（材料加工工程专业论文）基于windows+nt通用快速成形控制系统研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 l 快速成形技术是机械、c a d 、c n c 、材料、激光、电子等多种技术和学科的 综合，是2 1 世纪的先进制造技术。控制技术是快速成形技术重要的组成部分。 快速成形系统的控制性能直接影响了快速成形的速度、精度和系统可靠性“ 本文以l o m 快速成形设备为依托，对快速成形控制系统进行了深入的分析 和研究，首先对现有快速成形技术领域中的各种控制系统的硬件结构和软件平 台、编程方式作了分析比较，从控制系统实时性、可靠性、开放性的角度出发， 提出了一套基于w i n d o w sn t 的、由工业p c 和通用控制板卡组成的通用快速成 形控制系统，然后熟悉和掌握了各种控制板卡的功能、使用方法、驱动方式，设 计了几个面向功能的设备类，接着设计了具有可装配性、可重用性的m a g i c 数控 系统，该系统具有并发执行和同步机制，包含了命令解释器等可装配组件。为了 实现控制软件与应用程序之间很好的通讯，设计基于多线程编程的控制软件和应 用程序接口，该接口负责把应用程序生成的命令和参数转换成统一标准数据格 式，并且异步地发送给控制软件。最后进行了全部的软件和硬件调试工作，通过 不断地运行和测试系统，发现问题，解决问题，不断她完善系统功能和提高稳定 性。 该控制系统具有高度的设备无关性和应用无关性，目前应用于两种l o m 快 速成形设备，控制效果良好。 关键词：快速成形，设备驱动程序，m a g i c 数控系统，同步，命令解释器 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t r p ( r a p i dp r o t o t y p i n g ) t e c h n o l o g yi sas y n t h e s e st h a tc o n s i s t so fm e c h a n i c s ，c a d ， c n c ，m a t e r i a l ，l a s e r ，e l e c t r o n i c st e c h n o l o g i e s ，a n di sa k i n do fa d v a n c e d m a n u f a c t u r i n g t e c h n o l o g yf o rc e n t u r y2 1 c o n t r o lt e c h n o l o g yp l a y sa ni n c r e a s i n g l yi m p o r t a n tp a r ti n r p , a n di t w i l ld i r e c t l yd e t e r m i n es p e e d ，p r e c i s i o n ，a n ds y s t e mr e l i a b i l i t yo fr p t h i s p a p e r s i n t r o d u c e st h ec h a r a c t e r i s t i c so fr pc o n t r o l s y s t e mt h r o u g hl o m ( 1 a m i n a t e d o b j e c tm a n u f a c v a x i n g ) r p d e v i c e f i r s t l y , b yc o m p a r i n gs e v e r a l k i n d so fh a r d w a r es t r u c t u r e ，s o f t w a r e p l a t f o r m ， p r o g r a m m i n g m o d e a p p l i e di nr p c o n t r o ls y s t e m ，a n dc o n s i d e r i n gr e a lt i m e ，r e l i a b i l i t y , o p e n i n g ，t h ep a p e r sh a sp u tf o r w a r da s e to fb a s e d - o n w i n d o w sn t g e n e r a l p u r p o s e d r pc o n t r o ls y s t e mw h i c h c o m p r i s e si n d u s t r yp c a n daf e wc o n t r o lc a r d s s e c o n d l y , b yl e a r n i n g a n dm a s t e r i n g f e a t u r e s ，u s a g e s ，a n dd r i v i n gm o d e sf o r c o n t r o lc a r d s ，as e r i e so ff u n c t i o n o r i e n t e dd e v i c ec l a s s