基于PMAC的数控试验台研究与开发

1、2008年6月陕西理工学院学报June .2008第24卷第2期Journal of Shaanxi University of Technol ogy Vol .24No .2文章编号1673-2944(200802-0001-04基于P MAC 的数控试验台研究与开发彭玉海,白海清,何宁(陕西理工学院机械工程学院,陕西汉中723003摘要数控技术是支持现代装备制造业的关键技术群,直接决定制造装备的功能和性能,是信息化带动工业化进程中装备层的关键技术。在对开放式数控系统研究的基础上,构建了基于工控机和P MAC 运动控制卡的数控系统,进一步研究开放式数控系统的体系结构和构建方法。在构建基于P

2、 MAC 运动控制卡的数控系统过程中,采用了模块化的设计方法,并将构建的数控系统用于数控技术试验平台,结合试验,研究基于P MAC 运动控制卡的数控系统的功能和性能。关键词数控技术;运动控制卡;试验台;开放式中图分类号T M359.4文献标识码A收稿日期:2007-09-12基金项目:陕西省数控加工技术重点实验室科研项目(02JS18。作者简介:彭玉海(1973,男,陕西榆林人,陕西理工学院讲师,硕士研究生,主要研究方向为数控技术、CAD /C AM 技术。随着技术的进步,市场竞争的加剧,目前专用体系结构的数控系统越来越暴露出其固有的缺陷。一方面,各控制系统间互连能力差,影响了系统的相互集成,

3、风格不一的操作方式以及专用件的大量使用,不但使用户培训费用增加,还给数控设备用户(NC 系统的最终用户带来很多不便;另一方面,系统的封闭性使它的扩充和修改极为有限,造成数控设备制造商(NC 系统中间用户对系统供应商的依赖,并难以将自己的专门技术、工艺经验集成到控制系统并形成自己的产品特点,这将不利于提高主机产品的竞争力。因此,开放式数控系统将成为数控系统未来的发展趋势。开放式数控系统目前有3种实现途径,“PC 机+数控专用模板”、“I PC +可编程运动控制器”以及“纯PC 机型”。“PC 机+数控专用模板”这种数控系统的开放性只限于PC 微机部分;“I PC +可编程运动控制器”以I PC

4、标准插件形式的开放式可编程运动控制器为核心。I PC 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,支持用户的开发和扩展,具有上、下两级的开放性,而且开发成本较低。“纯PC 机型”完全采用PC 机的最新开放体系结构的全软件形式的数控系统,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,但是开发成本以及周期较长。美国Delta Tau 公司的P MAC 运动控制卡拥有自身的CP U,同时开放包括通信端口、存储结构在内的大部分地址空间,具有计算速度快、质量可靠、功能稳定、控制精度高

5、、灵活性好、可共享计算机所有资源等特点。Delta Tau 公司的P MAC 产品可以分为板卡级和系统级运动控制器,由于系统级运动控制器属于高度集成产品,所以选用板卡级产品。板卡级产品根据总线形式主要有PC I,VME 和PC104总线接口形式。1数控技术试验台的构建1.1系统总体结构数控技术试验台控制轴数为5轴,分别是X,Y,Z 直线运动轴和B ,C 转动轴,可以实现多坐标联动控制。试验台控制系统采用“工业控制机+运动控制卡”的形式来构建数控系统,伺服驱动元件采用步进电动机(还可以置换为交流或直流伺服电动机,进行精度对比实验,检测元件采用编码器,结构如图1所示。图1数控技术试验台结构框图1.

6、2机械结构在现代数控机床中,为得到高速下能够平稳运行、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这些要求。因此本试验台采用了滚珠丝杠和滚动导轨的组合,通过滑台和转台构成串联形式的试验台,其中,X,Y,Z 的行程分别为200mm ,400mm ,200mm.B ,C 转台可以正反整周回转,如图2所示。1.3数控系统的硬件结构开放式数控系统的硬件结构应根据开放方式数控系统的1-Z 向固定导轨;2-X 向滑台;3-B 向转台;4-Y 向滑台;5-C 向转台;6-立柱;7-

7、Z 向滑台图2试验台基本结构发展、成本以及开发难度来确定其实现形式。由于“I PC +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I PC 标准插件形式的开放式可编程运动控制器为核心,支持用户的开发和扩展,具有上、下两级的开放性,而且开发成本较低,因此采用“I PC +可编程运动控制器”的形式来构建数控系统。同时,P MAC 运动控制卡具有较好的开放性、速度快、可靠性高、稳定性好、精度高、灵活性好、可共享性等特点,所以采用P MAC2A -PC104运动控制卡(主卡属于四轴卡,通过Acc -1P 轴扩展卡扩展4个通道,并且用Acc -2P 以及Acc -

