轴联动加工中有两项关键技术，一是万能镗铣头二是 换头技术。我国这两项技术的研究水平相对都比较低。 h ) 新技术标准、规范的建立 这包括两方面的含义，一是开放式体系结构数控系统的规范，目前从事这一 标准研究的主要有美国、欧共体和日本。二是编程代码的新规范，在过去，一直 使用i s 0 6 9 8 3g 代码编程语言去控制数控系统的运动，其本质是面向加工过程的。 目前国际上正在研究和制定新的系统标准i s 0 1 4 6 4 9 ( s t e p - n c ) 。s t e p n c 被称为面 向对象的高级机床加工语言，它将是1 i 依赖于具体系统的，能够描述产品整个生 命周期内的统一数据模型，从而实现整个制造过程，乃至各个工业领域产品信息 的标准化。还有研究者研究介于这两者之间的一种基于简单低级指令的“基础数 控语言”( b a s en u m e r i c a lc o n t r o ll a n g u a g e - b n c l ) 1 l j 1 3 开放式数控系统 1 + ，1 专用数控系统现状和不足 现在，广泛应用的还是专用数控系统，而且在我国占据市场大部分份额的是 德国西门予( s i e m e n s ) 和日本的发那科( f a n u c ) 系统。国内的数控系统研究及 生产者主要有华中数控，航天数控，中科院沈阳计算所研制的蓝天系列，如n c 1 0 0 ， n c 1 1 0 ，n c 。2 0 0 ，n c 2 1 0 。目前在国内常用的f a n u c 数控系统主要有0 系列和 0 i 系列，以及f a n u c1 6 1 8 2 1 系列。西门子数控系统国内常用的有s i n u m e r i k 8 1 0 ，s i n u m e r i k8 0 2 s ，s i n u m e r i k8 0 2 d 等。 专用数控系统的“专用、封闭的体系结构”包禽两层意思【】2 j ；一是构成系统 的硬件是专用的，主板、c p u 板、伺服板以及它们的连接方式等都是专设计的， 与其它系统的同类型的电路板是不通用的；二是系统软件结构是专用的，系统软 件的技术细节是不公开的、不提供给用户的，所以如果系统的使用者想要进行任 何功能上的扩展或变化都必须求助于系统的供应商。专用数控系统软件在组织结 何功能上的扩展或变化都必须求助于系统的供应商。专用数控系统软件在组织结 东北大学硕士论文 第一章绪论 6 4 0 数控系统直接接入因特网，即可接收到生产厂家提供的2 4 小时网上在线维修 服务。 ( 3 1 五轴联动加工和复合加工 五轴( 及以上) 联动加工数控机床是现代国防工业急需的战略性装备，也是 模具加工的基础装备。五轴联动加工中有两项关键技术，一是万能镗铣头，二是 换头技术。我国这两项技术的研究水平相对都比较低。 似) 新技术标准、规范的建立 这包括两方面的含义，一是开放式体系结构数控系统的规范。目前从事这一 标准研究的主要有美国、欧共体和日本。二是编程代码的新规范，在过去，一直 使用i s 0 6 9 8 3g 代码编程语言去控制数控系统的运动，其本质是面向加工过程的。 目前国际上正在研究和制定新的系统标准i s 0 1 4 6 4 9 ( s t e p - n c ) 。s t e p n c 被称为面 向对象的高级机床加工语言，它将是不依赖于具体系统的，能够描述产品整个生 命周期内的统一数据模型，从而实现整个制造过程，乃至各个工业领域产品信息 的标准化。还有研究者研究介于这两者之间的一种基于简单低级指令的“基础数 控语言”( b a s e n u m e r i c a lc o n t r o ll a n g u a g e b n c l ) 1 1 1 。 1 3 开放式数控系统 1 3 1 专用数控系统现状和不足 现在，广泛应用的还是专用数控系统，而且在我国占据市场大部分份额的是 德国西门子( s i e m e n s ) 和日本的发那科( f a n u c ) 系统。国内的数控系统研究及 生产者主要有华中数控，航天数控。中科院沈阳计算所研制的蓝天系列，如n c 1 0 0 ， n c 1 1 0 ，n c 一2 0 0 ，n c 2 1 0 。目前在国内常用的f a n u c 数控系统主要有0 系列和 o i 系列，以及f a n u c1 6 1 8 2 l 系列。