位置伺服系统误差分析及控制器的设计

位 置 伺 服 系 统 误 差 分 析 及 控 制 器 的 设 计摘要 位置伺服系统又称位置随动系统，主要解决对象的位置控制问题，根本任务就是实现执行机构对位置指令的准确跟踪，系统的输出量或称被控制量一般是负载的空间位移，当给定量随机变化是，系统的输出量能准确无误地跟踪给定量的变化并能复现给定量。在一些精度要求比较高的伺服控制领域中，由于机械传动装置的刚性、摩擦阻尼等非线性因素和传动间隙等都不包括在半闭环伺服系统的位置环内。现实中大部分传动间隙、弹性变形、滚轴丝杠的误差及滞后得不到补偿，使其位置精度的提高受到了很大的限制。为了克服半闭环伺服系统的这种不足，利用线位移光栅位移传感器安装在机床的工作台上，用以检测机械传动机构中由螺距误差、间隙及各种干扰所造成的传动误差。采用的闭环步进电机位置控制系统，并进行反馈补偿控制从而提高机床的位置控制精度。同时还能保证全闭环伺服系统具有良好的跟踪能力和抗干扰能力。关键词：数控系统；定位精度；位置控制器及误差分析position servo system error analysis and controller designAbstract： Server system, also known as the location of position servo system, the main solution to control the location of the object, the fundamental task is to realize the implementation agencies to accurately track the location of instructions, the system output, or control the volume of the space is generally load displacement, when the quantitative random changes in the system output can track the accuracy of the quantitative changes and restoration is to the quantitative. In some relatively high precision servo control, because of the rigidity of mechanical transmission device, such as nonlinear friction damping drive space and other factors and are not included in the semi-closed-loop position servo system loop. In reality the majority of drive space, elastic deformation, in-line error and the lag screw is not compensation, to improve the location accuracy has been greatly hindered. In order to overcome the semi-closed-loop servo system of this deficiency, the use of linear displacement grating displacement sensor installed in the machine table, for the detection of mechanical transmission error by the pitch, clearance and various kinds of interference caused by transmission error. Stepper motor used in the closed-loop position control system, and control feedback compensation to improve accuracy of position control of