8、34AA 进行双通道RAM 以及数字I/O 的扩展。整个数控系统的硬件系统以P LK -450工业控制计算机为基础,在I PC I S A 总线插槽上接入I S A 转PC104转接卡来适配P MAC2A -PC104运动控制卡,这样I PC 的CP U 与P MAC 运动控制卡的CP U 就形成主从式结构。当然,工控机与P MAC 运动控制卡也可以通过RS232C 串口来实现实时通信。为实现图3基于P MAC 数控系统的硬件结构P MAC 的多轴控制(数控功能,P MAC 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3所示。工控机上的CP U 与P MAC 的CP U (DSP5

9、60001构成主从式双微处理器结构,P MAC 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。1.4数控系统的软件结构数控系统控制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。本数控系统软件分为P MAC 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CP U 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

10、显示等以及软硬件的功能划分,然后充分利用P MAC 资源和开放的W I N DOW S 操作系统平台进行软件的开发。所开发的系统软件的体系结构及人机界面如图4和图5所示。2陕西理工学院学报第24卷 图4系统软件体系结构2数控技术试验台的应用试制好的数控技术试验台可以进行P I D参数的整定、运动精度的检测、定位误差的补偿、数控程序(运动程序和P LC程序的执行等方面的试验研究,由于篇幅的限制,本文仅以定位精度的测定为例说明。在数控技术试验台中,机械本体的运动是数控系统控制的目标,控制目的是为了获得能够满足期望精度、稳定性好、能快速响应目标值的系统。因此,运动系统的精度是数控技术试验台的一个重要

11、指标。以Y轴移动平台为例进行检测,Y轴行程为400mm,选4个目标位置进行测量(P1=5.321mm,P2=138.886mm,P3=269.453mm,P4=391.708mm,测量工具采用光栅尺(测量精度为5m,检验循环采用标准检验循环方式,如图6所示 。图5数控技术试验台人机界面表1数控技术试验台Y轴定位精度和重复定位精度检验结果轴向偏差单向单向双向反向差值B mm不适用不适用0.011(i=3平均反向差值不适用不适用0.0075双向平均位置偏差的范围M mm不适用不适用0.0189=-0.0006-(-0.0195定位系统偏差E mm0.0175=-0.004-(-0.02150.02

12、04=0.0029-(-0.01750.0244=0.0029-(-0.0215重复定位精度R mm0.0192(i=20.0153(i=10.0228(i=1定位精度A/mm0.0353=0.0042-(-0.03110.0323=0.0106-(-0.02170.0417=0.0106-(-0.03113第2期彭玉海,白海清,何宁基于P MAC的数控试验台研究与开发图6试验台Y 轴定位精度检验循环图根据对数控技术试验台Y 轴平台检验数据的处理,得出了表1所示的检验结果,由此可得出,数控技术试验台Y 轴的定位精度和重复定位精度分别为:定位精度A =0.0417mm ,重复定位精度R =0.0

13、228mm .从试验结果可以得出,系统的定位精度还比较差,因此需要进一步对机电系统进行联调以及对误差进行补偿。经过对系统联调以及在线补偿之后测得系统的Y 轴的定位精度和重复定位精度分别为:定位精度A =0.0145mm ,重复定位精度R =0.0163mm .3小结利用工控机和P MAC 运动控制卡构建的数控系统应用于数控技术试验台,并进行了试验研究,试验结果表明所构建的数控系统功能和性能满足设计要求。同时,由于P MAC 运动控制卡功能十分强大,许多功能还没有开发利用,所以所研制的数控技术试验台还具有较大的开发空间。参考文献1刘恒娟.基于P MAC 的开放式数控系统的研制J .组合机床与自动

14、化加工技术,2004,(10:8486.2赖国庭,吴玉厚,富大伟.基于P MAC 的开放式数控系统研究J .制造业自动化,2002,24(9:3436.3赖国庭,吴玉厚,富大伟.开放式数控系统的发展及性能研究J .机械与电子,2003,(2:35.4孔凡凯,薛开.基于P MAC 的转台运动控制系统开发J .应用科技,2005,32(4:4344.Research and devel opment of CNC technol ogy experi m entalbench based on P MACPE NG Yu 2hai,BA I Hai 2qing,HE N ing(School of

15、 Mechanical Engineering of Shaanxi University of Technol ogy,Hanzhong 723003,China Abstract:The CNC technol ogy,which directly decides the functi on and perf or mance of manufacturing equi pments,is the key technique gr oup that supports the modern equi pment manufacturing industry .And it is als o

16、the key technique f or equi pment layer which can push f or ward industrializati on with inf or matizati on .Thr ough the research of open CNC,a kind of CNC syste m had been constructed based on I PC and P MAC mo 2ti on contr ol card .Further,studied the open CNC architecture and its constructing method .The designing meth 2od of modularizati on was adop ted during the constructing of CNC based on P MAC moti on contr ol card,and the CNC