西门予数控系统国内常用的有s i n u m e r i k 8 1 0 ，s n u m e r k8 0 2 s ，s i n u m e r i k8 0 2 d 等。 专用数控系统的“专用、封闭的体系结构”包含两层意思【1 2 i ：一是构成系统 的硬件是专用的，主板、c p u 板、饲服板以及它们的连接方式等都是专门设计的， 与其它系统的同类型的电路板是不通用的；二是系统软件结构是专用的，系统软 件的技术细节是不公开的、不提供给用户的，所以如果系统的使用者想要进行任 何功能上的扩展或变化都必须求助于系统的供应商。专用数控系统软件在组织结 东北大学硕士论文 第一章绪论 构上虽然也是模块化的，但是在具体实现方法上是有很大区别的。这是与各生产 商选择的基础技术、技术政策、指导方针、发展历史等因素有关。例如各个系统 的内核的功能一般都是根据n c 程序处理轴的运动，但是内核的各个部分交互方 式，通讯协议等机制，内核与外部模块之间交互方式等则是随着系统的不周而不 同的，所以说各个系统都是相对独立而彼此封闭的。这些都是专用的体系结构存 在的基本特点和缺点。 1 3 2 开放式体系结构数控系统概念和定义 i e e e ( 电气和电子工程师协会) 标准定义开放式数控系统；能够在多种平台上运 行，可以和其它系统互操作，并能给用户提供一种统- - ) x l 格的交互方式。开放式 数控系统具有以下基本特征： ( 1 ) 可互换性，构成系统的各硬件模块、功能软件的选用不受单一供应商的控 制，可根据功能、可靠性、性能要求相互替换，不影响系统整体的协调运行； ( 2 ) 可伸缩性，c n c 系统的功能、规模可以灵活设置，方便修改。控制系统 的大小( 硬件或软件模块) ，可根据具体应用增减； ( 3 ) 可移植性，系统的功能软件与设备无关，各种功能模块运行于不同的控制 系统内，即能运行于不同供应商提供的硬件平台上； ( 4 1 可扩展性，c n c 用户或二次开发者能有效地将自己的软件集成到n c 系统 中，形成自己的专用系统，功能的增减只需功能模块的装卸； ( 5 ) 可互换性，通过标准化接口，通信和交互机制，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能力，协调工作。 开放式数控之所以能够开放，必须建立在统一标准的基础之上。也只有统一 了标准才能实现真正意义上的“开放”。目前，许多国家的某些组织正致力于研究 和制订开放式数控的标准。其中制造业发达的欧盟、美国、日本相继开展了开放 式控制器及控制器软件的设计与实验方法的研究工作，也就是著名的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 l sw i t h i na u t o m a t i o ns y s t e m ) ，o m a c ( o p e n m o d u l a ra r c h i t e c t u r ec o n t r o l l e r ) 和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 s ) 计划。 东北大学硕士论文 第一章绪论 1 4 论文主要工作 数控裁片机的设计与开发项目，是课题组在开放式数控领域的一次成功尝试。 在门型铣床机械设计，n c 嵌入p c 式开放式数控技术领域和五坐标数控机床程序 设计方法等方面进行了许多研究工作，对国外先进的多轴控制器的轨迹插补算法 和伺服控制算法有了较深入的认识。 本文主要对基于p m a c 的开放式数控裁片专用机床的软件设计进行了研究。 针对这一目的，本入主要进行了如下方面的工作： f 1 ) p m a c 的特性以及程序设计方法的研究 系统采用美国d e l t a t a u 公司的功能强大的多轴运动控制卡( p m a c ) ，所以， 本人首先对其功能、使用方法、特性、与p c 机通信方法以及附带的软件p c o m m 3 2 进行了分析。 ( 2 1 对系统机械结构，轨迹规划进行了分析和研究 为实现加工需要，数控裁片机设计为五坐标三联动式，采用圆盘铣刀。其中x 轴采用双边滚珠丝杠直接驱动方式。 ( 3 ) 设计并编制了数控裁片机的用户软件 本软件主要包括c a d 图形直接转化为数控代码的自动编程模块，程序管理模 块，加工过程的在线图形显示模块，位置显示模块，手动控制模块和机床状态显 示及故障检测模块等。 “) 多轴控制嚣和交流电机驱动器参数调整 标准的p m a c 对电机的控制采用p i d 伺服算法和可选的扩展极点可配置伺服 算法，并有速度前馈和加速度前馈参数，以减小系统的轨迹误差。系统采用的安 川伺服电机同样采用的了p i d 伺服算法。运行前必须对这两套系统的必要参数进 行调整。 f 5 ) 软件测试和系统调试 在项目验收前，本人对软件进行了多项测试，包括软件各个模块，在不同操作 系统下的运行等。 ( 6 ) 针对数控软件译码、速度规划和插补算法进行了研究 针对g 代码编写的数控代码的译码算法，速度规划的内容和算法，实用的直 线和圆弧的数字增量插补算法进行了研究，并编制了仿真程序，进行验证。 东北大学硕士论文第二章p m a c 多轴运动控制器介绍 第二章p m a c 多轴运动控制器介绍 本系统采用的p m a c 2 一p c 是一种可同时控制八个轴混合运动的高性能伺服运 动控制卡，主要功能为伺服运动控制，p l c 功能和数据采集。p m a c 2 p c 内部采 用m o t o r o l a5 6 0 0 2d s p 芯片，完成所有轴的轨迹插补和伺服控制等的运算。 p m a c 可以作为一台单独的计算机来用，也可以通过总线或者串行口嵌入p c 机对 系统进行控制。 软件接口 图2 1p m a c 嵌入p c 控制系统图 f i g 2 - 1p m a ce m b e d e di n t op cc o n t r o ls y s t e m p m a c 2 嵌入p c 的控制系统如图2 1 所示，p c 机为主机，p m a c 通过总线接 受p c 机的运动指令，通过中转板与电机驱动器相连，完成对电机和开关量的控制。 p m a c 2 具有在板的a d 转换功能和3 2 位在板的通用i o ，以及p w m 、p f m 、d a c 多种输出模式。p m a c 2 还有在扳的双端口r a v l ( d p r a m ) ，使得p m a c 与p c 机之间可以实现高速实时的数据交换。 东北大学硕士论文 第二章p m a c 多轴运动控制器介绍 2 1p m a c 硬件特性 不论是p m a c l 型卡还是p m a c 2 型卡，其硬件配置都是由各种功能硬件模块 组合而成的。 c p u 卡有三种：2 0 m h z 带后备电池r a m 的p n 6 0 2 3 9 8 ，带f l a s h 存储器 4 0 或6 0 m h z 的p n 6 0 2 4 0 5 卡，8 0 m h z 可选带后备电池r a m 附件。用户可以根 据需要定制三种中的任何种c p u 卡。p m a c 2 一p c 的标准配置为p n 6 0 2 3 9 8 ，晶 振频率为2 0 m h z 。 p m a c 2 所采用的d s p 5 6 0 0 2 ：蕃片具有锁相环技术( p h a s e d l o c k e dl o o p ，p l l ) ， 这种技术允许将晶振频率乘以一个可编程的整数作为c p u 频率。p m a c 2 使用跳 线e 2 、e 4 可将晶振频率分别2 ，3 ，4 倍频。默认的跳线使晶体频率2 倍频( 最 小倍频) 后作为c p u 频率，所以p m a c 2 一p c 的默认c p u 频率为4 0 m h z 。 连接d s p 芯片和电机驱动器之间的电路被做成“门阵列特定用途集成电路” ( d s p g a t ea s i c ) ，这种特定用途集成电路有两种。一种是伺服专用集成电路， 也叫d s p g a t e i ，另一种是输入输出专用集成电路，也叫d s p g a t e 2 。一块伺服 专用集成电路包括4 个通道的伺服接口和时钟发生电路，其中包括控制信号输出， 编码器解码计数，回零，正负限位输入信号，驱动器使能，驱动器报警输入以及 p w m ，a d 转化，d a 转化等时钟信号电路。