开放式数控系统主轴控制设计说明书

- 1 -1 前言1.1 设计的目的和意义数控机床的技术水平高低及其在金属切削加工机床产量和总拥有量的百分比, 是衡量一个国家工业制造整体水平的重要标志之一 1。本设计以数控立铣床为例，数控铣床是数控机床的主要品种之一,在各种数控机床中占有非常重要的位置,数十年来一直受到世界各国的重视,并得到了迅速的发展和广泛的应用。其中主轴运动是数控铣床的一个重要内容，研究主轴控制对于提高机床的加工效率, 扩大加工材料的范围, 和提升加工质量都有着很重要的作用和意义。对于开放式数控系统主轴控制设计的研究，可以大大简化主轴传动的机械结构，可以方便地对主轴进行正反转控制，实现在一个很宽的速度范围内进行无极调速，它用工业控制计算机（IPC）机作为软件平台，可以充分利用已经发展成熟的计算机丰富的软件和硬件资以及最前沿的科技发展成果，因此本设计研究的课题具有非常广泛的应用前景。1.2 国内外研究现状开放式数控系统是发达国家在 20 世纪 90 年代开始竞相发展的新型的控制器。1987 年，美国空军在政府资助下首先开展了 NGC 新一代控制器项目的研究，获得了成功，建立了开放式系统体系结构标准规范。1994 年，美国克莱勒斯、福特、通用三大汽车公司也联合研究了“开放式、模块化体系结构控制器（OMAC） ”项目，目标是降低控制系统的投资成本和维护费用，缩短产品开发周期，提高机床利用率，提供软硬件的“即插即用”和高效的控制器重构机制，简化新技术到原有系统的集成，从而使系统易于更新换代，尽快跟上新技术的发展，并适应需求的变化。1990 年由欧盟国家的 22 家控制器机床生产商、机床开发商、控制系统集成商和科研机构联合，开展了 OSACA（Open System Architecture for Controls within Automation System）计划的研制，建立了“分层的系统平台+结构化的功能单元”的体系结构和基于信息通信平台的软件结构。日本由丰田机器厂、东芝机器公司和 MAZAK 公司三家机床制造商和其他公司共同组建了 OSEC 计划，目的是建立一个国际性的工厂自动化控制设备标准，提出了一个开发系统结构 2。我国在 90 年代中期已开始了具有自主知识产权和一定开放特性的数控系统的研究，代表产品有华中 I 型、中华 I 型、航天 I 型、蓝天 I 型 3。国内的开放控制系统各有优点，且经过近几年的攻关，有了较大的提高。但从数控系统的发展趋势看，它们与国外的相比仍有一定的差距，仍有许多需要完善之处 4。它们都是利用“IPC- 2 -机+数控卡”构成的硬件平台，是我国具有自主版权的开放式数控系统，具有非常重要的意义。1.3 设计的内容本毕业设计是设计开发一种基于开放式数控系统的数控机床主轴控制。它采用NC 嵌入 PC 型开放式数控系统，利用可编程控制器 PLC 和变频器来实现主轴的正反转，和无级调速。以 IPC 机作为系统平台 ,能够充分利用计算机的软、硬件资源和最新发展成果, 具有开放式、模块化、可嵌入、可扩展的特点, 是开放式数控系统应用前景最为广泛的一种发展方向。- 3 -2 总体设计方案设计2.1 基于 IPC 的开放式数控系统开放式数控系统是目前在数控机床上应用的比较多的数控系统，是当今数控系统发展的主流方向。开放式数控系统是上世纪 90 年代发展至今的第六代数控系统。它采用工业控制计算机 IPC 作为系统平台，IPC 丰富的软件资源和开发工具为数控软件的开发提供了方便，缩短了研制周期，降低了开发成本，具有开放式、可扩展、小型化、模块化、可嵌入、智能化的特点, 是开放式数控系统应用前景最为广泛的一种发展方向。