e sh a v eb e e nd e s i g n e d t o r e a l i z et h em e c h a n i s mo fs y n c h r o n i z a t i o na n ds u b s e q u e n te x e c u t i o n ，n e wc o n t r o l s y s t e mh a sd e v e l o p e d a na s s e m b l e d ，r e u s e dn c s y s t e m ，n a m e dm a g i c ，w h i c hi n c l u d e s m a n y k i n d so ff l e x i b l ec o m p o n e n ts u c ha sc o m m a n d i n t e r p r e t e r s u b s e q u e n t l y , t h ei n t e r f a c eb e t w e e na p p l i c a t i o na n dc o n t r o l s o f t w a r eh a sb e e n c o m p l e t e d ，w h i c hi sb a s eo nm u l t i t h r e a d sp r o g r a m m i n g ，a n di t t a k er e s p o n s i b i l i t yt o t r a n s f e rt h ec o m m a n d sa n dr e l a t e dp a r a m e t e r sf r o mt h ea p p l i c a t i o nt oc o n t r o ls o f t w a r e a f t e rt r a n s f o r m i n gt h e mt os t a n d a r d - f o r m a r e dd a t a a tl a s t , t h ed e b u g g i n gp r o c e s sh a sb e e nu n d e r g o n e ，a n dt h ep r o c e s si n c l u d e s c o n t i n u o u ss t e p so fm n n i n gs y s t e m ，f i n d i n go u tp r o b l e m ，a n ds o l v i n gp r o b l e m a l l o v e r t h ed e b u g g i n gs t e p sa r ei n t e n d e dt op e r f e c ts y s t e mf e a t u r e sa n di m p r o v et h er e l i a b i l i t y o fc o n t r o ls y s t e m t h ec o n t r o ls y s t e mi n t r o d u c e da b o v eh a v eh i g hn o n r e l e v a n ts t r a i tw i md e v i c ea n d a p p l i c a t i o n ，a n dc u r r e n t l yh a sb e e na p p l i e d t ot w o t y p e so f r pd e v i c e s k e yw o r d s ：r a p i dp r o t o t y p i n g ，d e v i c ed r i v e r ，m a g i c n cc o n t r o l s y s t e m ， s y n c h r o n i z a t i o n ，c o m m a n di n t e r p r e t e r l i 华中科技大学硕士学位论文 1绪论 本章首先概述课题的来源；然后介绍快速成形技术的国内外发展与研究现 状：接着提出研究本课题的必要性和重要性：最后就课题的主要内容作了介绍。 1 1 课题概述 1 1 1 课题来源 华中科技大学( 原华中理工大学) 于1 9 9 1 年开始对快速成形技术进行研究，是 我国最早开展该技术研究的单位之一。自1 9 9 3 年大力研究快速成形技术( r p r a p i dp r o t o t y p i n g ) q b 的分层物体制造技术( l o m - - l a m i n a t e do b j e c tm a n u f a c t u r i n g 、 以来，先后得到湖北省科委、武汉市科委、国家教委、国家自然科学基金等机构 的资助，于1 9 9 5 年开发成功l o m 样机。1 9 9 8 年又获国家8 6 3 计划项目、国家 2 1 1 工程项目、科技型中小企业技术创新基金等资助。 本课题“基于w i n d o w sn t 的通用快速成形控制系统研究与开发”得到科技 型中小企业技术创新基金的资助。 