machine tools. At the same time can ensure the closed-loop servo system has good tracking ability and anti-interference ability.Key words: CNC system; positioning accuracy; position controller and error analysis目 录1 绪 论 .11.1 数 控 技 术 的 发 展 .11.1.1 发展现状和发展趋势 .11.1.2 开放式数控系统 .11.2 毕 业 论 文 设 计 的 内 容 要 求 .42 数 控 工 作 台 的 简 要 说 明 .52.1 总 体 结 构 .52.1.1 主要技术参数 .52.1.2 总体布局 .52.1.3 控制形式 .52.1.4 数控装置 .52.2 机 械 部 分 说 明 .62.2.1 滑台 .62.2.2 转台 .82.2.3 检测元件 .92.3 控 制 原 理 说 明 .112.3.1 工控机（IPC ） .112.3.2 PMAC2A-PC104 运动控制卡组 .122.3.3 I/O 板 .132.3.4 硬件控制系统的结构 .132.3.5 系统软件结构 .143 实 验 及 数 据 处 理 .173.1 实 验 过 程 .173.1.1 测量装置和仪器 .173.1.2 目标位置的选择 .173.1.3 操作方法和步骤 .173.1.4 实验数据记录 .193.2 实 验 数 据 处 理 .193.3 总 结 .234 位 置 控 制 器 的 设 计 及 补 偿 装 置 .244.1 位 置 控 制 器 的 设 计 .244.1.1 位置控制器的定义 .244.1.2 位置控制器的功能和实现方式 .244.1.3 位置控制器数学模型 .244.1.4 位置伺服系统误差的补偿 .264.1.5 PID 控制调节器设计 .274.2 总 结 .31致 谢 .32附 录 .361 绪 论1.1 数控技术的发展1.1.1 发展现状和发展趋势在一些精度要求比较高的伺服控制领域中，由于机械传动装置的刚性、摩擦阻尼等非线性因素和传动间隙等都不包括在半闭环伺服系统的位置环内 1。大部分传动间隙、弹性变形、滚轴丝杠的误差及滞后得不到补偿，使其位置精度的提高受到了很大的限制。为了克服半闭环伺服系统的这种不足，利用线位移光栅位移传感器安装在机床的工作台上，用以检测机械传动机构中由螺距误差、间隙及各种干扰所造成的传动误差。采用的转角-线位移双闭环位置控制，并进行反馈补偿控制从而提高机床的位置控制精度。同时还能保证全闭环伺服系统具有良好的稳定性 23。位置伺服控制系统的精度在很大程度上决定了数控机床的加工精度。为了保证有足够的精度，一方面要正确选择系统中开环放大倍数，另一方面要对位置检测元件提出精度要求。因为在闭环控制系统中，对于检测元件本身的误差和被检测量的偏差是很难区分出来的，数控机床的加工精度主要由检测系统的精度决定。位移检测系统能够测量的最小位移量称做分辨率。分辨率仅取决于检测元件本身，也取决于测量线路。在设计数控机床、尤其是高精度或大中型数控机床时，必须量，一般要求比加工精度高一个数量级。总之，高精度的控制系统必须有高精度的检测元件作为保证。所幸，用于数控机床的大量程长度和圆分度传感器已获得了长足的发展，普遍获得应用的光栅、磁栅系统等，其分辨率与精度都有明显的提高。例如：用于数控系统的长度检测元件，其分辨率可在0.15um之间选择。1.1.2 开放式数控系统由于传统的数控系统采用专用计算机系统，软硬件对用户都是封闭的，主要存在各数控系统生产厂家的产品软硬件不兼容、系统功能固定、人机界面不灵活等缺点，使其发展受到了限制，为克服传统数控系统的缺点，数控系统正朝着开放式数控系统的方向发展。对于开放式数控系统，IEEE (国际电气电子工程师协会)是这样定义的：“An open system provides capabilities that enable properly implemented applications to run on a variety of platforms from multiple vendors，interoperate with other systems application， and present a consistent style of interaction with the user.”