按照 IEEE 对于开放式数控系统的定义，开放式数控系统应具有这样的能力：经过恰当实现的应用程序能够在不同厂商的多个平台上运行，能够与其它系统的应用程序互操作，并且能够提供一致性的人机交互界面 5。基于 PC 的开放式数控系统大致可分为三类： PC 嵌入型 CNC，NC 嵌入 PC 型和全软件型 NC。（1）PC 嵌入型 CNC 型 该系统将 PC 嵌入到 CNC 内，PC 和 CNC 通过专用总线连接，系统数据的传输速度快，响应迅速。同时，原来的 NC 系统可以直接利用。缺点是无法直接利用 PC机强大的功能和众多的软硬件资源，尽管它们也有一定的开放性，但由于主体部分仍然是传统的数控系统，因此用户无法介入数控系统的核心，这类系统结构复杂、功能一般，价格比较昂贵。（2）NC 嵌入 PC 型 该类型系统是在通用 PC 的扩展槽中插入专用的 CNC 卡组成的。它能够充分地保证系统性能,软件的通用性强,并且编程处理灵活,但是,原型 CNC 资源很难得到利用 6。它可以使用户介入数控系统核心，能够使用 PC 丰富的软件资源，可以充分地保证系统性能。是当前主流的开放式数控系统。目前国际上对于这种体系结构的研究最具有代表性的组织是 OSE(open system Environment)7。（3）全软件型 NC 这种结构的特点是 CNC 的全部或大部分功能由 PC 完成而且通过安装在 PC 扩展槽中的驱动接口卡来控制伺服驱动器。实时操作系统或者操作系统的延长实时功能在 PC 中被应用，我们通过 PC 完成数控系统中所有的实时和非实时任务，比如：编译，解释，插补和 PLC8。目前国际上对于这种体系结构的研究还处于起步阶段。本设计采用目前主流研究方向的 NC 嵌入 PC 型开放式数控系统。 PC 机作为软件的开发平台，人们可以利用 PC 丰富的软件资源，自由地开发控制软件，编程非- 4 -常灵活。插在 PC 槽中的运动控制卡控制主轴运动。利用可编程控制器 PLC 和变频器来实现主轴的正反转和无级调速。2.2 主轴的作用和控制原理主轴是数控机床中最为关键的部件之一。主轴为主切削运动提供动力，它不仅要在高速旋转的情况下承载切削时传递的主轴电动机的动力，而且还要保持非常高的精度。本设计以数控铣床为例，它的主轴运动是数控铣的一个重要内容。一定程度上来说，数控机床主轴及其控制系统的性能在某种意义上决定了机床的性能及其档次，因此，在数控机床的发展进程中都引起了高度的重视。主轴变频控制的基本原理由异步电机可知, 主轴电机的转速公式为：)1(60spfn（2.1）其中：p 电动机的极对数；s 转差率；f 供电电源的频率； n 电动机的转速从上式可看出,电机转速与频率近似成正比，连续地改变供电频率即可以实现电机转速的平滑调节。而对于变频器而言，其连续可调的频率范围是很宽的，可在 0H z 到 400H z(甚至更高频率 )之间任意调节。与此可见主轴电机转速即可在较宽的范围内调节。2.3PLC 与变频器可编程控制器( PLC )是 20 世纪 60 年代发展起来的一种新型自动化控制装置, 因为有其特有的优点, 目前已广泛应用于各种工业设备 9。可编程控制器（PLC）是为了取代传统的继电器-接触器控制系统而产生的工业控制装置 10。它是数控系统与数控机床间的接口，主要处理机床各种开关量的控制，PLC 是基于 IPC，主要用于工业控制领域的开关量逻辑控制、顺序控制、定时器控制、技术控制、模拟量控制和闭环过程控制等，PLC 可靠性高抗干扰能力强，适用于恶劣的控制现场，可以充分地利用 IPC 的硬件和软件资源。在本次设计方案中主要用 PLC 控制主轴的正反转，无极转速等。变频器是利用电力半导体的通断作用将工频电源变换成另一频率的电能控制装置，其功能是将电网电压提供的恒压、恒频的交流电转换成变频变压交流电 11。