1 1 2 课题的提出 目前的快速成形设备，按控制系统体系结构分主要有以下三类：完全基于 d o s 的快速成形系统、基于主从控制的开放式c n c 快速成形系统和基于上下位 机控制的快速成形系统。第一种系统虽然硬件结构简单，但是由于d o s 是基于 字符的操作系统，因而该系统用户操作界面不友好。第二种系统由于从控制器通 常采用单片机，因而其控制精度、可靠性均受到限制，如果从控制器采用专用的 运动控制器，则硬件成本相对较高。第三种系统虽然克服了上述两类缺点，但是 由于该系统采用了两台计算机，硬件结构比较复杂，系统安装、调试比较费时多， 而且设备成本也相对较高。基于对上述几类系统的分析和比较，提出了“基于 华中科技大学硕士学位论文 w i n d o w sn t 的通用快速成形控制系统的研究与开发”这一课题。 1 2 快速成形技术重要性 先进制造技术【l 】是当代信息技术、综合自动化技术、现代企业管理技术和制 造技术的有机结合：是传统制造技术不断吸收机械、电子、信息、材料、能源及 现代管理技术的成果，将其综合应用于生产制造过程，实现优质、高效、低耗、 清洁、灵活生产，并获得理想技术经济效果的制造技术总称。 快速成形技术是先进制造技术，它在缩短新产品开发周期和减少新产品开发 风险【2 】，提高竞争力方面，快速成形技术有着不可替代的作用。在新产品的设计 周期方面，快速成形技术将其缩短为传统周期的1 2 1 5 3 1 。在新产品开发风险 方面，快速成形技术将其减少到传统风险的1 1 0 1 2 0 。与传统产品开发方法相 比，快速成形技术具有很大的优势。在模具制造中，通过把快速成形和c a e 进 行集成，可以把一些联系紧密的功能系统化。 1 3 国内外快速成形技术发展、现状及预测 1 9 8 6 年，ch a r1eshul l 开发了世界上第一套快速原型装置，第二年 第一代商业化快速原型制造系统在3 dsy stems 公司问世。此后的1 0 年 间，快速原型制造技术的研究和开发工作开展得如火如茶【4 】。 美国、日本和欧洲是快速成形发展最快的三个地区，纷纷出现了许多研究快 速成形技术的研究机构和生产快速成形设备的公司 4 1 。如日本的s o n y 公司、三 井造船等，美国的3 ds y s t e m 公司，欧洲的i n s t a n t c a m 和n o r s l a 工程。 r p 研究在我国起步于1 9 9 1 年，目前北京隆源快速成型公司，华中科技大学、 清华大学、西安交大、南京航天航空大学在r p 的软、硬件及材料方面的研究力 量较强，成果突出，均有各自的商品化系统。隆源快速成型公司研制出配备有几 种三维数字化仪的选择性激光烧结系统( s l s ) 。西安交通科技大学开发了基于 s l a 原理的r p m 系统。华中科技大学研制出h r p 和h r p s 型快速成形系统。南 2 华中科技大学硕士学位论文 京航空航天大学在选择性激光烧结、浙江大学在光敏树脂成型方面都做了大量的 工作。 快速成型设备现在基本上属于高科技产品，因此售价比较高。国外产品便宜 的卖十几万美元，贵的达到了四、五十万美元。国内的产品售价也在五十万人民 币以上。过高的价格限制了快速成型产品的推广，因此如何既降低设备的成本和 售价又保证设备的基本性能成为快速成型研究行业面临的最大难题。今后快速成 型行业将会走产品简单化、集成化、经济化、大众化的道路。在应用方面，将快 速成形技术与快速制模结合起来是今后快速成形应用的一个重要趋势【6 】。 1 4 目前数控系统特点分析 1 4 1 数控系统结构分类 数控系统包含了机械、电力、电子、控制和软件工程多门学科，目前数控系 统主要有5 种结构【7 】： 1 ) 专用结构 这种结构以f a n u c 和s i e m e n s 两大公司为代表。这种结 构的优点是系统整合较好，具有较高可靠性，缺点是开放性和扩展性不好： 2 ) p c 嵌入c n c 系统f a n u c l 6 0 、s i e m e n s 8 4 0 是这种结构数控系统 的典型，这种系统开放性有所提高，但硬件成本也相对增加。 3 ) c n c 专用模板嵌入p c这种系统由c n c 完成基本数控功能，由p c 机 完成过程控制、模式控制等高级控制功能，增强了整个数控系统的功能。典型的 代表是p c 加美国d e l t a t a u 公司的p m a c 。 4 ) 通用接1 3 板+ p c 这种结构硬件比较简单，控制比较灵活，开放性较好， 其代表是有华中i 型等。 5 ) 软件c n c 系统 这种系统的最大特点就是用软件代替硬件，完成大部 分控制功能，设置包括一些专门的控制信号产生也有软件来模拟完成，这种系统 的硬件只包括一些最基本的i o 模块。 数控系统的实现方式多种多样，最重要是能实现模块化、通用化、标准化。 3 华中科技大学硕士学位论文 1 4 2 开放式数控系统特点分析【3 l 开放式数控系统具有体系结构开放化、软硬件模块化且模块可重用的特点， 各个控制模块之间即独立又相互协调，模块之间采用统、公开的标准协议进行 通讯。3 。其目地是大幅度降低系统研制和制造费用，提高用户设备和资源利用率 以及数控产品市场竞争力，满足现代制造业的发展需要。 