根据这一定义，开放式数控系统必须是一个全模块化的软件体系结构。它具备互操作性、可移植性、可缩放性和可互换性的特点，具有定义了标准协议的通讯系统，使得各个功能模块能通过应用程序接口 API(Application Program Interface)来相互交换信息并相互操作；同时，系统还应具备一个实时的配置系统，使得各个功能模块无论在系统运行之初还是之间都能够被灵活地配置。（1）开放式数控系统的体系结构 12345对于开放式控制体系结构的研究，较著名的有美国的 OMAC (Open Modular Architecture Controls)、欧洲的 OSACA (Open System Architecture for Control within Automation System)和日本的 OSEC(Open System environment for controllers)计划。在 OMAC 计划中，提出了系统的基本框架，信息库管理、任务调度、人机接口、运动控制和传感器接口等，构成了完整的体系结构。同时，还将控制器分为控制核心和应用编程接口两大模块，控制核心包括实时控制、数据库管理和图形支持软件等，而应用编程接口部分则由各种 API 接口构成。OSACA 提出一个“分层的系统平台十结构功能单元”的体系结构，保证各种应用系统与操作平台的无关性及相互间的互操作性，开放性是十分明确的，并规定了不同的开放层次：即应用层开放、核心层开放( 与 OSACA 部分兼容)和全部开放(与 OSACA 全部兼容)。OSEC 体系属于层次性结构，系统按功能分层，每一层按照功能分为若干个模块，层次间具有单向调用或者依赖关系，每一层都在其下层建立，下层为上层提供所需的服务，同一层的模块间按照一定的接口关系自由调用。2000 年，国家经贸委和机械工业局组织进行 “新一代开放式数控系统平台”的研究开发。2001 年 6 月完成了在 OSACA 的基础上编制“开放式数控系统技术规范”和建立了开放式数控系统软、硬件平台，并通过了国家级验收。2003 年，我国以国际上现有的开放式数控系统体系结构等先进标准规范为参考，同时兼顾中国数控系统产业现状和特点，开始制定开放式数控系统（ONC）体系结构 ，即我国的开放式数控体系结构标准 ONC。（2）开放式数控系统数据接口规范 STEP-NC随着数控技术的迅速发展，现代化的生产对 CNC 的要求也越来越高，传统的G、M 代码(IS06983 )已不能适应现代化生产和技术发展的需要。这种面向运动和开关控制的数控程序限制了 CNC 系统的开放性和智能化发展，同时也使得 CNC 与CAX 技术之间形成了瓶颈，严重阻碍了机械制造业的发展。为了克服 IS06983 的诸多缺点，一种面向对象的新型数控编程数据接口国际标准IS014649 (STEP-NC)应运而生，STEP-NC 是将 STEP(Standard for the Exchange of Product Model Data)向 NC领域的扩展，它体现了开放式数控系统的一个重要特征。我国于 90 年代初开始着手研究 STEP 标准，现在国内的研究主要集中在消化STEP-NC 标准， STEP-NC 的数据模型，STEP-NC 编程方法以及 AP238 应用协议的实施方法这些方面。（3）开放式数控系统的实现途径关于开放式数控系统的特征通常认为包括硬件系统的开放性和软件系统的开放性，开放的硬件系统由模块化的速度控制单元、位置控制单元和内置的 PLC 构成；开放的软件系统是指数控软件系统的设计模块化及模块间的接口标准化。目前，开放式数控系统有 3 种实现途径。1）PC 机+ 数控专用模板。即在 PC 机上嵌入数控专用模板，该模板具有位置控制功能、实时信息采集功能、输入输出接口功能和内嵌式 PLC 单元等。这种结构形式使整个系统可以共享 PC 机的硬件资源和软件资源，代表产品如SINUMERIK840D。与传统的 CNC 系统相比，具有软硬件资源的丰富性、透明性和同享性，便于新技术升级换代。但这种数控系统的开放性只限于 PC 微机部分，只能说是有限的开放，其专业的数控部分仍然处于封闭状态。2）IPC+可编程运动控制器。