从结构上看，变频器分为交-交和交-直-交两种形式。交-交变频器可将工频交流直接变换成频率、电压均可调的交流，它又称为直接式变频器。目前普遍采用的是交-直-交变频器，它是由整流器、逆变器、中间直流环节和控制电路构成的,它将电网中恒压恒频的三相或单相交流电变成可任意控制的变频变压的三相交流电,将这样的三- 5 -相交流电通入伺服电机，就可以实现电机的转速控制了。2.4 主轴驱动系统和传动结构数控机床的主轴驱动系统也叫主传动系统，是完成主运动的动力装置部分 12。为了满足数控机床主轴驱动的要求，最初都是采用直流主轴驱动系统，但由于直流电机的换向限制，大多数系统的恒功率调速范围都非常小，80 年代以来,随着微处理器技术和电力电子器件的发展，交流驱动系统的技术日益成熟。由于交流电机在制造上比直流电机容易获得高转速及大容量，噪音低及价钱便宜。而且驱动的性能完全可以达到直流驱动的水平。因此目前在数控机床上主轴几乎都采用了交流主轴控制系统。对于主轴传动一般有两种结构“主轴电机+带轮+同步带+主轴”和主轴电机通过刀具夹具与刀具直接相连。考虑到本次设计的立铣床主要用来铣削小件，功率较低，故采用第二种结构。主轴伺服电机上安装有增量式编码器，主轴旋转时，编码器检测发出的检测脉冲信号反馈回 PLC 输入模块构成闭环系统，数控系统对检测信号进行处理后传给伺服控制器来控制伺服电机运动，控制精度很高。- 6 -3 机械部分计算3.1 机械部分的组成和作用本毕业设计以实验室立铣床为例，立铣床的主轴部分主要包括 Z 轴的进给系统和主轴电机。所包括的机械部件主要有主轴伺服电机、进给伺服电机、丝杠螺母副、直线导轨及相应的联轴器和轴承。3.2 机械部分的计算与选型（1）主轴电机和变频器的选择用高速钢立铣刀铣削的切削力计算ZadCFptfec86.072.86.0（3.1）工件材料:碳钢、青铜、铝合金、可锻铸铁等参照相关手册各参数数值如下系数 :68FC:铣削接触弧深，此处 =7mmeaea:每齿进给量， =0.1mm/齿f f:铣刀直径， 取 8mmtdtd:铣削深度， =0.5 =4mmpapatZ 齿数，取 4=495N (3.2)ZadCFptfec86.072.86.0 481.076.07286. - 7 -选择主轴电机额定转速为 3000r/min，66.7r/s=1.256(m/s) (3.3)10ndVoc07.68Pc=FcVc=495*1.256=621.72w (3.4)工作功率包括两部分，主运动消耗的功率 Pc 和进给运动消耗的功率 Pf。由于一般进给功率 Pf 相对于 Pc 很小（Pc/=621.72/0.8=777.15w (3.5)考虑到强力切削和加工材料的不均匀性，以及电机和主轴功率特性匹配等因素，主轴电机应该有一定的储备，为此参考相应厂家产品说明书，选用森创伺服电机，型号 90C13120C-001011,额定功率 1200W，额定转速 3000r/min。目前变频器的技术已经发展的非常成熟，市场产品种类繁多，典型产品为德国西门子 MICRO MASTER 系列变频器、安川 Varispeed 系列变频器和日本三菱 FR 系列变频器。西门子公司变频器,对电源电压规定的很严格，而日本产通用变频器的额定电压往往是 200V、220V 或 400V、440V 共用，变频器的输入电源电压常允许在一定范围内变动，比较适合在工厂电压波动大的场合使用 13。最后决定使用性价比高的安川变频器。变频器容量计算(3.6)cosNnkP(3.7)CI:电动机额定负载时的效率，通常 =0.85cos:电动机额定负载时的功率因数，通常 cos=0.75k:电流波形的修正系数，取 k=1.1PCN:变频器的额定容量（KvA）- 8 -ICN:变频器的额定电流（A）=2.07 (3.8)cosNnkP75.0821=5.401A (3.9)CI94.