1 ) 硬件的开放性 硬件的开放性主要表现为硬件的模块化和通用性，具有相同功能的硬件之间 可以互换，不影响软件的结构，随着系统功能的增减，硬件结构可以任意扩展和 缩减。 2 ) 软件的开发性 软件的开放性主要体现在软件的应用和设备无关性，软件系统可以一种到不 同的硬件平台和应用环境，不同开发商之间的软件可以简单地柔和在起，实现 功能的综合，同时所有软件模块均是面向功能的，可以任意重构。 0 n c 从一个全新的角度分析和实现了数控系统的控制功能，强调向模块化、 工具化和标准化发展”。 1 5w i n d o w sn t 操作系统特点分析 w i n d o w sn t 是m i c r o s o f t 公司开发的真3 2 位的操作系统，其最大的特点就是 稳定性和安全性好，而且还支持多线程编程，因此用它作为控制系统的开发平台 是非常合适的，其体系结构如图1 1 。w i n d o w sn t 环境下的程序有两种运行模式 “，用户模式和内核模式。运行于内核模式的程序受处理器的保护，安全性高。 同时，由于受硬件特权检查机制的限制，只有内核模式的程序才能直接访问硬件 资源。一些重要的程序，如k e r n e l 组件，g d i ，u s e r 以及设备驱动程序等运行于 内核，普通的用户应用程序运行于三环，即用户模式，这样，用户的应用程序无 法破坏系统资源，保证了系统的安全性。用户模式的环境子系统包含了p o s i x 子 系统、w i n 3 2 子系统、0 s 2 子系统，它向用户展示了操作系统服务。通过子系统 动态连接库用户应用程序可以调用操作系统服务。w i n d o w sn t 采用了w i n 3 2 内存 4 华中科技大学硕士学位论文 内存管理机制，该机制规定，每个进程都拥有一块4 g b 的独立虚拟内存空间， 进程的内容放在下面的2 g b 中，且无法访问上面的2 g b 的空间，上面的2 g b 空 间用于存放系统的d l l 、驱动程序、w i n d o w sn t 内核等内容，这样进程之间不 会相互干扰，也不会去破坏系统空间的内容。与w i n d o w s 9 5 相比，w i n d o w sn t 的内存管理大大提高了系统的安全性。w i n d o w sn t 的人机界面也很友好，操作 十分方便，同时它还拥有强大的w i n 3 2 a p i ，为用户编程提供了很大的方便。 核心模式 臣务器进程环境子系统用户应用程序 之多之多之多 子系统动态连接库 执行服务组 1 6 课置的意义 内核( k e r n e l ) ll 设备驱动程序 h a l ( 硬件抽象层) 硬件平台 图1 - 1w i n d o w sn t 体系结构图 网 剧 设计和开发一套基于w i n d o w sn t 的通用快速成控制形系统具有重大的意 义。所谓“通用”是指系统具有一定的可重用性，即同一个控制系统能够在多个 硬件平台上得到应用，同时系统具备一定的开放性1 3 】。作为快速成形设备，它必 须满足制件精度和速度的要求。只有在较短的时间内加工完成精度较高的零件， 5 华中科技大学硕士学位论文 才能使用户在较低的投资下开发出新产品，也才能使快速成形技术得到广泛应 用。同时必须不断地降低快速成形设备的成本，使之在经济上被广大客户接受， 从而使快速成形设备得到普及。我们的通用形快速成形系统正是朝着上述目标而 进行设计的。从硬件考虑，采用一台工业控制p c 机，再加上几块控制板卡，大 大简化系统的硬件结构，从而降低开发成本，增强产品竞争力。从软件考虑， w i n d o w sn t 是一个功能强大且稳定性、实时性都相当高的系统，从而保证了开 发出来的系统具备相当高的工作速度和切割精度，也为用户提供了一个简单、友 好的操作界面。该系统设计目标的一个重要方面就是通用性和灵活性，当系统功 能或硬件配置发生改变，只要对系统软件或硬件稍加修改或扩展，便可以满足新 的要求。该控制系统能适合不同类型的快速成形设备，甚至能在其它c n c 设备 中得到应用。基于w i n d o w s n t 的通用快速成形控制系统将是一个稳定性好、功 能强大、操作方便、具备高度开放性和可重用性的系统。它将为快速成形技术的 迸一步推广作出重要贡献。 1 7 课题研究的主要内容 本课题从现有l o m ( l o m i n a t e do b j e c tm a n u f a c t u r i n g ) 快速成形设备的控制 特点入手，分析、比较了它们各自的优缺点，并立足加工精度、成形速度、设备 复杂度几个基本点，设计和开发了一套基于w i n d o w sn t 、由一台工控机完成所 有功能的通用快速成形控制系统。其中包括硬件如板卡、电机等的选择和配置， 软件体系结构、功能等方面的设计和开发及后期的系统调试和优化。其中m a g i c 数控系统的设计是本课题研究过程中的重点，主要有并发执行和同步两个核心机 制以及可装配的各种外围部件。本课题同时对w i n d o w sn t 的体系结构及其实时 性特点、n t 下设备驱动程序的开发、运动控制卡和输入输出卡控制卡的工作特 点和控制方法、步进和交流伺服电机的驱动方式等方面均作了一定的研究和应用 实践。 