一块输入输出专用集成电路包括通 用数字i o 电路( 3 2 通用数字i o ，多路拨码开关i o ，和显示口输出i o 共5 6 个) 2 个附加通道的伺服接口和时钟发生电路。 一块标准配置的p m a c 2 一p c 卡包括一块d s p g a t e l 和一块d s p g a t e 2 ，所以 只能最多控制4 个电机。为了实现同时8 个轴的控制，必须具有两块d s p g a t e i 。 一块p m a c 2 p c 最多只可以连接2 块d s p g a t e l ，实现8 轴控制。 p m a c 2 型卡运动控制器输出特性： ( 1 ) 模拟量+ 1 0 v 速度指令( 需附件a c c s e ) ( 2 ) 模拟量+ 1 0 v 扭矩指令( 需附件a c c 8 e ) ( 3 ) 正弦模拟量+ 1 0 v 相电流指令( 需附件a c c 8 e ) ( 4 ) 直接数字脉宽调制( p w m ) 指令( 需附件a c c 8 f 或a c c 8 k ) ( 5 ) 脉冲方向指令( 需附件a c c 8 s ) p m a c 2 型卡运动控制器速度和分辨率特性 f 1 ) 4 0 m h z 编码器计数频率 东北大学硕士论文第二章p m a c 多轴运动控制器介绍 ( 2 ) 1 8 b i t 模拟量输出 ( 3 ) 每轴5 4g s 伺服更新频率( 2 0 m h z ) ( 4 11 2 0 m h z 脉宽调制时钟频率 ( 5 ) 最大1 0 m h z 脉冲方向指令 2 2p m a c 主要功能 p m a c 卡的主要功能为运动控制，软件p l c 和数据采集。 2 2 1 运动控制 p m a c 集成了c n c 的许多功能，举例如下： ( 1 1 空间直线插补 ( 2 ) 指定平面内的圆弧插补指定平面可以是x y z 空间的任意平面。 ( 3 ) 两类三次样条插补均匀非有理三次样条和不均匀非有理三次样条。 ( 4 ) 可直接控制轨迹图形的位置速度时间( p v t ) 模式用户可以指 定在运动的每一段的末端的位置，速度和运动时间。这使得对轨迹要求很高的控 制也很容易实现。 ( 5 ) 刀具半径补偿可以是x y z 空间的任意平面。 f 6 ) s 曲线加速控制 ( 7 ) 直线混合运动 ( 8 ) 循环运动缓冲区允许在程序执行期间对程序行进行下载，并覆盖已经被 执行的程序行。这就能够连续执行比p m a c 的存储空间大的程序，并且实时下载 程序行。 ( 9 ) 电子齿轮从动轴的输入信号来自主动轴的位薰编码器的输出，可以软件 设置主动轴和从动轴的速度比。 ( io ) 电子凸轮用输入信号的频率来控制运动和程序的执行速度。 ( 1 1 ) 时基触发这种技术允许电机与触发器捕获的主轴位置保持良好的同 步。 ( 1 2 ) 位置捕获这一功能可以在一个外部事件进入一个特殊的寄存器时锁住 当前的编码器位置，数控机床的回零程序使用这一功能可以达到非常高的回零精 东北大学硕士论文 第二章p m a c 多轴运动控制器介绍 度。 f 1 3 1 位置比较这一功能可以在位置编码器计数器达到一个指定位置时，改 变一个外部信号。可以利用这一功能使系统处于某实际位置时发出一个事件。 ( 1 4 1 一维或二维的丝杠补偿 f 1 5 ) 间隙补偿当要求的速度方向反转时，p m a c 将一个预先设置的间隙值 加入位置控制里。间隙可以是常数间隙，也可以是位置的函数。 f 1 6 ) 力矩补偿提供一个力矩作为位置函数的修正表 ( 1 7 ) 开放的伺服算法用户可以自己使用m o t o r o l a5 6 0 0 0 汇编语言代码编写伺 服算法，转化成机器代码后保存在p m a c 内存中使用。 2 2 2 软件p l c 除了可顺序和同步执行的运动程序以外，p m a c 还提供了6 4 个非同步执行的 p l c 程序( 3 2 个已编译p l c 0 3 1 程序和3 2 个未编译p l c c 0 。3 1 程序，已编译的 p l c 执行速度更快) ，它们以很快的速度执行很多与硬件可编程逻辑控制器相同的 功能，所以被称为p l c 程序。p l c 0 和p l c c 0 默认每3 个实时中断周期( 8 轴卡 实时中断周期为4 4 2 微妙) ，也就是大约l _ 3 毫秒执行一次。