根据以上参数参考安川厂家说明书，选用高性能、3 电平控制电流矢量控制变频器 VS-G7，型号 CIMR-G7A 22P2，最大使用电机功率为 2.2KW，变频器容量4.6KVA，额定电流 12A。(2)丝杠螺母副及轴承的选用的选择W 电机 =4.5kgW 平台 =6kg（粗略估计）VMAX=3000mm/minFV=0.8FC=0.8*495=396N计算进给率引力 MF=499N (3.10)2WV2平 台电 机V28.96.54396计算最大动载荷 C(3.11)OSLVn10Vs:最大切削力条件下的进给速度，可取最高进给速度的,为 1.5m/minLo 丝杠导程，初选 Lo=5mm=300r/min (3.12)OSLVn105.10(3.13)6Tn- 9 -T:使用寿命，对于数控机床 T 取 15000h=270 (3.14)610nL61053(3.15)MWFfC3fW:运转系数，查相关手册后取 1.5=4837.8 (3.16)MWFfLC3495.12703计算最大静负载 Co(3.17)CfsOfS:静态安全系数，一般运转时取 2=9675.6 (3.18)CfsO8.437根据最大静负载和最大动载荷选用 W1L2505 外循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杠副，1 列 2.5 圈，其额定动负载为 9700N，精度等级选为 3 级传动效率=0.956 (3.19)(tg)1039(tg轴承的选用参照 GB/T 2921994，选用角接触球轴承型号为 7004C,深沟球轴承型号为6004。(3)伺服电机选择移动方向：垂直直线丝杠直径：25mm丝杠长度：550mm- 10 -导程：5mm减速比：1快速进给速度：3000mm/min参照实验室现有立铣床,查阅三菱伺服电机产品说明书,选用额定转速 3000r/min的 HF-SNJ-S100 系列（中功率中惯量）伺服电机。待选型号为 HF-SN52(B)J-S100, HF-SN102(B)J-S100, HF-SN152(B)J-S100。下面分别从负载惯量计算、短时间特性和连续特性选择伺服电机。1 负载惯量计算Z 轴负载惯量分为旋转负载和直线移动负载直线移动负载=0.07kg cm2 (3.20)2)0(SWJT2)05(.1旋转负载惯量=1.65 kg cm2 (3.21)324DLpJR325.108.74Z 轴负载惯量：J L=JT+JR =0.07+1.65=1.72 kg cm2根据以上计算，参考三菱电机手册3 种电机型号的电机惯量（带电磁制动器）表 3.1 负载惯量判定电机型号 电机惯量（kgcm2） 负载惯量（kgcm2 ） 负载惯量倍率 判定SN52 8.3 1.72 0.21 SN102 14 1.72 0.12 SN152 20 1.72 0.09 2 短时间特性（加减速时间常数）计算加减速时间常数，判断目标在 100ms 之内(3.22)8.0(59)FUMAXLa TNJt - 11 -JM 表示伺服电机惯量（带电磁制动器） ；T MAX 表示伺服电机最大扭矩，两者都可由三菱电机手册查出TU 非平衡扭矩，根据移动物体的质量计算(3.23)3102sgWTU：驱动系统效率,取为 1；g 重力加速度；W 负载质量=0.08(NM) (3.24) 302sTU 14.302589TF:摩擦扭矩，根据移动物体的质量和摩擦系数计算(3.24)3102sgWTF 为摩擦系数，取 0.02=0.002（Nm） (3.25)3102sgTF 14.302589.