6 华中科技大学硕士学位论文 2快速成形设备控制系统分析 本章首先概括了目前快速成形设备控制体系基本结构；然后对几种典型控制 方案进行了分析和比较，得出它们各自的优缺点。 2 1 概述【1 4 i 快速成形技术是计算机辅助设计及制造技术、逆向工程技术、分层制造技术、 材料增加成形技术的集成。通俗地说，快速成形技术就是利用三维c a d 模型的 数据，通过快速成形机，先切片，然后一层一层地将材料堆积成实体原形。图 2 i 表示了该技术系统的工作流程【4 】。 图2 1 快速成型系统工作流程 传统的成形方法是用刀具将硬质材料的多余部分去除，快速成形技术使用激 光切割成形材料或烧结成形材料。其具有如下加工特点：对控制系统无切削力的 扰动，激光半径小、切缝窄、切边光滑，切割速度快且空行程和加工行程可以同 样高速运行，热影响区小，切割头对工件无直接机械应力。一套好的快速成形控 制系统必须具备以下特点： 1 ) 控制系统必须在机械结构能够承受的条件下提供足够的运行速度； 2 ) 激光能量随切割速度实时调整，系统包含激光能量调整装置； 3 ) 实时获取物体高度，并以此高度进行切片，获取下一层的切割轮廓曲线； 7 华中科技大学硕士学位论文 4 ) 控制系统必须具备光、机、电一体化，并具备各种故障诊断和部分修复 功能； 5 ) 满足一个或多个序列的多轴联动； 6 ) 具有各种相关辅助功能，以配合轮廓切割运行。 一套完整快速成形系统的基本功能如图2 2 所示。 数据发送 三维6 嘤反求工h 切片、数据处理系统 罡 数控系统 状态反馈 茎l i 萋 薹l 萋 翼 l 蓁 粪 霎 蓁 l 羹 萎 l 蒸 雠 l jl 图2 - 2快速成形系统功能图 1 ) c a d 或反求：由三维造型软件( p r o e 、u g 、d e l c a m 等) 设计出产品的三 维实体模型，或通过反求工程获得待制零件的三维模型，并将它们转换为由三角 形面片逼近的表面模型( s t l 文件) ，供快速成形软件使用。 2 ) 切片、数据处理：s t l 文件格式是美国3 ds y s t e m 公司最先提出的一种 模型数据表示格式，现已成为r p 技术领域中c a d 软件与快速成形机之间的标 准接口。切片软件首先读入零件的s t l 文件，然后根据给定的切片高度，用平 面与模型相交，并记录相交曲线轮廓，将轮廓线的数据进行相关处理后，发送给 下层数控系统。对于其它一些辅助功能，则直接生成数据，并作相应处理后发送 给数控系统。 3 ) 数控系统；该部分直接与各种外部硬件打交道，向硬件发送各种命令以 及从外部采集各种系统状态信息，供上层软件使用。在这里完成的控制功能主要 有连续制造、单层制造、制造基底、回零、调试。一些辅助动作，也有该部分来 控制完成。 根据硬件配置的不同，数据处理系统和数控系统之间的通讯方式也不同，可 8 华中科技大学硕士学位论文 分为硬通讯和软通讯。对于主从控制或上下位机控制系统，采用硬通讯，其具体 途径有串行通讯、并行通讯、网络通讯和双端r a m 通讯。对于单机控制系统， 则采用软通讯，主要用f i f o 等缓冲区进行通讯。在未来，随着网络技术的发展 和网络传输速度的提升，快速成形技术中将会引入远程监控和远程制造技术，到 时将采用光纤进行数据传递。 2 2 几种典型的快速成形控制系统体系结构 快速成形系统的控制结构基本可分为三类： 1 ) 上下位机控制结构 控制系统采用了两级分布式控制结构。第一级为上位机，由一台商用p c 机 组成，运行于w i n d o w s 操作系统。第二级为下位机，由一台工业控制计算机组 成，运行于d o s 操作系统。上位机负责数据切片等处理，下位机负责数控【1 5 】， 通信方式有网络通讯和串口通讯两种方式。硬件组成框图如图2 3 所示。 嶂卜七竺坐碍：主一外黼拥 工业控 制计算机 产lj3eje r i d 、 1 6 路 伺服运动控制板步进运动控制板 d a 转 换 开关 量输 入输 出 图2 - 3 上下位机控制系统硬件框图 在图2 3 中，商用p c 机向用户提供了一个非常友好的操作界面，用户能够 方便地进行参数设置，模型变换，并且视觉效果相当好。下位机具有很强的实时 响应能力，再加上一些通用控制模板负责外部设备驱动信号的产生，因此整体控 制效果良好。上下位机之间传输的数据可以分为命令状态数据和轮廓数据。命令 状态数据量小，实时性要求不强，因此可以通过串口进行传输，简单而方便，并 且是双向传输。轮廓数据量大，实时性要求较高，中间不能有传输停顿，因此采 用网络传输方式，保证了传输速度。其数控部分与上一小节介绍的第四种数控系 9 华中科技大学硕士学位论文 统结构相类似。图2 3 所示硬件体系结构具有以下的特点： ( 1 ) 开放式结构。上位机和下位机并没有被限制在一起，它们之间只是通 过一定的通讯协议进行数据传递，以此在保证共同遵守同一协议的条件下，上位 机和下位机都能从硬件和软件上进行对立的扩展，实现功能增加和性能改进。 ( 2 ) 重构性和扩展性好。 由于开放式数控系统采用模块化结构，可根据功 能的需要重新进行硬件配置，具有相当的柔性度。同时具有让多个应用程序在该 数控平台上得到支持的能力。 ( 3 ) 可实现远程制造。由于网络技术的利用，使得远程控制成为可能。