执行时间由p l c 程序 的长度决定，但是用户必须保证其执行时间小于次实时中断周期，也就是说程 序不能太长。否则，它们的熏复执行将占用后台时间，并有可能触发看门狗计时 器。 在后台，p m a c 对每一个后台解释的( 未编译的) p l c 程序的扫描之间，会对 所有激活的编译p l c c 程序进行一遍扫描，这意味着后台编译的p l c c 程序将比 后台解释的( 未编译的p l c 程序以更高的扫描速率执行。例如：如果有1 0 个后台 解释的p l c 程序，那么对其进行一遍扫描时，每个后台编译的p l c c 程序已经被 扫描1 0 遍了。 p l c 程序实质是一个无限循环的程序，它将不停地执行直到命令它停止。但如 果程序中有一个为真的w h i l e 条件时就不是这样了，在这种情况下，该程序将执 行到e n d w h i l e 语句并退出这个p l c 程序。当执行完所有其它的p l c 程序后， 它将在w h i l e 条件语句处再次进入这个p l c 程序，而不是在开始处。只要条件 为真，该过程将重复进行下去。当w h i l e 条件为假时，p l c 程序将跳到e n d w h i l e 后面部分的语句，继续执行余下的p l c 程序。 东北大学硕士论文 第二章p m a c 多轴运动控制器介绍 2 2 3 数据采集功能 p m a c 内置的数据采集功能可以实时地采集任何地址信息，最大可以同时有 2 4 个地址信息按照设定的周期被采集，采集到的数据可以保存在p m a c 内存罩也 可以保存在d p i 墩m 里。由于p m a c 把i o 空间都如同内存地址一样对待，所以 可以采集内部寄存器的数据，也可以采集i o 连接的外部数据。 当使用内存缓冲区存储数据时，在未使用的缓冲区里划分出指定数目的长字 空间作为数据采集缓冲区，剩下的内存留作其它缓冲区用。在该缓冲区被删除前， 新的运动程序或p l c 程序不能被输入到p m a c 中。 2 3p m a c 计算优先级分析 作为一个多任务，实时性的计算机系统，p m a c 必须保证重要的任务在需要 的时间内首先完成，而且要保证其它的任务也能在合适的时间内完成。为此，p m a c 为每一类任务安排了优先级顺序表。 f 1 ) 字符输入输出 通过串行口( 或通过总线) 从主机向p m a c 发送单字符，或从p m a c 向主机 发送单字符的指令具有最高的优先级。这类任务速度可达到2 0 0 纳秒字符。 f 2 ) 换向更新 换向更新大约需要2 微秒，大约占整个计算周期的3 。 ( 3 ) 伺服更新 伺服更新指令计算出各个轴的指令位置，读取当前的实际位置，求出两者之差， 这一任务具有第三个优先级。p m a c 2 p c 每个轴计算指令位置与实际位置之差大 约需要3 0 微秒，处理类似编码器反馈转换等其他伺服运算还需3 0 微秒时间。8 个 轴的伺服更新周期大约为4 4 2 微秒( 2 2 6 k h z ) 。伺服更新周期大约占总的计算时 间的7 。 ( 4 ) 实时中断任务 实时中断任务具有第四优先级。这类任务在伺服更新之后以一定周期立即发 生，它的周期可以用参数设定，默认为3 个伺服更新周期。有两个重要的任务属 于这一优先级：p l c 0 和运动程序预计算任务。 p l c 0 已经在前面的2 2 2 加以说明。运动程序预计算由当前程序行向下到下 东北走学硕士论文 第二章p m a c 多轴运动控制器介绍 一个运动指令或遇到d w e l l 指令结束，把这段运动程序的计算结果作为下一段 运动指令。一个程序执行之前，先进行第一次运算，即所谓第一段运动。在每次 执行一段运动时，p m a c 设置个标志，应该进行下一段运动的计算，在下个 实时中断开始时，进行计算。 r 5 ) v m e 邮箱中断处理程序 v m e 邮箱通讯是p m a c 与v m e 总线从属设备通讯的方式，p m a c 有1 6 个8 位的邮箱寄存器。其中断处理程序具有第5 优先级。 ( 6 ) 后台任务 在c p u 没有被更高级别的任务占用时，就会处理后台任务。后台任务主要有 3 大类：在线主机指令响应，p l c l 3 1 ，系统管理类任务。