分别求出三种型号伺服电机的加减速时间常数如下SN52：ta =37.2(ms) (3.26)02.816.70(5.9)238SN102：ta =29.0(ms) (3.27).4(.)SN152：ta =26.6(ms) (3.28)02.85.210(.95)7表 3.2 短时间特性比较- 12 -电机型号 最大扭矩 TMAX (Nm)电机惯量（带制动）JM（kgcm2）加减速时间常数ta/ms 判定SN52 7.16 8.3 37.2 SN102 14.3 14 29.0 SN152 21.5 20 26.6 3 连续特性（工作状态载荷扭矩）正常情况下，工作状态载荷扭矩 Trms 不能超过电机额定转矩的 80%即 TSt80%T rms 可以利用负载扭矩 TL 和最大负载惯量比 D 计算 Trms(3.29)21LrmsTL 为非平衡扭矩和摩擦扭矩之和=0.08+0.002=0.082(Nm) (3.30)FULT分别计算三个电机的工作状态载荷扭矩如下表 3.3 连续特性判定电机型号工作状态载荷扭矩/(Nm) 额定扭矩/(Nm)额定扭矩80%/(Nm) 判定SN52 0.038 2.39 1.912 SN102 0.028 4.77 3.8 SN152 0.025 7.16 5.728 SN52: =0.038(Nm) (3.31)21DTLrms21.08.SN102: =0.028(Nm) (3.32)rsSN152: =0.025(Nm) (3.33)21Lrms 219.因为 Z 轴是上下运动的，它要承受工作台本身的重量，与 X、Y 轴相比应该选用功率大一点的电机。因此，根据以上做出的判断结果，参照三菱电机手册和实验- 13 -室立铣床，决定选用 HF-SN102(B)J-S100（2000r/min）型伺服电机，对应的伺服驱动器的型号为 MR-E-100A/AG-KH003。为了防止主轴电机因重力作用产生位移，故选用带制动功能的伺服电机更为稳妥。(4)联轴器的选择1.类型选择参照同类机床，选用弹性套柱销联轴器2 载荷计算 公称转矩： =4775(Nmm) (3.34)nPT6105.92015.96Tca=Ka*T (3.35)Ka 工作情况系数，查表后取 1.5Tca=Ka*T =1.5*4775=7162.5W (3.36)3.型号选择根据 Tca，从 GB 43232002 中查得，选用弹性套柱销联轴器为 LT4。5.直线导轨的选用参照实验室立铣床，选用 HIWIN 牌直线导轨，型号为 HGW25CA，法兰型，滑轨是上锁式螺栓孔，预压型为轻预压。- 14 -4 主轴控制系统的硬件设计 4.1 数控系统硬件结构数控系统硬件结构按 CPU 的数量分为单处理器系统和多处理器系统两种。（1）单处理器系统此系统由 CPU、存储器、输入和输出接口三个系统和连接它们的总线组成。系统只有一个 CPU，用来完成整个系统的控制，分时处理插补运算、伺服控制等任务。其结构简单、性价比高，但系统的性能会明显受到 CPU 性能的影响，不易保证实时性能。（2）多处理器系统它由多个处理器通过连接线组成。数控系统的功能由所有的处理器共同完成，每个处理器可以只完成一部分功能或通过连接线与其他处理器协调工作，共同完成机床控制。由于是多个处理器共同工作，系统的运算控制能力获得了极大的增强，可以适应高速度，高精度的加工，完成以前难以完成的任务。而且由于是多个处理器协调工作，相应的对每个处理器的性能要求就会降低，因此可以由多个低性能的处理器构成一个高性能的处理器系统。不过由于硬件结构的相对复杂，成本会有所提升，在软件设计中还要考虑到处理器之间的通信和协调工作，复杂性大大增加。