开放式数控系统实验指导书.doc

开放式数控系统实验指导书一、 实验目的1通过本系统使学生了解开放式软数控系统的软硬件构成、特点及软数控功能模块的划分。2通过编制数控加工程序，对数控加工过程进行仿真，加深对数控系统基本原理的理解，了解并体会数控装置内部信息流的处理过程。 二 、实验内容1. 语法检查和译码功能演示。2. 刀具补偿功能演示。3. 加减速处理功能演示。三 、 实验设备开放式软数控系统。四 实验原理-开放式软数控系统介绍1开放始数控系统的特征：国际电气和电子工程师协会IEEE对开放式系统的定义为：An open system provides capabilities that enable properly implemented applications to run on a variety of platforms from multiple vendors,interoperate with other system applications and present a consistent style of interaction with the user.（具有下列特性的系统可称为开放系统：符合系统规范的应用可运行在多个销售商的不同平台上，可与其它系统的应用互操作，并且具有风格统一的用户交互界面。）什么是开放式数控系统？目前尚未形成统一的定义，但一般认为开放式数控系统应该具有下列特征：（1）可互换性（interchangeability）:系统高度模块化，并且这些功能模块具有完全开放的标准接口。不同厂商的功能模块可相互替代，具有互换性。（2）可移植性（portability）:这是指系统的计算平台无关性，源代码要最大限度地兼容多种计算平台。（3）可伸缩性（scalability）:包括两重的含义：一方面是指一种系统可以运行在不同规模的计算平台上，另一方面是指其规模完全是可定制的，集成商可以根据控制对象（机床）的特性、加工条件或用户的要求，增减系统的功能模块或调节系统参数，实现控制目标。（4）互操作性(interoperability)：主要包括系统内部标准部件之间的互操作性，不同系统之间的互操作性，系统和外部应用之间的互操作性。这不仅要求系统的各个功能部件具有开放的数据接口，而且要求系统的实现要完全遵循支持数据交换的软件规范，如面向网络、面向对象等。（5）可扩展性 (expandability):可由用户或集成商扩展部分部件的功能，使系统具有增强的性能表现。 要实现数控系统的开放性，必须将其进行功能分解，形成独立的、可完成不同功能的模块，并且对各模块进行标准接口制定，使各模块之间仅通过标准接口通讯，协同完成数控功能。2软数控系统与其它非软数控系统的区别：数控系统是由软件和硬件共同组成的，在非软数控系统中，数控系统的运动控制功能是由专用NC或内嵌于PC机扩展槽的专用CNC卡来完成，如图1（a、b）所示；而在软数控系统中，其CNC功能完全由运行在PC机CPU上的软件(称为SoftCNC)来完成，图1如图1（c）所示。 由软件来实现系统的主要功能部件，这种实现形式的变革使得系统可以可方便、更广泛地应用计算机技术的先进成果，简化系统实现难度，缩短研发周期，有助于技术创新，有望大幅度提升数控系统的控制性能；而且软件化实现也大大增强了系统的可伸缩性和可调节性，促使系统实现完全开放成为可能。 3本开放式软数控系统的硬件构成：包括工业PC机、SoftSERCANS通讯卡、交流数字伺服驱动器、带SERCOS接口的I/O模块、电机、。 由于本系统的CNC部分完全由软件模块实现，而且SoftCNC与伺服装置之间采用SERCOS通讯协议。 一方面，SERCOS协议是目前唯一称为国际标准的数字伺服通讯协议，符合SERCOS标准的伺服驱动器和I/O模块产品的生产厂家众多，用户可以进行选择和配置，以满足控制轴数、控制方式等要求。另一方面，SERCOS协议采用光纤通讯，传输速度高达16Mbaud，且具有极高的抗电图2 开放式软数控系统硬件组成气干扰能力；它属于串口传输，与传统数控的并口传输相比，布线少，大大降低了安装和维修费用。因此就硬件而言，整个系统构成非常简洁，且具有互操作性、可伸缩性等开放特征。3本开放式软数控系统的硬件构成：包括工业PC机、SoftSERCANS通讯卡、交流数字伺服驱动器、带SERCOS接口的I/O模块、电机。 由于本系统的CNC部分完全由软件模块实现，而且SoftCNC与伺服装置之间采用SERCOS通讯协议。 一方面，SERCOS协议是目前唯一称为国际标准的数字伺服通讯协议，符合SERCOS标准的伺服驱动器和I/O模块产品的生产厂家众多，用户可以进行选择和配置，以满足控制轴数、控制方式等要求。另一方面，SERCOS协议采用光纤通讯，传输速度高达16Mbaud，且具有极高的抗电气干扰能力；它属于串口传输，与传统数控的并口传输相比，布线少，大大降低了安装和维修费用。因此就硬件而言，整个系统构成非常简洁，且具有互操作性、可伸缩性等开放特征。4系统软件平台：采用WindowsNT和美国Venturcom公司的RTX(Real-Time Extension)作为系统的软件平台。WindowsNT在工业领域应用广泛，稳定性好，开发支持工具众多，易于开发图形用户接口；另外，数控系统所要求的实时性由RTX来保证。它是内置于Windows的实时操作系统，可以认为是Windows的一个实时子系统，对原硬件抽象层HAL进行了实时扩展。该实时硬件抽象扩展层隔离了RTX和Windows之间的中断，RTX线程运行时Windows的中断被屏蔽，但Windows不能屏蔽RTX管理的中断。