这种基于开放式可编程运动控制器的系统结构以通用工业控制机为平台，以 IPC 标准插件形式的开放式可编程运动控制器为核心。IPC 负责如数控程序编辑、人机界面管理等功能，运动控制器负责机床的运动控制和逻辑控制。这种运动控制器以运动子程序的方式解释执行数控程序，以 PLC 子程序方式实现机床逻辑控制，支持用户的开发和扩展，具有上、下两级的开放性。代表产品有 WizdomControls 公司的 Paradym-31，此产品采用 Delta Tau 公司的PMAC（Programmable Multi-Axis Controller）可编程多轴运动控制卡嵌入 IPC 实现运动控制。优点是：成本低（采用标准计算机） 。可运行用户自定义的软件。界面比传统的 CNC 友好。美国 Delta Tau 公司的 PMAC 拥有自身的 CPU，同时开放包括通信端口、存储结构在内的大部分地址空间，具有灵活性好、功能稳定、可共享计算机所有资源等特点。3）纯 PC 机型。也称 SOFT 型，即完全采用 PC 机的全软件形式的数控系统，这是一种最新开放体系结构的数控系统。它提供给用户最大的选择和灵活性，它的CNC 软件全部装在计算机中，而硬件部分仅是计算机与伺服驱动和外部 I/O 之间的标准化通用接口。就像计算机中可以安装各种品牌的声卡和相应的驱动程序一样。用户可以在 WINDOWS 平台上，利用开放的 CNC 内核，开发所需的各种功能，构成各种类型的高性能数控系统，与前几种数控系统相比，SOFT 型开放式数控系统具有最高的性能价格比，因而最有生命力。通过软件智能替代复杂的硬件，正在成为当代数控系统发展的重要趋势。其典型产品有美国 MDSI 公司的 Open CNC、德国 Power Automation 公司的 PA8000 NT 等。1.2 毕业论文设计的内容要求根据位置伺服系统在机床上的应用，研究位置伺服系统的结构特点，位置伺服系统的误差对机床加工精度影响。本课题利用机械学院数控试验台，通过光栅传感器测量位置误差，研究影响位置伺服系统误差的因素，用 MATLAB 软件分析误差分布，找出误差与运动之间的规律，设计位置控制器以及误差补偿装置，使位置系统的运动精度达到要求。具体任务如下：（1） 了解本课题目前有关情况，完成楷体报告和英文翻译。（2） 熟悉机械学院数控试验台的结构和控制系统，绘制数控试验台结构图和控制系统原理图各 1 张，A0。（3） 测量位置伺服系统误差，找出误差规律。绘制误差分布图 1 张，A3 。（4） 设计位置控制器以及误差补偿装置，绘制位置控制器和补偿装置图 1 张，A1。 （5） 编写设计说明书 1 份，格式和字数满足学员要求。 2 数 控 工 作 台 的 简 要 说 明2.1 总体结构2.1.1 主要技术参数系统达到的技术指标为：脉冲当量 0.01mm，多坐标联动控制，行程 400mm，最大移动速度 2m/min。确定 Z 向行程 400mm，X、Y 向行程 200mm；B、C 两个转动轴每脉冲转角不大于 5 分。Z 向采用光栅测量位移，分辨率为 0.05mm；X、Y 、Z 、B、C 向电机轴上装编码器，分辨率不大于 5 分。2.1.2 总体布局试验台总体布局如图 2-1 所示。2.1.3 控制形式X、Y、B、C 向采用半闭环控制；Z 向即可采用闭环控制，也可采用半闭环控制。2.1.4 数控装置数控装置采用工控机（IPC）+运动控制器（PMAC）图 2-1 试验台基本结构1-Y 向固定导轨；2-X 向滑台；3-B 向转台；4-Z 向滑台；5-C 向转台；6-立柱；7-Y 向滑台2.2 机械部分说明在现代数控机床中，为得到高速下的平稳运行，并具有较高的定位精度且防止爬行，要求进给系统中的机械传动装置和元件具有较高的灵敏度，低摩擦阻力和动、静摩擦系数之差以及提高寿命等特点，而滚动导轨和滚珠丝杠螺母副能较好地满足要求。因此本实验台的设计采用了滚珠丝杠和滚动导轨的组合。需要根据进给驱动系统的要求进行设计。2.2.1 滑台本实验台为五轴数控试验台，行程为 X 方向 200mm，Y 方向 400mm，Z 方向200mm。其中 X、Y 方向为上下两层运动台，结构相同。本实验台为无负载实验台，对 Y 方向来说，工作台重量约 200（X 方向 155N，转台 45N） 。一.导轨1）导轨概述导轨的功用：本设计的导向机构是导轨，导轨主要是用来支承和引导运动部件沿着一定的轨迹运动。