对于开放式数控系统，如果要采用多处理器系统，有两种方式可以实现。（1）多 IPC 的分布式结构由数台 IPC 机组成，每个 IPC 机拥有相对独立的操作系统，它们通过通讯网络- 15 -连接在一起，共同协调完成对数控机床的控制。（2）单 IPC 机主从分布式结构此系统由 IPC 机与基于系统总线的智能运动控制卡组成，每个运动控制卡都带有自己独立的 CPU。加工控制过程中所需要的实时任务，如伺服控制、插补计算等，由专门的运动控制卡完成，IPC 机只用来完成整个系统的前端管理任务。这种系统结构简单、实现容易，随着运动控制卡性能的提升，受到了越来越多的重视。本课题采用了 NC 嵌入 PC 型开放式数控系统， IPC 机的 CPU 与运动控制卡中的微处理器 DSP 芯片构成了单 PC 机主从分布式结构的数控系统。数控系统主要由IPC 机、运动控制器、变频器、PLC 、具有增量式编码器的伺服电机、驱动器等组成。硬件结构如下图所示。图 4.1 主轴控制系统硬件结构4.2 IPC 机1.本数控系统采用 IPC 机作为硬件平台具有如下优点。（1）能满足数控系统任务的要求 近年来，微处理器的技术发展迅速，计算机的计算速度越来越快，已经由以前的单核处理器向双核甚至四核等更高级的方向发展。计算机计算速度的急速提升，使基于 IPC 的数控系统成为现实。（2）更大的灵活性 传统的数控系统其大部分功能是靠硬件来实现完成的。数控系统一旦做好，硬- 16 -件几乎就无法再更改，所以系统的功能无法随着生产要求而更新，缺点暴露无遗。基于 PC 的数控系统，大部分功能的实现依靠的是软件，而软件模块化更新比较容易，这样既提高了系统的灵活性，又降低了系统的生产成本，体现了开放式数控系统的开放性特征。2.IPC 机的选型IPC 机选用研华工控机，型号为 IPC-610MB。处理器为 Intel 奔腾双核 E5300（ 2.6G） ，内存 1G，主板有丰富的 PCI 插槽，支持“即插即用”功能，可随时增加标准的硬件模块。4.3 运动控制卡1.运动控制卡的工作原理运动控制卡是 NC 嵌入 PC 型开放式数控系统硬件的核心之一。它一般是基于PC 的总线结构，采用 DSP 作为处理器，能够实现高速的数据处理能力，采用计算机插卡的结构。人们根据加工要求编写相应的数控程序并输入 PC 机，PC 接收程序后通过主机通讯接口，把相应的程序指令发送给运动控制卡。运动控制器接收这些应用程序指令，根据当前执行机构的状态把其转换成控制指令，通过驱动器去控制相应的执行机构。运动控制器完成实时轨迹规划、位置闭环伺服控制、主机命令处理和控制器IO 管理。运动控制器通过编码器接口，获得运动位置反馈信息，通过四路模拟电压输出(或脉冲输出)接口控制伺服电机实现主机要求的运动。2.运动控制卡的选择本主轴控制系统选用固高公司型号为 GT-400-SV 的高性能伺服运动控制器，主要参数如下：其核心是由 ADSP2181 数字信号处理器和 FPGA 组成的，使用 32 位(二进制)有效数字计算，能实现高精度的轨迹控制。提供基于坐标系编程的连续轨迹控制方式，可实现空间直线，圆弧插补运动和面向各控制轴实现点位运动控制，具有可编程 S 曲线、梯形曲线、速度控制和电子齿轮运动控制方式。提供 4KB 的程序缓冲区，实现运动轨迹预处理，以获得高质量的运动控制，并降低主机通讯实时性的要求。标准的 PCI 总线，控制卡直接插于 PC 机的 PCI 总线上。标准的 RS232 串行通讯和 PC104 通讯接口，与仁机通讯。四路(每轴一路)四倍频增量光电编码器反馈信号接口，输入信号频率最高可达 8MHz。可以同步控制 l-4 个运动轴。