比 如在如图所示系统中，上位机与下位机的距离可以很大，上位机位于环境优雅的 办公室，下位机位于生产现场。甚至可由工作站或远程设计的产品可以通过网络 传给上位机，进行制造。 这种硬件体系结构及实现方法基本能够满足快速成型技术的加工要求，是一 个成功的系统。其不足之处： ( 1 ) 上位机运行于与w i n d o w s 操作系统，下位机运行于d o s 操作系统，异 种操作系统间数据传送的可靠性和及时性比在一个操作系统下差； ( 2 ) 上位机与下位机之间是通过网络加串行通讯的形式进行通讯的，在硬 件上增加了硬件的数量，需要两个网卡，占用上下位机各自的一个串行口，增加 系统的不稳定因素：另外，网络在数据的传送速度方面还不是很高； ( 3 ) 硬件成本较高，限制了其产品的推广。 上下位机控制结构在华中科技大学快速成形中心的h r p i i i 快速成形设备上 得到很好地应用。 2 ) 主从控制结构 主从控制是指p c 机和c n c 专用模板进行分级控制，p c 机是主控制器，负 责数据的处理和控制管理，c n c 专用模板是从控制器，负责具体数控。主从控 制器之间的通讯通常有几种模式：总线、并口、双向r a m 。这种控制结构与上 面介绍的第三种数控系统结构相似。其特点是： ( 1 ) 结构简单，硬件性能可靠： ( 2 ) 用户操作界面友好： 1 0 华中科技大学硕士学位论文 ( 3 ) 编程不灵活，无法采用第三方控制算法： ( 4 ) 有一定的开放性。 这种控制系统的典型应用是华中科技大学快速成形中心开发的无模成形快 速成形机。 3 ) 单机控制系统 单机控制系统是目前硬件结构最简单的一种控制系统，一台工业p c 和几块 通用控制卡，便构成一个完成、紧凑的控制系统。一个c p u 完成所有的数据处 理和数控功能。目前该类控制系统在华中科技大学快速成形中心的两种设备上得 到应用： a h r p s h i 快速成形系统 该系统是典型的单机控制，其硬件包括一台工业p c 和若干运动控制卡、数 模模数转换卡和数字量输入输出卡。软件运行在w i l l 9 ) 【平台，数控软件采用v x d 编程方式。该系统硬件配置简单，且硬件工作性能稳定；控制软件由于运行在 w i n 9 x 平台上，其实时性不是很强，但是应用程序用户操作界面友好。 b ，h r p 1 i 快速成形系统 该系统最大的特点就是硬件的软件化。硬件结构相当简单，只有一台商用 p c 和一块自制控制卡，控制卡完成时钟定时、i o 、a d f d a 等最基本的b i o s 功 能，通过e p p 并行口与商用p c 机进行通讯；软件比较复杂，工作量比较大，数 控部分软件采用汇编语言完成。由于采用软件发脉冲信号，虽然采用了突发脉冲 方式，但还是占用了较多的c p u 资源，因此该系统运行时，不能对计算机硬盘 进行频繁操作。该系统虽然结构简单，但是存在着功能专一、加工精度不高等缺 陷【1 们。 单机控制系统的硬件开放性较好，软件均比较庞大，因此一个良好的软件结 构对于该类系统是十分重要的。 上述介绍几种控制系统各有优缺点，综合系统结构、控制实时性和稳定性、 用户操作界面等各方面的要求，有必要研制和开发一套结构简单、实时性强、稳 定性好、用户界面良好的新的控制系统。 华中科技大学硕士学位论文 3h r p a 快速成形系统硬件结构 本章首先简单介绍h r p i i i a 快速成形系统控制系统的硬件框架，然后详细 阐述了几个重要模块的功能、原理及特点，最后总体介绍了各个模块之间的联系 和相互作用。 3 1 概述 该系统是华中科技大学快速成形中心最新开发的一套系统，是基于w i i l d o w s n t 的通用快速成形系统，该系统功能强大、结构简单、运行可靠，并且具备了 相当高的成形速度和精度，是目前快速成形领域中十分优秀的套系统。 该系统是以单台工业p c 机为核心，并配以几块工业控制卡，构成了一个简 洁、可靠、灵活、功能强大的控制系统。同时w i n d o w sn t 操作系统强大的系统 功能、完善的安全机制和实时响应能力又使得该系统如鱼得水，增色不少。该系 统目前用于叠层物体制造当中，且效果良好。 整个控制系统从控制量的角度讲，包含了运动控制、a d 和d a 转换、d i o 、 开关量输入输出模块。在运动控制卡、输入输出卡等通用控制板卡的配置时必须 注意，本系统在一开始便提出开放性、可重用性的设计要求，因此各种板卡之间 不能有内在的必然联系，必须保持相对独立性，便于在需要时进行硬件重新配置。 下面将详细介绍控制系统的特点、每种控制卡的功能、工作原理和其在系统中的 实现方式。 3 2 控制系统特点分析 该系统在控制体系上还是采用了单机结构，结构比较简单，其核心是一台工 业控制计算机，为了保证系统的运行效果，c p u 选用p i i i s 0 0 ，内存1 2 8 m 或更 高，计算机运行在w m d o w sn t 环境下。根据外界控制量的需要，配备了专门控 1 2 堕专科技大学；页士学位论文 制模块，其结构如图3 1 昕示， 系统需要控制的对象苜六个轴、激光器、虚够皓感器、如热嚣、? 开关、断 纸洚感器等，涉及到的控制量有运动控制信号、漠拟量信号、：关量信号、敷享 量信号因此芷硬件结构上必须具备以下模块，运动1 言号产生和发送模块、数字 量输，输出馍块、d a 和a i d 转换漠块以及数字量和开关量信号转换模块。