本设计要求其机械系统的各运动机构必须得到安全的支承，并能准确地完成特定方向的运动，这个任务就是由导向机构来完成。导轨的分类和特点:两个作相对运动的部件构成一对导轨副 ,其中,在工作时固定不动的配合面称为固定导轨或静导轨;相对固定导轨作直线和回转运动的配合面称为运动导轨.根据导轨副之间的摩擦情况,导轨分为滑动导轨和滚动导轨两大类.滚动导轨的优点是摩擦系数小,一般在 0.003-0.004,动静系数很接近,低速运动不会产生爬行现象,可以使用油质润滑.滚动导轨的两导轨面之间为滚动摩擦,磨损小,寿命长,定位精度高,灵敏度高,但是结构复杂,几何精度要求高,抗振性较差,防护要求高.制造困难,成本高.它适用于工作部件要求移动均匀、动作灵敏以及定位精度高的场合.滚动导轨因其特有的优点在数控机床在的应用十分广泛,现在常用的有直线导轨副、滚动导轨块和直线滚动导轨副。直线导轨副一般用滚珠作为滚动体，滚动导轨块用滚子做滚动体，滚动导轨副的导轨轴时圆柱体，用合金钢制成，与前两者相比，承载钢球与导轨副之间是两个凸圆之间的点接触，许用载荷小很多。因此。滚动导轨副只能用于轻载场合，并且一般不予加载荷。二. 丝杠1滚珠丝杠副的介绍滚珠丝杠副是螺旋传动元件，它的产生和发展只经历了数十年的历史，然而它具有长寿命、高刚度、高效率、高灵敏度、无间隙的特点，并具有优越的高速特性和耐磨特性及可逆性等特点，这些特点都是普通丝杠副不可能具有的机械传动性能。同时它可以由专业生产厂家组织生产和供应，已实现了标准化、通用化、商品化，用户可根据各自得需要方便地进行选购和订购，因此滚珠丝杠副以其显著的特点而得以广泛应用，成为各类数控机床的主要传动机构。滚珠丝杠副食一种螺旋传动机构，在具有螺旋槽的丝杠和螺母之间装有中间传动元件滚珠。它由丝杠螺母滚珠和返向器等四部分组成，当丝杠和螺母转动时，滚珠沿螺纹滚道滚动，丝杠和螺母之间相对运动时产生滚动摩擦。为防止滚珠从滚道中滚出，在螺母的螺旋槽两端设有回程引导装置，如返向器和挡柱器，它们与螺纹滚道形成循环回路，使滚珠在螺母滚道内既自转又沿滚道循环转动。滚珠丝杠副与普通丝杠副相比较，它用滚道摩擦代替滑动摩擦，具有以下特点：（1）摩擦损失小、传动效率高。由于滚动丝杠副的摩擦损失小，其传动效率可达 90-96%，约为普通螺旋机构传动效率的 2-3 倍；（2）磨损小、寿命长。通常，滚珠丝杠副的主要零件都经过淬硬，表面粗糙度较低，且滚动摩擦的磨损很小，因而具有良好的耐磨性，精度保持性能好，工作寿命长；（3）轴向刚度高。滚珠丝杠副可完全地消除传动间隙，不影响运动的灵活性，从而可以获得较高的轴向刚度，而且可以通过预紧来提高轴向刚度；（4）摩擦阻力小、运动平稳。由于是滚动摩擦，动、静摩擦系数相差极小，其摩擦阻力几乎与速度无关，启动力矩与运动力矩近乎相等。因此灵敏度高，运动较平稳，启动时无颤动，低速传动时无爬行现象；（5）不能自锁。由于滚珠丝杠副没有自锁能力，用于垂直升降传动时必须增设自锁装置或制动装置；（6）具有传动的可逆性。由于滚珠丝杠副摩擦损失小，可以从螺旋运动转换为直线运动，也可以从直线运动转换为旋转运动，即丝杠和螺母都可作为主部件，也可作为从动件。但是，与普通丝杠副相比，滚珠丝杠副尚存在结构复杂，工艺难度大，制造成本高等缺点。根据滚珠丝杠副螺纹滚道法向截面的形状、滚珠的循环方式、消除轴向间隙和调整预紧的方法不同，将滚珠丝杠传动分为以下几种不同的结构型式：（1）螺纹法向截型 螺纹法向截型是指通过滚珠中心的螺旋线的法向平面与丝杠或螺母滚道面的交线的形状。目前，较常用的滚道型面为单圆弧和双圆弧两种。单圆弧滚道型 面的特点是容易得到较高的精度，但接触角不容易控制，因而其传动效率、承载能力和轴向刚度均不够稳定。双圆弧滚道型面的特点是滚道型面的精加工较困难，其传动效率、承载能力和轴向刚度均较稳定。（2）滚珠循环方式 按照滚珠在整个循环过程中与丝杠表面的接触情况，循环方式分为内循环和外循环两种。由于制造和安装的误差，滚珠丝杠副存在间隙，影响其传动精度并降低了滚珠丝杠副的刚度，因此要采取消除间隙的预加载荷的方法。目前广泛采用的是双螺母调整预紧装置。综上所述，滚珠丝杠的支承方式主要有四种，我们选用两端支承方式它的优点是可对丝杠进行预拉伸，可承受两个方向的轴向力，保持了丝杠精度。因此，该支承方式只承受拉力，不承受压力，因此不存在压杆的稳定性问题。2.确定滚珠丝杠副的规则代号根据传动方式及使用情况,参考汉江机床厂产品样本,确定其型号为:GQ16 5-P3.