运动控制器提供 C 语言函数库实现复杂的控制功能，用户能够将这些控制函- 17 -数与自己控制系统所需的数据处理、界面显示、用户接口等应用程序模块集成在一起 13。5 主轴控制系统的软件结构5.1 数控系统软件结构的特点数控系统是多任务的实时控制系统，它把数控系统的所有功能分解成多个功能模块去执行。它的特点是多任务和实时性，采用的软件技术为多任务并行处理和多重实时中断处理。(1)多任务并行处理数控加工时，CNC 装置要完成许多任务。数控加工要求在绝大多数情况下数控系统必须同时执行数控系统的多个功能模块，并行处理技术就是用于实现这一功能的。并行处理是指软件系统在同一时刻或同一时间间隔内完成两个或两个以上任务处理的方法。采用并行处理技术的目的是提高 CNC 装置资源的利用率和系统的处理速度 14。(2)多重实时中断处理由于数控系统的实时性和多任务，由此决定了它是一个含有多重中断的系统，硬件来完成中断管理，系统的中断结构则决定了它的软件结构。数控系统的各项实时任务被安排成不同优先级别的中断服务程序或在同一个中断程序中按优先级高低而顺序执行。5.2 数控系统软件结构的类型数控系统分为两种软件结构，一种是中断型结构，另一种是前后台型结构。(1)中断型结构- 18 -中断型结构的系统软件除初始化程序之外，将 CNC 的各种功能模块分别安排在不同级别的中断服务程序中，然后由中断管理系统（由软件和硬件组成）对各级中断服务程序实施调度管理。也就是说，所有功能子程序均安排成级别不同的中断程序，整个软件就是一个大的中断系统，其管理功能通过各级中断程序之间的相互通信来解决。各中断服务程序的优先级别与其作用和执行时间密切相关。级别高的中断程序可以打断级别低的中断程序。(2)前后台型结构在前后台型结构的数控装置中，整个系统分为两大部分，即前台程序和后台程序。前台程序是一个实时中断服务程序，几乎承担了全部的实时功能（如插补、位置控制、机床相关逻辑和监控等） ，实现与机床动作直接相关的功能。后台程序是一个循环执行程序，一些实时性要求不高的功能，如输入译码、数据处理等插补准备工作和管理程序等均由后台程序承担，后台程序又称背景程序。在后台程序循环运行的过程中，前台的实时中断程序不停地定时插入，二者密切配合，共同完成数控的全部功能。5.3 软件平台操作系统的选择常用的操作系统主要如以下几种：（1）DOS 系统（2）RT-Linux（3）Windows 系列在很多低级的控制系统和数控系统上至今还有使用 DOS 系统的，但由于它开发界面简陋操作复杂、不支持图形软件、使用不方便，因此 DOS 已经被淘汰。近年来，安装 Linux 系统的电脑也被用来作为数控系统软件的操作系统 15。RT-Linux 是Linux 的一个重要的应用，运行过程中只有两个进程，实时进程和标准的 Linux 操作系统。RT-Linux 既可以保证实时进程的时间特性，同时也可以为标准的多任务Linux 提供服务。但是对大型设计软件的支持和通用性就稍为逊色，并且用于该系统开发可视化数控平台的编程软件有限。Windows 系列是至今最好的操作系统，应用非常广泛，软硬件资源非常丰富。Windows95/98/ME 特点为操作简单实用，有很强的用户友好特性，系统开启和关闭速度很快，大部分端口可以用汇编直接读写，但是不够丰富，有时一个应用程序就能够导致整个系统的崩溃，单处理器内核，系统性能有限。Windows2000/xp 稳定性高，能避免运行编得不好的应用程序后所导致的系统崩溃;内存管理特性，提供丰富的功能，效率很高;是非常出色的操作系统，有着非常出色的安全性，可靠性，稳定性以及良好的人机界面，成为工业控制计算机首选的操作系统。所以，我选择 Windows xp 作为开发平台。