在单CPU的情况下，所有RTX线程的优先级高于所有Windows线程优先级（包括Windows管理的中断和延迟过程调用DPCs）。RTX可以保证任意线程的最差响应时间为50S。可见，实时扩展的本质就是将Windows 当作一个受实时内核调度管理的任务，其优先级最低。它不影响Windows的原有功能，而增强了其实时性能。图3 WindowsNT与RTX协同工作 5SoftCNC介绍：为了实现系统的开放性，根据数控系统的工作原理，将其划分成多个模块，利用Visual C+为开发工具开发软件模块，构成模块库,主要包括人机接口HMI模块、译码模块、刀具补偿模块、加减速处理模块、插补模块，软PLC模块等。其中人机接口HMI模块、译码模块、刀具补偿模块属于数控系统中的非实时部分，这些任务并不要求很强的实时性，使用Windows的定时器就可以满足要求，因此利用COM技术将这些模块编制成为在Windows环境下运行的COM组件。数控系统中另一部分实时任务是指加减速处理模块、插补模块，软PLC模块等。这些强实时性任务必须在RTX环境下完成，才能保证其实时性要求，但是RTX并不支持COM技术，而另外提供了与Win32 DLL功能类似的RTDLL，它可以在RTX环境下动态地加载或卸载。这些完成实时任务的模块以RTDLL的形式构成RTDLL库。如图4所示，COM模块库和 RTDLL模块库建立完成并注册后，用户可以编写系统配置文件来进行定制，当系统启动后，根据配置文件的内容从模块库中动态加载所需模块。下面介绍各模块的功能，图5所示为系统内部信息处理过程。图4 系统配置过程示意图下面对各模块功能加以介绍： 人机接口模块：可完成数控加工程序的输入、编辑，实时数据的显示、加工仿真等任务。加工程序的输入方式包括磁盘输入、光盘输入、手动键盘输入、通讯接口输入、通过网卡输入等方式。 译码模块：将输入的数控加工程序按一定的规则翻译成CNC装置中计算机能识别的数据形式，并按约定的格式存放译码结果。在译码过程中还要完成对程序段的语法检查等工作，一旦发现错误，立即报警显示出来。 刀具补偿模块：由于CNC系统通过控制刀架的参考点实现加工轨迹，但实际上切削时实使用刀尖或刀刃边缘完成，这样就需要在刀架参考点与刀具切削点之间进行位置偏置，从而使数控系统的控制对象由刀架参考点变换到刀尖或刀刃边缘。这种变换过程就称之为刀具补偿。刀具补偿模块包括刀具长度补偿和刀具半径补偿。 加减速处理模块：为了保证机床在启动动或停止时不产生冲击、失步、超程或震荡，必须对进给速度进行加减速处理。 插补模块：是通过插补计算程序在一条曲线的已知起点和终点之间进行“数据点的密化工作”，插补程序在每个插补周期运行一次，在每个插补周期内，根据指令进给速度计算出一个微小的直线数据段，并将给微小数据段的各个坐标轴分量（如x，y，z）输出到各个轴上。 软PLC模块：也由软件实现，该模块接收来自数控加工程序和操作面板的开关命令、机床反馈等离散数字信号，经过逻辑计算，其结果输出给I/O模块，控制机床开关设备的动作。图5 系统内部信息流6SERCOS通讯与伺服系统在本实验装置中，SoftCNC与伺服系统之间采用数字接口-SERCOS进行数据通讯。由安装在PC机扩展槽内的SERCOS通讯卡、带SERCOS接口的交流数字伺服驱动器、带SERCOS接口的I/O模块通过光纤连接构成SERCOS光纤环。在光纤环内，通过伺服参数、电机参数的设定，实现命令值、实际值、诊断报警信号、PLC输入输出口状态等信息的实时传送；而且可以在光纤环内安装带SERCOS接口的I/O模块，从而在同一光纤环内完成SoftPLC和I/O系统之间的通讯，使整个系统的结构变得更为简单，见图2和图5。 采用SERCOS技术，传输速率达4Mbit/s、8Mbit/s、16Mbit/s，伺服周期可设定为0.062、0.125、0.25、0.5、165ms，支持位置、速度、扭矩三种控制模式，而且这些控制环节位置灵活，可全部指定在伺服控制器内完成，数控装置将位置命令由SERCOS输出，通过SERCOS光线环串行传输给伺服装置，伺服装置也通过SERCOS接口接收位置命令，由伺服装置完成全部调节。五 实验步骤（一）译码模块实验：1. 启动“开放式软数控实验系统”，点击菜单“数控程序”“输入”“手动方式”，出现程序编辑窗口，通过键盘输入下面铣削加工程序。如图所示工件，进行周边精铣加工，且加工程序启动时刀具在参考点位置，参考点位置如图所示，选择30立铣刀，并以零件的中心孔作为定位孔，加工时的走刀路线如图1-6所示，其加工程序如下：N0010 G92 X450.0 Y250.0 Z300.0N0020 G00 G90 X175.0 Y120.0N0030 Z-5.0 M03N0040 G01 G42 H10 X150.0 F80N0050 X70.0N0060 G02 X30.0 R25.0 N0070 G01 Y140.0N0080 G03 X-30.0 R30.0N0090 G01 Y120.0N0100 G02 X-80.0 R25.0N0110 G01 X-150.0N0120 Y0N0130 X80.0N0140 X150.0 Y40.0N0150 Y125.0N0160 G00 G40 X175.0 Y120.0 M05N0170 G91 G28 X0 Y0 Z0图1-6 数控铣削加工编程实例N0180 M302.点击菜单“数控程序” “译码”，观察译码结果，若出现语法错误提示，改正错误，直至完全正确，记录译码