三. 电机确定本实验台是基于 PMAC 运动控制卡实现控制，是一个 IPC+PMAC 型的开放式数控系统，为了使机械本体也具有开放性，在伺服电机的选择上使本试验台的 Y 方向上既可用交流伺服电机也可用步进电机。考虑到系统具有跟随误差，我们选择用步进电机。选择步进电机的型号为:四通步进电机 56BYG250B,其精转矩为 0.65Nm,空载启动频率 2.7KHZ,满足要求.2.2.2 转台本实验台为五轴数控实验平台，其中三个直线移动，两个转动。两个旋转运动由转台实现，结构相同。设计要求为：工作台直径 100mm，分辨率不大于 5 分，无负载。根据设计要求，确定采用步进电机为执行元件，涡轮蜗杆副减速的装置。2.2.3 检测元件检测系统是机电一体化产品中的一个重要组成部分，用于实现计测功能，检测外部环境及自身状态的各种物理量及其变化，并将这些信号转化成电信号，然后再通过相应的变换、放大、调制解调、运算等电路，将有用信号检测出来，反馈给控制装置或显示，实现这些功能的传感器及其检测电路构成了数控试验台的检测系统。由于检测系统一般是由传感器和若干变换环节组成，为了保证检测过程中能够忠实地把所需信号从信号源通过其载体信号传输到输出端，整个过程既不失真也不受干扰，传感器及其检测系统必须满足下列要求：精度灵敏度和分辨率高，能满足数控试验台对检测精度和速度的要求；线形、稳定性和重复性好，工作可靠；静、动态特性好，测量范围较大；抗干扰能力强。此外，还应体积小，重量轻，价格便宜、安装与维修方便、对环境适应能力强。根据本试验台设计要求和所达到的精度，选择编码器和直线光栅尺分别作为本试验台的速度和位置检测元件。（1） 光栅确定目前，在高精度的位置检测系统中，大量采用光栅作为检测反馈元件，光栅是将机械位移或模拟量转变为数字脉冲的测量装置。常见的光栅从形状上分为长光栅和圆光栅两大类，圆光栅用于检测角位移，常光栅用于检测直线位移，光栅的检测精度较高，可以达到1m。本试验台要求直线位移最小分辨率为 0.005mm，考虑到 PMAC 控制的兼容性，选用英国生产的 Renishaw RGH22 P30D00 光栅尺，栅距 20m，分辨率 5m 。（2） 编码器确定编码器是以数字化信息将角度长度的信息以编码的方式输出的传感器，其具有高精度，大量程测量，反应快，数字化输出特点；体积小，结构紧凑，安装方便，维护简单，工作可靠。编码器以测量方式来分，有直线型编码器，角度编码器，旋转编码器。如以信号原理来分，有增量型编码器，绝对型编码器。增量型编码器由一个中心有轴的光电码盘，其上有环形通、暗的刻线，有光电发射和接受器件读取，获得四组正旋波信号组合成 ABCD，每个正旋波相差 90 度相位差，将 CD 信号反向，叠加在 AB 两组上，可增强稳定信号；另每转输出一个 Z相脉冲以代表零位参考位。由于 AB 两相相差 90 度，可通过比较 A 相在前还是相在前，以判别编码器的正传与反转，通过零位脉冲，可获得编码器的零位参考位。编码器码盘的材料有玻璃金属塑料，玻璃码盘时在玻璃上沉积很薄的刻线，其热稳定性好，精度高，金属码盘直接以通和不通刻线，不易碎，但由于金属有一定的厚度，精度就有限制，其热稳定性就要比玻璃的差一个数量级，塑料码盘时经济型的，其成本低，但精度热稳定性寿命均差一些。分辨率编码器以每旋转 360 度提供多少的通或暗刻线称为分辨率，也称解析分度、或直接称多少线，一般在每转分度 510000 线。增量型编码器信号输出有正旋波，方波，集成极开路，推拉式多种形式，其中TTL 为长线差分驱动，HTL 也称推拉式、推挽式输出，编码器的信号接收设备接口应于编码器对应。信号连接编码器的脉冲信号一般连接计数器、PLC、计算机，PLC 和计算机连接的模块有低速模块与高速模块之分，开关频率有低有高。如单项连接，用于单方向计数，单方向测速。A. B 两相联接,用于正方向计数判断正反向和测速.A、B、Z 三相联接,用于带参考位修正的位置测量.A、A-，B、B-，Z、Z- 连接,由于带有对称负信号的连接,电流对于电缆贡献的电磁场为 0,衰减最小,抗干扰最佳,可传输较远的距离.对于 TTL 的带有对称负信号输出的编码器,信号传输距离可达 150 米.对于 HTL 的带有对称负信号输出的编码器,信号传输距离可达 300 米.