这些 嗔头全部通过i s a 总线与工业p c 饥相连，并且由二业p c 机统一管理、调度， 亥系统的x 轴、y 轴和二怍言田亍定应精度和运厅速度方面要求较高，墨此 畏号交流饲强鬯机驱动，其窆切热辊、攻纸、送纸轴均采用步进电机驱动。坚一卜 系统完成如下功能： 工 业p c 总线 司蜀司哥蚕型 图3 - 1 i - i r p i i a 快速成形系统硬件结构图 l 读漠型的s t l 文f 牛，_ = 手由用户对模型进r 亍各种变换同时接受嗣。前 j 勺各种没各运乎参数： 二) 用声发出制造命令舌，讨三维c a d 实法模型进j 亍切净得到每层鲍轮事 1 3 华中科技大孛硕士学位论文 信思； 3 ) 根据轮廓信息计算激光头的扫描路径： 4 ) ：游计算好的数据发送给运动控制板； 5 ) 根据扫描速度实时调整激光能量； 6 ) 执行加热辊、收纸、送纸等辅助动作，并且实现菩个动作之间同步； 7 ) 采集设备各种状态信息，或进行实对处理，或交由用户进行处理： 该系统把所有的控制部件都整合到了一台计算机当中，从数据读入、数据处 理、数据传递和数据执行都在一言计算机中完成，因此它具各如下特点： 1 ) 硬件结构简单，软件兜较竞大； 2 j 由于部分硬件的软绰叱，系统可靠监增强； 3 ) 数据传递快速稳定； 4 ) 系统开放性、可重用性、扩展性好， 5 ) 拥有良好的操作界面和强大功能。 由于该系统是一个全开环系统因此要聚汪每个动咋的执_ 亍糟度就必顽票汪 器件的可靠和减少各种中间环芎的误差。 目前该系统已投入运行，置效果良好。 3 3 运动控制卡介绍 3 3 1 功能简述 系统所嗣运动控制卡是由台湾a d v a n t e c h 公司设汁制造的3 通道高速运 动控制卡，其主要包括如下功能： 1 三个脉冲发生装置； ：两种操作模式：双脉；申谟式和脉冲加方向摸式； 3 球冲频率范圈l 1 6 k p p s ，用户皇虫设置： 4 胃白可编程进行初始速室、运行速度、终止速度帮运行时闻设景 丰且 有自动编程功能； 5 1 6 路r r l 电平兼容的d l o 通道； 华中科技大学硕士学位论文 该卡主要用于精确x y z 位置控制，精确旋转控制和机器人及装配设备等。 3 3 2 原理介绍 运动控制卡的硬件主要分为三块：方向和脉冲信号产生和输出模块、原点和 极限信号输入模块、数字量输入输出模块。其结构如图3 2 f 1 7 】。 1 割地址译码器i e = 脉冲、方 _ _ 。 线 卜瓜：赢卜医吾砷3 p - d 叫耋1 严z ；r 下一 i a c 8 f a ! u l 一 重输 b ut l j i 函数_ 眄品；劢至“ u fa f = 2 ( v 2 2 a ) 时，速度曲线如图5 2 a ： 其中l ，v ，a 分别表示直线长度，最大给进速度，加速度。 2 ) 当l ( 2 ( v ：2 a ) 时，速度盐线如图5 - 2 b ： 。 t l ：( 1 a ) _ t ( s ) 图5 - 2 直线插补速度曲线 图j 一2 a 中，直线长度l 太短，因此当加速过程进行到t 2 位置时，必须开始 减速，以保证加速与减速达到平衡。对于图b ，l 足够长，因此先加速到最大速度 k ，然后时恒速，最后是减速。整个过程加速度a 始终不变，加减速过程保持平 衡。 对于图b ，插补计算程序流程如图5 - 3 。插补计算过程与速度变换过程相当 对应，分成加速、恒速、减速三个过程，从理论上来说三个过程的插补周期数都 卦 华中科技大学硕士学位论文 能预先计算出来，但实际操作中却有一些困难。因为恒速位移时间在大多数情况 下无法被插补周期整除，为了保证恒速过程的完整性，它需要占用一段属于减速 过程的位移，从而破坏了减速的完整性，因此实际处理方法：预先计算好加速和 恒速过程的插补周期数，进入减速过程后，实时判断实际位移与给定位移的差值， 直到差值小于某个微小值，减速停止。 图5 3 插补算法流程 网格切割过程中的激光处理比较复杂，不但要改变激光能量，还要实时控制激光 开关。如第四章所述，激光器也单独拥有一个解释器，因此把激光器当作假想的 轴，像对x 、y 轴一样，对激光器能量进行插补，从而形成x 、y 轴和激光器三 华中科技大学硕士学位论文 者虚拟联动，与基于p m a c 板快速成形系统的激光控制相比，在硬件上非常的 简单。按插补频率进行激光能量改变，可以保证激光能量的精确控制，避免了过 烧和欠烧情况的出现，但是对于激光开关的控制要求，这样的响应频率是不够的。 现在来分析一下具体情况。如图5 - 4 ，l l 是一条网格线它与轮廓椭圆环有两个交 点，在激光头从网格线起点移动到终点期间，从理论来说，必须在p 2 点关激光， 到了p 4 点再开激光。但实际受插补频率的限制，无法满足开关的实时性请求， 所以关激光将会出现在p l 或p 3 点。以4 m s 插补周期t 为例，假如激光头在p 2 点附件的速度v 为3 0 0 m m s ，这样p 1 或p 3 点p 2 的最大误差： e ：黑( 5 - - 1 ) 也。而丽 1 代人t 和v ，得e - - - - 1 2 m m 。 