由于 Wnidows 是非实时操作系统，其内核是分时内核，要作为数控系统实时多- 19 -任务系统的软件平台，无法满足数控系统的高实时性的需求。因此，若要基于Windows 平台开发数控系统软件，必须要找到实时问题的解决方案。本设计采用了PC+运动控制卡的主从式系统结构，数控系统所有的实时性任务都由运动控制卡来完成，由此来解决 Windows 实时性能不强的问题。5.4 主轴控制系统的软件结构和工作流程为满足开放性、可扩展性和自定义性等要求, 开放数控系统的软件部分采用模块化的工程思想 16。本设计的主轴控制系统的软件结构分为实时控制软件和非实时的系统管理软件两部分。（1）实时控制部分主要是指承担伺服控制任务的运动控制卡，它是组成 PC+运动控制卡的硬件核心，它能够完成数控系统所有的实时性任务，如插补计算、位置速度控制、刀具补偿等。考虑到开放式数控系统模块化、开放性和开扩展性的系统要求，本系统实时控制软件主要包括伺服驱动模块、插补模块、数据采集及数字化加工模块等。（2）非实时控制部分，是指人机界面、加工参数输入、数据处理和管理和故障诊断功能等。本系统的管理软件主要实现运动控制卡的初始化、参数的输入和加工程序的编辑、系统的管理和完成 PC 机与运动控制卡的通信等功能。本设计的主轴控制系统采用 IPC 机+运动控制卡的结构，IPC 机作为上位机，运动控制卡作为下位机。IPC 机主要负责实现程序的译码、轨迹的仿真、故障诊断、主机与运动控制卡的通讯和帮助等功能。而运动控制卡完成数控系统的所有实时控制功能，如插补、伺服电机控制等功能，由于运动控制卡拥有自己独立的 CPU 和内存，所以它并不需要占用 IPC 机的资源，就可完成相应的功能。上位机和下位机通过系统总线进行通讯，IPC 机把用户输入的数控程序和加工参数进行运算处理后传递给运动控制卡，运动控制卡通过对输出脉冲数量和频率的控制来控制运动的方向、速度与位移，并通过连接在伺服电机上的编码器检测到得实时参数返回到 IPC 机，由此可以在显示器上实时显示运动部件的情况。工作流程如图 5.2 所示。- 20 -图 5.2 数控系统软件结构与工作流程第一步 IPC 机的程序要完成运动控制卡的查找，判断运动控制卡是不是已经插入到 PCI 或 ISA 插槽中，然后才能向运动控制卡的内存中写入 IPC 机的控制指令和数据，否则将造成误操作，产生错误。当确定两者已经成功连接后，IPC 机根据Windows 消息映射机制把用户的操作命令转变成一系列的消息发送到相应的功能块中去处理，从而完成输入输出数据处理、状态显示、刀具半径补偿和译码等功能。运动控制卡先要完成硬件的初始化，完成后进入基于定时器中断程序的循环中，在循环中运动控制卡不时地访问它内存中的数据，如果没有新数据的输入，它会在中断周期内执行预定的任务，如果有新数据，它就将输入数据转变成程序入口地址，去调用相应的处理程序，如速度处理、位置控制等。6 结 论基于工业控制计算机和运动控制器的开放式数控系统是数控系统的发展方向，它的模块化、标准化、可再次开发、平台无关性和适应网络操作环境的特点必将引起人们越来越多的重视。本毕业设计对开放式数控系统进行了研究，并将其应用于立铣床主轴系统的控制中，完成了立铣床主轴机械部分、主轴控制系统的硬件和软件系统的设计。开放式数控系统主轴设计，采用 NC 嵌入 PC 型数控系统，使用了 IPC 机作为系统的软件平台，利用变频器将电网电压提供的恒压、恒频的交流电转换成变频变压的交流电，用以实现主轴电机的无级调速。PLC 与变频器的应用实现了对主轴的控制本设计通过对主轴控制系统硬件和软件的设计，选用了研华 IPC 机和固高 GT-400-SV 的高性能的运动控制器，选择 Windows xp 作为开发平台。由于 Wnidows 是