绝对编码器光码盘上有许多道光通道刻线,每道刻线依次以 2 线、4 线、8 线、16 线编排,这样,在编码器的每一个位置,通过读取每道刻线的通暗,获得一组从2 的零次方到 2 的 n-1 次方的唯一的 2 进制编码,这就称为 n 位绝对编码器.这样的编码器是由光电码盘的机械位置决定的,它不受停电、干扰的影响.本试验台五个坐标轴都采用编码器进行角位移检测，其中两个转动轴要求最小分辨率不大于 5 分，考虑 PMAC 控制的兼容性，为降低控制难度，五个轴采用相同的增量式编码器，选用日本 NEMICON NOC S5000-2MD 编码器,分辨率为 5000 线,经检测系统 4 分频后可以满足系统最小分辨率要求.2.3 控制原理说明该装置采用的是 IPC(工控机)和 PMAC()的结合，总体结构如图 2-2 所示。图中表示基于 PMAC 运动控制卡构建的数控系统，其中工控机为上位机，负责完成系统管理等非实时性任务，实现系统资源的有效合理分配，信息传递快。运动控制卡实现运动轴的实时控制和各轴测量信息的采集，I/0 卡完成各种开关量信号的输入/ 输出等实时任务。软件基于 WINDOWS 系统，设计成通用性较高的可编程控制方式，使整套控制系统软、硬件具有较强开放性。构建控制系统的具体配置为：工控机 PLK-450，主基板 PMAC2A-PC104，ACC-1P（扩展 4 通道，本项目需要控制 5 个轴） ，ACC-2P-OPT3（数字 I/O通信扩展） ，ACC-2P-OPT2 （双端口 RAM）等。2.3.1 工控机（IPC）工业控制计算机简称工控机，是能在工业环境中可靠运行，能和工业对象的传感器、执行机构直接接口、完成测控（包括管理）任务的微型计算机系统。它可以用于生产现场，完成生产过程的实时数据采集、实时处理及实时控制任务。也可以作为机械设备的一个有机组成部分，完成机械设备的控制任务。工控机是计算机技CPU+内存总线（ISA/PCI/PC104）IPC（工业微机）I/O 卡系统 I/O运动控制卡反馈系统 轴运动控制图 2-2 IPC+运动控制卡术与自动控制技术结合的产物，与信息处理计算机相比，不仅具有 PC 机性能稳定，运算速度快等优点，工控机具还具有以下主要特点：（1）高可靠性对机械设备、生产过程的控制，要求有经济效益和社会效益，控制必须可靠。它涉及到电气部件、机械部件、连接器以及配套的外围设备的可靠性。（2）环境适应性强工业环境恶劣，存在如振动、冲击、噪声、高频信号、电磁波、高湿度、高温度、油、水、粉尘等各种不利条件，要求工控机有极强的抗干扰能力和环境适应能力。由于数控技术试验台主要是模拟于工业环境，因此配置的 4U 工控机 PLK-450工业控制计算机。PLK-450 工业控制计算机配置赛扬 lG CPU、128M 内存、40G 硬盘，采用 FSC-1621VD 主板，具有标准长卡 ISA 总线、PCI 总线，能方便嵌入PMAC 卡，同时具备 RS232 总线和 USB 接口，PMAC 卡与工控机分装时可以通信。2.3.2 PMAC2A-PC104 运动控制卡组由于系统需要控制 5 个轴，而一块 PMAC2A PC-104 可以控制 4 个轴，必须进行扩展。本试验台以一块 PMAC2A PC-104 运动控制卡作为主卡，以 ACC-1P 轴扩展板作为副卡，来扩展另外 4 个通道，构成 8 轴运动控制系统，其外形图如图 2-3 所示。其中，主卡的 4 个轴分别控制 X、Y、Z 三个直线运动轴和一个旋转轴 B；副卡控制另外一个旋转轴 C，同时接入一路光栅尺（Y 轴）反馈，占用两个通道，剩余两个通道可以作为开发的预留通道。2.3.3 I/O 板就运动控制系统而言，其执行的不单纯是运动程序，往往伴随着逻辑控制程序。在一个数控系统中，其处理的逻辑变量主要有原点、限位、主轴功能、换刀功能以及一些辅助功能（如工件夹紧、冷却液开关等） ，一般由可编程逻辑控制器（PLC）完成。因此，在一段数控程序中既包含运动程序，又包含 PLC 程序。基于 PMAC 运动控制卡的开放式数控系统主卡可以实现各轴的原点和限位处理；而其他逻辑控制需要扩展 I/O 板，用 ACC-2P 通信扩展板和 ACC-34AA 光电隔离串行 I/O 扩展板扩展 32 输入/32 输出的系统 I/O，用于外部 I/O 控制。