在网格切割时，如果少切一段距离，会导致废料剥离比较困难，如果多切一 段距离，将会破坏零件的完整性，1 2 r a m 长度的误差带来的影响比较大。因此必 须考虑缩小误差，提高插补频率当然可以提高对外界位置的实时响应能力，从而 缩小误差，但是这样会引起其它编程方面的麻烦，因此这种方法不值得提倡。可 以发现，本控制系统的时钟中断频率是1 k ，即每l m s 可以进行一次中断响应， 而解释器的指令几种有等待指令，等待的最小时间是l m s ，因此提出了比例延时 的方法来缩小误差，具体实现：回到图5 4 ，开关点p 2 介于p 1 和p 3 插补点之间， 可由式5 2 算出开关激光的延时时间： 图5 _ 4 网格示意图 f ；垒鱼。丁 b 一只 其中t 为延时时间，t 为插补周期： ( 5 2 ) 华中科技大学硕士学位论文 又因为最小延时时间单位是l m s ，插补周期是4 m s ，所有t 的取值是o ，1 ，2 ，3 ， 4 ( m s ) ，因此采用比例延时方法来控制网格插补时的激光开关，与直接按插补周 期控制相比，其切割精度要提高4 倍，实际应用的效果也比较理想。 华中科技大学硕士学位论文 6总结与展望 快速成形作为一种先进的制造技术，它综合了机械、c a d 、c n c 、材料、激 光、电子等多种现代科学技术，并将它们很好地柔和到一起，以实现快速成形的 最佳效果。从1 9 8 5 年到现在，快速成形技术经历了从概念提出、样机试制到商 品化的发展过程a 随着快速成形系统的不断商品化，人们对快速成形系统的加工 精度、加工速度、稳定性、用户界面提出了越来越高的要求，而作为快速成形系 统的设计者和开发者，必须朝着使快速成形系统具有更高的开放性、通用性、可 重用性的设计目标前进。本课题正是基于上述要求与目标而提出的，它采用一台 工业p c 和若干通用控制卡，构成了一个开放式控制系统，并且在软件设计上， 提出了一个具有核心处理机制的m a g i c 数控系统，保证了控制系统的通用性、扩 展性、可装配性。 6 1 全文总结 本论文中所进行的课题研究得到了科技型中小企业技术创新基金( 基金编 号：9 9 c 2 6 2 1 4 2 1 0 2 9 6 ) 的资助。课题的主要内容是设计一套w i n d o w s n t 环境下， 以单台计算机为控制核心，具有高度稳定性、通用性的快速成形控制系统，主要 工作总结如下： 1 ) 硬件体系结构的设计和实现。 从控制功能要求、可靠性、价格承受度 几方面综合考虑，设计和实现了由一台工业p c 和三块通用控制卡构成的核心硬 件结构； 2 ) w i n d o w sn t 体系结构、实时性研究和设备驱动程序开发研究。 对 w i n d o w sn t 的体系结构作了研究，包括它的用户态和核心态分层结构特点；对 w i n d o w s n t 系统中与实时性相关的机制，包括d p c 机制、优先级驱动抢占调度 机制等，作了深入地了解：对w m d o w s n t 下设备驱动程序的开发方式、加载方 式作了深入细致的研究； 华中科技大学硕士学位论文 3 ) 控制系统软件设计。设计和实现了m a g i c 数控系统，该系统包含了 两个核心机制和多个可装配组件，同时还提供了一个虚拟设备层。该系统具有可 装配性、应用无关性、设备无关性等特点： 4 ) 设计了一套控制软件与应用程序之间的接口。该接口主要为上层应用 程序提供一个接口环境和为上下通讯提供f i f o 缓冲区： 5 ) 硬件特性研究。主要对运动控制卡的功能、内部各寄存器的定义、使 用方式、编程方式作了大量的分析研究，最终达到对该卡的熟练控制。同时还对 伺服电机、步进电机的工作特性、驱动方式、参数设置、电路连线进行了研究和 实践。 6 2 研究展望 快速成形概念自从提出到现在，其技术和商品化都取得了很大的发展，但目 前仍然处于不断完善和发展的阶段，可以考虑如下几方面的工作： 1 ) 快速的市场反应能力。通过因特网与客户进行交互，包括客户模型的 提交、模型的评估、加工时间的估算、报价、定单生成。并且在目前的应用程序 中必须增加模型加工时间评估功能，以便能即使、准确的向客户提供报价： 2 ) 远程监控。在互联网或内部局域网设立一个终端1 4 2 1 ，形成一个与加工 中心相对应的虚拟加工环境，显示目前加工过程中的各种状态，包括机器、环境、 电源等状态，同时具备向加工现场发送一些紧急处理命令的功能，包括断电等； 3 ) 针对目前的m 啦一m a 快速成形设备，可以考虑引人半闭合控制，以提高 各轴的动态响应特性和稳态位置精度； 4 ) 研究建立一个以现场总线【4 3 】m 】为基础的分布式快速成形制造中一i i , 。 5 l 华中科技大学硕士学位论文 致谢 本学位论文是在导师韩明高级工程师的悉心关怀和亲切指导下完成的。韩明 老师为人慈爱，学识广博，不仅有着扎实的理论基础，而且有着丰富的实践经验。 在三年的研究生生涯中，不管在科研上还是生活上，韩明老师都给了学生无微不 至的关怀，她经常关心我的科研进展情况，主动给予我技术上的指导，同时还认 真听取我的各种想法和观点，并且鼓励我大胆地去实践，有了韩老师地指导和鼓 励，使我在科研工作中更加信心十足，克服了一个又一个的技术难题，并最终顺 利完成研究课题