具体有以下几种： p l c l 3 1 p l c i 3 1 在后台执行时不受同等级的任何中断的干扰，一直到执行完或者遇到 e n d w h i l e 为止( 可以被更高级别的中断中止) 。在两个p l c 程序之间，p m a c 会执行主机命令响应程序，或者是系统管理程序。 p l c c l 0 1 p l c c l 3 l 与p l c i 3 1 类似，不同的是在一次扫描执行时是所有被激活p l c c 程序按标号顺序从小到大一次执行完。上电或复位后，p l c c 程序在第一个p l c 执行完后执行一遍。 主机命令响应程序 p m a c 接受主机命令，当接收到一个控制字符时，必须对命令进行响应，比 如接收到回车后把前面未处理的字符当作一个命令行，丌始执行。 系统管理 在每两个p l c 运行中间，p m a c 会进行一次系统维护，保证p m a c 可以三常 工作。比如：位置超行程报警，随动误差过大报警，警报输入，看门狗报警等等。 通常p m a c 具有足够快的速度和计算能力处理普通的控制问题，但是编程时 处理不当会造成某优先级的程序过长，使看门狗触发。所以在遇到类似状况时， 应该对p l c o ( p l c c o ) ，编码器转换表，实时中断周期进行评估。考虑p l c 0 的任 务是否可以由p l c c l 完成，是否可以增加实时中断周期。把一个很长的p l c 程序 分为几个短的p l c 程序可以留给系统管理程序更多的时间，不至于触发看门狗。 经过分析可知，p m a c 的软件结构是典型的前后台结构，可以用图2 2 来描述。 东北走学硕士论文 第二章p m a c 多轴运动控制器介绍 背景程序 2 4p m a c 软件介绍 中断程序 ( 如果有) 图2 2 p m a c 软件结构 f i g 2 2p m a cs o f t w a r es t r u c t u r e 优 先 级 p m a c 2 p c 可以存储2 5 6 个运动程序，任意坐标系在任何时候可以执行这些 程序中的任意一个，即使另外坐标系正在执行同样的程序。p m a c 能够同时执行 和该卡上定义的坐标系的数目( 最多为8 ) 一样多的运动程序，一个运动程序能够 将任何一个别的运动程序调用作子程序。调用时可带变量，也可不带变量。 p m a c 运动语言类似高级计算机语言如c 语言。为了处理机床语言g 代码， p m a c 将o n n 指令作为调用子程序来对待。这样的处理，使得用g 代码编写的运 动程序在p m a c 上完全兼容。p m a c 允许机床语言设计者使用p m a c 编程语言编 写与每一个g 代码对应的代码段，自己编写的代码段可以扩展或增强g 代码的功 能，使用更加灵活。p m a c 同样兼容m ，s ，t 和d 代码，其处理方式与处理0 代 码相似。 2 。4 1p c o m m 3 2p r o 灸绍 p c o m m 3 2 p r o 是一个包含4 0 0 多个函数的w i n d o w s 应用程序与p m a c 通 信的工具软件。它可以在w i n d o w s 9 8 m e 2 0 0 0 x p 上运行，使用多种高级语言 开发，如：m i c r o s o f tv i s u a l c c + + ，m i c r o s o f tv i s u a lb a s i c ，b o r l a n d d e l p h i ，b o r l a n dc + + b u i l d e r 等。 东北大学硕士论文 第二章p m a c 多轴运动控制器介绍 p c o m m 3 2 p r o 有以下几个文件集组成 ( 1 ) p c o m m 3 2 d l l 3 2 b i t 的动态连接库文件 f 2 ) p m a c x s y s ( 其中x = i s a ， s e r ，p c i ，e t ho ru s b ，u s b la n du s b t ) w i n d o w s 各种操作系统内核驱动文件 ( 3 ) p m a c x i n f ( 其中x = i s a ，s e r ，p c i o ru s b ) w i n d o w s 安装信息文件 ( 4 ) p m a c s e v e v e r e x e 运行在后台为所有