2.3.4 硬件控制系统的结构如上所述，数控系统硬件采用“NC 嵌入 IPC”的形式，以 PLK-450 工业控制计算机为基础，在 IPC 的 ISA 总线插槽上接入 ISA 转 PC104 转接卡来适配 PMAC-PC104 运动控制卡，这样 IPC 的 CPU 与 PMAC 运动控制卡的 CPU 就形成主从式结构。当然，工控机与 PMAC 运动控制卡也可以通过 RS232C 串口来实现实时通信。为实现 PMAC 的多轴控制（数控）功能，PMAC 板卡上扩展了上述相应的附件，构成的数控系统的硬件结构如图 2-4 所示。工控机上的 CPU 与 PMAC 的CPU(DSP560001/DSP560001)构成主从式双微处理器结构， PMAC 主要完成对试验台五轴运动（输出控制量以及检测实际运动量并反馈）和开关量（原点限位等）的控制，工控机则主要实现系统的管理功能。外部 I/O 控制 IPC（工控机）外设ISA PC104PC104PMAC2A-PC104（运动控制器主卡）Acc-1P（轴扩展板）Acc-2P（通信扩展板）Acc-34AA（ 32IN/32OUT）反馈输入X Y Z B反馈输入C Y (光 栅 ) 控制输出X Y Z B控制输出CPCM5151（ISA-PC104）图 2-4 基于 PMAC 数控系统的硬件结构Fig. 2-4 Hardware structure of CNC based on PMAC图 2-3 8 通道 PMAC 运动控制卡组Fig.2-3 8 channels PMAC cards groupPMAC2-PC/104 基板ACC-2PACC-1P2.3.5 系统软件结构1. 概述数控系统的控制系统软件是数控系统重要的组成部分，特别是现代数控系统，完成数控系统大部分的控制功能。数控系统的控制软件研究工作主要包括以下关键技术：（1）选择合理高效的软、硬件开发平台软、硬件开发平台是支撑软件数控系统的前提基础。搭建一个既能满足系统功能要求，又能提供丰富的开发资源，便于系统二次开发和升级换代的软、硬件开发平台是开发中的首要任务。本项目中，硬件平台已经构建完成，软件开发平台以WINDOWS2000 为操作系统平台，利用 PMAC 提供的动态链接库为开发资源。（2）应用高速高精度的插补算法目前机床轨迹控制均采用粗精两级插补的策略，由于受硬件提供的插补采样频率制约，该方法只适于中、低速场合，无法满足高速高精度加工的需要。为此，机床的运动控制特点采用高速高精度的插补算法成为现代高速数控机床的关键技术。PMAC 执行软件中集成了高效直线、圆弧以及样条曲线的插补算法。（3）实现性能优良的软件伺服控制伺服控制是数控系统实现控制目标的最终执行部分，对保证数控机床的加工精度和速度起着关键性的作用，因此如何通过软件实现伺服控制是控制系统软件中极为里要的一项研究内容。PMAC 提供了数字 PID 伺服控制算法，并且支持用户加载自己开发的控制算法。（4）设计可靠、高效率、易维护的开放式数控系统软件软件数控集成了人机接口、系统管理、轨迹控制、伺服控制等多个任务，因而其软件设计也是最为复杂的一项工作，如何开发一套可靠、高效、易维护，并适用于各种机床构型的开放式数控系统成为的核心研究内容，由于 PMAC 动态链接库支持高级语言开发，所以用户采用模块化程序设计方法，能够开发出可靠、高效率、易维护的开放式数控系统软件。2. 系统控制软件开发本数控系统软件分为 PMAC 实时控制软件和系统管理软件两部分。实时控制软件的设计充分考虑了软件的开放性，用户可以根据自己的需要增加软件的功能模块。系统管理软件主要实现系统初始化、故障诊断、参数输人及加工程序编辑、系统进程管理和双 CPU 通讯等功能。根据系统设计要求首先进行系统的功能需求分析（如控制功能、操作功能、界面显示等）以及软硬件的功能划分，然后充分利用 PMAC资源和开放的 WINDOWS2000 操作系统平台进行软件的开发 222325。（1）系统控制软件的体系结构开放式数控系统软件的主要特征有两个方面：一是高度开放的体系结构，二是应用软件的表现形式。这两个特性实际上互为依赖、互为前提。图 2-5 示出了本系统的开放式体系结构，系统划分为设计层、上层应用层、NC 功能层、驱动层、设备层五个层次。（2）系统的软件结构设计操作系统的选择是开放式数控系统软件开发的关键环节。开放式数控系统的软件可以看作是运行于通用操作系统之上的一种应用软件，与其它应用软件的不同特点在于它是一个典型的实时多任务控制系统。从根本上说，只有采用实时多任务操作系统才能真正保